影響水泥窯頭電除塵器收塵效率的因素

侯廣超楊建璽

1. 河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

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影響水泥窯頭電除塵器收塵效率的因素

侯廣超1、2楊建璽1

1. 河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

摘 要電除塵器是利用靜電力從氣流中分離懸浮粒子(塵?；蛞旱?的裝置，其效率受粉塵比電阻、電源、清灰控制、內(nèi)部件變形、電除塵器規(guī)格、制造安裝質量、氣流分布及設備漏風等因素的影響。當前水泥窯頭電除塵器使用中出現(xiàn)的問題，大部分是項目操作不當造成的，并不是電除塵器技術本身不適用或達不到引起的。

關鍵詞電除塵器 收塵效率 反電暈 比電阻 高壓電控 氣流分布

0　引言

我國在大型窯爐煙塵治理方面，電除塵器的應用已極其普遍，鋼鐵、電力、建材、有色冶金等行業(yè)，對電除塵器的設計、制造及使用維護都積累了大量成熟的經(jīng)驗。但當前，電除塵器技術遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。就水泥行業(yè)來說， 2005年之前，窯頭和窯尾煙氣的粉塵治理絕大多數(shù)使用電除塵器，2005年之后，國家實施<50 mg/Nm3排放標準，新建項目大多放棄電除塵器而選用袋式除塵，許多已有的電除塵器也改造成袋式除塵器或電袋復合除塵器。造成這一現(xiàn)象的原因：其一是環(huán)境保護法規(guī)對廢氣中粉塵含量的排放指標有所提升并且還有進一步提高的趨勢；二是袋除塵技術的發(fā)展和應用已取得豐碩的成果，正逐步擴大和占領大型廢氣處理市場；三是現(xiàn)役電除塵器的工作效率受工況條件等各種因素的影響，難以穩(wěn)定實現(xiàn)達標運行。2013年，最新頒布的GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》又將排放標準提高到<30 mg/Nm3，部分地區(qū)執(zhí)行 <20 mg/Nm3的標準。

無可否認，受商業(yè)利益驅動，各大設計院所和電除塵器制造商對電除塵器的技術問題較少投入精力開展研究和探討，而是把主要目光放在如何獲取商機和商業(yè)利益方面，以致于把原先用來做電除塵器試驗的裝置廢棄不用甚至予以拆除，也就難免在電除塵器技術研發(fā)和創(chuàng)新方面收效甚微[1]。

就現(xiàn)有電除塵器而言，仍有一定的潛力可挖。當前電除塵器使用中出現(xiàn)的問題，大部分是項目操作不當造成的，并不是電除塵器技術本身不適用或達不到要求引起的。值得欣慰的是，電除塵器技術發(fā)展到今天，對應用中存在的技術難題，都有了系統(tǒng)有效的解決方案，從而提高了電除塵器的性能。

本文從電除塵器的原理入手，對影響水泥窯頭電除塵器收塵效率的因素進行逐一分析，以期找到提升收塵效率的途徑。

1　電除塵器的工作原理

電除塵器是利用靜電力從氣流中分離懸浮粒子（塵粒或液滴）的裝置，如圖1。含塵氣體在不均勻高壓強電場中發(fā)生電離，氣體中的粉塵荷電并在電場力作用下沉積于相反電極，粉塵從含塵氣體中分離出來。與其他除塵器的根本區(qū)別在于：除塵過程的分離力（主要是靜電力）直接作用在塵粒上，而不是作用在整個氣流上。

