水泥SCR脱硝前置高温电除尘器应用技术探讨
水泥 中国水泥网信息中心 2020-12-28
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高温电除尘器+SCR脱硝技术路线是目前水泥行业氮氧化物超低排放的有效途径之一，在SCR反应器前设置高温电除尘器，将含尘浓度降低至20-30g/Nm³以下解决水泥炉窑尾烟气中含尘量大的问题，方便选取更为可靠的催化剂形式和规格。本文结合国内首台水泥SCR脱硝项目的成功应用对脱硝前置高温除尘器选型及技术特点进行详细论述，提出了高温环境下电除尘器稳定运行应采取的应对措施，为以后设计提供经验借鉴。
前言
氮氧化物排放治理可谓当前水泥行业大气污染物减排面临的最大难题。目前，国内脱硝技术方案可以分为两大类，一是过程控制（即：低氮燃烧，分级燃烧等改造方案）; 二是末端治理，主要包括SNCR和SCR，在实际应用中部分企业也采用了过程控制加SNCR脱硝的模式，取得了良好的效果，但是要实现超低排放要求，SCR脱硝更具可行性也更具潜力。脱硝反应温度一般为300~450℃，在有预热器的新型干法熟料水泥生产线上，该温度区间正好对应水泥窑尾预热器C1筒废气出口的烟气温度，可以满足SCR所需要的反应温度窗口，但是C1筒出口处粉尘浓度高，有堵塞催化剂的风险，也会加快催化剂的磨损，烟气中的碱金属、重金属，可导致催化剂中毒，影响SCR系统的效率，增加系统阻力，也可能影响水泥窑系统的稳定运行。针对含尘量高问题，在SCR反应器前设置高温电除尘器，将含尘浓度降低至20-30g/Nm³以下，解决水泥炉窑尾烟气中含尘量大的问题，方便选取更为可靠的催化剂形式和规格。西安西矿环保科技有限公司在河南磴槽集团宏昌水泥有限公司5000t/d烟气超低排放SCR脱硝项目中采用的“高温电除尘器+SCR脱硝技术”这一技术路线成功实现了氮氧化物排放浓度小于50mg/Nm³，系统阻力小于1000Pa等各项指标要求。结合此项目的成功案例，我们对窑尾脱硝前置高温电除尘器的应用进行探讨，仅供同行们参考，如有不妥之处还望多多指教。
一、高温电除尘器+SCR脱硝技术工艺路线
图一 高温电除尘器+SCR脱硝技术工艺路线
新型干法熟料水泥生产线窑尾高温烟气经过（四级或五级）预热器后温度正好处于脱硝反应温度窗口，在此位置增加SCR脱硝反应器可有效脱除烟气中的氮氧化物，而窑尾废气含尘浓度高，容易造成催化剂堵塞增加系统阻力和运行成本，因此在脱硝反应器前和预热器C1出口后增加高温电除尘器，将含尘浓度降低至20-30g/Nm³以下，解决水泥窑尾烟气中含尘量大的问题，方便选取更为可靠的催化剂形式和规格，实现氮氧化物超低排放。
二、高温电除尘器选型及结构特点
电除尘器如何长期在高温（280℃~350℃）下稳定运行，克服因高温热膨胀而导致的除尘壳体及内部阴阳极的变形，满足烟气温度高的情况下粉尘比电阻的变化，并降低烟气中的粉尘浓度是本文阐述的主要内容。
1.水泥窑尾烟气特点
(1) 含尘浓度高，窑尾废气含尘浓度为50~100g/m³；
(2) 烟气温度高，新型干法窑外分解窑窑尾废气温度为320℃~350℃左右；
(3) 含尘颗粒细，<10μm的细颗粒占90%~97%，小于2~3μm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
2. 高温电除尘器选型
电除尘器布置在脱硝反应器之前其作用是降低脱硝入口粉尘浓度，防止催化剂堵塞和磨损，从经济性方面考虑，设计选型可以按预除尘不必做到精细化超低排放，建议除尘效率一般按70~80%，除尘器宜选用两电场或三电场,电场风速选取可比常规除尘器高些，同时也不能太高以保证荷电粉尘在电场内有足够的时间被捕集。虽然电除尘器荷电过程只需要10-2s和前进几厘米便能达到饱和荷电，但要沉积被捕集却需要缓慢过程和前进一段距离。一般工业电除尘器由于尘粒数量多，又处于小规模随机紊流状态，当尘粒直径大于50μm，它在电场内的加速时间与停留时间相比很短暂，2~5s完全可以被捕集，对微细尘粒停留时间要比加速时间长的多，而水泥窑尾10μm以下细颗粒占90%~97%，因此气体停留时间应大于5~10s，电场风速宜小于1.5m/s。
3.高温电除尘器技术特点：
针对水泥窑尾预热器C1出口高温烟气特点，需采取一系列相应措施，以满足电除尘器高效率的稳定运行，为后端SCR脱硝创造良好的反应条件。
3.1设备本体结构强度，刚度性能保证：
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，壳体强度设计时要乘以相应的温度折减系数，挠度变形设计时乘以相应的温度折减系数尤其是对除尘器的核心部件：底梁、侧板立柱、极板悬吊梁、顶梁等进行详细的结构力学分析，保证强度的同时应严格控制其变形绕度，确保电除尘器部件在高温环境下不变形。对常用钢号Q235、Q345,其强度设计值的温度折减系数γs见表1，弹性模量的温度折减系数βd见表2。
表1 钢材及焊缝强度设计值的温度折减系数γs
表2 钢材弹性模量的温度折减系数βd
