燃煤电厂湿式电除尘器工程化应用设计之探讨

唐飞翔 沈海涛 廖达琛 葛春亮 刘文榉

浙江天地环保科技有限公司

近年来，雾霾天气的频发已对人们居住环境造成了不利的影响，同时对居民的健康产生了威胁。细颗粒物（PM2．5）是形成雾霾的重要因素，目前我国一次能源消费结构以煤为主，煤在燃烧的过程中会产生各种气态污染物和颗粒物，因此降低燃煤电厂烟气中细颗粒物的排放尤为重要。为了进一步提升煤电的高效清洁发展水平，2014年9月，国家三部委联合印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020）》，要求新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到或接近燃气轮机组排放限值[1]。

湿式电除尘器作为一种高效的除尘设备，能有效去除细颗粒物和SO3等污染物，现已被广泛的应用于国内外燃煤机组的烟气排放系统中[2][3]。目前，国内燃煤机组应用的湿式电除尘器布置方式主要有卧式和立式两种，由于卧式湿式电除尘器基建投资较低，除尘效率较高，因此在市场上占据了主导地位[4]。现关于介绍卧式湿式电除尘器工作原理的文献较多[5][7]，但针对其详细设计思路及方法的资料普遍缺乏，不利于深入了解及推广应用。

鉴于以上情况，本文以某600 MW超临界燃煤机组上安装的卧式湿式电除尘器为例，对其设计思路及结构特点展开论述，为进一步优化工程奠定基础。

1 设计方法及参数选取

湿式电除尘器的设计与入口烟气量、除尘效率、收尘面积、烟尘的驱进速度等参数有关。目前，国内外采用的设计依据是经典的多依奇公式[8]

式中：η为除尘效率；

A为收尘面积；

Q为处理的烟气量；

ω为烟尘的驱进速度，该值一般通过类比法及试验法得到。

由上式得知，当收尘面积A愈大，烟气量Q愈小，除尘效率愈高。此外该公式还表明除尘效率和电场长度成正比，这意味着在同一台电除尘器内，单位电场长度的除尘效率相等。除尘效率一定时，除尘器的尺寸与驱进速度成反比，与处理的烟气量成正比。

在电除尘器中，通常收尘面积A及处理烟气量Q是根据电厂燃煤有关资料确定，因此除尘器运行效率的高低是与烟尘的驱进速度ω有极大的关系。主要的设计流程如图1所示。

图1 卧式湿式电除尘器的设计流程

为使燃煤机组排放的烟气粉尘含量达到超低排放的标准，通常在烟气脱硫系统末端设置湿式电除尘器。综合考虑除尘设备尺寸大小、制作安装施工等各种因素，一般600 MW及以上的燃煤机组设置两台湿式电除尘器，300MW及以下燃煤机组根据变负荷的需求，设置一台或者两台湿式电除尘器。本工程布置两台卧式湿式电除尘器，具体设计参数如表1所示。

表1 单台卧式湿式电除尘器的设计参数

2 设计内容

通过给定以上参数，即可对湿式电除尘器进行详细的结构设计。湿式电除尘器本体的结构主要包括钢框架、进出口烟道、灰斗、气流均布板、阴极线及框架、阳极装置、喷淋装置和平台走道等。设计成品外形如图2所示。

图2 卧式湿式电除尘器结构图

2.1 进（出）口烟道、灰斗

卧式湿式电除尘器的进出口烟道作为烟气通道，工作工况类似于燃煤电厂普通烟道，设计标准可依据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》配套设计计算方法（DL/T 5121-2000）。烟道壁板厚度一般为6mm，壁板外表面加固肋选型及间距、内撑杆的设置根据烟气压力和烟道截面尺寸而定。因烟道内表面与烟气接触需做防腐处理，材料选用玻璃鳞片。

灰斗作为收集除尘废水的装置，通常布置在除尘器的底部，一般由6 mm厚钢板及加固肋拼焊成中间带管接口的锥形结构，灰斗的数量根据除尘器尺寸和电场数量选取，本工程一台卧式湿式电除尘器设置4个灰斗。

2.2 气流均布板

在影响湿电除尘净化效率的因素中，烟气流在电场内是否均布对除尘效率至关重要。湿烟气经脱硫系统后在进入湿式电除尘器电场前，烟气流一般分布不均匀，通常在湿电进口烟道里面设置一层气流均布板，以提高烟气流的均匀程度进而提高除尘效果。针对本工程烟道结构布置及烟气参数，通过流体动力学软件的分析，确定当气流均布板开孔率为51%，气流分布均方差小于0．15时烟气进入电场的效果较好。由于进口烟道的截面尺寸较大，为便于加工制作，气流均布板将分成若干个均流格栅模块，每个模块通过周边的角钢及中间的钢板拼焊而成，结构如图3所示。考虑到烟气的腐蚀作用，气流均布板材质选用316L或者PVC板材。

