干法脱硫+袋式除尘器在锅炉超净改造中的应用

摘 要：该文介绍了某厂自备电站高温高压循环流化床燃煤锅炉袋式除尘器为满足新环保标准——粉尘超净排放，实现≤5mg/Nm3，在原设计出口粉尘排放浓度≤50mg/Nm3，场地、工期极其有限，在过滤面积保持不变的情况下，通过分析降低滤袋的粉尘过滤负荷、改善滤袋过滤性能和提高清灰效率等方面的措施，成功对原干法脱硫配套袋式除尘器实施提效升级改造，改造后粉尘排放浓度≤5mg/Nm3，为同类项目的超净改造探索出一条新路，以供参考。

关键词：燃煤锅炉; 干法脱硫; 袋式除尘器; 超净改造;

火力发电在我国的电力能源结构中一直占据主导地位，其中燃煤发电量占据火力发电总量的80%左右。我国燃煤电厂规模大，分布广，其产生的烟尘、硫化物等成了工业大气污染的主要源头，而这些污染物也正是雾霾形成的重要原因之一。为了改善空气质量，解决雾霾问题，自2014年以来，我国各地陆续提出了燃煤锅炉要最大限度地按照烟气污染物超净排放的标准，推出《燃煤电厂“超洁净排放”改造工作方案》，其中要求粉尘排放浓度≤5mg/Nm3。对于一些高粉尘排放浓度的项目，袋式除尘器升级改造需求迫在眉睫；另外，受运行时间、投资成本等多种因素的影响，特别是场地受限的问题较为突出，大部分业主往往希望在保持现有设备布置不动的前提下实现超净升级，因此改造难度非常大。因此，应该根据实际项目运行需求、布置等具体情况，“量身定制”专业的改造方案。

1项目背景

某厂自备电站2台420t/h高温高压循环流化床锅炉（1#炉、2#炉）位于城区内，属于城市电厂，原已建设炉后烟气循环流化床干法脱硫并配套袋式除尘系统，原设计除尘器进口粉尘浓度650g/m3～1000g/m3，原设计除尘器出口粉尘排放浓度≤50mg/Nm3。2012年建成投运以来，出口粉尘排放浓度一直稳定在≤30mg/Nm3。为满足最新≤5mg/Nm3的粉尘排放要求，现有袋式除尘器必须提效改造。另外，由于该项目场地狭窄、允许停炉时间仅有40d、预算紧张等诸多限制因素，袋式除尘器采用增加滤袋数量、增加除尘单元数量等扩容的改造方式并不可取，只能在现有的除尘器壳体上寻找提升方向。通过深入分析该厂现有脱硫除尘工艺及布袋实际使用过程中遇到的问题，项目组从降低滤袋的粉尘过滤负荷、改善滤袋过滤性能、提高清灰效率等方面制定了具有针对性的改造方案。

2循环流化床干法脱硫工艺流程及烟气特性

循环流化床干法烟气脱硫工艺是以循环流化床原理为基础的，采用生石灰或消石灰作为脱硫剂。图1为典型的循环流化床脱硫统工艺流程示意图，整套系统由吸收剂制备及供应系统、脱硫塔、脱硫灰再循环系统、脱硫引风机系统、工艺水系统、脱硫后袋式除尘器、仪表控制系统以及电气系统等组成。从锅炉空预器出口的高温烟气，经过烟道从吸收塔底部进入，进行反应净化，净化后的含尘气体从吸收塔顶部侧向排出，转向进入脱硫后，袋式除尘器进行气固分离。经除尘器捕集的固体颗粒，通过除尘器下的脱硫灰再循环系统返回吸收塔继续参加反应。反应后的脱硫副产物通过气力输送至脱硫灰库内外排，净烟气排往烟囱。

与常规的锅炉原烟气相比，干法脱硫后的烟气在成分、温度、湿度、颗粒粒径和粉尘浓度等都发生了很大的变化，主要包括4个。

1）粉尘浓度高。为了满足干法脱硫需要，循环流化床吸收塔的颗粒浓度为下大上小，吸收塔的出口含尘浓度为800g/Nm3～1000g/Nm3，是常规锅炉原烟气的数十倍。

2）湿度大。由于脱硫过程中需要喷入一定的雾化水，使烟气的湿度加大，对一般的燃煤电厂项目来说，烟气湿度由常规的5%～7%增加到10%～12%，甚至20%以上。

3）温度低。通过喷水后，烟气温度为65℃～90℃，SO3几乎全部脱除，烟气露点为水露点，露点温度降为45℃～55℃。

4）颗粒粒径：虽然脱硫塔入口的锅炉原烟气中粉尘较细（特别是增设ESP1收尘后），但是经过吸收塔的化学反应时，由于吸收塔的喷水增湿以及颗粒激烈混并，颗粒加大，大部分的颗粒可以达到数十微米。

