串级ESP改造：老旧燃煤电厂颗粒物超低排放的现实路径

基于印度理工学院德里校区在德里城区燃煤电站的系列电除尘应用研究解读

关键词
Electrostatic Precipitator,Particulate Emission Control,Coal-fired Power Plant,串级电除尘,工业烟气治理

在煤电机组减排改造进入“深水区”的今天，如何在不大规模停机、不动主设备的前提下，把老旧机组的粉尘排放继续压低，成为环保与运维团队绕不开的课题。以电除尘器（ESP）为核心的工业烟气治理系统，普遍面临运行多年后效率衰减、难以稳定达标的现实问题。来自印度理工学院德里校区（Indian Institute of Technology Delhi，IIT Delhi）A. Chandra 的研究[1–3]，给出了一个具有代表性的工程样本：在位于德里主城区的一座60 MW燃煤电厂，通过“新ESP+旧ESP”串联布置，实现整体颗粒物去除效率超过99.5%，为类似条件下的城市燃煤电厂提供了可操作的技术路线。

本研究对象是一台60 MW 燃煤锅炉，配套原始配置为 BHEL 供货的 ESP，运行多年后粉尘排放难以稳定达标。由于电厂位于特大城市密集人口区，传统的烟气调质手段如 SO₃/NH₃ 喷射存在二次污染与公众接受度风险，脉冲充电改造在现场条件下提升空间有限，因而业主最终选择在原有 ESP 前端增设 Alstom Power Boiler Ltd. 提供的新 ESP，形成“前置新 ESP + 后置老 ESP”的串级除尘系统。这种在不大改动锅炉和烟道总体布置前提下，通过串联电除尘器提升整体效率的方案，近年来在国内老旧燃煤电厂和部分工业锅炉改造中也日益受到关注。

从系统工艺看，锅炉烟气在空气预热器后分成 A、B 两个并行烟道，每个烟道依次布置一台 Alstom ESP 和一台 BHEL ESP，最终在引风机之后合流入烟囱排放。研究团队在 Alstom ESP 入口、Alstom 出口 / BHEL 入口的共用断面以及两路合并后的总出口位置，布设取样孔，委托第三方实验室（SIMA Labs）进行等速采样粉尘浓度测定，同时记录各点烟气温度、流量、管道流速以及各区 ESP 一次/二次电压、电流和火花率等运行参数。试验在机组负荷约 60% 的稳定运行工况下分多次进行，分别覆盖 A、B 两个烟道，确保在代表性工况下获得串级 ESP 的实际捕集性能。

从烟气工况与粉尘性质看，该机组燃用高灰分煤，灰分约 40%，其中飞灰比例约 90%。在锅炉端测算得到的飞灰浓度约 29.1 g/m³（130 ℃条件），折算至标准状态约 43 g/Nm³，与现场采样得到的入口悬浮颗粒物（SPM）质量浓度基本吻合，说明物料平衡与采样质量较为可靠。试验期间烟气温度在 130 ℃ 左右，机组电负荷在 30–39 MW 之间波动，实际处理烟气流量约 101.6 Nm³/s，显然高于单台 60 MW 机组理论排烟量，反映出系统存在一定程度的二次风和冷风倒灌。

一个有趣而又重要的发现是：对比烟道各断面测得的体积流量，A、B 两路 ESP 出口合计流量明显大于最终排入烟囱前的总流量，计算得到在 ESP 出口至最终合并点之间存在约 6%–10% 的烟气泄漏。换言之，部分气体在通过 ESP 后由烟道微漏点逸散，而其中附着的粉尘更多沉积或滞留在系统内部，这会导致基于烟囱断面浓度计算的排放强度偏高于真实值。该结论对很多老旧燃煤电厂和水泥、冶金等行业的工业烟气治理同样具有启示意义：在仅凭烟囱在线监测判断环保达标与否之前，针对烟道泄漏与二次风渗入的系统性排查，往往是“低成本、高回报”的治理起点。

在颗粒物捕集效果方面，研究基于各测点粉尘浓度计算了 Alstom ESP、BHEL ESP 以及串级系统的实际收尘效率。其中，Alstom 前置 ESP 在 A、B 两个烟道的颗粒物去除效率介于 93.48%–95.74%，平均约 94.6%。BHEL 原 ESP 的效率则明显下降，仅维持在 90.60%–93.86%，平均约 93.2%，与其原始设计值（大于 99%）相比有显著退化。这种长期运行后效率下降的现象，在国内大量建于上世纪八九十年代的 ESP 上同样普遍存在，原因多与极板积灰、壳体漏风、极线变形、供电装置老化及烟气工况偏离设计条件等因素叠加相关。

