高灰煤煙塵超低排放技術及其工程應用

劉含笑，酈建國，張楊，李文勇，魏宏鴿

(1. 浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

中國的能源結構是典型的富煤、貧油、少氣[1]，且未來還會持續(xù)這種能源結構模式，煤占總能源結構的比例會持續(xù)在50%以上。燃煤電廠超低排放改造已實施完成，污染物減排效果顯著[2-5]。煙塵超低排放技術也取得了較大進步，涌現(xiàn)出了低低溫電除塵技術、濕式電除塵技術、超凈電袋復合除塵技術等[6-13]，在高效除塵技術的研發(fā)、優(yōu)化及工程應用等方面，國內(nèi)頻頻取得突破，且技術的經(jīng)濟性等各項關鍵指標均超國外，達到國際領先水平。但是國外煤質(zhì)相對較好且穩(wěn)定，而國內(nèi)煤種復雜多變，燃用灰分大于等于25%的高灰劣質(zhì)煤的燃煤電廠比例超過30%，尤其是在目前煤價居高不下的情況下，很多原來有條件燃燒優(yōu)質(zhì)煤的機組也不得不大比例摻燒或完全燃用劣質(zhì)煤。在這樣的煤質(zhì)條件下，要穩(wěn)定可靠地達到超低排放指標，技術、運行難度都非常大。從現(xiàn)有機組運行條件來看，要穩(wěn)定可靠實現(xiàn)高灰劣質(zhì)的超低排放，多采用“高效干式除塵(如低低溫電除塵或超凈電袋復合除塵器等)+濕式電除塵”的“超豪華”技術路線[14]，投資和運行成本都非常高。在低碳政策的驅(qū)使下，如何挖掘除塵技術潛能，經(jīng)濟高效地實現(xiàn)高灰劣質(zhì)超低排放，具有迫切的現(xiàn)實意義。

壽志毅等[15]研究了燃煤電廠用濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator，WESP)的排放特征及不同減排效率下的電耗、物耗等運行技術水平，但未開展劣質(zhì)煤工況條件下的適應性研究，尤其是WESP本身屬于額外增加設備，勢必會增加投資和能耗；虞上長等[16]實測分析了某600 MW超低排放燃煤機組的各級環(huán)保設備對顆粒物、氮氧化物、SO2等多污染物的減排效率及最終排放特性，以及爐后環(huán)保島各級設備梯級脫除性能和協(xié)同提效能力，但試驗期間煤灰分在17%～21%范圍內(nèi)，屬于中灰煤種，未涉及高灰煤工況；李德波等[17]對新型電力系統(tǒng)規(guī)劃背景下燃煤機組的深度調(diào)峰及污泥摻燒進行系統(tǒng)研究和分析，得出的結論是污泥摻燒比例在10%及以下的工況不會干擾燃煤鍋爐機組的正常運行，且會在一定程度上抑制鍋爐NOx排放，但未涉及煙塵濃度的影響；林德平[18]研究了600 MW燃煤機組摻燒劣質(zhì)煤試驗，以及NOx生成和排放規(guī)律影響，未涉及煙塵濃度；李皓宇等[19]研究并提出深度配煤摻燒方案，研究發(fā)現(xiàn)燃煤機組劣質(zhì)煤的最大摻燒比例可達30%，并分析摻燒劣質(zhì)煤對鍋爐NOx和SO2排放規(guī)律的影響，但未涉及煙塵濃度；柳成亮等[20]研究了循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐的劣質(zhì)煤摻燒及污染物排放影響規(guī)律，通過調(diào)整燃燒參數(shù)、脫硫/硝等環(huán)保設備的匹配等，可順利實現(xiàn)CFB燃煤鍋爐的超低排放指標，但同樣未對煙塵減排及設備磨損、堵塞情況進行分析；周玲妹等[21]開展了燃煤機組劣質(zhì)煤摻燒的技術經(jīng)濟性研究和分析，為同類型摻燒劣質(zhì)煤機組優(yōu)化配置及運行提供技術思路和運行參考；郝劍等[22]研究分析了某1 000 MW旋流對沖鍋爐燃煤機組摻燒劣質(zhì)煤種對鍋爐燃燒性能的影響規(guī)律，提高了該燃煤鍋爐燃用摻燒劣質(zhì)煤種的適應能力；李皓宇[23]研發(fā)了燃煤鍋爐摻燒劣質(zhì)煤的數(shù)字化智能深度調(diào)控系統(tǒng)，可節(jié)省運行成本約0.009元/kWh，為摻燒劣質(zhì)煤的燃煤機組數(shù)字化建設提供了重要技術支撐。國內(nèi)目前針對燃煤電廠劣質(zhì)煤的研究多集中在劣質(zhì)煤摻燒方面，且對高煙塵濃度工況條件對設備的磨損、堵塞均未涉及，尤其是在不設置WESP的情況下，如何通過各級環(huán)保設備的梯級脫除和協(xié)同增效，保證煙塵超低排放，均沒有系統(tǒng)分析和研究。

