（中国华电科工集团有限公司）
摘要：随着大气污染越来越受到大家的广泛关注以及重视，近年来国家颁布了一系列严苛的大气污染物排放标准，分别对SO2、NOx、烟尘规定了浓度标准，根据国内电厂超低排放改造的效果来看，达到脱硫脱硝目标一般都不存在问题，而除尘目标比较难以实现，本文分析了在超低排放中影响烟尘排放的因素，并在此基础之上，对应采取的措施进行了探讨。
关键词：烟尘；因素；措施；超低排放
0 引言
随着我国环境压力的加大，国家环保部门对新建燃煤机组提出了更高的污染物排放要求，华电集团也发布了《关于贯彻落实燃煤机组超低排放“提速扩围”有关要求的若干意见》，明确要求基建项目烟尘排放标准按5mg/Nm³执行。因此，燃煤机组采用“超低排放”技术路线以实现污染物的“零排放”，以成为新建机组必须配置的烟气污染物治理措施。截止目前，已有很多超低排放项目投入运行，超低排放中脱硫和脱硝目标容易满足，但烟尘排放光靠除尘器难以实现，绝大多数机组为了满足烟尘超低排放的要求，各显神通，采用的技术路线和运行效果也各不相同。本文从影响烟尘排放的因素进行分析，在此基础之上，对应该采取的措施进行探讨，为燃煤电厂进行相关改造提供参考。
1 影响因素
1.1烟气流速分布
电除尘器气流分布不均匀，意味着电场内存在着高低速度区，某些部位出现涡流和死角。该现象的出现，在流速低处所增加的除尘效率，远不足以弥补流速高处效率的降低，因而总的除尘效率降低。此外，高速气流、涡流会产生冲刷，使极板上和灰斗中的粉尘产生二次飞扬。根据气流分布的不良情况，可造成电除尘效率降低20～30%，甚至更多。
湿法脱硫系统的烟气偏流是导致粉尘排放浓度高的重要因素之一。一方面，由于我国燃煤电厂污染物治理起步较晚，在燃煤电厂建设中未给污染治理设备预留充足的空间，导致新建或改造的湿法脱硫设备烟道布置不合理，烟道布置难以满足流场设计基本要求，烟气经过烟道进入吸收塔前偏流严重；另一方面，湿法脱硫装置普遍采用单塔单侧入口进气方式，该方式会造成烟气沿塔截面的流场不均，在入口对侧形成高速烟气流场，致使烟气到达首层喷淋层入口处流场分布偏流严重，远离吸收塔入口区域的液气比较低，而靠近吸收塔入口区域的液气比较高，这是引起近塔壁烟气逃逸，脱除效率偏离设计值的原因之一。
吸收塔入口烟道、出口烟道及喷淋层气流分布优化设计也可以确保除雾器出入口烟气流速分布，使其烟气流向均衡，将烟气流速控制在除雾器捕捉雾滴的最佳运行范围内，实现除雾器去除雾滴的最佳效果。
1.2 烟气温度
随着烟气温度的下降，烟气中的SO3浓度会发生明显变化，当烟气温度降低至酸露点以下时，大部分SO3 冷凝成硫酸雾，由于烟气中的细烟尘有着很大的比表面积，硫酸雾会粘附在烟尘表面，低低温静电除尘系统对于SO3去除率至少在80%以上，最高可达95%以上，是目前SO3去除率最高的烟气处理设备。SO3浓度随烟气温度变化表明，烟气温度在100℃以下，几乎所有的SO3在热回收器中转化为液态的硫酸雾粘附在粉尘上。这一方面烟气中的大部分SO3转移至烟尘表面起到了脱硫作用；另一方面由于烟尘温度的降低及液态硫酸的良好导电特性，烟气中烟尘的比电阻也会大幅下降，为后续静电除尘提供了条件；进入电除尘器的烟气温度降低，使电场击穿电压上升，从而提高除尘效率，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2.3%。
