閻林松劉延斌

1. 河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003; 2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

淺談高效電源在電收塵器改造中的應(yīng)用

閻林松1,2劉延斌1

1. 河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003; 2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

原有配套的窯尾電收塵器已不能滿足新頒布的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行電收塵器改造比較多的方式是利用電收塵器原殼體，內(nèi)部改造成袋收塵器或者電袋復(fù)合的方式；而利用高效電源也是一個可行的辦法。實踐證明，一個選型設(shè)計合理的電收塵器經(jīng)過消缺處理后，配合先進(jìn)的供電和電控系統(tǒng)可以使出口粉塵排放降低至 15 mg/Nm3甚至更低，完全有能力達(dá)到國家最新環(huán)保要求。

電收塵器 三相電源 收塵效率

0 引言

2013年，國家環(huán)保部推出新的環(huán)境保護法，規(guī)定工業(yè)廢氣中的固體顆粒物排放濃度不得高于30 mg/Nm3，部分地區(qū)小于20 mg/Nm3，許多水泥公司都在進(jìn)行電收塵器的改造。比較多的方式是利用電收塵器原殼體，內(nèi)部改造成袋收塵器或者電袋復(fù)合的方式。這些改造方案都是在收塵面積無法增加、現(xiàn)場空間有限的情況下所采取的。

有些水泥公司在上項目時，對選用的電收塵器已經(jīng)將選型放大了一定的規(guī)格，由于當(dāng)時的電收塵器供電裝置的技術(shù)落后，在實際使用當(dāng)中并未達(dá)到電收塵器的設(shè)計效率。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，在電收塵器改造當(dāng)中利用高效電源也是一個可行的辦法，在這里根據(jù)改造的一個實例進(jìn)行一些探討。

1 改造案例概況

某公司4 500 t/d 三風(fēng)機系統(tǒng)水泥熟料生產(chǎn)線于2007年7月投產(chǎn)。 原有配套的窯尾電收塵器現(xiàn)已不能滿足新頒布的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。為此業(yè)主要求對電收塵器進(jìn)行改造，以達(dá)到新的排放要求。

由于現(xiàn)有電收塵器的改造受限于場地、施工空間大小，在改造方案評估時應(yīng)考慮到現(xiàn)有設(shè)備使用情況、改造停機工期、改造設(shè)備成本和使用成本等因素。在方案討論時，首先考慮的是電袋一體化的方案，由于電袋一體復(fù)合式收塵器后期維護費用高、引風(fēng)機可能需增容改造、停機施工周期長等原因暫沒有被用戶采納。如果利用現(xiàn)有供電裝置，增加電收塵器的收塵面積，卻沒有足夠的空間。

在咨詢了電氣專家后，借鑒發(fā)達(dá)國家電收塵器使用經(jīng)驗，最終和用戶商定的方案是：對原電收塵器進(jìn)行必要的修復(fù)，更換新型高效電源。

2 工藝及設(shè)備參數(shù)情況

該水泥生產(chǎn)線為典型的三風(fēng)機系統(tǒng)并同時運行余熱發(fā)電裝置，有“聯(lián)合操作” 和“直接操作”兩種工藝模式。

（1）窯尾電收塵器采用魯奇型雙室四電場電收塵，型號為 2×28/12.5/4×8/0.4，排放濃度設(shè)計值僅為50 mg/Nm3。

電收塵器實際處理煙氣量：

< 850 000 m3/h （聯(lián)合操作） ，

< 742 000 m3/h （直接操作） ；

電收塵器實際溫度 ：

90 ℃ （聯(lián)合操作） ，

≤ 130 ℃ （直接操作） ；

電收塵器入口含塵濃度：

≤ 80 g/Nm3（聯(lián)合操作） ，

≤ 30 g/Nm3（直接操作） ；

電收塵器出口含塵濃度（設(shè)計值）：

≤50 mg/Nm3；

電收塵器出口含塵濃度（2014 年 4 月標(biāo)定值） ：

≤ 72.15 mg/Nm3（聯(lián)合操作） ，

≤ 81.49 mg/Nm3（直接操作） ；

本體阻力：≤350 Pa ；

漏風(fēng)率（實際值）：≤6% 。

（2）電收塵主要參數(shù)。

電收塵器室數(shù)： 2 個 ；

每個室的電場數(shù)量： 4 個 ；

同極間距：（400±5）mm ；

電收塵器通道數(shù)： 2×28 ；

條帶數(shù)：8個；

陰極振打：側(cè)部振打；

陽極振打：側(cè)部振打；

總的收塵極板面積：22 278 m2；

比收塵面積：94.4 m2/ (m3/s) （聯(lián)合操作），

108.1 m2/ (m3/s) （直接操作） ；

煙氣流速：0.81 m/s（聯(lián)合操作） ，

0.71 m/s（直接操作） 。

在實際應(yīng)用中，為了節(jié)省能源通常將窯尾高溫?zé)煔鈱ιa(chǎn)原料進(jìn)行烘干利用。當(dāng)不進(jìn)行原料烘干時，在“直接操作”狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)行原料烘干時，即工作在“聯(lián)合操作”狀態(tài)。一般直接操作時的煙氣溫度應(yīng)在120～150 ℃，聯(lián)合操作時的煙氣溫度在90 ℃左右[1]。

