高温低排放电除尘器-----兼谈欧洲环境工程的EPC总承包
2016-03-30
高温低排放电除尘器
-----兼谈欧洲环境工程的EPC总承包
High Temperature /High Performance Electrostatic Precipitation System
And the turn-key contract of European environment project
王励前1郭令
兰国强2
1.江苏东瑞环境能源科技有限公司
2.沈阳创思达
摘要：2008年江苏东瑞环境能源科技公司总承包了美国某跨国公司在匈牙利Oroshaza 的玻璃容器厂熔炉电除尘器系统工程项目。沈阳创思达科技（中国）有限公司分包了其全套自控系统。该电除尘器工作温度400~410℃，要求排放浓度为30mg/Nm3。2009年9月交付使用以来，连续运行2年半，效果良好。经匈牙利执法部门检测，实际排放仅7 mg/Nm3。该系统对于自动控制的要求较高，也得以全部实现。此项目得到用户及其母公司的良好评价。表明电除尘器可以长期高效低排放运行于高温环境之下。通过此工程获得了EPC总承包的宝贵经验，领会到国外严格认真要求的可贵。
1.引言
在中国静电除尘技术水平得到先进国家认可以及设备廉价的背景下，2008年春天，美国某跨国玻璃容器公司访问了东瑞公司并约请参与其匈牙利Oroshaza工厂玻璃熔炉电除尘器项目投标。在与国外公司竞争中，东瑞获得总承包合同，承担设计、采购供货、运输、安装、调试、试车、交付运行一条龙服务。创思达分包了全系统的自动控制工程。
西方公司对于承包商的要求比国内严格。一是质保期长了一倍，要求两年内系统效率不下降，设备无故障；二是对安全卫生要求严格得多，也细致得多；三是对于系统的控制有许多国内工程缺乏的细节要求；四是所有设备和设施都要通过欧盟认证。
通过三年多东瑞和创思达的协力，EPC总承包项目顺利完成，2011年9月项目正式结束，业主十分满意，给予高度肯定。
2.工程概况及业主要求
2.1自然状况
Oroshaza市位于布达佩斯东南160公里处，是一座风景优美的旅游小城市，市内有多处湖泊和温泉，假期和周末都有很多本地居民或外国游客到此地度假游泳洗浴，对环境有着很严格的要求。工厂在其近郊，主要环境污染物就是玻璃熔炼炉排放的烟尘。因此对大气的清洁度要求很高，电除尘器要保证烟囱出口无可见烟尘。
2.2烟尘性质特点及治理要求
该厂玻璃熔炉日产400吨，在欧洲就算是中大型的。l该厂玻璃熔炉出炉烟气温度高达400~500℃。鉴于绝大多数电除尘器的工作温度在350℃以内，对于400℃以上的烟尘要有应对措施。
l相较于发电厂、钢铁厂和水泥厂的烟尘粒度往往达到上百微米，该厂玻璃熔炉的烟尘非常纤细。粒度全部在2.5μm以内，几乎99% 的烟尘小于1.0μm。众所周知，粒度在0.1~1.0μm的烟尘，是电除尘器最难予以清除的。
2.3业主对电除尘系统的安全防护要求
欧洲工厂对人身和生产安全、卫生防护非常重视。与国内相比，有不少更加严格的要求，
摘其要者如下：
l所有硬件，包括设备、管道、零部件、构件、保温、油漆都必须通过欧盟安全认证，打上相应的标记。
l所有现场工人及有关人员必须办理人身保险。
l所有安全防护规程、标准都要采用欧盟标准并且符合匈牙利标准。
l对系统设计有详细的安全防护要求，后文另行详述。
2.4业主对承包商的选择
业主是跨国公司，本工程由其总公司初选承包商，欧洲总部采购部门进行具体比较选定。
先是美国总公司到初选的公司进行考察，对承包公司认可之后，由欧洲总部发送招标书。承包商按期送达投标书之后，欧洲总部进行全面评审，要求承包者赴欧访问交流，考察现场，面对面进行技术交底和答疑。对有关技术、施工、调试、五年备品备件保证供应、现场运行紧急事态快速处理、付款规定、工程拖期或不达标的处罚等问题进行谈判，这些和一般国际项目大体相同，不过业主对于中国首次总承包，放心不下，因而程序更加复杂、合同要求更为严格。
