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【科塵】電除塵器在超低排放下的系統運行優化

人氣:440 發表時間:2019-08-11 【


2019-08-1115:45:59

  摘要:超低排放下電除塵器面臨的問題眾多,需要通過低低溫電除塵器、高壓電源選型和經濟性評估進行優化。低低溫電除塵器是指煙氣溫度降至酸露點附近運行的電除塵器,當電除塵器溫度由120~150℃降至80~110℃時,出口排放質量濃度可下降20%~40%。為電除塵器運行供電的有高頻電源、三相電源和脈沖電源三種,工程測試證明三相電源適合高粉塵負荷,高頻電源在匹配良好條件下可實現較好的提效效果,而脈沖電源需更多地針對細顆粒物和高比電阻粉塵進行研究。同時電除塵器應在運行條件、電源選型等優化且滿足排放要求的前提下,應通過運行優化調整試驗及系統優化控制,合理降低運行電耗。


  0引言


  電除塵至今已有100多年的歷史。1883年OliverJ.Lodge首先提出了電除塵器概念并參與設計了第1臺處理含鉛煙氣的商用電除塵器。直到1907年,第1臺真正意義上的商用電除塵器才由美國人CottrellFG安裝并成功投產。自此,電除塵器得到大范圍推廣和高速發展。隨之而來的,是對電除塵的理論研究。1911年,W.W.Strong率先開始了理論工作。1922年,Deutsch[4-5]在Anderson[6]的工作基礎上推導出電除塵效率的理論公式即多依奇公式,成為電除塵的理論基礎。為使電除塵理論更貼近實際,Robinson、Cooperman、Leonard、Cooperman、Zhao、Riehle、GutiérrezOrtiz、Lin、Zhu等相應提出修正的多依奇公式。盡管如此,目前沒有一個公式可完全準確的預測實際電除塵器效率。


  中國的電除塵歷史相對較短,第1臺電除塵器于1936年安裝,20世紀50年代前,總共不超過60臺,且主要從原蘇聯和東德引進。20世紀60年代以后,我國電除塵技術得以逐步發展,并取得了矚目的成績,但日益嚴格的環保要求也給電除塵技術帶來了新的挑戰和機遇。目前,常見的新型電除塵技術有濕式靜電除塵]、電袋除塵、低低溫電除塵等。


  本文主要研究了低低溫電除塵器對除塵效果的優化作用,并比較了高頻電源、三相電源和脈沖電源在不同條件下對電除塵器運行的影響,為電除塵器系統優化和不同場景下運行條件的選擇提供了參考和理論依據。


  1超低排放工業應用現狀


  《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)要求燃煤電廠煙塵排放限值提高至30mg/m3;重點區域煙塵特別排放限值為20mg/m3。2014年的《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》更明確要求或鼓勵各地區新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度達到或接近燃氣輪機組排放限值,即在基準氧體積分數為6%的條件下,煙氣中煙塵排放濃度不高于10mg/m3。為實現煙塵達標排放并滿足“十二五”總量控制要求,應對燃煤電廠鍋爐除塵系統的運行優化和改造方案深入研究。


  煙塵控制系統的優化運行目的有3個:(1)提高除塵效率以保證煙塵排放濃度滿足超低排放要求;(2)在滿足排放要求前提下降低運行電耗;(3)滿足以上2點要求時繼續進行其他優化,如提高自動控制和管理水平、減少運行維護費用等。


