SO3煙氣調(diào)質(zhì)+電除塵在大型燃煤機(jī)組上的應(yīng)用

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(diào)質(zhì)+電除塵在大型燃煤機(jī)組上的應(yīng)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(jī)組由于耗煤量巨大，在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮了多煤種的情況，但電除塵器對(duì)不同煤種燃燒后產(chǎn)生的煤灰的收塵性能差異很大。針對(duì)多煤種設(shè)計(jì)工況，以廣東平海電廠為例，SO3煙氣調(diào)質(zhì)+電除塵器組合技術(shù)既能滿足燃燒多煤種時(shí)的低排放要求，又具備了較低的一次性投資和較低的運(yùn)行費(fèi)，是一種最佳的除塵方案，該項(xiàng)目對(duì)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(diào)質(zhì)

前言

隨著節(jié)能減排及國(guó)家“上大壓小”政策的實(shí)施，近年來(lái)國(guó)內(nèi)新上燃煤機(jī)組呈大型化趨勢(shì)，超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組已成主流。大型燃煤機(jī)組由于耗煤量巨大，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮了多煤種的情況。目前大型燃煤機(jī)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(duì)不同煤種燃燒后產(chǎn)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(yùn)行費(fèi)用，成為電除塵行業(yè)的一大課題，SO3煙氣調(diào)質(zhì)+電除塵組合技術(shù)正好能滿足這一要求。采用SO3煙氣調(diào)質(zhì)+電除塵組合技術(shù)作為除塵方案時(shí)，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(shí)適當(dāng)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(shè)計(jì)規(guī)格，因而降低了一次性投資費(fèi)用。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中，視實(shí)際燃用煤種，考慮是否投用煙氣調(diào)質(zhì)及投用率。當(dāng)燃用易收塵煤種時(shí)，不投用煙氣調(diào)質(zhì)，電除塵器出口即可滿足排放要求；當(dāng)燃用難收塵煤種時(shí)，投用煙氣調(diào)質(zhì)并根據(jù)電除塵器實(shí)際出口排放濃度調(diào)整注入率，調(diào)質(zhì)后同樣能滿足電除塵器出口排放要求。同時(shí)，SO3煙氣調(diào)質(zhì)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，操作靈活，運(yùn)行成本低。

SO3煙氣調(diào)質(zhì)+電除塵組合技術(shù)在歐美大型燃煤機(jī)組上應(yīng)用非常普遍，近年來(lái)這一技術(shù)在我國(guó)也開(kāi)始得到重視和應(yīng)用，例如廣東平海電廠2×1000MW機(jī)組、陜西清水川電廠二期2×1000MW機(jī)組、廣東三水恒益電廠2×600MW機(jī)組、廣東華夏陽(yáng)西電廠二期2×600MW機(jī)組均采用了該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)煤種為內(nèi)蒙準(zhǔn)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(zhǔn)格爾煤。各煤種煤質(zhì)分析見(jiàn)表1、灰分分析見(jiàn)表2、煤灰比電阻見(jiàn)表3。

表1 煤質(zhì)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(chǎn)生的飛灰成分差異巨大，兩者對(duì)電除塵器除塵性能的差異分析如下：

（1）設(shè)計(jì)煤種灰分Aar=8.75%和準(zhǔn)格爾煤Aar= 16.24%遠(yuǎn)高出校印尼煤灰分值（1.54%），對(duì)應(yīng)電除塵器進(jìn)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。可見(jiàn)，在燃燒不同煤種的情況下，電除塵器的負(fù)荷波動(dòng)很大。

（2）設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成SO3的轉(zhuǎn)化率取0.4%估算，準(zhǔn)格爾煤種燃燒后煙氣中SO3濃度不到1ppm，作為對(duì)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(duì)電除塵器極為不利。

