湿气体净化电晕装置的结构及工业应用

霍云飞,吴礼义

(湖北义邦防腐设备有限公司,湖北随州443300)

湿气体净化电晕装置的结构及工业应用

霍云飞,吴礼义

(湖北义邦防腐设备有限公司,湖北随州443300)

介绍了电晕装置的工作原理及在硫酸工业、燃煤电力行业、肥料行业湿气体净化方面的应用情况和各自的性能指标、结构特点等。硫酸装置进电除雾器气体酸雾质量浓度一般在0.1～2.5 g/m3，经过一级电除雾器除雾后酸雾质量浓度小于或等于30 mg/m3,经过二级电除雾器除雾后酸雾质量浓度小于或等于5 mg/m3。燃煤电力行业脱硫脱硝装置后电晕装置深度净化烟气ρ(SO2)≤100 mg/m3，ρ(NO2)≤100 mg/m3，烟尘(ρ)小于或等于30 mg/m3;氨法脱硫电晕装置净化烟气排放ρ(NH3)≤20 mg/m3。复混肥行业电晕装置净化烟气颗粒物质量浓度小于或等于30 mg/m3。

电晕装置 湿气体 深度净化 工艺参数 结构特点 工业应用

我国现阶段对环保加大管理和执法力度，提高了废气排放环保标准。对废气处理环保装置提出了更高要求，电晕装置在湿气体深度净化降低微颗粒、酸雾排放指标方面起到了关键作用。电晕装置在湿气体净化工业应用已经有很长时间，1954年德国鲁奇公司就开发了处理硫酸装置含酸雾气体的电晕设备[1]。

1 电晕装置工作原理

湿气体净化电晕装置内有正(阳极管)负(阴极线)2种极性的电极，在负电极(阴极线)上加60～100 kV的直流电压，阳极管状沉淀极接地。当电压达到60～100 kV时，湿气体中存在少量带正、负电的离子和自由电子等带电体便沿着电场线向与其荷电符号相异的电极移动。电场强度越高，则离子和电子获得的加速度越大，行程中与中性气体分子碰撞时，从气体分子中打击一个或若干个外层电子，中性分子变为正、负电的离子和自由电子。这些新生的带电体在电场的作用下也发生运动，从而迅速地引发越来越多的气体离子化。随着气体的大量电离，便发生电晕放电。电晕放电是不完全的放电，它只发生在放电电极周围，其特征是围绕放电电极阴极线周围发生紫蓝色的光晕。电晕装置深度净化气体的效率主要由直流电压强度、电场距离、气体的停留时间决定[1]。

含尘、雾气体在正负电极之间通过时，放电电极周围气体电离产生的正离子，被吸引回到放电电极进行电性中和；而自由电子则向沉淀电极方向移动，与气体分子结合形成负离子，同时气体中的尘、雾粒子被运动着的负离子轰击而荷电，荷电的尘、雾向沉淀极方向移动，最终到达电极阳极管表面，进行电性中和后形成大颗粒液滴捕集下来。

2 电晕装置在硫酸行业的应用

电晕装置在湿气体工业使用最多的是硫酸行业，1954年德国鲁奇公司在硫酸净化工序应用电晕装置处理湿气体硫酸雾，这个单元操作的电晕装置叫电除雾器[2]。经电除雾器处理后湿气体酸雾含量在30 mg/m3左右，阻力不大于490 Pa,使用电除雾器对湿气体进行净化比文氏管除雾器的优势明显，1980年以后我国才在硫酸行业大量使用电除雾器。

2.1 工艺参数确定

使用电除雾器的目的是除去气体中的酸雾和微小粒子，电场气速、阴极线型式及阳极管外形尺寸都会影响除雾效率，选择合适的电场气速还可以在保证除雾效率的情况下减少设备投资。

