一種強(qiáng)化荷電與防積灰電暈線(xiàn)裝置研究

摘 要：本文針對(duì)“后超低排放”改造時(shí)期燃煤機(jī)組靜電除塵器前級(jí)電場(chǎng)受設(shè)備老化、入口煙氣工況復(fù)雜多變以及氨逃逸等不利因素導(dǎo)致的陰極線(xiàn)裹灰嚴(yán)重、放電性能下降甚至電暈封閉等問(wèn)題，提出了一種針對(duì)性的電暈線(xiàn)裝置，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式彌補(bǔ)了現(xiàn)有常規(guī)陰極線(xiàn)裝置的不足，能有效避免粉塵積裹，同時(shí)大幅提升二次電流，強(qiáng)化粉塵荷電能力，避免電暈封閉，并在示范工程中取得了成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超低排放；靜電除塵器；電暈封閉；強(qiáng)化荷電與防積灰；電暈線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：X 701" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電除塵器一直是我國(guó)燃煤電廠(chǎng)鍋爐煙氣治理的主要設(shè)備。2015年底，隨著燃煤機(jī)組“超低排放”改造正式實(shí)施，氨逃逸率急劇上升，裹挾硫酸氫銨的粉塵顆粒大量進(jìn)入電除塵器。硫酸氫銨具有強(qiáng)粘附性，極易造成陰極線(xiàn)裹灰并發(fā)生電暈封閉，進(jìn)而出現(xiàn)電除塵器除塵效率顯著下降問(wèn)題。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展和污水治理水平提高，污水治理的副產(chǎn)物污泥也大幅增加[1]。燃煤電廠(chǎng)開(kāi)始大范圍摻燒污泥和生物質(zhì)燃料。由于污泥處理技術(shù)不成熟且污泥、生物質(zhì)燃料具有熱值低、水分高等特點(diǎn)，摻燒后的粉塵大量粘附在電除塵器陰陽(yáng)極上，導(dǎo)致電暈封閉或者反電暈等問(wèn)題，嚴(yán)重影響電除塵器正常運(yùn)行。

受?chē)?guó)際國(guó)內(nèi)形勢(shì)影響，電煤價(jià)格自21世紀(jì)以來(lái)快速上升并處于高價(jià)位，燃煤電廠(chǎng)受價(jià)格影響傾向于購(gòu)買(mǎi)價(jià)格低廉、品質(zhì)稍差的入廠(chǎng)煤[2]，造成電除塵器入口的粉塵濃度大幅上升，原陰極線(xiàn)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)高粉塵濃度下的放電性能要求，導(dǎo)致二次電壓、二次電流偏低，影響電除塵器的除塵效率。因此本文提出一種強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)研究。

1 現(xiàn)有陰極線(xiàn)配置及其問(wèn)題

1.1 現(xiàn)有陰極線(xiàn)配置

陰極線(xiàn)是電除塵器的主要部件之一。高壓電源與電除塵器陰極系統(tǒng)連接，通電后由陰極線(xiàn)的放電極進(jìn)行放電。含塵煙氣經(jīng)過(guò)各電場(chǎng)的沉降、荷電捕集與脫除[2]，粉塵濃度逐級(jí)降低，粉塵粒徑逐級(jí)變小，對(duì)各個(gè)電場(chǎng)的陰極線(xiàn)放電性能的要求也呈現(xiàn)差異化和“階梯化”，即電除塵器進(jìn)口粉塵濃度高、粒徑大且荷電率低。前級(jí)電場(chǎng)通常采用放電能力強(qiáng)的陰極線(xiàn)，以使粉塵快速荷電；中間電場(chǎng)粉塵濃度有所降低，存在大量荷電和未荷電粉塵，對(duì)陰極線(xiàn)放電能力的需求適中；末電場(chǎng)粉塵濃度低，粉塵粒徑小，較難荷電，需要借助高場(chǎng)強(qiáng)向陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)并被捕集，因此末電場(chǎng)通常會(huì)選擇放電能力弱卻能產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)的陰極線(xiàn)。

我國(guó)主流電除塵器廠(chǎng)家的陰極線(xiàn)主要包括兩級(jí)式配置和階梯式配置。兩級(jí)式配置為前級(jí)電場(chǎng)RS芒刺線(xiàn)，末電場(chǎng)螺旋線(xiàn)；階梯式配置為前級(jí)電場(chǎng)CS20A針刺線(xiàn)，中間電場(chǎng)CS10A針刺線(xiàn)，末電場(chǎng)CW09A波形線(xiàn)等。

上述線(xiàn)形在我國(guó)電除塵器發(fā)展中具有重要的支撐作用，但隨著電除塵入口煙氣工況日漸復(fù)雜，前級(jí)電場(chǎng)陰極線(xiàn)的放電性能也日益受到限制。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)缺陷

