作者：肖创英，王仕龙，韩平
摘要：面临烟气超低排放要求，燃煤电厂现有电除尘器改造需求巨大。传统电除尘器改造依据修正的Deutsch公式，仅能通过增大本体的方式来控制排放浓度。因此，定义峰值、平均电场强度和比收尘面积的乘积作为电除尘指数，在其指导下可通过提高放电电压和电流来降低粉尘排放。
在此基础上通过采用三相电源、降低烟气温度至110℃以下、应用前端电场侧部振打和末端电场顶部振打的混合振打、协同脱硫塔和电除尘器等优化改造措施，均可将电除尘器出口浓度控制在10mg/m3以下。将袋式除尘器改造为电除尘器则可在控制颗粒物排放的同时，进一步减少酸雾、盐结晶等引起的堵塞和烟羽问题。
中国“多煤、少油”的能源结构决定了燃煤仍然是电力的主要来源[1]。燃煤发电过程中，煤炭的燃烧会产生大量颗粒物。雾霾天气的形成就与其中固体细颗粒物的排放密切相关。因此，电厂多采用电除尘器控制燃煤电厂烟气中的颗粒物排放量。
电除尘器中阴极线上的电晕放电产生大量自由电子和离子，使得颗粒物在粒子碰撞和电场作用下携带大量电荷。随后，带电粒子在电场作用下向极板迁移，被收尘极板收集黏附形成粉尘层。粉尘层累积至一定厚度后，通过振打等手段将其自极板去除。
从提出电除尘器概念到现在，其广泛应用已有100多年历史。1883年，OliverJ.Lodge首先提出了电除尘器概念[2]，且和AlfredWalker共同设计了第1台处理含铅烟气的商用电除尘器。但由于当时落后的电源技术和经验不足，该台电除尘器并未成功投产。
直到1907年，美国的CottrellFG才在加利福尼亚厂成功安装第1台商用电除尘器，用来收集硫酸雾和重金属，从此拉开了电除尘器高速发展的序幕[3]。我国电除尘技术虽然起步较晚，但发展迅速，电除尘器的加工、生产和使用数量均为世界第1位[4]。
燃煤电厂污染物超低排放需要遵循3项基本原则：(1)污染物长期稳定超低排放；(2)环保设备可适应多种燃煤特性；(3)系统建设（改造）投资、运行成本的投入产出和环境绩效最优。据此，提出了燃煤电厂污染物超低排放和绿色发电的技术路线[5]，该技术路线在多台机组上得到了应用验证[6]。
该技术路线通过集成干式电除尘（dry elec-trostatic precipitator,DESP）和脱硫塔，实现了标准状态下颗粒物浓度低于5mg/m3，其后定义PM2.5为标准状态下低于2.5mg/m3的排放目标。热烟气自锅炉排出后通过选择性催化还原(ive cata-lytic reduction,SCR)进行降温。
降温手段有2种：通过空气预热器(air pre-heater,AH)将烟气温度降至110~140℃左右，再通过低温省煤器（以下简称低省）继续降至90℃左右；在脱硫装置(flue gas de-sulfurization,FGD)前采用热交换器(gas-gas heater,GGH)将烟气降至70~90℃左右，脱硫后烟气通过再加热从50~60℃提高至70~90℃进行排放。强电离放电技术实际上是一种高级氧化技术，有利于脱硫脱硝[7]。
采用电除尘集成湿法脱硫实现颗粒物（烟尘和石膏）的超低排放(<5mg/m3），与采用湿式电除尘实现超低排放技术相比，该技术直接在原电除尘器和脱硫塔上完成改造，不仅节约了改造成本，而且避免了因湿式电除尘而增加的污水处理问题，因而，强电离技术相对湿电改造效果好[8-9]。
本文在超低排放技术路线指导下，提出以电除尘指数为依据的电除尘器电气改造路线。同时总结了实际改造中烟气温度、脱硫塔协同对收尘效率等的影响，还比较了袋式除尘改造为电除尘改造前后的排放情况。
