高灰煤烟尘超低排放技术及其工程应用

刘含笑，郦建国，张杨，李文勇，魏宏鸽

(1. 浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

中国的能源结构是典型的富煤、贫油、少气[1]，且未来还会持续这种能源结构模式，煤占总能源结构的比例会持续在50%以上。燃煤电厂超低排放改造已实施完成，污染物减排效果显著[2-5]。烟尘超低排放技术也取得了较大进步，涌现出了低低温电除尘技术、湿式电除尘技术、超净电袋复合除尘技术等[6-13]，在高效除尘技术的研发、优化及工程应用等方面，国内频频取得突破，且技术的经济性等各项关键指标均超国外，达到国际领先水平。但是国外煤质相对较好且稳定，而国内煤种复杂多变，燃用灰分大于等于25%的高灰劣质煤的燃煤电厂比例超过30%，尤其是在目前煤价居高不下的情况下，很多原来有条件燃烧优质煤的机组也不得不大比例掺烧或完全燃用劣质煤。在这样的煤质条件下，要稳定可靠地达到超低排放指标，技术、运行难度都非常大。从现有机组运行条件来看，要稳定可靠实现高灰劣质的超低排放，多采用“高效干式除尘(如低低温电除尘或超净电袋复合除尘器等)+湿式电除尘”的“超豪华”技术路线[14]，投资和运行成本都非常高。在低碳政策的驱使下，如何挖掘除尘技术潜能，经济高效地实现高灰劣质超低排放，具有迫切的现实意义。

寿志毅等[15]研究了燃煤电厂用湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)的排放特征及不同减排效率下的电耗、物耗等运行技术水平，但未开展劣质煤工况条件下的适应性研究，尤其是WESP本身属于额外增加设备，势必会增加投资和能耗；虞上长等[16]实测分析了某600 MW超低排放燃煤机组的各级环保设备对颗粒物、氮氧化物、SO2等多污染物的减排效率及最终排放特性，以及炉后环保岛各级设备梯级脱除性能和协同提效能力，但试验期间煤灰分在17%～21%范围内，属于中灰煤种，未涉及高灰煤工况；李德波等[17]对新型电力系统规划背景下燃煤机组的深度调峰及污泥掺烧进行系统研究和分析，得出的结论是污泥掺烧比例在10%及以下的工况不会干扰燃煤锅炉机组的正常运行，且会在一定程度上抑制锅炉NOx排放，但未涉及烟尘浓度的影响；林德平[18]研究了600 MW燃煤机组掺烧劣质煤试验，以及NOx生成和排放规律影响，未涉及烟尘浓度；李皓宇等[19]研究并提出深度配煤掺烧方案，研究发现燃煤机组劣质煤的最大掺烧比例可达30%，并分析掺烧劣质煤对锅炉NOx和SO2排放规律的影响，但未涉及烟尘浓度；柳成亮等[20]研究了循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉的劣质煤掺烧及污染物排放影响规律，通过调整燃烧参数、脱硫/硝等环保设备的匹配等，可顺利实现CFB燃煤锅炉的超低排放指标，但同样未对烟尘减排及设备磨损、堵塞情况进行分析；周玲妹等[21]开展了燃煤机组劣质煤掺烧的技术经济性研究和分析，为同类型掺烧劣质煤机组优化配置及运行提供技术思路和运行参考；郝剑等[22]研究分析了某1 000 MW旋流对冲锅炉燃煤机组掺烧劣质煤种对锅炉燃烧性能的影响规律，提高了该燃煤锅炉燃用掺烧劣质煤种的适应能力；李皓宇[23]研发了燃煤锅炉掺烧劣质煤的数字化智能深度调控系统，可节省运行成本约0.009元/kWh，为掺烧劣质煤的燃煤机组数字化建设提供了重要技术支撑。国内目前针对燃煤电厂劣质煤的研究多集中在劣质煤掺烧方面，且对高烟尘浓度工况条件对设备的磨损、堵塞均未涉及，尤其是在不设置WESP的情况下，如何通过各级环保设备的梯级脱除和协同增效，保证烟尘超低排放，均没有系统分析和研究。

