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超低排放下电除尘的命运与前景分析

   编辑:文武  邮箱:info@mortar.cn
2018-10-10 21:34:35 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

摘要:摘要:本文简要介绍了近十年来,面对不断提升的环保标准,电除尘所经历的冲击和应对。介绍了电除尘MEC技术,指出:在现行环保标准下,现役电除尘可在不增加除尘空间的前提下实现环保升级。超低排放的实质同样是减排或降低粉尘逃

摘要:本文简要介绍了近十年来,面对不断提升的环保标准,电除尘所经历的冲击和应对。介绍了电除尘MEC技术,指出:在现行环保标准下,现役电除尘可在不增加除尘空间的前提下实现环保升级。超低排放的实质同样是减排或降低粉尘逃逸,在进一步挖掘电除尘潜力、满足超低排放标准方面,MEC技术思想仍具有指导意义。通过对电除尘潜力的分析,推断出电除尘必定成为超低排放乃至近零排放的首选。通过对电除尘器逃逸粉尘影响因素的分析,推演出环保升级的实质是增收与减排、减排是重点。本文为静电除尘设备的环保升级、新建电收尘器的选型和使用指明了方向和途径。

1 综述

电除尘有湿电(湿式电除尘器,代称WESP)和干电(干式电除尘器,代称DESP)之分,在不引起混淆的情况下,以下所称电除尘均指干电。

2000年以来,我国环保标准完成了三次升级。对工业废气中的固体颗粒物而言,第一次升级从原来差异式排放标准(最高标准排尘≤100 mg/Nm3 )统一到50mg/Nm3 排放限值。届此,旧有电除尘绝大多数不能满足新标。由于全面执行时间为2010年1月1日,经历5年多时间的整合,期间的新、改、扩项目按新标建造,大量旧有电除尘在新标执行全面启动之日,面临着升级改造的命运。其时,由于全行业对电除尘的认知尚停留在传统经验的基础之上,对电除尘蕴藏的潜力缺乏应有的认识,特别是水泥行业,伴随着废气余热利用的全面推行,烟气条件(主要是烟气温度及含水率)发生了重大变化,粉尘的可收性朝向不利于电除尘捕集的方向转变,几乎所有在役窑尾电除尘(包括部分2005年后的新建项目)都达不到建造之初的排放指标、更无法满足新标,管理维护不善的窑头电除尘也都超标排放。刹时间,电除尘“过时论”、“瓶颈论”等论调甚嚣尘上,旧有电除尘的升级改造以及部分新建项目的废气除尘均选择了袋式除尘,甚至,一些地区的环保部门强行要求排污单位将电除尘改成袋除尘、即使是刚刚建成!

经过近十年的磨合、适应与市场盘整,期间虽然又经历了2015年的环保升级,电除尘市场仍然有了新的起色。到目前为止,电退袋进的局面已得到遏制。

电除尘市场的萎缩直接冲击到高压直流电源产品。2010年之后,几乎所有大型电源制造商都加大了研发投入,开发新一代高压电源。率先推出的是三相工频电源,之后,各大厂商相继推出了自行研发的高频电源,近年来又推出微秒级脉冲电源。由此,我国的高压直流电源的控制方式和整体性能达到了一个崭新的高度。

与此同时,电除尘本体制造商也纷纷寻求电除尘本体挖潜增效的解决方案,数年内不断有新成果推出——预荷电极,移动电极,库仑电除尘,过滤槽网等。其中,最具代表性的首推低低温电除尘(改变了火电行业燃煤锅炉电除尘器的命运),其次是电除尘MEC技术(挽救了水泥行业窑头电除尘)。

期间,电力行业推行环保工艺路线获得巨大成功,锅炉电除尘+湿法脱硫+湿式电除尘(WESP)使烟囱出口粉尘排放降到10mg/Nm3 甚至5 mg/Nm3 以下,电除尘“过时论”、“瓶颈论”不攻自破。

2013年,国家环保部再次推新, 30 mg/Nm3 、 20 mg/Nm3 粉尘排放限值颁布, 2015年1月1日起全面执行。刚刚有所稳定的除尘产品市场再次遇到新的冲击。然而,这一次的冲击裂度远不象第一次的冲击那样猛烈——业内人士变得理智,是由于技术底蕴得到了增强。在某种程度上,高频电源大量进入应用领域成为了许多人心理上的支撑。

