淺析水泥窯NOx 超低排放之高溫電除塵器

淺析水泥窯NOx 超低排放之高溫電除塵器

屈荷葉，魯果，曹寧，吳偉

（西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?，陜西 西安 710075）

摘要：氮氧化物排放治理是目前水泥行業(yè)大氣污染物減排面臨的最大難題。高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)路線是水泥行業(yè)氮氧化物超低排放的有效途徑之一，其中高溫電除塵器有著不可忽視的作用。本文結(jié)合高溫電除塵器入口含塵氣體特點(diǎn)從粉塵比電阻適用性、陰陽(yáng)極配結(jié)構(gòu)形式、高溫絕緣性能、鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及熱變形、遠(yuǎn)距離高空溜灰系統(tǒng)、高壓供電設(shè)備的選配等多方面論述了水泥窯NOx 超低排放中高溫電除塵器技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高溫電除塵器；溜灰系統(tǒng)；高壓供電設(shè)備；電暈線；陽(yáng)極板；超低排放

中圖分類號(hào)：TQ172.688.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-9877（2022）

隨著國(guó)家及地方政府環(huán)保政策的進(jìn)一步收緊， 河北、河南、安徽、浙江等多省市連續(xù)出臺(tái)水泥工業(yè)大氣污染物特別排放限值實(shí)施計(jì)劃，要求水泥行業(yè)全部完成超低排放目標(biāo)，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10 mg/Nm3、50 mg/Nm3、100 mg/Nm3，有些省份要求更為嚴(yán)格，氮氧化物排放要求在50 mg/Nm3 以下。

0 引言

目前，氮氧化物排放治理是水泥行業(yè)大氣污染物減排面臨的最大難題。水泥窯煙氣是繼電力、汽車尾氣之后的第三大NOx 排放大戶，按污染源普查NOx 排放系數(shù)為1.65 kg/t熟料計(jì)算，2020 年我國(guó)水泥工業(yè)窯爐NOx排放量約為256 萬(wàn)t，占全國(guó)NOx排放總量的15%[1] ?？梢姡瑢?shí)現(xiàn)NOx超低排放是水泥工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色發(fā)展的必由之路。目前，水泥行業(yè)脫硝超低排放改造技術(shù)路線眾多，根據(jù)SCR催化劑在整個(gè)工藝系統(tǒng)所處位置的煙溫和粉塵濃度，可分為高溫高塵、高溫中塵、高溫低塵、中溫中塵、低溫低塵等多種技術(shù)路線。本文將重點(diǎn)論述水泥窯NOx 超低排放中的高溫電除塵器技術(shù)。

1 高溫電除塵器的經(jīng)濟(jì)性選擇

SCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐及其他工業(yè)窯爐已經(jīng)廣泛應(yīng)用，可以將NO 排放長(zhǎng)期控制在50 mg/Nm3 以下。相比于其他行業(yè)，入口粉塵濃度高，可達(dá)80~100 g/Nm3，甚至150 g/Nm3 以上是水泥窯SCR脫硝的難點(diǎn)之一。通過在脫硝反應(yīng)器前端增加高溫電除塵器，將含塵濃度降低至與電力行業(yè)脫硝入口粉塵濃度相當(dāng)（20~30 g/Nm3 以下），可有效解決水泥窯尾煙氣中含塵量大的問題。利用電除塵效率按指數(shù)變化的規(guī)律，選用1~2 個(gè)電場(chǎng)電除塵器，可有效去除70%~80%的高濃度、大顆粒粉塵，為下游催化劑的選取創(chuàng)造有利條件的同時(shí)發(fā)揮電除塵器的高效作用。因此，SCR脫硝前端的高溫電除塵器選用1~2 個(gè)電場(chǎng)是水泥窯NO 超低排放較為經(jīng)濟(jì)合理的選擇[2]。

2 高溫電除塵器入口含塵氣體特點(diǎn)

水泥窯SCR脫硝高溫中塵技術(shù)中電除塵器布置在窯尾預(yù)熱器C1出口，含塵氣體具有以下特點(diǎn)[3]：

（1） 含塵濃度高，窯尾廢氣含塵濃度為 80~100 g/Nm3，甚至150 g/Nm3 以上；

（2） 煙氣溫度高，窯尾廢氣溫度約為320~350 ℃；

（3） 含塵顆粒細(xì)，<10 μm的細(xì)顆粒占90%~97%，<3 μm的細(xì)顆粒占50%；

（4） 粉塵比電阻高，正常高達(dá)1012~1013Ω·cm；

（5） 煙氣量大，粉塵中有一定堿含量，CaO、K2O、Na2O等。

針對(duì)含塵氣體特點(diǎn)，高溫電除塵器設(shè)計(jì)需要考慮粉塵比電阻適用性、陰陽(yáng)極板結(jié)構(gòu)形式、高溫絕緣性能、高溫下鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及熱膨脹引起變形等問題。