（3）準(zhǔn)格爾煤灰中SiO2和Al2O3含量合計(jì)為83.97%，一般認(rèn)為，兩者含量超過(guò)80%就會(huì)對(duì)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(xì)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?jī)H為0.41%，K2O含量?jī)H為0.61%，粉塵離子活性弱，體積導(dǎo)電性弱。而印尼煤灰中SiO2和Al2O3含量合計(jì)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(guān)系式為：1/ρ=1/ρv+1/ρs。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)煤灰粉塵比電阻在120℃時(shí)達(dá)8.8×1012Ω·cm。尤其是對(duì)于準(zhǔn)格爾煤灰，其比電阻120℃時(shí)超過(guò)1013Ω·cm，大大超過(guò)電除塵器對(duì)粉塵的最佳收塵范圍：106～5×1010Ω·cm，電場(chǎng)內(nèi)部容易產(chǎn)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(diǎn)，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(jiàn)，燃燒不同煤種時(shí)，煤灰對(duì)于電除塵器的收塵性能來(lái)說(shuō)，難易程度相差很大，單純的電除塵器選型，要同時(shí)滿足兩種煤種情況下粉塵排放均達(dá)標(biāo)且具有最佳經(jīng)濟(jì)性的要求，難度很大。

2 電除塵器配套SO3煙氣調(diào)質(zhì)方案

2.1 SO3煙氣調(diào)質(zhì)機(jī)理

當(dāng)溫度大于200℃時(shí)，體積比電阻占主導(dǎo)作用，溫度低于150℃時(shí)，表面比電阻占主導(dǎo)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(dǎo)電主要是通過(guò)粉塵顆粒表面吸附的水膜或化學(xué)物質(zhì)（化學(xué)膜）來(lái)進(jìn)行的，通常燃煤電廠煙氣中含有3%～10%的水分，當(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，這些水汽可以吸附在粉塵表面形成具有低比電阻的導(dǎo)電通道，這就是水調(diào)質(zhì)的原理。但由于煙氣的水露點(diǎn)往往較低，當(dāng)煙氣溫度較高時(shí)，水分吸附作用將大大降低。然而，當(dāng)煙氣中出現(xiàn)足夠的SO3時(shí)，一方面具有SO3極強(qiáng)的活性，與煙氣中水分結(jié)合形成的煙酸氣溶膠極易吸附在粉塵表面，形成低電阻導(dǎo)電通道；另一方面，煙氣中SO3含量增加，煙氣酸露點(diǎn)提高，即使煙氣溫度高于露點(diǎn)很多，被吸附的酸膜也會(huì)沉積在粉塵表面形成表面導(dǎo)電通道。SO3調(diào)質(zhì)的機(jī)理如圖1。

圖1 粉塵表面酸膜形成機(jī)理

SO3煙氣調(diào)質(zhì)實(shí)質(zhì)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(jié)合生成硫酸氣溶膠吸附在粉塵顆粒表面，形成一個(gè)低比電阻導(dǎo)電通道，使粉塵更易收集，從而提高電除塵器的除塵效率。

當(dāng)鍋爐燃燒高硫煤（Sar＞3%）時(shí)，煙氣中就會(huì)產(chǎn)生足夠多的SO3，此類煤中的有機(jī)硫燃燒后產(chǎn)生的SO3實(shí)際上本身就能起到煙氣調(diào)質(zhì)的效果。在我國(guó)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(yùn)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(diào)質(zhì)除塵方案分析

