静电除雾技术在燃煤电厂的应用.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 1 年1 月 华电技术 H u a d i a nT e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 1 1 静电除雾技术在燃煤电厂的应用 林祖涵 中国华电工程 集团 有限公司，北京1 0 0 0 3 5 摘要静电除雾器具有捕集烟气中雾滴和微小尘粒的强大功能，在石化、冶金等行业已有3 0 多年的使用历史。介绍了 静电除雾器的工作原理，论述了静电除雾器在我国的发展状况，针对电厂的使用环境提出了开发高气速高效静电除雾器 的技术关键点，最后指出，静电除雾技术在燃煤电厂中推广应用可为节能减排做出贡献。 关键词静电除雾器；燃煤电厂；高气速；环保 中图分类号X7 0 1 ．2文献标志码B文章编号1 6 7 4 1 9 5 1 2 0 1 1 0 1 0 0 6 5 0 4 O 引言 随着国民经济的迅猛发展，环境污染和生态破 坏日趋严重，国家对大气质量控制越来越严，对除尘 设备的性能和可靠性也提出了更严格的要求。 静电除雾器拥有捕集烟气中雾滴和微小尘粒的 强大功能，尤其是对微细／黏性／高比电阻粉尘、气溶 胶、细小的金属颗粒及二恶英等有理想的捕集效果， 在国内的化工、冶金、建材等行业有着多年成功应用 的业绩，在国外的燃煤电厂中也有近3 0 年的应用 历史。 当前，燃煤机组仍是我国电力行业的主导发电 装置，是我国大气污染的主要来源之一。随着国家 对环保要求的进一步提高，人们对燃煤电厂所排放 的微小污染物、有机污染物、重金属的认识不断加 深，对这些污染物捕集的呼声日益提高。目前，欧美 已经制定了P M 2 ．5 的排放要求，我国将来肯定也要 参照执行，因此，开发应用于燃煤电厂的静电除雾器 技术迫在眉睫。 1 静电除雾器的工作原理 静电除雾器由高压静电装置和除雾器本体组 成，其工作原理与静电除尘器一样，只是沉淀极采用 管束结构，每个沉淀极管对应1 根阴极电晕线。工 作时利用高压静电装置对架设在静电除雾器内的电 晕线施加负的高压电，从而在电晕线和沉淀极管之 间形成不均匀的高压静电场，沉淀极管内各点的电 场强度与该点和电晕线之间的距离成反比。在电场 力的作用下，整个沉淀极管内都形成电晕区，在电晕 区内，高浓度的负离子 电子 从电晕电极源源不断 地向沉淀极管做定向运动从而形成电晕电流。当含 收稿日期2 0 1 0 0 6 一0 7 有水雾及其他污染物的烟气进入沉淀极管时，由于 离子的碰撞和扩散，水雾和污染物荷电，然后在电场 力的作用下迅速抵达沉淀极管内壁并同时释放出电 荷，在沉淀极管内壁形成液膜，液膜在重力作用下流 到静电除雾器下部的集液槽中集中处理，从而达到 捕集烟气中雾滴和其他污染物的目的。与静电除尘 器相比，静电除雾器具有以下3 项优点 1 由于粉尘与水相互交融形成的雾滴具有良 好的导电性，因此，能够收集静电除尘器不能收集的 黏性、高比电阻的粉尘。 2 没有振打装置，不存在二次飞扬问题，也不 存在传动装置容易出故障的问题。 3 能提供几倍于静电除尘器的电晕功率，具 有很高的除雾除尘效率，尤其对于细小的粉尘颗粒、 雾滴、气溶胶、金属颗粒等具有很强的捕集能力。 由于静电除雾器里有液体介质存在且温度在露 点以下，因此选材时必须考虑介质的腐蚀性。 