雷應(yīng)奇,高香林

(華北電力大學(xué),河北保定 071003)

火電廠電除塵器節(jié)能減排的最新進(jìn)展

The up-to-date development on energy conservation and emission reduction of ESP in thermal power plants

雷應(yīng)奇,高香林

(華北電力大學(xué),河北保定 071003)

電除塵器已成為燃煤電廠電力安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)必不可少的重要設(shè)備,電除塵器技術(shù)在節(jié)能減排已取得了重要成果。提效節(jié)能型高壓電源在減排10%～50%以上的同時(shí),可節(jié)能70%～95%以上。通過不斷創(chuàng)新,有望將電除塵器建造成能長期穩(wěn)定運(yùn)行的達(dá)標(biāo)節(jié)能低碳型綠色環(huán)保設(shè)備。

電除塵器;節(jié)能減排;除塵效率;排放濃度

改革開放三十年來,我國電力行業(yè),無論新建或改擴(kuò)建燃煤電廠,還是老電廠,絕大部分均采用了電除塵器(ESP)進(jìn)行煙塵治理。ESP已經(jīng)成為燃煤電廠電力安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)必不可少的重要設(shè)備[1]。我國提出科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,旨在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,節(jié)能減排成為我國發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。在這種新形勢下,ESP作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)煙塵治理的主力設(shè)備,如何實(shí)現(xiàn)提效與節(jié)能減排兩項(xiàng)指標(biāo),是我國電除塵技術(shù)面臨面前的艱巨任務(wù)和研究的重要課題。

1 ESP面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)與機(jī)遇

當(dāng)前,燃煤電廠ESP面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)主要有以下幾點(diǎn)[2]:

(1)煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格?！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2003)規(guī)定,新建機(jī)組的煙塵排放由200mg/m3降為50mg/m3,不同年代的舊機(jī)組鍋爐也大幅提高了煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)[3];

(2)脫硫設(shè)備的工藝流程對煙塵排放濃度提出了較嚴(yán)格的要求;

(3)燃煤多為劣質(zhì)煤,灰分大(從10%到40%～50%以上);發(fā)熱量低,并且煤種多變;

(4)反電暈危害嚴(yán)重;

(5)場地限制。舊機(jī)組ESP擴(kuò)容時(shí)沒有場地,新建機(jī)組預(yù)留給ESP的場地極其狹小;

(6)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)要求迫切。在國家節(jié)能減排和建設(shè)創(chuàng)新型國家政策激勵下,電除塵技術(shù)研究工作取得了一定的成果,推動著電除塵技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

2 ESP的節(jié)能

2.1 提效節(jié)能型高壓電源研發(fā)成功與推廣

國電南京自動化研究院等單位提效節(jié)能型ESP高壓電源[4]研制成功后,在現(xiàn)場推廣應(yīng)用中均取得了顯著效果:

(1)節(jié)能幅度大。與火花跟蹤供電方式比較,一般節(jié)能在70%～90%以上,有的高達(dá)95%以上;

(2)提效減排效果顯著。與火花跟蹤供電方式相比,煙塵排放濃度可降低10%～50%以上;

(3)反電暈越嚴(yán)重,本體結(jié)構(gòu)越優(yōu)良,提效節(jié)能效果越顯著。

提效節(jié)能型ESP高壓電源的研發(fā)成功與迅速推廣,標(biāo)志著我國ESP由高效、高能耗過渡到高效、低能耗時(shí)代的開始。

2.2 ESP的電耗與節(jié)能

燃煤電廠不同發(fā)電機(jī)組配套ESP電功率消耗與節(jié)能狀況見表1(本文煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值)。