有一些地区,2015年执行30 mg/Nm3 排放限值,时隔2年,地方政府就推行20 mg/Nm3 排放限值,并且强制安装了在线监测。虽然不是全范围的环保升级,却对部分地区形成不小的震荡。

有消息称:以排放限值10 mg/Nm3 为标志的超低排放标准不久即将颁布实施,部分地区正在酝酿提前试行超低排放标准,这不能不说是除尘行业的又一次强烈地震。

尽管近十年来电除尘技术有了些许的进步,但这种进步与环标的升级速度相比似乎还是慢了半拍。可以想见:超低排放标准贯彻之后不久,粉尘排放限值为5 mg/Nm3 (部分地区为3 mg/Nm3 )的近零排放标准必将提上议事日程。

诚然,如果不计建造投资和运行成本,电、袋除尘满足超低排放标准在技术上都没有障碍。但是,技术先进和进步的标志是以更少的资源消耗满足更高的使用要求。因此,我们应寻求更经济适用的环保升级模式。

2 电除尘升级改造案例:实践MEC技术,实现20 mg/Nm3 排放限值

电除尘MEC技术是上海激光电源设备有限责任公司于2009年首次推行的电除尘升级改造技术,是集本体机械(Mechanical)、电源电气(Energization)、烟气条件(Conditioning )于一体的电除尘系统改造技术,率先应用于窑尾电除尘改造,后推广应用于多项窑头电除尘器的升级改造,在钢铁烧结机头烟尘治理方面也有成功案例。

2015年1月1日起,湖北省开始执行30 mg/Nm3 粉尘排放限值。某水泥集团有多条5000t/d水泥熟料生产线,窑头废气治理均使用电除尘,建造时多按≤50 mg/Nm3 设计,新标生效之前,由于本体运行缺陷和废气余热利用,部分设备已不能满足设计排放标准,新标执行之机,拟改造成袋式除尘并已立项。

该集团内有一条生产线的窑头电除尘由于某种原因曾于2012年初实施机电一体化改造、旨在满足设计期望,3年来的运行,不但保持了设计粉尘排放指标,已然能够满足新标要求,已调往另一工厂、正面临窑头电除尘升级改造课题的设备副总悉知此情,为寻求稳健可靠而资源消耗更低的解决方案,向集团建议通过考察论证后再做决定,集团最终废弃了原立项,转而采用MEC技术对电除尘实施改造。两个工厂在2015年春节前后先后施工,重新投运之后所达到的效果优于之前的期望,升级改造获得了成功。自此,集团明文规定:所有窑头电除尘一律采用电改电的方法实现环保升级。

时隔2年,湖北省部分地区将固体颗粒物排放标准提高到≤20mg/Nm3 。令人欣慰的是:实施MEC技术改造的窑头电除尘无须采取新的重大举措、仅通过加大检修力度即轻松实现稳固提效。

电除尘MEC技术是一种升级改造的方法思路,更是一种理念,并且随着环境标准的升级不断丰富其内涵。在超低排放新标即将贯彻之际,MEC技术又迎来新的发展契机。

电除尘MEC技术没有超脱经典电除尘理论范畴,但在应用领域有了丰富和完善。 MEC技术把过于繁复电除尘理论进行了浓缩,在新的环保形势和废气余热利用的新情况之下,更具有实际指导意义,特别适用于现役电除尘器的升级改造。

MEC技术的最大特点是通过现有除尘空间的挖潜使之增收与减排,其最大优势是只要原电除尘器在建造之初的规格选型合乎规定,升级改造一般不需要增加电场(需要增加保险系数的除外)。对已严格满足20 mg/Nm3 粉尘排放限值的电除尘,按MEC技术思路实施升级改造,仍可不增加除尘空间而通过进一步挖潜以实现超低排放目标。

3 超低排放的实质

电除尘升级改造,看上去是除尘效率的提高,而实际上,环保升级引起除尘效率的变化是很小的,增收的粉尘按时间秒计量的话堪称微不足道。假设将排尘20mg/Nm3的烟气降到10mg/Nm3,小时百万标方气量每秒增收粉尘2.8克(参见表1),是人吹一口气就能吹走的粉尘量。理解了这一点之后,就能理解到如果采取措施,消减从异常渠道逃逸的粉尘量(如果有),就有可能无需增加电场空间就能实现环保升级。从另一个角度去理解,末级电场的粉尘细且轻,吸附于极板之时,由于有电荷的附着、不容易被气流带动,一旦电荷释放且脱离了极板,极容易被气体带动而混入烟气。也就是说,即使增加电场空间多收一些粉尘,如果忽略了粉尘逃逸的途径,则无法保证最终逃逸粉尘的消减。

