電廠700MW機組改造濕式電除塵技術分析

羅如生，余偉權，林國鑫，程國輝，陳藝聰，林翔，鄭巖峰

（1.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.廣東省粵電集團有限公司，廣東 珠海 519000）

1 項目背景

燃煤電廠煙氣排放中含有的煙塵及SO2、NOx等，被認為是造成大氣污染的主要原因。為同時滿足電力需求與環保要求，國家提出煤電升級行動計劃。國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局聯合下發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》（發改能源〔2014〕2093號）明確提出煤電改造的目標與期限，要求東部地區（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）新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值[2]。廣東省發改委印發的粵發改能電函〔2015〕2102號文件，要求全省煤電機組“基本達到燃氣輪機組排放限值”，提出了比國家標準更嚴格的污染物排放指標，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“達到燃氣輪機組排放限值”，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的重點發電企業，其1號、2號（2×700MW）機組鍋爐煙氣通過電袋復合除塵器處理后，出口粉塵濃度＜20mg/Nm3，已達到較低的排放水平，電袋復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）機組進行環保升級改造，以保障兩臺機組的煙塵排放濃度穩定控制在5mg/Nm3以下，使煙塵濃度最終達標排放。

2 技術路線選擇

2.1 濕式電除塵器優勢

濕式電除塵器一般設置在脫硫設施與煙囪之間，用于去除脫硫后飽和濕煙氣中的煙塵、氣溶膠等細微顆粒，在濕法脫硫系統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，具有聯合脫除的效果。濕式電除塵作為高效除塵的尖端精處理設備，在處理復雜濕煙氣PM2.5組分方面具有明顯優勢。我國近幾年陸續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、陽極之間施加數萬伏直流高壓電，在強電場的作用下，電暈線周圍產生電暈放電，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，保障除塵器長期穩定高效運行的特點。

圖1 濕式電除塵工作原理

2.1.2 協同治理

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，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。據國內外研究數據，濕式電除塵對SO3的去除率在30%～60%。

脫硫系統出口石膏以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。雖然國內沒有實際的測試數據驗證，但根據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。

圖2 濕式電除塵對SO3去除原理

2.2 各型式濕式電除塵器對比

如圖3所示，國內濕式電除塵常用型式主要有金屬平板式、非金屬導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是國內燃煤電廠的主流技術。

圖3 各種濕式電除塵結構

（1）金屬平板式濕式電除塵的結構型式與常規干電基本相同，陽極板采用平板結構，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細微顆粒及氣溶膠等脫除率高。陽極板及陰極線材質多為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、電場穩定性好，運行電壓高。金屬極板耐高溫，當脫硫系統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，確保設備高效、安全、穩定運行。系統運行時為連續噴水清灰，具有脫除SOx、NH3、Hg等重金屬污染物的能力，噴淋水經收集處理后，大部分水進入噴淋系統循環使用，小部分排水根據電廠水處理工藝靈活分配，一般輸送給濕法脫硫系統循環使用。運行耗水量大，循環水系統的存在，增加了水處理耗材。

（2）非金屬導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，蜂窩管道受結構限制不宜過長。極板材質導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，位于陽極管蜂窩結構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℃時對材質有致命損害，脫硫故障時存在燒毀風險。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，嚴重時將破壞水膜。系統沒有持續地噴水清灰， 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。無循環水系統，水系統機構簡單，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，方孔通道受結構限制不宜過長，煙氣流速約為3m/s，停留時間較短，高風速時電極易擺動，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，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，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。系統沒有持續地噴水清灰， 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。無循環水系統，水系統機構簡單，運行耗水量低。

2.3 技術路線確定

低負荷運行是目前階段許多大機組的常態，其它超低排放技術，如塵硫一體等多采用改進吸收塔除霧器機械結構達到物理除塵效果，鍋爐低負荷運行時，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定。濕式電除塵在機組低負荷運行時，其比集塵面積得到提高，除塵效率反而得到提高。從技術發展趨勢分析，非金屬導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過多年的發展，應用逐漸增多，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，經過幾十年的應用，國內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，以確保改造后實現可靠穩定超低排放。

