林歡

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

引言

2014年9月，國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，要求我國東部地區(qū)11省新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值，即粉塵≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。中部地區(qū)原則上接近或達到燃機排放限值，鼓勵西部地區(qū)接近或達到燃機排放限值。同時，穩(wěn)步推進東部地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值的環(huán)保改造[1]。2015年3月，十二屆全國人大三次會議《政府工作報告》指出： 深入實施《大氣污染防治行動計劃》，推動燃煤電廠超低排放改造。2015年12月2日，國務院常務會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。燃煤電廠積極開展超低排放改造。

目前，燃煤機組采用的煙氣處理系統(tǒng)主要有：靜電除塵器+濕法脫硫、靜電除塵器+半干法脫硫+袋式除塵器（或電袋除塵器）等[2]。常用的除塵器改造有電改袋式除塵器技術、低低溫電除塵器技術、高頻電源技術、常規(guī)電場擴容及優(yōu)化技術、改造電袋除塵器等方法[3、4]，單獨改造煙塵排放濃度都很難實現(xiàn)小于10mg/Nm3。濕法脫硫后加裝濕式靜電除塵器，可以同時解決脫硫后煙氣中的微細粉塵、酸性霧滴、重金屬顆粒、“石膏雨”、SO3氣溶膠等問題。因此，濕式靜電除塵器為燃煤機組超低排放提供了可靠的技術路線。

某鋼鐵廠為響應提高煙氣排放標準的號召，對現(xiàn)有2×300MW機組進行了煙氣超低排放改造。針對該發(fā)電機組改造后粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，對其原有干式除塵器進行電源升級，二級吸收塔后加裝濕式靜電除塵器，保證出口煙氣達到超低排放的要求。

1 改造前除塵情況

某鋼鐵廠2×300MW發(fā)電機組同步建設SCR脫硝工藝、雙室五電場靜電除塵器和濕式石灰石/石膏法脫硫工藝（一爐一塔），除塵效率大于99.86%。并于2010年12月底投入運營。2013年、2014年分別對2#和1#機組進行了低氮燃燒器改造及其除霧器屋脊式改造，煙氣脫硫入口煙氣參數(shù)如表1所示，改造后運行指標：NOx≤100mg/Nm3，粉塵出口濃度≤50mg/Nm3。SO2排放濃度≤169mg/Nm3，脫硫效率≥96.5%。四年多的運行，機組效率明顯降低，整體性能有所下降，該廠對兩臺機組進行了改造。

表1 煙氣脫硫入口煙氣參數(shù)

2 改造目標

改造后的煙氣污染物排放濃度達到或優(yōu)于現(xiàn)有燃用天然氣機組的排放標準，即濕式電除塵入口含塵濃度按照50mg/Nm3（標、濕、實際氧），粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。

3 除塵改造技術分析

針對超低排放，目前國內除塵改造技術主要有電袋復合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器。

3.1 電袋復合除塵器

電袋復合除塵器是將電除塵器和袋式除塵器結合起來的除塵技術，目前主要應用于水泥、火電行業(yè)。電袋復合除塵器是利用除塵指數(shù)規(guī)律變化。應用比較多的是“前電后袋”形式，電除塵器作為一級除塵，利用電場作用收集80%左右的粗顆粒粉塵。剩余的細微顆粒被荷電后，在電荷異性相吸的作用下組成大粉塵團，袋式除塵作為二級除塵，過濾收集剩余20%左右的粉塵，從而增加細微粉塵的吸附，提高除塵效率，達到超低排放。電袋復合除塵器結合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點：能去除0.01～1μm的氣溶膠細微粒子；不受粉塵比電阻的影響；工作負荷低、過濾阻力小；可減少清灰頻率，延長濾袋的使用壽命。但是高溫高濕度的煙氣環(huán)境，電袋復合除塵器會出現(xiàn)結露和腐蝕。電暈放電會影響布袋壽命。電袋復合除塵器裝置復雜，后期維護費用增加。

3.2 高頻電源改造

2014年，環(huán)境保護部《關于發(fā)布2014年國家鼓勵發(fā)展的環(huán)境保護技術目錄（工業(yè)煙氣治理領域）的公告》中指出：與傳統(tǒng)工頻電源相比，采用高頻電源后，粉塵排放減少10%以上，節(jié)電20%～40%[5]。根據(jù)除塵器效率多依奇公式可知，粉塵的驅進速度與除塵效率成正比。粉塵粒徑的大小、粉塵比電阻、電場強度、煙氣粘度都會影響帶電粉塵在電場中的驅進速度。電場的電壓越高，電場強度越強，除塵效率越高。與工頻電源（50Hz）相比，高頻電源的頻率是工頻電源頻率的800倍，可達到40kHz，輸出直流電壓要高出30%左右。可以提高電除塵器電場供電電壓和電流，提高除塵器的除塵效率。