圖1　電除塵器工作原理

電除塵器完成粉塵捕集主要有以下五個過程：

（1）當含塵煙氣通過兩極之間后，外部電源向電場施加直流高電壓產(chǎn)生強電場使氣體電離，產(chǎn)生電暈放電；

（2）電暈產(chǎn)生的電子和正負離子就會吸附到粉塵的表面使粉塵荷電；

（3）荷電粉塵在電場力的作用下會向與其極性相反的方向移動；

（4）荷電塵粒最后被極性相反的極捕獲，完成了粉塵與氣體的分離，即除塵作用；

（5）當兩極（陰、陽極）上的粉塵積到一定厚度時會影響電暈放電和其它粉塵的運動，通過振打裝置將沉積在兩極上的粉塵清除掉使兩極再生，即振打清灰。

以上就是電除塵器工作的五個過程，即電暈放電、粉塵荷電、向兩極運動、沉積到兩極上和振打清灰。

2　影響水泥窯頭電除塵器收塵效率的因素

2.1 比電阻的影響

粉塵比電阻是衡量粉塵導電性能的指標，對電除塵器性能的影響最為突出。沉淀在電極表面的粉塵必須具有一定的導電性，這樣才能傳導從電暈放電到大地的離子流，使吸附在電極上的粉塵釋放電荷并通過振打機構達到清灰目的。

導電性不良的塵粒在陽極板沉積后，由于電荷不容易釋放，極板粉塵層逐漸增厚，在粉塵層間發(fā)生局部放電，反而從陽極板上放射出大量的正電離子的塵粒，這種現(xiàn)象稱之為反電暈。實踐證明這是因為粉塵的比電阻超過5×1010Ω·cm所致，當粉塵的比電阻超過1011Ω·cm時，反電暈現(xiàn)象就更加嚴重了，見圖2。始發(fā)的反電暈會導致火花放電電壓的降低，嚴重的反電暈能使陽極板上產(chǎn)生大量的正離子放電，與來自陰極的負離子塵粒中和，而變成中性分子的塵粒隨氣體攜出電除塵器以外，收塵效率消失殆盡。反電暈放電時，塵粒電荷將大大減少，而正電性和中性塵粒的數(shù)量可能相等，甚至超過負離子的數(shù)量。由此可見，粉塵的比電阻是影響電除塵器性能的重要因素。一般認為，粉塵的比電阻值在104至5×1010Ω·cm范圍內(nèi)是中阻值，不易出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象。

從圖2可以看出，當粉塵的比電阻低于104Ω·cm時，粉塵因頻繁的荷電及放電，而發(fā)生跳躍現(xiàn)象，進而逃逸出電除塵器，此時的收塵效率低下。而當粉塵比電阻高于1011Ω·cm，粉塵荷電不穩(wěn)定，收塵效果下降。當比電阻高于1013Ω·cm時，粉塵出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象，電除塵器喪失功能[2]。

圖2　比電阻和收塵效率的關系

國家在嚴格控制水泥熟料生產(chǎn)粉塵污染的同時，對水泥窯廢氣中的余熱通過低溫余熱發(fā)電技術加以利用，既實現(xiàn)了能量的合理利用，又能在某種程度上減少火電生產(chǎn)造成的污染。在政策扶持下，低溫余熱發(fā)電給水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟回報。始料所不及的是：在水泥窯廢氣余熱得到有效利用之際，窯頭、窯尾電除塵器的出口廢氣粉塵排放濃度大幅增加。其原因，是由于煙氣溫度以及煙氣含水率的改變使得煙氣中的粉塵導電性發(fā)生了改變（見圖3），粉塵在靜電除塵器內(nèi)捕集效率大幅下降。

圖3　水泥窯頭熟料粉塵比電阻與廢氣溫度及廢氣含水率的關系

從圖3可以看出，對窯頭電除塵器而言，當煙氣溫度在180～200 ℃以上時，粉塵的導電性尚可，按傳統(tǒng)選型設計的電除塵器在設備狀態(tài)完好情況下可獲得預期的收塵效率；在環(huán)保標準提高的情況下，經(jīng)過適當改進也能達到期望的效果。經(jīng)過余熱發(fā)電，雖然煙氣溫度降低使工況煙氣量有所減少，含塵濃度也有一定程度的降低，但粉塵導電性的降低使實際收塵效率下降，粉塵逃逸量大幅增加。

正常情況下，水泥窯頭廢氣的濕度都在2%以下，窯頭電除塵器在余熱發(fā)電不投入使用時，氣體的溫度都在200～250 ℃，此時的粉塵比電阻還是適合電除塵器收塵需要的。而當余熱發(fā)電投入使用時，進電除塵器的煙氣溫度大部分都在100～120 ℃之間，此時的粉塵比電阻比較高，電除塵器很難有好的收塵效果。

