点击下载——高压静电除尘低效率因素及改进措施.doc

高压静电除尘低效率因素及改进措施

薛锴，司晋利

(首钢长治钢铁有限公司设备检修部，山西 长治046000)

摘 要：介绍了首钢长治钢铁有限公司高压静电除尘器在实际运行中出现除尘低效率的状况，并且结合影响除尘器除尘效率低的因素进行分析，提出了合理的改造方案。调试运行后证明：经改造后的高压静电除尘器，运行更稳定且高效，除尘效率由以前的68%提高到现在的98%以上，同时也很大程度地降低了运行成本，取得了一定的经济与环保效益。

关 键 词：高压；静电除尘；除尘效率；改造；环境保护

随着现代工业发展，不可避免地带来了环境污染，十八大提出“建设美丽中国”，首钢长钢公司对环境保护倍加关注和重视。对首钢长钢公司来说，工业烟气污染是环境污染的主要来源。静电除尘(E-lectrostatic Precipitation，ESP)作为防止工业烟气污染的有效方式，通过为电除尘器本体提供高压，使得通过本体的烟气发生电离，荷电粉尘在电场力作用下向收尘极运动，再利用收尘装置进行粉尘收集，目前已广泛应用于钢铁冶金等行业^[1]。

1 存在问题

首钢长钢公司自使用高压静电除尘设备以来，暴露出一系列除尘效率低的问题。特别是近几年来，随着设备的老化，运行参数一直不稳^[2]。主要表现在以下几个方面。

1．1 设备方面

漏风量大，漏风率高。

①不仅增加了用电量，增加了风机的运行负荷，致使引风机叶片的磨损加大，减少了引风机的使用寿命；②设备无法启动或设备启动后不升压，造成除尘耽搁；另外，主回路接通瞬间就输出电压，造成变压器损坏。

1．2 粉尘方面

首先，阳极板上积灰严重，尤其是极板上部与顶部，严重影响了极板的收尘效率并加剧了反电晕现象的发生^[3]；其次，粉尘在电场内的二次扬尘现象严重，积灰有可能随气流一起进人烟囱，使外排超标；再则，灰斗堵灰，灰斗加热板损坏严重，加热板内的电阻丝在灰斗振动器的振动下，经常出现断裂现象，使加热板失去加热作用，灰斗内积灰严重，经常性地造成堵灰、造成排灰不佳，而且也加大了操作工的劳动强度。

1．3烟气方面烟气温度偏低，导致起晕电压电流升高，有时超过变压器负荷而导致电除尘器部分电场停止工作，降低了除尘器的作业率。

1．4 管理方面

管理不到位，维检工作不及时，使电除尘器带病工作，降低了除尘效率。

2 因素分析

由于首钢长钢公司在高压静电除尘过程中存在以上问题，以致除尘效率极大地降低，而除尘低效率与静电除尘器设备本身情况和运行条件以及工作过程息息相关，而设备的运行情况又与钢铁冶金工艺特征、粉尘特性、烟气性质等有密切的关系。根据电除尘工作原理分三步曲，即电晕放电、粉尘荷电、粉尘运动^[4]。故从这3个方面通过设备本身以及影响设备的相关因素展开分析。

2．1 电晕放电

对于电晕放电来说，起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度(皮克经验公式)：

式中：δ为空气的相对密度；m为导线光滑修正系数，无因次，0．5<m>1．0，对于清洁的光滑圆线m=1，实际可取0．6～0．7；a为电晕线半径，P₀、T₀为标况下的大气压(101．325kPa)和温度(298K)，T、P为运行状况的温度和空气压力，r为距电晕线中心的距离，b为管式电除尘器的半径，V为施加于电晕线与集电极之间的电压。

所以电晕线几何尺寸即半径a越大，起始电晕所需要电场强度E_c越小，从而影响起始电晕电压，即起始电晕电压可以通过调整电极的几何尺寸来实现^[5]。

另外，烟气性质也会影响除尘效率。首先是温度和压力，温度和压力的不同影响电子平均自由程和加速电子及能产生碰撞电离所需要的电压V；然后是烟气流速，随气流速度的增大，除尘效率降低，其原因是：风速增大，粉尘在除尘器内停留的时间缩短，荷电的机会降低。同时风速增大二次扬尘量也增大^[6]。