本文基于高效除尘技术及烟气冷却器、选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)脱硝催化剂的防磨举措分析，探讨燃用高灰机组在不使用WESP的情况下实现超低排放，并开展工程应用，为后续超低排放机组燃用劣质煤提供借鉴。

1 高效电除尘技术的研究

1.1 电除尘入口烟温下降对除尘效率的影响

常规电除尘器(electrostatic precipitator，ESP)的入口烟气温度一般为120 ℃左右，低低温电除尘技术是通过降低电除尘器入口烟气温度来实现提效减排，一般通过烟气冷却器将电除尘器入口的烟气温度降至90 ℃左右(酸露点以下5～10 ℃)。通过开展低低温电除尘器(LL-ESP)的中试试验及工程实测研究其提效幅度。主要对应的煤质、飞灰成分及烟气温度参数见表1。

表1 主要煤质、飞灰成分及烟气温度参数Tab.1 Main coal, fly ash composition and flue gas temperature parameters

烟气冷却器投运前后，LL-ESP对烟尘的提效幅度

(1)

式中Ci1、Ci2分别为烟气冷却器投运前后LL-ESP出口烟尘质量浓度。

经中试试验及现场实测，LL-ESP对烟尘的提效幅度如图1所示。LL-ESP出口烟尘质量浓度为2.54～24.2 mg/m3，烟气冷却器投运后，LL-ESP提效幅度为17.09%～53.17%。提效幅度大小一方面与出口烟尘浓度值有关，出口浓度值越高，提效幅度越明显；另一方面与烟气冷却器的降温幅度有关，一般降温幅度越大，提效幅度越明显。降温后烟气量减少，流速降低，粉尘性能改变，比电阻降低，并伴有颗粒团聚现象，电场击穿电压升高，这些都有利于ESP的除尘提效。

图1 LL-ESP提效幅度Fig.1 Efficiency improvement ranges of LL-ESP

1.2 ESP结构优化对除尘效率的影响

挖掘ESP的设备潜能，提高除尘效率，使除尘器的收尘作用发挥到极致，还需要从烟道走向、烟道内导流和扰流装置及EPS气流分布件等方面对进入ESP各室的烟气量及粉尘量分配、系统流场及压力损失等进行分析研究。

从烟道设计着手，进口烟道尽可能对称设计，进口烟道内各种部件(如支管、横梁等)也尽可能保持对称和一致，从而保证气固两相流的流场特性基本一致，如图2所示。ESP进出口封头内通过布置阻流、导流、多孔型的气流分布板件结构，改善流场分布，促进气流扩散均匀，既需要保证第1电场入口截面的气流分布均匀性满足标准要求，也要保证在出口烟道和末电场出口处气流分布均匀，从而最大幅度地保证ESP性能的充分发挥。

图2 某工程项目ESP进口烟道走向Fig.2 ESP inlet flue trend of an engineering project

在计算设置方面，ESP内的雷诺数Re的数量级为104以上，选择k-ε两方程湍流模型。进口速度设为6.215 m/s(由设计烟气量决定)，出口静压设为-2 000 Pa，封头内的多孔板设置多孔介质参数，气体密度设为0.988 kg/m3。设置颗粒相模拟的模型、颗粒相属性及边界条件具体值：ESP入口颗粒体积分数小于20%，属于稀相多相流，因此颗粒相的模拟应用离散相模型，并用随机轨道模型加以修正，应用Saffman升力、热泳力方程，考虑颗粒相的布朗运动及曳力等。设定离散相属性为惯性颗粒。设定射流源：颗粒相粒径分布满足Rosin-Rammler公式，并设置颗粒相进口速度为6.215 m/s，质量流量5.41 kg/s，最大粒径70 μm，最小粒径3 μm，颗粒粒径d63.2为24.47 μm(d63.2表示占比63.2%的当量直径)。根据粉尘分布拟合出来的相对频度n值为1.927 609，设置颗粒相密度为700 kg/m3。

采用气固两相流模拟[24]，计算结果如图3所示。

图3 各粒径段颗粒相分布及偏差Fig.3 Distribution and deviation of particle phase in each particle size segment

