410_t_h燃煤电站高温除尘技术试验研究_司桐.pdf

第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：修订日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：司桐（），男，辽宁大连人，博士，研究方向为先进低碳燃烧技术及燃煤污染物控制。电话（）：；：。文章编号：（）：燃煤电站高温除尘技术试验研究司桐，王春波，陈亮，任育杰，任福春（华北电力大学 动力工程系，河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 ；中节能工业节能有限公司，北京 ）摘要：针对燃煤电站 脱硝技术中高浓度飞灰造成的催化剂使用寿命缩短、大量氨逃逸及空气预热器堵灰的问题，将高温除尘器布置在 反应器之前。在 燃煤锅炉上对高温除尘技术进行了工程示范研究，分析了高温除尘器的除尘特性对下游脱硝单元和空气预热器性能的影响。结果表明：在 和 锅炉负荷下，高温除尘器出口烟尘平均质量浓度均小于；负荷下，烟气流经高温除尘器的压降仅为 左右，大幅低于传统布袋除尘器的烟气压降；与典型的超低排放烟气后处理技术相比，应用高温除尘器能实现在相同脱硝效率下显著降低 反应器的烟气压降，并能减少相应的气氨消耗量与氨逃逸量；与常规布置布袋除尘器的锅炉环保岛相比，高温除尘器 脱硝单元空气预热器的模块的烟气压降可降低约 。关键词：空气预热器；高温除尘；烟尘；压降；能耗中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，）：，（），：；火力发电是当前世界能源供应的主要一次能源，约占全球电力供应的。在我国，火力发电的比例甚至达到了 ，且将在我国能源结构中长期占据主导地位。燃煤产生的烟尘、和会给生态环境和人类健康带来严重危害。为全力以赴推进生态文明建设，我国出台了被誉为“史上最严”的燃煤电站烟气排放限值规定，即基准氧含量下，烟尘排放质量浓度 ，排放质量浓度 ，排放质量浓度 。此外，我国已正式启动“碳达峰、碳中和”计划，这对我国进一步实现减污降碳提出了新的要求。当前燃煤电站普遍采用的“超低排放”技术路线为：燃煤烟气依次通过选择性催化还原（）单元、除尘器、湿法烟气脱硫（）装置及湿式电除尘器（）。可以看出，装置位于省煤器与空气预热器之间，这就给电站运行带来了个方面的不利影响：（）催化剂灰沉积和中毒，如贵州西电电力股份有限公司黔北发电厂、宁夏京能宁东发电有限责任公司在运行中频发此类现象；（）空气预热器沾污堵塞，我国大多数电站都面临此类问题。催化剂孔节距一般为 ，烟气中大量飞灰会不断沉积在催化剂表面并占据流动通道，阻碍烟气正常流通，从而增加了流动阻力，若采用较大的催化剂孔径则会使反应比表面积较小，导致催化效率降低。通常电站采取安装多层催化剂以减轻催化剂堵塞影响，从而满足污染物排放要求，但这极大地增加了电站投资和运行成本。另外，飞灰携带的大量含碱金属（和）、碱土金属（和）及重金属（和）等化合物均可占据活性位点，导致催化剂中毒。已有学者对抗中毒催化剂进行了研究，研制了负载金属 、等的催化剂，以减轻重金属中毒的现象 ，但无法从根本上缓解飞灰带来的催化剂磨损、堵塞的负面影响。在脱硝过程中被还原成，而未反应的（体积分数约为 ）将随烟气逃逸至下游设备（空气预热器）形成 ，而 黏性很大，极易黏结在空气预热器换热元件上，而常规的蒸汽吹灰和激波吹灰难以去除，不断累积将导致空气预热器堵塞，造成锅炉低负荷“抢风”现象、风烟系统电耗增大等一系列严重运行危害，甚至可能致使机组被迫停检 。研究表明，机组在仅仅运行约一个月后，烟气通过空气预热器的压降从 增加至 ，主要原因就在 于 酸 性 气 体 和 的 不 断 凝 结。等 的研究表明，一台 机组因空气预热器故障造成的经济损失可达 万元月。