新环保标准要求下除尘新技术研究.docx

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新环保标准要求下除尘新技术研究

新环保标准要求下除尘新技术研究

作者：

卢文锋

2011年7月29日，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布了最新版的《火电厂大气污染物排放标准》，标准对火电厂大气污染物排放限值做了更为严格的规定，特别是烟尘排放限值由原来的50mg/m3下降至30mg/m3,重点地区为20mg/m3,该标准已经达到甚至超过发达国家标准，对国内的除尘技术提出了新的挑战。

目前能够满足新标准下的排放标准除尘技术，主要有采用新工艺的静电除尘器、布袋除尘器和电袋除尘器。

1.国外燃煤电厂除尘方式的选择

欧、美、日等国家和地区粉尘排放要求较高的燃煤电厂主要采用电除尘器，出口排放一般都在20-30mg/m3,运行情况良好。

如：

欧盟2001/80/EC指令中规定粉尘排放限值为30mg/m3,其电除尘器约占85%，目前西欧电除尘器的平均排放限值小于10mg/m3；美国2005年规定粉尘排放限值为20mg/m3,其电除尘器约站80%；日本大部分地方政府规定的粉尘排放标准均低于20mg/m3,其燃煤电场全部采用电除尘器。

可以看出，欧美日等发达国家执行了比中国更为严格的排放标准，而电除尘器仍被广泛使用。

在德国和日本，电除尘器的占有率具有绝对的压倒优势，而特别具有讽刺意味的是日本和德国恰恰是世界上两个最大的袋式除尘器滤料纤维出口国。

发达国家燃煤质量较好，煤源稳定、热值高、灰分低，应用电除尘器比较有利。

但值得注意的是，印度、越南等发展中国家燃煤电厂也大都采用电除尘器。

印度的煤种可以说是世界上最难收尘的煤种，具有高灰分、高比电阻、低热值、低硫、低Na2O等诸多不利因素，电除尘器对粉尘的捕集比较困难，但近年来新建600MW级机组还是选择了7-10电场，比集尘面积200-300m2/m3/s的超大型电除尘器，印度燃煤电厂90%以上采用电除尘器。

可见，电除尘器许多独特的优点为各国所共识。

欧洲暖通空调协会联盟组织认为，“干式电除尘器可保证排放在10mg/m3以下，如需要可以达到5mg/m3以下。

湿式电除尘器可实现小于1mg/m3的粉尘排放”。

2.国内燃煤电厂大机组电除尘器应用情况

2010年，中国环境保护产业协会对国内煤种适应性情况进行了分析和总结，国内86%的煤种都在电除尘器除尘“容易”到“一般”的范围内，即使放在国际视角上比较，电除尘器对我国煤种的适应性也是比较好的。

对福建龙净、浙江菲达、兰州电力、浙江天洁、上海冶矿5家除尘设备生产厂的电除尘器应用情况进行了调查。

调查显示，2004-2010年间上述企业已经投运并经第三方测试的600MW机组以上配电除尘器175台，全部达到合同规定的技术要求。

值得注意的是，其中在电除尘器电场数3-4个、比集尘面积80-110m2/m3/s的一低电场数、低比集尘面积前提下，电除尘器实测排放低于50mg/m3的有83台，占测试总数的47.4%，排放低于30mg/m3的也有22台。

这充分说明对于我国的燃煤电厂来说，在适当增加电场数量和比集尘面积的情况下，达到30mg/m3甚至20mg/m3的低排放是完全可以实现的。

3.采用新工艺的静电除尘器

近年来，国内电除尘行业加大了对新技术的研究和开发力度。

低低温电除尘技术、高频电源、机电多复式双区、湿式电除尘器、烟气调质、移动电极、零风速关断振打、烟道凝聚器等等一批先进实用的新技术，不但为电除尘器实现低排放创造了更好的条件，扩大了电除尘器的应用范围，还不同程度地提高了产品的技术经济性。

