展茂源，王 猛，邓徐帧，郭 军，刘 畅

(山东山大华特环保工程有限公司，山东 济南 250061)

湿式静电除尘器在燃煤电厂超低排放工程中的应用

展茂源，王 猛，邓徐帧，郭 军，刘 畅

(山东山大华特环保工程有限公司，山东 济南 250061)

燃煤电厂湿式电除尘技术可以控制细颗粒物PM2.5对周围环境的污染，实现烟尘超低排放。介绍了湿式电除尘的运行原理及结构组成，通过湿电在燃煤电厂的超低排放工程的应用，发现和解决运行中出现的问题，对湿电技术的应用和发展提供了可靠的支持。流场数值模拟中采用了实体多孔板模型，并在网格划分上做了局部加密的处理，克服了多孔介质模型计算的不足，提高了计算精度。

湿式电除尘器；超低排放；工程应用；烟尘排放

0 引言

国家环保部、国家发改委、国家能源局三部委联合发文，要求到2020年，现役600MW及以上燃煤机组、东部地区300MW及以上公用燃煤发电机组、100MW级以上自备燃煤发电机组及其他有条件的燃煤发电机组，改造后大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机机组排放值，放限值为SO2≤35mg/m3、NOx≤50mg/m3、烟尘≤10mg/m3。山东、山西等省对烟尘排放的限值甚至达到5mg/m3，然而，针对于烟尘排放标准的大幅提高，诸如电除尘前增加低温省煤器、静电除尘进行电源升级、改造布袋除尘器、改造电袋除尘等方案都很难实现烟尘排放浓度小于10mg/m3，因此，择合适的工艺是决定能否达标排放的关键。湿法烟气脱硫后采用湿式静电除尘器，能够对脱硫后湿烟气中的细微颗粒物气溶胶、酸性雾滴等有害物质有效的去除，且对于Hg2+等重金属颗粒能够有效的协同去除，湿式电除尘技术对燃煤电厂大气污染物的超低排放提供了可靠的技术路线及有力保障。

1 湿式电除尘原理

湿式静电除(雾)尘设备广泛应用于冶金行业，脱除冶金烟气中的硫酸雾，直到1986年，湿式静电除(雾)尘设备第一次被应用到燃煤电厂中[1]。

湿式静电的工作原理与干式除尘器基本相同，但是由于湿式静电其工作介质的特殊性—含有雾滴，湿式静电除雾器的工作原理又不同于干式静电除尘器。接通高压直流电源后，放电极与沉淀极之间形成了非均匀高压静电场。在电场的作用下，电晕线发生电晕放电，烟气进入电场荷电区时，酸雾、烟尘等颗粒被荷电。荷电后的酸雾、烟尘等颗粒静电凝聚作用加强，粒径增大，荷电量增加，在电场力的作用下迅速抵达阳极(沉淀极)。大量的酸雾颗粒不断地被驱向阳极，同时迅速释放电荷，从而达到酸雾、烟尘等气溶胶微粒与烟气分离的目的。

对于湿式静电除尘器：首先，由于水滴的存在对电极放电产生了影响，金属表面带水后，大大削弱表面势垒对自由电子的阻碍作用，使电子易于发射。在饱和湿烟气的环境下，改变了电极放电效果，使电极能在低电压下发生电晕放电。其次，由于水滴的存在，水的电阻相对较小，水滴与粉尘结合后，使得高比电阻粉尘比电阻下降，湿式静电除尘器的工作状态会更加稳定；另外由于湿式静电除尘器采用水流冲洗，没有振打装置，所以不会产生二次扬尘。

湿法脱硫后，烟气经过温度大幅下降，处于饱和状态，使得湿式电除尘电场中存在大量的带电雾滴，极大的增加了亚微米粒子碰撞带电的几率，提高了对亚微米粒子的捕集效率[2]。同时，国外研究表明，露点温度以上时，烟气中的SO3在205℃以下时，主要以H2SO4微液滴形式存在，平均颗粒直径在0.4μm以下，属于亚微米范畴。湿式静电除尘器对亚微米颗粒的高捕集效率，可对SO3液滴起到相同作用[3-5]。因此，湿式静电除尘器对酸雾、有毒重金属以及PM10，尤其是PM2.5的微细粉尘有良好的脱除效果。

