水泥窯SCR 煙氣脫硝配套高溫電除塵技術

張子冰，季旭東，劉祥，陳學功

（浙江大維高新技術股份有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

我國是水泥生產與消費大國，2018 年水泥產能約占世界的50%以上。在水泥生產過程中排放的大氣污染物主要有粉塵、SO2、NOX、CO 等，這些污染物的危害極大，一直受到國家環境保護部門的極大關注。 全國的環保企業和水泥廠為了達到氮氧化物的排放要求做了大量的試驗，電廠、鋼廠的主流脫硝技術是SCR， 但是水泥廠SCR 技術還處于初步階段。水泥窯SCR 的主流技術分為三種：高溫電除塵器+SCR；高塵SCR；金屬濾袋+SCR。目前這三種技術在水泥窯上應用最多的是高溫電除塵器+SCR。

1 水泥窯煙氣特點

當前水泥窯C1 出口煙氣溫度基本在320 ℃左右，粉塵的粒徑細、粘度大，含塵濃度在60～100 g/Nm3，粉塵比電阻高， 且含有酸、 堿氧化物等腐蝕性氣體，給除塵增加了難度。

電收塵作配套SCR 脫硝技術的預收塵時，其收塵效率達到70%即可， 故在設計時采用兩電場的結構，減少占地面積和投資成本。

2 電除塵的技術及特點

（1）合理的布置方式。

常規電除塵器作為預收塵作用時， 采用的是橫向布置，增大一電場截面積，但是當一個電場出現故障時，會出現煙塵短路，大量的粉塵不經過荷電直接進入后面的反應區， 給SCR 催化劑帶來非常大的壓力。 根據理論計算及實際工程經驗，我們采用縱向兩電場的布置，這樣使流通的煙氣經過了更長的通道，萬一出現某個電場故障時，可以保證煙塵還能經過另外一個電場， 不會造成煙塵的短路，給反應區催化器造成的壓力就不會太大，不會引起催化劑的堵塞。同時，一電場可以做為沉降室，降低高頻電源的使用功率， 也會降低很多電耗成本，而且一電場的振打揚塵會在二電場有個很好的收集作用，可提高電除塵器的收塵效率。 這在高濃度粉塵的工況條件下顯得尤其重要。

（2）增大比集塵面積提高除塵效率。

一般情況下除塵效率跟比集塵面積有著很大的關系， 適當增大比集塵面積可以提高收塵效率。因此， 比集塵面積值是在大量工程應用的基礎上，依據多依奇公式，采用理論加經驗的方法得出。 比集塵面積對于實現除塵目標具有決定性意義。

（3）選擇合理的極配形式提高除塵效率。

根據入口粉塵濃度高及灰份中比電阻較高等特點，合理選擇相適應的極板、極線和極配形式，可提高除塵效率。在高溫、高粉塵下極間距的選擇也很重要。通常情況下，同級間距在400 mm，在高溫高塵高風速下，為了避免輕微的變形影響升壓，根據場地及溫度等實際情況，同級間距選擇在420～450 mm。

（4）增加滑動支座避免熱變形。

水泥窯C1 出口的煙氣溫度在280～350 ℃，設計時，除考慮強度和經濟合理性外，還必須考慮熱膨脹。如何解決電除塵器由于熱膨脹產生的熱變形就顯得相當重要。 對此，設計時除塵器僅有一個固定支座，其他的均是單向支座和萬向支座（圖1），當除塵器產生熱膨脹時，這些滑動支座產生周向延伸，從而避免了熱變形的產生。

圖1 除塵器支座

（5）采用獨特設計的氣流分布裝置。

均勻的氣流分布結構，能夠使電除塵的收塵達到很好的效果。我們采用的是三層進口氣流分布結構、均布加導流的形式。使用CFD 計算機氣流模擬技術，使氣流達到最大的均勻性。 為了配合進口處的氣流分布板進行更好的氣流分布，在出口處加裝出口槽形板，成迷宮型布置，進一步優化整體的氣流均布效果。 且出口槽形板同樣可作為收塵極，對尾部逃出的粉塵也有一定的收集作用。

（6）專門的結構設計具有較強的抗高溫能力。

根據幾年來高溫及大型電除塵器的設計和運行經驗，結合工程的具體情況，特別是對于大跨度結構的電除塵器，內部梁柱受力的均勻性和穩定性特別需要引起注意， 桁架結構/四角承托結構技術解決了大跨度結構的穩定和強度問題，從而使電除塵器能在設計荷載和溫度條件下安全可靠運行。陽極板都是采用懸掛結構， 極板底部限位的長板，開口留有足夠的空間以應對極板的高溫伸長變形。

