摘要：某电厂一期工程共有2台600MW燃煤机组。每台机组锅炉尾部原配备两台卧式四电场电除尘器。针对电厂除尘现状，论文综述了电除尘器、袋除尘器及电袋除尘器工作原理及性能优势，依据实测数据论证了在《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011) 实施后，某电厂的除尘提效改造的优选方案。
关键词：电除尘器；袋除尘器；排放标准；PM2.5
针对电力发展趋势和目前环境状况，国家环保总局持续颁布了《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2003以及GB13223-2011。在标准GB13223-2003中，规定燃煤电厂烟尘最高允许排放浓度为50mg/m3，在最新一次公布标准GB13223-2011中，烟尘最高限制浓度降低到30 mg/m3。而在一些环保重点地区烟尘排放浓度限制在20mg/m3以下。火电厂现役电除尘器对微细粒子捕集能力有限，是导致火电厂烟尘排放超标的关键所在。随着国家对燃煤锅炉烟气污染的大力控制，标准对于烟尘的限制排放浓度也越来越低。基于上述背景，迫使电厂对现役除尘设备进行技术革新和改造也越来越迫切。
目前，针对电厂锅炉烟气除尘技术改造主要有3种方案：一是在现役电除尘上增加电场，增加电除尘的捕集能力；其二是直接采用布袋除尘器（电改袋）；其三是在电除尘器基础上增添布袋除尘器，采用电袋复合除尘技术。三种方案各有利弊，具体措施要根据电厂情况实施。
1电厂现状
某电厂规划2400MW，目前总装机容量为1200MW，一期工程建设2×600MW亚临界燃煤机组，2006年3月开工建设，分别于2007年11月、12月建成投产。一期机组锅炉尾部配备福建龙净环保工程股份有限公司设计制造双室四电场电除尘器。根据2013年9月西安热工研究院有限公司对#1机组电除尘器性能现场摸底试验测试结果显示，电除尘器实际运行烟尘排放浓度偏高。为了降低烟尘排放浓度，提高除尘器除尘效率，满足2012年1月1日起实施的《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2011要求，现有机组到2014年7月1日将允许烟尘排放浓度≤30mg/m3，重点地区烟尘排放浓度≤20mg/m3。电厂拟对一期共2台机组的电除尘器进行提效改造，本文根据电厂现状，对现有除尘技术进行分析论证，并得出最优方案。
1.1运行现状
一期锅炉设计燃煤为铜川矿务局陈家山煤矿、下石节煤矿、玉华煤矿及铜川市耀州区煤矿烟煤，设计和校核煤种的煤质及灰成分分析见下表 6、表 7、表 8。
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近年来，煤源比较多，煤种较杂，与原设计煤质有一定区别。根据电厂2013年煤质监测统计资料一期入炉煤月平均统计值：
煤收到基低位发热量平均约19.856MJ/kg，最大约20.85MJ/kg，最小约18.92MJ/kg，一期设计值为21.42MJ/kg。
煤中空干基挥发分平均约29.49%，最大约31.32%，最小约28.08%。一期设计值为36.87%，平均值低于设计值。
煤中收到基灰含量约22.82～29.13%，平均约26.66%，煤质灰含量高。一期设计值为18.31%，近期入炉煤灰分大于设计值。
全水分含量约9.9～11.8%，平均约10.3%，一期设计值为11.4%。
煤中收到基硫含量约0.87~1.46%，平均约0.97%，一期设计值为0.73%。
1.2电除尘器主要问题
1)电除尘器设计选型偏小（相对于新排放标准）
依据西安热工研究院有限公司2013年8月、9月对#1机组电除尘器性能摸底试验结果：机组在577MW负荷下，除尘器入口含尘浓度29.77g/m3，除尘器入口实际烟气量3768384m3/h时，#1机组除尘器实测除尘效率为99.46%，除尘器出口平均烟尘排放135.63mg/m3，通过计算得到除尘器如果保证出口烟尘排放≤20mg/m3时，除尘效率需要达到理论上99.93%的除尘效率，理论上比集尘面积需要达到≥166.62m2/m3/s。