  圖1為典型燃煤鍋爐后端大氣污染物排放控制系統流程圖,一般煙氣自燃煤鍋爐排出后,先后經過脫硝裝置、煙氣冷卻器(fluegascooler,FGC)、干式除塵裝置、脫硫裝置、濕式除塵裝置和煙氣再熱器(fluegasreheater,FGR),最后自煙囪排出。燃煤機組煙塵排放的影響因素眾多,包括煙塵特性(如主要成分、粒徑分布和比電阻等);燃煤特性(如灰分、硫分、水分和發熱量等);煙氣特性(如煙氣量、煙氣溫度、成分和含濕量等);鍋爐的燃燒方式和效率;前端脫硝裝置的運行狀況,特別是SO3的轉換排放狀況和氨逃逸狀況;干、濕除塵裝置的效率及脫硫裝置效果]等。干式電除塵(dryelectrostaticsprecipitation,DESP,簡稱電除塵器)裝置是圖中灰色除塵裝置部分的主要設備形式,本文所述煙塵排放控制系統運行的優化主要圍繞干式電除塵器展開。


  超低排放下電除塵器面臨的問題眾多,如表1所示。其中重點研究內容可歸結為:低低溫電除塵器應用、高壓電源及其控制和技術經濟性評估。


  2低低溫電除塵器


  低低溫電除塵器是指電除塵器前安裝煙氣換熱器并將煙氣溫度降至煙氣酸露點溫度以下運行的電除塵器。該電除塵器可通過改善以下運行條件提高效率和降低煙塵排放:降低煙氣溫度,并減少煙氣量和煙塵比電阻;提高電場擊穿電壓,從而增加電除塵器的運行電壓和場強;降溫形成液滴的SO3等可實現類似的煙氣調質效果。


  圖2為8套350~1000MW燃煤機組在電除塵器前端配有低溫省煤器的排放濃度圖。圖中,圓點為比收塵面積與煙塵排放濃度的關系;方框點為溫度與排放濃度關系;圓點和方框點有對應關系,因此在同一幅圖中表達;箭頭表示數值所在坐標軸。其中5組數據分別測試了低溫省煤器運行前后的煙塵排放濃度,除塵器出口排放濃度整體呈隨運行溫度降低而減少的趨勢。


  用于對比的5臺機組中,低溫省煤器投運前后溫度降低約29~40℃。省煤器投運后,除塵器出口排放濃度下降值為7~39mg/m3,除塵效率相對提高18%~46%左右。煙氣溫度的變化也會帶來比收塵面積(即總收塵面積(單位為m2)與煙氣流量(單位為m3/s)的比值)的改變,如圖2圓點所示溫度下降可使比收塵面積提高7~12s/m。綜上所述,收塵效率的提高可能為比收塵面積增加、流速和粉塵比電阻降低等聯合作用的結果。


  表2匯總了3種煙氣溫度下,電除塵器進出口SO3濃度變化情況。110℃下,除塵器進出口SO3濃度均較低,濃度值相近;90℃下,除塵器出口SO3濃度較入口降低約15%,表明在電除塵器內SO3存在轉化和被粉塵吸附的過程。SO3在顆粒物表面的吸附除能夠減少后續設備內部結露引起的腐蝕外,還能對粉塵進行調質并降低其比電阻。


  3電除塵器高壓電源


  電除塵器高壓電源優化運行的核心是根據電除塵器的電場和電源種類,針對煙氣條件(燃煤、負荷及機組運行情況等)調整各臺高壓電源的運行模式和參數(電壓、電流、間隙比、脈沖比、頻率等)。


  3.1高頻電源


  高頻電源將三相工頻輸入電源整流成直流,經逆變電路逆變成10kHz以上的高頻交流電流,然后通過高頻變壓器升壓,經高頻整流器進行整流濾波,形成幾十kHz的高頻脈動電流供給電除塵器電場。高頻電源在純直流供電方式下,二次電壓紋波系數<3%,可以提供近乎無波動的直流輸出,使電除塵器能在近擊穿電壓下運行。因此,其平均電壓較常規工頻電源提高約25%~30%,電暈電流則可提高1倍,進而增加了電暈功率。


  高頻電源在間歇脈沖供電方式下運行時,脈沖寬度為幾十μs到幾ms,通過窄脈沖作用能夠有效克服高比電阻粉塵的反電暈問題。此外,高頻電源一般重量輕、體積小、結構緊湊、三相負載對稱,功率因數較高[。但使高頻電源高效運行的前提條件是其容量和電壓等級必須匹配,當容量不足時,運行參數必然難以滿足除塵要求。


