1烧结烟气的特点
烧结烟气是指在烧结机上各种粉状含铁原料、燃料和熔剂点火熔化、高温烧结成型过程中所产生的含有多种污染物的烟气,它与其他工业烟气相比具有较大的不同:
1.1烟气量大,变化幅度大,分布不均
由于漏风率高和固料循环率高,有相当一部分空气没有通过烧结料层就排出,使烧结烟气量大大增加,每产生一吨烧结矿大约产生4000～6000m3烧结烟气,单位平方烧结面上能产生约6000～9000m3/h的烟气量。同时由于烧结料透气性的差异和铺料不均等原因,造成烧结烟气阻力变化大,从而导致烟气量变化幅度大,最高可达40%以上。机头和机尾相差较大。
1.2烟气成分复杂,含尘量高
烧结烟气含有HCl、HF、NOx等多种腐蚀性气体和铅、汞、铬、锌等多种重金属污染物。烟气含尘量高,粒度细,含有一定的碱性高粘度氧化物。目前采用的除尘设备主要有电除尘器、多管除尘器以及少量的电袋复合除尘器。
1.3烟温高、含湿量高、含氧量大
烧结烟气温度高,一般为120～180℃,机头烟温高达200℃。含湿量约为7%～13%,含氧量为15%～20%。在采用布袋除尘器时应充分考虑其含湿量的影响。
2湿式电除尘器的工作原理
根据《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》(GB28662-2012),烧结烟气烟尘排放标准为50mg/Nm3,但一些地方标准来的更加严格,例如山东省规定烧结烟气烟尘排放限值为20mg/Nm3。烧结烟气由于含有Na2O、K2O等高粘度的碱性氧化物颗粒,在电除尘器运行过程中极易粘附在极板极线上,严重影响电除尘器效率。对于大多数采用电除尘器的项目,烟尘排放浓度平均为100mg/Nm3,小部分采用陶瓷多管除尘器的,出口烟尘浓度平均为150～300mg/Nm3,甚至更高。
烧结烟气经除尘后进入湿法脱硫(通常为石灰石/石灰—石膏法),经过喷淋冲洗去除了一部分烟尘(去除了约50%),但同时由于烟气的携带,将浆液中的石膏颗粒带出,故大部分烧结烟气在总排口的排放浓度无法满足20mg/Nm3的要求,需要进行二次除尘改造。
目前湿式电除尘器被广泛应用于烧结烟气二次除尘改造中,该设备布置在脱硫系统之后、排放之前,进一步去除烟尘、气溶胶以及各项细微颗粒,具有深度净化、联合脱除的意义。湿式电除尘器的主要工作原理:将水雾喷向放电极和电晕区,水雾在芒刺电极形成的强大的电晕场内荷电后分裂进一步雾化,电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并,共同对粉尘粒子起捕集作用,最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达集尘极而被捕集。水在集尘极上形成连续的水膜,将捕获的粉尘冲刷到灰斗中随水排出。干式电除尘器与湿式电除尘器比较如下:
(1)除尘原理都是电晕放电,清灰方式则不同,表现为“一干一湿”;
(2)干式电除尘受粉尘比电阻影响较大,要求粉尘比电阻104～1012Ω˙cm,湿式电除尘适用于饱和湿烟气介质,粉尘比电阻不受限制;
(3)干式电除尘器出口粉尘浓度极限为5～20mg/Nm3,湿式电除尘器出口粉尘浓度极限可低于1mg/Nm3;
(4)湿式电除尘器集尘面积较小,内部无转动部件,密封性能较好,寿命较长;
(5)湿式电除尘器能有效脱硫PM2.5,SO3气溶胶以及汞,而干式电除尘器对于PM2.5脱硫有限,且无法脱除SO3气溶胶以及汞。
3非金属极板湿式电除尘器的优势
湿式电除尘器从结构上可分为两种基本型式,即管式和板式。其中管式湿式电除尘器只有垂直方向烟气流(上升流或下降流),而板式湿式电除尘器设计既可以采用水平烟气流也可采用垂直烟气流。总的来,管式湿式电除尘器比板式湿式电除尘器效率更高且由于外形简单而占用更少的空间,成为湿式电除尘技术应用的趋势。
从极板材质上分类,湿式电除尘器可以分为非金属极板和金属极板两大类型。
金属极板湿式电除尘器其结构外形基本等同于干式电除尘器,水平卧式布置。用于二次除尘时,一般为单室或多室单电场布置。阳极板和阴极线材质为316L或其他耐腐蚀合金钢。金属极板系统复杂,需配套额外的循环水处理设施以及相应的加碱设施,运行成本高,操作维护工作量大,同时受其卧式布置、占地较大的局限性,在烧结烟气二次除尘改造中应用较少,仅在电厂大机组超净排放项目中有所应用。
非金属极板湿式电除尘器,阳极通常采用玻璃钢或柔性织物,采用立式多通道单电场布置,烟气流向自上向下或自下向上,通道为六角形蜂窝状或方形。烟气流速≤2.5m/s,停留时间>2S,除尘效率≥85%。由于非金属极板本身耐酸腐蚀,故该系统无需设置加碱设施,冲洗形式可分为连续或间歇冲洗。
非金属极板湿式电除尘器具有以下优势:(1)极板本身耐酸腐蚀,无需碱洗保护,无需连续的碱液冲洗;(2)系统简单,无额外加碱设施,无循环冲洗水设施,机械运转设备较少;(3)无碱耗,电耗低,水耗低,运行成本较金属极板降低30～40%;(4)非金属极板采用立式布置,在新建改建项目中容易与吸收塔匹配,可以与吸收塔做成一体,改建项目也可以做成塔外立式布置,布置方式灵活多样;(5)非金属极板可以实现间歇冲洗,有效缓解烟囱冒“大白烟”现象。基于上述优势,非金属极板湿式电除尘器已广泛应用于烧结烟气的二次除尘改造项目中。
4非金属极板湿式电除尘器应用实例
某项目120m2烧结机,已有石灰—石膏湿法脱硫设施,但吸收塔出口烟尘浓度仍然高达100mg/Nm3,本次改造拟在吸收塔出口布置湿式电除尘器,要求其出口烟尘≤20mg/Nm3。改造采用导电玻璃钢非金属极板湿式电除尘器,塔外独立式布置,烟气流向下进上出,在湿除顶部设置直排烟囱。湿式电除尘器采用独立支撑结构。设备性能参数如表1。
安装完成后试运行,二次电压5.5万V,二次电流1300mA,绝缘箱温度维持在100～120℃,湿式电除尘器入口烟尘20mg/Nm3,出口烟尘18.5mg/Nm3,出口液滴浓度15mg/Nm3,直排烟囱“大白烟”现象彻底缓解,各项指标均达到设计值。
5二次除尘改造中常见的问题和对策
已投产运行的烧结烟气湿式电除尘改造项目中,大部分项目都能达到出口烟尘≤20mg/Nm3,但也有些项目中不能满足设计要求,常见问题主要有:5.1二次电流低空升时电源的电流电压正常,运行一两个月后开始出现二次电压正常、但二次电流偏低的现象。
例如某项目,电源选型为1700mA,空升时二次电流能达到1500mA,但投运后二次电流降至200～500mA。调查后发现,湿式电除尘停运时,也就是脱硫出口烟尘浓度高达150～200mg/Nm3,最高达350mg/Nm3,按脱硫系统除尘效率50%计算,那么脱硫前烟尘浓度高达400～500mg/Nm3。该项目采用陶瓷多管除尘器,除尘效率低下,对后续的脱硫和湿式电除尘的运行都造成了很大的影响。
值得注意的是,湿式电除尘器是一种末端的深度处理设施,要使其出口烟尘≤20mg/Nm3,其入口烟尘应控制在100mg/Nm3左右,不能无限制的接纳高浓度烟尘,否则其运行效果必然会受到影响。任何一项改造项目都不是单独改造一个设备就可以完成的,应系统计算,加强各个设备前后的联合联动改造。
5.2极板极线积灰严重
阳极板积灰严重也会导致二次电流偏小,除了控制前端烟尘浓度之外,解决积灰问题还应从优化冲洗抓起。应根据入口烟尘浓度及时调整冲洗程序,对于烟尘浓度较大的项目,应设计在线连续冲洗设施,做到单管单冲,对于较长的阳极板,可以考虑顶部底部联合冲洗。连续冲洗时,应采用雾化效果良好的喷嘴,确保放电极和集尘极同时通电情况下,不产生有害放电现象,实现不断电连续在线冲洗。
阴极线的冲洗也应优化。在现阶段,对于进口烟尘浓度大的项目,阴极线选型时应优先选择芒刺较长较尖锐,放电效果较好的线型。
5.3防腐层脱落导致阴阳极搭接
与脱硫设施相同,湿式电除尘器内部碳钢件均采用玻璃鳞片防腐。对于设备顶部渐缩段这一重点部位的加强筋设置应重点考虑玻璃鳞片衬里的要求。在实际项目中出现过由于顶部鳞片脱落造成阴阳极搭接,送不上电的情况。
在设计时,渐缩段加强筋的布置除了考虑自身的刚度、强度和振动的要求外,还应考虑玻璃鳞片衬里的需求。参考《烟规》,横向烟道截面方向相对挠度为1/400,纵向烟道中心线方向相对挠度为1/200,已无法满足防腐设计要求,因此在进行防腐烟道或壳体的设计时必须按照横向加固肋的相对挠度为1/500--1/700,纵向相对挠度为1/500--1/700的要求对《烟规》公式中的常数进行修正。
5.4阴阳极间距的保证
阳极模块与阴极线框架之间的安装位置误差以及安装质量缺陷会导致电场运行电压、电场强度、阳极板电流密度分布均匀性,从而导致击穿电压降低并对除尘效率产生不利影响。因此必须保证阴阳极系统的安装质量,以确保电除尘器除尘效率,使烟尘排放浓度符合设计要求。
5.5气流均布设计
流场数值模拟对于湿式电除尘器设计来说是很关键的一项工作,对于确定的布置方式,应至少模拟40%、70%和100%三种负荷下的气流分布状况,通过调整导流板、均布板的方向、角度和开孔率等,来获得最佳的气流分布。
烧结烟气量的反复变化对于湿式电除尘器来说是一种不稳定的因素,尤其是对于塔外独立式湿式电除尘器。设备内部气流均布系数应在各种常见工况下均能满足≤0.2。在启动前空载气流均布试验时也应根据设定的负荷调整引风机风量来考察设备内部主要断面上的流速分布。
6结语
非金属极板湿式电除尘器由于其自身的优势已广泛应用于烧结烟气二次除尘改造项目中,其出口烟尘能满足该行业目前最严的20mg/Nm3的要求,同时还能有效缓解烟囱“大白烟”现象,减小视觉污染。在设计施工时,应针对烧结烟气的特性做适当的调整和改进,重点从加强联合联动改造、优化气流分布、优化冲洗配置以及强调施工安装质量方面着手,促进改造项目顺利圆满的达到设计要求。
