中国燃煤电厂电除尘技术的发展及应用综述

摘要：阐述了中国燃煤电厂烟尘排放要求演变及排放特征,回顾了燃煤电厂电除尘技术发展历程,介绍了电除尘技术应用情况,并对其发展趋势进行了展望。中国从20世纪60年代起开展电除尘技术自主研发以来,通过技术引进,消化吸收、再创新,历经五十多年发展,目前技术水平已跻身世界强国之列。中国燃煤电厂烟气“超低排放”,及其实现“超低排放”的主流技术备受世界瞩目!电除尘器一直是中国燃煤电厂颗粒物控制的主流设备,可达到10mg/m3或5mg/m3的超低排放要求,针对高灰煤(Aar>25%)机组,配合湿法脱硫协同除尘,实现颗粒物排放浓度<5mg/m3也是可行的。预计未来中国电除尘技术将向节能降耗、协同控制、智能化、标准化、国际化方向发展。

0 引言

电除尘技术最早源于国外，早期主要应用于金属冶炼厂，因未考虑粉尘比电阻，除尘效率相对较低，如1910 年美国加利福尼亚州Balaklala 铅冶炼厂电除尘效率仅有90%[1];后经颗粒电场荷电、扩散荷电等理论完善[2-3]，及粉尘层与火花放电关系[4]等的提出，电除尘器的基础理论及工程设计均得到明显提升，实际工程的电除尘效率可达99.5%如今，电除尘器的除尘效率已经可达99.9% 以上。

中国电除尘技术虽然起步较晚，但发展迅速，尤其在电力行业应用占绝对优势。中国火电厂燃煤烟气中烟尘排放限值国家标准先后历经3次修订，对应了不同阶段的电除尘技术蓬勃发展，燃煤电厂颗粒物减排成效显著。1979—2016年期间火力发电量增长了17.5倍，单位发电量颗粒物排放强度下降了99.7%，颗粒物排放总量下降了94%。

中国电除尘技术水平已取得了长足的进步，尤其是自2014年燃煤电厂烟气超低排放实施以来，电除尘器的设计、制造能力及工程应用，均已达到世界先进水平。

1 燃煤电厂烟尘排放要求演变及排放特征

1.1 燃煤电厂烟尘排放要求演变

1973年，中国颁布了《工业“三废”排放试行标准》(GBJ 4—73)，首次以国家标准的方式对燃煤电厂大气污染物排放提出限值要求。该标准属于综合污染物排放标准，而专门针对燃煤电厂污染物提出限值要求的则是1991 年颁布的《燃煤电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—1991)，要求烟尘排放最低限值为150 mg/m3。此后国家分别于1996 年、2003年和2011 年对该标准进行了3次修订。从2003年开始，中国燃煤电厂烟尘排放的最低限值降到了50mg/m3;而到了2011年，进一步降至30mg/m3，重点地区为20 mg/m3。

2013 年12 月，浙江省出台了《浙江省大气污染防治行动计划(2013—2017年)》(浙政发〔2013〕59 号);2014 年1 月，广州市发布了《关于广州市燃煤电厂“趋零排放”改造技术方案及造价情况的报告》;2014 年8 月，山西省出台了《关于推进全省燃煤发电机组超低排放的实施意见》(晋政办发〔2014〕62 号)，均要求烟尘排放限值5 mg/m3;2014 年9 月和2015 年12 月，国家层面的《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)及《全面实施燃煤电厂超低排放与节能改造工作方案》(环发2015[164]号)相继颁布，要求烟尘排放限值10 mg/m3，超低排放政策在中国全面实施，并要求到2020 年，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310 g/(kW·h)(600 MW 级及以上机组，除空冷机组外，改造后平均供电煤耗低于300 g/(kW·h))。截至2017 年12 月，已有河北、上海、河南、浙江、山东5 个省市已出台或将出台超低排放地方强制性标准。中国燃煤电厂烟尘排放要求演变历程如图1 所示。

