基于多伊奇理想模型构建的电除尘器3D板线防二次扬尘技术研究及应用
安徽德源环境科技有限公司，浙江浙能中煤舟山煤电有限责任公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
本项目以浙江浙能中煤舟山煤电有限公司#1炉1000MW机组电除尘器第五电场旋转极板改造为研究对象，展开工程研究。
2.主要创新点概述
2.1技术研究内容
（1）基于多伊奇理想模型构建电除尘器3D板线极配技术研究
高效电除尘器需要具备：必要的收尘面积、粉尘充分荷电（正负电荷粉尘被充分吸附）、有效清灰及科学的振打制度、二次扬尘抑制，四者须有机结合缺一不可，这四个条件是必要条件。
污染废气除尘的实质是实现气固两相的分离，静电场仅是除尘机理中的一种，且受粉尘特性影响较大。静电除尘器的生命公式—多伊奇公式（Deutsch）
式中：A-总集尘面积，m2;
Q-处理烟气体积，m3/s;
ω-粉尘粒子驱进速度，m/s；
f-比集尘面积，m2/m3/s(f=A/Q)；
该公式在推导时做了一些基本假设，包括：
粉尘颗粒是一个理想的球体且粒径大小一样；
空间的任何断面上粉尘浓度都是均匀的；
空间任何截面的气流流场都是均匀的且不被外部气流所影响；
有粉尘颗粒都被均匀的荷上电荷，且荷电即收集；
空间电场强度是均匀的；
不考虑粉尘粘性、振打二次扬尘、反电晕等影响因素。
本研究课题，即为构建多伊奇公式的理想化条件，在增加收尘面积的同时，创造更加均匀的流场，并在原静电场除尘基础上集成了惯性、沉降、凝聚、微旋风等机理耦合静电场实现气与尘两相分离的同时，配合适当的清灰方式和抑尘结构从而最大限度减少二次扬尘，实现电除尘器的超低排放。
（2）现役电除尘器超低排放改造适用性研究
收集近5年燃用的煤质，对粉尘特性进行研究，针对燃用煤质数据，统计水分、硫分、灰熔点、可磨性、热值等指标，分析进口煤间指标的差异，并与国内典型煤种进行类比，与电厂设计煤种、校核煤种和常用煤种进行对比，对灰分粒径、堆积密度、粘度及比电阻进行统计分析。
（3）现役电除尘器排放指标统计分析
对现役电除尘器近5年来随负荷变化，不同负荷状态下的粉尘排放指标进行统计分析。对第五电场贡献率进行分析研究。
（4）现役电除尘器健康状况研究分析
针对近5年来电除尘器小修、大修的情况，对其健康状况进行评估，对设计、制造、安装缺陷进行统计，制定升级改造方案。
（5）国内外电除尘器提效改造技术应用情况调研
对国内外电除尘器尤其是旋转极板电场技术进行调研，分析存在的问题。调研成功实施电除尘器超低排放的案例，并总结分析，找出适合本项目的技术改造参照方案。
（6）对本项目核心装置可靠性安全性研究
建立实物模型，对结构可靠性和安全性、安装工艺及质量控制点进行验证，对振打加速度分布进行验证，确保粉尘被有效收集的同时被有效清理。
（7）新型板线极配型式研究及优化
建立实验室装置，对新型极板、极线面电流密度分布特性、对新性极板和极线的耦合的场强特性进行研究，尤其建立针对PM2.5族超细粉尘的荷电机理、被新型极板捕集机理、振打无扬尘机理模型。研究配套振打装置的结构设计及最佳运行程序。
（8）基于多伊奇除尘效率公式的修正
多伊奇效率公式是基于假设和理想模型建立，针对本项目，实际收尘面积，对多伊奇效率除尘公式进行修正，建立新的效率计算模型。对新型电除尘器适宜性粉尘比电阻范围进行研究。
（9）构建一种新型电除尘器模型
基于本项目研究成果，可以推广到所有电场，对传统极板和极线进行升级换代，新建项目可以减少电场数量，对其性价比及推广应用价值进行分析研究。
