超凈電袋除塵技術(shù)的研究與應(yīng)用

黃　煒

超凈電袋除塵技術(shù)的研究與應(yīng)用

黃煒

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

近年來(lái)，我國(guó)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)不斷趨嚴(yán)，“超凈排放”已成為電力環(huán)保發(fā)展的大趨勢(shì)。文章介紹了一種穩(wěn)定高效的超凈電袋除塵技術(shù)的主要研發(fā)思路和最新成果，并結(jié)合工程實(shí)踐案例，展示了超凈電袋除塵技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，以及其穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)出口排放濃度小于5mg/Nm3的優(yōu)越性能。

超凈電袋除塵；超凈排放；技術(shù)研究；工程應(yīng)用

1　超凈電袋除塵技術(shù)的提出

我國(guó)的“火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”現(xiàn)已經(jīng)歷了三次修訂，從最早的排放限值200mg/Nm3修訂為30mg/Nm3（特別地區(qū)限值為20mg/Nm3），這個(gè)最新標(biāo)準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)齊平，甚至更嚴(yán)。近年來(lái)大氣污染日益嚴(yán)峻，霧霾事件頻繁發(fā)生，廣大群眾迫切要求改善目前的大氣質(zhì)量。為了進(jìn)一步控制燃煤帶來(lái)的煙塵排放，2014年8月，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》，規(guī)定中國(guó)東部10省市應(yīng)控制煙塵排放濃度小于10mg/Nm3，這對(duì)電廠的煙塵治理技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。

電袋復(fù)合除塵技術(shù)是我國(guó)環(huán)保企業(yè)自主研發(fā)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并具有國(guó)際領(lǐng)先水平的先進(jìn)除塵技術(shù)。近10年來(lái)，電袋復(fù)合除塵技術(shù)獲得快速發(fā)展，以其穩(wěn)定的低排放性能在電力行業(yè)迅速得到大面積推廣應(yīng)用。據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，全國(guó)前10名電袋生產(chǎn)企業(yè)在電力行業(yè)已投運(yùn)電袋復(fù)合除塵器總裝機(jī)容量超過(guò)141，475MW［1］。這些電袋復(fù)合除塵器排放值絕大部分在15～30mg/Nm3之間，體現(xiàn)出非常好的技術(shù)性能指標(biāo)，成為電力行業(yè)除塵領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。

為了滿足新形勢(shì)下的超低排放要求，電袋復(fù)合除塵器需要在已經(jīng)建立的基礎(chǔ)上尋求新的突破，以進(jìn)一步提高性能、降低排放值。為此，國(guó)內(nèi)主要環(huán)保企業(yè)企業(yè)提出和開(kāi)發(fā)了超凈電袋除塵技術(shù)，目標(biāo)是確保除塵器出口排放穩(wěn)定保持小于10mg/Nm3，甚至小于5mg/Nm3。這樣可以避免電廠在尾部煙氣處理系統(tǒng)增設(shè)濕式電除塵器，節(jié)省投資和占地，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)提高了可靠性。超凈電袋除塵技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有巨大的挑戰(zhàn)性，同時(shí)又具有重要的實(shí)際意義和迫切性。

2　超凈電袋除塵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)［2、3］

常規(guī)電袋除塵器的技術(shù)一般可保證除塵器出口的排放濃度在15～30mg/Nm3，超凈電袋除塵器出口的排放濃度必須小于10mg/Nm3，甚至小于5mg/Nm3。因此，需要在多項(xiàng)技術(shù)上有創(chuàng)新和突破。從某種意義上說(shuō)，超凈電袋除塵技術(shù)又是一個(gè)新的飛躍，因?yàn)?，超凈電袋除塵器的排放濃度要比排放濃度已經(jīng)很低的常規(guī)電袋除塵器再減少一半以上。該技術(shù)的流程見(jiàn)圖1。

圖1 超凈電袋除塵技術(shù)流程圖

2.1提高電區(qū)的捕集效率與荷電能力技術(shù)

電袋復(fù)合除塵器是由“電區(qū)”和“袋區(qū)”有機(jī)結(jié)合而成，而袋區(qū)的低排放，首先與袋區(qū)的入口濃度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，在袋區(qū)入口濃度＜5g/Nm3時(shí)，當(dāng)采用優(yōu)良品質(zhì)的濾料，氣布比為1m/min時(shí)可以達(dá)到出口排放濃度＜5mg/Nm3的要求。為此，要保證電區(qū)有足夠捕集效率。根據(jù)多依奇效率公式［4］

