烟气调质及高频电源技术在电除尘改造中综合应用探讨
摘要
通过烟气调质技术，改善不同燃煤烟气灰分的比电阻，提高灰分对电极的趋向茹附特性，灰分更易被收集。通过采用高频电源技术，改善除尘器电场特性，提高电极吸尘能力，提高了除尘效率，通过上述新技术的综合应用改造，使原本超出现行排放指标近3倍的除尘器达到国家现行环保指标要求。
【关键词】烟气调质；高频电源；电除尘
引言
某电厂125MW机组配套除尘效率为99.2%的双室三电场电除尘器。按设计煤种考虑，机组出口粉尘浓度小于140mg/m3。2003年投入运行，每台电除尘器配备6台整流变。随着现有除尘器设备的老化以及国家排放标准的提高，电除尘已不能满足新的环保要求。期望通过电除尘器的改造升级，使除尘器出口排放水平降至45mg/m3以下，烟气经脱硫塔洗涤后烟囱粉尘排放浓度在30mg/m3以下，达到《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011)要求。
1初步改造方案的确立
1.1改造方案选项
目前，在国家环保政策提高的背景下，原有的燃煤电厂静电除尘器基本上都需要进行升级改造，改造的方式也很多，简述如下:
1.1.1改造后仍然采用静电除尘器，主要有以下三种：
(1)对原静电除尘器内部极间距和类型进行调整增效;
(2)尾部再增加电场;
(3)更换电源提高电场强度。
1.1.2改造为电袋复合除尘器
1.1.3改造为纯布袋除尘器
125MW机组在原有除尘器尾部增加电场和改为电袋复合除尘器的空间不足，这两种方案不能采用。
因此只能采用对静电除尘器本体结合电气一体化升级方式或改造为纯布袋方式。但仅采用“高频电源”改造是不能达到除尘器出口烟气粉尘浓度≤45mg/m3，拟采用“高频电源+烟气调质”的技术方案。
1.2改造方案介绍
经过多方调研，并对各种技术进行了比较，确定以下两种方案，并对这两种方案进行了对比。
(1)改造为纯布袋除尘器。
(2)SO3烟气调质+高频电源改造。
1.2.1改造为纯布袋
(1)改造方案
本方案是将原静电除尘器改造为纯布袋除尘器，主要方式如下:
a)保留电除尘器壳体、灰斗等，将原三个电场的内部空间改造为布袋除尘器。
b)对除尘器进出风管进行改造，改造为适合纯布袋除尘器的进出风管道。
c)安装布袋除尘器储气罐及压缩空气管路系统，对布袋除尘器进行震打清灰。
d)改造后的布袋除尘器控制系统纳入新增加的脱硫DCS中，原电除尘三个电场高低压电控柜拆除。
(2)工作原理
含尘气体在通过导流系统时，由于风速的突然下降，含尘气体中的大颗粒粉尘发生自然沉降并经导流系统分离后直接落入灰斗、其余粉尘在导流系统的引导下，随气流进入布袋过滤区，通过滤袋的阻隔、拦截、凝聚作用，将粉尘完全收集，效率可达99.9%以上，出口粉尘浓度稳定在30mg/m3以下。
1.2.2改为S03烟气调质+高频电源
本方案不需要增加电场，保留原有壳体，对电场本体进行恢复性大修。同时增加一套烟气调质装置。改造后一、二电场供电系统采用ALSTOM世界领先的高频电源SIR及相应的集成控制系统。
(1)电除尘器本体改造方案
本体改主要内容包括:
a)保留进出口烟箱，对除尘器本体的进气烟箱气流均布板进行更换;
b)对电除尘器壳体的腐蚀壁板进行更换补漏，局部位置增加强度;
c)对现有一、二、三电场阴、阳极系统进行恢复性大修，更换损坏的阴极限和阳极板，调整轴系，达到原始设计条件。
(2)电除尘器电气改造方案
