锅炉烟气除尘器比较研究

高 洁

(无锡市广播电视大学高职部,江苏无锡 214011)

锅炉烟气除尘器比较研究

高 洁

(无锡市广播电视大学高职部,江苏无锡 214011)

在大型燃煤火力发电厂锅炉烟气除尘几种除尘器中,静电除尘技术成熟可靠,应用最为广泛,但对于某些特性的煤种及偏离设计工况较多时,除尘的效率就比较低;布袋除尘器除尘效率很高,对超细粉尘治理效果尤其明显,但滤袋寿命不是很长,滤袋更换维护工作量较大;电袋复合型除尘器具有除尘效率稳定高效、适应能力强、滤袋阻力低、使用寿命长、运行维护费用低、占地面积小等优点。

静电除尘器;除尘效率;布袋除尘器;电袋除尘器

一、静电除尘器

(一)静电除尘器的工作原理

含有粉尘颗粒的气体在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之间所形成的高压电场通过时,由于阴极发生电晕放电,气体被电离,此时带负电的气体离子在电场力的作用下,亦向阳极运动,到达阳极后,放出所带的电子,尘粒则沉积于阳极板上,而得到净化的气体排除除尘器外。

(二)静电除尘器的类型

根据目前常用的静电除尘器,可以分为以下几类:

按气流方向分为立式静电除尘器和卧式静电除尘器

按除尘器收尘极形式分为板式静电除尘器和管式静电除尘器

按沉淀极板上粉尘的消除方法分为干式静电除尘器和湿式静电除尘器

按收尘极和电晕极不同配置分为单区静电除尘器和双区静电除尘器

(三)影响静电除尘器除尘效果的主要因素

1.粉尘比电阻。电阻在104～1011Ω·cm之间的粉尘,电除尘效果好。当粉尘比电阻小于104Ω·cm时,由于粉尘导电性能好,到达集尘极后,释放负电荷的时间快,容易感应出与集尘极同性的正电荷,由于同性相斥而使“粉尘形成沿极板表面跳动前进”,降低除尘效率。当粉尘比电阻大于1011Ω·cm时,粉尘释放负电荷慢,粉尘层内形成较强的电场强度而使粉尘空隙中的空气电离,出现反电晕现象。正离子向负极运动过程中与负离子中和,而使除尘效率下降。

2.气体含尘浓度。粉尘浓度过高,粉尘阻挡离子运动,电晕电流降低,严重时为零,出现电晕闭塞,除尘效果急剧恶化。电除尘器内同时存在着两种电荷,一种是离子的电荷,一种是带电尘粒的电荷。离子的运动速度较高,约为60～ 100 m/s,而带电尘粒的运动速度较低,一般在60 cm/s以下。因此含尘气体通过电除尘器时,单位时间转移的电荷量要比通过清洁空气时少,即这时的电晕电流小。如果气体的含尘浓度很高,电场内悬浮大量的微小尘粒,会使电除尘器担忧晕电流急剧下降,严重时可能趋近于零,这种情况称为电晕闭塞。为了防止电晕闭塞的产生,处理含尘浓度较高的气体时,必须采取措施,如提高工作电压,采用放电强烈的电晕极,增设预净化设备等。气体的含尘浓度超过30 g/m3时,必须设预净化设备。

3.气流速度。随气流速度的增大,除尘效率降低。其原因是,风速增大,粉尘在除尘器内停留的时间缩短,荷电的机会降低。同时,风速增大二次扬尘量也增大。电场风速的大小对除尘效率有较大影响,风速过大,容易产生二次扬尘,除尘效率下降。但是风速过低,电除尘器体积大,投资增加。根据经验,电场风速最高不宜超过1.5～2.0 m/s,除尘效率要求高的除尘器不宜超过1.0～1.5 m/s。

(四)造成静电除尘器除尘效率低的原因

1.高低压供电控制装置设计运行不佳。合理的电除尘器电晕功率是保证电除尘器安全、稳定运行的重要因素之一。电除尘器直流高压由380 V交流电流经可控硅高压整流设备供给,除尘器电场阻抗对高压供电装置来说是一个变化的负载。当电场阻抗升高、电流变小时,要求设备能自动升压;而当电场阻抗降低、电流变大时,要求设备能自动降压以保持设定的电流。整流变压器内部的电压、电流取样电阻,引进负反馈信号,经微机智能处理后移相控制可控硅的导通角,改变负载输出电压,达到稳定输出的目的,使电场获得最有效的电晕功率。然而有些电源及控制设备制造厂生产的控制器对设备控制特性和控制方式、保护功能等还不完善,再加上电厂运行和检修人员对设备原理的理解存在一定的盲区,从而造成供电控制装置运行不佳。