再则，粉尘特性也会影响除尘效率。气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积也会影响电晕特性^[7]：①含尘浓度，考虑气体含尘浓度过高，粉尘阻挡离子运动，电晕电流降低，严重时为零，出现电晕闭塞，除尘效果急剧恶化；②比电阻，比电阻在104～1011Ω·cm的粉尘，电除尘效果好；沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象，通常当比电阻高于2×1010Ω·cm时，较易发生火花放电或反电晕，破坏正常电晕过程。

影响比电阻的因素有烟气的温度和湿度：通常粉尘比电阻是随着温度升高而增加，当达到某一极端限时(200～250℃)，又随着温度升高而逐渐降低；湿度一方面可能导致烟气温度降低，在一定条件下可使比电阻处于较为有利的收尘范围；另外，影响比电阻的因素还包括粒子大小和形状、粉尘层厚度和压缩程度、施加于粉尘层的电场强度等。

2．2 粉尘荷电

在电除尘器阴极与阳极之间施以足够高的直流电压时，两极间产生极不均匀电场，阴极附近的电场强度最高，产生电晕放电，使其周围气体电离。气体电离产生大量的电子和正离子，在电场力的作用下向异极运动，当含尘烟气通过电场时，负离子和正离子与粉尘相互碰撞，并吸附在粉尘上，使中性的粉尘带上了电荷，实现粉尘荷电^[8]。

粒子的荷电有2种方式，分别为电场荷电(碰撞荷电)和扩散荷电。碰撞荷电是指离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电；扩散荷电是指离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程，依赖于离子的热能，而不是依赖于电场。粒子的主要荷电过程取决于粒径d_p：对于d_p>0．5μm的微粒，以电场荷电为主；对于d_p<0．15μm的微粒，以扩散荷电为主；对于粒径介于0．15～0．5μm之间的粒子，则需要同时考虑这2种过程。

首先讨论电场荷电，根据粒子获得的饱和电流：

其中：ε₀为真空介电常数，等于8．85×10^-12；E₀为电场强度；ε为粒子相对介电常数。

根据以上分析可知，影响电场荷电的因素分别为粒径d_p、介电常数ε、电场强度E₀，一般粒子的荷电时间仅为0．1s，相当于气流在除尘器内流动10～20cm所需要的时间，一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷。

再则讨论扩散电荷，根据扩散荷电理论方程：

式中：k为玻尔兹曼常数，k=1．38×10^-23J/K；T为气体温度；N₀为离子密度；e为电子电量；e=1．6×10^-6；u为气体离子的平均热运动速度。

根据以上分析可知，扩散荷电与电场荷电过程相反，根据分子运动理论，不存在扩散荷电的最大极限值，即不存在离子动能上限，扩散荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间。处于中间范围(0．15～0．5μm)的粒子，需同时考虑电场荷电和扩散荷电。

2．3 粉尘运动

处于收尘极和电晕极之间的荷电粉尘，受4种力的作用，其运动服从牛顿定律。这4种力是：尘粒的重力、电场作用在荷电尘粒上的静电力、惯性力和尘粒运动时的介质阻力。重力可忽略不计，荷电尘粒在电场力作用下向收尘极运动时，电场力和介质阻力很快达到平衡，并向收尘极作等速运动，此时惯性力也可忽略。所以，粉尘运动与其驱进速度有关。

1)理论驱进速度。

当粉尘所受的静电力与空气阻力相等时，尘粒在静电力的作用下向集尘板运动的速度即为理论驱进速度：

ω=qE/(3πμdc) (6)

其中：q为粉尘所带的电荷量，E为电场强度，μ为空气动力黏度，dc为粉尘直径。

2)有效驱进速度。

电除尘器内粉尘的运动除要受电场强度、烟气和粉尘性质外，气流分布、振打以及二次扬尘等因素在电除尘器运行过程中是不断变化的，为此设计时的驱进速度值已经不是荷电粉尘在物理学上的理论驱进速度，所以称为有效驱进速度：

η=1-exp(-ωA/q)κ(7)

