超净电袋复合除尘器的设计优化与效果测试

朱召平

(福建龙净环保股份有限公司，国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心，福建 龙岩 364000)

0 引言

随着《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》(发改能源〔2014〕2093号)[1]等文件的颁布，煤电超低排放和节能改造工作全面铺开，要求燃煤机组的烟尘的排放不超过10mg/m3(标干态、6%O2)，为了实现这一标准，国内的除尘设施进行了很大的改造并迅速发展[2-4]，从静电除尘器为主的除尘技术，逐渐发展到静电除尘、袋式除尘、电袋复合除尘技术为主流。

在煤电超低排放实施后，单一的静电除尘器[5-7]或袋式除尘器[8-10]面临着压降增大和运维费用较高的问题，电袋复合除尘器应运而生且得到快速发展[11-12]。与此同时，环保设施的快速发展，也带来一定的问题，据2018年中国电力企业联合会调研报告显示，实施煤电超低排放改造有利于进一步降低大气污染物排放，但设备的稳定性、经济性仍存在一定的问题，亟待解决。

超净电袋复合除尘器[13-16]作为电袋复合除尘器的升级设备，现已成为燃煤电厂烟尘超低排放的一种主流技术设备，流场的均布性、设备阻力、过滤风速等关键参数都对除尘器的稳定性、经济性产生较大的影响，且常规电袋复合除尘器还有较大的优化设计空间[17-19]。

本文以某燃煤电厂2×1000MW机组配套超净电袋复合除尘器为对象，围绕流场均布性、设备阻力、过滤风速对除尘器性能的影响进行研究分析，通过改进并提出适合实际情况的新型设计方法、建立健全烟气模型以及大量试验等方式，针对性的进行优化设计。经测试，除尘器出口烟尘排放浓度稳定≤5mg/m3，且各项运行指标均满足设计要求，流场均布性、设备阻力得到明显改善，优于常规电袋复合除尘器，具有更好的稳定性、经济性[20]。

1 研究方法

1.1 研究对象

河南某2×1000MW燃煤机组，其配套的超净电袋复合除尘器按2列6室设计，配备12台高频电源GGYAJ02-1.6A/66KV。其主要性能参数如表1所示。

表1 超净电袋复合除尘器主要性能参数

1.2 优化设计方法

相比常规电袋复合除尘器，超净电袋复合除尘技术主要从建立模型、数值模拟指导；优化电区与袋区耦合匹配和提高滤料过滤精度、降低运行阻力；搭建试验台试验研究最优匹配的过滤风速等几个方面进行了优化设计。

1.2.1 建立模型、数值模拟指导优化设计

由于电袋复合除尘器内烟气通常在电区水平进、水平出，在袋区水平进、垂直出，两个区域的流速、流向及流动截面尺寸均差异较大，导致两区直接衔接会引起流场的急剧变化进一步影响电区的除尘效率、袋区的过滤压降以及滤料的寿命。

基于以上流场特征和气流均布的技术要求，采用了进入袋区的气流由正面、侧面、底部三维进风的设计方法，并通过建立适用于电袋复合的烟气湍流模型、滤料过滤模型，提出了计算域内区域分解与非结构化网格相结合的网格划分方法用于指导设计。另外，通过CFD数值模拟计算确定进口烟道导流板布置方式，对比研究多种流场调节手段的效果，建立了调整滤袋排布、提升阀门大小和开度、阻流板高度等组合措施的主要流场调节方式，最后以实物模型进行校验，最大化缩小流量偏差。

1.2.2 优化电区与袋区耦合匹配和提高滤料过滤精度，降低运行阻力

一是通过大量工程实践总结和不断试验研究，依据项目中煤种特性、电区和袋区相关运行参数及选型，确保袋区最佳入口烟尘浓度值，进而优化电区与袋区耦合匹配。二是针对荷电颗粒在滤料表面被捕集以及沉积过程的特征，所配套的滤袋均采用30%超细PPS+20%常规PPS+50%PTFE混纺技术，并采取粗纤维和超细纤维分层梯度针刺，形成独特的梯度高精过滤滤料结构，有效防止细颗粒烟尘的穿透，降低过滤阻力，保证了除尘器的稳定高效除尘，节约了电耗。

1.2.3 搭建试验台试验研究最优匹配的过滤风速

由于不同的工况需匹配合适的过滤风速，通过搭建厂内的小型试验台(如图1所示)，研究不同过滤风速对除尘性能的影响。

图1 厂内小型试验台

通过改变极配形式、滤袋排布形式、工作电压、入口粉尘浓度，研究过滤风速对除尘效率的影响，最终确定了最佳过滤风速。

该试验装置的结构型式为单室1前电区1袋区结构，烟气量3000～5000m3/h，占地约8m×6m。具体设计参数如表2所示。

表2 耦合增强电袋试验台设计参数

1.3 优化效果测试方法

1号、2号炉电袋复合除尘器进、出口测试位置如图2所示。

图2 进出口测试位置示意

从图2可知，电袋复合除尘器进口测试断面布置在靠近进口喇叭型烟箱前的水平直管段上，测试断面的尺寸为4.5m(宽)×4.0m(深)，在顶部均匀布置9个测孔，按网格法每个测孔布置6个测点；出口测试断面布置在靠近出口喇叭型烟箱后的水平直管段上，测试断面的尺寸为8.5m(宽)×3.5m(深)，在顶部均匀布置17个测孔，按网格法每个测孔布置6个测点。

