超净电袋复合除尘技术的研究应用进展

陈奎续

(福建龙净环保股份有限公司,国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心,福建龙岩 364000)

摘 要:为了实现燃煤电厂的超低排放,在常规电袋复合除尘技术的基础上,突破了电区与袋区的耦合匹配、高均匀流场、高精过滤、微粒凝并等关键技术升级而形成了超净电袋复合除尘技术。超净电袋复合除尘技术具有排放长期稳定、工艺流程简单、煤种适应性广、投资省、占地少、运行费用低、不产生废水等优点,近2年来在燃煤电厂超低排放工程中得到快速推广应用,配套国内燃煤电厂总装机容量超过30 000 MW,其中1 000 MW机组有8台套,排放质量浓度均小于10 mg/m3或5 mg/m3,平均运行阻力663 Pa。超净电袋除尘已成为燃煤机组实现超低排放的主流技术路线之一,将在西部地区劣质煤电厂超低排放改造工程中发挥更大作用。

关键词:燃煤机组;超低排放;超净电袋;除尘器;电袋复合除尘

0 引言

2013年以来,中国雾霾频发,国家出台了包括《大气污染防治行动计划》等一系列严控煤电大气污染物排放措施,以及限煤、控煤政策,优化能源转型升级。然而,中国 “富煤、贫油、少气”的能源资源特征,决定了以煤为主的能源生产结构和消费结构在短期内难以得到根本改变。火电行业同时面临着环境保护、减排目标与发展需求的重重压力和挑战。为应对巨大的环保压力,谋求发展,煤电企业积极实施了燃煤电厂烟气污染物排放达到燃气轮机组的排放标准的要求,力求通过超低排放技术升级改造,实现 “烧煤也可以像烧天然气一样清洁”。超净电袋复合除尘技术(以下简称超净电袋)在上述背景下应运而生,并随着《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等超低排放政策的颁布和实施得到了广泛应用[1]。本文将介绍超净电袋除尘技术的特点及应用情况。

1 超净电袋技术及超低排放技术路线

1.1 技术特点

超净电袋复合除尘技术是在常规电袋复合除尘技术的基础上进一步技术创新、升级发展而来的,可实现烟尘排放质量浓度<5 mg/m3或10 mg/ m3的超低排放。它具有出口烟尘排放浓度低且稳定、煤种适应性广、滤袋寿命长、运行阻力低、投资小、运行维护费用低等优点[2],并且不受煤质、飞灰成分变化影响,能够保证长期高效稳定运行。

1.2 超低排放技术路线

超净电袋是实现烟尘超低排放的工艺系统,采用了以超净电袋为基础不依赖其他二次除尘的技术路线,如图1所示,其中,烟气冷却器、烟气再热器可选择安装。当不设置烟气再热器时,烟气冷却器处的换热量按图1中①所示线路回收至汽轮机回热系统;当设置烟气再热器时,烟气冷却器处的换热量按图1中②所示线路至烟气再热器。其优点在于:(1)工艺流程简单、稳定可靠;(2)一次投资低、占地少;(3)电耗低、运行维护费用低;(4)节水、无水二次污染;(5)对煤种适应性广,尤其是工况波动大、燃用劣质煤的场合;(6)烟尘长期稳定可靠超低排放。

图1 以超净电袋为基础不依赖二次除尘实现超低排放的技术路线

Fig.1 The technical route of ultra-low dust emission based on ultra-clean EFIP without secondary dust removing

2 超净电袋关键技术突破

电袋复合除尘技术实现超低排放的关键技术突破包括:(1)提高电区捕集效率与荷电能力,保证袋区超低排放;(2)袋区高精过滤材料的应用;(3)提高捕集PM2.5的性能;(4)进一步提高流场均匀性,从而提高除尘效率,保证排放的稳定性。因此,超净电袋的关键技术在于电与袋的耦合技术、流场均布技术、高精过滤技术、微粒凝并技术等方面。

