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燃煤电厂典型除尘器运行现状分析及优化

2022-12-21 11:41来源:中国电力作者:孙尊强 郑成航 等关键词:燃煤电厂火电技术火电收藏点赞

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燃煤电厂典型除尘器运行现状分析及优化

来源:微信公众号“中国电力”

孙尊强1,2,3, 郑成航2, 周灿2, 王圣1, 马修元3, 叶毅科3

(1. 国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室,江苏 南京 210031; 2. 浙江大学,浙江 杭州 310027; 3. 国电环境保护研究院有限公司,江苏 南京 210031)

摘要:调研分析72家燃煤电厂配套的287台不同类型除尘器的运行现状及存在问题,并针对不同类型除尘器给出了相应的优化提效建议:通过干式电除尘器不同电场的振打频度调整、降压振打优化和电源智能控制优化等措施实现节能提效;通过低低温电除尘器多尺度、多场耦合模拟试验,合理布置导流构件解决低温省煤器段的磨损、积灰等问题;通过袋式除尘器气流分布优化和智能调控解决袋式除尘器易糊袋、破袋和能耗高等问题;通过湿式电除尘器极配型式优化提升其运行稳定性,减少电场闪络频繁的现象。

引文信息

孙尊强, 郑成航, 周灿, 等. 燃煤电厂典型除尘器运行现状分析及优化[J]. 中国电力, 2022, 55(11): 194-201.

SUN Zunqiang, ZHENG Chenghang, ZHOU Can, et al. Operational status analysis and optimization suggestions of typical dust collectors in coal-fired power plants[J]. Electric Power, 2022, 55(11): 194-201.

引言

2012年1月,《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)开始实施,要求一般地区和重点区域燃煤机组烟尘排放浓度分别为30 mg/m3和20 mg/m3,为满足排放标准要求燃煤机组开始新建或改造除尘设施[1]。为进一步改善环境空气质量,2015年12月,《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》(环发〔2015〕164号)要求燃煤电厂烟尘排放浓度不高于10 mg/m3,明确了典型区域完成超低排放改造的时间[2]。截至2020年年底,达到超低排放限值的煤电机组约9.5亿kW,约占全国煤电总装机容量的88%,实现了燃煤机组颗粒物等烟气污染物的大幅减排,取得良好的社会环境效益[3]。然而“双碳”背景下,除尘设施在满足超低排放要求的同时逐渐暴露出能耗高、积灰磨损故障、负荷波动频繁导致颗粒物排放浓度波动大等问题,所以针对不同除尘设施的运行状况开展深入研究[4-6],对其进行挖潜、提效、节能降耗,具有非常广阔的应用前景和重要意义。

燃煤电厂除尘设施主要包括干式电除尘器、低低温电除尘器、袋式除尘器和湿式电除尘器[7-8]。干式电除尘器受煤质、流场分布和电晕性能的影响较大,在长时间运行下粘性颗粒物堆积造成极板极线积灰严重,使颗粒物的脱除效率降低[9-11]。低低温电除尘器通过将烟气中的SO3冷凝成硫酸雾滴并附着在颗粒表面,可通过降低粉尘层比电阻,提高击穿电压和二次电流,从而提高除尘效率。然而,由于烟气中硫酸蒸汽易在低温省煤器管壁上凝结并黏附飞灰,长时间运行下设备阻力增大[12-14]。袋式除尘器处理烟气量大,对于高浓度高比电阻粉尘有较好的脱除效果,然而其受滤料温度适应性和抗腐蚀性影响,长时间运行下易出现破袋、糊袋等现象,进而导致阻力急剧增大,维修成本较高[15-17]。湿式电除尘器由于水膜的冲刷作用可有效避免颗粒的二次扬尘和反电晕,提高了细颗粒物的脱除效率,近年来在中国燃煤电厂获得了推广应用[18-20]。

