低低温节煤余热回收电除尘：从锅炉热损失到近“零能耗”除尘

基于福建龙净环境工程股份有限公司在粤嘉电厂135MW循环流化床机组的工程实践解读

关键词
ESP, 煤粉锅炉, 余热回收, 节能, 高效, 循环流化床锅炉, 工业烟气治理

在中国“十二五”时期，火电行业面临两大约束：一是超低排放与节能减排政策持续加严，二是优质煤资源收紧、燃煤品质波动加剧。在这样的背景下，传统静电除尘器（ESP）在高温、高比电阻、高烟气量等工况下效率下滑、能耗偏高的问题被进一步放大。如何在不大幅扩容除尘设备的前提下，实现稳定达标排放并兼顾节能降耗，成为工业烟气治理技术演进的关键命题。

由福建龙净环境工程股份有限公司的廖增安、钟志良、廖定榕、谢庆良、黄菊福等[1]，在第十三届国际静电除尘会议（ICESP XIII, 2013）上系统介绍了一项兼具余热回收与深度除尘能力的“低温节煤余热回收电除尘器”技术（Low Temperature Coal Saving Heat Recovery ESP），并在广东粤嘉电厂135MW循环流化床锅炉上完成了工程示范。该方案通过“降温—提效—节能”一体化设计，对传统ESP进行了系统性再造，为当前燃煤锅炉特别是循环流化床锅炉的高温排烟问题提供了具有方向性的解决思路。

传统锅炉系统中，排烟热损失通常占锅炉总热损失的60%–70%，对应的热效率损失为5%–12%。研究表明，排烟温度每升高10℃，排烟热损失将增加约0.6%–1.0%，导致锅炉煤耗上升约1.2%–2.4%[2]。在国内大量循环流化床机组上，实际排烟温度普遍高出设计值20–50℃，原因包括煤粒过大、挥发分低、入炉煤水分高、对流受热面结灰结渣、换热面积不足、一次/二次风配比不当等。这不仅直接推高了机组煤耗，同时也恶化了静电除尘器的工作工况。

从静电除尘技术机理来看，高温排烟带来的负面影响具有多重叠加效应。首先，烟气温度升高导致体积流量增加、流速加快，烟气在电场中的停留时间缩短，粉尘迁移距离不足，二次扬尘概率增大；按经验估计，烟温每升高10℃，烟气量约增加3%，在经典的Deutsch公式中，单位处理气量增大将通过比集尘面积f和气速v的变化，指数性削弱ESP的总收尘效率。其次，气体温度升高会降低气体击穿电压，电场可施加电压的安全裕度缩小，每升高10℃，场强击穿电压约下降3%，这直接限制了除尘器的工作电压和电场强度，导致粉尘有效迁移速度下降。此外，粉尘比电阻在约150℃附近往往达到峰值，此时极易出现回击穿（回腐蚀）现象，即在集尘极表面形成强烈的空间电荷和反向电晕，表现为低电压、高电流状态，收尘效率明显恶化。这在燃用高铝、高碱煤种的工程中尤为突出。

与此相对应，当烟气温度由150℃降低至100℃左右时，粉尘比电阻通常会下降一个数量级以上，气体密度增大、分子平均自由程缩短，单位体积内气体分子增多，有利于提高气体击穿电压和稳定电晕放电，从而提升电场运行电压及整体收尘效率。福建龙净的研究正是围绕这一“低低温窗口”展开：通过受控降温，使ESP长期工作在90–110℃区间，避开比电阻峰值区间，在不增加或少增加本体尺寸的前提下实现深度除尘，并同步回收中低品位余热，用于电厂凝结水加热，实现“节煤+高效除尘”的耦合。

该低温节煤余热回收电除尘技术的工艺核心，在于将锅炉高温烟气与汽轮机凝结水进行换热，使原本需要抽汽加热的部分凝结水转而利用烟气余热进行升温，从而减少低压加热器的汽抽量。按照龙净团队的设计，ESP入口烟温由传统的120–170℃区间压降至90–110℃区间，温降幅度通常不低于30℃。换热系统采用“顺流布置+逆流换热”的优化方案：在空间布置上，换热元件沿烟气流向顺排，以减小扰流、降低磨损；在温度场上，则采用工质与烟气逆流换热，以最大化平均温差和有效换热时间。换热元件以“膜式管+H型翅片组合”形式布置，提高传热系数，兼顾抗磨性和防积灰能力。

在控制策略上，该系统配置了专门的“低温节煤自适应控制系统”，综合采集烟气温度、粉尘特性、ESP运行参数、伏安特性曲线、回击穿指数、烟羽浑浊度以及烟气酸露点等信号，经计算机自动运算，实时调整换热量和电场运行模式，寻优组合工作参数，使电除尘器长期处于高效、低能耗区间。温度调节阀和分布式控制系统（DCS）共同构成了在线监测与动态调节闭环，既保证了在负荷波动、煤质变化下的工况适应性，又通过对酸露点的跟踪，避免了低温腐蚀风险。

