姚宇平，王 勇，赵锡勇，柳敬献，毛 宁，李晓颖，李叔然，曾宇翾

（1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2.东北大学，沈阳 110004；3.浙江大学，杭州 310058）

大型燃煤电站电袋复合除尘器的应用研究

姚宇平1，王 勇1，赵锡勇1，柳敬献2，毛 宁2，李晓颖3，李叔然3，曾宇翾3

（1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2.东北大学，沈阳 110004；3.浙江大学，杭州 310058）

对大型燃煤电站电-袋复合除尘技术进行了较全面的分析研究，如气流组织最优方案确定、脉冲喷吹系统选型及参数优化、粉尘荷电对滤料阻力的影响及高压电源的优选等。研究表明对电袋复合除尘器来说，袋式除尘区采用阶梯式布置是一种较为理想的气流组织方式，活塞式脉冲阀具有更好的清灰性能，粉尘的荷电有助于减小除尘设备的阻力，三相电源的性能优于单相电源。

电袋复合除尘器;气流组织;脉冲清灰;粉尘荷电;大型燃煤电站;电源

1 概述

我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国。至2010年底，我国发电装机容量已突破9.5亿kW，其中火电为7亿kW，占73%左右。

目前，我国在役燃煤机组配用的除尘设备以电除尘器为主，但由于现在电厂燃用的煤种复杂多变及电除尘器对煤、灰的敏感性，以及对PM2.5的微细粉尘去除效率不高等问题，特别是30mg/Nm3的粉尘排放标准即将出台，我国燃煤电站的电除尘技术将面临新的挑战。

电袋复合除尘器结合了电除尘和袋式除尘各自的优势，具有极高的除尘效率，是目前最受关注的先进除尘技术之一，也是控制粉尘排放尤其是PM2.5排放最有效的手段。本文介绍了2007年科技部关于大型燃煤电站电-袋复合除尘技术与装备的科研项目的部分研究内容。

2 电袋复合除尘器的结构特点

电袋复合除尘器是电除尘和袋式除尘机理有机结合的一种新型高效除尘器（见图1）。其工作机理是，通过前级电场捕集80%左右的粗粉尘，剩余的粉尘则由堆积在滤袋上的荷电粉饼层捕集。

电袋复合除尘器主要由进口烟道、封头、壳体、阳极板、阴极线、高压电源、滤袋、振打机构、脉冲清灰系统、净气室、出口烟道、导流装置及钢支架等部件构成。

电袋复合除尘器起源于美国，但大规模的推广应用却是在我国。目前，我国已有上百套电袋复合除尘器在燃煤电厂运行。经过近几年的工程应用，证明电袋复合除尘器具有如下优点：1）整机除尘效率不受煤种变化、烟尘成分及比电阻变化的影响，可稳定满足排放浓度≤30mg/Nm3的要求；2）电凝并作用有助于捕集PM2.5；3）滤袋运行负荷低，清灰周期长，有助于延长滤袋寿命。

图1 电袋复合除尘器示意图

3 研究内容

目前，国内外多家企业开发出形式不一的电袋复合除尘器，性能差异很大，主要因为未能从整个除尘工艺的角度对电袋复合除尘器进行深入的研究。这样不仅为电袋复合除尘器的正常运行埋下了隐患，还严重影响其整机性能的提升。为了发挥电袋复合除尘器的性能特点，确保其运行效果，需对除尘器内部气流组织，高压电源选型、滤袋清灰技术、粉尘荷电后滤料的动态过滤性等关键技术展开研究。为此，本项目采用了实验室模型试验、CFD数值模拟、中试平台热态烟气试验等多种方法对以上关键技术进行深入的研究。

3.1 气流组织最优化方案

电袋复合除尘器内部的气流组织是其核心技术。气流分布的好坏直接关系着电除尘效率、清灰效果、滤袋寿命及整机阻力等关键技术指标。

含尘烟气从烟道经电袋复合除尘器收尘直到引风机排出的整个流程，主要有封头内部、尘气室及出口烟道三个需进行气流分布设计的关键点。于是从如下几个方面对电袋复合除尘器的气流组织进行了研究。

