满足新标准采用电除尘新技术改造的应用与分析

罗如生，廖增安，陈丽艳

(福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000)

满足新标准采用电除尘新技术改造的应用与分析

罗如生，廖增安，陈丽艳

(福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000)

提出了现有电除尘器可采用余热利用节能、高频电源、双区结构、隔离振打等新技术进行提效节能改造的思路，分析了这些新技术的技术特性，并进行了实际案例剖析，对满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)烟尘排放的要求，形成现有电除尘器的新型改造模式具有重要参考价值。

新标准;电除尘改造;余热利用;高频电源;双区结构;隔离振打;节能减排

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展，电力需求和供应持续增长。截至2010年底，全国电力装机容量已达9.62亿kW，居世界第二位，其中火电为7.07亿kW，占全国总装机容量的73%，火电发电量约占全部发电量的80%以上，燃煤消耗量巨大。虽然目前我国的电力装机容量已经跃居世界第二，但是人均水平仅为0.74kW，而美国为3.5kW，日本为2kW，欧盟为1.4kW，因此电力行业在我国尚有很大的发展空间。我国以燃煤为主的能源结构将较长期维持，煤炭燃烧是我国粉尘污染的主要来源之一。为更好地适应“十二五”环境保护工作的新要求，环境保护部对《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223 -2003)进行了修订。新标准区分现有和新建火电建设项目，分别规定了对应的排放控制要求:对新建火电厂，从2012-01-01起，火电厂的大气污染物排放限值将受到更严格的限制，并增设汞的排放限值;对现有火电厂，设置了两年半的达标排放过渡期，即从2014-07-01起，现有火力发电锅炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物和烟气黑度排放限值按新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)执行，给出了一定时间进行机组改造。

火电厂新排放标准的出台，迫使现役机组中约50%需进行除尘改造，其装机容量达3.5亿kW，如按改造价格30～50元/kW估算，则需100亿元。面对现役电除尘器存在烟温高、煤质变化大、场地有限等改造特点和难点，用常规电除尘技术改造难以满足新标准的要求，电除尘器应如何把握机遇、迎接挑战，如何进行节能减排改造，必需有新的思路和有力的技术保障措施。

1 电除尘节能减排改造新技术应用的思路

1.1 新排放标准要求更加严格

新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223 -2011)提高了包括SO2浓度、NOx浓度、烟尘浓度、汞及其化合物浓度以及烟气黑度5项指标，高于2003年版本的标准，其中燃煤电厂的烟尘排放限值从现行的200mg/m3、100mg/m3、50mg/m3，提高为30mg/m3(重点地区20mg/m3)。假设电除尘器入口烟尘质量浓度为20g/m3，则电除尘器的除尘效率应分别从99%、99.5%、99.75%提高到99.85%或99.90%，提高幅度很大。另外，我国新标准规执行难度要高于欧盟、美国、日本等国家。

1.2 采用电除尘器是否可行

电除尘器是我国电力工业应用最广泛的除尘设备，截止2009年底，采用电除尘器的燃煤发电机组装机容量占95%［1］。美国应用电除尘器比例约占80%，欧盟约占85%，在日本则绝大部分采用电除尘器。大量国内外实际工程应用案例证明，烟气经电除尘器处理后烟尘排放浓度小于30mg/m3。

对于中国大多数煤种，电除尘器对国内电厂燃用煤种是适应的［2］，使用常规电除尘器就可以达到30mg/m3的烟尘排放标准，部分对电除尘器适应性差和较差的煤种，或场地条件受限时，可以考虑采用电除尘器+各种新技术等辅助措施，以扩大电除尘器适应范围，降低电除尘器的规格，减少占地面积。

1.3 在役电除尘器存在的主要问题

目前，我国现有在役燃煤电厂应用的电除尘器主要存在以下问题:电除尘器规格偏小，按机组投产时间不同，执行2003年版标准烟尘排放限值分别有200mg/m3、100mg/m3、50mg/m3，由于历史的原因，电除尘器普遍存在比集尘面积小，电场数少;排烟温度偏高，我国现役火电机组中锅炉排烟温度很大一部分维持在130℃～150℃;燃用煤种变化大，由于受煤价市场的影响，锅炉实际燃用煤种与设计煤种偏差大;电除尘器裕量不足，由于市场无序竞争等各种原因，设计留有裕量不足;场地受限，执行早期标准建设的有些机组已经历扩容改造，场地已被利用过;部分机组在新建时就显得场地紧张，电除尘器占地面积被挤压。