螺旋線(xiàn)、CW09A波形線(xiàn)放電性能弱，不適宜置于粉塵濃度高、工況復(fù)雜的前級(jí)電場(chǎng)。RS芒刺線(xiàn)、CS系列針刺線(xiàn)是目前前級(jí)電場(chǎng)主流的陰極線(xiàn)形，放電能力較強(qiáng)，但二者是早期煤粉爐煙氣工況單一時(shí)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，存在技術(shù)發(fā)展的時(shí)代局限性，其設(shè)計(jì)缺陷在日益復(fù)雜的煙氣工況下逐漸暴露出來(lái)。

RS系列芒刺線(xiàn)的設(shè)計(jì)目的雖然是為了增強(qiáng)該線(xiàn)型的放電能力，但是數(shù)量眾多的針尖（如圖1所示）在放電過(guò)程中產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)易相互干擾，不僅無(wú)法達(dá)到增強(qiáng)放電能力的目的，反而導(dǎo)致放電能力下降。另外，由于針刺較多，針刺間距離較短，給粉塵粘附預(yù)留了空間，因此極易積灰，而且芒刺線(xiàn)支撐采用薄板壓制成型，強(qiáng)度不足，容易發(fā)生斷線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

CS系列針刺線(xiàn)（如圖2所示）梯度布置與粉塵荷電、收塵的原理一致，但是其采用兩線(xiàn)一板的配置方式，運(yùn)行能耗相對(duì)較高，并且其針尖采用單針尖方式，即一個(gè)針尖正對(duì)2塊板，當(dāng)安裝過(guò)程異極距出現(xiàn)偏差時(shí)，異極距大的一側(cè)放電能力會(huì)被削弱，影響收塵性能。

2 一種強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置研究

2.1 研究目的

在時(shí)代發(fā)展和煤炭供需不平衡背景下，火電廠(chǎng)入爐煤種復(fù)雜多變，摻燒污泥和生物質(zhì)燃料常態(tài)化，氨逃逸頻發(fā)，傳統(tǒng)陰極線(xiàn)已經(jīng)難以適應(yīng)上述工況，嚴(yán)重者會(huì)發(fā)生裹灰導(dǎo)致的電暈封閉問(wèn)題，影響環(huán)保和安全。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了一種強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置。該裝置不僅需要解決RS系列電場(chǎng)相互干涉、粉塵易積灰和容易斷線(xiàn)等問(wèn)題，還需要解決CS系列能耗高、針尖數(shù)量不足的問(wèn)題，以最大限度保證電暈線(xiàn)放電能力，避免極線(xiàn)被粉塵包裹。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

本文所述的強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置如圖3所示，其主體主要由支撐圓鋼和一體式針刺組成。

2.2.1 支撐圓鋼

RS系列芒刺線(xiàn)通常將SPCC冷軋鋼薄板作為支撐主體，由螺栓擰緊框架連接鎖扣，再點(diǎn)焊螺帽并與螺栓螺紋處進(jìn)行固定，程序復(fù)雜且安裝隊(duì)伍難以把控螺栓的松緊程度。在工程應(yīng)用中，高速煙氣沖擊經(jīng)常會(huì)造成螺栓連接處松動(dòng)、陰極線(xiàn)晃動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)電場(chǎng)火花放電的現(xiàn)象。

本文強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置將Ф8圓鋼作為支撐主體，剛度足且不易斷線(xiàn)。由于框架連接處為圈焊處理，施工簡(jiǎn)單，工藝程序化，因此能有效抗擊高速煙氣沖擊，不易發(fā)生陰極線(xiàn)晃動(dòng)等不利影響。

與CS系列針刺線(xiàn)一板配兩線(xiàn)的極配形式相比，本強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)為一板配一線(xiàn)的極配型式，因此能降低大幅度安裝工程量和故障風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 一體式針刺

本文強(qiáng)化荷電與防積灰電暈線(xiàn)裝置采用一體式針刺。一體式針刺由整體不銹鋼板材制作而成，組成包括圓弧過(guò)渡段、放電體、針刺與工藝孔。該裝置的結(jié)構(gòu)件如圖4、圖5所示。

2.2.2.1 圓弧過(guò)渡段

RS系列芒刺線(xiàn)分為分體式和整體式。分體式芒刺由鉚接固定在冷軋薄鋼板表面，整體式芒刺與冷軋薄鋼板一體式成型。CS系列針刺線(xiàn)針刺采用電阻焊的形式焊接在支撐圓鋼表面。本文強(qiáng)化荷電與防積灰電暈線(xiàn)裝置支撐件為實(shí)體圓鋼，一體式針刺為整體不銹鋼板材。為保證與實(shí)體圓鋼的焊接強(qiáng)度，增加與實(shí)體圓鋼的接觸面積，一體式針刺長(zhǎng)度方向中心位置軋制成與圓鋼外徑一致的圓弧過(guò)渡段，并與圓鋼貼合，避免積灰。一片一體式針刺只需要焊接一次，即能通過(guò)放電體固定兩端的放電針刺，在保證焊接牢固的同時(shí)，工作量也比前二者大幅降低。