在一、二电场分别安装高频电源SIR-85kV/1200mA和SIR-102-70kV/1700mA替换原有的工频电源，使用高频电源后电场的二次电源可以有效提高，电除尘能量注入提高数倍，极大的提升了电场的收尘能力，三电场加装ALSTOM的EPICIII控制器，同时加装ALSTOM上位机系统ProMoIII，建立基于以太网的控制网络。
在相同电场运行工况下，高频电源二次电压比单相工频电源提高30%以上，电压更平稳，更有效提高除尘效率。供电为三相平衡供电，对电网影响小，功率因数与转换转换效率比工频电源高，配电容量比工频低;输出电压纹波系数小，有利于提高闪络电压，提高电晕功率，提高电除器除尘效率。与工频电源相比，高频电源的适应性更强。高频电源的输出由一系列的高频脉冲构成，可以根据电除尘器的工况提供最合适的电压波形。控制高低波时间，可以输出不同电压电流脉冲波形。与工频电源相比，高频电源的变换拓扑结构是串联LC谐振电路，本质上是恒流源，不怕短路，更适合电除尘工作特点(电场击穿引起的短时间短路状态)。火花控制特性好，仅需很短时间(<30μs，而工频电源需10ms)即可检测到火花，火花能量小，对供电冲击小。
1.3烟气调质系统调质原理
粉尘比电阻是影响电除尘器效率的重要因素之一。电除尘器的最佳工作条件要求粉尘比电阻在106~5x1010Ω.cm的范围内，若粉尘的比电阻超过临界值5x5x1010Ω.cm时，则通过极板上粉尘层的电晕电流就会受到限制，影响到粉尘粒子的荷电量、荷电率、电场强度。当粉尘比电阻达到1012Ω.cm时，会导致比较严重的反电晕，此时电流大增，电压降低，收尘效率大幅下降。而三氧化硫烟气调质在烟气进入电除尘器之前，往烟气中注入少量的SO3(10~15ppm)，SO3与烟气中的水分结合生成烟酸气溶胶极易附着在粉尘表面，能够提高粉尘的表面导电，降低粉尘的比电阻，有效克服高比电阻因素对电除尘器的不利影响，从而大幅度提高除尘效率。
1.4调质工艺流程
烟气调质系统由SO3生成器(集装箱式)、储硫罐、注入系统三大部件组成。SO3生成器包括风机、电加热器、燃硫炉、转化器和PLC控制系统。
储硫罐分为熔区和储区两部分。在储硫罐熔区内用饱和蒸汽加热固体硫磺，使之变为液态硫磺储存在储区中。运行时，利用输送设备将液体硫磺输送到SO3生成器，可编程控制器根据运行工况精确控制硫磺的输送量;硫磺在生成器内的燃硫炉与热空气相遇燃烧生成二氧化硫，二氧化硫在转化塔中经五氧化二矾催化作用生成三氧化硫。三氧化硫和空气的混合气体通过分配支管和注入器喷射到烟气中。
根据锅炉的负荷以及降低比电阻所需的三氧化硫量，系统自动调节三氧化硫的生成速度。三氧化硫的注入量取决于多种变量，包括灰的成份和过程状况等。最佳的三氧化硫注入量由锅炉负荷、浊度和烟气温度输入信号决定。
系统需要的三氧化硫注入量由计算决定，最佳注入量取决于现场实验、煤灰成份和灰的化学构成。整个系统由PLC控制器控制，全自动运行，人机界面实时监控。
2两种改造方式比较
2.1优缺点比较
(1)改为纯布袋
优点：除尘效率高，与锅炉运行情况及煤质变化关系不大，粉尘排放浓度有保障。
缺点：对烟气温度及湿度有一定的要求，否则会减少滤袋寿命甚至损害滤袋。运行阻力大，能耗高，即运行成本较高。脉冲阀数量多，运行维护工作量大。滤袋一般2}3年需要全部更换，造成后期维护成本高。
(2)改为SO3烟气调质+高频电源
优点：运行方式简单，与现有的除尘器基本相同。改造方便，仅对本体进行恢复性大修，烟气调质系统为模块化，仅需对接接口。运行阻力小，能耗低，而加入的硫磺单台炉仅为1620km/h，运行成本低。电除尘仅对易损件进行更换，后期维护费用低。
缺点：对燃煤煤质有一定的要求。
2.2改造的可行性比较