进电除雾器气体酸雾质量浓度一般在0.1～2.5 g/m3，为了减少对硫酸主风机及后序工序设备的腐蚀，国内指标为经一级电除雾器处理后酸雾质量浓度小于或等于30 mg/m3,二级电除雾器后酸雾质量浓度小于或等于5 mg/m3，国外指标一般为30～35 mg/m3。从除去气体酸雾角度看用一级电除雾器就足够，一级电除雾器粒子可清除到质量浓度小于5 mg/m3,二级电除雾器粒子清除到质量浓度小于1 mg/m3。电除雾器阴极线目前有几十种，常用的型式主要有星形、新型芒刺形、双菱形及龙骨形。星形电极线电场气速为0.8～1.2 m/s时，电除雾器除雾效率一级为96.5%、二级为99.7%，而达到同样效率新型芒刺电极线的电场气速达1.2～1.5 m/s，鲁奇电除雾器电场气速则为2.45 m/s。有效驱进速度一般为0.04～0.1 m/s。选择阴极线主要根据试验和工业运行数据，总的来说，同等工艺情况下截面积越大的，除酸雾效果越好。常用的除雾器阳极管外形尺寸为圆管φi250 mm×4 000 mm,六角管φi300 mm×4 500 mm及六角管φi360 mm×4 500 mm。电除雾器处于负压工况下操作，在整个工艺系统中单独布置。

2.2 电除雾器结构

电除雾器由高压电气系统、主阴极系统、管束及设备上下气室壳体系统组成。电除雾器的放电电极悬挂于每根沉淀电极中心，是无数个沉淀电极和放电电极单元的集合。

2.2.1 高压电气系统

高压电气系统由恒流源高压直流电源设备、高压隔离开关、绝缘子室和电加热器、控制柜系统、电缆组成。恒流源高压直流电源设备是恒流电源加到电场本体上去的，是电流源，它的输出电流是“恒定”不变的。电网输入的交流正弦电压通过恒流变换器转换为交流正弦电流，经升压、整流后成为恒流高压直流电源给沉积电场供电。采用户外布置，高压电源由PLC低压控制柜控制，高、低压实现联锁控制。恒流高压直流电源能使电场充分电晕，不容易转化为贯穿性的火花击穿，与其他电源相比，在同一电场的本体上，运行电压和电晕电流均显著提高。有良好的电压自动跟踪特性，当烟气浓度增加时，电场的等效阻抗也随之增大，这时二次电压能自动上升；能有效克服电晕电流的“闭塞”现象，对电极肥大的适应性比较强。无复杂的电子线路和接插件，电磁兼容性好，不怕外界干扰，同时也不干扰其他电器和电网，运行可靠。对于高压持续短路和突发短路(电场的频繁拉弧放电)，不会烧坏任何元件，而且当放电消失后，电场电压恢复迅速。

控制方式采用电流控制方式和手动控制方式，其中手动控制方式是通过面板上的机械操作按钮完成。电除雾器高压绝缘箱共有4个，每个绝缘箱送出一个4～20 mA的标准信号。为了避免耐高压绝缘石英(瓷)瓶的受潮漏电，绝缘箱内配置了电加热器，小于40 ℃开始加热，高于60 ℃停止加热。加热有延迟效应，60 ℃停止加热时，温度信号还在上升。

恒流源高压直流电源设备分为50 Hz普频恒流高压直流电源和40 kHz高频恒流高压直流电源。同在80 kV的直流电压情况下，高频恒流单根极线电流密度为0.9 mA/m，普频恒流单根极线电流密度为0.7 mA/m。40 kHz高频恒流高压直流电源可以提高对湿气体净化的效果，计算机控制比模拟机普通火花跟踪控制火花频率有效驱进速度高28%～40%。