式中：
—实际击穿电压，V；
—温度为T0时的击穿电压，V；
＝上升温度，℃＋273，K；
T0＝273，K。
在实际应用中，由于有效地避免了反电晕，击穿电压有更大的上升幅度。
烟尘通过吸附SO3产生较大的物理特性变化，改善了粒径分布，从而有效地改善烟气在低低温静电除尘器及高效除尘湿法脱硫装置中的除尘效果。
图1 除尘效率与烟气温度的关系
1.3 供电电源
电场强度依赖于烟气温度、电极间距、灰的特性，烟气温度、电极间距、灰的特性既定的条件下，为了获得最高的除尘效率就应该时时对电场施加最高的电压。这要求供电装置能自动调节输出电压和电流，使电除尘器在尽可能高的电压和电流状态下运行。
在正常工况下，随着电晕电流的增大，电场空间中的自由电荷也随之增多，这使得更多的粉尘颗粒荷电，收尘效果也越好。
1.4 浆液覆盖率
湿法脱硫装置吸收塔中每个喷淋层需要安装多个喷嘴才能保证该喷淋层底部处的塔内横截面完全被喷雾区覆盖，但是这种覆盖并不是也不可能是喷淋液滴的均匀覆盖，也就是说在设计时只能尽量做到喷淋液滴在塔体横截面上有比较均匀的分布。喷淋层浆液覆盖越均匀，塔内上升气流与液滴混合越充分，除尘效率就越高。一般采用“喷淋层覆盖率”系数来描述各喷淋层的喷淋液滴在塔内横截面上的分布状态，“喷淋层覆盖率”β的定义为：某一喷淋层各喷嘴喷出的的圆锥体状雾区在该喷淋层高度处锥底面积之和与吸收塔内径面积之比，即：
β=（
/F）╳100%
式中：
fi—喷雾圆锥的底圆面积，㎡；
F—吸收塔内壁横截面积，㎡；
n—喷淋层上的喷嘴数量，个。
经统计，只有当喷淋层覆盖率β大于125%才可以使在设定高度喷淋雾滴布满塔的横截面而不留空隙。有实验报道，同层间因多重覆盖而使液滴凝聚现象严重，多层喷淋上层加剧下层液滴凝聚，上层对下层间的凝聚现象弱于同层多重覆盖的液滴凝聚。因此，喷淋层覆盖率的正确选择可以防止气液流动“短路”，同时使气流流场均匀化。喷淋层覆盖率一般要求为125%～250%，常用为150%～200%。
1.5 烟尘颗粒粒径
试验证明，带电粉尘向收尘极移动的速度与粉尘颗粒半径成正比。粒径越大，除尘效率越高，尺寸从1μm增至20～25μm基本如此，尺寸至20～40μm可能出现效率最大值；再增大粒径，其除尘效率下降，原因是大尘的非均匀性，具有较大导电性，容易发生二次飞扬尘和外携。资料指出，粒径在0.2～0.5μm之间，由于捕集机理不同，会出现效率最低值（带电粒子移动速度最低值）。
湿法脱硫装置的除尘效率受烟尘颗粒的粒径分布特性影响很大，当烟尘颗粒的粒径较大时，除尘效率较高；当烟尘颗粒的粒径较小时，除尘效率会大幅衰减。图7为FGD空塔除尘性能与烟尘粒径的关系，由图可知，FGD空塔喷淋对于1～2.5μm的粉尘，分级除尘效率较小，粉尘去除效率变化不明显；对于3～5μm的粉尘，分级除尘效率较大，粉尘去除效率变化明显；对于大于5μm的粉尘，分级除尘效率区趋于稳定接近100%。
图2 FGD空塔除尘性能与烟尘粒径的关系
2、减少烟尘排放的措施
2.1 烟道布置设计优化
采用数值模拟对锅炉空气预热器至脱硫塔入口烟道设计进行气流分布模拟试验，通过除尘器入口的气流均布装置和在烟道内设置导流装置，使低低温静电除尘电场入口和脱硫塔入口截面均方根差值σ满足≤0.2的要求。同时，也使脱硫塔烟道入口气流均方根差值σ满足≤0.2。
