湿式静电除尘器技术在超超临界机组的应用

林欢

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

引言

为提高空气质量，改善大气环境，2014年9月，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》。计划指出：“东部地区在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米，中西部地区鼓励接近或达到燃气轮机组排放限值。因厂制宜采用成熟适用的环保改造技术，鼓励加装湿式静电除尘装置”[1]。因而湿式静电除尘器在大型燃煤机组得以应用。

锅炉主蒸气温度达到或超过600℃称为超超临界机组。与超临界机组相比，超超临界机组的热效率高1.2%～4%。一年可节约优质煤6000吨。超超临界机组是一种高效、先进的发电技术，不但节约能源，而且能在一定程度上控制环境污染。

湿式除尘器与干式除尘器的工作原理相同，都是电晕放电、粉尘荷电、粉尘收集、清灰四步。水雾喷向集尘极生成液滴、液膜或气泡。放电极放电产生电晕场，水雾荷电后，粉尘粒子被电场力、荷电的水雾碰撞、吸附、拦截、凝聚，最后被连续水膜冲刷到灰斗中排出。湿式静电除尘器技术工作原理如图1。湿式除尘器设备简单、制造容易、收尘效率较高，对处理高温高湿粉尘、PM2.5微细粉尘、酸雾、有毒重金属等都非常有效[2～4]，近年来被广泛用于燃煤电厂和钢铁工业超低排放中微细颗粒物的去除。

图1 湿式静电除尘器技术工作原理图

1 工程概况

某电厂项目作为省内第一个超低排放的示范项目，采用脱硫、脱硝、除尘一体化技术。为实现超低排放，采用低低温电除尘器，并加装了湿式静电除尘器装置。项目设两台660MW超超临界参数燃煤汽轮发电机组。锅炉为单炉膛、固态排渣、变压运行直流燃煤锅炉。最大连续蒸发量为2035t/h。锅炉工况下燃煤量为265.2t/h。工程同步建设脱硫脱硝除尘装置。烟气从锅炉尾部经过SCR反应器、回转式空气预热器进入到低低温电除尘器，再经过吸风机、烟气脱硫装置，进入湿式静电除尘器，最后通过烟囱进入大气。其技术路线如图2。

图2 某电厂2×660MW超超临界机组技术路线图

湿式静电除尘器包含本体及附属设备的设计、安装、试验及验收。每台锅炉配两台除尘器，每台除尘器结构上有独立的壳体。

2 设计参数

该项目采用湿式静电除尘器，工况下（100%BMCR）单台机组湿式静电除尘器的入口烟气参数见表1。

表1 湿式静电除尘器入口烟气参数

湿式静电除尘器的出口参数：出口烟尘浓度（含石膏）≤4.6mg/Nm3；粉尘去除率（含石膏及PM2.5等）≥ 77%；雾滴去除率≥90%；SO3去除率≥26%；本体阻力（含进出口变径段）≤150Pa。

3 技术特点

该工程湿式静电除尘器安装在烟气脱硫装置和烟囱之间，除尘器采用卧式结构，每台炉配置2台除尘器。每台除尘器结构上有独立的壳体，原烟气水平进入除尘器，经进口喇叭、阴阳极板、出口喇叭后进入烟囱。每台除尘器的截面面积为132m2，烟气流速为＜3m/s，保证电场中烟气的停留的时间足够长，保障除尘效率。除尘器内部布置冲洗装置，冲洗水冲洗极板后，经灰斗管道流入排水箱。排水箱的水溢流到循环水箱，作为喷淋用水循环利用。湿式静电除尘器的技术参数见表2。除尘器结构布置图如图3。

表2 湿式静电除尘器主要技术参数

图3 湿式静电除尘器结构布置图

3.1 阳极板和阴极线

湿式静电除尘器的阳极板采用板式冷轧钢板，板厚1.2mm。阳极板为多轮冷弯一次成型的CZ60波浪曲面结构，端面设有槽型结构。整体强度大，适合高流速烟气，不易变形。集尘面积大，对粉尘捕捉效果好，容易形成水膜。阳极板表面水膜均匀，不存在死角。阴极线采用专利SDD针刺型阴极线，放电针环形分布，电场分布均匀，除尘器起晕电压低、电场强度高、放电稳定，可实现高效、稳定地放电，除尘效率高。阳极板为悬挂安装，极间距为300mm。阳极板和阴极线框架均采用铅垂安装。阳极板悬挂在壳体的主梁上，上下部设置定距梁，由定距梁保持极间距。采用悬挂方式，可以节约内部空间，布置更多的阳极板。上方定距梁采用固定连接，下方定距梁采用柔性连接。定距梁能防止阳极板随意摆动，也能消除由热胀冷缩产生的应力。阴极线采用卡槽，阴极框架采用吊杆方式悬挂。阴极线和阴极框架形成一个整体，防止阴极线摆动。阳极板和阴极线结构如图4。

图4 湿式静电除尘器的阳极板和阴极线结构

3.2 烟气均流装置

该工程一台炉配置两台除尘器，烟气进入烟道后需要分流进入两台除尘器。烟气不均、泄漏都会影响除尘效果。为了防止烟气泄漏，在壳体侧面设置了挡风板，在阳极板底端和灰斗之间设置了阻流板，避免烟气短路。在进口喇叭设置导流板和气流分布板。并采用CFD计算机数值模拟对烟道及除尘器的流场进行模拟实验。根据1∶1的比例建立从烟道、进口喇叭、除尘器壳体、出口喇叭、连接烟囱的烟道的数值模拟几何模型，模型如图5。

