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超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)的研究應(yīng)用進展

陳奎續(xù)

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，國家環(huán)境保護電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心，福建龍巖 364000）

摘 要：為了實現(xiàn)燃煤電廠的超低排放，在常規(guī)電袋復(fù)合除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破了電區(qū)與袋區(qū)的耦合匹配、高均勻流場、高精過濾、微粒凝并等關(guān)鍵技術(shù)升級而形成了超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)。超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)具有排放長期穩(wěn)定、工藝流程簡單、煤種適應(yīng)性廣、投資省、占地少、運行費用低、不產(chǎn)生廢水等優(yōu)點，近2年來在燃煤電廠超低排放工程中得到快速推廣應(yīng)用，配套國內(nèi)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(zhì)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(xiàn)超低排放的主流技術(shù)路線之一，將在西部地區(qū)劣質(zhì)煤電廠超低排放改造工程中發(fā)揮更大作用。

關(guān)鍵詞：燃煤機組；超低排放；超凈電袋；除塵器；電袋復(fù)合除塵

0 引言

2013年以來，中國霧霾頻發(fā)，國家出臺了包括《大氣污染防治行動計劃》等一系列嚴(yán)控煤電大氣污染物排放措施，以及限煤、控煤政策，優(yōu)化能源轉(zhuǎn)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(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以得到根本改變?；痣娦袠I(yè)同時面臨著環(huán)境保護、減排目標(biāo)與發(fā)展需求的重重壓力和挑戰(zhàn)。為應(yīng)對巨大的環(huán)保壓力，謀求發(fā)展，煤電企業(yè)積極實施了燃煤電廠煙氣污染物排放達(dá)到燃?xì)廨啓C組的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，力求通過超低排放技術(shù)升級改造，實現(xiàn) “燒煤也可以像燒天然氣一樣清潔”。超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)（以下簡稱超凈電袋）在上述背景下應(yīng)運而生，并隨著《煤電節(jié)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(jié)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(yīng)用[1]。本文將介紹超凈電袋除塵技術(shù)的特點及應(yīng)用情況。

1 超凈電袋技術(shù)及超低排放技術(shù)路線

1.1 技術(shù)特點

超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)是在常規(guī)電袋復(fù)合除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步技術(shù)創(chuàng)新、升級發(fā)展而來的，可實現(xiàn)煙塵排放質(zhì)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(wěn)定、煤種適應(yīng)性廣、濾袋壽命長、運行阻力低、投資小、運行維護費用低等優(yōu)點[2]，并且不受煤質(zhì)、飛灰成分變化影響，能夠保證長期高效穩(wěn)定運行。

1.2 超低排放技術(shù)路線

超凈電袋是實現(xiàn)煙塵超低排放的工藝系統(tǒng)，采用了以超凈電袋為基礎(chǔ)不依賴其他二次除塵的技術(shù)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(dāng)不設(shè)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?zé)嵯到y(tǒng)；當(dāng)設(shè)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(yōu)點在于：（1）工藝流程簡單、穩(wěn)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(jié)水、無水二次污染；（5）對煤種適應(yīng)性廣，尤其是工況波動大、燃用劣質(zhì)煤的場合；（6）煙塵長期穩(wěn)定可靠超低排放。

圖1 以超凈電袋為基礎(chǔ)不依賴二次除塵實現(xiàn)超低排放的技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)突破

電袋復(fù)合除塵技術(shù)實現(xiàn)超低排放的關(guān)鍵技術(shù)突破包括：（1）提高電區(qū)捕集效率與荷電能力，保證袋區(qū)超低排放；（2）袋區(qū)高精過濾材料的應(yīng)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(wěn)定性。因此，超凈電袋的關(guān)鍵技術(shù)在于電與袋的耦合技術(shù)、流場均布技術(shù)、高精過濾技術(shù)、微粒凝并技術(shù)等方面。

2.1 電與袋的耦合技術(shù)

超凈電袋由電區(qū)和袋區(qū)有機復(fù)合、強化耦合形成，袋區(qū)要實現(xiàn)超低排放，與袋區(qū)的入口煙塵濃度密切相關(guān)。一方面，根據(jù)粉塵濃度條件對電區(qū)合理選型。由于超凈電袋電區(qū)除塵效率要求低于常規(guī)電除塵，電區(qū)對煤種、灰分、粉塵比電阻值等敏感度比常規(guī)電除塵相對較低，較容易實現(xiàn)設(shè)計除塵效率。另一方面根據(jù)煤種、灰成分等煙氣工況參數(shù)，進一步優(yōu)化電場性能。根據(jù)多依奇效率和驅(qū)進速度經(jīng)驗公式[3]的原理，采用放電性能較好、電場強度較高的電區(qū)極配型式，可提高顆粒荷電量和電區(qū)的除塵效率，是超凈電袋的重要技術(shù)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(qū)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(fēng)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(qū)入口濃度、氣布比、電區(qū)選型的關(guān)系進行研究，得到在袋區(qū)入口濃度小于 10 g/m3，采用優(yōu)良品質(zhì)的濾料，電區(qū)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(dá)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(qū)對煙塵顆粒的脫除效果，并且結(jié)構(gòu)上采用了前、后小分區(qū)供電技術(shù)，增強電源適應(yīng)不同煙塵濃度的電氣性能，細(xì)化電區(qū)工作單元，提高電區(qū)工作的可靠性。

