干式電除塵器MEC技術(shù)及選型設(shè)計新方法

陳小明

中國科學院上海光學精密機械研究所/上海激光電源設(shè)備有限責任公司，上海 201821

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干式電除塵器MEC技術(shù)及選型設(shè)計新方法

陳小明

中國科學院上海光學精密機械研究所/上海激光電源設(shè)備有限責任公司，上海 201821

摘 要以傳統(tǒng)的DESP選配方式去滿足不斷升級的環(huán)保（設(shè)計）標準，使得DESP建造投資大幅增加，卻難以保證投運后長期穩(wěn)定達標運行。傳統(tǒng)選型過程忽視了電除塵器配置對選型關(guān)鍵參數(shù)的影響。新方法是：先根據(jù)客觀條件對電除塵器進行優(yōu)化配置，再依據(jù)這種配置對關(guān)鍵參數(shù)的影響，修正并選取關(guān)鍵參數(shù)——粉塵遷徒時間tω，然后根據(jù)變換后的除塵效率公式計算出煙氣在電場內(nèi)的停留時間t，進而選取和計算電除塵器的規(guī)格參數(shù)。

關(guān)鍵詞電除塵器 DESP MEC 技術(shù) 升級改造

0　引言

環(huán)境標準的不斷升級給干式電除塵器（下稱DESP）的存在與發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。按傳統(tǒng)理論和實踐，DESP提高除塵效率的唯一手段就是增大集塵面積，即使配置或采用了某些先進的技術(shù)或裝置，以及增添了一些增效減排的設(shè)施，DESP的選型仍然沿襲以前選型參數(shù)——驅(qū)進速度或比集塵面積的選取難以突破常規(guī)，以致于當粉塵排放限值提高到<20 mg/Nm3時，新建電除塵器的選型規(guī)格和投資造價、運行費用大幅增加。對投資者來說，這是一個艱難的抉擇——與袋式除塵器相比，DESP的優(yōu)勢似乎已經(jīng)不復存在。

水泥熟料窯頭電除塵器的多項環(huán)保升級改造實踐證明：DESP實現(xiàn)超低排放的主要障礙并非比集塵面積不足，而是DESP配套設(shè)計和使用維護中出現(xiàn)的種種缺陷。消除設(shè)計和運行缺陷、改進相關(guān)配置，DESP的處理能力可得到較大幅度的提升，實現(xiàn)一級甚至兩級環(huán)境標準的升級目標。

當前，新建DESP招/投標仍然沿用傳統(tǒng)的選型模式和選型參量。在此，有必要對當前新出現(xiàn)的技術(shù)成果的應用和環(huán)境標準的提高所引發(fā)的相關(guān)技術(shù)問題作一剖析。在新建項目上，以傳統(tǒng)的DESP選配方式去滿足不斷升級的環(huán)保（設(shè)計）標準，使得DESP建造投資大幅增加，卻難以保證投運后長期穩(wěn)定達標運行。為此，有必要對DESP傳統(tǒng)的選型設(shè)計方法推陳出新。

1　環(huán)保升級改造采用MEC技術(shù)案例

某5 000 t/d（實際產(chǎn)能5 800 t/d）水泥熟料帶廢氣余熱利用窯頭電除塵器設(shè)計工況/結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