2.2.2 主阴极系统

主阴极系统由主阴极电导线、悬挂主阴极线导电大梁及子梁、吊杆、重锤、导线下固定架及上固定卡组成。

主阴极电导线常采用钛材、铅材。钛材电导线采用冲压或激光数控切割钛板加工而成，厚度为0.8～2 mm，形状采用带弧形和带直形的锯齿、芒刺角。铅材电导线采用模压、挤压+冲压工艺制造，一般采用双菱、六角、龙骨、三角锯齿、带弧形锯齿的形状，铅材电导线以直径6～12 mm为主承重导电截面。电导线产生电晕主要靠凸出的尖端，同等情况下尖端的几何结构决定除雾效率。极线导电大梁及子梁采用型钢外搪铅，可保证20年不损坏，而现有的钢大梁及子梁一般采用外包铅，使用寿命约10年左右，也有在钢大梁外糊粘玻璃钢后外铺包铅板的结构。吊杆为钢外搪铅或包铅。重锤可采用铅材、陶瓷、钢外包聚氯乙烯。导线下固定架一般用聚氯乙烯整体焊接制作，现有一种分体玻璃钢模压成型组装结构。

2.2.3 管束及设备上下气室壳体系统

国内电除雾器的沉淀电极常有3种材质：PVC管、铅管及导电玻璃钢管。国外还有用SMO254不锈钢管制造沉淀电极[1]。鲁奇公司用PVC管制沉淀电极最长为5.4 m，国内一般为4 m。PVC管、铅管制的沉淀电极内径为250 mm，国外内径为250～300 mm，结构上国外还有压模成六角形。日本住友化学在电除雾器上采用导电玻璃钢，采用卧式水平气流板式结构，我国引进后进行了改进，采用垂直气流管式结构。导电玻璃钢管制沉淀电极规格比较多，常用规格有内径250，300，360 mm内接圆六角形结构；还有内径250,300 mm圆形结构；300 mm×300 mm、360 mm×360 mm、400 mm×400 mm、500 mm×500 mm矩形结构。我国导电玻璃钢管一般长4.5 m或6 m。由于采用导电玻璃钢六角蜂窝状管强度比PVC高，工厂制造模块化管束，保证了几何尺寸偏差，六角蜂窝状管完全可以做到8 m长，这样硫酸净化工序采用2台电除雾器串联可以改为1台就可以。可简化工艺流程，减少工艺和设备投资，便于设备操作和维修。我国PVC制电除雾器上气室都采用非承重结构，4个绝缘箱在设备側面对称布置。现在导电玻璃钢六角蜂窝状管电除雾器有取代PVC电除雾器的趋势。玻璃钢电除雾器阴极系统承重少部分在顶盖上，绝缘箱放在顶盖上。上气室设有沉淀极冲洗装置，下气室设有带多孔的气体分布板。

玻璃钢电除雾器管束及设备上下气室壳体是以乙烯基树脂为基体，碳纤维、玻璃纤维为增强材料，通过模压、缠绕、手糊成型工艺制成的。玻璃钢配料中必须加入阻燃剂，否则运行后会起火烧毁。阳极管束采用先进的层压粘接工艺复合成蜂窝型。要求设备整体性好，机械强度高、极管同心度和平行度高，耐腐蚀、耐温、阻燃性能好，使用寿命长。

3 电晕装置在燃煤电力行业应用

1927年英国首先采用石灰石脱硫工艺对电厂排放烟气进行脱硫处理[2]。20世纪70年代日本与意大利成功研制氨法脱硫工艺[3]，湿法石灰石脱硫工艺占脱硫装置90%，其次是氨法脱硫工艺。湿法脱硫工艺因设备设计及安装因素存在硫酸钙、硫酸铵、亚硫酸铵和亚硫酸氢铵气溶胶及微颗粒随烟气超标排放的情况。2000年中国工程物理研究院在自备电厂用电晕装置进行了20 000 m3/h工业性试验，在能耗小于5 kWh/m3的情况下，SO2脱除率大于或等于85%，NOx脱除率大于或等于50%，出口氨质量浓度小于35 mg/m3。实现了电晕装置对排放气体进行深度净化的目的。