2 湿式电除尘结构与组成

高效湿式电除尘器主要由电晕线(阴极)、沉淀极(阳极)、绝缘箱和高压直流供电电源组成。

2.1 高效湿式电除尘器本体

主要包括湿式电除尘器的壳体、顶部盖板等，由低碳钢焊接而成形, 并且保证密封良好。放电极、收尘极及电除尘内部部件荷载均由安装在电除尘上部的箱形梁承担, 并将负载传输给支撑框架。

2.2 烟气导流板

入口内装有气流分布板 (碳钢+玻璃鳞片防腐) , 由经过流场模拟后的格板组成, 以使进入湿式电除尘器内的气流更加均匀。

2.3 沉淀极系统

沉淀极材质为新型导电玻璃钢组成，重量轻，具有良好的导电性和耐腐蚀性。外形为正六边形管状，呈蜂窝状紧密排列在一起，模块化的设计，极大的节约了除尘器内部空间，提高了按装效率。沉淀极悬吊在支撑梁上, 并允许在垂直方向上热膨胀。

2.4 放电极系统

放电阴极线为带尖刺的合金材料, 并由一定强度的框架来安装。每个放电极系统均通过箱形绝缘子室内的支撑绝缘子来悬吊。此外，每根阴极线底部，设置一个重锤对阴极线进行进一步拉紧。

2.5 绝缘热风保护系统

湿式除尘器为运行过程中，烟气为湿法脱硫后的饱和湿烟气，为防止绝缘子结露和污染，湿式电除尘上部的绝缘箱及下部的阴极固定器采用热风正压保护装置，保证绝缘子绝缘性更可靠。

绝缘子箱内部设加热装置及温度自动控制装置，加热均匀，温度检测准确，能有效地防止雾气进入绝缘箱，防止结露。

2.6 冲洗系统

湿式电除尘器内设一层冲洗管网，可以有效地冲洗阳极表面。冲洗管网正常运行定期冲洗，平均水耗近乎为0，进行分区冲洗，冲洗频率为每天完成一次冲洗，每个分区冲洗时间约1～2min。阳极冲洗管网主要考虑保护阳极所设置，正常运行时无需开启。阳极冲洗管网兼做阳极支撑框架。

3 湿式电除尘器工程应用

3.1 设计参数

山东某电厂超低排放工程新增二级脱硫塔并与塔顶置一台湿式电除尘器，烟气经二级脱硫塔，进入湿式电除尘器处理后经烟道进入烟囱排放，从而达到超低排放标准。

湿式静电除尘器主要设计参数见表1。

表1 湿式静电除尘器主要设计参数(1台炉)

项 目煤 值入口处理烟气量/m3·h-11750000入口烟气温度/℃50出口烟气温度/℃50入口粉尘浓度(粉尘+石膏)/mg·m-345设计除尘效率(含石膏)/%89阳极管/板型式及材质导电玻璃钢绝缘方式热风吹扫壳体设计压力/kPa2～3电源(1台锅炉)/台4系统总阻力/Pa≤450出口烟尘浓度/mg·m-3<5(当湿式除尘器入口烟尘浓度<45mg/m3时)

3.2 布置方式

在新建二级脱硫塔顶部新增湿式电除尘器：湿式电除尘器设计在脱硫塔除雾器上部空间，设备荷载由脱硫塔承担，不需要单独进行土建施工。湿式电除尘器与脱硫塔在同一钢壳体内。脱硫塔设备安装时采用顶撑倒装法，先对脱硫塔的湿式电除尘器钢壳体部分进行安装防腐后，从顶部吊装阳极管束。整体安装好后顶撑安装其他部分。脱硫塔壳体顶部需增加湿式电除尘器绝缘箱支承钢平台，用于安装阴极悬吊系统和高压整流变；湿式电除尘器在上气室需增加人孔检修平台；在下气室需增加人孔和阴极下框架固定器检修平台。

