燃煤锅炉电除尘深度提效技术应用研究

李志强 孙尊强 刘海滨 单永华 李富成

（1．国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏 南京 210031；2．国电环境保护研究院有限公司，江苏 南京 210031；3．国能清远发电有限公司，广东 清远 511520；4．国家能源集团岳阳发电有限公司，湖南 岳阳 414000；5．浙江浙能中煤舟山煤电有限公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

电除尘器是燃煤锅炉烟尘治理的主力装备，因其收尘效率高、处理烟气量大、结构相对简单而被广泛应用。在前期超低排放的全面实施中，电除尘器在除尘方面的优势全面显现，后续燃煤机组灵活性改造的推进对电除尘器的高效灵活性将提出更高要求。发掘电除尘的深度提效潜力和更宽幅度的适应性，达到稳定的排放将是电除尘器未来一段时期的发展方向。该文将电除尘深度提效理论研究与工程实践应用相结合，从中总结寻找出合适的技术路线，推荐了可行的技术方案。

1 电除尘深度提效研究

1.1 理论研究

经典静电除尘机理是在电极上施加直流高压电，使空气发生电离，含尘烟气通过电离区时，粉尘粒子迅速荷电形成带电粒子，在库伦力的作用下向极性相反的电极移动，从而实现气固分离，达到净化烟气的效果。经典理论研究最被接受和广泛认可的定量除尘效率计算公式为多伊奇公式，如公式（1）所示。

式中：为电除尘器总收尘面积，m；为电除尘器处理的烟气量，m/s；为粉尘驱进速度m/s。

随着国内烟尘排放浓度不断趋严，大致经历了150mg/m（1990年），50mg/m（2003年），30mg/m（2011年），10mg/m（2014年）四个阶段，每个阶段的标准提高都促进了电除尘理论研究的深入，大致进行了以下方面的研究。1）粉尘化学成分分析，形成以SiO+AlO、NaO和St，ar为影响因子的应用研究，形成以低温除尘指数（NaO+MgO）；高温除尘指数[（NaO+KO+MgO+CaO+FeO）/NaO]为代表的除尘评价指标。2）粉尘比电阻及粉尘荷电，烟尘比电阻（考虑了烟气条件，一般现场测试获得）更具工程设计指导意义，粉尘比电阻（一般实验室测得）更具分析温度影响意义；目前的电源技术和极配形式已经能够轻松实现粉尘的快速荷电。3）粉尘在电场中的受力，粉尘在电除尘内部受到流场、颗粒场、电力场、温度场的多场耦合作用，体现在曳力、电力、重力、离子风，这三种力的耦合对驱进速度的影响通过降低电场风速和增强电场强度等手段可以提高粉尘驱进速度从而提高电除尘效率，但是离子风的存在会改变电除尘阳极附近的气流运动状态，使其由层流变成湍流，将会降低粉尘的驱进速度，进而影响粉尘的捕集效率。有效的改进方法是改变收尘极的形式，如采用多孔极板或网状极板等，但这种改进的方法目前还处于研究阶段，工程未见实施。4） 二次扬尘的控制。增加电场长度及调整振打周期及方式是控制二次扬尘的最佳调节手段，移动极板也是调节手段之一，但可靠性不高。5） 电场逃逸粉尘冲击黏附再捕集。该机理简单，就是粉尘黏附机理。在实际工程应用中一般在电除尘出口喇叭口与末电场之间设置槽形板来控制电场的逃逸粉尘，但收效不受关注。

鉴于上述电除尘提效理论研究，结合“双碳”背景下的电除尘节能、减排、宽负荷适应的改造要求，需要从机理明确、改造简单、造价低廉、可靠性高的方向进行技术突破，该文认为电场逃逸粉尘冲击再捕集技术无疑是最佳选择之一。

1.2 装置开发

比较导电滤槽技术的优缺点，该文开发了新型收尘网（图1），并改进其对电场气流和网孔堵灰的影响（图2），其开孔斜百叶板网结构能在局部范围内改变气流流向（图3）。在水平方向，气流夹带着粉尘通过收尘网，气流的流速和方向发生突变，在气流突然转向的过程中，实现气与尘的分离。“气”沿水平方向转向，穿过收尘网装置，“尘”则通过惯性力的作用与收尘网发生碰撞，使微细颗粒粉尘在开孔斜百叶板上黏附、凝并、长大，两层收尘网为一对，开孔斜百叶板网的倾斜方向相对，形成一个垂直气流方向的落灰内通道，振打清灰时开孔斜百叶板上粉尘沿内通道滑落，如同瀑布一样从两层装置形成的耦合通道倾泻而下（图4），实现收尘的目的同时可以有效阻截阴阳极以及新增装置本身由于振打而引起的二次扬尘。新型收尘网结构的通透率＞80%，孔隙大，收尘比表面积达1.5m/m，在有效收尘的同时不易发生堵塞。气流模拟试验表明，加装新型收尘网后烟气流场更加均匀。试验证明，电场逃逸粉尘冲击再捕集效果明显，清灰时独特的结构设计使黏附粉尘的二次飞扬得到有效控制。经过反复试验验证，粉尘的捕集效率为40%～60%。收尘网装置利用碰撞凝并再捕集除尘机理收尘，对粉尘比电阻值不敏感，从而扩大了电除尘器的适用范围，提高了设备对煤质变化的适用性，增加了收尘面积，抑制了二次扬尘、微分气流，并达到气固两相分离的目的。通过对电除尘器原结构的最大化利用，“疏”而不“堵”使其达到了深度提效的效果。在实际工程应用中可单对布置，也可多对布置，可阴极布置（带静电），也可阳极布置（不带静电），布置非常灵活。试验发现，阴极布置时的收尘效果要好于阳极布置。其机理是在等效增加收尘面积的条件下，阴极布置能有效捕集正离子，使其减少与带负电荷粉尘的中和，间接提高了粉尘的荷电，从而使阴极收尘面积的有效性同比提高约一倍。

