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第1章绪论1.1课题研究背景及意义在我国的电力工业结构中，燃煤机组占了75％左右，发电量占80％以上。近年来国家大力发展核电、生物能、风电等新能源，但我国的一次能源构成表明，煤电仍然会在70%左右，在新增的装机中火电比例达到88．2％，而新增的火电中大型超临界机组的比重逐年增加。大型火电机组的节能减排，有利于提高机组热效率，降低发电煤耗，对减少二氧化碳和其他大气污染物的排放，保护环境有重要的意义。我国以煤炭为主的能源供应格局在未来相当长的时间内不会发生根本性改变，因此燃煤电厂污染物排放问题一直是人们关注的热点。近年来,随着燃煤价格的日益上涨,燃煤电厂的成本不断增加,各电厂面临着节能的巨大压力。锅炉的排烟温度过高,主要原因之一是煤质变差,导致灰分增大,使锅炉各受热面产生积灰,这样不仅降低了锅炉效率,造成燃煤电厂煤的消耗量增加;而且给电除尘器也带来了较大的影响,如电除尘器处理烟气量增大、气体粘滞性变大、粉尘比电阻增大以及击穿电压下降等影响,造成了电除尘器除尘效率降低。除尘似乎是已经过时的话题,人们的关注都集中在脱硫脱硝等热门问题上,好像除尘技术完全过关,不存在任何问题。在火电厂大气污染物排放标准GB13223-2003公布之前确实如此,一般采用四电场普通干式电除尘即能满足排放要求。随着环保部与质检总局联合发布的新版《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223一2011)于2012年l月1日开始执行,烟气排放浓度要求越来越高。新建火电厂烟气含尘浓度执行30mg/Nm3标准,重点地区提高到20mg/Nm3。达到了与欧美发达国家同样严格的标准要求。普通干式电除尘难以达到排放标准。为满足新排放标准,近几年火电厂烟尘治理技术发生了重大变化,有的通过增加电除尘电场数量,增加集尘面积来提高效率,有的采取新技术措施提高电除尘效率,有的认为布袋除尘器将取替电除尘,积极推出布袋除尘器,有的开发电-布袋复合除尘器。为达到环保标准,燃煤电厂锅炉降低排烟温度、节约能源、降低粉尘排放浓度成为当前急需解决的难题,寻求节能减排的新技术、新方法是形势所趋。低低温高效电除尘器技术有效的解决了这一难题。1.2国内外研究现状20世纪70年代电除尘开始在电厂应用,20世纪80年代开始快速推广,到20世纪90年代和21世纪初,普通干式电除尘在我国燃煤电厂普及,几乎所有电厂均采用电除尘器,多年的应用积累了丰富的运行和管理经验,设备运行良好,基本都能够达到设计指标。除早期投运的电除尘为3电场外,后期投运的基本上都是4电场,达到150mg/Nm3的排放标准不成问题。在GB13223-2003颁布以后,由于火电厂燃煤锅炉烟尘比电阻比较高,普通干式电除尘难以达到排放标准,首先想到的措施是增加除尘器集尘面积,将除尘器加高、加宽和增加电场数,近期投运的电除尘有5电场,甚至6电场,比集尘面积从早期低排放要求的50m2(/m3·s),提高到90～100m2(/m3·s)。由于普通干式电除尘对超细微粒收集效率低、当烟尘比电阻不适宜时发生反电晕、以及气流冲刷和振打引起二次扬尘等固有问题,单纯增加比收尘面积在很多情况下仍不能满足排放要求,近几年采取的电除尘方案和最新实用化技术措施如下。国际上美国、德国等欧美国家的电厂大多采用静电除尘器，除尘器出口烟尘排放浓度多在50mg/m3以下，有些电厂达到30mg/m3，甚至更低。德国大型燃煤机组采用的除尘技术主要是高效静电除尘器，即通过对电除尘器的控制部分和对烟气通道的改进来提高除尘效率，保证粉尘排放浓度在20mg/m3以下。美国较常用的除尘技术是电除尘器调质除尘工艺，以及布袋除尘器除尘工艺。亚洲国家的火电厂也大多采用静电除尘技术。为保证排放浓度，日本新建大容量燃煤机组大多采用低低温电除尘器技术和移动电极电除尘器技术，通过将进入除尘器的烟气温度降低到合适的数值，来降低粉尘的比电阻，提高收尘效率，移动电极电除尘器技术可以减少二次扬尘，除尘效率可达99.85%以上。