旋轉(zhuǎn)極板電除塵器與電袋除塵器技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王磊

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

我國于2011年7月頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自2012年1月1日起，新建火電機(jī)組煙塵排放質(zhì)量濃度必須≤30 mg/m3(名義工況下同)，2014年7月1日現(xiàn)有機(jī)組后亦必須達(dá)到這一要求，這標(biāo)志著我國煙塵控制標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。2011年之前建成的除塵器絕大部分是按照50 mg/m3(名義工況，下同)的排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和建造的，新標(biāo)準(zhǔn)頒布后，電廠面臨著巨大的減排壓力。舊電除塵器需要通過改造以滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，目前主要有2種主流解決方案，即將原除塵器改造成旋轉(zhuǎn)極板電除塵器或電袋除塵器。旋轉(zhuǎn)極板電除塵器和電袋除塵器具有不同特點(diǎn)，它們對不同工況的適應(yīng)性有很大差異，其技術(shù)特點(diǎn)、投資情況、運(yùn)行能耗和運(yùn)行的穩(wěn)定性也有很大不同，本文對此進(jìn)行了分析，電廠應(yīng)根據(jù)自身的實(shí)際情況，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多重因素的分析結(jié)果確定選用哪種除塵改造方案。

1 工作原理

1.1 旋轉(zhuǎn)極板電除塵器工作原理

旋轉(zhuǎn)極板電除塵器前級電場為常規(guī)固定極板式電場，用于去除較易去除的大顆粒粉塵，尾部電場為旋轉(zhuǎn)極板式電場，用于去除較難去除的微細(xì)粉塵。煙氣進(jìn)入電除塵器后，在高壓靜電場的作用下，氣體被電離成正、負(fù)離子，塵粒與正、負(fù)離子碰撞荷電后分別向陰、陽極運(yùn)動，聚集在極板、極線上，前級電場通過機(jī)械振打或電磁振打清灰，后級電場極板通過旋轉(zhuǎn)的凊灰刷清灰，極線通過機(jī)械振打凊灰。

旋轉(zhuǎn)極板是由若干長3～5 m、寬約0.7 m的塊狀鋼板組成的O型板束，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，塊狀鋼板的兩端由鏈條連接成為一個整體，再由置于電場頂部的主動鏈輪驅(qū)動極板緩慢運(yùn)上下動。陰極板置于電場收塵區(qū)的陽極板間，其布置方式與前級常規(guī)電場類似。凊灰刷置于電場的非收塵區(qū)，利用凊灰刷將粉塵從轉(zhuǎn)動著的極板上刷除，使極板始終保持較為清潔的狀態(tài)。凊灰刷的運(yùn)動與極板的運(yùn)動方向相反，防止粉塵飛散，同時將粉塵刷落到灰斗中。

圖1 旋轉(zhuǎn)極板結(jié)構(gòu)

1.2 電袋除塵器工作原理

電袋除塵器有多種結(jié)構(gòu)形式，我國電廠普遍采用“前電后袋”布置的一體式電袋除塵器，其主要特點(diǎn)是電場區(qū)和布袋區(qū)共置于1個殼體內(nèi)，電場位于布袋前部，2區(qū)之間通過氣流分布板分隔，凈氣煙道和旁路煙道布置于除塵器頂部。電袋除塵器的結(jié)構(gòu)如圖2所示:含塵煙氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)通道均布后進(jìn)入電場區(qū)，荷電后的粉塵大部分被電場捕集下來，其余細(xì)塵隨煙氣經(jīng)氣流分布板分配后，一路通過氣流分布板上的均流孔進(jìn)入布袋區(qū)，一路沿氣流分布板折流向下后，再經(jīng)底部的煙道進(jìn)入布袋區(qū)過濾室，經(jīng)布袋過濾后，塵粒被阻留在濾袋外側(cè)，凈化后的氣體由濾袋內(nèi)部進(jìn)入上箱體凈氣室，再通過各氣室提升閥排入除塵器頂部凈氣煙道。隨著過濾過程的不斷進(jìn)行，濾袋外側(cè)所積附的粉塵不斷增加，從而導(dǎo)致布袋除塵器本體的阻力逐漸增大。當(dāng)阻力或過濾時間達(dá)到設(shè)定值時，清灰控制器發(fā)出清灰信號，首先令1個袋室的提升閥關(guān)閉以切斷該室的過濾氣流，對該室的布袋進(jìn)行噴吹凊灰，在充分考慮了粉塵的沉降時間后，提升閥打開，此袋室濾袋恢復(fù)到過濾狀態(tài)，而下一個袋室則進(jìn)入清灰狀態(tài)，如此直到最后一個袋室清灰完畢為一個周期。