  圖3為在1套600MW機組中高頻電源供電的電除塵器運行效果。該電除塵器有A、B兩個電場,每個電場分左右室。圖中,實心圖標為二次電流值,空心圖標為粉塵濃度,上下兩點分別為進出口濃度,箭頭表示數值所在坐標軸(圖5同)。由圖3可見,基本上各電場中電壓均可運行在45~60kV范圍內,對應的二次電流為400~1100mA。比集塵面積為85.46~89.29s/m的除塵效率大致為99.79%~99.82%,出口濃度為40.20~44.64mg/m3。


  另外,還進行了多組不同容量高頻電源的電除塵實驗,煙塵排放濃度基本為30~40mg/m3,個別電除塵器甚至與改造前排放濃度差異不大。目前,也有部分低低溫電除塵器在燃煤較好(灰分低)且電除塵器高頻電源選型匹配較好(電除塵器小分區、高頻電源容量較匹配)的情況下煙塵排放濃度達到20mg/m3左右。因此,目前高頻電源首先要解決好選型匹配問題。


  3.2三相電源


  三相工頻高壓電源(簡稱三相電源)采用三相380V/50Hz交流輸入,各相電壓、電流、磁通的大小相等,相位依次相差120°。通過三路6個可控硅反并聯調壓,經三相變壓器升壓整流,從而對電除塵器供電。


  三相電源電網供電平衡,無缺相損耗,功率因數高,可以減少初級電流,設備效率較常規電源高,相電流小,容易實現超大功率輸出。三相電源輸出電壓的紋波系數較小,二次平均電壓高,較常規工頻電源可提高20%以上,輸出電流大且三相供電平衡,對于需要提高運行電流的除塵器具有明顯的提效能力。


  圖4為A、B兩套160MW機組中,三相電源供電除塵器運行效果。A、B機組電除塵器入口溫度分別為95、100℃,比收塵面積分別為127、124s/m。最終電除塵器效率約99.87%,A、B機組的電除塵器出口濃度分別為25.43、27.14mg/m3,低于30mg/m3的限值。


  對多套機組進行測試表明,正常選取三相電源可有效提高電除塵器高壓運行參數,提供更大的供電功率,對提高除塵效率更為有利,可控制電除塵器出口濃度<30mg/m3。由于三相電源在電場閃絡時火花強度大、封鎖時間長,因此需要更加先進的電源控制技術和抗干擾技術予以輔助。


  3.3脈沖電源及其他電源


  脈沖高壓電源常見實現形式是一個直流電源和一個脈沖高壓電源相疊加,多采用脈沖寬度≤100μs的窄脈沖電壓波形疊加于基礎直流高壓上,瞬間形成一個高壓脈沖供給電除塵器電場,脈沖電源峰值電壓遠高于電除塵器在使用常規電源供電時的擊穿電壓。


  脈沖電源優點在于高效節能,脈沖部分負責粉塵荷電,直流部分維持起暈電壓。由于脈沖電源輸出平均電流較小,還能夠減輕粉塵層電荷積累,減少反電暈的發生因此脈沖電源對煤中和粉塵適用性好,更利于高比電阻粉塵捕集。如圖5所示,對300MW機組的2臺電除塵器進行脈沖電源改造,在第2、3、4電場增設脈沖電源供電,A、B的比收塵面積分別為103.9、102.5s/m,脈沖電源運行電壓和電流基本維持在50kV和120~160A左右。最終除塵效率約為99.68%,A、B機組的電除塵器出口濃度分別為46.97、50.40mg/m3(煙塵濃度比原工頻電源供電降低約30%)。圖5中,實心圖標為二次電


