干法脫硫+袋式除塵器在鍋爐超凈改造中的應(yīng)用

曹新秀

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

火力發(fā)電在我國的電力能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，其中燃煤發(fā)電量占據(jù)火力發(fā)電總量的80%左右。我國燃煤電廠規(guī)模大，分布廣，其產(chǎn)生的煙塵、硫化物等成了工業(yè)大氣污染的主要源頭，而這些污染物也正是霧霾形成的重要原因之一。為了改善空氣質(zhì)量，解決霧霾問題，自2014年以來，我國各地陸續(xù)提出了燃煤鍋爐要最大限度地按照煙氣污染物超凈排放的標(biāo)準(zhǔn)，推出《燃煤電廠“超潔凈排放”改造工作方案》，其中要求粉塵排放濃度≤5 mg/Nm3。對于一些高粉塵排放濃度的項目，袋式除塵器升級改造需求迫在眉睫；另外，受運行時間、投資成本等多種因素的影響，特別是場地受限的問題較為突出，大部分業(yè)主往往希望在保持現(xiàn)有設(shè)備布置不動的前提下實現(xiàn)超凈升級，因此改造難度非常大。因此，應(yīng)該根據(jù)實際項目運行需求、布置等具體情況，“量身定制”專業(yè)的改造方案。

1 項目背景

某廠自備電站2臺420 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐（1#爐、2#爐）位于城區(qū)內(nèi)，屬于城市電廠，原已建設(shè)爐后煙氣循環(huán)流化床干法脫硫并配套袋式除塵系統(tǒng)，原設(shè)計除塵器進(jìn)口粉塵濃度650 g/m3～1 000 g/m3，原設(shè)計除塵器出口粉塵排放濃度≤50 mg/Nm3。2012年建成投運以來，出口粉塵排放濃度一直穩(wěn)定在≤30 mg/Nm3。為滿足最新≤5 mg/Nm3的粉塵排放要求，現(xiàn)有袋式除塵器必須提效改造。另外，由于該項目場地狹窄、允許停爐時間僅有40 d、預(yù)算緊張等諸多限制因素，袋式除塵器采用增加濾袋數(shù)量、增加除塵單元數(shù)量等擴(kuò)容的改造方式并不可取，只能在現(xiàn)有的除塵器殼體上尋找提升方向。通過深入分析該廠現(xiàn)有脫硫除塵工藝及布袋實際使用過程中遇到的問題，項目組從降低濾袋的粉塵過濾負(fù)荷、改善濾袋過濾性能、提高清灰效率等方面制定了具有針對性的改造方案。

2 循環(huán)流化床干法脫硫工藝流程及煙氣特性

循環(huán)流化床干法煙氣脫硫工藝是以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)的，采用生石灰或消石灰作為脫硫劑。圖1 為典型的循環(huán)流化床脫硫統(tǒng)工藝流程示意圖，整套系統(tǒng)由吸收劑制備及供應(yīng)系統(tǒng)、脫硫塔、脫硫灰再循環(huán)系統(tǒng)、脫硫引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、脫硫后袋式除塵器、儀表控制系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成[1-2]。從鍋爐空預(yù)器出口的高溫?zé)煔?，?jīng)過煙道從吸收塔底部進(jìn)入，進(jìn)行反應(yīng)凈化，凈化后的含塵氣體從吸收塔頂部側(cè)向排出，轉(zhuǎn)向進(jìn)入脫硫后，袋式除塵器進(jìn)行氣固分離。經(jīng)除塵器捕集的固體顆粒，通過除塵器下的脫硫灰再循環(huán)系統(tǒng)返回吸收塔繼續(xù)參加反應(yīng)。反應(yīng)后的脫硫副產(chǎn)物通過氣力輸送至脫硫灰?guī)靸?nèi)外排，凈煙氣排往煙囪。

