淺談組合高壓供電技術提高燒結機頭電除塵器除塵效率

陳建學

摘 要：文章針對燒結機頭煙氣、煙氣特點，對影響機頭電除塵器運行效率的主要因素進行簡單的分析，并簡述各種電除塵器高壓供電設備優缺點，力求通過各類電氣控制組合技術，穩定或提高機頭除塵器除塵效率。

關鍵詞：燒結機頭；氣流分布；比電阻；振打清灰；高頻電源；脈沖電源

1 概述

在國家經濟發展的過程中，鋼鐵行業始終具有基礎性地位。現階段，中國的鋼鐵企業經過了近十年的飛速發展，已經使我國成為了第一大產鋼國，但鋼企重污染、高耗能，嚴重地制約著企業的可持續發展，更嚴重地影響了整個社會環境。目前，國內鋼鐵生產過程中主要使用的就是高爐煉鐵氧氣頂吹轉爐煉鋼技術，其中重要工序就是燒結。據不完全統計，燒結機頭排放的粉塵占整個鋼廠粉塵排放總量一半以上。因此，鋼廠的粉塵排放，當務之急是先治理好燒結機頭的粉塵排放。因此，找到更加符合燒結機頭的除塵技術是未來的燒結系統除塵技術的發展趨勢。

2 影響機頭除塵器除塵效率的主要因素

2.1 方案選型因素

原有除塵器方案選型不合理，先天處理能力不足，無法滿足現有環保排放要求。

2.2 煙氣溫度因素

由于燒結工藝控制不好，進入除塵器的煙氣溫度比設計值高，煙氣的氣體密度減少，氣體的擊穿電壓降低。同時，煙氣中的粉塵受高溫度影響（1）比電阻增大，不容易荷電；（2）粉塵粘滯性增大，趨近速度降低。總體表現為煙溫增大，除塵效率降低。

2.3 粉塵比電阻因素

由于國內鋼鐵產量年年攀升，國內富鐵礦石資源日趨匱乏，各大鋼鐵集團公司大量從海外進口鐵礦石，由于海外礦石，特別從澳洲進口的礦石中，鉀、鋁成分偏高，再加上海運過程中為防止揚塵等目的，往往被人為摻入大量的海水，燒結后進入機頭電除塵器的粉塵中鉀、鈉、鋁等堿金屬含量較高，粉塵表現為顆粒很細、絮狀、比電阻高（1011～1012Ω.cm）、不容易荷電等情況，除塵效果差。

2.4 氣流分布因素

原有除塵器未通過“CFD數值模型軟件實驗”來指導煙道及進口喇叭氣流分布設計，安裝完成后也未進行現場氣流分布實驗來調整導流和分布板，整體除塵設備氣流分布不均，未能發揮除塵器整體除塵能力。

2.5 振打清灰因素

由于大量使用海外，煙氣中的粉塵堿金屬含量高，粉塵呈棉絮狀，輕、細粘性強，當粉塵吸附于陽極板后，不易放電，也不容易通過振打剝離。當有部分絮狀粉塵受振打力從極板上剝離時，由于質量輕易漂浮煙氣中，往往煙氣直接帶出除塵器，降低除塵效果。

2.6 殼體漏風因素

燒結機頭除塵器長期處于負高壓運行，殼體密封不嚴，外部漏入冷空氣，除塵器處理的風量加大，電場內氣流紊亂，降低除塵效果，冷空氣入侵，煙氣溫度降低，結露情況發生，殼體漏風點處腐蝕嚴重加劇漏風，靠近漏風點處極板極線積灰嚴重，除塵效率降低。

2.7 安裝質量因素

機頭除塵器處理煙氣量大，除塵器斷面大，設備上無法整體供貨，均是工廠加工好各部件，發運至現場拼裝。因此，安裝質量直接影響除塵效率。

2.8 電控技術因素

電控設備是除塵器的中樞，只有電氣設備和除塵本體有機結合，才能確保發揮效率。前些年，國內機頭除塵器基本上配置工頻高壓電源，雖基本上能滿足高壓供電要求，在針對高比電阻粉塵時，雖部分設備廠商從計算機智能控制方面入手，希望通過軟件自動進行設備運行參數調整，采用間歇供電方式抑制反電暈，改善除塵器的運行狀態等來穩定除塵效率，但由于工頻電源本身性能的局限性，效果不明顯。

