电除尘及其除灰系统运行优化

(三河发电有限责任公司, 河北三河065201) 　　
摘　要: 介绍三河发电有限责任公司2 台锅炉除灰系统节能方面存在的问题, 提出解决问题的方法, 并指出今
后发展方向, 对指导除灰系统节能工作有一定的借鉴意义。
关键词: 节能; 电晕封闭; 反电晕; 气化风
中图分类号: TK223. 27、TK227. 3　　　文献标识码:B　　　文章编号: 100329171 (2006) 0220018205
Opt imum Opera t ion of Electrosta t ic Prec ip ita t ion
and Ash Handl ing System
Hou Ke2zhong
(Sanhe Power Generat ion Co. L td. , Sanhe 065201, Ch ina)
Abstract: Th is paper int roduces the exist ing energy saving p roblem s of the bo iler ash handling system in San2
he Power Generat ion Co. L td. and it s so lut ions. It po int s out the develop ing o rientat ion in future.
Key words: energy saving; co rona block ing; inverse co rona; gasifying air
　除灰系统是发电厂的重要组成部分, 其节能对厂用电率产生很大影响。目前, 三河发电有限责任公司每台锅炉除灰系统(不包括灰外运部分) 用电总功率为4 717. 6 kW , 其中耗电量较大的用电设备包括额定功率为1 440 kW 的电除尘器、额定功率为420 kW 的灰斗电加热器以及额定功率为293. 5 kW 的压力罐电加热器等, 这些设备都具有较大的节能潜力。下面就节能的可行性、如何
节能以及节能的经济性进行探讨。
1　除灰系统节能的可行性分析
除灰系统节能主要是从改变系统运行方式、系统设备改造以及加强运行人员责任心等方面入手。
1. 1　电除尘器节能的可行性分析
三河发电有限责任公司2 台锅炉机组电除尘器设计上采用螺旋线阴极, 并采用SPCC 钢板充当阳极, 同极间距400 mm , 属于宽极距型电除尘器, 供电参数为额定二次电压72 kV , 额定二次电流1 000 mA。2 台锅炉电除尘器分别于1999 年12 月17 日和2000 年4 月2 日投产运行。投产之后接连发生一系列问题: 第一电场甚至第二电场在接近额定负荷时经常发生电晕封闭现象, 严重时, 二次电压达到72 kV , 二次电流减少到十几mA , 甚至输出开路; 当依据厂家提供的技术使用说明书放开电压电流运行时, 除第一电场外, 其余
4 个电场的二次电压一般在40 kV 至65 kV 之间, 而二次电流可达到900～ 1 000 mA , 从电场伏安特性曲线分析结果来看, 各个电场的二次电流和二次电压之间很不匹配, 出现十分严重的反电晕现象, 即二次电流在600 mA 以下时, 二次电压上升; 二次电流同步上升; 二次电流超过600 mA时, 继续升高二次电压, 二次电流上升, 二次电压反而下降, 即伏安特性曲线上出现拐点的二次电流值是600 mA。综上所述, 使除尘效率偏离设计值的主要因素是第一电场甚至第二电场发生电晕封闭现象, 所有电场均不同程度发生反电晕现象,致使电除尘器除尘效率明显低于设计值, 电除尘器出口烟气飞灰浊度一般在100～ 180 m göm 3 之间, 比规程规定的烟气飞灰浊度100 m göm 3 高出80 m göm 3 左右。由此可以看出, 把严重影响除尘效果的第一和第二电场阴极螺旋线改造成其它类型能够抵抗电晕封闭的电晕极, 适当地降低所有电场的二次电流值, 并改变振打运行方式, 就能够有效避免或从根本上解决除尘效率低的问题。采用RS 改进型芒刺线能够避免或大大降低电晕封闭现象的发生, 是因为芒刺线刺尖能够产生强烈
