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北極星大氣網訊:摘要：在環保要求越來越高的情況下，針對燃煤鍋爐煙氣系統主要設施選擇性催化還原催化劑磨損失效、空氣預熱器堵塞、水媒介氣—氣換熱器磨損等存在的主要問題，提出採用改型的鍋爐煙氣系統布局方式，在SCR催化劑前布置高溫電除塵器，將高溫煙氣淨化，既滿足環保的要求，又解決煙氣系統設備存在的問題。
關鍵詞：除塵；燃煤鍋爐；磨損；堵塞；效率；比電阻
0引言
隨著燃煤發電機組環保要求的逐步提高，在燃煤鍋爐煙氣出口段安裝脫硝催化劑、除塵器、脫硫裝置等；為提高鍋爐的燃燒效率，在煙氣尾段設置有空氣預熱器及其他加熱器，以充分回收煙氣中的餘熱。但由於環保政策是逐步推廣實施，沒有從初始階段就形成整套系統性的環保要求，造成環保設施研發、運行過程中存在很多不可避免的問題，後續仍然須要投入大量的資金、設施進行改進。目前鍋爐煙氣系統在實際運行中存在的主要問題有空預器堵塞、磨損、脫硝催化劑壽命低等，發電廠要追加投資開展空預器防堵、疏通、催化劑定期檢測、診斷、更換等。可通過對設備重新布置來解決煙氣系統設備設施運行中存在的問題。
1鍋爐尾部煙氣設備布置現況
1.1設備布置現狀
當前燃煤鍋爐環保系統的主要設備流程布置方式為：脫硝裝置+空氣預熱器+煙氣換熱器+除塵器（+低溫加熱器）+脫硫裝置，見圖1。
圖1鍋爐尾部煙氣設備布置
由鍋爐尾部煙道來的高溫煙氣（350～380℃）經過選擇性催化還原（SelectiveCatalyticReduction，SCR）催化劑進行脫硝處理後，進入空預器加熱送風，降溫後的煙氣（120～150℃）進入煙氣換熱器降溫（約100℃），再進入低溫電除塵器，除塵後的淨煙氣進入脫硫系統吸收塔，煙氣溫度降低（50～55℃）；再經過低溫換熱器加熱升溫（80～85℃）後經煙囪排放。
1.2存在的問題
1.2.1脫硝裝置
脫硝裝置的催化劑的主要成分為V2O5、TiO2、WO3等，催化劑在工作時需要與煙氣充分接觸，就需要增加催化劑與煙氣的接觸面積。催化劑堵塞、磨蝕。煙氣中攜帶的細小顆粒飛灰聚集在催化劑的表面和小孔內阻礙反應物到達催化劑表面。飛灰中的常見堵塞物為銨鹽和硫酸鈣，硫酸鈣造成催化劑的堵塞、失活。飛灰對催化劑本體的磨蝕效應。在高溫、高速、高塵煙氣的衝刷下，催化劑頂端硬化段會逐漸被破壞，局部形成煙氣走廊加速附近催化劑的磨損。磨損一般可以參照管壁最大磨損厚度Ex來表示：
式中：α為與煤灰磨損特性及管束結構有關的磨損係數；kρ、kω為飛灰濃度與煙氣速度場的不均勻係數；ρ為管束計算斷面處的飛灰質量濃度，g/m3；ω為管束間最窄截面處的煙氣流速，m/s；kD為鍋爐額定負荷時煙速與實際運行負荷時的煙速比值；M為管材的抗磨係數；η為飛灰碰撞管壁的頻率因子；s1為管列部分橫向節距，m；d為管徑，m；τ為鍋爐運行時間，h；R90為飛灰的顆粒細度。
在α、kρ、kω、ρ、ω、τ、kD、M、s1、d、R90等參數相對穩定的情況下，催化劑的磨損與ρ、η成正比，可以通過降低ρ、η，降低催化劑的磨損。
催化劑中毒。煙氣的飛灰中攜帶的鹼金屬（K、Na）、砷、磷等附著在催化劑的表面，催化劑中Na2O、K2O、CaO、SO3、As2O3含量增加引起催化劑中毒，造成催化劑活性下降。
1.2.2空氣預熱器
