论高浓度电除尘技术方案的优化

作者：平顶山电收尘器厂 陈晓明

欢迎访问e展厅 展厅 3 环保设备/水处理设备展厅 噪音控制, 紫外线杀菌器, 反渗透装置, 粉尘过滤器, 除尘器, ... 摘 要：本文通过对高浓度烟气粉尘在电除尘器内分布情况的深入分析和 粉尘收集过程的系统阐述，揭示了电除尘处理高浓度烟气的可行性，提出了ESP处理高浓度烟气技术方案的优化途径。并就电除尘器与袋式除尘两种处理高浓度烟气方案的技术经济性作了简明对比。 关键词：高浓度电除尘 电晕封闭 净化通道 高压电控 1 课题的提出 燃煤锅炉尾气的含尘浓度一般在50 g/Nm3以下,干法水泥生产线窑尾烟气含尘浓度不超过80g/Nm3，以前工业窑炉尾气含尘浓度均低于100g/Nm3，人们将含尘浓度高于100 g/Nm3的烟气视为高浓度烟气。现代先进的水泥生产工艺则将生料粉全部经电除尘收集后再送去预热、分解和煅烧，其烟气含尘浓度可达500-1000g/Nm3。循环流化床脱硫技术为获得很高的脱硫效率,要求CaO、Ca(OH)2通过多次循环与烟气充分接触以提高脱硫效率、降低钙硫比，脱硫塔内的烟气含粉浓度在1000g/Nm3以上，而进入除尘器的含尘浓度也可达600-1000g/Nm3。按传统的电除尘理论和实践，这么高浓度的含尘烟气如直接进入电场必产生电晕封闭而几乎没有除尘效果，故不能直接选用电除尘进行处理。然而，国内外的实践已经证明电除尘处理浓度高达1000g/Nm3的烟气不再是不可能的事了。在此，我们有必要重新认识和探讨有关问题并寻求正确答案: 1、高浓度烟气进入电场后是否必定会产生电晕封闭?产生电晕封闭的条件究竟是什么？采取何种措施才能克服电晕封闭？ 2、目前已投入使用的高浓度电除尘器与普通电除尘器有哪些不同? 3、已有高浓度电除尘技术方案有哪些不足之处？如何进一步完善和优化高浓度电除尘技术方案? 4、用于处理高浓度烟气的其它除尘方案与电除尘方案相比，哪一种方案更有优势？ 2 关于电晕封闭问题的反思 2．1 电晕封闭的存在条件 关于电晕封闭现象，人们曾有过实验和理论方面的验证。设有密度为? 2.7g/cm3的粉尘，烟气中的含尘浓度为c（g/Nm3），粉尘计算粒径为d（μm）,颗粒为球形，其浓度也可表示为? 6c*1E+12/2.7/(πd3) (颗/Nm3)，则异极间距为0.2m时,某一极间通道单位高度、单位长度内的颗粒数为0.14c*1E+12/d3(颗)，每一颗粒互不重叠时粉尘颗粒对极板的总投影面积为0.11c/d(m2)，当? c=100g/Nm3、d=10μm时，其值为 1.1m2；c=200g/Nm3、d=20μm时，其值同样为1.1m2，从而形成对极板面积的覆盖。当浓度更高及粒径更小时，还会形成多层覆盖。即便是单层覆盖，电晕区内产生的负离子就不能直接穿透烟气层而到达极板，此即产生了电晕封闭。在此，我们曾假定电场横断面上各处的几何条件与物理条件完全均匀一致。然而，实际电场并不能严格遵循几何物理条件的一致，因而出现电晕封闭的浓度和粒径存在一个范围。 2．2 高浓度烟气及其粉尘在电除尘器内的运动 用于处理高浓度烟气的电除尘在进气口内均设有预除尘装置，无论其具体结构形式如何，均产生两个效果：其一，通过惯性碰撞除去部分粗颗粒粉尘，使含尘浓度有所降低，这类预收尘装置的除尘效率可达20-40%；其二，惯性碰撞未能去除而又随烟气一起进入电场的粉尘，由于重力作用向下沉降，根据粒径和所处位置不同，粉尘在进入电场之前，沉降的速度和高度各不相同，从而造成烟气进入电场后，含尘浓度及颗粒级配沿高度方向极不均匀。显然，电场上部的浓度低且颗粒细，电场下部的浓度高且粗颗粒所占比重大，然而即使是低浓度区域的含尘浓度仍将达到100甚至300g/Nm3以上，电晕封闭现象的存在是不争的事实。 在电场周边，为防止烟气旁路而设置的挡风板（或称阻流板）将迫使烟气进入电场后产生涡流，该处实际流速极低以致粉尘质量颗粒流量可能低到足以消除电晕封闭、产生放电通道的程度；内部结构因素及制造安装误差等因素也将造成某些通道流速的不均匀；此外，极间距离及电极几何形状的不一致在任何通道内都将存在。 众所周知，放电的产生与烟气流速、含尘浓度、极间距、电极几何形状等多种因素均有直接关系。