馬占海，徐超，趙海寶，艾璞＊，章干養(yǎng)，耿克成，錢長亮

[1.華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司，新疆 昌吉回族自治州 831700；2.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?紹興 311800；3.華電（印尼）玻雅發(fā)電公司，北京 100031]

我國煤炭儲量豐厚，新疆五彩灣地區(qū)更是我國目前發(fā)現(xiàn)的最大整裝煤田，其獨(dú)特的地理位置優(yōu)勢，使該地區(qū)已投運(yùn)及規(guī)劃在建的1000MW 燃煤電站達(dá)10 臺以上，該地區(qū)建設(shè)的發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目是踐行國家“一帶一路”倡議的重要支點(diǎn)項(xiàng)目[1,2]。已投運(yùn)的準(zhǔn)東—皖南±1100kV 特高壓輸電工程，輸送功率達(dá)1200 萬kW，每年可從新疆向中東部地區(qū)輸送電力660 億kW·h，是綜合開發(fā)準(zhǔn)東煤炭資源，推動(dòng)新疆能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和諧發(fā)展的綠色發(fā)電項(xiàng)目。

2007 年，國務(wù)院出臺的《關(guān)于加快關(guān)停小火電機(jī)組若干意見的通知》中提出“上大壓小”電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革機(jī)制，要求加大高效、清潔機(jī)組建設(shè)力度，加快推進(jìn)小火電機(jī)組關(guān)停工作，以期降低能源消耗，減少污染物排放。相對于小容量機(jī)組，大容量機(jī)組單位耗煤量和排污量小，處理單位煙氣量所需的電耗低[3]。2015 年，原環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》中要求燃煤電廠到2020 年力爭實(shí)現(xiàn)超低排放（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3）。2016 年，國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《“十三五”全民節(jié)能行動(dòng)計(jì)劃》中明確要求加大燃煤鍋爐節(jié)能改造力度，要求積極開展燃煤鍋爐“以大代小”工作。大容量燃煤發(fā)電機(jī)組充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)高效性，已經(jīng)成為燃煤電廠發(fā)展的主流趨勢。

目前，新型高效除塵設(shè)備低低溫電除塵器和電袋除塵器均已大范圍應(yīng)用于工業(yè)煙氣顆粒物的超低排放治理，除塵效率高，用戶滿意度高[4-7]。文章對已投運(yùn)的超臨界及超超臨界機(jī)組等級除塵設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以期為燃煤電廠及非電行業(yè)的除塵技術(shù)方案選擇提供參考。

1 兩種高效除塵技術(shù)簡介

1.1 低低溫電除塵技術(shù)

低低溫電除塵技術(shù)通過低溫省煤器或MGGH 作用使除塵器入口煙氣溫度由常規(guī)的120℃—160℃降到酸露點(diǎn)溫度以下，煙氣中大部分SO3冷凝形成硫酸霧，起到煙氣調(diào)質(zhì)作用，從而使粉塵比電阻和煙氣黏滯性降低，擊穿電壓升高，煙氣量大幅減少，除塵效率提升，可協(xié)同脫除大部分SO3，采用低溫省煤器時(shí)還可節(jié)省大量能耗。

