LIFAC脱硫工艺后静电除尘器性能的研究11

1LIFAC脱硫工艺后静电除尘器性能的研究薛建明马果骏周军国家电力公司电力环境保护研究所下关发电厂南京210031摘要：LIFAC脱硫工艺后烟气和烟尘物理化学特性的变化，使得常规用于煤粉炉的静电除尘器（ESP）已难以适应。本文针对该工艺的特点，研究了烟气和烟尘的特性，分析了对ESP可能造成的影响，提出了ESP的设计要求，并进行了实例分析。对今后同类型ESP的设计和运行有一定的指导价值。关键词：LIFACESP研究1．概述LIFAC脱硫工艺是80年代中期发展起来的集炉内喷钙和炉后活化于一体的干法脱硫工艺。由于石灰石粉在炉内锻烧分解后生成的Ca0，一部分在炉内、一部分在气液固三相接触的增湿活化器中与SO2、SO3发生化学反应，使得烟气和烟尘的物理化学特性发生变化，常规用于煤粉炉的静电除尘器（ESP）已难以适应。因此，应针对该工艺的特点，研究烟气和烟尘的特性，设计专用的ESP，有效地解决诸如高浓度的电晕闭塞、高比电阻粉尘的反电晕等难以解决的问题，实现脱硫除尘双达标。2．烟气和烟尘的特性2．1烟气的特性与常规煤粉炉相比，由于石灰石粉的锻烧和烟气的增湿，使得脱硫后烟气的成份、温度、湿度等发生了很大的变化（见表1）。表1脱硫前后烟气特性的变化项目温度（%）湿（%）SO3(PPM)SO2浓度NOx浓度CO2量O2含量无LIFAC130-1505-720-30有LIFAC70-7510-120-5；减少90%-99%减少40%-80%基本相同总量增加0.15-0.20%，体积含量减少1-2%增加1-2%2．2烟尘的特性烟尘是一种干态的粉末状混合物，主要由飞灰、石灰石粉经煅烧和增湿活化后产生的CaSO3、CaSO4等钙基化合物，以及未完全反应的吸收剂CaO、Ca(OH)2和CaCO3等组成。2．2．1物理特性它是一种干燥的非常细的粒状物，中位径为20μ或更细，粒径分布与普通飞灰大致相同，主要取决于喷射石灰石粉的细度。与普通飞灰相比，由于石灰石粉的喷入，烟尘中水溶性组份的含量增多，提高了灰份的熔融温度。它的真密度为2600～2700kg/m3，堆积密度为800～1000kg/m3。在加入21～26％水的条件下，压实密度为1350～1400kg/m3，水渗透率为10－8～10－7，抗压强度在2～8天内达到2～4MN/m2，在11天内达到4～10MN/m2，在1年内达到4～25MN/m2。2．2．2化学特性典型LIFAC烟尘的含湿量为0.02～0.36％，有机质含量为2.95～4.60％，pH值为11.0～12.6。在不同位置它的主要组成成份见表2。22．2．3脱硫前后烟尘特性的变化与常规煤粉炉相比，由于脱硫吸收剂的介入，脱硫后ESP入口烟尘的浓度、粒径、比电阻、可燃物含量、形态和粘性等都发生了变化。表3列出了不投LIFAC、投用LIFAC和仅投用LIFAC的炉内喷钙时，ESP入口烟尘的特性。表2脱硫后烟尘的主要组成成分成份(%)\位置锅炉后活化器后ESP后飞灰65－7560－7060－85CaSO48－108－96－13CaSO312－41－8Ca(OH)220-307－137－29CaCO31-1520－251－15CaCl212－42含湿量020－2503．对ESP运行特性的影响脱硫后烟气和烟尘特性的变化对ESP运行特性的影响主要表现在电气运行、机械运行和除尘性能三个方面。3．1电气运行特性(1)在投用炉内喷钙，不投炉后增湿活化时，ESP的电气运行特性即伏安特性将从第一电场开始逐步恶化，严重时产生反电晕现象。其主要原因是：①烟尘比电阻明显增大，超过最适宜的109—1010Ω.cm达1012—1014Ω.cm，成为高比电阻烟尘；②烟尘粒径细化，特别是0.5—1.0μm亚微米颗粒增加了3-5倍。