近来CFD数值模拟技术在除尘器气流分布设计上获得了广泛的应用。本课题也采用CFD数值模拟技术对电除尘区的气流均匀性、冲刷速度及流量均衡等方面进行了研究。为了快速确定气流组织的基本形式，采用了小规模试算及1：1实尺模拟两种方式。

3.1.1 小规模试算

为了减小计算规模，快速确定整体气流组织形式，建立了一个小型的模型。在同等初始条件下，对比袋室水平布置和错层布置这两种模型的气流分布结果，从而确定电袋复合除尘器的整体气流组织形式（常规式水平速度云图见图2， 台阶式水平速度云图见图3，常规式上升速度云图见图4，台阶式上升速度云图见图5）。

图2 常规式水平速度云图

图3 台阶式水平速度云图

图4 常规式上升速度云图

图5 台阶式上升速度云图

从图2、图3的水平速度分布云图可看出，错层式电袋复合除尘器水平速度较常规式电袋复合除尘器的气流更均匀且没有出现局部高速，这可有效减小滤袋因粉尘冲刷引起的磨损。

从图4、图5可以看出，错层式的滤室布置方式类似在下面布置了一个渐缩烟道，烟气较均匀的进入各个滤室，而常规方式的上升速度过大且分布很不均匀，这会造成滤袋的清灰困难。并且有可能局部区域烟气速度过大，造成滤袋提早破损。将两种气流分布方式的数值模拟数据进行对比，按顺气流方向分别按滤室1、2、3进行编号，计算结果见表1。

表1 两种方式上升流量对比

从表1可以看出，错层式气流组织方式使上升气流的流量发生了很大的改变。由于一共是3个滤室，在每个滤室的流量均匀的情况下，1个滤室的烟气流量（包括水平流量和上升流量）应占除尘器总流量的33.3%。表1可见，若采用常规方式，滤室2与滤室3的上升流量分别为32.1%和29.8%；采用阶梯式布置后，两者分别下降到21.2%和18.7%。也就是说，对于滤室2与滤室3，如采用常规方式，约90%以上的气流从底部进入，而采用错层式布置后，上升气流的比例下降到60%左右。这样，通过气流分布优化设计，后2个滤室的上升气流速度下降了约1/3，且3个滤室之间的上升气流也变得均匀多了。这有利于提高袋除尘区的清灰效率，也有利于延长滤袋的使用寿命。

3.1.2 实尺模拟

图6是根据某大型电站采用阶梯式布置的电袋复合除尘器按照1：1建立模型，并进行计算获得的中间截面速度分布云图。

图6 电袋复合除尘器中间截面水平速度云图

从图6可以看出：通过封头及内部布置多孔板及导流片等装置使烟气流速从进口烟道处的15m/s左右下降到静电区1m/s左右，且烟气速度的均匀性较好。

烟气在静电区和滤袋区这一过渡区域变得十分复杂，通过特殊的滤袋布置及导流装置对该区域的气流进行合理分布，使烟气对滤袋的冲刷速度保持在设计值之内，可避免滤袋因磨损而提早损坏。

从图7的垂直速度云图可以看出，滤袋区绝大部分的气流上升速度均在2m/s以下，还有一些区域的烟气速度是向下的，这均有利于滤袋清灰时粉尘下落到灰斗中。尽管在2个滤室之间的区域存在一些速度较高的区域，但通过加装阻流装置就可以将其控制。气流分布的优化设计为电袋复合除尘器的可靠运行奠定了良好的基础。

