燃煤電廠濕式電除塵器工程化應(yīng)用設(shè)計之探討

唐飛翔 沈海濤 廖達琛 葛春亮 劉文櫸

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

近年來，霧霾天氣的頻發(fā)已對人們居住環(huán)境造成了不利的影響，同時對居民的健康產(chǎn)生了威脅。細顆粒物（PM2．5）是形成霧霾的重要因素，目前我國一次能源消費結(jié)構(gòu)以煤為主，煤在燃燒的過程中會產(chǎn)生各種氣態(tài)污染物和顆粒物，因此降低燃煤電廠煙氣中細顆粒物的排放尤為重要。為了進一步提升煤電的高效清潔發(fā)展水平，2014年9月，國家三部委聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，要求新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到或接近燃氣輪機組排放限值[1]。

濕式電除塵器作為一種高效的除塵設(shè)備，能有效去除細顆粒物和SO3等污染物，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)外燃煤機組的煙氣排放系統(tǒng)中[2][3]。目前，國內(nèi)燃煤機組應(yīng)用的濕式電除塵器布置方式主要有臥式和立式兩種，由于臥式濕式電除塵器基建投資較低，除塵效率較高，因此在市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位[4]。現(xiàn)關(guān)于介紹臥式濕式電除塵器工作原理的文獻較多[5][7]，但針對其詳細設(shè)計思路及方法的資料普遍缺乏，不利于深入了解及推廣應(yīng)用。

鑒于以上情況，本文以某600 MW超臨界燃煤機組上安裝的臥式濕式電除塵器為例，對其設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)特點展開論述，為進一步優(yōu)化工程奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計方法及參數(shù)選取

濕式電除塵器的設(shè)計與入口煙氣量、除塵效率、收塵面積、煙塵的驅(qū)進速度等參數(shù)有關(guān)。目前，國內(nèi)外采用的設(shè)計依據(jù)是經(jīng)典的多依奇公式[8]

式中：η為除塵效率；

A為收塵面積；

Q為處理的煙氣量；

ω為煙塵的驅(qū)進速度，該值一般通過類比法及試驗法得到。

由上式得知，當收塵面積A愈大，煙氣量Q愈小，除塵效率愈高。此外該公式還表明除塵效率和電場長度成正比，這意味著在同一臺電除塵器內(nèi)，單位電場長度的除塵效率相等。除塵效率一定時，除塵器的尺寸與驅(qū)進速度成反比，與處理的煙氣量成正比。

在電除塵器中，通常收塵面積A及處理煙氣量Q是根據(jù)電廠燃煤有關(guān)資料確定，因此除塵器運行效率的高低是與煙塵的驅(qū)進速度ω有極大的關(guān)系。主要的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 臥式濕式電除塵器的設(shè)計流程

為使燃煤機組排放的煙氣粉塵含量達到超低排放的標準，通常在煙氣脫硫系統(tǒng)末端設(shè)置濕式電除塵器。綜合考慮除塵設(shè)備尺寸大小、制作安裝施工等各種因素，一般600 MW及以上的燃煤機組設(shè)置兩臺濕式電除塵器，300MW及以下燃煤機組根據(jù)變負荷的需求，設(shè)置一臺或者兩臺濕式電除塵器。本工程布置兩臺臥式濕式電除塵器，具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 單臺臥式濕式電除塵器的設(shè)計參數(shù)

2 設(shè)計內(nèi)容

通過給定以上參數(shù)，即可對濕式電除塵器進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計。濕式電除塵器本體的結(jié)構(gòu)主要包括鋼框架、進出口煙道、灰斗、氣流均布板、陰極線及框架、陽極裝置、噴淋裝置和平臺走道等。設(shè)計成品外形如圖2所示。

圖2 臥式濕式電除塵器結(jié)構(gòu)圖

2.1 進（出）口煙道、灰斗

臥式濕式電除塵器的進出口煙道作為煙氣通道，工作工況類似于燃煤電廠普通煙道，設(shè)計標準可依據(jù)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》配套設(shè)計計算方法（DL/T 5121-2000）。煙道壁板厚度一般為6mm，壁板外表面加固肋選型及間距、內(nèi)撐桿的設(shè)置根據(jù)煙氣壓力和煙道截面尺寸而定。因煙道內(nèi)表面與煙氣接觸需做防腐處理，材料選用玻璃鱗片。

灰斗作為收集除塵廢水的裝置，通常布置在除塵器的底部，一般由6 mm厚鋼板及加固肋拼焊成中間帶管接口的錐形結(jié)構(gòu)，灰斗的數(shù)量根據(jù)除塵器尺寸和電場數(shù)量選取，本工程一臺臥式濕式電除塵器設(shè)置4個灰斗。

2.2 氣流均布板

在影響濕電除塵凈化效率的因素中，煙氣流在電場內(nèi)是否均布對除塵效率至關(guān)重要。濕煙氣經(jīng)脫硫系統(tǒng)后在進入濕式電除塵器電場前，煙氣流一般分布不均勻，通常在濕電進口煙道里面設(shè)置一層氣流均布板，以提高煙氣流的均勻程度進而提高除塵效果。針對本工程煙道結(jié)構(gòu)布置及煙氣參數(shù)，通過流體動力學(xué)軟件的分析，確定當氣流均布板開孔率為51%，氣流分布均方差小于0．15時煙氣進入電場的效果較好。由于進口煙道的截面尺寸較大，為便于加工制作，氣流均布板將分成若干個均流格柵模塊，每個模塊通過周邊的角鋼及中間的鋼板拼焊而成，結(jié)構(gòu)如圖3所示?？紤]到煙氣的腐蝕作用，氣流均布板材質(zhì)選用316L或者PVC板材。

