煤电机组超低排放烟尘控制集成技术分析

赵宁宁

（聊城市茌平区环境监控中心，山东 聊城 252100）

众所周知，我国是一个多煤少油的国家，煤炭资源又是中国能源的主要组成部分。近年来，发电装机容量中60%是煤电，发电量中约70%是煤电。另一方面，基于中国目前的科技成熟度和盈利能力，煤炭资源又是中国经济最有力的支撑。根据最新统计数据，2017年，能源生产的煤约为42 000亿千瓦时，相当于能源生产的66.7%。尽管碳能源产量略低于2016年能源产量的67.5%，但碳能源也能向高效清洁的用途转变，因此，在未来很长一段时间内，其他能源都无法完全取代煤电。

在石化、电气、焦炭和冶金工业中，工业锅炉主要燃烧的是煤炭。燃煤发电厂的锅炉以及各种工业炉的烟尘和废气中含有二氧化硫和一氧化氮等有害成分，形成强酸雨和大雾等，使自然环境受到破坏，严重影响了国民经济的可持续发展和人们的身体健康。

1 燃煤电站大气污染物的排放特征

1.1 燃煤电站大气污染物的排放特征

燃煤电站的锅炉在日常使用过程中，会排放出二氧化硫、NOx、粉尘、烟雾等大气污染物；锅炉的类型直接决定了所排出烟尘的特征；煤粉炉运行过程中会形成浓度为30 g/m3左右的烟尘，其中约有1/4为粒径不超过10 μm的颗粒，约有80%左右的飞灰；流化床会形成浓度高达60 g/m3左右的烟尘。燃煤的成分直接决定了二氧化硫的生成量，燃煤锅炉产生的二氧化硫浓度范围在800～10 000 mg/m3，利用喷钙技术可以有效脱硫，其脱硫率达到50%以上；流化床燃烧能够实现85%的脱硫率。燃料和热力型锅炉会产生NOx，煤粉炉产生的NOx浓度范围为221～5 070 mg/m3，通过低氮燃烧的方式能够降低生成NOx的浓度；流化床产生的NOx浓度范围为74～221 mg/m3。相对其他污染物而，排放出的重金属浓度较低，然而其形态较为复杂，且种类繁多[1]。

1.2 燃煤电站超低排放的技术要求

通过分析燃煤电站锅炉的大气污染物排放特征发现，当颗粒物的排放浓度达到10 mg/m3时，就需要综合除尘效率达到99%以上的烟气控制系统，同时还对其细颗粒物的捕集能力提出较高要求；对流化床而言，需要用到综合除尘效率为99.98%以上的烟气控制系统。当二氧化硫的排放浓度达到35 mg/m3时，那么就需要用到综合脱硫效率为95.6%以上的烟气控制系统。如果用到炉内喷钙技术，则需要用到综合脱硫效率为90.2%以上的烟气控制系统。燃烧脱硫的循环流化床，需要用到综合脱硫效率为56.2%以上的烟气控制系统。当NOx的排放浓度达到50 mg/m3，那么需要用到综合脱硝效率为77.3%以上的烟气控制系统。如果采用低氮燃烧技术，则需要用到综合脱硝效率为72.8%以上的烟气控制系统。针对流化床，需要用到综合脱硝效率为32.4%以上的烟气控制系统[2]。

2 现行烟气治理存在的主要问题

尽管随着技术的发展，烟尘技术与管理措施都较为先进，然而，根据对烟雾、灰尘和操作系统的分析，许多电气设备仍被设计为对系统、机器质量、机器设计、安装和损坏操作的管理。

2.1 烟尘超标问题

一些企业排放的粉尘量超出国家限定的要求，其原因还是结构所引起的。目前的电除尘器面积小于粉尘面积，而且除尘设备的除尘效率都达不到相关的标准要求。现实碳质量与计划碳质量不同，除尘器无法适应碳质量的变化，导致其活动减少；设备老化和早期使用维护会影响ESP的电场性能。

