燃煤鍋爐電除塵深度提效技術應用研究

李志強 孫尊強 劉海濱 單永華 李富成

（1．國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2．國電環(huán)境保護研究院有限公司，江蘇 南京 210031；3．國能清遠發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511520；4．國家能源集團岳陽發(fā)電有限公司，湖南 岳陽 414000；5．浙江浙能中煤舟山煤電有限公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

電除塵器是燃煤鍋爐煙塵治理的主力裝備，因其收塵效率高、處理煙氣量大、結構相對簡單而被廣泛應用。在前期超低排放的全面實施中，電除塵器在除塵方面的優(yōu)勢全面顯現(xiàn)，后續(xù)燃煤機組靈活性改造的推進對電除塵器的高效靈活性將提出更高要求。發(fā)掘電除塵的深度提效潛力和更寬幅度的適應性，達到穩(wěn)定的排放將是電除塵器未來一段時期的發(fā)展方向。該文將電除塵深度提效理論研究與工程實踐應用相結合，從中總結尋找出合適的技術路線，推薦了可行的技術方案。

1 電除塵深度提效研究

1.1 理論研究

經(jīng)典靜電除塵機理是在電極上施加直流高壓電，使空氣發(fā)生電離，含塵煙氣通過電離區(qū)時，粉塵粒子迅速荷電形成帶電粒子，在庫倫力的作用下向極性相反的電極移動，從而實現(xiàn)氣固分離，達到凈化煙氣的效果。經(jīng)典理論研究最被接受和廣泛認可的定量除塵效率計算公式為多伊奇公式，如公式（1）所示。

式中：為電除塵器總收塵面積，m；為電除塵器處理的煙氣量，m/s；為粉塵驅(qū)進速度m/s。

隨著國內(nèi)煙塵排放濃度不斷趨嚴，大致經(jīng)歷了150mg/m（1990年），50mg/m（2003年），30mg/m（2011年），10mg/m（2014年）四個階段，每個階段的標準提高都促進了電除塵理論研究的深入，大致進行了以下方面的研究。1）粉塵化學成分分析，形成以SiO+AlO、NaO和St，ar為影響因子的應用研究，形成以低溫除塵指數(shù)（NaO+MgO）；高溫除塵指數(shù)[（NaO+KO+MgO+CaO+FeO）/NaO]為代表的除塵評價指標。2）粉塵比電阻及粉塵荷電，煙塵比電阻（考慮了煙氣條件，一般現(xiàn)場測試獲得）更具工程設計指導意義，粉塵比電阻（一般實驗室測得）更具分析溫度影響意義；目前的電源技術和極配形式已經(jīng)能夠輕松實現(xiàn)粉塵的快速荷電。3）粉塵在電場中的受力，粉塵在電除塵內(nèi)部受到流場、顆粒場、電力場、溫度場的多場耦合作用，體現(xiàn)在曳力、電力、重力、離子風，這三種力的耦合對驅(qū)進速度的影響通過降低電場風速和增強電場強度等手段可以提高粉塵驅(qū)進速度從而提高電除塵效率，但是離子風的存在會改變電除塵陽極附近的氣流運動狀態(tài)，使其由層流變成湍流，將會降低粉塵的驅(qū)進速度，進而影響粉塵的捕集效率。有效的改進方法是改變收塵極的形式，如采用多孔極板或網(wǎng)狀極板等，但這種改進的方法目前還處于研究階段，工程未見實施。4） 二次揚塵的控制。增加電場長度及調(diào)整振打周期及方式是控制二次揚塵的最佳調(diào)節(jié)手段，移動極板也是調(diào)節(jié)手段之一，但可靠性不高。5） 電場逃逸粉塵沖擊黏附再捕集。該機理簡單，就是粉塵黏附機理。在實際工程應用中一般在電除塵出口喇叭口與末電場之間設置槽形板來控制電場的逃逸粉塵，但收效不受關注。