电除尘改造为“纯布袋除尘器”与“SO3烟气调质+高频电源改造”均可实施，且“SO3烟气调质+高频电源改造”方案仅对原除尘器本体进行恢复性大修，不改变原除尘器的内部结构，改造难度小，改造工作量小，工期短。
2.3除尘效果比较
“SO3烟气调质+高频电源改造”升级改造后，烟气排放粉尘排放浓度可降低至45mg/m3以下，而后续的脱硫系统也有40%~50%的除尘效率，可保证最终的排放浓度降低到30mg/m3以下。以上两种方式均可满足现阶段的环保要求。
2.4运行成本比较
电除尘器运行中，需要高压电源放电提供一定的电场来吸附灰尘，同时震打装置运行需要耗费电量。此外烟气调质需要消耗一定的硫磺。
而布袋除尘器本身则不需要额外耗电，其喷吹采用压缩空气，但布袋除尘器本身较电除尘器阻力高出1500~2000Pa，使引风机的压头增大，间接也消耗了电力。
改为纯布袋后的运行成本比“SO3烟气调质+高频电源改造”的运行成本高。
注:电费按0.4元//kWh，硫磺按2200元/t，设备年运行时间7500h计。
2.5维护成本比较
原电除尘升级改造后，电除尘器维护工作量很小，通常电除尘器易损件包括:极板、极线、轴承、绝缘子、振打锤等，一般电除尘器10年的易损件投资仅占电除尘器一次投资的15%左右。
改纯布袋后，滤袋的有效使用寿命一般不大于30000h，即3~4年需要全部更换滤袋，而滤袋的成本要占到整个设备价格的一半以上；同时，布袋除尘器喷吹用的脉冲阀膜片使用寿命为100万次，在达到使用寿命后也需要进行更换。即后期的维护成本很高。
2.6运行方式比较
SO3烟气调质+高频电源改造，除尘器的控制方式和运行方式与电厂之前的均不发生改变，新增的SO3烟气调质为自动控制，运行简单易操作。而改纯布袋后，较原电除尘器的运行要复杂，要根据除尘器的阻力变化来调整喷吹的间隔。而且由于滤袋对烟气温度有一定的要求，如烟气温度高于180℃需要及时切换到旁路系统，这对后续的脱硫系统运行造成较大影响，要是时间较长，则需要锅炉停机。并且，在锅炉运行中发生水冷壁、省煤器等爆管导致烟气中水分增加时，有可能使布袋糊袋，造成操作隐患。
2.7投资成本比较
2x125MW机组投资成本对比见表3。
表32x125MW机组投资成本对比
3改造后运行效果
125MW机组电除尘器SO3烟气调质+高频电源技术改造后，机组在不投SO3烟气调质只投电除尘器高频电源的情况下，出口排放水平降至45mg/m3左右(烟气经脱硫塔洗涤后粉尘排放浓度20mg/m3左右)；在投入“烟气调质+高频电源”方式运行的情况下，除尘器出口排放水平降至35mg/m3左右(烟气经脱硫塔洗涤后粉尘排放浓度15mg/m3左右)。
4结论
(1)"SO3烟气调质+高频电源改造”的方案可满足≤45mg/m3的排放要求。
(2)"SO3烟气调质+高频电源改造”的方案在除灰系统上与原静电除尘器一致，三电场的仓泵可仍采用原来的0.7m3。
(3)根据投资成本对比表显示，"SO3烟气调质+高频电源”的改造费用比改为纯布袋的总价高，考虑到运行成本、后期维护费用、人员和运行方式等因素，综合评价确定采用“SO3烟气调质+高频电源改
造”的技术。
(4)改为纯布袋比“S03烟气调质+高频电源改造”的运行成本高，412.8-398.1=14.7(万元/年);维护成本比较140.6-40=100.6(万元/年)，合计年节约费用115.3(万元/年)。
(5)煤种使用广泛，可根据不同煤种粉煤灰比电阻的不同，改变SO3烟气调质气体量，使得电除尘达到最佳除尘效果。
本文发表于《冶金动力》2017年12期
主作者简介:文博，男，高级工程师，从事电厂技术工作
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