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超凈電袋復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，在常規電袋復合除塵技術的基礎上，突破了電區與袋區的耦合匹配、高均勻流場、高精過濾、微粒凝并等關鍵技術升級而形成了超凈電袋復合除塵技術。超凈電袋復合除塵技術具有排放長期穩定、工藝流程簡單、煤種適應性廣、投資省、占地少、運行費用低、不產生廢水等優點，近2年來在燃煤電廠超低排放工程中得到快速推廣應用，配套國內燃煤電廠總裝機容量超過30 000 MW，其中1 000 MW機組有8臺套，排放質量濃度均小于10 mg/m3或5 mg/m3，平均運行阻力663 Pa。超凈電袋除塵已成為燃煤機組實現超低排放的主流技術路線之一，將在西部地區劣質煤電廠超低排放改造工程中發揮更大作用。
關鍵詞：燃煤機組；超低排放；超凈電袋；除塵器；電袋復合除塵
0 引言
2013年以來，中國霧霾頻發，國家出臺了包括《大氣污染防治行動計劃》等一系列嚴控煤電大氣污染物排放措施，以及限煤、控煤政策，優化能源轉型升級。然而，中國 “富煤、貧油、少氣”的能源資源特征，決定了以煤為主的能源生產結構和消費結構在短期內難以得到根本改變。火電行業同時面臨著環境保護、減排目標與發展需求的重重壓力和挑戰。為應對巨大的環保壓力，謀求發展，煤電企業積極實施了燃煤電廠煙氣污染物排放達到燃氣輪機組的排放標準的要求，力求通過超低排放技術升級改造，實現 “燒煤也可以像燒天然氣一樣清潔”。超凈電袋復合除塵技術（以下簡稱超凈電袋）在上述背景下應運而生，并隨著《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》、《全面實施燃煤電廠超低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]。本文將介紹超凈電袋除塵技術的特點及應用情況。
1 超凈電袋技術及超低排放技術路線
1.1 技術特點
超凈電袋復合除塵技術是在常規電袋復合除塵技術的基礎上進一步技術創新、升級發展而來的，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、運行維護費用低等優點[2]，并且不受煤質、飛灰成分變化影響，能夠保證長期高效穩定運行。
1.2 超低排放技術路線
超凈電袋是實現煙塵超低排放的工藝系統，采用了以超凈電袋為基礎不依賴其他二次除塵的技術路線，如圖1所示，其中，煙氣冷卻器、煙氣再熱器可選擇安裝。當不設置煙氣再熱器時，煙氣冷卻器處的換熱量按圖1中①所示線路回收至汽輪機回熱系統；當設置煙氣再熱器時，煙氣冷卻器處的換熱量按圖1中②所示線路至煙氣再熱器。其優點在于：（1）工藝流程簡單、穩定可靠；（2）一次投資低、占地少；（3）電耗低、運行維護費用低；（4）節水、無水二次污染；（5）對煤種適應性廣，尤其是工況波動大、燃用劣質煤的場合；（6）煙塵長期穩定可靠超低排放。
圖1 以超凈電袋為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 超凈電袋關鍵技術突破
電袋復合除塵技術實現超低排放的關鍵技術突破包括：（1）提高電區捕集效率與荷電能力，保證袋區超低排放；（2）袋區高精過濾材料的應用；（3）提高捕集PM2.5的性能；（4）進一步提高流場均勻性，從而提高除塵效率，保證排放的穩定性。因此，超凈電袋的關鍵技術在于電與袋的耦合技術、流場均布技術、高精過濾技術、微粒凝并技術等方面。
2.1 電與袋的耦合技術
超凈電袋由電區和袋區有機復合、強化耦合形成，袋區要實現超低排放，與袋區的入口煙塵濃度密切相關。一方面，根據粉塵濃度條件對電區合理選型。由于超凈電袋電區除塵效率要求低于常規電除塵，電區對煤種、灰分、粉塵比電阻值等敏感度比常規電除塵相對較低，較容易實現設計除塵效率。另一方面根據煤種、灰成分等煙氣工況參數，進一步優化電場性能。根據多依奇效率和驅進速度經驗公式[3]的原理，采用放電性能較好、電場強度較高的電區極配型式，可提高顆粒荷電量和電區的除塵效率，是超凈電袋的重要技術措施之一。