表3脱硫前后的烟尘特性(Sar=1.1%)投用LIFACLIFAC投用情况项目不投LIFAC仅投用LIFAC的炉内喷钙部分ΔT=56OCΔT=28OCΔT10OC烟尘比电阻(Ω.cm)109—10101012—10141010—1012108—1010106—108烟尘真密度（kg/Nm3）2100—22002900—30002600—2700烟尘浓度（g/Nm3）20—30增加1/3—1/4增加1—2倍烟尘的平均粒径（μm）20—23减少3—5μm增加5—8μm烟尘可燃物含量(%)4%-6%7%-8%7%-8%烟尘形态颗粒粗大、表面较光滑颗粒细化、表面粗糙、空隙率增大、比表面积增大颗粒凝聚增大、表面粗糙、空隙率大、比表面积大粘性表面张力和粘性明显增大表面张力和粘性增大注：ΔT是趋近绝热饱和温度(2)在投用炉内喷钙和炉后增湿活化时，ESP的电气运行特性将得到改善，即烟气含湿量的增加和烟气温度的降低，可提高运行电压，降低运行电流，亦即达到同样的运行电流，需要更高的运行电压，这样电场强度可以提高20%-40%。其主要原因是：ESP的最高运行电压决定于火化放电电压，而火化放电电压与烟气的密度成正比。因此烟气含湿量越高、烟气温度越低，电场强度提高的程度越高。图1LIFAC脱硫工艺投用前后ESP的电气特性(3)烟尘浓度的增加，特别是1μm左右亚微米颗粒的成倍增加，将降低电荷载体的有效迁移率，并产生大量的空间电荷，抑制电场的电晕电流。烟尘浓度增加的倍数越大，颗粒粒径越细，电晕电流的抑制越厉害，严重时出现电晕闭塞现象，即烟尘无法获得电荷，电晕电3流趋于零。3．2机械运行特性(1)由于烟尘颗粒表面粗糙、空隙率增大、比表面积增大，以及表面张力和粘性的增大，电极上捕集烟尘在振打清除时，不易破碎，而成片状切向滑落，可减少烟尘的二次携带。(2)比电阻的变化是影响机械运行特性的重要因素。比电阻越高，烟尘粘附在电极上的静电力越大，将烟尘从电极上清除的振打力也越大；比电阻越低，因气流冲刷及静电力的降低引起的非振打二次携带越严重。因此，对于不同比电阻的烟尘，为减少烟尘的二次携带，应优化振打特性。将振打强度调整到能切落电极上捕集的烟尘层而不抛向气流的最小作用力，将振打频率调整到烟尘层有足够的厚度。对于高比电阻烟尘（1012Ω.cm），应采用低振打频率、高振打强度的运行方式，对于低比电阻烟尘（108Ω.cm），应采用高振打频率、低振打强度的运行方式。(3)由于电极上捕集的烟尘层中含有未完全反应的吸收剂，因此当烟气流过电极时，烟尘层中的吸收剂将继续与烟气中的SO2发生化学反应，使得电极上烟尘层的粘附力不够稳定，增加了对电场风速的敏感性。即电场风速越高，烟尘的非振打和振打二次携带越严重。(4)炉内喷钙使得锅炉的传热传质条件发生变化，锅炉热效率下降0.5-0.6%，烟尘可燃物的含量增加。这种烟尘可方便的荷电和捕集，但在粘附在电极上静电力较小，易产生烟尘的非振打和振打二次携带；(5)据研究:在投用LIFACFGD系统时，ESP电极上烟尘沉积的速度高于不投LIFAC，特别是电晕极。但采用机械振打的清灰方式，完全能清除电极上的积尘，保证电极处于洁净状态。(6)LIFAC脱硫前后烟尘的机械运行特性见表4。表4LIFAC脱硫前后烟尘的机械运行特性炉内喷钙加烟气增湿现象未脱硫烟尘炉内喷钙ΔT=56OCΔT=31OCΔT=14OC接近绝热饱和温度收尘极烟尘沉积速度慢稍快快较快很快特别快振打清灰难度中等难难容易很容易很容易非振打二次携带少多多很多中等中等放电极烟尘沉积速度慢稍快快较快很快特别快3．3除尘性能(1)除尘效率得到提高。烟气的增湿对烟气和烟尘有调理作用，有利于烟尘的捕集。其提高的程度取决于烟气和烟尘特性变化，对烟尘捕集性能影响的综合效果见表5。表5烟气和烟尘特性的变化对除尘效率的影响序号变化因子对除尘效率的影响序号变化因子对除尘效率的影响1烟气温度下降＋6烟尘可燃物含量增加—2烟气含湿量增加＋7高—3烟尘入口浓度增加＋适宜+4烟尘成份变化－粉尘比电阻低—5烟尘中细颗粒增加－8ESP的脱硫作用—(2)烟气阻力增大。烟气在ESP中流动时的阻力主要由摩擦阻力和压差阻力二部份构成。