Экологический холдинг Электрофильтры, рукавный фильтры Кондор-Эко СФ НИИОГАЗ

Перспективы конкуренции электрофильтров и рукавных фильтров для очистки дымовых газов энергоблоков более 500 МВт

 

 

 

В настоящее время в мировой практике наиболее распространено строительство энергоблоков 600 и более МВт. Десятки таких энергоблоков планируется построить в Китае, Индии, Вьетнаме, Бразилии и других бурно развивающихся странах.

Требования к экологическим показателям эксплуатации энергоблоков в различных странах отличаются, но требования к новым энергоблокам ориентируются на более жесткое законодательство европейских стран и устанавливаются по выбросам твердых частиц (золы) в диапазоне 50-30 мг/нм3. Требования до 10 мг/нм3 устанавливаются, если энергоблок работает в густонаселенном районе или после золоулавливающей установки устанавливаются установки каталитического дожига NOx, когда требуемые показатели по выбросам NOx х невозможно достичь только за счет оптимизации условий сжигания топлива в котельной установке. Установки очистки дымовых газов от окисла серы SOx могут работать по мокрому, сухому или полусухому способу; размещаются, как до установки золоулавливания, так и после нее и обычно не вызывают проблем для установки золоулавливания, кроме одной – установки мокрой и полусухой схем очистки от SOx перед установкой золоулавливания вызывает сильную коррозию последней. Установки по каталитическому дожигу NOx требуют на своем входе запыленность газов обычно в пределах до 10 мг/нм3, этот параметр определяется условиями работы катализатора в запыленном газе.

Наличие окислов серы в дымовых газах энергоблока определяется содержанием серы в топливе. При использовании в качестве топлива различных бурых и каменных углей ситуация будет иметь два варианта. Содержание серы в угле более 1 % позволяет говорить, что зола такого угля будет хорошо улавливаться в электрофильтрах, но выбросы окислов серы будут больше нормативов. Содержимое серы в угле менее 1 % вызовет серьезные проблемы улавливания золы таких углей, но выбросы серы могут быть ниже нормативных. Граница в 1 % условная, при наличии высокой влажности угля, при большем содержании щелочных элементов и окиси кальция может быть сдвинута до 0,5 % и наоборот может вырасти до 2 % содержания серы в топливе (угле). Для рукавных фильтров тоже имеет значение высокое содержание серы в топливе и высокая влажность – это увеличивает опасность коррозии. В рукавном фильтре даже при специальном внимании конструкторов к проблеме перехода температуры через кислотную точку росы всегда будут моменты (это изменение технологии, пуск или останов установки золоулавливания, особенности проведения монтажа теплоизоляции и др.) или зоны, где этот переход будет иметь место. Срок службы фильтроэлементов определяется кроме механического износа химическим старением фильтроматериала.

Срок службы фильтроэлементов в рукавных фильтрах одна из основных проблем при применении фильтрующих установок для очистки дымовых газов золы. Достижение 10 мг/нм3 на выходе из рукавных фильтров не является какой-нибудь проблемой, особенно если используется правильно подобранные, современные фильтроматериалы, а замеры происходят в течении первых 2-х лет. С течением времени эксплуатации фильтроэлементов выходная запыленность растет из-за старения фильтроматериала. Если зола является абразивной пылью, то кроме фактора износа фильтроэлементов потоком входящих в установку дымовых газов, следует учитывать фактор износа материала фильтроэлементов трением и перегибом его вокруг элемента каркаса, импульсом сжатого воздуха при регенерации, или вокруг кольца, вшитого в фильтроэлемент, или элементов каркаса другой формы, когда применяется для регенерации рукава обратная продувка, механическое встряхивание или другой способ удаления улавливаемой пыли с поверхности и из структуры фильтроматериала.

Разделим фактор износа фильтроэлементов на две составляющие:

- механический износ фильтроматериала;

- химический (в основном), старение фильтроматериала.

Механический износ зависит от частоты регенерации (встряхивания) фильтроэлементов и зависит прямо пропорционально от запыленности дымовых газов, входящих в фильтровальную установку. Экибастузские угли в России при высокой зольности дают запыленность дымовых газов после котла до 70 г/нм3 (иногда и более). Применение сухих способов сероочистки, например, путем абсорбции окислов серы в реакторах диспергированными реагентами (СаО, известковое молоко, глинозем и т.д.) увеличивает запыленность дымовых газов после установки сероочистки до 70-80 г/нм3.

