水泥SCR脫硝前置高溫電除塵器應用技術探討

高溫電除塵器+SCR脫硝技術路線是目前水泥行業(yè)氮氧化物超低排放的有效途徑之一，在SCR反應器前設置高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下解決水泥爐窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格。本文結(jié)合國內(nèi)首臺水泥SCR脫硝項目的成功應用對脫硝前置高溫除塵器選型及技術特點進行詳細論述，提出了高溫環(huán)境下電除塵器穩(wěn)定運行應采取的應對措施，為以后設計提供經(jīng)驗借鑒。

前言

氮氧化物排放治理可謂當前水泥行業(yè)大氣污染物減排面臨的最大難題。目前，國內(nèi)脫硝技術方案可以分為兩大類，一是過程控制（即：低氮燃燒，分級燃燒等改造方案）; 二是末端治理，主要包括SNCR和SCR，在實際應用中部分企業(yè)也采用了過程控制加SNCR脫硝的模式，取得了良好的效果，但是要實現(xiàn)超低排放要求，SCR脫硝更具可行性也更具潛力。脫硝反應溫度一般為300~450℃，在有預熱器的新型干法熟料水泥生產(chǎn)線上，該溫度區(qū)間正好對應水泥窯尾預熱器C1筒廢氣出口的煙氣溫度，可以滿足SCR所需要的反應溫度窗口，但是C1筒出口處粉塵濃度高，有堵塞催化劑的風險，也會加快催化劑的磨損，煙氣中的堿金屬、重金屬，可導致催化劑中毒，影響SCR系統(tǒng)的效率，增加系統(tǒng)阻力，也可能影響水泥窯系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對含塵量高問題，在SCR反應器前設置高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下，解決水泥爐窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格。西安西礦環(huán)保科技有限公司在河南磴槽集團宏昌水泥有限公司5000t/d煙氣超低排放SCR脫硝項目中采用的“高溫電除塵器+SCR脫硝技術”這一技術路線成功實現(xiàn)了氮氧化物排放濃度小于50mg/Nm3，系統(tǒng)阻力小于1000Pa等各項指標要求。結(jié)合此項目的成功案例，我們對窯尾脫硝前置高溫電除塵器的應用進行探討，僅供同行們參考，如有不妥之處還望多多指教。

一、高溫電除塵器+SCR脫硝技術工藝路線

圖一 高溫電除塵器+SCR脫硝技術工藝路線

新型干法熟料水泥生產(chǎn)線窯尾高溫煙氣經(jīng)過（四級或五級）預熱器后溫度正好處于脫硝反應溫度窗口，在此位置增加SCR脫硝反應器可有效脫除煙氣中的氮氧化物，而窯尾廢氣含塵濃度高，容易造成催化劑堵塞增加系統(tǒng)阻力和運行成本，因此在脫硝反應器前和預熱器C1出口后增加高溫電除塵器，將含塵濃度降低至20-30g/Nm3以下，解決水泥窯尾煙氣中含塵量大的問題，方便選取更為可靠的催化劑形式和規(guī)格，實現(xiàn)氮氧化物超低排放。

二、高溫電除塵器選型及結(jié)構(gòu)特點

電除塵器如何長期在高溫（280℃~350℃）下穩(wěn)定運行，克服因高溫熱膨脹而導致的除塵殼體及內(nèi)部陰陽極的變形，滿足煙氣溫度高的情況下粉塵比電阻的變化，并降低煙氣中的粉塵濃度是本文闡述的主要內(nèi)容。