各国煤电烟尘排放限值由于限定条件、方式等不同，一般不能简单地进行对比，但典型机组在特定条件下，排放限值的对比能够体现不同国家对火电机组普遍性要求的差异。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223 —2011)规定的煤电烟尘排放限值已低于绝大多数国家和地区现行的排放标准。随着超低排放政策的全面实施，目前中国煤电烟尘排放要求与其他国家和地区排放要求相比已经处于领先水平。部分国家和地区燃煤电厂烟尘排放限值如图2 所示。

1.2 中国能源结构及燃煤电厂烟尘排放特征

中国的能源结构呈现“富煤、缺油、少气”的特征，在未来相当长时期内，以煤为主的能源供应格局不会发生根本性改变。根据中国电力企业联合会数据，作为煤炭消费大国，2016年中国煤炭消费量37.8 亿t，约占世界煤炭消费总量的50%。中国煤炭消费中用于发电的比例占49%，而美国和澳大利亚2014 年已有91%的煤炭用于发电，印度的煤炭发电也超过了70%。2016年国家《能源发展“ 十三五” 规划》( 发改能源[2016]2744 号)目标到2020年发电用煤占煤炭消费比重提高到55% 以上，中国电煤比例将进一步增加。超低排放下电煤平均排放颗粒物约0.21kg/t， 而农村生活散煤平均排放颗粒物约3.73kg/t，排放强度约为电煤的18 倍。

2005—2016年中国电煤消耗量、火电装机容量及煤电颗粒物排放量如图3 所示。

由图3 可知，2006—2016年，中国燃煤电厂颗粒物排放量呈现显著的下降趋势，2016 年排放量为35万t，相比于2006 年的390万t，减少了91.0%。2005—2016年， 火电装机容量逐年上升，2005 年火电装机容量为4 亿kW，2016 年为10.5 亿kW(其中煤电为9.5 亿kW)，增加了162.5%。2 0 0 5 — 2 0 1 3 年，电煤消耗量逐年上升，而后由于煤电年利用小时数下降、“上大压小”政策的实施、供电煤耗降低等原因，电煤消耗量逐年下降。此外， 单位火电发电量颗粒物排放强度由1979年的25.9 / ( k W · h ) 降至2016年的0.08g/(kW·h)，下降了99.7%，已达到世界先进水平。

由此可见，虽然近年来煤电发展迅速，但随着中国对燃煤电厂污染物排放管控加强，电除尘技术的高速发展、设备的大规模应用，燃煤电厂颗粒物排放得到了有效控制，成效显著。值得注意的是，中国近年来火力发电利用小时数持续减小，据中电联《2016 — 2017年度全国电力供需形势分析预测报告》，2016年火电设备利用小时降至4 165h，为1964年以来年度最低。机组低负荷运行已成为常态，在保证颗粒物排放达标的前提下，降低设备能耗将是后续研究重点。

2 燃煤电厂电除尘技术发展历程

中国环保产业为政策拉动型产业，随着国家标准和政策对燃煤电厂烟尘排放限值的要求越来越严，中国电除尘技术也经历了从无到有、飞速发展到成绩斐然的过程。自20世纪60年代开始对电除尘技术展开自主研发以来，已有五十多年的发展历史。从最早列为“七五”科技攻关项目，到浙江大学主持的“燃煤机组超低排放关键技术研发及应用”荣获2017 年度国家技术发明一等奖以来，中国各大院校、企业、研究院所等以省部级课题、国家“863”计划、国家重点研发专项(如“燃煤电站低成本超低排放控制技术及规模装备”课题4“高灰煤超低排放技术与装备集成及应用”)等形式对电除尘技术进行研究。中国燃煤电厂电除尘技术发展历程如图4 所示。

2.1 起步阶段(1960—1972年)

