低低温电除尘器技术及应用

邵 媛，徐劲松

（华电国际电力股份有限公司技术服务中心，济南 250014）

低低温电除尘器技术及应用

邵 媛，徐劲松

（华电国际电力股份有限公司技术服务中心，济南 250014）

低低温电除尘技术通过降低烟温、减少烟气体积流量、降低飞灰比电阻提高除尘效率，并且可除去烟气中大部分SO3。从低低温电除尘技术原理、技术特点、存在的问题及解决方案等改造关键技术问题进行探讨，具体分析某330 MW机组低低温电除尘器改造案例，为环保改造及技术研究提供参考。

低低温电除尘器；低温腐蚀；积灰；磨损；超低排放

1 概述

低低温电除尘器由20世纪90年代末兴起，之前在日本应用较多，与传统电除尘器相比，其兼具提高除尘效率、去除SO3等多种污染物和节能的效果。随着我国环保政策日益严格，和对设备能耗水平要求越来越高，低低温电除尘器已越来越多地应用于我国燃煤电厂环保设施升级改造。

低低温电除尘器由低温换热器和电除尘器组成。该技术是在电除尘器上游设置换热元件，使电除尘器入口烟温降低至酸露点（90℃）左右，降低了粉尘比电阻，提高电除尘器除尘效率。回收的热量可用于再加热进入烟囱的烟气，防止烟囱腐蚀，也可用于加热锅炉补给水或汽机凝结水，换热采用的媒介是水。该方案主要有两种工艺路线［1］，如图1所示。

路线①为从空预器出来的热烟气通过换热装置加热汽机低加来的水，汽机冷凝水得到额外的热量后与主凝结水汇合，这样可以减小汽机冷凝水在低加回路系统中所消耗的抽汽量，实现节能的目的。

图1 低低温电除尘器技术工艺路线

路线②有两级换热器，第一级为烟气冷却器，布置在空预器之后、除尘器之前，降低排烟温度，并可利用锅炉排烟余热加热凝结水；第二级为烟气再热器，布置在脱硫塔之后、烟囱之前。两级换热器通过水对烟气进行换热，通过水循环，可以将脱硫塔出来的烟气再加热到80℃左右，不仅可以防止烟囱酸腐蚀，还可以满足烟气扩散对烟温的要求。

2 低低温电除尘器存在的问题及解决措施

2.1 低温腐蚀问题

低低温电除尘器最突出的问题是低温腐蚀问题。由于烟气温度降低到酸露点以下，SO3在换热器及电除尘器中冷凝，形成具有腐蚀性的硫酸雾。虽然大部分硫酸雾会吸附在烟尘上，但也有相当一部分吸附在换热管壁、除尘器极板、极线、灰斗上，对这些设备造成酸性腐蚀，因此低低温电除尘器对设备防腐性能要求很高。当烟气中水蒸气含量一定时，酸露点温度随SO3浓度的增加而上升，因此燃用高硫煤的机组低温腐蚀问题更严重。低温腐蚀不可避免，但可以采取一定的措施控制其低温腐蚀速率。主要有选择合理的换热烟温及选择合适的耐腐蚀材料2种手段。

2.1.1 选择合理的换热烟温

根据有限腐蚀理论，在金属壁面温度低于烟气酸露点时，存在2个低腐蚀速率区域。如图2所示，金属壁温在酸露点以下约20～45℃至酸露点的区域I以及水露点以上至约120℃的区域II，属于低腐蚀速率区域［2］。由于实验条件中气体中飞灰含量、硫酸雾含量、水蒸气含量等与电厂实际运行中参数有很大不同，这些温度参数只能作为参考，但至少说明了在酸露点温度之下，金属腐蚀存在两个低速区域。由于区域2的低速腐蚀区域温度较低，确定难度大，风险较高，而且低温下易生成粘性灰粘附在受热面表面，目前比较广泛地是采用在区域1中选择一个合理的温度，即选择一个比酸露点稍低的温度，该温度为低低温换热器的出口烟温，在此之前，烟气温度都大于该温度，保证受热面的腐蚀速率最小。