2.1 粉塵比電阻適用性

常規(guī)水泥窯尾電除塵器由于粉塵比電阻高容易形成反電暈降低除塵效率，一般采用增濕塔進(jìn)行煙氣調(diào)質(zhì)、增濕和降溫的方式來降低粉塵比電阻，提高電除塵器效率。高溫電除塵器要滿足水泥窯SCR 脫硝高效運(yùn)行催化劑最佳反應(yīng)溫度，不能進(jìn)行降溫， 因此只能采取適應(yīng)高比電阻粉塵的有效措施。實(shí)踐證明，寬極間距電除塵器對(duì)捕集高比電阻粉塵是有效的。隨著極間距的加寬，閃絡(luò)電壓升高，平均場(chǎng)強(qiáng)和極板電流密度增大，電流密度均勻性得到改善，除塵效率有所提高，同時(shí)，寬極間距對(duì)高比電阻（1011 Ω·cm以上）粉塵有減緩反電暈的作用[4]。因此選用大極間距的電除塵器結(jié)構(gòu)，可有效提高電場(chǎng)放電的穩(wěn)定性。

2.2 陰陽(yáng)極配結(jié)構(gòu)形式

電暈線的設(shè)計(jì)除了要滿足能產(chǎn)生所需的電暈電流外，還要有一定的強(qiáng)度和剛度，以防止振打清灰時(shí)的“斷線”，尤其是在高溫環(huán)境下。一般對(duì)于含塵濃度大、易發(fā)生“電暈封閉”的電除塵器的第一、二電場(chǎng)，可選用芒刺線，通過對(duì)不同刺高的芒刺線伏安特性研究表明，芒刺越高，電流越大。

我公司高溫電除塵器電暈線采用增強(qiáng)型整體V 型線（見圖1），此極線是在德國(guó)魯奇公司V型線基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)型芒刺電暈線，在保持原雙面芒刺電暈線的電性能基礎(chǔ)上，采用冷拔圓鋼代替原來的扁鋼，放電針焊接在圓鋼上，整根圓鋼為一個(gè)整體，不需要焊接，極線兩端與陰極框架采用螺母連接。冷拔圓鋼具有一定的剛度不易變形，而且整根極線與陰極框架連接處為一個(gè)整體，徹底杜絕了電場(chǎng)斷線、掉線、變形、短路等現(xiàn)象的發(fā)生。

陽(yáng)極板采用冷軋C型板（見圖2），極板兩側(cè)彎曲成C型，增加了極板的剛性，極大程度上提高了極板的抗彎性能。側(cè)部開孔，穿插固定扁鋼，將整排極板連為一個(gè)整體，提高了極板強(qiáng)度和抗彎性能，可耐高溫，大大降低了高溫?zé)煔鈱?duì)極板的影響，可防止極板高溫變形或被燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

增強(qiáng)型整體V型線與C型陽(yáng)極板的配合使用，可以有效解決高溫沖擊下材料熱變形極間距變小影響除塵效率，而且增強(qiáng)型整體V型線起暈電壓低，電暈性能好，放電均勻，電流密度大，與C型陽(yáng)極板配合使用可以提高陽(yáng)極板的有效利用率，是一種高效、合理的極配結(jié)構(gòu)形式。

2.3 高溫絕緣性能

電除塵器普通絕緣件在高溫環(huán)境下機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能都會(huì)產(chǎn)生衰減，容易擊穿和高溫碎裂。而高鋁瓷95 瓷在500 ℃時(shí)電阻率為1×1011Ω·cm，仍高于常規(guī)電除塵器使用的特強(qiáng)高強(qiáng)瓷（200 ℃時(shí)，電阻率為1×1010Ω·cm），可以有效保證電除塵器在高溫工況下的絕緣性能要求。同時(shí)配套專用的絕緣子熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)，在窯系統(tǒng)投料前進(jìn)行吹掃，杜絕煙氣處于正壓時(shí)絕緣材料表面沾灰。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及熱變形

溫度對(duì)鋼材性能有著極其重要的影響，鋼材的強(qiáng)度隨著溫度的升高而下降，因此高溫電除塵器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的折減，選用適合的材料和合理的許用應(yīng)力及變形量，保證強(qiáng)度的同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制變形撓度，確保電除塵器部件在高溫環(huán)境強(qiáng)度、剛度要求。高溫工況的熱膨脹和熱變形是高溫電除塵器設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，除了進(jìn)、出口增加膨脹節(jié)，除塵器底部支座設(shè)置固定、滑動(dòng)支座， 增加除塵器內(nèi)部部件連接處的膨脹伸縮量外，更重要的一點(diǎn)是要考慮運(yùn)動(dòng)部件膨脹引起位移變化導(dǎo)致陰、陽(yáng)極振打點(diǎn)偏移對(duì)清灰不利。

