大型燃煤電站電袋復合除塵器的應用研究

姚宇平，王 勇，趙錫勇，柳敬獻，毛 寧，李曉穎，李叔然，曾宇翾

（1.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800；2.東北大學，沈陽 110004；3.浙江大學，杭州 310058）

大型燃煤電站電袋復合除塵器的應用研究

姚宇平1，王 勇1，趙錫勇1，柳敬獻2，毛 寧2，李曉穎3，李叔然3，曾宇翾3

（1.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800；2.東北大學，沈陽 110004；3.浙江大學，杭州 310058）

對大型燃煤電站電-袋復合除塵技術進行了較全面的分析研究，如氣流組織最優方案確定、脈沖噴吹系統選型及參數優化、粉塵荷電對濾料阻力的影響及高壓電源的優選等。研究表明對電袋復合除塵器來說，袋式除塵區采用階梯式布置是一種較為理想的氣流組織方式，活塞式脈沖閥具有更好的清灰性能，粉塵的荷電有助于減小除塵設備的阻力，三相電源的性能優于單相電源。

電袋復合除塵器;氣流組織;脈沖清灰;粉塵荷電;大型燃煤電站;電源

1 概述

我國是目前世界上最大的煤炭生產國和消費國。至2010年底，我國發電裝機容量已突破9.5億kW，其中火電為7億kW，占73%左右。

目前，我國在役燃煤機組配用的除塵設備以電除塵器為主，但由于現在電廠燃用的煤種復雜多變及電除塵器對煤、灰的敏感性，以及對PM2.5的微細粉塵去除效率不高等問題，特別是30mg/Nm3的粉塵排放標準即將出臺，我國燃煤電站的電除塵技術將面臨新的挑戰。

電袋復合除塵器結合了電除塵和袋式除塵各自的優勢，具有極高的除塵效率，是目前最受關注的先進除塵技術之一，也是控制粉塵排放尤其是PM2.5排放最有效的手段。本文介紹了2007年科技部關于大型燃煤電站電-袋復合除塵技術與裝備的科研項目的部分研究內容。

2 電袋復合除塵器的結構特點

電袋復合除塵器是電除塵和袋式除塵機理有機結合的一種新型高效除塵器（見圖1）。其工作機理是，通過前級電場捕集80%左右的粗粉塵，剩余的粉塵則由堆積在濾袋上的荷電粉餅層捕集。

電袋復合除塵器主要由進口煙道、封頭、殼體、陽極板、陰極線、高壓電源、濾袋、振打機構、脈沖清灰系統、凈氣室、出口煙道、導流裝置及鋼支架等部件構成。

電袋復合除塵器起源于美國，但大規模的推廣應用卻是在我國。目前，我國已有上百套電袋復合除塵器在燃煤電廠運行。經過近幾年的工程應用，證明電袋復合除塵器具有如下優點：1）整機除塵效率不受煤種變化、煙塵成分及比電阻變化的影響，可穩定滿足排放濃度≤30mg/Nm3的要求；2）電凝并作用有助于捕集PM2.5；3）濾袋運行負荷低，清灰周期長，有助于延長濾袋壽命。

圖1 電袋復合除塵器示意圖

3 研究內容

目前，國內外多家企業開發出形式不一的電袋復合除塵器，性能差異很大，主要因為未能從整個除塵工藝的角度對電袋復合除塵器進行深入的研究。這樣不僅為電袋復合除塵器的正常運行埋下了隱患，還嚴重影響其整機性能的提升。為了發揮電袋復合除塵器的性能特點，確保其運行效果，需對除塵器內部氣流組織，高壓電源選型、濾袋清灰技術、粉塵荷電后濾料的動態過濾性等關鍵技術展開研究。為此，本項目采用了實驗室模型試驗、CFD數值模擬、中試平臺熱態煙氣試驗等多種方法對以上關鍵技術進行深入的研究。

3.1 氣流組織最優化方案

電袋復合除塵器內部的氣流組織是其核心技術。氣流分布的好壞直接關系著電除塵效率、清灰效果、濾袋壽命及整機阻力等關鍵技術指標。

含塵煙氣從煙道經電袋復合除塵器收塵直到引風機排出的整個流程，主要有封頭內部、塵氣室及出口煙道三個需進行氣流分布設計的關鍵點。于是從如下幾個方面對電袋復合除塵器的氣流組織進行了研究。