3改造前存在的突出问题

改造前存在的突出问题有5个。

1）原袋式除尘器未设置气流均布装置，各布袋室压差不均衡，导致滤袋过滤负荷偏差较大，过滤负荷大的气室滤袋寿命相对较短，部分滤袋机械磨损现象严重，导致更换频繁，一定程度上增加了除尘器维保的人力物力。

2）由于大部分滤袋已经到了寿命晚期，实验室抽取若干滤袋检测发现：滤布截面已经嵌入大量粉尘，即使快速强制清灰，也无法清除该部分粉尘，因此导致滤袋的过滤性能大幅降低，袋式除尘器压差上升速度快，短时间内即达到预警布袋压差，严重影响了整个系统的安全稳定运行。

3）袋笼与滤袋的配合间隙范围小、袋笼纵筋间距不合理，导致喷吹时滤袋瞬间膨胀受限，清灰效果差；笼节连接结构设计不合理，在安装过程中连接件易落入滤袋内，在喷吹振动时易松脱，导致袋笼脱节，连接件刺破滤袋；未剔除变形袋笼，导致笼底碰撞，滤袋机械磨损破坏。

4）原喷吹设备为现场组装，安装难度大，安装精度难保证，目前已严重移位，底部定位轴严重磨损，导致清灰气流无法直达袋底，清灰效果差，而长期无法有效的清灰，导致大部分滤袋底部以上0～3m过滤性能几乎为零。另外，由于移位后各喷嘴垂直度偏差过大，不能正对各滤袋口，从而存在清灰气流并未垂直向下运动的现象，倾斜清灰也加剧了喷吹的机械磨损，导致滤袋袋头部位经常破损。

5）原顶部外层人孔门密闭性差，漏气，导致内部人孔门及对应花板处冷凝腐蚀严重，该区域滤袋遇水潮湿板结，严重糊袋，过滤性能大幅降低。

图1 工艺流程示意图

4具体改造方案

根据业主的超净改造需求及原运行中存在的问题，主要从以下方面进行逐一改造。

4.1 利用干法脱硫塔助力提高对细微颗粒的捕集效率

实现粉尘5mg/m3排放控制的关键是对细微颗粒物的有效捕集。虽然普通袋式除尘器捕集细微颗粒物的表现良好，但是对于PM2.5以及更细的PM1.0颗粒，由于滤布本身的局限性，效率仍然是有限的。

在该项目烟气循环流化床干法脱硫除尘装置中，袋式除尘器位于脱硫反应器之后，由于脱硫反应器的流化床结构，底部激烈湍动的颗粒密度高达20000g/m3，通过精确的雾化降温注水量，PM2.5以及更细的PM1.0等细微颗粒物可以迅速凝结成粗颗粒，在脱硫后的袋式除尘器优先降落至灰斗，被高效捕集。

4.2 优化气流分布，增加预收尘效果，减少滤袋过滤负荷

该袋式除尘器是由4个气室，共8个除尘单元组成，不同气室气流分布的均匀性直接关系到收尘效果及整个系统的运行能耗。该次改造对烟气流经布袋除尘器途中的烟道风速进行分段优化，一方面优化进风区的气流分配系统，使大颗粒粉尘在进入布袋室之前预先沉降到灰斗里；另一方面，采用导流技术，使各进口风速在合理范围内，特别是对每个布袋室进行合理的进口配置，保障除尘器中的含尘气流均匀进入每个布袋室内，烟气中小颗粒的粉尘在导流系统的引导下逐步沉淀，大幅降低了到达滤袋的粉尘负荷，间接增强了除尘效果。含尘烟气通过前部气流均布及导流环节后，依靠阻力分配原理快速自然分布，使整个过滤室内气流稳定以及各空间阻力均匀的分布，保证合理的烟气抬升速度，最大限度地减少紊流、有效防止二次扬尘，减少布袋间的碰撞摩擦，延长布袋的使用寿命，降低系统能耗。

4.3 采用超净滤袋，提高对细微颗粒的捕集效率

由于改造场地、工期、投资受限，该次改造是在完全保留原袋式除尘器壳体、主体结构不变的前提下进行，即要求在过滤面积保持不变的前提下提高除尘效率，实现粉尘排放浓度从50mg/m3升级到5mg/m3。因此，该次改造的目标是在高过滤风速下实现超净粉尘排放，也是该次改造的重点难点。

众所周知，对于常规袋式除尘器，过滤风速偏高会导致滤袋阻力增加，并且粉尘透过率会迅速提高，难以实现低粉尘排放。其原因主要在于过滤风速增大后，滤料和粉尘层的压力降随之加大，结果使承托粉尘的织物变形，使贴近织物的粉尘在压力作用下渗漏出去；同时，压力降增大还会使滤袋产生“二次针孔”（在高压差下，滤袋在纤维间隙较大的地方就很容易被粉尘穿透，而一旦被穿透，后面的高速气流则会使该处产生一个气流通道，我们称之为“二次针孔”），以致增加了经过针孔直通出去的粉尘量，而这些粉尘均是粒径在10μm以下的超细粉尘，是形成雾霾的主要因素之一。此外，过滤风速的提高将导致清灰频率的增加，也会大大增加粉尘的穿透（滤袋的每次清灰抖动，都会在瞬间产生较多的粉尘穿透），如图2所示。

