改造靜電除塵器方案

一．靜電除塵器面臨的形勢

在工業(yè)塵源治理的多種除塵設(shè)備中，上世紀(jì)初發(fā)展起來的靜電除塵器，由于其除塵效率較高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在除塵領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模的除塵幾乎都采用了電除塵，據(jù)早期統(tǒng)計(jì)水泥窯用的除塵設(shè)備80％以上為電除塵器。但由于當(dāng)時的排放標(biāo)準(zhǔn)要求較低，設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)為50～100mg/Nm?，已不能滿足環(huán)保新要求，即一般地區(qū)水泥窯粉塵排放要求降到30mg/Nm?以下,地區(qū)要求降到20mg/Nm?以下。據(jù)2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)的粉塵排放占到工業(yè)生產(chǎn)總排放量的31.7%，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。而且，目前電除塵所用的高壓電源一般為工頻電源、高頻電源或恒流電源，其不僅能耗大，還產(chǎn)生火花放電對除塵器本體造成電腐蝕，衰減除塵效率，縮短使用壽命。所以，水泥廠窯頭窯尾除塵器的提效改造勢在必行。

二．靜電除塵器技術(shù)方案

隨著環(huán)境意識和排放標(biāo)準(zhǔn)的大幅度提高，原靜電除塵器性能難以滿足環(huán)保要求，一時期曾出現(xiàn)由靜電除塵轉(zhuǎn)為布袋或電袋除塵方式的傾向。布袋及電袋除塵器雖然能基本滿足目前環(huán)保達(dá)標(biāo)的基本需要，但由于其阻力大、電耗高、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、故障率高、維護(hù)管理不方便、二次污染等弱點(diǎn)，只能作為范圍內(nèi)的不得已的選擇。而且，由于其難以濾掉微細(xì)粉塵和效果難以長期穩(wěn)定的固有缺陷，已滿足不了地區(qū)的≤10mg/Nm?及“超低排放”的≤5mg/Nm?的粉塵排放新要求。

煙溫對設(shè)備的影響

煙溫高于160℃時會顯著降低濾袋壽命，如持續(xù)則濾袋將短時間內(nèi)燒毀并破損。當(dāng)鍋爐出現(xiàn)爆管時由于前級沒有電除塵器，濾袋影響較大。尤其是不允許除塵器采用旁路，將對濾袋壽命帶來較大考驗(yàn)。

煙溫高于160℃時會顯著降低濾袋壽命，如持續(xù)則濾袋將短時間內(nèi)燒毀并破損。當(dāng)鍋爐出現(xiàn)爆管時由于前級有電除塵器，濾袋影響較小。尤其是不允許除塵器采用旁路，將對濾袋壽命帶來較大考驗(yàn)。

高煙溫對除塵效率略有影響，但設(shè)備整體對高溫?zé)煔獬惺苣芰?qiáng)，同時對除塵器使用壽命沒有影響。

可以看出，在阻力、電耗、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、故障率、維護(hù)管理、二次污染等方面，“靜電除塵”遠(yuǎn)優(yōu)于“布袋除塵”。 近年興起的“濕式電除塵”、“超凈電袋”、“旋轉(zhuǎn)陽極板”、“徑流式電除塵器”、“煙氣調(diào)質(zhì)或微顆粒凝聚”、“本體擴(kuò)容”等技術(shù)，由于空間、成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、穩(wěn)定性、二次污染、適用條件、實(shí)際效果等局限，難以普及，不適合水泥行業(yè)使用。所以，除塵電源及其控制系統(tǒng)的技術(shù)性能突破就成為除塵領(lǐng)域期待的聚焦點(diǎn)。

三．除塵電源的選擇

近年，在改進(jìn)電源供電方式的過程中，設(shè)計(jì)思路，電源性能不斷提升。市場上除了正在淘汰的“工頻電源”及其過渡性的“三相電源”外，有“高頻”、“脈沖”、“臨界脈沖”等新型電源。

3.1 工頻電源技術(shù)特點(diǎn)