3.3 流场模拟

为了分析湿式电除尘入口烟道方案的流场特性进行CFD模拟，CFD模拟研究对象是从湿法脱硫塔出口弯道至湿式电除尘器出口烟道，研究模型如图1所示。流休模型的GFD方案设计及优化是基于使系统压力损失最小，阳极管入口上游气流速大小分布均匀，速度与垂直方向夹角尽可能小，粉尘浓度分布均匀的原则下对烟道内整流部件进行设计的，通过对湿式电除尘器内压力损失性能、流场均匀性分布，系统内灰分分布等模拟结果的对比分析完成优化方案设计。

图1 除尘装置结构图及导流板安装位置说明

湿式电除尘器内烟气流场的控制方程式为：

(1)

根据湿式电除尘器内烟气流动时湍流的情况，采用标准k-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动。对于湿式电除尘器内的管式集尘区烟气垂直流动特点，通过将集尘区看作特殊多孔介质进行模拟。其压降损失模拟公式如下：

(2)

为了模拟实际流场的流动特点，将流动沿水平方向的阻力设置的非常大，而垂直方向的阻力有限，这样流动就会只沿垂直方向流动，和实际现象相符。

CFD流体模型根据工程设计方案确定，利用Gambit对装置进行三维建模，采用适应性较好的四面体网格对三维模型进行网格划分。

该模型的边界条件依据项目方提供的运行参数设置。烟气入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口表压为一个大气压，模型壁面采用标准壁面函数。计算过程中，为防止壁面非线性发散，采用低松弛迭代的变松弛系数法。

3.4 结果分析

3.4.1 速度分布

图2是优化除尘装置系统内迹线分布。优化后内部流速分布均匀，无湍流和流动的死角区域。导流的关键是保证烟气在进入阳极管区域上游截面内的速度大小分布均匀，并且与垂直方向夹角较小

图3给出了阳极管入口上游0.5m处的速度分布云图和矢量图。从图中可知，入口速度与垂直方向的夹角很小，能够保证烟气垂直流进阳极管。

图2 烟气迹线分布

图3 阳极管入口上游0.5m截面处的速度矢量

为了定量评价速度分布的均匀性，用速度的标准偏差定义了气流均布系数的概念。计算结果显示气流均布系数为13.24%，小于15%。

3.4.2 阻力损失

系统压力损失主要存在于烟气转弯段、烟道渐扩段、渐缩段和烟气沿程的通道等。其本质主要由于流动介质在流动过程中产生涡流、速度重新分布引起的加速或减速以及介质质点间剧烈碰撞的动量交换等引起，而减少压力损失的方法：一是在流通面积或流体运动方向发生剧烈变化处安装适当形状的导流板，既可以避免在弯曲处的内外侧出现大范围的涡流区，也可以减少二次流的产生和影响范围；二是流通面积平稳过渡，尽可能采用逐渐扩大或逐渐缩小代替突然扩大或突然缩小；三是适当地选装分流板或合流板。在优化设计导流装置和整流装置的过程中是基于使系统压力损失最小，导流板数目最少的原则下进行的。系统总压降约为178Pa，其中阳极管部分阻力损失为129Pa。压力降主要存在于阳极管段和出口段。

4 运行效果及存在问题

经过严格的施工及调试，湿式电除尘器运行稳定可靠，现场测试出口烟尘排放浓度均满足设计要求，烟尘小于≤5mg/m3，甚至达到2.6mg/m3，系统运行阻力<450Pa，运行电耗小于350kW。

湿式电除尘工程应用中存在的问题：

(1)运行电压低，电流很小，或电压升高就产生严重闪络而跳闸。分析其主要原因：绝缘箱或固定器沾水导致绝缘性能下降，在低电压下闪络严重；极板、极线积灰，造成击穿电压下降。解决措施：提高换热器温度检查换热器风量；冲洗积灰，修复保温。

