濕式靜電除塵器在燃煤電廠(chǎng)超低排放工程中的應(yīng)用

展茂源，王 猛，鄧徐幀，郭 軍，劉 暢

(山東山大華特環(huán)保工程有限公司，山東 濟(jì)南 250061)

濕式靜電除塵器在燃煤電廠(chǎng)超低排放工程中的應(yīng)用

展茂源，王 猛，鄧徐幀，郭 軍，劉 暢

(山東山大華特環(huán)保工程有限公司，山東 濟(jì)南 250061)

燃煤電廠(chǎng)濕式電除塵技術(shù)可以控制細(xì)顆粒物PM2.5對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)煙塵超低排放。介紹了濕式電除塵的運(yùn)行原理及結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)濕電在燃煤電廠(chǎng)的超低排放工程的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)和解決運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)濕電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了可靠的支持。流場(chǎng)數(shù)值模擬中采用了實(shí)體多孔板模型，并在網(wǎng)格劃分上做了局部加密的處理，克服了多孔介質(zhì)模型計(jì)算的不足，提高了計(jì)算精度。

濕式電除塵器；超低排放；工程應(yīng)用；煙塵排放

0 引言

國(guó)家環(huán)保部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合發(fā)文，要求到2020年，現(xiàn)役600MW及以上燃煤機(jī)組、東部地區(qū)300MW及以上公用燃煤發(fā)電機(jī)組、100MW級(jí)以上自備燃煤發(fā)電機(jī)組及其他有條件的燃煤發(fā)電機(jī)組，改造后大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排放值，放限值為SO2≤35mg/m3、NOx≤50mg/m3、煙塵≤10mg/m3。山東、山西等省對(duì)煙塵排放的限值甚至達(dá)到5mg/m3，然而，針對(duì)于煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)的大幅提高，諸如電除塵前增加低溫省煤器、靜電除塵進(jìn)行電源升級(jí)、改造布袋除塵器、改造電袋除塵等方案都很難實(shí)現(xiàn)煙塵排放濃度小于10mg/m3，因此，擇合適的工藝是決定能否達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。濕法煙氣脫硫后采用濕式靜電除塵器，能夠?qū)γ摿蚝鬂駸煔庵械募?xì)微顆粒物氣溶膠、酸性霧滴等有害物質(zhì)有效的去除，且對(duì)于Hg2+等重金屬顆粒能夠有效的協(xié)同去除，濕式電除塵技術(shù)對(duì)燃煤電廠(chǎng)大氣污染物的超低排放提供了可靠的技術(shù)路線(xiàn)及有力保障。

1 濕式電除塵原理

濕式靜電除(霧)塵設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)，脫除冶金煙氣中的硫酸霧，直到1986年，濕式靜電除(霧)塵設(shè)備第一次被應(yīng)用到燃煤電廠(chǎng)中[1]。

濕式靜電的工作原理與干式除塵器基本相同，但是由于濕式靜電其工作介質(zhì)的特殊性—含有霧滴，濕式靜電除霧器的工作原理又不同于干式靜電除塵器。接通高壓直流電源后，放電極與沉淀極之間形成了非均勻高壓靜電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，電暈線(xiàn)發(fā)生電暈放電，煙氣進(jìn)入電場(chǎng)荷電區(qū)時(shí)，酸霧、煙塵等顆粒被荷電。荷電后的酸霧、煙塵等顆粒靜電凝聚作用加強(qiáng)，粒徑增大，荷電量增加，在電場(chǎng)力的作用下迅速抵達(dá)陽(yáng)極(沉淀極)。大量的酸霧顆粒不斷地被驅(qū)向陽(yáng)極，同時(shí)迅速釋放電荷，從而達(dá)到酸霧、煙塵等氣溶膠微粒與煙氣分離的目的。

