本文介绍了神华万州电厂为实现超低排放所采取的综合除尘技术路线，对湿式静电除尘器和管束式除尘装置的工作原理及两者的技术性能进行了比较和分析,同时就常规静电除尘器除尘提效改造和吸收塔内部流场均布优化工作做了阐述，重点分析了管束式除尘装置改造实施方案和运行效果，为其他火电机组实施超低排放改造技术路线的选择提供了有利借鉴和经验支持。
关键词：环保 电除尘器 吸收塔 流场优化 除尘 管束式 超低排放
1 概述
随着环保要求日益提高，燃煤电厂烟气除尘排放已得到各级部门的高度重视。通过三十多年的发展，我国在燃煤电站烟尘排放控制领域，除尘设备和技术达到国际先进水平，烟尘排放逐步得到有效控制。
为加强环境保护、实现节能减排目标，国家环保部推行了新的环保排放标准，即《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)，该标准允许的污染物排放限值较2003年第二次修订的限值更为严格。
一些发电企业为了争取更加广阔的发展空间，积极与设计单位、环保企业进行合作，研究或引进一些能够进一步降低污染物排放水平的技术，如湿法脱硫后增加湿式电除尘器。通过一些电厂的应用和实施，排放浓度达到了更加低的效果，甚至优于燃机排放标准，“超低排放”技术得到了业内的高度赞赏。为进一步推广和发展超低排放技术，国家发改委、国家能源局等三部委下发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》，要求火电机组有条件的执行燃机排放标准(也称为超低排放标准)。即污染物排放限值按照二氧化硫35 mg/m3(标，6%O2)、氮氧化物50 mg/m3(标，6%O2)，烟尘10 mg/m3(标，6%O2)执行。
从环保角度而言，烟气污染物“超低排放”的提出对于燃煤发电机组是一个重要课题和新的发展要求。神华集团作为央企，带头做好环保工作是义不容辞的社会责任，要求在建项目严格按照超低排放的标准建设，重庆神华万州电厂2台1050MW机组作为2015年投产的项目必须按照集团公司要求，对烟气排放的环保设施进行提效改造，实现机组的超低排放。
2 超低排放技术路线的选择
2.1烟尘处理设施现状
神华神东电力万州发电厂一期工程建设2×1050MW超超临界燃煤发电机组，每台机组锅炉采用低氮燃烧器，同步配套建设两台三室五电场高效电除尘器，一套石灰石—石膏湿法烟气脱硫装置和一套SCR脱硝系统。其中，脱硫系统在设计时以最高含硫量的燃煤，即锅炉校核煤种(含硫量0.8%)作为脱硫设计煤种进行设计，设计脱硫效率≥96%，SO2排放浓度≤76mg/Nm3。脱硫吸收塔由国电清新环保技术股份有限公司进行设计供货，采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺旋汇耦合技术，不设GGH。工程实施过程中考虑燃煤含硫量的变化，脱硫系统又按含硫量为1.2%进行扩容设计，设计脱硫效率≥96.5%。
本工程设计烟尘排放浓度小于20 mg/Nm3，NOx排放浓度小于27mg/Nm3 ，SO2排放浓度小于47mg/Nm3。除脱硝设施外脱硫和除尘的设计指标与超低排放的要求差距很大，选择合理的技术路线对烟气处理设施进行改造已刻不容缓。
2.2提高常规静电除尘器除尘效率的措施
为了提高除尘器的除尘效率，在除尘器的设计阶段，就多次召开设计优化研讨会，确定了电除尘的设计诸多细节，重点做了以下几个方面的工作：