1.4 电除尘减排改造新技术应用思路

针对现有机组电除尘器需改造的，单纯采用常规扩容办法来提效，没有针对性措施来保证，而且当遇到扩容改造场地和空间受限时，面对新标准低排放很大程度上制约和影响了其改造的除尘效果。因此，靠单一的增容办法是不能完全应，因需采用开发新技术、新工艺。

2 余热利用节能电除尘技术

从能源利用角度看，火电厂余热资源巨大，如果加以回收利用，不仅可以降低排烟温度，回收烟气余热，提高锅炉效率，而且还可以增加机组出力，提高电厂系统效率。

2.1 排烟温度对电除尘器性能的影响

排烟温度的影响主要包括:排烟温度每增加10℃，相同发电负荷下需多耗煤1.2% ～2.4%，电场击穿电压下降3%;烟温高会使粉尘比电阻增大，易形成反电晕，造成电除尘器的除尘效率下降，使电除尘器处理烟气量增大;烟温高会使气体的粘滞性变大，导致烟尘颗粒在烟气中的驱进速度减缓，造成电除尘效率下降。

2.2 余热利用节能电除尘技术的工作原理

余热利用节能电除尘技术的工作原理主要采用汽机冷凝水与热烟气通过换热器进行热交换，使得汽机冷凝水得到额外的热量，以减小汽机冷凝水回路系统中低压加热器的抽汽量，并使得进入电除尘器的运行温度由通常的烟温130℃～170℃，下降到温度90℃～100℃左右，实现余热利用和提高除尘效率的双重目的［2］。

2.3 余热利用节能电除尘技术改造案例

广东粤嘉电力2×135MW机组超高压中间再热循环流化床锅炉，采用炉内添加石灰脱硫工艺，于2005年建成投运。原电除尘器设计粉尘排放浓度100mg/m3，由于实烧煤质波动大，除尘效率不够稳定，为使电除尘器出口粉尘排放浓度满足新的标准，2010年对6号炉实施电除尘器提效改造，即仅在电除尘进口烟道上直接加设余热利用装置。

改造后系统运行稳定，达到了预期目标。出口粉尘排放浓度由100mg/m3降至20～30mg/m3;电场平均运行电压大幅上升;在70%设计冷凝水用量条件下，烟温从138℃下降到108℃，冷凝水温从40℃下降到76℃。

3 高频电源技术

近年来，由于煤价波动大、煤源紧张，使得实际进入电除尘器的粉尘浓度大大增加。同时，粉尘浓度沿气流方向是递减分布的，在第一电场的浓度最高。当电除尘器入口含尘浓度太大时，第一电场电流通常很小，提高电流十分困难，在这种情况下，选择高频电源应用于前电场，可以很轻松地将电晕电流提高一倍，有效地解决电晕闭塞的问题。

3.1 粉尘浓度对电除尘器效率的影响

(1)电除尘器的入口粉尘浓度、除尘效率、所需阳极板总集尘面积三者之间存在着一定的关系，当电除尘器的出口粉尘浓度为一定限值时，则电除尘器的除尘效率需随入口粉尘浓度值的增大而提高。在特定工况条件下，电除尘器所需的阳极板总集尘面积随除尘效率的提高而增大。

(2)电除尘器的电晕电流一方面是由于气体离子的运动而形成，另一方面是由粉尘子离子运动而形成。随着烟气中含尘浓度的增加，粉尘的离子的数量也增多，以致由于粉尘离子所形成的电晕电流虽然不大，但形成的空间电荷却很大，接近于气体离子所形成的空间电荷，严重抑制电晕电流的产生，电晕使尘粒不能获得足够电荷，导致除尘效率下降。

(3)与粉尘浓度有关的空间电荷效应也影响荷电状态的稳定性。由于火花电压随浓度增大而降低，而维持一定的电流密度所需的电压随浓度增大而升高，当粉尘浓度较高时，这两个电压之间的节距缩短，粉尘浓度出现较大的波动，导致过度的火花放电，除尘器运行稳定性变差［3］。

3.2 高频电源提效原理

高频电源工况适应性强，能给除尘器提供接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形，针对各种特定的工况，可以提供最合适的电压波形，从而提高除尘效率。高频电源纯直流供电时，输出直流电压比工频电源平均电压要高约30%。而高频电源谐振频率为30～40kHz，同常规的工频电源相比，高频电源纹波系数小于3%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了几乎无波动的直流输出，这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，有效地解决前级电场入口粉尘浓度高而带来的不利影响，提高了电除尘器的除尘效率［4］。

