300 MW燃煤機(jī)組電除塵器內(nèi)部極線裹灰關(guān)鍵影響因素

黃見(jiàn)勛，謝玉仙，王樂(lè)樂(lè)，蘇 勝，尹子駿，王中輝，雷嗣遠(yuǎn)，向 軍

(1.廈門(mén)華夏國(guó)際電力發(fā)展有限公司，福建 廈門(mén) 361026；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)燃煤電廠污染物控制排放取得顯著成效，并針對(duì)燃煤電廠污染物超低排放進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐。當(dāng)前，燃煤發(fā)電系統(tǒng)中電除塵器，尤其是低低溫電除塵器已成治理顆粒物排放的主流技術(shù)之一。電除塵器原理主要是利用直流負(fù)高壓使煙氣等氣體電離、產(chǎn)生電暈放電，進(jìn)而使粉塵荷電，并在強(qiáng)電場(chǎng)力作用下，將粉塵從氣體中分離出來(lái)。正常工作條件下，電除塵器顆粒去除效率高、工作溫度范圍廣、耐腐蝕能力強(qiáng)[1-4]。電除塵器的性能主要受煙氣成分、粉塵性質(zhì)以及設(shè)備構(gòu)造等因素影響。QI等[4]研究指出，煙氣中SO3濃度會(huì)影響飛灰比電阻，SO3濃度增加會(huì)導(dǎo)致飛灰比電阻降低，電除塵器除塵效率增大；此外，SO3會(huì)顯著降低飛灰表面張力，煙氣中水蒸氣易被吸附，導(dǎo)致飛灰內(nèi)聚力增加，因此適當(dāng)增加煙氣中SO3含量有助于增強(qiáng)灰粒的團(tuán)聚，提高電除塵器除塵效率。然而，王建峰等[5]研究發(fā)現(xiàn)，電廠脫硝裝置氨逃逸濃度、煙氣中SO3濃度和除塵器入口煙溫波動(dòng)會(huì)直接影響煙氣中飛灰性質(zhì)。同時(shí)SO3會(huì)與逃逸NH3反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨[6-9]，硫酸氫銨等物質(zhì)在特定煙溫條件下會(huì)導(dǎo)致飛灰黏度增強(qiáng)，加劇電除塵器的極線積灰、板結(jié)。可見(jiàn)，煙氣中水蒸氣含量、SO3濃度[10-12]、氨濃度以及飛灰性質(zhì)[13-14]等綜合影響電除塵器運(yùn)行特性。針對(duì)燃煤機(jī)組超低排放條件下電除塵器性能，有必要結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行深入分析，以保證燃煤機(jī)組安全、高效、環(huán)保運(yùn)行。

筆者以某電廠1臺(tái)300 MW機(jī)組為研究對(duì)象，該機(jī)組電除塵器內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的極線裹灰現(xiàn)象，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)及煙氣特性，系統(tǒng)分析并揭示電除塵器極線裹灰形成的關(guān)鍵影響因素及其對(duì)電除塵器性能的影響，以期為燃煤機(jī)組電除塵器高效安全運(yùn)行以及機(jī)組超低排放穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒。

1 電除塵器裹灰現(xiàn)象及取樣分析方法

1.1 電除塵器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性

本文對(duì)某300 MW電廠3號(hào)機(jī)組電除塵器極線裹灰現(xiàn)象進(jìn)行研究，該3號(hào)機(jī)組經(jīng)改造后采用鍋爐低氮燃燒和SCR催化劑層更換/再生進(jìn)行脫硝提效，同時(shí)對(duì)3號(hào)機(jī)組電除塵器進(jìn)行了除塵提效改造，改造后3號(hào)機(jī)組采用低低溫電除塵器和濕式電除塵器。具體改造情況如下：原電除塵器為雙室五電場(chǎng)電除塵器，設(shè)計(jì)的出口煙塵質(zhì)量濃度<60 mg/m3，超低排放改造后電除塵器入口煙道上增加煙氣冷卻器，協(xié)同除塵的同時(shí)，節(jié)能效果明顯。不同負(fù)荷下，煙氣冷卻器出口煙溫基本在87～100 ℃，除塵器入口煙溫控制在(90±5) ℃；日常運(yùn)行及停機(jī)期間，煙氣冷卻器未發(fā)現(xiàn)泄漏問(wèn)題，停機(jī)檢修期間未發(fā)現(xiàn)煙氣冷卻器受熱面破損、泄漏和明顯積灰、腐蝕現(xiàn)象。3號(hào)機(jī)組布局如圖1所示。

