水泥SCR脫硝前置高溫電除塵器應(yīng)用技術(shù)探討

高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)路線是目前水泥行業(yè)氮氧化物超低排放的有效途徑之一，在SCR反應(yīng)器前設(shè)置高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下解決水泥爐窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格。本文結(jié)合國內(nèi)首臺(tái)水泥SCR脫硝項(xiàng)目的成功應(yīng)用對(duì)脫硝前置高溫除塵器選型及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述，提出了高溫環(huán)境下電除塵器穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施，為以后設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

前言

氮氧化物排放治理可謂當(dāng)前水泥行業(yè)大氣污染物減排面臨的最大難題。目前，國內(nèi)脫硝技術(shù)方案可以分為兩大類，一是過程控制（即：低氮燃燒，分級(jí)燃燒等改造方案）; 二是末端治理，主要包括SNCR和SCR，在實(shí)際應(yīng)用中部分企業(yè)也采用了過程控制加SNCR脫硝的模式，取得了良好的效果，但是要實(shí)現(xiàn)超低排放要求，SCR脫硝更具可行性也更具潛力。脫硝反應(yīng)溫度一般為300~450℃，在有預(yù)熱器的新型干法熟料水泥生產(chǎn)線上，該溫度區(qū)間正好對(duì)應(yīng)水泥窯尾預(yù)熱器C1筒廢氣出口的煙氣溫度，可以滿足SCR所需要的反應(yīng)溫度窗口，但是C1筒出口處粉塵濃度高，有堵塞催化劑的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)加快催化劑的磨損，煙氣中的堿金屬、重金屬，可導(dǎo)致催化劑中毒，影響SCR系統(tǒng)的效率，增加系統(tǒng)阻力，也可能影響水泥窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)含塵量高問題，在SCR反應(yīng)器前設(shè)置高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下，解決水泥爐窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格。西安西礦環(huán)?？萍加邢薰驹诤幽享悴奂瘓F(tuán)宏昌水泥有限公司5000t/d煙氣超低排放SCR脫硝項(xiàng)目中采用的“高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)”這一技術(shù)路線成功實(shí)現(xiàn)了氮氧化物排放濃度小于50mg/Nm3，系統(tǒng)阻力小于1000Pa等各項(xiàng)指標(biāo)要求。結(jié)合此項(xiàng)目的成功案例，我們對(duì)窯尾脫硝前置高溫電除塵器的應(yīng)用進(jìn)行探討，僅供同行們參考，如有不妥之處還望多多指教。

一、高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

圖一 高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)工藝路線

新型干法熟料水泥生產(chǎn)線窯尾高溫?zé)煔饨?jīng)過（四級(jí)或五級(jí)）預(yù)熱器后溫度正好處于脫硝反應(yīng)溫度窗口，在此位置增加SCR脫硝反應(yīng)器可有效脫除煙氣中的氮氧化物，而窯尾廢氣含塵濃度高，容易造成催化劑堵塞增加系統(tǒng)阻力和運(yùn)行成本，因此在脫硝反應(yīng)器前和預(yù)熱器C1出口后增加高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下，解決水泥窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格，實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放。

二、高溫電除塵器選型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電除塵器如何長期在高溫（280℃~350℃）下穩(wěn)定運(yùn)行，克服因高溫?zé)崤蛎浂鴮?dǎo)致的除塵殼體及內(nèi)部陰陽極的變形，滿足煙氣溫度高的情況下粉塵比電阻的變化，并降低煙氣中的粉塵濃度是本文闡述的主要內(nèi)容。

1.水泥窯尾煙氣特點(diǎn)

(1)   含塵濃度高，窯尾廢氣含塵濃度為50~100g/m3；

(2)   煙氣溫度高，新型干法窯外分解窯窯尾廢氣溫度為320℃~350℃左右；

(3)   含塵顆粒細(xì)，<10μm的細(xì)顆粒占90%~97%，小于2~3μm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

