濕式電除塵器在改造項(xiàng)目中的合理性設(shè)計(jì)

何鵬飛，任凱，屈荷葉

（西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?，西安 710075）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新國(guó)情下對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，原有的環(huán)保設(shè)備大多已不能滿(mǎn)足新的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到新的排放標(biāo)準(zhǔn)，控制各類(lèi)污染物的排放，需要對(duì)原有的凈化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，其中粉塵超低排放升級(jí)改造是各類(lèi)污染物排放控制改造中的重點(diǎn)之一。在粉塵超低排放改造升級(jí)的過(guò)程中，濕式電除塵器已成為煙氣末端治理的有效手段之一。

濕式電除塵器與常規(guī)電除塵器的原理基本相同，最主要的區(qū)別在于清灰方式采用噴淋系統(tǒng)取代了振打系統(tǒng)。噴淋系統(tǒng)間歇性噴水，在極板或管束表面形成流動(dòng)性液膜，將收集的粉塵沖洗去除，達(dá)到清灰的目的。濕式電除塵器作為煙氣末端治理的主要設(shè)備，不僅可以降低煙塵濃度，達(dá)到超低排放要求，同時(shí)還可以解決PM2.5微細(xì)粉塵、“石膏雨”和SO3氣溶膠等的排放問(wèn)題，大幅度減少對(duì)煙囪的腐蝕[1]。

為順應(yīng)新的環(huán)保要求，揚(yáng)州某造紙廠(chǎng)自備電廠(chǎng)對(duì)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，在濕法脫硫后增加濕式電除塵器。經(jīng)過(guò)工藝布置和初步設(shè)計(jì)計(jì)算，確定采用頂置圓筒形結(jié)構(gòu)，玻璃鋼管束式濕式電除塵器。初始設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某廠(chǎng)濕式電除塵設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 工藝布置合理性設(shè)計(jì)

從原煙氣凈化系統(tǒng)平面布置圖（見(jiàn)圖1）可看出，區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地狹小，設(shè)備布置非常緊湊，設(shè)備數(shù)量多，管線(xiàn)復(fù)雜，可利用的空間有限，給改造升級(jí)工藝布置帶來(lái)不利影響。在水平空間限制較大的情況下，經(jīng)過(guò)詳細(xì)工藝布置和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定利用立面空間，采用頂置圓筒形式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），將新增的濕式電除塵器布置在脫硫塔頂部，同時(shí)利用原鋼煙囪，將原鋼煙囪截?cái)嗪蟛贾糜谛略龅臐袷诫姵龎m器后，保證煙囪出口高度的要求。

采用頂置結(jié)構(gòu)，需要考慮濕式電除塵器和原脫硫塔的共振問(wèn)題。一旦達(dá)到共振條件，運(yùn)行時(shí)在氣流沖擊、風(fēng)載以及其他振動(dòng)設(shè)備的影響下，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生較大震動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運(yùn)行安全，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備坍塌。為了解決濕式電除塵器和原脫硫塔的共振問(wèn)題，濕式電除塵器重新布置土建基礎(chǔ)（見(jiàn)圖3），采用獨(dú)立支撐鋼支架，土建基礎(chǔ)及鋼支架與脫硫塔基礎(chǔ)以及其他設(shè)備完全隔離，同時(shí)在脫硫塔頂部與濕式電除塵器入口對(duì)接處布置一套膨脹節(jié)。以此將濕式電除塵器和原脫硫塔間隔開(kāi)，使得兩者之間不存在剛性連接，防止產(chǎn)生共振。

圖1 某廠(chǎng)原煙氣凈化系統(tǒng)平面布置圖

圖2 某廠(chǎng)濕式電除塵器初步布置圖

圖3 濕式電除塵器獨(dú)立基礎(chǔ)布置圖

3 參數(shù)選型合理性設(shè)計(jì)

在改造項(xiàng)目中，煙氣參數(shù)的數(shù)據(jù)一般都較詳細(xì)，之前設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)可以作為改造后新增設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù)，如煙氣量、煙氣溫度、粉塵濃度、其他煙氣成分含量等。從實(shí)際運(yùn)行參數(shù)可知，燃煤電廠(chǎng)濕法脫硫之后的煙氣有3個(gè)特性：1）飽和煙氣含濕量大；2）呈酸性，腐蝕性強(qiáng)；3）所含顆粒物細(xì)微。這些特性對(duì)濕式電除塵器的選型、結(jié)構(gòu)、清灰方式、材料選擇、供電等會(huì)產(chǎn)生重大影響。結(jié)合具體的煙氣參數(shù)及特性，對(duì)新增的濕式電除塵器進(jìn)行選型計(jì)算。選型參數(shù)包括有效斷面積、總集塵面積、電源容量等。