大型燃煤鍋爐的空氣預熱器一般採用迴轉式結構，蓄熱元件多採用波紋板式。為提高蓄熱元件的蓄熱能力，波紋板的氣流通道一般為非直通式通道；相鄰波紋板之間的縫隙較小，一般在10mm左右，煙氣中含有的飛灰在經過波紋板時比較容易產生堆積而堵塞通道。
空氣預熱器冷端蓄熱元件區域的煙氣溫度一般為120℃左右。在當前嚴格的環保政策下，煙氣中的NOx排放質量濃度要求低於50mg/m3，需要在SCR催化劑前增加NH3噴射量，造成SCR催化劑後的氨逃逸容易增加。當機組出現較大的負荷變動時，脫硝裝置出口的氨逃逸會急劇增加。當煙氣中的NH3含量較多、溫度低於230℃時，NH3與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4，在185℃以下成為黏稠狀液體。NH4HSO4粘結在空氣預熱器的換熱板片上，吸附煙氣中的飛灰並發生與之粘結、板結、硬化，在換熱板片上產生板結塊而堵塞空氣預熱器流道。
1.2.3靜電除塵器
在當前新的環保政策要求下，常規靜電除塵器的入口煙氣溫度一般為120～150℃，出口粉塵質量濃度一般控制在20mg/m3左右，很難控制在10mg/m3以下。燃煤機組多通過降低電除塵入口煙氣溫度以增加粉塵的溼度、降低粉塵的比電阻，提高除塵效率。粉塵溼度與比電阻關係見圖2。當煙氣的溫度控制較低時，很容易造成粉塵在電除塵器電極板上發生黏接、堵塞排灰鬥等問題。
圖2粉塵溼度與比電阻關係
1.2.4煙氣換熱器
為提高靜電除塵器除塵效率，一般採用降低煙氣溫度的方式來減少粉塵排放量，利用煙氣換熱器，一般為水媒介氣—氣換熱器（MediaGasGasHeatex-changer，MGGH），將煙氣溫度降低至100℃左右。MGGH換熱管道的外側流通的煙氣中摻雜了大量的粉塵，極易造成MGGH的煙氣側堵塞、換熱管道衝刷洩漏等問題。
2煙氣系統布局變更
鑑於上述燃煤機組煙氣系統問題與鍋爐尾部煙氣系統問題，可對整個煙氣系統設備重新進行布局。由於粉塵是目前SCR催化劑、空氣預熱器、MGGH等設備故障、壽命降低的主要因素，通過引入高溫電除塵器，將煙氣在進入SCR催化劑前進行除塵處理，充分降低煙氣中的粉塵含量，從而解決SCR催化劑、空氣預熱器、MGGH等設備及煙氣系統的主要問題。
2.1煙氣系統設備布局
煙氣系統的設備布置採用方式：高溫電除塵器+脫硝裝置+空氣預熱器+MGGH+脫硫裝置+低溫換熱器+溼式電除塵器，見圖3。
圖3改型鍋爐尾部煙氣設備布置
在該系統布置中，脫硝裝置、空氣預熱器、煙氣加熱器、脫硫裝置等不進行改動，引入了高溫電除塵器設備，即將電除塵器前移並將常規電除塵器設置為高溫電除塵。為保證燃煤機組排放要求，在低溫換熱器後安裝溼式電除塵器，在煙囪粉塵排放升高時投用溼式電除塵器。
2.2高溫電除塵器
2.2.1除塵效率
粉塵比電阻是兩種獨立的導電機理的綜合，即體積比電阻和表面比電阻。當粉塵溫度＞225℃時，體積傳導機制起主要作用，溫度上升、粉塵比電阻減小；當溫度＜150℃時，表面傳導機制主要作用，溫度上升、粉塵比電阻增大；當溫度為150～225℃時，粉塵比電阻會出現峰值，達到1012Ω·cm等級，見圖4。
圖4粉塵比電阻與溫度的關係
當煙氣溫度超過250℃時，粉塵比電阻與溫度的經驗公式為
式中：ρr為比電阻，Ω·cm；A為鐵原子百分數；T為煙氣溫度，K；B為鈉和鋰原子的百分數（在625K、40%空隙率時）。