3.3 高频电源节能原理

高频电源的设备功率因数高，固有节能约为20%。研究表明，高频电源在纯直流供电方式下，即使在70%的额定输出功率运行时，设备功率因数与效率维持基本不变，而工频电源随着输出功率的下降，功率因数与效率下降明显。高频电源在前电场提高除尘效率，为整台除尘器的节能提供空间。前电场除尘效率的提高，减轻了后电场负担，对于后电场而言，相当于锅炉机组降低负荷，这种节能空间是极为可观的。在高比电阻工况条件下，当激发反电晕控制功能后，设备间根据反电晕严重程度自动进入间歇脉冲供电状态并寻找、跟踪最佳的脉冲宽度和脉冲频度，以获得最佳的除尘效果。同时，应用间歇脉冲供电可大量节能。

3.4 高频电源节能提效改造案例

河南三门峡华阳发电公司2号炉，原电除尘器为双室三电场，于2007年改造为2BEH271/2-4型双列双室四电场电除尘器，第一电场采用4台高频电源供电。2008年3月由河南电力试验研究院进行电除尘器效率测试，其中B除尘器右室一电场分别采用高频电源和工频电源进行对比测试，发现B电除尘器只采用1台高频电源和1台工频电源时除尘效率为99.802%，而采用2台高频电源时除尘效率为99.876%，粉尘排放降低37.3%，说明采用高频电源能增大电场荷电强度，提高除尘效率。

4 机电多复式双区结构

机电多复式双区结构主要是围绕提高后级电场除尘效率、捕集细微粉尘、克服反电晕、达到极低排放要求而开发的新型本体结构。

4.1 细微粉尘对电除尘器除尘效率的影响

(1)由于电荷与粉尘粒径的比值不同，荷电粉尘的驱进速度随粉尘粒径不同而异。带电粉尘向收尘极板移动的速度与粉尘的半径成正比。

(2)飞灰存在体积导电和表面导电两种导电机理，这两种导电机理均与飞灰的粒径有关。飞灰越细，其空隙率越大，则比电阻越高。

(3)当细微颗粒粉尘较多时，荷电粉尘颗粒数量多，而荷电粉尘迁移率较低，能抑制电晕电流。空间电荷抑制效应导致伏安特性曲线偏移，对于给定的电流，伏安特性曲线偏向高电压区，这意味着维持相同的电流，必须输入更高的电压。

4.2 机电多复式双区的结构和收尘机理

机电多复式双区的结构，根据实际项目场地大小和设计要求沿电场长度方向设置2～3组荷电区与收尘区并呈复式交错布置，荷电区与收尘区在结构上是完全分开的，分别独立用一套高压电源。

在收尘机理方面，前区进行充分荷电，而后区的圆管辅助电极和阳极板构成均匀的电场，可提高电场强度和击穿电压，实际运行电压可达80kV，此区的电晕电流仅为荷电区的15%左右，且分布均匀，所以不易发生反电晕，同时节能效果十分明显。与传统结构的电场相比，双区电场具有捕集粉尘的平均效率比较高，能够捕集到更为细小的荷电尘粒，拥有较大表面积的管式阴极线可以捕集荷正电的尘粒，对烟尘的适应性比较广等优点［5］。

4.3 机电多复式双区结构节能提效改造案例

厦门嵩屿电厂一期2×300MW机组燃煤锅炉电除尘器原为双列双室四电场结构，1996年投运，由于燃用煤种变化，运行几年后，出口粉尘排放浓度达125mg/m3以上，电厂决定对电除尘器进行改造。由于场地限制，仅在后电场新增一个标准电场且原有设备保持不变，新增一个电场后的比集尘面积较小，为78.30m2/m3/s，在这种情况下用常规技术改造则很难满足排放要求。为此，采用机电多复式双区结构于2006年对其进行改造，出口粉尘浓度、除尘效率满足并超过了设计要求。若改造成普通电场后要达到99.69%的除尘效率，需要的比集尘面积为98.34m2/m3/s，而双区电除尘比集尘面积仅为82.48m2/m3/s。由此得出，计算双区电除尘器的改善作用，比集尘面积节省约16%。经对比计算，双区结构的第五电场比常规电场可减小了近50%的高压运行功耗。