顯然，改進(jìn)兩極結(jié)構(gòu)和保證兩極的供電電壓對(duì)提高電區(qū)的捕集效率和粉塵的荷電能力十分重要。在超凈電袋除塵技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，我們首先著重于具有優(yōu)越電氣性能的電極的開(kāi)發(fā)，超凈電袋除塵器開(kāi)發(fā)配用了性能優(yōu)良的陰極線。其伏安特性如圖2。

圖2 超凈電袋除塵器的伏安特性

通過(guò)大量的試驗(yàn)研究表明，超凈電袋除塵器的電區(qū)需保證極板比表面積＞40m2/m3/s，平均場(chǎng)強(qiáng)＞3kV/m3，板電流密度＞0.5mA/m2，方能使電區(qū)的特性滿足要求。

2.2 覆膜濾料和梯度濾料的開(kāi)發(fā)研究電袋復(fù)合除塵器的排放濃度與袋區(qū)的濾料結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為保證超低排放，國(guó)內(nèi)研發(fā)出了覆膜濾料和梯度濾料。覆膜濾料是將多孔狀聚四氟乙烯薄膜黏在基底濾料上，由于濾膜的微孔孔徑大多小于粉塵的粒徑，所以在煙塵過(guò)濾過(guò)程中絕大多數(shù)粉塵被阻擋在濾膜的外面（見(jiàn)圖3），甚至可以實(shí)現(xiàn)“零排放”。因而，采用覆膜濾料的表面過(guò)濾技術(shù)既可保證超低排放又可使濾料的阻力降低，節(jié)省運(yùn)行能耗。=

圖3 覆膜濾料圖

覆膜濾料的質(zhì)量包括三個(gè)方面：

（1）PTFE樹(shù)脂的質(zhì)量

PTFE樹(shù)脂的質(zhì)量主要表現(xiàn)在它的分子量上。PTFE的分子量可在80萬(wàn)～1450萬(wàn)范圍內(nèi)變化，用于覆膜濾料的PTFE分子量應(yīng)在700萬(wàn)以上。

（2）PTFE膜拉膜工藝

膜的厚度為10～15μm，微孔數(shù)量達(dá)1×109/cm2。此外，優(yōu)良的濾膜應(yīng)該是微孔分布均勻而不是雜亂，纖維剛性大，孔隙率大。圖4是兩種不同的PTFE膜。

圖4 兩種不同的PTFE膜

（3）濾膜與濾料的結(jié)合強(qiáng)度

基底濾料和薄膜的結(jié)合有兩種方法：1）熱結(jié)合方法，即在一種專業(yè)設(shè)備上，兩者在高溫、高壓的作用下，使熱塑性基底濾料與PTFE薄膜結(jié)合。2）用高溫黏合劑黏合，這種方法覆合強(qiáng)度較低，在使用過(guò)程中容易脫膜，而且黏合劑會(huì)堵住濾孔降低膜的透氣性，因而不應(yīng)采用后面一種方法。

梯度濾料是指在濾料的迎塵面采用一層超細(xì)纖維，使濾料過(guò)濾時(shí)獲得高精過(guò)濾性能，而在背塵面采用較粗纖維，使濾料的過(guò)濾阻力降低，開(kāi)發(fā)梯度濾料的目的就是要尋求獲得性價(jià)比更優(yōu)的濾料。圖5顯示的是梯度濾料的結(jié)構(gòu)。

圖5 梯度濾料的結(jié)構(gòu)

通過(guò)試驗(yàn)室的VDI過(guò)濾性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常規(guī)濾料、梯度濾料、覆膜濾料的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，覆膜濾料的性能優(yōu)于梯度濾料，而梯度濾料優(yōu)于常規(guī)濾料（如圖6）。

圖6 3種濾料性能試驗(yàn)圖

此外，為保證除塵器的超凈排放，濾袋的制作也有嚴(yán)格要求。例如，濾袋頭部的彈簧圈材料、厚度、寬度等需符合設(shè)計(jì)要求，袋身的縫制應(yīng)采用熱熔法，當(dāng)采用機(jī)針縫制時(shí)必須對(duì)針孔采取必要措施。

2.3流場(chǎng)調(diào)節(jié)與均布性技術(shù)研究

除塵器內(nèi)氣流分布的好壞將會(huì)影響除塵器的除塵效率、阻力以及濾袋的壽命。對(duì)電袋復(fù)合除塵器的氣流分布（見(jiàn)圖7），通過(guò)三部分進(jìn)行研究：