目前，常见的解决思路有改变沉积区域使 固化，且被电除尘器脱除、优化脱硝烟气流场使浓度场分布均匀等方式。综上，因高浓度飞灰造成 催化剂的堵塞、磨损、中毒会缩短催化剂寿命，造成大量氨逃逸、空气预热器腐蚀堵灰等问题，若采用布置在 反应器之前的高温除尘器可有效减轻这些问题。在国家重点研发计划项目的支持下，本团队提出了基于高温除尘的燃煤污染物一体化控制路线，如图所示，其中 为选择性非催化还原。图中高温除尘器布置在脱硝单元前，烟气中大部分飞灰被高温除尘器捕获，通过 的烟气中含有极少量细灰，这大大减轻了 催化剂沉积和中毒现象。根据国际标准分类，一般将 以上的过滤过程称为高温过滤，高温过滤对所使用材料的机械、热、化学稳定性等均提出了很高的要求。近年来，高温过滤技术因其能够避免不必要的冷凝造成的设备污垢、堵塞等问题而受到越来越多的关注，并在美国、日本等煤气化联合循环（）、增压流化床联合循环（）等先进发电系统过程中有一定的工程应用案例 。目前，过滤式除尘是最常用的高效除尘方式，含尘烟气被过滤后附着在滤管的外表面上，滤管外表面不断加厚使得烟气压降增大到某个值时，利用压缩空气反吹，如此周期循环。陶瓷滤芯的过滤效率一般可以接近 ，甚至对于粒径为亚微米级的颗粒也能达到这一性能。本课题组针对基于高温除尘的燃煤污染物一体化控制路线进行了大量研究，设计搭建实验台并进行了烟气量为 的中试试验 ，获得了动力工程学报第 卷图基于高温除尘的燃煤污染物一体化控制路线 可推广到实际工程的工艺参数。在此基础上，笔者针对 燃煤电站高温除尘技术示范工程展开试验研究，本示范工程采用成都易态科技有限公司自主研发的 金属间化合物柔性过滤膜，通过烧结反应成孔，所生成的孔隙的曲折因子小，孔壁光滑，工作温度设计值为 ，这也是在燃煤电站中首次应用金属间化合物高温过滤膜。最后，研究了高温除尘器的除尘特性对下游脱硝单元和空气预热器性能的影响。试验系统 锅炉系统全流程燃煤电站高温除尘技术示范工程依托山西某电厂，于 年建成。锅炉额定蒸发量为 ，为单汽包高压自然水循环、四角布置直流低氮燃烧器、切圆悬浮燃烧、固态排渣、形布置、平衡通风、膜式水冷壁、中速磨煤机、冷一次风正压直吹式制粉系统煤粉炉。燃料煤质分析如表所示。表煤质分析 参数数值元素分析工业分析（）（）（）（）（）（）（）（）（），（）高温除尘系统所提出的燃煤污染物一体化控制路线技术的关键是高温除尘，即除尘器的高温工作能力，将除尘前移至 之前，但高温气体在流过除尘器和管道时散热，导致进入 的气体温度降低，甚至可能低于催化剂的工作温度，降低脱硝效率，因此该路线中将膜滤芯和脱硝催化剂布置在同一个壳体模块内，实现高温除尘器和 的一箱化结构，以保证脱硝效率，如图所示。图 燃煤锅炉高温除尘技术示范工程 同时，这种布置方式也降低了系统阻力，节省了用地和钢材。采用一箱化结构后，喷氨格栅可布置在除尘器的入口烟道上，氨气和烟气有更充分的时间进行混合，内 的浓度场更加均匀，进一步提高了脱硝效率。高温除尘器及 设备参数如表所示。第期司桐，等：燃煤电站高温除尘技术试验研究表一箱化高温除尘器设备参数 序号项目数值长宽高 过滤速度（）单个滤芯直径长度 滤芯数量 过滤面积 清灰方式在线清灰，振打灰斗数催化剂孔数 节距 试验方法对该锅炉进行了 负荷和 负荷下的试验，其中负荷变化在内视为稳定工况。高温除尘器出口布置有监测点，颗粒物浓度测量采用崂应 型自动烟（尘）测试仪，烟气成分、烟气温度及压力采用 型烟气分析仪进行测量。结果与讨论 除尘性能为了验证高温除尘器的工程可行性，首先测试了除尘器出口的烟尘质量浓度。本次试验中，除尘器工作温度为 左右。从图可以看出，种锅炉负荷下的烟尘平均质量浓度均小于，低于我国超低排放的限值。随着锅炉负荷的增加，烟尘平均质量浓度升高。在测试时长内，当锅炉负荷从 增加至 时，烟尘平均质量浓度从 上升至 ，可能由于 负荷下的烟气流速高于 负荷下的烟气流速。