本文基于高效除塵技術及煙氣冷卻器、選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)脫硝催化劑的防磨舉措分析，探討燃用高灰機組在不使用WESP的情況下實現(xiàn)超低排放，并開展工程應用，為后續(xù)超低排放機組燃用劣質(zhì)煤提供借鑒。

1 高效電除塵技術的研究

1.1 電除塵入口煙溫下降對除塵效率的影響

常規(guī)電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)的入口煙氣溫度一般為120 ℃左右，低低溫電除塵技術是通過降低電除塵器入口煙氣溫度來實現(xiàn)提效減排，一般通過煙氣冷卻器將電除塵器入口的煙氣溫度降至90 ℃左右(酸露點以下5～10 ℃)。通過開展低低溫電除塵器(LL-ESP)的中試試驗及工程實測研究其提效幅度。主要對應的煤質(zhì)、飛灰成分及煙氣溫度參數(shù)見表1。

表1 主要煤質(zhì)、飛灰成分及煙氣溫度參數(shù)Tab.1 Main coal, fly ash composition and flue gas temperature parameters

煙氣冷卻器投運前后，LL-ESP對煙塵的提效幅度

(1)

式中Ci1、Ci2分別為煙氣冷卻器投運前后LL-ESP出口煙塵質(zhì)量濃度。

經(jīng)中試試驗及現(xiàn)場實測，LL-ESP對煙塵的提效幅度如圖1所示。LL-ESP出口煙塵質(zhì)量濃度為2.54～24.2 mg/m3，煙氣冷卻器投運后，LL-ESP提效幅度為17.09%～53.17%。提效幅度大小一方面與出口煙塵濃度值有關，出口濃度值越高，提效幅度越明顯；另一方面與煙氣冷卻器的降溫幅度有關，一般降溫幅度越大，提效幅度越明顯。降溫后煙氣量減少，流速降低，粉塵性能改變，比電阻降低，并伴有顆粒團聚現(xiàn)象，電場擊穿電壓升高，這些都有利于ESP的除塵提效。

圖1 LL-ESP提效幅度Fig.1 Efficiency improvement ranges of LL-ESP

1.2 ESP結構優(yōu)化對除塵效率的影響

挖掘ESP的設備潛能，提高除塵效率，使除塵器的收塵作用發(fā)揮到極致，還需要從煙道走向、煙道內(nèi)導流和擾流裝置及EPS氣流分布件等方面對進入ESP各室的煙氣量及粉塵量分配、系統(tǒng)流場及壓力損失等進行分析研究。

