静电除尘器爆炸后的“重生”：一次典型石灰窑ESP修复实践

基于第17届国际静电除尘会议案例：Tai & Chyun团队的三阶段ESP爆炸后修复与升级路径

关键词
Electrostatic precipitator (ESP), electrostatic precipitator (ESP) explosion, electrostatic precipitator (ESP) rehabilitation and upgrade, 刚性放电极, 工业烟气治理

电除尘器（ESP）在石灰窑、锅炉、水泥窑等高粉尘、高温烟气工况下已成为主流的工业烟气治理装备之一，却同样面临一个在行业内讳莫如深的风险——ESP爆炸。随着浆纸、钢铁、水泥等行业对能效和环保要求不断提高，如何在保障高效除尘的同时，系统性控制ESP爆炸风险，并在事故发生后快速恢复甚至提升设备性能，正在成为工业环保技术的新焦点。

在第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024, Kyoto）上，来自台湾 Tai & Chyun Associates Industries, Inc. 的 Thompson Tsai、Anshar Makhraja 和 Willy Stevanus 团队，分享了一起发生在印尼某浆纸厂石灰窑电除尘器爆炸后的系统性“Rehabilitation：Solution after ESP explosion”案例。该案例不仅详细展示了爆炸后ESP评估、分阶段修复与性能恢复的全过程，也给出了从传统螺旋放电极升级为刚性放电极（Rigid Discharge Electrode, RDE）的改造效果，为行业在处理类似事故时提供了具有参考价值的技术路线。

案例的工艺背景是典型的浆纸石灰窑系统：通过石灰窑将碳酸钙（CaCO₃）煅烧再生为氧化钙（CaO），以降低新鲜石灰采购成本并提高化学品回收效率[1]。窑后设置电除尘器捕集石灰粉尘，再返回窑系统循环利用。与多数工业窑炉一样，石灰窑尾部的烟气中可能含有一定量一氧化碳（CO）等可燃成分，一旦在ESP内部与空气中氧气形成可燃混合气，再叠加高压电场产生的火花放电，就具备了爆炸“三要素”[2–4]。行业在防爆监控和安全联锁方面已有不少研究和实践，但真正发生爆炸事故后，如何在有限时间与预算下，有策略地修复并提升ESP性能，却鲜有系统性公开案例。

该浆纸厂的石灰窑ESP为单室结构，两电场串联，每电场16个气体通道，极板间距300 mm，有效集尘面积约768 m²/场；放电极采用螺旋线型，共16排，单场384根。粉尘及放电极、极板均采用上部锤击式振打，属于典型的浆纸行业石灰窑烟气治理配置。2016年11月，该ESP因CO超标引发爆炸，入口侧壳体、进出口烟道、内部气流分布板（GD Screen）及部分振打梁严重损毁，顶部屋盖受力后整体变形，局部进气烟道甚至被掀落到地面或压在电缆桥架之上；出口侧结构受损相对较轻。

面对严重的结构损坏与生产损失压力，业主方最直接的技术选项是“更换整台ESP”。但Tai & Chyun团队从成本、停机时间和资源利用三个维度出发，对爆炸后的电除尘器进行了详尽评估：逐一排查壳体、立柱、屋盖、GD板、极板（CP）、放电极（DE）、振打系统及绝缘子等部件，判定哪些仍在可用范围、哪些可修复、哪些必须报废更换。评估结果显示，爆炸主要集中在入口侧及中部区域，出口场本体结构与部分内部件仍具备继续使用的条件。这一判断成为后续“以修复为主、局部更新和升级”的关键前提，使得最终的ESP修复与升级成本远低于新建方案，却能做到排放性能接近甚至优于新机水平。

考虑到浆纸厂的年度检修安排，该项目被拆分为三个阶段实施，既嵌入既有停窑计划，又控制单次停机风险和施工强度。第一阶段在爆炸发生后的2016年11月进行，工期仅10天，核心目标是“止血”：防止ESP结构继续失稳乃至坍塌，并清除危险部件，为后续修复创造条件。具体措施包括：用大面积钢板封堵爆炸形成的壳体缺口；在原有立柱外侧和箱体内部增设加固立柱与支撑框架，增强整体刚度；拆除入口场严重变形的极板和放电极，以及损坏的GD板和振打构件。此阶段完成后，ESP箱体再次实现封闭与基本结构稳定，但由于大量CP-DE被拆除，电场电气性能极差，属于“安全可运行但烟气净化效果严重受限”的过渡状态。

第二阶段利用2017年4月为期8天的停机窗口，重点是恢复入口场（Field 1）的内部电极系统，以尽快让ESP恢复接近设计水平的捕集能力。团队在第一场新安装了成套极板、放电极和振打系统，使该场内部配置等同于新机。挑战在于：爆炸导致箱体整体轻微扭曲，不同高度的吊挂梁和支撑绝缘子位置存在偏差，若按图纸基准直接安装，极板—放电极间距将出现不均匀甚至局部过小，造成局部放电、电晕电流不均和电场利用率降低。为此，施工中针对每一根悬吊拉杆进行了单独调整，通过精细调节确保CP-DE间距重新符合150 mm设计值，最大程度减弱结构变形对电场性能的影响。这一阶段结束后，入口场实现了“新件+变形箱体”的折中状态，而出口场则保持原有老化部件与结构，不做大改动。

