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电厂燃煤烟尘超低排放技术路线比选研究


国内燃煤电厂现役主要烟尘治理设施技术特点及其实现超低排放存在的问题与技术难点,通过对当前国内开发的新除尘技术及其应用效果的比选研究,有针对性地提出燃煤电厂现役机组烟尘超低排放技术改造建议,相关结论可为燃煤电厂烟尘超低排放技术的选取提供参考。



随着中国经济持续高速发展,城市化和工业化进程日益加快,各种大气污染物排放急剧增加,尤其是近几年中国出现大范围雾霾天气,严重损害人民群众身体健康,影响社会和谐稳定,一般认为煤炭和石油对雾霾的影响好,尤其是燃煤电厂[1]。

按照国家相关要求,全面实施煤电行业节能减排升级改造,在全国范围内推广燃煤电厂超低排放,即在基准氧含量6%条件下,烟尘排放浓度≤10mg/Nm3。山西省要求常规燃煤机组烟尘排放浓度≤5mg/Nm3,低热值燃煤机组烟尘排放浓度≤10mg/Nm3。

目前燃煤电厂采用的除尘技术难以满足超低排放要求,而“十三五”期间,山西省300MW以上燃煤电厂全部面临超低排放技术改造问题,因此,结合现状选择适宜的技术路线是超低排放技术改造的关键,也是实现烟尘稳定达标排放的基础。

1电力行业烟尘排放现状分析

2013年中国火电行业共有3102家,装机容量8.62×108kW,排放烟粉尘218.8×104t,其中独立火电厂1853家,拥有4825台机组,共有除尘设施5140套,排放烟(粉)尘183.9×104t。

自备电厂1249家,有2690台机组,排放烟粉尘34.9×104t。2014年中国火电行业共有3288家,共排放烟粉尘235.5×104t。其中独立火电厂1908家,拥有4983台机组,共有除尘设施5301套,排放烟(粉)尘195.8×104t。自备电厂1380家,有2895台机组,排放烟粉尘39.7×104t。2013年、2014年电力行业烟尘排放情况见表1。

表1:2013年、2014年电力行业烟尘排放情况


从表1中可以看出,电力行业烟尘排放量占全国烟尘排放量从2013年的17.11%下降到2014年的13.52%,下降了3.59%。全国工业烟(粉)尘排放量从2013年的19.98%下降到2014年的16.17%,下降了3.81%。虽然占比有所下降,但仍然是烟尘好的排放行业,中国燃煤电厂烟尘的排放仍然面临较大压力。全面实施煤电行业节能减排升级改造,在全国范围内推广燃煤电厂超低排放,可以有效降低烟尘排放,达到改善空气环境质量的目的。

2国内燃煤电厂除尘技术使用现状

目前国内比较成熟且适用于各级容量机组的除尘技术主要是电除尘器、袋式除尘器、电袋复合除尘器。

2.1电除尘技术

电除尘技术是利用强电场电晕放电使烟气电离、粉尘荷电,在电场力的作用下将粉尘从烟气中分离。

电除尘器的主要优点:

a)除尘效率高。对于常规电除尘器,正常运行时,其除尘效率一般都高于99%,有的甚至高达99.99%。能够铺集0.01μm以上的细微粉尘。

b)阻力损失小。电除尘器的阻力损失一般为150Pa——300Pa。

c)烟气处理量大。电除尘器结构上易实现装置大型化。单台电除尘器的电场截面积超过400m2,可满足大机组大烟气量的应用。

d)操作温度范围广。高温电除尘烟温一般在350℃——400℃,低温电除尘器(常规电除尘器)烟温一般在120℃——170℃。

e)运行可靠、维护费用低。

电除尘器的主要缺点:

a)对于高比电阻粉尘易出现反电晕,使除尘效率下降。

b)电除尘器占地面积较大。到目前为止,中国已投产燃煤电厂绝大部分采用电除尘器,约占火电装机容量的80%。

2.2袋式除尘技术

袋式除尘技术是利用纤状编物做成的袋式过滤元件来捕集烟尘的技术。

袋式除尘器的主要优点:

a)除尘效率高、排放浓度低。除尘效率都可以达到99%以上。如果设计、制造、安装运行、维护管理得当,其除尘效率可长期稳定达到99.9%以上,烟尘出口排放浓度可长期稳定在30mg/m3甚至是10mg/m3以下。

b)工况适应范围广,烟尘排放长期稳定。袋式除尘捕集烟尘的主要原理为过滤,对煤质和入口烟尘工况的适应性强,不因烟尘的比电阻等特性而影响除尘效率,同时对入口烟尘浓度的变化不敏感,当入口烟气量和浓度变化时,除尘效率的波动较小。

c)运行维护简单。袋式除尘运行过程中的动作部件仅脉冲阀,相对于其它除尘方式故障点少,故障率低,日常运行、维护简单。

袋式除尘器的主要缺点:

a)运行阻力偏高。当入口烟尘浓度较大时,清灰周期较短,运行阻力偏高,有的甚至达到1800Pa以上,运行能耗高。

b)滤袋使用寿命短。由于滤袋过滤烟尘浓度大,清灰频率高,尤其是大颗粒烟尘和硬度较大的烟尘的冲刷磨损严重。因此,滤袋使用寿命较短,一般为3a。

袋式除尘器对燃煤锅炉烟尘的适用性较广,尤其适用于煤种波动大、烟尘比电阻高、排放标准严(20mg/m3以下)的锅炉烟气除尘,全国燃煤机组安装的比例接近9%。

2.3电袋复合除尘技术

电袋复合除尘技术是将电除尘的荷电除尘及袋除尘的过滤拦截机理有机结合的一种除尘技术,前部设置一个电场的电除尘,捕集大量粉尘,沉降高温烟气中的颗粒,缓冲均匀气流,后部装设滤袋,收集细粉尘。

主要技术特点:

a)烟尘排放不受煤质变化影响,长期稳定保持低排放,出口排放浓度值低于20mg/m3。

b)在相同工况和运行条件下,运行阻力比袋式除尘器低。

c)滤袋使用寿命长。电袋复合除尘器在正常情况下使用寿命可以达到4a以上,目前好长使用寿命已达到8a。

d)操作便捷、维护简单。

e)节能明显。配置高压电源数量及容量仅为传统常规电除尘器的1/4左右,大幅度节省了除尘器电耗;电袋复合除尘器平均运行阻力低、滤袋区清灰频率低,压缩空气耗量少,节省了引风机、空压机的电耗。

f)捕集细颗粒物(PM2.5)效率高,电袋复合除尘器协同发挥电场区使细颗粒物发生极化或凝并及滤滤袋区高效过滤的作用,对细颗粒物(PM2.5)具有极高的捕集效率[1]。

电袋复合除尘器具有长期、稳定低排放的特点,且不受煤质变化的影响,好适合中国煤质多变的条件[2]。在一般情况,电袋复合除尘器可保证除尘器出口烟气粉尘浓度为20mg/m3以下,全国燃煤机组安装电袋复合式除尘器的比例接近11%。

2.4除尘技术存在的问题

目前中国部分燃煤电厂烟尘排放不稳定,存在超标现象,主要原因是设计燃用煤种与实际煤种偏差较大,烟气工况变化较大、设备选型不合理、制造和安装质量出现问题、运行管理问题等都会使除尘效率下降,达不到设计要求。通过对国内燃煤电厂除尘技术使用现状的研究,各种除尘技术处理后,烟尘难以实现超低排放的要求,必须对单一的除尘技术进行优化,协同治理。

3燃煤电厂烟尘超低排放技术路线探讨

针对燃煤电厂烟尘排放越来越严格的要求,国内开发了多种新除尘技术,为超低排放奠定了基础。烟尘的超低排放控制技术呈现出多元化的选择,主要针对对现行除尘技术具有良好改造效果的低低温静电除尘、湿式电除尘技术为核心的超低排放技术进行比选研究。

