朱召平

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，國(guó)家環(huán)境保護(hù)電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心，福建 龍巖 364000)

0 引言

隨著《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào))[1]等文件的頒布，煤電超低排放和節(jié)能改造工作全面鋪開(kāi)，要求燃煤機(jī)組的煙塵的排放不超過(guò)10mg/m3(標(biāo)干態(tài)、6%O2)，為了實(shí)現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的除塵設(shè)施進(jìn)行了很大的改造并迅速發(fā)展[2-4]，從靜電除塵器為主的除塵技術(shù)，逐漸發(fā)展到靜電除塵、袋式除塵、電袋復(fù)合除塵技術(shù)為主流。

在煤電超低排放實(shí)施后，單一的靜電除塵器[5-7]或袋式除塵器[8-10]面臨著壓降增大和運(yùn)維費(fèi)用較高的問(wèn)題，電袋復(fù)合除塵器應(yīng)運(yùn)而生且得到快速發(fā)展[11-12]。與此同時(shí)，環(huán)保設(shè)施的快速發(fā)展，也帶來(lái)一定的問(wèn)題，據(jù)2018年中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)調(diào)研報(bào)告顯示，實(shí)施煤電超低排放改造有利于進(jìn)一步降低大氣污染物排放，但設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性仍存在一定的問(wèn)題，亟待解決。

超凈電袋復(fù)合除塵器[13-16]作為電袋復(fù)合除塵器的升級(jí)設(shè)備，現(xiàn)已成為燃煤電廠煙塵超低排放的一種主流技術(shù)設(shè)備，流場(chǎng)的均布性、設(shè)備阻力、過(guò)濾風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)都對(duì)除塵器的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響，且常規(guī)電袋復(fù)合除塵器還有較大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間[17-19]。

本文以某燃煤電廠2×1000MW機(jī)組配套超凈電袋復(fù)合除塵器為對(duì)象，圍繞流場(chǎng)均布性、設(shè)備阻力、過(guò)濾風(fēng)速對(duì)除塵器性能的影響進(jìn)行研究分析，通過(guò)改進(jìn)并提出適合實(shí)際情況的新型設(shè)計(jì)方法、建立健全煙氣模型以及大量試驗(yàn)等方式，針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，除塵器出口煙塵排放濃度穩(wěn)定≤5mg/m3，且各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，流場(chǎng)均布性、設(shè)備阻力得到明顯改善，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器，具有更好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性[20]。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

河南某2×1000MW燃煤機(jī)組，其配套的超凈電袋復(fù)合除塵器按2列6室設(shè)計(jì)，配備12臺(tái)高頻電源GGYAJ02-1.6A/66KV。其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 超凈電袋復(fù)合除塵器主要性能參數(shù)

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

相比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器，超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)主要從建立模型、數(shù)值模擬指導(dǎo)；優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高濾料過(guò)濾精度、降低運(yùn)行阻力；搭建試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)研究最優(yōu)匹配的過(guò)濾風(fēng)速等幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.1 建立模型、數(shù)值模擬指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于電袋復(fù)合除塵器內(nèi)煙氣通常在電區(qū)水平進(jìn)、水平出，在袋區(qū)水平進(jìn)、垂直出，兩個(gè)區(qū)域的流速、流向及流動(dòng)截面尺寸均差異較大，導(dǎo)致兩區(qū)直接銜接會(huì)引起流場(chǎng)的急劇變化進(jìn)一步影響電區(qū)的除塵效率、袋區(qū)的過(guò)濾壓降以及濾料的壽命。

基于以上流場(chǎng)特征和氣流均布的技術(shù)要求，采用了進(jìn)入袋區(qū)的氣流由正面、側(cè)面、底部三維進(jìn)風(fēng)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)建立適用于電袋復(fù)合的煙氣湍流模型、濾料過(guò)濾模型，提出了計(jì)算域內(nèi)區(qū)域分解與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。另外，通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算確定進(jìn)口煙道導(dǎo)流板布置方式，對(duì)比研究多種流場(chǎng)調(diào)節(jié)手段的效果，建立了調(diào)整濾袋排布、提升閥門(mén)大小和開(kāi)度、阻流板高度等組合措施的主要流場(chǎng)調(diào)節(jié)方式，最后以實(shí)物模型進(jìn)行校驗(yàn)，最大化縮小流量偏差。