2.2 脱硝系统问题

基础设施系统中也存在较多的问题，主要包括：脱硝技术国际化、失效催化剂的处置与重复利用、液氮的安全性等。

另外，低气体负荷下选择性催化还原技术排放的问题也有待解决。通常而言，机组负荷下，烟气温度降低，导致脱硝设备不能正常工作。然而，目前，实际炉内NOx的浓度大大高出实测浓度。另外，排水系统经常会堵塞进气道。

2.3 “石膏雨”问题

取消烟气热交换器（GGH）后，使安装在湿烟气液压系统中的烟气发生器设置的烟气温度降低，易受废液杂质的影响，导致“石膏雨”现象，在正常天气条件下，在烟囱附近区域会滴下小水滴，这种现象通常发生在烟囱约800 m深的地方。在机组负荷大、环境温度低的情况下，“石膏雨”现象尤为严重[3]。

2.4 脱硫系统问题

一些生产企业设计的燃煤硫分值出现较大偏差的问题。当前脱硫装置普遍存在实际燃煤硫分与热值和设计值存在较大偏差，进而引起脱硫设施入口二氧化硫及烟气量的浓度超出标准要求。部分电力企业的实际燃煤硫分超出设计值的一倍之多。

一些电力生产企业在脱硫设施入口有较高浓度的烟尘，无法达到脱硫设施的标准要求。尤其是在老厂改建时，这种情况更加突出。脱硫塔中堆积了大量的烟尘，会导致脱硫塔的脱硫效率大大下降，使得副产物的脱水性能受到影响，进而磨损整个系统，甚至还会导致吸收浆液的品质下降，影响脱硫设备的正常运行。除此之外，由于人为操作等原因，会造成综合脱硫效率较低的问题。

3 常用的除尘技术

3.1 电除尘器

电除尘器主要由放电极（阴极）、集尘极（阳极）及除尘装置等组成。当灰尘颗粒进入废气中的电场时，它们与正极、负极和电子（或离子扩散阶段的电荷）相连。热粒子通过电磁力进入电子和离子。电极粉尘通过粉尘的开裂和聚集而塌陷，使废气能从电粉尘中清除[4]。电除尘具有电阻损失小、效率高、排气处理能力强、使用寿命长等优点。缺点是除尘装置较为复杂，且控制器的配置、使用和维护费用较高，有相应的细粉尘管理条件，对灰尘和细粉尘具有相应的选择性。因此火力发电厂一般采用四电场或五电场电过滤器，并通过高频电压或低脉冲电流使除尘效果提升至99%以上，并使烟气质量的浓度限制在30 mg/m3以内。

3.2 旋转极板式电除尘器

电除尘器的最后阶段激活旋转极板式电除尘器的电极板。其底部有一个烟灰缸。电极板与烟气同时放置，并用链条连接。当电极盘向下旋转到电场的下端时，灰烬层在气流中擦拭板的表面，可有效避免二次灰尘。由于彻底清除了灰尘，电极板可以长时间保持清洁。因两次扫尘之间无法在电极板上形成连续的粉尘层，所以粉尘层上的强电场也无法确定，更不会由于粉尘层发生破裂，导致空气感应尾杆。这类电除尘器能够有效控制烟尘质量浓度在30 mg/m3以内。

3.3 低低温电除尘器

低低温电除尘器是采用低温省煤器控制电除尘器入口的烟气温度，使其温度低于酸露点的温度，由此让烟尘的比电阻大幅下降，除尘效率得到显著提升。另外还可以提高捕集三氧化硫的效率，有效减少高压煤电厂的污染排放量。此外，低温省煤器可以重复利用热量，节能效果较为理想。低低温电除尘器的特点主要包括：（1）降低了烟尘温度，使得烟气量减少，电场风速下降，大大增加了烟尘在电除尘器中的荷电，提高了除尘效率；（2)减小了烟尘的电阻，捕集烟尘的效率得到提升。

