摘要：针对煤电机组烟尘超低排放技术改造难度大、风险高,改造结果不易达到预期效果等问题,介绍了煤电超低排放烟尘改造技术路线中干式电除尘器、旋转电极、湿式电除尘器、高频电源、低温省煤器、高效除尘脱硫系统的技术特点,对湿式电除尘器的适用范围与改进方向提出了建议,并对相关设备在设计、制造、施工、运行、监控等方面的注意事项进行了系统阐述。实践证明:煤电机组超低排放改造后,烟尘含量可以达到燃气电站排放的标准,烟尘测量值与机组负荷的变化趋势吻合较好,进一步佐证了超低排放烟尘数据的可靠性。
0引言
煤基能源是我国大气污染物和温室气体排放的主要来源之一[1-4]，近年来，随着全国范围内大规模雾霾天气的持续，国家对燃煤电站烟尘排放提出了越来越高的要求。根据GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求[5]，对于大气污染联防联控工作的重点区域烟囱出口烟气中的烟尘浓度应低于20mg/Nm3的排放限值。2014年9月，国家发改委、国家环保部和国家能源局联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》(发改能源〔2014〕2093号)，以天然气为燃料的燃气机组排放限值(烟尘浓度应低于5mg/Nm3)为基准，对新建煤电机组供电煤耗和大气污染物排放浓度，以及现役机组升级改造节能减排目标作出明确规定。
为满足日益严格的排放标准要求，我国燃煤电站烟尘控制技术在不断发展。20世纪70年代干式电除尘器开始在电厂应用，20世纪90年代开始逐步普及[6]，平均效率已由1985年的906%提高到目前的99%以上的水平。在进行高频电源、旋转电极及低温电除尘器改造后，许多工程干式电除尘器出口烟尘含量已达到GB13223—2011标准要求的烟囱出口20mg/Nm3的水平。2005年以来，我国燃煤电厂烟气脱硫装置增长迅速，其中应用最为广泛的湿法石灰石-石膏法在脱硫的同时可以进一步脱除烟尘，一些工程脱硫出口烟尘能达到发改能源〔2014〕2093号文件要求的烟囱出口5mg/Nm3的水平[7-13]。但由于脱硫后烟尘达到5mg/Nm3以下的技术尚未完全成熟，目前，煤电机组通常在脱硫后仍安装湿式电除尘进一步除尘，以确保实现超低排放乃至更低的烟尘排放限值。
1超低排放烟尘控制技术路线分析
煤电机组超低排放典型技术路线如图1所示，其中，高效低氮燃烧和全负荷SCR主要为了脱硝;高效脱硫系统主要是脱硫，对烟尘控制也有一定作用;在烟尘控制方面，与常规机组相比，增加了湿式电除尘器，同时一般将干式多电场电除尘器的最后一个电场改为旋转电极(其余电场仍为传统的平板形)，此外，干式电除尘器和湿式电除尘器均采用高频电源，低温省煤器则根据机组的实际情况决定是否安装。随着高效脱硫系统除尘效果的快速发展，一些超低排放改造机组已取消了湿式电除尘器。
干式电除尘器基本原理是利用强电场使气体电离，烟尘荷电，并在电场力的作用下分离、捕集烟尘，由高压电源和电除尘器本体组成。1923年电除尘器开始应用于火电厂排烟除尘，因除尘效率高、阻力损失小、能耗少、耐高温等优点，逐步得到普遍应用。常规的干式电除尘器采用高压工频电源与平板形结构，若干组阳极板与阴极板平行布置，通过定期振打清除极板上沉积的烟尘。
旋转电极改传统的振打清灰为清灰刷清灰，清灰刷置于非收尘区，最大限度地减少二次扬尘，使极板始终保持干净，防止反电晕，除尘器效率得到保障。旋转电极的原理如图2所示。
湿式电除尘器的主要工作原理与干式除尘器基本相同，即烟气中的烟尘颗粒通过电场力的作用，被吸附到集尘极上;与干式电除尘器通过震动将极板上的灰震落至灰斗，不同的是，湿式电除尘器将水喷至极板上使烟尘冲刷到灰斗中随水排出。同时喷到烟道中的水雾既能捕获微小烟尘，又能降低电阻率，有利于微尘向极板移动。湿式电除尘器在日本、美国、欧洲已比较成熟，在日本碧蓝电厂等工程运行情况来看，湿式电除尘器可以长期高效稳定地除去烟气中PM25、SO3等污染物微小颗粒。
