冶金除尘工艺（六）静电除尘

冶金除尘工艺（六）静电除尘

钢铁企业常见的除尘工艺包括布袋除尘、滤筒除尘、塑烧板除尘、重力除尘、湿法除尘、静电除尘（含湿电除尘）、多管除尘等。

本文主要介绍静电除尘（Electrostatic Precipitator/ESP）中的干式静电除尘器。

 

1、工作原理

静电除尘的工作原理是利用高压电场使气体电离粉尘荷电，荷电后的粉尘在电场力作用下吸附到收尘极之后通过振打或其他方式从收尘极分离实现烟气净化的目的。

 

2、放电极放电与粉尘比电阻

1）静电除尘器工作过程中异极之间放电根据强度不同分为电晕放电、闪络放电、电弧放电三种。

电晕放电是当电压梯度超过某一临界值，放电电极附近出现一圈蓝色光环成为电晕，电晕放电是除尘器正常工作状态的放电现象。

 

闪络放电也称为火花放电，是比电晕放电更激烈的放电现象，极板之间的直流电压高于闪络放电临界电压时空气会被局部击穿形成放电通道造成闪络，相当于短路，此时电流快速上升电压快速下降，偶尔的闪络影响不大但频繁闪络会降低除尘效率，因此需监测闪络放电保证除尘效率。

 

电弧放电是闪络放电频繁发生时电源保持供电，极板之间的空气被完全击穿形成放电通道，此时电流很大除尘器基本失去除尘功能，若不及时关闭电源会损坏变压器并烧坏电极需要避免。

 

2）粉尘的比电阻是指取样粉尘压制成厚度和横截面积都为1单位时测量的电阻值，低于10⁶Ω·cm为低比电阻，高于10¹¹Ω·cm为高比电阻。

粉尘的比电阻对除尘效率有直接影响，比电阻过低尘粒难以保持在阳极板上使其重返气流，比电阻过高吸附在阳极板的尘粒电荷不易释放会在尘层之间形成电压梯度产生局部击穿和放电现象，这些情况都会造成除尘效率下降。

比电阻随着温度的升高先增加后减小，比电阻最大值一般出现在100-200℃范围内，最适合静电除尘器的比电阻值约10⁴-10¹⁰Ω·cm。

 

为了降低粉尘比电阻一般通过加湿调质或化学调质两种方式。加湿调质主要是使用喷水或蒸汽的方式进行调质，化学调质是通过加入少量的化学调理剂解决高比电阻的问题。

3、设计参数

 

1）处理风量：一般指进入除尘器内部的含尘烟气工况流量，用Q表示，单位：m³/h。

2）烟气流速：等于进入电除尘器的烟气量与流通截面积之比，该参数的选择直接关系到除尘器的除尘效率及阻损，随着超低排放政策要求的提高，目前新建静电除尘器（干式）中烟气流速一般V≤0.8m/s。

3）本体漏风率：是评价除尘设备结构严密性的重要指标，一般通过风量平衡法或碳平衡阀进行测定，一般要求≤2%。

4）本体阻力：表征系统能耗大小的技术指标，不同工况对本体阻力的要求不同。

5）耐压等级：与选用的引风机风压匹配。

6）比集尘面积：指静电除尘器中集尘极的总面积与处理烟气流量的比值，通常用符号A/Q表示，单位为m²/(m³/s)。

7）电场长度：电场中沿气流方向一排收尘极板的总宽度。

8）电场宽度：电除尘器收尘极同极距与气流通道数的乘积。

9）除尘效率：指除尘设备从含尘气体中去除粉尘的能力，一般用含尘气流通过除尘设备时所收集的粉尘含量占进入除尘设备粉尘总量的百分比表示，目前新建的静电除尘器除尘效率一般η≥99.5%。

影响除尘效率的因素包括：烟气温度、烟气湿度、含尘浓度、颗粒直径、电极形式及电晕极电压等。这些因素相互影响相互制约。

 

