論高濃度電除塵技術方案的優化
摘 要：本文通過對高濃度煙氣粉塵在電除塵器內分布情況的深入分析和 粉塵收集過程的系統闡述，揭示了電除塵處理高濃度煙氣的可行性，提出了ESP處理高濃度煙氣技術方案的優化途徑。并就電除塵器與袋式除塵兩種處理高濃度煙氣方案的技術經濟性作了簡明對比。
1 課題的提出
燃煤鍋爐尾氣的含塵濃度一般在50 g/Nm3以下,干法水泥生產線窯尾煙氣含塵濃度不超過80g/Nm3，以前工業窯爐尾氣含塵濃度均低于100g/Nm3，人們將含塵濃度高于100 g/Nm3的煙氣視為高濃度煙氣。現代先進的水泥生產工藝則將生料粉全部經電除塵收集后再送去預熱、分解和煅燒，其煙氣含塵濃度可達500-1000g/Nm3。循環流化床脫硫技術為獲得很高的脫硫效率,要求CaO、Ca(OH)2通過多次循環與煙氣充分接觸以提高脫硫效率、降低鈣硫比，脫硫塔內的煙氣含粉濃度在1000g/Nm3以上，而進入除塵器的含塵濃度也可達600-1000g/Nm3。按傳統的電除塵理論和實踐，這么高濃度的含塵煙氣如直接進入電場必產生電暈封閉而幾乎沒有除塵效果，故不能直接選用電除塵進行處理。然而，國內外的實踐已經證明電除塵處理濃度高達1000g/Nm3的煙氣不再是不可能的事了。在此，我們有必要重新認識和探討有關問題并尋求正確答案:
A、高濃度煙氣進入電場后是否必定會產生電暈封閉?產生電暈封閉的條件究竟是什么？采取何種措施才能克服電暈封閉？
B、目前已投入使用的高濃度電除塵器與普通電除塵器有哪些不同?
C、已有高濃度電除塵技術方案有哪些不足之處？如何進一步完善和優化高濃度電除塵技術方案?
D、用于處理高濃度煙氣的其它除塵方案與電除塵方案相比，哪一種方案更有優勢？
2 關于電暈封閉問題的反思
2．1 電暈封閉的存在條件
關于電暈封閉現象，人們曾有過實驗和理論方面的驗證。設有密度為? 2.7g/cm3的粉塵，煙氣中的含塵濃度為c（g/Nm3），粉塵計算粒徑為d（μm）,顆粒為球形，其濃度也可表示為? 6c*1E+12/2.7/(πd3) (顆/Nm3)，則異極間距為0.2m時,某一極間通道單位高度、單位長度內的顆粒數為0.14c*1E+12/d3(顆)，每一顆粒互不重疊時粉塵顆粒對極板的總投影面積為0.11c/d(m2)，當? c=100g/Nm3、d=10μm時，其值為 1.1m2；c=200g/Nm3、d=20μm時，其值同樣為1.1m2，從而形成對極板面積的覆蓋。當濃度更高及粒徑更小時，還會形成多層覆蓋。即便是單層覆蓋，電暈區內產生的負離子就不能直接穿透煙氣層而到達極板，此即產生了電暈封閉。在此，我們曾假定電場橫斷面上各處的幾何條件與物理條件完全均勻一致。然而，實際電場并不能嚴格遵循幾何物理條件的一致，因而出現電暈封閉的濃度和粒徑存在一個范圍。
2．2 高濃度煙氣及其粉塵在電除塵器內的運動
用于處理高濃度煙氣的電除塵在進氣口內均設有預除塵裝置，無論其具體結構形式如何，均產生兩個效果：其一，通過慣性碰撞除去部分粗顆粒粉塵，使含塵濃度有所降低，這類預收塵裝置的除塵效率可達20-40%；其二，慣性碰撞未能去除而又隨煙氣一起進入電場的粉塵，由于重力作用向下沉降，根據粒徑和所處位置不同，粉塵在進入電場之前，沉降的速度和高度各不相同，從而造成煙氣進入電場后，含塵濃度及顆粒級配沿高度方向極不均勻。顯然，電場上部的濃度低且顆粒細，電場下部的濃度高且粗顆粒所占比重大，然而即使是低濃度區域的含塵濃度仍將達到100甚至300g/Nm3以上，電暈封閉現象的存在是不爭的事實。
在電場周邊，為防止煙氣旁路而設置的擋風板（或稱阻流板）將迫使煙氣進入電場后產生渦流，該處實際流速極低以致粉塵質量顆粒流量可能低到足以消除電暈封閉、產生放電通道的程度；內部結構因素及制造安裝誤差等因素也將造成某些通道流速的不均勻；此外，極間距離及電極幾何形狀的不一致在任何通道內都將存在。