2.1 电与袋的耦合技术

超净电袋由电区和袋区有机复合、强化耦合形成,袋区要实现超低排放,与袋区的入口烟尘浓度密切相关。一方面,根据粉尘浓度条件对电区合理选型。由于超净电袋电区除尘效率要求低于常规电除尘,电区对煤种、灰分、粉尘比电阻值等敏感度比常规电除尘相对较低,较容易实现设计除尘效率。另一方面根据煤种、灰成分等烟气工况参数,进一步优化电场性能。根据多依奇效率和驱进速度经验公式[3]的原理,采用放电性能较好、电场强度较高的电区极配型式,可提高颗粒荷电量和电区的除尘效率,是超净电袋的重要技术措施之一。

文献[2]通过对荷电颗粒进行过滤模拟和试验研究,在袋区入口烟尘浓度不大于10 g/m3时,过滤阻力的增长率受过滤风速增大的影响较小。文献[4]对超净电袋出口烟尘排放浓度与袋区入口浓度、气布比、电区选型的关系进行研究,得到在袋区入口浓度小于 10 g/m3,采用优良品质的滤料,电区的平均场强不小于3 kV/m,板电流密度不小于0.5 mA/m2时,可使超净电袋达到小于10 mg/m3的排放要求。文献[5]通过采用芒刺型电极来提高极线尖端的放电性能,增加电场板电流密度和电场强度,从而有效地提高了电区对烟尘颗粒的脱除效果,并且结构上采用了前、后小分区供电技术,增强电源适应不同烟尘浓度的电气性能,细化电区工作单元,提高电区工作的可靠性。

2.2 流场均布技术

除尘器内部气流分布优劣直接影响电袋复合除尘器的性能。气流分布对电袋复合除尘器的影响从电区和袋区两部分来讨论。电区气流不均布将导致粉尘颗粒荷电不均匀,并可能产生二次飞扬,从而降低除尘效率;袋区气流不均匀,将导致滤袋长期受到集中气流冲刷,出现滤袋破损的现象,导致粉尘排放浓度迅速升高[6]。

文献[7]提出一种针对电袋复合除尘器的气流均布优化设计方法,其通过缩小的物理模型和数值模型实验结果的对比和分析,确定电袋复合除尘器计算流体动力学(CFD)湍流模型、边界条件等参数的选取和设定,为实际工程的全尺寸CFD计算提供依据,确保CFD计算的准确性和可靠性;确定包括提升阀提升高度、提升阀孔径等影响电袋复合除尘器气流均布的有效调节手段;在建模过程中提供合理假设条件和模型简化方法;对提升阀提升高度值、提升阀孔径值在经验值的基础上合理选定一组数值,并用GAMBIT建模软件在一个模型上统一建模,生成一套网格模型并导入Fluent中进行CFD计算。文献[8]通过对入口烟道和除尘器建立物理模型,进行气流分布的测试实验,并结合实际工程的现场测试结果,调整CFD的相关边界条件,建立全尺寸的除尘器数值模型,用Fluent软件进行气流均布模拟计算,为实现大型电袋复合除尘器的气流均布提供了参考。文献[9]使用Pro/E软件建立3D模型,采用数值分析方法,设定布袋的界面为多孔介质阶跃边界条件,电除尘器内部的气流通过改变气流分布板来调整,重点研究了大型电袋复合除尘器内部的流场分布,得出气流分布板设置与否、设置数量及开孔率对电除尘区速度分布有较大影响,在第3层气流分布板上改进开孔孔径,可有效解决电除尘区第1组灰斗内的涡流现象,从而可提高除尘效率。

因此,CFD数值模拟技术是超净电袋复合除尘器保证气流均布性的重要手段,超净电袋复合除尘器的气流分布优化设计基于CFD数值模拟,其袋区采用多维进风技术,确保不错的进风比例,并且采用调整滤袋排布、阻流等技术措施,使气流分布的相对均方根差小于0.2,更利于降低粉尘排放、减小阻力以及延长滤袋寿命。