2. 高溫電除塵器選型

電除塵器布置在脫硝反應(yīng)器之前其作用是降低脫硝入口粉塵濃度，防止催化劑堵塞和磨損，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計(jì)選型可以按預(yù)除塵不必做到精細(xì)化超低排放，建議除塵效率一般按70~80%，除塵器宜選用兩電場(chǎng)或三電場(chǎng),電場(chǎng)風(fēng)速選取可比常規(guī)除塵器高些，同時(shí)也不能太高以保證荷電粉塵在電場(chǎng)內(nèi)有足夠的時(shí)間被捕集。雖然電除塵器荷電過程只需要10-2s和前進(jìn)幾厘米便能達(dá)到飽和荷電，但要沉積被捕集卻需要緩慢過程和前進(jìn)一段距離。一般工業(yè)電除塵器由于塵粒數(shù)量多，又處于小規(guī)模隨機(jī)紊流狀態(tài)，當(dāng)塵粒直徑大于50μm，它在電場(chǎng)內(nèi)的加速時(shí)間與停留時(shí)間相比很短暫，2~5s完全可以被捕集，對(duì)微細(xì)塵粒停留時(shí)間要比加速時(shí)間長的多，而水泥窯尾10μm以下細(xì)顆粒占90%~97%，因此氣體停留時(shí)間應(yīng)大于5~10s，電場(chǎng)風(fēng)速宜小于1.5m/s。

3.高溫電除塵器技術(shù)特點(diǎn)：

針對(duì)水泥窯尾預(yù)熱器C1出口高溫?zé)煔馓攸c(diǎn)，需采取一系列相應(yīng)措施，以滿足電除塵器高效率的穩(wěn)定運(yùn)行，為后端SCR脫硝創(chuàng)造良好的反應(yīng)條件。

3.1設(shè)備本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，剛度性能保證：

 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，殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)要乘以相應(yīng)的溫度折減系數(shù)，撓度變形設(shè)計(jì)時(shí)乘以相應(yīng)的溫度折減系數(shù)尤其是對(duì)除塵器的核心部件：底梁、側(cè)板立柱、極板懸吊梁、頂梁等進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，保證強(qiáng)度的同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其變形繞度，確保電除塵器部件在高溫環(huán)境下不變形。對(duì)常用鋼號(hào)Q235、Q345,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的溫度折減系數(shù)γs見表1，彈性模量的溫度折減系數(shù)βd見表2。

表1 鋼材及焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的溫度折減系數(shù)γs

表2 鋼材彈性模量的溫度折減系數(shù)βd

3.2高溫?zé)崤蛎浗鉀Q措施：

電除塵器一般體積都比較大，在高溫工況條件下工作時(shí)熱膨脹比常溫冷態(tài)下大很多，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)減緩熱膨脹措施來消除電除塵器產(chǎn)生的較大熱變形。首先在電除塵器進(jìn)、出口端部布置膨脹節(jié)，將電除塵器底部支座設(shè)計(jì)成滑動(dòng)支座，以確保除塵器整體隨溫度的變化自由伸縮。另外，增加除塵器內(nèi)部部件聯(lián)接處原有的膨脹伸縮量，如內(nèi)部網(wǎng)撐上下兩端膨脹量，振打軸的軸向伸長與殼體側(cè)板的距離等，避免因高溫變形而導(dǎo)致卡死現(xiàn)象。

3.3采用耐高溫抗變形的C型陽極板

陽極板采用SPCC材質(zhì)冷軋鋼板直接加工成型，極板兩側(cè)彎曲成C型，在上部開有兩個(gè)沉頭孔，與極板懸吊板相連接，下部開設(shè)長孔，可與振打桿連接，側(cè)面開設(shè)有長孔，可穿插固定扁鋼。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。氣流在通過極板兩側(cè)的“C”型區(qū)域時(shí)，會(huì)形成一個(gè)渦流區(qū)，可減小氣流對(duì)極板的沖刷程度，同時(shí)提高了集塵效果。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)于極板的影響，可防止極板高溫變形或被燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4合理的陰極配置

電除塵器陰極線種類較多，在大多數(shù)煙氣除塵場(chǎng)合都有很好的使用效果。而對(duì)于窯尾含塵濃度大，易發(fā)生“電暈封閉”的電除塵器，宜采用放電強(qiáng)的芒刺線、魚骨線等，使放電較集中，增加電風(fēng)影響。根據(jù)國內(nèi)各種陰極線性能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，諸多陰極線中以芒刺線放電性能為最佳。芒刺線整體呈管狀，抗拉強(qiáng)度高，易張緊，不斷線，在高溫?zé)煔猸h(huán)境下不變形，而且該陰極線起暈電壓低，電暈性能好，放電均勻，電流密度大，與C型陽極板配合使用可以提高陽極板的有效利用率。