图7 电袋复合除尘器中间截面垂直速度云图

3.2 脉冲清灰系统选型及参数优化

清灰技术是电袋复合除尘器的核心技术之一。目前国际上最主要的清灰方式是脉冲喷吹，主要由脉冲阀、储气包、均流喷管及脉冲喷吹控制系统组成。

影响脉冲喷吹效果的因素很多，主要是脉冲阀的性能、喷吹管及喷嘴的设计、喷吹参数的选择。为了对不同厂家、不同规格的脉冲阀进行优选，设计出喷嘴流量均匀的喷吹管，进行脉冲喷吹控制参数的最优化试验，开发出可进行以上试验的脉冲喷吹系统的模拟试验装置（见图8）。

图8 脉冲喷吹试验平台示意图

通过对安装在滤袋上的压差传感器测得的数据分析（如图9），对不同的试验方案进行对比来得到最优的脉冲喷吹系统运行参数。包括脉冲阀优选、最优喷吹距离确定、均流喷管设计及最优脉冲宽度等试验项目。

图9 采样点测试结果示意图

3.2.1 脉冲阀优选

为保证结果具有可比性，脉冲阀优选试验在脉冲信号宽度100ms、气包压力0.2MPa下进行测试。以压力下降速率，单次喷吹气量（耗气量）为判断标准，对目前国际上5个知名厂家的7个产品及国内厂家的2个产品进行了比较。将脉冲阀按喷吹管口径分，其中#1、#2为4′阀，其它均为3′阀；按结构形式分，#1、#3为活塞式，其它为膜片式脉冲阀。各种阀门测得的气包压力下降曲线汇总如图10。

图10 9种脉冲阀的气包压力曲线

从图10可以获得气包压力下降速率和单次喷吹气量。其中气包压力下降率反映了脉冲阀单位时间的喷吹气量，是判断脉冲阀性能的最重要的指标，单次喷吹气量只是在某种程度上反应了脉冲阀的性能。按照压力下降率对9种脉冲阀排序，结果见表2。

表2 0.2MPa气包初始压力下9种脉冲阀排序

从表2可以看出，各种阀之间有较大的性能差异。若按同等口径的脉冲阀进行比较，#1和#3的脉冲阀性能最优。这说明活塞式脉冲阀的清灰能力要大于同等口径的膜片式脉冲阀。该测试结果可作为电袋复合除尘器脉冲阀优选的重要依据。

3.2.2 喷嘴-袋口最优距离

由于“扩散角”及“二次引流”现象的存在，喷嘴至滤袋口的距离与压缩空气对滤袋的清灰能力有明显的影响。通过安装在滤袋上的4个压差传感器测得的峰值压力来获得喷嘴至袋口距离与清灰强度的关系，从而获得最优喷吹距离。

从图11可看出，不同测点上的压差峰值与喷嘴至袋口的距离并不是线性关系，但都呈似抛物线状，这就说明其有一个极大值，也就是喷嘴至袋口距离有一个最优值。从图11也可知，该喷吹系统的最优喷吹距离应该是250mm左右，因此将250mm作为该喷吹系统的最优喷吹距离。

图11 不同测点上压差峰值与喷嘴至袋口距离关系

3.2.3 均流喷吹管

由于沿喷嘴方向出去的高速气流是由喷吹管内压缩气体的静压产生的，而喷吹管内的静压不是线性的，因此为保证脉冲喷吹管上每个喷嘴喷出的压缩空气能量相当，只能通过调整喷嘴的大小来使每个喷嘴的出气量均匀。通过对比安装在测点1的压差传感器上的压差数据，最终确定了均匀性较好的喷嘴规格。

相比常规喷吹管，大小经过优化的 22个喷嘴在滤袋上产生的压差均匀性有了明显的改观。压差最大值与最小值偏差在200Pa左右（见图12）。根据实际经验，这么小的偏差不会对滤袋寿命产生太大的影响。