3.1.2产品开发研究内容
研究新产品加工工艺、摸具、轧制、加工生产线；
编制相关加工工艺文件、包装运输规范、质量控制文件、质量标准文件；
对新产品强度、振打加速度传递及分布进行模拟和实测；
建立小试、中试物模，并进行相关验证性试验；
新型3D不扬尘阳极板、阴极线技术研究。
2.2关键技术
新型双通道极板技术；
新型收尘型阴极线技术；
清灰机理及控制程序；
板线及电源匹配技术。
2.3主要创新点
新型3D腔式不扬尘极板替换旋转极板；
新型3D腔式收尘型阴极线替换传统阴极线；
新型高效超低排放电除尘器运行优化。
3.技术实现路径及方法
3.1 实施方案
研究新型腔式不扬尘极板和极线荷电、吸附、剥离机理特性，确定电除尘器第五电场改造方案，建立现役电除尘器运行的优化控制方案。
与合作单位进行密切合作，合作单位负责技术开发、产品开发、工程实施，舟山公司提供应用示范工程。
项目实施期计划2年。2021年10月前完成技术和产品开发，2021年10月至12月前完成工程项目实施及初步性能验收，2022年上半年完成项目评估及鉴定相关工作。
3.2 技术路线
研究煤质及粉尘特性；
分析现役电除尘器对使用煤种的适应性；
分析现役电除尘器的健康状态；
超低排放技术可行性调研；
实验室测试多极配型式对比试验并定型工程应用设备；
装置工业化小试及中试；
建立1:1一组试验装置，测试振打加速度分布；
制定适合本厂电除尘器提效改造的技术方案；
编写研究报告；
局部电场工程应用；
调试及性能比对测试；
对装置机理特性进行研究；
全部电场核心件改造可行性研究，并建立新的除尘效率公式模型。
4 应用情况及可推广前景简述
4.1 现役除尘系统设计和运行条件
①锅炉规范
锅炉型式：北京巴布科克·威尔科克斯有限公司设计制造，超超临界参数变压运行直流炉、单炉膛、前后墙对冲燃烧。
锅炉最大连续蒸发量：3100 t/h
锅炉保证效率(BRL)：94.01%
锅炉(B-MCR)燃煤量：385.19 t/h(设计煤种)
412.70t/h(校核煤种)
燃烧器型式、布置方式：单炉膛、前后墙对冲燃烧
空气预热器型式：三分仓、回转式
锅炉运行方式：主要承担基本负荷并具有一定的调峰能力。锅炉最低稳燃负荷(不投油助燃时)为30%B-MCR，锅炉在此负荷下能长期安全稳定运行。
②燃煤
原煤粒度：30mm
除尘器入口负压：-5000Pa
4.2现役电除尘器技术要求,参数、容量/能力
设备名称：电气除尘器
型式：干式、卧式、板式
数量：每台炉配两台除尘器，2台机组共 4 台
每台除尘器入口烟气量（BMCR,湿基）：678.2 m3/s(设计煤种)
704.75 m3/s(校核煤种)
每台除尘器入口烟气量（BMCR,干基）： 623.42 m3/s(设计煤种)
654.2 m3/s(校核煤种)
以上烟气量已考虑负压修正。
除尘器入口烟气温度：125℃
除尘器入口含尘量（干基）：18.49g/Nm3(设计煤种)
28.22 g/Nm3(校核煤种)
保证除尘器出口排放浓度：小于15mg/Nm3（干基，设计和校核煤种)
本体阻力：< 240 Pa
本体漏风率：< 2 %
气流均布系数 < 0.21
电场数：5个
比集尘面积≥105m2/ m3/sec(阳极板的投影面积)
每台除尘器进口数：3个(水平烟箱)
出口数：3个(水平烟箱)
灰斗下法兰标高：5.00m
第五电场柱跨距(顺气流方向)：6.40m
4.3数据表
4.4现役电除尘器运行情况
2020年5月26日对电除尘器运行情况进行实地踏勘，运行情况见下面3张图。
图II-6-1 #1机组超低排放系统运行画面
