臨界脈沖電源在靜電除塵器上的應(yīng)用

賈林妮肖衍黨

（1.陜西萬方節(jié)能科技股份有限公司，西安 710065；2.陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)新能源發(fā)展有限公司，西安 710016）

臨界脈沖電源在靜電除塵器上的應(yīng)用

賈林妮1肖衍黨2

（1.陜西萬方節(jié)能科技股份有限公司，西安 710065；2.陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)新能源發(fā)展有限公司，西安 710016）

簡要介紹了電除塵技術(shù)發(fā)展，并針對靜電除塵電源新技術(shù)——臨界脈沖電源技術(shù)特點進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時根據(jù)臨界脈沖電源應(yīng)用于300MW火力發(fā)電機組上的相關(guān)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，從而為臨界脈沖電源在靜電除塵器上的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

電除塵；高頻電源；臨界脈沖電源；節(jié)能減排

近年來我國多次遭遇大范圍持續(xù)霧霾天氣，其影響范圍、持續(xù)時間、霧霾強度為歷史少見。不同研究機構(gòu)的研究成果表明，造成霧霾的主要原因是工業(yè)煙塵和汽車尾氣。工業(yè)煙塵治理被排到了各大工業(yè)企業(yè)的重要日程上來。長期以來我國一直處于靜電除塵技術(shù)一統(tǒng)天下的局面，當(dāng)前由于環(huán)保提出新一輪的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的靜電除塵技術(shù)難以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，于是又出現(xiàn)了除塵技術(shù)向袋式除塵發(fā)展的趨勢，然而袋式除塵技術(shù)一直以來存在的技術(shù)問題并沒有得到有效解決，所以也難以占據(jù)除塵領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。由于靜電除塵技術(shù)公認(rèn)的高效性，如何突破傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)的瓶頸，進(jìn)一步提高其除塵效率以滿足現(xiàn)有排放新規(guī)，本文就此著重對靜電除塵新的電源技術(shù)臨界脈沖電源技術(shù)的原理、特點及其工程上實際應(yīng)用進(jìn)行了論述。

1 電除塵技術(shù)的發(fā)展

在工業(yè)塵源治理的除塵設(shè)備中，20世紀(jì)初發(fā)展起來的靜電除塵器，由于其除塵效率高、運行費用低、維護(hù)管理簡單方便等優(yōu)點在除塵領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。電除塵器的放電極和收塵極接于高壓直流電源，當(dāng)含塵氣體經(jīng)過兩極間的非均勻電廠時，在放電極周圍強電場作用下，氣體首先被電離，并使粉塵粒子荷電，荷電后的粉塵粒子在電場力的作用下移向集塵極，從而達(dá)到除塵的目的。

隨著新一輪“超低排放”的提出，工業(yè)煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高，原靜電除塵器性能難以滿足環(huán)保要求，一度出現(xiàn)了由靜電除塵轉(zhuǎn)為布袋除塵方式的傾向。

袋式除塵器是過濾式除塵器的一種，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中氣體的粉狀原料及產(chǎn)品的捕集，它是利用多孔纖維材料的過濾作用將含塵氣體中的粉塵過濾出去[1]。布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、運轉(zhuǎn)費用高、故障率高、維護(hù)管理不方便、二次污染等弱點，只能作為一定范圍內(nèi)的不得已的選擇。

另外，近年興起的“濕式電除塵”、“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”、“本體擴容”等技術(shù)，由于空間、成本、運行維護(hù)費用、安全穩(wěn)定性、二次污染、適用條件、實際效果等局限，難以普及[2]。

如何仍能運用靜電除塵器除塵又能提高除塵效率達(dá)到節(jié)能減排的目的。除塵電源及其控制系統(tǒng)的技術(shù)性能突破成為除塵領(lǐng)域的聚焦點。近年，在改進(jìn)電源供電方式的過程中，設(shè)計思路不斷創(chuàng)新，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，還有“脈沖”和“高頻”等新型電源。

高頻電源為輸入三相380V/50Hz交流電源，經(jīng)三相整流濾波和IGBT模塊高頻20～40kHz逆變、高頻變壓整流后，經(jīng)限流電阻R，供給電除塵極板。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)。然而高頻電源減排和節(jié)能幅度有限，在減排模式下不節(jié)能反而比工頻電源耗能，電腐蝕也會造成除塵器的性能衰減和使用壽命縮短。