2.振打清灰装置的运行方式不合理。目前,火电厂使用的电除尘器,无一不是采用振打方式清灰。在振打力度和均匀性都满足要求的情况下,振打制度(周期、时间、方式)是否合理对电除尘器除尘效率影响极大,振打周期对除尘效率的影响在于清灰时能否使脱落的尘块直接落入灰斗。振打周期过长、极板积灰过厚,将降低带电粉尘在极板上的导电性能,降低除尘效率;振打周期过短,粉尘会分散成碎粉落下,引起较大的二次扬尘,即沉积在电除尘器收尘极上的粉尘再次被气流带出除尘器,尤其是末极电场的二次扬尘会大大降低电除尘器的效率。

3.锅炉的运行参数偏离正常值。在正常负荷下锅炉的烟气流量、排烟温度、烟气含尘浓度等参数值与电除尘器设计的参数相差不大,电除尘器都能正常运行。若锅炉烟气流量增大、排烟温度升高、烟气含尘浓度增加,电除尘器的运行工况就会恶化,使除尘效率降低。当锅炉长时间低负荷运行时,为稳定燃烧,必须投入重油或柴油助燃,造成烟气温度和烟气中的粘稠物增加。这些粘稠物造成阴极线肥大,阳极板积灰,导致电场的除尘效率下降。

4.煤种的变化。如果锅炉燃烧煤种发生了变化,其热值较设计煤种低,灰分较设计煤种高,则会加大对输煤、制粉、除尘、输灰设备的磨损,缩短设备的检修周期。使用低热值燃煤,会使锅炉实际燃煤量增加,使烟气的含灰量增大。这样会使电除尘器处理烟气含尘浓度超过设计值,除尘效率将受到严重影响。为了消除因煤种发生变化而影响电除尘器的除尘效率,在除尘设备系统运行正常的情况下,每套电除尘器至少应进行一次针对典型煤种的特性试验,以确定煤种、供电、振打对电除尘器效率的综合影响,找出电除尘器的最佳运行方式。

(五)提高电除尘器除尘效率的方法

1.使用纵横式超高压宽间距静电除尘器。优点:纵横式超高压宽间距静电除尘器采用超高压电场可以增大静电除尘器所适应的粉尘比电阻范围,可以解决或改善以往工况条件恶劣情况下电除尘效率低的问题。基本结构特点:应用超高压横向电场和超高压纵向电场串联。采用超高压宽间距横向分布电场,电场分布符合粉尘分布规律。采用超高压宽间距纵向分布电场,G-OPZEL集尘极,它具有较大的阻流宽度及流线型设计,有效地防止了气流对集尘极上附着的粉尘以及振打过程中下落的粉尘冲刷,可高效捕集微细粉尘,抑制二次扬尘。另外,该除尘器采用优秀的顶部电磁振打技术,顶部振打清灰,力的传递符合积灰脱落规律——上大下小,清灰效果好,二次扬尘少,除尘效率高。振打装置移到电场外部顶部,电场内部只有极板极线,无运动部件,可实现节省维护费用,改善维修工人的工作环境。顶部电磁振打器,结构简单故障少,清灰效果好,在运行中可观察振打状况,并可调整振打强度和周期,可实现不停机维护。

2.合理设计气流分布装置,提高除尘效率。

3.变常规ESP固定式阳极板为移动式阳极板、变常规ESP振打清灰方式为旋转刷清灰方式。

(六)静电除尘器面临的问题

静电除尘的工作原理是利用粉尘在电场中荷电并在电场力作用下向除尘电极沉积。粉尘的荷电程度除了受电场条件影响外,还很大程度受烟气成分、粉尘的物理、化学性能影响。通常,一台电除尘器是按某种煤种进行设计的,但由于各种原因的影响,在锅炉运行过程中使用的燃煤条件会有很大的变化,因此,导致除尘器的除尘效率可能发生很大的波动,但如果每台除尘器都按最难收尘的极限条件煤种设计,则会大大增加设备的投资。煤种的多变性和燃烧过程的复杂化给电除尘器设计及使用带来巨大的困难。

目前,排放标准已提高到30～50 mg/Nm3,很多地方排放标准还小于20 mg/Nm3,所以电除尘器的设计、制造、安装、操作将面临更高的要求。

电除尘器除尘效率与极板面积呈指数变化,即当排放浓度降低时,除尘器的极板面积将按指数增大。在常规情况下,当要求排放浓度为200 mg/Nm3时,3个电场就可满足条件;为100 mg/Nm3时需要4个电场;而50 mg/Nm3时则需要5～6个甚至更多的电场,设备费用和电耗将急剧增加。

(七)静电除尘器的优点

除尘效率能捕集1 um以下的细微粉尘,从经济方面考虑,一般控制一个合理的除尘效率;处理烟气量大,可用于高温(可高达500℃)、高压、高湿的场合,能连续运转;具有高效低阻的特点,电除尘压力损失为100～200 Pa;适用范围广,维护简单方便。

(八)静电除尘器的缺点

设备庞大、耗钢多,需高压供电设备的输出峰值电压为70～100 KV,故投资高;制造、安装和管理的技术水平要求较高;除尘效率受粉尘比电阻影响大,一般对比电阻小于104～105Ω·cm或大于1012～1015Ω·cm的粉尘,若不采取一定措施,除尘效率将受到影响;对初始浓度大的含尘气体需设置预处理装置;不具备离线检修功能,一旦装备出现故障,或者带病运行,或者只能停炉检修。

