展茂源，王 猛，鄧徐幀，郭 軍，劉 暢

(山東山大華特環(huán)保工程有限公司，山東 濟南 250061)

濕式靜電除塵器在燃煤電廠超低排放工程中的應(yīng)用

展茂源，王 猛，鄧徐幀，郭 軍，劉 暢

(山東山大華特環(huán)保工程有限公司，山東 濟南 250061)

燃煤電廠濕式電除塵技術(shù)可以控制細顆粒物PM2.5對周圍環(huán)境的污染，實現(xiàn)煙塵超低排放。介紹了濕式電除塵的運行原理及結(jié)構(gòu)組成，通過濕電在燃煤電廠的超低排放工程的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)和解決運行中出現(xiàn)的問題，對濕電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了可靠的支持。流場數(shù)值模擬中采用了實體多孔板模型，并在網(wǎng)格劃分上做了局部加密的處理，克服了多孔介質(zhì)模型計算的不足，提高了計算精度。

濕式電除塵器；超低排放；工程應(yīng)用；煙塵排放

0 引言

國家環(huán)保部、國家發(fā)改委、國家能源局三部委聯(lián)合發(fā)文，要求到2020年，現(xiàn)役600MW及以上燃煤機組、東部地區(qū)300MW及以上公用燃煤發(fā)電機組、100MW級以上自備燃煤發(fā)電機組及其他有條件的燃煤發(fā)電機組，改造后大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機機組排放值，放限值為SO2≤35mg/m3、NOx≤50mg/m3、煙塵≤10mg/m3。山東、山西等省對煙塵排放的限值甚至達到5mg/m3，然而，針對于煙塵排放標準的大幅提高，諸如電除塵前增加低溫省煤器、靜電除塵進行電源升級、改造布袋除塵器、改造電袋除塵等方案都很難實現(xiàn)煙塵排放濃度小于10mg/m3，因此，擇合適的工藝是決定能否達標排放的關(guān)鍵。濕法煙氣脫硫后采用濕式靜電除塵器，能夠?qū)γ摿蚝鬂駸煔庵械募毼㈩w粒物氣溶膠、酸性霧滴等有害物質(zhì)有效的去除，且對于Hg2+等重金屬顆粒能夠有效的協(xié)同去除，濕式電除塵技術(shù)對燃煤電廠大氣污染物的超低排放提供了可靠的技術(shù)路線及有力保障。

1 濕式電除塵原理

濕式靜電除(霧)塵設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)，脫除冶金煙氣中的硫酸霧，直到1986年，濕式靜電除(霧)塵設(shè)備第一次被應(yīng)用到燃煤電廠中[1]。

濕式靜電的工作原理與干式除塵器基本相同，但是由于濕式靜電其工作介質(zhì)的特殊性—含有霧滴，濕式靜電除霧器的工作原理又不同于干式靜電除塵器。接通高壓直流電源后，放電極與沉淀極之間形成了非均勻高壓靜電場。在電場的作用下，電暈線發(fā)生電暈放電，煙氣進入電場荷電區(qū)時，酸霧、煙塵等顆粒被荷電。荷電后的酸霧、煙塵等顆粒靜電凝聚作用加強，粒徑增大，荷電量增加，在電場力的作用下迅速抵達陽極(沉淀極)。大量的酸霧顆粒不斷地被驅(qū)向陽極，同時迅速釋放電荷，從而達到酸霧、煙塵等氣溶膠微粒與煙氣分離的目的。

對于濕式靜電除塵器：首先，由于水滴的存在對電極放電產(chǎn)生了影響，金屬表面帶水后，大大削弱表面勢壘對自由電子的阻礙作用，使電子易于發(fā)射。在飽和濕煙氣的環(huán)境下，改變了電極放電效果，使電極能在低電壓下發(fā)生電暈放電。其次，由于水滴的存在，水的電阻相對較小，水滴與粉塵結(jié)合后，使得高比電阻粉塵比電阻下降，濕式靜電除塵器的工作狀態(tài)會更加穩(wěn)定；另外由于濕式靜電除塵器采用水流沖洗，沒有振打裝置，所以不會產(chǎn)生二次揚塵。

濕法脫硫后，煙氣經(jīng)過溫度大幅下降，處于飽和狀態(tài)，使得濕式電除塵電場中存在大量的帶電霧滴，極大的增加了亞微米粒子碰撞帶電的幾率，提高了對亞微米粒子的捕集效率[2]。同時，國外研究表明，露點溫度以上時，煙氣中的SO3在205℃以下時，主要以H2SO4微液滴形式存在，平均顆粒直徑在0.4μm以下，屬于亞微米范疇。濕式靜電除塵器對亞微米顆粒的高捕集效率，可對SO3液滴起到相同作用[3-5]。因此，濕式靜電除塵器對酸霧、有毒重金屬以及PM10，尤其是PM2.5的微細粉塵有良好的脫除效果。