單相工頻整流電源采用單相380V 交流輸入、工頻變壓器升壓、高壓硅堆整流成100Hz 的脈動直流電源。由于單相電源輸入功率因數(shù)低、諧波大、輸出脈動成分大、除塵效果差、電能消耗高，逐步被淘汰。

1） 工頻電源供電形式的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 工頻電源結(jié)構(gòu)簡單技術(shù)成熟；

（2） 造價低。

2） 工頻電源供電形式的缺點(diǎn)：

（1） 諧波大、輸出脈動成分大（理論為57.11％），除塵效率低；

（2） 功率因數(shù)低，電耗高；

（3） 單相整流造成供電不平衡；

（4） 由于火花放電，對本體造成電腐蝕，除塵效率衰減快，使用壽命短縮。

3.2 三相電源技術(shù)特點(diǎn)

三相整流電源是采用三相380V 交流輸入、工頻變壓器升壓、高壓硅堆整流成300Hz的脈動直流電源。三相電壓經(jīng)過一個同步檢測電路后輸出同相位的三相同步波形，主電路可控硅的六路觸發(fā)脈沖就是通過該同步波形過零點(diǎn)的判斷產(chǎn)生的。三相電源用到了6個反向并聯(lián)可控硅進(jìn)行調(diào)壓，這6個可控硅按照1→2→3→4→5→6→1觸發(fā)信號依次相差60°，三相電源采用寬于60°的寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)，采用各相同步信號的“過零點(diǎn)”作為控制角計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)。三相電源屬于過渡性電源，由于其除塵效率不高且在減排模式下電耗過高，以逐步淘汰。

1） 三相工頻電源供電形式的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 三相平衡，對電網(wǎng)污染減少；

（2） 電壓脈動小（電壓時理論為4.74％），平均場強(qiáng)有所提高；

（3） 功率因數(shù)接近90%，在同樣二次電壓、電流的輸出情況下，比工頻電源節(jié)電。

2） 三相工頻電源供電形式的缺點(diǎn)：

（1） 三相電源閃絡(luò)沖擊大，閃絡(luò)后要關(guān)斷多個半波，除塵效率低；

（2） 為提高除塵效率，電流很大，電耗大幅度增加；

（3） 由于火花放電，對本體造成電腐蝕，除塵效率衰減快，使用壽命短縮。

3.3 高頻電源技術(shù)特點(diǎn)

高頻電源輸入三相380v/50Hz交流電源，經(jīng)三相整流濾波和IGBT模塊構(gòu)成的高頻逆變（20～50KHz）、高頻變壓整流后，經(jīng)限流電阻R0供給ESP極板。輸出電流、電壓、反饋至控制系統(tǒng)改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅(qū)動器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1）高頻電源的優(yōu)點(diǎn)：

（1）電場擊穿后恢復(fù)快，工頻電源從電場擊穿到電場恢復(fù)約需要80ms，高頻電源從電場擊穿到電場恢復(fù)約需要20ms；

（2） 由于采用高頻電力電子技術(shù)，使功率因數(shù)大幅度提高，在不考慮減排的情況下，可實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能；

（3） 控制方式靈活、體積小、重量輕。

2）高頻電源的缺點(diǎn)：

（1） 高頻高壓電源的控制模式是以檢測火花為前提的。在檢測到火花后，通過較大幅度降壓供電或較短時間內(nèi)停止供電的方式火花，超過火花電壓的部分電能全部浪費(fèi)，低于火花電壓的部分無法全部荷電，“無效”比例較大；

（2） 平均場強(qiáng)遠(yuǎn)低于火花始發(fā)點(diǎn)的臨界電壓，荷電與驅(qū)進(jìn)能力較差；

（3） 為減排，盡可能地向電場輸入能量，造成電能浪費(fèi)；

（4） 由于火花放電對極線和極板產(chǎn)生電腐蝕，使電除塵器效率衰減較快，不僅影響除塵效果，也造成除塵器本體維護(hù)費(fèi)用的增加。

3.4 脈沖電源技術(shù)特點(diǎn)

