燃煤電廠PM2.5減排技術與裝備探討

云 端

（中國大唐集團環境技術有限公司，北京 100084）

燃煤電廠PM2.5減排技術與裝備探討

云 端

（中國大唐集團環境技術有限公司，北京 100084）

燃煤電廠在我國電力工業中占有很大的比重，其煙塵排放污染問題也尤其突出。大量燃煤煙塵的排放造成了嚴重的環境污染，特別是其中的細顆粒物PM2.5，能長期懸浮于大氣中，對人類的健康造成了長期持續的危害，因此燃煤電廠PM2.5減排技術對于環境保護事業具有重要的意義和深遠的影響，大力發展PM2.5減排技術與裝備是電力行業大勢所趨。

燃煤電廠;細顆粒物PM2.5;減排技術

1 引言

近年來，我國多地持續出現嚴重的霧霾天氣，其主要原因之一是由于空氣中粒徑小于2.5μm的細顆粒物（PM2.5）濃度增多造成的。這種細顆粒物具有粒小質輕、懸浮時間長、輸送距離遠等特點，可對環境、人體健康造成持續性嚴重危害。因此，減少PM2.5的排放已成為有效緩解我國霧霾天氣的主要途徑之一。

隨著人們對細微顆粒物認識的不斷加深，工業生產、發電鍋爐、汽車發動機等燃燒過程中排放的氣、固態污染物被確定為大氣中PM2.5的主要來源。

火力發電廠是大氣中顆粒物質的重要排放源。在可預見的未來幾十年內，煤炭仍將是我國主要的一次能源，這決定了在我國的電力工業中，燃煤火力發電將長期占主導地位，但這種長期依賴燃煤發電的能源結構已造成了嚴重的環境污染。燃煤電廠產生的污染物主要有顆粒物、SOx和NOx、有機物及痕量元素等，其中顆粒物特別是細顆粒物的潛在危害已引起了國際社會的廣泛重視。

傳統的除塵技術現已不能應對日趨嚴格的顆粒物排放控制標準，新的環保標準需要新的除塵技術應對。目前，我國燃煤電廠中的煙塵凈化設備90%左右采用靜電除塵器（ESP）[1]，其主要優點是能耗低、除塵效率較高，運行、管理及維護經驗豐富，但難以滿足新《火電廠污染物排放標準》（GB13223-2011）粉塵排放濃度的要求。靜電除塵器存在以下局限[2]：1）靜電除塵器對超細顆粒物（如 PM2.5）捕集能力有限。這主要是因為超細粒子難以荷電，電極振打產生二次揚塵更容易使已捕集的微細粒子逸出；2）除塵效率受諸多因素（如煙溫、煙氣流速、飛灰特性、含硫量等）影響，波動較大，我國煤種差異較大，同一臺機組由于某些因素的影響也可能變換煤種，這對靜電除塵器的穩定、高效運行造成了很大影響；3）國家加強對二氧化硫排放的控制，煙氣中二氧化硫濃度的減少使得煙塵的比電阻升高，造成靜電除塵器的反電暈增強，除塵效率降低；4）一次性投入較大、占地面積大、運行費用較高。

為提高空氣質量，2012年2月，環境保護部正式發布了新版《環境空氣質量標準》（GB3095-2012），規定了環境空氣污染物基本項目的濃度限值（見下表）。

新版《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）參考值

2012年9月27日，國務院批準發布《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，明確了對重點區域范圍、污染防治指標及實施責任主體等要求，要求重點區域煙塵排放按照20mg/Nm3標準實施，可吸入顆粒物排放逐年降低。

對于燃煤電廠而言，在環境保護標準要求越來越高的形勢下，大力發展高效協同處理細顆粒物（PM2.5）的新技術，實現10mg/Nm3甚至更低的排放濃度，對于我國PM2.5的排放控制工作具有很重要的示范和推廣意義。

2 燃煤電廠PM2.5減排技術

為了達到更為嚴格的排放標準，實現細顆粒物更好的脫除效果，適應我國燃煤電廠高比電阻、高溫、高濕、高含塵濃度的運行工況，考慮到目前國內除塵器的運行情況，當前可供選擇的減排技術有如下幾種：

2.1 電除塵器實現低排放的新技術

具體包括高頻電源技術、移動電極電除塵器技術、機電多復式雙區電除塵器和煙氣調質技術。上述幾項新技術目前已經在國內多家電廠成功應用，并取得了良好效果。

例如，采用高頻技術進行電除塵器配套供電裝置改造，可以有效改善電場內部的供電波形，伏安特性更有利于發揮除塵器的荷電作用，尤其應用于電廠效果較好，目前已在國內多家電廠應用。

移動電極電除塵技術是歐盟推薦的燒結機除塵的最佳可行技術之一，其采用布置于灰斗中的清灰刷刷除極板上粉塵的清灰方式，有效解決了高比電阻粉塵引起的反電暈及振打清灰引起二次揚塵等問題，從而大幅度提高了除塵效率。移動電極電除塵器有四大特點：