2.3 高精过滤技术

滤袋是决定电袋复合除尘器出口排放值好关键的部件,要保证超净电袋出口烟尘排放浓度长期稳定<5 mg/m3或10 mg/m3,滤袋的过滤精度至关重要。在常用的工业过滤滤料中,PTFE覆膜滤料的过滤精度高,其次为超细纤维梯度滤料,好后是普通滤料。电袋采用滤料的过滤精度越高,就越容易实现超低排放,且后期的运行阻力更低更平稳,对工况变化适应能力也越强。

文献[10]对超细纤维梯度滤料的性能进行了研究,得出超细纤维梯度滤料采用了粗细分层的结构,迎尘面孔径小,孔隙率大,实现 “类表面过滤”,可有效将粉尘阻拦在滤料的外表层,减少微细颗粒渗入到滤料内部,同时也保证了设备的使用后期运行阻力稳定。文献[11]通过对覆膜滤料、梯度复合针刺滤料等滤料在清洁及集尘状态下进行分级效率试验研究,得出滤料集尘后的分级效率均高于清洁状态,集尘后对粒径大于1 μm的粉尘颗粒的分级效率均接近100%,且覆膜滤料的过滤分级效率优于梯度复合针刺滤料。文献 [12]通过选取了相同材质但不同厂家生产的滤袋,以及相应的无缝线的滤料进行过滤性能测试研究,得出滤袋缝制工艺和质量对排放性能的影响比滤料本身更大。

超净电袋根据煤种灰分、过滤风速、排放要求等因素来选择高精滤料,一般情况下不错超细纤维梯度滤料,当高灰分且场地受限、高过滤风速时选用微孔覆膜滤料。从加工难易程度及成本上看,微孔覆膜滤料大于超细纤维梯度滤料。

2.4 微粒凝并技术

除尘器出口排放的粉尘中,粒径小于2 μm的细微粉尘占80%以上,非常容易被气流带出除尘器而逃逸。因此,采取技术措施,提高除尘器对细微颗粒物的捕集能力是进一步降低排放的关键。电场内颗粒物的荷电方式主要是扩散荷电和场致荷电。一般而言,粒径大于2 μm和小于1 μm的粉尘分别以场致荷电、扩散荷电为主,而粒径在1 μm左右的细颗粒物,两种荷电方式都很弱。因此,细颗粒物很难被电区捕集,从而降低了除尘器的除尘效率[13]。

文献[14]通过对粉尘荷电与过滤过程影响关系的实验研究,发现在静电作用下颗粒层的结构更为稳定,不容易出现坍塌现象;细颗粒荷电后可产生一定程度的聚并,形成大颗粒,有利于除尘器对其捕集,进一步提高细颗粒的脱除效率。文献[15]提出电袋复合除尘器捕集粉尘除了静电凝并作用外,滤袋表面的二次粉尘层和一次粉尘层中粉尘颗粒之间的微米级间隙,以及滤料纤维层中纤维间距的微距,加上荷电粉尘层形成的(内)电场力和(或)外加电场的作用,使微细粉尘发生极化、库伦和电场吸附,是实现高效捕集微细粉尘PM2.5的重要机理。

结合上述实验研究和机理分析,超净电袋复合除尘器可采用以下3项措施以增强微粒凝并效应:(1)采用强放电、高场强极配形式;(2)采用新型电源技术,以便提高针端放电性能,增加颗粒的荷电量;(3)采用嵌入式结构,减少电荷的损失,增强过滤效应。