例如在250℃時，粉塵的比電阻為1011Ω·cm；當煙氣溫度上升至380℃時，粉塵的比電阻降低至1.06×109Ω·cm，僅為250℃狀態下的1.06%。靜電電除塵器的除塵效率與粉塵的比電阻直接相關，電除塵要求粉塵比電阻為104～1011Ω·cm。尤其當粉塵的比電阻分布在106～1012Ω·cm之間時，比電阻越小，除塵效率會有所升高，見圖5。
圖5靜電除塵器除塵效率與比電阻關係
降低粉塵的比電阻可以提升電除塵器的除塵效率，對於高溫電除塵器，粉塵入口溫度達到350～380℃，其比電阻約降低至常規電除塵器入口溫度（約120℃，粉塵120℃時的比電阻與250℃的比電阻比較接近）的1%，由於比電阻的大幅度降低，高溫電除塵器的除塵效率比常規電除塵器有所升高。
2.2.2高溫電除塵器的應用
燃煤機組SCR催化劑入口煙氣溫度一般為300～380℃，隨著煙氣溫度的升高，粉塵比電阻降低，靜電除塵器的最適宜工作比電阻為104～1010Ω·cm，電除塵運行於更為適宜的飛灰比電阻範圍內，更容易達到更高的除塵效率。
高溫電除塵器目前在各種行業都有比較有很廣泛的應用，如電爐制磷、玻璃窯爐、高溫煤氣或合成氣、電力行業等。在電力行業，高溫電除塵器一般用於處理高於300℃的煙氣，安裝於空氣預熱器之前，入口煙氣溫度在300～450℃範圍內。高溫電除塵器主要是通過採用高性能電極材料提高耐腐蝕性，以及高性能鋼材提高除塵器結構穩定性等方式，進行高溫電除塵，煙氣系統主要的布置方式為「高溫電除塵器+SCR+溼法脫硫」。高溫電除塵器在日本被用於大容量燃煤發電機組，主要用來保護脫硝設備中的選擇性催化還原反應催化劑免受飛灰的機械磨損和化學毒化。該類型的電除塵器已經有很成功的運行案例：日本松浦電廠1990年商業運行後，煙氣除塵均採用高溫靜電除塵器，主要運行參數見表1。
表1松浦電廠機組電除塵參數
經過高溫電除塵器處理後的高溫煙氣，其中的粉塵含量大幅降低，粉塵含量降低至原煙氣的0.051%，成為高溫淨煙氣。
2.2.3高溫電除塵器目前主要問題
1）投資費用高。高溫電除塵器由於其運行溫度高，導致本體體積增加、建造所使用的鋼材材料等級提高，對防腐與鋼材穩定性提出了更高的要求，建設費用相較於常規電除塵更為高昂。與常規電除塵器相比，由於高溫電除塵器體積、表面積更大，散熱損失增加，降低了高溫電除塵器運行的經濟性。
2）煙氣溫度高，氣體密度變小、電離效應加強，引起起暈電壓、擊穿電壓降低，電弧電壓和電暈電壓之間的差值變小，電壓工作範圍變窄，影響電除塵器除塵效率和工作的穩定性。
3）運行狀態下粉塵中的主要影響比電阻的離子—鈉離子流失，會造成粉塵比電阻的升高，電除塵器的除塵效率會有所降低。
4）由於煙氣溫度高，氣體的黏性增大，電極板振打時引起二次揚塵、積灰，影響除塵效率。
高溫電除塵器雖然存在以上的問題，但在實際應用中，整體的高溫電除塵效率能夠維持比較高的狀態。如目前富士電機有限公司的高溫靜電除塵器，採用的是金屬網過濾式靜電除塵器技術，除塵效率98%以上，粉塵出口質量濃度在10mg/m3以下。
3解決煙氣系統主要問題
採用改型後的煙氣系統布局，可以解決SCR催化劑、空氣預熱器、MGGH目前存在的主要問題，並可以為未來的環保改造如廢水零排放、汞排放等提供較好的煙氣條件。
3.1SCR催化劑的問題
SCR催化劑的運行主要由於煙氣中的粉塵磨損、鹼中毒等。但當高溫煙氣經過高溫電除塵處理後，成為高溫淨煙氣後，對SCR催化劑的影響變化主要有：
1）煙氣中的粉塵含量降低至原來的0.051%，根據式（1），當其餘條件不發生變化時，SCR催化劑受到的磨損也降低至原來狀態0.051%；
