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超淨(jìng)電袋複合除塵技術的研究應用進展
摘 要:為了實現燃煤電廠的超低排放,在常規電袋複合(hé)除塵技術的基礎上,突破了電(diàn)區與袋(dài)區的耦合匹配、高(gāo)均勻(yún)流場、高精過濾(lǜ)、微粒凝並等關鍵技術升級(jí)而(ér)形成了超淨電袋複(fù)合除塵技術。超淨電袋複(fù)合除(chú)塵技術(shù)具有排放長期穩定、工藝流程簡單、煤種適應性廣、投資省、占地少、運行費用低、不產(chǎn)生廢水等優點,近2年來(lái)在燃煤電廠(chǎng)超低排(pái)放工程中得到快速推廣應用,配(pèi)套國內燃煤電廠總(zǒng)裝機容量(liàng)超過30 000 MW,其中1 000 MW機組有8台套,排放質量濃度均小於10 mg/m3或5 mg/m3,平均運行(háng)阻力663 Pa。超淨電(diàn)袋除(chú)塵已成為燃煤機組實現超低排放(fàng)的主流技術(shù)路線之一,將在西部地區劣質煤電廠(chǎng)超低排放改造工程中發揮更大作用。
關鍵詞(cí):燃煤機組;超低排放(fàng);超淨(jìng)電袋;除(chú)塵器;電袋複合除塵
0 引言(yán)
2013年以來,中國霧霾頻發,國家出台了包括《大(dà)氣汙染防治行動計劃》等一係列嚴控煤電大氣汙染物(wù)排放措施(shī),以(yǐ)及限煤、控煤政策,優化能源轉型升級(jí)。然而,中國 “富煤、貧(pín)油、少氣”的能(néng)源資(zī)源特征,決定了以煤為主(zhǔ)的能源生產結構和消費(fèi)結構在短期內難以得到根本改變。火電行業同時麵臨著環境(jìng)保護、減排目標與發展(zhǎn)需求的重重壓力和挑戰。為應(yīng)對巨(jù)大的(de)環保壓力,謀求發展,煤電企業積極實施了燃煤電廠煙氣汙染(rǎn)物排放達(dá)到燃氣輪機組的排放(fàng)標準的要(yào)求,力求(qiú)通過超低排放技術升級改造,實現 “燒(shāo)煤也(yě)可以像燒天然氣一(yī)樣清潔”。超淨(jìng)電袋複合除塵(chén)技術(以下簡稱超淨(jìng)電袋)在上述背(bèi)景下應運而生,並隨著《煤電節(jiē)能減排升級與改造(zào)行動計劃(2014—2020年)》、《全(quán)麵實施燃煤電廠超低(dī)排放和節能改造工作方案》等超低排放政策的頒布和實施得到了廣泛應用[1]。本文將介紹超淨電袋除塵技(jì)術(shù)的特點及應用情況。
1 超淨電袋技術及超低排放技(jì)術路線
1.1 技術特點
超淨電袋(dài)複(fù)合除塵(chén)技術是在常規電袋複合除塵技術的基礎上進(jìn)一步技術創(chuàng)新、升級發展而來(lái)的,可實現煙塵排放質量濃度<5 mg/m3或10 mg/ m3的超低排放。它具有出口煙塵排放濃度低且穩定、煤種適應性廣、濾袋壽命長、運行阻力低、投資小、運(yùn)行維護費用低等優點[2],並且不(bú)受煤質、飛灰成分(fèn)變化影響,能夠(gòu)保證長期高效穩定運行。
1.2 超低排放技術路線
超淨(jìng)電袋是實現煙塵超低排放(fàng)的工藝(yì)係統(tǒng),采用了以超(chāo)淨電袋為基礎不依賴其他二次除塵的技術路線,如圖1所示(shì),其中,煙氣(qì)冷卻器(qì)、煙氣再熱器(qì)可選擇安裝(zhuāng)。當(dāng)不設置煙氣再熱器時,煙氣冷卻器處的換(huàn)熱(rè)量按(àn)圖1中①所示線路回收(shōu)至汽(qì)輪機回熱係統;當設置煙氣再熱器時,煙氣冷卻器處(chù)的(de)換熱量按圖1中②所示線路至煙(yān)氣再熱器。其優點在(zài)於:(1)工藝流程簡單、穩定可(kě)靠(kào);(2)一(yī)次投(tóu)資低、占地少;(3)電耗低、運行維護費用低;(4)節水、無水二次汙(wū)染;(5)對煤種適應性廣,尤其是工況波動大、燃用劣(liè)質煤的場合;(6)煙塵長期穩定可靠超(chāo)低(dī)排放。

圖1 以超淨電袋為(wéi)基礎不依賴二次除塵實現超低排放的技術路線
Fig.1 The technical route of ultra-low dust emission based on ultra-clean EFIP without secondary dust removing