圖2 電袋除塵器結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)特性分析

2.1 旋轉(zhuǎn)極板電除塵器技術(shù)分析

2.1.1 旋轉(zhuǎn)極板電除塵器的提效作用

電除塵器的末電場由常規(guī)固定極板改為旋轉(zhuǎn)極板后，其除塵效率可由50%～70%提高至70%～95%，原因有3點(diǎn):第一，旋轉(zhuǎn)極板處于清潔狀態(tài)，粉塵所受的電場力一直維持在較大值，不會因?yàn)閹щ姺蹓m在極板上沉積而使后繼粉塵由于同種電荷的斥力而削弱了電場力的作用，同時避免了反電暈的產(chǎn)生，有效解決了高比電阻粉塵難收集的問題;第二，相對于機(jī)械振打凊灰，采用凊灰刷的凊灰方式最大限度避免了二次揚(yáng)塵的產(chǎn)生;第三，旋轉(zhuǎn)極板的同極間距一般為450 mm或460 mm，電極的工作電壓升高，粉塵的趨近速度增大。同樣因?yàn)樯鲜鲈颍D(zhuǎn)極板電場中粉塵的趨近速度比常規(guī)電場提高2～3倍。

按照多依奇公式

式中:η為除塵效率;A為極板有效收塵面積;qV為煙氣體積流量;ω為粉塵趨近速度。

在保持收塵面積和煙氣流量不變的前提下，要提高收塵效率，唯一有效的途徑是增加塵粒的趨近速度。趨近速度是指粉塵所受的電場力和粘滯阻力相平衡時，粉塵向收塵極的運(yùn)動速度。趨近速度的增加是旋轉(zhuǎn)極板電除塵器除塵效率提高的根本理論依據(jù)。

2.1.2 末電場改造為旋轉(zhuǎn)極板時的設(shè)計方案

采用旋轉(zhuǎn)極板進(jìn)行電除塵器改造時，總體改造方案主要有2種。方案1將末級電場改為旋轉(zhuǎn)極板，前級電場僅做常規(guī)檢修和調(diào)整;方案2在末級電場變?yōu)樾D(zhuǎn)極板的同時，加高前級電場，增加收塵極板的面積。具體采用哪種改造方案、參數(shù)如何選取，需根據(jù)改造前除塵器出口煙塵的排放質(zhì)量濃度等因素來決定。設(shè)計時，常規(guī)末電場的除塵效率可按60%～65%計，改造成旋轉(zhuǎn)極板后，收塵面積保持不變，趨近速度w按原來的2.3倍計。根據(jù)式(1)可以計算出在不同Aw/qV下的除塵效率，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。假定改造前除塵器出口粉塵質(zhì)量濃度為110 mg/m3，由表1可知，改造后出口粉塵質(zhì)量濃度降為30 mg/m3，末電場的除塵效率由63%提高為90%。通常情況下，在保持煙氣工況和煤質(zhì)條件不變的情況下，若改造前除塵器出口粉塵質(zhì)量濃度不大于110 mg/m3，采用方案1可滿足不大于30 mg/m3排放限值的要求;若質(zhì)量濃度大于110 mg/m3，需采用方案2。采用方案2時，前級電場需增加多少面積的收塵極板由原出口粉塵濃度和比集塵面積等因素決定。通常需要加高電場，但極板的高度一般應(yīng)控制在18 m內(nèi)，如果電場加高后仍然達(dá)不到所需比集塵面積，就只能通過增加電場數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而電廠一般沒有多余的場地用于增加電場，此時就需采用電袋除塵器來改造。對于要求排放濃度≤20 mg/m3的重點(diǎn)地區(qū)，采用旋轉(zhuǎn)極板電除塵器很難達(dá)標(biāo)，建議采用電袋除塵器。

表1 不同Aw/qV下的除塵效率

2.1.3 旋轉(zhuǎn)極板電除塵器需要注意的問題

為了保證旋轉(zhuǎn)極板電除塵器穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，確保滿足排放要求，在設(shè)計、制造和安裝過程中需重點(diǎn)注意以下問題。

(1)為了保證除塵器能帶上足夠高的工作電壓，陰、陽極間距偏差需控制在±10 mm之內(nèi)，此外，陰極框架與陽極振打軸、殼體內(nèi)壁和大梁底面的間距應(yīng)大于異極間距。