1.3研究的主要内容本文开头从华能珞璜电厂改造采用低低温高效处理技术介绍，引出低低温电除尘技术，对其原理进行一定的阐述说明，着重对其中的重要的换热器这部分作重点说明，通过具体的大唐宁德电厂、中电投江西新昌电厂等对其关于低低温电除尘改造的案例研究，掌握其中的原理和关键因素，对电厂电除尘部分在中国的未来发展提出优化建议。第2章低低温电除尘技术概述2.1发展演变过程随着日本一些地方环保排放控制综合要求的不断提高,相应地促进了日本低低温高效烟气处理技术的快速发展.低低温高效烟气处理技术从日本三菱公司的电除尘器及湿法烟气脱硫工艺的单一除尘和脱硫工艺路线演变而来.目前国内应用最多的湿法脱硫的工艺过程为:锅炉尾部烟气直接进入除尘器(主要是电除尘),除尘后的烟气进入GGH换热器,降低烟气温度,然后进入喷淋洗涤脱硫塔,脱硫后的烟气再进入GGH,将净烟气加热到70～80℃,然后排放。现在,对是否使用GGH换热器争议较大,安装GGH烟气换热器,利用烟气自身热量将净烟气加热,可提高排烟温度和抬升高度,有利于减缓后续烟道的腐蚀,有利于烟气扩散,减小SO2、NOX落地浓度,降低水耗。缺点在于,增加固定投资费用,增加烟气阻力,增加能耗和运行费用,易发生故障,降低脱硫系统的运行可靠性。取消GGH,要增加烟囱防腐,污染物落地浓度增大,对于未采取烟气脱硝的系统来说,NOX落地浓度增大,可能会导致环境质量超标,但总体看,投资降低,运行费降低。是否采用GGH,要结合项目自身和所在地的环境状况,能否满足环境质量要求确定。目前,在我国已经建成的脱硫系统中,设置了GGH的占80%以上。我国目前的燃煤锅炉烟气净化系统将电除尘器布置在GGH之前,处理烟气温度范围约为110～160℃,是广泛使用的常温电除尘。电除尘的性能与烟尘特性,特别是比电阻密切相关,而燃煤锅炉烟尘比电阻与烟气温度有关,随着烟气温度的增高,烟尘比电阻增大,在常温电除尘的运行温度范围达到最大值,而后,随着温度增高而下降。常温电除尘正好处于比电阻最高的温度范围,烟尘比电阻约为5×1010～10×13Ω·cm,运行过程中容易发生反电晕,供电电压及电流受到限制,加上反电晕引起的二次飞扬,导致现在电厂使用的常温电除尘不能满足排放标准。在日本,所有的湿法烟气脱硫工艺均设置烟气加热器,而日本三菱公司开发的湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺则采用无泄漏管式水媒体加热器(MGGH),即用原烟气加热水,然后用加热后的水加热脱硫后的净烟气.图1为华能珞璜电厂一、二期烟气脱硫工艺流程示意图.对于低硫煤,湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺具有无泄漏、无温度及干、湿烟气的反复变换以及不易堵塞等特点.我国的华能珞璜电厂一、二期烟气脱硫工艺采用的就是这种MGGH工艺.该工艺也有缺点,当使用高硫煤时,SO3引起的酸腐蚀问题比较严重,例如华能珞璜电厂一期在运行过程中进入脱硫系统烟气中的SO3体积分数比设计值(3×10-6～8×10-6)要增大许多倍,大量SO3(气态)在气-气换热器鳍片管束的表面结露而形成硫酸,不仅加剧了管束的酸性腐蚀,也缩短了使用寿命,因而既增加了项目的运行成本和维护费用,也降低了系统的可用率.为适应日本环保排放控制标准的不断提高并解决SO3引起的酸腐蚀,日本三菱公司从1997年起开始研究将MGGH移至空气预热器后、除尘器前布置的新型低低温高效烟气处理技术.2.2低低温电除尘技术发展历史由上述可知，低低温电除尘技术是从电除尘器及湿法烟气脱硫工艺演变而来。在日本已有近20年的应用历史。三菱重工于1997年开始在大型燃煤火电机组中推广应用基于MGGH管式气气换热装置使烟气温度在90℃左右运行的低低温电除尘技术，已有超6500MW的业绩，在三菱重工的烟气处理系统中，低低温电除尘器出口烟尘浓度均小于30mg/Nm3，SO3浓度大部分低于3.57mg/Nm3，湿法脱硫出口烟尘浓度可达5mg/Nm3，湿式电除尘器出口烟尘浓度可达1mg/Nm3以下。