的电晕放电, 强烈的离子流能极大地破坏负空间电荷效应, 避免出现电晕闭塞; 同时, 强烈的离子流还能够产生高速电风, 电风能够促进带电粉尘向收尘极运行, 而且电压越高, 这种电风效果越明显, 大大增加了粉尘的有效驱进速度, 提高了除尘效率。同时, RS 改进型芒刺线运行稳定, 基本不会发生断线现象。煤灰特性是影响电除尘器除尘性能的主要因素, 下面通过表1 和表2 介绍三河发电有限责任公司的煤灰特性。
表1　煤灰成分表 %  
化学成分 设计煤种 校核煤种 
SiO 2    39. 380  35. 43  
A l2O 3  13. 880  36. 4  
Fe2O 3    5. 000  3. 75  
CaO      27. 050  12. 79  
M gO      0. 390  0. 34  
T iO 2   0. 120  0. 29  
SO 3         11   9  
K2O       0. 380  0. 3  
M nO 2   0. 353  0. 161  
N a2O     0. 480  0. 28  
 　 表2　飞灰比电阻3  
测试温度ö℃  湿度ö%  电压öV  电流öA  比电阻值ö(8 ·cm )  
                                     设计煤种 校核煤种 
20                                4. 20×109  2.  30×109  
80                                1. 15×1010  5.  50×109  
100                                2. 48×1010  9.  60×109  
120             72    500          6. 80×1010  2.  65×1010  
150                                3. 42×1011  2.  30×1011  
180                                8. 80×1010  1.  46×1011  
　3 : 测试方法为梳齿法。
从表1 和表2 可以看出, 由于燃烧设计煤种和校核煤种的粉煤灰所包含的SiO 2 和A l2O 3 等成分含量相对比较高, 使飞灰比电阻在150℃烟气之中分别高达3. 42×10118 ·cm 和2. 30×10118 ·cm , 造成电除尘器频繁产生反电晕现象, 除尘效率降低。
1. 2　电除尘器灰斗节能的可行性分析
每台锅炉有40 个灰斗, 灰斗外部都有规范的保温, 外壁和保温之间都安装了10. 5 kW 的电加热器, 每个灰斗内部下方还安装了4 块气化板, 40个灰斗共用一个15 kW 的气化风机和用于加热气化风的45 kW 电加热器, 灰斗高度4 900 mm ,灰斗内壁与水平面的夹角最小值62. 23°, 最大值69. 34°, 灰斗有效容积46 m 3, 粉煤灰最大安息角50°。从1999 年12 月17 日和2000 年4 月2 日2台机组分别投产发电以来, 灰斗电加热器故障率最高时达到50%～ 60% , 但是, 灰斗因此所造成的堵灰几率每月平均只有1～ 2 次, 而每次几乎都能够启动气化风机将灰斗堵灰消除, 迅速恢复相应电场的运行, 这说明灰斗不但堵灰概率很小, 而且处理堵灰的手段极其简单, 用气化风机就可以迅速解决问题。然而, 这其中会发生什么后果呢?灰斗堵灰的最坏后果是导致相应电场跳闸, 停止除尘, 不致造成设备损坏和其它意想不到的后果。那么, 电加热器故障时, 灰斗堵灰的概率为什么如
此小呢? 其原因有以下几方面:
( 1) 锅炉正常运行条件下, 因为排烟温度一般在130℃～ 145℃左右, 烟气和灰斗内部烟气之间具有烟气导热和对流换热作用, 灰斗外部具有良好的保温层, 所以, 灰斗内部烟气和灰斗壁面应该有较高的温度。实践证明, 当电加热器停止运行时, 一般情况下灰斗温度最低点, 即灰斗最下部温度在60℃以上, 仍然高于烟气露点温度, 因此, 结灰、篷灰、堵灰的可能性很小。
(2) 灰斗内壁与水平面的最小夹角62. 23°大于粉煤灰的最大安息角50°。
(3) 在实际应用中电除尘器灰斗是一个过渡通道, 只有在下部压力罐输灰的短暂时间里才暂时贮存少量或极少量的粉煤灰。例如, 第一电场所对应的8 个压力罐每次输灰最长时间也只有10m in, 此时, 压力罐装料阀关闭10 m in, 根据华北电力科学研究院提供的信息, 第一电场除灰量一般占电除尘器全部除灰量的80% 左右, 而三河发电有限责任公司每台锅炉额定负荷下每时燃煤量
一般为140 t, 按照现有配煤条件, 即神华煤与准格煤7: 3 的配煤比例, 其混煤灰分所占的比例一般为10% , 这样每台锅炉每时产生的最大灰量为14 t, 而这14 t 灰又分成四部分离开锅炉本体, 即由锅炉底部排除的15% 的2. 1 t 灰渣, 由省煤器处排除的1. 5 t 粗灰, 由空预器底部排除的1 t 粗灰, 最后由烟气带进电除尘器的灰量为9. 4 t, 第一电场除掉的粗灰量为7. 52 t, 分装在8 个灰斗内, 每个灰斗10 m in 时间里最多装灰0. 16 t, 灰的密度为0. 75 töm 3, 这样0. 16 t 灰的体积为0. 213m 3, 在灰斗底部形成0. 3m 的灰层, 每个灰斗底部出口管道直径为300 mm , 灰流通道非常开阔。第一电场除掉的粉煤灰属于Ê 类微附性粉料, 即粘附强度Ep 的值为60 Pa< Ep< 100 Pa, 由此可以看出第一电场堵灰的可能性极小。第二电场除掉的灰量为(9. 4- 7. 52) ×80% = 1. 52 ( t) ,分装在8 个灰斗内, 第二电场所对应的细灰单元每次输灰最长时间也只有5 m in, 此时, 压力罐装
料阀关闭5 m in, 由此计算出该电场灰斗在5 m in时间里装灰高度只有0. 068 m , 灰斗底部出口直径仍然为300 mm , 虽然该粉煤灰属于Ë 类中附性粉料, 即粘附强度Ep 的值为300 Pa< Ep< 600Pa, 但由于灰层过于浅薄, 以致于在没有形成搭桥之前已经随着装料阀的开启而踏落在压力罐之中。由于第二电场之后的其余三个电场所分配的灰量更加稀少, 其堵灰的可能性也越来越小。
如上所述, 灰斗本身所具备的条件已经使堵灰的可能性很小, 同时, 在灰斗下部应用气化风疏导灰流, 更进一步弱化和彻底杜绝了灰斗篷灰、堵灰、搭桥、板结的可能性, 通过1 号锅炉和2 号锅炉电除尘器应用气化风系统所带来的好处, 进一步证明应用气化风代替电加热器不但经济, 而且可行。
1. 3　输灰系统压力罐节能的可行性分析每个压力罐上部安装一个装灰管、一个乏气管、两个进气管, 每个压力罐内部上方布置一个进气搅拌气化喷头, 下方出口处布置一个助推、搅拌、加速喷头, 每个压力罐下部出口直径为219mm , 与直径为219 mm 的输灰管路相连接, 压力罐外部装有良好的保温, 每个压力罐内部均安装一个高料位计。每台锅炉输灰系统共有43 个压力罐, 其分布情况和运行情况是这样的:
( 1) 空预器下部布置3 个压力罐, 每个压力罐体积1 m 3, 装灰时间5 h, 最长输灰时间5 m in。
(2) 第一电场布置8 个压力罐, 每个压力罐体积4 m 3, 装灰时间2. 5 h, 最长输灰时间10 m in。
( 3) 第二电场布置8 个压力罐, 每个压力罐体积4 m 3, 装灰时间为1 h, 最长输灰时间5 m in。
( 4) 第三电场布置8 个压力罐, 每个压力罐体积1. 6 m 3, 装灰时间1 h, 最长输灰时间5 m in。
