低低溫電除塵選型方法及中試應用

朱錦杰，趙海寶，趙金達

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

我國燃煤電廠煙塵經歷了“十二五”期間的50 mg/m3到30 mg/m3再到10 mg/m3的排放要求[1]，現已進入“超低排放”政策的收官階段[2]，低低溫電除塵技術已成為我國燃煤電廠的主流技術和“標配”設備，成為推動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的運用目前尚存在些許不足，如煙塵、SO3的協同脫除機理不明[3]，缺少準確可靠的選型設計方法，對高灰劣質煤很難達到超低排放等[4]。因此，亟需設計基于實際煙氣工況的中試裝置，為深入研究低低溫、旋轉電極電除塵技術提供試驗條件。

1 中試平臺及主要技術參數

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

在圖1中，煙氣由三河電廠3號機組省煤器后引出，經過中試平臺后最終排入3號機組引風機出口匯流煙道，中試平臺入口對應煙氣流量為50 000 m3·h-1(350 ℃煙氣溫度)，進入電除塵器中試裝置煙氣流量為32 221 m3·h-1(90 ℃煙氣溫度)。

中試平臺煙氣流程為：3號爐省煤器出口→脫硝前煙氣冷卻器(GGH)→脫硝系統(SCR)→脫汞系統→脫硝后一級煙氣冷卻器→脫硝后二級煙氣冷卻器→低低溫電除塵器(ESP)→引風機→高效脫硫系統(WFGD)→濕式機電耦合除塵器→3號機脫硫塔入口，中試平臺通過“低低溫+旋轉電極”電除塵器控制煙氣粉塵含量并協同控制其他污染物。

中試平臺設計煤種的煤、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及性能要求如表2所示。

表1 設計煤種的煤、灰主要成分

表2 ESP中試裝置入口煙氣參數及性能要求

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、電除塵技術狀況和運行條件[5]。

對于工況條件，電除塵器選型時主要考慮煤、飛灰成分對除塵效率的影響，瑞典的S麥茲在1964年使用了表觀驅進速度ωk的概念[6]，提出了電除塵器效率計算公式：

η=1-e-(ωk·A/Q)k

(1)

式中k——常數。

由于麥茲公式中的表觀驅進速度ωk很難計算，故該公式實用性不強[7-9]。在麥茲公式的基礎上，結合移動電極、低低溫電除塵技術對表觀驅進速度的影響，以實際除塵效率反推ωk，根據國內50種典型煤種及200多種混煤的應用分析和統計，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易選型設計方法，如表3和表4所示。該選型設計方法充分考慮了煤、灰成分對電除塵效率的影響，簡化了電源、極配對除塵效率的影響，具有操作性強、簡單易學等特點。

表3 干式電除塵器比集塵面積簡易選型方法

電除塵器對煤種的除塵難易性評價方法參見表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時的電除塵器比集塵面積；“-”表示不推薦干式電除塵技術。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時的數值，當大于30 g·m-3，表中比集塵面積酌情分別增加5～15 m2·(m3·s-1)-1。

對電除塵中試裝置進行選型，電除塵器入口粉塵含量最大為15.735 g/m3。根據表1的設計煤種煤、灰成分，代入表4。表4中，“容易”對應的序號2橫欄成分含量均滿足條件，因此，該煤種的除塵難易性評價為“容易”。將表4得出的難易性平均結果代入表3，得出推薦的電除塵器比集塵面積為≥110 m2/(m3/s)。表4中，序號橫欄成分含量均滿足條件時，可判斷對應的難易性。

表4 煤種除塵難易性評價表

考慮中試平臺需進行高灰劣質煤種的試驗，存在入口粉塵含量大于30 g·m-3的試驗工況。根據表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參數如表5所示，結構示意如圖3所示。

表5 電除塵中試裝置主要技術參數

3 氣流分布均勻性模擬及設計

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，通過在電除塵器進口處布置導流板，并借助計算流體動力學(CFD)方法進行氣流分布模擬試驗，從而保證電除塵器電場區氣流均勻分布。

根據電除塵器本體結構，建立幾何1∶1模型，并簡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。電除塵器內通道上下間隔0.6 m設置一個取樣點，橫向每個通道設置一列取樣點，第一電場入口共計56個取樣點，第五電場出口共計49個取樣點。將計算模型離散化，采用六面體劃分網格，生成網格如圖4所示。

進口采用速度邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，進口喇叭處的導流葉片、陽極板、頂梁、電場及灰斗擋風板、出口槽形板等采用固體壁面邊界條件。電除塵器內氣體雷諾數Re為104數量級，選擇k-ε兩方程湍流模型，并結合動量方程、連續性方程、能量守恒方程作為控制方程，以變量的殘差變化監視計算的收斂性。

在進口喇叭內設置三層分布板，開孔率分別為45%，36%，36%，出口喇叭內設置單層槽形分布板，開孔率為17%，以初始方案為基礎，對進口喇叭內的導流葉片位置和出口喇叭槽型氣流分布板間隙進行局部調整，最后優化后的計算結果如圖5所示。

由于該項目進口喇叭分布板開孔率較高，采用多孔板結構無法滿足強度要求，因此，將多孔板改為扁鋼網板，可滿足開孔率和強度要求。

電場區取樣截面氣流分布均勻性σr計算值為0.15，可滿足標準和用戶不大于0.2的設計要求。

4 結語

(1)提出了一種簡易的電除塵選型設計方法，為后續電除塵設計規范化、精準化奠定了基礎。

(2)三河電廠中試平臺及電除塵中試裝置已完成了安裝調試，為進一步驗證電除塵器簡易選型設計方法和氣流均勻分布優化方法，以及下一步的“低低溫+旋轉電極”電除塵技術深化研究提供了試驗條件。