5 隔离振打技术

电除尘器的振打清灰，要选择合适的振打机构和振打制度，振打力不宜太大、振打周期不宜太短，否则会破损机构，同时造成二次扬尘。在电场末端采用隔离振打系统，减小振打产生的二次扬尘损失，使电除尘器能够实现更低的排放要求。

5.1 二次扬尘对电除尘器效率的影响

在第一个电场振打产生的二次飞扬粉尘，可在第二电场有再次被捕集的机会，但在最后一个电场产生二次飞扬的粉尘，必然随气流从烟囱排出。在后级电场粉尘粒径越细，其附着性越强，因此吸附在电极上的细粉尘不易被振打下来，需要更强的振打力，灰产生的二次扬尘更大，这样会使电除尘器的性能降低。这使得二次扬尘造成电除尘器无法满足日益严格的粉尘颗粒物排放要求，以至于有人说，高性能、低排放电除尘器排除的粉尘，主要是振打清灰产生的二次扬尘。

5.2 隔离振打系统的工作原理

电除尘器末电场的尾部安装一对孔板，一个固定，另外一个可以活动。在静止状态下，可移动孔板上的孔与固定孔板的孔一一对应，此时为打开状态。当可移动孔板通过提升机械装置向上移动一个孔的直径距离后，两块孔板将相应的气流通道关闭，此时为关闭状态。孔板的关闭和极板振打的同时通过提升孔板与振打系统联锁来实现［6］。

5.3 隔离振打系统提效改造案例

1台危地马拉某燃油锅炉的2个电场电除尘器，由于烟气中粉尘含碳量非常高，比电阻低，振打清灰时产生的二次扬尘严重，导致出口粉尘排放浓度很高，除尘效率低。在电场尾部加装了隔离振打系统后，除尘效率从62%提高到70.5%;出口粉尘排放浓度从22mg/m3降至14.75mg/m3;驱进速度提高了约11%。

6 结语

从上述分析可知，余热利用节能电除尘技术、高频电源、机电多复式双区结构、隔离振打系统等新技术均可以大幅提高电除尘效率，使出口粉尘达到低排放。其中，余热利用节能电除尘技术、高频电源、机电多复式双区结构三种技术还有显著节能效果。在各种新技术应用方面，应充分地考虑各种新技术的适用范围和各自优势，并根据工况条件有针对性地将一种或多种技术合理地应用到电除尘器的改造方案设计中，以提高电除尘器除尘性能，扩大电除尘器对煤种的适应范围，减少电除尘器改造所需总集尘面积，减少扩容改造占地面积，适应场地条件，取得满意的效果。一种或多种技术合理地组合应用，将成为实现燃煤电厂在新的粉尘排放标准下达到节能减排双重目的的新型改造模式，改造市场容量很大，市场前景十分广阔。

［1］王志轩.我国燃煤电厂烟尘排放与控制［J］.中国电力企业管理，2010，(1):31-34.

［2］陈丽艳，谢小杰，廖增安，等.电除尘器如何满足低排放研究报告［C］.第十四届中国电除尘学术会议论文集.重庆:2011.

［3］黎在时.电除尘器的选型安装与运行管理［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［4］黄炬彩，毛春华，卢刚.高频电源在电除尘器中的应用特点［C］.第十四届中国电除尘学术会议论文集.重庆:2011.

［5］章华熔，蒙 骝，郭 俊.双区电除尘器在燃煤电厂的应用实践［C］.第十二届国际电除尘学术会议论文集.德国纽伦堡:2011.

［6］Stephen L Francis，Andreas Bäck，Per Johansson.Reduction of Rapping Losses to Improve ESP Performance［C］.第十一届国际电除尘学术会议论文集.杭州:2008.

Application and analysis of new technologies on ESP emission reduction retrofit to meet new standard

It raises a brand new idea for ESP retrofit by using new ESP technologies such as LSC ESP，high frequency power supply，double-stage structure and isolated rapping system.The technical characteristics of these new ESP technologies are analyzed.The practical application cases are analyzed.It proves that flexible combination of these new technologies will achieve a new retrofit model of both energy saving and emission control for coal-fired power plants under the new Standard for Air Pollutant emission of Thermal Power Plants.

new standard;ESP retrofit;heat recovery;high frequency power supply;two-stage structure;isolated rapping;energy conservation and emission reduction

X701.2

B

1674-8069(2012)04-014-04

2012-05-14;

2012-06-12

罗如生(1966-)，男，福建龙岩人，工程师，长期从事环保行业各种除尘技术的研究及产品应用工作。E-mail: 13906972029@139.com