(5) 第四、第五电场分别布置8 个压力罐, 每个压力罐体积均0. 3 m 3, 装灰时间1 h, 最长输灰时间5 m in。
上述43 个压力罐所处的位置不一样, 体积不一样, 高料位计的安装位置不一样, 装灰时间和输灰时间也不一样, 但是, 输灰条件和输灰介质是一样的, 即每单元输灰都是靠装灰时间控制或高料位来进行输灰的, 其两者中先达到者决定启动该单元开始输灰, 输灰介质均为由输灰空压机提供的压力325 kPa、温度200℃的压缩空气。因此, 对于是否能够在运行中解除压力罐电加热器进行如
下论述:
(1) 实际运行中绝大多数输灰条件都是由输灰时间决定启动输灰单元开始输灰的, 这就说明各个压力罐运行期间料位是较低的, 由料位高所造成的搭桥板结和堵灰的可能性很小。
(2) 各个单元装灰时间不一样, 料位不一样,灰的粒径不一样, 粘附强度E P 的值也不一样。空预器单元压力罐装灰时间5 h, 粒位偏高一些, 但是, 该单元所收集的是粗灰, 属于É 类无粘附性粉料, 其粘服强度为Ep< 60 Pa, 搭桥、板结、堵灰的可能性极小。第一电场压力罐装灰时间为2. 5 h,进入电除尘器的80% 粉煤灰进入该压力罐之中,因此, 料位较高, 但是, 该单元所收集的是仅次于空预器的粗灰, 属于Ê 类微附性粉料, 其粘服强度为60 Pa< Ep< 100 Pa, 搭桥、板结、堵灰的可能性也很小。其它4 个电场的32 个压力罐装灰时间均为1 h, 收集进入电除尘器的20% 粉煤灰, 粒位很低, 虽然这些压力罐中贮存输送的是Ë 类中附性
粉料, 其粘附强度为300 Pa< Ep< 600 Pa, 但由于灰层薄, 灰量少, 因此, 搭桥、板结、堵灰的可能性也很小。
( 3) 正常运行期间, 在解除电加热器的情况下, 各个压力罐的温度如下: 第一电场压力罐温度70℃～ 80℃; 第二电场压力罐温度60℃～ 70℃;第三电场压力罐温度50℃～ 60℃; 第四电场压力罐温度40℃～ 50℃; 第五电压力罐温度35℃～45℃; 空预器压力罐温度40℃～ 50℃。由此看出,在压力罐外部规范的保温作用下和热烟气中所分离出的温度为100 多度的粉尘的作用下, 压力罐保持了较高的运行温度, 为消除堵灰、板结提供了良好的内部环境。
(4) 压力罐上部装灰管路和乏气管路形成烟气微循环, 为压力罐提供了热源和良好的干燥作用。
(5) 输灰空压机所提供的压力325 kPa、温度200℃的压缩空气, 通过伸入到压力罐内部上方喷嘴和下部出口处喷嘴以及压力罐正下方双套管主输送管路, 将高温压缩空气以搅拌、助推、加速、携带、悬浮等混合输送方式作用于粉煤灰之中, 保证每次都能干净彻底地输送完各个单元压力罐之中的粉煤灰, 这也是确保解除压力罐电加热器的决定性条件。
2　除灰系统节能所采取的安全措施
2. 1　电除尘器节能所采取的安全措施
( 1) 从运行调整上, 根据各个电场所出现的反电晕现象以及伏安特性曲线出现拐点的600mA 二次电流值, 将所有二次电流整定值均调整至600 mA , 并采取微调的方法, 适当提高二次电压。此种方法, 已经在2 台锅炉电除尘器中应用4年有余。
(2) 根据第一电场甚至第二电场不同程度地出现电晕封闭现象, 将第一电场和第二电场更换成抵抗电晕封闭能力极强的RS 改进型芒刺线,而其它3 个电场阴极仍然保留原螺旋线设置。这样, 第一电场可以保持最大出力运行, 即二次电压整定值调整为72 kV , 二次电流整定值调整为600mA; 第二电场二次电压整定值调整为70 kV , 二次电流整定值调整为500mA; 而其它3 个电场由
于所接收的是不到10% 的细灰, 为保证除尘效果, 增大电晕电流与粉尘的有效荷电, 减少空间电荷的飘逸, 二次电压仍然保持在70 kV 左右, 而二次电流值则从第三电场至第五电场分别限制在400mA、300mA 和200mA , 甚至在低谷负荷时,解列第五电场或第四电场运行。此种方法, 只是部分在2 号锅炉电除尘器中得到了应用, 即将第一电场阴极螺旋线改造成为RS 改进型芒刺线, 即