图2 金属腐蚀速率与壁温之间的关系曲线

但是目前并没有准确的计算酸露点的公式，电力行业应用较多的是苏联73版标准《锅炉机组热力计算标准方法》中的经验估算公式，但该公式并没有反映二氧化硫转化成SO3后对酸露点的影响［3］，由于电厂加装脱硝后烟气中SO3含量增加1倍左右，因此，酸露点也会提高。目前，在低低温换热器设计时应用较多的是90℃，这主要是沿用日本的设计，一是考虑温度应设置在酸露点之下，保证SO3结露并被飞灰吸附，另一方面，考虑在该温度下，金属腐蚀速率处于低腐蚀速率区域。但煤质不同，烟气中SO3含量及水蒸气含量不同，其酸露点也不同，设计温度也应不同，因此燃用高硫煤的机组在设计时可以考虑将烟气换热温度提高一些。

2.1.2 选择合适的耐腐蚀材料

不锈钢的品种众多，它们因合金化元素的含量不同而具有不同水平级别的耐腐蚀性和强度［4］。目前在火电厂低温换热设备中常用的有304钢、ND钢、316L钢、2205钢，它们的抗腐蚀特性见表1，通常根据烟气温度、成分、造价等条件选择合适的不锈钢材料。

表1 常用不锈钢材料的耐腐蚀特性比较

低低温换热器低温段及再热器内部温度较低，极易产生低温腐蚀，并且随烟气流动方向，温度也不同，因此，需要根据烟气温度区域设计不同等级的防腐材料。目前，应用较多的有ND钢及以上等级的钢材。

由于硫酸雾粘附在飞灰上沉积到灰斗中，对灰斗也产生一定的腐蚀作用，因此需要考虑灰斗的腐蚀问题。在灰斗下部内衬不锈钢板可以解决灰斗腐蚀问题，也有使用下部灰斗焊接ND钢的结构形式，后者不容易产生脱落问题，但焊接金属防腐等级不应低于灰斗材料。

在人孔门处容易漏风，由于漏风温度低，容易使酸结露，因此人孔门及周围1 m范围内的烟气接触面应为不锈钢材料，防止低低温状态下的腐蚀。

阴极线宜选用不锈钢材质，同时考虑经济性因素，目前阴极线通常采用316L以上不锈钢芒刺线，这也是性价比较高的结构形式［5］。

2.2 飞灰特性改变

烟气温度降低，粉尘比电阻降低，其吸附在阳极板上的吸附力降低，振打时二次扬尘加剧，会降低除尘效率。因此低低温电除尘器可以考虑同高频电源、旋转电极组合使用，将一、二电场的工频电源改为高频电源、对其他电场的电源控制系统进行升级、同时末级电场清灰采用旋转电极技术，可以最大程度提高除尘效率。

由于SO3大量粘附在粉尘上，灰斗收集下来的灰的流动性变差，卸灰难度增加。为保证卸灰完全，灰斗卸灰角度需大于常规设计。灰斗为防止因结露引起堵塞，不仅需要较好的保温，还需有大面积的蒸汽加热或电加热。

2.3 低低温换热器积灰及磨损

由于低低温换热器的受热面壁温低于酸露点温度，受热面上形成的硫酸液滴会捕捉烟气中的粉尘，粉尘中含有CaO、Al2O3、Fe3O4等碱性氧化物。这些碱性氧化物和硫酸反应形成具有粘结性的硫酸盐，其形成机理如式（1）、式（2）、式（3）所示，在受热面上形成低温粘结灰。低温粘结灰将继续捕捉烟气中的粉尘，使受热面积灰加剧，甚至引起受热面堵塞［6］。

式中：x、y为不同条件下生成的聚合物的氧化物组成比例。

应对低温粘结灰的措施，首要是控制受热面壁温，减少硫酸蒸汽在受热面上的凝结。国外的锅炉制造厂对于煤粉炉根据实践经验总结出，管式空预器受热面最低允许壁温与燃煤硫质量分数之间的关系曲线如图3所示［7］。因此，对于煤质硫质量分数＜2%时，只要将最低运行壁温控制在70℃以上，受热面积灰就较轻。