二、布袋除尘器

随着排放气体含尘量要求的逐渐提高,靠电除尘达到要求将大幅增加投入成本。而布袋除尘技术条件的日趋成熟,尤其是一些核心问题的解决,使布袋除尘器的投资运行成本远低于电除尘器的投资运行成本,目前燃煤锅炉很多使用了布袋除尘器。

(一)布袋除尘器的优点

除尘效率高;附属设备少、投资省、技术要求没有电除尘要求高;能捕集比电阻高、电除尘难以回收的粉尘;性能稳定可靠、对负荷变化适应性好,运行管理简单,特别适宜捕集细微而干燥的粉尘,所收的干尘易于回收和处理;能适合生产全过程除尘新理念,降低总量排放;适于净化含有爆炸危险或带有火花的含尘气体。

(二)布袋除尘器的缺点

用于处理相对湿度较高的含尘气体时,应采取保温措施,以免因结露而造成“糊袋”;用于净化有腐蚀性气体时,应选用适宜的耐腐蚀滤料,用于处理高温烟气应采取降温措施,将烟温降低到滤袋长期运转所能承受的温度以下,并尽可能采用耐高温的滤料;阻力较大,一般压力损失为1000～1500 Pa。

三、电袋组合除尘器

静电除尘技术成熟可靠,应用最为广泛,但对于某些特性的煤种(如比电阻较高不易荷电)及偏离设计工况较多(如煤质变差烟气量增大很多)时,静电除尘的效率就比较低,不能适应日益提高的环保要求。

布袋除尘除尘效率很高,对超细粉尘治理效果尤其明显,但滤袋寿命还不是很长,滤袋更换维护工作量较大。于是开发出了电袋除尘器,电袋复合型除尘器是通过静电除尘与布袋除尘有机结合的新型的高效除尘器。它改善了进入袋区的烟尘工况条件,具有除尘效率稳定高效、适应能力强、滤袋阻力低、使用寿命长、运行维护费用低、占地面积小等优点,而且对现有电厂电除尘器的改造节省时间和经济成本。目前中国已经发展了世界最成功的电袋除尘器技术:电袋除尘器首次将运用到1000 kW机组——郑州新密电厂;华电新乡宝山电厂600 kW也成功运行了1年多,2010年9月专家组对其给予了很高的评价——我国的电袋除尘技术已是世界第一。

(一)电袋组合式除尘器技术性能特点

1.适用高比阻粉尘收集,除尘效率具有高效性和稳定性。电袋除尘器的效率不受高比阻细微粉尘影响,不受煤种、烟灰特性影响,排放浓度容易实现在50 mg/Nm3以下,且长期稳定。

2.运行阻力比纯布袋除尘器低500 Pa,可以减少引风机功率消耗。运行阻力比纯布袋除尘器低500 Pa,每10000 m3/h风量引风机功率可减少1.74 kW。

3.清灰周期长、气源能耗小。由于滤袋收集的粉尘量少,阻力上升缓慢,其清灰周期时间是纯布袋除尘器的2倍以上,压缩空气消耗量不到纯布袋的1/3。

4.延长滤袋使用寿命。运行阻力低、滤袋的负荷差压小延长了滤袋使用寿命。清灰周期长、清灰次数少延长了滤袋使用寿命。在相同运行条件下电袋的使用寿命比纯布袋除尘器的寿命延长2～3年。

5.一次性投资少,运行维护费用低。适量提高过滤风速可减少滤袋、阀件等数量以降低设备成本及费用,运行能耗低和滤袋使用寿命长降低了运行及维护成本。

综上所述,电袋复合除尘器着重解决了当前除尘器常见的三大难题:电除尘器的排放难题;布袋除尘器的阻力大的难题;布袋除尘器袋使用寿命短难题。

(二)电袋除尘器也存在缺点

系统同时拥有电、袋这样除尘机理和结构上都存在极大差异的两套除尘设备,管理相对复杂;电除尘器发生故障时,会对布袋除尘器产生影响;气流分布均匀问题。

四、结语

随着科技的进步及新技术、新产品的广泛应用,新型除尘器的开发与应用已从实验室走出来,并已投产应用取得较好的经济效益和社会效益。当然没有一种除尘器是完美的,但追求完美是每个环保工作者的责任,保护人类赖以生存的环境,是我们所有人的共同目标,实现低炭、节能、环保的目标,还需我们继续努力,开发出更好的除尘器,为全世界的环境事业做出一份贡献。

[1]刘练波,许世森.静电布袋复合除尘器的试验研究[J].动力工程,2007,27(1):103-107.

[2]赵毅,陈周燕.电除尘器改造成电-袋复合除尘器的可行性[J].粉煤灰,2008(5).

(责任编辑张佑法)

R136.2;TU834.6

A

1007-7111(2010)12-0118-03

2010-10-14

高洁(1975—),女,教育硕士,讲师。