低低温电除尘技术的研究及应用
作者：王鹏恒
0 引言
我国以煤炭为主的能源供应格局在未来相当长的时间内不会发生根本性改变，因此燃煤电厂污染物排放问题一直是人们关注的热点。《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）的出台，将烟尘排放浓度限值由50mg/Nm3降至30mg/Nm3，重点地区降至20mg/Nm3。《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）增设了PM2.5排放浓度限值，并给出了监测实施的时间表。鉴于中国煤种多变等特殊国情，新环保标准的实施，对电除尘技术来说，既是挑战更是机遇。
电除尘器因其具有除尘效率高、设备阻力低、处理烟气量大、运行费用低、维护工作量少且无二次污染等优点，长期以来在电力行业除尘领域占据着绝对的优势地位。但电除尘器的除尘效率与粉尘比电阻有很大的关系，低低温电除尘技术可大幅度降低粉尘的比电阻，避免反电晕现象，从而提高除尘效率，不但能实现低排放，当采用低温省煤器时，还可节省能耗，同时去除烟气中大部分的SO3。该技术在日本已得到工程实践的考验。随着我国节能减排政策执行力度的进一步加大，国内对该技术的关注度也日益增加。
1低低温电除尘技术概述
1.1 低低温电除尘技术发展历史
低低温电除尘技术是从电除尘器及湿法烟气脱硫工艺演变而来。在日本已有近20年的应用历史。三菱重工于1997年开始在大型燃煤火电机组中推广应用基于MGGH管式气气换热装置使烟气温度在90℃左右运行的低低温电除尘技术，已有超6500MW的业绩，在三菱重工的烟气处理系统中，低低温电除尘器出口烟尘浓度均小于30mg/Nm3，SO3浓度大部分低于3.57mg/Nm3，湿法脱硫出口烟尘浓度可达5mg/Nm3，湿式电除尘器出口烟尘浓度可达1mg/Nm3以下。目前日本多家电除尘器制造厂家均拥有低低温电除尘技术的工程应用案例，据不完全统计，日本配套机组容量累计已超15,000MW，典型的有三菱重工（MHI）、石川岛播磨（IHI）、日立（Hitachi）等。
1.2 低低温电除尘技术简介
低低温电除尘技术就是在电除尘器上游设热回收装置，使得电除尘器入口烟气温度降低，从而使除尘器性能提高的技术。低低温电除尘技术是通过低温省煤器或热媒体气气换热装置（MGGH）降低电除尘器入口烟气温度至酸露点温度以下，一般在90℃左右，使烟气中的大部分SO3在低温省煤器或MGGH中冷凝形成硫酸雾，黏附在粉尘上并被碱性物质中和，大幅降低粉尘的比电阻，避免反电晕现象，从而提高除尘效率，同时去除大部分的SO3，当采用低温省煤器时还可节省能耗。
低低温电除尘系统布置如图1所示，与传统工艺路线布置不同的是，电除尘器的上游布置了GGH热回收器。
图1 低低温电除尘系统布置图
燃煤电厂烟气治理岛低低温电除尘系统典型布置方式主要有两种（如图2、图3所示）。图2是在电除尘器前布置低温省煤器，具有节能的效果，是目前国内采用的主要工艺路线。
图2 燃煤电厂烟气治理岛（低低温电除尘）典型系统布置图一
图3是在电除尘器前布置MGGH，将烟气温度降低，同时将烟气中回收的热量传送至湿法脱硫系统后的再加热器，提高烟囱烟气温度，该工艺路线在日本应用非常广泛。
图3 燃煤电厂烟气治理岛（低低温电除尘）典型系统布置图二
1.3 低低温电除尘技术特点
根据在日本电厂的应用情况，与传统电除尘器相比，低低温电除尘技术具有以下特点。
(1) 除尘效率高
a) 比电阻下降。低低温电除尘器将烟气温度降低到酸露点以下，由于烟气温度的降低，特别是由于SO3的冷凝，可大幅度降低粉尘的比电阻，避免反电晕现象，从而提高除尘效率（如图4所示）。在这种模式下省略除尘塔和湿式电除尘器也可满足排放要求。低低温电除尘器出口烟尘浓度低于30mg/Nm3，通过湿法脱硫装置保证出口烟尘浓度小于10mg/Nm3排放。