1）可以保持陽極板永久清潔，避免反電暈，有效地解決高比電阻微細粉塵的收塵問題；2）最大限度地減少二次揚塵，顯著降低電除塵器出口粉塵濃度；3）減少煤、灰成分對電除塵性能影響的敏感性，增加電除塵器對不同煤種的適應性，特別是黏性粉塵、高比電阻粉塵和微細粉塵；4）可使電除塵器小型化，減小占地面積，特別適合于老機組電除塵器改造，在很多場合，只需將末電場改成移動電極電場，不需另占場地。

移動電極電除塵器已在日本多套600MW、1000MW機組上成功應用，采用此項技術，絕大部分新建工程都能達到30mg/m3及以下粉塵排放濃度，最低可達10mg/m3以下。近年來，國內一些環保企業對移動電極電除塵技術也進行了大量研究，已掌握了其核心技術，并研制出了具有自主知識產權的產品，在燃煤電廠、冶金行業等領域已有較多應用。

機電多復式雙區電除塵器前級電場采用常規結構，末級電場設計成一個標準復式雙區結構，即第一個荷電區＋第一個收塵區，第二個荷電區＋第二個收塵區。同一電場內，荷電區與收塵區供電電源分開，收塵區工作電壓高達80kV。與常規結構的電場相比，雙區電場捕集粉塵的平均效率和對細小粉塵顆粒的捕集效率高；擁有較大表面積的管排式陰極線，可以捕集荷正電的塵粒；對煙塵的適應性比較廣，適合收集高、中、低比電阻粉塵。至今為止，國內已經投運機電多復式雙區電除塵器74臺，其中600MW機組配套的有8臺，300MW機組配套的有42臺，300MW機組以下配套的有24臺。

SO3煙氣調質技術可使粉塵形成有效的硫酸表面導電層，降低粉塵比電阻，可在煙氣中注入10～20ppm的SO3并讓其有效形成硫酸氣溶膠吸附在粉塵表面，降低粉塵比電阻，從而提高電除塵器的除塵效率。歐美發達國家廣泛應用三氧化硫煙氣調質，證明這是一項非常成熟有效的電除塵器提效技術。目前世界上投運的三氧化硫煙氣調質系統已逾500套。

2.2 袋式除塵技術

袋式過濾器也稱為過濾式除塵器，是一種干式高效除塵器，是利用有機纖維或無機纖維編織物制作的袋式過濾元件將含塵氣體中固體顆粒物濾出的除塵設備，用于捕集非黏結性、非纖維性的工業粉塵。其原理是使塵粒在繞過濾布纖維時因慣性力作用與纖維碰撞而被攔截。微細的塵粒（粒徑為1μm或更小）則受氣體分子沖擊（布朗運動） 不斷改變著運動方向，由于纖維間的空隙小于氣體分子布朗運動的自由路徑，塵粒便與纖維碰撞接觸而被分離出來。其優點是除塵效率高且穩定，對于2μm以上的粉塵，其效率可達99.9%以上[3]，且造價相對較低，管理簡單、維修方便。但其壓力損失較大，本體阻力在800～1500Pa，占地面積也大。

考慮到布袋除塵器的脫除效率，若進一步提高過濾性能，則研究方向集中在濾料材料和濾料壽命兩方面，濾料的研究主要考慮以下因素：1）煙氣的溫度；2）煙氣的成分（如O2、NOx、SO2、SO3含量，H2O等）或燃煤組成；3）煙塵的化學組成、顆粒級配、濃度；4）鍋爐的型式；5）煙塵的排放要求；6）性價比和企業的經濟能力。

2.3 濕式電除塵器

濕式除塵器俗稱“水除塵器”，其是使含塵氣體與液體（一半為水）密切接觸，利用水滴和顆粒的慣性碰撞及其他作用捕集顆粒或使顆粒增大的裝置。該除塵器的特點是利用濕法除塵原理，先將煙氣降溫、增濕，同時進行初級除塵處理，然后將煙氣導入靜電除塵器（除塵設備、環保設備），達到高效除塵效果。

特點：1）除塵效率＞99%，同時消煙除霧，達到 無塵、無煙、無霧的理想效果；2）無需振打，自成水膜自動清灰，克服了靜電除塵器二次揚塵的缺點；3）特別適用于溫度不穩定、長時間高溫的煙氣除塵，解決了布袋除塵器無法解決的高溫問題，填補了這方面的技術空白；4）對PM2.5的去除效率均高于95%，粉塵排放濃度低于5mg/Nm3。

濕式電除塵器改傳統的振打、聲波等清灰方式為液體噴淋清灰，該技術能克服傳統干式電除塵技術的反電暈、二次揚塵等瓶頸，具有極高的除塵效率。產品用于濕法脫硫后的煙氣處理，可有效控制微細粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、汞、重金屬和二英等復合污染物，達到粉塵近零排放。

濕式電除塵器作為控制燃煤煙氣PM2.5非常有效的設備，在發達國家的電力等工程領域得到了廣泛應用，僅日本三菱重工就已有32臺套應用于電廠。美國BruceMansfield電廠、Mirant’Dickerson電廠等多家電廠測試報告表明，濕式電除塵器對PM2.5的去除效率均高于95%，粉塵排放濃度低于5mg/Nm3。