處理煙氣量Q=640 000 m3/h；

煙氣溫度：250 ℃ Max.400 ℃—AQC爐停止，90～140 ℃—AQC爐運行；

進口含塵濃度：c1＜30 g/m3；

出口含塵濃度：c2＜50 mg/m3；

總通道數(shù)：G=31；

同極間距：a=0.45 m ；

有效電場高：h=12.95 m ；

電場總長度：l=15.36 m。

據(jù)此，選型設(shè)計參數(shù)如下：

設(shè)計除塵效率：η＞99.833 3%；

粉塵逃逸率：

ζ= c2/c1= [(50/30)/1 000]×100% = 0.166 7%；

集塵極總面積：A=12 332.54 m2；

比集塵面積：f=3 600 A/Q=69.37 s/m ；

設(shè)計驅(qū)進速度：ω=0.092 2 m/s 。

改造前使用情況： AQC爐停止，窯頭電除塵器出口粉塵排放濃度達標；AQC爐運行，電除塵器的出口粉塵排放濃度超標，冬季寒冷季節(jié)超標更嚴重。

改造目標：改造后長期滿足出口粉塵排放＜30 mg/Nm3目標。

改造方案：不擴大集塵面積，采用MEC技術(shù)進行一體化改造，內(nèi)容包括但不限于：本體修繕；以高頻恒流電源替換普通高壓直流電源對電場供電；上進氣喇叭內(nèi)增設(shè)反射均風裝置、消除來流偏風；出氣口設(shè)置多層槽形板輔助收塵裝置、帶振打清灰和擋風結(jié)構(gòu)；增設(shè)煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)，在環(huán)境大氣含水率過低、粉塵比電阻過高的情況下，取用適量AQC產(chǎn)生的蒸汽對煙氣進行調(diào)質(zhì)、改善粉塵性質(zhì)，保證除塵效率常年滿足環(huán)保標準；殼體漏風的消除、特別是排灰系統(tǒng)的漏風；空載靜態(tài)/動態(tài)調(diào)試，確保電場狀態(tài)完好；運行調(diào)試，尋找最佳工作點。

2015年2月，利用生產(chǎn)線大修之機實施改造，運行效果優(yōu)于期望值，實際出口粉塵排放濃度保持在＜20 mg/Nm3（尚未啟用煙氣調(diào)質(zhì)）。

2　DESP升級達標改造方案

眾所周知，電除塵器的除塵效率既受到電除塵器本體構(gòu)造包括布置方式的影響（合稱機械因素，以代號M示之），又受到電場供電特性包括低壓電氣控制水平的影響（合稱電氣因素，以代號E示之），還受到煙塵特性包括煙氣成分、溫度、壓力和粉塵理化特性的影響（稱煙氣條件，以代號C示之）。無論是新建電除塵器還是在役電除塵器的升級改造，都離不開機械、電氣、煙氣條件三個方面的優(yōu)化和改善。利用這一思路對電除塵器進行升級改造即稱電除塵器MEC升級改造技術(shù)，簡稱“MEC技術(shù)”。

即使環(huán)境標準不升級，標的電除塵器已很難滿足設(shè)計粉塵排放標準，加之場地受限、設(shè)備老化、煙氣條件不能嚴格滿足設(shè)計期望等一系列問題，環(huán)保升級改造技術(shù)難度之大是可想而知的。而當我們通過考察摸清楚該電除塵器實際存在的缺陷以及可挖掘的潛力空間之后，供需雙方互動交流，增強了對升級改造的信心。

2.1 本體修繕是電除塵器發(fā)揮工作潛力的前提

無需贅述，電除塵器處于完好狀態(tài)是實現(xiàn)升級目標的基礎(chǔ)。需要強調(diào)的是：本體修繕過程中，不能放過任何一個對工作效果和工作可靠性構(gòu)成威協(xié)的缺陷和隱患。

2.2 先進供電技術(shù)的采用是提高和保證除塵能力的動力因素

電除塵工作的動力源泉是高壓直流電源。由于電場工作過程始終是一個動態(tài)變化的過程，供電電源的工作機制和控制性能顯得特別重要——電場需要持續(xù)而適當?shù)墓╇婋妷汉凸ぷ麟娏?，不同的電源所表現(xiàn)出來的符合性和滿足性存在極大差異。

恒流高壓直流電源在各種場合都具有可靠的工作性能，高頻恒流高壓直流電源對電除塵器升級改造的優(yōu)勢在于：工作電流有保障，工作電壓大幅提高，輸出電暈功率較普通電源成倍增加，電源功率因素和轉(zhuǎn)換效率比普通電源分別提高20%以上。

2.3 改善煙塵條件可收到事半功倍的效果

電除塵器實現(xiàn)較低的粉塵逃逸或較高的除塵效率，與粉塵的可收性直接相關(guān)。對導電性能極差的高比電阻粉塵，電除塵器很難實現(xiàn)高效除塵，這就是電除塵器的適用性。

對粉塵比電阻過高的場合，我們可以設(shè)想通過煙氣溫度的改變，或在煙氣中添加調(diào)質(zhì)劑改善粉塵的物理性質(zhì)、提高去除率，從而降低粉塵逃逸率。

2.4 充分利用現(xiàn)有本體空間，增加除塵能力

在有限的本體空間，可以添加一些輔助裝置，增加收塵功能和減少粉塵逃逸。如在進氣口內(nèi)增設(shè)預荷電電極，出氣口內(nèi)加設(shè)輔助收塵裝置。需要注意的是：新增加的裝置應充分考慮功能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)措施，避免負面效應的產(chǎn)生。如果處理能力仍然不能滿足，可考慮更換一個電場的內(nèi)部件，以先進成熟技術(shù)成果提高處理能力。