2 超淨電袋關鍵技術突破
電(diàn)袋複合(hé)除塵技術實現超低排放(fàng)的關(guān)鍵技術突破包括:(1)提高電區捕(bǔ)集效率與荷電能(néng)力,保證袋區超低(dī)排放;(2)袋區高精過(guò)濾材料的應用;(3)提高捕集PM2.5的性能;(4)進一步提高流(liú)場均勻性,從而提高除(chú)塵(chén)效率,保證排放的穩定性。因此,超淨電袋的關鍵技術在於電與袋的耦合技術、流場均布技術、高精過濾(lǜ)技術、微粒凝並技術等方麵。
2.1 電與袋的耦(ǒu)合(hé)技術
超淨電袋由(yóu)電(diàn)區和袋區有機複合、強化耦合(hé)形(xíng)成,袋區要實現超低排放(fàng),與袋區的入口煙塵濃度密切相關。一方麵,根據粉塵濃度條件對(duì)電區合理選型(xíng)。由於超淨(jìng)電袋電區除塵效率要(yào)求低(dī)於常規電除塵,電區對煤種、灰分(fèn)、粉塵比電阻值等敏感度比常規電除塵(chén)相對較低,較(jiào)容易實現設計除(chú)塵效率(lǜ)。另一方麵根據煤種、灰成分等煙氣工況參數,進一步優化電場性能。根據多依奇效率(lǜ)和驅進速度(dù)經驗公式[3]的(de)原理,采用放電性能較好、電場強度較高的(de)電(diàn)區極(jí)配型式,可(kě)提(tí)高顆粒荷電量和電區的(de)除(chú)塵效率,是超淨電袋的重要技術措施(shī)之一。
文獻[2]通過對(duì)荷電顆粒進行過濾模擬和試驗研究,在袋區入口煙塵濃度不大於10 g/m3時,過濾阻力(lì)的增(zēng)長率受過濾風速增大的影響較小。文獻[4]對超淨電袋出口煙(yān)塵排放濃度與袋區入口濃度、氣(qì)布比、電區選(xuǎn)型的關係進行研究,得到在袋區入口濃度小(xiǎo)於 10 g/m3,采用優良品質(zhì)的濾料,電區的平均場強不(bú)小於3 kV/m,板電流(liú)密度不小於0.5 mA/m2時,可使超淨電袋達到小於10 mg/m3的排放要求。文獻(xiàn)[5]通過(guò)采用芒刺型電極來提高極線(xiàn)尖端的放電性能,增加電場板電流密度和電場強(qiáng)度,從而有效地提高了電區對煙(yān)塵顆粒的脫除效果(guǒ),並且結構(gòu)上采用了前、後小分區供電技術,增強(qiáng)電源適應不同(tóng)煙塵濃度的電氣性能,細化電區工作單元,提高電區工作的可靠性。
2.2 流場均布技術(shù)
除塵器內部(bù)氣流分布優劣直接影響電袋複合除塵器的性能。氣流分布對電袋複合(hé)除塵器的影響從電區和(hé)袋區兩部(bù)分來討(tǎo)論(lùn)。電區氣(qì)流不均布(bù)將導致粉塵顆粒荷電(diàn)不均勻,並可能產生二次飛揚,從而降低除塵效率;袋(dài)區氣流不均勻,將導致(zhì)濾(lǜ)袋長期受到(dào)集中氣流衝刷,出現濾袋破損的現象,導致粉塵排放濃度迅速升高[6]。
文獻[7]提出一種針對電袋複合除塵器的氣流均布(bù)優化(huà)設(shè)計方法,其通過縮小的物理模型和數值模型實驗結果的對比和分析,確定電袋複合除塵器計算流體動(dòng)力學(CFD)湍(tuān)流(liú)模(mó)型、邊界條件等參數的選取和設定(dìng),為實際工程的全尺寸CFD計算提供依據(jù),確(què)保CFD計算的準確性和可靠性;確(què)定包(bāo)括提升閥提升(shēng)高度、提升閥孔徑等影響電袋複合除塵器氣流均布的有效調節手段;在建模過程中提供合(hé)理假設(shè)條件和模型(xíng)簡化方法;對提升閥提升高度值、提升閥孔徑值(zhí)在(zài)經驗值(zhí)的基礎上合理選定(dìng)一組數值,並用GAMBIT建(jiàn)模軟件在一個模型上統(tǒng)一建模,生成一套網格模型並導入Fluent中進(jìn)行(háng)CFD計算。文獻[8]通(tōng)過對入口煙道和除塵器(qì)建立物理模型,進行氣流分布的測試實驗,並結合實際工程的現場(chǎng)測試結果,調整CFD的(de)相關邊界條件,建(jiàn)立全尺寸的除塵(chén)器數值模型,用Fluent軟件進行氣流均布模擬計算,為(wéi)實現大型電(diàn)袋複合(hé)除塵器的氣流均布提供(gòng)了參考。文獻[9]使用Pro/E軟件建立(lì)3D模型,采用數值分析方法,設定(dìng)布袋的界麵為多孔介質階躍邊界條件,電除塵器內部的氣流通過改變氣流分布板來調整,重點研究了大型電袋複合除塵器內部的流場分布,得出氣流分布板設置與否、設置數(shù)量及開孔率對電除塵區速度(dù)分布有(yǒu)較大影響,在第3層氣流(liú)分布板上改進開孔孔徑,可有效解決電除塵區第1組灰鬥內的渦流現象,從而可提高除塵效率。
