电厂700MW机组改造湿式电除尘技术分析
以广东省某电厂1号、2号(2×700MW)机组超低排放改造湿式除尘器工程为例，介绍了改造项目技术路线的选择、布置方案、设计特色。实例表明，金属平板式湿式电除尘能够使电厂实现稳定超低排放的要求。
1项目背景
燃煤电厂烟气排放中含有的烟尘及SO2、NOx等，被认为是造成大气污染的主要原因。为同时满足电力需求与环保要求，国家提出煤电升级行动计划。国家发展和改革委员会、环境保护部、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)明确提出煤电改造的目标与期限，要求东部地区(辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南等11省市)新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值[2]。
广东省发改委印发的粤发改能电函〔2015〕2102号文件，要求全省煤电机组“基本达到燃气轮机组排放限值”，提出了比国家标准更严格的污染物排放指标，即烟尘及NOx、SO2排放浓度不高于10mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3，鼓励珠三角地区“达到燃气轮机组排放限值”，即烟尘及NOx、SO2排放浓度不高于5mg/Nm3、35mg/Nm3、50mg/Nm3[1]。
广东省某电厂是珠三角地区的重点发电企业，其1号、2号(2×700MW)机组锅炉烟气通过电袋复合除尘器处理后，出口粉尘浓度<20mg/Nm3，已达到较低的排放水平，电袋复合除尘器后部的湿法脱硫装置对粉尘仍有一定的脱除能力，但其自身仍会带出部分含尘液滴，导致烟尘最终排放浓度存在不确定性。该电厂决定对1号、2号(2×700MW)机组进行环保升级改造，以保障两台机组的烟尘排放浓度稳定控制在5mg/Nm3以下，使烟尘浓度最终达标排放。
2技术路线选择
2.1湿式电除尘器优势
湿式电除尘器一般设置在脱硫设施与烟囱之间，用于去除脱硫后饱和湿烟气中的烟尘、气溶胶等细微颗粒，在湿法脱硫系统后布置湿式电除尘器可有效去除烟气中的PM2.5粉尘、SO3和Hg及氧化物等污染物，具有联合脱除的效果。湿式电除尘作为高效除尘的尖端精处理设备，在处理复杂湿烟气PM2.5组分方面具有明显优势。我国近几年陆续完成一批湿式电除尘改造工程，部分项目烟尘排放浓度甚至达到≤1mg/Nm3。
2.1.1工作原理
湿式电除尘器的工作原理与干式静电除尘器相同[3]，如图1所示，在湿式电除尘器的阴、阳极之间施加数万伏直流高压电，在强电场的作用下，电晕线周围产生电晕放电，随饱和湿烟气进入其中的尘(雾)粒子与这些正、负离子相碰撞、凝并而荷电。荷电后的尘(雾)粒子在高压静电场力的作用下向阳极运动，到达阳极板后将其所带的电荷释放而被阳极收集。不同于干式静电除尘器振打清灰的方式，湿式电除尘器通过水冲刷清灰，具有清灰更加彻底，能长期保持极板表面清洁，保障除尘器长期稳定高效运行的特点。
2.1.2协同治理
SO3在温度高于露点、低于205℃(400℉)时，以H2SO4微液滴形式存在[3]。其平均颗粒直径小于0.4μm，属亚微米颗粒范畴，导致干电和FGD对SO3去除率低。如图2所示，在湿式电除尘中，放电极被水浸润后，电子易激发，电场中存在大量带电雾滴，大大增加了亚微米粒子碰撞带电的机率，而带电粒子在电场中运动的速度是布朗运动的数十倍，这样就大幅度提高了亚微米粒子向收尘极板运行的速度，提高了收集效率。因此，湿式电除尘能够在一定程度上去除亚微米粒子。据国内外研究数据，湿式电除尘对SO3的去除率在30%～60%。
脱硫系统出口石膏以CaSO4、H2O液滴形式存在，脱硫后的饱和烟气中携带部分水滴，在通过湿式电除尘的高压电场时可被捕获并被冲洗走，从而降低烟气携带水量，减小石膏雨的形成机率。虽然国内没有实际的测试数据验证，但根据电除尘机理和湿式除尘机理的综合作用，湿式电除尘可除去烟气中的石膏液滴和重金属亚微米颗粒物。