当FGD投用时，入口烟尘浓度的成倍增加，使得烟气与烟尘间的相对滑移程度加剧，烟气与烟尘间的速度梯度增大，从而切向应力增大，内摩擦阻力增大，造成更大的压力损失。4．对ESP的要求虽然烟气的增湿有利于烟尘的捕集，但由于烟尘入口浓度的成倍增加，烟尘排放浓度仍将超标。因此，LIFAC脱硫后的ESP既要充分利用烟气和烟尘特性变化的有利因素，又要克服特性变化造成的不利的因素，使得烟尘具有更高的捕集效率。这种ESP应具有：4（1）运行温度不低于70oC。一方面是为了防止结露，另一方面是为了防止产生低比电阻烟尘（108Ω.cm）,减少非振打和振打二次携带。因此，脱硫后的烟气（55-60oC）必须采用加热措施，将烟温提高到70oC。（2）电场风速不大于1.1m/s。其主要原因是：①烟尘颗粒表面粗糙时，烟尘在电极上的粘附力减弱，易产生气流冲刷型二次携带；②电极上捕集的烟尘层继续发生脱硫反应，使得粘附力不够稳定，产生局部烟尘重返气流的现象；③细颗粒特别是亚微米颗粒的烟尘对电场风速非常敏感，当电场风速大于1.1m/s时，捕集效率将明显下降。（3）能适用于高浓度烟尘（50g/Nm3）的捕集。为避免高浓度烟尘严重抑制电场的电晕电流，产生电晕闭塞现象，ESP的第一和第二电场，特别是第一电场应具有便于烟尘荷电的低电压高电流的特性。因此应对传统用于煤粉炉的ESP进行一定的技术改进，如前级电场采用窄间距，采用强度高、电气性能好、放电时电风强烈、且放电点不易粘灰、电流密度分布均匀的电晕线，采用合理的振打机构等。（4）对细颗粒特别是亚微米颗粒的烟尘具有较好的捕集效率。由于经改进后的前级电场能捕集高浓度烟尘中80%-90%的大于10μm的烟尘，使得进入后级电场的烟尘中细颗粒和亚微米颗粒烟尘的含量很大。因此后级电场应采取措施，如采用宽间距、采用特殊的电晕线，使之具有便于捕集细颗粒和亚微米颗粒烟尘的高电压低电流的特性。（5）设置能有效地减少烟尘因非振打和振打二次携带从ESP溢出的机构。（6）合理配置振打机构，并将振打频率和振打强度调整到最佳值。既能清除电极上捕集的烟尘，保证电极处于洁净状况，使之具有良好的电气特性，又能避免烟尘被粉碎，产生过多的振打二次携带。（7）采用电压等级高、控制特性好、抗干扰能力强和运行可靠的控制电源，保证供应足够的电压和电流。5．应用实例下关发电厂是我国LIFACFGD工艺的示范工程。用于捕集脱硫后烟尘的ESP是第一套针对脱硫后烟气和烟尘的特点由兰州电力修造厂专门设计的。该系统于1998年12月投入商业运行，1999年4月进行性能考核试验。实践证明：只要在认真分析烟气和烟尘的特性，有针对性地设计ESP,ESP是能够高效运行的。5．1ESP的主要设计参数表6ESP的主要设计参数数据数据序号项目单位不投FGD投FGD序号项目单位不投FGD投FGD1台数台/炉212单电场长度m3.52最大处理烟气量Nm3/h59.6x10467x10413电场数个43入口温度OC1426514电场有效高度m12.04入口粉尘浓度g/Nm3317215同极距mm一、二电场300三、四电场4105出口粉尘浓度mg/Nm320020016阴极线形式一、二电场锯齿线三、四电场鱼骨针加辅助电极6电场风速m/s1.050.9617阳极板形式480大C型7除尘效率%99.3599.7218通道数个一、二电场34三、四电场258本体阻力Pa24519槽型板未电场布置3排9漏风率%320阴极振打方式侧部旋转锤10有效通流面积m212321阳极振打方式侧部重锤拨打式11有效收尘面积m212593.722高压整流装置一、二电场GGAJ02H-0.8A/60kV三、四电场GGAJ02H-0.8A/66kV5.2对电气特性的影响在调试过程中发现：FGD系统的投入对ESP的电气运行特性有较大的影响。如果只投入炉内喷钙，二次电压略有下降，个别电场有轻微的反电晕现象；如果投入增湿活化，且ESP入口烟气温度保持在65OC以上时，二次电压明显提高，特别是一、二电场5能超过额定值