比较麻烦的是：业主要求：第一、如果发生处罚情况，对中国要双倍惩罚；第二、中国承包商必须有可靠的欧洲伙伴公司，以便代表中国公司紧急处理现场运行中出现的问题。第三、不允许中国工人参与任何施工调试工作。我们慎重研究，一一答应并做到了，最后在于欧美公司的竞争中，被欧洲总部选中，签订全系统总承包合同。
3.工程总承包概况
3.1电除尘器设计
根据以上烟尘特点，设计电除尘器时着重考虑了以下因素。
3.1.1高温下的电晕放电
众所周知，气体温度升高时其击穿电压随之下降，导致电除尘器运行电压降低，损害除尘效率。设计时要求对高温的影响有个基本的判断。
气体的电晕放电是由于电场中的电子冲击气体分子导致电离而形成的。电子被加速的程度起着决定性的作用。电子在电场中获得的加速运动能量正比于电场强度和电子的平均自由行程，而后者反比于气体的密度。烟气温度上升--气体密度下降--电子的平均自由行程增加--电子的能量加大--气体提前击穿--运行电压降低--除尘效率下降。这就是其连串反应。
定量地说，导致气体击穿的能量反比于温度的平方，而气体击穿电压反比于气体温度。因此，温度上升时，输入电场的能量将更多地下降。根据这个规律，要想借助电晕放电产生等离子体，提高温度极其有效；但是从除尘来看，气温升高，就很不利了。
对于电除尘器最大用户的燃煤电厂，其烟气温度多为130℃（403°K）上下、同极距为400mm的情况下，如果安装良好，电除尘器击穿电压可达65kV以上。 按上述反比律计算，温度400℃(673°K)时,击穿电压将降低到40kV左右。换言之，温度每升高10℃，击穿电压大致降低1kV。这对静电除尘的影响是明显的。我们在设计高温电除尘器时，除了结构问题之外，对于高温工作电压降低的定量影响做了估算。
3.1.2 高温选材
电除尘器用于400℃及以上高温烟气，国内外都不多见，采用什么材料制作成为能否长期安全运行的重要问题。
众所周知，常用的碳素结构钢牌号，是按屈服点来命名的。所谓屈服点，就是钢材在被拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，钢材仍然继续发生塑性变形（屈服），明显产生塑性变形时的最小应力值即为屈服点。如Q235，其屈服点就是235MPa。此外，大家也知道，普通结构碳钢在350~400℃时弹性模量会有明显的降低，也就是此时同样的应力会造成钢材较大的应变。使用时为了避免明显的变形，设计中要降低钢材的许用应力，这样就要加大钢材用量和工程造价，很不经济。
因此，在设计这台工作于400~410℃的电除尘器时，要找到一种屈服点和许用应力都比Q235更高而价格仍然较低的钢材，它能在400~410℃时安全而正常地工作，同时基本不增加工程造价，而避免使用虽然耐高温然而价格昂贵的不锈钢。为此我们将目光投向了“考登钢（Corten steel）”。它是一个较新型的钢种，性价比优越。和常规电除尘器使用的Q235-A对比, 优点明显可见：
屈服点： Q235-A----235MPa， Corten-A----343MPa
抗拉强度: Q235A----370MPa Corten-A----480MPa
因此决定将它用于电除尘器的外壳受力构件上，如立柱、大梁、圈梁以及电极的重要悬吊构件等。至于其它部件的材质列于表2。其中高压绝缘件选用95% 高铝瓷是十分必要的，普通电瓷耐温不足，会因热应力而碎裂。
3.1.3烟尘非常微细
无论是燃煤电厂、水泥厂、或铁矿烧结厂，其粉尘有很大一部分属于机械性产尘，粒度较粗，数十到上百微米者，占很大比例。而本工程的烟尘，全部是燃烧产尘，粒度比机械产尘细得多，98.8%都是亚微米级，36.2%小于0.25μm。由荷电机理可知，在这个粒度区间，无论是碰撞荷电还是扩散荷电都相当微弱，电除尘器效能自然会受到限制。此外细尘的振打飞扬损失严重，也很不利。荷电困难难以改变，只能靠加大集尘面积来弥补。为了减少振打飞扬，选取较低的烟气流速。
3.1.4粉尘的导电性良好
粉尘成分中，导电良好的Na2SO4,占了85%，K2O 为1%。中等的Ca2SO4和MgSO4占10%。対电除尘器工作不利的SiO2和NaCl只有3%。电除尘器不存在高比电阻反电晕问题，也不存在钠盐粘附和应力腐蚀问题，这是十分有利的。
