低低溫電除塵器與 電袋除塵器的技術經濟對比分析

馬占海，徐超，趙海寶，艾璞＊，章干養，耿克成，錢長亮

[1.華能新疆吉木薩爾發電有限公司，新疆 昌吉回族自治州 831700；2.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 紹興 311800；3.華電（印尼）玻雅發電公司，北京 100031]

我國煤炭儲量豐厚，新疆五彩灣地區更是我國目前發現的最大整裝煤田，其獨特的地理位置優勢，使該地區已投運及規劃在建的1000MW 燃煤電站達10 臺以上，該地區建設的發電機組項目是踐行國家“一帶一路”倡議的重要支點項目[1,2]。已投運的準東—皖南±1100kV 特高壓輸電工程，輸送功率達1200 萬kW，每年可從新疆向中東部地區輸送電力660 億kW·h，是綜合開發準東煤炭資源，推動新疆能源、經濟、環境和諧發展的綠色發電項目。

2007 年，國務院出臺的《關于加快關停小火電機組若干意見的通知》中提出“上大壓小”電力產業結構改革機制，要求加大高效、清潔機組建設力度，加快推進小火電機組關停工作，以期降低能源消耗，減少污染物排放。相對于小容量機組，大容量機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，原環境保護部、國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發的《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》中要求燃煤電廠到2020 年力爭實現超低排放（即在基準氧含量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，國家發展和改革委員會印發的《“十三五”全民節能行動計劃》中明確要求加大燃煤鍋爐節能改造力度，要求積極開展燃煤鍋爐“以大代小”工作。大容量燃煤發電機組充分體現了其經濟高效性，已經成為燃煤電廠發展的主流趨勢。

目前，新型高效除塵設備低低溫電除塵器和電袋除塵器均已大范圍應用于工業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]。文章對已投運的超臨界及超超臨界機組等級除塵設備的技術經濟性進行分析，以期為燃煤電廠及非電行業的除塵技術方案選擇提供參考。

1 兩種高效除塵技術簡介

1.1 低低溫電除塵技術

低低溫電除塵技術通過低溫省煤器或MGGH 作用使除塵器入口煙氣溫度由常規的120℃—160℃降到酸露點溫度以下，煙氣中大部分SO3冷凝形成硫酸霧，起到煙氣調質作用，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，可協同脫除大部分SO3，采用低溫省煤器時還可節省大量能耗。

酈建國等[8]歸納了低低溫電除塵技術的發展及技術特點，并對其核心問題及對策措施進行了探討。趙海寶等[9]針對低低溫電除塵技術的煤種適應性、酸露點、灰硫比及其計算公式、二次揚塵、離線振打以及相互之間的影響進行了分析，研究了典型的低低溫電除塵系統、灰硫比對電除塵器腐蝕和除塵效率的影響程度、旋轉電極與低低溫電除塵的結合系統。胡斌等[10]分析了低低溫電除塵中細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濃度等對細顆粒與SO3脫除性能的影響，并探討飛灰吸附SO3的機理。壽春暉等[11]對某1000MW 燃煤機組低低溫電除塵器的顆粒物脫除特性進行了實驗研究，結果表明，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]采用實驗室研究及工程實測相結合的手段，對低低溫電除塵器的PM2.5及SO3減排情況進行測試，結果表明，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 機組配套電除塵器設計參數進行了分析，并對其除塵性能進行了測試，結果表明，低低溫電除塵器可滿足10mg/m3以下出口粉塵濃度的要求，直接實現粉塵超低排放。

低低溫電除塵器的全面推廣還需加大其對灰硫比小于100 的煤種進行適用性研究，還需加強對煙冷器的研究力度，致力于開發出運行更加穩定、能耗更低、成本更低的高效除塵設備。

1.2 電袋除塵技術

電袋除塵器是電除塵器和布袋除塵器兩個除塵單元的有機結合，前級電除塵區能捕集80%左右的粉塵，經電場荷電的逃逸粉塵到達后級布袋除塵區進行再次脫除，可有效發揮布袋除塵器對煤種不敏感、微細粉塵收集效率高等優點。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備的條件下，電袋除塵器出口粉塵濃度可以穩定達到超低排放標準，并可協同脫除汞和重金屬等污染物。

Oak 等[17]、Huang 等[18]研究了顆粒物經電場作用后在單纖維濾料上的捕集過程，結果表明，外加電場能夠明顯增強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，電除塵區除塵效率基本不隨孔板形式改變，主要受開孔率和過濾風速的影響，過濾風速增加，開孔率窗口變窄，最佳開孔率增加。趙毅等[21]對靜電增強纖維過濾技術進行了分析研究，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。