眾所周知，放電的產生與煙氣流速、含塵濃度、極間距、電極幾何形狀等多種因素均有直接關系。在此，煙氣流速、異極間距、電極形狀以及電源電壓的影響都很顯著。前已述及，電場高度方向上的濃度差異極大。電場上部粉塵濃度偏低，再加上電場內部的種種不均勻因素，給某些區域降低阻抗、解除電暈封閉、形成放電通道創造了條件。對給定的電場幾何條件，在場強足夠的情況下，某些區域首先克服動態氣體與煙塵的聯合阻抗、形成放電通道和電暈電流，使煙氣得到凈化（稱之為凈化通道），又由于對流傳質作用，高度方向鄰近區域的煙氣濃度被稀釋從而也開始出現電暈電流，凈化速率加快，這種效應沿氣流方向迅速擴張和延伸，直至波及電場全高。另一方面，初時未形成放電通道的區域也并非完全沒有電暈電離產生，只不過離子的遷移在粉塵顆粒的重重圍困下暫還無法穿透極間粉塵屏障而形成電暈電流罷了。實際上，只要有強電場存在，就會有電暈電離產生。隨著煙氣向后流動，電暈區附近荷負電的粉塵在紊流條件下按照概率向陽極輸運并吸附于極板從而使煙塵濃度得到一定程度的降低；與此同時，電暈區附近未荷電的粉塵在較強的不均勻電場作用下產生極化并與荷正電的粉塵一起迅速趨向陰極，也在一定程度上使煙塵濃度減小。經過一定距離，當煙塵濃度降到一定程度時，電暈封閉逐漸解除，也開始出現電暈電流——此即電暈封閉條件下的煙氣凈化過程。
然而，由于重力沉降及清灰降落的粉塵源源不斷地向下向后遷移，因而放電通道和凈化通道的擴展以及粉塵濃度降低的速率在電場下部進展緩慢。相反，電場上部的含塵濃度迅速而顯著地下降，因此，在前級電場面后上部區域必出現強烈的電弧放電，表現為電場閃絡頻繁，二次電流、電壓大幅度波動，電場輸入功率不穩。很顯然，電場注入功率的大小直接影響電暈封閉出現的范圍，從而影響到電場整體功能的發揮，電壓電流的大幅度波動必將導致電暈封閉出現的范圍不斷地隨時間發生著較大的變化，該電場分級除塵效率將無法達到應達到的指標。
3．高濃度電除塵技術方案的優化
3．1 高濃度電除塵與普通電除塵的差異
我們考察已經投運的高濃度電除塵，有一點頗具共性，即在進氣口內均設置有預除塵裝置。除此之外，有的高濃度電除塵在內部構件的配置上確有一些特殊的方面，但也有的電除塵內部結構和外部配置與常規電除塵沒有什么實質性差別，卻也能獲得預期的效果，這不能不使人懷疑我們以前掌握的關于電暈封閉的理論是不是錯了。其實，通過前面的分析而知，只要設備規格足夠大，高濃度電除塵總能達到預期的除塵效果，并非沒有出現電暈封閉，而是電暈封閉現象在電場內會沿著電場方向逐漸消失。但這并不是說高濃度電除塵無需進行技術方案的優化，人們完全有必要從設備投資造價和運行維護費用等方面對其進行優化設計。
3．2 內部結構方案的優化
我們已經知道，以常規配置（極距、線距、電極形狀、高壓電源）的電除塵也能夠處理高濃度煙氣，只是由于前級電場沿電場方向煙塵濃度相差懸殊，放電與荷電情況極不均勻，空間的有效利用率較低，電場內的大部分區域仍發生事實上的電暈封閉，但這一事實被已經存在的放電通道及其擴展區域所反映出來的電流所掩飾而難以覺察。
前已述及，改變電場條件能夠克服電暈封閉。首先，縮小極間距將會產生有利的影響，但若極間距縮小很多將使設備重量及造價增加許多，故不可取。線間距縮小的方案也可一試，估計效果并不明顯（高濃度條件下由于電暈封閉現象的存在，線距在一定范圍內減小對電暈電流分布的影響可以忽略）。目前技術方案的優化重點在于合理確定電極布置形式、增大電場強度、改變流速分布狀態使之與電場要求相適應。
改變電極布置形式的目的在于提高平均場強和增大電場整體的輸入電流，使得整個電場都能形成凈化通道。考慮到電場內部煙氣含塵濃度極不均勻（整個電場內沿高度和長度方向的濃度變化都非常顯著），對濃度高、電暈封閉嚴重的電場前部及下部區域，為加速其凈化通道的形成，電極放電尖端應當又尖又長。理想的電極布置應按濃度變化情況沿電場高度和長度方向連續變化，這在實際上難以做到，事實上也沒有必要。由于凈化通道擴展的趨勢，在電場始端沿電場高度只要形成一定數量的凈化通道，就足以在較短的時間和行程內把凈化區域擴展到高度方向整個區域。但電場下部區域由于清灰沉降的原因，沿電場方向煙塵濃度遞減緩慢，因而該區域可全部布置成放電強烈的電暈線。