3.4 布袋除尘器

布袋除尘器是利用过滤及相互作用、停止、棕色扩散和电恢复过滤原理。除尘效率可达99.9%以上。过滤器的寿命和耐用性是袋式过滤器经济性的关键。其使用寿命取决于材料、粉尘性质、排气温度及成分等。另外，也会受过滤器的风速、吸入粉尘的质量、除尘速度、控制和维护的影响。

3.5 电袋复合式除尘器

真空吸尘器混合在电动袋中，由两部分组成：电动过滤区和袋式除尘区。电除尘率适用于高粉尘回收，袋式除尘器适用于薄粉尘回收。电场回收电袋中的大部分烟气粉尘，然后收集电气袋中剩余的小灰尘。除尘效率对尘埃阻力和颗粒大小没有影响，可以保持排放浓度低于30 mg/m3，并且其质量波动较小。预选效果会让滤袋中的粉尘负荷大大减少，相应阻力也会下降，然而滤袋会收集较小的粉尘，所以会导致过滤与除尘的时间变长，进而节约除灰所需要的能源，并延长了滤袋寿命。

3.6 湿式电除尘器

湿式电除尘器一般安装在烟气脱硫（FGD)装置后端。在高压电的作用下，电除尘器的电极会电离周边的空气，由此形成的电场力让粉尘开始运动至集尘极，最终通过液体膜吸附这些粉尘。湿式电除尘器不仅可以去除气溶胶、细小粉尘，还能脱除三氧化硫酸雾，有效延缓这些物质腐蚀烟道及烟囱的进程。湿式电除尘器清理灰尘用到了液体冲刷的方式，所以粉尘的性质不会对除尘的性能产生影响，对电阻比较大、黏性较强的粉尘去除效果较好。因为工作环境的缘故，会选用具有抗腐蚀性的材料作为放电线、集成板及喷嘴。湿式电除尘器按照结构的不同可以分为两种：一种是管式的，特点是烟气流是垂直方向的；另一种是垂直式的，气流方向可以是垂直的也可以是水平的。当电极的长度相等时，管式除尘器允许的烟气流速达到板式的两倍以上，所以，除尘效率一定的情况下，管式结构的紧凑度更高。湿式电除尘器在工程方面的布置主要有三种方式，分别为水平烟气布置、垂直烟气布置以及垂直烟气与湿式脱硫整体布置。

4 烟尘超低排放改造方案

国标《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）中，明确限定燃煤火电机组烟尘排放限值为30 mg/m3，其中重点地区为20 mg/m3[5]。2010年至2014年期间，我国大力推行除尘改造项目，全国各地区的燃煤机组烟尘排放质量浓度基本达到国家标准的限定要求。现阶段，为实现烟尘排放质量浓度小于10 mg/m3，仅仅提高目前除尘装置的除尘效率，效果难以达到预期，为此需要与脱硫超低改造结合，当前主要采用的改造方式是通过加装湿式电除尘、除尘除雾器和除尘脱硫塔。对于烟尘排放质量浓度要求更高的地区，最稳定和可靠的方案是脱硫之后加装湿式电除尘器。

4.1 高效除尘脱硫塔

湿法烟气脱硫一般都会用到喷淋空塔，其除尘效率可以达到50%左右，采取加装聚气环合托盘的方式，可以大大提高除尘及脱硫的效率，有关实验显示，利用加装两层托盘的方式，脱硫塔可以达到85%的除尘效率。要确保脱硫率的除尘效率不发生波动，则要在脱硫塔的出口位置处安装高效除雾器，以此实现对雾气滴烟尘质量浓度的控制。脱硫塔入口烟尘质量浓度在30 mg/m3以内，那么将机组最终的烟尘排放质量浓度控制在10 mg/m3以内。通过这个方案能够提高脱硫的效率。如果采用串塔的方式，具有改造难度小、工程量小等优点，且改造后的系统运行较为稳定。

