双碳背景下电除尘器的节能减碳分析

刘含笑

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江省 诸暨市 311800）

0 引言

如何应对气候变化和控制温室气体排放是目前全球关注的热点话题，《联合国气候变化框架公约》[1]中明确规定了最大温室气体排放源为化石燃料燃烧所产生的CO2，因此，通过减排温室气体CO2应对气候变化已逐渐成为国际共识[2-3]。《全球升温1.5 ℃特别报告》[4]对90种模拟的发展情景进行了评估分析，几乎所有情景都需要强制CO2捕集技术才能将全球的升温幅度控制在1.5 ℃以内。实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，各部委均为实现碳达峰、碳中和目标加紧制定行动方案，各地方政府也陆续出台相关政策，就目前来看，节能减排和能源替代是地方实现碳达峰的两大抓手。

我国富煤、贫油、少气的能源禀赋决定了燃煤电厂排放CO2强度大、占比高，据统计，煤电CO2排放占全国能源利用CO2排放总量的38%[5]。但现阶段，燃烧后烟气中CO2捕集能耗和成本仍太高，据统计，中国当前的低浓度二氧化碳捕集成本为300~900元/t[6]，因此，众多学者一致认为，当前阶段节能提效才是燃煤电厂减碳的第一优选[7-8]。尤其是燃煤电厂完成超低排放改造后，为了追求极低的排放指标，环保设备的配置和运行能耗普遍偏高[9]。 而电除尘器(electrostatic precipitator，ESP)通过消耗电能实现除尘效果，高压供电参数直接影响电除尘效率，一般高压供电参数越高、能耗越大，则电除尘效率越高[10-13]。本文通过对电除尘器能效参数进行分析评测，探讨其节能减碳空间，为后续燃煤电厂碳减排提供可借鉴技术思路。

1 电除尘器节能减碳研究方法

理论上讲，电除尘器节省的高压电耗、运行费用及低低温电除尘器前置低温省煤器回收的热量都可以通过标准煤耗换算成碳减排。计算方法可按下式进行：

式中：E1, E2, E3分别为电除尘器节省的高压电耗、运行费用及低低温电除尘器前置低温省煤器回收的热量对应的CO2年排放量；W为除尘器的电耗；T为燃煤机组有效发电时间，这里燃煤电厂统一按5 000 h计；pe、pc、po分别为厂用电价、标准煤价格、年运行费用，这里厂用电价、标准煤价格分别按0.35元/(kW⋅h)、600元/t计；Q为换热器年回收的热量；Qsc为标准煤的热值，取29 400 kJ/kg[14]；λ为标准煤CO2排放系数。不同煤种的热值不同，换算成标准煤的CO2排放系数也不尽相同，如图1所示，范围在2.767~2.966 kg/kg，这里按综合标准煤CO2排放系数2.814 kg/kg计。

图1 不同煤种热值及CO2排放系数Fig. 1 Calorific value and CO2 emission coefficient of different kinds of coal

2 干式电除尘器节能减碳分析

分别对超低排放改造前、后的燃煤机组配套干式电除尘器开展能耗统计分析。

2.1 超低排放改造前

统计了超低排放改造前197 台燃煤电厂配套干式电除尘器高压供电电耗[13]，其中，300 MW级、600 MW 级、1 000 MW 级机组配套电除尘器分别为76、99、22台。电除尘器高压供电电耗可通过三相有功电能表直接测定，也可以根据高压供电电源的实际运行参数计算得到，工频、高频电源供电时电除尘器高压供电电耗计算方法分别按式(4)、(5)[15]计算：

式中：W为除尘器的高压供电电耗，kW⋅h/h；Ii为电场i的一次电流，A；Ui为一次电压，V；n为电场数；cosϕ为功率因数，一般工频电源取0.7，高频电源取0.9。

改造前电耗(未考虑负荷变化对电除尘器电耗的影响)和CO2排放统计结果如图2、3 所示，300 MW 级、600 MW 级、1 000 MW 级机组配套电除尘器的高压供电电耗范围分别在320~1 475、242~2 534、734~3 808 kW⋅h/h，平均值分别为762、1 086、1 765 kW⋅h/h。计算得到300 MW级、600 MW 级、1 000 MW 级机组配套电除尘器的高压供电电耗对应的CO2年排放量范围分别在2 622~12 104、1 988~20 798、5 941~31 251 t，平均值分别为6 256、8 915、14 485 t，可见不同机组排放数据差异较大。

图2 超低排放改造前电除尘器高压供电电耗Fig. 2 Power consumption of high-voltage power supply of ESP before ultra-low emission renovation

图3 超低排放改造前电除尘器CO2排放数据统计Fig. 3 CO2 emission data of ESP before ultra-low emission renovation

电除尘器高压供电电耗与除尘性能直接相关，以某300 MW 级机组配套电除尘器为例[16]，不同工况下对应的除尘性能、电耗参数及其CO2排放量如图4所示。可见，从工况1到工况4，电除尘器出口烟尘浓度从84.2 mg/m3降至46.8 mg/m3，减排了44%；除尘效率从99.55%提升至99.74%，提高了近0.2个百分点；高压供电电耗从368 kW⋅h/h升至511 kW⋅h/h。电除尘性能越好，对应的能耗越高，这与文献[11-13]研究结果一致。不同工况对应的CO2年排放量在3 016~4 194 t，最高值与最低值相比，增幅达39%。

图4 某300 MW级机组配套电除尘器能效参数Fig. 4 Energy efficiency parameters of an electric precipitator for a 300 MW unit