從煙道設計著手，進口煙道盡可能對稱設計，進口煙道內(nèi)各種部件(如支管、橫梁等)也盡可能保持對稱和一致，從而保證氣固兩相流的流場特性基本一致，如圖2所示。ESP進出口封頭內(nèi)通過布置阻流、導流、多孔型的氣流分布板件結構，改善流場分布，促進氣流擴散均勻，既需要保證第1電場入口截面的氣流分布均勻性滿足標準要求，也要保證在出口煙道和末電場出口處氣流分布均勻，從而最大幅度地保證ESP性能的充分發(fā)揮。

圖2 某工程項目ESP進口煙道走向Fig.2 ESP inlet flue trend of an engineering project

在計算設置方面，ESP內(nèi)的雷諾數(shù)Re的數(shù)量級為104以上，選擇k-ε兩方程湍流模型。進口速度設為6.215 m/s(由設計煙氣量決定)，出口靜壓設為-2 000 Pa，封頭內(nèi)的多孔板設置多孔介質(zhì)參數(shù)，氣體密度設為0.988 kg/m3。設置顆粒相模擬的模型、顆粒相屬性及邊界條件具體值：ESP入口顆粒體積分數(shù)小于20%，屬于稀相多相流，因此顆粒相的模擬應用離散相模型，并用隨機軌道模型加以修正，應用Saffman升力、熱泳力方程，考慮顆粒相的布朗運動及曳力等。設定離散相屬性為慣性顆粒。設定射流源：顆粒相粒徑分布滿足Rosin-Rammler公式，并設置顆粒相進口速度為6.215 m/s，質(zhì)量流量5.41 kg/s，最大粒徑70 μm，最小粒徑3 μm，顆粒粒徑d63.2為24.47 μm(d63.2表示占比63.2%的當量直徑)。根據(jù)粉塵分布擬合出來的相對頻度n值為1.927 609，設置顆粒相密度為700 kg/m3。

采用氣固兩相流模擬[24]，計算結果如圖3所示。

圖3 各粒徑段顆粒相分布及偏差Fig.3 Distribution and deviation of particle phase in each particle size segment

ESP煙道布置導流裝置后，粉塵的慣性作用等影響減小，煙道入口粉塵不同粒徑分布及質(zhì)量中位徑對進入ESP各室粉塵量分配影響不明顯，各粒徑段顆粒相偏差明顯減小[25-26]。流場和顆粒場的均勻性對電除塵效率至關重要，通過商業(yè)流體動態(tài)計算(computational fluid dynamics，CFD)軟件來模擬ESP及其進出口煙道內(nèi)的多物理場狀態(tài)，可對導流/阻流/均流裝置進行結構優(yōu)化和調(diào)整[27-29]。劉忠等[30]模擬了湍流場和電場等多場作用下不同粒徑顆粒物(有荷電、無荷電)的運動軌跡，并基于此優(yōu)化設計電-湍凝聚器擾流渦片結構；李立鋒[31]、李婉婉等[32]分別采用商業(yè)CFD軟件(FLUENT)，對WESP、ESP及其進出口煙道內(nèi)的關鍵部件結構進行優(yōu)化設計，既保證了除塵器的除塵效率，又降低了除塵系統(tǒng)的整體阻力；何林菊[33]、袁偉鋒等[34]對LL-ESP系統(tǒng)進行流場分析，初步提出系統(tǒng)進口喇叭的最佳改造方案。

2 防磨防堵措施

一旦SCR脫硝裝置因磨損導致脫硝效率大幅下降、因堵塞問題造成氣流不均致使脫硝效率下降，或煙氣冷卻器因磨損造成泄露、因堵塞造成局部積灰腐蝕泄露等，都會影響機組的正常運行，甚至會造成停爐等事故。通過研究并采用SCR裝置、煙冷器防磨防堵技術，可最大限度地保證在燃用高灰劣質(zhì)煤時機組穩(wěn)定運行。