中国电除尘技术起步较晚，据相关资料，某水泥厂于20 世纪30 年代最早使用从美国进口的电除尘器， 用于物料回收。20世纪50年代初，化工制酸、有色冶金行业开始使用从苏联和东德进口的电除尘器。20世纪50 年代中期，已有燃煤电厂装备进口的电除尘器，但数量寥寥无几。钢铁行业在50年代末期开始使用从日本进口的电除尘器，主要用于烧结工序除尘。直到1960年，中国使用的电除尘器还不足60台。

事实上，中国电除尘技术研究于60年代才正式起步。1965年，原冶金工业部组织武汉安全环保研究院等单位，第一次对电除尘技术进行系统研究，主要针对包头钢铁公司烧结厂含有稀土成分的粉尘净化回收。历时2 年，采用试验研究与工程实际相结合的方式，深入了解电除尘器基本工作原理及其性能主要影响因素，并对优化其极配型式提出了建议。

截至1972年，电除尘器主要用于物料回收，在燃煤电厂等应用均较少，且大多数从国外进口。

2.2 提升阶段(1973—1990年)

1973年，联合国召开了环境保护大会，中国环保工作也提上日程，同年发布了国家标准首次对燃煤电厂大气污染物排放提出限值要求。自此，电除尘器除了用于物料回收，还被时代赋予了环境保护的使命。

20 世纪70年代，由原机械工业部、冶金部和建材部牵头完成了SHWB 系列3~60m2共9种规格的卧式电除尘器的设计。与此同时，原电力部将电除尘器确定为火电厂烟尘治理设备，这项决策对中国电除尘技术的发展起到了重大作用。1981年，由联合国计划开发署无偿援建25 万美元、中国投资135 万元人民币组建的诸暨电除尘器研究所正式成立，成为当时中国第一家电除尘器研究所，同年被原机械工业部正式确定为国家二类所，成为中国电除尘器的科研、试验、设计中心，先后设计、制造了6 项较大的专业试验装置。

从20世纪80年代起，中国企业开始从瑞典flakt、德国Lurgi、美国CE 等引进代表当时国际先进水平的电除尘技术，如1983 年，诸暨电除尘器厂和上海冶金矿山机械厂从瑞典flakt 公司引进了电除尘技术。80年代初期，中国首台300MW机组配套电除尘器在谏壁电厂投运，1984年，石横电厂300 MW机组电除尘器图纸被瑞典flakt公司技术专家审定为“接近flakt 公司设计水平”。而后，中国首台600MW机组配套电除尘器在平圩电厂一期机组投运，并达到设计要求，接着二期600 MW 机组配套电除尘器投运。电除尘技术获得突破性发展。

1984年，中国首次派代表团赴日本京都参加第二届国际电除尘会议(ICESP)，并在会议上作了主旨发言，引起世界广泛关注，中国学者、企业家获得了与国际学者接触的机会。1985年7月5日，中国环保工业协会电除尘委员会成立，1993年6月19日在此基础上组建了中国环保产业协会电除尘委员会，为中国电除尘技术进步和行业发展贡献了力量。

1986年， 电除尘课题被列入中国“七五”(1986—1990年)科技攻关项目，研究内容包括宽间距电除尘器、电源及控制技术、极配型式、烟气调质技术等。

截至1990 年，中国已基本掌握燃煤电厂电除尘技术，电力行业原应用的旋风除尘器、文丘里水膜除尘器、斜棒栅除尘器等由电除尘器取代而渐成主力设备，市场占有率达到30%，除尘效率为94.2%。

2.3 快速发展阶段(1991—2002年)

1991年，中国颁布了专门针对燃煤电厂污染物排放的标准，烟尘排放要求加严;同时中国大规模经济建设到来，燃煤电厂成为能源工业的主力军，其建设进入快速发展阶段，电除尘技术发展亦进入快车道。

中国为实现当时提出的“到2000年末，国民经济比1980年翻两番”的目标，必须大力发展能源工业。20世纪90年代初， 燃煤电厂建设加快，同时为提高发电效率，其机组容量向300 MW、600MW 等发展，所配套的电除尘器也向大型化发展。电力行业一跃成为电除尘器的第一大用户，燃煤电厂的电除尘器总量已占到中国总量的75%左右。与此同时，中国对燃煤电厂烟尘排放要求加严，电除尘技术快速发展。