因此,CFD數(shù)值模擬(nǐ)技(jì)術是超淨(jìng)電袋複合除塵器保證氣流均布性的重要手段,超淨電袋複(fù)合除塵器(qì)的(de)氣流分布優化設計基(jī)於CFD數值模擬,其袋區采用多維進風技術(shù),確保不錯的進風(fēng)比例,並且采用調(diào)整濾袋排布、阻流等技術措施,使氣流分(fèn)布的相對均方根差小於0.2,更利(lì)於降低(dī)粉塵排放(fàng)、減小阻力以及延長濾(lǜ)袋壽命。
2.3 高精過濾技術
濾袋是決定(dìng)電(diàn)袋複合除塵器出口排放值好關鍵(jiàn)的部件,要保證超淨(jìng)電(diàn)袋出口煙塵排放濃度長期穩定(dìng)<5 mg/m3或10 mg/m3,濾袋的過濾精度至關重要。在常用的工業過(guò)濾濾料中,PTFE覆膜濾料的(de)過濾精度高(gāo),其次為超細纖維梯度濾料,好後是普通濾(lǜ)料。電袋采用濾料的過濾精度越高,就越容易實現超低排放,且(qiě)後期的運行阻力更低更平穩,對工況(kuàng)變化適應能力(lì)也越強。
文獻[10]對超(chāo)細纖維梯度濾料的性能進行了研(yán)究,得出超細纖維梯度濾料采用了粗細分層的結構,迎塵麵孔徑小,孔隙率大,實現 “類(lèi)表麵過濾”,可有效(xiào)將粉塵阻攔(lán)在濾料的外表層(céng),減少微細顆粒滲入到濾料內部,同時也保證了設備的使用後期運行阻力穩定。文獻[11]通過(guò)對覆膜濾料、梯度複合針刺濾料等(děng)濾料在清(qīng)潔(jié)及集塵狀態下進行分級效率(lǜ)試驗研究,得出濾料集塵後的分級效率均高於清潔狀態,集塵後對粒徑大於1 μm的粉塵顆粒的分級(jí)效率均接近100%,且覆膜(mó)濾料的過濾分級(jí)效率優於(yú)梯度(dù)複合針(zhēn)刺濾(lǜ)料。文獻 [12]通過(guò)選取了相同材質但不同廠家生產(chǎn)的濾袋,以及相應的無縫線的濾料進行過濾性能(néng)測試(shì)研究,得出(chū)濾袋縫製工藝和質(zhì)量對排放性能(néng)的影響比濾料本身更大。
超淨(jìng)電袋根(gēn)據煤種灰分、過濾風速、排放要求等因素來選擇高精濾料,一般情況下不錯超細纖維梯度(dù)濾料,當高灰分且場地受限、高過濾風速時選用微孔(kǒng)覆(fù)膜濾料(liào)。從加工難(nán)易程(chéng)度及成本上看,微孔覆膜濾料大於超細纖維梯度濾料。
2.4 微粒凝並技術
除塵器出口排放的粉塵中,粒徑小於(yú)2 μm的細微粉塵占80%以上,非常容易被氣流帶出除塵器而(ér)逃逸。因(yīn)此,采取技術措施,提高除塵器對細微顆粒物的捕集能力是進一步(bù)降低排放的關鍵。電場內顆粒物的荷電方式主要是擴(kuò)散荷電和場致荷電。一般而言,粒徑大於2 μm和小於(yú)1 μm的粉塵分(fèn)別以場致荷(hé)電、擴散荷電為主,而粒徑在1 μm左(zuǒ)右的細顆粒物,兩種荷電方式都(dōu)很弱。因(yīn)此(cǐ),細顆粒物很難被電區捕集,從而降低了除塵器的除塵(chén)效率[13]。
文(wén)獻[14]通(tōng)過對(duì)粉塵(chén)荷電(diàn)與過濾過程影(yǐng)響關係的實(shí)驗(yàn)研究,發現在(zài)靜電(diàn)作用下顆粒層的結構更(gèng)為穩定,不容易(yì)出現坍塌現(xiàn)象;細顆粒荷電後可產生一定程度的聚並(bìng),形成大顆粒,有利(lì)於(yú)除塵(chén)器對其捕集,進一步提高細(xì)顆粒的脫除(chú)效率。文(wén)獻[15]提出電袋複合除塵器捕集粉塵除了靜電凝並作用外,濾(lǜ)袋表麵的二次(cì)粉塵層和一次粉塵層(céng)中粉塵顆粒之間的微米級間隙,以及濾料纖維層中纖(xiān)維(wéi)間距的(de)微(wēi)距,加上荷(hé)電粉塵層形成的(內)電場力(lì)和(或)外加電場的作用,使微(wēi)細粉塵發生極化(huà)、庫倫和電(diàn)場吸(xī)附,是(shì)實現(xiàn)高效捕集微細粉塵PM2.5的重(chóng)要機理。