對(duì)于濕式靜電除塵器：首先，由于水滴的存在對(duì)電極放電產(chǎn)生了影響，金屬表面帶水后，大大削弱表面勢(shì)壘對(duì)自由電子的阻礙作用，使電子易于發(fā)射。在飽和濕煙氣的環(huán)境下，改變了電極放電效果，使電極能在低電壓下發(fā)生電暈放電。其次，由于水滴的存在，水的電阻相對(duì)較小，水滴與粉塵結(jié)合后，使得高比電阻粉塵比電阻下降，濕式靜電除塵器的工作狀態(tài)會(huì)更加穩(wěn)定；另外由于濕式靜電除塵器采用水流沖洗，沒(méi)有振打裝置，所以不會(huì)產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。

濕法脫硫后，煙氣經(jīng)過(guò)溫度大幅下降，處于飽和狀態(tài)，使得濕式電除塵電場(chǎng)中存在大量的帶電霧滴，極大的增加了亞微米粒子碰撞帶電的幾率，提高了對(duì)亞微米粒子的捕集效率[2]。同時(shí)，國(guó)外研究表明，露點(diǎn)溫度以上時(shí)，煙氣中的SO3在205℃以下時(shí)，主要以H2SO4微液滴形式存在，平均顆粒直徑在0.4μm以下，屬于亞微米范疇。濕式靜電除塵器對(duì)亞微米顆粒的高捕集效率，可對(duì)SO3液滴起到相同作用[3-5]。因此，濕式靜電除塵器對(duì)酸霧、有毒重金屬以及PM10，尤其是PM2.5的微細(xì)粉塵有良好的脫除效果。

2 濕式電除塵結(jié)構(gòu)與組成

高效濕式電除塵器主要由電暈線(xiàn)(陰極)、沉淀極(陽(yáng)極)、絕緣箱和高壓直流供電電源組成。

2.1 高效濕式電除塵器本體

主要包括濕式電除塵器的殼體、頂部蓋板等，由低碳鋼焊接而成形, 并且保證密封良好。放電極、收塵極及電除塵內(nèi)部部件荷載均由安裝在電除塵上部的箱形梁承擔(dān), 并將負(fù)載傳輸給支撐框架。

2.2 煙氣導(dǎo)流板

入口內(nèi)裝有氣流分布板 (碳鋼+玻璃鱗片防腐) , 由經(jīng)過(guò)流場(chǎng)模擬后的格板組成, 以使進(jìn)入濕式電除塵器內(nèi)的氣流更加均勻。

2.3 沉淀極系統(tǒng)

沉淀極材質(zhì)為新型導(dǎo)電玻璃鋼組成，重量輕，具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。外形為正六邊形管狀，呈蜂窩狀緊密排列在一起，模塊化的設(shè)計(jì)，極大的節(jié)約了除塵器內(nèi)部空間，提高了按裝效率。沉淀極懸吊在支撐梁上, 并允許在垂直方向上熱膨脹。

2.4 放電極系統(tǒng)

放電陰極線(xiàn)為帶尖刺的合金材料, 并由一定強(qiáng)度的框架來(lái)安裝。每個(gè)放電極系統(tǒng)均通過(guò)箱形絕緣子室內(nèi)的支撐絕緣子來(lái)懸吊。此外，每根陰極線(xiàn)底部，設(shè)置一個(gè)重錘對(duì)陰極線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步拉緊。

2.5 絕緣熱風(fēng)保護(hù)系統(tǒng)

濕式除塵器為運(yùn)行過(guò)程中，煙氣為濕法脫硫后的飽和濕煙氣，為防止絕緣子結(jié)露和污染，濕式電除塵上部的絕緣箱及下部的陰極固定器采用熱風(fēng)正壓保護(hù)裝置，保證絕緣子絕緣性更可靠。

絕緣子箱內(nèi)部設(shè)加熱裝置及溫度自動(dòng)控制裝置，加熱均勻，溫度檢測(cè)準(zhǔn)確，能有效地防止霧氣進(jìn)入絕緣箱，防止結(jié)露。

2.6 沖洗系統(tǒng)

