浅析水泥窑NOx 超低排放之高温电除尘器
水泥 西安西矿环保科技有限公司 《水泥》杂志社 2022-03-31
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浅析水泥窑NOx 超低排放之高温电除尘器
屈荷叶，鲁果，曹宁，吴伟
（西安西矿环保科技有限公司，陕西 西安 710075）
摘要：氮氧化物排放治理是目前水泥行业大气污染物减排面临的最大难题。高温电除尘器+SCR脱硝技术路线是水泥行业氮氧化物超低排放的有效途径之一，其中高温电除尘器有着不可忽视的作用。本文结合高温电除尘器入口含尘气体特点从粉尘比电阻适用性、阴阳极配结构形式、高温绝缘性能、钢结构强度及热变形、远距离高空溜灰系统、高压供电设备的选配等多方面论述了水泥窑NOx 超低排放中高温电除尘器技术。
关键词：高温电除尘器；溜灰系统；高压供电设备；电晕线；阳极板；超低排放
中图分类号：TQ172.688.1 文献标识码：B 文章编号：1002-9877（2022）
随着国家及地方政府环保政策的进一步收紧， 河北、河南、安徽、浙江等多省市连续出台水泥工业大气污染物特别排放限值实施计划，要求水泥行业全部完成超低排放目标，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/Nm3、50 mg/Nm3、100 mg/Nm3，有些省份要求更为严格，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业大气污染物减排面临的最大难题。水泥窑烟气是继电力、汽车尾气之后的第三大NOx 排放大户，按污染源普查NOx 排放系数为1.65 kg/t熟料计算，2020 年我国水泥工业窑炉NOx排放量约为256 万t，占全国NOx排放总量的15%[1] 。可见，实现NOx超低排放是水泥工业转型升级和绿色发展的必由之路。目前，水泥行业脱硝超低排放改造技术路线众多，根据SCR催化剂在整个工艺系统所处位置的烟温和粉尘浓度，可分为高温高尘、高温中尘、高温低尘、中温中尘、低温低尘等多种技术路线。本文将重点论述水泥窑NOx 超低排放中的高温电除尘器技术。
1 高温电除尘器的经济性选择
SCR脱硝技术在燃煤锅炉及其他工业窑炉已经广泛应用，可以将NO 排放长期控制在50 mg/Nm3 以下。相比于其他行业，入口粉尘浓度高，可达80~100 g/Nm3，甚至150 g/Nm3 以上是水泥窑SCR脱硝的难点之一。通过在脱硝反应器前端增加高温电除尘器，将含尘浓度降低至与电力行业脱硝入口粉尘浓度相当（20~30 g/Nm3 以下），可有效解决水泥窑尾烟气中含尘量大的问题。利用电除尘效率按指数变化的规律，选用1~2 个电场电除尘器，可有效去除70%~80%的高浓度、大颗粒粉尘，为下游催化剂的选取创造有利条件的同时发挥电除尘器的高效作用。因此，SCR脱硝前端的高温电除尘器选用1~2 个电场是水泥窑NO 超低排放较为经济合理的选择[2]。
2 高温电除尘器入口含尘气体特点
水泥窑SCR脱硝高温中尘技术中电除尘器布置在窑尾预热器C1出口，含尘气体具有以下特点[3]：
（1） 含尘浓度高，窑尾废气含尘浓度为 80~100 g/Nm3，甚至150 g/Nm3 以上；
（2） 烟气温度高，窑尾废气温度约为320~350 ℃；
（3） 含尘颗粒细，<10 μm的细颗粒占90%~97%，<3 μm的细颗粒占50%；
（4） 粉尘比电阻高，正常高达1012~1013Ω·cm；