根据干法脱硫“高粉尘浓度、高粉尘团聚效率”的工况性质，该次改造的超净滤袋采用调整滤布截面上的纤维组成的方式，优化制布过程中的纤维梳理、针刺及后处理工艺过程等，其主要特点有2个。

1）采用迎尘面高纤维配比方案，即迎尘面比背尘面更多的纤维数量、更高的纤维比表面积，同时配套改进密刺工艺，形成均匀且致密的表面孔隙层作为粉饼的支撑层，同时也提高了滤袋本身的过滤精度，减少滤布粉尘嵌入。

2）在迎尘面表面处理过程中，采用表面浅坑梳理技术，在滤布表面形成均匀的浅坑，作为粉饼层的生根点，在滤布表面建立及维持过滤孔细小而均匀、饼体疏松的粉饼层。该优质粉饼层既可以作为过滤层使用，实现深度过滤，结合密刺滤布，实现干法脱硫除尘系统超净排放；同时该优质粉饼层也是滤布的保护层，可以减小粉尘过滤过程中对滤布的冲刷磨损，延长滤袋的使用寿命，相应地也维持过滤效果、保证超净排放。

图2 袋式除尘器实时排放与脉冲清灰的关系

4.4 更换新型袋笼

如果要满足低于5mg/m3粉尘排放，袋笼与滤袋之间的配合是至关重要的环节。一方面合理设计袋笼与滤袋之间的配合间隙、袋笼纵筋间距、袋笼筋直径，提高加工精度，在保证清灰效果的同时，减轻滤袋与袋笼之间的机械磨损。另一方面改良笼节的连接结构，大幅减少因连接件脱落导致的滤袋破损现象。

4.5 改进清灰系统，清灰更加有效、柔和、稳定

喷吹设备是袋式除尘器的核心部件之一，直接影响清灰效果、运行压差及粉尘排放。该次改造着重从稳定清灰供气管道内压力及清灰时压力、优化喷嘴等方面考虑，力求实现清灰更加有效、柔和、稳定。

1）脉冲清灰供气管道增设限流器，减小脉冲动作后瞬间的气压冲击，稳定供气管道内的压力，缩小压力波动范围。调整放空阀预紧力，确保管道脉冲清灰压力在规范范围，并保持稳定。

2）脉冲阀开启时间的快慢直接影响到脉冲动作是否快速、有力，该次改造采用自主研发的新型脉冲阀代替原脉冲阀，经实验室试验及现场小试应用证明，新型脉冲阀响应动作更快，清灰时压力更稳定。

3）改进喷嘴设计，保证在滤袋长方向上清灰力度的均匀性，防止局部过度清灰；采用更加柔和的清灰控制模式，降低每次喷吹清灰对滤袋粉饼层的破坏程度，以确保清灰效果最佳，减少清灰频率及粉尘穿透滤袋，从而最终降低粉尘排放。

4）加固喷吹设备，大幅减小脉冲动作时的振动幅度，稳定喷吹管喷嘴的位置和角度，减少喷吹时可能产生的干扰，确保清灰气瞬间直达袋底，保证脉冲清灰效果。

4.6 顶部人孔门更换

袋式除尘器内外温差大，加上烟气含湿量大，任何泄漏点都是冷热气体的接触点，极易冷凝，导致钢板腐蚀。该次改造更换原有顶部人孔门，采用自主开发的新型隔热高气密性人孔门，确保不漏风、避免腐蚀，美观且方便开启检修。

5改造后效果

按照上述改造方案，2018年9月率先对2#炉袋式除尘器实施改造，改造后粉尘实际排放2mg/Nm3;2019年6月，继续对1#炉袋式除尘器实施改造，改造后粉尘实际排放1mg/Nm3，除尘器压差均<1500Pa。

2020年8月，2#炉袋式除尘器粉尘实际排放3mg/Nm3,1#炉袋式除尘器粉尘实际排放2mg/Nm3，实验室抽袋检测结果显示滤袋内外表面机械磨损程度小，横截面的粉尘嵌入量少，快速清灰可以清除80%的嵌入粉尘，滤袋下部过滤段过滤性能保持较好，整体剩余强度较大，预估滤袋仍有约2年的寿命。

6结语

回顾该次改造，如何在高过滤风速下实现超净排放是最大的难点，项目组细致分析过滤前、中、后各阶段的突出问题，针对性地采取应对措施，通过优化气流分布，增加预收尘效果，直接降低滤袋过滤负荷；采用超净滤袋+新型袋笼组合配套，直接改善滤袋过滤性能；改进清灰系统，提高清灰效率，间接促进过滤性能提高。改造后的运行情况也证明该次改造是卓有成效的，为了改善周边大气环境质量，削减区域污染物排放产生了积极的作用，同时为同类项目的提效升级提供了一种技术、经济性优的改造方案，极具借鉴意义。