2）由於鹼金屬主要來源於粉塵，當粉塵含量降低至原來的0.051%時，進入SCR催化劑的鹼金屬濃度也降低至原來的0.051%；
3）由於進入SCR催化劑的粉塵含量降低至原來的0.051%，催化劑堵塞的問題也會得到解決。
當進入SCR催化劑的高溫煙氣經過除塵處理後，SCR催化劑的壽命會有大幅度的提高。在理論狀況下，現有催化劑的組成為V2O5、TiO2等，在高溫煙氣中是不會發生氧化流失的，加上磨損量可以忽略，SCR催化劑的壽命是遠遠高於目前狀態，有望實現與機組的同壽命服役，減少催化劑定期更換的高昂費用和處理過程的二次汙染。
3.2空氣預熱器的問題
高溫煙氣經過高溫電除塵器處理成為高溫淨煙氣，進入空氣預熱器中加熱一次風和送風。由於高溫煙氣中的粉塵含量降低至原煙氣的0.051%，可以解決以下問題：
1）空氣預熱器蓄熱元件衝刷、磨損問題，與SCR催化劑相同，由於煙氣中粉塵濃度的降低，蓄熱元件受到的磨損也降低至原來狀態0.051%，蓄熱元件的尤其是熱端蓄熱元件的使用壽命會有很大程度的提高；
2）空氣預熱器冷端蓄熱元件的堵塞問題，在NH4HSO4生成量不變的情況下，相同數量的NH4HSO4粘結在冷端蓄熱元件上，吸附煙氣中的粉塵，由於粉塵濃度降低至原來的0.051%，NH4HSO4吸附的粉塵總量也會大幅降低，冷端蓄熱元件堵塞的問題會有很大程度的緩解；
3）在冷端蓄熱元件由於NH4HSO4吸附粉塵形成的板結問題得到解決後，空氣預熱器的吹掃可以達到較好的清洗效果。
3.3MGGH的問題
在高溫淨煙氣經過空氣預熱器降溫後進入MGGH後，由於煙氣中含有的粉塵濃度降低接近10mg/m3，同樣根據式（1）的定量分析，換熱管道的表面承受的衝刷會急劇降低，換熱器衝刷洩漏的故障率會急劇降低。
在煙氣中粉塵濃度降低後，在MGGH死角集聚的粉塵量也會降低，堵灰問題可以得到極大的緩解。
3.4為後續環保改造提供較好條件
未來環保的要求將會逐步延伸至廢水零排放、汞排放等領域，以當前燃煤機組廢水零排放的一種主流技術（高溫旁路煙氣蒸發技術）為例，該技術採用空氣預熱器前的高溫煙氣作為廢水處理的熱源。由於高溫煙氣中含有大量的粉塵，在將蒸發後廢水中的固體物進行收灰除塵的同時也收集了更多的粉塵，造成收集的固體物遠遠高於廢水中溶解的固體物，處理固體物時的成本增加，制約了該技術的進一步發展。目前只能將收集的固體物摻入燃煤機組的粉煤灰中，造成粉煤灰中含氯量增加、品質降低，影響粉煤灰的處理。如採用經過高溫靜電除塵器除塵後的高溫淨煙氣作為高溫旁路煙氣蒸發技術的熱源，在進行收灰除塵時收集的固體物主要為廢水中的溶解物，從煙氣中收集的粉塵少，固體物的總量會大幅降低。收集的固體物在處理時的難度降低，廢水零排放的處理成本也會降低。
4結語
隨著對燃煤機組環保要求的進一步提高，隨之產生的鍋爐煙氣系統問題越來越多，而造成煙氣系統故障的重要因素為煙氣中的粉塵含量高。降低煙氣中的粉塵含量是解決鍋爐煙氣系統設備問題的主要方式，可對煙氣系統進行重新布局，將目前的常規電除塵器布局為高溫電除塵器，煙氣在進入SCR催化劑、空氣預熱器、MGGH換熱器前進行除塵處理，可以解決當前煙氣系統設備存在的主要問題，也可以為未來環保技術的發展提供較好的煙氣條件。雖然高溫電除塵器目前仍然存在著一些問題，但隨著環保要求的提高，是燃煤機組解決煙氣系統問題的一種有效技術手段。
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