文獻[2]通過對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于10 g/m3時，過濾阻力的增長率受過濾風速增大的影響較小。文獻[4]對超凈電袋出口煙塵排放濃度與袋區入口濃度、氣布比、電區選型的關系進行研究，得到在袋區入口濃度小于 10 g/m3，采用優良品質的濾料，電區的平均場強不小于3 kV/m，板電流密度不小于0.5 mA/m2時，可使超凈電袋達到小于10 mg/m3的排放要求。文獻[5]通過采用芒刺型電極來提高極線尖端的放電性能，增加電場板電流密度和電場強度，從而有效地提高了電區對煙塵顆粒的脫除效果，并且結構上采用了前、后小分區供電技術，增強電源適應不同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
除塵器內部氣流分布優劣直接影響電袋復合除塵器的性能。氣流分布對電袋復合除塵器的影響從電區和袋區兩部分來討論。電區氣流不均布將導致粉塵顆粒荷電不均勻，并可能產生二次飛揚，從而降低除塵效率；袋區氣流不均勻，將導致濾袋長期受到集中氣流沖刷，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]提出一種針對電袋復合除塵器的氣流均布優化設計方法，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，確定電袋復合除塵器計算流體動力學（CFD）湍流模型、邊界條件等參數的選取和設定，為實際工程的全尺寸CFD計算提供依據，確保CFD計算的準確性和可靠性；確定包括提升閥提升高度、提升閥孔徑等影響電袋復合除塵器氣流均布的有效調節手段；在建模過程中提供合理假設條件和模型簡化方法；對提升閥提升高度值、提升閥孔徑值在經驗值的基礎上合理選定一組數值，并用GAMBIT建模軟件在一個模型上統一建模，生成一套網格模型并導入Fluent中進行CFD計算。文獻[8]通過對入口煙道和除塵器建立物理模型，進行氣流分布的測試實驗，并結合實際工程的現場測試結果，調整CFD的相關邊界條件，建立全尺寸的除塵器數值模型，用Fluent軟件進行氣流均布模擬計算，為實現大型電袋復合除塵器的氣流均布提供了參考。文獻[9]使用Pro/E軟件建立3D模型，采用數值分析方法，設定布袋的界面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復合除塵器內部的流場分布，得出氣流分布板設置與否、設置數量及開孔率對電除塵區速度分布有較大影響，在第3層氣流分布板上改進開孔孔徑，可有效解決電除塵區第1組灰斗內的渦流現象，從而可提高除塵效率。
因此，CFD數值模擬技術是超凈電袋復合除塵器保證氣流均布性的重要手段，超凈電袋復合除塵器的氣流分布優化設計基于CFD數值模擬，其袋區采用多維進風技術，確保不錯的進風比例，并且采用調整濾袋排布、阻流等技術措施，使氣流分布的相對均方根差小于0.2，更利于降低粉塵排放、減小阻力以及延長濾袋壽命。
2.3 高精過濾技術
濾袋是決定電袋復合除塵器出口排放值好關鍵的部件，要保證超凈電袋出口煙塵排放濃度長期穩定＜5 mg/m3或10 mg/m3，濾袋的過濾精度至關重要。在常用的工業過濾濾料中，PTFE覆膜濾料的過濾精度高，其次為超細纖維梯度濾料，好后是普通濾料。電袋采用濾料的過濾精度越高，就越容易實現超低排放，且后期的運行阻力更低更平穩，對工況變化適應能力也越強。
文獻[10]對超細纖維梯度濾料的性能進行了研究，得出超細纖維梯度濾料采用了粗細分層的結構，迎塵面孔徑小，孔隙率大，實現 “類表面過濾”，可有效將粉塵阻攔在濾料的外表層，減少微細顆粒滲入到濾料內部，同時也保證了設備的使用后期運行阻力穩定。文獻[11]通過對覆膜濾料、梯度復合針刺濾料等濾料在清潔及集塵狀態下進行分級效率試驗研究，得出濾料集塵后的分級效率均高于清潔狀態，集塵后對粒徑大于1 μm的粉塵顆粒的分級效率均接近100%，且覆膜濾料的過濾分級效率優于梯度復合針刺濾料。文獻 [12]通過選取了相同材質但不同廠家生產的濾袋，以及相應的無縫線的濾料進行過濾性能測試研究，得出濾袋縫制工藝和質量對排放性能的影響比濾料本身更大。