粉塵的重力沉降和清灰降落過程使得高濃度區域向下向后推移，勢必增加后續電場的負荷和不利影響。為了減輕這種影響，加速粉塵的降落，縮短其向后遷移的路程，在前級電場的終端設置節流墻，使電場下部的煙氣流速降低，即可達此目的。
3．3 高壓供電裝置的選擇
高濃度區域離子遷移率很低，電場要求有較高的電場強度，供電電源的二次電壓必須相應提高并且得到保持。常規高壓電控裝置采用火花頻率跟蹤方式，這大大限制了電暈功率的提高。在濃度高且分布極不均勻的條件下，局部區域放電強烈，而更大的區域卻放電微弱，總體上顯示電流正常閃頻很高，電控裝置則頻頻關閉導通角，降低運行電壓，放電通道因而縮小，電暈封閉范圍擴大，影響了凈化通道的形成和發展，除塵效率隨之降低。要提高除塵效率必須增大并保持放電通道，有效提高電暈功率。在常規電控和給定電場條件下，應當提高電源的電壓等級、最大限度地增大許可閃絡頻率、合理設置清灰周期。在此，恒流高壓電控裝置以其特殊的控制特性而受到關注。恒流源電控具有正反饋、全波導通的特性，工作狀態下能夠抑制電流的大幅波動和電場閃絡，不是靠人工現場調整與設定，而是依靠電路自身的特點自動根據電場阻抗的變化連續改變輸入電壓而保持輸出電流不變。當電場內出現電弧放電時，恒流電控自動降低輸出電壓以抑制電弧放電的進一步發展，由于電壓恢復時間短，電壓表的變化幅度很小以致實際看上去沒有什么變化，這跟可控硅電源關閉導通角大幅度降低電壓電流截然不同。這樣，電場能夠獲得必需并且必要的電暈功率，保證放電通道持續暢通。顯然，電場運行電壓居高平穩，除塵效率的提高是不言而喻的。
對于后級電場，隨著煙氣濃度的降低，電場阻抗減小，電場內各點的放電通道皆已形成，總體阻抗下降，閃弧基本消失，運行參數平穩，電場完全進入常規收塵狀態，電場結構與電源控制可按常規配置。值得一提的是，即使在常規收塵狀態，在長期運行過程中，電場內部條件將隨著時間的推移而逐漸惡化，最常出現的問題是運行電壓電流有不同程度的降低，這是由于板線附灰后電場阻抗及電極電性能發生變異的緣故，如采用恒流源電控裝置，則能忽略這種影響而長期保持恒定的電流輸入，從而長久保持預期的除塵效率。
4 電除塵與袋除塵處理高濃度煙氣的技術經濟性比較
在適用的條件下，優化的電除塵方案可以取得很高的經濟技術指標及性能價格比。
高濃度電除塵的出現本身就是以節約能源為標志的。正因為如此，重力除塵和慣性除塵因其能耗高而除塵效率難以進一步提高已失去其存在的價值。袋式除塵器以其高的除塵效率業已顯示出強大的生命力。尤其是近年來，濾料及清灰技術發展迅猛，更顯出其無所不能的優勢。袋除塵處理高濃度煙氣也已成為現實。為此，高濃度煙氣除塵的方案選擇值得一比：
對大型電除塵來說，設備重量與集塵極面積的比值約為32千克每平方米，高濃度電除塵比收塵面積低于100m2.s/m3。大型袋除塵設備重量（鋼結構件）與過濾面積的比值約為25千克每平方米，高濃度袋除塵氣布比不超過1.0 m3/s/㎡。則每立方米的煙氣處理的投資額為（濾料選用耐高溫、抗酸堿、抗褶皺的復膜濾料，每平方米價格為￥220元。鋼結構件按5500元/噸計算）：
電除塵： 32*100*5.5=17600元每立方米每秒煙氣
袋除塵: (25*5.5+200)*60/1.0=20250元每立方米每秒煙氣
可見，即使把高壓電源和控制費用加進去，袋除塵器的設備投資仍高于電除塵器。
運行維護費用方面，袋除塵器需定期更換濾袋，電能消耗基本持平，電除塵仍占有優勢。
如果考慮電除塵方案優化的因素，其優勢更為明顯。
5 結論
由于凈化通道的存在，電除塵能夠克服高濃度條件下出現的電暈封閉現象而獲得期望的除塵效果。技術上的優化以全面開辟凈化通道、減輕高濃度區域向后續電場的遷移、提高有效電暈功率、長期保持較高的除塵效率為目標。估計優化后的高濃度電除塵器總的除塵面積可降低15%左右，造價降低10%左右。在粉塵性質適用的條件下，用電除塵處理大氣量高濃度煙氣占有明顯的優勢。
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