超凈電袋復(fù)合除塵器的設(shè)計優(yōu)化與效果測試

朱召平

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，國家環(huán)境保護電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心，福建 龍巖 364000)

0 引言

隨著《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號)[1]等文件的頒布，煤電超低排放和節(jié)能改造工作全面鋪開，要求燃煤機組的煙塵的排放不超過10mg/m3(標干態(tài)、6%O2)，為了實現(xiàn)這一標準，國內(nèi)的除塵設(shè)施進行了很大的改造并迅速發(fā)展[2-4]，從靜電除塵器為主的除塵技術(shù)，逐漸發(fā)展到靜電除塵、袋式除塵、電袋復(fù)合除塵技術(shù)為主流。

在煤電超低排放實施后，單一的靜電除塵器[5-7]或袋式除塵器[8-10]面臨著壓降增大和運維費用較高的問題，電袋復(fù)合除塵器應(yīng)運而生且得到快速發(fā)展[11-12]。與此同時，環(huán)保設(shè)施的快速發(fā)展，也帶來一定的問題，據(jù)2018年中國電力企業(yè)聯(lián)合會調(diào)研報告顯示，實施煤電超低排放改造有利于進一步降低大氣污染物排放，但設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性仍存在一定的問題，亟待解決。

超凈電袋復(fù)合除塵器[13-16]作為電袋復(fù)合除塵器的升級設(shè)備，現(xiàn)已成為燃煤電廠煙塵超低排放的一種主流技術(shù)設(shè)備，流場的均布性、設(shè)備阻力、過濾風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)都對除塵器的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性產(chǎn)生較大的影響，且常規(guī)電袋復(fù)合除塵器還有較大的優(yōu)化設(shè)計空間[17-19]。

本文以某燃煤電廠2×1000MW機組配套超凈電袋復(fù)合除塵器為對象，圍繞流場均布性、設(shè)備阻力、過濾風(fēng)速對除塵器性能的影響進行研究分析，通過改進并提出適合實際情況的新型設(shè)計方法、建立健全煙氣模型以及大量試驗等方式，針對性的進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)測試，除塵器出口煙塵排放濃度穩(wěn)定≤5mg/m3，且各項運行指標均滿足設(shè)計要求，流場均布性、設(shè)備阻力得到明顯改善，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器，具有更好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性[20]。

1 研究方法

1.1 研究對象

河南某2×1000MW燃煤機組，其配套的超凈電袋復(fù)合除塵器按2列6室設(shè)計，配備12臺高頻電源GGYAJ02-1.6A/66KV。其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 超凈電袋復(fù)合除塵器主要性能參數(shù)

1.2 優(yōu)化設(shè)計方法

相比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器，超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)主要從建立模型、數(shù)值模擬指導(dǎo)；優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高濾料過濾精度、降低運行阻力；搭建試驗臺試驗研究最優(yōu)匹配的過濾風(fēng)速等幾個方面進行了優(yōu)化設(shè)計。

1.2.1 建立模型、數(shù)值模擬指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計

由于電袋復(fù)合除塵器內(nèi)煙氣通常在電區(qū)水平進、水平出，在袋區(qū)水平進、垂直出，兩個區(qū)域的流速、流向及流動截面尺寸均差異較大，導(dǎo)致兩區(qū)直接銜接會引起流場的急劇變化進一步影響電區(qū)的除塵效率、袋區(qū)的過濾壓降以及濾料的壽命。

基于以上流場特征和氣流均布的技術(shù)要求，采用了進入袋區(qū)的氣流由正面、側(cè)面、底部三維進風(fēng)的設(shè)計方法，并通過建立適用于電袋復(fù)合的煙氣湍流模型、濾料過濾模型，提出了計算域內(nèi)區(qū)域分解與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法用于指導(dǎo)設(shè)計。另外，通過CFD數(shù)值模擬計算確定進口煙道導(dǎo)流板布置方式，對比研究多種流場調(diào)節(jié)手段的效果，建立了調(diào)整濾袋排布、提升閥門大小和開度、阻流板高度等組合措施的主要流場調(diào)節(jié)方式，最后以實物模型進行校驗，最大化縮小流量偏差。