圖7 電袋除塵氣流分布試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

第一部分：進(jìn)入除塵器前的煙氣管道的氣流分布，其可以通過(guò)實(shí)體模型試驗(yàn)或CFD計(jì)算較容易地達(dá)到各管道流量偏差小于5%的要求。

第二部分：從除塵器進(jìn)口至電場(chǎng)區(qū)，其要求是保證氣流沿電場(chǎng)斷面均勻分布，使得電場(chǎng)發(fā)揮最佳效果。經(jīng)過(guò)研究，合理地設(shè)置和調(diào)節(jié)進(jìn)口喇叭內(nèi)的氣流分布板，可達(dá)到幾何均方根差σ＜0.2的要求。

第三部分：氣流在袋區(qū)的合理分布，必須達(dá)到以下兩個(gè)指標(biāo)：1）各袋室的流量偏差小于±5%；2）每個(gè)袋室內(nèi)，各濾袋流量的幾何均方根差σ＜0.2。

電袋氣流分布可通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)：

先進(jìn)行1∶14的實(shí)體模型試驗(yàn)，并與CFD計(jì)算對(duì)比，然后調(diào)整CFD計(jì)算初始條件，使其符合實(shí)體模型試驗(yàn)結(jié)果，從而確定正確的CFD計(jì)算初始條件，最后再進(jìn)行工業(yè)設(shè)備1∶1的CFD計(jì)算。

實(shí)現(xiàn)氣流在袋區(qū)有合理的分布可采取以下方法：1）調(diào)整袋區(qū)的布置（正面、側(cè)面、底面三者的比例）和設(shè)置灰斗上端的阻流板；2）改變袋室內(nèi)提升孔的直徑；3）調(diào)整提升閥的提升高度；4）改變凈氣室高度或排氣管位置。

此外，還需開(kāi)展系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)既有合理的流場(chǎng)分布又有最低的阻力。

2.4細(xì)微顆粒聚并技術(shù)的研究

大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，除塵器出口逃逸的粉塵80%以上為粒徑小于2μm的細(xì)微粉塵，這些粉塵粒徑小、質(zhì)量小，極易隨氣流從除塵器中穿透逃逸。因此，要減少排放，關(guān)鍵是要提高除塵器捕集細(xì)微顆粒物的能力。

顆粒物在電場(chǎng)內(nèi)的荷電主要有擴(kuò)散荷電和場(chǎng)致荷電兩種方式。一般而言，大于2μm粒徑的粉塵以場(chǎng)致荷電為主，小于1μm粒徑的粉塵以擴(kuò)散荷電為主，對(duì)于粒徑在1μm左右的細(xì)顆粒物，兩種荷電方式對(duì)其作用都不強(qiáng)，所以很難被電區(qū)捕集，使得電除塵器存在一個(gè)“逃逸窗口”，從而降低了除塵效率［5］。但是細(xì)顆粒物通過(guò)電區(qū)時(shí)可發(fā)生極化作用，極化的細(xì)顆粒物易于聚并形成大粒徑顆?；蝾w粒鏈（見(jiàn)圖8），超凈電袋除塵器通過(guò)電區(qū)的強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了細(xì)顆粒物的極化效果，對(duì)細(xì)微顆粒物凝并長(zhǎng)大具有顯著作用，輔之以覆膜濾料或梯度濾料的協(xié)同作用，因而大大增強(qiáng)了電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5等細(xì)微顆粒物的捕集性能，使得超凈電袋除塵器的排放濃度明顯低于常規(guī)電袋除塵器。

圖8 細(xì)顆粒聚并形成顆粒鏈

2.5超凈電袋除塵器對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝要求更嚴(yán)格

超凈電袋設(shè)備設(shè)計(jì)的主要要求有：取消前段時(shí)間普遍采用的旁路煙道，減少了旁路泄漏引起的超標(biāo)排放；增強(qiáng)袋區(qū)的花板（一般厚度＞8mm）剛度，使濾袋懸吊更可靠；花板必須采用激光加工。

超凈電袋設(shè)備安裝的主要要求有：1）安裝后所有密封焊縫都必須按規(guī)定進(jìn)行煤油檢查；2）濾袋安裝后需要整體進(jìn)行熒光粉檢漏試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫或?yàn)V袋與花板聯(lián)結(jié)處有泄漏時(shí)須及時(shí)處理。

