低低溫電除塵器技術(shù)及應(yīng)用

邵 媛，徐勁松

（華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)中心，濟(jì)南 250014）

低低溫電除塵器技術(shù)及應(yīng)用

邵 媛，徐勁松

（華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)中心，濟(jì)南 250014）

低低溫電除塵技術(shù)通過(guò)降低煙溫、減少煙氣體積流量、降低飛灰比電阻提高除塵效率，并且可除去煙氣中大部分SO3。從低低溫電除塵技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)、存在的問(wèn)題及解決方案等改造關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討，具體分析某330 MW機(jī)組低低溫電除塵器改造案例，為環(huán)保改造及技術(shù)研究提供參考。

低低溫電除塵器；低溫腐蝕；積灰；磨損；超低排放

1 概述

低低溫電除塵器由20世紀(jì)90年代末興起，之前在日本應(yīng)用較多，與傳統(tǒng)電除塵器相比，其兼具提高除塵效率、去除SO3等多種污染物和節(jié)能的效果。隨著我國(guó)環(huán)保政策日益嚴(yán)格，和對(duì)設(shè)備能耗水平要求越來(lái)越高，低低溫電除塵器已越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)燃煤電廠環(huán)保設(shè)施升級(jí)改造。

低低溫電除塵器由低溫?fù)Q熱器和電除塵器組成。該技術(shù)是在電除塵器上游設(shè)置換熱元件，使電除塵器入口煙溫降低至酸露點(diǎn)（90℃）左右，降低了粉塵比電阻，提高電除塵器除塵效率。回收的熱量可用于再加熱進(jìn)入煙囪的煙氣，防止煙囪腐蝕，也可用于加熱鍋爐補(bǔ)給水或汽機(jī)凝結(jié)水，換熱采用的媒介是水。該方案主要有兩種工藝路線［1］，如圖1所示。

路線①為從空預(yù)器出來(lái)的熱煙氣通過(guò)換熱裝置加熱汽機(jī)低加來(lái)的水，汽機(jī)冷凝水得到額外的熱量后與主凝結(jié)水匯合，這樣可以減小汽機(jī)冷凝水在低加回路系統(tǒng)中所消耗的抽汽量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

圖1 低低溫電除塵器技術(shù)工藝路線

路線②有兩級(jí)換熱器，第一級(jí)為煙氣冷卻器，布置在空預(yù)器之后、除塵器之前，降低排煙溫度，并可利用鍋爐排煙余熱加熱凝結(jié)水；第二級(jí)為煙氣再熱器，布置在脫硫塔之后、煙囪之前。兩級(jí)換熱器通過(guò)水對(duì)煙氣進(jìn)行換熱，通過(guò)水循環(huán)，可以將脫硫塔出來(lái)的煙氣再加熱到80℃左右，不僅可以防止煙囪酸腐蝕，還可以滿足煙氣擴(kuò)散對(duì)煙溫的要求。

2 低低溫電除塵器存在的問(wèn)題及解決措施

2.1 低溫腐蝕問(wèn)題

低低溫電除塵器最突出的問(wèn)題是低溫腐蝕問(wèn)題。由于煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下，SO3在換熱器及電除塵器中冷凝，形成具有腐蝕性的硫酸霧。雖然大部分硫酸霧會(huì)吸附在煙塵上，但也有相當(dāng)一部分吸附在換熱管壁、除塵器極板、極線、灰斗上，對(duì)這些設(shè)備造成酸性腐蝕，因此低低溫電除塵器對(duì)設(shè)備防腐性能要求很高。當(dāng)煙氣中水蒸氣含量一定時(shí)，酸露點(diǎn)溫度隨SO3濃度的增加而上升，因此燃用高硫煤的機(jī)組低溫腐蝕問(wèn)題更嚴(yán)重。低溫腐蝕不可避免，但可以采取一定的措施控制其低溫腐蝕速率。主要有選擇合理的換熱煙溫及選擇合適的耐腐蝕材料2種手段。