酈建國等[8]歸納了低低溫電除塵技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)特點(diǎn)，并對其核心問題及對策措施進(jìn)行了探討。趙海寶等[9]針對低低溫電除塵技術(shù)的煤種適應(yīng)性、酸露點(diǎn)、灰硫比及其計(jì)算公式、二次揚(yáng)塵、離線振打以及相互之間的影響進(jìn)行了分析，研究了典型的低低溫電除塵系統(tǒng)、灰硫比對電除塵器腐蝕和除塵效率的影響程度、旋轉(zhuǎn)電極與低低溫電除塵的結(jié)合系統(tǒng)。胡斌等[10]分析了低低溫電除塵中細(xì)顆粒的粒度變化特性，以及低低溫電除塵入口煙溫、煙氣中SO3濃度等對細(xì)顆粒與SO3脫除性能的影響，并探討飛灰吸附SO3的機(jī)理。壽春暉等[11]對某1000MW 燃煤機(jī)組低低溫電除塵器的顆粒物脫除特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，低低溫電除塵器可有效提升煙塵的總體脫除能力，被電場捕集的Si、Al 主要分布于較大顆粒物上（粒徑>10μm），被電場捕集的Ca、Fe、Mg、S 主要富集于可吸入顆粒物上（PM10）。黃怡民[12]采用實(shí)驗(yàn)室研究及工程實(shí)測相結(jié)合的手段，對低低溫電除塵器的PM2.5及SO3減排情況進(jìn)行測試，結(jié)果表明，低低溫電除塵器對TSP、PM2.5與SO3脫除的提效程度一致，對PM2.5及SO3均具有較好的脫除效果。趙海寶等[13]對浙江某1000MW 機(jī)組配套電除塵器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析，并對其除塵性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，低低溫電除塵器可滿足10mg/m3以下出口粉塵濃度的要求，直接實(shí)現(xiàn)粉塵超低排放。

低低溫電除塵器的全面推廣還需加大其對灰硫比小于100 的煤種進(jìn)行適用性研究，還需加強(qiáng)對煙冷器的研究力度，致力于開發(fā)出運(yùn)行更加穩(wěn)定、能耗更低、成本更低的高效除塵設(shè)備。

1.2 電袋除塵技術(shù)

電袋除塵器是電除塵器和布袋除塵器兩個(gè)除塵單元的有機(jī)結(jié)合，前級電除塵區(qū)能捕集80%左右的粉塵，經(jīng)電場荷電的逃逸粉塵到達(dá)后級布袋除塵區(qū)進(jìn)行再次脫除，可有效發(fā)揮布袋除塵器對煤種不敏感、微細(xì)粉塵收集效率高等優(yōu)點(diǎn)。Wang C、史文崢、杜宇江等[14-16]的研究表明，在不依托其他二次除塵設(shè)備的條件下，電袋除塵器出口粉塵濃度可以穩(wěn)定達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，并可協(xié)同脫除汞和重金屬等污染物。

Oak 等[17]、Huang 等[18]研究了顆粒物經(jīng)電場作用后在單纖維濾料上的捕集過程，結(jié)果表明，外加電場能夠明顯增強(qiáng)單纖維濾料對顆粒物的捕集性能。Rodrigues 等[19]研究了纖維過濾器中粒子荷電水平對過濾效率和壓力降的影響，在清潔濾料過濾期，高風(fēng)速可以提高濾料對顆粒物的捕捉效率，但纖維孔隙容易堵塞，清潔濾料過濾期縮短。涂揚(yáng)賡等[20]研究了電袋除塵器中多孔板對顆粒物的收集特性，電除塵區(qū)除塵效率基本不隨孔板形式改變，主要受開孔率和過濾風(fēng)速的影響，過濾風(fēng)速增加，開孔率窗口變窄，最佳開孔率增加。趙毅等[21]對靜電增強(qiáng)纖維過濾技術(shù)進(jìn)行了分析研究，荷電粉塵對濾袋過濾特性的影響有利于提高除塵效率、降低阻力損失以及清灰工作的開展。

國內(nèi)外學(xué)者為電袋除塵器的發(fā)展做了大量研究工作，但還需在電袋除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和反吹清灰、電區(qū)袋區(qū)間顆粒電荷損失、優(yōu)選多孔板最佳開孔率平衡收塵效率和壓降之間的矛盾等方向開展研究。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)比較

低低溫電除塵器與電袋除塵器技術(shù)特點(diǎn)比較見表1。

表1 低低溫電除塵器與電袋除塵器技術(shù)特點(diǎn)比較

2 經(jīng)濟(jì)性比較

2.1 對比基準(zhǔn)及選型

除塵設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)對一次投資費(fèi)用（設(shè)備費(fèi)用）和全生命周期內(nèi)（設(shè)計(jì)壽命30 年）的年運(yùn)行費(fèi)用總和進(jìn)行評估。年運(yùn)行費(fèi)用僅指除塵設(shè)備電耗費(fèi)用（包括引風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等功率消耗）與維護(hù)費(fèi)用之和。