與常規(guī)的鍋爐原煙氣相比，干法脫硫后的煙氣在成分、溫度、濕度、顆粒粒徑和粉塵濃度等都發(fā)生了很大的變化，主要包括4個。1）粉塵濃度高。為了滿足干法脫硫需要，循環(huán)流化床吸收塔的顆粒濃度為下大上小，吸收塔的出口含塵濃度為800 g/Nm3～1 000 g/Nm3，是常規(guī)鍋爐原煙氣的數(shù)十倍。2）濕度大。由于脫硫過程中需要噴入一定的霧化水，使煙氣的濕度加大，對一般的燃煤電廠項目來說，煙氣濕度由常規(guī)的5%～7%增加到10%～12%，甚至20%以上。3）溫度低。通過噴水后，煙氣溫度為65 ℃～90 ℃，SO3幾乎全部脫除，煙氣露點為水露點，露點溫度降為45 ℃～55 ℃。4）顆粒粒徑：雖然脫硫塔入口的鍋爐原煙氣中粉塵較細(xì)（特別是增設(shè)ESP1收塵后），但是經(jīng)過吸收塔的化學(xué)反應(yīng)時，由于吸收塔的噴水增濕以及顆粒激烈混并，顆粒加大，大部分的顆?？梢赃_(dá)到數(shù)十微米。

3 改造前存在的突出問題

改造前存在的突出問題有5個。1）原袋式除塵器未設(shè)置氣流均布裝置，各布袋室壓差不均衡，導(dǎo)致濾袋過濾負(fù)荷偏差較大，過濾負(fù)荷大的氣室濾袋壽命相對較短，部分濾袋機(jī)械磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致更換頻繁，一定程度上增加了除塵器維保的人力物力。2）由于大部分濾袋已經(jīng)到了壽命晚期，實驗室抽取若干濾袋檢測發(fā)現(xiàn)：濾布截面已經(jīng)嵌入大量粉塵，即使快速強(qiáng)制清灰，也無法清除該部分粉塵，因此導(dǎo)致濾袋的過濾性能大幅降低，袋式除塵器壓差上升速度快，短時間內(nèi)即達(dá)到預(yù)警布袋壓差，嚴(yán)重影響了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。3）袋籠與濾袋的配合間隙范圍小、袋籠縱筋間距不合理，導(dǎo)致噴吹時濾袋瞬間膨脹受限，清灰效果差；籠節(jié)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，在安裝過程中連接件易落入濾袋內(nèi)，在噴吹振動時易松脫，導(dǎo)致袋籠脫節(jié)，連接件刺破濾袋；未剔除變形袋籠，導(dǎo)致籠底碰撞，濾袋機(jī)械磨損破壞。4）原噴吹設(shè)備為現(xiàn)場組裝，安裝難度大，安裝精度難保證，目前已嚴(yán)重移位，底部定位軸嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致清灰氣流無法直達(dá)袋底，清灰效果差，而長期無法有效的清灰，導(dǎo)致大部分濾袋底部以上0～3 m過濾性能幾乎為零。另外，由于移位后各噴嘴垂直度偏差過大，不能正對各濾袋口，從而存在清灰氣流并未垂直向下運動的現(xiàn)象，傾斜清灰也加劇了噴吹的機(jī)械磨損，導(dǎo)致濾袋袋頭部位經(jīng)常破損。5）原頂部外層人孔門密閉性差，漏氣，導(dǎo)致內(nèi)部人孔門及對應(yīng)花板處冷凝腐蝕嚴(yán)重，該區(qū)域濾袋遇水潮濕板結(jié)，嚴(yán)重糊袋，過濾性能大幅降低。

圖1 工藝流程示意圖

4 具體改造方案

根據(jù)業(yè)主的超凈改造需求及原運行中存在的問題，主要從以下方面進(jìn)行逐一改造。

4.1 利用干法脫硫塔助力提高對細(xì)微顆粒的捕集效率

實現(xiàn)粉塵5 mg/m3排放控制的關(guān)鍵是對細(xì)微顆粒物的有效捕集。雖然普通袋式除塵器捕集細(xì)微顆粒物的表現(xiàn)良好，但是對于PM2.5以及更細(xì)的PM1.0顆粒，由于濾布本身的局限性，效率仍然是有限的。

在該項目煙氣循環(huán)流化床干法脫硫除塵裝置中，袋式除塵器位于脫硫反應(yīng)器之后，由于脫硫反應(yīng)器的流化床結(jié)構(gòu)，底部激烈湍動的顆粒密度高達(dá)20 000 g/m3，通過精確的霧化降溫注水量，PM2.5以及更細(xì)的PM1.0等細(xì)微顆粒物可以迅速凝結(jié)成粗顆粒，在脫硫后的袋式除塵器優(yōu)先降落至灰斗，被高效捕集。