图4 粉尘比电阻与烟气温度的关系
b) 击穿电压上升。排烟温度降低，使电场击穿电压上升，除尘效率提高。从以下经验公式看，排烟温度每降低10℃，电场击穿电压将上升3%。
002.13860tTTtUUTT击
式中：U击—实际击穿电压(V)；0U—温度为T0时的击穿电压(V)；Tt=上升温度(℃)+273(K)；T0=273K。
而在实际应用中，由于可有效避免反电晕，击穿电压有更大的上升幅度。
c) 烟气量降低。由于排烟温度降低，烟气量相应下降，电除尘电场风速降低，比集尘面积增加，有利于粉尘的捕集。
(2) 可除去绝大部分SO3
电除尘器烟气温度降至酸露点以下，气态的SO3将转化为液态的硫酸雾。因烟气含尘浓度很高，粉尘总表面积很大，这为硫酸雾的凝结附着提供了良好的条件。当灰硫比（D/S），即粉尘浓度（mg/Nm3）与硫酸雾浓度（mg/Nm3）之比大于100时，烟气中的SO3去除率可达到95%以上，SO3质量浓度将低于1ppm（约3.57mg/Nm3）。
日本通过实验得出燃煤电厂烟气处理系统中硫酸雾质量浓度变化趋势情况如图5所示，80℃～90℃的低低温电除尘系统除硫酸雾或SO3效率明显高于130℃～150℃的常规电除尘系统。
图5 硫酸雾浓度变化趋势
(3) 当采用低温省煤器时，节能效果明显
对1台1000MW机组低低温电除尘系统的节能效进行果计算分析，烟气温度降低30℃，可回收热量1.64×108kJ/h（相当于1.2吨标煤/h），节约湿式脱硫系统水耗量70t/h，同时，烟气温度降低后，实际烟气量大大减少，这不仅可以降低下游设备规格，而且可使风机（IDF）的电耗约减少10%，脱硫系统用电量由原来的1.3%减小到1.0%。
(4) 二次扬尘加剧
粉尘比电阻的降低会削弱捕集到阳极板上的粉尘静电黏附力，从而导致二次扬尘现象比常规电除尘器严重，影响除尘性能。图6表示了烟气温度与ESP除尘效率的关系及ESP出口烟尘浓度的构成。从图6可以看出，常规电除尘器中排放的烟尘主要是未能捕集的一次粒子，而低低温电除尘器中二次扬尘部分是主体，未采取特别对策的低低温电除尘器的二次扬尘主要由振打再飞散粉尘组成，而未能捕集的一次粒子仅仅占很小一部分。低低温电除尘器如不对二次扬尘采取针对性的措施，烟尘排放量将会超过常规电除尘器，但在采取特别对策后，烟尘排放浓度可大幅降低。
图6 烟气温度与ESP除尘效率及ESP出口烟气浓度的构成
2低低温电除尘技术研究现状
2.1 低温腐蚀问题
由于烟气温度在MGGH中被降低至90℃左右，低于酸露点，使烟气中的大部分SO3在MGGH中冷凝，形成具有腐蚀性的硫酸雾。
关于烟气温度低于酸露点温度是否引起低温腐蚀问题，有日本学者的研究结果显示，合适的ESP入口粉尘浓度可以保证SO3凝聚在粉尘表面，不会发生设备腐蚀。三菱重工的研究结果显示当灰硫比大于10时，腐蚀率几乎为零（如图7a所示），三菱重工已交付的火电厂的低低温电除尘器灰硫比一般远大于100，都没有低温腐蚀问题。美国南方电力公司也通过灰硫比来评价腐蚀程度（如图7b所示），当低低温电除尘器采用含硫量为2.5%的燃煤时，灰硫比在50～100之间可避免腐蚀，当采用含硫量更高的燃煤时，为避免腐蚀，灰硫比应大于200。
图7 灰硫比与腐蚀的关系
低低温电除尘器目前多用于低硫煤。在IHI(石川岛播磨)的业绩中，对应的煤种含硫量最高位1.17%。美国应用的低低温电除尘器中，有电除尘器入口SO3气体浓度为51.5 mg/Nm3的报道。日本日立在实验室完成了SO3气体浓度为143