2.1 SCR脫硝裝置

SCR脫硝布置在除塵前的高溫、高塵段，針對燃用高灰劣質(zhì)煤煙塵濃度更高的機組，因此，粉塵對催化劑造成的磨損、沖擊也會更嚴重，且磨損主要與煙塵濃度、粉塵粒徑、煙氣流速(直接影響顆粒流速)、流場均勻性、飛灰性質(zhì)(主要是硬度、琢磨性等)、催化劑的結構特性等有關。設計脫硝裝置時需要綜合考慮磨損與積灰，速度過高易磨損，而局部流速低則易積灰，因此，需要選擇最佳的煙氣流速。

反應器在設計時不受空間限制，且經(jīng)過CFD軟件的模擬試驗，在其內(nèi)部合適位置安裝導流板及整流格柵，可以使整個催化劑表面的煙氣流速均勻。在反應器上同時采用聲波吹灰器及蒸汽吹灰器吹灰，前者日常吹灰，后者則定時吹灰，確保了催化劑孔道疏通。燃煤電廠實際運行2年后，有磨損和無磨損的催化對比如圖4所示。兩者的催化劑均采用18孔結構，但由于其反應器內(nèi)空塔流速為4.3 m/s，流經(jīng)催化劑孔道的煙氣流速合理，催化劑孔道不容易堵灰。

圖4 工程概況Fig.4 Project summary

蜂窩式催化劑的常規(guī)端面硬化技術可顯著提高催化劑的耐磨特性，端面硬化水溶膠的主要配方為鋁鹽和釩的溶液，其中鋁鹽提供抗磨損能力，釩溶液提供活性。但端面會降低硬化端活性，成本較高。磨損主要集中于催化劑的迎風面，當硬化高度超過3 cm時，磨損率已滿足硬化端的性能要求，低于0.08 %/kg，當硬化高度為5 cm時，磨損率為0.024 %/kg。在煙氣剛進入催化劑表面時會形成湍流區(qū)，該區(qū)域磨損較為嚴重；對于流場較為穩(wěn)定的項目，通常該區(qū)域在2～3 cm(即催化劑格柵內(nèi)特征尺寸范圍)；流場偏差較大的項目該區(qū)域在5 cm；流場非常差的項目在10 cm(極個別情況)。湍流形成后，催化劑的整流作用會逐漸形成層流區(qū)，在壁面形成低速和低顆粒度煙氣流，層流區(qū)對催化劑的影響較小，灰分基本從孔內(nèi)通過，對催化劑磨損較輕。另外，對于燃用高灰煤且煙氣中粗顆粒濃度比較高的工況，在省煤器出口采用“導流擋板+深灰斗+低攔灰網(wǎng)/擋板”方案，可有效攔截部分大顆粒，攔截效率可超過95%[35]。

2.2 煙氣冷卻器(或稱低低溫省煤器)

煙氣冷卻器布置在ESP入口段煙道，用于降低ESP入口的煙氣溫度。對于燃燒高灰劣質(zhì)煤的燃煤機組，需要高度重視煙氣冷卻器的磨損情況。煙氣冷卻器的磨損速度主要與煙塵濃度、粉塵粒徑、煙氣流速(直接影響顆粒流速)、流場均勻性、飛灰的物理化學性質(zhì)(主要是硬度、琢磨性等)、煙氣冷卻器受熱面布置、結構特性、機組運行工況等因素有關，其中飛灰的濃度是導致磨損的主要因素之一。

對于煙氣冷卻器的防磨可從主動、被動防磨兩方面進行考慮和處理。在主動防磨方面，建議設計流速低于8.5 m/s，且流場均勻，均流系數(shù)不超過0.2，布置方式及設備結構要合理；在被動防磨方面，可考慮在煙氣冷卻器的迎風側(cè)安裝假管或換熱管上布置防磨襯套，一般可考慮至少布置2排。從換熱管的形狀及排列方式來看[36]，錯排布置的橢圓管束的綜合換熱性能及抗積灰性能均好于順排布置，但抗磨損性能稍弱。綜合考慮磨損的不可逆、修復成本高等特點，在飛灰濃度高、煙氣流速快的工況下，受熱面采用順排橢圓管束布置方式，且對第1排管子采取一定的防磨措施；另外，隨管束縱節(jié)距增加，順排橢圓管束的綜合換熱性能先增強后減弱，抗磨損性能及抗積灰性能均增強；隨著管束橫節(jié)距增加，順排橢圓管束的綜合換熱性能及抗磨損性能均變化不大，抗積灰性能增強，因此，擴大橫節(jié)距可有效減少積灰風險。