高频电源将三相工频电源通过整流形成直流电，再通过逆变电路形成高频交流电，最后经整流变压器升压整流后，形成高频脉动电流送电除尘器，其工作频率约为20kHz。高频电源的供电电流由一系列窄脉冲构成，其脉动幅度、宽度及频率均可以调整，可以给电除尘器提供各种电压波形，控制方式灵活，可以根据电除尘器的工况提供最合适的电压波形[14-15]。与工频电源相比，高频电源可增大电晕功率，增加了电场烟尘的荷电效果;转换效率与功率因数高、采用三相平衡供电对电网影响小;控制策略和控制模式多样，能适应各种工况;一体化设计、体积小、质量小，安装方便。
低温省煤器能够降低排烟温度，减少排烟损失，提高电厂的经济性。增设低温省煤器除了节能之外，还可将电除尘器入口烟气温度降至酸露点以下(一般为90℃左右)，使烟气中的大部分SO3冷凝形成硫酸雾，黏附在烟尘表面并被碱性物质中和，烟尘的比电阻大幅降低，除尘效率得到提高。一般将在酸露点温度运行的电除尘器称为低低温电除尘器，日本对低低温电除尘技术做了大量的研究，在煤电工程实践中成功解决了最受关注的腐蚀和二次扬尘问题。
在传统干式电除尘器技术的基础上，通过旋转电极、高频电源、湿式电除尘等先进技术，2014年以来国内部分电厂已经实现了烟尘超低排放，对PM25、SO3等污染物微小颗粒也有较好的抑制作用。2014年6月，神华浙江舟山电厂4号机组(35万kW)成为我国首个实现超低排放的新建燃煤机组，该机组采用5电场干式电除尘器(4电场+1旋转电极电场)+海水脱硫装置+湿式电除尘器，所有电除尘器均采用高频电源技术，烟尘实测结果如下(电除尘器与湿式电除尘器之间的海水脱硫装置对烟尘也有一定控制作用)：干式除尘出口烟尘浓度运行测量值为1653mg/Nm3，湿式电除尘器进口含尘浓度、出口烟尘浓度运行测量分别为10.3和2.46mg/Nm3，除尘效率为75.92%。
高效脱硫系统在脱硫的同时也能够协助除尘，除尘效果通常为30%～60%[13]。近年来，随着对烟尘控制的重视，通过技术改进，脱硫系统除尘效果提升很快，产生了单塔一体化脱硫除尘深度净化等新技术。该技术集成了高效旋汇耦合脱硫除尘技术、高效节能喷淋技术、离心管束式除尘技术，2014年10月以来已在1个吸收塔内同时实现脱硫效率99%以上，除尘效率90%以上，满足二氧化硫排放35mg/Nm3、烟尘5mg/Nm3的超净排放要求，在未安装湿式电除尘器的情况下即可实现烟尘超低排放。
烟尘超低排放技术在我国尚属于新生事物，技术发展迅速，工程项目众多，因此，在技术路线选择时，需要充分调研最新技术进展，并关注工程实施过程中暴露的问题，具有前瞻性的研究与预测不同地区对烟尘排放要求的差别，主动适应我国对烟尘排放越来越高的要求。建议近期对雾霾严重地区采用湿式脱硫系统协同除尘时，仍配置湿式电除尘器，同时，进一步优化湿式电除尘器水系统处理等方面的研究与工程示范。
2超低排放烟尘控制工程实施注意事项
在确定技术路线后，还需要在制造、安装和运行上加以精心控制，才能达到机组长周期稳定超低排放的要求。既要精心维护好传统的干式平板形电除尘器(这是烟尘控制的基础)，又要加强对旋转电极、高频电源、高效脱硫除尘、湿式电除尘等新设备/系统的实施。
对于干式平板形电除尘器，国内制造运行技术已比较成熟，但有时存在烟尘瞬时超标现象，需要运行及维护人员根据各项因素做好相关工作。干式平板形电除尘器烟尘瞬时超标的常见原因有：电除尘器降压振打设置不合理、电除尘器振打力度不足、快速升负荷及持续高负荷导致电除尘器效率降低等。
以某火煤电机组为例，该机组脱硫出口烟尘量时均超标，超标2h，最大值为206mg/Nm3，时均值为5799mg/Nm3。为此，该电厂采用如下措施：①降低锅炉入炉煤灰分至设计值;②通过试验摸索，调整电除尘器的运行参数及振打时间。一、二、三电场阴阳极振打时间由原来的1min5s改为2min10s;二电场的充电比由1∶1改为1∶3;三、四电场的充电比由1∶1改为1∶5;降低一电场整流变的火花放电闭锁时间。调整后烟尘排放降低到标准值以内，没有再发生超标。该厂拟在计划停机时对电除尘器内部进行检查消缺。
对于高频电源，需要考虑好L-C等关键参数的设置，充分考虑高频变压器的散热问题，尤其是要不断优化降压振打功能闭环控制策略。