根據(jù)工程實(shí)踐，當(dāng)煙氣中含有10～20ppm的SO3時(shí)，粉塵高比電阻值可以降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，調(diào)質(zhì)效果明顯。然而，當(dāng)燃燒低硫煤時(shí)，自然產(chǎn)生的SO3就很少，不能產(chǎn)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(diǎn)為，設(shè)計(jì)煤種中摻燒準(zhǔn)格爾煤，而準(zhǔn)格爾煤被公認(rèn)為世界上最難收塵的煤種之一。當(dāng)準(zhǔn)格爾煤的摻燒比例高于30%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)收塵困難的問(wèn)題。其原因應(yīng)該是由于飛灰比電阻過(guò)高，造成了反電暈現(xiàn)象。根據(jù)眾多實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)格爾煤如不對(duì)煙塵進(jìn)行調(diào)質(zhì)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(zhǔn)格爾煤電廠的靜電除塵器均遇到了效率難以達(dá)標(biāo)的共性問(wèn)題。例如大唐托克托電廠8×600MW機(jī)組、岱海電廠4×600MW機(jī)組、國(guó)華準(zhǔn)格爾電廠4×330MW機(jī)組等，其中國(guó)華準(zhǔn)格爾電廠一期2×330MW機(jī)組將原技術(shù)協(xié)議中單臺(tái)靜電除塵器的四電場(chǎng)數(shù)增加到五電場(chǎng)，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(shí)際運(yùn)行中電除塵器還是未能達(dá)到設(shè)計(jì)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(kāi)始，也加大規(guī)格，提高到114m2/m3/s，同時(shí)配套SO3煙氣調(diào)質(zhì)設(shè)備，對(duì)煙塵進(jìn)行調(diào)質(zhì)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(wú)法滿足燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)的粉塵排放要求，若以難收塵煤種即設(shè)計(jì)煤種作為依據(jù)，則勢(shì)必造成電除塵器選型龐大，造價(jià)過(guò)高，經(jīng)濟(jì)性低。若能有效降低設(shè)計(jì)煤種的粉塵比電阻，則選型時(shí)可以校核煤種作為選型依據(jù)，適當(dāng)考慮放大一定裕度，即可同時(shí)滿足燃燒不同煤種時(shí)的排放要求，同時(shí)具有較佳的投資經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)美國(guó)南方研究所關(guān)于煤灰比電阻的測(cè)算，得出該項(xiàng)目準(zhǔn)格爾煤灰比電阻與SO3注入率及煙氣溫度的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 粉塵比電阻與SO3注入率、煙氣溫度的關(guān)系曲線

經(jīng)測(cè)算，當(dāng)煙氣溫度為130℃時(shí)，燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)，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(diào)質(zhì)效果顯著。

綜合以上分析認(rèn)為，該項(xiàng)目煤灰采用SO3煙氣調(diào)質(zhì)是完全可行的。

2.3 SO3煙氣調(diào)質(zhì)選型

SO3煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)按照工藝流程，將設(shè)備分為三大單元，三大單元均在廠家車間內(nèi)生產(chǎn)和調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)只需將三大單元用管道連接起來(lái)即可，典型的現(xiàn)場(chǎng)安裝周期為10天。

SO3煙氣調(diào)質(zhì)設(shè)備工藝過(guò)程及主要設(shè)備如圖3。

圖3 SO3煙氣調(diào)質(zhì)工藝過(guò)程及主要設(shè)備

液態(tài)儲(chǔ)硫罐和硫磺泵為一大單元，其作用是熔硫，儲(chǔ)硫罐中設(shè)有蒸汽盤管，通過(guò)蒸汽換熱將罐中的固態(tài)硫磺熔化成液態(tài)硫，然后通過(guò)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(fēng)機(jī)、電加熱器、燃硫爐、轉(zhuǎn)化塔及電控部分，空氣由風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)化塔中被催化氧化成SO3。最后一個(gè)單元即注入裝置，其作用是將SO3均勻地注入到電除塵器進(jìn)口與鍋爐預(yù)熱器出口之間的煙道中，與煙氣中的水分結(jié)合形成酸膜附著在粉塵表面，實(shí)現(xiàn)其調(diào)質(zhì)作用。

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

本項(xiàng)目單臺(tái)爐計(jì)算燃硫量為82.7kg/h，考慮余量，每臺(tái)爐配置一套燃硫能力為120kg/h的SO3生成裝置，兩臺(tái)爐共用一套燃硫儲(chǔ)硫裝置。

2.4 煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

煙氣調(diào)質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：

（1）煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，操作靈活性，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)與燃用煤質(zhì)緊密聯(lián)系，電除塵與煙氣調(diào)質(zhì)一體化，電除塵器是基礎(chǔ)，調(diào)質(zhì)劑投入量可靈活掌握，當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行或燃用易收塵煤種時(shí)，調(diào)質(zhì)設(shè)備可不投用或在較低的注入率（≤15ppm）運(yùn)行；當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行或燃用收塵困難煤種時(shí)，注入率的大小可根據(jù)煤種變化、負(fù)荷大小和濁度全自動(dòng)控制，注入率的可調(diào)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(jié)合，可實(shí)現(xiàn)電除塵器與煙氣調(diào)質(zhì)最節(jié)能減耗運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）電除塵器配套煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)，并未對(duì)原電除塵器作結(jié)構(gòu)改進(jìn)，故保留了原電除塵器低阻力、高可靠性、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