便如此, 二号锅炉电除尘器因第一电场更换成芒刺线而使除尘效率有较大提高, 烟气飞灰浊度由改造之前的80～ 150m göm 3 降低为30～ 100m göm 3。盘山发电厂电除尘器阴极均采用芒刺线, 设计为6 个电场, 控制调整方法仍然是国内近几年所采用的方法, 在额定负荷500MW 工况下, 运行4 个电场或5 个电场, 仍然能够保持在线烟气飞灰浊度8. 11m göm 3 的良好除尘效果。这说明,在现有煤种和锅炉运行工况下, 将第一电场和第二电场适时采用RS 改进型芒刺线, 不但安全合理, 而且运行经济。这里将要说明为什么采用高电压有利于除尘? 因为对于同极间距400 mm 的宽极距电除尘器而言, 国家电力法规明确规定二次电压应保持在67. 5 kV 及以上。另外, 根据除尘机理也可以说明在二次电流保持不变或减少的情况下, 提高二次电压有利于提高电晕电流的方向性和穿透性, 降低反电晕的影响, 提高粉尘荷电几率, 提高除尘效率。(3) 根据三河发电有限责任公司二号锅炉电除尘器已经投入运行的智能控制系统改造方案,获得优化振打运行方式, 即通过实施降低二次电压接近零千伏的同时启动该电场所对应的阳极振打装置, 不但省电, 而且振打效果良好, 有利于提高除尘效率。
2. 2　电除尘器灰斗解除电加热器所能够采取的
安全措施
　　(1) 在每台锅炉电除尘器灰斗现有气化风机、电加热器和5 个手动风门条件下, 坚持每班启动一次气化风系统。各个电场对应的8 个灰斗所投入的气化风时间, 视灰斗装灰阀关闭时间以及短时间内灰斗装灰多少而定。第一电场灰斗投入气化风15 m in, 第二电场灰斗投入气化风10m in, 其它3 个电场灰斗投入气化风8 m in, 即每台锅炉电除尘器40 个灰斗每次投入气化风时间
可以控制在50 m in 至1 h。( 2) 为了及时准确地投入气化风系统, 将电除尘器底部零m 气化风母管上的5 个手动分门
均改为电磁阀门或气动阀门, 并将这5 个电磁阀门开关信号、气化风机电动机起停信号、气化风电加热器起停信号、气化风电加热器出口温度信号、气化风机出口压力信号等传输给PLC 和上位机,实现智能控制。实现智能控制以后, 可实现每天定时启动气化风系统, 分步吹扫第一、第二、第三、第四和第五个电场所对应的灰斗。从而大大减轻了员工作业强度, 提高了工作效率和工作质量。( 3) 用灰斗气化风代替灰斗电加热器, 是被大量事实充分证明完全正确的。2003 年6 月份,当时1 号和2 号锅炉电除尘器灰斗有大部分电加热器故障, 造成个别灰斗积灰、满灰, 引发相应的电场跳闸, 后来, 建议采用气化风系统, 坚持前夜班和后夜班投入气化风50 m in (第一电场灰斗投入气化风15 m in, 第二电场灰斗投入气化风10m in, 其它电场灰斗投入气化风8 m in) , 从此, 1 号和2 号锅炉电除尘器灰斗不再发生堵灰现象。还有, 2004 年11 月3 日, 2 号锅炉电除尘器大修之后及时投入运行。但是, 因为2 号锅炉电除尘器灰斗电加热器改造, 而使该电除尘器灰斗电加热器一直没有投入运行, 当灰斗电加热器及其保温工
作结束后, 由于新改造的灰斗加热控制系统不完善, 至11 月23 日才投入灰斗电加热系统。此期间, 坚持每班投入气化风系统1 h, 彻底避免了因电加热器停运所造成的堵灰现象。事实证明, 采用灰斗气化风系统来代替灰斗电加热器是完全可行的。另外, 灰斗气化风系统不但运行稳定, 故障率较少, 初投资较少, 而且检修维护方便, 有利于运行检修管理。
(4) 投入灰斗气化风能否产生二次飞扬
通过以下计算得出结论: 已知气化风机流量为9. 42m 3öm in, 同时投入气化风的8 个灰斗出口横截面积= 8×4. 6×5. 3= 195 (m 2) , 这样灰斗出口风速= 9. 42÷60÷195= 0. 805 (mm ös) , 即风速接近于零, 所以说投入灰斗气化风系统不能产生二次飞扬。