1.2.2 優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高濾料過(guò)濾精度，降低運(yùn)行阻力

一是通過(guò)大量工程實(shí)踐總結(jié)和不斷試驗(yàn)研究，依據(jù)項(xiàng)目中煤種特性、電區(qū)和袋區(qū)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)及選型，確保袋區(qū)最佳入口煙塵濃度值，進(jìn)而優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配。二是針對(duì)荷電顆粒在濾料表面被捕集以及沉積過(guò)程的特征，所配套的濾袋均采用30%超細(xì)PPS+20%常規(guī)PPS+50%PTFE混紡技術(shù)，并采取粗纖維和超細(xì)纖維分層梯度針刺，形成獨(dú)特的梯度高精過(guò)濾濾料結(jié)構(gòu)，有效防止細(xì)顆粒煙塵的穿透，降低過(guò)濾阻力，保證了除塵器的穩(wěn)定高效除塵，節(jié)約了電耗。

1.2.3 搭建試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)研究最優(yōu)匹配的過(guò)濾風(fēng)速

由于不同的工況需匹配合適的過(guò)濾風(fēng)速，通過(guò)搭建廠內(nèi)的小型試驗(yàn)臺(tái)(如圖1所示)，研究不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)除塵性能的影響。

圖1 廠內(nèi)小型試驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)改變極配形式、濾袋排布形式、工作電壓、入口粉塵濃度，研究過(guò)濾風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響，最終確定了最佳過(guò)濾風(fēng)速。

該試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)型式為單室1前電區(qū)1袋區(qū)結(jié)構(gòu)，煙氣量3000～5000m3/h，占地約8m×6m。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 耦合增強(qiáng)電袋試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 優(yōu)化效果測(cè)試方法

1號(hào)、2號(hào)爐電袋復(fù)合除塵器進(jìn)、出口測(cè)試位置如圖2所示。

圖2 進(jìn)出口測(cè)試位置示意

從圖2可知，電袋復(fù)合除塵器進(jìn)口測(cè)試斷面布置在靠近進(jìn)口喇叭型煙箱前的水平直管段上，測(cè)試斷面的尺寸為4.5m(寬)×4.0m(深)，在頂部均勻布置9個(gè)測(cè)孔，按網(wǎng)格法每個(gè)測(cè)孔布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)；出口測(cè)試斷面布置在靠近出口喇叭型煙箱后的水平直管段上，測(cè)試斷面的尺寸為8.5m(寬)×3.5m(深)，在頂部均勻布置17個(gè)測(cè)孔，按網(wǎng)格法每個(gè)測(cè)孔布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.3.1 流場(chǎng)均布性

流場(chǎng)均布性測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬對(duì)比方法。在測(cè)試斷面采用皮托管和壓力計(jì)測(cè)量煙氣的動(dòng)壓和靜壓，并采用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量煙氣溫度，然后按(1)式～(5)式計(jì)算工況及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干煙氣流量。

Qs=vs×F×3600

(1)

式中：Qs為工況煙氣流量，m3/h；F為煙道截面積，m2；vs為煙氣平均流速，m/s，此值按(2)式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Pdn為各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓測(cè)定值，Pa；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

(4)

式中：ts為煙氣溫度，℃；Ba為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa；Ps為煙氣靜壓，Pa。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量：

(5)

式中：Qsnd為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量，m3/h；Xsw為煙氣濕度，%。

1.3.2 運(yùn)行阻力

依據(jù)《電袋復(fù)合除塵器性能測(cè)試方法》(GB/T32154-2015)，并按(6)式～(7)式進(jìn)行運(yùn)行阻力測(cè)試。

(6)

PH=(ρa(bǔ)-ρ)gH

(7)

式中：ρa(bǔ)為大氣密度，kg/m3；ρ為通過(guò)除塵器氣體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為出入口測(cè)試位置的高低差，m。

1.3.3 煙塵濃度和除塵效率

依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T16157-1996)、《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測(cè)定 重量法》(HJ836-2017)進(jìn)行煙塵濃度和除塵效率測(cè)試。