選型設(shè)計(jì)仍然采用多依奇公式。除塵效率與煙氣流速成指數(shù)反比關(guān)系，流速越高，除塵效率越低，流速越低，除塵效率越高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)越大，投資成本越高?？紤]到該濕式電除塵器的入口粉塵濃度較低，但經(jīng)過(guò)濕法脫硫后煙氣中含有一定的液滴，該煙氣流速取值為2.6m/s。選取了煙氣流速，根據(jù)煙氣量即可計(jì)算出有效斷面積?？偡e塵面積的確定一般有理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)分析計(jì)算法兩種，理論計(jì)算法過(guò)程復(fù)雜，并且難以考慮特定煙氣條件的影響，因此改造項(xiàng)目多采用經(jīng)驗(yàn)分析計(jì)算法。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法是根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定有效驅(qū)進(jìn)速度，根據(jù)已知的煙氣量、入口粉塵濃度和要求達(dá)到的除塵效率，采用多依奇公式計(jì)算出總集塵面積。電源容量、總集塵面積和電流密度有關(guān)，在選取電流密度時(shí)，如果入口粉塵濃度高，則選取電流密度大；如果入口粉塵濃度小，則選取電流密度小?？紤]該項(xiàng)目的煙氣特性，選取電流密度為0.45mA/m2，以此計(jì)算得出電源容量。根據(jù)合理的選型計(jì)算，最終陽(yáng)極管束布置見(jiàn)圖4。

4 噴淋系統(tǒng)合理性設(shè)計(jì)

噴淋系統(tǒng)作為取代振打裝置的清灰方式，在濕式電除塵器中起著至關(guān)重要的作用。噴淋水量需根據(jù)實(shí)際的工況選擇，水量過(guò)小，無(wú)法在陽(yáng)極管束內(nèi)壁形成連續(xù)性流動(dòng)水膜，影響清灰效果，長(zhǎng)期水量過(guò)小會(huì)引起陽(yáng)極管束積灰結(jié)垢，積灰過(guò)于嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起二次電壓過(guò)小，甚至造成電場(chǎng)短路；噴淋水量過(guò)大，會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，對(duì)于頂置式濕式電除塵器，水量過(guò)大時(shí)還會(huì)影響脫硫塔內(nèi)的水平衡，影響濕法脫硫使用效果。噴淋系統(tǒng)采用不霧化實(shí)心錐噴嘴，噴嘴噴淋角度可計(jì)算選擇，合理的噴淋角度可使得噴淋系統(tǒng)在較小的水量下達(dá)到合適的噴淋覆蓋率。管束式濕式電除塵器，一般噴淋覆蓋率要求達(dá)到煙氣流通截面積的120%以上，即每個(gè)噴嘴的最終噴淋圓面積之和要在煙氣流通截面積的1.2倍以上。當(dāng)噴水量確定后，可調(diào)整噴嘴噴淋角度來(lái)達(dá)到調(diào)整噴淋覆蓋率的目的。

設(shè)計(jì)噴淋系統(tǒng)時(shí)，需要合理的布置噴嘴位置，以求噴淋水量在整個(gè)截面上均勻分布，不存在噴淋死角。對(duì)于玻璃陽(yáng)鋼極管束，噴淋死角區(qū)域容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，危險(xiǎn)時(shí)甚至?xí)?dǎo)致玻璃鋼管束起火。噴嘴的布置方式一般有兩種，一種是環(huán)形布置，另一種是矩陣式布置，該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，選用的是矩陣式布置，此種布置方式有利于噴淋水管的制作及安裝。該項(xiàng)目的最終噴嘴布置及噴嘴噴淋圓分布如圖5所示，圓心即為噴嘴中心位置。

圖4 陽(yáng)極管束布置圖

圖5 噴淋覆蓋圓布置圖

5 氣流均布與系統(tǒng)阻力

在濕式電除塵器中，通過(guò)陽(yáng)極管束的氣流是否均勻，對(duì)除塵效率起著至關(guān)重要的作用。該項(xiàng)目中，濕式電除塵器的入口即脫硫塔頂部的出口，煙氣經(jīng)過(guò)脫硫除霧器后，存在一定的偏流，因此考慮在濕式電除塵器入口和出口分別布置一層氣流分布板。另外，該項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，但風(fēng)機(jī)未進(jìn)行增壓改造，因此對(duì)新增設(shè)備阻力有著嚴(yán)格的要求。為了均布?xì)饬?，并降低設(shè)備阻力，對(duì)新增的濕式電除塵器進(jìn)行了氣流模擬。

新增的濕式電除塵器三維模型及邊界條件見(jiàn)圖6，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖7。

經(jīng)過(guò)多次CFD模擬計(jì)算，在設(shè)計(jì)工況條件下，新增的濕式電除塵器的模擬運(yùn)行狀況見(jiàn)圖8、圖9。通過(guò)內(nèi)部速度流線(xiàn)圖和立面速度云圖可看出，濕式電除塵器內(nèi)部整體流線(xiàn)均勻且光滑平順，基本無(wú)過(guò)密過(guò)疏及碰撞漩渦產(chǎn)生；各個(gè)管束風(fēng)速大小基本一致，基本無(wú)低風(fēng)速管束。