2.5 滤袋资源化利用技术

早期废旧滤袋的回收处理主要是填埋。随着技术进步,当前主要进行资源化利用,通过破碎、熔化拉丝等工艺加工成保温岩棉、再生料等,逐渐形成规模化回收利用。随着滤袋新材料的开发,滤袋将朝无任何污染方向发展。文献[16]采用强酸和氧化剂清洗废旧PTFE滤袋,再对废旧滤袋进行热处理,然后球磨成PTFE粉料,对其进行回收再利用。文献[17]提出金属纤维毡滤袋与化学纤维滤料相比,具有耐温高、耐腐蚀强、压降低、易加工等优点,并且废旧滤袋资源化利用简单、价值高,将广泛地应用在电厂燃煤锅炉、煤气净化等烟气除尘领域。可以看出,开发和推广应用金属纤维毡滤袋,将促进滤袋向无任何污染的方向发展。

3 超净电袋应用进展

3.1 总体应用情况

近2年来,超净电袋在燃煤电厂超低排放工程中得到快速推广。截至2016年11月,燃煤机组超净电袋配套总装机容量超过30 000 MW,其中1 000 MW机组有8台套。投运累计6 910 MW,排放质量浓度均小于10 mg/m3或5 mg/m3,平均运行阻力663 Pa。并出口土耳其、柬埔寨、塔吉克斯坦等多个国家,出口项目总装机容量8 240 MW。其中,土耳其泽塔斯电厂4号炉660 MW机组超净电袋实现烟尘排放小于7 mg/m3,阻力低于500 Pa,各项技术指标优良。

2016年1月电力行业标准《燃煤电厂超净电袋复合除尘器》(DL/T 1493—2016)颁布实施,有效规范了超净电袋的设计、生产、安装与使用。超净电袋标准的实施,助力燃煤电厂超低排放技术路线选择的多样化,在西部地区劣质煤电厂的超低排放中,超净电袋将发挥更大的作用。

3.2 超净电袋首个示范工程应用

广东沙角C电厂2号660 MW燃煤机组,于2014年7月进行超低排放改造,采用国内首台超净电袋复合除尘器。该机组原配套4室4电场的电除尘器,由于原设计的比集尘面积较小、除尘效率低,因此需要增效改造[18]。电厂通过对多种技术方案进行分析、论证,确定采用超净电袋复合除尘技术方案实施改造。运行后超净电袋的性能测试结果见表1。测试表明,各项性能参数满足设计要求,除尘器出口及烟囱出口颗粒物排放浓度均满足超低排放要求。

表1 沙角C电厂2号炉超净电袋性能测试结果

Table 1 Performance test result of ultra-clean EFIP of Shajiao C Power Plant Boiler 2

图2和图3分别为2号机组超净电袋投运初期和投运一年半的超净电袋出口连续3个月的CEMS在线监测数据。从图中可以看出,超净电袋出口的颗粒物排放质量浓度稳定在10 mg/m3以内,且投运一年半后其排放稳定性进一步提高。

3.3 超净电袋在劣质煤大型机组的应用

图2 投运初期的超净电袋出口颗粒物质量浓度

Fig.2 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet in initial operation stage

图3 投运一年半的超净电袋出口颗粒物质量浓度

Fig.3 Particulate concentrations at the ultra-clean EFIP outlet after 18-month operation

河南平顶山发电分公司2×1 000 MW机组超低排放改造工程,是国内首台1 000 MW等级超净电袋项目,于2015年改造完成并投运。其燃用煤种为山西长治贫煤,其灰分高达39.78%,飞灰中SiO2和Al2O3含量高,比电阻较大,是典型的劣质煤。该工程原采用3室5电场静电除尘器,并经过低低温电除尘提效改造,但未能达标排放,好终采用超净电袋技术方案再次提效改造[19]。2号炉超净电袋投运初期和运行一年的性能测试结果见表2。测试表明,投运初期和运行一年后的各项性能都非常稳定地满足设计要求,除尘器出口及烟囱出口颗粒物排放均达到超低排放要求。

表2 平顶山电厂2号炉超净电袋性能测试结果

Table 2 Performance test result of ultra-clean EFIP of Pingdingshan Power Plant Boiler 2

图4和图5分别为超净电袋投运初期和运行一年