3.1低低温电除尘技术为核心的超低排放技术

低低温静电除尘技术是指在空气预热器和电除尘器之间有烟气换热器,其运行温度由通常的低温状态(120℃——170℃)下降到低低温状态(90℃——110℃左右),这种烟气换热器和电除尘器的组合称为低低温电除尘器。其工作原理是:

烟温降低,使得粉尘比电阻降低,粉尘的荷电性能提高;烟温降低,烟气量减少,电除尘器电场风速也得以降低;烟温降低,烟气中颗粒及气体分子热运动能力减弱,气体击穿电压提高,粉尘趋近速度提高;当除尘器入口烟气温度已经降到露点温度以下,可去除绝大部分SO3,减小尾部烟气低温腐蚀[3]。

技术特点:

a)烟气的体积流量得以降低,电场烟气通道内的烟气流速也相应降低。根据相关质料,烟温下降10℃,烟气量下降2.5%。

b)比电阻下降到108Ω˙cm——1010Ω˙cm,是电除尘器不错工作范围,克服了电除尘器对粉尘比电阻敏感这一弊病,避免了反电晕的发生,是解决电除尘器对付高比电阻粉尘治本之措。

c)烟温下降10℃,烟气的击穿电压升高3%,对电除尘器提效非常有利。

d)可降低湿法脱硫工艺水量约30%。

e)回热走低加系统,可节煤1g/(kW˙h)——3g/(kW˙h)。

f)系统阻力下降,引风机接电约10%。

g)在灰硫比大于100时,SO3的去除率可达95%,大大减少对下游系统的低温腐蚀。

该技术适用条件:

a)进入低低温电除尘器系统的烟气含尘浓度不大于100g/m3。

b)燃煤收到基硫分应不大于2%,烟气灰硫比宜大于100。

c)入口烟气温度。热回收器应小于200℃,再加热器宜为50℃上下。

d)低低温电除尘器应工作在85℃——110℃范围,再加热器应不小于70℃。

e)低低温电除尘器换热介质宜采用水媒介,烟气与水换热冷端端差、热端端差应大于20℃。

2013年7月实测南昌发电厂1号机组低低温电除尘器,入口烟温由140℃下降到95℃,除尘器出口烟尘浓度由58mg/m3下降到16mg/m3。通过对低低温静电除尘技术特点的分析,配合协同治理技术,是可以实现烟尘超低排放的。典型技术路线为:烟气换热装置→低低温电除尘器→高脱硫、除尘效率的石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→烟气再热装置(FGR,可选择安装)。

a)烟尘排放浓度达到<10mg/m3的协同治理技术方案。适用煤质:灰分<25%、硫分<2%、燃煤热值>18MJ/kg,灰硫比适宜时,超过此范围的煤质需进行分析、论证。技术参数配置:低低温电除尘器入口烟温低于酸露点(一般可取90℃),入口烟尘浓度<30mg/m3。

b)烟尘排放浓度达到<5mg/m3的协同治理技术方案。适用煤质:灰分<20%、硫分<1.5%、燃煤热值>20MJ/kg,灰硫比适宜时,超过此范围的煤质需进行分析、论证。技术参数配置:低低温电除尘器入口烟温低于酸露点(一般可取90℃),入口烟尘浓度<15mg/m3。

3.2湿式电除尘为核心的超低排放技术

湿式电除尘器(WESP)与干式电除尘器的除尘原理基本相同,都要经历气体电离、粉尘荷电、收集和清灰四个阶段。其工作原理是:采用自冲刷、喷雾冲刷和液膜冲刷等方式来进行清灰。目前,湿式电除尘器根据极板材质和型式的不同,大致可分为金属板式、柔性电极式、导电玻璃钢式三种类型。

技术特点:

a)WESP具有除尘效率高、没有高比电阻反电晕、没有运动部件、没有二次扬尘、运行稳定、压力损失小、操作简单、能耗低等优点;湿式电除尘器采用液体冲刷集尘极表面来进行清灰,可有效收集微细颗粒物(PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶)、重金属(Hg、As、Se、Pb、Cr)、有机污染物(多环芳烃、二恶英)等,综合治理能力强。使用湿式电除尘器后,烟气中的烟尘排放可达10mg/Nm3甚至5mg/Nm3以下[4]。