圖1 3號(hào)機(jī)組布局示意Fig.1 Schematic diagram layout of unit 3

此外，3號(hào)機(jī)組超低排放改造期間同步實(shí)施低氮燃燒改造，改造后鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度控制在300 mg/m3以?xún)?nèi)，SCR出口NOx平均質(zhì)量濃度控制在25 mg/m3以?xún)?nèi)。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行DCS參數(shù)統(tǒng)計(jì)，日常SCR出口NOx質(zhì)量濃度在15～25 mg/m3，部分時(shí)段低至約10 mg/m3，存在過(guò)量噴氨風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 電除塵器裹灰取樣方法

3號(hào)機(jī)組于2017年3月完成煙氣中NOx、煙塵和SO2等污染物超低排放改造。2017年11月，機(jī)組停機(jī)檢修期間發(fā)現(xiàn)電除塵器1、2電場(chǎng)極線裹灰嚴(yán)重，具體情況如圖2所示。電除塵器清灰前，1電場(chǎng)、2電場(chǎng)陰極芒刺線和陽(yáng)極板均出現(xiàn)較明顯的積灰結(jié)垢現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電除塵器性能及機(jī)組超低排放。

圖2 電除塵內(nèi)清灰前極板極線Fig.2 Electrode line of electrode plate before cleaningthe dust inside the electric precipitator

為分析3號(hào)機(jī)組電除塵器極線裹灰形成原因及裹灰對(duì)電除塵器性能的影響，在機(jī)組檢修期間，采集3號(hào)機(jī)組省煤器灰斗、催化劑層頂部、空預(yù)器底部放灰孔、電除塵器陰極線、電除塵器各電場(chǎng)等位置的飛灰。為便于對(duì)比分析，在未發(fā)生裹灰的4號(hào)機(jī)組省煤器灰斗、空預(yù)器底部放灰孔、電除塵器第1、2電場(chǎng)相應(yīng)位置也采集了飛灰樣品。近年來(lái)，3、4號(hào)鍋爐燃煤煤質(zhì)接近。根據(jù)電廠入爐煤統(tǒng)計(jì)結(jié)果，目前電廠燃用煤種以印尼煤為主，占全年80%以上，其他還有神混、菲律賓煤、俄羅斯煤等少量配燒。3、4號(hào)機(jī)組電除塵器1、2電場(chǎng)灰樣如圖3所示。

圖3 電除塵器電場(chǎng)灰樣Fig.3 Ash sample of the electric precipitator

1.3 灰分分析方法

采用熱重分析儀(TGA)測(cè)量灰樣品的含水率和燒失量，TGA將馬弗爐和電子天平結(jié)合，馬弗爐可在室溫～1 000 ℃進(jìn)行程序升溫和控溫，電子天平實(shí)時(shí)稱(chēng)量。開(kāi)啟儀器至稱(chēng)量狀態(tài)，混勻樣品，稱(chēng)量樣品質(zhì)量。含水率測(cè)量時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁可郎刂?05 ℃干燥至恒重，關(guān)閉氮?dú)猓欢鵁Я縿t在空氣狀態(tài)下升溫至1 000 ℃并灼燒至恒重。

采用Dionex ICS-1500型離子色譜儀(美國(guó)戴安)測(cè)量灰樣品中可溶性離子含量，色譜條件：IonPac AG22陰離子保護(hù)柱(4 mm×50 mm) ，IonPac AS22分離柱( 4 mm×50 mm)。取一定量、粒度<0.2 μm灰樣，在900 ℃馬弗爐中灼燒2 h，將灰化產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶，用蒸餾水定容至1 000 mL，待測(cè)。

飛灰樣品灰成分分析采用9800XP型X射線熒光光譜儀(瑞士ARL公司)，取混合試劑(Li2B4O7(67%)+LiBO2(33%))和灰樣品(105 ℃烘干1 h)于瓷坩堝中混合均勻，轉(zhuǎn)入滴有4滴20%溴化鋰溶液的鉑-金坩堝內(nèi)，使用自動(dòng)熔樣機(jī)熔融制備玻璃樣片后，采用X射線熒光光譜儀測(cè)定樣片。

采用粉塵比電阻測(cè)定儀(瑞柯FT-353)測(cè)量飛灰樣品的比電阻為104～2×1013Ω·m。使用激光粒度測(cè)定儀(賽恩斯LS230)測(cè)量粒度為0.04～100 μm。