根據(jù)多依奇效率公式A＝-Qln(1-η) /ω ，推導(dǎo)出：η=1-e-Aω/Q和ω=-Ln(1-η)Q/A;

其中：η—收塵效率，%；

A—收塵極面積，m2；

Q—工況氣體量，m3/h；

ω—驅(qū)進(jìn)速度，cm/s （經(jīng)驗數(shù)值）。

按最大煙氣量：850 000 m3/h核算，

電收塵器入口含塵濃度：

≤ 80 g/Nm3（聯(lián)合操作） ；

電收塵器出口含塵濃度：

≤ 30 mg/Nm3（聯(lián)合操作）。

計算得出粉塵的驅(qū)進(jìn)速度為8.36 cm/s。

（3）結(jié)合魯奇技術(shù)計算的經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外對電收塵器的使用情況，并通過電控生產(chǎn)廠家介紹采用新型的電源技術(shù)完全可以達(dá)到排放≤30 mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。

要到達(dá)此標(biāo)準(zhǔn)需要有個前提條件：電收塵器的整體運行情況要達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計要求。

3 改造方案的實施

（1）首先將電收塵器的內(nèi)部件進(jìn)行更換調(diào)整，對殼體、極間距、極板、電暈線、振打傳動、阻流板、氣流均布裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行仔細(xì)檢查，進(jìn)行消缺處理。

（2）更換 1～4 電場的電源及控制系統(tǒng)，改為三相電源（共8套），提供完整的高壓電控系統(tǒng)，利用美國 B&W 直接進(jìn)口的 SQ300i 三相電控系統(tǒng)及軟件技術(shù)，上海某公司的高壓電控柜、三相硅整流變壓器、高壓隔離開關(guān)、用戶提供的柜間連接電纜及通訊電纜等。

（3）具體內(nèi)容為：

①首先對電收塵的極板的使用情況進(jìn)行檢查，變形的極板進(jìn)行調(diào)整。對陰極框架進(jìn)行調(diào)整，把松動電暈線進(jìn)行更換。對極間距進(jìn)行測量，不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的極間距進(jìn)行調(diào)整。對振打設(shè)施、機械部件進(jìn)行檢查，并對磨損的振打錘進(jìn)行更換，對內(nèi)部件出現(xiàn)的問題進(jìn)行消缺處理，以恢復(fù)正常運行狀態(tài) 。

②將電收塵頂部單相的整流變換為三相變壓器；加大額定輸出容量，將原先的單相 72 kV/1 000 m A提升為三相 80 kV/1200mA。

③將高壓電控柜換為三相控制電控柜 。

④從電控柜到三相變壓器之間可直接使用原有電纜和備用電纜即可。由于三相輸入電流較小，不用另行更換動力電纜。如果原設(shè)備沒有備用電纜，只需增加一根電纜即可。

⑤二次側(cè)信號線重新放線，使用雙絞屏蔽電纜。

⑥保留原有低壓振打加熱柜。

4 單相電源與三相電源的特點對比

4.1 傳統(tǒng)單相電源

傳統(tǒng)單相電源的控制原理是單相工頻交流電經(jīng)過一組正反向可控硅移相調(diào)壓，由變壓器升壓整流為脈沖直流電，給電收塵電場送電（見圖1）。

圖1 單向高壓電源原理

由于其本身原理所限，在實際使用中主要存在以下缺陷及問題：

（1）平均電壓低。傳統(tǒng)單相電源的供電特性決定了負(fù)載的二次平均電壓與峰值電壓之間存在25%～35%的脈動（見圖2），而電收塵器實際瞬間最高電壓又被火花放電所限制，所以往往運行時的平均電壓很低。系統(tǒng)阻抗不匹配，容易產(chǎn)生火花擊穿， 容易出現(xiàn)低電流/低電壓運行狀態(tài)，影響整體的收塵效率，電能轉(zhuǎn)換效率比較低，理論計算效率只有 70%，實際為 66%左右。超過 30% 的電能無法做有用功。

圖2 單相電源輸出電流/電壓波形

（2）不平衡供電。在四電場或十電場實際應(yīng)用中，配電時其中必有一個電場的高壓電源，單相 380 VAC/50 HZ 輸入，一相工作，另兩相處于空載。電收塵器選用的電源規(guī)格越大，不平衡問題就越嚴(yán)重，無法保證電網(wǎng)的功率因數(shù)指標(biāo)。對于一臺1 000 mA/72 kV 的設(shè)備就有 271 A 的電流無法平衡。