3.1.5电除尘器设计参数
3.2 系统设计
业主对系统安全可靠和维修便利非常重视。此外，欧洲人工昂贵，现场工人工资为中国的20倍以上，因此设计中采取了一些针对性的的措施：
l为防止超温损坏设备，设置冷风掺入口，其挡板控制和测温连锁， 实行自动/手动控制。冷风掺入口兼做紧急检修时系统快速冷却之用。
l电除尘器和引风机都设有烟气旁路，而且切换的烟气挡板用气动，防止断电时无法动作。事故紧急切换必须能够自动进行并发出报警信号。
l所有动作设备、挡板，纳入自控系统同时能够就地控制并显示状态。
l为防堵塞，管道每隔10m必须设置一个检查门。每一个弯头前面、每一个烟气阀门的前面和后面也都要设置检查门。
l所有设备和管道的人孔门、手门、检查门以及就地监控仪表都必须设有人能安全到达的设施，包括走道、平台、楼梯、扶手等。
l每一台运转的设备，包括烟气阀门除了能在控制室启停、开关之外，必须设置就地按钮或开关。较长的运输机械，每隔10m也要有就地开关。烟气阀门要有可见的开关信号。
l熔炉换火或燃烧工况波动时，变频调速引风机的转速必须保持恒定，防止事故。
l系统噪声不大于50db(A)。出于减噪考虑，引风机选用高效后弯叶型叶轮，并配备了消声器。引风机轴承散热水冷，水温监控。
l所有钢结构，包括电除尘器底座、烟道支架、平台、楼梯、扶手等全部热镀锌。全部螺栓连接，螺孔在制造厂精确钻好，不需要现场焊接。
l周到的热膨胀补偿措施。
3.3自控系统
整套电除尘系统用PLC控制，控制室设在电除尘器下方钢支座空间围成的房间内。设触摸
屏2个，分别装在加热卸灰控制柜和振打柜上，都能显示、控制、记录全系统主要功能与参数并报警。
控制讯号借助Ethernet玻纤送到玻璃熔炉工艺主控室。上位DELL计算机和液晶显示屏位
于工艺控制计算机旁，也可显示、控制、记录全系统主要功能参数并报警，主界面如图3所示。电除尘器主要数据同时在工艺控制主机上显示。
3.3.1 硬件
l电源柜，1台。电源模块PS307.
l电除尘器高压控制柜，3台。
l电除尘器加热、卸灰控制柜，1台。LV回路。控制系统DELTA触摸屏装在此柜上。
l电除尘器振打控制柜，1台，位于电除尘器顶盖之上，LV回路。
l引风机变频控制柜，1台。控制132kW电机转数。
l联锁控制箱1个，挂在控制室墙上。
lUPS备用电源。
l上位DELL计算机、液晶显示屏放在熔炼炉主控室内。
l空调机1台。
3.3.2控制软件
l操作软件MICROSOFT WINDOWS XP SP2，
l程序软件SIEMENS STEP7 V5.3，
l组态软件SIEMENS WINCC6.2，
lOFFICE 2007
3.3.3 控制对象
l掺冷风阀。可以远程控制、远程自动控制和就地手控。
l烟气挡板。控制引风机和电除尘器的进出口以及电除尘器旁路共5个挡板。可以远程控制、远程自动控制和就地手控。
l引风机。控制起、停、变速；熔炉换火时保持风机恒速；监测轴承温度。
l电除尘器。高压柜控制电除尘器3个电场的高压供电与接地，液晶触摸屏显示控制参数。低压柜控制加热卸灰。
l电磁振打器。控制62个电磁振打器的振打周期与强度，远程控制、远程自动控制或就地手控。
l星型卸灰阀。控制3台星型卸灰阀的起停，远程控制或就地手控。
l螺旋运输机。低压柜控制起停与加热，远程控制或就地手控。
3.4 施工安装与调试
全套系统的安装分包给匈牙利KIS公司。该公司安装过化工、煤制气和布袋除尘器装置，没有安装电除尘器的经验。但是工作认真，在中方指导下，5个月左右安装完毕，质量上乘。匈牙利向欧美开放历史短暂，其十余人的安装队伍中会说英语者仅有2人，沟通困难，也影响了一些进度。
3.4.1 空载升压试验
电除尘器电场空载升压试验时，原来也打算采用国内习用的T/R并联测试击穿电压方法。因顾虑高压器件万一烧毁，手头没有备件耽误交付日期，决定改用检验3个电场V-A曲线是否吻合的办法判断极距是否准确。