（5） 烟气量大，粉尘中有一定碱含量，CaO、K2O、Na2O等。
针对含尘气体特点，高温电除尘器设计需要考虑粉尘比电阻适用性、阴阳极板结构形式、高温绝缘性能、高温下钢结构强度及热膨胀引起变形等问题。
2.1 粉尘比电阻适用性
常规水泥窑尾电除尘器由于粉尘比电阻高容易形成反电晕降低除尘效率，一般采用增湿塔进行烟气调质、增湿和降温的方式来降低粉尘比电阻，提高电除尘器效率。高温电除尘器要满足水泥窑SCR 脱硝高效运行催化剂最佳反应温度，不能进行降温， 因此只能采取适应高比电阻粉尘的有效措施。实践证明，宽极间距电除尘器对捕集高比电阻粉尘是有效的。随着极间距的加宽，闪络电压升高，平均场强和极板电流密度增大，电流密度均匀性得到改善，除尘效率有所提高，同时，宽极间距对高比电阻（1011 Ω·cm以上）粉尘有减缓反电晕的作用[4]。因此选用大极间距的电除尘器结构，可有效提高电场放电的稳定性。
2.2 阴阳极配结构形式
电晕线的设计除了要满足能产生所需的电晕电流外，还要有一定的强度和刚度，以防止振打清灰时的“断线”，尤其是在高温环境下。一般对于含尘浓度大、易发生“电晕封闭”的电除尘器的第一、二电场，可选用芒刺线，通过对不同刺高的芒刺线伏安特性研究表明，芒刺越高，电流越大。
我公司高温电除尘器电晕线采用增强型整体V 型线（见图1），此极线是在德国鲁奇公司V型线基础上的一种改进型芒刺电晕线，在保持原双面芒刺电晕线的电性能基础上，采用冷拔圆钢代替原来的扁钢，放电针焊接在圆钢上，整根圆钢为一个整体，不需要焊接，极线两端与阴极框架采用螺母连接。冷拔圆钢具有一定的刚度不易变形，而且整根极线与阴极框架连接处为一个整体，彻底杜绝了电场断线、掉线、变形、短路等现象的发生。
阳极板采用冷轧C型板（见图2），极板两侧弯曲成C型，增加了极板的刚性，极大程度上提高了极板的抗弯性能。侧部开孔，穿插固定扁钢，将整排极板连为一个整体，提高了极板强度和抗弯性能，可耐高温，大大降低了高温烟气对极板的影响，可防止极板高温变形或被烧坏等现象的发生。
增强型整体V型线与C型阳极板的配合使用，可以有效解决高温冲击下材料热变形极间距变小影响除尘效率，而且增强型整体V型线起晕电压低，电晕性能好，放电均匀，电流密度大，与C型阳极板配合使用可以提高阳极板的有效利用率，是一种高效、合理的极配结构形式。
2.3 高温绝缘性能
电除尘器普通绝缘件在高温环境下机械强度和绝缘性能都会产生衰减，容易击穿和高温碎裂。而高铝瓷95 瓷在500 ℃时电阻率为1×1011Ω·cm，仍高于常规电除尘器使用的特强高强瓷（200 ℃时，电阻率为1×1010Ω·cm），可以有效保证电除尘器在高温工况下的绝缘性能要求。同时配套专用的绝缘子热风吹扫系统，在窑系统投料前进行吹扫，杜绝烟气处于正压时绝缘材料表面沾灰。
2.4 钢结构强度及热变形
温度对钢材性能有着极其重要的影响，钢材的强度随着温度的升高而下降，因此高温电除尘器设计时应充分考虑温度对钢材力学性能的折减，选用适合的材料和合理的许用应力及变形量，保证强度的同时应严格控制变形挠度，确保电除尘器部件在高温环境强度、刚度要求。高温工况的热膨胀和热变形是高温电除尘器设计的一大难点，除了进、出口增加膨胀节，除尘器底部支座设置固定、滑动支座， 增加除尘器内部部件连接处的膨胀伸缩量外，更重要的一点是要考虑运动部件膨胀引起位移变化导致阴、阳极振打点偏移对清灰不利。
3 远距离高空溜灰系统