反电晕、二次扬尘、颗粒物粒径过小等都会影响工作效率。

4、除尘器分类

1）按照气体在电除尘器内的运动方向可将静电除尘器分为立式静电除尘器和卧式静电除尘器。

其中立式静电除尘器中气体在电除尘器内自下而上，适用于气体流量小、收尘效率要求不高及粉尘性质易于捕集和安装场地较狭窄的情况。

 

其中卧式静电除尘器中气体在电除尘器内沿水平方向运动，是目前最主流的除尘器布置形式。

 

2）按照收尘极形式不同分为板式静电除尘器和管式静电除尘器。

 

其中管式静电除尘器收尘极由一根或一组呈圆形、六角形或方形的管子组成，截面是圆形或星形的电晕线安装在管子中心，管式收尘极只能立式安装，只适用于湿式清灰及小气体量净化。

 

3）按照极板粉尘的清除方式不同分为干式静电除尘器和湿式静电除尘器。

其中干式静电除尘器主要通过机械振打的方式清灰，湿式静电除尘器主要通过水喷淋的方式进行清灰，本文主要介绍干式静电除尘器的机械振打清灰方式。

 

4）按照收尘极和电晕极的不同配置分为单区静电除尘器和双区静电除尘器。

其中单区静电除尘器的收尘极和电晕极都安装在同一区域内，所以粉尘的荷电和捕集在同一区域内完成，单区电收尘器是被广泛采用的电除器装置。

其中双区静电除尘器的收尘极和电晕极分别装在两个不同的区域内，前区内安装电晕极，粉尘在此区域内进行荷电，这个区为电离区；后区内安装收尘极和阴极板，粉尘在此区域内被捕集，称此区为收尘区，由于电离区和收尘区分开，称此为双区除尘器。

 

5、系统组成

静电除尘系统（干式）系统主要由除尘器壳体、气流均布板、阳极系统、阴极系统、阴阳极振打系统、保温箱、电源系统、输灰系统、自控系统、动力系统等组成。

 

1）除尘器壳体：除尘器壳体作为除尘器的基础框架用于安装和固定除尘器内部的所有部件，根据工况不同一般将壳体设计呈圆柱形或方形，其中圆柱形壳体结构相比较而言更耐压，适用于转炉一次干法除尘等系统负压较高的场合。

 

为了避免壳体热膨胀产生非规则载荷，在壳体立柱和钢支架之间配置支承轴承，这种支承轴承滑动面采用磨擦系数极小的材料制成，下部有球面接触，可以沿任何水平方向滑动和旋转而不产生较大的载荷。 

 

粉尘捕集后汇集到底部锥形灰斗里，在约30%~50%高度的部分(即斗底)进行有效的加热（电伴热或蒸汽伴热）以避免凝结，灰斗内并装有阻流板以防止气流从电场下面漏出和膨灰。

 

2）气流均布板：一般布置在除尘器进口，常见的有多孔板、百叶窗、槽形板等形式，开孔率一般在25-50%。

 

 

3）阳极系统：一般由不同几何外形的金属板制作而成，包括阳极板、振打砧、防摆装置等，常见形式有C型板、网电极板、S型板、H型板等异形收尘极板。为了减少粉尘的二次飞扬和增强极板的刚度，极板一般要扎制成各种不同的断面形。

 

也有部分除尘器集尘极由一根或一组呈圆形、六角形或方形的管子组成，管子直径一般为200～300mm，长度3～5m。截面是圆形或星形的电晕线安装在管子中心，但只能立式安装，只适用于湿式清灰及小气体量净化。

 

4）阴极系统：一般由不同断面外形的金属导线制成，包括阴极框架、阴极吊挂、阴极振打砧等，常见形式有芒刺线、星型线、十字针刺线等。良好的放电极应当具备操作电压区间大、击穿电压高、放电强度高等优点。为保证除尘性能和耐腐蚀性能，一般为耐高温的合金钢或不锈钢材质。

 

阴极系统是产生电晕、建立电场的最主要构件，它决定了放电的强弱。影响烟气中粉尘荷电的性能，直接关系着除尘效率。安装时要保证严格的极间距，保证整个电晕极系统与电除尘器其它部件良好的绝缘性能和足够的放电距离。