在电除尘本体及辅助系统方面，该低温节煤ESP并不仅仅是加装一个换热器，而是与高频高压电源、双区（两级）电场配置、节能运行控制、强化清灰等技术进行组合。对前几电场采用高频电源，针对循环流化床锅炉大颗粒、高浓度、质量负荷高的粉尘，改善电晕抑制问题，提高初始电晕电流与电场均匀性；振打系统升级为顶部电磁振打，并通过程序控制实现振打强度和频次的精细调节，以适应低温状态下粉尘黏结性变化，防止积灰及二次扬尘；灰斗则通过强化保温及辅热恒温设计，确保在低低温工况下灰斗排灰通畅，防止架桥与堵灰。整体设计目标，是在降低烟气温度的同时，不引入新的运行障碍。

这一技术路线在广东粤嘉电厂2×135MW循环流化床机组上的实际应用，为评估其工程价值提供了较为完整的数据支撑。该电厂锅炉由上海锅炉厂设计制造，参数为440t/h超高压再热循环流化床锅炉，炉内加石灰脱硫，设计Ca/S摩尔比为2.4。原配每炉一台270/2-4型高压ESP，受煤质波动影响，长期存在排放波动较大、达标裕度偏紧的问题。龙净为其中一台机组实施了“余热回收+低低温ESP”一体化改造，包括在原ESP入口烟道增设低温节煤换热器，对前级电场加装高频电源，更换为顶部电磁振打系统，并对灰斗进行保温与辅助加热改造。

性能试验结果显示，改造后ESP出口粉尘排放浓度由原来的约100 mg/Nm³稳定降低至20–30 mg/Nm³，满足并优于当时新国标及地方法规要求。电场平均运行电压显著提升，整体平均升高约8.8 kV（相当于提高16.2%），其中第四电场电压升幅达到12.5 kV（约26.6%），表明通过降温和比电阻调控，电场可承受的工作电压区间大幅扩展。余热利用效果同样可观：在仅利用约70%设计凝结水流量的条件下，烟气温度由约138℃降至108℃，凝结水温度由40℃升至76℃，烟温降幅30℃、水温升幅36℃，换热效率达到设计预期。

从系统能效角度，项目方对改造机组进行了一个月的运行数据统计。结果表明，每发一度电的锅炉煤耗平均降低约2.6 g/kWh，按全年5000 h运行时间、机组容量135 MW及当时约900元/吨的煤价测算，单台机组年节约燃料成本可达约121.5万元。同时，得益于ESP运行效率和电源控制策略优化，若采用节能运行工况，电场本体电耗可降低20%以上；以改造前ESP耗电约250 kW计、0.4元/kWh电价，年节电费用约10万元。更值得注意的是，烟温降低后，通过引风机的烟气体积流量减少超过5%，尽管新增换热器引入约250 Pa的阻力，但引风机总功率仍实现净下降，平均节电约25 kW，对应年节约电费约5万元。三项合计，单台机组年运行成本节约约136.5万元，基本抵消甚至超过除尘系统的常规运行成本，项目组据此提出“除尘综合能耗接近零”的判断。

从行业视角看，这一低温节煤余热回收电除尘技术，对于高排烟温度、煤质波动大的循环流化床机组具有明显的针对性优势，同时对于配套湿法脱硫（WFGD）的常规煤电机组也具现实意义：一方面，降温后进入脱硫塔的烟气显热减少，可降低水耗与塔内蒸发损失，减轻凝结水白烟和湿烟羽问题；另一方面，ESP出口粉尘浓度降低，有助于脱硫浆液结垢控制和吸收塔长期稳定运行。随着超低排放与能效水平提升双重目标的并行推进，这种“以温控为抓手，将余热利用与高效静电除尘深度耦合”的技术路径，展现出良好的工程适应性和推广潜力。

从更广义的工业烟气治理观点来看，低温节煤余热回收电除尘器的实践，体现了国内企业在静电除尘技术上的三个演进方向：一是从单一除尘功能向“除尘+能效提升+系统协同”的综合解决方案转变；二是从静态设计向在线监测、动态优化控制转变，通过自适应调节应对煤质、负荷、工况变化；三是从传统50Hz工频供电向高频、智能电源发展，以更高的电场可控性和更宽的运行窗口，匹配不同烟气特性的电气需求。结合粤嘉电厂的工程验证结果，可以认为，这一技术路线在未来一段时间内，将继续在循环流化床锅炉、老旧机组改造以及高比电阻粉尘工况下发挥示范作用，并成为中国火电行业节能减排与提效升级的重要抓手之一。

参考文献
[1] Liao Z A, Zhong Z L, Liao D R, Xie Q L, Huang J F. The Development & Application of Low Temperature Coal Saving Heat Recovery Electrostatic Precipitator[C]// Proceedings of the 13th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP XIII). Bangalore, India, September 2013.
[2] Lin W C. Energy Conservation Theory of Thermal System for Power Plant[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 1994.

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