目前，国内推广应用和积极研究的新技术和产品主要有如下几种。

3.1低低温电除尘技术

自1997年起，由于日本地方环保排放控制综合要求不断提高，对应的烟气处理工艺促使低低温高效烟气处理技术在日本火电机组得到全面发展。

低低温烟气处理技术工艺的原理是在锅炉空预器后设置MGGH（热媒水热量回收系统），使进入除尘器入口的烟气温度由原来的130℃-150℃降低至90℃左右（日本称为低低温状态），从而提高常规电除尘的收尘性能。

而湿法脱硫装置出口设置MGHH通过热媒水密封循环流动，将从降温换热器获得热量去加热脱硫后净烟气，使其温度从50℃左右升高到80℃以上。

具体工艺流程见图1。

图1低低温电除尘技术工艺流程图

低低温技术除尘提效的核心措施就是在传统干式电除尘器之前布置了一级MGHH，将电除尘器的运行温度降至低低温状态，对于电除尘器来说，带来了两个显著优势：

（1）任何烟尘基本都没有高比电阻状态，不会发生反电晕现象，图2是常规锅炉飞灰比电阻值与烟气温度的关系曲线。

一般当烟气温度在130℃-150℃时，烟尘比电阻值处于较高点，电除尘器易出现低电压、大电流的“反电晕”现象，造成除尘效率下降。

而在90℃-110℃区间时，烟尘比电阻值可以下降1-2个数量级，使飞灰比电阻值下降至1011以下，使得烟尘比电阻处于最适宜电除尘器收尘的比电阻范围内，从而确保电除尘器的高效收尘，可以完全杜绝“反电晕”现象的发生。

图2锅炉飞灰比电阻值与烟气温度的关系曲线

（2）烟气温度降低使得烟气量减小，烟气通过电场的流速降低，停留时间增加，相当于电除尘器的比集尘面积增加。

排烟温度每降低10℃，烟气量减少2.5%-3%。

（3）排烟温度降低还会使电场击穿电压升高，从而提高电除尘的除尘效率。

根据经验公式估算，烟温每降低10℃，电场击穿电压上升约3%。

另外，对于整个系统来讲，由于电除尘器前烟温降低至90℃左右，烟气中的气态SO3会完全冷凝形成液态，从而被电除尘器前大量的粉尘颗粒所吸附，再通过电除尘器对粉尘的收集而被去除，相当于SO3调质的作用，可以大大提高电除尘器性能。

同时SO3调质的作用，可以大大提高电除尘器性能。

同时SO3的去除避免了下游设备因SO3引起的酸腐蚀问题。

这样FGD系统基本不用专门考虑SO3的腐蚀，同时又充分发挥了脱硫后GGH的作用，把烟气加热到足够温度，满足环保扩散要求，节省了大笔防腐投资，维修工作量和有关费用。

（目前国内一般都是设置一般设置湿烟囱，不设GGH）对于湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺来说，由于进入吸收塔的烟气温度降至90℃左右，可以大大减少脱硫喷淋水的耗量，并提高脱硫的反应效果，进一步降低能耗。

通过管式烟气换热器的烟气不会泄漏，并能有效利用回收的热能，不仅可以将此部分热能用于烟气再热系统，还可用于加热汽机冷凝水系统，减少煤耗或输送给采暖供热系统。

根据工况条件及环保节能要求的不同，低低温烟气处理工艺可采取如下3套布置方案：

方案一：

以烟气降温为核心的电除尘增效、节能综合技术方案，即在电除尘器前布置换热器来降低烟温至90-110℃，回收余热用于加热汽机冷凝水系统，从而减少汽机抽汽量来减少煤耗。

如图3：

图3低低温烟气处理工艺布置方案一

方案二：

以烟气降温为核心的电除尘增效、节能、脱硫增效综合技术方案，即在电除尘器前后各布置一套换热器来降低烟温，除尘器前降至90℃-110℃，除尘器后继续降低至70℃-80℃（进入湿法脱硫吸收塔所需烟温），回收余热用于加热汽机冷凝水系统，从而减少汽机抽汽量来减少煤耗，并降低脱硫工艺水耗量。

见图4。

图4低低温烟气处理工艺布置方案二

方案三：

以烟气降温为核心的电除尘增效、节能、烟囱防腐蚀综合技术方案，即在电除尘器前和脱硫吸收塔后各布置一套换热器，将除尘器前回收的余热用于脱硫后烟温的再热，在节能的同时解决烟囱防腐难题。