1.水泥窯尾煙氣特點

(1)   含塵濃度高，窯尾廢氣含塵濃度為50~100g/m3；

(2)   煙氣溫度高，新型干法窯外分解窯窯尾廢氣溫度為320℃~350℃左右；

(3)   含塵顆粒細，<10μm的細顆粒占90%~97%，小于2~3μm的細顆粒占50%；

(4)   粉塵比電阻高，正常高達1012~1013Ω.cm；

(5)   煙氣量大，粉塵中有一定堿含量，CaO,K2O,Na2O等

2. 高溫電除塵器選型

電除塵器布置在脫硝反應器之前其作用是降低脫硝入口粉塵濃度，防止催化劑堵塞和磨損，從經(jīng)濟性方面考慮，設計選型可以按預除塵不必做到精細化超低排放，建議除塵效率一般按70~80%，除塵器宜選用兩電場或三電場,電場風速選取可比常規(guī)除塵器高些，同時也不能太高以保證荷電粉塵在電場內(nèi)有足夠的時間被捕集。雖然電除塵器荷電過程只需要10-2s和前進幾厘米便能達到飽和荷電，但要沉積被捕集卻需要緩慢過程和前進一段距離。一般工業(yè)電除塵器由于塵粒數(shù)量多，又處于小規(guī)模隨機紊流狀態(tài)，當塵粒直徑大于50μm，它在電場內(nèi)的加速時間與停留時間相比很短暫，2~5s完全可以被捕集，對微細塵粒停留時間要比加速時間長的多，而水泥窯尾10μm以下細顆粒占90%~97%，因此氣體停留時間應大于5~10s，電場風速宜小于1.5m/s。

3.高溫電除塵器技術特點：

針對水泥窯尾預熱器C1出口高溫煙氣特點，需采取一系列相應措施，以滿足電除塵器高效率的穩(wěn)定運行，為后端SCR脫硝創(chuàng)造良好的反應條件。

3.1設備本體結(jié)構(gòu)強度，剛度性能保證：

 溫度對鋼材性能有著極其重要的影響，鋼材的強度隨著溫度的升高而下降，因此高溫電除塵器設計時應充分考慮溫度對鋼材力學性能的折減，殼體強度設計時要乘以相應的溫度折減系數(shù)，撓度變形設計時乘以相應的溫度折減系數(shù)尤其是對除塵器的核心部件：底梁、側(cè)板立柱、極板懸吊梁、頂梁等進行詳細的結(jié)構(gòu)力學分析，保證強度的同時應嚴格控制其變形繞度，確保電除塵器部件在高溫環(huán)境下不變形。對常用鋼號Q235、Q345,其強度設計值的溫度折減系數(shù)γs見表1，彈性模量的溫度折減系數(shù)βd見表2。

表1 鋼材及焊縫強度設計值的溫度折減系數(shù)γs

表2 鋼材彈性模量的溫度折減系數(shù)βd

3.2高溫熱膨脹解決措施：

電除塵器一般體積都比較大，在高溫工況條件下工作時熱膨脹比常溫冷態(tài)下大很多，因此設計時應考慮相應減緩熱膨脹措施來消除電除塵器產(chǎn)生的較大熱變形。首先在電除塵器進、出口端部布置膨脹節(jié)，將電除塵器底部支座設計成滑動支座，以確保除塵器整體隨溫度的變化自由伸縮。另外，增加除塵器內(nèi)部部件聯(lián)接處原有的膨脹伸縮量，如內(nèi)部網(wǎng)撐上下兩端膨脹量，振打軸的軸向伸長與殼體側(cè)板的距離等，避免因高溫變形而導致卡死現(xiàn)象。

3.3采用耐高溫抗變形的C型陽極板

陽極板采用SPCC材質(zhì)冷軋鋼板直接加工成型，極板兩側(cè)彎曲成C型，在上部開有兩個沉頭孔，與極板懸吊板相連接，下部開設長孔，可與振打桿連接，側(cè)面開設有長孔，可穿插固定扁鋼。極板兩側(cè)彎曲成C型，增加了極板的剛性，極大程度上提高了極板的抗彎性能。氣流在通過極板兩側(cè)的“C”型區(qū)域時，會形成一個渦流區(qū)，可減小氣流對極板的沖刷程度，同時提高了集塵效果。側(cè)部開孔，穿插固定扁鋼，將整排極板連為一個整體，提高了極板強度和抗彎性能，可耐高溫，大大降低了高溫煙氣對于極板的影響，可防止極板高溫變形或被燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4合理的陰極配置

電除塵器陰極線種類較多，在大多數(shù)煙氣除塵場合都有很好的使用效果。而對于窯尾含塵濃度大，易發(fā)生“電暈封閉”的電除塵器，宜采用放電強的芒刺線、魚骨線等，使放電較集中，增加電風影響。根據(jù)國內(nèi)各種陰極線性能對比試驗數(shù)據(jù)表明，諸多陰極線中以芒刺線放電性能為最佳。芒刺線整體呈管狀，抗拉強度高，易張緊，不斷線，在高溫煙氣環(huán)境下不變形，而且該陰極線起暈電壓低，電暈性能好，放電均勻，電流密度大，與C型陽極板配合使用可以提高陽極板的有效利用率。

