旋转极板电除尘器与电袋除尘器技术经济分析

2014-10-20王磊

综合智慧能源 2014年6期

王磊

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

我国于2011年7月颁布了GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，该标准规定，自2012年1月1日起，新建火电机组烟尘排放质量浓度必须≤30 mg/m3(名义工况下同)，2014年7月1日现有机组后亦必须达到这一要求，这标志着我国烟尘控制标准更加严格。2011年之前建成的除尘器绝大部分是按照50 mg/m3(名义工况，下同)的排放标准设计和建造的，新标准颁布后，电厂面临着巨大的减排压力。旧电除尘器需要通过改造以满足现行标准要求，目前主要有2种主流解决方案，即将原除尘器改造成旋转极板电除尘器或电袋除尘器。旋转极板电除尘器和电袋除尘器具有不同特点，它们对不同工况的适应性有很大差异，其技术特点、投资情况、运行能耗和运行的稳定性也有很大不同，本文对此进行了分析，电厂应根据自身的实际情况，结合技术、经济等多重因素的分析结果确定选用哪种除尘改造方案。

1 工作原理

1.1 旋转极板电除尘器工作原理

旋转极板电除尘器前级电场为常规固定极板式电场，用于去除较易去除的大颗粒粉尘，尾部电场为旋转极板式电场，用于去除较难去除的微细粉尘。烟气进入电除尘器后，在高压静电场的作用下，气体被电离成正、负离子，尘粒与正、负离子碰撞荷电后分别向阴、阳极运动，聚集在极板、极线上，前级电场通过机械振打或电磁振打清灰，后级电场极板通过旋转的凊灰刷清灰，极线通过机械振打凊灰。

旋转极板是由若干长3～5 m、宽约0.7 m的块状钢板组成的O型板束，其结构如图1所示，块状钢板的两端由链条连接成为一个整体，再由置于电场顶部的主动链轮驱动极板缓慢运上下动。阴极板置于电场收尘区的阳极板间，其布置方式与前级常规电场类似。凊灰刷置于电场的非收尘区，利用凊灰刷将粉尘从转动着的极板上刷除，使极板始终保持较为清洁的状态。凊灰刷的运动与极板的运动方向相反，防止粉尘飞散，同时将粉尘刷落到灰斗中。

图1 旋转极板结构

1.2 电袋除尘器工作原理

电袋除尘器有多种结构形式，我国电厂普遍采用“前电后袋”布置的一体式电袋除尘器，其主要特点是电场区和布袋区共置于1个壳体内，电场位于布袋前部，2区之间通过气流分布板分隔，净气烟道和旁路烟道布置于除尘器顶部。电袋除尘器的结构如图2所示:含尘烟气经进风通道均布后进入电场区，荷电后的粉尘大部分被电场捕集下来，其余细尘随烟气经气流分布板分配后，一路通过气流分布板上的均流孔进入布袋区，一路沿气流分布板折流向下后，再经底部的烟道进入布袋区过滤室，经布袋过滤后，尘粒被阻留在滤袋外侧，净化后的气体由滤袋内部进入上箱体净气室，再通过各气室提升阀排入除尘器顶部净气烟道。随着过滤过程的不断进行，滤袋外侧所积附的粉尘不断增加，从而导致布袋除尘器本体的阻力逐渐增大。当阻力或过滤时间达到设定值时，清灰控制器发出清灰信号，首先令1个袋室的提升阀关闭以切断该室的过滤气流，对该室的布袋进行喷吹凊灰，在充分考虑了粉尘的沉降时间后，提升阀打开，此袋室滤袋恢复到过滤状态，而下一个袋室则进入清灰状态，如此直到最后一个袋室清灰完毕为一个周期。

图2 电袋除尘器结构

2 技术特性分析

2.1 旋转极板电除尘器技术分析

2.1.1 旋转极板电除尘器的提效作用

电除尘器的末电场由常规固定极板改为旋转极板后，其除尘效率可由50%～70%提高至70%～95%，原因有3点:第一，旋转极板处于清洁状态，粉尘所受的电场力一直维持在较大值，不会因为带电粉尘在极板上沉积而使后继粉尘由于同种电荷的斥力而削弱了电场力的作用，同时避免了反电晕的产生，有效解决了高比电阻粉尘难收集的问题;第二，相对于机械振打凊灰，采用凊灰刷的凊灰方式最大限度避免了二次扬尘的产生;第三，旋转极板的同极间距一般为450 mm或460 mm，电极的工作电压升高，粉尘的趋近速度增大。同样因为上述原因，旋转极板电场中粉尘的趋近速度比常规电场提高2～3倍。