3　超凈電袋除塵實(shí)際工程的應(yīng)用

廣東沙角C電廠2號(hào)660MW燃煤機(jī)組原配套的電除塵器由國(guó)外ABB-CE公司設(shè)計(jì)制造。電除塵器為臥式干式4室4電場(chǎng)4通道設(shè)計(jì)，除塵器的比集塵面積較小，除塵效率過(guò)低，煙塵排放濃度高。珠三角地區(qū)環(huán)保要求嚴(yán)格，原除塵器面臨增效改造的情況。因受現(xiàn)有場(chǎng)地、燃煤及運(yùn)行等條件限制，2014年底經(jīng)電廠多方調(diào)研，最終決定采用超凈電袋復(fù)合除塵器改造方案。

3.1改造方案

該改造方案采用超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)對(duì)原有電除塵器進(jìn)行改造，不加長(zhǎng)柱距，不加寬跨距，保留原支架、殼體、灰斗、進(jìn)口喇叭等。第1電場(chǎng)陰陽(yáng)極系統(tǒng)、振打系統(tǒng)全部更換，陰極系統(tǒng)采用前后分區(qū)供電方式，原整流變壓器利舊，第2、3、4電場(chǎng)空間改造為長(zhǎng)袋中壓脈沖行噴吹袋式除塵區(qū)。改造范圍包括：前至電除塵器進(jìn)口喇叭前煙道直段（包含煙氣隔離擋板門(mén)及預(yù)涂灰系統(tǒng)），后至出口水平煙道末端（與垂直段交界處），上至頂部起吊設(shè)備，下至輸灰系統(tǒng)為界，配套電氣控制系統(tǒng)及相應(yīng)土建工程。

改造后：每臺(tái)爐配套1臺(tái)電袋復(fù)合除塵器，每臺(tái)除塵供電區(qū)；濾袋區(qū)沿?zé)煔夥较蚬苍O(shè)置4個(gè)煙氣通道。改造后除塵器的總體布置如圖9所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表。

圖9 總體布置圖

主要技術(shù)參數(shù)表

3.2項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)該項(xiàng)目煙氣量大、場(chǎng)地小、工期短等特點(diǎn)，電袋復(fù)合除塵改造采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)及措施，不僅如期完成改造工程，而且成功實(shí)現(xiàn)了超低排放。其技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)有以下幾方面：

（1）利舊電除塵器基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目采用超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)對(duì)原電除塵器進(jìn)行改造。第1電場(chǎng)陰陽(yáng)極系統(tǒng)、振打系統(tǒng)全部更換，陰極系統(tǒng)采用前后分區(qū)供電方式，原整流變壓器利舊，陰陽(yáng)振打系統(tǒng)采用頂部電磁振打技術(shù)，節(jié)省空間。第2、3、4電場(chǎng)陰陽(yáng)極系統(tǒng)、振打系統(tǒng)全部拆除，并安裝濾袋，改造為濾袋除塵區(qū)。除塵空間不向后延長(zhǎng)，并在原電除塵器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，各縱橫跨距不發(fā)生變動(dòng)，保留原鋼構(gòu)架、殼體、灰斗、進(jìn)口喇叭口、氣流均布板等，對(duì)電除塵保留部分重新進(jìn)行強(qiáng)度核算并作相應(yīng)處理，降低投資費(fèi)用。

（2）強(qiáng)化顆粒荷電，提高電區(qū)可靠性

通過(guò)改善電區(qū)極配型式，提高顆粒荷電以及電場(chǎng)區(qū)除塵效率。放電極采用高放電性能的芒刺電極，有效增加針端放電性能，增加板電流密度，提高電場(chǎng)強(qiáng)度，增加顆粒的荷電量，強(qiáng)化了電區(qū)顆粒荷電效果，提高了電區(qū)的收塵效率。同時(shí)采用前后小分區(qū)供電技術(shù)，提高電區(qū)可靠性，即將每一機(jī)械電場(chǎng)分為3個(gè)小分區(qū)，并分別對(duì)3個(gè)獨(dú)立的電力分區(qū)供電，這樣每一機(jī)械電場(chǎng)的平均工作電壓可升高，顆粒荷電量相應(yīng)也得到提高，尤其對(duì)細(xì)顆粒荷電與電凝并發(fā)揮了重要的作用。分區(qū)供電可使電場(chǎng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)退出的工作區(qū)域少1/3，可靠性至少提高1倍。