濕式電除塵器內(nèi)設(shè)一層沖洗管網(wǎng)，可以有效地沖洗陽(yáng)極表面。沖洗管網(wǎng)正常運(yùn)行定期沖洗，平均水耗近乎為0，進(jìn)行分區(qū)沖洗，沖洗頻率為每天完成一次沖洗，每個(gè)分區(qū)沖洗時(shí)間約1～2min。陽(yáng)極沖洗管網(wǎng)主要考慮保護(hù)陽(yáng)極所設(shè)置，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需開(kāi)啟。陽(yáng)極沖洗管網(wǎng)兼做陽(yáng)極支撐框架。

3 濕式電除塵器工程應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

山東某電廠(chǎng)超低排放工程新增二級(jí)脫硫塔并與塔頂置一臺(tái)濕式電除塵器，煙氣經(jīng)二級(jí)脫硫塔，進(jìn)入濕式電除塵器處理后經(jīng)煙道進(jìn)入煙囪排放，從而達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

濕式靜電除塵器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 濕式靜電除塵器主要設(shè)計(jì)參數(shù)(1臺(tái)爐)

項(xiàng) 目煤 值入口處理煙氣量/m3·h-11750000入口煙氣溫度/℃50出口煙氣溫度/℃50入口粉塵濃度(粉塵+石膏)/mg·m-345設(shè)計(jì)除塵效率(含石膏)/%89陽(yáng)極管/板型式及材質(zhì)導(dǎo)電玻璃鋼絕緣方式熱風(fēng)吹掃殼體設(shè)計(jì)壓力/kPa2～3電源(1臺(tái)鍋爐)/臺(tái)4系統(tǒng)總阻力/Pa≤450出口煙塵濃度/mg·m-3<5(當(dāng)濕式除塵器入口煙塵濃度<45mg/m3時(shí))

3.2 布置方式

在新建二級(jí)脫硫塔頂部新增濕式電除塵器：濕式電除塵器設(shè)計(jì)在脫硫塔除霧器上部空間，設(shè)備荷載由脫硫塔承擔(dān)，不需要單獨(dú)進(jìn)行土建施工。濕式電除塵器與脫硫塔在同一鋼殼體內(nèi)。脫硫塔設(shè)備安裝時(shí)采用頂撐倒裝法，先對(duì)脫硫塔的濕式電除塵器鋼殼體部分進(jìn)行安裝防腐后，從頂部吊裝陽(yáng)極管束。整體安裝好后頂撐安裝其他部分。脫硫塔殼體頂部需增加濕式電除塵器絕緣箱支承鋼平臺(tái)，用于安裝陰極懸吊系統(tǒng)和高壓整流變；濕式電除塵器在上氣室需增加人孔檢修平臺(tái)；在下氣室需增加人孔和陰極下框架固定器檢修平臺(tái)。

3.3 流場(chǎng)模擬

為了分析濕式電除塵入口煙道方案的流場(chǎng)特性進(jìn)行CFD模擬，CFD模擬研究對(duì)象是從濕法脫硫塔出口彎道至濕式電除塵器出口煙道，研究模型如圖1所示。流休模型的GFD方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化是基于使系統(tǒng)壓力損失最小，陽(yáng)極管入口上游氣流速大小分布均勻，速度與垂直方向夾角盡可能小，粉塵濃度分布均勻的原則下對(duì)煙道內(nèi)整流部件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過(guò)對(duì)濕式電除塵器內(nèi)壓力損失性能、流場(chǎng)均勻性分布，系統(tǒng)內(nèi)灰分分布等模擬結(jié)果的對(duì)比分析完成優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。

圖1 除塵裝置結(jié)構(gòu)圖及導(dǎo)流板安裝位置說(shuō)明

濕式電除塵器內(nèi)煙氣流場(chǎng)的控制方程式為：

(1)

根據(jù)濕式電除塵器內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于濕式電除塵器內(nèi)的管式集塵區(qū)煙氣垂直流動(dòng)特點(diǎn)，通過(guò)將集塵區(qū)看作特殊多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬。其壓降損失模擬公式如下：

(2)