按照多依奇公式

式中:η为除尘效率;A为极板有效收尘面积;qV为烟气体积流量;ω为粉尘趋近速度。

在保持收尘面积和烟气流量不变的前提下，要提高收尘效率，唯一有效的途径是增加尘粒的趋近速度。趋近速度是指粉尘所受的电场力和粘滞阻力相平衡时，粉尘向收尘极的运动速度。趋近速度的增加是旋转极板电除尘器除尘效率提高的根本理论依据。

2.1.2 末电场改造为旋转极板时的设计方案

采用旋转极板进行电除尘器改造时，总体改造方案主要有2种。方案1将末级电场改为旋转极板，前级电场仅做常规检修和调整;方案2在末级电场变为旋转极板的同时，加高前级电场，增加收尘极板的面积。具体采用哪种改造方案、参数如何选取，需根据改造前除尘器出口烟尘的排放质量浓度等因素来决定。设计时，常规末电场的除尘效率可按60%～65%计，改造成旋转极板后，收尘面积保持不变，趋近速度w按原来的2.3倍计。根据式(1)可以计算出在不同Aw/qV下的除尘效率，部分数据见表1。假定改造前除尘器出口粉尘质量浓度为110 mg/m3，由表1可知，改造后出口粉尘质量浓度降为30 mg/m3，末电场的除尘效率由63%提高为90%。通常情况下，在保持烟气工况和煤质条件不变的情况下，若改造前除尘器出口粉尘质量浓度不大于110 mg/m3，采用方案1可满足不大于30 mg/m3排放限值的要求;若质量浓度大于110 mg/m3，需采用方案2。采用方案2时，前级电场需增加多少面积的收尘极板由原出口粉尘浓度和比集尘面积等因素决定。通常需要加高电场，但极板的高度一般应控制在18 m内，如果电场加高后仍然达不到所需比集尘面积，就只能通过增加电场数来实现，而电厂一般没有多余的场地用于增加电场，此时就需采用电袋除尘器来改造。对于要求排放浓度≤20 mg/m3的重点地区，采用旋转极板电除尘器很难达标，建议采用电袋除尘器。

表1 不同Aw/qV下的除尘效率

2.1.3 旋转极板电除尘器需要注意的问题

为了保证旋转极板电除尘器稳定、可靠运行，确保满足排放要求，在设计、制造和安装过程中需重点注意以下问题。

(1)为了保证除尘器能带上足够高的工作电压，阴、阳极间距偏差需控制在±10 mm之内，此外，阴极框架与阳极振打轴、壳体内壁和大梁底面的间距应大于异极间距。

(2)阳极板与壳体内壁之间、大梁底面以及灰斗中均应设置阻流板，阻流板的安装应符合设计要求，最大限度地防止未经荷电除尘的烟气短路出去。

(3)轴系应转动灵活，无卡阻现象，固定部件不得干涉运动部件的运转，上下轴系的平行度误差不大于5 mm，轴的水平度误差应不大于0.8 mm/m。

(4)严控链轮的加工精度，确保链轮和链条之间的啮合质量，预防脱链和啮合传动失效。

(5)链条设计应满足在高温、多尘环境下长期运行，链条的安全系数为5，链节应松紧适度，转动灵活，不能有卡滞现象。

2.2 电袋除尘器技术分析

2.2.1 电袋除尘器的技术特性

电袋除尘器是有机结合电除尘器和布袋除尘器优点而开发的一种高效除尘器。同电除尘器相比，电袋除尘器的除尘效率明显提高，适应的煤种范围更广，不受粉尘性质的限制，对电除尘器难于收尘的高比电阻粉尘和粉尘粒径为5 μm(PM5)以下的微细粉尘都有很好的收尘作用，但其烟气阻力大于电除尘器。同布袋除尘器相比，由于电场区的预除尘作用，电袋除尘器降低了滤袋的粉尘负荷量，避免了烟气中粗颗粒磨损滤袋，降低了滤袋的阻力上升率，延长了滤袋的清灰周期，节省了清灰能耗。此外，烟尘通过电场区荷电后，由于同种电荷的相斥作用，粉尘在滤袋上排列规则有序，粉尘层孔隙率高、透气性好，易于剥落，降低了过滤阻力，减少了引风机的能耗。