（7）陽極板中部及底部固定方式。

通常情況下，陽極板中間部位固定采用極板卡子。用小卡子將陽極板一塊一塊地連接起來。 極板卡子跟極板之間會留有一定的空隙，方便卡子卡進陽極板。 但是在這種高風速狀態下，陽極板可能出現大的擺動，導致極板容易脫開卡子，時間一長造成變形，影響升壓。我們改進這種傳統結構，使用中間腰帶結構，兩根扁鋼將陽極排固定在一起，在極板的邊側擋風槽的位置開孔然后用螺栓連接，不要在中間開孔連接螺栓，否則會造成螺栓靠近極線容易放電。 這種結構可以使陽極排形成一個整體，不會因為中間部分的變形影響整個電場的穩定運行。

極板底部固定的方式采用凹凸套夾住極板，再用兩根扁鋼穿螺栓固定極板。 采用兩根扁鋼是為了最大化地節約材料。 但是在高溫除塵器上，這也有個很大弊端--容易變形。 在高溫時，材料的強度下降，扁鋼本來就容易變形，然后在長期高溫運行下，由于陽極振打錘不斷敲擊，時間一長，扁鋼變形導致整個陽極排的變形，影響升壓效果。 我們采用的是角鋼加扁鋼的固定方法，角鋼整體的強度比扁鋼大，不易變形，而且容易校直。

（8）采用高溫專用瓷套。

普通瓷適用于溫度100 ℃左右， 當溫度高于100 ℃時，絕緣性能急劇下降，高溫專用瓷套的工作溫度超過450 ℃。 高溫瓷套的基本性能：抗彎強度大于3 430 N/cm2、抗壓強度大于3 920 N/cm2；電擊穿強度能經受電壓10～14 KV/mm；熱穩定性為試樣在800 ℃至20 ℃情況下， 經受10 次試驗不發生裂紋和崩裂；斷面承載能力39.2 N/mm2。高溫瓷套無論是在溫度還是強度上都適用于該高溫電除塵器。

（9）固定極線的框架增加伸縮空間。

通常情況下，電場的極線分為幾層。 極線與框架之間的連接方式，采用承插式結構，把極線包含在連接件內。 框架上開孔為腰孔，極線上端開孔為圓孔，方便固定，下端開孔為腰孔，采用螺栓連接。螺栓不宜固定太緊， 能夠讓極線有自由活動的空間，這樣增大了極線在高溫下的變形空間。 然后將螺帽處焊死，防止在長期的活動下螺栓松脫，極線脫落會導致短路。采用此種結構后，不會出現掉線、斷線現象，大大提高了正常投運率。

（10）瓷套的加熱保溫措施。

除塵器在負壓下運行，剛點窯時，進入電除塵器的煙氣溫度低、負壓低，加上瓷套本身溫度較低，也可能有水汽，此時煙塵容易吸附在瓷軸和絕緣子上，如果此時進入的煙塵濕度比較大，在瓷套表面極易產生結露，特別是頻繁的啟窯關窯。 這時如果除塵器開始升壓投運，則容易產生瓷套、瓷軸被高壓擊穿，或者出現爬電現象，導致除塵器不能穩定運行。 常規做法是采用電加熱的方法，使瓷套溫度升高，不產生結露。 但是剛開始點窯時，負壓低，粉塵的吸附問題得不到解決。我們采用的方法是熱風吹掃加電加熱的雙重保護。 給瓷套、瓷軸設置熱風吹掃裝置（圖2），用風機將加熱爐產生的熱風吹入保溫箱，瓷套頂端端蓋開設一些小孔，使熱風在小孔內達到25 m/s 的速度往內吹掃。 這樣可以使油霧與低溫進入不到瓷套和瓷軸所在空間， 不僅可以使瓷套提前緩慢升溫， 而且可以對瓷套的內壁形成粉塵清掃作用。 此外對絕緣子小室采用加熱器單獨加熱，并設置溫度控制器，一方面保證了絕緣子保溫桶內溫度的可靠性及穩定性， 另一方面由于加熱范圍減小， 有效地延長了電加熱器的壽命。 在窯爐正常后，根據絕緣子保溫桶內監測的溫度情況，關閉加熱爐或者加熱器其中的一種，可減少電除塵器的耗電。

（11）選擇合適的電源。

針對水泥窯煙氣中高粉塵、 高比電阻的情況，選擇合適的電源就顯得尤為重要。 在實踐的基礎上，推薦使用高頻電源。

3 高溫電除塵器與普通電除塵的對比

高溫電除塵是水泥窯SCR 配套預收塵的電除塵，普通電除塵是常規用于水泥窯窯頭或者電廠的電除塵。高溫電除塵器與普通電除塵的不同與相同點如表1 所示。

表1 高溫電除塵器與普通電除塵的區別

圖2 絕緣子加熱及瓷套吹灰

4 結語

SCR 技術在電力、鋼鐵、化工等行業已成功運行多年，是實現脫硝超低排放的主要技術，在國內外均有成功應用案例。 在水泥窯現有SNCR+分級燃燒的基礎上加裝SCR 是NOX實現超低排放的穩定保障。配套SCR 脫硝技術作預收塵時，從占地面積和投資成本考慮，電除塵是目前的首要選擇。