水泥窑烟气脱硝采用“高温电除尘器+SCR脱硝”工艺路线后，根据水泥工艺布置特点，高温电除尘器和脱硝反应器均在高空（50 m左右）布置，高温电除尘器和脱硝反应器收集的灰尘需要从高空输送至地面最后运输至指定地点。在远距离高空、高温灰尘输送过程中如果溜灰管与水平面夹角设计过大，灰尘从高空落下时加速运动产生的冲击力会对下游输灰设备产生破坏，导致输灰系统无法正常工作。如果减小溜灰管与水平面夹角（小于粉尘安息角） 以消除灰尘对输灰设备的冲击力，则灰尘的流动性变差，灰尘就会沉积在溜灰管内造成堵灰，给除尘设备带来安全隐患（积灰严重产生灰斗掉落），同时需要考虑灰尘温度高产生的热膨胀以及力学强度和稳定性等问题。
通过设置中间缓冲仓、热补偿器、变角度溜灰管及固定（活动）溜灰管支撑组合而成的溜灰系统（见图3），从而保障了高温电除尘器及脱硝反应器稳定、可靠运行。缓冲仓的设置有效解决了远距离高空溜灰的冲击力对输灰设备造成的破坏，热补偿器弥补了高温粉尘对溜灰管产生的热膨胀。
4 高压供电装置的选择
电除尘器高压供电装置的性能对除尘器除尘效率有着很大的影响。根据多依奇效率公式，除尘效率η取决于比集尘面积和驱进速度ω，比集尘面积与除尘器总收尘面积A和烟气量Q有关，驱进速度与电源有关，并且与电源可输出加到除尘器的峰值电压Vp与平均电压Vai的乘积成正比。峰值电压与平均电压乘积最大值为平均电压等于峰值电压时。
电除尘器高压供电设备一般有单相电源、三相电源、高频电源、恒流电源、脉冲电源等。单相电源由于性价比高而广泛应用于电除尘器，但其能耗高， 功率因数只有0.64，转换效率70%，同时单相电源输出电压为正弦波，峰值电压等于 根号2倍的平均电压，无论是从提高除尘效率还是节能降碳方面都有被替代的趋势。三相电源和高频电源本身作为一种高效电源，其功率因数0.95，转换效率95%，峰值电压趋近于平均电压，在取得相同除尘效率的情况下优先选择高效电源可有效降低能耗，尤其是在目前“3060 双碳目标”的环保压力下，节能降碳是设备选型必须考虑的重要因素之一。
5 结束语
在当前大气环保治理的新形势下，水泥行业氮氧化物超低排放政策已分地区执行，该技术与传统治理技术相结合，可在低运行成本下高效实现超低排放。高温电除尘器作为水泥窑SCR脱硝的辅助设备有着不可忽视的作用。通过对电除尘器在高温工况应用因素的研究分析，特别是在粉尘比电阻适用性、放电极配、绝缘材料和结构、耐高温结构材料等方面进行研究，采用耐受400 ℃高温的C220 型极板和整体V型极线。适当增大极配间距，提高放电电压， 增强高粉尘浓度下的粉尘驱进速度，提高收尘效率。解决高空远距离输灰问题以及高压电源的选配，设计开发出水泥窑SCR脱硝专用高温电除尘器对水泥行业氮氧化物超低排放有着重大意义。
参考文献：
[1] 汪 澜. 水泥窑炉烟气NOx 减排技术及评述[J]. 水泥，2021（3）：42-45.
[2] 屈荷叶，严程林，鲁 果，等. 电除尘器相邻电场高压电源互为备用送电方式的研究与应用[J]. 水泥，2021（12）：22-24.
[3] 屈荷叶，李海波. 水泥SCR脱硝前置高温电除尘器应用技术探讨[J]. 水泥，2019（12）：50-52.
[4] 唐国山，唐复磊. 水泥厂电除尘器应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
技术咨询：李总 13992821701
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