转炉煤气干法圆筒形静电除尘器优化改造探讨

武常芳，郑鹏辉

（西安西矿环保科技有限公司，陕西 西安 710075）

为保护环境，防治大气污染，保障民众健康，推进生态文明建设，促进经济可持续发展，国家提高了环保标准，加大了对环保产业投入和环保执法力度。2012 年10 月1 日，我国钢铁行业新的标准《炼钢工业大气污染物排放标准》开始实施，标准规定“自2015 年1 月1 日起，现有企业转炉一次烟气的颗粒物排放限值50mg/m3”。转炉一次烟气干法净化与回收系统中圆筒形静电除尘器是最关键、最复杂、最核心的设备，其运行状况直接影响到整个系统的运行。福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂转炉一次烟气干法净化与回收系统的圆筒形静电除尘器已运行超过8 年，设备运行出现异常，颗粒物排放接近国家排放标准上线。2018 年6 月，西矿环保科技有限公司承接了福建三钢闽光股份有限公司二炼钢厂转炉一次烟气干法系统之圆筒形静电除尘器的大修改造工程。

1 圆筒形静电除尘器的工作原理

圆筒形静电除尘器是烟气中的粉尘通过高压电场内进行电离的过程中，使烟气中的尘粒荷电，并在电场力的作用下使荷电尘粒向电极性相反方向运动并附着在收尘极板上，将烟气中尘粒分离出来的一种除尘设备，其工作原理示意图如图1 所示。烟气中的粉尘在电除尘器内被捕集过程大致可分为4 个阶段——放电极放电、粉尘荷电、粉尘附着、振打清灰[1]。

图1 电除尘器基本原理示意图

（1）放电极放电。在放电极与收尘极之间施加高压电，使放电极附近气体电离产生大量的自由电子，自由电子被电负性气体分子吸附形成负离子，充满两电极之间的空间。（2）粉尘荷电。粉尘荷电的机理一般有两种方式，即电场荷电和扩散荷电。电场荷电是指沿电力线运动的离子与粉尘碰撞并附着在粉尘上而实现荷电。这一过程直到粉尘获得的电荷建立起来的电场完全抵消外电场和空间电场为止，这时粉尘达到饱和荷电量。扩散荷电是指通过气体中负离子的热运动和粉尘相互碰撞而实现荷电。（3）粉尘附着。荷电粉尘在电场力作用下向其极性相反的电极移动，并附着于电极上。（4）振打清灰。收尘极板和放电极线表面的粉尘附着到一定厚度后，用机械振打方式将其及时振打脱落掉入电场内，然后利用刮灰系统的刮灰板将电场内的灰刮入电场底部的腹部链式输灰机内运走，保证电除尘器的高效稳定运行。

2 圆筒形静电除尘器除尘效率影响因素

圆筒形静电除尘器性能的影响因素很多，大体归纳为以下两个方面[2]。

（1）烟气、粉尘性质。烟气性质包括烟气种类、组成、温度、压力、湿度及流速等；粉尘的性质主要是粉尘的化学成分和物理结构，例如粉尘比电阻、粉尘浓度、分散度、黏度、湿度和密度等。粉尘比电阻是影响电除尘器操作和性能的重要因素之一。研究表明：为了在放电极和收尘极板之间输送离子电流，沉积在收尘极板表面的粉尘必须具有一定的导电性，通常所需的最小导电率是10-10（Ω·cm）-1。导电率低于大约10-10（Ω·cm）-1，即电阻率大于1010Ω.cm 的粉尘，通常称为高比电阻粉尘。高比电阻粉尘将影响电除尘器操作和性能。多种工业部门的实践表明，当比电阻低于1010Ω·cm 时，几乎对除尘器操作和性能没有影响；当比电阻介于1010～1011Ω·cm 时，火花率增加，操作电压降低；当比电阻高于1011Ω·cm 时，收尘极板粉尘层内会出现电火花，即出现反电晕。反电晕的产生导致电流大幅度增大，电压降低，运行参数极为不稳定，圆筒形静电除尘器性能显著恶化，除尘效果降低。

（2）设备状况。圆筒形静电除尘器的气流分布均匀程度、极配形式、电场划分情况、清灰方式和振打制度、电气控制特性等。①气流分布均匀程度是影响圆筒形静电除尘器除尘效率的重要因素。不良的气流分布，可造成除尘效率的显著下降。电场内气流分布不均，就意味着电场内存在局部的涡流、死角及高低速区。低流速区的存在对除尘有利，高流速区则对除尘不利，低流速区提高的除尘效率远远小于高流速区降低的除尘效率，从而导致总的除尘效率下降。此外，高速气流、涡流会产生冲刷二次扬尘，造成除尘效率的显著下降。②放电极线肥大和收尘极板粉尘堆积是影响圆筒形静电除尘器除尘效率的重要因素。放电极线越细，产生的电晕越强烈，放电特性越好，但因为在放电极线周围的离子区有少量的粉尘离子获得正电荷，便向负极性的放电极线运动，并沉积在放电极线上。若粉尘的黏附性很强或者清灰方式不合适，就不容易振打下来，粉尘就会聚集在放电极线上，越聚集越多，放电极线慢慢就会变得越来越粗，即放电极线变粗、放电极线肥大，大大降低了放电极线放电特性，导致放电极电流显著下降，从而影响圆筒形静电除尘器的运行效果。③振打结构形式是圆筒形静电除尘器除尘效率的重要影响因素。原设备放电极振打采用凸轮提升振打结构形式，振打结构复杂且在除尘器内部，工况复杂，容易被灰堵塞，出现振打力小或者不工作等问题，而且在电场外面不易被发现，这样就会产生放电极线被灰尘包裹、锈蚀，最终断裂，影响进一步除尘，除尘效率下降，排放浓度增加。同时放电极凸轮提升振打装置是同一根放电极轴上的所有放电极振打锤同时打击放电极振打砧子，易产生放电极线变形断裂和二次扬尘，影响除尘效率且对瓷轴产生一定的冲击。