3 工程技術特點

3.1 合理布局，滿足緊張工期

新增設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，設置導流裝置，消除因煙道布局變化導致系統阻力增加的問題。

該改造工程緊迫，從簽訂協議至投運周期僅有4個月，設計、生產、采購、安裝等各環節均面臨巨大工期壓力。基于施工周期的考慮，經現場詳細勘查后，確定利用原GGH鋼結構支架方案。支架結構采用懸臂支托，使新增支架基礎避開地面煙道、電纜溝道等設備。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可實現不停爐施工，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設備，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

濕式電除塵內部沖洗之后的灰水呈弱酸性，且含有大量細微顆粒，不能直接循環使用。若直接廢棄將造成二次污染，同時消耗大量的工業用水。該項目的水系統遵循高效分離、循環利用的設計原則，結合場地特點，采用鋼結構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，設計表面負荷3.48m3/m2·h，占地空間6m（寬）×10m（長）×5m（高）。如圖5所示，濕式電除塵內部的沖洗水通過灰斗收集后引入斜管沉淀池，經混凝、絮凝去除懸浮物，達到濕式電除塵電場沖洗水質要求。處理后的灰水進入循環水箱，通過循環泵打入濕式電除塵內部做為沖洗水使用。斜管沉淀池底部污泥區設置泥斗收集沉淀后的污泥，通過排泥泵打入廠區污水處理系統。

圖5 水處理工藝

3.3 無熱風吹掃陰極絕緣結構

電除塵器陰極系統絕緣性能直接影響除塵效率，該電廠地處沿海地區，臺風頻發，如按常規設置熱風吹掃系統，當臺風襲來時，帶雨水汽可能被熱風吹掃系統離心風機吸入，進入陰極絕緣子室使絕緣失效。絕緣子室設計取消了常規熱風吹掃系統，對陰極系統絕緣密封進行了優化改進，每個陰極承壓絕緣子設置雙層加熱、雙層密封以防結露。內層小密封筒略大于絕緣子尺寸，保障安全放電距離定制，其內外均設置加熱器同步加熱，小密封筒外層設計大保溫箱，其空間充裕，便于內部檢修。保溫箱內空氣受熱膨脹，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露。

3.4 高頻電源應用

該項目采用高頻電源供電，以保障濕式電除塵長期穩定可靠運行。濕式電除塵內部電場工作環境潮濕，要求高壓設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。系統根據火花信號表征進行閃絡預判，一旦發現立即調用火花處理程序進入微細火花控制模式，快速分析微細火花數據并加以處理，迅速降壓輸出。火花熄滅后，迅速恢復二次電壓輸出至接近火花閃絡前參數，防止連續閃絡。再根據運行參數逐步增加輸出，直至運行參數恢復至火花閃絡峰值或系統設定值。經優化控制軟件后，高頻電源可在幾十微秒內關斷輸出，在短時間內使火花熄滅，5～15ms恢復全功率供電。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CEMS在線監測顯示結果（如圖7所示），出口粉塵排放濃度穩定控制在2mg/Nm3以下，達到協議＜3.2mg/Nm3的要求。

圖6 濕式電除塵外形

圖7 CEMS運行界面

5 結語

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

[1] 環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].2011.

[2] 國家發展和改革委員會，環境保護部，國家能源局.關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》的通知[EB/OL].2014.

[3] 陳招妹，王劍波，姚宇平，尹得仕.濕式電除塵器在燃煤電廠WFGD后的應用分析[C].第十五屆中國電除塵學術會議論文集，2013.

[4] 張海濤.不同技術路線濕式電除塵器技術經濟性比較[J].節能與環保， 2015（10）.

[5] 中國環境保護產業協會電除塵委員會.燃煤電廠超低排放技術[M].北京：中國電力出版社，2015.

[6] 周祖飛，金新榮.影響濕法煙氣脫硫效率的因素分析[J].浙江電力，2001 （3）：42-45.

[7] 郭俊，馬果駿，閻冬，等.論燃煤煙氣多污染物協同治理新模式——兼談龍凈環保 “煙氣治理島”模式[J].電力科技與環保，2012，28（3）：13-16.