2.2 流場均布技術(shù)

除塵器內(nèi)部氣流分布優(yōu)劣直接影響電袋復(fù)合除塵器的性能。氣流分布對電袋復(fù)合除塵器的影響從電區(qū)和袋區(qū)兩部分來討論。電區(qū)氣流不均布將導(dǎo)致粉塵顆粒荷電不均勻，并可能產(chǎn)生二次飛揚，從而降低除塵效率；袋區(qū)氣流不均勻，將導(dǎo)致濾袋長期受到集中氣流沖刷，出現(xiàn)濾袋破損的現(xiàn)象，導(dǎo)致粉塵排放濃度迅速升高[6]。

文獻[7]提出一種針對電袋復(fù)合除塵器的氣流均布優(yōu)化設(shè)計方法，其通過縮小的物理模型和數(shù)值模型實驗結(jié)果的對比和分析，確定電袋復(fù)合除塵器計算流體動力學(xué)（CFD）湍流模型、邊界條件等參數(shù)的選取和設(shè)定，為實際工程的全尺寸CFD計算提供依據(jù)，確保CFD計算的準(zhǔn)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(fù)合除塵器氣流均布的有效調(diào)節(jié)手段；在建模過程中提供合理假設(shè)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(jīng)驗值的基礎(chǔ)上合理選定一組數(shù)值，并用GAMBIT建模軟件在一個模型上統(tǒng)一建模，生成一套網(wǎng)格模型并導(dǎo)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(jié)合實際工程的現(xiàn)場測試結(jié)果，調(diào)整CFD的相關(guān)邊界條件，建立全尺寸的除塵器數(shù)值模型，用Fluent軟件進行氣流均布模擬計算，為實現(xiàn)大型電袋復(fù)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(shù)值分析方法，設(shè)定布袋的界面為多孔介質(zhì)階躍邊界條件，電除塵器內(nèi)部的氣流通過改變氣流分布板來調(diào)整，重點研究了大型電袋復(fù)合除塵器內(nèi)部的流場分布，得出氣流分布板設(shè)置與否、設(shè)置數(shù)量及開孔率對電除塵區(qū)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(qū)第1組灰斗內(nèi)的渦流現(xiàn)象，從而可提高除塵效率。

因此，CFD數(shù)值模擬技術(shù)是超凈電袋復(fù)合除塵器保證氣流均布性的重要手段，超凈電袋復(fù)合除塵器的氣流分布優(yōu)化設(shè)計基于CFD數(shù)值模擬，其袋區(qū)采用多維進風(fēng)技術(shù)，確保不錯的進風(fēng)比例，并且采用調(diào)整濾袋排布、阻流等技術(shù)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(shù)

濾袋是決定電袋復(fù)合除塵器出口排放值好關(guān)鍵的部件，要保證超凈電袋出口煙塵排放濃度長期穩(wěn)定＜5 mg/m3或10 mg/m3，濾袋的過濾精度至關(guān)重要。在常用的工業(yè)過濾濾料中，PTFE覆膜濾料的過濾精度高，其次為超細(xì)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(xiàn)超低排放，且后期的運行阻力更低更平穩(wěn)，對工況變化適應(yīng)能力也越強。

文獻[10]對超細(xì)纖維梯度濾料的性能進行了研究，得出超細(xì)纖維梯度濾料采用了粗細(xì)分層的結(jié)構(gòu)，迎塵面孔徑小，孔隙率大，實現(xiàn) “類表面過濾”，可有效將粉塵阻攔在濾料的外表層，減少微細(xì)顆粒滲入到濾料內(nèi)部，同時也保證了設(shè)備的使用后期運行阻力穩(wěn)定。文獻[11]通過對覆膜濾料、梯度復(fù)合針刺濾料等濾料在清潔及集塵狀態(tài)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(tài)，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(yōu)于梯度復(fù)合針刺濾料。文獻 [12]通過選取了相同材質(zhì)但不同廠家生產(chǎn)的濾袋，以及相應(yīng)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(zhì)量對排放性能的影響比濾料本身更大。

超凈電袋根據(jù)煤種灰分、過濾風(fēng)速、排放要求等因素來選擇高精濾料，一般情況下不錯超細(xì)纖維梯度濾料，當(dāng)高灰分且場地受限、高過濾風(fēng)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(xì)纖維梯度濾料。

2.4 微粒凝并技術(shù)

除塵器出口排放的粉塵中，粒徑小于2 μm的細(xì)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(shù)措施，提高除塵器對細(xì)微顆粒物的捕集能力是進一步降低排放的關(guān)鍵。電場內(nèi)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(xì)顆粒物，兩種荷電方式都很弱。因此，細(xì)顆粒物很難被電區(qū)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(guān)系的實驗研究，發(fā)現(xiàn)在靜電作用下顆粒層的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象；細(xì)顆粒荷電后可產(chǎn)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(xì)顆粒的脫除效率。文獻[15]提出電袋復(fù)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(nèi)）電場力和（或）外加電場的作用，使微細(xì)粉塵發(fā)生極化、庫倫和電場吸附，是實現(xiàn)高效捕集微細(xì)粉塵PM2.5的重要機理。

