高頻電源在鋼鐵燒結機尾除塵的應用

吳華明

摘 ?要：文章通過分析高頻電源原理與特點，以及在燒結機尾電除塵器的應用情況，說明鋼鐵行業燒結機尾除塵使用高頻電源可實現粉塵濃度長期、穩定低排放（出口含塵濃度≤30 mg/Nm3），達到國家2012年新出臺的《鋼鐵工業、球團工業大氣污染物排放標準》新要求，為日后鋼鐵行業燒結機尾電除塵器的電源選擇，或是老除塵設備的提效改造，提供借鑒意義。

關鍵詞：鋼鐵行業;燒結機尾;電除塵器;高頻電源;低排放;30 mg/Nm3

中圖分類號：TF805.34 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0026-03

1 ?概 ?述

近幾年來，我國工業取得了高速發展，同時帶來的空氣污染也日益嚴重，越來越多的城市出現大面積的霧霾天氣，嚴重影響到人們的日常生活。鋼鐵工業是污染大戶，因此引起了國家環保部門的高度重視，為控制鋼鐵企業空氣污染，2012年國家環保部門針對鋼鐵工業出臺了新的排放標準要求。

根據《GB 28662-2012鋼鐵工業、球團工業大氣污染物排放標準》的規定，燒結機機尾、帶式焙燒機機尾及其它生產設備，自2012年10月1日起，將執行顆粒物新的排放標準，將顆粒物排放限值從早期的100 mg/Nm3、50 mg/Nm3，降低至30 mg/Nm3。

新標準的執行將對鋼鐵行業燒結機尾等環境電除塵器帶來巨大挑戰，由于燒結機尾等環境除塵煙氣中含塵濃度較高（高時達30 g/Nm3以上），粉塵細，現有電除塵器所配的常規的單相工頻電源因其轉換效率低（一般在70%以下），電壓、電流平均值與峰值差異較大，電場電暈功率低，除塵效率提高受到很大限制。因此，常規工頻電源要達到≤30 mg/Nm3的粉塵排放相當困難。鑒于此，迫切需要尋求一種高效電源以實現粉塵排放到達新標準的要求。

本文通過高頻電源原理與特點的分析，并結合實際工程應用效果，來說明高頻電源應用于鋼鐵行業燒結機尾電除塵器實現低排放的可行性。

2 ?燒結機尾除塵的特點與電源現狀

鋼鐵廠燒結機尾卸料端的除塵（簡稱燒結機尾除塵），機尾卸料端包括機尾卸礦處、單輥破碎、熱篩、冷卻設備的受料、卸料點。這些部位所產生的粉塵量較高，且受燒結工藝、吸塵點斷面風速等因素的影響，粉塵濃度波動很大。現有數據表明，機尾除塵入口煙氣粉塵濃度一般在20 g/Nm3左右，高時能達到34 g/Nm3以上;粉塵顆粒細，小于10微米以下的粉塵占7%～50%不等;煙氣平均溫度為60～160 ℃;粉塵比電阻在109～1 011 Ω cm之間。

當前，電除塵器以其處理煙氣量大、效率高、阻力低、運行維護成本低、壽命長等優點，相對布袋除塵器得到市場更多的青睞，但電除塵器的除塵效率受影響的因素較多，其中供電電源性能最為關鍵，其性能好壞直接影響到電除塵器效率的高低。根據電除塵多依奇公式可知，對于同一臺電除塵器本體，在煙氣工況相同的情況下，粉塵的驅進速度越大，除塵效率越高。而驅進速度與電場平均電壓與峰值電壓成正比，即電場電壓越高，除塵效率也越高。因此，為獲得更高的除塵效率，選擇一種更能提高電場運行電壓的電源至關重要。

當前用于電除塵上的電源種類較多，主要有可控硅調壓單相電源、三相電源，還有恒流電源，高頻電源，脈沖電源等。一直以來，因早期環保要求不高（一般能滿足100 mg/Nm3以下即可），同時考慮到投資的經濟性，機尾除塵電源幾乎全為可控硅調壓單相工頻電源。

隨著環保標準的提高，加之機尾除塵入口濃度較高，粉塵較細，采用工頻電源往往電流較低，電壓不高，除塵效率很難有大的提升，粉塵排放達到50 mg/Nm3尚且能基本滿足，但要達到30 mg/Nm3以下的排放要求，工頻電源則很難實現。

鑒于此，為大力提高機尾電除塵器除塵效率，以滿足日益嚴格的環保排放標準要求，討論研究推廣一種高效電源用于機尾除塵很有必要。

3 ?高頻電源與提高除塵效率原理

3.1 ?高頻電源原理與特點

3.1.1 ?高頻電源工作原理

高頻電源工作原理，如圖1所示，380 V三相交流電源，經整流器整流成直流電源后，再通過全橋串并聯諧振電路逆變成高頻交流（其工作頻率可達到40 kHz），之后經過高頻變壓升壓與高頻整流器整流，輸出0～80 kV的直流高壓電源至電除塵器電場。