為了便于定量分析比較，以達(dá)到除塵器出口煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)即小于15mg/Nm3為目標(biāo)，新建兩套660MW機(jī)組配套除塵設(shè)備（處理煙氣量按333 萬m3/h 計(jì)算），對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

（1）低低溫電除塵器：由于煤、灰成分不同，所需要配備的低低溫電除塵器比集塵面積不同，為便于比較，根據(jù)《電除塵選型設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，該低低溫電除塵器選擇5 電場、比集塵面積約為130m2/（m3/s），布置及基本參數(shù)見表2。

表2 新疆某660MW 機(jī)組低低溫電除塵器布置及基本參數(shù)

（2）電袋除塵器：電除塵區(qū)為2 個(gè)電場、除塵效率為90%，其布袋除塵區(qū)的過濾速度為1m/min，布置及基本參數(shù)見表3。

表3 國外某660MW 機(jī)組電袋除塵器基本參數(shù)

2.2 電耗費(fèi)用比較

電費(fèi)按0.35 元/kW·h，運(yùn)行時(shí)間按7000h/a 計(jì)。低低溫電除塵器的電耗主要為引風(fēng)機(jī)、高壓整流設(shè)備及煙冷器的功耗，電袋除塵器的電耗主要為引風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)及冷凍干燥機(jī)的功耗，其電耗費(fèi)用比較見表4。

表4 電耗費(fèi)用比較（兩臺機(jī)組）

由表4 可知，同等級燃煤機(jī)組配套除塵設(shè)備，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時(shí)，低低溫電除塵器正常運(yùn)行時(shí)的電耗是電袋除塵器正常運(yùn)行時(shí)電耗的92.38%。

2.3 設(shè)備費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用比較

低低溫電除塵器設(shè)計(jì)壽命按30 年計(jì)，其極板、極線、軸承、錘頭、瓷套、瓷軸等易損件的壽命按10 年計(jì)，易損件每10 年的更換費(fèi)用按電除塵器設(shè)備費(fèi)用的15%計(jì)。

電袋除塵器中的濾袋為PPS+PTFE/PTFE，700g/m2，PTFE 表面處理，其壽命按4 年計(jì)；籠骨、脈沖閥壽命按8 年計(jì)。設(shè)備費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用比較見表5。

由表5 可知，同等級燃煤機(jī)組配套除塵設(shè)備，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時(shí)，低低溫電除塵器設(shè)備費(fèi)用低于電袋除塵器，而且低低溫電除塵器年運(yùn)行費(fèi)用僅為電袋除塵器年運(yùn)行費(fèi)用的63.22%。

2.4 長期運(yùn)行費(fèi)用對比

低低溫電除塵器與電除塵器運(yùn)行1 年、10 年、20 年、30 年時(shí)的設(shè)備費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用比較見圖1—圖4。

圖1 各除塵設(shè)備運(yùn)行1 年總費(fèi)用

圖2 各除塵設(shè)備運(yùn)行10 年總費(fèi)用

圖3 各除塵設(shè)備運(yùn)行20 年總費(fèi)用

圖4 各除塵設(shè)備運(yùn)行30 年總費(fèi)用

由圖1—圖4 可知，660MW 機(jī)組配備低低溫電除塵器與電袋除塵器，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，電袋除塵器設(shè)備及運(yùn)維總費(fèi)用都比同期低低溫電除塵器高，全生命周期30 年低低溫電除塵器總費(fèi)用僅為電袋除塵器的70.94%。