2.2各型式湿式电除尘器对比
如图3所示，国内湿式电除尘常用型式主要有金属平板式、非金属导电玻璃蜂窝管式和非金属柔性材料方管式三种[4]，其中金属平板式湿式电除尘技术是国内燃煤电厂的主流技术。
(1)金属平板式湿式电除尘的结构型式与常规干电基本相同，阳极板采用平板结构，一般为卧式布置，烟气平进平出。总体尺寸较大，烟气流速一般在2～3m/s，烟气停留时间长，对PM2.5细微颗粒及气溶胶等脱除率高。
阳极板及阴极线材质多为316L或2205双相不锈钢，机械强度高、刚性好、不易变形、极间距有保证、电场稳定性好，运行电压高。金属极板耐高温，当脱硫系统故障时可在较高烟温下运行，抗电腐蚀。金属极板表面平整，水膜分布均匀，清灰效果好，能够长期保证极板、极线干净，确保设备高效、安全、稳定运行。
系统运行时为连续喷水清灰，具有脱除SOx、NH3、Hg等重金属污染物的能力，喷淋水经收集处理后，大部分水进入喷淋系统循环使用，小部分排水根据电厂水处理工艺灵活分配，一般输送给湿法脱硫系统循环使用。运行耗水量大，循环水系统的存在，增加了水处理耗材。
(2)非金属导电玻璃蜂窝管式湿式电除尘，烟气沿蜂窝管通过除尘器，多为立式布置，烟气流向为上进下出或下进上出。总体尺寸较紧凑，烟气流速在3m/s左右，蜂窝管道受结构限制不宜过长。极板材质导电玻璃钢机械强度高，不易变形，但刚性一般。
阴极线为合金材质，位于阳极管蜂窝结构孔道中心采用重力张紧，运行时受气流影响易波动，极间距较难保证，总体收尘效率易受影响。导电玻璃钢不耐高温，温度高于95℃树脂开始变形，温度高于120℃时对材质有致命损害，脱硫故障时存在烧毁风险。
不抗电腐蚀，极板易烧蚀。无水膜冲洗清灰，极板表面平整度有限，清灰无保证，有积灰可能，严重时将破坏水膜。系统没有持续地喷水清灰，影响了对SOx、NH3、Hg等重金属污染物的脱除能力。喷淋系统每隔一段时间进行冲洗，喷水时需要断电或降电压，短时降低收尘效果。无循环水系统，水系统机构简单，运行耗水量低。
(3)非金属柔性材料方管式湿式电除尘，阳极由非金属柔性有机合成纤维、柔性材料织物构成的方形孔道组成，烟气流向为下进上出，立式布置，总尺寸较紧凑，方孔通道受结构限制不宜过长，烟气流速约为3m/s，停留时间较短，高风速时电极易摆动，影响除尘性能。
烟气沿阳极方孔流过，被湿烟气浸湿的纤维材料收尘极具有导电性。柔性阳极四周配有金属框架和张紧装置，阴极线为铅锑合金材质，位于每个方孔四个阳极面的中间，机械强度弱，易变形摆动，极板表面平整度有限，有积灰的可能，极间距不易保证，电场稳定性差。
通过收尘极板的全表面均匀水膜自流清灰，电极无喷淋清灰系统，靠收集饱和烟气中水分的自重带出烟尘等收集物，沉淀后进入脱硫废水地坑。系统没有持续地喷水清灰，影响了对SOx、NH3、Hg等重金属污染物的脱除能力。喷淋系统每隔一段时间进行冲洗，喷水时需断电或降电压，短时降低收尘效果。无循环水系统，水系统机构简单，运行耗水量低。
2.3技术路线确定
低负荷运行是目前阶段许多大机组的常态，其它超低排放技术，如尘硫一体等多采用改进吸收塔除雾器机械结构达到物理除尘效果，锅炉低负荷运行时，烟气量减小，烟气流速下降对其效果影响极大，较难保障除尘效果稳定。湿式电除尘在机组低负荷运行时，其比集尘面积得到提高，除尘效率反而得到提高。
从技术发展趋势分析，非金属导电玻璃蜂窝式和非金属柔性材料方管式两种湿式电除尘经过多年的发展，应用逐渐增多，但在除尘性能和可靠性方面略次于金属平板湿式电除尘。
反观金属平板湿式电除尘，经过几十年的应用，国内已投运的超洁净排放示范项目大多采用卧式金属平极湿式电除尘，足以说明该技术的成熟可靠。该工程最终采用金属平板式湿式电除尘为烟囱排放终端把关，以确保改造后实现可靠稳定超低排放。