2.1.1 選擇合理的換熱煙溫

根據(jù)有限腐蝕理論，在金屬壁面溫度低于煙氣酸露點(diǎn)時(shí)，存在2個(gè)低腐蝕速率區(qū)域。如圖2所示，金屬壁溫在酸露點(diǎn)以下約20～45℃至酸露點(diǎn)的區(qū)域I以及水露點(diǎn)以上至約120℃的區(qū)域II，屬于低腐蝕速率區(qū)域［2］。由于實(shí)驗(yàn)條件中氣體中飛灰含量、硫酸霧含量、水蒸氣含量等與電廠實(shí)際運(yùn)行中參數(shù)有很大不同，這些溫度參數(shù)只能作為參考，但至少說(shuō)明了在酸露點(diǎn)溫度之下，金屬腐蝕存在兩個(gè)低速區(qū)域。由于區(qū)域2的低速腐蝕區(qū)域溫度較低，確定難度大，風(fēng)險(xiǎn)較高，而且低溫下易生成粘性灰粘附在受熱面表面，目前比較廣泛地是采用在區(qū)域1中選擇一個(gè)合理的溫度，即選擇一個(gè)比酸露點(diǎn)稍低的溫度，該溫度為低低溫?fù)Q熱器的出口煙溫，在此之前，煙氣溫度都大于該溫度，保證受熱面的腐蝕速率最小。

圖2 金屬腐蝕速率與壁溫之間的關(guān)系曲線

但是目前并沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算酸露點(diǎn)的公式，電力行業(yè)應(yīng)用較多的是蘇聯(lián)73版標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》中的經(jīng)驗(yàn)估算公式，但該公式并沒(méi)有反映二氧化硫轉(zhuǎn)化成SO3后對(duì)酸露點(diǎn)的影響［3］，由于電廠加裝脫硝后煙氣中SO3含量增加1倍左右，因此，酸露點(diǎn)也會(huì)提高。目前，在低低溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用較多的是90℃，這主要是沿用日本的設(shè)計(jì)，一是考慮溫度應(yīng)設(shè)置在酸露點(diǎn)之下，保證SO3結(jié)露并被飛灰吸附，另一方面，考慮在該溫度下，金屬腐蝕速率處于低腐蝕速率區(qū)域。但煤質(zhì)不同，煙氣中SO3含量及水蒸氣含量不同，其酸露點(diǎn)也不同，設(shè)計(jì)溫度也應(yīng)不同，因此燃用高硫煤的機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將煙氣換熱溫度提高一些。

2.1.2 選擇合適的耐腐蝕材料

不銹鋼的品種眾多，它們因合金化元素的含量不同而具有不同水平級(jí)別的耐腐蝕性和強(qiáng)度［4］。目前在火電廠低溫?fù)Q熱設(shè)備中常用的有304鋼、ND鋼、316L鋼、2205鋼，它們的抗腐蝕特性見(jiàn)表1，通常根據(jù)煙氣溫度、成分、造價(jià)等條件選擇合適的不銹鋼材料。

表1 常用不銹鋼材料的耐腐蝕特性比較

低低溫?fù)Q熱器低溫段及再熱器內(nèi)部溫度較低，極易產(chǎn)生低溫腐蝕，并且隨煙氣流動(dòng)方向，溫度也不同，因此，需要根據(jù)煙氣溫度區(qū)域設(shè)計(jì)不同等級(jí)的防腐材料。目前，應(yīng)用較多的有ND鋼及以上等級(jí)的鋼材。

由于硫酸霧粘附在飛灰上沉積到灰斗中，對(duì)灰斗也產(chǎn)生一定的腐蝕作用，因此需要考慮灰斗的腐蝕問(wèn)題。在灰斗下部?jī)?nèi)襯不銹鋼板可以解決灰斗腐蝕問(wèn)題，也有使用下部灰斗焊接ND鋼的結(jié)構(gòu)形式，后者不容易產(chǎn)生脫落問(wèn)題，但焊接金屬防腐等級(jí)不應(yīng)低于灰斗材料。

在人孔門(mén)處容易漏風(fēng)，由于漏風(fēng)溫度低，容易使酸結(jié)露，因此人孔門(mén)及周?chē)? m范圍內(nèi)的煙氣接觸面應(yīng)為不銹鋼材料，防止低低溫狀態(tài)下的腐蝕。