4.2 三相高壓電源

B&W公司的新型三相系統(tǒng)主回路是由三組可控硅構(gòu)成的三相移相調(diào)壓電路，高壓硅整流變壓器也是三相輸入、三相輸出、三相整流成一路直流高壓加載到電收塵器。與傳統(tǒng)單相系統(tǒng)相比，三相電源無論從電收塵效率提升還是節(jié)能降耗來說，都具有明顯的優(yōu)勢（見圖3）。

圖3 三相電源原理圖

三相電源的輸出電壓接近純直流波（波紋系數(shù)<1.05），即平均電壓幾乎等于峰值電壓，從而有效地提高粉塵的荷電能力，大幅度提升收塵效率。其收塵效果遠(yuǎn)好于單相電源（見圖4）。

圖4 三相電源輸出電流/電壓波形

根據(jù)多依奇效率公式A＝-Qln(1-η) /ω，其中的ω≌βVpVav, β為電收塵器給定因子；Vp為二次電壓峰值；Vav為二次電壓平均值。上面的公式告訴我們，電收塵器的收塵效率同機械結(jié)構(gòu)、工藝塵源與供電質(zhì)量 （荷電顆粒的有效驅(qū)進(jìn)速度ω及比收塵面積m2/ (m3/s)三者的密切關(guān)系。當(dāng)風(fēng)量（V） 和收塵面積（A）確定下來后，收塵效率與驅(qū)進(jìn)速度ω成正比，而ω的大小取決于供電質(zhì)量的優(yōu)劣，即輸出電壓平均值和峰值的大小，而這就是三相供電的意義所在，即大幅度提升輸出電壓平均值，使之與峰值幾乎相等，從而提高趨進(jìn)速度和收塵效率。與單相電源相比，在相同工藝及機械條件下，三相電源可使電場粉塵排放濃度至少減少30%左右[2]。

三相電源功率因素（輸入/輸出電能轉(zhuǎn)換效率）可達(dá)到95.2%，而傳統(tǒng)單相電源最高只能只有70.7%，實際負(fù)載運行時還會更低。以 1 200 mA/ 72kV變壓器為例，單相電源的輸入電流為325 A，而三相電源只需 138 A。

三相電源各相電壓、電流、磁通的大小相等，相位上依次相差 120°。任何時候電網(wǎng)都是平衡的，是最科學(xué)合理的用電模式[2]。

因為三相電源電能轉(zhuǎn)換效率比單相電源提高25%，三相完全平衡輸入，單臺額定輸入電流可減小 55%以上，輸出二次平均電壓比單相電源提高15%左右，有效提高收塵效率。這些因素都直接轉(zhuǎn)化成節(jié)能的效果。

5 改造后的效果評估

（1）該項目的改造于2014 年7月中旬完成施工、調(diào)試并投入使用。一線窯尾電收塵器改造前后參數(shù)對比見表1。

表1 改造前（單相供電）電壓、電流及改造后（三相供電）電壓、電流情況

（2） 改造后由專業(yè)人員于2014年 8月8日對電收塵出口進(jìn)行了粉塵排放測試，結(jié)果見表2。

表2 一線窯尾煙囪出口 mg/Nm3

（3） 改造完成后電收塵器出口粉塵濃度≤30 mg/Nm3，達(dá)到此次改造的要求。

6 結(jié)束語

通過最終檢測結(jié)果可以看到，一個選型設(shè)計合理的電收塵器經(jīng)過消缺處理后，配合先進(jìn)的供電和電控系統(tǒng)可以使出口粉塵排放降低至 15 mg/Nm3甚至更低，完全有能力達(dá)到國家最新環(huán)保要求。

高壓供電裝置是保障電收塵器高效運行的重要設(shè)備，運行效果好壞與電源有直接關(guān)系，高壓電源的電壓、電流選配恰當(dāng)，則收塵效率高，運行穩(wěn)定，能耗低，否則就相反。

目前一些新上項目在高壓電控上采用了先進(jìn)的高效電源及進(jìn)口控制器技術(shù)，使收塵效果大為提高。但是我們不能盲目地以為采用新型電源就能解決所有的排放問題，需要根據(jù)不同的工藝情況和電收塵器的設(shè)計參數(shù)來分析和解決問題。

目前電收塵器均按低頻環(huán)境配合設(shè)計，內(nèi)部機械件連接均采用螺栓或其他摩擦配合方式緊固，在實際施工中現(xiàn)有緊固方式都會產(chǎn)生連接和接地阻抗的不均，從而不適應(yīng)三相電源或高頻電源系統(tǒng)，產(chǎn)生電壓瞬時下降和相互干擾，頻率愈高干擾愈甚。這也是國外三相電源或高頻電源制造商提供電源的同時對本體焊接及接地都有詳細(xì)要求的原因。

[1] 劉后啟,林宏.電收塵器[M].北京：建筑工業(yè)出版社,1987.

[2] 梁天曉.電除塵器三相高頻高壓電源技術(shù)與性能分析[J].自動化應(yīng)用,2010(07):23-26.

TQ172.687

B

1008-0473(2016)04-0085-04 DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.04.019

2016-04-11）