电除尘器改造为电袋除尘器时，通常保留前面1～2个电场，拆除后面几级电场的阴极与阳极系统和顶部的供电装置，并将该部分壳体重新分割成4个以上布袋室。为保证达到30 mg/m3以下的排放要求，当前级为1个电场时，布袋区的烟气过滤风速宜不大于1.1 m/min;当前级为2个电场时，过滤风速可提高至1.2m/min。此外，改造后需要增设1套可编程逻辑控制器(PLC)用于布袋区的控制，当除尘器进出口压差达到设定值时，启动喷吹系统对布袋进行喷吹凊灰，当烟气温度超过设定的温度时，启动超温保护系统，保护滤袋免受高温损伤。

2.2.2 电袋除尘器的可靠性问题

电袋除尘器在投运后的1年内一般都能保持较高的除尘效率，但随着使用时间的增长，很多电袋除尘器的除尘效率明显下降，有的在布袋使用寿命的中期就已不能满足环保要求的除尘效率，这主要是由于布袋的失效造成粉尘排放的增加。纯布袋除尘器和电袋除尘器布袋失效的外在表现和内在原因不同:布袋除尘器布袋的失效大多表现为布袋局部破损，主要原因是物理磨损和冲击;而电袋除尘器布袋的失效则表现为布袋整体或大面积的强力降低，布袋纤维断裂，其主要原因是化学腐蚀。电袋除尘器布袋的化学腐蚀缘于“前电后袋”的特殊结构，烟气在通过前级电除尘区时，在高压静电场的作用下，部分O2瞬间分解为O，O又迅速与O2结合生成O3，O3化学性质活泼，具有极强的氧化性，当O3进入聚苯硫醚(PPS)滤袋后，滤袋很容易被氧化，造成布袋纤维的强度下降，布袋纤维在烟气的冲刷下断裂，过滤性能随之降低。同时，O3容易与烟气中的NO和SO2反应，分别生成强氧化剂NO2和SO3，可使PPS滤袋氧化失效。还需注意的是，当烟气中SO3含量增加后，烟气的露点温度也随之升高，原先没有结露的烟气可能会产生酸结露，SO3与水雾结合生成H2SO4，PPS滤袋不耐H2SO4等强氧化性酸的腐蚀。因此，在上述各种成分的共同作用下，电袋除尘器滤袋的失效通常表现为大面积失效。

为防止布袋失效，可采用多种方法进行处理。首先，在设计时，除尘器电场区和布袋区之间的均风板位置应定位合适:布置过近，进入布袋区的烟气中O3含量较高，易使布袋被氧化失效;布置过远，由于O3十分活泼，O3在流动的过程中会消失大部分。其次，在布袋的选型上应选用抗氧化性较强的材料。燃煤电厂布袋除尘器通常采用PPS滤料，PPS是一种性价比很高且具有良好物理和化学性能的滤料，但其抗氧化性较弱，不能简单地将PPS滤袋直接应用到电袋除尘器上，而应采用聚四氟乙烯(PTFE)滤料或PTFE基布+PPS复合滤料作为电袋除尘器的滤袋。第三，除尘器在运行时，前级电场应降电压运行，使电场区的除尘效率保持在50%左右，这样可大量减少O3和其他氧化性气体的产生，从而使布袋免受氧化腐蚀，延长使用寿命。第四，由于O3和SO2反应生成SO3，使烟气露点温度升高，当烟气温度低于露点温度时，产生H2SO4酸雾，腐蚀布袋，运行中应注意监测烟气温度，避免布袋被H2SO4腐蚀。此外，设计时应合理布置布袋，均衡气流，避免局部气流速度过高。