3.5有效的振打清灰方式

窯尾煙氣濃度高，顆粒細(xì)，陰陽極振打清灰困難，容易產(chǎn)生電暈封閉和二次揚(yáng)塵。因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮有效的振打清灰方式，通常對(duì)收塵極和放電極清灰起主導(dǎo)作用的是法向加速度，因此采取增加振打錘的重量來加大振打力獲取更好的清灰效果。為了避免振打產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵采用相鄰陰極框架和陽極板排振打錘錯(cuò)開間隔式振打，同時(shí)各電場(chǎng)采用不同振打周期，適當(dāng)延長末電場(chǎng)振打控制轉(zhuǎn)停比。

3.6殼體的密封、保溫和絕緣

 高溫電除塵作為SCR脫硝前煙塵過濾設(shè)備既要保證脫硝進(jìn)口較低的氣體含塵濃度，又不能產(chǎn)生太大的溫差使脫硝入口溫度偏低影響催化劑效率，促進(jìn)SO3轉(zhuǎn)化造成下游設(shè)備腐蝕。設(shè)備的密封和保溫至關(guān)重要，一般本體漏風(fēng)率≤1%，除塵器進(jìn)出口溫差≤10℃，實(shí)施保證措施如下：

1）設(shè)備殼體安裝聯(lián)接焊縫內(nèi)外均采用連續(xù)密封焊，焊后焊縫進(jìn)行煤油滲漏檢測(cè)和二次補(bǔ)焊；

2）人孔門采用雙層密封結(jié)構(gòu)；

3）所有密封件材料選用耐高溫密封材料，防止因密封條高溫失效造成系統(tǒng)漏風(fēng)；

4）增加設(shè)備保溫層厚度，建議保溫厚度200mm~250mm；

5）保溫材料選取耐高溫的硅酸鋁棉代替巖棉。

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，因此高溫電除塵器絕緣件選用95瓷（Al2O3含量95%），95瓷是采用熱壓鑄漿成型，經(jīng)1500℃高溫?zé)Y(jié)而成的氧化鋁瓷。具有耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好，抗電強(qiáng)度大，化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以有效避免高溫對(duì)絕緣件的影響。

3.7灰斗及排灰裝置

灰斗及排灰系統(tǒng)在電除塵器中不僅具有儲(chǔ)灰、卸灰和排灰作用，還具有防止內(nèi)部發(fā)生漏風(fēng)、堵料和結(jié)料等作用?；叶返脑O(shè)計(jì)要保證排灰順暢無死角積灰，一般灰斗角度宜大于60°，灰斗夾角處應(yīng)設(shè)置圓弧板?；叶愤€應(yīng)安裝高料位計(jì)，通過高料位計(jì)來控制灰高不高于灰斗高度2/3，保證灰斗在安全載荷以下，同時(shí)還應(yīng)設(shè)置振動(dòng)電機(jī)和捅灰孔來防止灰斗棚料堵灰。排灰系統(tǒng)一般采用剛性葉輪給料機(jī)和拉鏈機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮殼體的耐溫強(qiáng)度，密封墊高溫失效以及磨損部件的損壞，給料機(jī)軸承應(yīng)采用外置式。

4. 工程案例介紹和運(yùn)行結(jié)果

宏昌水泥5000t/d窯尾煙氣深度脫硝EPC總包工程，采用“高溫電除塵器+SCR脫硝技術(shù)”，即首先采用高溫電除塵裝置降低煙氣粉塵濃度，提高催化劑的機(jī)械和化學(xué)壽命，除塵后的煙氣再進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)脫除氮氧化物，脫除率可達(dá)95%以上，降低氨逃逸，降低無效運(yùn)行成本，節(jié)約資源。該項(xiàng)目為國內(nèi)首臺(tái)水泥行業(yè)全煙氣量SCR脫硝示范工程，完全由西安西礦環(huán)?？萍加邢薰咀灾髟O(shè)計(jì)、制造、安裝與調(diào)試，于2018年9月19日正式點(diǎn)窯投入使用，電除塵器運(yùn)行穩(wěn)定，脫硝出口氮氧化物排放穩(wěn)定在30mg/m3左右，反應(yīng)器阻力在300~400Pa之間，整個(gè)脫硝系統(tǒng)阻力在900Pa左右，氨水消耗量、氨逃逸、系統(tǒng)溫降等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5. 結(jié)束語

電除塵器作為一種高效，穩(wěn)定的除塵設(shè)備廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)窯頭、窯尾，水泥SCR脫硝前置高溫電除塵器以降低脫硝入口含塵濃度，提高催化劑壽命，減少系統(tǒng)能耗，這一技術(shù)路線是目前氮氧化物超低排放有效途徑之一。只要對(duì)高溫電除塵器的性能特點(diǎn)采取有效的措施，完全可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。