3.1 工艺原理及运行指标

脱硫塔内喷淋循环脱硫脱硝液产生的气溶胶等微颗粒，对环境造成了二次污染，采用电晕装置能对外排废气进行深度净化。气溶胶等微颗粒产生原因很复杂、因素很多，数量也没有规律可循，湿式电晕装置可有效减少其排放，同时对脱硝也有一定帮助。在60～100 kV直流电压的强电场作用下，部分烟气分子电离，电离出的电子在强电场的加速下获得能量，成为高能电子(5～20 eV)，高能电子则可以激活、裂解、电离其他烟气分子，产生OH,O,H2O等多种活性粒子和自由基。在装置内烟气中的SO2,NO被活性粒子和自由基氧化为高阶氧化物SO3,NO2，与烟气中的H2O相遇后形成H2SO4和HNO3，在有NH3情况下生成(NH4)2SO4/NH4NO3的气溶胶，再沿沉淀极管下落到脱硫塔体内。在有石灰石雾情况下生成硫酸钙/硝酸钙的气溶胶，再沿沉淀极管下落到塔体内。由于石灰石不纯，沉淀极管内可能会产生结垢的钙化物，结垢的钙化物对电晕装置运行有影响，需设计合理的冲洗装置和选择品质好的石灰石。基于除掉气溶胶等微颗粒考虑，必须保证气体足够的停留时间，阳极管沉淀电极长度需加长，国内阳极管一般选型为6 m, 玻璃钢阳极管也可以做到7 m长。

根据GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，燃煤电厂脱硫脱硝后烟气中ρ(SO2)≤100 mg/m3，ρ(NO2)≤100 mg/m3，烟尘质量浓度不高于30 mg/m3；氨法脱硫的氨排放质量浓度不高于20 mg/m3，必须在脱硫塔后设置湿式电晕装置才能达到排放标准。湿式电晕装置的设计压降不大于500 Pa，对整个脱硫系统阻力增加不多。工业运行时进湿式电晕装置的烟气含尘质量浓度50～250 mg/m3，经处理后在30 mg/m3以下，氨回收利用率不低于97%、氨逃逸质量浓度不大于10 mg/m3。

燃煤电厂脱硫脱硝装置的湿式电晕装置一般电场气速为1.4～2.9 m/s，气速的选取需要根据脱硫系统具体情况来确定，影响因素主要有脱硫工艺、脱硫塔结构、喷淋量、电晕装置设备结构及布置有关。由于电晕装置在引风机后布置，电晕装置运行处于正压工况。

3.2 湿式电晕装置结构

湿气体电晕装置由高压电气系统、主阴极系统、导电玻璃钢管束及设备上下气室壳体系统组成。下气室壳体进气口为带膨胀节大开孔结构，整个设备安装在脱硫塔顶部。大型湿气体电晕装置管束模块采用导电玻璃钢，壳体及上下气室采用钢壳衬玻璃鳞片结构。

3.2.1 高压电气系统

湿式电晕装置由恒流源高压直流电源设备、高压隔离开关、带热风保护的上下绝缘子室、电加热器、控制柜系统、电缆及风机组成。由于电厂脱硫脱硝排放废气量大，恒流源高压直流电要求功率也大，现已开发出100 kV、2 500 mA恒流源高压直流电源设备。由于电晕装置处于正压操作，必须增加带风机鼓风加热保护的上下绝缘子室，保证耐高压绝缘石英(瓷)瓶不受潮漏电。例如，360根φi360 mm内接圆六角形管束，电晕装置配风机Q=7 000 m3/h，Δp=2 500～3 000 Pa，电阻丝电炉30 kW；因气量大，最好采用40 kHz高频恒流高压直流电源以提高脱除气溶胶等微颗粒效率，同等情况下可减少设备体积。