其中：q为粉尘所带的电荷量；ω为理论的平均驱进速度；A为收尘极的收尘面积；κ为指数，一般取0．5。

影响粉尘运动的驱进速度主要是二次扬尘和气流分布。二次扬尘是粉尘沉降在收尘极表面后，又重新返回气流，降低了除尘效率。引起二次扬尘的原因，主要是气流直接对粉尘层的冲刷，以及在清灰振打的粉尘重新进入气流 ，试验结果表明：首先，不含尘的气流冲刷收尘极时，当气流速度小于3m/s时不易产生二次扬尘。但如果气流中含有粉尘，则其中的大颗粒粉尘将会撞击到粉尘层表面上，即使在气流速度较低时，也会引起二次扬尘。

再看气流分布，平均流速高于某一临界速度时，作用在粒子上的空气动力学阻力会迅速增加，粉尘的重新进入量亦迅速增加。降低气速，效率可以提高，但低到一定程度，有效驱进速度却随之下降。因此，应在满足所需的效率下选取有效驱进速度高的风速，才是较经济的。

2．4 被搜集粉尘的清除

一般电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积，粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性，所以，从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流。一般方法采取振打清灰方式清除，振打系统要求既能产生高强度的振打力，又能调节振打强度和频率。

3 改造措施

根据以上存在问题及相关因素分析，采取以下相关措施及改造方案^[9]。

3．1 针对电晕放电方面

1)电场强度与起始电压。

高压供电设备提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流，供电设备必须十分稳定，希望工作寿命在20a之上。通常高压供电设备的输出峰值电压为70～1000kV，电流为100～2000mA。提高电除尘器的工作电压，以加快电晕速度；采用放电强度强的电晕极，如芒刺形电极；一般增加供电机组的数目，减少每个机组供电的电晕线数，能改善电除尘器性能。

2)烟气性质。

烟气调质系统是通过调整烟气或烟气粉尘的组分及一些物理特性，从而降低粉尘比电阻值或改变粉尘的物理化学特性，提高电除尘效率的装置。目前，主要有水调质、SO₃调质、NH₃调质、SO³⁺NH₃双重调质、Na₂CO₃调质等，其中SO₃调质是燃煤锅炉应用最广泛、最成熟可靠的技术，它可以提高表面电导，降低粉尘比电阻。烟气调质技术应用灵活，高度集成，安装方便，但要注意不是所有的工况都适合使用，也会受烟气条件和粉尘性质的影响和制约。

对煤种、烟气条件的适应性往往经过理论分析后，要再经过实际试验来确定比较有把握。

3)粉尘特性：主要是粉尘浓度和比电阻。

首先是粉尘浓度：电除尘器经过一段时间的运行之后，沉积在电晕极和收尘极上的粉尘必须及时清除。如果电晕极积尘过多，会影响电晕的工作，使电晕强度减弱。如果收尘极积尘过多，会减缓尘粒的驱进速度^[10]。

其次是比电阻：解决高比电阻粉尘的处理措施，大致可归纳为以下几种：①喷雾增湿一方面可以降低烟气温度，在一定条件下可使比电阻处于较为有利的收尘范围。

②降低或提高气体温度粉尘比电阻通常是随着温度升高而增加，当达到某一极限时(200～250℃)，又随着温度升高而逐渐降低。为使电除尘器有效地工作，通常采取增湿的办法来降低气体的温度，使比电阻降低；在某些情况下也可以采取加热的办法提高气体的温度，使比电阻下降，以改善除尘效果。

③在烟气中加入各种导电添加剂，具有降低粉尘比电阻的作用。研究表明，在烟气中加入三氧化硫(SO₃)、氨(NH₃)、三乙胺[N(C₂H₅)₃]、水雾等添加剂对提高粉尘的导电性、降低粉尘的比电阻均有明显的效果。例如奥地利乌恩奇电站，煤的含硫量为0．5%，在烟气中喷入SO₃后，除尘效率由原来的65%提高到98%。

④改变供电方式，采用新型结构的电除尘器或采用脉冲供电等。

3．2 针对粉尘荷电及粉尘运动方面

1)气流分布板。

电除尘器内气流分布对除尘效率具有较大影响，为保证气流分布均匀，在进出口处应设变径管道，进口变径管百叶窗式、多孔板分布格子、槽形钢式和栏杆型分布板。对气流分布具体要求是：任何一点的流速不得超过该断面平均流速的40%；在任何一个测定断面上85%以上测点的流速与平均流速不得相差25%。