1.2.2 優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高濾料過濾精度，降低運行阻力

一是通過大量工程實踐總結(jié)和不斷試驗研究，依據(jù)項目中煤種特性、電區(qū)和袋區(qū)相關(guān)運行參數(shù)及選型，確保袋區(qū)最佳入口煙塵濃度值，進而優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配。二是針對荷電顆粒在濾料表面被捕集以及沉積過程的特征，所配套的濾袋均采用30%超細PPS+20%常規(guī)PPS+50%PTFE混紡技術(shù)，并采取粗纖維和超細纖維分層梯度針刺，形成獨特的梯度高精過濾濾料結(jié)構(gòu)，有效防止細顆粒煙塵的穿透，降低過濾阻力，保證了除塵器的穩(wěn)定高效除塵，節(jié)約了電耗。

1.2.3 搭建試驗臺試驗研究最優(yōu)匹配的過濾風(fēng)速

由于不同的工況需匹配合適的過濾風(fēng)速，通過搭建廠內(nèi)的小型試驗臺(如圖1所示)，研究不同過濾風(fēng)速對除塵性能的影響。

圖1 廠內(nèi)小型試驗臺

通過改變極配形式、濾袋排布形式、工作電壓、入口粉塵濃度，研究過濾風(fēng)速對除塵效率的影響，最終確定了最佳過濾風(fēng)速。

該試驗裝置的結(jié)構(gòu)型式為單室1前電區(qū)1袋區(qū)結(jié)構(gòu)，煙氣量3000～5000m3/h，占地約8m×6m。具體設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 耦合增強電袋試驗臺設(shè)計參數(shù)

1.3 優(yōu)化效果測試方法

1號、2號爐電袋復(fù)合除塵器進、出口測試位置如圖2所示。

圖2 進出口測試位置示意

從圖2可知，電袋復(fù)合除塵器進口測試斷面布置在靠近進口喇叭型煙箱前的水平直管段上，測試斷面的尺寸為4.5m(寬)×4.0m(深)，在頂部均勻布置9個測孔，按網(wǎng)格法每個測孔布置6個測點；出口測試斷面布置在靠近出口喇叭型煙箱后的水平直管段上，測試斷面的尺寸為8.5m(寬)×3.5m(深)，在頂部均勻布置17個測孔，按網(wǎng)格法每個測孔布置6個測點。

1.3.1 流場均布性

流場均布性測試采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬對比方法。在測試斷面采用皮托管和壓力計測量煙氣的動壓和靜壓，并采用數(shù)字溫度計測量煙氣溫度，然后按(1)式～(5)式計算工況及標準狀態(tài)下的干煙氣流量。

Qs=vs×F×3600

(1)

式中：Qs為工況煙氣流量，m3/h；F為煙道截面積，m2；vs為煙氣平均流速，m/s，此值按(2)式計算：

(2)

(3)

式中：Pdn為各測點的動壓測定值，Pa；n為測點數(shù)。

(4)

式中：ts為煙氣溫度，℃；Ba為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa；Ps為煙氣靜壓，Pa。標準狀態(tài)下干煙氣流量：

(5)

式中：Qsnd為標準狀態(tài)下干煙氣流量，m3/h；Xsw為煙氣濕度，%。

1.3.2 運行阻力

依據(jù)《電袋復(fù)合除塵器性能測試方法》(GB/T32154-2015)，并按(6)式～(7)式進行運行阻力測試。

(6)

PH=(ρa-ρ)gH

(7)

式中：ρa為大氣密度，kg/m3；ρ為通過除塵器氣體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為出入口測試位置的高低差，m。

1.3.3 煙塵濃度和除塵效率

依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T16157-1996)、《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測定 重量法》(HJ836-2017)進行煙塵濃度和除塵效率測試。