3 組合高壓供電技術提高除塵效率

直流高壓整流設備新技術簡介：

3.1 高頻高壓電源

高頻高壓電源與傳統的可控硅控制工頻電源相比性能優異，具有輸出紋波小、平均電壓電流高、體積小、重量輕、成套設備集成一體化、轉換效率與功率因數高、采用三相電源對電網影響小等多項顯著優點。特別是可以較大幅度地提高除塵效率，所以它是傳統可控硅工頻電源的革命性的更新換代產品，實現了電除塵器供電電源技術水平質的飛躍，極大地拓展了電除塵器的適應范圍，對我國環保設備配套電源產品的產業結構調整和優化升級產生了重要的影響。

3.1.1 基本原理

如圖1所示，三相交流輸入整流為直流電源，經全橋逆變為高頻交流，隨后升壓整流輸出直流高壓。高頻電源工作頻率可達40kHZ，主要包括三個部分：變換器、變壓器、控制器。其中全橋變換器實現直流到高頻交流的轉換，高頻變壓器/高頻整流器實現升壓整流輸出，為ESP提供供電電源。

3.1.2 優越的性能特點

高頻電源主要有三大優點，最主要的優點是能有效提高除塵效率，其次是能夠節能降耗，并且高頻電源采用三相輸入，屬于綠色電源，對電網不會產生污染。

3.2 脈沖高壓電源

電除塵器用高壓脈沖電源，是一種即能提供直流（DC）供電，又能提供直流疊加脈沖（DC+PULSE）供電的電除塵器供電電源，可有效抑制反電暈，提高電場力，提高除塵效率。

3.2.1 基本原理

如圖2所示，脈沖高壓電源由兩部分組成，一是由基礎高壓單元，通常是由常規電源、高頻電源、三相電源產生基礎電壓（電壓輸出40～60kV），用于電場保持起暈狀態，空氣電離，產生大量的負離子，讓煙氣中的粉塵充分荷電。二是脈沖高壓單元，疊加在基礎高壓之上，可疊加最大峰值80kV高壓脈沖，疊加后的峰值電壓可達140kV以上，提高電場力，讓輕、細的荷電粉塵，瞬間吸附于極板上，大大提高除塵效率。

3.2.2 優越的性能特點：a.提高火花閃絡閾值b.增加粉塵荷電c.克服高比電阻粉塵的反電暈d.增加二次電壓峰值e.降低二次平均電流f.可調整單個脈沖能量的大小和脈沖重復頻率，適用于各種粉塵特性的煙氣工況。

3.3 組合高壓供電技術組合方式及提效介紹

3.3.1 組合方式

高頻高壓電源+脈沖高壓電源

3.3.2 提效原理

前級設置高頻高壓電源，提高電暈功率，增加運行電流，使穿過前電場煙氣中的粉塵充分荷電。后電場配置脈沖電源，抑制反電暈，降低無功電流，高能脈沖瞬間提高電場力，增加粉塵趨近速度，增加輕、細粉塵捕捉能力。兩種高壓供電方式黃金組合，大大提高除塵效果。

（1）增加前電場電暈功率，煙氣充分荷電，提高除塵效率。電除塵器前級電場，由于處于煙氣入口端，粉塵濃度高、煙氣流程較不均勻，工況變化大，往往運行電壓低，易閃絡放電等特點。由電除塵理論可知，電除塵器的效率與帶電粒子在電場中的驅進速度ω成正比，驅進速度與電場強度的平方成正比，電場強度與電場間施加的電壓成正比。因此，電除塵器的效率與電場的運行電壓的平方成正比。高頻電源輸出直流電壓比工頻電源平均電壓要高約30%，因為工頻電源峰值電壓在電除塵器電場中觸發火花，顯著的限制了加在電極上的平均電壓。而高頻電源諧振頻率為30～40KHz，同常規的工頻電源相比，高頻電源紋波系數小于5%，在直流供電時它的二次電壓波形幾乎為一條直線，高頻電源提供了幾乎無波動的直流輸出，這使得靜電除塵器能夠以次火花發生點電壓運行，從而提高了電除塵器的供電電壓和電流，增大了電暈功率的輸入，讓通過前電場的粉塵充分荷電，提高了電除塵器的效率。

前電場采用高頻電源大幅度提高了前電場輸入功率，提高了前電場的除塵效率，減輕了后電場的負擔，后電場由于需處理的粉塵濃度降低，配置的脈沖電源可靈活地調整各種供電方式（如：采取間歇脈沖供電方式），有效降低運行功率。