ESP烟道布置导流装置后，粉尘的惯性作用等影响减小，烟道入口粉尘不同粒径分布及质量中位径对进入ESP各室粉尘量分配影响不明显，各粒径段颗粒相偏差明显减小[25-26]。流场和颗粒场的均匀性对电除尘效率至关重要，通过商业流体动态计算(computational fluid dynamics，CFD)软件来模拟ESP及其进出口烟道内的多物理场状态，可对导流/阻流/均流装置进行结构优化和调整[27-29]。刘忠等[30]模拟了湍流场和电场等多场作用下不同粒径颗粒物(有荷电、无荷电)的运动轨迹，并基于此优化设计电-湍凝聚器扰流涡片结构；李立锋[31]、李婉婉等[32]分别采用商业CFD软件(FLUENT)，对WESP、ESP及其进出口烟道内的关键部件结构进行优化设计，既保证了除尘器的除尘效率，又降低了除尘系统的整体阻力；何林菊[33]、袁伟锋等[34]对LL-ESP系统进行流场分析，初步提出系统进口喇叭的最佳改造方案。

2 防磨防堵措施

一旦SCR脱硝装置因磨损导致脱硝效率大幅下降、因堵塞问题造成气流不均致使脱硝效率下降，或烟气冷却器因磨损造成泄露、因堵塞造成局部积灰腐蚀泄露等，都会影响机组的正常运行，甚至会造成停炉等事故。通过研究并采用SCR装置、烟冷器防磨防堵技术，可最大限度地保证在燃用高灰劣质煤时机组稳定运行。

2.1 SCR脱硝装置

SCR脱硝布置在除尘前的高温、高尘段，针对燃用高灰劣质煤烟尘浓度更高的机组，因此，粉尘对催化剂造成的磨损、冲击也会更严重，且磨损主要与烟尘浓度、粉尘粒径、烟气流速(直接影响颗粒流速)、流场均匀性、飞灰性质(主要是硬度、琢磨性等)、催化剂的结构特性等有关。设计脱硝装置时需要综合考虑磨损与积灰，速度过高易磨损，而局部流速低则易积灰，因此，需要选择最佳的烟气流速。

反应器在设计时不受空间限制，且经过CFD软件的模拟试验，在其内部合适位置安装导流板及整流格栅，可以使整个催化剂表面的烟气流速均匀。在反应器上同时采用声波吹灰器及蒸汽吹灰器吹灰，前者日常吹灰，后者则定时吹灰，确保了催化剂孔道疏通。燃煤电厂实际运行2年后，有磨损和无磨损的催化对比如图4所示。两者的催化剂均采用18孔结构，但由于其反应器内空塔流速为4.3 m/s，流经催化剂孔道的烟气流速合理，催化剂孔道不容易堵灰。

图4 工程概况Fig.4 Project summary

蜂窝式催化剂的常规端面硬化技术可显著提高催化剂的耐磨特性，端面硬化水溶胶的主要配方为铝盐和钒的溶液，其中铝盐提供抗磨损能力，钒溶液提供活性。但端面会降低硬化端活性，成本较高。磨损主要集中于催化剂的迎风面，当硬化高度超过3 cm时，磨损率已满足硬化端的性能要求，低于0.08 %/kg，当硬化高度为5 cm时，磨损率为0.024 %/kg。在烟气刚进入催化剂表面时会形成湍流区，该区域磨损较为严重；对于流场较为稳定的项目，通常该区域在2～3 cm(即催化剂格栅内特征尺寸范围)；流场偏差较大的项目该区域在5 cm；流场非常差的项目在10 cm(极个别情况)。湍流形成后，催化剂的整流作用会逐渐形成层流区，在壁面形成低速和低颗粒度烟气流，层流区对催化剂的影响较小，灰分基本从孔内通过，对催化剂磨损较轻。另外，对于燃用高灰煤且烟气中粗颗粒浓度比较高的工况，在省煤器出口采用“导流挡板+深灰斗+低拦灰网/挡板”方案，可有效拦截部分大颗粒，拦截效率可超过95%[35]。

2.2 烟气冷却器(或称低低温省煤器)