Устойчивая работа рукавного фильтра имеет место при запыленности газов входящих в установку фильтрации до 10 г/нм3, особенно, если медианный диаметр частиц менее 10-15 мкм. Поэтому дымовые газы необходимо подготовить по параметрам, наиболее отвечающим устойчивой и надежной работе установки фильтрации. Так запыленность входящих газов необходимо уменьшить до 5-10 г/нм3, если удастся снизить входную запыленность еще ниже, то механический износ (частота регенерации) рукавов уменьшится пропорционально снижению входной запыленности.

Химический износ (старение) фильтроэлементов определяется правильным выбором фильтроматериала. Это успешно делают ведущие в мире разработчики фильтроматериала, по исходным данным, которые выдаются разработчиками установок фильтрации. Данные, которые определяет разработчик фильтроматериала по сроку химического износа также можно улучшить, путем подготовки газов, снизив величину характерных внешних факторов.

Задачей разработки установки очистки дымовых газов, кроме обеспечения экологических показателей, является ее минимальное влияние на КПД энергоблока.

Для этого надо:

- чтобы дымосос обеспечивал условия оптимального сжигания топлива в котле;

- чтобы по причинам, возникающим в установке очистки газов, котел не останавливался.

В 50-60-е годы прошлого века была принята компоновка энергоблока последовательно с установкой очистки газов до дымовой трубы. Для блоков до 800 МВт и выше компоновка предполагала для одного энергоблока две установки очистки дымовых газов, два дымососа по одному на каждую установку.

Применение большого числа установок очистки дымовых газов на старых знергоблоках ограничено шириной ячейки энергоблока. На новых энергоблоках возможны другие варианты компоновки, но возникает проблема наладки газораспределения по установкам очистки газов при работе двух установок на один дымосос или трех дымосов на две установки очистки дымовых газов.

Мощность и гарантированное разрежение дымососов ограничены. Подобрать дымосос на преодоление гидравлического сопротивления более 2500 МПа и объем газа более 10000000 м3/час проблематично.

Применение рукавных фильтров для энергоблоков более 500 МВт сталкивается именно с проблемой подбора дымососа. Разработчик установки очистки дымовых газов вынужден увеличивать число дымососов, при этом должен учитывать, что гидравлическое сопротивление рукавного фильтра составляет 1800 МПа, учитывать сопротивление установки по подготовке газов, установки сероочистки, гидравлическое сопротивление газоходов, необходимость запаса на стабильную работу котла, установку каталитического дожига NOx и др.

Применение комбинированного электрофильтра, когда в одном корпусе с рукавным фильтром размещены два поля электрофильтра и рукавный фильтр вместо установки механической предочистки дымовых газов, например циклоном, в качестве подготовки газов перед рукавным фильтром, позволяет сохранить гидравлическое сопротивление установки очистки дымовых газов и установки сероочистки в пределах 1800-1850 МПа. В этом случае решение вопросов по проектированию установки очистки дымовых газов с сероочисткой для энергоблоков до 500 МВт не имеет проблемы выбора дымососов при обеспечении нормативной выходной запыленности 10 мг/нм3 на выходе перед трубой.

На все эти рассуждения необходимо наложить экономические рамки, чтобы перейти к дальнейшему рассмотрению возможностей и схем установок очистки дымовых газов для энергоблоков мощностью более 500 МВт.

Из опыта строительства и эксплуатации установок необходимо отметить, что строительство рукавного фильтра в 1,5-2,0 раза дешевле, чем электрофильтра, но эксплуатация соответственно дороже.

Кроме меньших затрат на капстроительство рукавные фильтры привлекают тем, что достигается выходная запыленность 20-10 мг/нм 3 и менее. Для фильтроэлементов применяют высококачественные фильтроматериалы - полимерные материалы. При эксплуатации будет необходимо решать вопрос утилизации отработавших свой срок рукавов. Следует иметь ввиду, что затраты на запчасти всегда выше, чем стоимость этих узлов в составе готового изделия. Рекламная компания строится производителем из расчета, чтобы обеспечить внедрение оборудования, имеющего расходные материалы (в нашем случае фильтроэлементы), но утилизация их останется за потребителем.