然而，在實際的使用過程中，也有這樣的現(xiàn)象。如在長江以南使用的窯頭電除塵器，普遍比北方地區(qū)使用效果好。而在北方地區(qū)同一條生產(chǎn)線，雨天和晴天收塵效果就差別很大。是什么原因造成這樣的差別呢？主要是環(huán)境空氣濕度及原料中含的水分不一樣造成的。在本體規(guī)格確定的條件下，窯頭電除塵器的收塵效率在很大程度上取決于電收塵器的入口溫度和濕度。余熱利用后的溫度降低使得熟料粉塵的比電阻大幅升高，不利于粉塵的有效捕集，主要表現(xiàn)在粉塵被收下之后，電荷難以釋放。電荷在陽極板表面累積，形成反電暈，產(chǎn)生大量正離子，抵消電場的正常放電，阻礙后續(xù)粉塵的荷電與捕集。

水泥窯頭廢氣在經(jīng)過余熱發(fā)電后，如果電除塵器使用效果惡化，首先要考慮降低粉塵比電阻。具體做法是可以從余熱發(fā)電引一部分蒸汽進入進電除塵器的管道，來降低比電阻。適量添加蒸汽既可有效提高電除塵器收塵效率，又能避免對工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生大的干擾。

也有水泥公司在管道中噴入水，對進氣煙道噴水增濕雖然對粉塵捕集有利，但事實證明：煙道和閥門不久將發(fā)生堵塞，系統(tǒng)無法正常運行。造成這樣的原因是由于余熱發(fā)電后進電除塵器的氣體溫度較低，噴入管道的水來不及汽化就和粉塵一起粘在管道上，形成塵垢堵塞管道，對系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生影響。

2.2 電源的影響

目前水泥窯頭電除塵器使用的電源大部分為普通工頻可控硅電源，高低壓合一、節(jié)能優(yōu)化和遠程控制方面存在一些技術不足和缺陷，對一些特殊工況特別是高比電阻粉塵就無能為力。眾所周知，電場強度對驅進速度起主導作用，驅進速度與場強的平方成正比。電除塵器的電場強度取決于供電電源的特性，不同的供電電源產(chǎn)生不同的電場強度。故此，更換運行水平較低或產(chǎn)品品質較低的供電電源是電除塵器升級改造的重要方面，通常做法是以原理相同、配置較高的供電裝置替換原供電裝置，或以中頻電源、三相電源、高頻恒流電源等替換普通可控硅電源，都能夠在一定程度上提高電源的工作性能，進而較大幅度地提高收塵效率。

2.3 清灰控制的影響

陽極的有效清灰是電除塵器實現(xiàn)除塵功能不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)，只有適時清灰，才有可能使除塵過程持續(xù)進行；陰極清灰是保持電暈放電持續(xù)進行的必要前提。電除塵器清灰程序的一般設置是：陽極清灰間歇進行，沿氣流方向順序間歇時間延長，陰極清灰間歇時間較短。為避免瞬時超標排放，清灰時序控制應避免陽極前后電場或整個電場同時振打。有些電除塵器的陰陽極積灰非常嚴重，造成這樣的原因有兩個：一是振打裝置失效，從外面看振打機構在工作，實際沒有振打力，造成出工不出力；二是清灰周期設計不合理，清灰周期過長。

清灰造成的二次揚塵也是影響超標排放的重要因素。而造成二次揚塵的原因是清灰機制設計的不合理，特別是最后一個電場，沒有多少粉塵，頻繁的清灰造成二次揚塵嚴重，進而排放超標。因此，合理的清灰機制也是保證電除塵器達標排放的一個重要因素。當陽極板采用雙邊振打時，應注意調(diào)整到每一電場每一排陽極板的振打不能同時進行。對不是連續(xù)振打的電場，應調(diào)整到當一邊振打結束后立即啟動另一邊的振打，并使電場進氣端的振打裝置優(yōu)先啟動。對于陽極板的一個振打錘振打設置時間為n秒，第一電場振打的停止時間為2 n秒，第二電場的振打停止時間為5 n秒，第三電場的振打停止時間為9 n秒，第四電場的振打停止時間為24 n秒。以上設定僅是一個參考值，在實際運行中應根據(jù)工況進行適當?shù)恼{(diào)整，以最大可能地提高清灰效果，減少二次揚塵，節(jié)省能源消耗和延長振打裝置的使用壽命。

