電源對(duì)于電除塵器中顆粒物荷電、能效有效利用至關(guān)重要,關(guān)系到電除塵器的收塵效率,高頻電源和脈沖電源相對(duì)于傳統(tǒng)的工頻電源具有比較大的優(yōu)勢(shì),在水泥工業(yè)顆粒物(PM)排放指標(biāo)收嚴(yán)的背景下,對(duì)水泥熟料線窯頭配套電除塵器實(shí)施“前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源的組合技術(shù)”為主,煙氣調(diào)質(zhì)、入口預(yù)除塵改造,及各級(jí)電場(chǎng)預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器等輔助手段的組合提效改造技術(shù)的原理分析和應(yīng)用案例分析,通過理論計(jì)算和結(jié)果分析,為行業(yè)提升整治措施提供參考。
電除塵器由于具有處理煙氣量大、運(yùn)行可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),在我國(guó)水泥行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)《浙江省生態(tài)環(huán)境廳關(guān)于執(zhí)行國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)大氣污染物特別排放限值的通告》(浙環(huán)發(fā)[2 019]14號(hào))的頒布實(shí)施,要求自2020年7月1日起,水泥行業(yè)顆粒物(PM)排放濃度不高于20 mg/Nm3。由于水泥廠配置的電除塵器一般僅有三電場(chǎng),響應(yīng)特別排放限值排放標(biāo)準(zhǔn)的容錯(cuò)率低,直接擴(kuò)容改造成四電場(chǎng)、五電場(chǎng),場(chǎng)地受限、工程量較大、造價(jià)也高,如何充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地和設(shè)施提升除塵效率、降低顆粒物排放濃度,是水泥廠面臨的直接難題。
近幾年,高壓電源技術(shù)有了突破性的發(fā)展,高頻電源、脈沖電源等多種高效電源產(chǎn)品的順利研發(fā)與成功應(yīng)用,為電除塵器提效改造提供了新的途徑和方法。但在實(shí)踐中,單一的電源使用仍具有一定的局限性。根據(jù)燃煤電廠電除塵器的改造經(jīng)驗(yàn),充分利用高頻電源、脈沖電源的功能特性,可將高頻電源、脈沖電源在前、后電場(chǎng)有效組合應(yīng)用作為一種新的電源提效改造方案,既能降低顆粒物排放、滿足達(dá)標(biāo)排放,同時(shí)也能節(jié)約改造費(fèi)用、節(jié)省改造時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)提效減費(fèi)的目的。本文以此為主導(dǎo),對(duì)進(jìn)一步提升除塵效率開展了多技術(shù)有效的組合運(yùn)用,供同行參考。
1 電除塵器提效改造原理
電除塵器除塵效率一般采用修正后的多依奇效率公式來計(jì)算。
2 組合提效改造技術(shù)路線
要實(shí)施電除塵器提效改造,宜將影響除塵效率的各因子充分調(diào)整到最佳組合,可以采用多技術(shù)組合使用,主要思路包括:(1)從宏觀層面,通過物理性預(yù)除塵降低各電場(chǎng)入口PM濃度,提升整體除塵效率;(2)從粒徑影響除塵效率角度,通過增濕煙氣調(diào)質(zhì)使微細(xì)PM凝結(jié)成較大的粒子,PM粒徑增大,提高驅(qū)進(jìn)速度,提升各級(jí)電場(chǎng)和整個(gè)電除塵器的除塵效率;(3)從電場(chǎng)強(qiáng)度影響除塵效率角度,可以通過高壓電源提升輸入電場(chǎng)的均值電壓和峰值電壓來實(shí)現(xiàn);(4)從各級(jí)電場(chǎng)入口PM濃度呈級(jí)數(shù)降低和節(jié)約能源角度,通過前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源的角度,實(shí)現(xiàn)能效的有效配置。
上述各項(xiàng)技術(shù)組合改造路線如圖1所示。
3 提效改造案例分析
3.1 提效改造要求
某水泥廠窯頭配套電除塵器為三電場(chǎng)干式電除塵器,原除塵器設(shè)計(jì)出口PM濃度<50 mg/Nm3,已不能滿足現(xiàn)階段PM濃度<20 mg/Nm3的排放要求,需實(shí)施提效改造,做到達(dá)標(biāo)排放。
3.2 具體實(shí)施方案說明
3.2.1 電源部分改造