与日本电厂工艺相同。

见图5。

图5低低温烟气处理工艺布置方案三

以上三种方案的核心除尘提效技术都是利用烟温降低至低低温状态来实现的，但对于余热回收的力度和用途不尽相同。

因此三种方案需要各电厂根据实际工况条件以及各自不同的环保和节能需要灵活选用。

宁德电厂4#炉600MW机组配套电除尘器就采用了低低温烟气处理工艺方案进行提效改造，应用了电除尘器前增设烟气余热利用装置的除尘提效方案。

（1）具体改造措施：

在空预器和电除尘器之间的烟道处加装烟气余热利用节能换热装置；对电除尘器电场内部做了常规检修。

（2）改造效果：

除尘器平均出口排放浓度由改造前的97.64mg/m3下降到24.89mg/m3。

在设计凝结水用量45%的情况下，烟温从150℃下降至95℃（降幅达到55℃），烟气换热降温达到了预期效果。

（3）节能经济性分析：

节约煤耗，每发一度电节约电煤2.5g/kW.h，机组年发电利用小时数为5500h，平均煤价900元/t，则每年可降低电煤消耗费用:

60x5500x900x2.5/106=742.5万元/a

（4）脱硫工艺水耗：

根据电厂自身运行的统计数据，由于烟温降低后，工艺用水可以节约45t/h左右，按每顿工艺用水2元计算，则每年可降低运行成本：

45x5500x2/104=49.5万元/a

综上，本项目合计每年至少可节省运行成本792万元，2-3年的时间即可收回设备的全部投资费用。

可见，采用低低温电除尘器提效技术，不仅能提高电除尘器的效率，每年还能节省792万元的运行成本，且节省的费用与电除尘的正常运行费用相当，甚至还要高些。

实践证明，低低温电除尘工艺在日本燃煤火电厂运行十多年是成功的，也是一项成熟可靠的除尘工艺。

同时从该技术消化吸收改进后应用在国内的实际工程情况来看，也都十分成功，也为今后进一步的推广应用积累了建设和运行经验。

该技术适合于灰硫比≥100时（煤种含硫量一般不高于1.5%），对电除尘器的比集尘面积有一定要求。

3.2高压电源

新型高压电源及控制技术主要有三种：

高频高压电源、三相工频高压电源和脉冲电源。

3.2.1高频高压电源

电除尘用高频高压供电装置（简称高频电源）是相对于目前常规工频（50HZ）电源而言，高频电源的基本原理如图6。

高频电源的频率一般达到20k-30kHz，特别是国内企业龙净环保公司的高频电源频率可达40kHz，相当于常规工频电源的800倍。

高频高压供电技术是当今国内外电除尘器供电的前沿技术，此技术仅掌握在世界少数几个国家，目前仅有美国、瑞典、中国等几个国家有成功投入商业运行的实际经验。

高频电源的出现，对电除尘性能的提高具有十分重要的意义。

从现场实际使用效果来看，高频电源可节电20%-40%，提效可达20%-30%。

图6高频电源的基本原理

高频电源三相交流输入整流为直流电源，经全桥逆变为高频交流，随后升压整流输出直流高压。

高频电源工作频率可达40kHz，主要包括三个部分：

变换器（整流、逆变）、变压器（升压、整流）、控制器。

其中全桥变换器实现直流到高频交流的转换，高频变压器/高频整流器实现升压整流输出，为电除尘提供高压电源。

（1）高频电源优越的性能特点

高频电源具有输出波纹小、平均电压电流高、体积小、重量轻、成套设备集成一体化、转换效率与功率因数高、采用三相电源对电网影响小等显著优点，特别是可大幅度提高除尘效率，所以它是传统可控硅工频电源革命性的更新换代产品。

高频电源的应用实现了电除尘器供电电源技术水平质的飞跃，极大拓展了电除尘器的适应范围，对我国环保设备配套电源产品的产业结构调整和优化升级产生了重要影响。

（2）高频电源提高除尘效率的原理

高频电源输出直流电压比工频电源平均电压高约30%，因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中会触发火花，容易限制了加在电极上的平均电压。