陰極線宜選用不銹鋼材質(zhì)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性因素，目前陰極線通常采用316L以上不銹鋼芒刺線，這也是性價(jià)比較高的結(jié)構(gòu)形式［5］。

2.2 飛灰特性改變

煙氣溫度降低，粉塵比電阻降低，其吸附在陽(yáng)極板上的吸附力降低，振打時(shí)二次揚(yáng)塵加劇，會(huì)降低除塵效率。因此低低溫電除塵器可以考慮同高頻電源、旋轉(zhuǎn)電極組合使用，將一、二電場(chǎng)的工頻電源改為高頻電源、對(duì)其他電場(chǎng)的電源控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)、同時(shí)末級(jí)電場(chǎng)清灰采用旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)，可以最大程度提高除塵效率。

由于SO3大量粘附在粉塵上，灰斗收集下來(lái)的灰的流動(dòng)性變差，卸灰難度增加。為保證卸灰完全，灰斗卸灰角度需大于常規(guī)設(shè)計(jì)?；叶窞榉乐挂蚪Y(jié)露引起堵塞，不僅需要較好的保溫，還需有大面積的蒸汽加熱或電加熱。

2.3 低低溫?fù)Q熱器積灰及磨損

由于低低溫?fù)Q熱器的受熱面壁溫低于酸露點(diǎn)溫度，受熱面上形成的硫酸液滴會(huì)捕捉煙氣中的粉塵，粉塵中含有CaO、Al2O3、Fe3O4等堿性氧化物。這些堿性氧化物和硫酸反應(yīng)形成具有粘結(jié)性的硫酸鹽，其形成機(jī)理如式（1）、式（2）、式（3）所示，在受熱面上形成低溫粘結(jié)灰。低溫粘結(jié)灰將繼續(xù)捕捉煙氣中的粉塵，使受熱面積灰加劇，甚至引起受熱面堵塞［6］。

式中：x、y為不同條件下生成的聚合物的氧化物組成比例。

應(yīng)對(duì)低溫粘結(jié)灰的措施，首要是控制受熱面壁溫，減少硫酸蒸汽在受熱面上的凝結(jié)。國(guó)外的鍋爐制造廠對(duì)于煤粉爐根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出，管式空預(yù)器受熱面最低允許壁溫與燃煤硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線如圖3所示［7］。因此，對(duì)于煤質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜2%時(shí)，只要將最低運(yùn)行壁溫控制在70℃以上，受熱面積灰就較輕。

對(duì)于再熱器，煙氣經(jīng)過(guò)脫硫塔后攜帶一部分石膏液滴，大部分石膏液滴會(huì)沉積在再熱器的換熱表面，烘干后會(huì)形成致密的石膏板結(jié)層，影響換熱效率，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)受熱面堵塞。因此設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮在再熱器的入口段采用部分裸管錯(cuò)列布置，這種錯(cuò)列布置可以攔截石膏液滴，并且以犧牲裸管的方式來(lái)保護(hù)后續(xù)的換熱管組。

圖3 管式空預(yù)器受熱面最低允許壁溫與燃煤硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線

在鍋爐系統(tǒng)的受熱面中，都不同程度存在飛灰磨損問(wèn)題。工程實(shí)踐中防止低低溫?fù)Q熱器受熱面磨損的措施主要有：采用防磨損性能良好的H型翅片管、順列布置；降低煙速；在管組的迎風(fēng)面加裝假管。將H型翅片管組順列布置并使其排列方向與煙氣流動(dòng)方向平行，翅片之間形成許多平行的通道。H型翅片起整流作用，使煙氣在這些通道中呈有序流動(dòng)，以減輕磨損。這是目前絕大部分低低溫?fù)Q熱器受熱面采用H型翅片管的主要原因。

3 低低溫電除塵器應(yīng)用

根據(jù)國(guó)家環(huán)保要求，某臺(tái)330 MW機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，除塵技術(shù)路線確定采用電除塵高效電源改造，并在除塵器前端加裝低溫?fù)Q熱器，同時(shí)在脫硫塔后加裝煙氣再熱器（MGGH）提升煙氣溫度，降低煙囪腐蝕。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

