電廠700MW機組改造濕式電除塵技術(shù)分析

以廣東省某電廠1號、2號(2×700MW)機組超低排放改造濕式除塵器工程為例，介紹了改造項目技術(shù)路線的選擇、布置方案、設(shè)計特色。實例表明，金屬平板式濕式電除塵能夠使電廠實現(xiàn)穩(wěn)定超低排放的要求。

1項目背景

燃煤電廠煙氣排放中含有的煙塵及SO2、NOx等，被認(rèn)為是造成大氣污染的主要原因。為同時滿足電力需求與環(huán)保要求，國家提出煤電升級行動計劃。國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014～2020年)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號)明確提出煤電改造的目標(biāo)與期限，要求東部地區(qū)(遼寧、北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等11省市)新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值[2]。

廣東省發(fā)改委印發(fā)的粵發(fā)改能電函〔2015〕2102號文件，要求全省煤電機組“基本達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值”，提出了比國家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的污染物排放指標(biāo)，即煙塵及NOx、SO2排放濃度不高于10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3，鼓勵珠三角地區(qū)“達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值”，即煙塵及NOx、SO2排放濃度不高于5mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3[1]。

廣東省某電廠是珠三角地區(qū)的重點發(fā)電企業(yè)，其1號、2號(2×700MW)機組鍋爐煙氣通過電袋復(fù)合除塵器處理后，出口粉塵濃度<20mg/Nm3，已達(dá)到較低的排放水平，電袋復(fù)合除塵器后部的濕法脫硫裝置對粉塵仍有一定的脫除能力，但其自身仍會帶出部分含塵液滴，導(dǎo)致煙塵最終排放濃度存在不確定性。該電廠決定對1號、2號(2×700MW)機組進行環(huán)保升級改造，以保障兩臺機組的煙塵排放濃度穩(wěn)定控制在5mg/Nm3以下，使煙塵濃度最終達(dá)標(biāo)排放。

2技術(shù)路線選擇

2.1濕式電除塵器優(yōu)勢

濕式電除塵器一般設(shè)置在脫硫設(shè)施與煙囪之間，用于去除脫硫后飽和濕煙氣中的煙塵、氣溶膠等細(xì)微顆粒，在濕法脫硫系統(tǒng)后布置濕式電除塵器可有效去除煙氣中的PM2.5粉塵、SO3和Hg及氧化物等污染物，具有聯(lián)合脫除的效果。濕式電除塵作為高效除塵的尖端精處理設(shè)備，在處理復(fù)雜濕煙氣PM2.5組分方面具有明顯優(yōu)勢。我國近幾年陸續(xù)完成一批濕式電除塵改造工程，部分項目煙塵排放濃度甚至達(dá)到≤1mg/Nm3。

2.1.1工作原理

濕式電除塵器的工作原理與干式靜電除塵器相同[3]，如圖1所示，在濕式電除塵器的陰、陽極之間施加數(shù)萬伏直流高壓電，在強電場的作用下，電暈線周圍產(chǎn)生電暈放電，隨飽和濕煙氣進入其中的塵(霧)粒子與這些正、負(fù)離子相碰撞、凝并而荷電。荷電后的塵(霧)粒子在高壓靜電場力的作用下向陽極運動，到達(dá)陽極板后將其所帶的電荷釋放而被陽極收集。不同于干式靜電除塵器振打清灰的方式，濕式電除塵器通過水沖刷清灰，具有清灰更加徹底，能長期保持極板表面清潔，保障除塵器長期穩(wěn)定高效運行的特點。

2.1.2協(xié)同治理

SO3在溫度高于露點、低于205℃(400℉)時，以H2SO4微液滴形式存在[3]。其平均顆粒直徑小于0.4μm，屬亞微米顆粒范疇，導(dǎo)致干電和FGD對SO3去除率低。如圖2所示，在濕式電除塵中，放電極被水浸潤后，電子易激發(fā)，電場中存在大量帶電霧滴，大大增加了亞微米粒子碰撞帶電的機率，而帶電粒子在電場中運動的速度是布朗運動的數(shù)十倍，這樣就大幅度提高了亞微米粒子向收塵極板運行的速度，提高了收集效率。因此，濕式電除塵能夠在一定程度上去除亞微米粒子。據(jù)國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)，濕式電除塵對SO3的去除率在30%～60%。