图1 新型收尘网结构

图2 模拟整体收尘网对气流的影响

图3 模拟局部收尘网对气流的影响

图4 收尘网收尘、清灰及抑制扬尘原理图

2 电除尘改造工程应用

2.1 存在问题及预期目标

南方某电厂600MW机组锅炉烟气配置双室五电场电除尘器，设计入口烟尘浓度≤23g/Nm，出口烟尘浓度≤60mg/Nm，实际运行中，电除尘入口烟尘浓度25～35g/Nm，出口烟尘浓度30～75mg/Nm，烟囱出口烟尘浓度15～30mg/Nm，不能满足超低排放的要求，现场条件不满足增加电除尘器电场的条件，为实现烟尘浓度＜10mg/Nm的超低排放要求，电除尘器的出口烟尘浓度应控制在＜30mg/Nm的水平。

2.2 设计条件

实际燃煤煤质条件如表1所示。

表1 燃煤煤质分析

燃煤飞灰成分分析如表2所示，燃煤飞灰成份分析判断如表3所示。

表2 燃煤飞灰成分分析

从表2的飞灰成分分析和表3燃煤飞灰成份分析判断表可以判断出机组燃煤煤种适合静电机理除尘。

表3 燃煤飞灰成份分析判断表

实际燃煤飞灰比电阻如表4所示。

表4 飞灰温度—比电阻

数据显示飞灰测试比电阻较高但仍在电除尘的适应范围内。

2.3 改造内容

恢复性检修原电除尘器的五个电场，更换损坏的阴极线、调整变形的阳极板、调整异极距、修补各类型挡风板及除尘器本体漏风处，使现有电除尘器各项性能参数恢复至性能保证值。

在第四和第五电场末端增设收尘网装置，收尘网采用模块化设计，特制合金支撑板作为骨架支撑，固定于阴极大框架带有振打的一侧，采用两层成对布置，形成一个落灰通道。利用大框架振打系统进行辅助清灰，收尘网与阴极振打干涉部位进行优化处理，满足振打的需求。更换部分振打锤加大阴极振打加速度，提高振打清灰能力。为防止现役阴极振打出现故障，需要给新增收尘装置增设备用振打清灰机构。加固电场尾部框架的悬吊装置，在绝缘子两侧增加两个辅助绝缘支柱，将现役单点吊挂改为三点吊挂，并配套改造相应的保温箱。

2.4 实际效果

经有资质的第三方检测机构测试，在机组满负荷运行条件下电除尘器运行阻力增加＜50Pa，电除尘器出口烟尘排放浓度＜20mg/Nm，实现了电除尘器对粉尘的高效捕集，经过后续湿法脱硫系统的协同除尘，最终烟囱出口烟尘浓度＜10mg/Nm，达到了烟尘超低排放的要求。

为了比较增设收尘网改造的提效作用，该文比对了该电除尘器大修后及大修技改后的性能测试数据，如表5所示。

表5 电除尘器大修、大修技改后性能测试数据对比

通过对比，收尘网改造后电除尘器提效明显，在不增加占地面积的前提下实现了电除尘器出口烟尘浓度的降低50%的效果，不增加直接的耗能设备，仅增加部分阻力（＜50Pa）引起的能耗增加，对实际运行能耗统计可忽略不计。

3 结论与建议

围绕电除尘器的提效研究，经典理论都集中于粉尘的荷电、电场的均匀性以及粉尘的吸附等展开，对粉尘的黏附再捕集研究不多。其技术核心是充分发挥带电粉尘的黏附性，通过独特结构形式的收尘网，严格控制清灰时的二次扬尘。从理论研究、装置开发到工程应用，结果表明，同等条件下，充分发挥电场逃逸粉尘黏附再捕集技术的作用，电除尘提效明显，能降低电除尘装置出口烟尘排放浓度约50%。在“双碳”政策的引领下，火电企业的节能降耗减排任重道远，基于收尘网技术的电除尘深度进行提效改造，在提效明显的基础上实现了能耗的低增加。

该文建议在该技术应用前应先评估技术的适用性，必要时应配套其他提效技术协同改造。