陳文瑞

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

SO3煙氣調質+電除塵在大型燃煤機組上的應用

陳文瑞

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

大型燃煤機組由于耗煤量巨大，在設計時均考慮了多煤種的情況，但電除塵器對不同煤種燃燒后產生的煤灰的收塵性能差異很大。針對多煤種設計工況，以廣東平海電廠為例，SO3煙氣調質+電除塵器組合技術既能滿足燃燒多煤種時的低排放要求，又具備了較低的一次性投資和較低的運行費，是一種最佳的除塵方案，該項目對同類工程除塵方案的選型推廣具有積極的示范及借鑒意義。

電除塵器;比電阻;低硫煤;三氧化硫;煙氣調質

前言

隨著節(jié)能減排及國家“上大壓小”政策的實施，近年來國內新上燃煤機組呈大型化趨勢，超臨界機組和超超臨界機組已成主流。大型燃煤機組由于耗煤量巨大，項目在設計時均考慮了多煤種的情況。目前大型燃煤機組鍋爐尾部一般采用電除塵器作為除塵方式，但電除塵器對不同煤種燃燒后產生的煤灰的收塵性能差異很大，因此電除塵器如何在多煤種情況下均能滿足排放要求，又能具有較低的一次性投資及運行費用，成為電除塵行業(yè)的一大課題，SO3煙氣調質+電除塵組合技術正好能滿足這一要求。采用SO3煙氣調質+電除塵組合技術作為除塵方案時，電除塵器選型可以將易收塵的煤種作為主要選型依據(jù)，同時適當考慮最難收塵的煤種，改變傳統(tǒng)以難收塵煤種作為選型依據(jù)的選型方法，大大降低電除塵器的設計規(guī)格，因而降低了一次性投資費用。同時，在實際運行中，視實際燃用煤種，考慮是否投用煙氣調質及投用率。當燃用易收塵煤種時，不投用煙氣調質，電除塵器出口即可滿足排放要求；當燃用難收塵煤種時，投用煙氣調質并根據(jù)電除塵器實際出口排放濃度調整注入率，調質后同樣能滿足電除塵器出口排放要求。同時，SO3煙氣調質設備相對獨立，操作靈活，運行成本低。

SO3煙氣調質+電除塵組合技術在歐美大型燃煤機組上應用非常普遍，近年來這一技術在我國也開始得到重視和應用，例如廣東平海電廠2×1000MW機組、陜西清水川電廠二期2×1000MW機組、廣東三水恒益電廠2×600MW機組、廣東華夏陽西電廠二期2×600MW機組均采用了該設計方案。

1 煤種及灰分分析

廣東平海電廠位于惠東縣大亞灣東岸南部，隔海相望大亞灣核電站。配套上海鍋爐廠3093t/h超超臨界固態(tài)排渣直流煤粉鍋爐。由于燃煤量大，考慮了多煤種設計工況，設計煤種為內蒙準格爾煤和印尼煤按1∶1配比的混煤，校核煤種分別為印尼煤、準格爾煤。各煤種煤質分析見表1、灰分分析見表2、煤灰比電阻見表3。

表1 煤質分析表

表2 灰分分析表

表3 飛灰比電阻

從表1～表3中可以看出，各煤種及燃燒后產生的飛灰成分差異巨大，兩者對電除塵器除塵性能的差異分析如下：

（1）設計煤種灰分Aar=8.75%和準格爾煤Aar= 16.24%遠高出校印尼煤灰分值（1.54%），對應電除塵器進口粉塵濃度分別為11.39g/Nm3、18g/Nm3和2.44g/Nm3，前兩者是后者的5倍多?？梢姡谌紵煌悍N的情況下，電除塵器的負荷波動很大。

（2）設計和校核煤種含硫量均很低，同屬特低硫煤。按煤燃燒后煙氣中SO2轉換成SO3的轉化率取0.4%估算，準格爾煤種燃燒后煙氣中SO3濃度不到1ppm，作為對電除塵器收塵的有利成分，單位粉塵所占SO3的比例微乎其微，粉塵表面比電阻大，這對電除塵器極為不利。

（3）準格爾煤灰中SiO2和Al2O3含量合計為83.97%，一般認為，兩者含量超過80%就會對電除塵器造成不利影響。SiO2粉塵較硬且不易荷電，而Al2O3是很細的飄塵，兩者均難以被電除塵器捕集。而作為能夠有效降低粉塵體積比電阻的堿金屬含量卻很低，Na2O含量僅為0.41%，K2O含量僅為0.61%，粉塵離子活性弱，體積導電性弱。而印尼煤灰中SiO2和Al2O3含量合計卻僅為40.06%。