烟气冷却器布置在ESP入口段烟道，用于降低ESP入口的烟气温度。对于燃烧高灰劣质煤的燃煤机组，需要高度重视烟气冷却器的磨损情况。烟气冷却器的磨损速度主要与烟尘浓度、粉尘粒径、烟气流速(直接影响颗粒流速)、流场均匀性、飞灰的物理化学性质(主要是硬度、琢磨性等)、烟气冷却器受热面布置、结构特性、机组运行工况等因素有关，其中飞灰的浓度是导致磨损的主要因素之一。

对于烟气冷却器的防磨可从主动、被动防磨两方面进行考虑和处理。在主动防磨方面，建议设计流速低于8.5 m/s，且流场均匀，均流系数不超过0.2，布置方式及设备结构要合理；在被动防磨方面，可考虑在烟气冷却器的迎风侧安装假管或换热管上布置防磨衬套，一般可考虑至少布置2排。从换热管的形状及排列方式来看[36]，错排布置的椭圆管束的综合换热性能及抗积灰性能均好于顺排布置，但抗磨损性能稍弱。综合考虑磨损的不可逆、修复成本高等特点，在飞灰浓度高、烟气流速快的工况下，受热面采用顺排椭圆管束布置方式，且对第1排管子采取一定的防磨措施；另外，随管束纵节距增加，顺排椭圆管束的综合换热性能先增强后减弱，抗磨损性能及抗积灰性能均增强；随着管束横节距增加，顺排椭圆管束的综合换热性能及抗磨损性能均变化不大，抗积灰性能增强，因此，扩大横节距可有效减少积灰风险。

未来，针对烟气换热器的积灰、磨损问题，还可综合考虑其他应对措施，如合理选择换热器介质流速，优化换热器结构，采用热管技术、离子注入技术、表面涂层技术和氟塑料换热器等[37]。

3 高灰煤示范

3.1 工程概况

高灰煤超低排放示范工程为某660 MW高效超超临界燃煤空冷机组，同步配套建设烟气脱硝、除尘和脱硫设施，如图4所示。烟气脱硝设施采用SCR脱硝装置以及蜂窝式催化剂，催化剂层数按“2+2”设计，即2层运行2层备用。脱硫工艺采用“石灰石-石膏”湿法脱硫，单吸收塔配置，吸收塔设置5层喷淋层加2层合金托盘，除雾器选用三级高效屋脊式除雾器。除尘采用LL-ESP工艺，按照2台、双室、5电场设置，电场极板高度为15.5 m，单电场有效长度为2×5.5 m+3×5 m。每个电场配置高频电源，单台电源的额定容量为72 kV/2.0 A。试验期间煤种入炉收到基灰分Aar数据见表2，230～660 MW时ESP入口烟气温度分别为92.8 ℃、90.4 ℃、90.6 ℃、89.9 ℃。

表2 入炉煤煤质分析Tab.2 Furnace coal quality analysis

3.2 应用效果

总体而言，脱硝、脱硫和除尘系统运行状态良好，各项污染物脱除效率满足设计值要求，且能够适应现有燃煤煤质和机组负荷的变化，经过近2年的应用观察，未发现明显的磨损及堵塞现象。不同负荷工况下，LL-ESP、湿法脱硫出口烟尘质量浓度及相应的除尘效率如图5所示。

图5 LL-ESP、湿法脱硫出口烟尘浓度及相应的除尘效率实测结果Fig.5 Measured results of outlet dust concentrations and dedusting efficiency of LL-ESP and wet desulfurization

由图5可以看出，ESP出口烟尘质量浓度为12.31～16.82 mg/m3，除尘效率为99.958%～99.973%，负荷越低，除尘器内烟气流速越低，对除尘越有利。经过湿法脱硫后，出口烟尘排放质量浓度为2.12～2.86 mg/m3，湿法脱硫协同除尘效率为80.34%～84.73%，均满足烟尘超低排放限值(5 mg/m3)要求。机组负荷越低，颗粒物排放浓度越低，对应的系统除尘效率越高，尤其是ESP的除尘效率提升明显。但湿法脱硫系统的除尘效率没有明显提升，反而有所波动，这与脱硫塔内颗粒物的捕集原理有关。浆液滴通过惯性捕集细颗粒物，若想打破颗粒表面的气膜有效捕获，必须要有足够的动能和惯性，因此，当负荷降低，流速减小时，湿法脱硫的协同除尘效率反而会降低。