近來CFD數值模擬技術在除塵器氣流分布設計上獲得了廣泛的應用。本課題也采用CFD數值模擬技術對電除塵區的氣流均勻性、沖刷速度及流量均衡等方面進行了研究。為了快速確定氣流組織的基本形式，采用了小規模試算及1：1實尺模擬兩種方式。

3.1.1 小規模試算

為了減小計算規模，快速確定整體氣流組織形式，建立了一個小型的模型。在同等初始條件下，對比袋室水平布置和錯層布置這兩種模型的氣流分布結果，從而確定電袋復合除塵器的整體氣流組織形式（常規式水平速度云圖見圖2， 臺階式水平速度云圖見圖3，常規式上升速度云圖見圖4，臺階式上升速度云圖見圖5）。

圖2 常規式水平速度云圖

圖3 臺階式水平速度云圖

圖4 常規式上升速度云圖

圖5 臺階式上升速度云圖

從圖2、圖3的水平速度分布云圖可看出，錯層式電袋復合除塵器水平速度較常規式電袋復合除塵器的氣流更均勻且沒有出現局部高速，這可有效減小濾袋因粉塵沖刷引起的磨損。

從圖4、圖5可以看出，錯層式的濾室布置方式類似在下面布置了一個漸縮煙道，煙氣較均勻的進入各個濾室，而常規方式的上升速度過大且分布很不均勻，這會造成濾袋的清灰困難。并且有可能局部區域煙氣速度過大，造成濾袋提早破損。將兩種氣流分布方式的數值模擬數據進行對比，按順氣流方向分別按濾室1、2、3進行編號，計算結果見表1。

表1 兩種方式上升流量對比

從表1可以看出，錯層式氣流組織方式使上升氣流的流量發生了很大的改變。由于一共是3個濾室，在每個濾室的流量均勻的情況下，1個濾室的煙氣流量（包括水平流量和上升流量）應占除塵器總流量的33.3%。表1可見，若采用常規方式，濾室2與濾室3的上升流量分別為32.1%和29.8%；采用階梯式布置后，兩者分別下降到21.2%和18.7%。也就是說，對于濾室2與濾室3，如采用常規方式，約90%以上的氣流從底部進入，而采用錯層式布置后，上升氣流的比例下降到60%左右。這樣，通過氣流分布優化設計，后2個濾室的上升氣流速度下降了約1/3，且3個濾室之間的上升氣流也變得均勻多了。這有利于提高袋除塵區的清灰效率，也有利于延長濾袋的使用壽命。

3.1.2 實尺模擬

圖6是根據某大型電站采用階梯式布置的電袋復合除塵器按照1：1建立模型，并進行計算獲得的中間截面速度分布云圖。

圖6 電袋復合除塵器中間截面水平速度云圖

從圖6可以看出：通過封頭及內部布置多孔板及導流片等裝置使煙氣流速從進口煙道處的15m/s左右下降到靜電區1m/s左右，且煙氣速度的均勻性較好。

煙氣在靜電區和濾袋區這一過渡區域變得十分復雜，通過特殊的濾袋布置及導流裝置對該區域的氣流進行合理分布，使煙氣對濾袋的沖刷速度保持在設計值之內，可避免濾袋因磨損而提早損壞。

從圖7的垂直速度云圖可以看出，濾袋區絕大部分的氣流上升速度均在2m/s以下，還有一些區域的煙氣速度是向下的，這均有利于濾袋清灰時粉塵下落到灰斗中。盡管在2個濾室之間的區域存在一些速度較高的區域，但通過加裝阻流裝置就可以將其控制。氣流分布的優化設計為電袋復合除塵器的可靠運行奠定了良好的基礎。