（4）粉塵比電阻ρ可以看成是由體積比電阻ρv和表面比電阻ρs“并聯(lián)”所成的等效電阻，其關系式為：1/ρ=1/ρv+1/ρs。經計算，設計煤灰粉塵比電阻在120℃時達8.8×1012Ω·cm。尤其是對于準格爾煤灰，其比電阻120℃時超過1013Ω·cm，大大超過電除塵器對粉塵的最佳收塵范圍：106～5×1010Ω·cm，電場內部容易產生反電暈現(xiàn)象，表現(xiàn)為二次電壓大大降低，二次電流大增，伏安特性曲線出現(xiàn)明顯拐點，除塵效率大幅度降低。而印尼煤灰比電阻2.7×1010Ω·cm，容易收塵。

以上分析可見，燃燒不同煤種時，煤灰對于電除塵器的收塵性能來說，難易程度相差很大，單純的電除塵器選型，要同時滿足兩種煤種情況下粉塵排放均達標且具有最佳經濟性的要求，難度很大。

2 電除塵器配套SO3煙氣調質方案

2.1 SO3煙氣調質機理

當溫度大于200℃時，體積比電阻占主導作用，溫度低于150℃時，表面比電阻占主導作用。由于常溫電除塵器的工作溫度＜160℃，所以表面比電阻成為決定粉塵比電阻的主要因素。表面導電主要是通過粉塵顆粒表面吸附的水膜或化學物質（化學膜）來進行的，通常燃煤電廠煙氣中含有3%～10%的水分，當煙氣溫度較低時，這些水汽可以吸附在粉塵表面形成具有低比電阻的導電通道，這就是水調質的原理。但由于煙氣的水露點往往較低，當煙氣溫度較高時，水分吸附作用將大大降低。然而，當煙氣中出現(xiàn)足夠的SO3時，一方面具有SO3極強的活性，與煙氣中水分結合形成的煙酸氣溶膠極易吸附在粉塵表面，形成低電阻導電通道；另一方面，煙氣中SO3含量增加，煙氣酸露點提高，即使煙氣溫度高于露點很多，被吸附的酸膜也會沉積在粉塵表面形成表面導電通道。SO3調質的機理如圖1。

圖1 粉塵表面酸膜形成機理

SO3煙氣調質實質上是降低粉塵的表面比電阻，即將少量（5～20ppm）可控制的SO3噴射到煙氣中，SO3與煙氣中的水分結合生成硫酸氣溶膠吸附在粉塵顆粒表面，形成一個低比電阻導電通道，使粉塵更易收集，從而提高電除塵器的除塵效率。

當鍋爐燃燒高硫煤（Sar＞3%）時，煙氣中就會產生足夠多的SO3，此類煤中的有機硫燃燒后產生的SO3實際上本身就能起到煙氣調質的效果。在我國西南地區(qū)一些燃用高硫煤的電廠，盡管電除塵器選型規(guī)格不大，但運行效果卻非常好，其原因就在于此。

2.2 電除塵器配套SO3煙氣調質除塵方案分析

根據(jù)工程實踐，當煙氣中含有10～20ppm的SO3時，粉塵高比電阻值可以降低兩個數(shù)量級以上，調質效果明顯。然而，當燃燒低硫煤時，自然產生的SO3就很少，不能產生足夠的酸膜以降低粉塵比電阻，高比電阻的飛灰就難以被電除塵器捕集。

本工程的特點為，設計煤種中摻燒準格爾煤，而準格爾煤被公認為世界上最難收塵的煤種之一。當準格爾煤的摻燒比例高于30%時，就會出現(xiàn)收塵困難的問題。其原因應該是由于飛灰比電阻過高，造成了反電暈現(xiàn)象。根據(jù)眾多實際應用經驗，準格爾煤如不對煙塵進行調質處理，單純采用傳統(tǒng)靜電除塵器，盡管加大其規(guī)格，也很難保證出口粉塵排放要求。目前燃用準格爾煤電廠的靜電除塵器均遇到了效率難以達標的共性問題。例如大唐托克托電廠8×600MW機組、岱海電廠4×600MW機組、國華準格爾電廠4×330MW機組等，其中國華準格爾電廠一期2×330MW機組將原技術協(xié)議中單臺靜電除塵器的四電場數(shù)增加到五電場，斷面積由352.8m2提高到431m2，總收塵面積由30,455m2增加到49,322 m2，但實際運行中電除塵器還是未能達到設計效率。托克托電廠一期靜電除塵器比集塵面積為87.71m2/m3/s，從二期開始，也加大規(guī)格，提高到114m2/m3/s，同時配套SO3煙氣調質設備，對煙塵進行調質處理，降低粉塵比電阻，提高除塵效率，取得良好的效果。