1.3.1 流场均布性

流场均布性测试采用现场测试和数值模拟对比方法。在测试断面采用皮托管和压力计测量烟气的动压和静压，并采用数字温度计测量烟气温度，然后按(1)式～(5)式计算工况及标准状态下的干烟气流量。

Qs=vs×F×3600

(1)

式中：Qs为工况烟气流量，m3/h；F为烟道截面积，m2；vs为烟气平均流速，m/s，此值按(2)式计算：

(2)

(3)

式中：Pdn为各测点的动压测定值，Pa；n为测点数。

(4)

式中：ts为烟气温度，℃；Ba为当地大气压，Pa；Ps为烟气静压，Pa。标准状态下干烟气流量：

(5)

式中：Qsnd为标准状态下干烟气流量，m3/h；Xsw为烟气湿度，%。

1.3.2 运行阻力

依据《电袋复合除尘器性能测试方法》(GB/T32154-2015)，并按(6)式～(7)式进行运行阻力测试。

(6)

PH=(ρa-ρ)gH

(7)

式中：ρa为大气密度，kg/m3；ρ为通过除尘器气体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为出入口测试位置的高低差，m。

1.3.3 烟尘浓度和除尘效率

依据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)、《固定污染源废气 低浓度颗粒物的测定 重量法》(HJ836-2017)进行烟尘浓度和除尘效率测试。

烟尘采样采用皮托管平行自动跟踪原理等速采集，在超净电袋复合除尘器出口测点采集的样品不少于3只，每只样品的烟气标干体积不少于1000L。将采集到的样品先放入105℃的烘箱进行1h的干燥处理后再放入恒温恒湿室平衡24h，用十万分之一天平称重。

烟尘浓度按(8)式计算：

(8)

式中：C'为实测干烟气含尘浓度(标态)，mg/m3；m为所采集的烟尘质量，mg；Vsnd为干烟气采样体积(标态)，L。

2 结果与讨论

2.1 流场均布性

流场均布性由各室的烟气量均匀性反映，其结果如表3所示。

表3 标准状态下干烟气流量 万m3/h

计算各室的烟气流量偏差并与数值模拟结果进行对比，可以看出，在实际运行过程中各室的烟气流量偏差小于2.5%，其结果如表4、图3所示。

表4 各室流量偏差 %

图3 各室流量偏差

叶兴联[21]、刘美玲[22]和刘栋栋等[23]研究表明，常规电袋复合除尘器各室的烟气流量偏差一般可以达到小于5%。

本研究通过改进设计方法、建立模型、利用CFD数值模拟等指导调节烟道导流板布置方式、滤袋排布、提升阀门大小等组合措施，使得各室的烟气流量偏差小于2.5%，优于常规电袋复合除尘器的平均水平5%。

2.2 运行阻力

分别测量各室入口断面和出口断面的全压平均值，取两者的差值并进行高温气体浮力校正，所得结果即为各室的设备阻力，测试结果如图4所示。从图4可以看出，其中，1室和6室的阻力较大，3室和4室的阻力较小，这与各室的实际烟气流量大小相吻合；各室的阻力均小于750Pa。

图4 设备阻力

陈秀娟[24]研究表明，目前国内大部分常规电袋复合除尘器设备正常运行时运行阻力≤1200Pa。通过优化电区与袋区耦合匹配和提高合适的高精度过滤滤料，使得各室的阻力均小于750Pa，表明超净电袋复合除尘器的整体运行状况相对较好，优于常规电袋复合除尘器常规阻力值1200Pa，大幅降低了引风机能耗，经济性更优。

2.3 烟尘浓度与除尘效率

各室的入口、出口烟尘浓度和除尘效率试验结果如图5、表5所示，超净电袋复合除尘器各室出口的烟尘浓度均小于5mg/m3，达到超低排放要求，且各室的除尘效率均高于99.985%。

表5 各室烟尘浓度和除尘效率

图5 烟尘浓度

张立栋[25]、朱法华[26]研究表明，常规电袋复合除尘器的出口烟尘浓度一般可以小于20mg/m3。通过试验台试验，依据实际工况选取最佳过滤风速等方法，实现各室出口的烟尘浓度均小于5mg/m3，达到超低排放要求，且优于常规电袋复合除尘器的出口烟尘浓度20mg/m3。

同时各室的除尘效率均高于99.985%，说明最佳过滤风速、长滤袋选型方案的超净电袋复合除尘器可以达到较高的除尘效率。

3 结论

通过优化流场、降低阻力、合理选择过滤风速三大关键因素的优化，超净电袋复合除尘器可稳定运行。经测试，各项指标均能达到设计要求，除尘器各室烟气流量偏差小于2.5%、设备阻力小于750Pa、出口烟尘浓度小于5mg/m3。相比常规电袋复合除尘器烟气流量偏差5%、设备阻力1200Pa，出口烟尘20mg/m3均有较大提高，极大提高了设备的稳定性、经济性，可为新形势下煤电超低排放提供参考。