2 濕式電除塵結(jié)構(gòu)與組成

高效濕式電除塵器主要由電暈線(陰極)、沉淀極(陽極)、絕緣箱和高壓直流供電電源組成。

2.1 高效濕式電除塵器本體

主要包括濕式電除塵器的殼體、頂部蓋板等，由低碳鋼焊接而成形, 并且保證密封良好。放電極、收塵極及電除塵內(nèi)部部件荷載均由安裝在電除塵上部的箱形梁承擔(dān), 并將負載傳輸給支撐框架。

2.2 煙氣導(dǎo)流板

入口內(nèi)裝有氣流分布板 (碳鋼+玻璃鱗片防腐) , 由經(jīng)過流場模擬后的格板組成, 以使進入濕式電除塵器內(nèi)的氣流更加均勻。

2.3 沉淀極系統(tǒng)

沉淀極材質(zhì)為新型導(dǎo)電玻璃鋼組成，重量輕，具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。外形為正六邊形管狀，呈蜂窩狀緊密排列在一起，模塊化的設(shè)計，極大的節(jié)約了除塵器內(nèi)部空間，提高了按裝效率。沉淀極懸吊在支撐梁上, 并允許在垂直方向上熱膨脹。

2.4 放電極系統(tǒng)

放電陰極線為帶尖刺的合金材料, 并由一定強度的框架來安裝。每個放電極系統(tǒng)均通過箱形絕緣子室內(nèi)的支撐絕緣子來懸吊。此外，每根陰極線底部，設(shè)置一個重錘對陰極線進行進一步拉緊。

2.5 絕緣熱風(fēng)保護系統(tǒng)

濕式除塵器為運行過程中，煙氣為濕法脫硫后的飽和濕煙氣，為防止絕緣子結(jié)露和污染，濕式電除塵上部的絕緣箱及下部的陰極固定器采用熱風(fēng)正壓保護裝置，保證絕緣子絕緣性更可靠。

絕緣子箱內(nèi)部設(shè)加熱裝置及溫度自動控制裝置，加熱均勻，溫度檢測準確，能有效地防止霧氣進入絕緣箱，防止結(jié)露。

2.6 沖洗系統(tǒng)

濕式電除塵器內(nèi)設(shè)一層沖洗管網(wǎng)，可以有效地沖洗陽極表面。沖洗管網(wǎng)正常運行定期沖洗，平均水耗近乎為0，進行分區(qū)沖洗，沖洗頻率為每天完成一次沖洗，每個分區(qū)沖洗時間約1～2min。陽極沖洗管網(wǎng)主要考慮保護陽極所設(shè)置，正常運行時無需開啟。陽極沖洗管網(wǎng)兼做陽極支撐框架。

3 濕式電除塵器工程應(yīng)用

3.1 設(shè)計參數(shù)

山東某電廠超低排放工程新增二級脫硫塔并與塔頂置一臺濕式電除塵器，煙氣經(jīng)二級脫硫塔，進入濕式電除塵器處理后經(jīng)煙道進入煙囪排放，從而達到超低排放標準。

濕式靜電除塵器主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 濕式靜電除塵器主要設(shè)計參數(shù)(1臺爐)

項 目煤 值入口處理煙氣量/m3·h-11750000入口煙氣溫度/℃50出口煙氣溫度/℃50入口粉塵濃度(粉塵+石膏)/mg·m-345設(shè)計除塵效率(含石膏)/%89陽極管/板型式及材質(zhì)導(dǎo)電玻璃鋼絕緣方式熱風(fēng)吹掃殼體設(shè)計壓力/kPa2～3電源(1臺鍋爐)/臺4系統(tǒng)總阻力/Pa≤450出口煙塵濃度/mg·m-3<5(當(dāng)濕式除塵器入口煙塵濃度<45mg/m3時)

3.2 布置方式

在新建二級脫硫塔頂部新增濕式電除塵器：濕式電除塵器設(shè)計在脫硫塔除霧器上部空間，設(shè)備荷載由脫硫塔承擔(dān)，不需要單獨進行土建施工。濕式電除塵器與脫硫塔在同一鋼殼體內(nèi)。脫硫塔設(shè)備安裝時采用頂撐倒裝法，先對脫硫塔的濕式電除塵器鋼殼體部分進行安裝防腐后，從頂部吊裝陽極管束。整體安裝好后頂撐安裝其他部分。脫硫塔殼體頂部需增加濕式電除塵器絕緣箱支承鋼平臺，用于安裝陰極懸吊系統(tǒng)和高壓整流變；濕式電除塵器在上氣室需增加人孔檢修平臺；在下氣室需增加人孔和陰極下框架固定器檢修平臺。