对于再热器，烟气经过脱硫塔后携带一部分石膏液滴，大部分石膏液滴会沉积在再热器的换热表面，烘干后会形成致密的石膏板结层，影响换热效率，严重时甚至引发受热面堵塞。因此设计时，可以考虑在再热器的入口段采用部分裸管错列布置，这种错列布置可以拦截石膏液滴，并且以牺牲裸管的方式来保护后续的换热管组。

图3 管式空预器受热面最低允许壁温与燃煤硫质量分数之间的关系曲线

在锅炉系统的受热面中，都不同程度存在飞灰磨损问题。工程实践中防止低低温换热器受热面磨损的措施主要有：采用防磨损性能良好的H型翅片管、顺列布置；降低烟速；在管组的迎风面加装假管。将H型翅片管组顺列布置并使其排列方向与烟气流动方向平行，翅片之间形成许多平行的通道。H型翅片起整流作用，使烟气在这些通道中呈有序流动，以减轻磨损。这是目前绝大部分低低温换热器受热面采用H型翅片管的主要原因。

3 低低温电除尘器应用

根据国家环保要求，某台330 MW机组进行超低排放改造，除尘技术路线确定采用电除尘高效电源改造，并在除尘器前端加装低温换热器，同时在脱硫塔后加装烟气再热器（MGGH）提升烟气温度，降低烟囱腐蚀。

3.1 设计参数

电除尘器采用双室五电场；设计煤种收到基硫质量分数为2.02%，入口粉尘质量浓度为33.223 g／m3，SO3质量浓度为249.7mg／m3，烟气灰硫比为133。改造后低温换热器出口（即电除尘入口处）烟温不大于90℃，MGGH出口（即烟囱入口处）烟温不小于75℃。设计电除尘器出口烟尘质量浓度不大于20 mg／m3，通过吸收塔的除尘作用，能够降低烟尘质量浓度至5 mg／m3。

3.2 系统概况

低低温换热器系统流程如图4所示。低低温换热器由烟气换热器和烟气再热器组成，两者之间通过热媒水传热。机组A侧、B侧烟道分别设置2组烟气换热器，布置在原干式静电除尘器入口烟道上，利用锅炉干式静电除尘器入口烟气加热热媒水；烟囱入口烟道设置1组烟气再热器，利用热媒水加热吸收塔出口低温烟气，提高烟囱入口烟温到烟气露点温度以上，以消除烟囱内壁腐蚀及出口“冒白烟”现象。

烟气经过再热器后，仍有一部分余热未被利用，为充分提高机组热效率，设计了烟气余热利用装置，即从烟气换热器引出一路加热低加冷凝水。

在机组启机阶段或低负荷运行时，烟囱入口烟温有可能达不到设计温度，因此设计了辅气加热系统，采用机组辅汽或汽机蒸汽加热热媒水。

主要设备包括：4台烟气换热器、1台烟气再热器、1个热媒水箱、1台辅气加热器、1台凝结水加热器以及补水泵、热媒水循环泵、凝结水升压泵（各2台），系统如图4所示，箭头表示热媒水流动的方向。

图4 低低温换热器系统流程

3.3 特殊设计

根据烟气温度、烟气中SO3含量、设备防腐要求等选择不同的材质。烟气冷却器沿烟气流方向分高温段和低温段两段布置，采用双H型翅片管，高温段材料20G钢材质，低温段材料为ND钢，并在高温段安装3排裸管错列布置。烟气再热器分3段布置，沿烟气流动方向顺列布置，第一段的传热元件采用裸管；第二段及第三段采用双H型翅片管。第一段换热管材质选择 SUS2205；第二段换热管材质选择SUS316L；第三段换热管材质选择ND钢。烟气再热器壳体材料与低温换热器材质相同，为Q235B，但烟气再热器处温度低于酸露点，壳体需要进行内部防腐。辅汽加热段、凝结水余热利用及烟气余热回收段均采用不锈钢304材质换热器。将除尘器人孔门和灰斗人孔门更换为304不锈钢材质，阴极线更换为316L不锈钢芒刺线。

