燃煤電廠濕式電除塵器工程化應(yīng)用設(shè)計(jì)之探討

唐飛翔 沈海濤 廖達(dá)琛 葛春亮 劉文櫸

浙江天地環(huán)保科技有限公司

近年來(lái)，霧霾天氣的頻發(fā)已對(duì)人們居住環(huán)境造成了不利的影響，同時(shí)對(duì)居民的健康產(chǎn)生了威脅。細(xì)顆粒物（PM2．5）是形成霧霾的重要因素，目前我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主，煤在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種氣態(tài)污染物和顆粒物，因此降低燃煤電廠煙氣中細(xì)顆粒物的排放尤為重要。為了進(jìn)一步提升煤電的高效清潔發(fā)展水平，2014年9月，國(guó)家三部委聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》，要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值[1]。

濕式電除塵器作為一種高效的除塵設(shè)備，能有效去除細(xì)顆粒物和SO3等污染物，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外燃煤機(jī)組的煙氣排放系統(tǒng)中[2][3]。目前，國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組應(yīng)用的濕式電除塵器布置方式主要有臥式和立式兩種，由于臥式濕式電除塵器基建投資較低，除塵效率較高，因此在市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位[4]。現(xiàn)關(guān)于介紹臥式濕式電除塵器工作原理的文獻(xiàn)較多[5][7]，但針對(duì)其詳細(xì)設(shè)計(jì)思路及方法的資料普遍缺乏，不利于深入了解及推廣應(yīng)用。

鑒于以上情況，本文以某600 MW超臨界燃煤機(jī)組上安裝的臥式濕式電除塵器為例，對(duì)其設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開(kāi)論述，為進(jìn)一步優(yōu)化工程奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)方法及參數(shù)選取

濕式電除塵器的設(shè)計(jì)與入口煙氣量、除塵效率、收塵面積、煙塵的驅(qū)進(jìn)速度等參數(shù)有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外采用的設(shè)計(jì)依據(jù)是經(jīng)典的多依奇公式[8]

式中：η為除塵效率；

A為收塵面積；

Q為處理的煙氣量；

ω為煙塵的驅(qū)進(jìn)速度，該值一般通過(guò)類比法及試驗(yàn)法得到。

由上式得知，當(dāng)收塵面積A愈大，煙氣量Q愈小，除塵效率愈高。此外該公式還表明除塵效率和電場(chǎng)長(zhǎng)度成正比，這意味著在同一臺(tái)電除塵器內(nèi)，單位電場(chǎng)長(zhǎng)度的除塵效率相等。除塵效率一定時(shí)，除塵器的尺寸與驅(qū)進(jìn)速度成反比，與處理的煙氣量成正比。

在電除塵器中，通常收塵面積A及處理煙氣量Q是根據(jù)電廠燃煤有關(guān)資料確定，因此除塵器運(yùn)行效率的高低是與煙塵的驅(qū)進(jìn)速度ω有極大的關(guān)系。主要的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 臥式濕式電除塵器的設(shè)計(jì)流程

為使燃煤機(jī)組排放的煙氣粉塵含量達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，通常在煙氣脫硫系統(tǒng)末端設(shè)置濕式電除塵器。綜合考慮除塵設(shè)備尺寸大小、制作安裝施工等各種因素，一般600 MW及以上的燃煤機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)濕式電除塵器，300MW及以下燃煤機(jī)組根據(jù)變負(fù)荷的需求，設(shè)置一臺(tái)或者兩臺(tái)濕式電除塵器。本工程布置兩臺(tái)臥式濕式電除塵器，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 單臺(tái)臥式濕式電除塵器的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

通過(guò)給定以上參數(shù)，即可對(duì)濕式電除塵器進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。濕式電除塵器本體的結(jié)構(gòu)主要包括鋼框架、進(jìn)出口煙道、灰斗、氣流均布板、陰極線及框架、陽(yáng)極裝置、噴淋裝置和平臺(tái)走道等。設(shè)計(jì)成品外形如圖2所示。