3.3 低低溫電除塵器

低低溫煙氣處理技術是在鍋爐空預器后設置MGGH（熱媒水熱量回收系統(tǒng)），使進入除塵器入口的溫度由原來的130℃～150℃降至90℃左右[6]。由于煙氣溫度低于酸露點溫度，在MGGH或低溫省煤器中氣態(tài)SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵顆粒所吸附。除塵器在收集粉塵的同時，也協(xié)同去除了煙氣中的SO3。低低溫電除塵器的優(yōu)勢：可降低粉塵的比電阻，避免“反電暈”現(xiàn)象發(fā)生。能協(xié)同處理煙氣中大部分的SO3。節(jié)約燃料，節(jié)省標準煤耗為1.0～3.5g/kW·h?？衫糜酂幔芎牡?。但是熱回收器中冷凝形成的SO3會腐蝕除塵器及下游設備。

3.4 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器與干式靜電除塵器的工作原理相近。高壓放電使煙氣電離，使粉塵與霧滴荷電，荷電后的粉塵、酸霧等顆粒物不斷凝聚，在電場作用下，抵達收塵極。干式除塵器采用振打清灰，振打會出現(xiàn)二次揚塵。濕式靜電除塵器采用收塵極板上形成連續(xù)水膜帶走粉塵與霧滴。不但壓損小、無移動部件、極板清潔容易、防止二次揚塵，還可以解決高比電阻引起的反電暈現(xiàn)象。對于濕法脫硫后的硫酸霧、PM2.5、重金屬離子可以協(xié)同處理。布置在濕法脫硫的后端，燃煤鍋爐粉塵排放濃度可≤10mg/Nm3。除塵效率高，被廣泛用于火電、鋼鐵等行業(yè)。

4 改造技術線路

該期改造工程需要在原廠房區(qū)進行，不再另開辟其他場地，場地空間有限。入口粉塵濃度為50mg/Nm3，出口粉塵濃度為5mg/Nm3，工程難度大。項目改造時間短，工期緊張。根據(jù)除塵器效率多依奇公式：

式中：

μ——設計要求除塵效率；

ω——驅進速度，m/s；

A——收塵極計算集塵面積，m2；

Q——工況處理風量，m3/s。

比集塵面積S=A/Q，m2·s/m3。

可知，除塵效率與驅進速度、比集塵面積有關。提高驅進速度和比集塵面積可提高除塵效率。粒子驅進速度主要取決于電除塵器二次電壓、二次電流、塵/霧的粒徑分布、塵/SO3霧的比電阻、氣體粘度、氣流的分布狀況等。所以改造主要通過高頻電源改造和增加集塵面積來提高除塵效率。根據(jù)項目特點，具體改造路線為：

（1）保留原有電除塵器本體設備，并對雙室五電場高壓電源進行改造。其中一、二、三電場電源改為高頻電源，四、五電場改為脈沖電源。高頻電源在額定負載條件下轉換效率＞92%。電除塵排塵濃度≤20mg/Nm3。系統(tǒng)節(jié)電率＞40%。

（2）保持原有吸收塔作為一級吸收塔，新增吸收塔為二級吸收塔。二級吸收塔后新增一臺兩電場的濕式靜電除塵器。濕式靜電除塵器的入口含塵濃度按50mg/Nm3（標準狀態(tài)、濕基、實際氧），出口含塵濃度按5mg/Nm3，除塵效率按90%設計。每臺除塵器兩電場、四分區(qū)，配置4套高頻電源。改造后技術路線如圖1所示。

圖1 改造后技術路線

5 改造技術分析

濕式電除塵器采用臥式結構，煙氣水平進出。除塵器包含陽極集塵系統(tǒng)、陰極放電系統(tǒng)、煙氣導流均布系統(tǒng)、沖洗水深度霧化噴淋系統(tǒng)、高效節(jié)能荷電系統(tǒng)、入口煙道、出口煙道、灰斗、殼體等結構。濕式除塵器結構原理圖如圖2所示。除塵器分為兩個電場，四個分區(qū)。該項目對煙氣系統(tǒng)進行了CFD計算機數(shù)值模擬和流場分析，采用比集塵面積最大化、高效噴淋系統(tǒng)、穩(wěn)定供電方式、節(jié)能環(huán)保型水處理工藝，確保煙氣排放達到超低排放標準。