脫硫系統(tǒng)出口石膏以CaSO4、H2O液滴形式存在，脫硫后的飽和煙氣中攜帶部分水滴，在通過濕式電除塵的高壓電場時可被捕獲并被沖洗走，從而降低煙氣攜帶水量，減小石膏雨的形成機率。雖然國內(nèi)沒有實際的測試數(shù)據(jù)驗證，但根據(jù)電除塵機理和濕式除塵機理的綜合作用，濕式電除塵可除去煙氣中的石膏液滴和重金屬亞微米顆粒物。

2.2各型式濕式電除塵器對比

如圖3所示，國內(nèi)濕式電除塵常用型式主要有金屬平板式、非金屬導(dǎo)電玻璃蜂窩管式和非金屬柔性材料方管式三種[4]，其中金屬平板式濕式電除塵技術(shù)是國內(nèi)燃煤電廠的主流技術(shù)。

(1)金屬平板式濕式電除塵的結(jié)構(gòu)型式與常規(guī)干電基本相同，陽極板采用平板結(jié)構(gòu)，一般為臥式布置，煙氣平進平出。總體尺寸較大，煙氣流速一般在2～3m/s，煙氣停留時間長，對PM2.5細(xì)微顆粒及氣溶膠等脫除率高。

陽極板及陰極線材質(zhì)多為316L或2205雙相不銹鋼，機械強度高、剛性好、不易變形、極間距有保證、電場穩(wěn)定性好，運行電壓高。金屬極板耐高溫，當(dāng)脫硫系統(tǒng)故障時可在較高煙溫下運行，抗電腐蝕。金屬極板表面平整，水膜分布均勻，清灰效果好，能夠長期保證極板、極線干凈，確保設(shè)備高效、安全、穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)運行時為連續(xù)噴水清灰，具有脫除SOx、NH3、Hg等重金屬污染物的能力，噴淋水經(jīng)收集處理后，大部分水進入噴淋系統(tǒng)循環(huán)使用，小部分排水根據(jù)電廠水處理工藝靈活分配，一般輸送給濕法脫硫系統(tǒng)循環(huán)使用。運行耗水量大，循環(huán)水系統(tǒng)的存在，增加了水處理耗材。

(2)非金屬導(dǎo)電玻璃蜂窩管式濕式電除塵，煙氣沿蜂窩管通過除塵器，多為立式布置，煙氣流向為上進下出或下進上出。總體尺寸較緊湊，煙氣流速在3m/s左右，蜂窩管道受結(jié)構(gòu)限制不宜過長。極板材質(zhì)導(dǎo)電玻璃鋼機械強度高，不易變形，但剛性一般。

陰極線為合金材質(zhì)，位于陽極管蜂窩結(jié)構(gòu)孔道中心采用重力張緊，運行時受氣流影響易波動，極間距較難保證，總體收塵效率易受影響。導(dǎo)電玻璃鋼不耐高溫，溫度高于95℃樹脂開始變形，溫度高于120℃時對材質(zhì)有致命損害，脫硫故障時存在燒毀風(fēng)險。

不抗電腐蝕，極板易燒蝕。無水膜沖洗清灰，極板表面平整度有限，清灰無保證，有積灰可能，嚴(yán)重時將破壞水膜。系統(tǒng)沒有持續(xù)地噴水清灰，影響了對SOx、NH3、Hg等重金屬污染物的脫除能力。噴淋系統(tǒng)每隔一段時間進行沖洗，噴水時需要斷電或降電壓，短時降低收塵效果。無循環(huán)水系統(tǒng)，水系統(tǒng)機構(gòu)簡單，運行耗水量低。

(3)非金屬柔性材料方管式濕式電除塵，陽極由非金屬柔性有機合成纖維、柔性材料織物構(gòu)成的方形孔道組成，煙氣流向為下進上出，立式布置，總尺寸較緊湊，方孔通道受結(jié)構(gòu)限制不宜過長，煙氣流速約為3m/s，停留時間較短，高風(fēng)速時電極易擺動，影響除塵性能。