3.3 流場模擬

為了分析濕式電除塵入口煙道方案的流場特性進行CFD模擬，CFD模擬研究對象是從濕法脫硫塔出口彎道至濕式電除塵器出口煙道，研究模型如圖1所示。流休模型的GFD方案設(shè)計及優(yōu)化是基于使系統(tǒng)壓力損失最小，陽極管入口上游氣流速大小分布均勻，速度與垂直方向夾角盡可能小，粉塵濃度分布均勻的原則下對煙道內(nèi)整流部件進行設(shè)計的，通過對濕式電除塵器內(nèi)壓力損失性能、流場均勻性分布，系統(tǒng)內(nèi)灰分分布等模擬結(jié)果的對比分析完成優(yōu)化方案設(shè)計。

圖1 除塵裝置結(jié)構(gòu)圖及導(dǎo)流板安裝位置說明

濕式電除塵器內(nèi)煙氣流場的控制方程式為：

(1)

根據(jù)濕式電除塵器內(nèi)煙氣流動時湍流的情況，采用標準k-ε湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)煙氣的湍流運動。對于濕式電除塵器內(nèi)的管式集塵區(qū)煙氣垂直流動特點，通過將集塵區(qū)看作特殊多孔介質(zhì)進行模擬。其壓降損失模擬公式如下：

(2)

為了模擬實際流場的流動特點，將流動沿水平方向的阻力設(shè)置的非常大，而垂直方向的阻力有限，這樣流動就會只沿垂直方向流動，和實際現(xiàn)象相符。

CFD流體模型根據(jù)工程設(shè)計方案確定，利用Gambit對裝置進行三維建模，采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格對三維模型進行網(wǎng)格劃分。

該模型的邊界條件依據(jù)項目方提供的運行參數(shù)設(shè)置。煙氣入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，出口表壓為一個大氣壓，模型壁面采用標準壁面函數(shù)。計算過程中，為防止壁面非線性發(fā)散，采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 速度分布

圖2是優(yōu)化除塵裝置系統(tǒng)內(nèi)跡線分布。優(yōu)化后內(nèi)部流速分布均勻，無湍流和流動的死角區(qū)域。導(dǎo)流的關(guān)鍵是保證煙氣在進入陽極管區(qū)域上游截面內(nèi)的速度大小分布均勻，并且與垂直方向夾角較小

圖3給出了陽極管入口上游0.5m處的速度分布云圖和矢量圖。從圖中可知，入口速度與垂直方向的夾角很小，能夠保證煙氣垂直流進陽極管。

圖2 煙氣跡線分布

圖3 陽極管入口上游0.5m截面處的速度矢量

為了定量評價速度分布的均勻性，用速度的標準偏差定義了氣流均布系數(shù)的概念。計算結(jié)果顯示氣流均布系數(shù)為13.24%，小于15%。

3.4.2 阻力損失

系統(tǒng)壓力損失主要存在于煙氣轉(zhuǎn)彎段、煙道漸擴段、漸縮段和煙氣沿程的通道等。其本質(zhì)主要由于流動介質(zhì)在流動過程中產(chǎn)生渦流、速度重新分布引起的加速或減速以及介質(zhì)質(zhì)點間劇烈碰撞的動量交換等引起，而減少壓力損失的方法：一是在流通面積或流體運動方向發(fā)生劇烈變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，既可以避免在彎曲處的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)，也可以減少二次流的產(chǎn)生和影響范圍；二是流通面積平穩(wěn)過渡，盡可能采用逐漸擴大或逐漸縮小代替突然擴大或突然縮??；三是適當(dāng)?shù)剡x裝分流板或合流板。在優(yōu)化設(shè)計導(dǎo)流裝置和整流裝置的過程中是基于使系統(tǒng)壓力損失最小，導(dǎo)流板數(shù)目最少的原則下進行的。系統(tǒng)總壓降約為178Pa，其中陽極管部分阻力損失為129Pa。壓力降主要存在于陽極管段和出口段。

4 運行效果及存在問題

經(jīng)過嚴格的施工及調(diào)試，濕式電除塵器運行穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場測試出口煙塵排放濃度均滿足設(shè)計要求，煙塵小于≤5mg/m3，甚至達到2.6mg/m3，系統(tǒng)運行阻力<450Pa，運行電耗小于350kW。