3 低低溫電除塵器配套的煙氣冷卻器經(jīng)濟(jì)性分析

由于煙氣冷卻器是低低溫電除塵系統(tǒng)中配備的設(shè)備，因此僅對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。由于煙冷器的作用是通過換熱元件將煙氣溫度降低至85℃—95℃，回收的煙氣余熱用于加熱鍋爐供水，從而達(dá)到提高鍋爐熱效率的目的。此外，由于換熱元器件的存在，使其存在一定的設(shè)備阻力，從而導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)的功耗增加，同時(shí)水泵等設(shè)備也有一定的功率消耗。

為了便于定量分析其經(jīng)濟(jì)性，以煙冷器入口溫度136℃、出口溫度90℃、新建兩套660MW 機(jī)組配套煙冷器（處理煙氣量按333 萬m3/h 計(jì)算）為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 電耗費(fèi)用

電費(fèi)按0.35 元/kW·h 計(jì)，運(yùn)行時(shí)間按7000h/a 計(jì)。其電耗費(fèi)用見表6。

表6 煙氣冷卻器電耗費(fèi)用

3.2 設(shè)備費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用

煙冷器設(shè)計(jì)壽命按30a 計(jì)，螺旋翅片的更換及相關(guān)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用按144 萬元/a 計(jì)，煙氣溫度每降低35℃可回收熱量1.37×108kJ/h（相當(dāng)于1.0t 標(biāo)煤/h），煤價(jià)格按600 元/t 計(jì)算。設(shè)備與年運(yùn)行費(fèi)用比較見表7。

表7 設(shè)備與年運(yùn)行費(fèi)用

由表7 可知，增加煙冷器后，每年由煙冷器回收煙氣余熱帶來的效益遠(yuǎn)高于設(shè)備每年的運(yùn)維費(fèi)用，6年時(shí)間即可收回設(shè)備投入費(fèi)用。

3.3 系統(tǒng)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性分析

低低溫電除塵（包括煙冷器和電除塵器）和電袋除塵設(shè)備費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用比較見表8，連續(xù)運(yùn)行30年總費(fèi)用情況見圖5。

表8 除塵系統(tǒng)設(shè)備與年運(yùn)行費(fèi)用（兩臺機(jī)組）

圖5 連續(xù)運(yùn)行30 年總費(fèi)用

由表8 和圖5 可知，660MW 機(jī)組配套除塵設(shè)備，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時(shí)，低低溫電除塵器（包括煙冷器和電除塵器）和電袋除塵器的一次投資分別為10 600 萬元與8060 萬元，煙冷器回收煙氣余熱帶來的效益補(bǔ)償本體運(yùn)行費(fèi)用，年運(yùn)行費(fèi)用僅為電袋除塵器年運(yùn)行費(fèi)用的12%，而且運(yùn)行四年后總費(fèi)用開始小于電袋除塵器，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，低低溫電除塵器經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

燃煤電廠鍋爐裝機(jī)容量大小直接影響其配備的除塵設(shè)備費(fèi)用，相比于小機(jī)組除塵設(shè)備，1000MW 等級及以上機(jī)組的除塵器一次用鋼量大幅降低，并且殼體墻面減少，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。另外，隨著燃?xì)廨啓C(jī)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，采用1000MW 等級以上機(jī)組配備除塵器的單位發(fā)電用鋼量將進(jìn)一步減少。所以，大機(jī)組配套除塵設(shè)備，低低溫電除塵器可作為優(yōu)先選擇。

4 結(jié)論

（1）低低溫電除塵和電袋除塵是燃煤電廠兩種典型的顆粒物超低排放技術(shù)。

（2）對于660MW 機(jī)組，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時(shí)，低低溫電除塵器本體設(shè)備費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用都低于電袋除塵器，年運(yùn)行費(fèi)用僅為電袋除塵器的63.22%，全生命周期總費(fèi)用為電袋除塵的70.94%。

（3）低低溫電除塵器配備煙冷器，其煙氣余熱帶來的經(jīng)濟(jì)效益可補(bǔ)償本體運(yùn)行費(fèi)用，年運(yùn)行費(fèi)用僅為電袋除塵器的12%，而且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，低低溫電除塵器的經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著。