2.2 超低排放改造后

调研某4台1 000 MW典型超低排放机组配套电除尘器的高压供电电耗，并计算其对应的CO2年排放量，结果如图5所示。这4套机组均采用低低温电除尘技术进行改造，其高压供电电耗在1 660~2 640 kW⋅h/h，对应的CO2年排放量范围在13 624~20 453 t，平均值为18 229 t，与超低排放改造前1 000 MW 机组平均值相比，增加了21%，这主要是由电除尘器出口烟尘浓度指标降低所致。对机组3、4 进行电控优化，开启节能模式，在保证电除尘器出口烟尘浓度<15 mg/m3的前提下，尽量降低电源运行参数。优化后电除尘器的高压供电电耗及对应的CO2年排放量如图6 所示，机组3、4 配套电除尘器电控方式优化后，对应的CO2年排放量均减少了约62%，减排效果显著。

图5 超低排放改造后电除尘器高压供电电耗及对应CO2排放数据统计Fig. 5 Power consumption of high-voltage power supply and the corresponding CO2 emission data of ESP after ultra-low emission renovation

图6 不同电控模式时电除尘器高压供电电耗及对应CO2排放数据统计Fig. 6 Power consumption of high-voltage power supply and the corresponding CO2 emission data of ESP under different electric control modes

3 湿式电除尘器电耗和碳排放分析

文献[17]统计了24台燃煤电厂配套湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)高压供电电耗，未考虑负荷变化对电除尘器电耗的影响，其中，300 MW 级、600 MW 级、1 000 MW 级机组配套电除尘器分别为16、2、6台，统计计算结果如图7 所示，300 MW 级、600 MW 级、1000 MW 级机组配套电除尘器的高压供电电耗平均值分别为242、314、417 kW∙h/h。计算得到300 MW 级、600 MW 级、1 000 MW 级机组配套电除尘器的高压供电电耗对应的CO2年排放量范围分别在632~3 980、2 470~2 684、1 797~5 014 t，平均值分别为1 983、2 577、3 423 t，可见不同机组排放数据差异较大，如图8所示。

图7 湿式电除尘器高压供电电耗Fig. 7 High-voltage power supply power consumption of WESP

图8 湿式电除尘器对应CO2排放数据统计Fig. 8 Corresponding CO2 emission data of WESP

4 其他辅助设备节能减碳分析

4.1 低温省煤器

低温省煤器布置在除尘器前，用以降低烟气温度。据统计，低温省煤器投运后可节省煤耗1~2 g/(kW⋅h)，具体节省煤耗数据与降温幅度有关。以某630 MW 机组为例，不同负荷工况下对应的温降、节省标准煤耗及对应CO2减排量如图9 所示，可以看出，100%、75%、50%负荷对应的温降分别为37、19.5、15.1 ℃，节省标准煤耗分别为2.066、1.296、0.601 g/(kW⋅h)，低温省煤器年减排CO2分别为19 185、9 026、2 790 t。由此可见，降温幅度越大，对应的CO2减排量越大。

图9 低温省煤器能效数据Fig. 9 Energy efficiency data of low temperature economizer

4.2 相变凝聚器

相变凝聚器布置在湿法脱硫后，用以进一步降低烟气温度，同时兼具一定的除尘功能[18-19]。以某280 t/h炉为例，经测试，100%和75%负荷时相变凝聚器除尘效率分别为54.93%、71.61%，除盐水流量按160 t/h 计，2 种负荷年运行时间各约3 500 h，年回收热量达83 664 GJ，折合标准煤约2 846 t，相变凝聚器可年减排CO2约8 009 t。

5 技术路线经济性分析

以低低温电除尘技术为核心的烟气协同治理技术路线具有较好的技术经济性[20-21]，以某2台基本配置相当的660 MW 机组为例，前者采用的除尘技术路线为“低低温ESP+高效协同除尘湿法烟气脱硫(wet flue gas desulphurization，WFGD)”，后者为“ESP+WFGD+WESP”，经估算，前者较后者运行费用可减少约70 万元，按标准煤价格600 元/t 计，约节省1 167 t 标准煤，即可年减排CO2约3 284 t。

6 结论

1）超低排放改造前，干式电除尘器高压供电电耗在242~3 808 kW⋅h/h，不同机组CO2排放数据差异较大。电除尘器高压供电电耗与电除尘性能直接相关，电除尘性能越好，对应的能耗越高。

2）超低排放改造后，1 000 MW 级机组配套电除尘器的高压供电电耗在1 660~2 640 kW⋅h/h，对应的CO2年排放量范围在13 624~20 453 t，平均值为18 229 t，与超低排放改造前1 000 MW 机组平均值相比，增加了21%，在保证出口排放的前提下对电控方式进行优化，对应的CO2年排放量可减少约62%。

3）300 MW 级、600 MW 级、1000 MW 级机组配套湿式电除尘器的高压供电电耗平均值分别为242、314、417 kW⋅h/h，对应的CO2年排放量范围分别在632~3 980、2470~2684、1 797~5 014 t，平均值分别为1 983、2 577、3 423 t。

4）低温省煤器投运后可节省煤耗2 g/(kW⋅h)，630 MW 机组在100%负荷下年CO2减排量为19 185 t；280 t/h 炉相变凝聚器年回收热量可达83 664 GJ，年减排CO2约8 009 t；与湿式电除尘技术路线相比，660 MW机组以低低温电除尘技术为核心的烟气协同治理技术路线可年减排CO2约3 284 t。