图12 常规-均流喷吹管喷嘴测点1压差对比

3.2.4 脉冲宽度与清灰性能的关系

在脉冲信号宽度为25ms时，脉冲阀根本没有动作，滤袋上也就不会有压力产生。脉冲宽度分别为50ms和75ms时，尽管绝大多数是发生动作的，但也有一定概率的“哑炮”现象发生。从表3可以看出，脉冲宽度与清灰时滤袋上受到的压差并没有直接的关系。所以，在实际应用中，可选择脉冲宽度为100ms，这样不仅保证了脉冲阀的工作可靠性及良好的清灰性能，而且可在最大程度上避免压缩空气的浪费。

表3 脉冲宽度与测点压差关系

3.3 粉尘荷电对滤料阻力的影响

滤料动态过滤性能测试装置通过反复的过滤—清灰过程来模拟滤袋在现场的工作状态，从而评价其过滤性能。为了评价荷电粉尘的过滤特性，在常规的滤料动态试验装置内加装了电晕线，以考察电袋复合除尘器运行时粉尘荷电对滤料阻力等方面的影响（见图13）。

图13 滤料动态试验平台原理图

3.3.1 荷电电压对滤料阻力的影响

分别采用涤纶针刺毡滤料及涤纶防静电针刺毡滤料研究粉尘荷电电压与滤料阻力特性的关系。

从图14可以看出，在相同的粉尘负荷下，荷电粉尘的阻力低于未荷电粉尘的阻力，且随着荷电电压的升高，这种现象更趋明显。这是由于带有电荷的粉尘堆积在滤料表面时，由于同种电荷的相斥作用，导致形成的粉饼层较为疏松所致。在电袋复合除尘器中，这种现象有助于减小设备的阻力和清灰次数。

图14 不同荷电电压下，涤纶针刺毡滤料的粉尘负荷-阻力关系曲线

将涤纶滤料做防静电处理后进行试验的结果见图15，可看出此时粉尘是否荷电对防静电滤料阻力特性影响不大。这是由于荷电粉尘堆积到滤料表面后，随着电荷的释放，粉饼层的结构也变得和未荷电时相同所致。

图15 不同荷电电压下，涤纶防静电针刺毡滤料的粉尘负荷-阻力关系曲线

3.3.2 滤料类型对荷电效果的影响

图16是未加电压条件下，PPS、P84、涤纶及涤纶防静电滤料的粉尘负荷与阻力之间的关系曲线。可以看出，除P84滤料显示出了特别低的阻力外，其余3种滤料的阻力特性差别不大。

图16 未加电压情况下滤料类型对阻力的影响

图17是在施加10kV电压的条件下，粉尘被荷电后PPS、P84、涤纶及涤纶防静电四种滤料的粉尘负荷与阻力之间的关系曲线。可以看出，这四种滤料的阻力特性有了很大区别。在10kV荷电电压下，阻力的增长由快到慢的顺序是：涤纶防静电滤料＞涤纶滤料＞PPS＞P84。该结果说明，在选择电袋复合除尘器的滤料时，滤料的导电性能也应予以关注。

图17 10kV电压情况下滤料类型对阻力的影响

3.4 高压电源优选

目前，应用在电除尘器上的高压电源按类型分为单相电源、高频电源、三相电源及脉冲电源等。为选出适合电袋复合除尘器用的电源并获得该电源的最优运行参数，在浙江诸暨八方热电厂建立了最大烟气量可达40,000m3/h的电袋复合除尘器中试平台，可以在热态烟气条件下进行各种试验，也包括对电源的试验。并设置了两种电源：单相电源和三相电源。在电源不供电、单相电源不同电压供电及三相电源不同电压供电三种情况下，测试电袋复合除尘器的排放浓度和运行阻力变化，以间接判断电源优劣并获得适合电袋复合除尘器的最优控制方式。电袋复合除尘器中试平台基本参数见表4。

表4 电袋复合除尘器中试平台基本参数

为了准确评估电源对电袋复合除尘器电场区除尘效率的影响，采用电子低压撞击器ELPI（见图18）进行PM10在线分级除尘效率评估。

3.4.1 电场区PM10分离级除尘效率

电袋复合除尘器中的电除尘位于前部，用于收集大部分粉尘，减少袋式除尘器的入口粉尘浓度。图19、 图20为单相电源与三相电源分别在不同工作电压下静电区分离级除尘效率比较曲线。