2.4 凝聚型靜電除塵技術

細微顆粒物的凝聚效應，可以通過多種方式實現，如布朗凝聚、梯度凝聚、聲波凝聚、靜電凝聚、機械凝聚以及水蒸汽凝聚等。其中靜電凝聚技術是目前高效、經濟去除細微顆粒物的最有效途徑之一，將會成為最具應用前景的實用技術之一。

凝聚器的工作原理為，在含塵氣體進入電除塵器前，先對其進行分列荷電處理，使相鄰兩列的煙氣粉塵帶上正、負不同極性的電荷，然后通過擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵有效凝聚，形成大顆粒后進入除塵設備，從而減小粉塵的總質量排放和PM2.5的排放。

2.5 電袋復合除塵技術

電袋復合除塵器，是“十二五”期間燃煤鍋爐控制細微顆粒粉塵排放、提高環境空氣質量的主要手段之一。電袋復合除塵技術有機結合了靜電除塵和布袋除塵的特點，通過前級電廠的預收塵、荷電作用和后級濾袋區過濾除塵，通過良好的氣流分布技術、長周期清灰技術、強荷電技術等綜合手段，對PM2.5等細微顆粒粉塵具有極高的捕集效率，是工業煙塵和PM2.5高效治理的新技術。特點是具備超低排放、多污染物協同處理、節能、易維護等優點，對PM2.5細顆粒粉塵捕集效率高達98%以上。

電袋復合除塵器中應用最為廣泛的是前電后袋串聯式除塵器，即在前一級電除塵后面布置一級獨立的布袋除塵器（下如圖所示），其前后兩級分別是獨立的靜電除塵器和布袋除塵器。這種布置的優點在于：含塵氣流首先通過靜電除塵器，其中的大部分粉塵被收塵極板收集下來，然后通過布袋除塵器過濾。這種設計中靜電除塵器的電場一般只需一級即可，承擔的灰負荷占總的煙塵含灰量的70%～99%[4]，余下的灰負荷通過布袋過濾脫除。這種結構的好處在于前、后級除塵設計和安裝各自獨立，所有的煙氣必須通過布袋排出，因此不必考慮靜電除塵器末級極板清灰時的顆粒逃逸的結構性缺陷，無需特別設計和處理，也無需考慮靜電對布袋的破壞作用。由于布袋的灰負荷大大降低和預荷電顆粒獨特的過濾特性，系統壓降也較小，若選擇恰當的過濾風速，則可大大延長布袋脈沖清灰間隔，但對于整個系統占地面積和空間仍有壓縮的余地，可以進行聯合脫除[5]。

前電后袋串聯除塵裝置示意圖

3 PM2.5控制技術的發展前景

由于我國燃煤電廠的燃用煤種復雜且波動較大，因此各火電廠應根據自身工況特點靈活選擇除塵裝置。而在上述減排技術中，電除塵系統各項改進技術已成功實現了工程應用，但對于PM2.5脫除效率不佳；布袋除塵技術對于細顆粒物具有良好的脫除效果，但進一步的改善只能通過新型濾料的研制來實現；濕式電除塵器目前在大容量機組中仍無應用業績且工藝系統復雜；電袋復合除塵技術自2004年在國內成功實現商業化應用后，其穩定高效的特點將在PM2.5控制領域發揮重要的作用。電除塵和布袋除塵作為應用最廣泛、運行經驗最豐富的兩種技術，它們的一體化復合技術必將成為能適應更嚴格排放標準的未來除塵技術發展的主流方向。

[1] 黨小慶，李偉，楊雪連，等.電除塵器電場特性實驗研究與數值分析[J].環境工程，2006，24（3）：47-50.

[2] 陶繼業，謝誕梅，陳俊峰，陳小龍.燃煤電廠靜電布袋復合除塵器的開發研究[J].華中電力，2004，17（6）：39-71.

[3] 石增斌.布袋除塵器技術及其應用[J].煤炭技術，2006，25（1）：123-125.

[4] 李剛，張鳳林，許秦坤.新型電-袋一體化除塵器結構及機理分析[J].江西有色金屬，2006，20（2）：45-48.

[5] 嵇敬文，陳安琪.電袋結合除塵器技術綜述[Z].http://www.c-bfc.com.

Probe into PM2.5Emission Reduction Technology and Equipment in Coal-fired Power Plant

YUN Duan
(China Datang Group Environmental Techno logy Co., Ltd, Beijing 100084, China)

Abstracat:Coal-fredpower plant possesses a large propo rtion in power industry in our coun try, the pollution problem s of smoke dustemission stand out. A greatlot of coal-f redsmoke dust causes the serious environmental pollution, particularly the fne particulate PM2.5suspend in the air for a long time, causing a long and sustaining harm to human health. Therefore, PM2.5emission reduction technology in coal-f redpower plant bears an important signif cance and a far reaching impact on environmental protection cause. So the great development of PM2.5emission reduction technology and equipment is the general trends in powerindustry.

coal-fred powerplant; fne particula te PM2.5; emission reduction technology

X701

A

1006-5377（2014）05-0015-04