2.4 內(nèi)部件變形的影響

在高溫時粉塵的比電阻是非常適合窯頭電除塵器收塵的，但高溫對除塵器的影響也是致命的。溫度過高會造成電除塵器內(nèi)部件變形，反而影響收塵效果，嚴重的時候整個電場短路，電除塵器停止工作。

在日常的電除塵器使用中，內(nèi)部件最容易發(fā)生的故障如下：內(nèi)部件受高溫沖擊發(fā)生變形、兩側邊緣擋風板變形或脫落、灰斗阻流板損壞或脫落、絕緣部件損壞、陰極系統(tǒng)的故障、振打傳動失效等。

（1）內(nèi)部件受高溫沖擊發(fā)生變形。受高溫沖擊最容易發(fā)生變形的是極板，這些變形在溫度回歸正常時而不能恢復到正常狀態(tài)，影響電場電壓的升高，嚴重時整個電場都升不上電壓，電除塵器收塵效果惡化。

（2）兩側邊緣擋風板變形或脫落，都會使含塵氣體不經(jīng)過電場收塵而直接排出，進而造成電除塵器排放超標。

（3）絕緣部件損壞會造成電場電壓升不上去，電除塵器收塵效果惡化。

（4）陰極系統(tǒng)的故障。經(jīng)驗表明，電場出現(xiàn)故障頻率較高的主要是陰極系統(tǒng)，包括陰極線框架的定位、極線松緊度。例如：陰極線框架定位螺桿出現(xiàn)松動雖不是普遍現(xiàn)象，但一個線框的松動會帶來整個電場工作效率大幅降低甚至失效。所有螺桿定位失效的概率很小，但一個電場在一年內(nèi)出現(xiàn)一處松動的概率并不低，而陰極線的松動同樣會引起運行電壓和電流的降低、削弱電場功效，因此，無論是否發(fā)現(xiàn)其松動，皆應對每根線加以檢查和緊固。

（5）振打傳動失效。陰陽極振打系統(tǒng)有很多傳動部件，對安裝精度要求很高，每一個細節(jié)安裝調(diào)整不到位，都會影響振打力的傳遞，進而影響收塵效果。

以上每個部件出現(xiàn)問題都會影響電除塵器的收塵效果。

2.5 電除塵器規(guī)格的影響

有些設計者在選用電除塵器時，只是根據(jù)廠家樣本中所標明的風量和截面積來確定電除塵器的規(guī)格，而不考慮煙氣和粉塵的性質以及收塵極板總面積等主要因素。除塵行業(yè)競爭激烈，為提高其競爭力，不是立足于自身技術進步和設備的可靠性，而是著重于價格高低。為提高價格優(yōu)勢，唯一手段就是降低設備重量，所以往往確定的設計參數(shù)不切實際，致使電除塵器的規(guī)格偏小，處理風量能力不夠，其結果是收塵效率低，達不到國家的粉塵排放標準。還有些電除塵器的長高比、長寬比不合適，雖然收塵面積夠，但收塵效率不高。電除塵器的規(guī)格不夠唯一的辦法就是增加電場或者加高電場，不管哪種方法投資都是比較大的，而且施工量較大、施工周期長。

2.6 制造安裝質量的影響

在電除塵器制造方面，很多人認為電除塵器的技術含量不高，不是要求精密度很高的金屬結構件產(chǎn)品，只要有幾臺焊機、幾臺設備就能加工電除塵器，因此在很多大型電除塵器制造廠的周圍，會派生出很多的小型制造廠，有些連基本的設備都沒有就能生產(chǎn)電除塵器。特別是前些年，水泥行業(yè)形勢較好，電除塵器生產(chǎn)廠家的任務都很飽滿，粗制濫造的情況時有發(fā)生，更有個別不良廠家偷工減料，再加上沒有嚴格的檢驗程序，其產(chǎn)品質量很難保證[3]。至于安裝方面，問題更為嚴重，層層分包，以包代管的情況非常普遍；安裝隊伍不專業(yè)，安裝人員都是臨時拼湊的，技術水平不高，對電收塵器的安裝要點更是沒有一點了解，施工現(xiàn)場混亂無序，這種素質的安裝隊伍，是沒法保證安裝質量的。在施工工程中，業(yè)主也是只注重工期及形象進度，根本不過問安裝質量，給后續(xù)的使用留下嚴重的質量缺陷。制造安裝質量差是很多電除塵器一開始投運就除塵效果差的一個重要原因。