電源部分改造主要采用:前電場(chǎng)布置高頻電源+后電場(chǎng)布置脈沖電源。通過雙電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前電場(chǎng)在高電壓下強(qiáng)放電,后電場(chǎng)在高電壓下的弱放電。
(1)針對(duì)前電場(chǎng)PM粒徑大、濃度高、易發(fā)生火花閃絡(luò)等特點(diǎn),利用高頻電源提高前電場(chǎng)的平均電壓、供電功率,增加前電場(chǎng)的二次電壓及二次電流,使粉塵充分荷電。具體方法為:采用三相交流輸入整流為直流電源,經(jīng)逆變?yōu)楦哳l交流,最后整流輸出直流高壓,直流供電時(shí)其二次電壓波形幾乎為一條直線,提供了幾乎無波動(dòng)的直流輸出。通過提高二次電壓平均值,提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度,使得前電場(chǎng)粉塵能夠充分荷電并被收集下來,大幅提升除塵效率。高頻電源可在幾十微秒內(nèi)關(guān)斷輸出,在很短的時(shí)間內(nèi)使火花熄滅,以毫秒級(jí)恢復(fù)全功率供電,如圖2和圖3所示,平均輸出高壓無下降。
(2)針對(duì)后電場(chǎng)PM粒徑小、濃度低、不易發(fā)生火花閃絡(luò)的特點(diǎn),實(shí)際運(yùn)行中的情況通常是二次電流大、二次電壓無法提升到足夠的高電壓,而后電場(chǎng)的微細(xì)粉塵的捕集,需要更大的電場(chǎng)強(qiáng)度才能有效捕集,因此利用脈沖電源提高后電場(chǎng)的峰值電場(chǎng),進(jìn)而使微細(xì)顆粒物被充分收集。
脈沖電源在基礎(chǔ)電源上疊加極窄的高壓脈沖電壓,二次電壓和二次電流獨(dú)立控制。疊加的脈沖電源提供微秒級(jí)瞬間高壓能量,由于脈沖電壓的上升以及持續(xù)時(shí)間很短,雖然瞬時(shí)總電壓提升很高,但供電前期間隔保持較低的電荷密度,維持了電場(chǎng)的絕緣,不會(huì)形成閃絡(luò)通道,有效抑制了火花閃絡(luò),峰值電壓接近電場(chǎng)擊穿電壓,脈沖電源瞬時(shí)高壓使電暈放電全面均勻,避免了反電暈的產(chǎn)生,可有效提高粉塵荷電效率和荷電量,大幅提高微細(xì)粉塵的捕集能力,除塵效率顯著提高,符合弱電流下的高電壓低排放要求。
相對(duì)于傳統(tǒng)直流供電,高壓脈沖電源供電脈沖電壓上升時(shí)間極短,提高了電場(chǎng)擊穿電壓,電場(chǎng)能獲得幾倍于傳統(tǒng)直流電源的峰值電壓,利于粉塵粒子荷電提高除塵效率。此外,針對(duì)常規(guī)直流電源電流用于對(duì)PM荷電以及在頻繁的火花放電過程中形成浪費(fèi),脈沖電源僅在脈沖輸出時(shí)才產(chǎn)生電流,脈沖寬度窄,電場(chǎng)中離子流和電子流間歇脈動(dòng),電場(chǎng)無火花,如圖4所示。
(3)電源改造說明:拆除頂部一、二電場(chǎng)的工頻變壓器和高壓隔離開關(guān);拆除配電室內(nèi)一、二電場(chǎng)用工頻電源控制柜內(nèi)控制器及輔控回路、可控硅等,保留母排、斷路器等,增加小母排將工頻電源控制柜改造成高頻電源。拆除頂部三電場(chǎng)的工頻變壓器和高壓隔離開關(guān);拆除配電室內(nèi)三電場(chǎng)用工頻電源控制柜內(nèi)控制器及輔控回路、可控硅等,保留母排、斷路器等,增加小母排將工頻電源控制柜改造成高頻+脈沖電源配電柜。動(dòng)力電纜改造部分:利舊,將原工頻電源動(dòng)力電纜改造成滿足高頻電源、高頻+脈沖電源三相供電的需求。新增信號(hào)電纜,高頻電源和高頻+脈沖電源到DCS的控制電纜、信號(hào)電纜,將改造后電源的開關(guān)量信號(hào)(運(yùn)行信號(hào)、準(zhǔn)備好信號(hào)、綜合報(bào)警信號(hào)、啟動(dòng)/停止信號(hào))和模擬量信號(hào)(二次電壓、二次電流)接入主生產(chǎn)系統(tǒng)DCS。
3.2.2 煙氣調(diào)質(zhì)
煙氣調(diào)質(zhì)主要有兩方面的作用:一是通過噴射蒸汽進(jìn)行煙氣調(diào)質(zhì),降低粉塵比電阻,提高除塵效率;二是因?yàn)闈穸仍黾涌梢允刮⒓?xì)顆粒物凝結(jié),提高顆粒物驅(qū)進(jìn)速度,提升除塵效率。
煙氣調(diào)質(zhì)改造說明:在余熱鍋爐出口省煤器集箱取熱水,通過閃蒸罐將帶壓熱水閃蒸為低壓蒸汽,產(chǎn)生的低壓蒸汽經(jīng)過閃蒸器汽水分離后噴入電場(chǎng)入口煙道水平混合聯(lián)箱內(nèi)。為避免噴入到電除塵器入口的蒸汽帶水,導(dǎo)致粉塵結(jié)塊,增加一臺(tái)閃蒸罐。從省煤器出口集箱接出的熱水,由于帶有一定溫度和壓力,進(jìn)入到閃蒸罐后壓力迅速降低,熱水閃蒸為蒸汽狀態(tài)。閃蒸罐內(nèi)的蒸汽通過罐頂?shù)恼羝艿澜尤胝羝麌娚溲b置,閃蒸罐內(nèi)少量未蒸發(fā)的水分通過底部的接口接入連排管道。通過電動(dòng)閥控制煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的開關(guān),通過手動(dòng)閥調(diào)節(jié)蒸汽流量。煙氣調(diào)質(zhì)改造如圖5所示。