目前日本多家电除尘器制造厂家均拥有低低温电除尘技术的工程应用案例，据不完全统计，日本配套机组容量累计已超15,000MW，典型的有三菱重工（MHI）、石川岛播磨（IHI）、日立（Hitachi）等。2.3低低温电除尘技术简介低低温电除尘技术是通过低温省煤器或热媒体气气换热装置（MGGH）降低电除尘器入口烟气温度至酸露点温度以下，一般在90℃左右，使烟气中的大部分SO3在低温省煤器或MGGH中冷凝形成硫酸雾，黏附在粉尘上并被碱性物质中和，大幅降低粉尘的比电阻，避免反电晕现象，从而提高除尘效率，同时去除大部分的SO3，当采用低温省煤器时还可节省能耗。低低温电除尘系统布置如下图所示，与传统工艺路线布置不同的是，电除尘器的上游布置了GGH热回收器。燃煤电厂烟气治理岛低低温电除尘系统典型布置方式主要有两种（如图2、图3所示）。2.3.1单级布置低低温高效电除尘器单级布置结构,即将GGH布置在锅炉空预器后，具有节能的效果，是目前国内采用的主要工艺路线。电除尘器前的烟道内,工艺流程如图1所示。按此工艺流程,烟气经过GGH,温度从120℃-140℃降到90℃左右,低于烟气的酸露点,烟气中的大部分SO3将与水蒸气结合,生成硫酸雾,被飞灰颗粒吸附,接着被电除尘器(ESP)捕捉,被飞灰吸附的SO3将随飞灰排出,从而解决了下游设备的腐蚀难题。此外,由于烟气温度降低,使除尘器人口烟气体积减少,提高了除尘效率。工艺原理其原理是引用汽机冷凝水与锅炉热烟气在GGH中进行热交换,将进入电除尘器的运行温度由120℃-140℃下降到低低温状态90℃左右(低于烟气酸露点),并使得冷凝水温度升高回收利用,实现提高除尘效率和余热利用的双重目的。烟气余热回收热力系统布置烟气余热回收热力系统如图2所示。GGH与低压回热系统主回水成并联布置,其进口水取自汽轮机的低压回热系统,设计特定的进水方式与电调阀配合,GGH进水量可在运行中进行切换调节。进人GGH的冷凝水吸收锅炉排烟热量后,在除氧器入口与主凝结水汇合。GGH的给水跨过若干级加热器,利用级间压降克服GGH本体及连接管道的流阻,不必增设水泵,提高了运行经济性、可靠性,同时实现了排烟余热的梯级利用。由于在GGH中进行热交换的缘故,电除尘器运行温度变成了90℃左右,低于正常运行的12OC以上烟气温度。粉尘的比电阻降低,从而对几乎所有煤种来说,低低温高效电除尘器的除尘性能均会得到提高。技术特点与常规电除尘器相比,低低温电除尘器具有以下显著特点：)l节约煤耗。根据降温幅度不同,可节约发电煤耗1.5~3g/kwh。2)可以除去绝大部分503,提高除尘器效率。在该系统的除尘装置中,烟温已降到露点以下,而烟气含尘质量浓度很高,因而粉尘总表面积增大,为硫酸雾的凝结附着提供了良好的条件。由于进人电除尘器的烟气温度降低,烟气体积变小,烟速降低,烟尘比电阻减小,因而提高了除尘效率。3)无泄漏,能有效利用回收的热量。采用管式GGH,无泄漏,同时回收的热量可用于3个系统:烟气再热系统;烟气余热回收加热系统;采暖供热系统。4)烟气余热回收装置(GGH)布置不受场地限制。烟气余热回收装置(GGH)可布置在电除尘烟箱内,也可布置在电除尘器的前置水平或竖直烟道内。5)电除尘器性能大幅得到改善及提升。由于烟气温度的降低,烟气量减少,故可以减小电除尘器体积,采用三电场除尘器能够达到四电场除尘器的效率。2.3.2两级布置低低温高效电除尘两级布置结构,是将第一级热媒水热交换装置(MGGH)置于空预器后，电除尘器前的烟道内，将烟气温度降低，同时将烟气中回收的热量传送至湿法脱硫系统后的再加热器，第二级热媒水热交换装置(MGGH)置于脱硫塔之后的烟道内，提高烟囱烟气温度，该工艺路线在日本应用非常广泛。工艺流程如图3所示。按此工艺流程,烟气经过第一级MGGH,温度从120℃-140℃降到90℃左右(低于烟气的酸露点)，烟气中的大部分SO3将与水蒸气结合,生成硫酸雾,被飞灰颗粒吸附,接着被电除尘器(ESP)捕捉,被飞灰吸附的SO3将随飞灰排出,保证更高的除尘效率,从而解决了下游设备的腐蚀难题。经过第二级MGG