Альтернативой фильтрующей установке очистки дымовых газов в энергетике были и остаются электростатические фильтры. Конкуренция была бы более жесткой, если бы в сознание энергетиков не был умышленно внедрен постулат, что менее 100 мг/нм3 на выходе из электрофильтров получить невозможно, а при улавливании золы экибастузских углей даже 400 мг/нм3 получить проблематично. Доказывали это просто – в фильтрующей установке есть перегородка, через которую фильтруется газ и проскок обусловлен параметрами этой перегородки. В электрофильтре такой перегородки нет. На выбросы влияют два фактора: улавливание частиц в области коронного разряда, этот вероятностный процесс обусловлен экспоненциальным законом и проскок частиц, который постоянен для данной конструкции электрофильтра и систем управления им. Такое понимание процессов в электрофильтре существовало до 70-80-х годов прошлого века и в общем оно правильно для своего времени и допущении, что концентрация частиц в сечении межэлектродного промежутка равномерна.

Рассмотрение коллективных процессов было начато Г.З. Мирзабекяном на кафедре ТВН в МЭИ. В начале его понимали упрощенно и сводили к влиянию запирания коронного разряда. Процессы возникновения обратной короны не относили к коллективным процессам. Попытки рассмотреть эти вопросы шире были сделаны И.В. Ермиловым в Семибратовском филиале НИИОГАЗ. Так в СФ НИИОГАЗ был заложен фундамент рассмотрения коллективных процессов в широком смысле. Кроме влияния электронно-ионных технологий, особое внимание уделено проскоку частиц в поле коронного разряда, и в конструкции всего электрофильтра.

1. В результате десятилетних работ и сорокалетнего опыта разработки и эксплуатации электрофильтров была изменена конструкция электрофильтров, чтобы исключить проскок частиц мимо зоны коронного разряда. Это было сделано путем доработки раннее существующих конструктивных решений и совершенствование газораспределения как внутри поля электрофильтра, так и во всем электрофильтре. Совершенствование компьютерной техники и программ расчета двухфазных потоков позволило создать конструкцию газораспределения не только на входе, но и на выходе из электрофильтра, чтобы исключить перетоки газа как выше, так и ниже активной зоны поля горизонтального электрофильтра, сделать скорость потока коронного разряда максимально равномерной.

2. Конструкция электродной системы была изменена. Конструкция электродной системы влияет на снижение проскока частиц. В 60-70-е годы в СФ НИИОГАЗ было подтверждено и получено теоретическое объяснение повышения эффективности работы электрофильтра за счет применения фиксированных точек коронирования (игольчатые коронирующие электроды). На практике заметили, что эффективность электрофильтра с иглами, развернутыми по ходу газа выше, чем с иглами, направленными в сторону осадительных электродов. У игольчатых коронирующих электродов оказался фундаментальный недостаток. Когда иглы направлены в сторону осадительных электродов, то между концами игл появляется полуактивная зона по длине всего поля и всего электрофильтра (по всей высоте активной зоны). Это была зона проскока. В новом электрофильтре у коронирующего электрода типа СФ-1, СФ-2,СФ-3 коронируют не только иглы, но и края коронирующего элемента. Когда край коронирующего элемента начинают коронировать, то исчезает полуактивная зона в активной зоне электрофильтра.

В конструкции новой электродной системы учтены и устранены и другие полуактивные зоны.

3. В электрофильтре имеют место быть, особенно у коронирующего элемента при отрицательном коронном разряде, положительно заряженные частицы. В обычном электрофильтре эти частицы со временем перезаряжаются и осаждаются на осадительный электрод. В конструкции коронирующих элементов СФ-1, СФ-2, СФ-3 предусмотрено улавливание таких частиц на коронирующий элемент. Для этого специально в несколько раз увеличена поверхность коронирующего элемента, эффективность работы особенно первого поля нового электрофильтра дополнительно возросла.

4. Кроме проскока из коллективных процессов следует выделить запирание коронного разряда на первом и следующем полях электрофильтра. Иногда этот процесс распространяется на все поля электрофильтра вплоть до четвертого поля (например, в мартеновских фильтрах, когда все поля электрофильтра имеют ток коронного разряда близкий к нулю). В [1] теоретически показано, что для снижения влияния запирания коронного разряда необходимо снизить напряжение зажигания U0 коронного разряда. В этом случае запирание коронного разряда происходит при значительно большей концентрации частиц. Расчет показывает снижение U0 с 25 кВт, что имеет место быть в электрофильтре ЭГА, до 15 кВт, позволяет обеспечить эффективную работу первого поля электрофильтра для золы, например, экибастузского угля, без значительного снижения тока коронного разряда при увеличении концентрации частиц в поле до 75 г/нм3. На практике в ЭГА уже при запыленности 25-30 г/нм3 токовые нагрузки первого поля снижаются, соответственно существенно снижается и эффективность очистки правым и последующими полями электрофильтра. Влияние токов обратной короны в сравнениях исключается. Снижение U0 до 10-11 кв устраняет практическое влияние запирания коронного разряда в электрофильтрах для энергетики на их степень очистки.