2 静电除雾器在我国的发展状况 我国从2 0 世纪6 0 年代就开始静电除雾器的研 究和应用，但技术进步缓慢，直到2 0 世纪8 0 年代， 随着改革开放的不断深入和对外交流的增多，通过 引进技术和消化吸收，静电除雾器在化工、冶金等行 业的应用得到了突飞猛进的发展，出现了一批专业 制造静电除雾器的公司，目前，已有数百台 套 静 电除雾器应用在不同的行业，积累了丰富的设计、制 造和使用经验。 静电除雾器沉淀极的形状一般为管状，1 台静 电除雾器只有1 个电场，如果需要2 个电场就需要 2 台串联。静电除雾器按沉淀极材质分可为铅静电 除雾器、塑料静电除雾器和玻璃钢静电除雾器3 种。 早期管状沉淀极为铅制，优点是铅的导电性能 好且耐腐蚀，而且由于铅材柔软，在现场加工方便， 万方数据 6 6 华电技术第3 3 卷 所以，铅静电除雾器在2 0 世纪8 0 年代前得到广泛 的应用。 铅静电除雾器也有很多缺点，如为了避免闪络 损坏铅沉淀极，需把电压降低到无火花操作的程度， 除雾效率会有所下降。铅材价格较贵且不能在制造 厂预制成组合件，必需使用大量铅焊工在现场进行 单件逐个组装，劳动效率低下，尤其是铅蒸汽对人体 有害，经常接触铅易发生铅中毒。因此，目前铅制静 电除雾器的使用已逐渐减少，但仍不失为一种技术 成熟且高效的静电除雾设备。 随着石油工业的发展，塑料制品在工业中的应 用逐步普及，从2 0 世纪8 0 年代开始，用硬聚氯乙烯 管替代铅材作为沉淀极的塑料静电除雾器应运而 生。塑料的价格比铅的价格要低很多，而且塑料管 可在闪络范围内的最高电压下操作，闪络不会破坏 硬聚氯乙烯管，因此可用于较高的电压，从而获得比 铅静电除雾器更高的除雾效率。 由于塑料管的刚度和强度都要优于铅管，因此， 塑料管制静电除雾器可以不设置外壳，只是把塑料 管束直接同定在上、下管板之间，上、下管板则与上、 下进出气箱连接，带雾的烟气从下部进气管进入下 进气箱后均匀进入各个沉淀管，在沉淀管内完成除 雾后净烟气经过上出气箱外排完成除雾过程。由于 塑料静电除雾器大部分构件都可以在工厂预制，现 场组装即可，因而安装费用低、精确度高、时间短、效 率高。 塑料制静电除雾器也有其局限性，由于塑料本身 存在容易老化、使用寿命较短的缺陷，尤其是在夏季 强烈阳光下或冬季极端低温情况下管子容易产生裂 纹，因此，使用范围受地区的影响较大，存在一定的局 限性。另外，由于塑料是不良导体，本身不能导电，其 导电性是靠内壁形成的液膜来进行的，但塑料的表面 是疏水的，在其表面很难形成连续的液膜 一般只有 7 0 ％～8 0 ％的表面存在连续的液膜 。尽管在翅料静 电除雾器沉淀极的上部都设有喷淋冲洗装置，在使用 前必须用水喷湿沉淀管内壁，并且其空载伏一安特性 基本与铅电除雾器相同，且在使用一段时间后，塑料 管大部分内表面即具有亲水性，但总有少部分表面存 在不连续的液膜，影响其伏一安特性。 鉴于铅静电除雾器和塑料静电除雾器存在的不 足，2 0 世纪8 0 年代后期，化工行业从日本引进了几 台导电玻璃钢静电除雾器，它克服了一般埋料静电 除雾器需要借助液膜来导电的缺点，沉淀极管采用 导电玻璃钢制作，虽然由于所选材料阻燃性较差等 原因先后发生了2 次火灾事故，但国内的同行们通 过引进技术学习了先进的设计理念，很快设计出了 国产的玻璃钢静电除雾器并广泛使用。 加拿大等国家曾研制过蜂窝式静电除尘器并获 得成功，蜂窝式静电除尘器既具有板式和方管式静 电除尘器沉淀极板内、外两侧表面都被使用的优点， 又具有管式静电除尘器较好的气流分布和电场分布 特性 静电除雾器和静电除尘器都是利用静电高压 沉积原理来捕集微小颗粒的设备 ，因此，如果把蜂 窝型沉淀极的结构应用到静电除雾上，应该有同样 的效果。 要把铅管和塑料管做成蜂窝式的是比较难的， 而使用玻璃钢则很容易做到这一点。