为防止飞灰在换热器内沉积，低温换热器内烟气流速一般控制9～10 m／s左右；换热器管内热媒水平均流速按0.8 m／s左右设计。降温段烟气换热器采用声波吹灰和全伸缩蒸汽吹灰两套系统。升温段换热器采用蒸汽吹灰。为增加灰的流动性，将灰斗倾角由60°调整到不小于65°，并增加1／3的加热面积。为防止灰斗腐蚀，内衬不锈钢板。

管壁温度控制通过将部分热媒水引至凝结水换热器实现对水流量的调节，灵活控制低低温换热装置的换热量，从而使内循环的换热工质的温度发生变化，从而使低低温换热器的壁温做到可控可调。

将原有电除尘器一、二、三电场的工频电源全部更换为高频电源，四、五电场工频电源控制系统与改造后高频电源控制系统进行融合升级，提高除尘效率。

3.4 改造后运行效果

机组经过低低温电除尘改造后进行性能试验，电除尘器出口烟尘质量浓度从50～60 mg／m3降至20 mg／m3以下，经过脱硫系统二级塔后，烟尘质量浓度可以降至5 mg／m3以下，满足超低排放要求。

机组改造后运行1年，进行大修检查，未发现低低温换热器受热面有明显的腐蚀及磨损现象。

4 结语

低低温电除尘器通过降低飞灰比电阻提高除尘效率，并可脱除烟气中70%～80%以上的SO3，在当前环保改造比较严格的情况下，可以考虑用于燃煤电厂烟气协同改造。并宜与高频电源、旋转电极等技术结合使用，并且由于灰的流动性变差，需要优化原有灰斗的倾斜角度及加热面积。低低温电除尘器后应配置高效除尘脱硫塔，才能实现烟气超低排放。

低低温电除尘器最大的问题是低温腐蚀问题，因此对设备防腐性能要求很高，并且根据不同温度段选择不同的换热材料，降低低温腐蚀关键是选择合适的换热温度，燃用高硫煤的机组在设计时可以考虑将烟气换热温度提高一些。

为降低低低温换热器受热面的积灰和磨损，应采取一些特殊的处理措施。如将换热器壁温可控可调，在换热器入口段设置错列布置的裸管、换热采用的翅片管顺列布置、设计合理的烟气流速等。

［1］赵海宝，郦建国，何毓忠，等.低低温电除尘关键技术研究与应用［J］.中国电力，2014，47（10）：117-121.

［2］LLOYD G O.Dewpoint corrosion ［J］.British Corrosion Journal，1985，20（4）：156-157.

［3］机械工业出版社.锅炉机组热力计算标准方法［M］.机械工业出版社，1976.

［4］吴耀华.不锈钢结构的材料选用及防腐蚀设计［J］.工业建筑，2015，45（12）：7-12.

［5］王伟.减轻低低温高效电除尘器低温腐蚀的措施探讨［J］.建筑工程技术与设计，2016（1）：828-831.

［6］刘宇钢，罗志忠，陈刚，等.低温省煤器及MGGH运行中存在典型问题分析及对策［J］.东方电气评论，2016，30（2）：31-35.

［7］车得福，庄正宁，李军，等.锅炉［M］.西安：西安交通大学出版社，2008.

Technology and Application of Low Temperature Electrostatic Precipitator

SHAO Yuan，XU Jinsong
（China Huadianguoji Technology Service Center，Jinan 250014，China）

The low temperature ESP technology can improve the dust removal efficiency by reducing the flue gas temperature，reducing the volume flow rate of flue gas and reducing the resistance of fly ash，and can remove most of the SO3in the flue gas. The key technologies in low temperature ESP transformation，such as the technical principles and characteristics，the problem and solution，etc.are discussed.A case of a 330 MW coal-fired unit is specifically analyzed to provide references for environmental transformation and technical research.

low temperature ESP；low temperature corrosion；ash deposition;abrasion；ultra-low emission

X701.2

：B

：1007－9904（2017）04－0066－05

2016-11-08

邵 媛（1986），女，高级工程师，从事火电厂脱硫、脱硝、除尘等方向的研究工作。