超凈電袋根據煤種灰分、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濾料，當高灰分且場地受限、高過濾風速時選用微孔覆膜濾料。從加工難易程度及成本上看，微孔覆膜濾料大于超細纖維梯度濾料。
2.4 微粒凝并技術
除塵器出口排放的粉塵中，粒徑小于2 μm的細微粉塵占80%以上，非常容易被氣流帶出除塵器而逃逸。因此，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降低排放的關鍵。電場內顆粒物的荷電方式主要是擴散荷電和場致荷電。一般而言，粒徑大于2 μm和小于1 μm的粉塵分別以場致荷電、擴散荷電為主，而粒徑在1 μm左右的細顆粒物，兩種荷電方式都很弱。因此，細顆粒物很難被電區捕集，從而降低了除塵器的除塵效率[13]。
文獻[14]通過對粉塵荷電與過濾過程影響關系的實驗研究，發現在靜電作用下顆粒層的結構更為穩定，不容易出現坍塌現象；細顆粒荷電后可產生一定程度的聚并，形成大顆粒，有利于除塵器對其捕集，進一步提高細顆粒的脫除效率。文獻[15]提出電袋復合除塵器捕集粉塵除了靜電凝并作用外，濾袋表面的二次粉塵層和一次粉塵層中粉塵顆粒之間的微米級間隙，以及濾料纖維層中纖維間距的微距，加上荷電粉塵層形成的（內）電場力和（或）外加電場的作用，使微細粉塵發生極化、庫倫和電場吸附，是實現高效捕集微細粉塵PM2.5的重要機理。
結合上述實驗研究和機理分析，超凈電袋復合除塵器可采用以下3項措施以增強微粒凝并效應：（1）采用強放電、高場強極配形式；（2）采用新型電源技術，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 濾袋資源化利用技術
早期廢舊濾袋的回收處理主要是填埋。隨著技術進步，當前主要進行資源化利用，通過破碎、熔化拉絲等工藝加工成保溫巖棉、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，濾袋將朝無任何污染方向發展。文獻[16]采用強酸和氧化劑清洗廢舊PTFE濾袋，再對廢舊濾袋進行熱處理，然后球磨成PTFE粉料，對其進行回收再利用。文獻[17]提出金屬纖維氈濾袋與化學纖維濾料相比，具有耐溫高、耐腐蝕強、壓降低、易加工等優點，并且廢舊濾袋資源化利用簡單、價值高，將廣泛地應用在電廠燃煤鍋爐、煤氣凈化等煙氣除塵領域。可以看出，開發和推廣應用金屬纖維氈濾袋，將促進濾袋向無任何污染的方向發展。
3 超凈電袋應用進展
3.1 總體應用情況
近2年來，超凈電袋在燃煤電廠超低排放工程中得到快速推廣。截至2016年11月，燃煤機組超凈電袋配套總裝機容量超過30 000 MW，其中1 000 MW機組有8臺套。投運累計6 910 MW，排放質量濃度均小于10 mg/m3或5 mg/m3，平均運行阻力663 Pa。并出口土耳其、柬埔寨、塔吉克斯坦等多個國家，出口項目總裝機容量8 240 MW。其中，土耳其澤塔斯電廠4號爐660 MW機組超凈電袋實現煙塵排放小于7 mg/m3，阻力低于500 Pa，各項技術指標優良。
2016年1月電力行業標準《燃煤電廠超凈電袋復合除塵器》（DL/T 1493—2016）頒布實施，有效規范了超凈電袋的設計、生產、安裝與使用。超凈電袋標準的實施，助力燃煤電廠超低排放技術路線選擇的多樣化，在西部地區劣質煤電廠的超低排放中，超凈電袋將發揮更大的作用。
3.2 超凈電袋首個示范工程應用