引风机电耗是锅炉系统运行的重要参数之一，图不同负荷下高温除尘器出口烟尘平均质量浓度 因此测量了烟气流经高温除尘器的压降，如图所示。从图可以看出，在 负荷下，高温除尘器的压降仅为 左右，当负荷增加到 时，高温除尘器压降增加到 左右。而该锅炉在 负荷、相同工况下使用的布袋除尘器的压降高达 左右，大幅降低了该厂原有超低排放技术路线的引风机压降，主要原因是高温除尘器所采用的金属间化合物柔性膜是反应成孔，生成的孔径小，反应成孔的孔隙曲折因子小，孔壁连续且厚度可薄至，更不容易被堵塞，表面光滑，滤饼层更薄，因此过滤阻力更低。图不同负荷下高温除尘器烟气压降 下游设备运行特性试验过程中，反应器入口 质量浓度约为 。各负荷段试验过程中不进行燃烧调整 和 风 量调 整，以 保 证机组负荷的相对稳定。运行温度为 左右。反应 器出口平均质量浓度如图所示。从图可以看出，负荷和 负荷下，反应器出口平均质量浓度分别为 和 ，均小于 （已折算至氧体积分数下）。当锅炉负荷增加时，反应器出口 质量浓度降低，这主要是因为增加负荷提高了烟气温度，图不同锅炉负荷下 反应器出口平均质量浓度 动力工程学报第 卷反应器的工作温度从 升高到 ，更适合脱硝反应的进行，但脱硝量也增大，烟气流速加快；试验结果还可能与试验期间氨氮物质的量比的控制有关。在 负荷下比较了安装高温除尘器前后空气预热器的压降，如图所示。从图可以看出，在相同工况下，采用高温除尘布置的空气预热器的压降从原布袋除尘器的 左右降低至 左右，这意味着引风机电耗仅在空气预热器段所节省的电耗效益约为 （）。在 之前进行飞灰分离后，空气预热器堵塞问题可以得到明显的缓解。图空气预热器在不同技术路线下的压降 结论（）锅炉负荷为 和 时，高温除尘器出口烟尘平均质量浓度均小于，高温除尘器的烟气压降分别约为 和 。随着锅炉负荷的增加，烟尘平均质量浓度和烟气压降也随之升高。（）试验过程中，高温除尘器的应用大大缓解了高浓度飞灰对下游设备的负面影响，降低了空气预热器和 反应器的烟气压降。与典型的超低烟气污染后处理技术相比，在相同的脱硝效率下，反应器内气氨消耗量均有所降低。（）与原常规布置布袋除尘器的锅炉环保岛相比，改造后高温除尘器 脱硝单元空气预热器的模块的烟气压降降低约 。参考文献：，：，：杨倩鹏，林伟杰，王月明，等火力发电产业发展与前沿技 术 路 线 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，（）：帅永，赵斌，蒋东方，等中国燃煤高效清洁发电技术现状与展望热力发电，（）：，（）：杜振，江建平，张杨，等超低排放机组湿式电除尘器颗粒 物 脱 除 特 性分析 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，（）：史文峥，杨萌萌，张绪辉，等燃煤电厂超低排放技术路线与协同脱除中国电机工程学报，（）：，（）：，：李永生，许月阳，薛建明 燃煤超低排放机组 对汞的协同作用研究动力工程学 报，（）：，（）：闫东杰，陈兆辉，玉亚，等 低温 催化剂在 和 共存时的中毒与再生研究中国电机工程学报，（）：，（）：，第期司桐，等：燃煤电站高温除尘技术试验研究 ，：，：张林，李阳春空预器堵灰的原因分析及处理措施热力发电，（）：，（）：，（）：，：，：，：，马双忱，邓悦，吴文龙，等 脱硝过程中硫酸氢铵形成特性实验研究动力工程学报，（）：，（）：，：，（）：周智健，王信，常剑，等 燃煤电厂 脱硝系统 模拟优化研究中国电机工程学报，（）：，（）：，：，：，：，（）：刁永发，沈恒根，许晋源，等高温旋风分离分级效率的理 论 计 算 及 其 分 析 化 工 机 械，（）：，（）：，：，：司桐，王春波，刘瑞琪，等基于高温除尘的燃煤污染物一体化控制路线能效多属性综合评价动力工程学报，（）：，（）：（上接第 页）于清航，徐振刚，王永刚，等基于反应动力学的烟气脱硫反应器数值模拟煤炭学报，（增刊）：，（）：，（）：，：，：动力工程学报第 卷