為了模擬實(shí)際流場(chǎng)的流動(dòng)特點(diǎn)，將流動(dòng)沿水平方向的阻力設(shè)置的非常大，而垂直方向的阻力有限，這樣流動(dòng)就會(huì)只沿垂直方向流動(dòng)，和實(shí)際現(xiàn)象相符。

CFD流體模型根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案確定，利用Gambit對(duì)裝置進(jìn)行三維建模，采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

該模型的邊界條件依據(jù)項(xiàng)目方提供的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。煙氣入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，出口表壓為一個(gè)大氣壓，模型壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算過(guò)程中，為防止壁面非線(xiàn)性發(fā)散，采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 速度分布

圖2是優(yōu)化除塵裝置系統(tǒng)內(nèi)跡線(xiàn)分布。優(yōu)化后內(nèi)部流速分布均勻，無(wú)湍流和流動(dòng)的死角區(qū)域。導(dǎo)流的關(guān)鍵是保證煙氣在進(jìn)入陽(yáng)極管區(qū)域上游截面內(nèi)的速度大小分布均勻，并且與垂直方向夾角較小

圖3給出了陽(yáng)極管入口上游0.5m處的速度分布云圖和矢量圖。從圖中可知，入口速度與垂直方向的夾角很小，能夠保證煙氣垂直流進(jìn)陽(yáng)極管。

圖2 煙氣跡線(xiàn)分布

圖3 陽(yáng)極管入口上游0.5m截面處的速度矢量

為了定量評(píng)價(jià)速度分布的均勻性，用速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差定義了氣流均布系數(shù)的概念。計(jì)算結(jié)果顯示氣流均布系數(shù)為13.24%，小于15%。

3.4.2 阻力損失

系統(tǒng)壓力損失主要存在于煙氣轉(zhuǎn)彎段、煙道漸擴(kuò)段、漸縮段和煙氣沿程的通道等。其本質(zhì)主要由于流動(dòng)介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生渦流、速度重新分布引起的加速或減速以及介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間劇烈碰撞的動(dòng)量交換等引起，而減少壓力損失的方法：一是在流通面積或流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生劇烈變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，既可以避免在彎曲處的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)，也可以減少二次流的產(chǎn)生和影響范圍；二是流通面積平穩(wěn)過(guò)渡，盡可能采用逐漸擴(kuò)大或逐漸縮小代替突然擴(kuò)大或突然縮小；三是適當(dāng)?shù)剡x裝分流板或合流板。在優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)流裝置和整流裝置的過(guò)程中是基于使系統(tǒng)壓力損失最小，導(dǎo)流板數(shù)目最少的原則下進(jìn)行的。系統(tǒng)總壓降約為178Pa，其中陽(yáng)極管部分阻力損失為129Pa。壓力降主要存在于陽(yáng)極管段和出口段。

4 運(yùn)行效果及存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的施工及調(diào)試，濕式電除塵器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出口煙塵排放濃度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，煙塵小于≤5mg/m3，甚至達(dá)到2.6mg/m3，系統(tǒng)運(yùn)行阻力<450Pa，運(yùn)行電耗小于350kW。

濕式電除塵工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題：

(1)運(yùn)行電壓低，電流很小，或電壓升高就產(chǎn)生嚴(yán)重閃絡(luò)而跳閘。分析其主要原因：絕緣箱或固定器沾水導(dǎo)致絕緣性能下降，在低電壓下閃絡(luò)嚴(yán)重；極板、極線(xiàn)積灰，造成擊穿電壓下降。解決措施：提高換熱器溫度檢查換熱器風(fēng)量；沖洗積灰，修復(fù)保溫。

(2)運(yùn)行電壓較低，二次電流過(guò)大。其主要原因：高壓部分絕緣不良；放電極與收塵極間距局部變??；電場(chǎng)內(nèi)有異物；電纜或終端盒絕緣損壞，泄漏電流；產(chǎn)生反電暈。建議采取相關(guān)解決措施：用搖表測(cè)絕緣電阻，改善絕緣情況或更換損壞的絕緣部件；調(diào)整極距，清除異物。同時(shí)檢查換熱器和漏風(fēng)情況，清除積灰，改善電纜與終端盒的絕緣，調(diào)整高壓供電方式和清洗周期，調(diào)整煤質(zhì)。