蜂窝式沉淀电 极的结构如图1 所示，其具有结构紧凑、尺寸精确、 最大限度利用空间、管壁内／外表面都能有效利用、 能在制造厂直接制作及安装简单等特点。沉淀电极 所用玻璃钢的层状结构从内到外依次为1 层碳纤 维垫 3 0 9 ／m 2 、2 层短切纤维条状垫 4 5 0g ／m 2 、3 层0 ．4m m 厚的玻纤布 3 0 0g ／m 2 以及l 层玻璃表 面垫 5 0 9 ／m 2 ，树脂采用乙烯基树脂，其中含有高 含碳量 9 8 ％ 石墨、阻燃剂等，这种材质的玻璃 钢具有强度高、刚性好、导电性能好、阻燃等优点，具 体性能见表1 。 图l 玻璃钢静电除雾器典型沉淀电极结构 表1 沉淀电极所用玻璃钢的物理性能 沉淀极的长度一般是4m ，电晕电极悬挂于每 根沉淀电极的中心，电晕线与沉淀极管中心线的偏 差不得大于2m m ，其上端固定在阴极框架上，阴极 框架通过吊杠固定在绝缘箱上，下端则通过悬调1 个重锤使电晕线张紧。电晕线仅靠重力拉紧，在低 万方数据 第1 期林祖涵静电除雾技术在燃煤电厂的应用6 7 气速的情况下使用情况良好，但存在着电晕线径向 不固定、容易晃动的缺陷，不适于在气速较高的情况 下使用。 绝缘箱的作用是保证接地的壳体与高压直流电 保持绝缘。根据设备的规模大小，每台静电除雾器 一般配置2 到4 个顶部绝缘箱，由于高压电是通过 绝缘箱的瓷瓶与壳体保持绝缘的，为此，除设置电加 热器外，有时还设置气封和砂封等辅助设施来隔绝 或减少炉气与瓷瓶的接触。气封是在绝缘箱和静电 除雾器本体的连接管上装数个∥8m m 的气孔喷嘴， 在正常运行时，由于设备是在负压下工作，空气由气 孔吸人并喷向绝缘箱中心，空气流封住了烟气流向 瓷瓶的扩散，从而保证了瓷瓶的绝缘性能，被吸人的 空气必须经过过滤、硅胶干燥和蒸汽管加热。砂封 是在绝缘箱内用黄砂填充套筒和壳体之间的环隙， 以阻止烟气进入绝缘箱内。 典型的铅静电除雾器、塑料静电除雾器和玻璃 钢静电除雾器结构如图2 一图4 所示。 图2 铅静电除雾器 3电除雾器在燃煤电厂的应用 在国外，由于静电除雾器的诸多优点和高效简 洁的特点而被喻为“最先进技术”和“最大可完成控 制技术”。在发达国家，静电除雾器在电厂的应用 已有3 0 多年的历史，有近5 0 台静电除雾器在欧洲 诸国、美国、日本等国家的电厂应用。目前，国内大 型燃煤电厂普遍应用湿法脱硫工艺，脱硫吸收塔排 出的烟气经常出现含水偏高等现象，特别是在无烟 气换热器 G G H 湿法脱硫低温吸收塔中，受机械式 除雾器效率的限制，排出的含水量较高的烟气会对 烟囱产生更强的防腐，如果在吸收塔顶部配置1 台 静电除雾器，便可彻底解决该问题。 图3 塑料静电除雾器 尽管静电除雾器在我国有过多年的使用经验， 但多使用在化工、冶金等行业，气速一般在1m ／s 以 下，而燃煤电厂烟气量巨大，如果仍按此气速进行设 计，设备必然庞大甚至无法搁置在吸收塔顶部，因 此，开发高气速高效静电除雾器势在必行。 笔者曾参加过高气速静电除雾器的研制试验， 在老式静电除雾器的气速试验中，当气速大于1 ．0 m ／s 时除雾效率开始下降，当气速大于1 ．2m ／s 时 下降速率迅速加大。从理论上讲，电晕极线的比电 流为0 ．1 5 ～0 ．2 m A ／m 、停留时间为4s 左右就能确 保除雾效率大于9 9 ％，当气速加快、停留时间变短 时，要保证相同的除雾效率就必须加大电晕极线的 比电流。比电流与电晕极线的形式有很大的关系， 因此，在高气速状态下可以通过更改电晕线提高电 晕电线的比电流来维持高效率。 某厂曾经对各种电晕线进行过试验，得出不同 电晕线的比电流，见表2 。 