（2）后級電場配置脈沖高壓電源有效抑制反電暈，提高運行電壓，節能提效。前面所述，由于進口礦本身堿金屬含量高且加上海運等原因，燒結后進入機頭電除塵器煙氣，粉塵程棉絮裝，輕、細、比電阻高因素，造成電除塵器后電場極板積灰嚴重，運行參數體現電壓低、電流大等特點，反電暈嚴重，能耗高、除塵效果差。后級電場配置脈沖電源，能有效地抑制反電暈，提高運行電壓，實現節能提效。

a. 反電暈現象分析：反電暈是在電除塵器中沉積在極板表面上的高比電阻粉塵層所產生的局部放電現象。高比電阻粉塵到達收塵極板后不易釋放。其極性及電暈極相同，便排斥后來的荷電粉塵，由于粉塵層的電荷釋放緩慢，粉塵間形成較大的電位梯度，當粉塵層中的電場強度大于其臨界值時，就會在粉塵層的空隙間產生局部擊穿，產生與電暈極極性相反的正離子，并向電暈極運動，中和電暈極帶負電的粒子。其表現為電流增大，電壓降低，粉塵二次飛揚嚴重，使得收塵性能顯著惡化。

b. 脈沖電源有效抑制反電暈：電除塵器是一個等效電容體，整流變壓器是個電感元件，當運行電壓提高到一定程度時，運行電流將非線性地迅速增加，電流大幅度增加，抑制了運行電壓的提高。機頭除塵器后電場普遍反電暈嚴重，大量自由電子來不及使粉塵荷電，就和反電暈產生的正離子中和，以光能或熱能的形式被消耗掉，表現為二次電流急劇加大，二次電壓反而降低等情況。減少反電暈的有效辦法就是減少電暈電流，降低收塵極吸附的粉塵層積聚的電荷。針對高比電阻粉塵，脈沖高壓電源正好能有效地抑制反電暈的產生：

基準高壓供電單元給電場提供基準起暈電壓，確保電場工作在臨界無火花狀態，一是確保氣體電離，產生大量的電子，保證粉塵充分荷電，另一是確保基礎電壓控制在反電暈起點之前，避免由于深度反電暈，造成電流急劇加大，電壓下降情況發生；粒子在電場中的荷電以電子的電場荷電和動能擴散荷電為主，在有效基礎電壓基礎上疊加脈沖電壓，實現階躍脈沖供電。高壓脈沖前沿，提升電場的峰值電壓，產生瞬間高強電場，既激發出了大量的自由電子，又加快電子運動速率，增加了粒子的電子荷電量，充分發揮高電場下作用下粒子對電子快速核電的特點。實驗表明，在高強電場中粒子對電子的荷電量，比對離子的荷電量要高出50%以上，這樣就可有效抑制反電暈造成的大電流；基準電壓+脈沖高壓疊加，既能維持電場的電暈電壓（即保證了荷電粉塵的驅進速度），又降低了陽極板粉塵層的表面電位，最大程度地遏制了反電暈現象的發生，大大提升了電除塵器對高比電阻粉塵、高濃度粉塵等復雜工況的適應能力；在滿足粉塵排放標準的前提下，可通過階躍脈沖供電波形的調整，實現節能控制。

3.4 電源組合技術優劣性分析

高頻電源+脈沖電源組合技術，主要是針對機頭電除塵器處理煙氣工況變化大，粉塵比電阻高等復雜特性進行配置，應該說，在目前電除塵器電源配置上屬豪華配置，主要優劣性如下：

（1）優點。a.工況適應性好；b.節能效果好；c.提效明顯；d.相對本體改造，改造成本低，時間短，改造方便。

（2）劣勢。a.相對普通工頻電源，電氣控制方面投資成本增加；b.備品通用性差；c.設備維保人才要求提高。

4 結束語

隨著國家環保新規定的出臺，顆粒物排放限值指標更加嚴格，大部分原有的機頭電除塵器需進行提效改造。在改造方案選擇上，大部分廠家采用除塵器本體加大、加高以及加長等方式進行改造，可以在一定程度上實現提高除塵效率的目的，但是由于受到場地的限制以及投資大等因素影響，很難得以實現。文章所述組合高壓供電電源技術改造，工期短、成效快，能有效提高除塵效率，確保環保排放要求的同時又實現節能降耗目的，貼近國家現有“節能降耗、綠色環保”主題的要求，意義深遠。特別對一些除塵效率尚可，排放接近達標的除塵器，采取組合高壓供電技術改造，配合原有電除塵器本體恢復性大修，完全可以滿足環保排放要求，應該是目前機頭電除塵器改造最經濟、最可靠、最便捷的改造方式。

參考文獻

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