2.2 低低温除尘器的采用
技术特点：a）烟气的体积流量得以降低，电场烟气通道内的烟气流速也相应降低。根据相关资料，烟温下降10℃，烟气量下降2.5%；b）比电阻下降到108～1010Ω•cm，是电除尘器最佳工作范围，克服了电除尘器对粉尘比电阻敏感这一弊病，避免了反电晕的发生，是解决电除尘器对付高比电阻粉尘治本之措；c）烟尘平均粒径增大，普通电除尘器出口烟尘平均粒径一般为1μm～2.5μm，低低温静电除尘器出口粉尘平均粒径大于3μm，烟尘粒径增大有利于粉尘荷电，从而提高除尘效率；d）烟温下降10℃，烟气的击穿电压升高3%，对电除尘器提效非常有利；e）如图9所示，可降低湿法脱硫工艺水量约30%；f）回热走低加系统，可节煤1～3g/kW•h；g）系统阻力下降，引风机节电约10%；h）在灰硫比大于100时，SO3的去除率可达95%，大大减少对下游系统的低温腐蚀。
漕泾电厂1000MW机组在除尘器进口加装烟气余热利用换热器后，烟温从123℃降至约105℃，电除尘器效率从99.81%提至99.87%，出口排放浓度从21.57mg/m³降至14.29mg/m³，在投运1年多的时间里运行良好。
2013年9月实测南昌发电厂1号机组低低温电除尘器，入口烟温由140℃下降到95℃，除尘器出口烟尘浓度由58mg/m³下降到16mg/m³，除尘效果明显。
2.3 高效电源的采用
高频电源、工频电源性能对比表
高频电源相对于工频源的优点如下：
1）、增大电晕功率，从而增强粉尘的荷电能力：
2）、火花控制特性好。
3）、适应性能强
4）、节能提效明显
高频电源的电能利用率≥93%，功率因数≥0.95，减少了无功的损耗。在保证除尘效率不变的前提下，节能幅度可达30%以上，减少粉尘排放40%以上。
5）、体积小、重量轻、高度集成
6）、安装方便、辅助设备少
高频电源直接安装在电除尘器顶部，节省配电室空间，节省大部分控制电缆和动力电缆，减少了安装费用。
7）、绿色电源
高频电源三相高度平衡，对电网影响小，无缺相损耗，无电网污染，堪称绿色电源。
8）、工业减排效果更好
2.4 脱硫装置的设计优化
高效除尘湿法脱硫装置中关于烟尘的协同效应包括以下3个方面：
（1）脱硫塔浆液洗涤的气液接触方式所具有的除尘效应，可以减少烟尘含量。
（2）脱硫塔除雾器出口烟气含有一定的浆液雾滴，其中含有石膏及石灰石颗粒，增大了烟尘的含量（负协同效应）。
（3）由于前段低低温电除尘器的作用，在脱硫塔入口烟尘浓度相同的情况下，其粒径分布发生变化，总体粒径增大，从而改善了脱硫塔的除尘效果。
与常规的湿法脱硫装置比较，高效除尘湿法脱硫装置一般需要做以下改进：
（1）有较好的气流分布，如采用数学模型和物理模型优化吸收塔内空气动力场设计；设置增效环，避免塔壁面出现烟气流短路，通过气流模拟控制塔壁流速在塔中间流速的2倍以下使塔壁不漏气；调整喷淋层的密度达到烟气在吸收塔内截面气流的分布均匀，从而使吸收塔内截面各处的液气比接近一致；安装旋汇耦合器，均气效果比一般空塔提高15%-30%。
（2）提高烟气流速，一方面可以增大气液之间的相对速度，减薄液滴表面处气态边界层的厚度，降低烟气中的灰尘粒子扩散至吸收剂液滴中的阻力，从而提高除尘效率；另一方面可以减缓吸收剂液滴下降的速度，延长其在吸收塔中的停留时间，使之可以比较充分地捕获灰尘粒子，提高除尘效率，减少吸收剂的喷淋量。
