張子冰，季旭東，劉祥，陳學(xué)功

（浙江大維高新技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

我國是水泥生產(chǎn)與消費(fèi)大國，2018 年水泥產(chǎn)能約占世界的50%以上。在水泥生產(chǎn)過程中排放的大氣污染物主要有粉塵、SO2、NOX、CO 等，這些污染物的危害極大，一直受到國家環(huán)境保護(hù)部門的極大關(guān)注。 全國的環(huán)保企業(yè)和水泥廠為了達(dá)到氮氧化物的排放要求做了大量的試驗(yàn)，電廠、鋼廠的主流脫硝技術(shù)是SCR， 但是水泥廠SCR 技術(shù)還處于初步階段。水泥窯SCR 的主流技術(shù)分為三種：高溫電除塵器+SCR；高塵SCR；金屬濾袋+SCR。目前這三種技術(shù)在水泥窯上應(yīng)用最多的是高溫電除塵器+SCR。

1 水泥窯煙氣特點(diǎn)

當(dāng)前水泥窯C1 出口煙氣溫度基本在320 ℃左右，粉塵的粒徑細(xì)、粘度大，含塵濃度在60～100 g/Nm3，粉塵比電阻高， 且含有酸、 堿氧化物等腐蝕性氣體，給除塵增加了難度。

電收塵作配套SCR 脫硝技術(shù)的預(yù)收塵時(shí)，其收塵效率達(dá)到70%即可， 故在設(shè)計(jì)時(shí)采用兩電場的結(jié)構(gòu)，減少占地面積和投資成本。

2 電除塵的技術(shù)及特點(diǎn)

（1）合理的布置方式。

常規(guī)電除塵器作為預(yù)收塵作用時(shí)， 采用的是橫向布置，增大一電場截面積，但是當(dāng)一個(gè)電場出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)煙塵短路，大量的粉塵不經(jīng)過荷電直接進(jìn)入后面的反應(yīng)區(qū)， 給SCR 催化劑帶來非常大的壓力。 根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，我們采用縱向兩電場的布置，這樣使流通的煙氣經(jīng)過了更長的通道，萬一出現(xiàn)某個(gè)電場故障時(shí)，可以保證煙塵還能經(jīng)過另外一個(gè)電場， 不會(huì)造成煙塵的短路，給反應(yīng)區(qū)催化器造成的壓力就不會(huì)太大，不會(huì)引起催化劑的堵塞。同時(shí)，一電場可以做為沉降室，降低高頻電源的使用功率， 也會(huì)降低很多電耗成本，而且一電場的振打揚(yáng)塵會(huì)在二電場有個(gè)很好的收集作用，可提高電除塵器的收塵效率。 這在高濃度粉塵的工況條件下顯得尤其重要。

（2）增大比集塵面積提高除塵效率。

一般情況下除塵效率跟比集塵面積有著很大的關(guān)系， 適當(dāng)增大比集塵面積可以提高收塵效率。因此， 比集塵面積值是在大量工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，依據(jù)多依奇公式，采用理論加經(jīng)驗(yàn)的方法得出。 比集塵面積對(duì)于實(shí)現(xiàn)除塵目標(biāo)具有決定性意義。

（3）選擇合理的極配形式提高除塵效率。

根據(jù)入口粉塵濃度高及灰份中比電阻較高等特點(diǎn)，合理選擇相適應(yīng)的極板、極線和極配形式，可提高除塵效率。在高溫、高粉塵下極間距的選擇也很重要。通常情況下，同級(jí)間距在400 mm，在高溫高塵高風(fēng)速下，為了避免輕微的變形影響升壓，根據(jù)場地及溫度等實(shí)際情況，同級(jí)間距選擇在420～450 mm。

（4）增加滑動(dòng)支座避免熱變形。

水泥窯C1 出口的煙氣溫度在280～350 ℃，設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)合理性外，還必須考慮熱膨脹。如何解決電除塵器由于熱膨脹產(chǎn)生的熱變形就顯得相當(dāng)重要。 對(duì)此，設(shè)計(jì)時(shí)除塵器僅有一個(gè)固定支座，其他的均是單向支座和萬向支座（圖1），當(dāng)除塵器產(chǎn)生熱膨脹時(shí)，這些滑動(dòng)支座產(chǎn)生周向延伸，從而避免了熱變形的產(chǎn)生。