图II-6-2 #1电除尘器运行参数截屏
图II-6-3机组负荷与浊度趋势线图
4.5现役电除尘器存在的问题
现役电除尘器为4个常规电场+1个旋转极板电场。旋转极板故障率高，导致电场投运率低。安全性差，导致安全风险大幅增加。检修困难、工作量大，且在检修的过程中存在较大的安全风险。
第五电场因故障旋转机构退出运行时，电除尘器周期性出现超标排放尖峰，对工况适应性差，无法适应调峰等快速负荷波动产生的瞬时超排。第五电场更换旋转极板势在必行。
6.6现役电除尘器改造性能要求
最早可研设计方案为五个常规电场设计电除尘器，以及实施时调整第五电场为旋转极板电场，设计出口粉尘浓度≤15mg/m3。
提效改造后电除尘器出口粉尘浓度设计指标≤15mg/m3，安全稳定运行。
4.6结构及选型基本情况
该项目最早技术方案，第五电场为与前四个电场相同的结构，同极距400mm,每电场40个通道，极板高度13.35米，电场长度4.5米，每个电场收尘面积为4806m2.设计电除尘器出口排放浓度≤30mg/m3.
现役电除尘器第五电场，同极距460mm，每室通道数2*15=30个，极板高度19米，电场长度是4.0米，也就是说，如果仅仅将旋转极板改造为C480极板，极板高度15.35米，每个电场收尘面积为3417m2.同比减少1388m2.一台炉同比减少8330m2，显而易见，这样改造电除尘器出口排放浓度不可能≤30mg/m3。
现役第五电场为旋转极板结构（见图II-6-4）基本参数见下表。
图II-22 旋转极板电场参数表
4.7 改造方案
针对现役电除尘器第五电场存在的问题，拟采取下列改造方案：
1）每个室增加4个通道，每台炉合计新增24个通道；
2）对阴极系统适当改造，增加24排阴极线/炉，每排的最后一根线改成放电收尘不扬尘极线；
3）用3D不扬尘型阳极板替换现役旋转极板，并新增24排；
4）新增第五电场阳极振打，并优化振打程序；
5）对相关结构如振打走台，屋顶等本体进行配套改造。
第五电场阳极系统改造
拆除现役第五电场全部阳极系统装置，包括极板驱动装置、极板、清灰驱动装置等。
现役第五电场阴极及阳极相对壳体位置，从下图可以看出，壁板距阳极板中心距离530mm，可以利用该空间新增一排阳极板及一排阴极线。每8240mm柱距中心立柱距最近的一排极板670mm,也可以利用该空间新增一排阳极板及一排阴极线。见图II-6-5。
图 II-6-5 现役阳极板布置
第五电场阳极振打改造
采用类似前四个电场的阳极振打结构，考虑第五电场极板重量增加，且3D型极板本身不扬尘的特点，适当增大振打锤直径，保证有效和彻底清除极板表面积灰。结构型式见下图。
图II-6-6 侧部绕臂锤振打机构
每个电场设一套底侧部阳极振打系统，合计4套。机械部分全新结构，传动部分拟考虑利用驱动或清灰电机，控制系统利用现役低压控制柜改造，电缆检查后确定是否可以利旧。
阴极系统改造
充分利用电场内部空间，不改变阴极线结构，对阴极补差补缺，相应补齐配套的阳极板。阴阳极布置见图II-6-7。
图II-6-7 改造后阳极板布置
采用 3D型极板替换旋转极板，收集带负电粉尘，振打时不产生扬尘，但是电晕线放电所产生正电荷粉尘则随气流逃逸，或者和带负电粉尘中和。超低排放电除尘器不能不考虑正电荷粉尘逃逸，这部分粉尘占逃逸粉尘总量的约30%。
把现役最后一排阴极线（总数768根）拆除，补充到新增24个通道的前7根线（总数672根）。将每个通道的最后一个阴极线更换为放电收尘不扬尘型阴极线（见附件），合计816根，阴极收尘面积13988m2。
壳体配套改造