圖6 三維模型及邊界條件

圖7 設(shè)計(jì)參數(shù)表圖

圖8 內(nèi)部速度流線(xiàn)圖

圖9 內(nèi)部立面速度云圖

從圖10～圖12切面速度云圖可看出：煙氣經(jīng)過(guò)分布板后氣流均勻性良好，各個(gè)陽(yáng)極管束內(nèi)均有風(fēng)速，且風(fēng)速基本均勻。模擬計(jì)算得出濕式電除塵器的系統(tǒng)阻力約為223Pa，可滿(mǎn)足整個(gè)煙氣凈化系統(tǒng)的阻力要求。濕式電除塵器投運(yùn)以后，系統(tǒng)阻力為200Pa左右，驗(yàn)證了氣流模擬的準(zhǔn)確性。

圖10 進(jìn)氣端氣流均布監(jiān)測(cè)面速度云圖

圖11 出氣端氣流均布監(jiān)測(cè)面速度云圖

圖12 管束內(nèi)切面速度云圖

6 腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)

新增的濕式電除塵器位于濕法脫硫塔頂部，煙氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫后呈酸性并且含濕量大，具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此對(duì)接觸煙氣的部件表面需進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。在抗硫酸或亞硫酸腐蝕性能方面，不同鋼材的抗腐蝕性能由弱到強(qiáng)依次為普通碳鋼＜304不銹鋼＜316不銹鋼＜2205等雙向不銹鋼。但從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，這幾種材料正好相反。

綜合考慮防腐性能和經(jīng)濟(jì)型，新增的濕式電除塵器整體框架結(jié)構(gòu)采用普通碳鋼，接觸煙氣的表面進(jìn)行玻璃鱗片防腐，重要結(jié)構(gòu)采用抗腐蝕材料。其中陽(yáng)極管束、氣體分布板等采用導(dǎo)電玻璃鋼，陰極系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等需要承力的部件采用雙向不銹鋼。對(duì)于需要進(jìn)行玻璃鱗片防腐的部位，設(shè)計(jì)和施工時(shí)必須特別注意應(yīng)減少凹面結(jié)構(gòu)，減少小間距長(zhǎng)距離縫隙，減少螺栓連接，這些結(jié)構(gòu)不利于玻璃鱗片防腐施工，且易造成縫隙腐蝕；施工時(shí)必須嚴(yán)格按照防腐施工規(guī)范進(jìn)行，濕度、材料表面除銹等級(jí)及平整度必須保證規(guī)范要求值，焊縫部位以及轉(zhuǎn)角部位重點(diǎn)關(guān)注仔細(xì)施工，防腐施工完成后應(yīng)嚴(yán)格檢查，對(duì)于針眼、裂縫、鼓包等防腐缺陷區(qū)域嚴(yán)格按照防腐施工規(guī)范再次施工。

7 調(diào)試與運(yùn)行

濕式電除塵器經(jīng)過(guò)安裝、冷態(tài)調(diào)試或檢修完成后，設(shè)備進(jìn)入熱態(tài)調(diào)試階段。熱態(tài)調(diào)試前要對(duì)濕式電除塵器內(nèi)部進(jìn)行全面檢查，保證內(nèi)部不得有任何雜物，檢查兩極之間是否有短路隱患；檢查所有絕緣件表面是否清潔或是否有損壞，否則用無(wú)水酒精擦拭干凈，有損壞則及時(shí)更換；確保接地裝置及其他安全設(shè)施必須安全可靠；確認(rèn)給水系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)中各設(shè)備、管路及電氣接線(xiàn)等符合要求；檢查其他安全防護(hù)措施。

完成整體檢查后方可進(jìn)行空載升壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先進(jìn)行一次噴淋操作，空載升壓實(shí)驗(yàn)二次電壓控制在40kV以下，每個(gè)電場(chǎng)時(shí)間控制在1min以下，空載升壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再次進(jìn)行噴淋操作。

在調(diào)試運(yùn)行前，應(yīng)編制調(diào)試及運(yùn)行操作規(guī)程，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。調(diào)試及運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。

8 結(jié)語(yǔ)

以某造紙廠(chǎng)自備電廠(chǎng)濕式電除塵器為例，探討了改造項(xiàng)目中濕式電除塵器的合理性設(shè)計(jì)。按照本文設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的濕式電除塵器投產(chǎn)并且穩(wěn)定排放以后，運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 某廠(chǎng)濕式電除塵運(yùn)行參數(shù)表

從表2的運(yùn)行參數(shù)可看出，該濕式電除塵器的運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均達(dá)到了較優(yōu)的效果，粉塵排放濃度大大低于超低排放要求。