3 遠(yuǎn)距離高空溜灰系統(tǒng)

水泥窯煙氣脫硝采用“高溫電除塵器+SCR脫硝”工藝路線后，根據(jù)水泥工藝布置特點(diǎn)，高溫電除塵器和脫硝反應(yīng)器均在高空（50 m左右）布置，高溫電除塵器和脫硝反應(yīng)器收集的灰塵需要從高空輸送至地面最后運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。在遠(yuǎn)距離高空、高溫灰塵輸送過程中如果溜灰管與水平面夾角設(shè)計(jì)過大，灰塵從高空落下時(shí)加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力會(huì)對(duì)下游輸灰設(shè)備產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致輸灰系統(tǒng)無(wú)法正常工作。如果減小溜灰管與水平面夾角（小于粉塵安息角） 以消除灰塵對(duì)輸灰設(shè)備的沖擊力，則灰塵的流動(dòng)性變差，灰塵就會(huì)沉積在溜灰管內(nèi)造成堵灰，給除塵設(shè)備帶來安全隱患（積灰嚴(yán)重產(chǎn)生灰斗掉落），同時(shí)需要考慮灰塵溫度高產(chǎn)生的熱膨脹以及力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等問題。

通過設(shè)置中間緩沖倉(cāng)、熱補(bǔ)償器、變角度溜灰管及固定（活動(dòng)）溜灰管支撐組合而成的溜灰系統(tǒng)（見圖3），從而保障了高溫電除塵器及脫硝反應(yīng)器穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。緩沖倉(cāng)的設(shè)置有效解決了遠(yuǎn)距離高空溜灰的沖擊力對(duì)輸灰設(shè)備造成的破壞，熱補(bǔ)償器彌補(bǔ)了高溫粉塵對(duì)溜灰管產(chǎn)生的熱膨脹。

4 高壓供電裝置的選擇

電除塵器高壓供電裝置的性能對(duì)除塵器除塵效率有著很大的影響。根據(jù)多依奇效率公式，除塵效率η取決于比集塵面積和驅(qū)進(jìn)速度ω，比集塵面積與除塵器總收塵面積A和煙氣量Q有關(guān)，驅(qū)進(jìn)速度與電源有關(guān)，并且與電源可輸出加到除塵器的峰值電壓Vp與平均電壓Vai的乘積成正比。峰值電壓與平均電壓乘積最大值為平均電壓等于峰值電壓時(shí)。

電除塵器高壓供電設(shè)備一般有單相電源、三相電源、高頻電源、恒流電源、脈沖電源等。單相電源由于性價(jià)比高而廣泛應(yīng)用于電除塵器，但其能耗高， 功率因數(shù)只有0.64，轉(zhuǎn)換效率70%，同時(shí)單相電源輸出電壓為正弦波，峰值電壓等于 根號(hào)2倍的平均電壓，無(wú)論是從提高除塵效率還是節(jié)能降碳方面都有被替代的趨勢(shì)。三相電源和高頻電源本身作為一種高效電源，其功率因數(shù)0.95，轉(zhuǎn)換效率95%，峰值電壓趨近于平均電壓，在取得相同除塵效率的情況下優(yōu)先選擇高效電源可有效降低能耗，尤其是在目前“3060 雙碳目標(biāo)”的環(huán)保壓力下，節(jié)能降碳是設(shè)備選型必須考慮的重要因素之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前大氣環(huán)保治理的新形勢(shì)下，水泥行業(yè)氮氧化物超低排放政策已分地區(qū)執(zhí)行，該技術(shù)與傳統(tǒng)治理技術(shù)相結(jié)合，可在低運(yùn)行成本下高效實(shí)現(xiàn)超低排放。高溫電除塵器作為水泥窯SCR脫硝的輔助設(shè)備有著不可忽視的作用。通過對(duì)電除塵器在高溫工況應(yīng)用因素的研究分析，特別是在粉塵比電阻適用性、放電極配、絕緣材料和結(jié)構(gòu)、耐高溫結(jié)構(gòu)材料等方面進(jìn)行研究，采用耐受400 ℃高溫的C220 型極板和整體V型極線。適當(dāng)增大極配間距，提高放電電壓， 增強(qiáng)高粉塵濃度下的粉塵驅(qū)進(jìn)速度，提高收塵效率。解決高空遠(yuǎn)距離輸灰問題以及高壓電源的選配，設(shè)計(jì)開發(fā)出水泥窯SCR脫硝專用高溫電除塵器對(duì)水泥行業(yè)氮氧化物超低排放有著重大意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]  屈荷葉，李海波. 水泥SCR脫硝前置高溫電除塵器應(yīng)用技術(shù)探討[J]. 水泥，2019（12）：50-52.

[4]  唐國(guó)山，唐復(fù)磊. 水泥廠電除塵器應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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