鑒于上述電除塵提效理論研究，結合“雙碳”背景下的電除塵節(jié)能、減排、寬負荷適應的改造要求，需要從機理明確、改造簡單、造價低廉、可靠性高的方向進行技術突破，該文認為電場逃逸粉塵沖擊再捕集技術無疑是最佳選擇之一。

1.2 裝置開發(fā)

比較導電濾槽技術的優(yōu)缺點，該文開發(fā)了新型收塵網(wǎng)（圖1），并改進其對電場氣流和網(wǎng)孔堵灰的影響（圖2），其開孔斜百葉板網(wǎng)結構能在局部范圍內(nèi)改變氣流流向（圖3）。在水平方向，氣流夾帶著粉塵通過收塵網(wǎng)，氣流的流速和方向發(fā)生突變，在氣流突然轉向的過程中，實現(xiàn)氣與塵的分離。“氣”沿水平方向轉向，穿過收塵網(wǎng)裝置，“塵”則通過慣性力的作用與收塵網(wǎng)發(fā)生碰撞，使微細顆粒粉塵在開孔斜百葉板上黏附、凝并、長大，兩層收塵網(wǎng)為一對，開孔斜百葉板網(wǎng)的傾斜方向相對，形成一個垂直氣流方向的落灰內(nèi)通道，振打清灰時開孔斜百葉板上粉塵沿內(nèi)通道滑落，如同瀑布一樣從兩層裝置形成的耦合通道傾瀉而下（圖4），實現(xiàn)收塵的目的同時可以有效阻截陰陽極以及新增裝置本身由于振打而引起的二次揚塵。新型收塵網(wǎng)結構的通透率＞80%，孔隙大，收塵比表面積達1.5m/m，在有效收塵的同時不易發(fā)生堵塞。氣流模擬試驗表明，加裝新型收塵網(wǎng)后煙氣流場更加均勻。試驗證明，電場逃逸粉塵沖擊再捕集效果明顯，清灰時獨特的結構設計使黏附粉塵的二次飛揚得到有效控制。經(jīng)過反復試驗驗證，粉塵的捕集效率為40%～60%。收塵網(wǎng)裝置利用碰撞凝并再捕集除塵機理收塵，對粉塵比電阻值不敏感，從而擴大了電除塵器的適用范圍，提高了設備對煤質(zhì)變化的適用性，增加了收塵面積，抑制了二次揚塵、微分氣流，并達到氣固兩相分離的目的。通過對電除塵器原結構的最大化利用，“疏”而不“堵”使其達到了深度提效的效果。在實際工程應用中可單對布置，也可多對布置，可陰極布置（帶靜電），也可陽極布置（不帶靜電），布置非常靈活。試驗發(fā)現(xiàn)，陰極布置時的收塵效果要好于陽極布置。其機理是在等效增加收塵面積的條件下，陰極布置能有效捕集正離子，使其減少與帶負電荷粉塵的中和，間接提高了粉塵的荷電，從而使陰極收塵面積的有效性同比提高約一倍。

圖1 新型收塵網(wǎng)結構

圖2 模擬整體收塵網(wǎng)對氣流的影響

圖3 模擬局部收塵網(wǎng)對氣流的影響

圖4 收塵網(wǎng)收塵、清灰及抑制揚塵原理圖

2 電除塵改造工程應用

2.1 存在問題及預期目標

南方某電廠600MW機組鍋爐煙氣配置雙室五電場電除塵器，設計入口煙塵濃度≤23g/Nm，出口煙塵濃度≤60mg/Nm，實際運行中，電除塵入口煙塵濃度25～35g/Nm，出口煙塵濃度30～75mg/Nm，煙囪出口煙塵濃度15～30mg/Nm，不能滿足超低排放的要求，現(xiàn)場條件不滿足增加電除塵器電場的條件，為實現(xiàn)煙塵濃度＜10mg/Nm的超低排放要求，電除塵器的出口煙塵濃度應控制在＜30mg/Nm的水平。