2.2.2.2 放電體

如圖4中的4所示，本裝置放電體為介于圓弧過(guò)渡段、針刺間的水平段，主體為1mm～2mm的不銹鋼片，不存在RS系列芒刺線(xiàn)多齒狀結(jié)構(gòu)與CS系列陰極線(xiàn)針刺焊點(diǎn)等積灰空間，不銹鋼片橫截面小且無(wú)粉塵落腳點(diǎn)，能有效避免粉塵堆積。

本裝置放電體不銹鋼片表面光滑且與電場(chǎng)內(nèi)部陽(yáng)極板排平行布置，構(gòu)成均勻電場(chǎng)，不會(huì)產(chǎn)生電暈[3]，也不會(huì)干擾針刺進(jìn)行放電，能最大限度地保證兩端針刺的放電性能。

不同環(huán)保廠(chǎng)家會(huì)采用不同形式的陽(yáng)極板考慮，當(dāng)放電體長(zhǎng)度為10mm～100mm時(shí)，能有效保證陽(yáng)極板表面板電流密度的均勻性。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，放電體寬度應(yīng)控制在10mm～50mm。

2.2.2.3 針刺

本文強(qiáng)化荷電與防積灰電暈線(xiàn)裝置的放電單元主要為放電體兩側(cè)的針刺。一個(gè)放電單元為雙針刺設(shè)計(jì)，如圖4中的5所示。與CS系列陰極線(xiàn)相比，雙針刺分別單獨(dú)正對(duì)陽(yáng)極板放電，能有效強(qiáng)化電暈線(xiàn)放電能力，同時(shí)避免由類(lèi)CS系列陰極線(xiàn)安裝造成的極距偏差帶來(lái)的不利影響。一個(gè)一體式針刺共有2個(gè)放電單元，每個(gè)放電單元由放電體隔開(kāi)，能有效避免類(lèi)RS系列芒刺線(xiàn)針刺過(guò)多導(dǎo)致的電力線(xiàn)干擾，防止形成電暈盲區(qū)，提升整體粉塵荷電能力。

每個(gè)放電單元雙針刺間存在水平夾角α，如圖4所示。根據(jù)常規(guī)電除塵器電暈線(xiàn)極配形式應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電暈線(xiàn)放電端垂直于陽(yáng)極板時(shí)，能產(chǎn)生比平行布置更強(qiáng)烈的非均勻電場(chǎng)，因此水平夾角α的存在使本文裝置能靈活地適應(yīng)各種除塵器及煙氣工況。當(dāng)粉塵濃度大、粉塵粒徑大、燃用煤質(zhì)差、摻燒污泥或者氨逃逸嚴(yán)重時(shí)，可適當(dāng)增加α角度，以增強(qiáng)電暈線(xiàn)放電能力；當(dāng)煙氣工況適宜、燃用煤質(zhì)易收塵或者布置在中后級(jí)電場(chǎng)時(shí)，可適當(dāng)減少α角度，以節(jié)約能耗并加強(qiáng)細(xì)微粉塵捕集。α角度宜控制在0°～90°，超過(guò)90°時(shí)，放電體兩端內(nèi)左、右兩側(cè)的針刺放電可能存在電暈線(xiàn)干擾。同理，每個(gè)放電單元的針刺長(zhǎng)度應(yīng)控制在5mm～50mm。

2.2.2.4 工藝孔

本文強(qiáng)化放電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置每個(gè)放電單元雙針刺間存在2mm～4mm的平滑過(guò)渡的工藝圓孔，如圖5中的6所示，可避免在制作過(guò)程中出現(xiàn)針刺底部開(kāi)叉處開(kāi)裂，也可避免因電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速過(guò)高而在同位置出現(xiàn)沖刷開(kāi)裂問(wèn)題。

2.2.2.5 一體式針刺整體布置

一體式針刺平行焊接于支撐圓鋼表面，為保證垂直方向放電均勻性和放電性能，應(yīng)根據(jù)煙氣工況、粉塵特性、是否摻燒污泥及氨逃逸等情況，對(duì)針距進(jìn)行靈活調(diào)整。發(fā)生煙氣工況差、粉塵特性不利于收塵、摻燒污泥和氨逃逸等影響電暈線(xiàn)正常放電的情況時(shí)，可適當(dāng)密集布置一體式針刺；當(dāng)煙氣工況良好且粉塵特性利于收塵時(shí)，可適當(dāng)疏松布置一體式針刺。同時(shí)，為了避免高低一體式針刺放電單元電暈線(xiàn)干擾，每個(gè)一體式針刺的垂直方向間距應(yīng)控制在50mm～1000mm。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