5. Унос золы из электрофильтров при встряхивании электродов как и повышенный проскок частиц в рукавном фильтре после регенерации является неотъемлемым процессом в обоих аппаратах и снижается за счет оптимизации управления процессами. В рукавном фильтре может регенерироваться часть рукавов от одной раздающей трубы, в которую поступает сжатый газ при срабатывании раздаточного клапана. Такая компоновка раздающая труба-клапан является более гибкой, чем несколько труб, подключенных к одному клапану, когда регенерируется большее число рукавов за одно срабатывание клапана. Но для больших рукавных фильтров, когда число клапанов по первой схеме может достигать тысяч, по второй схеме их число снижается до сотен и надежность работы рукавных фильтров резко возрастает.

Для электрофильтра был разработан и в последние годы промышленно применяется частотный привод механизмов встряхивания электродов, появилась возможность встряхивать не все поле, а каждый электрод поля в отдельности и управлять процессом встряхивания с точки минимизации выбросов и проскоков частиц уловленной золы при встряхивании электродов.

6. К коллективным процессам следует отнести обратную корону, возникающую в электрофильтре при улавливании золы экибастузских, кузнецких и других углей, с низким содержанием серы, сжигаемых на ТЭС России.

Наличие обратной короны в электрофильтре ведет к резкому снижению эффективности работы электрофильтра. До 80-х годов прошлого века с обратной короной в электрофильтре боролись только за счет подготовки дымовых газов, снижением температуры до 110 °С, кондиционирование дымовых газов аммиаком, водой, паром и т. д.). В 80-е годы в МЭИ, СФ НИИОГАЗ, ВЭИ было доказано, что управлять обратной короной можно изменением режима питания электрофильтра высоким напряжением [2].

Процесс образования обратной короны достаточно инерционный и можно управлять этим процессом в некотором технологическом диапазоне, не доводя до критического состояния, когда слой под воздействием электрического поля пробивается и в промежутках выбрасываются положительные ионы, которые разряжают отрицательно заряженные частицы, находящиеся в промежутке, и снижают эффективность работы электрофильтра.

Снизить напряженность поля в слое на осадительном электроде можно, снизив напряжение на электродах, а чтобы компенсировать происходящее при этом снижение объемного заряда в промежутке, снизить и напряжение зажигания коронного разряда U0; так можно корректировать обратную корону за счет конструкции электродной системы. Совмещая со снижением U0 импульсное питание электрофильтра, возможности корректировки обратной короны возрастают. Так, исследованием ВТИ установлено, что при температуре до 110 °С улавливание золы экибастузских углей в электрофильтрах происходит без обратной короны. Применение импульсного питания в электрофильтрах с пониженным до 10 кВ напряжением зажигания коронного разряда U0 позволяет скорректировать возникновение обратной короны до 150 °С.

Промышленные испытания электрофильтра с коронирующими электродами, имеющими при улавливании золы экибастузских углей напряжение зажигания 12-14 кв вместо 25-30 кв, имеющихся в электрофильтре ЭГБМ в промышленных условиях, при применении импульсного питания электрофильтра показали отсутствие обратной короны в электрофильтре до температуры 150 °С.

Промышленные испытания нового электрофильтра ЭГАВ на Омской ТЭЦ-5, сжигающей экибастузские угли при работе электрофильтра 125-130 °С достигли степени очистки 99,89 % и выходной запыленности из электрофильтра 68 мг/нм3.

Промышленные испытания электрофильтра ЭГАВ на Белгородском заводе ЖБК-1 показали 50-60мг/нм3 на выходе электрофильтра после наладки режимов питания и совмещения импульсного питания с работой электрофильтра, когда коронирующие электроды имеют напряжение зажигания коронного разряда 10-12 кв.

Минимальная выходная запыленность из электрофильтра определяется двумя факторами:

а) эффективностью улавливания в поле коронного разряда. Этот процесс подчиняется экспотенциальному закону с различными показателями степени. Теоретически улов частиц в электрофильтре стремится к 100 % и теоретически можно обеспечить на выходе из электрофильтра любую минимальную запыленность.