本工程要求電除塵器出口滿足45mg/Nm3的排放要求，若以易收塵煤種即校核煤種作為電除塵器的選型依據(jù)，則無法滿足燃燒設計煤種時的粉塵排放要求，若以難收塵煤種即設計煤種作為依據(jù)，則勢必造成電除塵器選型龐大，造價過高，經濟性低。若能有效降低設計煤種的粉塵比電阻，則選型時可以校核煤種作為選型依據(jù)，適當考慮放大一定裕度，即可同時滿足燃燒不同煤種時的排放要求，同時具有較佳的投資經濟性。

根據(jù)美國南方研究所關于煤灰比電阻的測算，得出該項目準格爾煤灰比電阻與SO3注入率及煙氣溫度的關系曲線如圖2。

圖2 粉塵比電阻與SO3注入率、煙氣溫度的關系曲線

經測算，當煙氣溫度為130℃時，燃燒設計煤種時，粉塵中體積比電阻5.9×1013Ω·cm，表面比電阻1.0×1012Ω·cm，為往煙氣中注入10ppm的SO3，粉塵比電阻可由2.6×1011Ω·cm降為7.7×109Ω·cm，調質效果顯著。

綜合以上分析認為，該項目煤灰采用SO3煙氣調質是完全可行的。

2.3 SO3煙氣調質選型

SO3煙氣調質系統(tǒng)按照工藝流程，將設備分為三大單元，三大單元均在廠家車間內生產和調試，現(xiàn)場只需將三大單元用管道連接起來即可，典型的現(xiàn)場安裝周期為10天。

SO3煙氣調質設備工藝過程及主要設備如圖3。

圖3 SO3煙氣調質工藝過程及主要設備

液態(tài)儲硫罐和硫磺泵為一大單元，其作用是熔硫，儲硫罐中設有蒸汽盤管，通過蒸汽換熱將罐中的固態(tài)硫磺熔化成液態(tài)硫，然后通過硫磺泵將其送入燃硫爐中燃燒。第二大單元即高度集成的SO3生成器，包括風機、電加熱器、燃硫爐、轉化塔及電控部分，空氣由風機送入電加熱器加熱成所需的溫度，然后送入燃硫爐供燃燒液態(tài)硫，生成的SO2在催化劑轉化塔中被催化氧化成SO3。最后一個單元即注入裝置，其作用是將SO3均勻地注入到電除塵器進口與鍋爐預熱器出口之間的煙道中，與煙氣中的水分結合形成酸膜附著在粉塵表面，實現(xiàn)其調質作用。

由于硫磺燃燒和SO2的催化轉化均屬于發(fā)熱反應，系統(tǒng)充分利用該熱量，通過可控硅控制電加熱器功率形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。實際運行中，系統(tǒng)還可以根據(jù)鍋爐負荷、濁度和煙氣溫度等信號確定最佳的SO3注入量，具有節(jié)能降耗優(yōu)點。

本項目單臺爐計算燃硫量為82.7kg/h，考慮余量，每臺爐配置一套燃硫能力為120kg/h的SO3生成裝置，兩臺爐共用一套燃硫儲硫裝置。

2.4 煙氣調質技術優(yōu)點

煙氣調質的優(yōu)點表現(xiàn)為：

（1）煙氣調質系統(tǒng)設備相對獨立，操作靈活性，運行維護費用較低。運行維護費與燃用煤質緊密聯(lián)系，電除塵與煙氣調質一體化，電除塵器是基礎，調質劑投入量可靈活掌握，當機組低負荷運行或燃用易收塵煤種時，調質設備可不投用或在較低的注入率（≤15ppm）運行；當機組高負荷運行或燃用收塵困難煤種時，注入率的大小可根據(jù)煤種變化、負荷大小和濁度全自動控制，注入率的可調節(jié)性與電除塵器節(jié)能控制系統(tǒng)、減功率斷電振打程序控制系統(tǒng)相結合，可實現(xiàn)電除塵器與煙氣調質最節(jié)能減耗運行，實現(xiàn)最經濟運行。