2.5 認真做好調(diào)試工作可使電除塵器工作能力發(fā)揮到最佳

電除塵器的調(diào)試過程如下：

（1）空載靜態(tài)調(diào)試：初步確立電場內(nèi)部極間距調(diào)整水平；

（2）空載動態(tài)調(diào)試：以驗證陰極線框和陰極絲不存在松動、動態(tài)跑偏的情況；

（3）空載拉風試驗：用以確定本體全面滿足使用要求的狀態(tài)性能；

（4）運行調(diào)試：根據(jù)實際工況特點，通過調(diào)試與觀察，尋找最有利的工況工作點、調(diào)質(zhì)劑添加量、電源供電參數(shù)、振打制度等，以使電除塵器始終處于最佳工作狀態(tài)。

2.6 做好運行維護工作

運行維護工作既是長期穩(wěn)定達標的要求，也是經(jīng)濟運行的要求，必須定期或不定期巡檢，做到發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

3　干式電除塵器選型設(shè)計過程的優(yōu)化

3.1 電除塵器選型設(shè)計參數(shù)的變換

分析前述改造案例，改造前后電除塵器的工作參數(shù)見表1。

表1　窯頭電除塵器改造前后工作參數(shù)比較

可見，在電除塵器規(guī)格不改變的前提下，比集塵面積沒有變，僅改變電除塵器的相關(guān)配置，其實際運行水平得到了很大提高。改造之前，出口排塵高于50 mg/m3；改造之后，出口排塵減少到20 mg/m3以下，環(huán)境目標實現(xiàn)超過兩步的跨越。在此，決定電除塵器容量的關(guān)鍵參數(shù)——粉塵驅(qū)進速度增加了。

20世紀80年代，電除塵器的提效改造以不改變殼體大小、而以所謂寬間距[1]（極間距＞300 mm）進行內(nèi)部構(gòu)件的置換。此種改造的結(jié)果是極間距加大、比集塵面積減少，除塵效率反而有所增大，粉塵驅(qū)進速度增加了。那么，以驅(qū)進速度和比集塵面積為基準的傳統(tǒng)選型設(shè)計模式是否科學合理、能否長期適用？ 這是本節(jié)需要論述的問題。

3.1.1 比除塵空間與煙氣在電場停留時間

以下表達式中的符號意義同前案例，除非特別指定。

多依奇除塵效率公式[2]：

定義：比除塵空間——電除塵器有效除塵空間體積V與處理煙氣量Q之比，以代號r表示，單位為秒（s）。表達式：

r =V/Q，即

t—煙氣在電場內(nèi)的停留時間，s；

v—電場平均氣流速度，m/s。

比較比集塵極面積f，在電場空間體積相同的情況下，r或t更能直觀反映電除塵器的容量大小，且與極間距無關(guān)，應作為電除塵器設(shè)計選型和驗算時的主要考量指標。

3.1.2 粉塵遷徒時間

定義：粉塵以驅(qū)進速度ω從陰極出發(fā)到達陽極所需的遷移時間稱粉塵遷徒時間，以tω表示，單位為秒（s）。表達式：

式（4）與式（3）比較：

變換可得：

將式（5）式（4）代入上式：

ln（1-η）= -t/tω即：

ζ=1-η稱粉塵逃逸率。η與ζ二者之和等于100%。

式（10）是經(jīng)過變換的多依奇除塵效率公式，表述了粉塵逃逸率取決于煙氣在電場內(nèi)的停留時間與粉塵遷徒時間的比值。煙氣在電場內(nèi)的停留時間反映了電場容量的大小，粉塵遷徒時間反映了粉塵在給定煙氣條件和電場條件下的遷徒速率。

ω是一個受多種因素影響的綜合參量。試驗表明[1]，在一定范圍內(nèi)，ω值與極間距a正向相關(guān)，又在一定范圍內(nèi)與v正相關(guān)。以ω作為選型關(guān)鍵參數(shù)，常常帶有許多不確定性。

粉塵遷徒時間tω在合理范圍內(nèi)與極間距、電場風速的相關(guān)性可以忽略，用以作為電除塵器選型中的關(guān)鍵參數(shù)，更具有可操作性。

例：某電除塵器同極間距為a=0.4 m，設(shè)計驅(qū)進速度為ω=0.07 m/s，則設(shè)計粉塵遷徒時間為tω=(a/2)/ω=(0.4/2)/0.07= 2.857(s) 。