为进一步掌握各种除尘设施长时间运行后出现问题的原因,选取287台燃煤机组配套的干式电除尘器、低低温电除尘器、袋式除尘器、电袋复合除尘器和湿式电除尘器,对其运行情况开展调研,并提出针对性建议,以便进一步提升燃煤机组除尘装置运行效益,对满足高效、安全、环保要求及实现颗粒物达标排放具有重要意义。

1 调研基本情况

1.1 机组规模

本次共调研72家燃煤电厂186台机组的287台除尘设施运行情况,其中300 MW及以下机组占比43.55%,600 MW等级机组占比46.77%,1000 MW等级机组占比9.68%,机组容量和台数占比分布如图1所示。

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图1 调研机组台数及容量占比分布

Fig.1 The distribution of the number of investigation units and the proportion of capacity

1.2 除尘设施配置情况

本文调研燃煤电厂烟囱排口颗粒物排放浓度为0.12~7.01 mg/m3,平均为3.32 mg/m3,均可稳定满足烟尘超低排放要求。采用的除尘超低排放技术路线主要有2种:一是低低温电除尘器/超净电袋除尘器/袋式除尘器+脱硫协同除尘,占比45.7%;二是干式电除尘器+脱硫协同除尘+湿式静电除尘器,占比54.3%。

调研除尘设施中涵盖150台电除尘器(其中70台低低温电除尘器,80台干式电除尘器),19台电袋除尘器,17台袋式除尘器;在常规除尘后,有101台机组安装了湿式静电除尘器。其中,有部分电厂提供的除尘器技术参数不全,故具体问题分析中样本数量略少于总台数。

其中80台干式电除尘器极配型式为:BE板(14台)通常配置针刺阴极线,极板极线采用顶部振打;480 C、C型阳极板的阴极线采用RSB和RS芒刺线,部分末端电场配置了螺旋型阴极线,极板极线振打全部采用侧部振打;ZT-24型板(3台)配置针刺阴极线,极线采用侧部振打,极板采用顶部振打。

19台电袋除尘器中过滤风速为0.99~1.14 m/min,平均过滤风速为1.08 m/min;17台袋式除尘器中,过滤风速为0.89~1.056 m/min,平均过滤风速为0.95 m/min,符合《火力发电厂烟气袋式除尘器选型导则》(DL/T 387-2019)中关于出口烟尘浓度不大于20 mg/m3时对过滤风速的规定。对16台机组的滤袋滤料形式进行调研,2台采用PTFE覆膜滤料,8台采用PPS滤料,6台采用PPS+PTFE覆膜滤料。

101台湿式静电除尘器中,68台采用立式布置,33台采用卧式布置。卧式湿式电除尘器中有17台采用芒刺线放电电极,16台采用鱼骨/管状针刺型放电电极;收尘极板全部为金属板式。导电玻璃钢管式湿式电除尘器均采用立式布置,收尘极板全部采用导电玻璃钢阳极管,2台采用铅锑合金软性阴极线放电电极,33台采用芒刺线放电电极,26台采用鱼骨/管状针刺型放电电极。采用立式布置的7台金属管式湿式电除尘器,收尘极板全部采用金属阳极管,2台采用芒刺线放电电极,5台采用鱼骨/管状针刺型放电电极。

2 除尘器存在问题及改进建议

2.1 干式电除尘器

2.1.1 运行存在问题

80台干式电除尘器中有66台干式电除尘器受燃煤灰分、流场分布和上游SCR脱硝氨逃逸等因素影响,极板极线存在不同程度的积灰现象,其中极线积灰较为明显,如图2所示。常规振打方式难以有效清除积灰,极线被粘度大的灰包裹,放电效果差进而导致颗粒物难以有效荷电;同时前部电场极线普遍出现磨损,部分极线开焊松动、变形或断裂等问题。同时阴极线作为电除尘器的核心部件,在高电压运行过程中可能发生电场闪络和拉弧,每次闪络和拉弧对阴极线造成一次电火花腐蚀。振打时阴极线不断振动,因此阴极线在长期运行后也可能因疲劳而发生断裂,当一根阴极线断裂就会落下造成短路,导致一个供电分区停运。