2.7 氣流分布的影響

電除塵器是利用電極間的空間來除塵的，為達到設計的除塵效率，要求含塵煙氣能均勻地分布在電場的全部空間內(nèi)，所以電除塵器的進氣口均設計有氣體均布裝置，并對均布效果有一定的要求。氣體均布的好壞對收塵效率的影響很大，如果氣流分布不均意味著電場內(nèi)存在高、低速度區(qū)，某些部位存在渦流和死區(qū)，在低速區(qū)增加的收塵效率遠不能彌補高速區(qū)效率的降低，況且高速氣流和渦流會產(chǎn)生沖刷，增加極板和灰斗中粉塵的二次揚塵，不良的氣流分布可造成收塵效率降低20%～30%甚至更多，可見氣體均布的好壞對除塵效率的影響很大。

在設計氣體均布裝置時，是以煙氣垂直進入進氣口法蘭為前提的，所以煙道風管在與電除塵器進口法蘭聯(lián)接時，必須要考慮煙氣能否垂直進入進氣口法蘭，否則會破壞氣體均布裝置的性能，影響煙氣在電場內(nèi)的均布。這一點工藝人員在進行煙道風管設計時考慮較少，有些風管甚至是斜向插入除塵器，煙道是連上了，氣體的均布效果卻給破壞了[5]。

正確的設計是保持與進氣口法蘭垂直的煙道有一定的長度，這一長度應不小于風管當量直徑的三倍。如因場地等原因無法做到時，應在風管的彎頭內(nèi)增加導流板，引導氣流垂直進入電除塵器。

風管的直徑也是一個重要參數(shù)，必須與除塵器的進口法蘭面積相當，通常進電除塵器法蘭處的氣流速度多小于14 m/s。如偏差較大應設計變徑管，且變徑管的張角不能太大，一般不大于60°。若條件限制，則應在變徑管內(nèi)增加擴散器，引導氣流擴散，否則，不但影響氣流在電除塵器內(nèi)的均布，還會強烈沖擊氣體分布板，造成分布板破損，影響電除塵器的使用效果[4]。

對不符合布置要求的均風裝置，應進行調(diào)整，或通過改進煙道以及采取導流等措施，改善氣流分布，提高收塵效率。

2.8 漏風的影響

電除塵器的漏風主要有兩個部位：一個是本體的漏風；另一個是灰斗下料口的漏風。本體漏風不但造成工作負載的增大，還會增加粉塵的逃逸。電除塵器多為負壓工作，局部漏進來的風速極高，清灰降落的粉塵將被帶起直接到達出氣口形成粉塵逃逸。當采用拉鏈機排灰而灰斗下料口沒有鎖風裝置時，拉鏈機的漏風會直接揚起拉鏈機內(nèi)的粉塵，使實際的粉塵逃逸大大增加。由此可見，電除塵器的漏風也是影響除塵效果的一個重要因素。

3　結束語

綜上所述，窯頭電除塵器的除塵效率受多重因素影響，要根據(jù)具體情況進行分析，找出主要問題癥結所在，只有把問題找準，才能采取針對性的措施。這些措施可能是一項，也可能是多項的組合，只要這些措施實施到位，收塵效果一定會有大幅度的提高，達標排放的問題將會迎刃而解。

參考文獻

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[3] 劉后啟,劉啟元.電除塵器在水泥工業(yè)真的要被淘汰嗎[C]//第十五屆中國電除塵器學術會議論文集.2013.

[4] 馬保國,成庚生.水泥窯尾除塵系統(tǒng)采用電除塵器值得注意的問題[C]//第十二屆全國電除塵器學術會議論文集. 2007.

中圖分類號：TQ172.688.1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0473(2016)02-0069-05

DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.02.012

收稿日期：（2015-12-10）