壳体配套改造，包括阳极振打的内部走台改造，内屋顶改造，外屋顶改造等。
电气及控制部分改造
电源及供电部分不做改造，对低压控制系统进行优化融合改造。
4.8系统阻力说明
本节所述系统阻力是指电除尘器进口膨胀节至出口膨胀节之间的系统设备，新增设备并没有增加占用空间，阻力不增加。
4.9 新增荷载说明
设备替换后总重量不但没有增加，还会有少量的减小，在结构设计安全系数范围内，对结构强度没有安全隐患影响。
4.10新增电气及控制系统
新增用电功耗
改造新增铭牌负荷3KW，清灰装置的间歇运行，每小时平均运行电耗可以忽略不记。同时取消旋转驱动、清灰驱动电机节省负荷远远大于新增负荷，供电负荷满足要求，不需要改造。
4.11改造后的电除尘器参数表
除尘器入口含尘量（干基）： 18.49g/Nm3(设计煤种)28.22 g/Nm3(校核煤种)
设计除尘器出口排放浓度：小于15mg/Nm3（干基，设计和校核煤种)
4.12 新装置收尘面积计算说明
新装置收尘为百叶金属板，金属百叶梗的两个表面都是收尘面，扣除开孔面积，实际收尘面积是传统收尘面积的1.4倍。
4.13技改后达到的性能指标
基于规范性大修，增加各电场运行稳定性和可靠性，提高电场投运率；设计除尘器排放浓度小于15mg/Nm3.
4.14改造前后除尘性能测试结果比对
4.14.1改造前电除尘器性能测试
电除尘器测试时间为2023/04/12 14:28~17:30、2023/04/13 13:50~15:00，机组平均负荷为1000MW，电除尘器高压实时参数见附表2。
4.14.1.1电除尘器漏风率
电除尘器漏风率由下式求得：
式中：Δα——电除尘器漏风率（%）；
O2in、O2out——电除尘器进、出口实测的烟气平均含氧量（%）。
电除尘器漏风率的测试结果见下表。
4.14.1.2除尘效率和压力降
在电除尘器A、C通道的进、出口烟道性能测试点处，按网格法布点进行烟尘采样测量。除尘效率和压力降按以下公式进行计算。
式中：η——电除尘器除尘效率（%）
Cin、Cout——电除尘器进、出口处烟尘浓度（标干，mg/m3）
Δα——电除尘器漏风率（%）
电除尘器压力降由下式求得：
式中：Δp——电除尘器实测压力降，Pa；
pin、pout——进口、出口实测全压值，Pa；
pH——高温气体热浮力修正值，Pa。
式中：ρa——大气密度，kg/m3；
ρ——通过电除尘器气体的密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
H——出入口测试位置的高低差。
电除尘器除尘效率和压力降测试结果见下表。
舟山煤电1号机组在2023年4月11日13:06~23:05、4月12日14:00~23:50、4月13日12:38~16:45的三天性能试验期间，机组平均负荷1003MW，燃煤灰份(Aar)17.93%、硫分(St,ar)0.59%，全水份(Mt)15.3%。A修前环保设备的性能测试结果汇总见下表。
（15.2）改造后性能测试
试验时间：2024年5月16日9:44-11:24、16:27~17:24，机组平均负荷为999.5 MW，且负荷稳定。
4.14.1.3电除尘器漏风率
电除尘器漏风率由下式求得：
式中：Δα——电除尘器漏风率（%）；
O2in、O2out——电除尘器进、出口实测的烟气平均含氧量（%）。
电除尘器漏风率的测试结果见下表。
4.14.1.4除尘效率和压力降
在电除尘器A、C通道的进、出口烟道性能测试点处，按网格法布点进行烟尘采样测量。除尘效率和压力降按以下公式进行计算。