在燃煤电厂湿法脱硫之后使用,可解决湿法脱硫带来的石膏雨、蓝烟、酸雾问题,缓解下游烟道、烟囱的腐蚀问题,节约防腐成本。湿式电除尘器能实现超低排放,彻底解决烟囱排放问题,达到“一劳永逸”的效果。

b)湿式电除尘器用水清灰,耗水量大。

c)湿式电除尘器所处环境腐蚀性强,需要解决湿式电除尘器的防腐问题。

该技术适用条件:

a)适合用于排放要求高,对多种污染物排放均有较高要求的电厂。

b)适用于前端除尘器改造难度大、费用高的场合。

c)湿法脱硫后烟尘浓度增加导致排放超标,且湿法脱硫系统改造难度大,难以实现烟尘稳定达标排放的项目。

通过分析湿式电除尘器除尘技术特点,配合协同治理技术,是可以实现烟尘超低排放的。通过干式除尘及新技术(低低温、旋转电极等)与湿式除尘的不同组合及湿法脱硫系统协同除尘,可以得到多种烟尘超低排放工艺路线,典型技术路线为干式除尘器→高脱硫、除尘效率的石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→湿式电除尘器→烟气再热装置(FGR,可选择安装)。

该工艺技术的主要设备有高效干式除尘、湿法脱硫、湿式电除尘器,干式除尘设备可选用低低温电除尘器、电袋复合除尘器、袋除尘器等,要求出口烟尘排放浓度≤20mg/Nm3。湿式电除尘器有效地避开了粉尘比电阻对干式电除尘器的影响及没有机械振打清灰产生的二次扬尘,同时静电和水雾相结合可显著提高除尘效率。

燃煤电厂湿法脱硫后配套湿式电除尘器,真正使大气污染物烟尘排放浓度达到超低排放(≤10mg/Nm3或5mg/Nm3),实现超低排放。国内山东黄台电厂8号300MW机组、上海石洞口一电厂3号300MW机组、内蒙古蒙西电厂1号300MW机组、江苏泰州电厂二期工程2×1000MW机组等均进行湿式电除尘器改造,均实现了烟尘的超低排放[5]。

3.3燃煤电厂烟尘超低排放技术改造建议

通过对新除尘技术及燃煤电厂烟尘“超低排放”的技术探讨,结合燃煤电厂现役机组超低排放的要求及改造条件,建议:

a)现有除尘方式除尘器出口烟尘排放浓度小于20mg/m3的除尘器可以考虑不再进行除尘器改造,可在脱硫塔后加装湿式电除尘器。

b)采用布袋除尘器或电袋除尘器的机组,除尘器出口烟尘排放浓度小于30mg/m3、大于20mg/m3的除尘器,应对选除尘器进行改造。同时,在脱硫塔后加装湿式电除尘器。

c)除尘器出口烟尘排放浓度在50mg/m3左右的电除尘器,机组灰硫比较大,可进行低低温电除尘器技术进行改造。如场地受限,也可以对电除尘器进行电袋或袋除尘器改造,同时,在脱硫塔后加装湿式电除尘器。

4结语

目前围绕满足超低排放标准的要求,多种除尘器新技术的开发和研究不断呈现新成果,通过对低低温电除尘、湿式电除尘器技术特点及适用条件的研究,各种以低低温电除尘、湿式电除尘器为核心超低排放技术的均能够实现超低排放,可以有效降低烟尘的排放,减少对环境空气的污染。

在选择烟尘超低排放技术时,还需结合不同区域经济、资源、环境条件、煤质差异及各烟气治理设施之间的相互影响等进行系统化的全过程进行考虑。由于烟尘超低排放技术需要“协同治理”,在每个装置脱除其主要目标污染物的同时,协同脱除其它污染物或为下游装置脱除污染物创造有利条件。所以各系统需要正常运行至关重要,三分技术,七分管理”,应制定严格和科学的操作、维护、管理规程,并加强对员工的培训。





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