而高频电源谐振频率为30k-40kHz，与常规的工频电源相比，高频电源波纹系数小于5%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了近乎无波动的直流输出，使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，提高了电除尘器的效率（如图7）。

图7高频电源提高除尘效率的原理

（3）高频电源高效节能

高频电源效率>0.9，功率因数>0.9,比工频电源节能20%以上，设备运行3-5年节省的电费相当于收回全部投资。

高频电源在纯直流供电的方式下，即使在70%的额定输出功率运行时，设备功率因数与效率维持基本不变，而工频电源随着输出功率的下降，功率因数与效率下降明显。

高频电源在额定负载下比常规工频电源节能约20%，在非额定输出时节能比例更大。

在通常情况下，除尘电源是没有满负荷输出的。

因此，高频电源节能显著。

3.2.2三相工频高压电源

三相工频高压电源基本原理：

三相380VAC/50Hz-3Φ工频交流信号输入，经6只可控硅同步移相调压，经三相整流变压器升压后，三相整流成一路300Hz直流高压信号输出，加到电除尘器。

如果A相正半波发生火花闪络放电击穿，等到A相正半波的过零换相时，B相的可控硅已经开通，这时输出火花封锁信号，可以关断A,C相的负半波，却无法即使关断B相已经导通的信号，一直要持续到B相的过零点，才得以完全封锁输出。

A相闪络冲击也许只有瞬态导通电流的1.5-2.0倍；但B相是在A相对介质击穿的状态下继续导通的，大大加强了击穿的强度，实际上所产生的闪络火花瞬态冲击电流，有可能是瞬态导通电流的3.0-5.0倍，给控制系统带来强烈干扰，是成倍递增的。

因此，三相电源最核心的技术，就是在强干扰冲击，强火花冲击下，提高抗干扰能力，实现可靠动态的火花闪络跟踪技术。

3.2.3脉冲电源

脉冲电源又分为工频基波脉冲电源，高频基波脉冲电源。

工频基波脉冲电源由两组独立电源组成，基波电源和脉冲电源。

高频基波脉冲电源由多组独立高频电源叠加组成。

粒子在直流电晕荷电的过程中，随着颗粒带电量的增加从而在颗粒表面产生势垒能。

荷电的发生是只有那些具有动能大于或足以克服荷电粒子表面势垒能的电子和粒子碰撞而产生。

低于荷电粒子表面势垒能的电子不能达到粒子表面进而不荷电。

当荷电发生到一定阶段时，粉尘的荷电速度减小，从而影响粉尘的带电量，造成除尘效率低下。

在脉冲放电中，由于瞬间电位较高，电子从电场中获得的能量很大，产生高能电子，这些高能电子与中性气体分子碰撞裂解或激发中性分子进而产生更多的电子。

此时，电场空间带电粒子主要是电子，电晕电流是电子传输形成的。

飞灰粒子荷电是以电子荷电为主。

飞灰在脉冲放电电晕场中的电子荷电机理是以电子的电场荷电和动能扩散荷电为主，飞灰粒子的电子荷电不仅与电场强度有关，也与电子的热运动程度有关。

由于飞灰在直流电晕下的电场荷电很快达到饱和并在飞灰粒子表面形成势垒能，抑制飞灰的进一步荷电。

但在脉冲期间，单位空间内，被激发出的电子密度很大，能力很高，高能电子足以客服这势垒能而轰击飞灰粒子表面使粒子的荷电量超过饱和电场荷电的极限。

从而获得更快的趋近速度，提高除尘效率。

新型高压电源及控制技术应用于高粉尘浓度电场时，可提高电场的工作电压和荷电电流。

适宜高比电阻粉尘，用于克服反电晕。

3.3机电多复式双区

机电多复式双区电除尘器是在电除尘器的末电场使用机电多复式的双区电场。

主要特点是在电场结构设计上，不仅可将粉尘荷电区和收尘区分开，而且能采用连续多个小分区进行复式配置。

同时，在配电上采用独立电源分别对荷电区和收尘区供电，使荷电和收尘各区段的电气运行条件最佳化。

由于收尘区采用了高场强的圆管+板式的极配形式，实现了高电压低电流的运行特性，可以有效提高对电除尘末电场细微粉尘的捕集，并可以抑制高比电阻粉尘的反电晕与低比电阻粉尘的二次反弹现象，同时管式电极还可以收集荷正电的粉尘，从而提高除尘效率。

