低低温静电除尘技术在燃煤电厂的再升级

基于MHPS-ES在日本及海外燃煤机组ESP项目实践的技术观察与行业启示

关键词
ESP, LLT-ESP, Off-Flow Power-Off Rapping System, MEEP, WESP, 烟气治理, 超低排放

近年来，在核电受限与环保趋严的双重背景下，日本燃煤电站的烟气治理路线呈现出非常清晰的技术方向：在超超临界锅炉基础上，普遍搭配高效的低低温静电除尘器（Low Low Temperature ESP，LLT-ESP），在不依赖湿式电除尘（WESP）的前提下，将粉尘排放压低到5 mg/Nm³以下。这一思路的系统化实践，集中体现在Mitsubishi Hitachi Power Systems Environmental Solutions（MHPS-ES）的工程项目之中[1–3]，也为当前中国燃煤机组、尤其是升级改造市场提供了颇具借鉴意义的技术样本。

MHPS-ES的由来也值得一提。2014年，三菱重工（MHI）与日立（Hitachi）在燃煤发电与烟气治理等热电系统业务上完成整合，此前分别由MHI集团旗下的MHI-MS与日立集团旗下的HPC独立运营的除尘业务，也在2015年并入新成立的MHPS-ES，从而在一个公司内集成了原有两大技术体系——包括低低温ESP、高效离线振打系统，以及移动电极ESP（MEEP）等关键专利技术。可以说，MHPS-ES是在空污染治理(AQCS)全流程中，专门负责“颗粒物终结点”的技术平台。

回到LLT-ESP本身。日本燃煤电厂普遍采用进口煤，煤质波动大、电阻率区间宽，加之国家粉尘排放限值长期处于较严水平，传统的“SCR+常温干式ESP+湿法脱硫(FGD)”的组合，虽然成熟稳定，但设计上需要在ESP出口保留较高粉尘浓度（通常不低于150 mg/Nm³干基）以保护后续热交换器(H/E)，这对于进一步降低排放并不友好。为了在系统简化的同时保持高除尘效率，MHI在上世纪90年代中期启动为期四年的研发，推出了“高效率烟气处理系统”，其核心就是将ESP布置在GGH（烟气加热器）后的低温端，形成LLT-ESP工况[1]。

在90 ℃左右的低低温条件下，烟气中的水蒸气与硫酸产生冷凝，附着在飞灰颗粒表面，使颗粒表面电导率显著提升，对应的电阻率大幅下降。对于以高比电阻粉尘为主的燃煤机组而言，这一工况条件直接抑制了传统ESP中最棘手的“反电晕”现象，电场可在较高电压下稳定运行，电晕电流也更易维持在有利于荷电和捕集的区间，从而在更小的比集尘面积下实现更高的除尘效率。同时，由于PM在LLT-ESP出口即可降至30 mg/Nm³干基甚至以下，脱硫出口的烟囱排放水平可以稳定控制在5 mg/Nm³干基左右，无需再配置WESP，即可达到日本现行乃至预期更严的排放标准[3]。

不过，低电阻率飞灰也带来了新的工程难题：颗粒在收尘板上极易在短时间内失去电荷，一旦在线振打，脱落粉尘极易发生二次飞扬、被气流重新夹带，使得出口浓度“抬头”，导致实际运行性能低于理论水平。为解决这一矛盾，MHPS-ES在两条技术路线下做了系统开发：一是MHI系的“离线+断电振打系统”（Off-Flow Power-Off Rapping System），二是Hitachi系的移动电极ESP（Moving Electrode ESP，MEEP）。两者分别在日本东北电力原町电站1号机与2号机上首套应用，成为LLT-ESP工程化验证的标志项目[1–3]。

以Off-Flow Power-Off Rapping为例，其思路是通过烟道分隔与挡板控制，将LLT-ESP沿烟气流向划分成若干独立腔室，每个腔室配置可切换的进出口挡板。当需要清灰时，依次将单个腔室从主流烟气中“切除”，关闭该流道的挡板，同时切断对应电场高压供电，在无气流、无高压的隔离环境下实施强振打。由于此时收尘板上的粉尘已经完全失去电荷，也没有主流气流的携带，脱落粉尘基本沿锥斗自由下落，不会有明显的二次扬尘传递至下游电场；而仍保持在线运行的其他流道，则在振打期间保持正常荷电和捕集，整体出口粉尘浓度波动极小。通过这一离线断电振打技术，LLT-ESP不仅可维持高效捕集性能，还能对上游所有电场实现深度清灰，适合粉尘负荷变化大或者对前级电场性能高度敏感的机组工况。