1电除尘器电气改造
图1神华国能颗粒物超低排放5mg/m3的技术路线
图1为燃煤电厂污染物超低排放和绿色发电的技术路线图。由图1可见，电除尘器是锅炉烟气污染控制中主要的颗粒物捕集装置。因而对电除尘器进行电器改造是低成本提高收尘效率的重要手段。
电除尘器捕集颗粒物过程分为4步：
(1)负极性高电压放电、烟气电离、产生负离子；(2)粉尘在电场和空间负离子的作用下被荷电；(3)带电粉尘在电场力和离子风的作用下被收集到阳极板；(4)阳极板上的粉尘在振打作用下收集于灰斗。
上述4个过程中的任何1个没有达到设计要求都可能导致电除尘器达不到排放标准。目前，国内大部分厂家仍采用修正的Deutsch公式[10-11]进行除尘器制造和电源选型。修正的Deutsch公式为
由于以上模型在应用上难以对粉尘驱进速度进行修正，利用该公式难以对电除尘器改造升级、运行温度和振打设置等进行明确指导，因此，应以电除尘指数作为更为有效的设计依据，即
技术等对电除尘效率的影响均可以利用评估实时运行的电除尘指数来体现。因此，在电除尘器的电气改造和运行改造过程中，电除尘指数起着非常关键的指导作用。
在采用三相电源供电的电除尘器中，欲满足电除尘指数最大化和电耗最小化，应按下式计算：
单相电源也可改造为高频电源，改造后不仅具有明显的提效作用[14-15]，而且在节能减排上拥有巨大的潜力[16-17]。但高频电源的应用依赖于电源与本体的匹配情况。国内电除尘器一般电容密度为50pF/m2，该值随粉尘负荷有所变化。如对常规135MW锅炉进行高频电源改造，则一般需要双通道4电场，即8台电源。一般电源为72kV和1200mA，输出电流则一般仅为300~500mA。在高频电源与本体不匹配时，此种工况的排放浓度可能会高达100mg/m3。
2电除尘器运行改造
烟气温度、振打等均会影响电除尘器运行[18-19]。针对400~410mm间距的电除尘，采用ZH2013三相电源时，温度从140℃降低到95℃，运行电压可从70kV提高到80kV，平均场强从3.5kV/cm提高到4.0kV/cm。降温也可有效减低灰的比电阻（粉尘电阻与横截面积的乘积与长度的比值），进而提高放电功率和电除尘效率。
图2电除尘器运行温度与出口排放浓度关系图
在电除尘器运行温度的改造过程中，对不同温度下的粉尘排放进行了测试。图2为在330MW机组商进行的烟气降温实验，在保持电源功耗、燃煤煤种不变的前提下将烟气温度从160℃降至110℃，PM10亦自50mg/m3降至10mg/m3左右。值得注意的是，当烟气温度从110℃降至90℃时，PM10浓度没有继续发生明显变化。
低低温电除尘技术是指在电除尘器上游设置一个热回收装置，降低进口气体温度，从而提高除尘器性能[20]。采取低低温电除尘器除可通过降低粉尘比电阻、降低烟气流量和流速来控制粉尘排放浓度外，还能降低下游脱硫塔的水耗[21-22]。国内大型机组所选煤种热值较高，其中灰分中等，且硫分不高，适合低低温除尘系统。
图3采用低低温电除尘器后脱硫塔节水量图
如图3所示，低低温电除尘器中烟气温度一般约下降40℃，则每100MW机组负荷对应的脱硫塔节约水蒸发量一般为7.6~10.0t/h。
图4电除尘器振打与瞬时排放浓度关系
图4为电除尘器内振打与瞬时颗粒物排放浓度的关系，图中虚线为振打开启时间。该测试亦在330MW机组上进行，未振打时PM10和PM2.5浓度分别为4.96mg/m3和0.75mg/m3，PM2.5和PM10的比值为15.2%。当发生振打时，出口粉尘瞬时浓度可上升约3倍，峰值接近15mg/m3。