脈沖電源是混合供電模式，即是指在靜電除塵器直流供電的基礎(chǔ)上疊加高頻脈沖電壓。主要由基礎(chǔ)電壓調(diào)節(jié)電路、脈沖產(chǎn)生電路、保護(hù)電路、脈沖幅值調(diào)節(jié)電路等組成。由脈沖電路構(gòu)成的脈沖電源通過耦合電容一同輸出到靜電除塵器的電場進(jìn)行除塵。瞬間高電壓輸出，提高了電場場強(qiáng)和電暈功率，提高了除塵效率。而且，由于作為基礎(chǔ)直流電壓設(shè)定在火花始發(fā)點(diǎn)以下，也降低了除塵時電能消耗。

1）脈沖電源的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 脈沖電壓上升沿小，持續(xù)時間短，不易觸發(fā)閃絡(luò)，地提高了場強(qiáng)；

（2） 如果本體極配，脈沖電壓幅值匹配，可提高空間自由離子密度，提高粉塵的荷電效率；

（3） 采用間歇脈沖供電技術(shù)來克服高比電阻粉塵引起的反電暈，根據(jù)工況條件變化自動選擇工作方式（選擇間歇脈沖供電的占空比）、自動選擇運(yùn)行參數(shù)，可以提高除塵效率而且還可以較大幅度節(jié)約電能。

2）脈沖電源的缺點(diǎn)：

（1） 其在大功率連續(xù)工作狀態(tài)下，易損毀，抗浪涌電壓和有待商榷，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用很高；

（2） 初期投資太高；

（3） 在國內(nèi)尚無大型電廠應(yīng)用實(shí)際成功案例。

3.5 臨界脈沖電源技術(shù)特點(diǎn)

臨界脈沖電源是將380V三相交流電經(jīng)整流濾波成直流，再逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器升壓后，再經(jīng)“臨界柔性模塊”變?yōu)閹в形⑿∶}動的平穩(wěn)直流。航天電控公司在行業(yè)內(nèi)提出“空間自由離子密度對除塵效率的影響遠(yuǎn)大于場強(qiáng)”的理論并進(jìn)行了量化，提出“臨界區(qū)”的概念并量化應(yīng)用。臨界脈沖電源突破了現(xiàn)有工頻（單相、三相）、高頻及脈沖除塵電源增效節(jié)能的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大幅度（70%以上）減排的同時大幅度（30～80%）節(jié)能，并避免了火花放電產(chǎn)生的電腐蝕從而使本體性能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5.1 臨界脈沖電源的基本原理

臨界脈沖電源采用“硬件儲能與限能、軟件監(jiān)視電壓變化趨勢”的控制方式，從能量梯度控制入手，使工作點(diǎn)保持在空氣放電特性曲線的較高點(diǎn)及其的右側(cè)很小的區(qū)域內(nèi)。體現(xiàn)“可變內(nèi)阻”特性，即，“限能”流注生長，避免產(chǎn)生火花放電。同時，“儲能”以保持高電壓。

3.5.2 臨界脈沖電源的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）具有節(jié)能和長期穩(wěn)定的本質(zhì)

① 臨界脈沖（柔）特性：

臨界脈沖電源具有“硬件儲能與限能”和“微脈沖” 式供電特性，輸出的電壓隨著工況(電場內(nèi)溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、粒度、比電阻以及市電波動)的變化，自動調(diào)節(jié)動態(tài)適應(yīng)，使輸出電壓值穩(wěn)定位于火花始發(fā)點(diǎn)以下臨界區(qū)。

無須大幅降壓或關(guān)斷以熄滅火花，連續(xù)輸出臨界電壓，可實(shí)現(xiàn)理想的也是運(yùn)行中較高的場強(qiáng)（荷電場強(qiáng)、驅(qū)進(jìn)場強(qiáng)）。

使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，空間自由離子密度較大，荷電效率較高。

其工作電壓如下圖所示：

② 高電壓低電流：在使電壓保持在臨界區(qū)的同時，避免了大量的無效電耗，實(shí)現(xiàn)小電流供電。而且，采用高頻技術(shù)功率因數(shù)高。