б) проскоком частиц, который может быть дополнительно разделен по видам проскока. В первую очередь необходимо устранить проскок через неактивные зоны в обход зоны коронного разряда в поле электрофильтра (вокруг поля). Это решается простыми конструктивными методами и газораспределением потока газа внутри поля электрофильтра.

В горизонтальном электрофильтре с игольчатыми коронирующими электродами существуют зоны с низкой напряженностью между иглами, через эти зоны также происходит увеличенный проскок частиц. Этот недостаток устраняется конструкционно. Коронирующие элементы в электроде располагаются таким образом, чтобы следующий за другим элементом коронирующий элемент имел расположение игл, перекрывающее эти зоны с низкой напряженностью, чтобы такие зоны не проходили поле электрофильтра насквозь и тем более через весь электрофильтр по ходу газа. Таким образом можно достичь минимального проскока через электрофильтр.

в) для понимания максимальных и минимальных проскоков необходимо учесть проскок частиц при встряхивании электродов электрофильтра. Так, у мокрых электрофильтров этого проскока нет, у вертикальных фильтров он может достигнуть нескольких мг/м3 в зависимости от скорости газа в электрофильтре.

У горизонтальных сухих электрофильтров всегда с части последнего элемента осадительного электрода отряхнутая пыль в последнем поле будет вылетать из электрофильтра. Оптимальное управление встряхиванием электродов позволяет сделать этот унос минимально возможным. Существенно влияет на проскок встряхивание электродов последнего поля, проскок при встряхивании предыдущих полей очень существенно снижается за счет улавливания отряхнутой золы последующими полями. Встряхивание поля, когда на нем накопилась оптимальная масса золы, происходит с минимальным диспергированием слоя вдоль электродов в бункер с минимальным пылением. Если последнее поле работает с выходной запыленностью менее 50 мг/нм3, то вклад встряхивания одного электрода последнего поля, которое происходит реже, чем через сутки, в среднюю выходную запыленность составит доли процента. Но если мы рассчитываем работу электрофильтра при выходной запыленности менее 10 мг/нм3, то необходимо особое внимание уделить проскоку частиц золы через электрофильтр от факторов б) и в), так как в этом случае выходную запыленность будут определять эти факторы.

Ранее задачу получения выходной запыленности из электрофильтров менее 50 мг/нм3 не ставили, поэтому данных о работе российских электрофильтров в энергетике с выходной запыленностью 10-20 мг/нм3 нет. В мировой практике такие случаи имеют место быть. В России ОАО «Северсталь» поставило условия получения выходной запыленности менее 30 мг/нм3 при очистке 700 000 м3/час от литейных дворов. Промышленные испытания электрофильтра ЭГАВ2-56-12-5-4 с напряжением зажигания коронного разряда 10-11 кв через два года эксплуатации без единого ремонта в процессе эксплуатации, работающего в автоматическом режиме, показали выходную запыленность по секциям от 15 до 18 мг/нм3.

 

Выводы.

1. Новые электрофильтры с коронирующими электродами СФ-1, СФ-2, СФ-3 с пониженным напряжением зажигания и осадительными электродами Эко-МК позволили достичь при очистке 700000 м3/час и более выходную запыленность менее 20 мг/нм3.

2. Новые электрофильтры с напряжением зажигания коронного разряда 10-11 кв и импульсным питанием позволяют корректировать обратную корону в электрофильтре при улавливании золы экибастузского угля до 130 °С и работать без обратной короны в электрофильтре с выходной запыленностью около 50 мг/нм3.

3. По результатам исследований можно утверждать, что снижение U0 до 10-11 кв и применение импульсного питания позволяет корректировать возникновение обратной короны в электрофильтре для температуры выше 150 °С и высокоомных полей, имеющих удельное электрическое сопротивление выше, чем золы экибастузских углей.

4. Современные рукавные фильтры типа ФРМИ очищают газы 1 000 000м3/час и более в одном аппарате, срок службы фильтроэлементов – до 4-х лет. Выходная запыленность – менее 20 мг/нм3. Температура очищаемых газов – до 240 °С.

5. Высокое гидравлическое сопротивление рукавных фильтров и требуемые сроки службы рукавов более 4-х лет при выходной запыленности выше 50 г/нм3 ограничивают для энергоблоков мощностью более 500 мВт применение рукавных фильтров без подготовки дымовых газов.

 

Статьи

 

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru