静电除尘技术.doc

静电除尘技术
在造气吹风气余热回收系统中的应用

华南理工大学 胡小吐 谢逢俊 冯肇霖
福州耀隆化工集团公司 赵可锵 张卫东

提 要: 本文主要介绍静电除尘技术在氮肥厂造气吹风气余热回收系统中的应用,

关键词: 电除尘 造气 吹风气

福州耀隆化工集团公司(原福州市氮肥厂)是福建省中型企业, 具有年产5万吨合成氨, 6万吨纯碱, 6万吨农用氯化铵, 5万吨农用碳铵, 10万吨复混肥及6千吨4A沸石的规模。该公司氮肥厂现有6台造气炉, 其中4台同时使用, 在造气吹风气余热回收系统尾气排放时, 尾气含尘浓度及林格曼黑度严重超标, 严重影响城市环境。公司领导对此十分重视, 下决心必须予以治理, 在此以前曾拟采用旋风除尘器处理方案, 最终因粉尘粒度太细, 无法满足达标排放的要求而未能实施, 最后采用了华南理工大学提供的静电除尘技术处理造气吹风气余热回收系统中的尾气净化方案。该项目由华南理工大学设计、制作安装指导及调试, 现已投入正常运行, 效果很好, 得到用户好评。

一.工艺流程

集
尘
器

燃
烧
炉
第预二热空器气

余热锅炉
水加热器
第预一热空器气
吹风气
造气炉
造气炉
造气炉
造气炉
电除尘器
排灰
净化气体排放

图1 余热回收系统工艺流程示意图

二.工况条件
造气是以空气、水蒸汽为汽化剂, 以煤为原料制取半水煤气(CO, H2, N2), 以供生产用, 其生产原理如下:
主还原层:
C+2H2O=CO+2H2 -Q
C+H2O=CO+H2 -Q
次还原层:
CO+H2O=CO2+H2 +Q
C+2H2=CH4
吹风是造气的主要工序之一, 吹风的空气由鼓风机从造气炉底部吹入, 吹风气由炉顶引出, 经总管进入余热回收系统(图1)。在经过燃烧炉燃烧后, 烟气(吹风气)中残留的CO和H2都已在系统内燃烧, 烟气中含O2量在2～3%, 其余为N2、CO2、H2O蒸汽及灰分等。造气的固体燃料为碳化煤球, 其一般组分如下:
表1
水分
固定碳
(干基)
挥发分
灰分
(干基)
硫分
合计
2.1
54.4
10.1
33.2
0.2
100

煤是由许多矿物质组成, 煤中矿物质的来源不同, 经高温灼烧后剩下的残留物即灰分的成十分复杂, 其含量变化范围也很大, 它们主要是硅、铝、铁、钙、镁、钾和钠等元素的氧化物和盐类, 在煤球中, 这些成分以硅酸盐、硫酸盐以及各种金属氧化物的混合物存在, 因燃烧不完全, 灰分中通常含有一定量的碳。烟气中灰分很细, 平均粒度dp=9.11mm。

三、设计依据
该厂吹风气尾气未加净化装置时排放浓度在2.3g/Nm3, 因粉尘粒度小, 分散度高, 碳黑含量高, 排放浓度和烟色黑度都严重超标, 犹如一条黑龙, 对城市环境和居民生活造成严重影响。根据造气吹风气烟气工况及工艺条件, 作以下除尘方案比较:
1.旋风除尘: 由于粉尘粒度太细, 除尘效率一般在86～91%, 阻力在1250～1500Pa, 排放浓度在标态200～430mg/Nm3 (操作态100～210mg/m3), 难以达标排放。
2.布袋除尘:烟气温度高, 引风机入口烟气正常温度高达220～230℃, 粉尘温度更高, 有着火状态, 对布袋造成极大威胁。
3.水膜除尘:阻力, 对粒度太细粉尘除尘效果不佳, 用水量大, 造成二次水污染。
为此选用静电除尘。

四、静电除尘原理及主要参数
电除尘是利用两极之间的高压电晕放电进行工作的, 在一定型式的阴阳两电极上通以高压直流电, 维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离产生的电子和阴阳离子吸附在通过电场的粉尘粒子使尘粒荷电, 荷电粉尘在电场力的作用下, 向电极性相反的电极运动而沉积在电极上, 以到达粉尘和气体分离的目的。电除尘器的除尘过程可分为四个阶段:
(1)气体的电离;
(2)粉尘获得离子而荷电;
(3)荷电粉尘向电极移动;
(4)将电极上的粉尘清除到灰斗中去。
第一阶段是形成高压电场, 将空气电离。第二和第三阶段是粉尘颗粒荷电并在电场力作用下, 向相反的电极移动并聚集在电极上, 是电除尘器两个最基本的作用过程。第四阶段是从电极上回收粉尘, 干式电除尘器多用振打方式。这些过程十分复杂, 且互相关联, 是不能截然分开的。
本除尘器采用双电场折式结构, 除尘器性能参数如下:
表2
序号
项 目
参 数
1
有效断面积 m2
16
2
电场数
2
3
设计处理量 m3/h
50000
4
电场烟气流速 m/s
0.86
5
允许烟气温度 ℃
<300
6
允许烟气湿度
不限
7
入口含尘浓度mg/N.m3
<5000
8
出口含尘浓度mg/N.m3
<100
9
设计除尘效率 %
99
10
除尘器阻力 Pa
<150
11
同极间距 mm
650
12
电场长度 m
9.0
13
收尘板形式
I 电场
II电场
C 型
鱼鳞板
14
电晕线形式
长针刺
15
收尘极振打方式
底部电机振打
16
电晕线振打方式
顶部电机振打
17
气流分布方式
分风窗
18
保温材料
珍珠岩
19
卸灰方式
螺旋输送
20
高压供电电源
250mA/100kv

与常规电除尘器相比, 本除尘器具有下列几个突出的特点:
1. 电晕极形式采用长针刺米字形。由于米字形电极比鱼骨或十字形电晕线大大增加了电晕发射点, 在高压静电场中, 电晕静电场增大, 电晕区域扩大, 电晕电流密度增加, 使粉尘荷电量增加。同时, 电晕发射点(针尖端)的分布更加合理, 由于各针尖的间距大(超过100 mm), 同极间互相削弱电场的影响减小, 每个针尖都可形成一个很强的电晕小区, 且电晕针所有尖端投影在一个正方形边缘, 与收尘极板相对应, 改善了电力线的分布, 相应地提高了收尘板的利用率。大大提高尘粒的驱进速度和除尘效率。
2. 在由电晕线所构成的正方形范围以内, 长针刺电晕极在高电压下, 轴向投影形成一个等电位面, 整个电晕极所占的空间成为等电位体——等效为一柱状电极, 其电位等于供电电压。在电场中, 柱状电极占据了较大的空间, 因此气流中粉尘进入或穿越柱状电极而荷电的机率大大增加, 在这个等电位区域内, 由于负离子浓度相对较小, 粉尘除了部分电晕荷电和扩散荷电以外, 感应荷电成为其主要荷电方式。在这等电位体中荷电粉尘受负电极斥力作用离开该区, 同时由于气流本身紊流掺混及针尖放电产生强烈的电风引起的紊流混合作用, 加速了粉尘的运动速度, 使得这些粉尘迅速离开该区而进入电晕区, 并再次被强化荷电。
3. 在保持一定异极距条件下, 适当地采用长针可加宽极板间距, 此即意味着加宽极板间距而操作电压保持不变, 实现宽板间距低电压运行。实际应用中, 在不提高操作电压条件下, 极板间距常常可扩大到600-800mm甚至1000mm , 处理相同烟气量和达到相同收尘效率所需的收尘板面积可大大减少, 相应地降低收尘器的造价。同时由于运行电压相对较低, 电除尘器的稳定性和可靠性明显提高, 故障率降低, 对电除尘技术的推广十分有利。
4. 采用折式气流运动结构, 烟气在整个电场中呈U型走向, 第I 电场气流自上而下, 第II电场气流由下而上。因烟气中绝大部分粉尘在第I 电场得到分离, 而气流运动方向与落尘方向一致, 振打时大部分落尘能有效地被收集在集灰斗里, 可大幅度降低粉尘的二次飞扬。第II电场气流虽然由下而上, 但由于采用鱼鳞板型收尘极, 振打时, 粉尘沿极板中部下落, 受气流干扰较小。因此, 尽管粉尘细小且干燥, 二次扬尘仍能得到较好的控制。
四. 应用状况
华南理工大学环科所大气治理研究室承接了该工程的设计、制作安装指导以及电气配套等, 97年4月正式投入使用, 效果明显, 除尘效率高, 运行参数稳定, 使用维护方便, 环保检测结果为: 平均入口浓度2330 mg/N.m3, 平均出口浓度为 mg/N.m3, 出口粉尘排放浓度小于 mg/N.m3,达到国家环保排放标准。自投入使用以来, 除尘器运行正常, 使用安全可靠, 管理和维护方便, 并具有、自动振打脱灰和供电自动保护与报警功能, 得到厂方的好评。 电除尘器伏安特性见图3

...

参考文献

[1] 刘后启 林 宏 《电收尘器》中国建筑出版社 1987
[2] 赵志斌 张国权 《静电收集理论的研究》环境工程 (3) 1992
[3] 冯肇霖 《长针刺电晕极的研究及应用》 第五届全国电除尘学术会议论文
[4] 唐国山 高 进 《宽间距电除尘器的发展和性能评价》 第四届国际电除尘会议论文