圖7 電袋復合除塵器中間截面垂直速度云圖

3.2 脈沖清灰系統選型及參數優化

清灰技術是電袋復合除塵器的核心技術之一。目前國際上最主要的清灰方式是脈沖噴吹，主要由脈沖閥、儲氣包、均流噴管及脈沖噴吹控制系統組成。

影響脈沖噴吹效果的因素很多，主要是脈沖閥的性能、噴吹管及噴嘴的設計、噴吹參數的選擇。為了對不同廠家、不同規格的脈沖閥進行優選，設計出噴嘴流量均勻的噴吹管，進行脈沖噴吹控制參數的最優化試驗，開發出可進行以上試驗的脈沖噴吹系統的模擬試驗裝置（見圖8）。

圖8 脈沖噴吹試驗平臺示意圖

通過對安裝在濾袋上的壓差傳感器測得的數據分析（如圖9），對不同的試驗方案進行對比來得到最優的脈沖噴吹系統運行參數。包括脈沖閥優選、最優噴吹距離確定、均流噴管設計及最優脈沖寬度等試驗項目。

圖9 采樣點測試結果示意圖

3.2.1 脈沖閥優選

為保證結果具有可比性，脈沖閥優選試驗在脈沖信號寬度100ms、氣包壓力0.2MPa下進行測試。以壓力下降速率，單次噴吹氣量（耗氣量）為判斷標準，對目前國際上5個知名廠家的7個產品及國內廠家的2個產品進行了比較。將脈沖閥按噴吹管口徑分，其中#1、#2為4′閥，其它均為3′閥；按結構形式分，#1、#3為活塞式，其它為膜片式脈沖閥。各種閥門測得的氣包壓力下降曲線匯總如圖10。

圖10 9種脈沖閥的氣包壓力曲線

從圖10可以獲得氣包壓力下降速率和單次噴吹氣量。其中氣包壓力下降率反映了脈沖閥單位時間的噴吹氣量，是判斷脈沖閥性能的最重要的指標，單次噴吹氣量只是在某種程度上反應了脈沖閥的性能。按照壓力下降率對9種脈沖閥排序，結果見表2。

表2 0.2MPa氣包初始壓力下9種脈沖閥排序

從表2可以看出，各種閥之間有較大的性能差異。若按同等口徑的脈沖閥進行比較，#1和#3的脈沖閥性能最優。這說明活塞式脈沖閥的清灰能力要大于同等口徑的膜片式脈沖閥。該測試結果可作為電袋復合除塵器脈沖閥優選的重要依據。

3.2.2 噴嘴-袋口最優距離

由于“擴散角”及“二次引流”現象的存在，噴嘴至濾袋口的距離與壓縮空氣對濾袋的清灰能力有明顯的影響。通過安裝在濾袋上的4個壓差傳感器測得的峰值壓力來獲得噴嘴至袋口距離與清灰強度的關系，從而獲得最優噴吹距離。

從圖11可看出，不同測點上的壓差峰值與噴嘴至袋口的距離并不是線性關系，但都呈似拋物線狀，這就說明其有一個極大值，也就是噴嘴至袋口距離有一個最優值。從圖11也可知，該噴吹系統的最優噴吹距離應該是250mm左右，因此將250mm作為該噴吹系統的最優噴吹距離。

圖11 不同測點上壓差峰值與噴嘴至袋口距離關系

3.2.3 均流噴吹管

由于沿噴嘴方向出去的高速氣流是由噴吹管內壓縮氣體的靜壓產生的，而噴吹管內的靜壓不是線性的，因此為保證脈沖噴吹管上每個噴嘴噴出的壓縮空氣能量相當，只能通過調整噴嘴的大小來使每個噴嘴的出氣量均勻。通過對比安裝在測點1的壓差傳感器上的壓差數據，最終確定了均勻性較好的噴嘴規格。

相比常規噴吹管，大小經過優化的 22個噴嘴在濾袋上產生的壓差均勻性有了明顯的改觀。壓差最大值與最小值偏差在200Pa左右（見圖12）。根據實際經驗，這么小的偏差不會對濾袋壽命產生太大的影響。