(3)二次電壓接近零，二次電流表指示接近極限值。其主要原因：放電極斷線(xiàn),造成二極短路；電場(chǎng)內(nèi)有金屬異物；高壓電纜或電纜終端盒對(duì)地短路；絕緣瓷柱損壞,對(duì)地短路。解決措施：剪掉放電極斷線(xiàn)；清除異物；修復(fù)或更換損壞的電纜和終端盒；修復(fù)或更換瓷柱。

(4)二次電流表指針周期性擺動(dòng)。其主要原因：放電極框架振動(dòng)；放電極線(xiàn)折斷,殘余段在框架上晃動(dòng)。解決措施：消除框架振動(dòng)；剪掉殘余線(xiàn)段。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)濕式電除塵器的收塵效率不受粉塵性質(zhì)影響，能夠解決濕法脫硫后的煙塵排放達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。陽(yáng)極采用導(dǎo)電玻璃鋼陽(yáng)極材質(zhì)，無(wú)水循環(huán)系統(tǒng)，無(wú)需堿液沖洗防腐，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

(2)流場(chǎng)模擬是確保濕式靜電除塵高效穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件，均勻的流場(chǎng)是保證除塵效率的前提條件，對(duì)優(yōu)化運(yùn)行具有重要的作用。絕緣性是濕式靜電除塵器開(kāi)車(chē)的重要條件，濕式電除塵器開(kāi)車(chē)運(yùn)行前，系統(tǒng)的絕緣性必須保證。

(3)本工程濕電除塵器內(nèi)流場(chǎng)模擬研究對(duì)象起始于濕法脫硫塔除霧器上方，包括濕式電除塵器入口、漸擴(kuò)段、濕式電除塵器主體、濕式電除塵器出口煙道及其內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)等。采用FLUENT軟件包模擬研究了濕式電除塵器內(nèi)的流體流動(dòng)特性。定性分析了優(yōu)化后濕電除塵器的速度分布特點(diǎn)，云圖和矢量圖顯示速度分布均勻，并計(jì)算了滿(mǎn)負(fù)荷工況下陽(yáng)極管入口上游0.5m處的氣流均布系數(shù)。CFD模擬計(jì)算優(yōu)化方案在100%運(yùn)行工況下從進(jìn)氣煙道到除塵器出口之間的系統(tǒng)總壓力損失分別為178Pa，陽(yáng)極管部分阻力損失為129Pa。

[1]閆 君.濕式靜電除霧器脫除煙氣中酸霧的試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[2]蔣海濤,田紹剛,付玉玲,等.濕式電除霧技術(shù)及在燃煤電廠(chǎng)的應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備，2014,1(18):61-64.

[3]薛建明,縱寧生.濕法電除塵器的特性及其發(fā)展方向[J].電力環(huán)境保護(hù),1997,13(3):40-44.

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Engineering application of wet electrostatic precipitatator in ultra-low emission control technology in coal-fired power plant

Wet Electrostatic Precipitatator is used in coal-fired power plant in PM2.5pollution control. It introduces the structure characteristic and working principle of WESP. Based on the application of WESP after desulfurization in coal-fired power plant in ultra-low emission, find and solve the problems that arise in the operation of the application and development of wet electric technology provides a reliable support. The entity porous model has been used and grid was refined in the numerical simulation .So that the calculative deficiency in porous media model was surmounted and calculation accuracy was improved .

wet electrostatic precipitatator(WESP);ultra-low emission;engineering application; dust emission

X701.2

B

1674-8069(2017)02-030-04

2016-09-26；

2016-10-13

展茂源(1982-)，男，山東濟(jì)南人，主要從事電廠(chǎng)煙氣脫硫、除塵技術(shù)工作。E-mail：zhanmaoyuan@126.com