1增大截面，降低烟气流速，提高除尘效率。
万州电厂除尘器内部的设计烟气流速为0.817m/s，停留时间为24.46s，烟气流速的降低，意味着在烟气量、电场长度不变的情况下，烟气在电场内的处理时间延长了，除尘效率便能提高。截面积大一是可降低电场风速，延长烟气在电场中的停留时间，减少振打二次扬尘，提高电除尘器的收尘效率;二是可降低烟尘对极板、极线的磨损冲刷，延长电除尘器内部构件的使用寿命。
2较大的比集尘面积，提高除尘效率，降低出口排放。
万州电厂的比集尘面积设计数据为126.62m2/m3/s，较国内常规的除尘器相比，比集尘面积选的较大。一般情况下除尘效率是随着比集尘面积增加而提高，一定量的比集尘面积是保证除尘效率的一个必要条件。因此，这一定量的比集尘面积是根据大量相类似工程的基础上，依据科学理论推导得出的。同时，集尘面积大可从根本上克服高比电阻粉尘所带来的恶劣工况对电除尘器高效运行所造成的危害。3采用分区供电技术：
在每一电场内采取左右分为三个供电区的技术措施，每台除尘器共分为15个供电小区，有效地划小了供电单元，提高设备运行的可靠性。
4采用混合极线配比形式，消除场强死区，加大煤种适用范围。
本项目采用混合极线配比形式。这种极配型式，一是可使电场强度分布均匀、即极板上的电晕电流密度分布均匀，从而抑制了反电晕的产生;二是可在保证效率的前提下适当的加大电除尘器的煤种适用范围;三是可消除电场死区提高收尘效率。
5末电场采用鱼骨针加辅助电极，出气烟箱内加装槽板系统。
末电场采用鱼骨针加辅助电极，出气烟箱内加装双层迷宫式槽板系统的电除尘器，以保证电除尘器对实际工况条件的适应性能及长期有效的除尘效率。
6采用断电振打和间歇供电等措施，有效抑制反电晕现象发生。
针对本工程的需强化振打清灰要求，提供“减功率振打”和“断电振打”功能，该功能与振打控制器紧密配合，在电场振打期间，对应的高压供电设备自动进入设定的“减功率”或“断电”供电方式，降低沉积在电极上的电附着力，有效提高振打清灰效果。根据实际需要，还可以调节断电振打频度以获得最佳效果。
7一至三电场采用三相电源，四至五电场采用国产高频电源，更加有利于提高除尘效率。
万州项目原五个电场设计全部采用规格为72KV、1800mA的高频电源，后对电源进行改造，将一至三电场改为规格为82KV、2200mA三相电源。决定电除尘效率的两大主要因素是：本体的大小和运行电压的高低。电除尘指数可以有效地反映这两方面，它与电除尘效率满足如方程所示关系：
电除尘指数的大小反映了单位烟气在电除尘器中的静电储能的高低，储能越大除尘效率就越高。通过上述静电除尘器综合技术的应用和设计优化，确保了万州电厂常规电除尘器出口粉尘浓度≤15mg/Nm3。2月5日168期间，根据当地环境监测站监测的数据：除尘器进口粉尘为6.22g/Nm3、出口粉尘为7.7mg/Nm3，数据证明，除尘器提效改造取得成功，为脱硫吸收塔的进一步除尘奠定了较好基础。
2.3 湿式静电除尘器和管束式除尘装置的方案选择
2.3.1湿式静电除尘技术简介
在脱硫系统尾部增设湿式静电除尘装置，传统干式静电除尘器对高比电阻和微细粒子脱除率不高;湿式静电除尘装置处理的是饱和湿烟气，尘粒荷电性能好，电晕电流大，对湿烟气中的粉尘的比电阻没有要求，特别适用于脱除湿烟气中的微细粒子及气溶胶，收尘效果非常好。