5）阴阳极振打系统:粉尘在阴阳极板沉积会影响系统除尘效果，一般通过机械撞击振打方式清灰，常见的形式有挠臂锤振打、电磁振打。

挠臂锤振打是通过挠臂锤周期性旋转完成的，振打锤安装在水平轴上，依次撞击框架，锤子是打在连接框架的专用撞击杆上，用这种方法可以使振打力有效地分布于全部框架。

 

电磁锤振打器的工作原理是当线圈通电时，线圈周围便产生磁场，振打棒在磁场力的作用下被提升，达到一定高度时，线圈断电，磁场消失，振打棒在重力作用下自由下落，撞击振打杆，由振打杆将振打力传递到电除尘器内部的阴、阳极系统或气流分布装置上，达到振打清灰的目的。

 

部分除尘器阴极振打也会采用顶部振打的方式，该方式作用力的方向与极线的轴线方向一致，极线不会受到剪切力，极线的轴向强度大于径向强度，因此不易断线。由于顶部振打其振打装置设置在电除尘器顶部，隔离于烟尘之外，烟尘中没有运动部件，因此运行安全可靠，便于维护管理。

 

6）保温箱：阴极系统支承绝缘子或绝缘轴的周围若温度过低，其表面容易结露，当除尘器工作时，可能沿绝缘子或绝缘轴表面产生爬电或沿面放电，使工作电压无法上升，为了预防阴极系统中支撑绝缘子周围的温度过低出现结露的情况而产生漏电现象单独加装加热器与保温箱，设恒温控制器，一般将温度保持在80-120℃。

 

 

7）电源系统：含电源、隔离开关柜、阻尼电阻等。

 

常用电源装置有5种：

单相电源：单向可控硅向调压方式：技术成熟、控制精度较高、操作简单、对电网干扰大、功率因数低、除尘效率低、动态响应差。

 

三相电源：功率因数提高、除尘效率提高、动态响应差。

 

高频电源：控制灵活、成本低、占地面积小、电场击穿后恢复快速。

柔性电源：成本高、能量密度高、使用寿命长、能耗低、适用于高比电阻粉尘工况。

脉冲电源：提高电晕电流的同时不易发生闪络、除尘效率高。

 

8）输灰系统

灰斗中收集的粉尘一般通过星型卸灰阀、双层翻板阀卸灰至刮板输送机或气力输灰装置的仓泵进行二次输送。

 

9）自控系统

含压力变送器、温度变送器、除尘器压差测量仪表、上位机等，主要用来监测除尘器的工作参数并实现除尘器各电控设备的远程和就地操作。

10）动力系统

包括除尘器配套的风机、电机、变频器等。

6、能源介质：

1）电：主要为系统用电设备供电，电压10KV/380V；

2）气：静电除尘系统一般不需要用气，个别案例会用气锤振打代替挠臂锤或电磁振打，气锤供气压力一般为0.5-0.6MPa；

3）水：主要为风机轴承箱冷却用水压力0.2-0.3MPa，水温≤30℃，用量约2-3m³/h。

 

7、优缺点

1）优点：处理烟气量大（可达200万m³/h）、除尘效率高（＞99%）、能处理高温含尘烟气（＜400℃）、系统阻力小（＜500Pa）、能耗较低等。

2）缺点：一次投资费用高、占地面积大、对粉尘比电阻敏感、操作维护要求较高等。

8、投资费用

一般可按照15-18万元/万风量估算做参考，上述价格一般含收尘罩、收尘管道、土建基础、除尘器本体、动力系统等全套设备。

 

9、应用场合

常应用在净化高温烟气场合，如烧结机头除尘、球团除尘、转炉一次除尘（干法）等。

 

10、总结

钢铁企业全流程不同生产工序产生的含尘烟气具有不同的粉尘特性，需根据烟气参数如烟气温度、烟气湿度、粉尘性质、粉尘浓度、投资性价比等因素综合考虑选择合适的除尘工艺。