（2）電除塵器配套煙氣調質系統(tǒng)，并未對原電除塵器作結構改進，故保留了原電除塵器低阻力、高可靠性、運行維護簡單等優(yōu)點。

（3）節(jié)能：通過SO3煙氣調質，有效降低了粉塵比電阻，可消除反電暈現(xiàn)象，因而電除塵器還同比可降低電耗。

（4）由于降低粉塵比電阻后，電除塵器可按易收塵煤種進行選型，因而除塵器規(guī)格大幅度下降，可節(jié)省電除塵器占地面積，同時不影響原風機系統(tǒng)。

（5）電除塵器直接配套煙氣調質，可降低總體投資費用。

2.5 電除塵器選型

本工程設計按易收塵煤種作為選型依據(jù)，燃燒設計煤種時電除塵器按同步投運煙氣調質考慮，并適當增加電除塵器的收塵面積。選型結果如表4。

表4 電除塵器主要技術參數(shù)

3 經濟性分析

3.1 總投資經濟性

單純采用電除塵器方案與采用電除塵器配套煙氣調質方案總投資對比分析見表5。

由表5可見，無調質系統(tǒng)的除塵器總造價與含有調質系統(tǒng)的除塵器造價基本相同，故兩者的選用取決于技術上的可靠性和兩系統(tǒng)運行費用的對比。

表5 方案總投資經濟性對比

3.2 運行費比較

3.2.1 煙氣調質運行費

煙氣調質系統(tǒng)主要運行費用包括硫磺、蒸汽、電的消耗，按年運行5500h計算，則煙氣調質年運行費如下：

（1）硫磺：按注入量15ppm，硫磺1600元/t價格計算，則年硫磺的費用為82.7×5500×1600/1000=72.776（萬元）。

（2）電耗：按成本電價0.175元/kW·h計算，則年電耗費用：120×5500×0.175=11.55（萬元）。

（3）蒸汽：每1000kg蒸汽費用為80元計算，則年蒸汽費：60×5500×80 = 2.64（萬元）。

按上所列，一臺爐采用煙氣調質的年運行費合計為：87萬元。

3.2.2 單純電除塵器方案增加年運行費

單純電除塵器方案比采用煙氣調質電除塵器須增加兩個電場（按六電場考慮）。單臺爐增加12臺1.5A/72kV高壓電源，12臺高壓電源的年運行電耗計算如下：1.2A/72kV高壓電源的輸入功率為154kVA，運行系數(shù)取0.67，總電耗：12×154×5500×0.67=6,809,880（kW·h）。仍按0.175元kW·h計算，則年電耗費為6,809,880×0.175=119（萬元）。

3.2.3 年費用經濟比較

采用煙氣調質年費用與增加電場方案的年費用經濟比較見表6。

采用增設三氧化硫煙氣調質設備來提高除塵效率方案，從電除塵機理入手，抓住了粉塵比電阻較高是影響電除塵器性能的主要因素。降低粉塵比電阻，使電除塵器發(fā)揮最大的效能，從而提高除塵效率，達到設計的排放要求。煙氣調質技術成熟、可靠，且施工簡單。雖然初投資比無調質方案要高104萬元，但一臺爐年運行費用比單純采用電除塵器的運行費用節(jié)省32萬元，增加的投資可在4年內回收，投資回收年限很短，因此，采用調質方案的優(yōu)勢是非常明顯的。

表6 年費用經濟比較表

4 結論

（1）SO3煙氣調質能夠有效解決由于燃燒低硫高灰分煤而引起飛灰比電阻升高，電除塵器除塵效率下降這一難題，調質后可使飛灰比電阻降低2～3個數(shù)量級。

（2）電除塵器增設煙氣調質，從改變粉塵比電阻等特性的源頭入手，其改變了傳統(tǒng)電除塵器完全被動適應粉塵及煙氣工況的情況，是一種全新的除塵技術方案。

（3）“SO3煙氣調質 + 電除塵器”作為新上項目的除塵方案，可以大幅度降低電除塵器的設計規(guī)格，電除塵器可以按調質后易收粉塵作為選型依據(jù)，從而大大降低設備總體的一次性投資。

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Application of SO3Flue Gas Conditioning + Electric Precipitation in Large-sized Coal-fired Generating Set

Chen Wen-rui

X701.2

A

1006-5377（2012）11-0021-05