3.5有效的振打清灰方式

窯尾煙氣濃度高，顆粒細，陰陽極振打清灰困難，容易產(chǎn)生電暈封閉和二次揚塵。因此設計時需要考慮有效的振打清灰方式，通常對收塵極和放電極清灰起主導作用的是法向加速度，因此采取增加振打錘的重量來加大振打力獲取更好的清灰效果。為了避免振打產(chǎn)生的二次揚塵采用相鄰陰極框架和陽極板排振打錘錯開間隔式振打，同時各電場采用不同振打周期，適當延長末電場振打控制轉(zhuǎn)停比。

3.6殼體的密封、保溫和絕緣

 高溫電除塵作為SCR脫硝前煙塵過濾設備既要保證脫硝進口較低的氣體含塵濃度，又不能產(chǎn)生太大的溫差使脫硝入口溫度偏低影響催化劑效率，促進SO3轉(zhuǎn)化造成下游設備腐蝕。設備的密封和保溫至關重要，一般本體漏風率≤1%，除塵器進出口溫差≤10℃，實施保證措施如下：

1）設備殼體安裝聯(lián)接焊縫內(nèi)外均采用連續(xù)密封焊，焊后焊縫進行煤油滲漏檢測和二次補焊；

2）人孔門采用雙層密封結(jié)構(gòu)；

3）所有密封件材料選用耐高溫密封材料，防止因密封條高溫失效造成系統(tǒng)漏風；

4）增加設備保溫層厚度，建議保溫厚度200mm~250mm；

5）保溫材料選取耐高溫的硅酸鋁棉代替巖棉。

電除塵器普通絕緣件在高溫環(huán)境下機械強度和絕緣性能都會產(chǎn)生衰減，容易擊穿和高溫碎裂，因此高溫電除塵器絕緣件選用95瓷（Al2O3含量95%），95瓷是采用熱壓鑄漿成型，經(jīng)1500℃高溫燒結(jié)而成的氧化鋁瓷。具有耐高溫，機械強度高，絕緣性能好，抗電強度大，化學穩(wěn)定性好等特點，可以有效避免高溫對絕緣件的影響。

3.7灰斗及排灰裝置

灰斗及排灰系統(tǒng)在電除塵器中不僅具有儲灰、卸灰和排灰作用，還具有防止內(nèi)部發(fā)生漏風、堵料和結(jié)料等作用?；叶返脑O計要保證排灰順暢無死角積灰，一般灰斗角度宜大于60°，灰斗夾角處應設置圓弧板?；叶愤€應安裝高料位計，通過高料位計來控制灰高不高于灰斗高度2/3，保證灰斗在安全載荷以下，同時還應設置振動電機和捅灰孔來防止灰斗棚料堵灰。排灰系統(tǒng)一般采用剛性葉輪給料機和拉鏈機，設計時應考慮殼體的耐溫強度，密封墊高溫失效以及磨損部件的損壞，給料機軸承應采用外置式。

4. 工程案例介紹和運行結(jié)果

宏昌水泥5000t/d窯尾煙氣深度脫硝EPC總包工程，采用“高溫電除塵器+SCR脫硝技術”，即首先采用高溫電除塵裝置降低煙氣粉塵濃度，提高催化劑的機械和化學壽命，除塵后的煙氣再進入SCR脫硝系統(tǒng)脫除氮氧化物，脫除率可達95%以上，降低氨逃逸，降低無效運行成本，節(jié)約資源。該項目為國內(nèi)首臺水泥行業(yè)全煙氣量SCR脫硝示范工程，完全由西安西礦環(huán)?？萍加邢薰咀灾髟O計、制造、安裝與調(diào)試，于2018年9月19日正式點窯投入使用，電除塵器運行穩(wěn)定，脫硝出口氮氧化物排放穩(wěn)定在30mg/m3左右，反應器阻力在300~400Pa之間，整個脫硝系統(tǒng)阻力在900Pa左右，氨水消耗量、氨逃逸、系統(tǒng)溫降等各項指標均優(yōu)于設計指標。

5. 結(jié)束語

電除塵器作為一種高效，穩(wěn)定的除塵設備廣泛應用于水泥行業(yè)窯頭、窯尾，水泥SCR脫硝前置高溫電除塵器以降低脫硝入口含塵濃度，提高催化劑壽命，減少系統(tǒng)能耗，這一技術路線是目前氮氧化物超低排放有效途徑之一。只要對高溫電除塵器的性能特點采取有效的措施，完全可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。