(2)陽極板與殼體內(nèi)壁之間、大梁底面以及灰斗中均應(yīng)設(shè)置阻流板，阻流板的安裝應(yīng)符合設(shè)計要求，最大限度地防止未經(jīng)荷電除塵的煙氣短路出去。

(3)軸系應(yīng)轉(zhuǎn)動靈活，無卡阻現(xiàn)象，固定部件不得干涉運(yùn)動部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，上下軸系的平行度誤差不大于5 mm，軸的水平度誤差應(yīng)不大于0.8 mm/m。

(4)嚴(yán)控鏈輪的加工精度，確保鏈輪和鏈條之間的嚙合質(zhì)量，預(yù)防脫鏈和嚙合傳動失效。

(5)鏈條設(shè)計應(yīng)滿足在高溫、多塵環(huán)境下長期運(yùn)行，鏈條的安全系數(shù)為5，鏈節(jié)應(yīng)松緊適度，轉(zhuǎn)動靈活，不能有卡滯現(xiàn)象。

2.2 電袋除塵器技術(shù)分析

2.2.1 電袋除塵器的技術(shù)特性

電袋除塵器是有機(jī)結(jié)合電除塵器和布袋除塵器優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)的一種高效除塵器。同電除塵器相比，電袋除塵器的除塵效率明顯提高，適應(yīng)的煤種范圍更廣，不受粉塵性質(zhì)的限制，對電除塵器難于收塵的高比電阻粉塵和粉塵粒徑為5 μm(PM5)以下的微細(xì)粉塵都有很好的收塵作用，但其煙氣阻力大于電除塵器。同布袋除塵器相比，由于電場區(qū)的預(yù)除塵作用，電袋除塵器降低了濾袋的粉塵負(fù)荷量，避免了煙氣中粗顆粒磨損濾袋，降低了濾袋的阻力上升率，延長了濾袋的清灰周期，節(jié)省了清灰能耗。此外，煙塵通過電場區(qū)荷電后，由于同種電荷的相斥作用，粉塵在濾袋上排列規(guī)則有序，粉塵層孔隙率高、透氣性好，易于剝落，降低了過濾阻力，減少了引風(fēng)機(jī)的能耗。

電除塵器改造為電袋除塵器時，通常保留前面1～2個電場，拆除后面幾級電場的陰極與陽極系統(tǒng)和頂部的供電裝置，并將該部分殼體重新分割成4個以上布袋室。為保證達(dá)到30 mg/m3以下的排放要求，當(dāng)前級為1個電場時，布袋區(qū)的煙氣過濾風(fēng)速宜不大于1.1 m/min;當(dāng)前級為2個電場時，過濾風(fēng)速可提高至1.2m/min。此外，改造后需要增設(shè)1套可編程邏輯控制器(PLC)用于布袋區(qū)的控制，當(dāng)除塵器進(jìn)出口壓差達(dá)到設(shè)定值時，啟動噴吹系統(tǒng)對布袋進(jìn)行噴吹凊灰，當(dāng)煙氣溫度超過設(shè)定的溫度時，啟動超溫保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)濾袋免受高溫?fù)p傷。

2.2.2 電袋除塵器的可靠性問題

電袋除塵器在投運(yùn)后的1年內(nèi)一般都能保持較高的除塵效率，但隨著使用時間的增長，很多電袋除塵器的除塵效率明顯下降，有的在布袋使用壽命的中期就已不能滿足環(huán)保要求的除塵效率，這主要是由于布袋的失效造成粉塵排放的增加。純布袋除塵器和電袋除塵器布袋失效的外在表現(xiàn)和內(nèi)在原因不同:布袋除塵器布袋的失效大多表現(xiàn)為布袋局部破損，主要原因是物理磨損和沖擊;而電袋除塵器布袋的失效則表現(xiàn)為布袋整體或大面積的強(qiáng)力降低，布袋纖維斷裂，其主要原因是化學(xué)腐蝕。電袋除塵器布袋的化學(xué)腐蝕緣于“前電后袋”的特殊結(jié)構(gòu)，煙氣在通過前級電除塵區(qū)時，在高壓靜電場的作用下，部分O2瞬間分解為O，O又迅速與O2結(jié)合生成O3，O3化學(xué)性質(zhì)活潑，具有極強(qiáng)的氧化性，當(dāng)O3進(jìn)入聚苯硫醚(PPS)濾袋后，濾袋很容易被氧化，造成布袋纖維的強(qiáng)度下降，布袋纖維在煙氣的沖刷下斷裂，過濾性能隨之降低。同時，O3容易與煙氣中的NO和SO2反應(yīng)，分別生成強(qiáng)氧化劑NO2和SO3，可使PPS濾袋氧化失效。還需注意的是，當(dāng)煙氣中SO3含量增加后，煙氣的露點(diǎn)溫度也隨之升高，原先沒有結(jié)露的煙氣可能會產(chǎn)生酸結(jié)露，SO3與水霧結(jié)合生成H2SO4，PPS濾袋不耐H2SO4等強(qiáng)氧化性酸的腐蝕。因此，在上述各種成分的共同作用下，電袋除塵器濾袋的失效通常表現(xiàn)為大面積失效。