表1分別列出了燃煤電廠200、300、600、1000MW發(fā)電機(jī)組配套ESP消耗電功率狀況[5]。

表1 燃煤電廠不同發(fā)電機(jī)組配套ESP典型電功率消耗與節(jié)能狀況

表1包括一、二次額定功率,火花跟蹤、提效節(jié)能供電方式以及節(jié)能目標(biāo)功率等。低壓供電包括絕緣套管、電瓷軸、灰斗電加熱和陰陽極振打電機(jī)、卸灰電機(jī)以及照明等。低壓供電運(yùn)行功率以各設(shè)備額定功率50%計(jì)。提效節(jié)能一次總平均功率系指高壓電源采用提效節(jié)能供電方式以及低壓供電運(yùn)行時(shí)的一次總平均功率消耗。其中,提效節(jié)能與火花跟蹤供電方式相比,節(jié)能效率以90%計(jì)(目前,最高節(jié)能率可達(dá)90%～95%以上)。提效節(jié)能目標(biāo)一次總平均功率系指再經(jīng)過3～5 a科技攻關(guān)后,期望EP進(jìn)一步能達(dá)到的低能耗功率。

ESP運(yùn)行時(shí)間按7500 h/a計(jì),上網(wǎng)電價(jià)為0.3元/kW·h,提效節(jié)能運(yùn)行一年節(jié)約的電費(fèi)就可將提效節(jié)能型高壓供電控制設(shè)備的技改費(fèi)用收回,運(yùn)行5～8 a就可將整套ESP的造價(jià)收回。

2008年,我國電力裝機(jī)容量為7.924億kW,其中火電占75.87%,即6.013億kW。假若燃煤發(fā)電機(jī)組配套ESP全部改造為提效節(jié)能型高壓供電設(shè)備,以每100MW平均節(jié)約電功率305 kW計(jì),共計(jì)節(jié)約電功率為1.75×106kW相當(dāng)于利用節(jié)能而再建了一個(gè)1700MW大發(fā)電廠,亦相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤476萬t,減少燃煤所造成的SO2排放6.1萬t, NOx排放量3.1萬t,煙塵0.9萬t,減輕溫室效應(yīng)氣體CO2排放750萬t?？梢娖浣?jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益是相當(dāng)可觀的。綜上所述,節(jié)能本身具有減少廠用電、降低煤炭消耗、減少大氣污染和減少溫室氣體排放等多重意義。

3 ESP的提效減排

3.1 部分ESP不能達(dá)標(biāo)排放原因分析

部分ESP煙塵排放不能達(dá)標(biāo),其原因除ESP本身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障外,還存在煤質(zhì)欠、實(shí)際煙氣量過大、ESP體積過小、反電暈嚴(yán)重等原因。

3.1.1 燃用煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種較大

除塵效率定義[6]:

式中η為除塵效率,%;Gi、G0分別表示單位時(shí)間進(jìn)入除塵器和從除塵器排出的粉塵量,kg/h。

由式(1)可推導(dǎo)出,ESP的除塵效率與ESP入口、出口煙塵濃度關(guān)系如下式:

從式(3)可見,當(dāng)ESP除塵效率及漏風(fēng)率一定時(shí),ESP出口煙塵濃度與入口煙塵濃度成正比。一般情況下,燃煤電廠向ESP本體廠提供設(shè)計(jì)煤種與校核煤種,以及與燃煤灰分成正比的ESP入口煙塵濃度,這些數(shù)據(jù)成為ESP設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。當(dāng)ESP實(shí)際運(yùn)行時(shí),往往由于上述煤種不能保障供應(yīng),只能燃用灰份大的劣質(zhì)煤,導(dǎo)致ESP入口煙塵濃度大大超過設(shè)計(jì)給定值,從而造成煙塵排放濃度超過國家允許排放標(biāo)準(zhǔn)。

例如,當(dāng)燃用偏離設(shè)計(jì)煤種而導(dǎo)致ESP入口煙塵濃度超過給定值50%、100%、150%時(shí),在除塵效率和漏風(fēng)率不變情況下,ESP出口煙塵濃度會由40mg/m3分別增加到60、80、100mg/m3,或由80mg/m3分別增加到120、160、200mg/m3?？梢?由于燃煤煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)或校核煤種,會導(dǎo)致煙塵排放濃度大大超過50、100mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 實(shí)際煙氣量過大