mg/Nm3，降温后SO3气体浓度为0.286 mg/Nm3的试验。日本各电厂的燃煤稳定，因此其酸露点温度也比较稳定。由于燃煤含硫量越高，烟气中的SO3浓度越高，其对应的酸露点温度就越高，发生腐蚀的风险会增加。低低温电除尘器对高硫煤的腐蚀情况还有待进一步研究。
常陆那珂电厂将高硫煤和次烟煤等混合后燃用，在一定程度上解决了高硫煤低温腐蚀问题。总之，低低温电除尘器一般不存在腐蚀问题，但对高硫煤工况尚未见工程应用。 2.2二次扬尘问题
在低低温电除尘系统中，二次扬尘会对烟尘排放起决定性的作用，应采用防止二次扬尘的措施。现有的措施有：1）采用离线振打技术。在振打时关断该通道的气流，也可配合断电振打来提升极板的清洁效果（如图8所示），
三菱重工主要采用这种技术。2）采用移动电极电除尘技术，日立主要采用这种技术。3）出口封头内设置收尘板式的出口气流分布板，使部分来不及捕集或二次飞扬的粉尘进行再次捕集。
图8 三菱重工离线振打配置图
需要指出的是，采用离线振打技术增大了电除尘器尺寸，增加了成本和结构的复杂性，需要对隔离门进行维护，当一个室因振打而关闭时会破坏正常的气流。
2.3灰斗堵塞问题
由于温度较低，灰的流动性降低易引起灰斗堵塞。三菱重工提出的对策有：1）灰斗的卸灰角需增加；2）灰斗不仅需保温，在下部还需用蒸汽加热器或电加热器进行有效加热，强化蒸汽加热管并涂抹远红外线涂料，以保证下灰通畅；3）灰斗内壁涂增加光滑度的材料。。
3国内外应用情况及典型案例分析
国外低低温电除尘技术已有近20年的应用历史，投运业绩超过20个电厂，机组容量累计超15,000MW，国外投运情况为低低温电除尘技术的国内应用提供了借鉴。国内在2010年开始加大该技术研发，目前已有600MW机组投运业绩。 3.1 石川岛播磨（IHI）的常陆那珂1号机组
石川岛播磨（IHI）的常陆那珂1号机组1000MW燃煤电厂2003年12月投运，热回收器从烟气中吸收相当于发电量的3%～5%的热量，其工艺流程为：含有高浓度粉尘和SO3的烟气通过空气预热器将烟气温度从370℃降到138℃，通过MGGH将烟气温度降至92℃，然后进入低低温电除尘器，出口烟尘浓度为30mg/Nm3，出口烟气温度90℃，除尘效率为99.8%。脱硫装置出口SO3浓度
111mg/Nm3、塔内流速4.0m/s、石膏纯度在95%以上、石膏含水率在10wt%以下，为了使脱硫装置出口烟气温度达到酸露点以上，符合日本烟气排放的温度标准，通过烟气再加热器将温度升高到90℃左右，烟尘排放浓度小于8.0mg/Nm3且避免了对下游设备的腐蚀。由于脱硫系统的除尘效率较高，一般可达80%左右，因此低低温电除尘器的出口烟尘浓度限值设置在30mg/Nm3是合理的。
运煤设备考虑了混煤运用的设计，通过调节两台煤炭装载输送机的排出速度，可按任意比率在输送带上进行混煤。对于含硫高的煤和次烟煤等对低低温电除尘器存在运行风险的煤种，可通过混煤加以利用。
3.2 日本日立（Hitachi）碧南电厂4、5号机组
日本日立已将“DeNOx系统+低低温电除尘器+DeSOx系统+湿式电除尘器”技术成功应用在日本中部电力株式会社的碧南电厂1000MW燃煤机组中，碧南电厂共有五台机组，其中4#、5#炉1000MW机组均为低低温电除尘器，分别于2001年、2002年投运。如图9所示，进入移动电极电除尘器的烟气温度为80℃～90℃，GGH进口粉尘浓度为5～30g/Nm3，低低温电除尘器出口烟尘浓度小于30mg/Nm3，脱硫系统出口烟尘浓度3～5mg/Nm3，湿式电除尘器出口烟尘浓度0.32～1.0mg/Nm3，烟囱入口SO3浓度小于0.286mg/Nm3，此工艺通过移动电极解决了低低温电除尘器二次扬尘问题。