目前电除尘器实际比集尘面积为86.08m2/m3/s（除尘器原设计比集尘面积93.47m2/m3/s），相对于新的环保标准电除尘器选型明显偏小，不考虑煤种变化对电除尘器的影响，理论上要想达到目前实行的烟尘排放标准，至少需要再增加3个电场，现有场地条件较难实现。
以上计算仅仅为采用多依奇公式进行理论计算得到的结果，未考虑排放要求20mg/m3时多依奇公式适应性变差的影响。对于荷电及收尘过程，电除尘器对细微颗粒除尘效果远远达不到对普通颗粒粉尘的除尘效果，所以在排放要求在50mg/m3甚至30mg/m3以下时，采用电除尘器扩容方案时应特别予以注意。
原设计电除尘器内烟气流速为1.004m/s，目前由于烟气量增大导致烟气流速增加至1.07m/s，这也导致了除尘效果的降低。
2)煤种变化
电除尘器除尘效率受燃烧煤种影响较大。在燃煤的成分中，对电除尘器性能产生影响的主要因素有硫分、水分和灰分。
通过2012年电厂入炉煤煤质监测月统计资料，实际燃烧煤种灰分变化较大，煤中收到基灰含量约22.82～29.13%，平均约26.66%，煤质灰含量高。试验煤灰分分别为29.45%和28.62%。而原设计煤灰分为18.31%，比监测数据和试验数据均低。煤的灰分高低，直接决定了烟气中的含尘浓度。对于特定的工艺过程来说，驱进速度或表观驱进速度将随着粉尘浓度的增加而增大。但含尘浓度过大，会产生电晕封闭。要求相同的出口排放时，其设计除尘效率的要求也越高。烟气含尘浓度高，所消耗表面导电物质的量大，对高硫、高水分的有利作用折减幅度大，综合来讲，高灰分对电除尘是不利的。电厂所用煤质灰分不属于低灰分范畴，要到达较低的排放效果对除尘器效率要求较高。
硫分较高对提高除尘效果有利，电厂燃用煤种硫分统计在0.87%~1.46%之间，试验煤硫分1.019%和1.59%均属于中高硫煤，比原设计值0.73%高，属于对除尘效果有利的条件。但是随着SO2排放标准严格，电厂若是考虑掺烧低硫煤，则会影响今后电除尘器除尘效果。
3)电除尘器除尘能力评估
电厂一期电除尘器自2009年改造以来已经投运近4年以上，2013年8月~9月西安热工研究院有限公司对#1炉电除尘器性能试验结果表明，目前电除尘器各个电场运行参数并不理想，#1炉电除尘器二至四电场二次电压平均30kv～50kv，二次电流平均200mA～350mA，即二次电压、二次电流运行平均水平也偏低，可以说电除尘器整体运行处于中等偏低水平运行，此时经西安热工研究院测试除尘器出口排放为135.63mg/m3和100.19mg/m3（低负荷）。参考测试时入口烟尘浓度（27.02～31.54g/m3）以及原设计除尘效率（99.60%）和排放浓度（75mg/m3），说明电除尘器以目前的电场运行参数来说电除尘器除尘效率偏低。2009年西安热工研究院有限公司曾对#1炉电除尘器进行了考核试验及节电优化试验，通过其试验结果（测试条件：收到基灰分30.25%，全硫1.59%，收到基低位发热量18140KJ/kg），测试入口浓度为26.29g/m3，排放浓度为102.6mg/m3。
2改造方案
2.1场地情况及设计参数
电厂一期2×600MW机组每台炉配套两台双室四电场电除尘器。
电除尘器总长（含进、出口喇叭）30.030m，一电场柱距为5.25m，二电场柱距为5.6m，三电场柱距为5.6m，四电场柱距为5.25m；单台电除尘器总宽32.9m（柱距），一台炉两台除尘器总宽66.5m，横向柱距8.25m。
每台电除尘器均有2个进、出口喇叭。除尘器一电场立柱距前部烟道支架约8m，除尘器进口烟道正下方为消防通道，如在此向前扩建电场并新增除尘器基础必然会影响消防通道，现场条件不允许；除尘器四电场立柱距出口烟道支架柱距3m左右，每台除尘器出口喇叭经过一段约3~4m的水平烟道之后变90°垂直向下进入单侧引风机入口，引风机紧邻四电场出口烟道支架，此处若不拆除除尘器尾部烟道及风机并向后方移动，扩建空间十分有限见图 1。目前4台除尘器前后空间紧凑，扩容空间位置有限。
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2.2电除尘器技术优缺点