机电多复式双区电除尘器的结构见图8。

图8双区电除尘器的结构

自2004年第一台机电多复式双区电除尘器投运至今，在国内已有近百台双区电除尘，经过分析总结，末电场应用机电多复式双区后，相当于增加10%-15%的收尘面积，特别适用于场地受限的老机组改造项目，同时，也适合在一些高比电阻粉尘的新建机组上直接采用该技术。

该技术一般可应用于最后一个电场，单室应用时需增加一套高压设备，通常辅助电极比普通阴极成本高。

适用于高比电阻粉尘工况采用，可与高频电源、断电振打等技术合并应用。

3.4湿式电除尘器

湿式电除尘器结构与常规电除尘器结构基本类似（图9），所不同的是湿式电除尘器取消了传统的振打清灰方式，而用一套喷淋系统取代振打系统用以清灰，以此达到更高的收尘效率，脱除SO3、PM2.5等污染物的目的。

图9湿式电除尘器结构

湿式电除尘器克服传统干式电除尘技术的反电晕与二次扬尘等瓶颈限制，具有极高的除尘效率。

该产品一般设置于湿法脱硫后的烟气处理，可以有效控制PM2.5细微颗粒物、SO3酸雾、气溶胶、汞等重金属和二噁英等复合污染物，达到粉尘接近零排放的目标。

湿式电除尘器在美国、日本、欧洲等发达国家和地区已经有近30年的历史，技术已经非常成熟。

该技术适用于国家排放标准或PM2.5更为敏感的重点地区的老机组改造项目和新建机组，可以达到满意的效果。

3.5烟气调质

烟气调质技术是通过向烟气中喷入一些物质以调整烟气的组分及某些物理特性，从而降低粉尘比电阻，提高电除尘效率。

目前，普遍应用的是SO3烟气调质技术，即向烟气中喷入SO3气体，利用其易冷凝和吸附于粉尘表面的特性，使得粉尘表面形成酸膜，从而形成导电通道，降低粉尘比电阻，提高除尘效率。

该技术在德国、美国应用多年，多用于老机组的提效改造，在世界范围内运行的烟气调质系统已经超过500套。

该技术适用于粉尘比电阻高的老机组提效项目，以及设计煤和校核煤差异较大的新建机组。

该技术适用于灰成分中三氧化二铝偏高或呈弱碱性、整体比电阻偏高、含硫量较小、运行烟温小于145℃的工况和条件。

3.6移动电极

移动电极除尘器与常规电除尘器的收尘原理完全相同（如图10），阳极板在驱动轮的带动下缓慢地向下移动，附着在极板上的粉尘随极板转移到非收尘区域，被正反两把转动清灰刷刷除，粉尘直接刷落于灰斗中，减少了二次扬尘。