3.2.2 主阴极系统

主阴极系统由主阴极电导线、悬挂主阴极线导电大梁及子梁、吊杆、重锤、导线下固定架、上固定卡及下固定拉杆组成。

主阴极电导线常采用钛材、铅材，耐酸不锈钢材料一般选用2205不锈钢。电导线外形结构和硫酸行业使用差不多。由于电导线长，阳极管一般采用为φi300 mm或φi360 mm内接圆六角形结构，电场距离稍大，电导线选截面积大些的结构。钛材厚度为1.2～2 mm，宽度为28～30 mm；铅材厚度为8 mm，主筋宽13 mm，刺角宽度为28～30 mm；2205不锈钢厚度为1.2～2 mm，宽度为28～30 mm。导电大梁及子梁、吊杆、导线重锤、导线下固定架、上固定卡、下固定拉杆可选用和硫酸行业一样的材料和结构，也可选用耐酸不锈钢材料制作。为了减少投资，脱硫脱硝湿式电晕装置电场气速一般取上限值。由于气速高，上固定卡结构主阴极电导线会随着气流摆动，因此增设了下固定拉杆来固定导线下固定架，这样就形成了双固定极线湿式电晕装置。

3.2.3 管束及上下气室壳体系统

沉淀电极常用导电玻璃钢管，也有用2205不锈钢制作。导电玻璃钢管制的常用规格有φi300 mm和φi360 mm内接圆六角形结构，管长一般采用6 m，玻璃钢强度高，也可以开发7～8 m长沉淀管。管束采用模块化六角蜂窝状管结构，大型化装置采用模块化管束放置在钢壳内衬玻璃鳞片的防腐钢梁上。上下气室壳体采用钢壳内衬玻璃鳞片结构。上气室设有沉淀极冲洗装置，下气室也设置向上冲洗的沉淀极装置。下气室设有玻璃钢带多孔气体分布板，气体分布板下设置玻璃钢做的气体导流板。喷淋冲洗装置采用实心锥喷头，水压为294 kPa，冲洗水耗小于0.25 t/(m2·h)。电晕装置钢壳内衬玻璃鳞片，上气室、上绝缘子室及阴极重量可以承受，下绝缘子室侧向与钢壳体用法兰联接。下气室也可设置折流板除雾器，减小电晕除尘及除雾负荷。

4 电晕装置在肥料行业应用

湿气体电晕装置在肥料行业应用主要是处理复混肥、磷复肥尾气微尘超标排放，解决氨逃逸问题，而除水汽效果不是十分明显。肥料干燥及造粒常用工艺为转鼓造粒干燥、喷浆造粒干燥两大类。

4.1 工艺原理

复混肥成分主要是N,P,K基化合物，微尘化学成分比硫酸、脱硫行业要复杂些。转鼓造粒干燥工艺形成的蒸发水分比喷浆造粒干燥工艺要少很多，主要是尾洗装置喷淋产生的水雾，这些水雾包裹微尘形成气溶胶和尘质量分数小于60 mg/m3，ρ(NH3)<5 0 mg/m3。湿气体电晕装置处理复混肥尾气微尘比较容易达到GB 31573—2015《无机化学工业污染物排放标准》中尾气颗粒物排放质量浓度不高于30 mg/m3的要求。

喷浆造粒干燥工艺会蒸发大量的水分，再经过尾洗装置喷淋产生的水雾，二者叠加会产生非常多的水雾，形成大量气溶胶。磷酸盐复合肥水溶性好些，电晕装置处理磷酸盐复合肥工业效果比较好。有的磷酸盐复合肥尾洗装置设计不上湿气体电晕装置颗粒物能达到GB 31573—2015排放标准要求。喷浆造粒干燥S-NPK复合肥存在大量水雾，形成硫酸氢钾、磷酸铵、硫酸铵气溶胶和尘质量浓度小于250 mg/m3，ρ(NH3)<4 mg/m3，增加尾洗级数优化设计可以达到GB 31573—2015要求。有的系统虽然设置了湿气体电晕装置处理S-NPK复合肥尾气，但效果不明显，尾气拖尾现象未改善，可能是设备选型不合理、原始进气气溶胶含量高，还有S-NPK物料特性原因、电晕装置处理能力有限等原因造成的。电晕装置运行好的前提条件是必须保证原始进气气溶胶及尘含量要在合理范围内，电晕装置前的净化装置必须做好。电晕装置是深度净化设备，而不是初级净化设备。肥料行业尾气量不是很大，尾气净化处理湿气体电晕装置电场气速为1～2 m/s比较合理。湿气体电晕装置也是处于正压工况下操作，单独布置。

