电除尘器增设SO3烟气调质提效改造实例

陈文瑞

(福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000)

电除尘器增设SO3烟气调质提效改造实例

陈文瑞

(福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000)

以华润登封电厂#2炉电除尘器增设SO3烟气调质系统作为提效改造方案为例，详细介绍了该改造项目产生的背景，SO3烟气调质系统的工作原理、工艺流程、改造实施过程、改造后的效果及方案的技术经济性，对今后该技术的推广具有借鉴作用。

电除尘器;比电阻;低硫煤;三氧化硫;烟气调质

1 项目改造背景

华润登封电厂地处登封市郊，离郑州市65km，离国家著名风景名胜嵩山少林寺仅15km，环保要求非常严格。加之该厂新增设了湿法烟气脱硫装置，为保证脱硫效率和脱硫设备的正常运行，也对电除尘器出口粉尘浓度提出了要求（脱硫入口要求粉尘浓度≤160mg/Nm3）。鉴于该项目已投产发电，且电除尘器本身各部件状况良好，业主需要采取一个技术上可行、投资低、改造工期短的决策方案，经多方考察和论证，决定采取增设SO3烟气调质系统来提高电除尘器除尘效率的改造方案。

华润电力登封有限公司一期2×320MW机组分别于2004年7月和9月投入运行，设计煤种为Sar=0.29%的登封石淙一矿贫煤，校核煤种为Sar=0.22%的登封天河及向阳矿贫煤，为典型的特低硫煤，设计煤种、校核煤种及实际燃用煤质和灰分分析分别见表1和表2。锅炉预热器出口配置兰州电力修造厂生产的两台卧室双室四电场电除尘器，型号RWD/KFH-DE-264-4×4-2，单台电除尘器有效断面264m2，设计除尘效率99.5%，主要技术参数见表3。

受燃煤资源供应紧张的影响，该厂锅炉自投运以来，实际燃用煤种远远偏离设计煤种，从表1、表2可以看出，煤质变化对电除尘器除尘效率的不利影响。

表1 煤质分析

表2 灰分分析

表3 电除尘器主要技术参数（单台）

（1）实际燃用煤种灰分Aar=33.46%远高出设计煤种灰分值（19.15%），而其热值Qnet，ar=19,100kJ/kg却远低于设计煤种（24,065kJ/kg）。可见，实际燃用煤种要比设计煤种差得多，实际电除尘器进口粉尘浓度达36g/Nm3，是设计值（17.987g/Nm3）的两倍多，电除尘器严重超负荷运行。

（2）实际燃用煤种含硫量Sar=0.24%，虽偏离设计煤种（Sar=0.29%）不大，但同属特低硫煤，按煤燃烧后烟气中SO2转换成SO3的转化率取0.4%估算，烟气中SO3浓度仅为0.88ppm，作为对电除尘器收尘的有利成分，单位粉尘所占SO3的比例微乎其微，粉尘比电阻大。粉尘比电阻在140℃时高达8.2×1012cm。

（3）实际煤灰中SiO2和Al2O3含量合计为87.95%（＞85%），SiO2粉尘较硬且不易荷电，而Al2O3是很细的飘尘，两者均难以被电除尘器捕集。而作为能够有效降低粉尘比电阻的碱金属含量却很低，Na2O含量仅为0.25%，K2O含量仅为1.71%，粉尘粒子活性弱，体积导电性弱。粉尘比电阻在140℃时高达7.4×1013cm。

（4）经计算，实际煤灰粉尘比电阻在140℃时达1.2×1012cm。超过电除尘器对粉尘的最佳收尘范围：1×106～5×1010cm。从实际运行情况看，电场内部反电晕现象严重，表现为二次电压大大降低，二次电流大增，伏安特性曲线出现明显拐点，除尘效率大幅度降低。

（5）由于燃烧劣质煤，电除尘器进口实际烟气温度＞140℃（设计为122℃），处理烟气量大大超标，实测烟气量约为215×104m3/h（设计为162×104m3/h）。排烟温度升高，使烟气量增大，电场风速提高，除尘效率呈指数关系下降；同时电场击穿电压下降，粉尘比电阻增大，易形成反电晕，也使得除尘效率下降。

综合以上分析，该电厂实际燃用煤种严重偏离设计煤种，实际煤种属特低硫煤，灰分高、热值低，电除尘器入口粉尘浓度严重超标，电除尘器超负荷运行；煤燃烧后产生的粉尘呈典型的高比电阻特性，电除尘器难以收集该类粉尘。以上是导致电除尘器效率下降，排放不达标的主要原因。电除尘器实际比集尘面积仅为66m2/m3/s，出口粉尘排放浓度高于500mg/Nm3，除尘效率仅为98.5%。

