賈林妮肖衍黨

（1.陜西萬(wàn)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(wàn)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(jiǎn)要介紹了電除塵技術(shù)發(fā)展，并針對(duì)靜電除塵電源新技術(shù)——臨界脈沖電源技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)根據(jù)臨界脈沖電源應(yīng)用于300MW火力發(fā)電機(jī)組上的相關(guān)運(yùn)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(lái)我國(guó)多次遭遇大范圍持續(xù)霧霾天氣，其影響范圍、持續(xù)時(shí)間、霧霾強(qiáng)度為歷史少見(jiàn)。不同研究機(jī)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(chē)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(lái)。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)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(mǎn)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(shì)，然而袋式除塵技術(shù)一直以來(lái)存在的技術(shù)問(wèn)題并沒(méi)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(mǎn)足現(xiàn)有排放新規(guī)，本文就此著重對(duì)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(diǎn)及其工程上實(shí)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(lái)的靜電除塵器，由于其除塵效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)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(guò)兩極間的非均勻電廠時(shí)，在放電極周?chē)鷱?qiáng)電場(chǎng)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(chǎng)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(mǎn)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(guò)濾式除塵器的一種，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(guò)濾作用將含塵氣體中的粉塵過(guò)濾出去[1]。布袋除塵器雖然能基本滿(mǎn)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(yáng)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、安全穩(wěn)定性、二次污染、適用條件、實(shí)際效果等局限，難以普及[2]。

如何仍能運(yùn)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(diǎn)。近年，在改進(jìn)電源供電方式的過(guò)程中，設(shè)計(jì)思路不斷創(chuàng)新，電源性能不斷提升。市場(chǎng)上除了正在淘汰的“工頻電源”及其過(guò)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(dòng)器送給 IGBT全橋高頻逆變器以對(duì)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(huì)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(dòng)的平穩(wěn)直流。相關(guān)技術(shù)工作者在國(guó)際上首次提出“空間、自由離子密度對(duì)除塵效率的影響遠(yuǎn)大于場(chǎng)強(qiáng)”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(chǎng)在“二次電子崩”和“流注初期”的“臨界”狀態(tài)時(shí)，“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(diǎn)

1）對(duì)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(yáng)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(chǎng)間受到負(fù)離子碰撞后重新得到負(fù)電荷，再向陽(yáng)極板移動(dòng)。這樣很多粉塵會(huì)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(shí)除塵器的除塵率能達(dá)到99%。而對(duì)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(duì)于高比電阻的粉塵在電廠中的高粘附性，無(wú)法通過(guò)常規(guī)振打清除，即使能進(jìn)行振打，也容易引起二次揚(yáng)塵的現(xiàn)象。如果高比電阻的粉塵長(zhǎng)期積聚極易引起反電暈現(xiàn)象，粉塵層的電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)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(yùn)動(dòng)，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(duì)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(huì)產(chǎn)生完全不同的收塵效果。增強(qiáng)系數(shù)的計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(chǔ)能與限能”和“微脈沖”式供電特性，輸出的電壓隨著工況（電場(chǎng)內(nèi)溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、粒度、比電阻以及市電波動(dòng)）的變化，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最高點(diǎn)及其右側(cè)很小的區(qū)域內(nèi)?！皟?chǔ)能”保持高電壓，“限能”抑制流注生長(zhǎng)，避免產(chǎn)生火花放電。自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)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)，實(shí)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(yáng)塵

臨界脈沖電源技術(shù)在供電過(guò)程極大程度上消除了深度火花放電，無(wú)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)最理想的也是運(yùn)行中最高的場(chǎng)強(qiáng)（荷電場(chǎng)強(qiáng)、驅(qū)進(jìn)場(chǎng)強(qiáng)）。避免了對(duì)除塵器本體極線、極板的電腐蝕，減少本體的維護(hù)，延長(zhǎng)本體的使用壽命。在使電壓保持在臨界區(qū)的同時(shí)，避免了大量的無(wú)效電耗，實(shí)現(xiàn)小電流供電，有效抑制了反電暈機(jī)理[5]；不必?cái)嚯娀驕p壓振打，保持高場(chǎng)強(qiáng)集塵狀態(tài)，有效抑制二次揚(yáng)塵；避免深度火花放電，減少因火花擊穿而造成的擾動(dòng)二次揚(yáng)塵。

2.2 臨界脈沖電源的工程應(yīng)用

近一兩年來(lái)，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(jí)國(guó)產(chǎn)亞臨界抽汽供熱燃煤機(jī)組就在針對(duì)電除塵電源進(jìn)行改造的項(xiàng)目中應(yīng)用了此技術(shù)。該項(xiàng)目機(jī)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(chǎng)靜電除塵器。

電除塵器基本設(shè)計(jì)參數(shù)：

1）型式：臥式雙室四電場(chǎng)（單機(jī)配兩臺(tái)）。

2）處理煙氣量：1598976m3/h。

3）設(shè)計(jì)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(hào)機(jī)組電除塵電源為工頻電源，2014年初將 1號(hào)機(jī)組電除塵器電源改造為臨界脈沖電源。改造后#1機(jī)組鍋爐風(fēng)、粉投入穩(wěn)定，電除塵器各電場(chǎng)正常投運(yùn)，運(yùn)行參數(shù)基本正常，卸灰系統(tǒng)投運(yùn)正常，灰斗無(wú)堵灰等現(xiàn)象，除塵效果明顯改善。表1是對(duì)電除塵器除塵性能改造前后運(yùn)行效果檢測(cè)后的對(duì)比。表2是電除塵器安裝臨界脈沖電源后電流電壓的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 電除塵電源改造前后煙氣濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 電除塵安裝臨界脈沖電源后電能消耗運(yùn)行數(shù)據(jù)表

由表 2可知，1號(hào)機(jī)組電除塵器電源總的消耗功率平均為353kW。按照工頻電源運(yùn)行時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，單臺(tái)機(jī)組電除塵電源總的消耗功率平均為1211kW。由此可推測(cè)，臨界脈沖電源在保證70%以上的減排前提下，同時(shí)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(yàn)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(diǎn)。臨界脈沖電源確保比工頻供電減排70%以上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%～80%；并且三相平衡，無(wú)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(qiáng)，易維護(hù)、費(fèi)用低，可消除電腐蝕使除塵器本體長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行。臨界脈沖電源技術(shù)已進(jìn)入電力、水泥等多個(gè)行業(yè)，并已收到了良好的效果，可以完全滿(mǎn)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(zhǎng)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(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)環(huán)保學(xué)術(shù)年會(huì)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(guó)術(shù).電除塵器反電暈的產(chǎn)生及處理對(duì)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。