結(jié)合上述實驗研究和機理分析,超淨電袋複合除塵器可采用以下3項措施以增強微粒凝並效應:(1)采用強放電、高場強極配形式;(2)采(cǎi)用新型(xíng)電源技術,以便提高針端放電性能,增加顆粒的荷電量;(3)采用(yòng)嵌入式結構,減少電荷的損失,增強過濾效應。
2.5 濾袋資源化利(lì)用技術(shù)
早期廢舊濾(lǜ)袋的回收處理主要是填埋。隨著技術進(jìn)步,當前主要進(jìn)行資(zī)源化利用,通過破(pò)碎、熔化拉絲等工藝(yì)加工成保溫(wēn)岩棉、再生料等,逐漸形成規模化回收利用。隨著濾袋新材料的開發,濾袋將朝無(wú)任何汙染方向發展。文獻[16]采用強酸(suān)和氧化劑清洗廢舊PTFE濾袋,再對廢舊濾袋進行(háng)熱處理,然後球磨成PTFE粉(fěn)料,對其進行回收再利用(yòng)。文獻(xiàn)[17]提出金(jīn)屬纖維氈濾袋與化學纖維濾料相比,具有耐溫(wēn)高、耐(nài)腐蝕強、壓降低、易加工等優點,並且廢舊濾袋資源化利用簡單(dān)、價值高,將廣泛地應用在電廠燃煤鍋爐、煤氣淨化等煙氣除塵(chén)領域。可以看(kàn)出,開發和推廣應(yīng)用金屬纖維氈濾(lǜ)袋,將促進濾袋向無任何汙染的方(fāng)向發展。
3 超淨電袋應(yīng)用進展
3.1 總體應用情況
近2年來(lái),超(chāo)淨(jìng)電袋在燃煤電廠超(chāo)低排放(fàng)工(gōng)程中得到快速推廣。截(jié)至2016年11月,燃煤機組超淨電袋配套總裝機容(róng)量(liàng)超過(guò)30 000 MW,其中1 000 MW機組有8台套。投運累計6 910 MW,排(pái)放質量(liàng)濃度均小(xiǎo)於10 mg/m3或5 mg/m3,平均運行阻力663 Pa。並出口土耳其、柬埔寨、塔吉克斯坦等多個國家,出口項目(mù)總裝機容量8 240 MW。其中,土耳其澤塔(tǎ)斯電廠4號爐660 MW機組超淨電袋實現煙塵排放小於7 mg/m3,阻力低於500 Pa,各項技術指標優良(liáng)。
2016年1月電力行業標(biāo)準《燃煤(méi)電廠超淨電袋複合除塵器》(DL/T 1493—2016)頒布實施,有效規範了超淨電袋的設計、生產、安裝與使用。超淨電袋標準的實施(shī),助力燃煤電(diàn)廠超低排放技(jì)術路線選擇的多樣化,在西部地區劣質煤電廠的超(chāo)低排放中,超淨電袋將發揮更大的作用。
3.2 超淨電袋首個示範工程應用
廣(guǎng)東沙角C電廠2號660 MW燃煤機組,於2014年7月進行超低排(pái)放改造,采用國內首台超淨電(diàn)袋複(fù)合除塵器。該機組原配套4室4電場的電除塵器,由於原設(shè)計的比集塵麵積較小(xiǎo)、除塵效率低,因此需要增效改(gǎi)造[18]。電廠通過對多種技術方案進行分析、論證,確定采用(yòng)超淨(jìng)電袋複合除塵技術方案實施改造。運(yùn)行後超淨電袋的性能測試結(jié)果見(jiàn)表1。測試表明,各項性能參數滿足設(shè)計要求,除塵器出(chū)口及煙囪出口顆粒物排放濃度均滿(mǎn)足超低排放(fàng)要求。
表1 沙角C電廠(chǎng)2號爐(lú)超淨電袋性能測試結果
Table 1 Performance test result of ultra-clean EFIP of Shajiao C Power Plant Boiler 2

圖2和圖3分別為2號機組超淨電袋投運初期和投運一年半的超淨(jìng)電袋出口連續3個月的CEMS在線監測數據。從圖中可以看出,超淨電袋出口的顆粒物(wù)排放質量濃度穩(wěn)定在10 mg/m3以內,且(qiě)投運一年半(bàn)後其排(pái)放穩定性進一步提高。
3.3 超(chāo)淨電袋在(zài)劣質煤大型機(jī)組的應(yīng)用

圖2 投運初期的超淨電袋出口顆粒物質量濃度