静电除尘器是利用强电场放点使气体电离、粉尘荷电，在电场力的作用下是粉尘从气体中分离出来的高效除尘设备[4]，具有除尘效率高、设备阻力小、能耗低、烟气处理量大、适用范围广、自动化程度高、运行可靠、费用低、维护简单等优点，工艺成熟，是当前应用经验最丰富的除尘设备。
由于电除尘器基于荷电收尘机理，电除尘对粉尘特性十分敏感，特别对高比电阻粉尘、细微粉尘捕集困难，并且除尘效率受煤种变化、运行工况变化影响较大。电除尘器对于去除PM20以上的粗颗粒粉尘，具有较强的技术优势[5]。在烟气排放浓度标准>80mg/m3时，使用电除尘器不仅投资少，而且运行电耗低，维护费用少。在烟尘排放浓度标准≤30mg/m3时，电除尘将很难实现达标排放。为了达到标准排放，提高除尘效率，势必需要增加比集尘面积，而比集尘面积随除尘效率呈指数变化，则扩容设备，将提高设备成本，导致设备整体技术经济性下降，性价比降低。
电厂除尘器摸底测试结果平均排放135.81mg/m3，四电场比积尘面积为86.08m2/m3/s。
电厂对现有除尘器进行32分区后采用高效电源可提高除尘器效率。电厂采用电源改造方案，理论上可将除尘器出口粉尘排放降低至50mg/m3以下。
另外除尘器前加凝聚器，提高粉尘与荷电效果，可作为辅助手段提高电除尘器除尘效率，保证除尘器出口粉尘排放<50mg/m3。
电厂采用除尘器前加凝聚器，32分区供电，配套采用高效电源能够保证除尘器出口浓度<50mg/m3。经过湿法脱硫40%的洗尘效果（对脱硫系统进行维护保证脱硫塔洗尘效果，改造除雾器），烟尘排放浓度满足<30mg/m3标准。
经过湿法脱硫40%的洗尘效果（对脱硫系统进行维护保证脱硫塔洗尘效果，新增加除雾器），烟尘排放浓度满足<30mg/m3标准。
2.3袋式除尘器技术优缺点
袋式除尘器也称过滤式除尘器，基于拦截过滤机理，利用纤维编织物制作的袋装过滤元件来捕集含尘气体中的固体颗粒物。袋式除尘器具有除尘效率高，不受粉尘特性影响，对各种性质的粉尘都有很好的除尘效果，对高比电阻尘粒去除效果较好，规格多样，应用灵活，便于回收干物料，可长期稳定保持低排放浓度。并且处理烟气温度范围较广，应用陶瓷滤料可对800~1000℃的烟气进行处理。
但袋式除尘器普遍存在运行阻力大，滤袋受烟气冲刷磨损较大，易损坏，滤袋使用寿命短，容易产生糊袋现象，并且换袋困难，劳动条件差。化学纤维滤袋难以承受高温烟气，对烟气中水分含量和油性物质有较严格要求。
2.4电袋复合除尘器技术优势
电袋复合除尘器是在一个箱体内将电除尘和袋式除尘有机的结合在一起的新一代高效除尘设备。电袋复合除尘技术结合了电除尘和袋除尘的优点，其机理为“荷电收尘”和“拦截过滤”。在电场内以较小的能耗去除80%左右的粗颗粒粉尘，减轻滤袋的粉尘负荷；利用荷电粉尘颗粒之间的电凝并作用改善了粉尘层的特性（如图 3所示），产生了新的荷电粉尘过滤特性机理：异性电荷颗粒电凝并形成大颗粒粉尘，提高细微颗粒捕集率；同性电荷相互排斥，迅速扩散，形成均匀分布的气胶悬浮状，使达到滤袋表面的粉尘排列规则有序、蓬松，透气性好，粉尘层孔隙率高，剥落性好（如图 3右所示）。因此采用较低的清灰气源压力（0.25MPa），能够达到较理想的清灰效果，从而延长了滤袋的清灰周期。
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图 3. 滤料表面未荷电电粉尘层结构（左），滤料表面荷电粉尘层结构（右）
综述而言，电袋复合除尘器的主要优势主要有以下几点：
1)电袋复合除尘器能确保达标排放;
电袋复合除尘器不受煤种变化对除尘效率的影响，解决了电除尘器对微细粉尘难以荷电和振打过程中容易产生二次飞扬的问题，利用荷电粉尘凝并作用，能确保烟尘达标排放。
2)电袋复合除尘器比袋式除尘器运行阻力低;
电袋复合除尘器运行阻力比寸袋式低500Pa左右，且随着烟气含尘浓度的增加二者相差值增大。从图 4所示的电袋复合除尘器和袋式除尘器运行阻力对比可得知。
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图 4. 电袋复合除尘器和袋式除尘器运行阻力对比