煙氣沿陽極方孔流過，被濕煙氣浸濕的纖維材料收塵極具有導(dǎo)電性。柔性陽極四周配有金屬框架和張緊裝置，陰極線為鉛銻合金材質(zhì)，位于每個方孔四個陽極面的中間，機械強度弱，易變形擺動，極板表面平整度有限，有積灰的可能，極間距不易保證，電場穩(wěn)定性差。

通過收塵極板的全表面均勻水膜自流清灰，電極無噴淋清灰系統(tǒng)，靠收集飽和煙氣中水分的自重帶出煙塵等收集物，沉淀后進入脫硫廢水地坑。系統(tǒng)沒有持續(xù)地噴水清灰，影響了對SOx、NH3、Hg等重金屬污染物的脫除能力。噴淋系統(tǒng)每隔一段時間進行沖洗，噴水時需斷電或降電壓，短時降低收塵效果。無循環(huán)水系統(tǒng)，水系統(tǒng)機構(gòu)簡單，運行耗水量低。

2.3技術(shù)路線確定

低負(fù)荷運行是目前階段許多大機組的常態(tài)，其它超低排放技術(shù)，如塵硫一體等多采用改進吸收塔除霧器機械結(jié)構(gòu)達(dá)到物理除塵效果，鍋爐低負(fù)荷運行時，煙氣量減小，煙氣流速下降對其效果影響極大，較難保障除塵效果穩(wěn)定。濕式電除塵在機組低負(fù)荷運行時，其比集塵面積得到提高，除塵效率反而得到提高。

從技術(shù)發(fā)展趨勢分析，非金屬導(dǎo)電玻璃蜂窩式和非金屬柔性材料方管式兩種濕式電除塵經(jīng)過多年的發(fā)展，應(yīng)用逐漸增多，但在除塵性能和可靠性方面略次于金屬平板濕式電除塵。

反觀金屬平板濕式電除塵，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，國內(nèi)已投運的超潔凈排放示范項目大多采用臥式金屬平極濕式電除塵，足以說明該技術(shù)的成熟可靠。該工程最終采用金屬平板式濕式電除塵為煙囪排放終端把關(guān)，以確保改造后實現(xiàn)可靠穩(wěn)定超低排放。

3工程技術(shù)特點

3.1合理布局，滿足緊張工期

新增設(shè)的濕式電除塵高位布置在吸收塔出口，針對原吸收塔水平出口煙道通過較長跨度斜下接入垂直段GGH的特點，方案布置因地制宜，合理利用原斜煙道所處空間布置濕式電除塵，不改變原煙氣走向，并通過CFD氣流模擬，設(shè)置導(dǎo)流裝置，消除因煙道布局變化導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加的問題。

該改造工程緊迫，從簽訂協(xié)議至投運周期僅有4個月，設(shè)計、生產(chǎn)、采購、安裝等各環(huán)節(jié)均面臨巨大工期壓力。基于施工周期的考慮，經(jīng)現(xiàn)場詳細(xì)勘查后，確定利用原GGH鋼結(jié)構(gòu)支架方案。支架結(jié)構(gòu)采用懸臂支托，使新增支架基礎(chǔ)避開地面煙道、電纜溝道等設(shè)備。

如圖4所示，最終每爐支架僅需新增4根鋼立柱，且GGH鋼支架加固及新增鋼立柱土建基礎(chǔ)可實現(xiàn)不停爐施工，并充分利用煙囪及吸收塔間的空地，布置濕式電除塵控制間及水系統(tǒng)設(shè)備，最大限度降低項目投資，減少工程量，縮短改造工期。

3.2特殊灰水分離裝置

濕式電除塵內(nèi)部沖洗之后的灰水呈弱酸性，且含有大量細(xì)微顆粒，不能直接循環(huán)使用。若直接廢棄將造成二次污染，同時消耗大量的工業(yè)用水。該項目的水系統(tǒng)遵循高效分離、循環(huán)利用的設(shè)計原則，結(jié)合場地特點，采用鋼結(jié)構(gòu)斜管沉淀池作為濕式電除塵灰水處理裝置。配套的斜管沉淀池理論處理水量約為80t/h，設(shè)計表面負(fù)荷3.48m3/m2˙h，占地空間6m(寬)×10m(長)×5m(高)。