2 新型靜電除塵臨界脈沖電源技術(shù)介紹

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。相關(guān)技術(shù)工作者在國際上首次提出“空間、自由離子密度對除塵效率的影響遠(yuǎn)大于場強”的理論，提出“臨界區(qū)”的概念并量化應(yīng)用。從各種研究數(shù)據(jù)看，電場在“二次電子崩”和“流注初期”的“臨界”狀態(tài)時，“空間自由離子密度”才能最大化且利于粉塵荷電。圖1所示為臨界脈沖電源的工作電壓曲線。

圖1 臨界脈沖電源的工作電壓曲線

2.1 臨界脈沖電源的主要特點

1）對高比電阻粉塵的驅(qū)進(jìn)速度的影響

在電除塵器的粉塵中小于104Ω·cm的低比電阻粉塵有較好的導(dǎo)電能力。當(dāng)荷電粉塵到達(dá)陽極板后釋放出負(fù)電荷，由于失去靜電吸附力重返氣流。粉塵在電場間受到負(fù)離子碰撞后重新得到負(fù)電荷，再向陽極板移動。這樣很多粉塵會出現(xiàn)沿極板表面跳躍地前進(jìn)的現(xiàn)象，最后被氣流帶出除塵器致使除塵效率較低。最易于電除塵除去的粉塵比電阻在104～1011Ω·cm 之間，此時除塵器的除塵率能達(dá)到99%。而對于高比電阻的粉塵的除塵率一直是影響電除塵除塵效率的主要因素。其他電源對于高比電阻的粉塵在電廠中的高粘附性，無法通過常規(guī)振打清除，即使能進(jìn)行振打，也容易引起二次揚塵的現(xiàn)象。如果高比電阻的粉塵長期積聚極易引起反電暈現(xiàn)象，粉塵層的電場強度就會在粉塵層的空隙間產(chǎn)生局部擊穿，產(chǎn)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(fù)電的粒子，使電除塵器極板電流增大，電壓降低，嚴(yán)重降低除塵效率。

臨界脈沖電源相比于工頻、高頻電源對高比電阻的粉塵除塵效果明顯，主要由于脈沖電源能有效的提高比電阻粉塵的趨進(jìn)速度，提高除塵效率達(dá)到99.9934%。如圖2所示，同收塵面積的靜電除塵器在使用不同電源的控制系統(tǒng)會產(chǎn)生完全不同的收塵效果。增強系數(shù)的計算公式為H=Wp/Wdc，其中Wp為應(yīng)用脈沖電源后的粉塵驅(qū)進(jìn)速度，Wdc為應(yīng)用常規(guī)電源后的粉塵趨近速度。

圖2 比電阻與增強系數(shù)關(guān)系圖

從圖2可以看出，粉塵的比電阻越高，應(yīng)用臨界脈沖電源后設(shè)備的粉塵驅(qū)進(jìn)速度增強系數(shù)越高，除塵效果越明顯[3]。

2）可根據(jù)工況靈活調(diào)整供電電壓

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，從能量梯度控制入手，使工作點保持在空氣放電特性曲線的最高點及其右側(cè)很小的區(qū)域內(nèi)。“儲能”保持高電壓，“限能”抑制流注生長，避免產(chǎn)生火花放電。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)點以下臨界區(qū)，實現(xiàn)了空間自由粒子密度最大化[4]。

3）消除電腐蝕、抑制反電暈、二次揚塵

臨界脈沖電源技術(shù)在供電過程極大程度上消除了深度火花放電，無須大幅降壓或關(guān)斷以熄滅火花，連續(xù)輸出臨界電壓，可實現(xiàn)最理想的也是運行中最高的場強（荷電場強、驅(qū)進(jìn)場強）。避免了對除塵器本體極線、極板的電腐蝕，減少本體的維護(hù)，延長本體的使用壽命。在使電壓保持在臨界區(qū)的同時，避免了大量的無效電耗，實現(xiàn)小電流供電，有效抑制了反電暈機理[5]；不必斷電或減壓振打，保持高場強集塵狀態(tài)，有效抑制二次揚塵；避免深度火花放電，減少因火花擊穿而造成的擾動二次揚塵。