圖2 臥式濕式電除塵器結(jié)構(gòu)圖

2.1 進(jìn)（出）口煙道、灰斗

臥式濕式電除塵器的進(jìn)出口煙道作為煙氣通道，工作工況類似于燃煤電廠普通煙道，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法（DL/T 5121-2000）。煙道壁板厚度一般為6mm，壁板外表面加固肋選型及間距、內(nèi)撐桿的設(shè)置根據(jù)煙氣壓力和煙道截面尺寸而定。因煙道內(nèi)表面與煙氣接觸需做防腐處理，材料選用玻璃鱗片。

灰斗作為收集除塵廢水的裝置，通常布置在除塵器的底部，一般由6 mm厚鋼板及加固肋拼焊成中間帶管接口的錐形結(jié)構(gòu)，灰斗的數(shù)量根據(jù)除塵器尺寸和電場(chǎng)數(shù)量選取，本工程一臺(tái)臥式濕式電除塵器設(shè)置4個(gè)灰斗。

2.2 氣流均布板

在影響濕電除塵凈化效率的因素中，煙氣流在電場(chǎng)內(nèi)是否均布對(duì)除塵效率至關(guān)重要。濕煙氣經(jīng)脫硫系統(tǒng)后在進(jìn)入濕式電除塵器電場(chǎng)前，煙氣流一般分布不均勻，通常在濕電進(jìn)口煙道里面設(shè)置一層氣流均布板，以提高煙氣流的均勻程度進(jìn)而提高除塵效果。針對(duì)本工程煙道結(jié)構(gòu)布置及煙氣參數(shù)，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件的分析，確定當(dāng)氣流均布板開(kāi)孔率為51%，氣流分布均方差小于0．15時(shí)煙氣進(jìn)入電場(chǎng)的效果較好。由于進(jìn)口煙道的截面尺寸較大，為便于加工制作，氣流均布板將分成若干個(gè)均流格柵模塊，每個(gè)模塊通過(guò)周邊的角鋼及中間的鋼板拼焊而成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。考慮到煙氣的腐蝕作用，氣流均布板材質(zhì)選用316L或者PVC板材。

圖3 單個(gè)均流格柵板模塊結(jié)構(gòu)

2.3 陰極線及框架

陰極線（放電極）及框架作為臥式濕式電除塵器的核心部件之一，對(duì)設(shè)備性能和安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。針對(duì)放電極放電能力弱、壽命縮短、制作流程復(fù)雜，且放電尖端為焊接形式，在運(yùn)行過(guò)程中容易掉落等問(wèn)題，本工程采用的陰極線為芒刺線，該芒刺線由兩段半圓管組成，每段半圓管上帶有交錯(cuò)的放電尖端，在兩端各開(kāi)有1個(gè)沖孔。放電尖端與半圓管為一體成型，非焊接型式，可避免放電尖端掉落，整體剛性強(qiáng)，簡(jiǎn)化了制作工序；兩段半圓管通過(guò)碰焊形成一個(gè)放電極，碰焊點(diǎn)少且均勻布置，可保證放電極的整體強(qiáng)度和密封性，降低了在潮濕環(huán)境中腐蝕的可能性。該放電極的材質(zhì)為316L，一個(gè)放電尖端布置有四個(gè)放電點(diǎn)，四個(gè)放電點(diǎn)錯(cuò)位分布，分別指向兩側(cè)陽(yáng)極板，放電點(diǎn)的長(zhǎng)度因位置不同而有所差異，通常為8～14 mm，厚度為0．7 mm，放電點(diǎn)長(zhǎng)且細(xì)，起暈電壓低、放電強(qiáng)烈且電暈電流密度大，能實(shí)現(xiàn)在潮濕惡劣環(huán)境中的高效放電。

陰極框架作為高壓電引入的載體，一個(gè)電場(chǎng)主要由前后兩個(gè)大框架及固定在其上的若干個(gè)小框架組成，其中，固定陰極線的小框架由鋼管構(gòu)成，上面布置有開(kāi)圓孔的鋼塊，放電極與鋼塊之間通過(guò)螺栓連接為一整體。大框架主要由支撐槽鋼和夾持裝置構(gòu)成，高壓電通過(guò)頂部吊桿引入到大框架上，在吊桿與大框架的連接處采用偏心布置，使吊桿處于連接處的外沿，增加了吊桿與小框架的間距，保證絕緣距離，避免了放電現(xiàn)象的發(fā)生。大小框架之間通過(guò)夾持裝置連為一體，小框架限制了大框架的前后移位，大框架則限制了小框架的左右移位，使整個(gè)放電極及其框架穩(wěn)固，可經(jīng)受高速煙氣流的沖刷而不發(fā)生移位或抖動(dòng)，提升了濕電的運(yùn)行可靠性和安全性。結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 陰極線及框架結(jié)構(gòu)