从表2 可以看出，芒刺线的比电流要比最初使 用的六角铅导线的比电流大得多，从国、内外的试验 和实际使用情况来看，使用芒刺线在气速1 ．4m ／s 时除雾效率与使用六角铅导线在气速0 ．8m ／s 时的 差不多。几种主要电晕线结构如图5 所示。 另外一个影响气速的重要因素是电晕极的固定 方式，通过试验可知，气速大于1 ．0 m ／s 时，老式的 万方数据 6 8 华电技术第3 3 卷 I 液体出口 1 ．下气箱{ 2 ．气体分布装胃3 ．下部电晕框架4 ．蜂窝状玻璃钢沉淀极； 5 ．电晕电极；6 ．上部电晕框架；7 ．上部喷淋装置；8 ．上气箱；9 ．绝缘箱 图4 玻璃钢静电除雾器 表2 不同电晕线比电流 I R A ／I l l 电晕线悬吊装置开始摇晃，为了避免电晕电极线在气 流的作用下产生晃动，可以在电晕线下部采用张紧固 定装置，对电晕线做横向和纵向的双向约束固定，这 样可以确保电晕线在较高气速下保持稳定，保证电压 和电流在个合理的范围内，确保除雾效率。 具体办法是在电晕线下方设置高气速电晕线固 定框架，所有的电晕线都固定在这个框架上，然后再 把框架固定住，使整个电晕电极形成一个整体，确保 在高气速下将电晕线偏心控制在较小的范围内，从 而保持高的除雾效率。 电晕线固定框架的固定方式有2 种刚性梁连 一Ih ．] 旷 计 - 1 { 广_ ] r f1 _ 1 r - ] r - ] | r ] r 一『『] ] 广 竹 _ ] j 广_ _ 1 - I V r * 幸协协 a 六角芒刺线b 四角芒刺线c 二角芒刺线d 六角铅导线 图5 几种主要的电晕线结构形式 接和绝缘箱连接。 刚性梁连接是根据沉淀极管的数量设置2 到4 根刚性梁，刚性梁穿过的那根沉淀极管的内径要大 一点，电晕线螺旋缠绕在刚性梁上以保证整台设备 的异极距不变，通过刚性梁把上、下电晕框架连成一 个整体，从而使整个电晕电极的刚度大大增加。因 此，即使气速达到3 ．0m ／s ，仍能保证电晕线的径向 摆动在允许的范围之内。 绝缘箱连接是在静电除雾器壳体外沿周向均布 3 个张紧绝缘箱，张紧绝缘箱上的张紧拉杆与电晕 线固定框架固定，通过调整张紧绝缘箱上的张紧拉 杆把电晕线框架牢牢固定住。张紧绝缘箱的结构与 顶部绝缘箱类似，也需设置热风吹扫装置。 以上2 种结构形式均得到试验验证并在具体的 生产中得到了应用，实践证明，在气速高达2 ．0m ／s 的工况下是稳定可靠的。 4 结束语 虽然我国对静电除雾器的研究起步较晚，但发 展迅速，经过多年的技术积累和应用，已经掌握了设 计和制作大型的、适用于燃煤电厂的高气速静电除 雾器的技术。随着国家对环保要求的不断提高、总 颗粒物排放控制的日趋严格以及选择性催化还原 S C R 脱硝和湿法脱硫技术的不断应用，静电除雾 器这一能够有效控制微细颗粒和酸雾等复合污染物 排放的先进技术将在燃煤电厂中推广应用，将极大 地提高我国环保设备装备水平，解决环保设备改造 难题，为节能减排做出贡献。 编辑刘芳 作者简介 林祖涵 1 9 6 5 一 ，男，福建莆田人，高级工程师，从事电厂 脱硫、除尘等方面的设计研究 E ．m a i l l i n z h c h e c ．c o r n ． 3 1 1 。 万方数据 静电除雾技术在燃煤电厂的应用静电除雾技术在燃煤电厂的应用 作者林祖涵， LIN Zuhan 作者单位中国华电工程集团有限公司,北京,100035 刊名 华电技术 英文刊名WATER CONSERVANCY ELECTRIC POWER MACHINERY 年，卷期2011,331 本文链接