2 電除塵器極線裹灰關(guān)鍵影響因素分析

2.1 灰分燒失量影響分析

3、4號(hào)機(jī)組飛灰樣品含水率和燒失量結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，3號(hào)機(jī)組自電除塵器2電場(chǎng)開(kāi)始含水率和燒失量均逐漸上升，而至陰極線處陡然下降；4號(hào)機(jī)組灰樣含水率以及燒失量變化無(wú)明顯規(guī)律，可能與4號(hào)機(jī)組除塵器自2電場(chǎng)后取樣點(diǎn)不足有關(guān)。分析3號(hào)機(jī)組電除塵器的陰極線和電除塵器1、2電場(chǎng)灰樣，發(fā)現(xiàn)電除塵器極線灰樣含水率及燒失量相對(duì)較低，這可能與陰極線上本身裹灰塊狀結(jié)構(gòu)的干灰特性有關(guān)；而電除塵器1、2電場(chǎng)自身積灰與煙氣冷卻過(guò)程中含水率較高有關(guān)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組電除塵器1、2電場(chǎng)含水率較高，這可能是由于3號(hào)機(jī)組之前出現(xiàn)了水冷壁爆管現(xiàn)象，導(dǎo)致停機(jī)期間吸收了較多水蒸氣，黏附力增強(qiáng)，提高了顆粒團(tuán)聚速率。可見(jiàn)電除塵器入口煙氣水蒸氣含量較高可能是導(dǎo)致3號(hào)機(jī)組電除塵器積灰嚴(yán)重的原因之一。

圖4 樣品含水率及樣品燒失量Fig.4 Water content and sample loss on ignition

2.2 灰分可溶性離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響分析

表1 樣品可溶性離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 灰成分影響分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證SO3及NH4HSO4等對(duì)飛灰黏性和極線裹灰的影響，對(duì)灰分樣品成分進(jìn)行分析，灰樣中SO3含量如圖5所示。可知3號(hào)機(jī)組灰樣中SO3體積分?jǐn)?shù)自省煤器灰斗、空預(yù)器至電除塵器1電場(chǎng)、2電場(chǎng)、4電場(chǎng)呈逐漸增大趨勢(shì)，這與脫硝催化劑促進(jìn)煙氣中SO2轉(zhuǎn)化，造成煙氣中SO3體積分?jǐn)?shù)上升有關(guān)。受空預(yù)器、煙冷器降溫影響，煙氣中部分SO3冷凝形成酸霧吸附到飛灰顆粒上，導(dǎo)致灰樣中SO3體積分?jǐn)?shù)上升。3號(hào)機(jī)組電除塵灰樣中SO3體積分?jǐn)?shù)整體高于4號(hào)機(jī)組，而SO3將與未反應(yīng)的NH3及煙氣中水蒸氣反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨，進(jìn)一步證明3號(hào)機(jī)組電除塵器積灰嚴(yán)重與硫酸氫銨含量較高密切相關(guān)。

圖5 樣品SO3含量Fig.5 SO3 content of samples

上述研究表明，電除塵積灰嚴(yán)重主要與電除塵器入口煙氣含水率以及硫酸氫銨含量有關(guān)，而生成硫酸氫銨的主要原因是SCR脫硝系統(tǒng)過(guò)量噴氨導(dǎo)致氨逃逸以及煙氣中SO3含量過(guò)高。研究表明[3]，SO3不僅易與NH3及水蒸氣反應(yīng)生成硫酸氫銨，還會(huì)影響飛灰性質(zhì)。煙氣中SO3體積分?jǐn)?shù)增加，飛灰比電阻降低；此外，SO3體積分?jǐn)?shù)增加會(huì)降低飛灰表面張力，煙氣中水蒸氣容易被吸附，飛灰內(nèi)聚力增加，飛灰粒徑增大。飛灰粒徑及其比電阻直接影響電除塵器效率[4]，因此進(jìn)一步探究了飛灰粒徑與比電阻變化規(guī)律，分析了其對(duì)電除塵器性能的影響。

2.4 灰樣粒徑分析

3、4號(hào)機(jī)組不同位置灰樣的粒徑分析結(jié)果見(jiàn)表2，可知3號(hào)機(jī)組電除塵器1電場(chǎng)、2電場(chǎng)灰樣平均粒徑、中位粒徑均大于4號(hào)機(jī)組。3、4號(hào)機(jī)組各位置飛灰樣品粒徑占比分布如圖6所示，可知3號(hào)機(jī)組1、2電場(chǎng)飛灰樣品粒徑大多數(shù)(90%)小于74 μm，而4號(hào)機(jī)組1電場(chǎng)飛灰粒徑大多數(shù)小于28 μm。飛灰粒徑增大與3號(hào)機(jī)組高SO3體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。3號(hào)機(jī)組省煤器灰樣最粗，且自省煤器至電除塵器2電場(chǎng)灰樣粒徑呈下降趨勢(shì)。灰樣粒徑減小，導(dǎo)致電除塵器除塵效率降低。

