銅冶煉高溫電除塵試驗研究

趙海寶 王少權(quán) 伍致承 袁偉鋒 徐越前 駱建友

(1.浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰? 浙江 諸暨 311800;2.能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學), 浙江 杭州 310027;3.中華人民共和國紹興海關(guān), 浙江 紹興 312000;4.浙江省燃煤煙氣凈化裝備研究重點實驗室, 浙江諸暨 311800)

0 前言

煙氣粉塵高效脫除不僅可回收有用資源[1-2],也是實現(xiàn)各行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。在燃煤機組煙氣治理方面,現(xiàn)有技術(shù)路線的高溫煙氣段粉塵濃度極高,導致催化劑和空預器堵塞、磨損[3-4],因此,在煙氣進入催化脫硝系統(tǒng)之前進行高溫預除塵,可降低煙氣中的粉塵濃度,解決高濃度粉塵對催化劑和空預器帶來的不利影響。與此同時,隨著處理煙氣溫度的升高,顆粒的性質(zhì)和氣體電離擊穿條件發(fā)生改變,導致電除塵器的運行效果下降[5-7]。在有色金屬行業(yè)中,輕金屬冶煉煙氣溫度大多在250 ℃以內(nèi),重金屬煙氣的溫度較高,在380 ℃左右,并且含有較多的SO2和SO3,煙氣酸露點溫度在250 ℃左右,腐蝕性強。煙氣粉塵大部分為易揮發(fā)的金屬氧化物或硫酸鹽,粒徑小。目前,金屬冶煉等領(lǐng)域的高溫煙氣粉塵治理仍無法穩(wěn)定達到高效除塵的要求[8]。因此,高溫電除塵技術(shù)的研發(fā)和應用研究對粉塵治理和工藝提升具有十分重要的意義[9-12]。

1 高溫電除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

袋式除塵器無法耐高溫,其濾料一般適用于110～140 ℃的范圍;玻璃纖維等特殊濾料耐受低于250 ℃的溫度,無法在350～500 ℃高溫下使用;金屬纖維和陶瓷纖維雖可承受較高溫度,但在高顆粒物濃度下運行阻力大,濾袋濾料的壽命受煙塵溫度、酸露點等影響較大,運行維護復雜。

目前已有顆粒床高溫除塵器處于實驗室研究階段,荷蘭的Delft大學[13]對移動顆粒層進行了循環(huán)流化床煙氣過濾試驗,煙氣溫度1 000 ℃,除塵效率為98%。日本住友株式會社進行了顆粒床除塵器工業(yè)化應用[14],但顆粒床除塵器存在磨損嚴重、壓降大以及對微細顆粒捕集能力不足等問題,目前仍無法適應高溫煙氣領(lǐng)域的工業(yè)應用。因此,電除塵技術(shù)仍是目前高溫煙氣粉塵脫除的主要選擇。日本富士電機采用金屬網(wǎng)過濾形式的高溫電除塵技術(shù)[15],除塵效率達98%,粉塵出口濃度可降至10 mg/m3以下,耐受煙氣溫度為300～400 ℃,適用于鋼鐵、玻璃、鋁業(yè)行業(yè),但煙氣阻力仍較高。

在高溫電除塵機理研究上,Hemmer等[16]發(fā)現(xiàn)不同溫度下粉塵顆粒的捕集原理不同。對于粒徑小于1 μm的粉塵顆粒,隨著溫度升高,其除塵效率越高,粉塵擴散力決定了除塵效率。Yan等[17]研究發(fā)現(xiàn)隨溫度升高,電除塵器的有效工作區(qū)間變窄,當顆粒的比電阻較高時,易出現(xiàn)反電暈和閃絡擊穿等現(xiàn)象。此外,煙氣流速也會顯著影響高溫靜電除塵器的捕集過程,合理的煙氣流速可提高顆粒驅(qū)進速度從而提高捕集效率[18-19]。Heidenreich S[20]研究表明在350～500 ℃溫度區(qū)間的煙氣工況下,粉塵的性質(zhì)比較穩(wěn)定,不會發(fā)生燒結(jié)、軟化和搭橋現(xiàn)象,但高溫煙氣工況下,電除塵器的除塵效率、最佳煙氣流速等問題有待進一步研究。

典型的高溫工業(yè)煙氣除塵現(xiàn)狀見表1。在高溫煙氣領(lǐng)域,旋風除塵器應用較多,除塵后煙氣雖不能達到超低排放要求,但可滿足工藝要求。高溫布袋除塵技術(shù)、高溫陶瓷過濾器及高溫金屬過濾器的主要優(yōu)勢在于耐溫非常高,適合于超高溫煤氣(800～1 000 ℃)凈化,在中高溫度的工業(yè)煙氣處理中應用的效益不高。

表1 高溫工業(yè)煙氣除塵現(xiàn)狀

2 高溫電除塵中試試驗

2.1 中試裝置搭建

為實現(xiàn)銅冶煉高溫煙氣粉塵的高效脫除,了解煉銅粉塵特性的特征,研究了不同電壓、煙氣流速對除塵效率的影響,尋找電除塵關(guān)鍵參數(shù)最佳設(shè)置方法,在福建某銅冶煉廠搭建了高溫煙氣電除塵中試平臺,從余熱鍋爐后、電除塵器前引出一路煙氣進入中試平臺。中試平臺設(shè)計煙氣入口含塵濃度為100 g/m3,煙氣量1 000 m3/h(標況煙氣量,工況煙氣量為2 471 m3/h),煙氣溫度380 ℃,設(shè)計出口粉塵濃度為100 mg/m3。銅冶煉煙氣高溫電除塵中試平臺流程如圖1所示,中試試驗裝置現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1 冶煉銅煙氣高溫電除塵中試平臺流程圖