圖3 單個均流格柵板模塊結(jié)構(gòu)

2.3 陰極線及框架

陰極線（放電極）及框架作為臥式濕式電除塵器的核心部件之一，對設(shè)備性能和安全穩(wěn)定運行具有重要影響。針對放電極放電能力弱、壽命縮短、制作流程復(fù)雜，且放電尖端為焊接形式，在運行過程中容易掉落等問題，本工程采用的陰極線為芒刺線，該芒刺線由兩段半圓管組成，每段半圓管上帶有交錯的放電尖端，在兩端各開有1個沖孔。放電尖端與半圓管為一體成型，非焊接型式，可避免放電尖端掉落，整體剛性強，簡化了制作工序；兩段半圓管通過碰焊形成一個放電極，碰焊點少且均勻布置，可保證放電極的整體強度和密封性，降低了在潮濕環(huán)境中腐蝕的可能性。該放電極的材質(zhì)為316L，一個放電尖端布置有四個放電點，四個放電點錯位分布，分別指向兩側(cè)陽極板，放電點的長度因位置不同而有所差異，通常為8～14 mm，厚度為0．7 mm，放電點長且細，起暈電壓低、放電強烈且電暈電流密度大，能實現(xiàn)在潮濕惡劣環(huán)境中的高效放電。

陰極框架作為高壓電引入的載體，一個電場主要由前后兩個大框架及固定在其上的若干個小框架組成，其中，固定陰極線的小框架由鋼管構(gòu)成，上面布置有開圓孔的鋼塊，放電極與鋼塊之間通過螺栓連接為一整體。大框架主要由支撐槽鋼和夾持裝置構(gòu)成，高壓電通過頂部吊桿引入到大框架上，在吊桿與大框架的連接處采用偏心布置，使吊桿處于連接處的外沿，增加了吊桿與小框架的間距，保證絕緣距離，避免了放電現(xiàn)象的發(fā)生。大小框架之間通過夾持裝置連為一體，小框架限制了大框架的前后移位，大框架則限制了小框架的左右移位，使整個放電極及其框架穩(wěn)固，可經(jīng)受高速煙氣流的沖刷而不發(fā)生移位或抖動，提升了濕電的運行可靠性和安全性。結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 陰極線及框架結(jié)構(gòu)

2.4 陽極裝置

陽極裝置是一種將在電場力作用下移動的細顆粒吸附在其極板上的集塵裝置，主要由若干陽極板及夾板等一些附屬部件連接而成，因其表面完全暴露在濕煙氣中，為了提高抗腐蝕性，其材質(zhì)選用316L等不銹鋼。在濕式電除塵器的安裝過程中，陰極線與陽極裝置的放電間距不易控制，距離偏大時達不到效果，偏小時易擊穿陽極板發(fā)生漏電現(xiàn)象。針對這一常見情況，本工程通過在頂部絕緣子H型鋼大梁翼緣設(shè)計限位雙角鋼，灰斗上部設(shè)計卡槽，以達到對陽極裝置端部精準定位目的，如圖5所示。通常，為保證足夠的集塵面積，陽極板截面尺寸應(yīng)盡可能大，出于經(jīng)濟性考慮其厚度方向尺寸選取較小，本工程陽極板厚度選用1．2 mm。為使陽極板在工作過程中不因外力產(chǎn)生變形，寬度方向采用C形翻邊結(jié)構(gòu)，極板表面布滿交錯設(shè)置的貫通的大溝槽，以達到增強剛度的目的，同時保證形成穩(wěn)定的水膜，避免溝流等現(xiàn)象，陽極板截面如圖6所示。

圖5 陽極裝置定位圖

圖6 陽極板截面圖

2.5 噴淋裝置

濕式電除塵器通過噴淋裝置對陽極板進行噴水沖刷，使得聚集在陽極板上的粉塵顆粒物沿著自上而下的水流被沖洗掉。相比于干式電除塵器，因無振打清灰裝置，可以避免二次揚塵，達到更高的除塵效率。

噴淋裝置位于濕式電除塵器中段頂部，除塵水由一側(cè)進入噴淋管道，在噴淋管道上沿縱向（垂直與煙氣氣流方向）安裝噴嘴。本工程單臺除塵器安裝5排管道，每排管道設(shè)置50個空心噴嘴，覆蓋率為200%以上。單個噴嘴的流量為7．3 L/min，壓力為0．15 MPa。噴淋裝置布置如圖7所示。

圖7 噴淋裝置布置圖

2.6 平臺走道

平臺走道作為臥式濕式電除塵器的附屬組成部分，一般分為外部平臺和內(nèi)部走道。為了檢修維護方便，外部平臺通常設(shè)置在人孔門、噴淋管道閥門及高頻電源處，材質(zhì)選用碳鋼。濕式電除塵內(nèi)部由于空間有限，一般在灰斗四周和進出口煙道與灰斗交界處設(shè)置走道，因其完全置于煙氣中，內(nèi)部走道材質(zhì)選用316L。

3 結(jié)論

（1）本文以某工程上應(yīng)用的臥式板式濕式電除塵器為例，詳細介紹了其設(shè)計思路，并對主要構(gòu)成部件進行了選型優(yōu)化，在一定程度上提高了除塵效率，同時增強了該設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性。

（2）此燃煤機組自2016年7月投運以來，該臥式濕式電除塵器出口煙氣粉塵排放濃度始終低于5 mg/Nm3，達到了煙氣超低排放的要求，為日后這一設(shè)備的進一步推廣應(yīng)用具有借鑒意義。

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