在实际改造过程中，可以对电除尘器采取混合振打方式。即第1和第2电场采用侧部振打以提高清灰能力，末电场采用顶部振打以减轻二次扬尘。一般采取全部顶部振打和单相电源的电除尘器改造称为混合振打和三相电源后，出口排放浓度可自70mg/m3降至16mg/m3左右[23-24]。
在已有工程中进行电除尘器改造，还应注意下游脱硫塔对颗粒物捕集和贡献的复合作用。脱硫塔改造核心之一就是控制脱硫塔出口雾滴的质量浓度≤20mg/m3，涉及到的主要改造原理包括：
(1)通过安装气流差异化分散器及颗粒均布装置，调整吸收塔内的流场，从而减少烟气进入除雾器所夹带的浆液量；(2)增加除雾器的除雾效果，以减少吸收塔出口烟气中的液态水量及石膏量；(3)调整烟气在除雾器叶片中的流速，以提高除雾器的性能。
在电除尘器与脱硫塔协同控制颗粒物过程中，由于电除尘器在脱硫塔上游，主要的控制参数为烟气温度。通过比较电除尘器和脱硫塔出口PM2.5和PM10的粒径分布情况可发现：(1)脱硫塔入口烟气温度为120~150℃，脱硫塔出口PM10浓度低于电除尘器出口值，但脱硫塔出口PM2.5浓度则常高于电除尘器出口值。
其原因可能是脱硫吸收剂除尘和脱硫塔次生成颗粒物；(2)当脱硫塔入口烟气温度<120℃时，脱硫塔出口的PM10和PM2.5则均可低于电除尘器出口值。图5所示为对国内5个燃煤电厂锅炉采用电除尘器和脱硫塔协同控制颗粒物的实际排放值。
3袋式除尘器改造
在采取SCR脱硝[25]和袋式除尘器的减排流程中，会有部分SO2被氧化成为SO3并进一步形成硫酸雾滴。SO3及其酸气溶胶可以在烟囱出口形成肉眼可见的烟羽和酸雾。一般SCR出口氨逃逸量应<3×10–6，但实际运行中形成的硫酸铵和亚硫酸铵会在空预器和滤袋表面结晶。因此，袋式除尘器入口和出口间压降可超过1800Pa，给风机带来显著负荷。
图7袋式除尘器改造为电除尘器前后排烟比对图
图7为国内首套袋式除尘器改造为电除尘器工程实例中烟囱排烟变化情况。由图6可见，电除尘器具有降低SO3及其盐气溶胶排放，改善烟囱排烟情况的能力。
表2袋式除尘器改造为电除尘器后运行参数表
该工程改造后运行参数如表2所示，原袋式除尘器可改为5电场电除尘器，改造后出口平均质量浓度可自35g/m3降至15mg/m3以下。在168h运行测试过程中，平均除尘效率在99.96%~99.97%范围内。另外，袋改电过程由于气流方向和分布等变化较大，仍应注意改造后电除尘器入口烟气气流分布优化，在本例中优化后电除尘效率可提高至99.98%~99.99%，颗粒排放浓度可降低至低于10mg/m3[26]。
5结论
1）电除尘指数可用于电除尘器选型，并对在运行的电除尘器进行实时排放预测。同时指明提高运行电流电压是降低电除尘器出口烟尘排放的关键。而依据传统的电除尘器选型方法，仅有对电除尘器本体加高、加宽和加长的改造路线。依据电除尘指数，优化结构、提高运行指数同样可以满足降低排放要求。
2）通过降低烟气温度、优化本体结构、振打和采用三相电源，改造后电除尘器出口PM10和PM2.5浓度可分别控制在15mg/m3和2.5mg/m3以下。
3）电除尘器和脱硫塔协同集成，不仅可以实现颗粒物超低排放，控制颗粒物排放浓度在10mg/m3以下，还能实现SO2的强化控制。
4）将袋式除尘器改造为电除尘器能够减少酸雾和相应盐类引起的堵塞，并改善排放烟羽情况。优化后收尘效率可提高至99.98%~99.99%，排放浓度低于10mg/m3。
