湿式电除尘器在改造项目中的合理性设计

何鹏飞，任凯，屈荷叶

（西安西矿环保科技有限公司，西安 710075）

1 引言

随着国民经济的飞速发展，新国情下对环境保护的要求越来越高，污染物排放标准日益严格，原有的环保设备大多已不能满足新的排放标准。为了达到新的排放标准，控制各类污染物的排放，需要对原有的净化系统进行升级改造，其中粉尘超低排放升级改造是各类污染物排放控制改造中的重点之一。在粉尘超低排放改造升级的过程中，湿式电除尘器已成为烟气末端治理的有效手段之一。

湿式电除尘器与常规电除尘器的原理基本相同，最主要的区别在于清灰方式采用喷淋系统取代了振打系统。喷淋系统间歇性喷水，在极板或管束表面形成流动性液膜，将收集的粉尘冲洗去除，达到清灰的目的。湿式电除尘器作为烟气末端治理的主要设备，不仅可以降低烟尘浓度，达到超低排放要求，同时还可以解决PM2.5微细粉尘、“石膏雨”和SO3气溶胶等的排放问题，大幅度减少对烟囱的腐蚀[1]。

为顺应新的环保要求，扬州某造纸厂自备电厂对烟气净化系统进行改造升级，在湿法脱硫后增加湿式电除尘器。经过工艺布置和初步设计计算，确定采用顶置圆筒形结构，玻璃钢管束式湿式电除尘器。初始设计参数见表1。

表1 某厂湿式电除尘设计参数表

2 工艺布置合理性设计

从原烟气净化系统平面布置图（见图1）可看出，区域内场地狭小，设备布置非常紧凑，设备数量多，管线复杂，可利用的空间有限，给改造升级工艺布置带来不利影响。在水平空间限制较大的情况下，经过详细工艺布置和设计计算，确定利用立面空间，采用顶置圆筒形式结构（见图2），将新增的湿式电除尘器布置在脱硫塔顶部，同时利用原钢烟囱，将原钢烟囱截断后布置于新增的湿式电除尘器后，保证烟囱出口高度的要求。

采用顶置结构，需要考虑湿式电除尘器和原脱硫塔的共振问题。一旦达到共振条件，运行时在气流冲击、风载以及其他振动设备的影响下，整个系统将会产生较大震动，影响系统的稳定性及运行安全，严重时甚至会导致设备坍塌。为了解决湿式电除尘器和原脱硫塔的共振问题，湿式电除尘器重新布置土建基础（见图3），采用独立支撑钢支架，土建基础及钢支架与脱硫塔基础以及其他设备完全隔离，同时在脱硫塔顶部与湿式电除尘器入口对接处布置一套膨胀节。以此将湿式电除尘器和原脱硫塔间隔开，使得两者之间不存在刚性连接，防止产生共振。

图1 某厂原烟气净化系统平面布置图

图2 某厂湿式电除尘器初步布置图

图3 湿式电除尘器独立基础布置图

3 参数选型合理性设计

在改造项目中，烟气参数的数据一般都较详细，之前设备的运行参数可以作为改造后新增设备的设计依据，如烟气量、烟气温度、粉尘浓度、其他烟气成分含量等。从实际运行参数可知，燃煤电厂湿法脱硫之后的烟气有3个特性：1）饱和烟气含湿量大；2）呈酸性，腐蚀性强；3）所含颗粒物细微。这些特性对湿式电除尘器的选型、结构、清灰方式、材料选择、供电等会产生重大影响。结合具体的烟气参数及特性，对新增的湿式电除尘器进行选型计算。选型参数包括有效断面积、总集尘面积、电源容量等。

选型设计仍然采用多依奇公式。除尘效率与烟气流速成指数反比关系，流速越高，除尘效率越低，流速越低，除尘效率越高，但设备结构越大，投资成本越高。考虑到该湿式电除尘器的入口粉尘浓度较低，但经过湿法脱硫后烟气中含有一定的液滴，该烟气流速取值为2.6m/s。选取了烟气流速，根据烟气量即可计算出有效断面积。总积尘面积的确定一般有理论计算法和经验分析计算法两种，理论计算法过程复杂，并且难以考虑特定烟气条件的影响，因此改造项目多采用经验分析计算法。经验计算法是根据现有设计及运行经验确定有效驱进速度，根据已知的烟气量、入口粉尘浓度和要求达到的除尘效率，采用多依奇公式计算出总集尘面积。电源容量、总集尘面积和电流密度有关，在选取电流密度时，如果入口粉尘浓度高，则选取电流密度大；如果入口粉尘浓度小，则选取电流密度小。考虑该项目的烟气特性，选取电流密度为0.45mA/m2，以此计算得出电源容量。根据合理的选型计算，最终阳极管束布置见图4。

4 喷淋系统合理性设计

喷淋系统作为取代振打装置的清灰方式，在湿式电除尘器中起着至关重要的作用。喷淋水量需根据实际的工况选择，水量过小，无法在阳极管束内壁形成连续性流动水膜，影响清灰效果，长期水量过小会引起阳极管束积灰结垢，积灰过于严重时会引起二次电压过小，甚至造成电场短路；喷淋水量过大，会造成水资源的浪费，对于顶置式湿式电除尘器，水量过大时还会影响脱硫塔内的水平衡，影响湿法脱硫使用效果。喷淋系统采用不雾化实心锥喷嘴，喷嘴喷淋角度可计算选择，合理的喷淋角度可使得喷淋系统在较小的水量下达到合适的喷淋覆盖率。管束式湿式电除尘器，一般喷淋覆盖率要求达到烟气流通截面积的120%以上，即每个喷嘴的最终喷淋圆面积之和要在烟气流通截面积的1.2倍以上。当喷水量确定后，可调整喷嘴喷淋角度来达到调整喷淋覆盖率的目的。