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图2 干式电除尘器阴极线常见问题

Fig.2 Common problems of cathode line of dry electrostatic precipitator

阴阳极上严重积灰会造成异极距变小,导致二次电流偏高、不规则变动,二次电压无法上升,放电火花异常且多,电场严重闪络。阴极线折断后,残余部分晃动导致二次电流周期性变动;极板极线晃动,产生低电压下严重闪络。

调研结果显示,现有电除尘器普遍存在控制调节方式相对简单,未能根据工况变化(烟气量、比电阻、烟气温度变化)自动调整运行参数和运行方式,电除尘能耗较高等问题。

2.1.2 优化建议

某330 MW机组配套双室4电场电除尘器(前3电场高频电源、末电场脉冲电源),烟尘排放浓度设计值为20 mg/m3,采用长周期振打方式,已运行6年以上,由于振打频率和方式设置不合理导致振打装置磨损、轴承、垂头脱落现象较多,极板极线积灰严重,并伴有二次扬尘,进而影响除尘效率。为解决上述问题,开展电除尘器振打频率调整优化、降压振打和电源智能控制优化研究。

(1)不同电场振打频度调整。

干式电除尘器在运行过程中振打启动必须满足以下条件:同1个电场的阴阳极不能同时振打;2个相邻电场的阳极不能同时振打;振打力度(振打锤加速度)符合设计要求。因此,调整振打时序并降低振打频度以减缓振打装置磨损、减少二次扬尘。

针对该干式电除尘器振打系统出现磨损严重,轴承、垂头脱落的问题,对不同电场阴极系统采用不同阴极振打频度。针对第1和第2电场收集的灰量较多,当大幅降低第1和第2电场阳极振打频度后电场火花率上升,因此第1和第2电场振打频度采取小幅度下降。第3和第4电场灰量较少的运行场景采取大幅降低第3、第4电场阳极的振打频度,频度降低后,电场二次电流、电压正常,没有引起火花率上升,且有效抑制了二次扬尘,除尘器运行稳定。

(2)降压振打优化方法。

传统的干式电除尘器振打方式是与电场加压同时进行的,吸附在电晕线和收尘板上的粉尘在受到振打力的同时还受到极强的电场吸附力,即使加强振打强度和频度,吸附在极板、极线上的粉尘也不易脱落,长时间积累造成电晕线肥大、收尘板积灰严重,影响电晕电流和工作电压,致使除尘效率降低。当加大振打强度和频度,易导致粉尘二次飞扬,同时也容易造成振打砧塌陷等缺陷。降压振打是在电场运行过程中降低电场阴阳极间的电压,粉尘的附着力减弱,当电场进行振打清灰时,容易将粉尘振落,提高清灰效果。

(3)电源智能控制优化方法。

根据锅炉负荷、烟尘排放等关键参数,自动调整高频电源及低压系统运行,实现无人值守、自动调控的电除尘器智慧除尘技术,在变负荷、变煤质等工况条件下,系统能够自动定位颗粒物排放最佳值和电源能耗最低值的平衡点,并维持运行状态的动态稳定,杜绝因人为操作差异出现颗粒物超标、高能耗等问题。

某300 MW机组,在确保出口排放达标的前提下,电源智能控制优化后电除尘高压系统总能耗保持在350~650 kW自适应调整,日平均能耗功率约为450 kW,与优化之前始终保持600 kW左右运行相比较,系统节能约25%。

2.2 低低温电除尘器

2.2.1 运行存在问题

调研的70台低低温电除尘器中,34台低温省煤器段运行正常,而有36台低温省煤器段管件出现不同程度堵灰、磨损、腐蚀和泄露等现象。管件磨损严重的低温省煤器,对应机组收到基灰分在26%~31%之间,高浓度的飞灰不间断冲刷导致管件磨损加重。管件磨损导致管件防腐层被破坏进而导致管件腐蚀。管件磨损和焊接部位在交变应力作用下开裂导致管件泄漏。堵灰管件附着灰样中含有大量硫酸氢铵,源于脱硝系统喷氨过量引起。同时低温省煤器段存在积灰的低低温电除尘器出现极板极线积灰、磨损断裂现象,部分电场出现闪络现象。