5.1 比集塵面積最大化

根據(jù)設計煤種BMCR工況和實際場地情況進行方案設計。為獲得足夠多的集塵面積，濕式除塵器兩電場、四分區(qū)。采用ZD60形式的板式集塵極，放電極采用針刺型陰極線。電場布置圖如圖3所示。陽極板采用懸掛式懸掛在殼體的主梁上，陰極線采用夾持式安裝，并通過框架固定，不但可以保證陽極板和陰極線不能隨意擺動，也解決了空間有限的難題，使通道數(shù)增加，達到集塵面積的最大化。煙氣流速為2.43m/s，煙氣停留時間長達3.8s，有利于粉塵的收集。比集塵面積為25.4m2·s/m3，滿足比集塵面積為不小于25m2·s/m3的要求。

圖2 濕式靜電除塵器結構原理

圖3 濕式靜電除塵器電場布置

5.2 煙氣系統(tǒng)CFD流場分析

原場地空間有限，又新增二級吸收塔和濕式除塵器，需要對原有煙道系統(tǒng)進行改造。如何設計煙道走向和設備布置，最大程度減少系統(tǒng)阻力尤其重要。根據(jù)煙道布置，利用CFD計算機數(shù)值模擬進行流場分析，模型按1∶1比例進行建模，網(wǎng)格數(shù)量達400萬以上。電除塵器內部采用多孔介質結構處理。通過對煙道流場優(yōu)化，在煙道內設置五處導流板，在進口喇叭內設置氣流均布板。導流板位置如圖4所示。煙氣速度流線圖如圖5所示。整個煙道系統(tǒng)內煙氣流動均勻且穩(wěn)定。煙道和除塵器內無旋渦產(chǎn)生。濕式除塵器縱截面的速度分布均勻，氣流分布均勻系數(shù)為0.123，滿足除塵器入口煙箱法蘭處丘留均布系數(shù)＜0.13的要求。

圖4 煙道系統(tǒng)內設置的導流板位置

圖5 煙氣系統(tǒng)速度流線圖

5.3 高效穩(wěn)定供電方式

原除塵器改造第一、二、三電場電源改為高頻電源，四、五電場改為脈沖電源。新增濕式除塵器2電場、四分區(qū)均采用高頻電源。改造工程場地空間有限，高頻電源布置在除塵器頂部。高頻電源采用型號為72kV/2000mA。大功率高頻電源的電能轉換效率高達93%以上。對于復雜多變的工況，高頻電源對鍋爐燃燒物及灰粉適應性強，且在恒流或恒壓下運行穩(wěn)定?？杀裙ゎl電源降低運行電耗70%以上。效率高、電源能耗低、運行維護成本低。高頻電源采用數(shù)字化控制，保證即起即停的同時，在任意擊穿電壓下也能穩(wěn)定運行。高效穩(wěn)定的供電方式為高效除塵提供重要保障。

5.4 節(jié)能水處理系統(tǒng)

濕式除塵器水處理系統(tǒng)由高效噴淋系統(tǒng)+節(jié)能水循環(huán)系統(tǒng)組成。陽極板和氣流均布板上方布置噴嘴，噴霧形成水膜后沖洗粉塵，灰水經(jīng)灰斗到達水箱?；宜谒渲屑訅A中和，達到水質標準的灰水作為系統(tǒng)內部水循環(huán)利用，含少量懸浮物的水外排到脫硫系統(tǒng)作為脫硫工藝補水，同時補充等量的工業(yè)用水。不但實現(xiàn)灰水的循環(huán)利用，還減少了外排灰水的二次污染，節(jié)能且環(huán)保。

5.5 除塵器設備主要技術參數(shù)

改造后的濕式靜電除塵器設備主要技術參數(shù)見表2。

表2 濕式靜電除塵器主要技術參數(shù)

6 改造后運行結果分析

該項目2×300MW機組超低排放改造工程2015年12月完成168h調試后投入使用，設備運行正常。對濕式除塵器煙氣煙塵濃度進行檢測，檢測結果見表3。從檢測結果可知，機組煙氣系統(tǒng)滿足凈煙氣煙塵排放濃度≤5mg/Nm3，煙塵脫除效率≥90%的要求。濕式除塵器同時對SO3、NOx、PM2.5有協(xié)同去除作用。至今設備已投運2年，煙氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足超低排放要求。

表3 濕式靜電除塵器煙氣濃度檢測結果

7 結語

以某鋼鐵廠2×300MW燃煤機組超低排放改造為例，分析了超低排放中電袋復合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器四種除塵改造技術。確定了“對原有電除塵器電源進行改造+二級吸收塔后新增濕式靜電除塵器”的改造路線。從投運運行結果來看，高頻電源改造可以提高除塵效率，濕法脫硫后新增濕式靜電除塵器，可實現(xiàn)超低排放出口粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，改造路線值得其他除塵改造借鑒。