為防止布袋失效，可采用多種方法進(jìn)行處理。首先，在設(shè)計時，除塵器電場區(qū)和布袋區(qū)之間的均風(fēng)板位置應(yīng)定位合適:布置過近，進(jìn)入布袋區(qū)的煙氣中O3含量較高，易使布袋被氧化失效;布置過遠(yuǎn)，由于O3十分活潑，O3在流動的過程中會消失大部分。其次，在布袋的選型上應(yīng)選用抗氧化性較強(qiáng)的材料。燃煤電廠布袋除塵器通常采用PPS濾料，PPS是一種性價比很高且具有良好物理和化學(xué)性能的濾料，但其抗氧化性較弱，不能簡單地將PPS濾袋直接應(yīng)用到電袋除塵器上，而應(yīng)采用聚四氟乙烯(PTFE)濾料或PTFE基布+PPS復(fù)合濾料作為電袋除塵器的濾袋。第三，除塵器在運(yùn)行時，前級電場應(yīng)降電壓運(yùn)行，使電場區(qū)的除塵效率保持在50%左右，這樣可大量減少O3和其他氧化性氣體的產(chǎn)生，從而使布袋免受氧化腐蝕，延長使用壽命。第四，由于O3和SO2反應(yīng)生成SO3，使煙氣露點(diǎn)溫度升高，當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時，產(chǎn)生H2SO4酸霧，腐蝕布袋，運(yùn)行中應(yīng)注意監(jiān)測煙氣溫度，避免布袋被H2SO4腐蝕。此外，設(shè)計時應(yīng)合理布置布袋，均衡氣流，避免局部氣流速度過高。

2.3 技術(shù)特性比較

旋轉(zhuǎn)極板電除塵器與電袋除塵器技術(shù)特性比較見表2。

表2 技術(shù)特性比較

3 經(jīng)濟(jì)性分析

以1臺新建600 MW機(jī)組配套的煙氣除塵設(shè)備為例，在滿足99.9%以上除塵效率和不大于30 mg/m3排放質(zhì)量濃度條件下，旋轉(zhuǎn)極板電除塵器和電袋除塵器的設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行成本見表3。

表3 設(shè)備投資費(fèi)用比較 萬元

4 結(jié)論

(1)旋轉(zhuǎn)極板電除塵器和電袋除塵器是適應(yīng)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求的2種高效除塵器，可滿足不大于30 mg/m3的排放要求。

(2)旋轉(zhuǎn)極板電除塵器和電袋除塵器的技術(shù)特性不同，適應(yīng)的工況不同，電廠應(yīng)結(jié)合自身的實(shí)際情況選擇最適應(yīng)的除塵方案。

(3)對于要求排放質(zhì)量濃度20mg/m3以下的重點(diǎn)地區(qū)宜采用電袋除塵器。

(4)在同種條件下，電袋除塵器與旋轉(zhuǎn)極板電除塵器相比，投資費(fèi)用高約5%，年運(yùn)行費(fèi)用高約70%。

［1］GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］王磊，付啟文，盧澤鋒，等.火電廠電袋復(fù)合除塵器可靠性分析［C］//2011年電力環(huán)保學(xué)術(shù)年會論文集.南京:江蘇省機(jī)電工程學(xué)會，2011:16－19.

［3］李良芳.大型電除塵器與電袋除塵器技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011(3):17－20.

［4］梅東升.電除塵器提效改造的幾種典型方式［J］.華北電力技術(shù)，2010(12):38－41.

［5］何紅兒，酈建國，孫真真.旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器在大型火電機(jī)組上的應(yīng)用［J］.電力科技與環(huán)保，2012(3):29－31.

［6］唐遠(yuǎn)勝.燃煤鍋爐高效除塵技術(shù)設(shè)計選型探討［J］.重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011，16(4):84－88.