2. 3　解除输灰系统压力罐电加热器所能够采取的安全措施
　　(1) 严格执行输灰程序, 保证运行参数, 准时输灰。
(2) 及时处理输灰系统存在的缺陷和隐患。
( 3) 密切监视输灰系统压力值的变化, 及时消除堵灰现象。
3　除灰系统节能的经济性分析
3. 1　电除尘器节能的经济性分析
( 1) 如上所述, 1、2 号锅炉都程度不同地出现反电晕现象, 在伏安特性曲线上出现拐点所对应的二次电流一般在600 mA , 由于反电晕造成二次电压降至40 kV 至60 kV , 平均二次电压在55 kV , 平均二次电流为950 mA , 将二次电流限制在600 mA 以内时, 二次电压平均值在60 kV ,对此, 每台锅炉每年所节省的厂用电= (55×0. 95- 60×0. 6) ×20×24×220= 2 574 000 (kW h)。
(2) 根据三河发电有限责任公司二号锅炉电除尘器第一电场阴极螺旋线更换成RS 改进型芒刺线的改造方案, 根据第一电场所处的高浓度粉尘区域, 以及实测得出的第一电场除尘份额占电除尘器除尘总量80% 的分析结果, 将电除尘器各个电场电压整定值和电流整定值分配如下: 第一电场二次电压72 kV、二次电流600 mA; 第二电场二次电压70 kV、二次电流500 mA; 第三电场二次电压70 kV、二次电流300 mA; 第四电场二次电压70 kV、二次电流200 mA; 第五电场二次电压70 kV、二次电流150mA。一般情况下, 各电场实际二次电压值为整定值的85%。根据上述实施方案, 每台锅炉电除尘器每年所耗电量= 0. 85× [ 72×0. 6×4+ 70×0. 5×4+ 70 (0. 3+ 0. 2+0. 15) ×4 ]×24×330= 3 331 000 (kW h)。相对于改造前节省厂用电2 371 400 kW h。
(3) 三河发电有限责任公司2 号炉电除尘器控制系统改造成智能控制以后, 20 个电场中始终有一个电场处于减压振打状态运行, 节省了用电。已知每个电场的二次电压平均值为45 kV , 二次电流平均值为300 mA , 这样, 每年每台锅炉电除尘器所节省的厂用电为142 560 kW h。
3. 2　电除尘器灰斗解除电加热器经济性分析
(1) 每台锅炉投入灰斗气化风系统1 年的耗电量已知灰斗气化风机电功率15 kW , 气化风电加热器功率45 kW , 每昼夜投入3 h, 每年耗电量= (15+ 45) ×3×30= 59 400 (kW h)。
( 2) 每台锅炉40 个灰斗电加热器每年的耗电量已知每个灰斗电加热器功率10. 5 kW , 每昼夜投入12 h, 则每台锅炉灰斗电加热器每年耗电量= 10. 5×40×12×330= 1 663 200 (kW h)。
(3) 每台锅炉节省电量= 1 663 200- 59 400= 1 603 800 (kW h)。
3. 3　每台锅炉输灰系统压力罐解除电加热器经济性分析
　　已知每台锅炉输灰系统43 个压力罐, 电加热器总功率293. 5 kW , 每昼夜投入10 h , 则1 年所节省的电量= 293. 5 × 10 × 330 = 968550 (kW h )。
4　结束语
通过剖析除灰系统的现状、存在的问题以及可行性和经济性分析, 可以看出除灰系统节能工作不但可行, 而且合理。之所以可行, 是因为具有可操作性, 之所以合理, 是因为从理论上能够定性或定量地加以论证。通过实施节能工程, 可以有效提高设备的健康水平和自动化水平。只采取全方位的设备治理并采用新技术, 才能使除灰系统设备更健康、更安全、更可靠、更经济, 除灰节能工作才更有保障, 实现真正意义上的本质安全才更有希望。
参考文献
[1 ] 原永涛. 火力发电厂气力除灰技术及其应用. 北京: 中
国电力出版社, 2004
收稿日期: 2005208223
作者简介: 侯可中(1958- ) , 男, 大本, 热能动力专业高级工程师。