4.2 優(yōu)化氣流分布，增加預(yù)收塵效果，減少濾袋過濾負(fù)荷

該袋式除塵器是由4個氣室，共8個除塵單元組成，不同氣室氣流分布的均勻性直接關(guān)系到收塵效果及整個系統(tǒng)的運行能耗。該次改造對煙氣流經(jīng)布袋除塵器途中的煙道風(fēng)速進(jìn)行分段優(yōu)化，一方面優(yōu)化進(jìn)風(fēng)區(qū)的氣流分配系統(tǒng)，使大顆粒粉塵在進(jìn)入布袋室之前預(yù)先沉降到灰斗里；另一方面，采用導(dǎo)流技術(shù)，使各進(jìn)口風(fēng)速在合理范圍內(nèi)，特別是對每個布袋室進(jìn)行合理的進(jìn)口配置，保障除塵器中的含塵氣流均勻進(jìn)入每個布袋室內(nèi)，煙氣中小顆粒的粉塵在導(dǎo)流系統(tǒng)的引導(dǎo)下逐步沉淀，大幅降低了到達(dá)濾袋的粉塵負(fù)荷，間接增強(qiáng)了除塵效果。含塵煙氣通過前部氣流均布及導(dǎo)流環(huán)節(jié)后，依靠阻力分配原理快速自然分布，使整個過濾室內(nèi)氣流穩(wěn)定以及各空間阻力均勻的分布，保證合理的煙氣抬升速度，最大限度地減少紊流、有效防止二次揚塵，減少布袋間的碰撞摩擦，延長布袋的使用壽命，降低系統(tǒng)能耗。

4.3 采用超凈濾袋，提高對細(xì)微顆粒的捕集效率

由于改造場地、工期、投資受限，該次改造是在完全保留原袋式除塵器殼體、主體結(jié)構(gòu)不變的前提下進(jìn)行，即要求在過濾面積保持不變的前提下提高除塵效率，實現(xiàn)粉塵排放濃度從50 mg/m3升級到5 mg/m3。因此，該次改造的目標(biāo)是在高過濾風(fēng)速下實現(xiàn)超凈粉塵排放，也是該次改造的重點難點。

眾所周知，對于常規(guī)袋式除塵器，過濾風(fēng)速偏高會導(dǎo)致濾袋阻力增加，并且粉塵透過率會迅速提高，難以實現(xiàn)低粉塵排放。其原因主要在于過濾風(fēng)速增大后，濾料和粉塵層的壓力降隨之加大，結(jié)果使承托粉塵的織物變形，使貼近織物的粉塵在壓力作用下滲漏出去[3]；同時，壓力降增大還會使濾袋產(chǎn)生“二次針孔”（在高壓差下，濾袋在纖維間隙較大的地方就很容易被粉塵穿透，而一旦被穿透，后面的高速氣流則會使該處產(chǎn)生一個氣流通道，我們稱之為“二次針孔”），以致增加了經(jīng)過針孔直通出去的粉塵量，而這些粉塵均是粒徑在10 μm以下的超細(xì)粉塵，是形成霧霾的主要因素之一。此外，過濾風(fēng)速的提高將導(dǎo)致清灰頻率的增加，也會大大增加粉塵的穿透（濾袋的每次清灰抖動，都會在瞬間產(chǎn)生較多的粉塵穿透），如圖2所示。

根據(jù)干法脫硫“高粉塵濃度、高粉塵團(tuán)聚效率”的工況性質(zhì)，該次改造的超凈濾袋采用調(diào)整濾布截面上的纖維組成的方式，優(yōu)化制布過程中的纖維梳理、針刺及后處理工藝過程等，其主要特點有2個。1）采用迎塵面高纖維配比方案，即迎塵面比背塵面更多的纖維數(shù)量、更高的纖維比表面積，同時配套改進(jìn)密刺工藝，形成均勻且致密的表面孔隙層作為粉餅的支撐層，同時也提高了濾袋本身的過濾精度，減少濾布粉塵嵌入。2）在迎塵面表面處理過程中，采用表面淺坑梳理技術(shù)，在濾布表面形成均勻的淺坑，作為粉餅層的生根點，在濾布表面建立及維持過濾孔細(xì)小而均勻、餅體疏松的粉餅層。該優(yōu)質(zhì)粉餅層既可以作為過濾層使用，實現(xiàn)深度過濾，結(jié)合密刺濾布，實現(xiàn)干法脫硫除塵系統(tǒng)超凈排放；同時該優(yōu)質(zhì)粉餅層也是濾布的保護(hù)層，可以減小粉塵過濾過程中對濾布的沖刷磨損，延長濾袋的使用壽命，相應(yīng)地也維持過濾效果、保證超凈排放。

