低低溫電除塵選型方法及中試應(yīng)用

朱錦杰，趙海寶，趙金達(dá)

(浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

我國燃煤電廠煙塵經(jīng)歷了“十二五”期間的50 mg/m3到30 mg/m3再到10 mg/m3的排放要求[1]，現(xiàn)已進(jìn)入“超低排放”政策的收官階段[2]，低低溫電除塵技術(shù)已成為我國燃煤電廠的主流技術(shù)和“標(biāo)配”設(shè)備，成為推動(dòng)我國火電廠超低排放的最重要力量。由于低低溫電除塵技術(shù)的運(yùn)用目前尚存在些許不足，如煙塵、SO3的協(xié)同脫除機(jī)理不明[3]，缺少準(zhǔn)確可靠的選型設(shè)計(jì)方法，對(duì)高灰劣質(zhì)煤很難達(dá)到超低排放等[4]。因此，亟需設(shè)計(jì)基于實(shí)際煙氣工況的中試裝置，為深入研究低低溫、旋轉(zhuǎn)電極電除塵技術(shù)提供試驗(yàn)條件。

1 中試平臺(tái)及主要技術(shù)參數(shù)

為開展燃煤電站污染物近零排放技術(shù)集成研究，在國華三河電廠建立50 000 m3·h-1實(shí)際煙氣的全流程煙氣污染物控制中試平臺(tái)，見圖1。

在圖1中，煙氣由三河電廠3號(hào)機(jī)組省煤器后引出，經(jīng)過中試平臺(tái)后最終排入3號(hào)機(jī)組引風(fēng)機(jī)出口匯流煙道，中試平臺(tái)入口對(duì)應(yīng)煙氣流量為50 000 m3·h-1(350 ℃煙氣溫度)，進(jìn)入電除塵器中試裝置煙氣流量為32 221 m3·h-1(90 ℃煙氣溫度)。

中試平臺(tái)煙氣流程為：3號(hào)爐省煤器出口→脫硝前煙氣冷卻器(GGH)→脫硝系統(tǒng)(SCR)→脫汞系統(tǒng)→脫硝后一級(jí)煙氣冷卻器→脫硝后二級(jí)煙氣冷卻器→低低溫電除塵器(ESP)→引風(fēng)機(jī)→高效脫硫系統(tǒng)(WFGD)→濕式機(jī)電耦合除塵器→3號(hào)機(jī)脫硫塔入口，中試平臺(tái)通過“低低溫+旋轉(zhuǎn)電極”電除塵器控制煙氣粉塵含量并協(xié)同控制其他污染物。

中試平臺(tái)設(shè)計(jì)煤種的煤、灰主要成分如表1所示。低低溫電除塵中試裝置入口煙氣參數(shù)及性能要求如表2所示。

表1 設(shè)計(jì)煤種的煤、灰主要成分

表2 ESP中試裝置入口煙氣參數(shù)及性能要求

2 電除塵中試裝置選型

電除塵性能影響因素如圖2所示，包括工況條件、電除塵技術(shù)狀況和運(yùn)行條件[5]。

對(duì)于工況條件，電除塵器選型時(shí)主要考慮煤、飛灰成分對(duì)除塵效率的影響，瑞典的S麥茲在1964年使用了表觀驅(qū)進(jìn)速度ωk的概念[6]，提出了電除塵器效率計(jì)算公式：

η=1-e-(ωk·A/Q)k

(1)

式中k——常數(shù)。

由于麥茲公式中的表觀驅(qū)進(jìn)速度ωk很難計(jì)算，故該公式實(shí)用性不強(qiáng)[7-9]。在麥茲公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合移動(dòng)電極、低低溫電除塵技術(shù)對(duì)表觀驅(qū)進(jìn)速度的影響，以實(shí)際除塵效率反推ωk，根據(jù)國內(nèi)50種典型煤種及200多種混煤的應(yīng)用分析和統(tǒng)計(jì)，得出通過煤種的除塵難易性分析來選擇電除塵器比集塵面積的簡(jiǎn)易選型設(shè)計(jì)方法，如表3和表4所示。該選型設(shè)計(jì)方法充分考慮了煤、灰成分對(duì)電除塵效率的影響，簡(jiǎn)化了電源、極配對(duì)除塵效率的影響，具有操作性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)。