如圖5所示，濕式電除塵內(nèi)部的沖洗水通過灰斗收集后引入斜管沉淀池，經(jīng)混凝、絮凝去除懸浮物，達(dá)到濕式電除塵電場沖洗水質(zhì)要求。處理后的灰水進入循環(huán)水箱，通過循環(huán)泵打入濕式電除塵內(nèi)部做為沖洗水使用。斜管沉淀池底部污泥區(qū)設(shè)置泥斗收集沉淀后的污泥，通過排泥泵打入廠區(qū)污水處理系統(tǒng)。

3.3無熱風(fēng)吹掃陰極絕緣結(jié)構(gòu)

電除塵器陰極系統(tǒng)絕緣性能直接影響除塵效率，該電廠地處沿海地區(qū)，臺風(fēng)頻發(fā)，如按常規(guī)設(shè)置熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)，當(dāng)臺風(fēng)襲來時，帶雨水汽可能被熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)離心風(fēng)機吸入，進入陰極絕緣子室使絕緣失效。

絕緣子室設(shè)計取消了常規(guī)熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)，對陰極系統(tǒng)絕緣密封進行了優(yōu)化改進，每個陰極承壓絕緣子設(shè)置雙層加熱、雙層密封以防結(jié)露。內(nèi)層小密封筒略大于絕緣子尺寸，保障安全放電距離定制，其內(nèi)外均設(shè)置加熱器同步加熱，小密封筒外層設(shè)計大保溫箱，其空間充裕，便于內(nèi)部檢修。保溫箱內(nèi)空氣受熱膨脹，能有效壓制從絕緣子室泄漏的微正壓氣體，杜絕絕緣子室漏氣結(jié)露。

3.4高頻電源應(yīng)用

該項目采用高頻電源供電，以保障濕式電除塵長期穩(wěn)定可靠運行。濕式電除塵內(nèi)部電場工作環(huán)境潮濕，要求高壓設(shè)備在無火花或少火花模式下運行，所以在控制上采用硬件和軟件雙重超微火花檢測。

系統(tǒng)根據(jù)火花信號表征進行閃絡(luò)預(yù)判，一旦發(fā)現(xiàn)立即調(diào)用火花處理程序進入微細(xì)火花控制模式，快速分析微細(xì)火花數(shù)據(jù)并加以處理，迅速降壓輸出。火花熄滅后，迅速恢復(fù)二次電壓輸出至接近火花閃絡(luò)前參數(shù)，防止連續(xù)閃絡(luò)。

再根據(jù)運行參數(shù)逐步增加輸出，直至運行參數(shù)恢復(fù)至火花閃絡(luò)峰值或系統(tǒng)設(shè)定值。經(jīng)優(yōu)化控制軟件后，高頻電源可在幾十微秒內(nèi)關(guān)斷輸出，在短時間內(nèi)使火花熄滅，5～15ms恢復(fù)全功率供電。在100次/min的火花率下，平均輸出高壓無下降。高頻電源火花沖擊最小，恢復(fù)最快，最適于濕式電除塵。

4運行效果

該項目于2016年12月底正式投運，圖6為濕式電除塵安裝后的外形圖。實際運行中將濕式電除塵運行電流極限設(shè)置為60%，二次電壓基本在40kV，火化率保持在0。各種工況下，根據(jù)CEMS在線監(jiān)測顯示結(jié)果(如圖7所示)，出口粉塵排放濃度穩(wěn)定控制在2mg/Nm3以下，達(dá)到協(xié)議<3.2mg/Nm3的要求。

5結(jié)語

采用合理的技術(shù)路線，并根據(jù)項目特點進行針對性的設(shè)備選型及設(shè)計，因地制宜，優(yōu)化布局，是超低排放改造工程成功實現(xiàn)的關(guān)鍵。本次改造的成功案例證明，金屬平板式濕式電除塵是實現(xiàn)可靠穩(wěn)定超低排放的首選裝備。該裝備對于火力發(fā)電廠常見的大氣污染物具有協(xié)同治理作用，不僅適用于電廠的改造工程，同時適用于新建火力發(fā)電廠工程。