图18 ELPI测量原理图

从图20可以看出，在一定的烟气流速下，无论是三相电源还是单相电源，电源电压越高，静电除尘效率越高。在粒径0.1～1μm区间，电除尘效率为最低。

图19 单/三相供电条件下电场区PM10分离级除尘效率（烟气流量40,000m3/h）

图20 单/三相供电及振打/非振打条件下电袋复合除尘器整机PM10分离级除尘效率

三相电源有效提高了电除尘的工作电压，最高可以达到70kV，而单相电源只能达到55kV。另外，即使在同样的工作电压下，三相电源的除尘效率要明显高于单相电源除尘。

3.4.2 电袋复合除尘器整机PM10分级除尘效率

电袋复合除尘器整机的分级除尘效率，包括袋式除尘清灰或不清灰的2种工况。

从图20可以看出，电袋复合除尘器整机具有极高的除尘效率，PM10分级除尘效率受电源类型或电源电压的影响大幅度减小，这是因为电袋复合除尘器的粉尘排放主要取决于袋式除尘部分。

电袋复合除尘器中，若电场的电压为0，电袋复合除尘器相当于袋式除尘器。从图20也可以看到，此时除尘器仍具有很高的除尘效率，但略低于施加电压后的电袋复合除尘器。但是，若电场的电压为0，袋式除尘区又在清灰，除尘器的效率下降，特别是亚微米粒子的排放非常明显；同样条件下，若电场施加电压，除尘器则仍有极高的除尘效率。也就是说电袋复合除尘器对控制PM2.5的排放比单纯袋式除尘器具有更好的效果。

4 结论

通过大量试验研究，得出如下结论：

（1）运用CFD数值模拟技术对电袋复合除尘器内部的气流进行合理的组织，设计出最佳的滤袋布置方式及导流装置，使得电区的气流均匀性、粉尘对滤袋的冲刷速度及上升速度均在合理范围内，保证了滤袋及清灰工作的可靠运行。

（2）通过在脉冲喷吹试验平台上的大量试验，不仅得到了目前国际上主流脉冲阀性能对比数据，开发出均流喷管，还获得了喷嘴-袋口最优距离、最佳脉冲宽度等关键的运行参数。为清灰系统的可靠、高效运行提供了重要依据。

（3）通过在滤料过滤性能检测装置上进行的荷电粉尘对滤料阻力的大量试验，得到了荷电电压、滤料类型对电袋复合除尘器阻力等方面性能的影响，为电袋复合除尘器滤料选择、电袋复合除尘器运行电压设定等方面提供了重要的依据。

（4）电袋复合除尘器中试平台上的电源对比试验表明，三相电源性能优于单相电源，电袋复合除尘器对PM2.5也具有极高的去除效率。

Study on Electrical and Bag-hose Complex Precipitator in Big-sized Coal-fired Power Station

YAO Yu-ping1, WANG Yong1, ZHAO Xi-yong1, LIU Jing-xian2, MAO Ning2, LI Xiao-ying3, LI Shu-ran3, ZENG Yu-xuan3
(1.Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd, Zhuji Zhejiang 311800;2.Dongbei University, Shenyang 110004; 3.Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The article analyzes and studies on electrical and bag-hose complex precipitating technology in big-sized coalfired power station, such as best scenario confirmation of airflow form, mode selection and parameter optimization of pulse and spray system etc. The research shows that the ladder allocation in bag hose precipitating area is an idea airflow form mode,the pulse valve with piston mode bears the better dust cleaning performance, load electricity of dust can help to reduce the resistance of precipitating equipment and the capability of three-phase power supply can precede the single-phase power supply.

electrical and bag-hose complex precipitator; airflow form; dust cleaning of pulse; load electricity of dust;big-sized coal-fired power station; power source

X701.2

A

1006-5377（2012）01-0042-07