電除塵器采用雙室五電場(chǎng)；設(shè)計(jì)煤種收到基硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.02%，入口粉塵質(zhì)量濃度為33.223 g／m3，SO3質(zhì)量濃度為249.7mg／m3，煙氣灰硫比為133。改造后低溫?fù)Q熱器出口（即電除塵入口處）煙溫不大于90℃，MGGH出口（即煙囪入口處）煙溫不小于75℃。設(shè)計(jì)電除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度不大于20 mg／m3，通過(guò)吸收塔的除塵作用，能夠降低煙塵質(zhì)量濃度至5 mg／m3。

3.2 系統(tǒng)概況

低低溫?fù)Q熱器系統(tǒng)流程如圖4所示。低低溫?fù)Q熱器由煙氣換熱器和煙氣再熱器組成，兩者之間通過(guò)熱媒水傳熱。機(jī)組A側(cè)、B側(cè)煙道分別設(shè)置2組煙氣換熱器，布置在原干式靜電除塵器入口煙道上，利用鍋爐干式靜電除塵器入口煙氣加熱熱媒水；煙囪入口煙道設(shè)置1組煙氣再熱器，利用熱媒水加熱吸收塔出口低溫?zé)煔?，提高煙囪入口煙溫到煙氣露點(diǎn)溫度以上，以消除煙囪內(nèi)壁腐蝕及出口“冒白煙”現(xiàn)象。

煙氣經(jīng)過(guò)再熱器后，仍有一部分余熱未被利用，為充分提高機(jī)組熱效率，設(shè)計(jì)了煙氣余熱利用裝置，即從煙氣換熱器引出一路加熱低加冷凝水。

在機(jī)組啟機(jī)階段或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙囪入口煙溫有可能達(dá)不到設(shè)計(jì)溫度，因此設(shè)計(jì)了輔氣加熱系統(tǒng)，采用機(jī)組輔汽或汽機(jī)蒸汽加熱熱媒水。

主要設(shè)備包括：4臺(tái)煙氣換熱器、1臺(tái)煙氣再熱器、1個(gè)熱媒水箱、1臺(tái)輔氣加熱器、1臺(tái)凝結(jié)水加熱器以及補(bǔ)水泵、熱媒水循環(huán)泵、凝結(jié)水升壓泵（各2臺(tái)），系統(tǒng)如圖4所示，箭頭表示熱媒水流動(dòng)的方向。

圖4 低低溫?fù)Q熱器系統(tǒng)流程

3.3 特殊設(shè)計(jì)

根據(jù)煙氣溫度、煙氣中SO3含量、設(shè)備防腐要求等選擇不同的材質(zhì)。煙氣冷卻器沿?zé)煔饬鞣较蚍指邷囟魏偷蜏囟蝺啥尾贾?，采用雙H型翅片管，高溫段材料20G鋼材質(zhì)，低溫段材料為ND鋼，并在高溫段安裝3排裸管錯(cuò)列布置。煙氣再熱器分3段布置，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向順列布置，第一段的傳熱元件采用裸管；第二段及第三段采用雙H型翅片管。第一段換熱管材質(zhì)選擇 SUS2205；第二段換熱管材質(zhì)選擇SUS316L；第三段換熱管材質(zhì)選擇ND鋼。煙氣再熱器殼體材料與低溫?fù)Q熱器材質(zhì)相同，為Q235B，但煙氣再熱器處溫度低于酸露點(diǎn)，殼體需要進(jìn)行內(nèi)部防腐。輔汽加熱段、凝結(jié)水余熱利用及煙氣余熱回收段均采用不銹鋼304材質(zhì)換熱器。將除塵器人孔門(mén)和灰斗人孔門(mén)更換為304不銹鋼材質(zhì)，陰極線更換為316L不銹鋼芒刺線。

為防止飛灰在換熱器內(nèi)沉積，低溫?fù)Q熱器內(nèi)煙氣流速一般控制9～10 m／s左右；換熱器管內(nèi)熱媒水平均流速按0.8 m／s左右設(shè)計(jì)。降溫段煙氣換熱器采用聲波吹灰和全伸縮蒸汽吹灰兩套系統(tǒng)。升溫段換熱器采用蒸汽吹灰。為增加灰的流動(dòng)性，將灰斗傾角由60°調(diào)整到不小于65°，并增加1／3的加熱面積。為防止灰斗腐蝕，內(nèi)襯不銹鋼板。