设计喷淋系统时，需要合理的布置喷嘴位置，以求喷淋水量在整个截面上均匀分布，不存在喷淋死角。对于玻璃阳钢极管束，喷淋死角区域容易产生过热现象，危险时甚至会导致玻璃钢管束起火。喷嘴的布置方式一般有两种，一种是环形布置，另一种是矩阵式布置，该项目根据实际情况，选用的是矩阵式布置，此种布置方式有利于喷淋水管的制作及安装。该项目的最终喷嘴布置及喷嘴喷淋圆分布如图5所示，圆心即为喷嘴中心位置。

图4 阳极管束布置图

图5 喷淋覆盖圆布置图

5 气流均布与系统阻力

在湿式电除尘器中，通过阳极管束的气流是否均匀，对除尘效率起着至关重要的作用。该项目中，湿式电除尘器的入口即脱硫塔顶部的出口，烟气经过脱硫除雾器后，存在一定的偏流，因此考虑在湿式电除尘器入口和出口分别布置一层气流分布板。另外，该项目为改造项目，但风机未进行增压改造，因此对新增设备阻力有着严格的要求。为了均布气流，并降低设备阻力，对新增的湿式电除尘器进行了气流模拟。

新增的湿式电除尘器三维模型及边界条件见图6，设计参数见图7。

经过多次CFD模拟计算，在设计工况条件下，新增的湿式电除尘器的模拟运行状况见图8、图9。通过内部速度流线图和立面速度云图可看出，湿式电除尘器内部整体流线均匀且光滑平顺，基本无过密过疏及碰撞漩涡产生；各个管束风速大小基本一致，基本无低风速管束。

图6 三维模型及边界条件

图7 设计参数表图

图8 内部速度流线图

图9 内部立面速度云图

从图10～图12切面速度云图可看出：烟气经过分布板后气流均匀性良好，各个阳极管束内均有风速，且风速基本均匀。模拟计算得出湿式电除尘器的系统阻力约为223Pa，可满足整个烟气净化系统的阻力要求。湿式电除尘器投运以后，系统阻力为200Pa左右，验证了气流模拟的准确性。

图10 进气端气流均布监测面速度云图

图11 出气端气流均布监测面速度云图

图12 管束内切面速度云图

6 腐蚀防护设计

新增的湿式电除尘器位于湿法脱硫塔顶部，烟气经过湿法脱硫后呈酸性并且含湿量大，具有较强的腐蚀性，因此对接触烟气的部件表面需进行防腐设计。在抗硫酸或亚硫酸腐蚀性能方面，不同钢材的抗腐蚀性能由弱到强依次为普通碳钢＜304不锈钢＜316不锈钢＜2205等双向不锈钢。但从经济性来说，这几种材料正好相反。

综合考虑防腐性能和经济型，新增的湿式电除尘器整体框架结构采用普通碳钢，接触烟气的表面进行玻璃鳞片防腐，重要结构采用抗腐蚀材料。其中阳极管束、气体分布板等采用导电玻璃钢，阴极系统、喷淋系统等需要承力的部件采用双向不锈钢。对于需要进行玻璃鳞片防腐的部位，设计和施工时必须特别注意应减少凹面结构，减少小间距长距离缝隙，减少螺栓连接，这些结构不利于玻璃鳞片防腐施工，且易造成缝隙腐蚀；施工时必须严格按照防腐施工规范进行，湿度、材料表面除锈等级及平整度必须保证规范要求值，焊缝部位以及转角部位重点关注仔细施工，防腐施工完成后应严格检查，对于针眼、裂缝、鼓包等防腐缺陷区域严格按照防腐施工规范再次施工。

7 调试与运行

湿式电除尘器经过安装、冷态调试或检修完成后，设备进入热态调试阶段。热态调试前要对湿式电除尘器内部进行全面检查，保证内部不得有任何杂物，检查两极之间是否有短路隐患；检查所有绝缘件表面是否清洁或是否有损坏，否则用无水酒精擦拭干净，有损坏则及时更换；确保接地装置及其他安全设施必须安全可靠；确认给水系统和喷淋系统中各设备、管路及电气接线等符合要求；检查其他安全防护措施。

完成整体检查后方可进行空载升压实验，实验前应先进行一次喷淋操作，空载升压实验二次电压控制在40kV以下，每个电场时间控制在1min以下，空载升压实验结束后再次进行喷淋操作。

在调试运行前，应编制调试及运行操作规程，并制定相应的应急预案。调试及运行时严格按照操作规程进行。

8 结语

以某造纸厂自备电厂湿式电除尘器为例，探讨了改造项目中湿式电除尘器的合理性设计。按照本文设计思路，设计的湿式电除尘器投产并且稳定排放以后，运行参数见表2。

表2 某厂湿式电除尘运行参数表

从表2的运行参数可看出，该湿式电除尘器的运行状况良好，各项数据均达到了较优的效果，粉尘排放浓度大大低于超低排放要求。