  流值,空心叉圖標為脈沖二次電流值,空心圖標為粉塵濃度,上下兩點分別為進出口濃度。


  脈沖高壓電源適用于高比電阻粉塵和微細粉塵的后級電場改造[24]。目前在國內步開始在電除塵器改造工程上應用,其改造效果和主要影響因素還有待于進一步應用研究。


  此外,在1套280MW機組上進行了智能變頻高壓電源的測試,其比收塵面積為84.03~89.08s/m,入口粉塵濃度為24g/m3,出口粉塵濃度則高達84.34mg/m3。此種改造缺乏明確依據,很難有效實


  現低排放的目標。


  綜上所述,電除塵器要到到合理控制煙塵排放濃度的目標,需要根據各個電場的典型煤種、不同負荷及吹灰等運行情況,進行高壓電源及其運行控制參數的選取。對于高粉塵濃度的煙氣,目前選取三相電源可以提高電場的工作電壓和荷電電流;當電源和電除塵器本體匹配工作能夠有效完成時,高頻電源可發揮較好的提效效果;脈沖電源對高比電阻粉塵和微細粉塵有明顯的捕集作用,應加快其工業應用和穩定運行的研究。


  4電除塵器節能


  電除塵器需要消耗電能來向顆粒物荷電并促使顆粒物向極板驅進,提高顆粒物捕集效率不僅要求提高除塵器配套的電源效率,還要求提高電源整體功率。目前超低排放要求下,電除塵器的能耗不斷提高,與節能趨勢產生矛盾。因此,協調統一超低排放和節能要求、不斷降低能耗是燃煤電廠和電除塵行業唯一的生存之路。


  電除塵器節能需要通過系統優化,在保證超低排放要求的前提下,盡可能降低運行能耗(包括電耗和氣耗等),以達到最佳的節能效果。首先應根據燃煤電廠實際情況,考量如燃煤、機組負荷、脫硝、鍋爐等運行變化對電除塵器影響,制定科學、經濟、可靠的技術路線。并掌握電耗和煙塵排放關系,進行綜合研究和優化試驗。


  圖6為在電除塵器電耗相同(電耗約1460kW,各電場二次電流約1200mA)情況下,電除塵器在400、500和660MW機組負荷下進行效率測試。3種負荷下的煙氣量分別為2291675、2834460和3076772m3/h,對應的出口濃度依次為19.83、24.43和32.50mg/m3。由此可見,隨著機組負荷的減小,電除塵器進口煙氣量隨之降低,除塵效率進一步增加。


  而在鍋爐負荷均為660MW的情況下,分別測試了電耗為1463kW和1980kW下電除塵器的效率,結果分別為99.811%和99.865%。隨著電除塵器電耗增加,二次電壓和電流均有所提高,電場內粉塵的荷電、遷移效果均得到增強,因此使除塵效率提高。


  在此基礎上,將工況條件下電除塵器處理單位含塵煙氣量所需的總電耗定義為比電耗,其計算式為


  5結論


  各種新型電源和低低溫電除塵器技術為電除塵器提效提供了較好的新技術和設備。在超低排放的嚴格要求下,電除塵器除塵效果不僅取決于其自身設計和運行狀況,還受燃煤、鍋爐和脫硝裝置運行狀況的影響,因此應認真、系統研究目前狀態下電除塵器的提效影響因素及應用中的問題,進一步優化設計、提高運行水平,在滿足煙塵排放的前提下降低運行電耗。


  1)低低溫除塵器能通過降低煙氣溫度,進而提高除塵效率,減少煙塵排放。


  2)高壓電源的選擇需根據具體的煙氣條件。高頻電源在容量和電壓等級匹配下,能有效提升除塵效果;三相電源能輸出大功率,但較適合于高粉塵負荷條件;脈沖電源高效節能,更適用于高比阻粉塵。高頻電源、三相電源和脈沖脈沖電源都有適用范圍。


  3)根據具體的工況和運行條件,系統需進一步優化控制,在保證效率的基礎上盡量降低電耗。


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