煙塵采樣采用皮托管平行自動(dòng)跟蹤原理等速采集，在超凈電袋復(fù)合除塵器出口測(cè)點(diǎn)采集的樣品不少于3只，每只樣品的煙氣標(biāo)干體積不少于1000L。將采集到的樣品先放入105℃的烘箱進(jìn)行1h的干燥處理后再放入恒溫恒濕室平衡24h，用十萬(wàn)分之一天平稱(chēng)重。

煙塵濃度按(8)式計(jì)算：

(8)

式中：C'為實(shí)測(cè)干煙氣含塵濃度(標(biāo)態(tài))，mg/m3；m為所采集的煙塵質(zhì)量，mg；Vsnd為干煙氣采樣體積(標(biāo)態(tài))，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 流場(chǎng)均布性

流場(chǎng)均布性由各室的煙氣量均勻性反映，其結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量 萬(wàn)m3/h

計(jì)算各室的煙氣流量偏差并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各室的煙氣流量偏差小于2.5%，其結(jié)果如表4、圖3所示。

表4 各室流量偏差 %

圖3 各室流量偏差

葉興聯(lián)[21]、劉美玲[22]和劉棟棟等[23]研究表明，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器各室的煙氣流量偏差一般可以達(dá)到小于5%。

本研究通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、建立模型、利用CFD數(shù)值模擬等指導(dǎo)調(diào)節(jié)煙道導(dǎo)流板布置方式、濾袋排布、提升閥門(mén)大小等組合措施，使得各室的煙氣流量偏差小于2.5%，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的平均水平5%。

2.2 運(yùn)行阻力

分別測(cè)量各室入口斷面和出口斷面的全壓平均值，取兩者的差值并進(jìn)行高溫氣體浮力校正，所得結(jié)果即為各室的設(shè)備阻力，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，其中，1室和6室的阻力較大，3室和4室的阻力較小，這與各室的實(shí)際煙氣流量大小相吻合；各室的阻力均小于750Pa。

圖4 設(shè)備阻力

陳秀娟[24]研究表明，目前國(guó)內(nèi)大部分常規(guī)電袋復(fù)合除塵器設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)行阻力≤1200Pa。通過(guò)優(yōu)化電區(qū)與袋區(qū)耦合匹配和提高合適的高精度過(guò)濾濾料，使得各室的阻力均小于750Pa，表明超凈電袋復(fù)合除塵器的整體運(yùn)行狀況相對(duì)較好，優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器常規(guī)阻力值1200Pa，大幅降低了引風(fēng)機(jī)能耗，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

2.3 煙塵濃度與除塵效率

各室的入口、出口煙塵濃度和除塵效率試驗(yàn)結(jié)果如圖5、表5所示，超凈電袋復(fù)合除塵器各室出口的煙塵濃度均小于5mg/m3，達(dá)到超低排放要求，且各室的除塵效率均高于99.985%。

表5 各室煙塵濃度和除塵效率

圖5 煙塵濃度

張立棟[25]、朱法華[26]研究表明，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的出口煙塵濃度一般可以小于20mg/m3。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，依據(jù)實(shí)際工況選取最佳過(guò)濾風(fēng)速等方法，實(shí)現(xiàn)各室出口的煙塵濃度均小于5mg/m3，達(dá)到超低排放要求，且優(yōu)于常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的出口煙塵濃度20mg/m3。

同時(shí)各室的除塵效率均高于99.985%，說(shuō)明最佳過(guò)濾風(fēng)速、長(zhǎng)濾袋選型方案的超凈電袋復(fù)合除塵器可以達(dá)到較高的除塵效率。

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化流場(chǎng)、降低阻力、合理選擇過(guò)濾風(fēng)速三大關(guān)鍵因素的優(yōu)化，超凈電袋復(fù)合除塵器可穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，除塵器各室煙氣流量偏差小于2.5%、設(shè)備阻力小于750Pa、出口煙塵濃度小于5mg/m3。相比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器煙氣流量偏差5%、設(shè)備阻力1200Pa，出口煙塵20mg/m3均有較大提高，極大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，可為新形勢(shì)下煤電超低排放提供參考。