③ 避免電腐蝕：由于臨界脈沖電源技術(shù)在供電過程都處于無火花放電狀態(tài)，避免了對除塵器本體極線、極板的電腐蝕。

臨界脈沖電源的提效節(jié)能示意圖如下：

（2）集塵

① 場強(qiáng)：平均輸出電壓越高，電場越強(qiáng)，則荷電場強(qiáng)和驅(qū)進(jìn)（集塵）場強(qiáng)越大。使輸出電壓一致保持在“臨界區(qū)”（靜態(tài)火花始發(fā)臨界線及其下面的3%以內(nèi)的區(qū)域），可實(shí)現(xiàn)理想的也是運(yùn)行中較高的場強(qiáng)。

② 空間自由離子：煙塵通過的空間，自由離子越多，則荷電時間常數(shù)越短，荷電速度越快。使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)空間自由電荷多，荷電效率較高。

③ 電暈封閉：高場強(qiáng)和高空間自由氣體離子密度，使電暈放電能力保持狀態(tài)而且，由于電流較小，減少了同量大顆粒粉塵的多余荷電量，電暈封閉。

④ “Z”字型運(yùn)動：低比電阻粉塵離開極板后，由于空間自由氣體離子密度高，再次荷電，利于集塵。

（3）反電暈

反電暈機(jī)理：當(dāng)陽極板灰積到厚度時，比電阻高的灰在荷電后的負(fù)離子向除塵器陽極板趨近過程中，其荷電不容易釋放到陽極板，負(fù)離子逐漸積累到陽極板表面，與陽極板形成類似電容的電場，這個電場將抵消主電場，降低除塵效果；如果電場強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)后，這個電場將局部擊穿激發(fā)出反向正離子向陰極線遷移，造成除塵器電流增大，但消耗的電能沒有起到吸塵作用，這種現(xiàn)象就是反電暈現(xiàn)象。振打周期內(nèi)集塵層所帶的電荷是動態(tài)的，取決于釋放到陽極的電量與重新荷電電量的差值，供電電流越小，則越有利于反電暈。所謂“脈沖式供電反電暈”，其實(shí)質(zhì)就是平均電流較小。

解決方案：低電流

① 平均后續(xù)荷電電流小于荷電后的灰塵放電電流，使陽極板上粉塵積層的再次荷電量小于釋放電量，降低了粉塵層在極板上的電荷積累。

② 平均再荷電電流等于或略大于荷電后的灰塵放電電流，但到下次振打?yàn)橹梗蹓m層電量的積累不足以產(chǎn)生反電暈。

（4）減少二次揚(yáng)塵

① 降低了粉塵層對極板的吸引力，易振打脫落，在振打力度可調(diào)（如電磁振打）的情況下，可適當(dāng)降低振打力度，減少二次揚(yáng)塵。

② 不必?cái)嚯娀驕p壓振打，保持高場強(qiáng)集塵狀態(tài)，則二次揚(yáng)塵。

③ 避免火花放電，減少因火花擊穿而造成的擾動二次揚(yáng)塵。

（5）大幅度節(jié)能

一、二電場，粉塵濃度高，粒徑較大，粉塵荷電用電量也相應(yīng)增加。但粉塵荷電用電量不足目前傳統(tǒng)電源耗電的2%，對電除塵總耗電量基本沒有影響。但高濃度的荷電粉塵會使電場電阻變小，其它電源，為實(shí)現(xiàn)較高場強(qiáng)，被迫輸出了較大電流。從表面現(xiàn)象看，確實(shí)注入了較多能量。但電流越大，造成局部火花放電越多，通過粉塵而傳導(dǎo)的電量也越大，形成浪費(fèi)。火花放電，時間占比很小，但消耗能量巨大。火花放電始發(fā)點(diǎn)與電場介質(zhì)相關(guān)，粉塵濃度高，更易閃落，這也是造成“一、二電場輸入很量”的原因。臨界脈沖電源避免了火花放電（全貫穿火花放電和局部火花放電），大幅度節(jié)電。

綜上所述，而臨界脈沖電源技術(shù)在這些重要方面實(shí)現(xiàn)了革命性的突破，目前是世界上減排效果較強(qiáng)同時節(jié)能幅度較大的電源，是超凈排放中電源的理想選擇。今后將除塵電源技術(shù)發(fā)展方向。