实际上，用V-A曲线是否重合的办法检验安装质量更为准确、严格、科学：
l稍有经验的安装调试人员都知道调整阴阳极距时，使其击穿达到7万伏并不是难事。在天气好的情况下，极距误差即便大到40~50mm，完全不合格，空载升压达到70kV也不是难事。单纯考核电场击穿电压，往往会掩盖安装质量的缺陷。
l并联T/R升压虽然一般不至于出现高压器件损坏，但是确实存在潜在的危险。专门为此准备备件，又似乎多余。
l用“若干同样的电场的升压V-A曲线应该完全相同、互相吻合”的原则来检验安装质量，对安装的要求更为严格，比单一考核击穿电压更难达到合格。而这种合格本来就是应该达到的，并没有人为拔高标准。
lV-A曲线法免除了现场并联T/R的工作量。
lT/R规格选型时，往往超出电场正常工作需要，人为加大额定电压电流，考虑之一就是利于并联空载升压试验。而超规格的T/R会导致运行闪络频度提高、自动调压质量下降、浪费资金等弊端。采用V-A曲线法可以按需选择T/R规格，免除大马小车的失配。
我们采用这种办法检验电场安装质量也算是一种“创新”吧！虽然安装调试中也发生过
电场中留有杂物电压升不上去的情况。但是由于总体安装质量良好，在排除杂物后，验收升压试验时，三个电场的V-A曲线重合性非常之好。正是由于没有片面追求升压击穿值，不靠临时撬、掰、之类的野蛮措施弥补安装超差，这台电除尘器在连续两年高温运行中，阴阳极没有大的应力变形，达到了稳定高效，这是一个宝贵的经验。
3.4.2 引风机弹簧底座
为了减震减噪，引风机配备了弹簧底座。设计是风机机壳、轴承箱和电机座都固定在一个整体钢架上，钢架下放置弹簧座，弹簧座再固定在混凝土基础上。但是业主技术负责人错认弹簧直接装在风机和电机下面更能吸收震动，要求按他的要求改动。结果试运行时风机机壳和电机轴-叶轮系分别大幅度摇晃，将机壳保温护壳震裂。更改弹簧位置补好护壳后问题解决。两年连续不间断运行，表明引风机质量良好。
3.4.3冷风阀
调试中发现冷风掺入口设计偏大，其挡板刚刚开启，降温已经达到预定数值，致使调节的线性度较差。由于尚可使用，就不再改动了，业主也予以认可。
3.5 测试、验收、投运
2009年9月电除尘器系统调试完毕投入试运行（相当于168小时试运行），肉眼观察烟囱出口，完全看不到烟尘，和天空一样湛蓝。匈牙利第二大城市Szeged市政府下属专职机构于9月28日到厂测试（图4）。测定结果烟囱口排放小于10mg/Nm3，长时间在6~7mg.Nm3左右，小于保证值30 mg.Nm3。到此，电除尘器系统EPC总承包项目通过验收，正式投入运行。
3.6 工程回访
这套电除尘器投运后，连续运行两年没有出现问题，保持了良好的除尘效率，烟尘排放没有增加，达到长期、连续不间断高效运行，业主非常满意。2011年6月在正式投运快两年之际，该厂发来了工程质量认证函，肯定了总承包工程的成功（图5）。
2001年11月22日，我们到匈牙利回访，该工厂主管再次告知电除尘器运行两年没有间断、没有检修、效率没有降低。而且他们还总结了不少运行管理的经验。
我们还回访了总公司欧洲总部，他们对于此项首次由中国公司EPC总承包的项目很满意，认为打开了今后合作之门。
4.总结
这虽然是一个不大的项目，但是五脏俱全，实施中也遇到许多国内工程所意想不到的困难，
通过我们两家公司通力合作，一一得到解决。通过此项完整的总承包实践，表明：
l电除尘器可以在400℃高温下高效长期运行，不需要应用昂贵的耐热钢材。
l电除尘器对于85%属于亚微米的烟尘，达到了低于10mg/Nm3的排放。
l首次总承包了先进国家跨国公司的大气污染治理项目，在苛刻的条件下，攻克了技术难题，利用了欧洲公司作为分包商，积累了知识和运作经验，获得成功。
l实践表明，中国环保公司基本具备了独立走出去的能力，可以以EPC方式总承包国外项目。
5.致谢
在总承包过程中，得到了前国际电除尘委员会前主席Kjell Porle先生的热诚帮助，谨此致谢！
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