（3）优化喷淋层设计，注重吸收塔喷嘴选型和喷嘴布置方案优化，尤其应注意吸收塔周边的布置设计。
（4）采用增强气液接触的强化装置
湿法烟气脱硫大多采用的是喷淋空塔，常规除尘效率约为50%。如果采用加装托盘提效方案，可有效提高脱硫塔的除尘效率，根据实验数据估算，双托盘可提高脱硫塔除尘效率至85%。旋汇耦合高效脱硫装置安装旋汇耦合器，旋汇耦合器基于多相紊流掺混的强传质机理，利用气体动力学原理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻腾的湍流空间，气液固三相充分接触，大大降低了气液膜传质阻力，大大提高传质速率，迅速完成传质过程，从而达到提高脱硫除尘效率的目的，该技术与同类脱硫技术相比，除具有空塔喷淋的防堵、维修简单等优点外，由于增加了气体的漩流速度，还具有脱硫和除尘效率高的优点。
（5）采用高效的吸收塔出口除雾器，除尘除雾器布置在脱硫塔顶部。
脱硫后的烟气经过布置在脱硫塔顶部的除尘除雾器时，含有雾沫的气体以一定速度流经除雾器，由于气体的惯性撞击作用，雾沫与波形板相碰撞而被聚的液滴大到其自身产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时，液滴就从波形板表面上被分离下来。除雾器波形板的多折向结构增加了雾沫被捕集的机会，未被除去的雾沫在下一个转弯处经过相同的作用而被捕集，这样反复作用，从而大大提高了除雾效率。雾滴汇集形成水流，因重力的作用，下落至浆液池内实现了气液分离，使得流经除雾器的烟气达到除雾要求后排出。一般吸收塔出口设置三层屋脊式除雾器，常规要求出口雾滴浓度为75mg/Nm³，高效除雾器可以达到20mg/Nm³以下。
（6）注重脱硫塔制造、安装精度，尤其是塔内件的制造、喷嘴布置定位的安装尺寸等的准确度。
（7）采用合适的脱硫塔液气比，随着液气比增大，除尘效率将提高。但脱硫塔液气比与除硫效率关系更大，直接影响脱硫装置的性价比，对脱硫装置以后的运行费用也有较大影响，因此脱硫塔液气比主要应根据脱硫效率的要求来选取。
3 结语
传统的火电厂烟气污染物控制策略均为单一污染物控制，脱硝系统、除尘系统和脱硫系统均独立处理相应的烟气污染物。随着燃煤电厂烟气污染物排放标准的提高，有必要采用全新的“协同治理”的技术理念应对全新的环保形势。搞清楚影响烟尘排放的因素，有利于在上下游设备采取合适的措施。在当前大气污染物排放控制形势下，选择合适的超低技术路线对整个项目的投资和设备选型至关重要。针对不同的排放标准、锅炉炉型和燃煤煤质，可采用的技术路线并不唯一，燃煤电厂应该综合考虑各种因素，制定出符合自身实际情况的改造方案，实现煤炭的清洁利用。
参考文献：
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[5]朱法华，王圣.煤电大气污染物超低排放技术集成与建议[J].环境影响评价，2014（5）。
论文作者:胡纪元,王正
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/17
标签：烟气论文; 烟尘论文; 效率论文; 粒径论文; 吸收塔论文; 粉尘论文; 电除尘器论文; 《电力设备》2017年第28期论文;