旋转电极电除尘器因阳极系统及清灰装置均为转动部件(旋转电极结构如图3所示)，整体上稳定可靠，但也暴露出了设计、制造、运输、安装上的一些问题。根据近年来旋转电极在应用上正反两方面的经验教训，在设计上，内部传动链条直接承受旋转阳极组的质量，链条的断裂将导致旋转阳极板的坍塌，需要高度重视链条的强度设计;在制造上，需严格按照相关技术图纸要求进行生产制造，制定科学合理的生产工艺及检验规程，强化对链条、清灰刷等关键零部件的管理;在运输上，需要对整个运输过程精心策划，包装细致，防止旋转电极在运输中变形(个别工程旋转电极在运输中曾经翻车，造成旋转电极均匀度差影响正常使用);在安装上，注意控制旋转阳极板与内部传动链条、上部传动轴、下部传动轴、清灰装置的安装质量，注意整体复核与调整，且在旋转电极电场安装完毕后应进行长周期的试运转(有的工程试运转时间长达1个月)，并在机组检修期间加强内部检查。
湿式电除尘器安装和湿式高效脱硫除尘系统改造都属于施工高危项目，要高度重视施工安全。湿式电除尘器要做好狭小设备安装空间的优化布置，在基础打桩阶段尽量减少对地下管网及周围运行机组的影响。湿式高效脱硫除尘系统改造时建议在增加吸收塔内喷淋层的同时，将除雾器从吸收塔外直接移至吸收塔内喷淋层的上方，以提高脱硫装置除尘效果，同时，认真做好吸收塔内施工防火、防坠落等方面的安全措施。
3超低排放烟尘控制监测系统分析
由于烟尘环保监测设施与超低排放标准相比有所滞后，超低排放煤电机组烟尘监测系统得到业内的高度关注，烟尘监测系统的测量方法与精度正在不断改进，目前超低排放烟尘监测仪以德国、美国等发达国家产品为主。
根据HJ/T75—2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》，烟尘监测方法有浊度法和光散射法2种。其中，浊度法的原理是光通过含有烟尘的烟气时，光强因烟气的吸收和散射作用而减弱，通过测定光束通过烟气前后的光强比值来定量烟尘浓度。光散射法则是经过调制的激光或红外平行光束射向烟气时，烟气中的烟尘对光向所有方向散射，经烟尘散射的光强在一定范围内与烟尘浓度成正比例，通过测量散射光强来定量烟尘浓度[16]。
超低排放烟尘监测一般采用光散射法，其原理如图4所示。固态光源发射经脉冲调制器调制的红外或激光平行光束，被光束照射的烟气中的颗粒物对光在所有方向散射，散射光被聚焦经检测器监测，由放大器放大输出电压或电流信号，在一定范围内信号与颗粒物浓度呈正比。根据接收器与光源呈角度大小可分为前散射(±60°)、边散射(60°～120°)及后散射(120°～180°)测尘仪。
在实践中，烟尘仪还通常将烟尘与热空气混合后测量，再倒推出原烟气浓度，即运用射流法抽取原烟气与加热的空气混合进入加热取样头，相对湿度立即降低，通过取样头再加热成高温混合烟气进入测量室进行测量，根据混合烟气的稀释比计算出原烟气烟尘浓度，超低排放烟尘仪结构和现场安装分别如图5和图6所示。
在对机组烟囱出口净烟气进行测量时，需要保证采样点具有代表性，并尽可能多选取几个点进行测量，以核实烟囱出口净烟气烟尘数据是否与机组负荷变化趋势吻合。从某超低排放机组的历史数据截图可以看出，机组负荷曲线与烟囱净烟气值趋势一致。
4结论
随着全社会对大气污染的日益重视，烟尘排放标准日趋严格，通过高频电源、旋转电极、湿式电除尘等技术的有机集成，2014年6月神华浙江舟山电厂4号新建机组(35万kW)、2014年7月神华河北三河电厂1号改造机组(35万kW)分别实现了煤电新建机组与改造机组的超低排放，证明了超低排放194沈亚林等：超低排放烟尘控制集成技术2016年第2期的可行性。通过对湿式脱硫系统采用一体化协同除尘技术，2015年2月神华重庆万州1号新建机组(105万kW)在未配置湿式电除尘器的情况下实现了超低排放，验证了超低排放相关技术发展迅速，具有较大的优化空间，在技术路线确定时需要与时俱进。同时，在我国超低排放机组改造中，高频电源跳闸、旋转电极卡涩、低温省煤器腐蚀、脱硫吸收塔与湿式电除尘施工质量与安全管理不到位等现象时有发生，因此，需要在设计、制造、施工、运行的全过程加强精细管理、集成创新。科学合理地设置烟尘采样点，加强烟尘仪测量精度攻关，实现不同测量原理的有机结合。适应经济新常态下煤电机组频繁调峰[17-18]，优化机组运行方式，尽可能减少烟尘瞬时超标。通过集成创新，将干式电除尘烟尘出口值控制在20mg/Nm3或10mg/Nm3以下，脱硫出口烟尘值达到或接近5mg/Nm3以下[19-20]，确保最终烟囱出口烟尘值达到超低排放甚至更高标准，为煤电保障国家能源安全、建设生态文明做出更大贡献。
原标题：超低排放烟尘控制集成技术