式中：η——电除尘器除尘效率（%）
Cin、Cout——电除尘器进、出口处烟尘浓度（标干，mg/m3）
Δα——电除尘器漏风率（%）
电除尘器压力降由下式求得：
式中：Δp——电除尘器实测压力降，Pa；
pin、pout——进口、出口实测全压值，Pa；
pH——高温气体热浮力修正值，Pa。
式中：ρa——大气密度，kg/m3；
ρ——通过电除尘器气体的密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
H——出入口测试位置的高低差。
电除尘器除尘效率和压力降测试结果见下表。
4.15改造前后性能测试比较
舟山煤电1号机组在2024年5月14日 10:30~15:30、2024年5月15日 15:30~20:30、2024年5月16日 16:27~20:27进行除尘、脱硫性能试验，机组负荷在991.9 MW左右；2024年5月16日 16:27~20:27、2024年5月18日 2:15~5:50进行脱硝性能试验，机组负荷在1008.2 MW左右。A修后环保设备的性能测试结果汇总见下表。
根据Deutsch静电除尘器的生命公式
式中：A-总集尘面积，m2;
Q-处理烟气体积，m3/s;
ω-粉尘粒子驱进速度，m/s；
f-比集尘面积，m2/m3/s(f=A/Q)；
4.17本节总结
改造后的第五电场收尘面积功能上是改造前第五电场收尘面积的2.16倍，与物理面积推算基本相符。同比推算一块“日480”型极板相当于同长度一块C480型极板1.95倍面积，与设计推算基本相符。
5.经济效益及社会效益情况
经济效益
截至2016年12月，全国煤电约为9.5亿kW，电除尘器装机容量约为6.5亿kW，占煤电机组总容量的68.3%，电除尘器依然是燃煤电厂的主流除尘设备。电除尘器深度提效实现超低排放后，湿式电除尘器可以退出运行。湿式电除尘器单位发电量运行费用一般介于0.03分/kWh～0.15分/kWh，若电费按0.35元/kWh、运行小时按5500 h/年计，300MW级机组配套湿式电除尘器的运行费用可节约17.33万元~86.63万元。电除尘器深度提效技术推广应用后每年可产生约1~2亿元销售收入，实现利税约2千万元到4千万元，具有较好的经济效益。
至本报告成稿日，该技术目前已经在3台600MW机组和2台300MW机组电除尘器改造项目上应用：
近期在洽谈中拟明年实施的项目预算约1亿元，后续市场推广前景广阔。
社会效益
该技术可减少环保设施改造，实现老旧技术产品的升级换代，降低环保设施能耗；替代布袋除尘器，减少滤料（化工纤维）产生的能源及资源消耗及浪费。电除尘器深度提效技术大幅降低烟尘排放量，带来显著的环境效益及社会效益。
6.项目案例获专利及奖励情况：
6.1主要解决的关键技术与创新点
主要解决的关键技术：
电除尘器深度提效核心技术包括：①扩大收尘面积；②粉尘充分荷电；③合理的振打清灰；④克服二次扬尘；⑤高效的供电装置及低耗的智能控制系统。
（1）末电场改为收尘不扬尘极板，极大程度解决了收尘不扬尘的问题；
（2）收尘型阴极线对正电荷粉尘的收集和抑制阴极收尘的二次扬尘做了一定探索；
（3）采用闭环控制，在满足排放要求的同时根据机组负荷工况动态调整输入能，以达到节能的目的。根据运行阻力与除尘效率的关系设置振打策略，实现高效能、低机械疲劳损耗的目标，从而最大限度延长设备使用寿命。
创新点：
（1）探明了日480型极板收尘面积计算方法，同比是C480型极板面积的约2倍。
（2）研发了“日480型”新型不扬尘阳极板。