煙塵采樣采用皮托管平行自動跟蹤原理等速采集，在超凈電袋復(fù)合除塵器出口測點采集的樣品不少于3只，每只樣品的煙氣標干體積不少于1000L。將采集到的樣品先放入105℃的烘箱進行1h的干燥處理后再放入恒溫恒濕室平衡24h，用十萬分之一天平稱重。

煙塵濃度按(8)式計算：

(8)

式中：C'為實測干煙氣含塵濃度(標態(tài))，mg/m3；m為所采集的煙塵質(zhì)量，mg；Vsnd為干煙氣采樣體積(標態(tài))，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 流場均布性

流場均布性由各室的煙氣量均勻性反映，其結(jié)果如表3所示。

表3 標準狀態(tài)下干煙氣流量 萬m3/h

計算各室的煙氣流量偏差并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，可以看出，在實際運行過程中各室的煙氣流量偏差小于2.5%，其結(jié)果如表4、圖3所示。

表4 各室流量偏差 %

圖3 各室流量偏差

葉興聯(lián)[21]、劉美玲[22]和劉棟棟等[23]研究表明，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器各室的煙氣流量偏差一般可以達到小于5%。

本研究通過改進設(shè)計方法、建立模型、利用CFD數(shù)值模擬等指導(dǎo)調(diào)節(jié)煙道導(dǎo)流板布置方式、濾袋排布、提升閥門大小等組合措施，使得各室的煙氣流量偏差小于2.5%，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的平均水平5%。

2.2 運行阻力

分別測量各室入口斷面和出口斷面的全壓平均值，取兩者的差值并進行高溫氣體浮力校正，所得結(jié)果即為各室的設(shè)備阻力，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，其中，1室和6室的阻力較大，3室和4室的阻力較小，這與各室的實際煙氣流量大小相吻合；各室的阻力均小于750Pa。

圖4 設(shè)備阻力

陳秀娟[24]研究表明，目前國內(nèi)大部分常規(guī)電袋復(fù)合除塵器設(shè)備正常運行時運行阻力≤1200Pa。通過優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高合適的高精度過濾濾料，使得各室的阻力均小于750Pa，表明超凈電袋復(fù)合除塵器的整體運行狀況相對較好，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器常規(guī)阻力值1200Pa，大幅降低了引風(fēng)機能耗，經(jīng)濟性更優(yōu)。

2.3 煙塵濃度與除塵效率

各室的入口、出口煙塵濃度和除塵效率試驗結(jié)果如圖5、表5所示，超凈電袋復(fù)合除塵器各室出口的煙塵濃度均小于5mg/m3，達到超低排放要求，且各室的除塵效率均高于99.985%。

表5 各室煙塵濃度和除塵效率

圖5 煙塵濃度

張立棟[25]、朱法華[26]研究表明，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的出口煙塵濃度一般可以小于20mg/m3。通過試驗臺試驗，依據(jù)實際工況選取最佳過濾風(fēng)速等方法，實現(xiàn)各室出口的煙塵濃度均小于5mg/m3，達到超低排放要求，且優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的出口煙塵濃度20mg/m3。

同時各室的除塵效率均高于99.985%，說明最佳過濾風(fēng)速、長濾袋選型方案的超凈電袋復(fù)合除塵器可以達到較高的除塵效率。

3 結(jié)論

通過優(yōu)化流場、降低阻力、合理選擇過濾風(fēng)速三大關(guān)鍵因素的優(yōu)化，超凈電袋復(fù)合除塵器可穩(wěn)定運行。經(jīng)測試，各項指標均能達到設(shè)計要求，除塵器各室煙氣流量偏差小于2.5%、設(shè)備阻力小于750Pa、出口煙塵濃度小于5mg/m3。相比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器煙氣流量偏差5%、設(shè)備阻力1200Pa，出口煙塵20mg/m3均有較大提高，極大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，可為新形勢下煤電超低排放提供參考。