4.2 电晕装置结构

湿气体电晕装置由高压电气系统、主阴极系统、导电玻璃钢管束及设备上下气室壳体系统组成。

4.2.1 高压电气系统

湿气体电晕装置高压电气系统和硫酸行业、烟气脱硫脱硝行业差不多，恒流高压直流电源采用50 Hz普频和40 kHz高频都行。最好采用带风机鼓风加热保护的上下绝缘子室。

4.2.2 主阴极系统

主阴极系统由主阴极电导线、悬挂主阴极线导电大梁及子梁、吊杆、重锤、导线下固定架、上固定卡、下固定拉杆组成。气速低时采用上固定卡就行，气速高时则采用下固定拉杆。

肥料行业主阴极电导线常采用铅材，耐酸不锈钢材料一般选用316L不锈钢。电导线外形结构及其他部分和硫酸、脱硫行业使用差不多。

4.2.3 管束及设备上下气室壳体系统

肥料行业湿式电晕装置的沉淀电极常用导电玻璃钢管制，阳极管一般采用为φi300 mm和φi360 mm内接圆六角形结构，阳极管一般选型为6 m长。上下气室壳体采用玻璃钢材料。上、下气室设有沉淀极冲洗装置，下气室设有玻璃钢的带多孔气体分布板，气体分布板下设置玻璃钢做的气体导流板。

5 电晕装置在其他行业应用

湿式电晕装置在生物发酵行业的尾气除臭应用效果明显，在有色金属行业尾气排放降低重金属粉尘逃逸，钛白粉、钢铁、建材等行业也在使用湿式电晕装置用于尾气的深度净化。

[1] 汤桂华.硫酸[M].北京：化学工业出版社，1999：160-534.

[2] 朗林茂，张子敬.国内外脱硫技术现状与对比[J].内蒙古科技与经济，2015(10):66.

[3] 薛建明,王小明,刘建民,等.湿法烟气脱硫设计及设备选型手册[M]. 北京：中国电力出版社, 2011:308.

Industrial application and the configuration of the corona discharge device for moisture removal

HUOYunfei,WULiyi

(Hubei Yibang Anti-Corrosion Equipment Co., Ltd., Suizhou, Hubei, 443300,China)

The working principle, performance index and configuration characteristics of the corona discharge device and its application in wet flue gas cleaning for sulphuric acid industry, coal power industry and fertilizer industry were introduced. For a sulphuric acid plant, the concentration of the acid mist at the inlet of a demister is generally 0.1-2.5 g/m3. The concentration of the acid mist drops to lower than or equal to 30 mg/m3after the first stage of demistification, and decreases to 5 mg/m3after the second stage. For a coal power plant, the concentrations of SO2and NO2of the desulphurized and denitrified flue gas can be lower or equal to 100 mg/m3after cleaning by a corona discharge device, and the concentration of dust is lower or equal to 30 mg/m3, the concentration of ammonia of the tail gas with ammonia desulphurization is lower or equal to 20 mg/m3. For the compound fertilizer industry, the particulate matter concentration of the emitted gas is lower or equal to 30 mg/m3.

corona discharge device; wet flue gas; advanced treatment; process parameters; configuration characteristics; industrial application

2017-02-08。

霍云飞，男，湖北义邦防腐设备有限公司工程师，主要从事硫酸、磷复肥、环保设备技术工作。电话：13986839614；E-mail：hyf2108@126.com。

TQ111.16；TF066.5

B

1002-1507(2017)03-0052-05