圖12 常規-均流噴吹管噴嘴測點1壓差對比

3.2.4 脈沖寬度與清灰性能的關系

在脈沖信號寬度為25ms時，脈沖閥根本沒有動作，濾袋上也就不會有壓力產生。脈沖寬度分別為50ms和75ms時，盡管絕大多數是發生動作的，但也有一定概率的“啞炮”現象發生。從表3可以看出，脈沖寬度與清灰時濾袋上受到的壓差并沒有直接的關系。所以，在實際應用中，可選擇脈沖寬度為100ms，這樣不僅保證了脈沖閥的工作可靠性及良好的清灰性能，而且可在最大程度上避免壓縮空氣的浪費。

表3 脈沖寬度與測點壓差關系

3.3 粉塵荷電對濾料阻力的影響

濾料動態過濾性能測試裝置通過反復的過濾—清灰過程來模擬濾袋在現場的工作狀態，從而評價其過濾性能。為了評價荷電粉塵的過濾特性，在常規的濾料動態試驗裝置內加裝了電暈線，以考察電袋復合除塵器運行時粉塵荷電對濾料阻力等方面的影響（見圖13）。

圖13 濾料動態試驗平臺原理圖

3.3.1 荷電電壓對濾料阻力的影響

分別采用滌綸針刺氈濾料及滌綸防靜電針刺氈濾料研究粉塵荷電電壓與濾料阻力特性的關系。

從圖14可以看出，在相同的粉塵負荷下，荷電粉塵的阻力低于未荷電粉塵的阻力，且隨著荷電電壓的升高，這種現象更趨明顯。這是由于帶有電荷的粉塵堆積在濾料表面時，由于同種電荷的相斥作用，導致形成的粉餅層較為疏松所致。在電袋復合除塵器中，這種現象有助于減小設備的阻力和清灰次數。

圖14 不同荷電電壓下，滌綸針刺氈濾料的粉塵負荷-阻力關系曲線

將滌綸濾料做防靜電處理后進行試驗的結果見圖15，可看出此時粉塵是否荷電對防靜電濾料阻力特性影響不大。這是由于荷電粉塵堆積到濾料表面后，隨著電荷的釋放，粉餅層的結構也變得和未荷電時相同所致。

圖15 不同荷電電壓下，滌綸防靜電針刺氈濾料的粉塵負荷-阻力關系曲線

3.3.2 濾料類型對荷電效果的影響

圖16是未加電壓條件下，PPS、P84、滌綸及滌綸防靜電濾料的粉塵負荷與阻力之間的關系曲線。可以看出，除P84濾料顯示出了特別低的阻力外，其余3種濾料的阻力特性差別不大。

圖16 未加電壓情況下濾料類型對阻力的影響

圖17是在施加10kV電壓的條件下，粉塵被荷電后PPS、P84、滌綸及滌綸防靜電四種濾料的粉塵負荷與阻力之間的關系曲線。可以看出，這四種濾料的阻力特性有了很大區別。在10kV荷電電壓下，阻力的增長由快到慢的順序是：滌綸防靜電濾料＞滌綸濾料＞PPS＞P84。該結果說明，在選擇電袋復合除塵器的濾料時，濾料的導電性能也應予以關注。

圖17 10kV電壓情況下濾料類型對阻力的影響

3.4 高壓電源優選

目前，應用在電除塵器上的高壓電源按類型分為單相電源、高頻電源、三相電源及脈沖電源等。為選出適合電袋復合除塵器用的電源并獲得該電源的最優運行參數，在浙江諸暨八方熱電廠建立了最大煙氣量可達40,000m3/h的電袋復合除塵器中試平臺，可以在熱態煙氣條件下進行各種試驗，也包括對電源的試驗。并設置了兩種電源：單相電源和三相電源。在電源不供電、單相電源不同電壓供電及三相電源不同電壓供電三種情況下，測試電袋復合除塵器的排放濃度和運行阻力變化，以間接判斷電源優劣并獲得適合電袋復合除塵器的最優控制方式。電袋復合除塵器中試平臺基本參數見表4。

表4 電袋復合除塵器中試平臺基本參數

為了準確評估電源對電袋復合除塵器電場區除塵效率的影響，采用電子低壓撞擊器ELPI（見圖18）進行PM10在線分級除塵效率評估。

3.4.1 電場區PM10分離級除塵效率

電袋復合除塵器中的電除塵位于前部，用于收集大部分粉塵，減少袋式除塵器的入口粉塵濃度。圖19、 圖20為單相電源與三相電源分別在不同工作電壓下靜電區分離級除塵效率比較曲線。