更加关键的是，两个 ESP 串联后的整体表现。利用入口粉尘浓度与最终出口粉尘浓度进行折算，串级系统总体颗粒物去除效率稳定在 99.59%–99.73% 之间，平均约 99.63%，满足并优于当地排放标准要求。对比 Alstom ESP 的设计参数（设计效率 93%，设计气量约 148 m³/s），在实际运行条件下气量降低至约 101.6 Nm³/s，按照经典 Deutsch–Anderson 模型推算，在比集尘面积不变、迁移速度不变的条件下，理论收尘效率将优于设计值，这与现场实测效率较高的结果是吻合的。

值得注意的是，研究团队还对 A 路烟道 Alstom ESP 入口和出口飞灰进行了粒径分布分析。结果显示，入口粉尘中小于 10 μm 的颗粒体积分数约为 56%，10–20 μm、20–30 μm、30–40 μm、40–50 μm 颗粒分别约占 18.41%、13.31%、10.93% 和 0.49%。在通过 Alstom ESP 后的出口样品中，小于 10 μm 的颗粒体积分数升至约 93%，10–20 μm 范围仅剩约 7%。这意味着前置 ESP 优先捕集了中大粒径粉尘，使得后续 BHEL ESP 入口粉尘以细颗粒为主。这一“粗粉前截、细粉后控”的粒径结构变化，对于后级 ESP 的电场配置、电源策略优化及未来可能叠加布袋除尘或湿式 ESP 实现超低排放，具有关键参考价值。

在电气运行参数方面，该研究也给出了具有工程意义的观察。对于运行多年的 BHEL ESP，每路烟道共设五个电场区段，供电配置采用固定的变比关系：第一电场 1:7，第二电场 1:11，第三电场 1:15，第四电场 1:17，第五电场 1:21。现场运行数据显示，第一电场二次电压约 35 kV，对应二次电流约 65 mA，而末端第五电场二次电压降至约 22 kV，电流约 14 mA。由此形成的“前高后低”的电流分布，与常规“前场抑制电流、后场抬电流”的优化思路相反，既不利于抑制入口区间的反电晕，也削弱了末端对细颗粒的捕集能力。研究中仅在第一电场观测到火花和轻微反电晕，其他电场运行相对平稳，但整体供电策略显然仍有改善空间。

相比之下，新建的 Alstom ESP 在三段电场上均维持了较高的二次电压（多在 50 kV 以上），运行期间未观察到明显的火花放电，表明反电晕得到了良好控制。此外，高电压驱动下的荷电迁移速度明显提高，直接转化为更高的收尘效率。这也说明，在串级改造方案中，前置 ESP 的供电系统选择和电气调试水平，对整体系统能否发挥“1+1>2”的效果至关重要。

综合机组工况、烟气参数与 ESP 运行信息，研究提出了几条具有代表性的工程建议。首先，从系统角度看，应尽快查找并封堵从锅炉出口到 ESP 出口甚至引风机、烟囱前的烟道泄漏点，减少冷风渗入和带灰烟气泄漏，以恢复设计烟气流量分配，降低引风机过载风险，同时防止“虚高”的出口粉尘浓度误导环保评价。其次，应尽可能保持锅炉负荷与燃烧工况稳定，避免频繁负荷波动引起烟气量、温度及粉尘性质剧烈变化，从源头减小 ESP 电气控制压力。再次，针对老旧 BHEL ESP，应调整各电场电流分配策略，在保证入口区域不发生严重反电晕的前提下，适当压低前端电流、抬升末端电流，以增强对细颗粒的捕集能力。必要时结合极线极板维修改造和供电装置升级，进一步恢复其接近设计的除尘能力。

从更宏观的行业视角看，这项来自 IIT Delhi 的工程研究，为处于大城市或环境敏感区域、又不具备大规模脱胎换骨改造条件的燃煤电厂，展示了一条现实可行的减排路径：以串级 ESP 改造为核心，辅以系统漏风治理、电气优化和稳定燃烧控制，即可在不引入额外化学调质、不增加二次污染风险的前提下，实现颗粒物排放的显著压降。对当前仍广泛依赖 ESP 的燃煤电厂、钢铁烧结机头、电石炉窑、水泥熟料窑尾等行业来说，这一思路同样具有借鉴意义。随着超低排放和碳达峰、碳中和目标的持续推进，如何在存量装备基础上通过精细化技术改造和系统优化挖掘潜能，将是工业烟气治理领域的重要风向，而串级电除尘正是其中值得持续关注的一条技术路线。

参考文献
[1] White HJ. Industrial Electrostatic Precipitation. 1st ed. International Society for Electrostatic Precipitation; 1988.
[2] Chandra A, Vanchipurackal IV. Performance upgradation of ESPs using difficult coal. In: Proceedings of the 8th International Conference on Electrostatic Precipitation. 2001 May 14–17; pp. B3-1.
[3] Chandra A. Some investigation on ESP unit: determination and improvement of collection efficiency. In: Proceedings of the 7th International Conference on Electrostatic Precipitation. 1998 Sep 20–25; p. 499–507.

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