2 电除尘器增设SO3烟气调质提效改造

2.1 SO3烟气调质机理

粉尘比电阻ρ可以看成是由体积比电阻ρv和表面比电阻ρs“并联”所成的等效电阻，其关系式为：1/ρ=1/ρv+1/ρs。当温度大于200℃时，体积比电阻占主导作用；温度低于150℃时，表面比电阻占主导作用。由于常温电除尘器的工作温度＜160℃，所以表面比电阻成为决定粉尘比电阻的主要因素。表面导电主要是通过粉尘颗粒表面吸附的水膜或化学物质（化学膜）来进行的，通常燃煤电厂烟气中含有3%～10%的水分，当烟气温度较低时，这些水汽可以吸附在粉尘表面形成具有低比电阻的导电通道，这就是水调质的原理。但由于烟气的水露点往往较低，当烟气温度较高时，水分吸附作用将大大降低。然而，当烟气中出现足够的SO3时，一方面具有SO3极强的活性，与烟气中水分结合形成的烟酸气溶胶极易吸附在粉尘表面，形成低电阻导电通道；另一方面，烟气中SO3含量增加，烟气酸露点提高，即使烟气温度高于露点很多，被吸附的酸膜也会沉积在粉尘表面形成表面导电通道。SO3调质的机理如图1。SO3烟气调质实质上是降低粉尘的表面比电阻，即将少量（5～25ppm）可控制的SO3喷射到烟气中，SO3与烟气中的水分结合生成硫酸气溶胶吸附在粉尘颗粒表面，形成一个低比电阻导电通道，使粉尘更易收集，从而提高电除尘器除尘效率。

图1 粉尘表面酸膜形成机理

当锅炉燃烧高硫煤（Sar＞3%）时，烟气中就会产生足够多的SO3，此类煤中的有机硫燃烧后产生的SO3实际上本身就起到烟气调质的效果。在我国西南地区一些燃用高硫煤的电厂，尽管电除尘器选型规格不大，但运行效果却非常好，其原因就在于此。

2.2 SO3烟气调质分析

根据工程实践，当烟气中含有10～25ppm的SO3时，粉尘高比电阻值可以降低两个数量级以上，调质效果明显。然而，当燃烧低硫煤时，自然产生的SO3就很少，不能产生足够的酸膜以降低粉尘比电阻，高比电阻的飞灰就难以被电除尘器捕集。以华润登封电厂实际煤种（Sar=0.24%，Qar.net=19.100MJ/kg）为例，当烟气中SO2转变SO3的转化率为1%时，SO3浓度也仅为2.2ppm。而当假定含硫量Sar=3%、其它参数不变时，烟气中SO3浓度可达到27.5ppm。因而可见，煤中含硫量对粉尘比电阻尤其是表面比电阻的影响非常大。

根据美国南方研究所关于煤灰比电阻的测算，得出该项目粉尘比电阻与SO3注入率及烟气温度的关系曲线如图2。

从图2可以得出，当烟气温度为140℃时，往烟气中注入10ppm的SO3，粉尘比电阻可由1.2×1012cm降为2×109cm，调质效果显著。需要说明的是，该曲线完全是根据理论公式得出的，未考虑粉尘浓度、酸膜与粉尘混合均匀性、粉尘对酸膜吸附敏感性等因素的影响。一般来说，粉尘浓度越高，需要注入的SO3也越高；SO3与粉尘的混合也不可能是绝对均匀；粉尘酸碱性不同，对SO3的敏感性也不同；同时，烟气温度在不同烟道支管及烟道内不同位置时也不一致，烟气温度越多，需要注入的量也越大。以上众多原因导致实际SO3注入率通常要比理论计算值大。

SO3烟气调质的效果也与飞灰亲水性（浸润性）及粉尘的酸碱度密切相关。当飞灰亲水性（浸润性）强时，对SO3吸附性好，调质效果好。本项目煤灰经酸碱度测试，平均pH值为10.64，显弱碱性，对SO3较为敏感。在国外，比如印度和澳洲某些电厂，由于煤灰pH值呈中性或弱酸性，它们采用碱性物质NH3作为调质剂，即所谓的氨调质。

综合以上分析认为，华润登封电厂技改项目煤灰采用SO3烟气调质是完全可行的。鉴于该项目已投产发电，电除尘器本身各部件状况良好，且受场地限制，电除尘器增加电场扩容改造无法实施，故业主需要采取一个技术上可行、投资低、改造工期短的决策方案，经多方考察和论证，决定采取增设SO3烟气调质系统作为电除尘增效改造的方案。