又：電除塵器同極間距為a=0.45 m，設(shè)計驅(qū)進速度為ω=0.08 m/s，則粉塵遷徒時間為tω=(a/2)/ω=0.45/2/0.08= 2.813(s) 。

又：前述改造案例中，電除塵器同極間距為a=0.45 m，設(shè)計驅(qū)進速度為0.092 2 m/s，設(shè)計粉塵遷徒時間為tω=a/2/ω=0.45/2/0.092 2=2.44 s；改造之后，實際驅(qū)進速度達ω=0.105 4 m/s，則粉塵遷徒時間為tω=a/2/ω=0.45/2/0.1054= 2.134(s) 。

在此，粉塵遷徒時間反映了電除塵器的設(shè)計、配置水平和工作能力。

3.2 選型步驟的改進

傳統(tǒng)選型過程是根據(jù)以往的經(jīng)驗選取關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)進速度ω，進而根據(jù)多依達效率公式計算比集塵面積f，再進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取和計算，最后完成電除塵器的相關(guān)配置。這一選型過程忽視了電除塵器配置對選型關(guān)鍵參數(shù)的影響，應當予以改進。

隨著電除塵技術(shù)的進步和發(fā)展，傳統(tǒng)選型方式中的關(guān)鍵參數(shù)選取已不再適應當前技術(shù)水平的提高。

根據(jù)長期從事電除塵器達標升級改造的實踐和經(jīng)驗，確立科學的選型過程應當是：先根據(jù)客觀條件對電除塵器進行優(yōu)化配置，再依據(jù)這種配置對關(guān)鍵參數(shù)的影響、修正并選取關(guān)鍵參數(shù)——粉塵遷徒時間tω，然后根據(jù)變換后的除塵效率公式計算出煙氣在電場內(nèi)的停留時間t，進而選取和計算電除塵器的規(guī)格參數(shù)。

3.3 選型過程舉例

假設(shè)有一條5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線，窯頭配有AQC爐。電除塵器設(shè)計風量660 000 m3/h，AQC爐停止時煙氣溫度250 ℃（瞬時最大400 ℃），AQC爐運行時煙氣溫度110～130 ℃，電除塵器入口含塵濃度＜30 g/Nm3出口粉塵排放濃度設(shè)計目標＜20 mg/Nm3，試選型設(shè)計該窯頭電除塵器。

3.3.1 窯頭電除塵器的優(yōu)化配置

（1）項目難點分析：水泥熟料生產(chǎn)中的窯頭廢氣存在AQC爐運行或停止兩種工況狀態(tài)，電除塵器的處理煙氣量、煙氣溫度、入口含塵濃度等都有較大變化，而對除塵效果影響最大的是煙氣溫度決定的粉塵比電阻。當AQC爐運行時，煙氣溫度為110～130 ℃，熟料粉塵的比電阻＞1 012 Ω·cm（見圖1），冷卻煙氣取自環(huán)境大氣，環(huán)境大氣的濕度對粉塵比電阻有直接影響。

（2）針對AQC爐運行、煙氣含塵率低的時段粉塵比電阻過高引起粉塵排放超標的現(xiàn)象，配置煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)——取AQC爐產(chǎn)生的蒸汽對AQC爐出口煙氣進行調(diào)質(zhì)、自動控制蒸汽添加量。控制依據(jù)：環(huán)境大氣的絕對濕度與目標煙氣濕度的差值。

（3）選用高頻恒流電源對電場供電，既能保證足夠的有效電暈功率輸入，又能保證長期穩(wěn)定工作。

（4）與工藝設(shè)計單位聯(lián)絡(luò)，協(xié)商確定符合電除塵器規(guī)范要求進出氣工藝管道布置方案或采取均風導流措施，保證電除塵器來流均勻。

圖1　水泥熟料粉塵比電阻

（5）協(xié)商確定卸灰排灰系統(tǒng)的布置，確保卸灰裝置鎖風可靠。

（6）電除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計按BS930規(guī)范設(shè)計。同極間距450 mm，極絲型式選用安裝簡便、結(jié)構(gòu)可靠的整體V15電暈線。