（3）研发了收尘型阴极线，显著提高了粉尘脱除效率，有效解决了二次扬尘问题。
（4）在1000MW规模机组上实现了工程应用，在保持电除尘器外形尺寸、电场数量不变的情况下，电除尘器出口烟尘浓度控制在10mg/Nm3甚至5mg/Nm3以下，干式电除尘器超低排放成为可能。
6.2主要技术成果与经济环境效益
6.2.1主要技术成果
朱法华，是我国环保领域特别是火电行业污染治理与环境监测方面颇具影响力的专家。
教育背景
朱法华拥有深厚的专业知识储备，这得益于他良好的教育经历。他毕业于河海大学环境工程专业，系统学习了环境科学与工程相关的基础理论和专业知识，为其后续在环保领域的研究和实践工作奠定了坚实基础。在求学过程中，他深入钻研环境工程领域的核心知识，掌握了水质污染控制、大气污染治理等多方面的专业技能，培养了严谨的科学思维和研究方法。
职业经历
国电环境保护研究院：他长期任职于国电环境保护研究院，担任过副院长等重要职务。在国电环境保护研究院的工作期间，他全面参与并领导了多项与电力行业环境保护相关的研究和实践项目。凭借丰富的经验和卓越的领导能力，他带领团队开展了一系列火电行业大气污染物排放控制、废水处理等方面的科研工作，致力于解决电力生产过程中的环境污染问题，推动电力行业的绿色可持续发展。
中国华能集团清洁能源技术研究院：后来他加入中国华能集团清洁能源技术研究院，担任副总工程师。在新的岗位上，他继续发挥专业优势，专注于清洁能源技术的研究和应用。他积极探索新能源与传统能源的融合发展路径，推动煤炭清洁燃烧、二氧化碳捕集与封存等前沿技术的研发和示范应用，为我国能源结构调整和节能减排目标的实现贡献力量。
学术成果
标准制定：朱法华在环保标准制定方面贡献突出。他参与了多项国家和行业环保标准的编制工作，如《火电厂大气污染物排放标准》等。这些标准的制定为火电行业的污染物排放控制提供了明确的技术要求和规范，对于推动整个行业的节能减排、环境保护起到了重要的引导和约束作用。通过参与标准制定，他将自己的专业知识和实践经验融入到行业规范中，确保标准的科学性和可操作性。
科研项目：他主持和参与了众多国家级和省部级科研项目，取得了一系列重要的科研成果。例如，在烟气脱硫、脱硝技术研究方面，他带领团队开展了大量的实验研究和工程示范，研发出具有自主知识产权的高效脱硫、脱硝工艺和设备，显著提高了火电行业的大气污染物治理水平。这些科研成果不仅在国内得到广泛应用，还在国际上具有一定的影响力，为我国环保技术的创新和发展做出了重要贡献。
论文著作：在学术研究方面，朱法华发表了大量高水平的学术论文，并出版了相关专著。他的论文涵盖了火电行业污染治理、环境监测、清洁能源技术等多个领域，为行业内的科研人员和工程技术人员提供了重要的参考和借鉴。他的专著系统总结了他在环保领域的研究成果和实践经验，对于培养专业人才、推动行业技术进步起到了积极的作用。
社会贡献与荣誉
行业引领：朱法华凭借其在环保领域的卓越成就和专业影响力，成为行业内的领军人物。他积极参与行业学术交流活动，担任多个学术组织的重要职务，为行业内的技术交流和合作搭建了平台。通过组织和参与学术会议、技术研讨会等活动，他促进了环保领域的知识共享和技术创新，推动了整个行业的发展和进步。
荣誉奖项：他获得了众多荣誉和奖项，如国家科学技术进步奖等。这些荣誉是对他在环保领域多年来辛勤工作和卓越贡献的高度认可，激励着他继续在环保事业中不断探索和创新，为我国的环境保护和可持续发展事业做出更大的贡献。
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