管壁溫度控制通過(guò)將部分熱媒水引至凝結(jié)水換熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的調(diào)節(jié)，靈活控制低低溫?fù)Q熱裝置的換熱量，從而使內(nèi)循環(huán)的換熱工質(zhì)的溫度發(fā)生變化，從而使低低溫?fù)Q熱器的壁溫做到可控可調(diào)。

將原有電除塵器一、二、三電場(chǎng)的工頻電源全部更換為高頻電源，四、五電場(chǎng)工頻電源控制系統(tǒng)與改造后高頻電源控制系統(tǒng)進(jìn)行融合升級(jí)，提高除塵效率。

3.4 改造后運(yùn)行效果

機(jī)組經(jīng)過(guò)低低溫電除塵改造后進(jìn)行性能試驗(yàn)，電除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度從50～60 mg／m3降至20 mg／m3以下，經(jīng)過(guò)脫硫系統(tǒng)二級(jí)塔后，煙塵質(zhì)量濃度可以降至5 mg／m3以下，滿足超低排放要求。

機(jī)組改造后運(yùn)行1年，進(jìn)行大修檢查，未發(fā)現(xiàn)低低溫?fù)Q熱器受熱面有明顯的腐蝕及磨損現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

低低溫電除塵器通過(guò)降低飛灰比電阻提高除塵效率，并可脫除煙氣中70%～80%以上的SO3，在當(dāng)前環(huán)保改造比較嚴(yán)格的情況下，可以考慮用于燃煤電廠煙氣協(xié)同改造。并宜與高頻電源、旋轉(zhuǎn)電極等技術(shù)結(jié)合使用，并且由于灰的流動(dòng)性變差，需要優(yōu)化原有灰斗的傾斜角度及加熱面積。低低溫電除塵器后應(yīng)配置高效除塵脫硫塔，才能實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放。

低低溫電除塵器最大的問(wèn)題是低溫腐蝕問(wèn)題，因此對(duì)設(shè)備防腐性能要求很高，并且根據(jù)不同溫度段選擇不同的換熱材料，降低低溫腐蝕關(guān)鍵是選擇合適的換熱溫度，燃用高硫煤的機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將煙氣換熱溫度提高一些。

為降低低低溫?fù)Q熱器受熱面的積灰和磨損，應(yīng)采取一些特殊的處理措施。如將換熱器壁溫可控可調(diào)，在換熱器入口段設(shè)置錯(cuò)列布置的裸管、換熱采用的翅片管順列布置、設(shè)計(jì)合理的煙氣流速等。

［1］趙海寶，酈建國(guó)，何毓忠，等.低低溫電除塵關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2014，47（10）：117-121.

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［4］吳耀華.不銹鋼結(jié)構(gòu)的材料選用及防腐蝕設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，2015，45（12）：7-12.

［5］王偉.減輕低低溫高效電除塵器低溫腐蝕的措施探討［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（1）：828-831.

［6］劉宇鋼，羅志忠，陳剛，等.低溫省煤器及MGGH運(yùn)行中存在典型問(wèn)題分析及對(duì)策［J］.東方電氣評(píng)論，2016，30（2）：31-35.

［7］車(chē)得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2008.

Technology and Application of Low Temperature Electrostatic Precipitator

SHAO Yuan，XU Jinsong
（China Huadianguoji Technology Service Center，Jinan 250014，China）

The low temperature ESP technology can improve the dust removal efficiency by reducing the flue gas temperature，reducing the volume flow rate of flue gas and reducing the resistance of fly ash，and can remove most of the SO3in the flue gas. The key technologies in low temperature ESP transformation，such as the technical principles and characteristics，the problem and solution，etc.are discussed.A case of a 330 MW coal-fired unit is specifically analyzed to provide references for environmental transformation and technical research.

low temperature ESP；low temperature corrosion；ash deposition;abrasion；ultra-low emission

X701.2

：B

：1007－9904（2017）04－0066－05

2016-11-08

邵 媛（1986），女，高級(jí)工程師，從事火電廠脫硫、脫硝、除塵等方向的研究工作。