在此，烟气流速、异极间距、电极形状以及电源电压的影响都很显著。前已述及，电场高度方向上的浓度差异极大。电场上部粉尘浓度偏低，再加上电场内部的种种不均匀因素，给某些区域降低阻抗、解除电晕封闭、形成放电通道创造了条件。对给定的电场几何条件，在场强足够的情况下，某些区域首先克服动态气体与烟尘的联合阻抗、形成放电通道和电晕电流，使烟气得到净化（称之为净化通道），又由于对流传质作用，高度方向邻近区域的烟气浓度被稀释从而也开始出现电晕电流，净化速率加快，这种效应沿气流方向迅速扩张和延伸，直至波及电场全高。另一方面，初时未形成放电通道的区域也并非完全没有电晕电离产生，只不过离子的迁移在粉尘颗粒的重重围困下暂还无法穿透极间粉尘屏障而形成电晕电流罢了。实际上，只要有强电场存在，就会有电晕电离产生。随着烟气向后流动，电晕区附近荷负电的粉尘在紊流条件下按照概率向阳极输运并吸附于极板从而使烟尘浓度得到一定程度的降低；与此同时，电晕区附近未荷电的粉尘在较强的不均匀电场作用下产生极化并与荷正电的粉尘一起迅速趋向阴极，也在一定程度上使烟尘浓度减小。经过一定距离，当烟尘浓度降到一定程度时，电晕封闭逐渐解除，也开始出现电晕电流——此即电晕封闭条件下的烟气净化过程。 然而，由于重力沉降及清灰降落的粉尘源源不断地向下向后迁移，因而放电通道和净化通道的扩展以及粉尘浓度降低的速率在电场下部进展缓慢。相反，电场上部的含尘浓度迅速而显著地下降，因此，在前级电场面后上部区域必出现强烈的电弧放电，表现为电场闪络频繁，二次电流、电压大幅度波动，电场输入功率不稳。很显然，电场注入功率的大小直接影响电晕封闭出现的范围，从而影响到电场整体功能的发挥，电压电流的大幅度波动必将导致电晕封闭出现的范围不断地随时间发生着较大的变化，该电场分级除尘效率将无法达到应达到的指标。 高浓度电除尘技术方案的优化 3．1 高浓度电除尘与普通电除尘的差异 我们考察已经投运的高浓度电除尘，有一点颇具共性，即在进气口内均设置有预除尘装置。除此之外，有的高浓度电除尘在内部构件的配置上确有一些特殊的方面，但也有的电除尘内部结构和外部配置与常规电除尘没有什么实质性差别，却也能获得预期的效果，这不能不使人怀疑我们以前掌握的关于电晕封闭的理论是不是错了。其实，通过前面的分析而知，只要设备规格足够大，高浓度电除尘总能达到预期的除尘效果，并非没有出现电晕封闭，而是电晕封闭现象在电场内会沿着电场方向逐渐消失。但这并不是说高浓度电除尘无需进行技术方案的优化，人们完全有必要从设备投资造价和运行维护费用等方面对其进行优化设计。 3．2 内部结构方案的优化 我们已经知道，以常规配置（极距、线距、电极形状、高压电源）的电除尘也能够处理高浓度烟气，只是由于前级电场沿电场方向烟尘浓度相差悬殊，放电与荷电情况极不均匀，空间的有效利用率较低，电场内的大部分区域仍发生事实上的电晕封闭，但这一事实被已经存在的放电通道及其扩展区域所反映出来的电流所掩饰而难以觉察。 前已述及，改变电场条件能够克服电晕封闭。首先，缩小极间距将会产生有利的影响，但若极间距缩小很多将使设备重量及造价增加许多，故不可取。线间距缩小的方案也可一试，估计效果并不明显（高浓度条件下由于电晕封闭现象的存在，线距在一定范围内减小对电晕电流分布的影响可以忽略）。目前技术方案的优化重点在于合理确定电极布置形式、增大电场强度、改变流速分布状态使之与电场要求相适应。 改变电极布置形式的目的在于提高平均场强和增大电场整体的输入电流，使得整个电场都能形成净化通道。考虑到电场内部烟气含尘浓度极不均匀（整个电场内沿高度和长度方向的浓度变化都非常显著），对浓度高、电晕封闭严重的电场前部及下部区域，为加速其净化通道的形成，电极放电尖端应当又尖又长。理想的电极布置应按浓度变化情况沿电场高度和长度方向连续变化，这在实际上难以做到，事实上也没有必要。由于净化通道扩展的趋势，在电场始端沿电场高度只要形成一定数量的净化通道，就足以在较短的时间和行程内把净化区域扩展到高度方向整个区域。但电场下部区域由于清灰沉降的原因，沿电场方向烟尘浓度递减缓慢，因而该区域可全部布置成放电强烈的电晕线。 粉尘的重力沉降和清灰降落过程使得高浓度区域向下向后推移，势必增加后续电场的负荷和不利影响。