濕式電除塵工程應(yīng)用中存在的問題：

(1)運行電壓低，電流很小，或電壓升高就產(chǎn)生嚴重閃絡(luò)而跳閘。分析其主要原因：絕緣箱或固定器沾水導(dǎo)致絕緣性能下降，在低電壓下閃絡(luò)嚴重；極板、極線積灰，造成擊穿電壓下降。解決措施：提高換熱器溫度檢查換熱器風(fēng)量；沖洗積灰，修復(fù)保溫。

(2)運行電壓較低，二次電流過大。其主要原因：高壓部分絕緣不良；放電極與收塵極間距局部變?。浑妶鰞?nèi)有異物；電纜或終端盒絕緣損壞，泄漏電流；產(chǎn)生反電暈。建議采取相關(guān)解決措施：用搖表測絕緣電阻，改善絕緣情況或更換損壞的絕緣部件；調(diào)整極距，清除異物。同時檢查換熱器和漏風(fēng)情況，清除積灰，改善電纜與終端盒的絕緣，調(diào)整高壓供電方式和清洗周期，調(diào)整煤質(zhì)。

(3)二次電壓接近零，二次電流表指示接近極限值。其主要原因：放電極斷線,造成二極短路；電場內(nèi)有金屬異物；高壓電纜或電纜終端盒對地短路；絕緣瓷柱損壞,對地短路。解決措施：剪掉放電極斷線；清除異物；修復(fù)或更換損壞的電纜和終端盒；修復(fù)或更換瓷柱。

(4)二次電流表指針周期性擺動。其主要原因：放電極框架振動；放電極線折斷,殘余段在框架上晃動。解決措施：消除框架振動；剪掉殘余線段。

5 結(jié)語

(1)濕式電除塵器的收塵效率不受粉塵性質(zhì)影響，能夠解決濕法脫硫后的煙塵排放達到超低排放標準，運行可靠穩(wěn)定。陽極采用導(dǎo)電玻璃鋼陽極材質(zhì)，無水循環(huán)系統(tǒng)，無需堿液沖洗防腐，運行維護費用低。

(2)流場模擬是確保濕式靜電除塵高效穩(wěn)定運行的先決條件，均勻的流場是保證除塵效率的前提條件，對優(yōu)化運行具有重要的作用。絕緣性是濕式靜電除塵器開車的重要條件，濕式電除塵器開車運行前，系統(tǒng)的絕緣性必須保證。

(3)本工程濕電除塵器內(nèi)流場模擬研究對象起始于濕法脫硫塔除霧器上方，包括濕式電除塵器入口、漸擴段、濕式電除塵器主體、濕式電除塵器出口煙道及其內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)等。采用FLUENT軟件包模擬研究了濕式電除塵器內(nèi)的流體流動特性。定性分析了優(yōu)化后濕電除塵器的速度分布特點，云圖和矢量圖顯示速度分布均勻，并計算了滿負荷工況下陽極管入口上游0.5m處的氣流均布系數(shù)。CFD模擬計算優(yōu)化方案在100%運行工況下從進氣煙道到除塵器出口之間的系統(tǒng)總壓力損失分別為178Pa，陽極管部分阻力損失為129Pa。

[1]閆 君.濕式靜電除霧器脫除煙氣中酸霧的試驗研究[D].濟南:山東大學(xué),2010.

[2]蔣海濤,田紹剛,付玉玲,等.濕式電除霧技術(shù)及在燃煤電廠的應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備，2014,1(18):61-64.

[3]薛建明,縱寧生.濕法電除塵器的特性及其發(fā)展方向[J].電力環(huán)境保護,1997,13(3):40-44.

[4]尹連慶,唐志鵬,劉 佳.濕式電除塵器技術(shù)分析[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(3):18-20.

[5]聶孝峰,李 強,李東陽,等.燃煤電廠濕式電除塵(霧)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(4):28-30.

Engineering application of wet electrostatic precipitatator in ultra-low emission control technology in coal-fired power plant

Wet Electrostatic Precipitatator is used in coal-fired power plant in PM2.5pollution control. It introduces the structure characteristic and working principle of WESP. Based on the application of WESP after desulfurization in coal-fired power plant in ultra-low emission, find and solve the problems that arise in the operation of the application and development of wet electric technology provides a reliable support. The entity porous model has been used and grid was refined in the numerical simulation .So that the calculative deficiency in porous media model was surmounted and calculation accuracy was improved .

wet electrostatic precipitatator(WESP);ultra-low emission;engineering application; dust emission

X701.2

B

1674-8069(2017)02-030-04

2016-09-26；

2016-10-13

展茂源(1982-)，男，山東濟南人，主要從事電廠煙氣脫硫、除塵技術(shù)工作。E-mail：zhanmaoyuan@126.com