图3 单个均流格栅板模块结构

2.3 阴极线及框架

阴极线（放电极）及框架作为卧式湿式电除尘器的核心部件之一，对设备性能和安全稳定运行具有重要影响。针对放电极放电能力弱、寿命缩短、制作流程复杂，且放电尖端为焊接形式，在运行过程中容易掉落等问题，本工程采用的阴极线为芒刺线，该芒刺线由两段半圆管组成，每段半圆管上带有交错的放电尖端，在两端各开有1个冲孔。放电尖端与半圆管为一体成型，非焊接型式，可避免放电尖端掉落，整体刚性强，简化了制作工序；两段半圆管通过碰焊形成一个放电极，碰焊点少且均匀布置，可保证放电极的整体强度和密封性，降低了在潮湿环境中腐蚀的可能性。该放电极的材质为316L，一个放电尖端布置有四个放电点，四个放电点错位分布，分别指向两侧阳极板，放电点的长度因位置不同而有所差异，通常为8～14 mm，厚度为0．7 mm，放电点长且细，起晕电压低、放电强烈且电晕电流密度大，能实现在潮湿恶劣环境中的高效放电。

阴极框架作为高压电引入的载体，一个电场主要由前后两个大框架及固定在其上的若干个小框架组成，其中，固定阴极线的小框架由钢管构成，上面布置有开圆孔的钢块，放电极与钢块之间通过螺栓连接为一整体。大框架主要由支撑槽钢和夹持装置构成，高压电通过顶部吊杆引入到大框架上，在吊杆与大框架的连接处采用偏心布置，使吊杆处于连接处的外沿，增加了吊杆与小框架的间距，保证绝缘距离，避免了放电现象的发生。大小框架之间通过夹持装置连为一体，小框架限制了大框架的前后移位，大框架则限制了小框架的左右移位，使整个放电极及其框架稳固，可经受高速烟气流的冲刷而不发生移位或抖动，提升了湿电的运行可靠性和安全性。结构布置如图4所示。

图4 阴极线及框架结构

2.4 阳极装置

阳极装置是一种将在电场力作用下移动的细颗粒吸附在其极板上的集尘装置，主要由若干阳极板及夹板等一些附属部件连接而成，因其表面完全暴露在湿烟气中，为了提高抗腐蚀性，其材质选用316L等不锈钢。在湿式电除尘器的安装过程中，阴极线与阳极装置的放电间距不易控制，距离偏大时达不到效果，偏小时易击穿阳极板发生漏电现象。针对这一常见情况，本工程通过在顶部绝缘子H型钢大梁翼缘设计限位双角钢，灰斗上部设计卡槽，以达到对阳极装置端部精准定位目的，如图5所示。通常，为保证足够的集尘面积，阳极板截面尺寸应尽可能大，出于经济性考虑其厚度方向尺寸选取较小，本工程阳极板厚度选用1．2 mm。为使阳极板在工作过程中不因外力产生变形，宽度方向采用C形翻边结构，极板表面布满交错设置的贯通的大沟槽，以达到增强刚度的目的，同时保证形成稳定的水膜，避免沟流等现象，阳极板截面如图6所示。

图5 阳极装置定位图

图6 阳极板截面图

2.5 喷淋装置

湿式电除尘器通过喷淋装置对阳极板进行喷水冲刷，使得聚集在阳极板上的粉尘颗粒物沿着自上而下的水流被冲洗掉。相比于干式电除尘器，因无振打清灰装置，可以避免二次扬尘，达到更高的除尘效率。

喷淋装置位于湿式电除尘器中段顶部，除尘水由一侧进入喷淋管道，在喷淋管道上沿纵向（垂直与烟气气流方向）安装喷嘴。本工程单台除尘器安装5排管道，每排管道设置50个空心喷嘴，覆盖率为200%以上。单个喷嘴的流量为7．3 L/min，压力为0．15 MPa。喷淋装置布置如图7所示。

图7 喷淋装置布置图

2.6 平台走道

平台走道作为卧式湿式电除尘器的附属组成部分，一般分为外部平台和内部走道。为了检修维护方便，外部平台通常设置在人孔门、喷淋管道阀门及高频电源处，材质选用碳钢。湿式电除尘内部由于空间有限，一般在灰斗四周和进出口烟道与灰斗交界处设置走道，因其完全置于烟气中，内部走道材质选用316L。

3 结论

（1）本文以某工程上应用的卧式板式湿式电除尘器为例，详细介绍了其设计思路，并对主要构成部件进行了选型优化，在一定程度上提高了除尘效率，同时增强了该设备的运行稳定性和可靠性。

（2）此燃煤机组自2016年7月投运以来，该卧式湿式电除尘器出口烟气粉尘排放浓度始终低于5 mg/Nm3，达到了烟气超低排放的要求，为日后这一设备的进一步推广应用具有借鉴意义。

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