第三阶段在2017年10月，利用45天长停机窗口，完成真正意义上的整体“康复+升级”。一方面，更换因爆炸和前两阶段临时加固而严重变形的入口及中部立柱、壳体板、屋盖和入口烟道，修复或更换受损平台和GD板；另一方面，在保持第二阶段新装内部件完好无损的前提下，对第一场原有螺旋放电极进行升级改造，统一采用刚性放电极（RDE）。RDE相较传统螺旋线放电极，在结构刚度、电晕放电均匀性以及抗振打弯曲等方面具有明显优势，能够在浆纸、石灰窑等高粘性粉尘和高腐蚀工况中提供更高、更稳定的电流密度，从而提高捕集效率[5]。

第三阶段的难点在于“带着新内脏做外科手术”：必须在不损伤第二阶段已安装的新极板、放电极和振打系统的前提下，切除和更换部分主承重结构和壳体。为此，项目团队在ESP外部搭建了临时承重结构，对已安装的CP-DE组件实施“外部托举”，同时加固出口场可复用的立柱，防止在拆除入口和中间立柱时出现整体失稳。通过区域划分与分区施工，最终实现了在保证人身与设备安全前提下，完成箱体结构更新与RDE升级。

为了客观评估每个阶段的技术效果，并指导后续改造方案优化，Tai & Chyun团队在三次阶段性检修后分别进行了空气负载试验，即在无粉尘工况下单独对每个电场施加电压，记录电压-电流（V-I）曲线变化。结果显示：第一阶段后，由于大量CP-DE被拆除且结构变形严重，最大可达电压和电流均明显偏低，电场利用率很差；第二阶段完成入口场内部件更新及间距调整后，V-I曲线明显向高电压、高电流方向提升，但局部结构变形仍对电场稳定性有所影响；第三阶段在完成箱体结构修复并将螺旋放电极整体升级为刚性放电极后，两电场的V-I曲线均达到或接近设计极限电压和电流水平，说明电场空间电气条件已经恢复并优于事故前状态。

更直观的数据来自烟囱排放浓度的对比：在第二、三阶段完整修复与升级前，ESP粉尘排放浓度约为706 mg/Nm³，远高于多数地区对石灰窑烟气治理的排放限值要求；第三阶段完成后，排放浓度降至28.6 mg/Nm³，较事故后状态下降约一个数量级，不仅恢复了原设计的除尘水平，还因RDE应用而获得额外的性能冗余。堆栈可视烟羽对比也表明，第三阶段后烟囱尾气显著变“干净”，可视粉尘大幅减少，与空气负载试验结果互相印证。

从这起案例可以清晰看到：在静电除尘器爆炸事故后，简单的“推倒重来”并非唯一且必然最优解。通过系统的ESP状态评估、结构力学分析与电场性能诊断，可以明确划分“可用—可修—必换”的边界，在保证安全和排放达标的前提下，最大化利用现有资产，控制投资与停机时间；同时，这也是一个契机，将传统的螺旋放电极升级为刚性放电极、优化气流分布和振打系统，从“修复”自然过渡到“技术进级”。

对于目前仍大量运行着二十年以上老旧ESP的浆纸、水泥和冶金企业而言，这一印尼浆纸厂石灰窑ESP爆炸后修复案例释放出几个重要行业信号：第一，系统性的爆炸风险识别与在线监测（如CO监测、火花放电特征监控）应成为ESP运行管理的标配[2–4]；第二，一旦事故发生，应首先进行全面诊断，而非简单以“报废重建”作为默认选项；第三，将ESP事故修复与放电极技术升级（如RDE）、电场电气系统优化结合起来，可以在不新建设备的前提下显著提高捕集效率和运行稳定性，为后续更严格的排放标准和能效目标预留空间。这也许正是“存量设备改造”时代，工业烟气治理技术发展的一个重要方向。

参考文献
[1] Hart P, Glenn G III, Manning R. Lime Kilns and Recausticizing: The Forgotten Part of the Kraft Mill. 2021.
[2] Kiss I, Iváncsy T, Németh B, Berta I. Advanced risk analysis for the application of ESPs to clean flammable gas-pollutant mixtures. In: Yan K, editor. Electrostatic Precipitation. Berlin: Springer; 2009.
[3] AIChE Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe Handling of Powders and Bulk Solids. New York: AIChE; 2005.
[4] Gajewski J. Monitoring of electrostatic fire and explosion hazards at the inlet to electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics. 2014;72:10–16. doi:10.1016/j.elstat.2014.02.003.
[5] Chambers M, Grieco GJ, Caine JC. Customized rigid discharge electrodes show superior performance in pulp & paper application. In: 8th International Conference on Electrostatic Precipitation; 2001.

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