3.2.3 入口預(yù)收塵改造
在進(jìn)口煙箱均布板前部增設(shè)一層C型內(nèi)渦迷宮預(yù)收塵裝置,收集粗顆粒粉塵,降低入口PM濃度,提高預(yù)收塵效果。同時(shí)起到氣流均布作用,避免電場(chǎng)入口截面中下部粉塵濃度過高,速度過大。
3.2.4 預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器改造
根據(jù)除塵效率公式(1),從宏觀角度出發(fā),通過對(duì)各電場(chǎng)入口PM濃度進(jìn)行物理捕集可以降低各級(jí)電場(chǎng)入口PM濃度,提升綜合除塵效率。而且配置簡(jiǎn)單,僅需在除塵器進(jìn)出口及各電場(chǎng)之間安裝微孔金屬網(wǎng)。
預(yù)荷電改造主要是配合各級(jí)微網(wǎng)捕集器使用,提升微網(wǎng)捕集器的捕集效率。一電場(chǎng)的入口前增設(shè)預(yù)荷電裝置,使粉塵在進(jìn)入電場(chǎng)前就帶上電荷,提高整個(gè)電場(chǎng)的收塵效率;在三電場(chǎng)末端增設(shè)預(yù)荷電裝置,使PM在進(jìn)入微網(wǎng)捕集裝置之前帶上電荷,提高微塵捕集能力,減少二次揚(yáng)塵。
3.2.5 其他改造
對(duì)陰極線、陽極板及電除塵器內(nèi)部各部件積灰情況檢查,對(duì)積灰嚴(yán)重部位作進(jìn)一步分析,采取改進(jìn)措施。陽極板矯正,并進(jìn)行加固處理,調(diào)整間距和同極距。陰極線全部更換為新型芒刺線,調(diào)校變形的陰極大、小框架,調(diào)整極間距(同極、異極)包括非電場(chǎng)間距。調(diào)整陽極振打同軸度,陽極振打軸進(jìn)行解體檢修,更換磨損的陰極陽極振打耐磨套、螺栓,對(duì)所有的陽極振打錘進(jìn)行更換。陰極振打系統(tǒng):調(diào)整振打器工作中心,檢查振打桿露出長(zhǎng)度、垂直度、同軸度。殼體常規(guī)檢查修復(fù):檢查各人孔門和保溫箱的漏風(fēng)、密封材料的老化、鎖緊螺栓等,更換損壞密封材料,檢查煙道、煙箱、殼體、灰斗等有無漏風(fēng)漏灰并處理。
3.3 改造前后參數(shù)對(duì)比
某5 000 t/d水泥熟料線窯頭電除塵器改造前后主要參數(shù)對(duì)比見表1。
3.4 提效估算和測(cè)試結(jié)果分析
1)改造前除塵效率η
改造前電除塵器PM進(jìn)口濃度≤30 g/Nm3,出口濃度≤50 mg/Nm3。除塵效率為:
η=1-50/30 000=99.83%
2)改造后除塵效率η'
參照既往成功改造經(jīng)驗(yàn),依方案實(shí)施改造后,可提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度,預(yù)計(jì)改造后驅(qū)進(jìn)速度提高20%~30%左右,改造后按提升下限比集塵面積20%計(jì)算。根據(jù)公式(1),改造后除塵效率:
結(jié)果表明:改造后除塵效果穩(wěn)定;除塵效率達(dá)99.96%,出口PM排放濃度測(cè)試值全面低于20 mg/Nm3,通過高效電源的應(yīng)用組合,并結(jié)合增加預(yù)荷電+微網(wǎng)捕塵裝置,入口預(yù)收塵裝置,均化氣流分布,陽極板、陰極線及振打裝置調(diào)整等,滿足了改造目標(biāo)要求。
4 結(jié)論與建議
依據(jù)影響除塵器除塵效率的主要因素,主要采用“前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源”技術(shù),配合煙氣調(diào)質(zhì)、除塵器入口預(yù)收塵裝置,各級(jí)電場(chǎng)預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器等技術(shù)的組合使用,從宏觀和微觀方面全面提升除塵效率,充分挖掘現(xiàn)有電除塵器的潛力,提升除塵效率。結(jié)合具體實(shí)例,從原理和方法兩方面展開論述,結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果分析,組合提效改造技術(shù)除塵效果穩(wěn)定,顆粒物排放濃度可穩(wěn)定在20 mg/Nm3以下,為水泥廠窯頭電除塵器實(shí)現(xiàn)提標(biāo)改造提供參考。