(2)运行电压较低，二次电流过大。其主要原因：高压部分绝缘不良；放电极与收尘极间距局部变小；电场内有异物；电缆或终端盒绝缘损坏，泄漏电流；产生反电晕。建议采取相关解决措施：用摇表测绝缘电阻，改善绝缘情况或更换损坏的绝缘部件；调整极距，清除异物。同时检查换热器和漏风情况，清除积灰，改善电缆与终端盒的绝缘，调整高压供电方式和清洗周期，调整煤质。

(3)二次电压接近零，二次电流表指示接近极限值。其主要原因：放电极断线,造成二极短路；电场内有金属异物；高压电缆或电缆终端盒对地短路；绝缘瓷柱损坏,对地短路。解决措施：剪掉放电极断线；清除异物；修复或更换损坏的电缆和终端盒；修复或更换瓷柱。

(4)二次电流表指针周期性摆动。其主要原因：放电极框架振动；放电极线折断,残余段在框架上晃动。解决措施：消除框架振动；剪掉残余线段。

5 结语

(1)湿式电除尘器的收尘效率不受粉尘性质影响，能够解决湿法脱硫后的烟尘排放达到超低排放标准，运行可靠稳定。阳极采用导电玻璃钢阳极材质，无水循环系统，无需碱液冲洗防腐，运行维护费用低。

(2)流场模拟是确保湿式静电除尘高效稳定运行的先决条件，均匀的流场是保证除尘效率的前提条件，对优化运行具有重要的作用。绝缘性是湿式静电除尘器开车的重要条件，湿式电除尘器开车运行前，系统的绝缘性必须保证。

(3)本工程湿电除尘器内流场模拟研究对象起始于湿法脱硫塔除雾器上方，包括湿式电除尘器入口、渐扩段、湿式电除尘器主体、湿式电除尘器出口烟道及其内部导流板结构等。采用FLUENT软件包模拟研究了湿式电除尘器内的流体流动特性。定性分析了优化后湿电除尘器的速度分布特点，云图和矢量图显示速度分布均匀，并计算了满负荷工况下阳极管入口上游0.5m处的气流均布系数。CFD模拟计算优化方案在100%运行工况下从进气烟道到除尘器出口之间的系统总压力损失分别为178Pa，阳极管部分阻力损失为129Pa。

[1]闫 君.湿式静电除雾器脱除烟气中酸雾的试验研究[D].济南:山东大学,2010.

[2]蒋海涛,田绍刚,付玉玲,等.湿式电除雾技术及在燃煤电厂的应用[J].发电设备，2014,1(18):61-64.

[3]薛建明,纵宁生.湿法电除尘器的特性及其发展方向[J].电力环境保护,1997,13(3):40-44.

[4]尹连庆,唐志鹏,刘 佳.湿式电除尘器技术分析[J].电力科技与环保,2015,31(3):18-20.

[5]聂孝峰,李 强,李东阳,等.燃煤电厂湿式电除尘(雾)技术研发与应用[J].电力科技与环保,2015,31(4):28-30.

Engineering application of wet electrostatic precipitatator in ultra-low emission control technology in coal-fired power plant

Wet Electrostatic Precipitatator is used in coal-fired power plant in PM2.5pollution control. It introduces the structure characteristic and working principle of WESP. Based on the application of WESP after desulfurization in coal-fired power plant in ultra-low emission, find and solve the problems that arise in the operation of the application and development of wet electric technology provides a reliable support. The entity porous model has been used and grid was refined in the numerical simulation .So that the calculative deficiency in porous media model was surmounted and calculation accuracy was improved .

wet electrostatic precipitatator(WESP);ultra-low emission;engineering application; dust emission

X701.2

B

1674-8069(2017)02-030-04

2016-09-26；

2016-10-13

展茂源(1982-)，男，山东济南人，主要从事电厂烟气脱硫、除尘技术工作。E-mail：zhanmaoyuan@126.com