对61台低温省煤器进出口烟温分析,结果如图3所示。其中低温省煤器进口运行烟温为110 ~164 ℃,出口烟温为85~117 ℃,低温省煤器进出口烟温差为10 ~65 ℃。《电除尘器》(GB/T 40514-2021)建议燃用中低硫煤时,低低温电除尘器入口即低温省煤器出口烟气温度一般为90 ±5 ℃,调研样本中约57%的低低温电除尘器入口烟气温度高于此推荐值,进一步分析其原因,是因为换热水流速设置不合理导致烟气温降超出设计值。

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图3 低温省煤器进出口烟温分布

Fig.3 The distribution of flue gas temperature at the inlet and outlet of the low temperature economizer

61台低温省煤器设计与实际运行阻力如图4所示,其中24台低温省煤器(占比39%)运行阻力超出设计要求,阻力在280~1150 Pa,运行阻力超设计阻力的比例为12%~160%。对运行阻力超出设计值的24台低温省煤器的吹灰方式、燃煤硫分和烟气流速展开分析,其中79.2%的机组采用蒸汽吹灰,16.7%的机组采用蒸汽+声波吹灰,4.1%的机组采用声波+压缩空气吹灰。其中,37.5%的低温省煤器烟气流速大于10 m/s,不符合《低温省煤器技术条件(JB/T 13410-2018)》中低温省煤器烟气流速宜在6~10 m/s范围内的建议;54.2%的机组燃煤收到基硫分为1.44%~3.61%,较高的燃煤硫分会导致烟气中SO3浓度较高,当低低温省煤器换热翅片温度低于酸露点时,SO3酸雾在翅片表面冷凝,翅片表面的飞灰流动速度较慢,与SO3酸雾反应后产生黏性积灰,包覆在翅片表面,进而导致6台机组的低温省煤器仅运行2个月后出现积灰堵塞情况,压差逐渐增大。综合以上调研分析,导致低温省煤器运行阻力偏大的原因包括换热翅片黏性积灰、吹灰方式设置不合理、烟气流速设计较低或机组长期处于低负荷引起积灰等。现有管壳式翅片管结构的低温烟气换热器在应用实践中暴露出换热管束及翅片磨损、管内冷却水向烟气中泄漏造成低温省煤器积灰堵塞,甚至进入电除尘等下游设备的突出问题,严重影响机组安全运行。

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图4 低温省煤器设计与运行阻力

Fig.4 Design and operating resistance of the low-temperature economizer

针对某330 MW燃煤机组配套低低温电除尘器,调取连续运行48 h的机组负荷和低低温电除尘器出口颗粒物浓度进行分析,结果如图5所示。机组负荷在176~350 MW波动,低低温电除尘器出口颗粒物浓度在15.4~89.9 mg/m3波动,约75%的时间超出了低低温电除尘器出口颗粒物浓度≤20 mg/m3的设计值。

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图5 机组负荷波动对低低温电除尘器效果影响

Fig.5 Influence of unit load fluctuation on the effect of low and low temperature electrostatic precipitator

2.2.2 运行优化建议

针对低低温电除尘器中低温省煤器段的磨损、积灰等问题,建议从“空气预热器”至“引风机”入口建立全流程模型,烟道内导流板、进口封头导流叶片、阳极板、灰斗挡风及出口槽形板等均按1∶ 1实体建模,采用高质量的网格化技术,进行全流程数值模拟试验,优化导流措施,可有效优化流场,减少磨损和积灰情况的发生。建议新增低温省煤器的电厂,要求厂家建立低温省煤器即烟气冷却器实体模型,对电除尘器进行全流程和分体相结合的多尺度、多场耦合模拟试验,实现流场、温度场和浓度场等多场均布。