2)降低电场风速，保证电场风速在一个合理的范围内，避免二次扬尘的产生；采用合理的板、线匹配形式，改善高浓度烟气中粉尘的荷电，防止反电晕封闭的产生；改善烟气成分，做调质处理，以利于粉尘荷电等。

3．3 针对被捕集粉尘的清除方面

对于被捕集粉尘的清除，主要是采取合理的振打清灰制度，首先采用合理的振打周期可以提高除尘效率，在许多情况下，间断振打比连续振打可减少二次扬尘1/2～2/3。其次，当收尘极高度增加时，二次扬尘量增加，降低除尘效果，为此，必须增加电场长度。近年来，为加强电除尘振打清灰效果，“断电振打/减功率振打”研究和应用取得很好的效果，应引起应用单位的高度重视。

3．4 其他措施

1)加大运行监督管理力度。

对运行中的电除尘器进行有效的监督管理非常重要。运行人员应随时关注电除尘器电场内发生积灰搭桥短路、高压供电保护动作、灰斗温度过低报警、灰位计故障、卸输灰机故障等常见的问题。高度重视“防堵灰”工作。

2)故障诊断准确。

电除尘器运行过程中难免出现故障。避免故障的发生非常重要，但故障发生后准确判断故障类型和故障部位并正确处理同样重要。

3)重视和完善管理制度。

电除尘器是燃煤发电车间几大主设备之一。电除尘器虽然不如锅炉、汽轮机、发电机复杂，但其运行维护所需的技术要求高，建立专业化的管理机构是电除尘器持久稳定和高效运行的组织保证，建议装有电除尘器的钢铁厂应建立专业化的除尘车间分场，配备得力的车间干部、技术人员和适宜的班组技术力量。现在有部分发电厂则将电除尘器按专业分别划归锅炉车间和电气车间兼管，或因减人增效将已有的建制撤销，这无疑对保证电除尘器持久稳定、高效运行不利。

电除尘器经过以上改造和加强运行、操作管理后，漏风、堵灰、极板积灰等现象得到了显著改善，运行电流、电压也趋于正常，除尘效率得到了显著提高。改造后，监测的烟气外排平均浓度值达到165mg/m³(冶金企业废气粉尘排放标准为200mg/m³)并且低于改造前的监测平均浓度值249mg/m³，满足排放要求。

4 结语

电除尘虽然已有100多年的历史，但它一直保持强大的生命力。可喜的是，中国电除尘技术和工业先进国家一直保持着同步发展。随着社会政治经济的发展，环境保护的要求会越来越高，不管是电除尘器，还是其他类型的除尘器，为了满足环保和经济性的综合需求，还有很多需要改进的地方，技术的竞争将给各种技术的进步提供强大的源动力。所以大家对电除尘器在中国钢铁行业的应用前景和电除尘器技术的发展充满信心、保持乐观。

参 考 文 献：

[1]   刘后启，林宏．电收尘器[M]．北京：中国建筑工业出版社，1987．

[2]   陈晓明．电除尘技术发展前景新探[C]//中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论集．北京：中国硅酸盐学会，2007．

[3]   顾中铸．无电晕式高温高压静电除尘器应用基础研究[D]．南京：东南大学，2001．

[4]   何立波，王显龙，贾明生．影响静电除尘器效率的控制因素[J]．中国电力，2004，37(1)：74．

[5]   陈明绍．除尘技术的基本理论与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，1981．

[6]   高香林．电除尘器阴极收尘潜力的研究[C]//全国第十届电除尘/第二届脱硫学术会议论文集．武汉：中国环境保护产业协会电除尘委员会，2003．

[7]   卜迎春，陆广平，王秀琳．高频高压电除尘电气系统设计与应用[J]．冶金电气，2012(20)：50．

[8]   熊晖．员村热电厂电除尘存在的问题及对策[J]．广西电力技术，2011(2)：24．

[9]   杨亚平．一种新颖的高温除尘技术[J]．燃气轮机技术，2002，15(2)：28．

[10]   崔宗．影响煤矸石电厂电除尘器运行效率的因素分析[J]．煤炭加工与综合利用，2005(2)：40．54