Fig.2 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet in initial operation stage

圖(tú)3 投運一年(nián)半的超淨電袋出口顆粒物(wù)質量濃度(dù)
Fig.3 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet after 18-month operation
河南平頂山發電分公司2×1 000 MW機(jī)組超低排放改造工程,是國內首台1 000 MW等級超淨電袋項目,於2015年改造(zào)完成並投運。其燃用煤種為(wéi)山(shān)西長治貧煤,其灰分高達(dá)39.78%,飛灰中SiO2和Al2O3含量高,比電阻較大(dà),是(shì)典型的劣質煤。該工程(chéng)原采(cǎi)用(yòng)3室5電場靜電除(chú)塵器,並經過低低溫電除塵(chén)提效改造,但未能達標排放,好終采用超淨電袋技術方案再次提效改造[19]。2號爐超淨電袋投運初期和運行一年的性能(néng)測(cè)試結果見表2。測試表明,投運初期和運行一(yī)年後的各項(xiàng)性能都非常穩定地滿足設計要求,除塵器出口及(jí)煙囪出口顆粒物排放均達到超低排放要求。
表2 平頂山電廠2號爐超(chāo)淨電袋性能測試(shì)結(jié)果
Table 2 Performance test result of ultra-clean EFIP of Pingdingshan Power Plant Boiler 2

圖4和圖5分別為超淨電袋投運初期(qī)和運行一年的超淨電袋出口的CEMS在線(xiàn)監(jiān)測數(shù)據。從圖中可以看出,顆粒物排放濃度穩定在10 mg/m3以內,投運一年後排放濃度更加穩(wěn)定,波動更小。

圖4 投運初期(qī)的超淨電袋出口顆粒物濃度
Fig.4 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet in initial operation stage

圖5 運行一年(nián)的超淨(jìng)電袋出口顆粒物濃度
Fig.5 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet after one-year operation
4 結語
超淨電袋複合除塵技(jì)術在耦合技術、流場均布技術(shù)、微粒凝並技術、高精過濾技術研究等多方(fāng)麵進行了創新。它不受煤質、飛灰成(chéng)分變化(huà)影響(xiǎng),適用於國內大多數燃煤機組燃用的煤種,特(tè)別是高(gāo)灰(huī)分、高矽、高鋁(lǚ)、高比電阻、低鈉的劣質煤種,並(bìng)且具有長(zhǎng)期穩定超低排放(fàng)、運行阻力(lì)低、濾袋使用壽命長、能耗(hào)低、改造工期短、係統運行(háng)穩定等優點(diǎn)。以超淨電袋複合除塵作為一次除塵且不依賴二次除塵的超低排放(fàng)技術路線,工藝流程簡單可靠、技術(shù)經濟指標先進。該技術及技術路線在國內外多台大型機組煙塵超低排放工程中成功(gōng)應用,是燃煤機組實現超低排放的主(zhǔ)流技術(shù)路線(xiàn)之一,將為中國煤電機組實現超低排放,尤其是西部地(dì)區(qū)劣質(zhì)煤電廠的超低排放提供技術保障,發揮(huī)更大作用。
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ResearchandApplicationProgressofUltra-CleanElectrostatic-FabricIntegrated PrecipitatorTechnology