3.2高温热膨胀解决措施：
电除尘器一般体积都比较大，在高温工况条件下工作时热膨胀比常温冷态下大很多，因此设计时应考虑相应减缓热膨胀措施来消除电除尘器产生的较大热变形。首先在电除尘器进、出口端部布置膨胀节，将电除尘器底部支座设计成滑动支座，以确保除尘器整体随温度的变化自由伸缩。另外，增加除尘器内部部件联接处原有的膨胀伸缩量，如内部网撑上下两端膨胀量，振打轴的轴向伸长与壳体侧板的距离等，避免因高温变形而导致卡死现象。
3.3采用耐高温抗变形的C型阳极板
阳极板采用SPCC材质冷轧钢板直接加工成型，极板两侧弯曲成C型，在上部开有两个沉头孔，与极板悬吊板相连接，下部开设长孔，可与振打杆连接，侧面开设有长孔，可穿插固定扁钢。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。气流在通过极板两侧的“C”型区域时，会形成一个涡流区，可减小气流对极板的冲刷程度，同时提高了集尘效果。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于极板的影响，可防止极板高温变形或被烧坏等现象的发生。
3.4合理的阴极配置
电除尘器阴极线种类较多，在大多数烟气除尘场合都有很好的使用效果。而对于窑尾含尘浓度大，易发生“电晕封闭”的电除尘器，宜采用放电强的芒刺线、鱼骨线等，使放电较集中，增加电风影响。根据国内各种阴极线性能对比试验数据表明，诸多阴极线中以芒刺线放电性能为最佳。芒刺线整体呈管状，抗拉强度高，易张紧，不断线，在高温烟气环境下不变形，而且该阴极线起晕电压低，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。
3.5有效的振打清灰方式
窑尾烟气浓度高，颗粒细，阴阳极振打清灰困难，容易产生电晕封闭和二次扬尘。因此设计时需要考虑有效的振打清灰方式，通常对收尘极和放电极清灰起主导作用的是法向加速度，因此采取增加振打锤的重量来加大振打力获取更好的清灰效果。为了避免振打产生的二次扬尘采用相邻阴极框架和阳极板排振打锤错开间隔式振打，同时各电场采用不同振打周期，适当延长末电场振打控制转停比。
3.6壳体的密封、保温和绝缘
高温电除尘作为SCR脱硝前烟尘过滤设备既要保证脱硝进口较低的气体含尘浓度，又不能产生太大的温差使脱硝入口温度偏低影响催化剂效率，促进SO3转化造成下游设备腐蚀。设备的密封和保温至关重要，一般本体漏风率≤1%，除尘器进出口温差≤10℃，实施保证措施如下：
1）设备壳体安装联接焊缝内外均采用连续密封焊，焊后焊缝进行煤油渗漏检测和二次补焊；
2）人孔门采用双层密封结构；
3）所有密封件材料选用耐高温密封材料，防止因密封条高温失效造成系统漏风；
4）增加设备保温层厚度，建议保温厚度200mm~250mm；
5）保温材料选取耐高温的硅酸铝棉代替岩棉。
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，因此高温电除尘器绝缘件选用95瓷（Al2O3含量95%），95瓷是采用热压铸浆成型，经1500℃高温烧结而成的氧化铝瓷。具有耐高温，机械强度高，绝缘性能好，抗电强度大，化学稳定性好等特点，可以有效避免高温对绝缘件的影响。
3.7灰斗及排灰装置
灰斗及排灰系统在电除尘器中不仅具有储灰、卸灰和排灰作用，还具有防止内部发生漏风、堵料和结料等作用。灰斗的设计要保证排灰顺畅无死角积灰，一般灰斗角度宜大于60°，灰斗夹角处应设置圆弧板。灰斗还应安装高料位计，通过高料位计来控制灰高不高于灰斗高度2/3，保证灰斗在安全载荷以下，同时还应设置振动电机和捅灰孔来防止灰斗棚料堵灰。排灰系统一般采用刚性叶轮给料机和拉链机，设计时应考虑壳体的耐温强度，密封垫高温失效以及磨损部件的损坏，给料机轴承应采用外置式。
4. 工程案例介绍和运行结果
宏昌水泥5000t/d窑尾烟气深度脱硝EPC总包工程，采用“高温电除尘器+SCR脱硝技术”，即首先采用高温电除尘装置降低烟气粉尘浓度，提高催化剂的机械和化学寿命，除尘后的烟气再进入SCR脱硝系统脱除氮氧化物，脱除率可达95%以上，降低氨逃逸，降低无效运行成本，节约资源。该项目为国内首台水泥行业全烟气量SCR脱硝示范工程，完全由西安西矿环保科技有限公司自主设计、制造、安装与调试，于2018年9月19日正式点窑投入使用，电除尘器运行稳定，脱硝出口氮氧化物排放稳定在30mg/m3左右，反应器阻力在300~400Pa之间，整个脱硝系统阻力在900Pa左右，氨水消耗量、氨逃逸、系统温降等各项指标均优于设计指标。
5. 结束语
电除尘器作为一种高效，稳定的除尘设备广泛应用于水泥行业窑头、窑尾，水泥SCR脱硝前置高温电除尘器以降低脱硝入口含尘浓度，提高催化剂寿命，减少系统能耗，这一技术路线是目前氮氧化物超低排放有效途径之一。只要对高温电除尘器的性能特点采取有效的措施，完全可以实现稳定运行。
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