（3）節(jié)能：通過(guò)SO3煙氣調(diào)質(zhì)，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(jìn)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(shí)不影響原風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

（5）電除塵器直接配套煙氣調(diào)質(zhì)，可降低總體投資費(fèi)用。

2.5 電除塵器選型

本工程設(shè)計(jì)按易收塵煤種作為選型依據(jù)，燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)電除塵器按同步投運(yùn)煙氣調(diào)質(zhì)考慮，并適當(dāng)增加電除塵器的收塵面積。選型結(jié)果如表4。

表4 電除塵器主要技術(shù)參數(shù)

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 總投資經(jīng)濟(jì)性

單純采用電除塵器方案與采用電除塵器配套煙氣調(diào)質(zhì)方案總投資對(duì)比分析見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，無(wú)調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的除塵器總造價(jià)與含有調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的除塵器造價(jià)基本相同，故兩者的選用取決于技術(shù)上的可靠性和兩系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比。

表5 方案總投資經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3.2 運(yùn)行費(fèi)比較

3.2.1 煙氣調(diào)質(zhì)運(yùn)行費(fèi)

煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)主要運(yùn)行費(fèi)用包括硫磺、蒸汽、電的消耗，按年運(yùn)行5500h計(jì)算，則煙氣調(diào)質(zhì)年運(yùn)行費(fèi)如下：

（1）硫磺：按注入量15ppm，硫磺1600元/t價(jià)格計(jì)算，則年硫磺的費(fèi)用為82.7×5500×1600/1000=72.776（萬(wàn)元）。

（2）電耗：按成本電價(jià)0.175元/kW·h計(jì)算，則年電耗費(fèi)用：120×5500×0.175=11.55（萬(wàn)元）。

（3）蒸汽：每1000kg蒸汽費(fèi)用為80元計(jì)算，則年蒸汽費(fèi)：60×5500×80 = 2.64（萬(wàn)元）。

按上所列，一臺(tái)爐采用煙氣調(diào)質(zhì)的年運(yùn)行費(fèi)合計(jì)為：87萬(wàn)元。

3.2.2 單純電除塵器方案增加年運(yùn)行費(fèi)

單純電除塵器方案比采用煙氣調(diào)質(zhì)電除塵器須增加兩個(gè)電場(chǎng)（按六電場(chǎng)考慮）。單臺(tái)爐增加12臺(tái)1.5A/72kV高壓電源，12臺(tái)高壓電源的年運(yùn)行電耗計(jì)算如下：1.2A/72kV高壓電源的輸入功率為154kVA，運(yùn)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(jì)算，則年電耗費(fèi)為6,809,880×0.175=119（萬(wàn)元）。

3.2.3 年費(fèi)用經(jīng)濟(jì)比較

采用煙氣調(diào)質(zhì)年費(fèi)用與增加電場(chǎng)方案的年費(fèi)用經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表6。

采用增設(shè)三氧化硫煙氣調(diào)質(zhì)設(shè)備來(lái)提高除塵效率方案，從電除塵機(jī)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(dá)到設(shè)計(jì)的排放要求。煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)成熟、可靠，且施工簡(jiǎn)單。雖然初投資比無(wú)調(diào)質(zhì)方案要高104萬(wàn)元，但一臺(tái)爐年運(yùn)行費(fèi)用比單純采用電除塵器的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省32萬(wàn)元，增加的投資可在4年內(nèi)回收，投資回收年限很短，因此，采用調(diào)質(zhì)方案的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

表6 年費(fèi)用經(jīng)濟(jì)比較表

4 結(jié)論

（1）SO3煙氣調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)后可使飛灰比電阻降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）電除塵器增設(shè)煙氣調(diào)質(zhì)，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(dòng)適應(yīng)粉塵及煙氣工況的情況，是一種全新的除塵技術(shù)方案。

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

[1]劉后啟，林宏.電收塵器[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1984．

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Chen Wen-rui

X701.2

A

1006-5377（2012）11-0021-05