与此不同，MEEP起源于Hitachi针对高比电阻粉尘开发的特殊电除尘结构，其关键在于将最后一电场的固定收尘极换成链条驱动的分段移动电极。常规前级固定电场将粉尘浓度降到一定水平后，剩余细微颗粒进入配置了移动电极的末级电场，被荷电后吸附到缓慢运动的收尘板上。当这些电极段运行到主气流以外的封闭区域时，通过机械刮刀和刷子组合，将粉尘从板面刮落到独立收灰系统中，全程不依赖主烟道振打，也不受到主气流干扰。由于清灰过程与主气流完全物理隔离，粉尘再飞扬几乎为零，特别适合在空间受限、又要求末端极低排放的改造场景使用[2]。

得益于MHI与Hitachi除尘技术的整合，MHPS-ES在LLT-ESP领域可以在项目层面灵活选择：当机组布置相对宽裕、对全电场清灰和高灰负荷适应性有更高要求时，更倾向采用Off-Flow Power-Off Rapping技术；而在厂区空间紧张、改造窗口期短、需要以最小改造体量解决末端超低排放的场合，则更偏好MEEP结构。对于新增110 MW级小型煤电项目，日本大量民营和售电企业在简化核准流程下推进建设，往往受场地制约较大，MEEP的小型化优势得到了广泛采用。

从项目数据看，几乎所有日本大型公用与IPP燃煤机组的新建项目，均采用超超临界锅炉配套LLT-ESP，高比例机组的静电除尘出口粉尘控制在30 mg/Nm³干基甚至更低，部分机组要求全天平均值更小[3]。而在3·11大地震与海啸重创的东北地区，原町电站两台1000 MW机组的ESP在遭受严重海啸冲击之后，分别由MHI-MS与HPC按原方案在十个月内完成整体更换，并在MHPS-ES统一维保体系下长期稳定运行，这也从侧面验证了LLT-ESP在高盐、高湿、高腐蚀风险环境中的结构稳定性与可恢复性。

在海外市场方面，MEEP技术的改造优势开始凸显。针对因环保标准升级而需提升现役电除尘器性能的煤电机组，MHPS-ES提出“末级换MEEP”的改造思路：保持上游电场与土建不动，仅替换最后一电场为移动电极结构，即可在有限工期和投资下显著拉低出口烟尘浓度。这一方案已在土耳其项目落地投运，在印度和台湾也分别进入调试与设计阶段，通过提升除尘效率以应对本国日益趋严的粉尘排放限值。

值得关注的还有中国市场。面对日益加严的超低排放标准和深度治理需求，MHPS-ES在中国采取技术许可模式，已向8家企业转让湿式电除尘（WESP）技术，向1家企业转让LLT-ESP技术，并向1家企业转让MEEP技术。这种“本地制造+外来工艺”的组合，有利于在满足本土成本与交付周期要求的同时，引入成熟的高端电除尘路线，为后续深度脱硫脱硝、电除尘与WESP一体化等方案预留接口。

总体来看，从日本的应用实践到海外的技术扩散，LLT-ESP、Off-Flow断电振打以及MEEP构成了当前静电除尘器技术发展的三条重要脉络：一是通过温度窗口与粉尘电阻率管理，根本性抑制反电晕，将“高电阻难题”转化为“低阻便捕集”的工况优势；二是通过离线断电振打与移动电极等创新清灰方式，系统性削弱再飞扬对性能的拖累，使ESP更接近其理论捕集极限；三是通过技术许可和模块化改造方案，加速在不同国家、不同法规环境下的产业化落地。对于正在推进超低排放改造以及考虑新一轮高效煤电机组布局的行业企业而言，如何在自身工况和场地条件下，在LLT-ESP、离线振打与MEEP之间做出合理组合，将直接决定未来十到二十年的颗粒物治理水平与全寿命周期成本。

参考文献
[1] Fujishima H., Tsuchiya Y., Onishi S. High efficiency system for coal-fired boiler flue gas treatment. In: Proceedings of ICESP VII; 1998. p. 542–549.
[2] Ando H., Shiromaru N., Mochizuki Y. Development and application of Moving Electrode ESP (MEEP) for high resistivity dust. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology. 2011;5(2):130–134.
[3] Nagata C., Suzuki S., Miyake K., Tomimatsu K. Application of Low Low Temperature ESP to coal-fired boilers in Japan. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology. 2014;8(1):27–36.

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