國內外學者為電袋除塵器的發展做了大量研究工作，但還需在電袋除塵器結構優化和反吹清灰、電區袋區間顆粒電荷損失、優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 技術特點比較

低低溫電除塵器與電袋除塵器技術特點比較見表1。

表1 低低溫電除塵器與電袋除塵器技術特點比較

2 經濟性比較

2.1 對比基準及選型

除塵設備的經濟性應對一次投資費用（設備費用）和全生命周期內（設計壽命30 年）的年運行費用總和進行評估。年運行費用僅指除塵設備電耗費用（包括引風機、空氣壓縮機等功率消耗）與維護費用之和。

為了便于定量分析比較，以達到除塵器出口煙塵排放標準即小于15mg/Nm3為目標，新建兩套660MW機組配套除塵設備（處理煙氣量按333 萬m3/h 計算），對其經濟性進行分析。

（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《電除塵選型設計指導書》，該低低溫電除塵器選擇5 電場、比集塵面積約為130m2/（m3/s），布置及基本參數見表2。

表2 新疆某660MW 機組低低溫電除塵器布置及基本參數

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

表3 國外某660MW 機組電袋除塵器基本參數

2.2 電耗費用比較

電費按0.35 元/kW·h，運行時間按7000h/a 計。低低溫電除塵器的電耗主要為引風機、高壓整流設備及煙冷器的功耗，電袋除塵器的電耗主要為引風機、空壓機及冷凍干燥機的功耗，其電耗費用比較見表4。

表4 電耗費用比較（兩臺機組）

由表4 可知，同等級燃煤機組配套除塵設備，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時，低低溫電除塵器正常運行時的電耗是電袋除塵器正常運行時電耗的92.38%。

2.3 設備費用及年運行費用比較

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

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；籠骨、脈沖閥壽命按8 年計。設備費用與年運行費用比較見表5。

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

2.4 長期運行費用對比

低低溫電除塵器與電除塵器運行1 年、10 年、20 年、30 年時的設備費用及運行費用比較見圖1—圖4。

圖1 各除塵設備運行1 年總費用

圖2 各除塵設備運行10 年總費用

圖3 各除塵設備運行20 年總費用

圖4 各除塵設備運行30 年總費用

由圖1—圖4 可知，660MW 機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，隨著運行時間的延長，電袋除塵器設備及運維總費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濟性分析

由于煙氣冷卻器是低低溫電除塵系統中配備的設備，因此僅對其經濟性進行分析。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，使其存在一定的設備阻力，從而導致引風機的功耗增加，同時水泵等設備也有一定的功率消耗。

為了便于定量分析其經濟性，以煙冷器入口溫度136℃、出口溫度90℃、新建兩套660MW 機組配套煙冷器（處理煙氣量按333 萬m3/h 計算）為例進行經濟性分析。

3.1 電耗費用

電費按0.35 元/kW·h 計，運行時間按7000h/a 計。其電耗費用見表6。

表6 煙氣冷卻器電耗費用

3.2 設備費用及年運行費用

煙冷器設計壽命按30a 計，螺旋翅片的更換及相關設備的維護費用按144 萬元/a 計，煙氣溫度每降低35℃可回收熱量1.37×108kJ/h（相當于1.0t 標煤/h），煤價格按600 元/t 計算。設備與年運行費用比較見表7。

表7 設備與年運行費用

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高于設備每年的運維費用，6年時間即可收回設備投入費用。

3.3 系統費用經濟性分析

低低溫電除塵（包括煙冷器和電除塵器）和電袋除塵設備費用與年運行費用比較見表8，連續運行30年總費用情況見圖5。

表8 除塵系統設備與年運行費用（兩臺機組）

圖5 連續運行30 年總費用

由表8 和圖5 可知，660MW 機組配套除塵設備，除塵器出口粉塵濃度低于15mg/m3時，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償本體運行費用，年運行費用僅為電袋除塵器年運行費用的12%，而且運行四年后總費用開始小于電袋除塵器，隨著運行時間增長，低低溫電除塵器經濟效益更加顯著。

燃煤電廠鍋爐裝機容量大小直接影響其配備的除塵設備費用，相比于小機組除塵設備，1000MW 等級及以上機組的除塵器一次用鋼量大幅降低，并且殼體墻面減少，經濟效益更加明顯。另外，隨著燃氣輪機等技術的進一步發展，采用1000MW 等級以上機組配備除塵器的單位發電用鋼量將進一步減少。所以，大機組配套除塵設備，低低溫電除塵器可作為優先選擇。

4 結論

（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。

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

（3）低低溫電除塵器配備煙冷器，其煙氣余熱帶來的經濟效益可補償本體運行費用，年運行費用僅為電袋除塵器的12%，而且隨著運行時間的延長，低低溫電除塵器的經濟效益將更加顯著。