1992年，中国电除尘器生产企业就已经超过100家，年产值将近10亿元。截至2002年，中国电除尘技术已接近国际先进水平，电除尘器的生产数量及使用数量均位列世界第一，基本确立了电除尘器大国地位。2000年燃煤电厂电除尘器市场占有率达到80%，除尘效率为98.0%。

2.4 再创新阶段(2003—2013年)

2003年、2011年，中国分别对燃煤电厂污染物排放标准作了修订，烟尘排放限值大幅下降，《火电厂大气污染物排放标准》(G B13223 —2011)要求烟尘一般排放限值为30mg/m3，特别排放限值为20mg/m3，又推动了电除尘技术的创新和进步，电除尘企业数量攀升，电除尘行业出现“百家争鸣、百花齐放”的局面，各种高效电除尘技术相继问世，如旋转电极式电除尘、电凝聚、机电多复式双区电除尘、离线振打、SO3烟气调质、新型高压电源等技术。旋转电极式电除尘技术可有效解决高比电阻粉尘收尘难的问题，最大限度减少二次扬尘，且增加电除尘对不同煤种的适应性;电凝聚技术可以用较小的代价实现烟尘(尤其是PM2.5)显著减排;机电多复式双区电除尘技术可抑制高比电阻粉尘下的反电晕;烟气调质技术，特别适用于灰尘高比电阻工况;高频电源可给电除尘器提供从纯直流到脉冲的各种电压波形，达到节能减排的效果;三相电源对于中、低比电阻粉尘，需要提高运行电流的场合，可以显著提高除尘效率。

值得一提的是，这一时期袋式、电袋复合除尘器等市场份额有所增加。20世纪初，随着内蒙古丰泰电厂200MW 电除尘器改造为袋式除尘器项目获得成功，燃煤电厂为满足新的烟尘排放标准，部分电除尘器改造为袋式除尘器或电袋复合除尘器，电除尘技术的主导地位受到挑战。2009 年，《火电厂大气污染物排放标准》(征求意见稿)出台之际，曾有人对电除尘器是否仍是中国烟尘治理的主流设备产生置疑，中国环保产业协会组织编制了《燃煤电厂电除尘器选型设计指导书》(2010年版)，并在行业内进行宣传。2010 年11月—2011年3月电除尘委员会用7 个整版在《中国环境报》上发表了有关中国电除尘行业的报道，2013年9月—10月电除尘委员会再次与《中国环境报》合作，先后用6 个整版在《中国环境报》上发表有关中国电除尘行业的报道。这些文章涉及电除尘一些最敏感、最关键的问题，分析了电除尘器达标排放的技术及经济性，扫清电除尘发展的舆论障碍，推动了行业健康发展。《电除尘器选型设计指导书》经多次修改、完善，对电除尘器性能影响因素进行了系统、深入的研究，对中国100多台套电除尘器实测结果进行了统计并分析，对中国200多种煤种进行分析及除尘难易性评价，进行了电除尘器适应性研究和经济性分析，提出了燃煤电厂电除尘器选型设计指导意见，认为电除尘器仍是中国烟尘治理领域满足新标准要求的主流设备，并得到了业内的广泛好评。

中国也积极实施标准化战略，大力推进标准和标准体系建设。特别是2003年以来，建立了国标和行标相结合、协调发展、相对完善的电除尘标准体系，如环保机械行业建立了以3项国家标准、43项行业标准构成的电除尘标准体系，极大地提升了电除尘行业技术水平及管理水平。

2010年燃煤电厂国产电除尘器市场占有率达到95%，2013年虽然下降至80%，但仍保持主导地位。2013 年中国电除尘器生产企业超200 家，销售收入约140亿元，出口额约21 亿元，中国电除尘行业已成为环保产业中能与国外厂商相抗衡且具竞争力的一个产业。