 

可见,电除尘升级改造,虽然有增收,但重点在减排。增收与减排是两个不同的概念——虽有交织,其内涵大不同。

增收只发生在电场空间,而减排不仅仅与电场工作效率有关,更取决于电场周边及粉尘进入清灰降落和排灰输送过程之中。其间任何环节失控,都会使增收前功尽弃。所以,超低排放的实质是减排,即使电场内没有增收,把减排工作做好了,有可能就实现了环保升级。

4 电除尘的潜力

消除本体缺陷,使旧有电除尘器实现设计期望的排放目标,是升级改造的前提。此处所述电除尘潜力空间,是超出设计期望的功能效果。

◆依据经典电除尘理论和既往实践经验进行挖潜——电除尘挖潜的基本方法

在设计期望恢复满足的前提之下,挖掘本体潜力可从以下几个方面入手:

Ø 采用先进供电方式——常规意义上的电源升级

Ø 增设辅助收尘 ——拦截逃逸粉尘

Ø 消除设计缺陷 ——纠正行业习惯性偏离

Ø 堵塞异常逃逸 ——消减电场外区域的粉尘逃逸

Ø 采取烟气调质措施——必要场合或工况异常的保驾

Ø 强化可靠性投入 ——经常性、多发性故障的根本消除、保证持续达标

这些年来的改造实践,正是按照上述思路开展的——是MEC技术的既往体现。做到了,就能达到减排的目标;做到充分,还会高于期望目标。

回顾十年来的环保升级与电除尘技术的发展,以湿电为标志的超低排放指标,以高频电源为标志的供电水平,以烟气调质为手段的增效措施,都使电除尘的实际效果和客户信任度有所提升。以MEC技术为代表的电除尘升级改造技术(低低温电除尘偏重于C,团聚剂技术也属于C类,移动电极偏重于M,各种先进电源的采用属E,诸如此类),可直接提升原有电除尘器的性能指标,使一些已经濒临淘汰的电除尘起死回生。

在役电除尘,大都能够通过改造满足现行粉尘排放标准≤30 mg/Nm3 及≤20 mg/Nm3,新建电除尘更没有问题。

当超低排放、近零排放成为执行标准之时,挖掘既有除尘空间的潜力仍有可为之处。

◆阳极板的潜力

观察发现:ZT24型极板的波形表面,背风侧有一粉尘薄层附着,表明细粉尘吸附到极板表面之后,振打清灰无法将其震落,气流对其不能形成冲刷,所以能够长期依附于极板表面,但其厚度很薄 不足1mm.。波形的迎风面,可看到金属底色,表明即使是附着力较强的微尘也不能附着其上——荷电粉尘吸附上去之后,携带粗颗粒粉尘的气流冲刷到极板表面,将连同已吸附于极板的粉尘一起重返主气流。这样一来,集尘面积的利用率就打了不小的折扣。后级电场的迎风面虽也能看到薄层粉尘积聚,但这并不改变气流对极板表面冲刷的事实。

C型极板没有ZT24型极板那样的大波形,主集尘面上没有迎风面,气流的冲刷和吹扫没有显露的痕迹。然而,C型极板宽度480mm,厚度40或50mm两边平分,防风沟深20-24mm。紊流状态下,宽480mm深20-24mm的沟槽不可能保持全宽范围内沟槽内区域处于层流状态,极板中部表面一定宽度范围无法避免紊流主气流的吹扫和冲刷。假如粉尘潮湿、附着力强,吹扫气流无法将其吹走;如果粉尘干燥、附着力弱,则气流吹扫及清灰二次扬尘都比较严重。

设想改进极板形状、加大沟槽的深宽比,防风沟槽内就可形成足够深度的层流,从而大幅减少气流吹扫和清灰二次扬尘。仅此,逃逸粉尘的消减量,足可满足减排要求。事实上,在上一轮的升级改造中,业界已有人关注到这一方面,并且设计出过滤槽网以消弱二次扬尘,取得了一定的成效,但这还远远不够,因过滤槽网仅在每个电场的出端有添加,其作用是局部的,并不能对整个电场的二次扬尘完全抑制。