为了减轻这种影响，加速粉尘的降落，缩短其向后迁移的路程，在前级电场的终端设置节流墙，使电场下部的烟气流速降低，即可达此目的。 3．3 高压供电装置的选择 高浓度区域离子迁移率很低，电场要求有较高的电场强度，供电电源的二次电压必须相应提高并且得到保持。常规高压电控装置采用火花频率跟踪方式，这大大限制了电晕功率的提高。在浓度高且分布极不均匀的条件下，局部区域放电强烈，而更大的区域却放电微弱，总体上显示电流正常闪频很高，电控装置则频频关闭导通角，降低运行电压，放电通道因而缩小，电晕封闭范围扩大，影响了净化通道的形成和发展，除尘效率随之降低。要提高除尘效率必须增大并保持放电通道，有效提高电晕功率。在常规电控和给定电场条件下，应当提高电源的电压等级、最大限度地增大许可闪络频率、合理设置清灰周期。在此，恒流高压电控装置以其特殊的控制特性而受到关注。恒流源电控具有正反馈、全波导通的特性，工作状态下能够抑制电流的大幅波动和电场闪络，不是靠人工现场调整与设定，而是依靠电路自身的特点自动根据电场阻抗的变化连续改变输入电压而保持输出电流不变。当电场内出现电弧放电时，恒流电控自动降低输出电压以抑制电弧放电的进一步发展，由于电压恢复时间短，电压表的变化幅度很小以致实际看上去没有什么变化，这跟可控硅电源关闭导通角大幅度降低电压电流截然不同。这样，电场能够获得必需并且必要的电晕功率，保证放电通道持续畅通。显然，电场运行电压居高平稳，除尘效率的提高是不言而喻的。 对于后级电场，随着烟气浓度的降低，电场阻抗减小，电场内各点的放电通道皆已形成，总体阻抗下降，闪弧基本消失，运行参数平稳，电场完全进入常规收尘状态，电场结构与电源控制可按常规配置。值得一提的是，即使在常规收尘状态，在长期运行过程中，电场内部条件将随着时间的推移而逐渐恶化，最常出现的问题是运行电压电流有不同程度的降低，这是由于板线附灰后电场阻抗及电极电性能发生变异的缘故，如采用恒流源电控装置，则能忽略这种影响而长期保持恒定的电流输入，从而长久保持预期的除尘效率。 4 电除尘与袋除尘处理高浓度烟气的技术经济性比较 在适用的条件下，优化的电除尘方案可以取得很高的经济技术指标及性能价格比。 高浓度电除尘的出现本身就是以节约能源为标志的。正因为如此，重力除尘和惯性除尘因其能耗高而除尘效率难以进一步提高已失去其存在的价值。袋式除尘器以其高的除尘效率业已显示出强大的生命力。尤其是近年来，滤料及清灰技术发展迅猛，更显出其无所不能的优势。袋除尘处理高浓度烟气也已成为现实。为此，高浓度烟气除尘的方案选择值得一比： 对大型电除尘来说，设备重量与集尘极面积的比值约为32千克每平方米，高浓度电除尘比收尘面积低于100m2.s/m3。大型袋除尘设备重量（钢结构件）与过滤面积的比值约为25千克每平方米，高浓度袋除尘气布比不超过1.0 m3/s/㎡。则每立方米的烟气处理的投资额为（滤料选用耐高温、抗酸碱、抗褶皱的复膜滤料，每平方米价格为￥220元。钢结构件按5500元/吨计算）： 电除尘： 32*100*5.5=17600元每立方米每秒烟气 袋除尘: (25*5.5+200)*60/1.0=20250元每立方米每秒烟气 可见，即使把高压电源和控制费用加进去，袋除尘器的设备投资仍高于电除尘器。 运行维护费用方面，袋除尘器需定期更换滤袋，电能消耗基本持平，电除尘仍占有优势。 如果考虑电除尘方案优化的因素，其优势更为明显。 5 结论 由于净化通道的存在，电除尘能够克服高浓度条件下出现的电晕封闭现象而获得期望的除尘效果。技术上的优化以全面开辟净化通道、减轻高浓度区域向后续电场的迁移、提高有效电晕功率、长期保持较高的除尘效率为目标。估计优化后的高浓度电除尘器总的除尘面积可降低15%左右，造价降低10%左右。在粉尘性质适用的条件下，用电除尘处理大气量高浓度烟气占有明显的优势。 参考文献 1．The HVDC Current Source for ESP, Chen,Yuyuan, Proceedings of ICESPⅦ, pp363-368 2．不同电源供电对电除尘器的伏安特性的影响，陈宇渊，第八届全国电除尘学术会议论文集 2003、6、25(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/10/2008)