圖1 除塵器支座

（5）采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的氣流分布裝置。

均勻的氣流分布結(jié)構(gòu)，能夠使電除塵的收塵達(dá)到很好的效果。我們采用的是三層進(jìn)口氣流分布結(jié)構(gòu)、均布加導(dǎo)流的形式。使用CFD 計(jì)算機(jī)氣流模擬技術(shù)，使氣流達(dá)到最大的均勻性。 為了配合進(jìn)口處的氣流分布板進(jìn)行更好的氣流分布，在出口處加裝出口槽形板，成迷宮型布置，進(jìn)一步優(yōu)化整體的氣流均布效果。 且出口槽形板同樣可作為收塵極，對(duì)尾部逃出的粉塵也有一定的收集作用。

（6）專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的抗高溫能力。

根據(jù)幾年來高溫及大型電除塵器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程的具體情況，特別是對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)的電除塵器，內(nèi)部梁柱受力的均勻性和穩(wěn)定性特別需要引起注意， 桁架結(jié)構(gòu)/四角承托結(jié)構(gòu)技術(shù)解決了大跨度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和強(qiáng)度問題，從而使電除塵器能在設(shè)計(jì)荷載和溫度條件下安全可靠運(yùn)行。陽極板都是采用懸掛結(jié)構(gòu)， 極板底部限位的長板，開口留有足夠的空間以應(yīng)對(duì)極板的高溫伸長變形。

（7）陽極板中部及底部固定方式。

通常情況下，陽極板中間部位固定采用極板卡子。用小卡子將陽極板一塊一塊地連接起來。 極板卡子跟極板之間會(huì)留有一定的空隙，方便卡子卡進(jìn)陽極板。 但是在這種高風(fēng)速狀態(tài)下，陽極板可能出現(xiàn)大的擺動(dòng)，導(dǎo)致極板容易脫開卡子，時(shí)間一長造成變形，影響升壓。我們改進(jìn)這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用中間腰帶結(jié)構(gòu)，兩根扁鋼將陽極排固定在一起，在極板的邊側(cè)擋風(fēng)槽的位置開孔然后用螺栓連接，不要在中間開孔連接螺栓，否則會(huì)造成螺栓靠近極線容易放電。 這種結(jié)構(gòu)可以使陽極排形成一個(gè)整體，不會(huì)因?yàn)橹虚g部分的變形影響整個(gè)電場的穩(wěn)定運(yùn)行。

極板底部固定的方式采用凹凸套夾住極板，再用兩根扁鋼穿螺栓固定極板。 采用兩根扁鋼是為了最大化地節(jié)約材料。 但是在高溫除塵器上，這也有個(gè)很大弊端--容易變形。 在高溫時(shí)，材料的強(qiáng)度下降，扁鋼本來就容易變形，然后在長期高溫運(yùn)行下，由于陽極振打錘不斷敲擊，時(shí)間一長，扁鋼變形導(dǎo)致整個(gè)陽極排的變形，影響升壓效果。 我們采用的是角鋼加扁鋼的固定方法，角鋼整體的強(qiáng)度比扁鋼大，不易變形，而且容易校直。

（8）采用高溫專用瓷套。

普通瓷適用于溫度100 ℃左右， 當(dāng)溫度高于100 ℃時(shí)，絕緣性能急劇下降，高溫專用瓷套的工作溫度超過450 ℃。 高溫瓷套的基本性能：抗彎強(qiáng)度大于3 430 N/cm2、抗壓強(qiáng)度大于3 920 N/cm2；電擊穿強(qiáng)度能經(jīng)受電壓10～14 KV/mm；熱穩(wěn)定性為試樣在800 ℃至20 ℃情況下， 經(jīng)受10 次試驗(yàn)不發(fā)生裂紋和崩裂；斷面承載能力39.2 N/mm2。高溫瓷套無論是在溫度還是強(qiáng)度上都適用于該高溫電除塵器。