目前，湿式静电除尘技术主要有金属极板式、柔性极板式，非金属管式等不同流派，从工程实例看，真正能够达到超低排放要求的为前两种技术，但是，其投资大、现场改造占地多、施工难度大、废水难以处理等问题明显突出。
2.3.2管束式除尘装置技术简介
管束式除尘装置是由北京国电清新环保技术公司在2013-2014年研发的专利产品。使用环境是含有大量液滴的50℃饱和净烟气，特点是雾滴量大，雾滴粒径分布范围广，由浆液液滴、凝结液滴和尘颗粒组成;除尘主要是脱除浆液液滴和尘颗粒。
管束式除尘装置是将脱硫塔内的除雾器拆除，利用除雾器支架进行安装，烟气进入脱硫塔后先经过增速器确保以最小的阻力条件提升气流的旋转运动速度，大量的细小液滴与颗粒在高速运动条件下碰撞机率大幅增加，易于凝聚、聚集成为大颗粒，从而实现从气相的分离。除尘器筒壁面的液膜会捕悉接触到其表面的细小液滴，尤其是在增速器和分离器叶片表面的过厚液膜，会在高速气流的作用下发生“散水”现象，大量的大液滴从叶片表面被抛洒出来，在叶片上部形成了大液滴组成的液滴层，穿过液滴层的细小液滴被捕悉，大液滴变大后跌落回叶片表面，重新变成大液滴，实现对细小雾滴的捕悉。
经过加速器加速后的气流高速旋转向上运动，气流中的细小雾滴、尘颗粒在离心力作用下与气体分离，向筒体表面方向运动。而高速旋转运动的气流迫使被截留的液滴在筒体壁面形成一个旋转运动的液膜层。从气体分离的细小雾滴、微尘颗粒在与液膜层接触后被捕悉，实现细小雾滴与微尘颗粒从烟气中的脱除。
气体旋转流速越大，离心分离效果越佳，捕悉液滴量越大，形成的液膜厚度越大，运行阻力越大，越容易发生二次雾滴的生成;因此采用多级分离器，分别在不同流速下对雾滴进行脱除，保证较低运行阻力下的高效除尘效果。
2.3.3万州电厂除尘改造方案选择的技术性能比较(单台炉)
综合以上分析，考虑一次投资、能耗、维护费用以及设备检修维护方便、减小改造工作量、布置紧凑等各方面因素，本工程采取管束式除尘装置作为烟尘超低排放改造的方案。
3 万州电厂管束式除尘装置改造实施情况
3.1 原有吸收塔除雾器装置拆除及改造
1)取消原吸收塔内的三级除雾器(2层屋脊式+1层管式)，改造为全新的管束式除尘装置及相应的冲洗水系统。
2)除雾器支撑的大梁已施工，改造选择拆除原除雾器第二层大梁，原除雾器第一层大梁利用，并利用现有拆除的第二层大梁(两根)加强在第一层布置梁上。
3)除雾器冲洗水接口已施工，改造选择切割封堵现有冲洗水接口，重新设计、施工冲洗水接口开孔位置。
4)1号吸收塔除雾器冲洗操作维护平台已施工，选择改造现有平台以满足改造后除雾器冲洗操作及维护要求。
3.2 高效管束式除尘装置在吸收塔的安装和运行
1)高效管束式除尘装置采用模块化设计，其布置在喷淋层上部即除雾器的位置，代替常规除雾器的使用功能，且除尘除雾效果远远优于目前常用的屋脊式除雾器。
2)对于改建脱硫机组，在吸收塔上部留出比二层屋脊式除雾器低的安装空间，并设计与屋脊式除雾器强度相当的支撑梁，直接将模块式管束除尘装置安装在梁上。
3)设置冲洗水即可满足冲洗要求，比常规屋脊式除雾器节省安装空间，减少冲洗水量，减少电动阀门配置。根据管束除尘装置的运行阻力，设置和调整冲洗水的冲洗频率和冲洗效果。
2.3 原有其他系统改造情况
原有的烟气系统、SO2吸收系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、工艺水系统、排空系统以及废水处理系统完全满足提效后系统出力要求，不需改造，仅对原吸收塔内部湍流器及除雾器进行改造，原除雾器冲洗水量及冲洗水泵参数不变。