通过分析烟气通过的各个界面的速度，确定导流板的位置、气流分布板的位置和开孔率等。气流分布板采用单层栅条式结构，不易积灰，可以有效防止粉尘堆积。通过不断优化流场，确定最终方案满足含进出口变径段的本体阻力≤150Pa，本体含进出口烟道阻力≤300Pa，气流均布系数≤0.13。

图5 湿式静电除尘器的流场模拟模型图

3.3 喷淋系统

除尘器内部每个通道设置喷嘴，喷嘴采用大流量喷嘴。两块阳极板共用一只喷嘴，每只喷嘴的流量为2.8L/min。喷嘴采用SUS316L材质，按照设定的角度呈扇形连续喷雾的冲洗方式喷射到阳极板上，并在阳极板表面形成均匀的水膜。喷嘴喷淋如图6、图7。喷嘴雾化效果好，水膜厚度为72～80μm，单台炉连续使用的水膜水量为105t/h。在重力作用下液滴和颗粒物顺流到下部的灰斗，经管道至水箱里。在不断电的情况下，进行连续冲洗。合理的设计布置，保证阳极板表面清洁、不积灰、不结垢。喷淋水不喷到阴极线上，不影响颗粒物的荷电，避免产生火花和电晕现象。能充分去除湿烟气中PM2.5、SO3、雾滴等。

图6 喷淋系统原理

图7 喷淋现场

图8 水循环系统

烟气进入进口喇叭的气流分布板，由于气流通道大小变化，部分烟气中的粉尘会附着在气流分布板上。在气流分布板的上方设置冲洗喷嘴，根据运行情况定期清洗气流分布板上的粉尘，防止气流分布板结垢、堵塞现象。

3.4 水循环系统

湿式除尘器内部采用水循环系统，实现无冲洗废水排放。

水循环系统主要包括循环水箱、循环水泵、排水箱、排水泵、碱液箱、加碱泵、自清洗过滤器、工艺水供应管道等。湿式静电除尘器的冲洗水包括循环水和工艺水补水。喷嘴将冲洗水均匀地喷淋到阳极板，在阳极板上形成均匀的水膜，将吸附在阳极板上的粉尘冲洗带到灰斗中，经管道流入下部水箱中。冲洗后的废水呈酸性，且含有大颗粒物。直接外排会造成污染。同时还需补充大量工业用水用来喷淋。本系统采用水循环系统，在水箱中加碱中和酸性水，为防止大颗粒物堵塞喷嘴，在循环冲洗泵的后面安装了过滤器。将喷淋废水达到喷淋水质的要求后循环利用。少量悬浮物高的废水外排到脱硫系统作为脱硫工艺补水，除尘器同时补充等量的工业用水。其余的废水作为除尘器系统内部用水循环利用，实现系统的水平衡。灰水循环利用，不但节约用水，也减少外排灰水产生的二次污染。水循环系统平衡如图8。

3.5 设备防腐

针对湿法脱硫后烟气温度高、湿度大等特点，除尘器内部材料和进出口喇叭充分考虑防腐要求，保障除尘器性能。阳极板、阴极线、定位梁、阴极线固定框架、气流分布板、内部水系统管道、喷嘴、人孔门均采用SUS316L不锈钢材料。进口喇叭、出口喇叭、灰斗、壳体采用Q235钢，内壁防腐采用玻璃鳞片衬。可靠的防腐措施，确保设备运行稳定、使用寿命长、后期维护费用低。

3.6 电气设备

湿式静电除尘器内部电场环境湿度高，高压设备运行需要适应少火花或无火花的状态。该项目采用高效节能荷电系统，采用新型大功率高频电源设备供电，电能转换效率高达93%以上。与工频电源相比，高频电源控制关断更迅速，且恢复时间更短。高频电源适应复杂多变的工况需求，可在恒流或恒压下稳定工作。不但除尘效率高，运行电耗比工频电源低70%以上。安装在电除尘器顶部，节约配电室空间，也能节省信号电缆和控制电缆的使用，从而减少安装费用。湿式静电除尘器的智能化电气控制系统，可以根据锅炉负荷、燃烧煤种、FGD性能等工况进行智能调节，静电除尘器系统保持最佳运行状况。

4 运行情况

2015年12月，2×660MW超超临界机组顺利通过168小时满负荷试运行。机组各项性能指标良好，运行稳定。出口烟尘排放浓度分别为2.5mg/Nm3、2.4mg/Nm3，出口烟尘浓度满足≤4.6mg/Nm3的设计保证值。SO3排放浓度分别为17mg/Nm3、12mg/Nm3，氮氧化物排放浓度为26.9mg/Nm3、23.1mg/Nm3。机组排放指标达到超低排放要求。验收组深入项目现场，对系统CEMS烟气在线监测设备数据进行标定，同时检查两台机组CEMS设备运行情况。作为湖南省内第一个超低排放示范性在建项目，工程达到设计要求，2016年2月成功通过湖南省环保厅超低排放示范性工程竣工验收。

5 结论

湿式静电除尘器可以与烟气脱硫系统一体化设计，结构紧凑、占地面积小。对吸收塔后烟气中携带的石膏液滴、SO3、重金属等可以协同脱除。布置在湿法脱硫之后，有效解决了“石膏雨”、蓝颜/黄烟、塔后Hg等多种污染排放新问题，实现超低排放。湿式除尘器投运以来，运行稳定，为火电厂燃煤机组超低排放提供了成熟可靠且先进的技术，值得推广及应用。