◆阴极线的潜力

电晕线的收尘能力只有当阴极清灰失效时才能得到彰显。正常(阴极清灰)情况下,阴极线不收尘——虽有收尘能力,但极线表面需要保持清洁以利于放电,而极线没有象极板那样的容尘和防风沟槽,因而其收尘能力未加以利用。

设想改进阴极构型,设置容尘结构及防风沟槽,清灰时粉尘沿沟槽落入灰斗,则阴极收尘功能就能得到利用。

阴极具备收尘能力是不争的事实,其收尘能力的量度有待考证。初步判断:如果能够加以利用,阴极所收集的粉尘总量,远超过当前逃逸粉尘的总量。但这并不等于利用好阴极收尘功能就能把粉尘逃逸降到零,因为烟气中的粉尘由于阴极的有效捕集而减少,对应地,阳极捕集粉尘的绝对量也会有所减少——而这种减少必然低于阴极捕集的量,因而总的捕集效率有所增加。

◆无形变的内部构型

电场状态的保持对电除尘的持续达标非常重要。但是,目前国内普遍使用的电场构型,多为过约束联结——整排极板、整片线框形成固定的整体,看似稳固,实是限制了板、线的自由伸缩、造成过约束变形,板、线内应力的释放受到约束,导致变形的发生,极距不均由此产生。高温电除尘及极板、线框和极线加工内应力未能及时释放的电除尘皆有此忧虑。

一种上部吊挂、下部仅作限位而不固联的安装方式有利于极板、板线形状的保持,但不利于清灰振打力的传递,可谓有利有弊。在适用的场合(高温烟气,粉尘干燥而易于清除的场合),可按该方式构型——电极形位的保持使电场能够发挥最佳的收尘功效、长期满足设计期望。

◆供电装置的潜力

电除尘的部分潜力蕴藏于高压供电之中。已知的结果是:当电场放电条件按时间和空间都比较均衡时,放电和收尘效果最佳;当放电条件在时间或空间上不均衡拟或严重不均衡时,电场工作不稳、除尘效率下降。放电受到干扰,收尘难以为继、时断时续。三相电源、恒流电源、高频电源、高频恒流电源在抑制电场工作波动和注入有效电晕功率方面均显示出比常规电源更具优势,在针对PM10、PM2.5超细粉尘方面,脉冲电源(微秒级)开始展现其优越性。在可望之未来,纳秒脉冲电源有可能在脱除多种有害气体成分和超细粉尘方面展现新的功效。

在当前,先进高压电源在强化供电控制功能和工作可靠性方面不断得到提升,并通过结合本体构型和烟尘特点、谋求合理匹配,在实现电除尘环保升级方面成为不可或缺的内容。

对实际的工况,有粉尘存在、浓度高且极不均匀或浓度低且粉尘极细,烟气中存在多种气体成分,极板和极线都有一定程度的附灰,板线附灰且不均匀——此种情形下的阴极放电呈纷杂的状态,粉尘的荷电与迁移过程既受到紊流气流的带动,又受到静电驱动的作用,并在浓度梯度力的作用下趋向阳极板。电场有效利用率在空间和时间上尚存在一定的真空,气流冲刷、吹扫、清灰产生二次扬尘在当前捕集到的粉尘中的占比尚难衡量,既有空间的除尘潜力有多少?消除二次扬尘,必带来除尘效率拟或粉尘逃逸率的重大改变,改善各级电场的不均衡放电或无效供电既能增进收尘效果、又能减少能量浪费。凡此种种,都与供电控制密切相关。相应地,供电控制方式的进步对电场功能的提升是不断加深的。

◆潜力空间综合

经典除尘理论、既往实践经验指导下的挖潜,使既有电除尘达到应有的工作能力;阳极改型,消减二次扬尘的同时、提高捕集能力;阴极收尘,增加除尘能力;可靠性设计,持续保持高效;供电方式改进,相同除尘空间的捕集能力提高。以上诸法全面实施,现役四电场电除尘满足超低排放乃至近零排放标准应无障碍。

5 辨析电、袋除尘之误区

实践是最好的老师。

经典电除尘理论贯穿于从工艺选型布置到使用维护的全过程,超排多因没有按照这一要求开展工作。电除尘使用过程遇到的诸多坎坷,并非电除尘理论本身的缺点或错误,而是建造和使用过程违规所致。凡严格按规范实践的电除尘器,其性能可长期保持。事实上,在役电除尘的一部分,未经历大动作的改造而实现了环保升级(撇除环保造假的用户),是因为用户理解到电除尘的工作原理和维护要令,不断完善故障部件的缺陷和强化维护管理工作。