图2 粉尘比电阻与SO3注入率、烟气温度的关系曲线

2.3 项目实施

华润登封电厂技改项目项目电除尘器增设SO3烟气调质系统提效改造工程由福建龙净环保股份有限公司总承建。调质技术从德国Pentol公司引进，设计理念为设备高度集成化，减少现场安装工作量，改造周期短；投资小；节能降耗、低运行成本。

按照工艺流程，将设备分为三大单元，三大单元均在厂家车间内生产和调试，现场只需将三大单元用管道连接起来即可，典型的现场安装周期为10天。SO3烟气调质设备工艺过程及主要设备见图3。

液态储硫罐和硫磺泵为一大单元，其作用是熔硫，储硫罐中设有蒸气盘管，通过蒸气换热将罐中的固态硫磺熔化成液态硫，然后通过硫磺泵将其送入燃硫炉中燃烧。第二大单元即高度集成的SO3生成器，包括风机、电加热器、燃硫炉、转化塔及电控部分，空气由风机送入电加热器加热成所需的温度，然后送入燃硫炉供燃烧液态硫，生成的SO2在催化剂转化塔中被催化氧化成SO3。最后一个单元即注入装置，其作用是将SO3均匀地注入到电除尘器进口与锅炉预热器出口之间的烟道中，与烟气中的水分结合形成酸膜附着在粉尘表面，实现其调质作用。

由于硫磺燃烧和SO2的催化转化均属于发热反应，系统充分利用该热量，通过可控硅控制电加热器功率形成一个闭环系统。实际运行中，系统还可以根据锅炉负荷、浊度和烟气温度等信号确定最佳的SO3注入量，具有节能降耗的优点。

图3 SO3烟气调质工艺过程及主要设备

2.4 改造效果

2008年7月，河南电力试验研究院对该项目改造后进行电除尘器性能测试，试验数据如表4。

表4 改造后试验测试数据

从试验结果可以看出，SO3烟气调质系统对电除尘器提效效果相当显著。该电厂实际燃用煤种含硫量Sar=0.24%，灰分Aar=33.46%，远远超出设计煤种的灰分值（Aar=19.15%）。实际烟气温度140℃，烟气量比设计值高出33%；入口粉尘浓度＞35g/Nm3，是设计值的两倍多。在每台除尘器各停一个电场、SO3注入率20ppm的条件下，测试除尘效率大于99.8%，平均排放浓度66.3mg/Nm3。通过SO3烟气调质，有效降低粉尘比电阻，粉尘比电阻降低了2个数量级。电除尘器二次电压平均提高15～20kV，平均电流下降300mA，可节约电耗约15%。

3 技术经济性

3.1 电除尘器增设烟气调质技术分析

增设烟气调质的优点表现为：

（1）烟气调质系统设备相对独立，操作灵活，运行维护费用较低。运行维护费与燃用煤质紧密联系，电除尘与烟气调质一体化，电除尘器是基础，调质剂投入量可灵活掌握，当机组低负荷运行或燃用易收尘煤种时，调质设备可不投用或在较低的注入率（≤10ppm）运行；当机组高负荷运行或燃用收尘困难煤种时，注入率的大小可根据煤种变化、负荷大小和浊度全自动控制，注入率的可调节性与电除尘器节能控制系统、减功率断电振打程序控制系统相结合，可实现电除尘器与烟气调质最节能减耗运行，实现最经济运行。

（2）电除尘器增设烟气调质系统，并未对原电除尘器作结构改进，故保留了原电除尘器低阻力、高可靠性、运行维护简单等优点。

（3）节能。通过SO3烟气调质，可有效降低粉尘比电阻，消除反电晕现象，因而电除尘器还可降低电耗。

（4）烟气调质高集成化、施工周期短。SO3烟气调质的主要设备在厂内集成调试完毕，现场只需连接管道。正常只需要停炉7天，在烟道中安装注入器时甚至可以不停炉。

（5）不影响原电除尘器占地面积、不影响原风机系统。原电除尘器采用增设烟气调质改造，是采用改变烟气性质、降低比电阻的提效方法，无需增加原有电除尘器占地面积，无需对原风机系统进行改造。烟气调质为老电除尘器的提效改造提供了高效、简捷的技术手段，特别适合老电除尘器提效改造且无扩容空间场合，原电除尘器不需改造，只需增设调质设备即可大大提高除尘效率。

（6）新上机组电除尘器直接配套烟气调质，可降低总体投资费用。新上大型机组多煤种燃煤结构可按比电阻低易除尘的煤种进行电除尘器选型，配套调质设备以应对高比电阻粉尘的煤种，可显著降低电除尘器规格，减少投资，且适应煤种多变的工况。