3 圆筒形静电除尘器改造过程

（1）改造前基本情况。主要技术参数：处理最大烟气量为97300Nm3/h；圆筒形静电除尘器入口含尘浓度约为130g/m3，温度约200℃：圆筒形静电除尘器规格为18/Φ9/4×11/0.4。圆筒形静电除尘器已运行超过8 年，电压电流异常，粉尘排放浓度高，接近国家排放标准上线50mg/m3。

（2）优化改进方案。基于圆筒形静电除尘器服役时间长且工况条件恶劣，设备内部的关键核心部件都出现了磨损、变形严重等情况，但设备的外壳保持良好且强度满足要求。根据炼钢厂现场场地情况以及工期要求，西安西矿环保科技有限公司决定采用“保外拆内”方案，也就是保持原有设备的外壳不变，即钢支架、楼梯平台、环梁、壳体护板（底护板和侧护板）、进气口、出气口保持不变；拆除圆筒形静电除尘器顶护板和内部核心结构件，即放电极线和放电极框架及放电极附属设备、收尘极板和收尘极板悬吊梁及收尘极附属设备、气流分布板、链式输灰机导轨链条等核心部件。气流分布板、放电极线和放电极框架以及放电极附属设备、收尘极板和极板悬吊梁以及收尘极附属设备、放电极振打锤等部件全部采用技术最先进最优化的配置。

（3）现场拆除。由于设备运行时间长，内部积灰很严重，在进行现场拆除之前，对设备内部进行高压水冲洗清除积灰。水冲洗后现场拆除下来的放电极线肥大和收尘极板积灰都很严重，如图2 所示。各传动部件磨损严重，并且存在阳极板、阴极线变形、断线、分布板积灰严重且变形严重等问题。玉玉现场场地受限，拆除工作很困难，气流分布板、极线框架、收尘极板等部件都是拆除现场直接拆解，然后再运走。

图2 现场拆除的极线极板

（4）优化改进过程。①烟气流场优化。为了使圆筒形静电除尘器电场内烟气均布，西安西矿环保科技有限公司采用具有开孔率高、气流分布均匀、易清灰、使用寿命长的新型结构的气流分布板，且采用CFD 对烟气的流动状态进行仿真模拟，通过检测面气流标准偏差22.59%，可看出经过气流分布板进入电场前的气流，均布性能已经满足规范要求，烟气在圆筒型电除尘器内气流均布并呈柱塞状流动。②优异的极配形式。除尘效率高低的主要因素就是设计合理的、优质的收尘极与放电极的极配形式。该圆筒形静电除尘器分4 个电场，串联布置。4 个电场均采用了ZT24 型收尘极板，由于烟气温度较高，所以收尘极板采用了一种耐温材料；按照4个电场的先后顺序，放电极线采用了具有良好放电性能、坚固耐用的增强型B8 放电极线且材质不同。通过对投运的圆筒形静电除尘器进行检测，证明了这种优质的极配形式能够很好保证除尘效率。③采用先进的放电极拨叉振打传动装置及附属设备。原设备采用的放电极凸轮提升振打装置由于其本身的结构特点，存在诸多缺陷。本次改造采用先进的放电极拨叉振打传动装置，可以很好地避免凸轮提升振打的缺陷，彻底改善了阴极的清灰问题且有效减少了二次扬尘。放电极拨叉振打传动装置是西安西矿环保科技有限公司的专利产品。改进过程中，由于拨叉振打传动的应用导致相关部件必须做出相应的变化，本次设计我们也在总结以往生产、安装、运行过程中出现的问题做了一些改进，同时对放电极轴和沉淀极轴之间距离、下部传动装置与穿拉杆之间的密封、放电极振打锤、放电极振打砧子等进行改进优化。

4 改造后运行状况

（1）电场电压电流状况。改造后对圆筒形静电除尘器进行了空载调试和投运后进行了负载调试，空载调试和负载调试的二次电流二次电压均满足设计要求。（2）改造后粉尘排放状况。改造设备投运后除尘效率达满足设计要求（技术协议要求粉尘排放浓度小于25mg/m3），系统性能良好。2019 年1 月10 日至14 日，三钢安环部环境监测站对改造后的圆筒形静电除尘器排放粉尘进行了抽样检测（每台圆筒形静电除尘器出口取6 组样品，每炉取样时间为下抢1～13min，抽取约12min）。检测结果：1#除尘器排放粉尘浓度平均值为18.31mg/m3；2#除尘器排放粉尘浓度平均值为18.72mg/m3；3#除尘器排放粉尘浓度平均值为13.53mg/m3。改造后粉尘排放浓度远远低于《炼钢工业大气污染物排放标准》（GB 28664-2012）规定的粉尘排放浓度限值50mg/m3。

5 改造效果评价

通过一系列的优化改进，圆筒形静电除尘器的电压、电流稳定正常运行，除尘效果明显提高，排放烟气含尘浓度越低于国家排放浓度限值。

6 结束语

综上所述，对于现有转炉烟气一次干法除尘系统为满足环境排放要求或者“超低排放”的号召，又困于场地受限、资金受限、工期要求紧等因素，该圆筒形静电除尘器优化改进方案不失为一个立竿见影的解决办法。该技改项目具有参考意义，在最小投资情况下获得尽可能大的经济效益和环境效益，符合可持续发展原则的经济发展模式，应用前景广泛。