本文所述的一種強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置采用雙針刺設(shè)計(jì)，既避免了RS系列芒刺線(xiàn)針刺過(guò)多導(dǎo)致的電力線(xiàn)干涉和場(chǎng)強(qiáng)削弱問(wèn)題，又避免了CS系列針刺線(xiàn)兩線(xiàn)配一板能耗高和安裝誤差導(dǎo)致的放電能力下降問(wèn)題。該裝置的支撐體采用圓鋼制作，杜絕了RS系列芒刺線(xiàn)支撐體采用板壓制成型導(dǎo)致的強(qiáng)度不足問(wèn)題，降低了電暈晃動(dòng)、斷線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可避免火花放電現(xiàn)象。其一體式針刺由圓弧過(guò)渡段緊密貼合并焊接在支撐圓鋼上，焊接一次即可兩端四點(diǎn)放電，與鉚接、電阻焊等固定方式相比，工作量大幅降低，能有效降低勞動(dòng)成本和施工不到位帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。該一體式針刺采用薄板制作，能最大限度減少粉塵落腳點(diǎn)，使放電體無(wú)其他多余凸出部件，徹底解決粉塵粘附問(wèn)題，杜絕了電暈封閉現(xiàn)象。該裝置的針刺水平α角的設(shè)置能有效滿(mǎn)足不同煙氣工況、粉塵特性、是否污泥摻燒和氨逃逸等情況下對(duì)電暈線(xiàn)裝置放電性能的需求，具有靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)的特性。

3 示范工程應(yīng)用

華北某電廠(chǎng)1000MW機(jī)組低低溫靜電除塵器2006年正式投運(yùn)，2014年超低排放改造后為雙列三室五電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。該靜電除塵器前級(jí)一、二電場(chǎng)采用CS10A針刺線(xiàn)，為提升放電性能與除塵效率，一電場(chǎng)由前、后3個(gè)小分區(qū)進(jìn)行供電。

目前該設(shè)備已運(yùn)行近20年，設(shè)備老化且入場(chǎng)煤煤質(zhì)發(fā)生波動(dòng)，原靜電除塵器入口煙氣工況隨之變差。2023年末，入口煙氣含塵濃度平均值約為39.1g/Nm3，瞬時(shí)最大值約為42.5g/Nm3，較原設(shè)計(jì)入口含塵濃度（26.5g/Nm3）分別上升約12.6g/Nm3、16.0g/Nm3，與設(shè)計(jì)值差距較大。同時(shí)，該靜電除塵器一電場(chǎng)CS10A針刺線(xiàn)嚴(yán)重裹灰，導(dǎo)致一電場(chǎng)二次電流明顯下降，甚至出現(xiàn)電暈封閉問(wèn)題。在此工況條件下，CS10A針刺線(xiàn)已無(wú)法長(zhǎng)效、穩(wěn)定地進(jìn)行放電，嚴(yán)重影響除塵器的收塵效率。

根據(jù)其高、低壓控制系統(tǒng)界面顯示，原靜電除塵器CS10A針刺線(xiàn)二次電流最低值、平均值和瞬時(shí)最高值分別為0mA、73mA和162mA；改造后一電場(chǎng)第一分區(qū)原CS10A針刺線(xiàn)更換為本文所述強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置，最終在同等滿(mǎn)負(fù)荷工況下，二次電流最低值、平均值和瞬時(shí)最高值分別為152mA、171mA和212mA。對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置對(duì)二次電流的提升效果顯著，提升幅度分別為152mA、98mA和50mA，說(shuō)明強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置在前級(jí)電場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中的放電能力、工況適應(yīng)性均優(yōu)于CS10A針刺線(xiàn)。

4 結(jié)論

本文所述的強(qiáng)化荷電與防積灰的電暈線(xiàn)裝置解決了設(shè)備老舊、煙氣工況復(fù)雜和氨逃逸嚴(yán)重等問(wèn)題導(dǎo)致的燃煤機(jī)組電除塵器前級(jí)電場(chǎng)陰極線(xiàn)放電能力不足、運(yùn)行不穩(wěn)定且難以保證除塵效率等問(wèn)題，契合電除塵器高效、穩(wěn)定的特性，能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的工業(yè)與環(huán)保需求，為電除塵器新建和改造項(xiàng)目提供了一種新的解決方案，在我國(guó)長(zhǎng)期以煤為主要能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、火力發(fā)電為主流供電方式的背景下具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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