烟气调质的缺点表现为：SO3烟气调质的效果与多种因素有关，特别是与煤灰的成分、比电阻、酸碱度、吸湿性及烟气温度、烟气湿度等密切相关，故要求技术人员对煤灰、烟气特性及原电除尘器状况作充分的了解和把握。

3.2 电除尘器增设烟气调质经济性分析

一次性投资：烟气调质作为电除尘器的提效手段，其工艺设备独立于电除尘器。对于300MW和600MW机组，设备一次性投资总体相当，其区别表现为原料硫磺的用量不同而已，故机组容量越大，设备的相对一次性投资经济性越高。本项目单台炉一次性设备投资约750万元。

运行费：烟气调质系统的运行费主要表现在原料硫磺及电耗费用上。以本项目一台炉320MW机组为例，按满负荷年运行300天 ，SO3注入率取20ppm计算，硫磺耗量为40.6kg/h，年消耗硫磺为29.2t，则每年硫磺费用为29.2万元（硫磺单价：0.1万元/t）。烟气调质系统正常运行时电耗为50kW，年耗电量为360000kW·h，则每年电费为9万元（电费单价：0.25元/kW·h）。故该项目320MW机组烟气调质系统的年运行费用为38.2万元。

4 其它改造方案

对于电除尘器的提效改造，其它的方案措施有：1）电场扩容改造；2）改为布袋除尘器；3）改为电袋除尘。

4.1 电场扩容改造

优点：增加收尘面积即比集尘面积，保留了电除尘器低阻力、低运行费、寿命长、可靠性高、运行维护方便等优点，不必更换原有引风机系统。

缺点：改造费用大；需增加占地面积；增加高压电源，运行费用增加；无法改变粉尘比电阻等特性，电除尘器依旧被动适应粉尘及烟气工况。对于高比电阻粉尘，众多电除尘器单纯采用扩容改造的效果并不理想。

4.2 改为布袋除尘器

布袋除尘器优点：1）除尘效率高，可达99.9%以上，出口含尘浓度可保证50mg/Nm3甚至30mg/Nm3以下；2）附属设备少，一次性投资较电除尘器低，技术要求没有电除尘器那样高；3）能捕集高比电阻粉尘及微细粉尘。

布袋除尘器缺点：1）运行阻力较大，一般压力损失为1000～1500Pa，故运行费用高；2）滤袋作为布袋除尘器的核心，其成本约占整体成本的1/3以上，滤袋对烟气温度、湿度、含氧量及硫氧化物含量有一定的要求，使用条件较苛刻。滤袋寿命短，需要定期换袋，维护成本高；3）电除尘器改成布袋除尘器，原电除尘器部件利用率低，改造成本高。

4.3 改为电袋除尘器

近年来，电袋除尘器的应用呈逐渐增长的趋势。电袋除尘器是通过电除尘器与布袋除尘器有机结合的一种新型除尘器，它充分发挥电除尘器和布袋除尘器各自的除尘优势，弥补了电除尘器和布袋除尘器的除尘缺点。理论上，该复合型除尘器效率较高、滤袋阻力较但因布袋除尘器低，寿命也较长。但实际应用中也时常有除尘效率出现波动及破袋情况出现，一旦破袋，除尘效率急剧下降。对于电袋除尘器的大型化，也存在气流分布不均等一些技术难点。

5 结语

（1）SO3烟气调质能够有效解决由于燃烧低硫高灰分煤而引起飞灰比电阻升高、电除尘除尘效率下降这一难题，调质后可使飞灰比电阻降低2～3个数量级。

（2）烟气调质为老电除尘器的提效改造提供了高效、简捷的技术手段，特别适合老电除尘器提效改造且无扩容空间场合，原电除尘器无需改造，只需增设调质设备即可大大提高除尘效率。相比其它改造方案，具有安装周期短、投资小、运行成本低等特点。

（3）电除尘器增设烟气调质，从改变粉尘比电阻等特性的源头入手，改变了传统电除尘器完全被动适应粉尘及烟气工况的情况，是一种全新的除尘技术方案。

（3）本工程改造项目的成功，也从另一方面说明了对于高比电阻粉尘，“SO3烟气调质+电除尘器”作为新上项目的除尘方案，可以大幅度降低电除尘器的设计规格，电除尘器可以按调质后易收尘粉尘作为选型依据，从而大大降低设备总体的一次性投资。

（略）

Retrofitting Project Using SO3Flue Gas Conditioning for Improving ESP’s Efficiency

CHEN Wen-rui

X701.2

A

1006-5377（2011）08-0026-05