圖2 中試試驗裝置實景

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 粉塵特性表征

采集高溫電除塵器中試平臺不同電場的粉塵并進行分析,獲得不同電場灰斗中粉塵的形貌、粒徑、成分等特性。不同電場的粒徑分布如圖3所示,電鏡掃描圖如圖4所示。

圖4 不同電場灰斗中冶煉銅粉塵形貌[21]

從圖3可以看出,冶煉銅粉塵的粒徑分布模式為雙峰分布,第1電場灰斗中顆粒的中值粒徑最大,而第3電場灰斗中顆粒的中值粒徑最小(細顆粒占比更多),這是因為第1電場可將大量粗顆粒優(yōu)先捕集進入灰斗中。此外,從圖4中可以看出,不同電場銅冶煉飛灰顆粒由非球形不規(guī)則片狀堆疊結(jié)構(gòu)組成,與電廠灰顆粒顯圓形的形態(tài)區(qū)別較大,銅冶煉飛灰顆粒的尖端易在荷電后放電導致發(fā)生反電暈現(xiàn)象,因此進一步研究其高溫靜電脫除特性很有必要。

2.2.2 煙氣流速對除塵效率的影響

通過調(diào)節(jié)中試平臺的抽氣量,研究不同煙氣流速對高溫煙氣顆粒物脫除效果的影響,結(jié)果如圖5所示。試驗在以下工藝條件情況下進行:煙氣溫度約310 ℃,第1電場二次電壓45 kV,第2電場二次電壓35 kV,第3電場二次電壓35 kV,進口粉塵濃度為100 g/m3。煙氣流速低,則要求高溫電除塵器設(shè)備選型大;煙氣流速高,則除塵效率低。從圖5可知,在綜合定量比較煙氣流速和設(shè)備型號的基礎(chǔ)上,適用于高溫冶煉粉塵靜電脫除的優(yōu)化工藝條件為:高溫電除塵器以流速0.48 m/s長期運行時,煙氣顆粒既不會使高溫電除塵器嚴重積灰,也不會導致大量顆粒從高溫靜電除塵器中逃逸,除塵效率最佳。

圖5 流速對除塵效率的影響關(guān)系

2.2.3 電場的電壓對除塵效率的影響

通過調(diào)節(jié)中試平臺高壓電源輸入,研究不同電場的電壓對高溫冶煉煙氣中顆粒物脫除效果的影響,結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖6和圖7可知,總體趨勢為電場電壓越高,出口粉塵濃度越低,除塵效率越高。當電壓降低時,除塵效率降低,但電耗也隨之降低。在節(jié)能減排的調(diào)控目標下,要尋找既能滿足除塵效率需求又能使能耗最低的電壓值。同時,研究結(jié)果表明,該電除塵中試裝置的最佳顆粒脫除效率可達到99.5%。

圖6 第1電場電壓與除塵效率關(guān)系

圖7 第2電場電壓與除塵效率關(guān)系

3 高溫電除塵工程應用

福建某銅冶煉廠高溫電除塵器于2020年8月投運,煙氣處理量為350 000 m3/h,煙氣溫度為250～300 ℃,SO2濃度為12%。采用高溫電除塵技術(shù),每臺爐配兩臺雙室四電場電除塵器,每臺電除塵器斷面積104 m2,電除塵器設(shè)計出口煙氣含塵濃度不高于100 mg/m3,進出口溫差≤30 ℃。

電除塵器進口流速設(shè)計為0.47 m/s,高壓電源二次電壓第1電場設(shè)置在40～50 kV,第2、3電場設(shè)置在45～55 kV,第4電場電壓為50～60 kV。2020年11月,對該高溫電除塵器進行了性能測試,結(jié)果表明:在進口煙氣溫度290 ℃,煙氣量347 970 m3/h,電除塵器內(nèi)部煙氣流速0.46 m/s,進口煙氣含塵濃度2.19 g/m3條件下,出口煙氣含塵濃度62 mg/m3,除塵效率大于97.1%。

4 結(jié)論

基于銅冶煉煙氣工況的高溫電除塵中試裝置,分析了不同電場灰斗中冶煉銅粉塵形貌、粒徑、成分,研究了不同煙氣流速、電壓對除塵效率的影響,得出電除塵關(guān)鍵參數(shù)最佳設(shè)置方法,電除塵中試裝置的最佳顆粒脫除效率可達到99.5%,為電除塵設(shè)計和應用提供了數(shù)據(jù)支撐。在福建某銅冶煉廠進行了高溫電除塵器的工程應用試驗,測試結(jié)果表明出口煙氣含塵濃度由2.19 g/m3降至62 mg/m3,除塵效率大于97.1%。高溫電除塵器的工業(yè)化應用可優(yōu)化現(xiàn)有色金屬冶煉和燃煤機組整個煙氣污染物治理技術(shù)工藝,為“雙碳”戰(zhàn)略需求下的節(jié)能減排開辟新的技術(shù)路徑。