未來，針對煙氣換熱器的積灰、磨損問題，還可綜合考慮其他應對措施，如合理選擇換熱器介質(zhì)流速，優(yōu)化換熱器結構，采用熱管技術、離子注入技術、表面涂層技術和氟塑料換熱器等[37]。

3 高灰煤示范

3.1 工程概況

高灰煤超低排放示范工程為某660 MW高效超超臨界燃煤空冷機組，同步配套建設煙氣脫硝、除塵和脫硫設施，如圖4所示。煙氣脫硝設施采用SCR脫硝裝置以及蜂窩式催化劑，催化劑層數(shù)按“2+2”設計，即2層運行2層備用。脫硫工藝采用“石灰石-石膏”濕法脫硫，單吸收塔配置，吸收塔設置5層噴淋層加2層合金托盤，除霧器選用三級高效屋脊式除霧器。除塵采用LL-ESP工藝，按照2臺、雙室、5電場設置，電場極板高度為15.5 m，單電場有效長度為2×5.5 m+3×5 m。每個電場配置高頻電源，單臺電源的額定容量為72 kV/2.0 A。試驗期間煤種入爐收到基灰分Aar數(shù)據(jù)見表2，230～660 MW時ESP入口煙氣溫度分別為92.8 ℃、90.4 ℃、90.6 ℃、89.9 ℃。

表2 入爐煤煤質(zhì)分析Tab.2 Furnace coal quality analysis

3.2 應用效果

總體而言，脫硝、脫硫和除塵系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，各項污染物脫除效率滿足設計值要求，且能夠適應現(xiàn)有燃煤煤質(zhì)和機組負荷的變化，經(jīng)過近2年的應用觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損及堵塞現(xiàn)象。不同負荷工況下，LL-ESP、濕法脫硫出口煙塵質(zhì)量濃度及相應的除塵效率如圖5所示。

圖5 LL-ESP、濕法脫硫出口煙塵濃度及相應的除塵效率實測結果Fig.5 Measured results of outlet dust concentrations and dedusting efficiency of LL-ESP and wet desulfurization

由圖5可以看出，ESP出口煙塵質(zhì)量濃度為12.31～16.82 mg/m3，除塵效率為99.958%～99.973%，負荷越低，除塵器內(nèi)煙氣流速越低，對除塵越有利。經(jīng)過濕法脫硫后，出口煙塵排放質(zhì)量濃度為2.12～2.86 mg/m3，濕法脫硫協(xié)同除塵效率為80.34%～84.73%，均滿足煙塵超低排放限值(5 mg/m3)要求。機組負荷越低，顆粒物排放濃度越低，對應的系統(tǒng)除塵效率越高，尤其是ESP的除塵效率提升明顯。但濕法脫硫系統(tǒng)的除塵效率沒有明顯提升，反而有所波動，這與脫硫塔內(nèi)顆粒物的捕集原理有關。漿液滴通過慣性捕集細顆粒物，若想打破顆粒表面的氣膜有效捕獲，必須要有足夠的動能和慣性，因此，當負荷降低，流速減小時，濕法脫硫的協(xié)同除塵效率反而會降低。