表2 灰樣粒徑分布

圖6 樣品粒徑占比Fig.6 Proportion of particle size of gray samples

2.5 灰樣比電阻特性分析

電除塵器效率很大程度上取決于飛灰的電阻率。3、4號(hào)機(jī)組典型灰樣的比電阻分析見(jiàn)表3，可知比電阻隨溫度升高先增大后減小，在120 ℃出現(xiàn)最大值。3號(hào)機(jī)組省煤器灰斗飛灰比電阻高于電除塵飛灰，這可能是由于電除塵器飛灰樣品經(jīng)過(guò)煙冷器降溫后，SO3形成酸霧與飛灰作用改變了飛灰性質(zhì)。3號(hào)機(jī)組飛灰比電阻略小于4號(hào)機(jī)組，通常一定量硫酸氫銨會(huì)降低飛灰比電阻，增強(qiáng)電除塵器的飛灰捕捉能力[15]，但過(guò)量的硫酸氫銨會(huì)增加飛灰黏性引起電除塵器積灰，從而影響電除塵器荷電，導(dǎo)致除塵效率下降[16-17]。因此應(yīng)綜合考慮硫酸氫銨對(duì)電除塵器的影響。

表3 飛灰比電阻

2.6 電除塵器極線裹灰形成過(guò)程

電除塵器極線裹灰的主要原因?yàn)椋孩?煙氣中含水率過(guò)高導(dǎo)致灰分易附著于電除塵器極線上，引起電除塵器極線裹灰；② 煙氣中硫酸氫銨含量增加的主要原因是SCR脫硝系統(tǒng)過(guò)量噴氨導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)下游煙氣中氨含量增加；同時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)SCR脫硝后煙氣中一部分SO2被氧化為SO3，加之煙氣含水率較高，導(dǎo)致煙氣中生成硫酸氫銨，主要反應(yīng)過(guò)程如下：

(1)

煙氣中硫酸氫銨增加會(huì)改變灰成分的物理化學(xué)性質(zhì)，黏性增大，易引起電除塵器積灰。硫酸氫銨熱分解溫度為308～419 ℃[18-19]，3號(hào)機(jī)組超低排放采用低低溫電除塵器改造后，電除塵器工作溫度降低，硫酸氫銨一旦形成難以分解，加重電除塵器極線裹灰現(xiàn)象。

3 電除塵器極線裹灰抑制方法

低低溫電除塵極線上裹灰形成原因與除塵器入口煙氣濕度過(guò)大有關(guān)；同時(shí)，過(guò)高的SCR脫硝效率帶來(lái)的氨逃逸及煙氣中SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，導(dǎo)致灰分粒徑、比電阻等性質(zhì)發(fā)生改變，黏度增大，降低除塵效率，進(jìn)一步引起電除塵器積灰、板結(jié)嚴(yán)重。在超低排放條件下，為防止低低溫電除塵器極線裹灰、板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，可考慮采用以下方法：

1)合理控制電除塵器入口煙氣含水率及煙氣溫度。可適當(dāng)提高電除塵器入口溫度，避免水蒸氣達(dá)到露點(diǎn)而凝結(jié)；同時(shí)優(yōu)化鍋爐運(yùn)行方式，加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，減少鍋爐受熱面、煙冷器等泄漏事故，節(jié)能減排的同時(shí)考慮環(huán)保系統(tǒng)的運(yùn)行異常風(fēng)險(xiǎn)。

2)合理控制SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量。SCR脫硝系統(tǒng)過(guò)量噴氨導(dǎo)致煙氣中氨逃逸量過(guò)高是硫酸氫銨生成的重要原因之一。因此，為防止硫酸氫銨生成，導(dǎo)致灰分性質(zhì)發(fā)生改變，應(yīng)嚴(yán)格控制SCR系統(tǒng)氨逃逸濃度，有條件的電廠可不定期監(jiān)測(cè)灰分中含氨基團(tuán)濃度，防止氨逃逸超標(biāo)帶來(lái)的問(wèn)題。

3)有效控制煙氣中SO3生成濃度。SO3含量過(guò)高會(huì)與煙氣中水蒸氣及氨氣反應(yīng)生成硫酸氫銨[16-18]，因此，不僅要控制SCR系統(tǒng)氨逃逸濃度，還應(yīng)采用有效手段控制煙氣中SO3生成，如嚴(yán)格控制入爐煤硫分，盡量減少煙氣中一次燃燒生成SO3以及SCR脫硝系統(tǒng)后的SO3二次催化生成，進(jìn)而降低硫酸氫銨生成風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

2)低低溫電除塵器的工作溫度較低，煙氣中硫酸氫銨一旦形成難以分解；同時(shí)硫酸氫銨會(huì)改變灰分性質(zhì)，降低飛灰粒度，硫酸氫銨附著影響電除塵器荷電，導(dǎo)致電除塵效率下降，加劇了電除塵器極線裹灰現(xiàn)象發(fā)生。

3)為減少電除塵器裹灰、板結(jié)現(xiàn)象，必須合理控制電除塵器入口煙氣溫度及含水率；同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制入爐煤硫含量、SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸以及煙氣中SO3生成濃度。