4.2 加装除尘、除雾器

除尘器、除雾器均设在高效除尘脱烟塔的上方，主要由电话电脑分离器、旋转轮、汽缸和水泵等构成。当游离硫尾气经过除尘工艺设备和安装在洗涤塔上方的除雾器时，先经过旋风分离器形成涡流运动，再利用离心力将雾和灰尘移入气缸壁。当它们移动时，会发生碰撞并凝结成大块。当液滴被抛入气缸内表面时，可附着在气缸壁上，然后一起落入泥浆中，以清除液滴和灰尘。分离器之间应安装控制轮胎，以提高气流的离心流速，并保证气体的均匀分布，以避免水滴的二次吸收。当进入脱硫塔的粉尘质量浓度低于30 mg/m3时，除尘器系统和除雾器可使机组尾气污染的最终质量浓度控制在30 mg/m3以内。

4.3 加装湿式电除尘器

通过将湿式系统的电除尘器安装在脱硫装置出口端，可以起到有效降低烟气排出量的作用。除尘器在脱硫塔顶部的布置方式为烟气下进上出，还可以安装在脱硫塔的出口烟道处。湿式系统电除尘可以起到抑制烟尘及水雾排出的作用，达到85%以上除尘除雾的能力，此外，捕集三氧化硫的效率也比较高。若脱硫塔入口的烟气质量浓度小于30 mg/m3时，系统可将烟气质量浓度限制在5 mg/m3以下的水平。

5 实施超低排放烟尘工程的注意事项

一旦确定了技术路线，必须仔细监控制造、安装和运行过程，以满足长期稳定的超低排放要求。不仅要保持传统的干燥、均匀的电除尘率（粉尘管理的基础），还要采用旋转电极、高频电流、电除尘及高校脱硫除尘等方式。

现阶段，我国拥有较为成熟的研制干式平板形电除尘器的技术，然而还是会出现瞬时超标的问题，为此需要维护人员切实执行相关的处理措施。有关数据显示电除尘器出现振动力度不足、负荷变化过快、持续高负荷、电除尘器降压振打设置错误等都会引起除尘器出现瞬时超标的问题。

针对高频电源，不仅要考虑相关的技术参数，还要考虑到散热的问题，尤其是要连续优化闭环控制策略对阻尼振动进行操作。图1是某机组高频电源控制策略优化效果对比图（方框内为优化调整前的浊度），可以看出控制策略优化后浊度峰值的扰动明显减少。

图1 高频电源控制策略优化效果对比图

然而，设计、制造、运输和安装方面也面临诸多挑战。设计方面，旋转阳极组的重量会传送给内部传动链条，极易出现断裂的问题，进而引起旋转阳极板发生坍塌，为此设计时需要对链条的强度进行测试，以满足实际需要；制造方面，应该依据技术图纸，严格执行相关的工艺及质量检验流程，加强各个核心零部件的管理与检查工作；运输方面，整个环节都需要详细地规划与包装，确保此过程中不会影响到除尘器的旋转电极；安装方面，需要重视旋转阳极板、内链、上下坑和清灰设备的安装质量，安装后要进行总体审查和调试，并在旋转电场安装毕后长期进行测试。

6 总结

通过科学合理地设置烟尘采样点，可将不同的测量原理有机地结合起来，改进烟尘测量精度。按照新标准的要求，确保发电机组烟尘排放峰值达标，对发电机组的运行方式进行优化与调整，最大限度地降低瞬时烟尘量。以集成创新的手段，力争将干式电除尘烟尘出口值控制在20 mg/m3甚至10 mg/m3，脱硫出口烟尘值达到或接近5 mg/m3以下，持续降低烟囱出口的烟尘值，为建设社会主义生态文明，保障国家能源安全提供有力支撑。