另外，在濕法脫硫的協(xié)同除塵效率方面，國外(主要是日本)配套LL-ESP技術的電廠濕法脫硫的協(xié)同除塵效率達70%～90%[2-3]，顆粒物(可過濾)排放質(zhì)量濃度一般小于5 mg/m3。文獻調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)采用“LL-ESP技術+濕法脫硫技術”的機組，其濕法脫硫的協(xié)同除塵效率可達60%～70%以上，個別機組在60%以下，濕法脫硫的煙塵排放質(zhì)量濃度在3.5～8 mg/m3的范圍內(nèi)。本項目濕法脫硫協(xié)同除塵效率為80.34%～84.73%，達到了國際同類技術水平。

3.3 能耗分析

ESP單位時間電耗[38]主要包括其阻力電耗(即ESP壓力降引起的引風機單位時間的電耗)、高壓供電設備單位時間電耗、低壓用電設備單位時間電耗(包括振打電動機、灰斗加熱、絕緣子加熱等單位時間電耗)[39-40]，計算式如下：

W=Wr+Whv+Wlv.

(1)

式中：Wr為ESP阻力電耗；Whv為ESP高壓供電設備單位時間電耗；Wlv為ESP低壓用電設備單位時間電耗。這幾個參數(shù)單位均為kWh/h。

ESP高低壓電耗測試可按GB/T 13931—2017《電除塵器性能測試方法》規(guī)定，其中增加了ESP高壓供電設備與低壓用電設備電耗測試方法相關內(nèi)容。由于ESP高低壓電耗在機組運行過程中是不斷波動的，因此高低壓電耗宜取7日的測試平均值。ESP的阻力電耗

(2)

式中：Q為ESP單位時間處理的工況煙氣量，單位為m3/h；Δp為ESP壓力降，單位為Pa；0.85為ESP系統(tǒng)引風機、傳動設備等引起的綜合效率系數(shù)，1 000和3 600為單位換算系數(shù)。

ESP壓力降測試按標準GB/T 13931的規(guī)定。由于ESP壓力降在一段時間內(nèi)的波動幅度不大，其值宜按測試時的測量值為準。此外，不能忽略實際運行過程中因電動機發(fā)熱、傳動部件間摩擦等引起的能量損失，在計算ESP阻力電耗過程中，需要考慮引風機效率系數(shù)和傳動效率系數(shù)。

ESP比電耗是指ESP處理單位工況煙氣量所消耗的電量，表示為

C=W/Q.

(3)

ESP電耗及比電耗計算結果如圖6所示。由圖6可以看出，230 MW、350 MW和450 MW負荷下電耗僅分別為660 MW負荷下的13.8%、17.3%和32.3%，主要原因是：低負荷下除塵器入口煙氣量下降較為明顯，此時煙氣流速、煙氣停留時間、運行實際比集塵面積等均遠遠高于設計值，除塵器內(nèi)煙塵的自由沉降效應顯著。而且從圖5不難發(fā)現(xiàn)，隨著負荷降低，ESP入口的煙塵濃度也有所降低，這本身也降低了其除塵壓力。根據(jù)GB 37484—2019《除塵器能效限定值及能效等級》對除塵器能效等級的判定方法，450 MW、350 MW、230 MW工況下除塵器的能效等級為1級，660 MW負荷工況下能效等級為3級，在低負荷工況運行時具備更高的經(jīng)濟性。

圖6 電耗及比電耗Fig.6 Power consumption and specific power consumption

4 結論

a)在除塵提效方面，與常規(guī)ESP相比，LL-ESP提效顯著，幅度在17.09%～53.17%；開展多相流模擬試驗，優(yōu)化煙道結構、導流及氣流分布件布置型式，可保障氣流及顆粒相分布均勻，提高除塵性能。

b)在防磨防堵方面，SCR反應器內(nèi)合適位置安裝導流板及整流格柵，可保證煙氣流速均勻；采用聲波吹灰器及蒸汽吹灰器吹灰，確保孔道疏通；煙氣冷卻器需采用主動和被動防磨措施。

c)在工程應用方面，脫硝、脫硫和除塵系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，滿足設計值要求及超低排放，且未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損及堵塞現(xiàn)象。