经计算,某600 MW低低温电除尘器进入静电除尘器各室流量偏差为±1.50%,符合《电除尘器气流分布模拟试验方法》(JB/T 7671-2017)的规定,远优于标准规定的±5%要求值。低低温电除尘器烟道布置导流装置后,烟道内流场明显改善,颗粒相的惯性作用影响减小,各粒径段颗粒相偏差明显减小。在流场方面,合理的烟道结构和导流板布置,能实现良好的气流分布,减少压降。在颗粒场方面,可以改善烟道弯头处颗粒运动轨迹杂乱、回流等问题,减缓局部磨损,提高设备使用寿命,使进入静电除尘器各室各粒径段颗粒偏差明显减小。在温度场方面,采用低温省煤器实体模型,在烟气参数不变的条件下,对不同换热水流速进行换热特性分析,按其换热效果绘制换热水流速-温降曲线,选取合适的换热水流速,可指导工程节能经济运行。

2.3 袋式除尘器

2.3.1 运行存在问题

袋式除尘器工作原理为过滤式,刚投运的袋式除尘器具有较高的除尘效率和可靠性,但随着袋式除尘器的运行时长增长,沾灰、阻力增加、破损问题会逐渐出现,如图6所示,其中滤袋破损问题最为常见。

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图6 滤袋存在的主要问题

Fig.6 Main breakdown in bag filtration

结合现场运行数据发现,当电袋除尘器和布袋除尘器的袋区发生滤袋破损,就会导致除尘器出口颗粒物浓度排放超出设计值,进而影响整个系统的排放浓度,难以稳定满足排放要求,需要及时进行更换。

分析数据发现,存在糊袋的袋式除尘器运行温度低于酸露点温度导致水蒸气冷凝结露,同时除尘器本体密封不严从外界吸入大量的水蒸气,使滤袋受潮糊袋,并且由于清灰系统采用定时差压运行方式难以有效清灰,最终造成除尘器压差急剧上升[21]。

调研袋式除尘器中阻力最高达2100 Pa,超出行业标准规定的1500 Pa,进一步分析其原因,所用滤袋滤料为100%PPS(迎尘面加部分超细PPS纤维和PTFE纤维混纺)滤袋材质,透气性一般,存在滤袋粘灰糊袋现象导致除尘器阻力偏大,进而导致能耗偏高。

2.3.2 运行优化建议

针对袋式除尘器阻力偏高的问题,可通过气流分布技术、滤袋清灰技术来加强运行阻力控制,提高滤袋寿命等来提高其核心性能,降低故障率;同时针对滤袋滤料建议优选PTFE 基布+PPS 纤维+超细PPS 纤维的梯度滤料,其中超细纤维布置于迎尘面,形成梯度滤料结构,同时优化滤袋加工工艺、优化滤料纤维之间分层结构、改变滤袋加工针尖大小、缝线针孔采用涂胶密封等,有效提高滤料过滤精度。针对电袋除尘器运行能耗偏高问题,应采用电袋除尘器智能调控技术,综合考虑空间电荷、极板积灰、离子风、二次扬尘等多种影响因素,通过调整电场二次电压、二次电流、袋式除尘器脉冲阀等参数协同控制电袋除尘器能耗,保证颗粒物浓度达到国家标准的同时节约用电量。某130 t/h燃煤热电机组,采用原DCS控制时电袋除尘器平均能耗为45.61 kW·h/t,采用智能调控时电袋除尘器平均能耗为32.35 kW·h/t,能耗下降约29.1%。

2.4 湿式电除尘器

2.4.1 运行存在问题

调研样本中73台湿式电除尘器运行正常,受设计及运行管理的影响,28台湿式电除尘器存在不同程度的问题,如设备或材料缺陷导致放电电极变形甚至断线、绝缘瓷瓶漏电、壳体防腐脱落等;同时湿式静电除尘器在高浓度细颗粒物(PM0.1)>30 mg/m3条件下,易发生由于颗粒空间电荷作用而导致二次电流快速下降,即电晕封闭;运行管理不善导致电场闪络、电场电压不稳、放电电极和收尘极板积灰等,其中存在问题的湿式电除尘器中约54%出现频繁的“电场闪络”现象,甚至短路。