繁琐而复杂的电除尘理论,的确令许多使用者望而却步,并成为反对者否定电除尘的理由,特别是既有电除尘面临环保升级话题、而原有电除尘本身就存在维护不力、排放超标之痼疾,恢复其应有功能并且实现环保升级,在某些人心里,是敢想而不敢为之事。

为简化繁杂的电除尘理论所规导的细节,我公司在电除尘达标改造和升级改造实践中,总结出的简便实用的电除尘升级改造方法称“电除尘MEC技术”。面对环保升级和环保执法苛严的话题,只需通过对现役电除尘系统进行全面观察分析,就能找到差距之所在,然后针对存在问题和改造目标,制定出经济简捷、适用的技术改造方案,在确保电场工作效率达到最佳的同时,使减排目标得以兑现并且长期保持。

在中国经济快速增长的背景下,多数使用者习惯于速效式的工程操作模式。客户并不总是对的,合作是双方的。睿智的客户永远选择资源消耗最省的产品,自身也不断加强认知。

在此,有必要提醒一下:布袋投运之初,其过滤效率将异常高效,这常常会给人一种误导:只要袋子不破,效果将长期保持——不懂袋除尘工作机理的人常以此作为口头禅、乐此不疲——殊不知,真相并非如此。

袋除尘过滤机理告诉我们:新滤袋在粉尘附着之前,其过滤效率其实不高、根本不可能达到环保标准要求。只有经过一段时间的过滤,滤料绒毛内粘附上致密的微细粉尘之后,才能形成理想的过滤层而实现期望的过滤效率——烟气温度、滤速(与压力损失密切相关)、粉尘粘度等决定了滤料的过滤效率,覆膜滤料以膜材料的孔径决定过滤效率。随着时间的延长,覆膜孔径将会磨损扩大,裸滤料之绒毛也会因磨损逐渐失去骨架支撑作用而降低过滤效率。当起支撑作用的覆膜或滤料绒毛磨损到一定程度,粉尘排放就会超标,即使袋子没有破损。如果工作期间出现工况异常,将加速滤料的磨损和老化。

面对超低排放特别是近零排放,袋除尘有其致命的弱点——在滤料寿命周期内,袋除尘的除尘效率自然地、持续地降低。

想要延长布袋寿命(过滤效率满足达标排放),就需改变选型参数、大幅降低过滤风速以减少磨损,以此延长有效过滤寿命,还应防止异常高温的出现。

在电袋之争中,还有人提出过电除尘对微细粉尘的处理能力很弱甚至无法捕集,这是一种谬误。微细粉尘的捕集机理是气流带动,尤其是0.1微米以下的粉尘。因为气流带动,紊流条件下,粉尘到达极板附近的机会大大增加,当进入层流层之内,再依靠静电吸附而被捕集,其驱进速度较小但有一个下限、不会更低。所以,电除尘能够捕集任何粒径的粉尘。相反,袋除尘的工作机理是过滤,致密的粉尘层或覆膜孔隙都存在一定的孔径,大于该孔径的粉尘才能被截留,对0.1微米以下的粉尘,袋除尘无能为力;当使用一段时间后,由于磨损,更大粒径的粉尘也将穿越过滤层而形成逃逸。因此,在捕集超细粉尘方面,电除尘更具优势。

6 结语

一种产品的命运有时并非人力所能主宰,但遇到坎坷就放弃努力则使挽回的机会失之交臂。电除尘曾经的遭遇在超低排放、近零排放标准执行之机很可能重现,业界应居安思危,提前决策、加大投入,开发更多的新技术、新产品并开展实践验证活动,以满足新标。

电除尘的潜力其实超出所有人的预期,但潜力的挖掘需要相关人士摒弃传统思维、拓展思路,从电除尘经典理论中领悟其功能潜力之所在,通过对各相关构型及动态过程细节的明辨与分析,探寻出可资挖潜的途径。本文所涉电除尘的潜力只是抛砖引玉,相信用不了多久,业界必有更多、更有效的方法和产品推出。

电除尘可以捕集任何粒径的粉尘,粒径小于0.1微米时,粉尘驱进速度为一定值、不再随粒径的减少而降低;袋除尘由于工作机理是过滤,过细的粉尘难以截留。当近零排放成为执行标准、更多的超细粉尘需要被截留时,电除尘更具优势。 

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来源:水泥技术
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