3.1.2 ?高頻電源特點

其特點主要有：

①高源電源輸出電壓高、電流大、頻率高，能大幅提高除塵效率，通常能提高除塵效率達30%以上，有時能達到70%。

②效率高電耗小，相比工頻電源節電20%以上。高頻電源的功率因素大于0.9，轉換效率在90%以上，而工頻電源效率一般不到70%。

③高頻電源為三相電源，相對單相工頻電源對電網影響很小，無缺相損耗，對電網不會造成污染，屬于綠色電源。

④高頻電源變壓器與控制柜為一體式，體積小、重量輕，不到工頻電源三分之一。

3.2 ?提高除塵效率原理

高源電源輸出電壓高、電流大、頻率高，能大幅提高除塵效率，通常能提高除塵效率達30%以上，有時能達到70%。其提高除塵效率的原因主要有三：

第一，高頻電源紋波系數很小，輸出電壓波形近似一條直線，因此大大提高了電除塵器的運行平均電壓和電流，可有效抑制電暈封閉的發生，非常適合于比電阻較適中的粉塵和粉塵濃度較高的煙氣工況。高頻電源直流供電波形，如圖2所示，間歇供電二次電壓波形，如圖3所示。

由電除塵理論可知：

η=1-e■W=1-e-fw

w=kαΕ2/μ=βVPVAV

式中：η為除塵效率;

A為收塵極板面積;

Q為煙氣量;

f為比集塵面積，ω為粉塵驅進速度;

E為塵粒所處的電場強度;

μ為滯-粘系數;

k為系數;

a為塵粒半徑;

β為常數;

Vp為二次電壓峰值;

VAV-二次電壓平均值。

從上述公式可知，電除塵器除塵效率與電壓峰值與平均值乘積成正比，因此，對于同一臺除塵器，在煙氣工況不變的情況下，電場運行電壓峰值與電壓平均值越高，電除塵器效率越高。高頻電源工作時的諧振頻率一般在30～40 kHz之間，紋波系數小于3%，在直流供電的模式下，它的二次電壓波形近似一條直線，因此在同一個火花閃絡點，高頻電源輸出直流平均電壓比工頻電源平均電壓要高出許多（大約在30%），從而大大提高了運行電壓和電流，提高了除塵效率。如圖4所示。

在出現電除塵器因入口煙塵濃度過大造成電暈封閉時，常規工頻電源提高二次電流非常困難，但采用高頻電源則很容易將運行電流提高一倍以上，如此就有效抑制了電暈封閉的發生，提高了除塵效率。

第二，高頻電源可有效抑制反電暈發生，提高高比電阻粉塵的除塵效率。眾所周知，高比電阻粉塵因釋放電荷緩慢，極易因此發生發電暈，造成二次飛揚嚴重，除塵效率下降。而抑制反電暈的有效方法之一就是采用間歇供電，并選擇合適的占空比。因高頻電源工作頻率在30～40 kHz之間，相對于工作頻率為50 Hz的常規工頻電源，其歇供電時開通與關斷時間可調范圍大很多，脈沖寬度更窄、脈沖頻率選擇范圍更寬、電壓上升率更陡峭，因此更加有效抑制反電暈的發生，從而提高了高比電阻粉塵的除塵效率。

第三，高頻電源串并聯混和諧振逆變器具有良好的恒流特性，因此可以有效抑制電流的大幅波動，以及電場火花電流的沖擊，并能快速熄滅火花，迅速恢復電場電壓，從而使電場能夠獲更高的電暈功率，提高除塵效率。

綜上所述，高頻電源的性能特點毫無疑問能更好地適應電除塵器粉塵入口濃度大與比電阻高的工況，能有效解決電暈封閉和克服反電暈現象，使除塵器效率更能得到保證。

4 ?高頻電源在機尾除塵的應用情況

4.1 ?設備概況

安徽蕪湖新興鑄管有限公司一期265 m2燒結工程，配套240 m2雙室四電場電除塵器，設備于2012年5月份投運。電除塵器有關設計參數，見表1。

4.2 ?運行情況

機尾電除塵設備自2012年5月投運至今已有三年時間，電場運行電壓電流穩定，除塵效率高，粉塵排放一直很平穩，電除塵出口粉塵排放濃度近三年的測試結果均在30 mg/Nm3以下，見表2。

從上表可以看出，設備投運的三年來，電除塵器運行電壓比較穩定，一直保持在60～75.3 kV之間;除塵效率良好，出口粉塵排放濃度在20.7～28.2 mg/Nm3之間。

5 ?結 ?語

高頻電源功率因素高、效率高，輸出電暈電流電壓高，用于鋼鐵行業燒結機尾電除塵器供電電源，可實現出口粉塵濃度小于30 mg/Nm3的長期、穩定低排放要求。鑒于此優點，高頻電源可在鋼鐵燒結機尾除塵提效改造上大力推擴應用。

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