4 吸收塔内部流场设计优化对提高除尘的作用
4.1脱硫塔内设置烟气均布设施的影响
从上图可以看出，在没有烟气均布设施的流场中，烟气流动出现了明显的偏流，在脱硫塔进口的远端塔壁附近出现了较高的流速区，这种现象一直到一二喷淋层中间截面仍很明显，一方面影响了脱硫浆液的高效利用，另一方面局部的较高的烟气流速导致烟气对液滴的携带能力增强，增大除雾器的负荷，对除雾器工作不利。而在有烟气均布设施的流场中，虽然在烟气均布设施以下的区域仍有偏流存在，但当烟气经过烟气均布设施后(本塔的一个特点：在最下面喷淋层有一层湍流层)，进口的近端与远端流场的差距基本消除，这说明烟气均布设施对烟气产生了良好的均流作用，同时，烟气以均匀流速进入除雾器，对保证除雾器的除雾功能的充分发挥具有极大的作用。
4.2 喷淋层对脱硫塔内流场的影响
从下图可以看出，无喷淋时，虽然烟气均布设施纠正了一部分的烟气偏流，但流场在入口的近端与远端的分布不均并未完全消除，加入喷淋后，在湍流器、喷淋层的共同作用下，偏流完全消失，烟气流场实现良好的均匀分布。
在喷淋层投运的情况下，能很好的均布湍流器到除雾器的流场，使得进入除雾器的烟气有均匀的速度分布，所以喷淋层的喷嘴喷射的角度和方向也对脱硫塔内流场起到十分重要的作用。
4.3 出口烟道优化对塔内流场的均布作用
根据流体力学的基本原理，除雾器之后烟道布置也会对除雾器中的流场产生干扰，为保证除雾器在最佳条件下工作，重新对出口烟道进行了优化，即将出口烟道由“侧出”改为“顶出”，以及将烟道的直角弯改为圆弧弯、由等截面管道改为渐扩形管道减小阻力损失等措施。
从以上两图可以看出，在对脱硫塔出口烟道优化之后，加大了出口与除雾器之间的距离，烟气有更加充分的流动空间，在偏转之前烟气有充分的运动时间和空间，使除雾器区域的均匀流场范围明显扩大了，而且减小了出口的阻力。通过模拟可以看出，对脱硫塔出口烟道的优化必要且合理。
5 总结和建议
管束式除尘装置占地面积小、改动工作量少、施工安装工期短、运行效果稳定、节省投资，且后期运营维护成本低，适合于新建和改造机组的烟尘超低排放。对于改造机组，由于在原有吸收塔内可实现改造，吸收塔不用加高，优越性更加明显。
本期改造1号机组已于2015年2月完成168小时试运，成功投入商业运行。采用滤膜法对1号机组烟囱排放数据进行检测，烟尘出口平均3.1mg/Nm3。其中2月5日委托当地环境监测站进行监测，烟囱出口SO2为9.0mg/Nm3，粉尘为4.5mg/Nm3(监测站采用国家通用的滤筒法)，NOX为23.0mg/Nm3。
神华万州电厂通过对常规静电除尘器设计优化和电源改造，脱硫吸收塔内部流场均布和优化，以及采取管束式除尘装置等综合技术的应用，较好的实现了污染物的超低排放，为火力发电行业的超低排放探索出了一条新的路径。
参考文献
[1]《火电厂烟气脱硫技术标准》;
[2]《燃煤烟气脱硫脱硝技术标准》;
[3]《火电厂烟气脱硫吸收塔施工及验收规程》;
[4]《燃煤电厂烟气脱硫装置设计导则》;
[5]《流体力学》同济大学出版社;
[6]《工程流体力学》中国科学技术大学出版社;
[7]《湿法电除尘器的特性及其发展方向》电力环境保护。
[8]《万州2X1000MW机组配套静电除尘器设计方案》 兰州电力修造厂。
[9]《电除尘工程通用技术规范》HJ2028-2013
[10]《电除尘器设计、调试、运行、维护安全技术规范》JB/T 6407-2007