眾所周知,ESP處理(凈化)煙氣量的大小,對除塵效率的影響很大。多依奇(Deutsch)除塵效率公式[7]為:

式中A為ESP總集塵面積,m2;ω為有效驅(qū)進(jìn)速度, m/s;Q為ESP處理煙氣量,m3/s;f為比集塵面積, m2/(m3/s)。

從上式可見,ESP的除塵效率與處理煙氣量成反比。而電場風(fēng)速與煙氣量關(guān)系為:

式中u為電場風(fēng)速,m/s;F為電場截面積,m2;Q為ESP處理煙氣量,m2/s。

電場風(fēng)速與ESP處理煙氣量成正比。在ESP收塵電場中,已荷電粉塵在電場力作用下驅(qū)往收塵極板需要一定的時(shí)間,若電場風(fēng)速高,有些已荷電粉塵來不及沉集到收塵極板上就被主煙氣流帶出收塵電場;另外,電場風(fēng)速高,會增加粉塵的二次揚(yáng)塵損失,尤其是增加振打清灰時(shí)的二次揚(yáng)塵損失。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),ESP二次揚(yáng)塵損失約占40%～60%?？梢?煙氣量是影響ESP除塵效率高低的一個(gè)極其重要的參數(shù)。煙氣量越大,則電場風(fēng)速越高,導(dǎo)致除塵效率越低,煙塵排放濃度越高。

通常,燃煤電廠向ESP本體廠提供燃煤鍋爐煙氣量作為ESP重要設(shè)計(jì)依據(jù)。當(dāng)ESP實(shí)際運(yùn)行時(shí), ESP入口實(shí)際煙氣量往往遠(yuǎn)大于用戶給定煙氣量。其原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)電廠提供煙氣量是鍋爐生產(chǎn)廠在理想條件下燃用優(yōu)質(zhì)煤時(shí),達(dá)到額定蒸發(fā)量時(shí)所產(chǎn)生的最小煙氣量,甚至有些是理論計(jì)算結(jié)果。煙氣量越小,表明鍋爐性能良好。鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí),由于機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行或燃煤煤質(zhì)欠佳等多種因素影響,所產(chǎn)生的煙氣量勢必遠(yuǎn)大于給定的理想煙氣量。

(2)鍋爐尾部漏風(fēng)嚴(yán)重。隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增加,尾部漏風(fēng)會日趨嚴(yán)重,這就大大增加了進(jìn)入ESP的煙氣量。

(3)ESP本體廠設(shè)計(jì)時(shí)裕度偏小。雖然ESP本體廠設(shè)計(jì)時(shí)煙氣量較用戶給定值增加5%～10%的裕度,但往往還達(dá)不到實(shí)際煙氣量。

3.1.3 ESP體積偏小

從ESP電除塵效率公式(4)可知,ESP除塵效率與集塵面積或比集塵面積成正比。據(jù)有關(guān)資料介紹,目前國外ESP的比集塵面積可以達(dá)到170～300m2/(m3/s),單室電場數(shù)可達(dá)7～8個(gè)[8]。而我國ESP比集塵面積一般為80～110m2/(m3/s),單室電場數(shù)僅有4～5個(gè)。

3.1.4 反電暈嚴(yán)重

我國燃煤電廠ESP運(yùn)行時(shí),絕大部分會產(chǎn)生反電暈。嚴(yán)重反電暈[9-13]會導(dǎo)致除塵效率下降,煙塵排放濃度增加,電耗增大。

3.2 提效減排途徑

由上述分析可知,投資少、建造的ESP體積小、缺預(yù)留、無規(guī)劃是影響ESP達(dá)標(biāo)排放的主要原因[14]。ESP的提效減排除了要做好設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行維護(hù)及檢修外,還需采取以下措施:

(1)設(shè)計(jì)煤種應(yīng)采用大礦煤和劣質(zhì)小窯煤等兩種以上煤種。

(2)電廠提供的ESP入口煙塵濃度應(yīng)為實(shí)際運(yùn)行時(shí)遇到的最大煙塵濃度。

(3)電廠提供的鍋爐煙氣量應(yīng)為實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大煙氣量。ESP本體廠設(shè)計(jì)時(shí)的煙氣量在此基礎(chǔ)上可再增加適當(dāng)裕度,如大于給定煙氣量20%～30%,以確保機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行和鍋爐尾部嚴(yán)重漏風(fēng)情況下亦不會超過“設(shè)計(jì)修正”煙氣量。

(4)電廠要求的ESP出口煙塵質(zhì)量濃度除滿足當(dāng)前的國家煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)外,還要規(guī)劃滿足今后至少20～30 a的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。

(5)ESP本體設(shè)計(jì)分為當(dāng)前設(shè)計(jì)與規(guī)劃設(shè)計(jì)兩部分。當(dāng)前設(shè)計(jì)是依據(jù)最大煙氣含塵濃度、“設(shè)計(jì)修正”最大煙氣量等有關(guān)數(shù)據(jù),能滿足當(dāng)前煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃設(shè)計(jì)是依據(jù)“預(yù)測”標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留電場,即每室預(yù)留1～2個(gè)電場或電場空間?？傮w原則是確保ESP本體與發(fā)電機(jī)組同壽命。只要機(jī)組能正常運(yùn)行,ESP本體就不應(yīng)大拆改造,在增加預(yù)留電場和擴(kuò)建預(yù)留電場時(shí)就能確保滿足環(huán)保升級后長期嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。

(6)采用提效節(jié)能型高壓電源技術(shù)。該種高壓電源,能有效克服反電暈危害,達(dá)到提效減排與節(jié)能雙重效果。但是,高壓電源的提效及對有效驅(qū)進(jìn)速度的貢獻(xiàn),不能作為ESP本體的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(7)對于在役ESP,為了提效減排,經(jīng)過充分論證,還可進(jìn)行增加集塵面積的技術(shù)改造,或采用煙氣調(diào)質(zhì)[15]、轉(zhuǎn)動電極[16]等新技術(shù)。

4 結(jié)語

(1)通過觀念、理論與技術(shù)創(chuàng)新,可大力挖掘ESP的提效節(jié)能潛力。提效節(jié)能型高壓電源在減排10%～50%的同時(shí),節(jié)能可達(dá)70%～90%甚至可高達(dá)95%以上。

(2)ESP的減排,除了技術(shù)原因外,觀念的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。ESP急需擴(kuò)容,做好長期達(dá)標(biāo)規(guī)劃,ESP完全能夠做到時(shí)時(shí)達(dá)標(biāo),長期達(dá)標(biāo)。

(3)ESP具有除塵效率高,處理煙氣量大,阻力小,能耗低,維護(hù)費(fèi)用少,運(yùn)行穩(wěn)定檢修容易等諸多優(yōu)點(diǎn),通過不斷創(chuàng)新,完全能夠?qū)SP建造成能長期穩(wěn)定運(yùn)行的達(dá)標(biāo)節(jié)能低碳型綠色環(huán)保設(shè)備。

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X701.2

B

1674-8069(2010)03-042-04

2010-01-04;

2010-05-04

雷應(yīng)奇(1951-),男,陜西蘭田人,研究員,主要從事自動化及環(huán)境工程技術(shù)研究工作。E-mail:xyl_gwy@163.com

Abstract:ESP is an essential equipment to safe production and environmental protect ion in thermal power plants. Important achievem ents have been made on energy conservation and em iss ion reduction.The energy saving high voltage power supply can not only reduce em ission by 10 percent to 50 percent,but also conserve energy by over 80 percent to 95 percent.W ith continuous innovation,ESP has been transfor m ing into low-carbon device,environment-friendly and energy-saving.

Key words:ESP;energy conservation-em ission reduction;efficiency;concentration of em ission