（9）固定極線的框架增加伸縮空間。

通常情況下，電場的極線分為幾層。 極線與框架之間的連接方式，采用承插式結(jié)構(gòu)，把極線包含在連接件內(nèi)。 框架上開孔為腰孔，極線上端開孔為圓孔，方便固定，下端開孔為腰孔，采用螺栓連接。螺栓不宜固定太緊， 能夠讓極線有自由活動(dòng)的空間，這樣增大了極線在高溫下的變形空間。 然后將螺帽處焊死，防止在長期的活動(dòng)下螺栓松脫，極線脫落會(huì)導(dǎo)致短路。采用此種結(jié)構(gòu)后，不會(huì)出現(xiàn)掉線、斷線現(xiàn)象，大大提高了正常投運(yùn)率。

（10）瓷套的加熱保溫措施。

除塵器在負(fù)壓下運(yùn)行，剛點(diǎn)窯時(shí)，進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度低、負(fù)壓低，加上瓷套本身溫度較低，也可能有水汽，此時(shí)煙塵容易吸附在瓷軸和絕緣子上，如果此時(shí)進(jìn)入的煙塵濕度比較大，在瓷套表面極易產(chǎn)生結(jié)露，特別是頻繁的啟窯關(guān)窯。 這時(shí)如果除塵器開始升壓投運(yùn)，則容易產(chǎn)生瓷套、瓷軸被高壓擊穿，或者出現(xiàn)爬電現(xiàn)象，導(dǎo)致除塵器不能穩(wěn)定運(yùn)行。 常規(guī)做法是采用電加熱的方法，使瓷套溫度升高，不產(chǎn)生結(jié)露。 但是剛開始點(diǎn)窯時(shí)，負(fù)壓低，粉塵的吸附問題得不到解決。我們采用的方法是熱風(fēng)吹掃加電加熱的雙重保護(hù)。 給瓷套、瓷軸設(shè)置熱風(fēng)吹掃裝置（圖2），用風(fēng)機(jī)將加熱爐產(chǎn)生的熱風(fēng)吹入保溫箱，瓷套頂端端蓋開設(shè)一些小孔，使熱風(fēng)在小孔內(nèi)達(dá)到25 m/s 的速度往內(nèi)吹掃。 這樣可以使油霧與低溫進(jìn)入不到瓷套和瓷軸所在空間， 不僅可以使瓷套提前緩慢升溫， 而且可以對(duì)瓷套的內(nèi)壁形成粉塵清掃作用。 此外對(duì)絕緣子小室采用加熱器單獨(dú)加熱，并設(shè)置溫度控制器，一方面保證了絕緣子保溫桶內(nèi)溫度的可靠性及穩(wěn)定性， 另一方面由于加熱范圍減小， 有效地延長了電加熱器的壽命。 在窯爐正常后，根據(jù)絕緣子保溫桶內(nèi)監(jiān)測的溫度情況，關(guān)閉加熱爐或者加熱器其中的一種，可減少電除塵器的耗電。

（11）選擇合適的電源。

針對(duì)水泥窯煙氣中高粉塵、 高比電阻的情況，選擇合適的電源就顯得尤為重要。 在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，推薦使用高頻電源。

3 高溫電除塵器與普通電除塵的對(duì)比

高溫電除塵是水泥窯SCR 配套預(yù)收塵的電除塵，普通電除塵是常規(guī)用于水泥窯窯頭或者電廠的電除塵。高溫電除塵器與普通電除塵的不同與相同點(diǎn)如表1 所示。

表1 高溫電除塵器與普通電除塵的區(qū)別

圖2 絕緣子加熱及瓷套吹灰

4 結(jié)語

SCR 技術(shù)在電力、鋼鐵、化工等行業(yè)已成功運(yùn)行多年，是實(shí)現(xiàn)脫硝超低排放的主要技術(shù)，在國內(nèi)外均有成功應(yīng)用案例。 在水泥窯現(xiàn)有SNCR+分級(jí)燃燒的基礎(chǔ)上加裝SCR 是NOX實(shí)現(xiàn)超低排放的穩(wěn)定保障。配套SCR 脫硝技術(shù)作預(yù)收塵時(shí)，從占地面積和投資成本考慮，電除塵是目前的首要選擇。