3)电袋复合除尘器比电除尘器运行电耗低;
电袋复合除尘器平均运行阻力为1000 Pa，比电除尘器阻力增加800Pa左右，虽然造成引风机电耗增加，但是与采用多电场电除尘器（或末电场采用传动电极）电场的耗电量相比，电袋复合除尘器总的电耗降低、年节电费用可观。几种除尘器实测电耗对比见表 6所示。
4)电袋复合除尘器能有效去除PM2.5和重金属颗粒物;
电袋复合除尘器荷电粉尘具有凝并作用，使微细粉尘凝并，提高了PM2.5的去除效率。电袋复合除尘器PM2.5的去除效率可以达到99.8%以上，见试验测试结果表 5所示。
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同时通过改善过滤纤维材质和结构，滤袋加工生产工艺，例如过滤层加P84面层或加超细纤维层等技术手段，优化合理的滤袋清灰控制方式，能够使电袋复合除尘器PM2.5捕集率可以达到99.9%以上。
另外，电袋复合除尘器还能够实现对Hg等重金属颗粒的去除。电袋除尘器和袋式除尘器，能够通过粉尘层过滤吸附过程，提高对重金属颗粒的去除效率，对总汞（气态汞和颗粒汞）的去除效率可以达到70%左右，而电除尘器对总汞的去除效率为45%左右。
5)电袋复合除尘器滤袋使用寿命长;
电袋复合除尘器滤袋粉尘负荷降低，加上粉尘的电凝并作用，使滤袋清灰间隔延长（2～3小时），滤袋内外压差小，减小了脉冲喷吹对滤袋造成的磨损，在相同运行条件下电袋复合除尘器比袋式除尘器的滤袋使用寿命延长2～3年。
2.5湿式电除尘器
湿式电除尘器布置在湿法脱硫系统之后烟囱之前，是火电厂大气复合污染物控制系统的最后一道环保设备，也是达到接近零排放的最有效的方法之一，可用于控制PM2.5、酸雾、气溶胶、亚微米颗粒物、汞、重金属及二恶英等的排放。
湿式电除尘器在冶金工业和其他行业中，作为一种控制烟气中硫酸、颗粒排放的有效手段广泛应用。湿式电除尘器最早开始应用于国外硫酸和冶金工业生产中，在1986年后国外燃煤电厂也开始采用湿式电除尘器，去除烟气中微细粉尘和酸雾等污染物，取得了良好的效果。过去的二十多年中，国外有几十套湿式电除尘器应用于美国、欧洲及日本的电厂。目前专业设计制造湿式电除尘器的生产厂商世界上还不多，在美国有美国巴布科克&威尔科克斯公司；日本有三菱重工和日立公司。
2.6改造方案技术经济性比较
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经上述经济对比可知，电源改造方案投资费用最少，年运行维护费用最少，改造周期最短。建议采用此改造方案进行改造，鉴于电除尘器对煤种适应性较差，存在二次改造风险，可分布实施，先进行电源改造，若不满足排放标准再采用湿式电除尘器改造方案。
3结束语
湿式电除尘器作为烟尘治理终极方案，可以保证烟囱出口排放≤20mg/m3甚至≤10mg/m3，即便采用湿式电除尘器方案，原电除尘器本体也需要提效改造，以降低除尘器出口烟尘排放浓度，避免烟气粉尘浓度过高影响下游设备正常运行，缓解湿式电除尘器设计压力。且湿式电除尘器改造方案投资较大，若布置于现GGH处（拆除GGH方案）需要面临湿烟囱问题。若不取消GGH，将湿式电除尘器布置于GGH之上则系统阻力大大增加，风机面临二次改造。另外湿式电除尘器施工停炉时间要求较长（85天），需要有足够的大修期。若布置旁路烟道降低施工周期，则仅临时烟道预算费用接近1000万，投资较大。
因此，按照电厂现有条件，采用湿式电除尘器方案面临问题较多，且投资较大，建议采用电源改造方案对原有除尘器系统进行提效改造，湿式电除尘器方案作为后期实施方案，在排放标准进一步提高的情况下采用。
参考文献：
[1] 陈奎续. 电袋复合除尘器在提效技改工程中的应用及分析[J]. 科技传播, 2012. 4: p. 44-46.
[2] 赵欣华,梁冬. 布袋除尘器技术在火电厂锅炉烟气除尘的应用[J]. 黑龙江电力, 2005. 27(2): p. 154-157.
[3] 刘连波,许世森. 燃煤电厂新型静电布袋复合除尘器的开发与气流分布试验研究[J]. 中国电力, 2005. 38(12): p. 51-53.