圖18 ELPI測量原理圖

從圖20可以看出，在一定的煙氣流速下，無論是三相電源還是單相電源，電源電壓越高，靜電除塵效率越高。在粒徑0.1～1μm區間，電除塵效率為最低。

圖19 單/三相供電條件下電場區PM10分離級除塵效率（煙氣流量40,000m3/h）

圖20 單/三相供電及振打/非振打條件下電袋復合除塵器整機PM10分離級除塵效率

三相電源有效提高了電除塵的工作電壓，最高可以達到70kV，而單相電源只能達到55kV。另外，即使在同樣的工作電壓下，三相電源的除塵效率要明顯高于單相電源除塵。

3.4.2 電袋復合除塵器整機PM10分級除塵效率

電袋復合除塵器整機的分級除塵效率，包括袋式除塵清灰或不清灰的2種工況。

從圖20可以看出，電袋復合除塵器整機具有極高的除塵效率，PM10分級除塵效率受電源類型或電源電壓的影響大幅度減小，這是因為電袋復合除塵器的粉塵排放主要取決于袋式除塵部分。

電袋復合除塵器中，若電場的電壓為0，電袋復合除塵器相當于袋式除塵器。從圖20也可以看到，此時除塵器仍具有很高的除塵效率，但略低于施加電壓后的電袋復合除塵器。但是，若電場的電壓為0，袋式除塵區又在清灰，除塵器的效率下降，特別是亞微米粒子的排放非常明顯；同樣條件下，若電場施加電壓，除塵器則仍有極高的除塵效率。也就是說電袋復合除塵器對控制PM2.5的排放比單純袋式除塵器具有更好的效果。

4 結論

通過大量試驗研究，得出如下結論：

（1）運用CFD數值模擬技術對電袋復合除塵器內部的氣流進行合理的組織，設計出最佳的濾袋布置方式及導流裝置，使得電區的氣流均勻性、粉塵對濾袋的沖刷速度及上升速度均在合理范圍內，保證了濾袋及清灰工作的可靠運行。

（2）通過在脈沖噴吹試驗平臺上的大量試驗，不僅得到了目前國際上主流脈沖閥性能對比數據，開發出均流噴管，還獲得了噴嘴-袋口最優距離、最佳脈沖寬度等關鍵的運行參數。為清灰系統的可靠、高效運行提供了重要依據。

（3）通過在濾料過濾性能檢測裝置上進行的荷電粉塵對濾料阻力的大量試驗，得到了荷電電壓、濾料類型對電袋復合除塵器阻力等方面性能的影響，為電袋復合除塵器濾料選擇、電袋復合除塵器運行電壓設定等方面提供了重要的依據。

（4）電袋復合除塵器中試平臺上的電源對比試驗表明，三相電源性能優于單相電源，電袋復合除塵器對PM2.5也具有極高的去除效率。

Study on Electrical and Bag-hose Complex Precipitator in Big-sized Coal-fired Power Station

YAO Yu-ping1, WANG Yong1, ZHAO Xi-yong1, LIU Jing-xian2, MAO Ning2, LI Xiao-ying3, LI Shu-ran3, ZENG Yu-xuan3
(1.Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd, Zhuji Zhejiang 311800;2.Dongbei University, Shenyang 110004; 3.Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The article analyzes and studies on electrical and bag-hose complex precipitating technology in big-sized coalfired power station, such as best scenario confirmation of airflow form, mode selection and parameter optimization of pulse and spray system etc. The research shows that the ladder allocation in bag hose precipitating area is an idea airflow form mode,the pulse valve with piston mode bears the better dust cleaning performance, load electricity of dust can help to reduce the resistance of precipitating equipment and the capability of three-phase power supply can precede the single-phase power supply.

electrical and bag-hose complex precipitator; airflow form; dust cleaning of pulse; load electricity of dust;big-sized coal-fired power station; power source

X701.2

A

1006-5377（2012）01-0042-07