表3 干式電除塵器比集塵面積簡(jiǎn)易選型方法

電除塵器對(duì)煤種的除塵難易性評(píng)價(jià)方法參見表4。表3中：a，b，c分別表示出口粉塵含量限值為30，20 ，15 mg/m3時(shí)的電除塵器比集塵面積；“-”表示不推薦干式電除塵技術(shù)。在表3中，比集塵面積為電除塵器入口粉塵含量不大于30 g·m-3時(shí)的數(shù)值，當(dāng)大于30 g·m-3，表中比集塵面積酌情分別增加5～15 m2·(m3·s-1)-1。

對(duì)電除塵中試裝置進(jìn)行選型，電除塵器入口粉塵含量最大為15.735 g/m3。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)煤種煤、灰成分，代入表4。表4中，“容易”對(duì)應(yīng)的序號(hào)2橫欄成分含量均滿足條件，因此，該煤種的除塵難易性評(píng)價(jià)為“容易”。將表4得出的難易性平均結(jié)果代入表3，得出推薦的電除塵器比集塵面積為≥110 m2/(m3/s)。表4中，序號(hào)橫欄成分含量均滿足條件時(shí)，可判斷對(duì)應(yīng)的難易性。

表4 煤種除塵難易性評(píng)價(jià)表

考慮中試平臺(tái)需進(jìn)行高灰劣質(zhì)煤種的試驗(yàn)，存在入口粉塵含量大于30 g·m-3的試驗(yàn)工況。根據(jù)表3，比集塵面積增加10 m2·(m3·s-1)-1。因此，電除塵中試裝置選型結(jié)果為：比集塵面積大于120 m2·(m3·s-1)-1。

電除塵中試裝置主要技術(shù)參數(shù)如表5所示，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

表5 電除塵中試裝置主要技術(shù)參數(shù)

3 氣流分布均勻性模擬及設(shè)計(jì)

氣流分布是影響電除塵器除塵性能的主要因素之一[10-12]，小型電除塵器氣流均勻性對(duì)除塵效率影響更大。為有效提高電除塵中試裝置的氣流均勻性，通過在電除塵器進(jìn)口處布置導(dǎo)流板，并借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行氣流分布模擬試驗(yàn)，從而保證電除塵器電場(chǎng)區(qū)氣流均勻分布。

根據(jù)電除塵器本體結(jié)構(gòu)，建立幾何1∶1模型，并簡(jiǎn)化煙氣為不可壓縮牛頓流體，入口煙道處煙氣速度均勻分布。電除塵器內(nèi)通道上下間隔0.6 m設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)，橫向每個(gè)通道設(shè)置一列取樣點(diǎn)，第一電場(chǎng)入口共計(jì)56個(gè)取樣點(diǎn)，第五電場(chǎng)出口共計(jì)49個(gè)取樣點(diǎn)。將計(jì)算模型離散化，采用六面體劃分網(wǎng)格，生成網(wǎng)格如圖4所示。

進(jìn)口采用速度邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，進(jìn)口喇叭處的導(dǎo)流葉片、陽極板、頂梁、電場(chǎng)及灰斗擋風(fēng)板、出口槽形板等采用固體壁面邊界條件。電除塵器內(nèi)氣體雷諾數(shù)Re為104數(shù)量級(jí)，選擇k-ε兩方程湍流模型，并結(jié)合動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程作為控制方程，以變量的殘差變化監(jiān)視計(jì)算的收斂性。

在進(jìn)口喇叭內(nèi)設(shè)置三層分布板，開孔率分別為45%，36%，36%，出口喇叭內(nèi)設(shè)置單層槽形分布板，開孔率為17%，以初始方案為基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)口喇叭內(nèi)的導(dǎo)流葉片位置和出口喇叭槽型氣流分布板間隙進(jìn)行局部調(diào)整，最后優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由于該項(xiàng)目進(jìn)口喇叭分布板開孔率較高，采用多孔板結(jié)構(gòu)無法滿足強(qiáng)度要求，因此，將多孔板改為扁鋼網(wǎng)板，可滿足開孔率和強(qiáng)度要求。

電場(chǎng)區(qū)取樣截面氣流分布均勻性σr計(jì)算值為0.15，可滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶不大于0.2的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

(1)提出了一種簡(jiǎn)易的電除塵選型設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)電除塵設(shè)計(jì)規(guī)范化、精準(zhǔn)化奠定了基礎(chǔ)。

(2)三河電廠中試平臺(tái)及電除塵中試裝置已完成了安裝調(diào)試，為進(jìn)一步驗(yàn)證電除塵器簡(jiǎn)易選型設(shè)計(jì)方法和氣流均勻分布優(yōu)化方法，以及下一步的“低低溫+旋轉(zhuǎn)電極”電除塵技術(shù)深化研究提供了試驗(yàn)條件。