Abstract:To achieve the goal of ultra-low emission for coal-fired power plants,based on the conventional EFIP technology,the ultra-clean electrostatic-fabric integrated precipitator(EFIP)is developed,by upgrading the key technologies such as coupling matching between electrostatic field and fabric area,high uniform flow field distribution,high-precision filtration and particle coalescence technology. Featured by stable long-term emissions,simple technical process,high adaptability to varieties of coal,low investments,less land occupation,low maintenance costs and no waste water production,the ultra-clean EFIP technology has been rapidly popularized and widely used in coal-fired power plant ultra-low emission projects for the recent couple of years,with the total installed capacity of domestic coal-fired power plants over 30 000 MW,including eight 1 000-MW units.The emission concentrations are all below 10 mg/m3or 5 mg/m3, and the average running resistance is around 663 Pa.The ultra-clean EFIP has become one of the mainstream technical routes to achieve ultra-low emission for coal-fired power plants,and will play an even more important role in the ultra-clean emission renovation projects for power plants burning inferior coals in western area of China. This work is supported by the projects of Low-Cost Ultra-Low Emission Technologies and High-End Manufacturing Equipment of National Key Research and Development Plan(No.2016YFC0203703)and Techniques and Demonstration of Electrostatic-Fabric Integrated Fine Particles Efficient Capture for Coal-Fired Boiler Flue Gas of Strategic Priority Research Program(B)of the Chinese Academy of Sciences (No.XDB05050100).
Keywords:coal-fired unit;ultra-low emission;ultra-clean electrostatic-fabric integrated precipitator;precipitator;electrostatic-fabric integrated precipitating
中圖分類號:TM621;X51
文獻標誌碼:A
DOI:10.11930/j.issn.1004-9649.2017.03.022.06
收稿(gǎo)日期:2017-01-23
基金(jīn)項目:國(guó)家重點(diǎn)研發計劃(2016YFC0203703);中國科學院戰略性先導科技專項(B類)課題“燃煤鍋爐(lú)煙(yān)氣(qì)電袋複合細粒子高效捕集技術與示範”(XDB05050100)
信息來源(yuán):原文載於《中國(guó)電(diàn)力》2017年第3期