3工程技术特点
3.1合理布局，满足紧张工期
新增设的湿式电除尘高位布置在吸收塔出口，针对原吸收塔水平出口烟道通过较长跨度斜下接入垂直段GGH的特点，方案布置因地制宜，合理利用原斜烟道所处空间布置湿式电除尘，不改变原烟气走向，并通过CFD气流模拟，设置导流装置，消除因烟道布局变化导致系统阻力增加的问题。
该改造工程紧迫，从签订协议至投运周期仅有4个月，设计、生产、采购、安装等各环节均面临巨大工期压力。基于施工周期的考虑，经现场详细勘查后，确定利用原GGH钢结构支架方案。支架结构采用悬臂支托，使新增支架基础避开地面烟道、电缆沟道等设备。
如图4所示，最终每炉支架仅需新增4根钢立柱，且GGH钢支架加固及新增钢立柱土建基础可实现不停炉施工，并充分利用烟囱及吸收塔间的空地，布置湿式电除尘控制间及水系统设备，最大限度降低项目投资，减少工程量，缩短改造工期。
3.2特殊灰水分离装置
湿式电除尘内部冲洗之后的灰水呈弱酸性，且含有大量细微颗粒，不能直接循环使用。若直接废弃将造成二次污染，同时消耗大量的工业用水。该项目的水系统遵循高效分离、循环利用的设计原则，结合场地特点，采用钢结构斜管沉淀池作为湿式电除尘灰水处理装置。配套的斜管沉淀池理论处理水量约为80t/h，设计表面负荷3.48m3/m2˙h，占地空间6m(宽)×10m(长)×5m(高)。
如图5所示，湿式电除尘内部的冲洗水通过灰斗收集后引入斜管沉淀池，经混凝、絮凝去除悬浮物，达到湿式电除尘电场冲洗水质要求。处理后的灰水进入循环水箱，通过循环泵打入湿式电除尘内部做为冲洗水使用。斜管沉淀池底部污泥区设置泥斗收集沉淀后的污泥，通过排泥泵打入厂区污水处理系统。
3.3无热风吹扫阴极绝缘结构
电除尘器阴极系统绝缘性能直接影响除尘效率，该电厂地处沿海地区，台风频发，如按常规设置热风吹扫系统，当台风袭来时，带雨水汽可能被热风吹扫系统离心风机吸入，进入阴极绝缘子室使绝缘失效。
绝缘子室设计取消了常规热风吹扫系统，对阴极系统绝缘密封进行了优化改进，每个阴极承压绝缘子设置双层加热、双层密封以防结露。内层小密封筒略大于绝缘子尺寸，保障安全放电距离定制，其内外均设置加热器同步加热，小密封筒外层设计大保温箱，其空间充裕，便于内部检修。保温箱内空气受热膨胀，能有效压制从绝缘子室泄漏的微正压气体，杜绝绝缘子室漏气结露。
3.4高频电源应用
该项目采用高频电源供电，以保障湿式电除尘长期稳定可靠运行。湿式电除尘内部电场工作环境潮湿，要求高压设备在无火花或少火花模式下运行，所以在控制上采用硬件和软件双重超微火花检测。
系统根据火花信号表征进行闪络预判，一旦发现立即调用火花处理程序进入微细火花控制模式，快速分析微细火花数据并加以处理，迅速降压输出。火花熄灭后，迅速恢复二次电压输出至接近火花闪络前参数，防止连续闪络。
再根据运行参数逐步增加输出，直至运行参数恢复至火花闪络峰值或系统设定值。经优化控制软件后，高频电源可在几十微秒内关断输出，在短时间内使火花熄灭，5～15ms恢复全功率供电。在100次/min的火花率下，平均输出高压无下降。高频电源火花冲击最小，恢复最快，最适于湿式电除尘。
4运行效果
该项目于2016年12月底正式投运，图6为湿式电除尘安装后的外形图。实际运行中将湿式电除尘运行电流极限设置为60%，二次电压基本在40kV，火化率保持在0。各种工况下，根据CEMS在线监测显示结果(如图7所示)，出口粉尘排放浓度稳定控制在2mg/Nm3以下，达到协议<3.2mg/Nm3的要求。
5结语
采用合理的技术路线，并根据项目特点进行针对性的设备选型及设计，因地制宜，优化布局，是超低排放改造工程成功实现的关键。本次改造的成功案例证明，金属平板式湿式电除尘是实现可靠稳定超低排放的首选装备。该装备对于火力发电厂常见的大气污染物具有协同治理作用，不仅适用于电厂的改造工程，同时适用于新建火力发电厂工程。