廣東沙角C電廠2號660 MW燃煤機組，于2014年7月進行超低排放改造，采用國內首臺超凈電袋復合除塵器。該機組原配套4室4電場的電除塵器，由于原設計的比集塵面積較小、除塵效率低，因此需要增效改造[18]。電廠通過對多種技術方案進行分析、論證，確定采用超凈電袋復合除塵技術方案實施改造。運行后超凈電袋的性能測試結果見表1。測試表明，各項性能參數滿足設計要求，除塵器出口及煙囪出口顆粒物排放濃度均滿足超低排放要求。
表1 沙角C電廠2號爐超凈電袋性能測試結果
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號機組超凈電袋投運初期和投運一年半的超凈電袋出口連續3個月的CEMS在線監測數據。從圖中可以看出，超凈電袋出口的顆粒物排放質量濃度穩定在10 mg/m3以內，且投運一年半后其排放穩定性進一步提高。
3.3 超凈電袋在劣質煤大型機組的應用
圖2 投運初期的超凈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3 投運一年半的超凈電袋出口顆粒物質量濃度
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機組超低排放改造工程，是國內首臺1 000 MW等級超凈電袋項目，于2015年改造完成并投運。其燃用煤種為山西長治貧煤，其灰分高達39.78%，飛灰中SiO2和Al2O3含量高，比電阻較大，是典型的劣質煤。該工程原采用3室5電場靜電除塵器，并經過低低溫電除塵提效改造，但未能達標排放，好終采用超凈電袋技術方案再次提效改造[19]。2號爐超凈電袋投運初期和運行一年的性能測試結果見表2。測試表明，投運初期和運行一年后的各項性能都非常穩定地滿足設計要求，除塵器出口及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號爐超凈電袋性能測試結果
Table 2 Performance test result of ultra-clean EFIP of Pingdingshan Power Plant Boiler 2
圖4和圖5分別為超凈電袋投運初期和運行一年的超凈電袋出口的CEMS在線監測數據。從圖中可以看出，顆粒物排放濃度穩定在10 mg/m3以內，投運一年后排放濃度更加穩定，波動更小。
圖4 投運初期的超凈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 運行一年的超凈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
超凈電袋復合除塵技術在耦合技術、流場均布技術、微粒凝并技術、高精過濾技術研究等多方面進行了創新。它不受煤質、飛灰成分變化影響，適用于國內大多數燃煤機組燃用的煤種，特別是高灰分、高硅、高鋁、高比電阻、低鈉的劣質煤種，并且具有長期穩定超低排放、運行阻力低、濾袋使用壽命長、能耗低、改造工期短、系統運行穩定等優點。以超凈電袋復合除塵作為一次除塵且不依賴二次除塵的超低排放技術路線，工藝流程簡單可靠、技術經濟指標先進。該技術及技術路線在國內外多臺大型機組煙塵超低排放工程中成功應用，是燃煤機組實現超低排放的主流技術路線之一，將為中國煤電機組實現超低排放，尤其是西部地區劣質煤電廠的超低排放提供技術保障，發揮更大作用。
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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
文獻標志碼：A
DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2017.03.022.06
收稿日期：2017-01-23
基金項目：國家重點研發計劃（2016YFC0203703）；中國科學院戰略性先導科技專項（B類）課題“燃煤鍋爐煙氣電袋復合細粒子高效捕集技術與示范”（XDB05050100）
信息來源：原文載于《中國電力》2017年第3期
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