另外，在湿法脱硫的协同除尘效率方面，国外(主要是日本)配套LL-ESP技术的电厂湿法脱硫的协同除尘效率达70%～90%[2-3]，颗粒物(可过滤)排放质量浓度一般小于5 mg/m3。文献调研数据显示，国内采用“LL-ESP技术+湿法脱硫技术”的机组，其湿法脱硫的协同除尘效率可达60%～70%以上，个别机组在60%以下，湿法脱硫的烟尘排放质量浓度在3.5～8 mg/m3的范围内。本项目湿法脱硫协同除尘效率为80.34%～84.73%，达到了国际同类技术水平。

3.3 能耗分析

ESP单位时间电耗[38]主要包括其阻力电耗(即ESP压力降引起的引风机单位时间的电耗)、高压供电设备单位时间电耗、低压用电设备单位时间电耗(包括振打电动机、灰斗加热、绝缘子加热等单位时间电耗)[39-40]，计算式如下：

W=Wr+Whv+Wlv.

(1)

式中：Wr为ESP阻力电耗；Whv为ESP高压供电设备单位时间电耗；Wlv为ESP低压用电设备单位时间电耗。这几个参数单位均为kWh/h。

ESP高低压电耗测试可按GB/T 13931—2017《电除尘器性能测试方法》规定，其中增加了ESP高压供电设备与低压用电设备电耗测试方法相关内容。由于ESP高低压电耗在机组运行过程中是不断波动的，因此高低压电耗宜取7日的测试平均值。ESP的阻力电耗

(2)

式中：Q为ESP单位时间处理的工况烟气量，单位为m3/h；Δp为ESP压力降，单位为Pa；0.85为ESP系统引风机、传动设备等引起的综合效率系数，1 000和3 600为单位换算系数。

ESP压力降测试按标准GB/T 13931的规定。由于ESP压力降在一段时间内的波动幅度不大，其值宜按测试时的测量值为准。此外，不能忽略实际运行过程中因电动机发热、传动部件间摩擦等引起的能量损失，在计算ESP阻力电耗过程中，需要考虑引风机效率系数和传动效率系数。

ESP比电耗是指ESP处理单位工况烟气量所消耗的电量，表示为

C=W/Q.

(3)

ESP电耗及比电耗计算结果如图6所示。由图6可以看出，230 MW、350 MW和450 MW负荷下电耗仅分别为660 MW负荷下的13.8%、17.3%和32.3%，主要原因是：低负荷下除尘器入口烟气量下降较为明显，此时烟气流速、烟气停留时间、运行实际比集尘面积等均远远高于设计值，除尘器内烟尘的自由沉降效应显著。而且从图5不难发现，随着负荷降低，ESP入口的烟尘浓度也有所降低，这本身也降低了其除尘压力。根据GB 37484—2019《除尘器能效限定值及能效等级》对除尘器能效等级的判定方法，450 MW、350 MW、230 MW工况下除尘器的能效等级为1级，660 MW负荷工况下能效等级为3级，在低负荷工况运行时具备更高的经济性。

图6 电耗及比电耗Fig.6 Power consumption and specific power consumption

4 结论

a)在除尘提效方面，与常规ESP相比，LL-ESP提效显著，幅度在17.09%～53.17%；开展多相流模拟试验，优化烟道结构、导流及气流分布件布置型式，可保障气流及颗粒相分布均匀，提高除尘性能。

b)在防磨防堵方面，SCR反应器内合适位置安装导流板及整流格栅，可保证烟气流速均匀；采用声波吹灰器及蒸汽吹灰器吹灰，确保孔道疏通；烟气冷却器需采用主动和被动防磨措施。

c)在工程应用方面，脱硝、脱硫和除尘系统运行状态良好，满足设计值要求及超低排放，且未发现明显的磨损及堵塞现象。