（3）合理的氣流分布

大型機(jī)組配套的除塵器處理煙氣量大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此電袋復(fù)合除塵器袋區(qū)的氣流分布是一個(gè)難點(diǎn)。該項(xiàng)目采用了CFD氣流模擬分布實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)采取凈氣室大室結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)凈氣室高度、合理布置濾袋等多項(xiàng)技術(shù)措施來(lái)保證除塵器袋區(qū)的氣流分布合理性，使得進(jìn)入袋區(qū)各分室的流量偏差小于5%。

（4）采用密閉式高凈氣室結(jié)構(gòu)

電袋復(fù)合除塵器采用高凈氣室結(jié)構(gòu)。每個(gè)凈氣室僅在頂部設(shè)置1個(gè)人孔門(mén)，濾袋的安裝和更換工作可以在凈氣室內(nèi)部完成，確保在惡劣氣候條件下也能順利完成濾袋、袋籠拆裝工作，而且高大的凈氣室結(jié)構(gòu)可以使凈氣室內(nèi)的煙氣流速降低，有利于袋區(qū)的氣流分布，同時(shí)降低了除塵器的機(jī)械阻力。

（5）采用高精度過(guò)濾材料

濾袋是電袋復(fù)合除塵器的關(guān)鍵部件，濾料的選型設(shè)計(jì)直接影響除塵器的整體性能，濾袋的過(guò)濾精度直接關(guān)系到煙塵排放值。綜合考慮煙氣含氧量、煙氣溫度、出口煙氣濃度等參數(shù)，該項(xiàng)目在濾袋選型上提出了更高的要求，濾料選用50%PPS + 50%PTFE / PTFE（基布）材質(zhì)，并在濾袋表面進(jìn)行PTFE熱熔覆膜處理，提高了濾料的過(guò)濾精度。同時(shí)在完成縫制后，在針孔處增加涂膠工藝，即使用耐溫的密封膠封堵針孔，杜絕煙塵的滲透、逃逸，確保除塵器能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定低排放。

3.3改造效果

該項(xiàng)目是超凈電袋除塵技術(shù)成功應(yīng)用的一個(gè)典范，原靜電除塵器出口煙塵濃度在60～80mg/Nm3，2015年初實(shí)施超凈電袋除塵器改造，并順利投入運(yùn)行。2015年4月，經(jīng)第三方測(cè)試結(jié)果表明，在機(jī)組平均負(fù)荷為658MW時(shí)，超凈電袋除塵器出口煙塵濃度為3.70mg/Nm3，本體壓力降為774Pa，除塵效率達(dá)到99.97%，煙囪出口煙塵排放濃度大大低于新標(biāo)準(zhǔn)的排放限值。排放量?jī)H為改造前的1/20，效果極為顯著，圓滿實(shí)現(xiàn)了出口排放濃度小于5mg/Nm3的超低排放目標(biāo)。

4　結(jié)論

通過(guò)研究和工程實(shí)踐表明，采用超凈電袋除塵技術(shù)可使除塵器出口煙塵濃度小于10mg/Nm3，甚至小于5mg/Nm3，從而為實(shí)現(xiàn)“超凈排放”目標(biāo)，開(kāi)辟了一條有效的技術(shù)路線。超凈電袋除塵技術(shù)以投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，正在被越來(lái)越多的用戶所接受。

［1］ 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2014年度火電廠環(huán)保產(chǎn)業(yè)信息［R］，2015，5.

［2］ 黃煒，林宏，等. 電袋復(fù)合除塵技術(shù)的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011（7）.

［3］ 黃煒.電袋復(fù)合除塵技術(shù)研究［J］.電力科技與環(huán)保，2013（10）.

［4］ 劉后啟，林宏. 電收塵器［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987，54.

［5］ 靳星.靜電除塵器內(nèi)細(xì)顆粒物脫除特性的技術(shù)基礎(chǔ)研究［D］.清華大學(xué)，2013.

Research and Application on Ultra-clean Electrostatic Bag Precipitation Technology

HUANG Wei
（Fujian Longking Co.， Ltd， Fujian Longyan 364000， China）

The emission standard of air pollution has tended towards strict in recent years in our country. The “ultra-clean emission” has become the great trend of the environmental protection development of electric power. The paper presents the main R & D thought and the new result of ultra-clean electrostatic bag precipitation technology with a stable and high efficiency. Based on the cases of the engineering practices， the paper shows the outstanding strongpoints of ultra-clean electrostatic bag precipitation technology and realizes the advantage which emission concentration at the exit is less than 5mg/Nm3.

ultra-clean electrostatic bag precipitation； ultra-clean emission； technical research； engineering application

X701

A

1006-5377（2015）07-0027-06