由于集尘极能保持清洁状态且粉尘在灰斗中被清除，有效克服了困扰常规电除尘器对高比电阻粉尘的反电晕及振打二次扬尘等问题，可以提高除尘效率。

图10移动电极原理示意

移动电极为日本日立公司的专利产品，自1979第一台设备投入工业应用以来，30多年的时间内共计有49台的工程业绩，其中电力燃煤锅炉至今配套22台/套。

目前，我国个别设备厂家仿照日立结构在国内市场推出了大概6台机组，从实际使用情况来看，效果平平，故障率高。

依目前国内除尘产品的机加工和安装水平分析，移动电极技术并不是最佳选择。

移动电极相比常规电除尘器转动部件较多，发生故障的可能性相对较大。

移动电极的电场比常规电除尘器少，如果有电场发生故障退出运行，对除尘效率影响较大，易对其后的脱硫系统运行造成不利影响。

移动电极上的链条、链轮长期在高粉尘环境里运行，存在磨损问题。

极板在清灰过程中与清灰刷摩擦较大，清灰刷与极板间的间隙容易变大，目前的生产厂家虽然设计有调整装置，但需要在除尘器停运时进行调整。

与常规电除尘相比，极板和清灰刷驱动电极消耗了额外的电功率。

特别是由于运动配合部件繁多，其所需要的制造以及安装水平也很高。

另外，还增加了维护保养的难度。

一般只需将末电场改成移动电极电场。

3.7零风速关断振打技术

该技术保持阳极板清洁，避免反电晕，避免二次扬尘，对设备的设计、制造、安装工艺要求较高。

3.8烟道凝聚器

烟道凝聚器的工作原理是使含尘气体在进入电除尘器前，利用声、电、化学等方法使得粉尘颗粒发生凝聚，使较难收尘的细颗粒物凝聚为大颗粒后再进入电除尘器，以利于收尘。

目前，通过在烟道布置扰流装置和采用双极荷电方式的电凝聚最为热门，国外已经进入工业应用阶段，效果良好。

4.采用新工艺的布袋除尘器

电厂烟气温度一般在120-160℃，适合在这种温度段使用的只有Nomex、PPS、P84（聚酸亚胺）、PTFE。

Nomex化学性能较后三种差，都不选用，P84、PTFE适宜高过200℃使用，而价格贵的很多，电厂一般选择性能价格比较好的PPS（聚苯硫醚），但其抗氧化性能较差，运行中要防止高含氧量运行。

实际运行中要求在160℃运行PPS的滤袋含氧量低于8%（Vol）、NO2小于15mg/Nm3左右长期使用，若含氧量达到12%建议温度降在140℃运行。

总之，含氧量越高，使用的温度就要越低，因每增加10℃，化学反应成双倍的增加。

PPS浸渍PTFE或VV处理可延长滤袋使用寿命，如果选用表面具有混合P84纤维结构的PPS复合滤布，使用寿命会得到稍微延长。

布袋除尘器的新技术主要集中在滤料上，滤料新技术包括以下几种：

高压水刺无损制毡技术、滤料表面纳米涂层技术、高温热压覆膜技术。

4.1高压水刺无损制毡技术

高压水刺毡面无断针，更具安全性，机械性能提升，强力、耐磨性与耐喷吹性提高，清灰周期延长，喷吹阀寿命增加，压缩空气使用量降低，压差降低，有效节约运行能耗，有效提高微细颗粒子的过滤效率。

该技术适用于各类袋式除尘器和电袋除尘器。

4.2滤料表面纳米涂层技术

滤料表面纳米涂层技术，滤料的耐化学性、耐磨性，表面抗粘能力得到明显改善，有效避免结露带来的糊袋风险，清灰性能提高，延迟了清灰周期。

该技术适用于粉尘浓度高、湿度大且烟气腐蚀性较强工况。

4.3高温热压覆膜技术

高温热压覆膜技术实现过滤机理从深层过滤向表面过滤的转变，提升了过滤精度和易清灰性，有效克服湿度大带来的糊袋风险。

该技术适用于排放精度要求高，湿度大，粘性强的恶劣工况。

5.电袋除尘器

电袋除尘器是综合利用电除尘器和袋式除尘器的优点而新发展起来的除尘技术，首先利用电除尘作为一级除尘，保留原有电除尘的一个电场或两个电场，捕集80%左右的烟尘，然后利用袋式除尘单元作为二级除尘，利用过滤除尘的高效率实现达标排放。

根据电除尘和袋过滤除尘单元的组合方式，可将电袋复合除尘器分为“前电后袋”和“嵌入式”两种类型。

目前国内应用的基本都是前电后袋。

电袋复合除尘器综合利用了电除尘和袋式除尘器的优点，但也同时集成了两种除尘器的缺点。

对烟气温度、烟气湿度、烟气成分适应性差，需防结露腐蚀。

装置复杂，运行维护工作量大，气流分布难以调整优化，不能充分发挥两者各自独立的最佳除尘效果。

此外，电晕放电对布袋有氧化作用，会促进老化，降低寿命。

选用电袋复合除尘器，需要进行仔细慎重的比较和论证，详细比较两种方案的投资，运行费用、运行维护、技术可靠性。