2.2 臨界脈沖電源的工程應(yīng)用

近一兩年來，臨界脈沖電源在工業(yè)電除塵器節(jié)能減排技術(shù)改造中得到了廣泛地應(yīng)用。大唐集團(tuán)某熱電廠2×300MW等級國產(chǎn)亞臨界抽汽供熱燃煤機組就在針對電除塵電源進(jìn)行改造的項目中應(yīng)用了此技術(shù)。該項目機組采用東方鍋爐有限公司生產(chǎn)的亞臨界自然循環(huán)鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1025t/h，額定蒸發(fā)量為 960t/h，電除塵器采用蘭州電力制造廠生產(chǎn)的臥式雙室四電場靜電除塵器。

電除塵器基本設(shè)計參數(shù)：

1）型式：臥式雙室四電場（單機配兩臺）。

2）處理煙氣量：1598976m3/h。

3）設(shè)計效率：99.86%。

4）本體漏風(fēng)：＜3.0%。

5）本體阻力：＜245Pa。

6）入口煙塵濃度：24.5g/Nm3。

改造前1號機組電除塵電源為工頻電源，2014年初將 1號機組電除塵器電源改造為臨界脈沖電源。改造后#1機組鍋爐風(fēng)、粉投入穩(wěn)定，電除塵器各電場正常投運，運行參數(shù)基本正常，卸灰系統(tǒng)投運正常，灰斗無堵灰等現(xiàn)象，除塵效果明顯改善。表1是對電除塵器除塵性能改造前后運行效果檢測后的對比。表2是電除塵器安裝臨界脈沖電源后電流電壓的運行數(shù)據(jù)。

表1 電除塵電源改造前后煙氣濃度試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表2 電除塵安裝臨界脈沖電源后電能消耗運行數(shù)據(jù)表

由表 2可知，1號機組電除塵器電源總的消耗功率平均為353kW。按照工頻電源運行時采集到的數(shù)據(jù)，單臺機組電除塵電源總的消耗功率平均為1211kW。由此可推測，臨界脈沖電源在保證70%以上的減排前提下，同時比工頻電源節(jié)能70%。

從上述例子我們可以看出，在電力系統(tǒng)的靜電除塵方面“臨界脈沖電源”的有效性和可行性已經(jīng)得到了驗證。

3 結(jié)論

由此，我們可以看出臨界脈沖電源已成為電除塵電源技術(shù)性能的重大突破點。臨界脈沖電源確保比工頻供電減排70%以上，實現(xiàn)節(jié)能30%～80%；并且三相平衡，無缺相損耗，適應(yīng)不同灰質(zhì)，除塵效率高，抗高低溫、高濕、低壓能力強，易維護(hù)、費用低，可消除電腐蝕使除塵器本體長期穩(wěn)定高效運行。臨界脈沖電源技術(shù)已進(jìn)入電力、水泥等多個行業(yè)，并已收到了良好的效果，可以完全滿足超低排放新政策的要求。

[1]郭立新.提高水泥廠電除塵器除塵效率措施的研究與應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué),2004.

[2]黃三明.電除塵器技術(shù)的發(fā)展與展望[C]//中國硅酸鹽學(xué)會環(huán)保學(xué)術(shù)年會論文集,2008.

[3]依成武,曲文明,馬帥,等.提高靜電除塵器粉塵趨進(jìn)速度方法研究[J].環(huán)境工程,2010(4):49-52.

[4]超低排放技術(shù)產(chǎn)品資料.北京中陸能環(huán)科技有限公司[Z].2013.

[5]徐亞權(quán),史志龍,冷國術(shù).電除塵器反電暈的產(chǎn)生及處理對策[J].黑龍江電力,2003,25(4):303-305.

Critical Pulse Power Application in the Electrostatic Precipitator

Jia Linni1Xiao Yandang2
(1.Shaanxi Wanfang energy-saving technology Co.,Ltd,Xi’an 710065;2.Shaanxi Gas Group New Energy Development Co.,Ltd,Xi’an 710016)

After briefly introducing the ESP technology development based on the new technology for the electrostatic precipitator power-critical characteristics of pulsed power technology elaborated,and applied to the relevant operational data on 300MW thermal power generating units were analyzed according to the critical pulse power,thus providing a scientific basis for the critical pulse power applications in the electrostatic precipitator.

ESP;frequency power;critical pulse power;energy saving

賈林妮（1984-），女，陜西省寶雞市人，本科，工程師，主要從事工業(yè)節(jié)能技術(shù)工作。