2.2 設計條件

實際燃煤煤質(zhì)條件如表1所示。

表1 燃煤煤質(zhì)分析

燃煤飛灰成分分析如表2所示，燃煤飛灰成份分析判斷如表3所示。

表2 燃煤飛灰成分分析

從表2的飛灰成分分析和表3燃煤飛灰成份分析判斷表可以判斷出機組燃煤煤種適合靜電機理除塵。

表3 燃煤飛灰成份分析判斷表

實際燃煤飛灰比電阻如表4所示。

表4 飛灰溫度—比電阻

數(shù)據(jù)顯示飛灰測試比電阻較高但仍在電除塵的適應范圍內(nèi)。

2.3 改造內(nèi)容

恢復性檢修原電除塵器的五個電場，更換損壞的陰極線、調(diào)整變形的陽極板、調(diào)整異極距、修補各類型擋風板及除塵器本體漏風處，使現(xiàn)有電除塵器各項性能參數(shù)恢復至性能保證值。

在第四和第五電場末端增設收塵網(wǎng)裝置，收塵網(wǎng)采用模塊化設計，特制合金支撐板作為骨架支撐，固定于陰極大框架帶有振打的一側，采用兩層成對布置，形成一個落灰通道。利用大框架振打系統(tǒng)進行輔助清灰，收塵網(wǎng)與陰極振打干涉部位進行優(yōu)化處理，滿足振打的需求。更換部分振打錘加大陰極振打加速度，提高振打清灰能力。為防止現(xiàn)役陰極振打出現(xiàn)故障，需要給新增收塵裝置增設備用振打清灰機構。加固電場尾部框架的懸吊裝置，在絕緣子兩側增加兩個輔助絕緣支柱，將現(xiàn)役單點吊掛改為三點吊掛，并配套改造相應的保溫箱。

2.4 實際效果

經(jīng)有資質(zhì)的第三方檢測機構測試，在機組滿負荷運行條件下電除塵器運行阻力增加＜50Pa，電除塵器出口煙塵排放濃度＜20mg/Nm，實現(xiàn)了電除塵器對粉塵的高效捕集，經(jīng)過后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵，最終煙囪出口煙塵濃度＜10mg/Nm，達到了煙塵超低排放的要求。

為了比較增設收塵網(wǎng)改造的提效作用，該文比對了該電除塵器大修后及大修技改后的性能測試數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 電除塵器大修、大修技改后性能測試數(shù)據(jù)對比

通過對比，收塵網(wǎng)改造后電除塵器提效明顯，在不增加占地面積的前提下實現(xiàn)了電除塵器出口煙塵濃度的降低50%的效果，不增加直接的耗能設備，僅增加部分阻力（＜50Pa）引起的能耗增加，對實際運行能耗統(tǒng)計可忽略不計。

3 結論與建議

圍繞電除塵器的提效研究，經(jīng)典理論都集中于粉塵的荷電、電場的均勻性以及粉塵的吸附等展開，對粉塵的黏附再捕集研究不多。其技術核心是充分發(fā)揮帶電粉塵的黏附性，通過獨特結構形式的收塵網(wǎng)，嚴格控制清灰時的二次揚塵。從理論研究、裝置開發(fā)到工程應用，結果表明，同等條件下，充分發(fā)揮電場逃逸粉塵黏附再捕集技術的作用，電除塵提效明顯，能降低電除塵裝置出口煙塵排放濃度約50%。在“雙碳”政策的引領下，火電企業(yè)的節(jié)能降耗減排任重道遠，基于收塵網(wǎng)技術的電除塵深度進行提效改造，在提效明顯的基礎上實現(xiàn)了能耗的低增加。

該文建議在該技術應用前應先評估技術的適用性，必要時應配套其他提效技術協(xié)同改造。