結(jié)合上述實驗研究和機理分析，超凈電袋復(fù)合除塵器可采用以下3項措施以增強微粒凝并效應(yīng)：（1）采用強放電、高場強極配形式；（2）采用新型電源技術(shù)，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(jié)構(gòu)，減少電荷的損失，增強過濾效應(yīng)。

2.5 濾袋資源化利用技術(shù)

早期廢舊濾袋的回收處理主要是填埋。隨著技術(shù)進步，當(dāng)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(guī)?；厥绽?。隨著濾袋新材料的開發(fā)，濾袋將朝無任何污染方向發(fā)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(xué)纖維濾料相比，具有耐溫高、耐腐蝕強、壓降低、易加工等優(yōu)點，并且廢舊濾袋資源化利用簡單、價值高，將廣泛地應(yīng)用在電廠燃煤鍋爐、煤氣凈化等煙氣除塵領(lǐng)域?？梢钥闯觯_發(fā)和推廣應(yīng)用金屬纖維氈濾袋，將促進濾袋向無任何污染的方向發(fā)展。

3 超凈電袋應(yīng)用進展

3.1 總體應(yīng)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(zhì)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(xiàn)煙塵排放小于7 mg/m3，阻力低于500 Pa，各項技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良。

2016年1月電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《燃煤電廠超凈電袋復(fù)合除塵器》（DL/T 1493—2016）頒布實施，有效規(guī)范了超凈電袋的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝與使用。超凈電袋標(biāo)準(zhǔn)的實施，助力燃煤電廠超低排放技術(shù)路線選擇的多樣化，在西部地區(qū)劣質(zhì)煤電廠的超低排放中，超凈電袋將發(fā)揮更大的作用。

3.2 超凈電袋首個示范工程應(yīng)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(nèi)首臺超凈電袋復(fù)合除塵器。該機組原配套4室4電場的電除塵器，由于原設(shè)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(shù)方案進行分析、論證，確定采用超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)方案實施改造。運行后超凈電袋的性能測試結(jié)果見表1。測試表明，各項性能參數(shù)滿足設(shè)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(jié)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(xù)3個月的CEMS在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，超凈電袋出口的顆粒物排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10 mg/m3以內(nèi)，且投運一年半后其排放穩(wěn)定性進一步提高。

3.3 超凈電袋在劣質(zhì)煤大型機組的應(yīng)用

圖2 投運初期的超凈電袋出口顆粒物質(zhì)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(zhì)量濃度
Fig.3 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet after 18-month operation

河南平頂山發(fā)電分公司2×1 000 MW機組超低排放改造工程，是國內(nèi)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(dá)39.78%，飛灰中SiO2和Al2O3含量高，比電阻較大，是典型的劣質(zhì)煤。該工程原采用3室5電場靜電除塵器，并經(jīng)過低低溫電除塵提效改造，但未能達(dá)標(biāo)排放，好終采用超凈電袋技術(shù)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(jié)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(wěn)定地滿足設(shè)計要求，除塵器出口及煙囪出口顆粒物排放均達(dá)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(jié)果
Table 2 Performance test result of ultra-clean EFIP of Pingdingshan Power Plant Boiler 2

圖4和圖5分別為超凈電袋投運初期和運行一年的超凈電袋出口的CEMS在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，顆粒物排放濃度穩(wěn)定在10 mg/m3以內(nèi)，投運一年后排放濃度更加穩(wěn)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(jié)語

超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)在耦合技術(shù)、流場均布技術(shù)、微粒凝并技術(shù)、高精過濾技術(shù)研究等多方面進行了創(chuàng)新。它不受煤質(zhì)、飛灰成分變化影響，適用于國內(nèi)大多數(shù)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(zhì)煤種，并且具有長期穩(wěn)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(tǒng)運行穩(wěn)定等優(yōu)點。以超凈電袋復(fù)合除塵作為一次除塵且不依賴二次除塵的超低排放技術(shù)路線，工藝流程簡單可靠、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)先進。該技術(shù)及技術(shù)路線在國內(nèi)外多臺大型機組煙塵超低排放工程中成功應(yīng)用，是燃煤機組實現(xiàn)超低排放的主流技術(shù)路線之一，將為中國煤電機組實現(xiàn)超低排放，尤其是西部地區(qū)劣質(zhì)煤電廠的超低排放提供技術(shù)保障，發(fā)揮更大作用。

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ResearchandApplicationProgressofUltra-CleanElectrostatic-FabricIntegrated PrecipitatorTechnology

CHENKuixu
（FujianLongkingCo.LTD.,StateEnvironmentalProtectionEngineeringTechnologyCenterforPowerIndustryDustControl, Longyan364000,China）

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(biāo)志碼：A