（7）出氣口設(shè)置帶振打清灰和導灰擋風板的輔助收塵裝置，有效消減清灰逃逸粉塵。

3.3.2 選型計算

根據(jù)具有類似配置的窯頭電除塵器實際運行效果，按AQC爐不工作時的煙氣參數(shù)進行選型計算。

設(shè)計粉塵逃逸率計算：

ζ＜20/（30·1 000）=0.066 7%

設(shè)計除塵效率：

η=1-ζ＞99.933 3%

選取粉塵遷徒時間為tω'=2.4 s，則根據(jù)式（9）得：

t' = -tω× ln（ζ）

= -2.4×ln（0.000 667）= 17.55 s

初步選取電場煙氣流速v'=0.9 m/s，則電場長度為：

L'=v't'=0.9×17.55=15.80 m

ZT24型極板計算寬度為0.48 m，則沿氣流方向極板總條帶數(shù)ZST=L/0.48=32.91，取ZST=32。選電場數(shù)ZF=4，每電場條帶數(shù)為8。

則實際電場長度：L=32×0.48=15.36 m

煙氣流速應為：v"=L/t'=15.36/17.55=0.875 m/s

電場斷面積為：F'=Q/v"=660 000/3 600/0.875 =209.5 m2

按BS930標準，選取電場有效高度h=12.95 m，同極間距取a=0.45 m，則通道數(shù)：

ZG=(F'/h)/a≈36

及此，窯頭電除塵器規(guī)格表示為：

(36/12.5)/4×8/0.45

相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)如下：

電場斷面積F=36×0.45×12.95=209.8 m2；

電場煙氣流速v=Q/F=0.874 m/s；

電場長度L=15.36 m；

煙氣在電場停留時間t=L/v=17.58 s；

設(shè)計粉塵遷徒時間tω=t/ln（ζ）=2.403 s；

比集塵極面積f=2t/a=78.12 s/m；

集塵極總面積A=fQ=14 322 m2；

設(shè)計驅(qū)進速度ω=(a/2)/ tω=0.094 m/s；

電源規(guī)格72 kV/1.2 A 戶外式4臺。

3.3.3 按傳統(tǒng)選型方法選型

如果按傳統(tǒng)選型程序和常規(guī)配置，由于環(huán)保標準較高，粉塵有效驅(qū)進速度應取ω≤0.07 m/s，同極間距0.45 m，比集塵面積f≥-ln(20/30/1 000)/ 0.07=104.47s/m，集塵極總面積應為：A=fQ=104.47× 640 000/3 600=18 573 m2

電場高度取12.95 m，電場風速0.8 m/s，通道數(shù)同為38，電場總長度L=A/（2×38×12.95）=18.87 m，總條帶數(shù)為ZST=L/0.48=39.3，取值40。則電除塵器規(guī)格則為38/12.5/4*10/0.45或(38/12.5)/ 5×8/0.45。

3. 3.4 兩種選型模式的比較

兩種選型模式所帶來的結(jié)果不同，比較項目和結(jié)果參見表2。

表2　電除塵器選型模式結(jié)果比較

4　結(jié)束語

環(huán)境標準的升級促進了電除塵技術(shù)的進步，電除塵相關(guān)技術(shù)的進步又推動了電除塵應用領(lǐng)域的革新。伴隨這種技術(shù)更新，相應的電除塵器選型設(shè)計過程應當與時俱進，適時予以修正或更新，相關(guān)工藝關(guān)聯(lián)設(shè)計也應與之匹配和適應。應先根據(jù)客觀條件對電除塵器進行優(yōu)化配置，再依據(jù)這種配置對關(guān)鍵參數(shù)的影響修正并選取關(guān)鍵參數(shù)——粉塵遷徒時間tω，然后根據(jù)變換后的除塵效率公式計算出煙氣在電場內(nèi)的停留時間t，進而選取和計算電除塵器的規(guī)格參數(shù)。

電除塵器本體結(jié)構(gòu)同樣存在著很大的革新空間，特別是二次揚塵的有效抑制和陰極收塵功能的切實利用以及反電暈現(xiàn)象的消除，必然會使電除塵器的有效除塵空間在超低排放的嚴苛條件下無需作更多的擴大。

參考文獻

[1] 黎在時. 電除塵器的選型安裝與運行管理[M].北京:中國電力出版社, 2005, 156-172.

[2] 中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.電除塵器選型設(shè)計指導書[M].北京:中國電力出版社, 2013.

中圖分類號：TQ172.688.1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0473(2016)02-0073-06

DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.02.013

收稿日期：（2015-11-30）