圖2 袋式除塵器實時排放與脈沖清灰的關(guān)系

4.4 更換新型袋籠

如果要滿足低于5 mg/m3粉塵排放，袋籠與濾袋之間的配合是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一方面合理設(shè)計袋籠與濾袋之間的配合間隙、袋籠縱筋間距、袋籠筋直徑，提高加工精度，在保證清灰效果的同時，減輕濾袋與袋籠之間的機(jī)械磨損。另一方面改良籠節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，大幅減少因連接件脫落導(dǎo)致的濾袋破損現(xiàn)象。

4.5 改進(jìn)清灰系統(tǒng)，清灰更加有效、柔和、穩(wěn)定

噴吹設(shè)備是袋式除塵器的核心部件之一，直接影響清灰效果、運行壓差及粉塵排放。該次改造著重從穩(wěn)定清灰供氣管道內(nèi)壓力及清灰時壓力、優(yōu)化噴嘴等方面考慮，力求實現(xiàn)清灰更加有效、柔和、穩(wěn)定。1）脈沖清灰供氣管道增設(shè)限流器，減小脈沖動作后瞬間的氣壓沖擊，穩(wěn)定供氣管道內(nèi)的壓力，縮小壓力波動范圍。調(diào)整放空閥預(yù)緊力，確保管道脈沖清灰壓力在規(guī)范范圍，并保持穩(wěn)定。2）脈沖閥開啟時間的快慢直接影響到脈沖動作是否快速、有力，該次改造采用自主研發(fā)的新型脈沖閥代替原脈沖閥，經(jīng)實驗室試驗及現(xiàn)場小試應(yīng)用證明，新型脈沖閥響應(yīng)動作更快，清灰時壓力更穩(wěn)定。3）改進(jìn)噴嘴設(shè)計，保證在濾袋長方向上清灰力度的均勻性，防止局部過度清灰；采用更加柔和的清灰控制模式，降低每次噴吹清灰對濾袋粉餅層的破壞程度，以確保清灰效果最佳，減少清灰頻率及粉塵穿透濾袋，從而最終降低粉塵排放。4）加固噴吹設(shè)備，大幅減小脈沖動作時的振動幅度，穩(wěn)定噴吹管噴嘴的位置和角度，減少噴吹時可能產(chǎn)生的干擾，確保清灰氣瞬間直達(dá)袋底，保證脈沖清灰效果。

4.6 頂部人孔門更換

袋式除塵器內(nèi)外溫差大，加上煙氣含濕量大，任何泄漏點都是冷熱氣體的接觸點，極易冷凝，導(dǎo)致鋼板腐蝕。該次改造更換原有頂部人孔門，采用自主開發(fā)的新型隔熱高氣密性人孔門，確保不漏風(fēng)、避免腐蝕，美觀且方便開啟檢修。

5 改造后效果

按照上述改造方案，2018年9月率先對2#爐袋式除塵器實施改造，改造后粉塵實際排放2 mg/Nm3；2019年6月，繼續(xù)對1#爐袋式除塵器實施改造，改造后粉塵實際排放1 mg/Nm3，除塵器壓差均＜1 500 Pa。

2020年8月，2#爐袋式除塵器粉塵實際排放3 mg/Nm3，1#爐袋式除塵器粉塵實際排放2 mg/Nm3，實驗室抽袋檢測結(jié)果顯示濾袋內(nèi)外表面機(jī)械磨損程度小，橫截面的粉塵嵌入量少，快速清灰可以清除80%的嵌入粉塵，濾袋下部過濾段過濾性能保持較好，整體剩余強(qiáng)度較大，預(yù)估濾袋仍有約2年的壽命。

6 結(jié)語

回顧該次改造，如何在高過濾風(fēng)速下實現(xiàn)超凈排放是最大的難點，項目組細(xì)致分析過濾前、中、后各階段的突出問題，針對性地采取應(yīng)對措施，通過優(yōu)化氣流分布，增加預(yù)收塵效果，直接降低濾袋過濾負(fù)荷；采用超凈濾袋+新型袋籠組合配套，直接改善濾袋過濾性能；改進(jìn)清灰系統(tǒng)，提高清灰效率，間接促進(jìn)過濾性能提高。改造后的運行情況也證明該次改造是卓有成效的，為了改善周邊大氣環(huán)境質(zhì)量，削減區(qū)域污染物排放產(chǎn)生了積極的作用，同時為同類項目的提效升級提供了一種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)的改造方案，極具借鑒意義。