2.4 陽(yáng)極裝置

陽(yáng)極裝置是一種將在電場(chǎng)力作用下移動(dòng)的細(xì)顆粒吸附在其極板上的集塵裝置，主要由若干陽(yáng)極板及夾板等一些附屬部件連接而成，因其表面完全暴露在濕煙氣中，為了提高抗腐蝕性，其材質(zhì)選用316L等不銹鋼。在濕式電除塵器的安裝過(guò)程中，陰極線與陽(yáng)極裝置的放電間距不易控制，距離偏大時(shí)達(dá)不到效果，偏小時(shí)易擊穿陽(yáng)極板發(fā)生漏電現(xiàn)象。針對(duì)這一常見(jiàn)情況，本工程通過(guò)在頂部絕緣子H型鋼大梁翼緣設(shè)計(jì)限位雙角鋼，灰斗上部設(shè)計(jì)卡槽，以達(dá)到對(duì)陽(yáng)極裝置端部精準(zhǔn)定位目的，如圖5所示。通常，為保證足夠的集塵面積，陽(yáng)極板截面尺寸應(yīng)盡可能大，出于經(jīng)濟(jì)性考慮其厚度方向尺寸選取較小，本工程陽(yáng)極板厚度選用1．2 mm。為使陽(yáng)極板在工作過(guò)程中不因外力產(chǎn)生變形，寬度方向采用C形翻邊結(jié)構(gòu)，極板表面布滿交錯(cuò)設(shè)置的貫通的大溝槽，以達(dá)到增強(qiáng)剛度的目的，同時(shí)保證形成穩(wěn)定的水膜，避免溝流等現(xiàn)象，陽(yáng)極板截面如圖6所示。

圖5 陽(yáng)極裝置定位圖

圖6 陽(yáng)極板截面圖

2.5 噴淋裝置

濕式電除塵器通過(guò)噴淋裝置對(duì)陽(yáng)極板進(jìn)行噴水沖刷，使得聚集在陽(yáng)極板上的粉塵顆粒物沿著自上而下的水流被沖洗掉。相比于干式電除塵器，因無(wú)振打清灰裝置，可以避免二次揚(yáng)塵，達(dá)到更高的除塵效率。

噴淋裝置位于濕式電除塵器中段頂部，除塵水由一側(cè)進(jìn)入噴淋管道，在噴淋管道上沿縱向（垂直與煙氣氣流方向）安裝噴嘴。本工程單臺(tái)除塵器安裝5排管道，每排管道設(shè)置50個(gè)空心噴嘴，覆蓋率為200%以上。單個(gè)噴嘴的流量為7．3 L/min，壓力為0．15 MPa。噴淋裝置布置如圖7所示。

圖7 噴淋裝置布置圖

2.6 平臺(tái)走道

平臺(tái)走道作為臥式濕式電除塵器的附屬組成部分，一般分為外部平臺(tái)和內(nèi)部走道。為了檢修維護(hù)方便，外部平臺(tái)通常設(shè)置在人孔門(mén)、噴淋管道閥門(mén)及高頻電源處，材質(zhì)選用碳鋼。濕式電除塵內(nèi)部由于空間有限，一般在灰斗四周和進(jìn)出口煙道與灰斗交界處設(shè)置走道，因其完全置于煙氣中，內(nèi)部走道材質(zhì)選用316L。

3 結(jié)論

（1）本文以某工程上應(yīng)用的臥式板式濕式電除塵器為例，詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)思路，并對(duì)主要構(gòu)成部件進(jìn)行了選型優(yōu)化，在一定程度上提高了除塵效率，同時(shí)增強(qiáng)了該設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

（2）此燃煤機(jī)組自2016年7月投運(yùn)以來(lái)，該臥式濕式電除塵器出口煙氣粉塵排放濃度始終低于5 mg/Nm3，達(dá)到了煙氣超低排放的要求，為日后這一設(shè)備的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有借鑒意義。

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