调研分析出现“电场闪络”主要有以下原因:极线施工安装精度不高和固定方式不合理造成松动等导致放电极与收尘极间距局部变小,极板变形或有异物导致运行电压低,导致严重闪络而跳闸;绝缘瓷瓶性能下降,在低电压下闪络严重。针对湿式电除尘器的电场闪络问题,需要加强运行维护,停机期间清除异物,调正极线,控制极间距以保证放电电压。针对电晕封闭问题,电除尘器设计更换时优先推荐采用高强度电晕放电的针刺形放电电极,强化颗粒荷电迁移过程的正常进行,进而缓解电晕封闭现象。

导电玻璃钢湿式静电除尘器阳极管采用非金属复合材料,以及防腐普遍采用的增强聚丙烯(FRPP),这些材料遇到点火源有引发火灾的风险,工程实践中也曾出现多起火灾安全事故。湿式电除尘器着火原因可能为:一是施工期间特别是防腐阶段,内部未做安全措施违规动火施工,火星或焊渣引燃FRPP等易燃材料;二是空升调试期间,电场有短路情况,未按安全操作步骤排查故障,强行多次尝试空升操作导致引燃玻璃钢阳极。

2.4.2 运行优化建议

针对湿式电除尘器防火需求,建议采用阻燃材料、施工杜绝违规动火、运行严守操作规程、检维修和拆卸等环节做好相应防范措施,有效避免火灾事故。“电场闪络”现象可通过加强运行维护,控制极间距以保证放电电压。采用螺栓固定连接的刚性阴极线方法可较好地解决此类问题。

针对某电厂2×300 MW机组分别配套了一台湿式静电除尘器,如图7所示,1号机组湿式静电除尘器配置铅锑合金软性放电电极,放电电极采用缠绕固定方式;2号机组湿式静电除尘器配置2205刚性芒刺放电电极,放电电极采用螺栓固定方式。长期运行结果表明,相比1号机组湿式静电除尘器,2号机组湿式静电除尘器极间距稳定,无频繁电场闪络现象,运行电压提高了24%,颗粒物浓度下降了43.3%[22]。

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图7 某电厂不同形式湿式电除尘器放电电极形式

Fig.7 Different types of discharge electrode forms for different wet ESPs in a power plant

3 结论

在颗粒物超低排放改造过程中,需根据煤种工况、原除尘设备情况选择改造技术路线。燃煤条件好、原除尘设备性能好的电厂,多采用低低温电除尘为核心+脱硫协同路线;燃煤条件较差、原除尘设备容量不足的电厂,多采用干式电除尘器改造(电源升级、电袋改造等)+脱硫协同除尘+湿式静电除尘器为核心的技术路线,这2种技术路线经实践证明均能稳定实现颗粒物超低排放。

(1)针对干式电除尘器,通过规范运行管理、提高检修质量等措施,实现颗粒物满足超低排放要求;针对极板极线积灰严重,并伴有二次扬尘导致排放超标的机组,可通过振打频率调整优化、降压振打等实现稳定运行;针对运行能耗高的问题,可通过电源智能控制优化实现节能提效。

(2)针对低低温电除尘器,长时间运行后低温省煤器段管件堵塞腐蚀严重,建议对低低温电除尘器进行全流程和分体相结合的多尺度、多场耦合模拟试验,合理布置导流构件解决低温省煤器段的磨损、积灰等问题。

(3)针对袋式除尘器阻力偏高,可通过气流分布技术、滤袋清灰技术和选择合适滤料等降低运行阻力,提高滤袋寿命,减少故障率。针对电袋除尘器运行能耗偏高问题,可通过智能调控技术实现节能提效运行。

(4)针对湿式电除尘器“电场闪络”频繁现象,可通过稳定极间距及极配型式优化实现湿式电除尘器的提效。

作者介绍

孙尊强( 1982—),男,博士研究生,高级工程师,从事电力环境保护设计研发工作,E-mail:sunzunqiang@126.com.

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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