高频电源及脉冲电源在烧结机头电除尘器改造中的应用.doc

高频电源及脉冲电源在烧结
机头电除尘器改造中的应用研究

摘要：随着国家环保要求对排放指标的提高，烧结机头电除尘器面临着升级改造的问题。本文介绍了机头电除尘器改造的几种思路，着重介绍了高频电源及脉冲电源对烧结机头电除尘器降低排放的理论依据及实际应用。
关键词：烧结，机头电除尘器，高频电源，脉冲电源

1 引言
随着当前大气污染形势日趋严峻，国家出台了新的环保排放标准。《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》中规定，烧结机头排放标准提高至50mg/m3，限值地区为40mg/m3，部分地方规定甚至达到30mg/m3。由此可见国家的环保标准提高到了一个更高的水平。新标准对排放值要求的指标提高幅度较大，因此新标准发布之前建成的大部分烧结机头电除尘器均面临技术升级改造问题。
2 几种电除尘器改造思路
为提高电除尘器的排放指标，目前的改造方案总体上可分为三类，第一类为除尘器本体改造，第二类为除尘器电源改造，以及根据实际情况将二者结合进行改造。除尘器本体改造包括增加电场方案、加高电场方案、末电场采用旋转极板方案、采用电袋方案等。除尘器本体改造方案普遍存在工期长、投资大，且受场地制约等不利因素。而电源改造方案的工期短甚至可以在线改造，投资也相对较低，且不受场地制约。因此，从电源改造入手为电除尘器的改造提供了另一种思路。
3 高频电源及脉冲电源在机头电除尘器改造中的应用
3.1 烧结机头电除尘器的特点
1）工况稳定性差导致烟气温度变化范围大，使电除尘器工况处于剧烈变化状态，除尘效果不稳定；
2）烟气粉尘中碱金属氧化物含量高，比重轻，粘度大，粉尘颗粒细。粉尘被吸附在阳极板、阴极线上后，难以清除，造成板、线积灰严重，易造成电晕闭塞及反电晕现象发生，影响除尘效率；
3）粉尘比电阻高。由于粉尘比电阻高，尤其产生高碱度烧结矿时， 比电阻值甚至达到1012Ω·cm以上，造成荷电困难，同时粉尘被吸附在阳极板、阴极线上后，很难释放电荷，在电场力的作用下很难被振打力清除，从而极易产生“反电晕”现象，降低除尘效率；
4）烟气含湿量大。水分与硫反应生成的酸性物质腐蚀设备，同时增加粉尘附着力，造成清灰困难；
5）粉尘粒径小。粒度＜5μm的粉尘占30%以上；
6）烟气负压高。达到近20Kpa，易使设备漏风，造成气流分布不均，且漏风处温度下降，造成局部结露积灰，绝缘降低，产生爬电，导致除尘效率下降。
3.2 烧结机机头电除尘器使用高频电源的必要性
由于前级电场烟气中粉尘量较大，导致荷电粉尘在电场中互相阻碍彼此受到电场作用力，减缓了荷电粉尘趋向极线、极板的速度，大大增加了空间电荷数量，从而使电场的电晕电流降低；而大量粉尘进入电场后，还必然导致电场击穿电压降低，火花闪络频繁，从而又降低了电晕电压平均值Vai；针对这种工况，一方面必须提高电场内部的可流通、供荷电的离子数量，即提高电晕电流，以更多的离子数量与粉尘碰撞荷电；另一方面必须提高平均电晕电压，增强电场强度，使电除尘电场出力增加，以有效提升除尘效率。然而当前单相工频电源由于控制理念与控制技术的局限性，使之受供电的正弦波的波峰、波谷影响很大，峰值电压来临时，可能引起电场火花闪络，而谷值电压来临时，又降低了电场的平均电晕电压。总之，无论是电场火花闪络，还是碰遇谷值电压，都会降低电场的平均电晕电压，降低电场作用力，降低除尘效率。如图3-1：

图3-1单相电源与高频电源比照图
而技术先进的高频电源采用三相供电，先将输入的三相工频交流电源整流，然后采用纯直流电源给IGBT供电，不仅可以输出的更高的电晕电压，而且波形还非常平稳，可以有效杜绝单相工频电源由正弦波波峰、波谷带来的影响。相同工况下，高频电源相对单相电源可以提高30%的二次电压以及50%-100%的二次电流，输出更大的电晕功率，更多的供荷电用电子，使电场拥有更大的出力，从而大大提高了除尘效率。高频电源波形如图3-2：

图3-2 高频电源波形图
3.3 烧结机机头电除尘器采用基波叠加脉冲电源的优势
电除尘器的工作原理主要是首先使空气电离，电离后使粉尘荷电，荷电后的粉尘在电场力的作用下向极板移动并吸附于其上，最后使用振打装置将其震落并收集，完成了一个电除尘器的收尘过程。在其中粉尘荷电的过程中，主要分为两种荷电类型：电场荷电和扩散荷电，两种荷电方式适应的粉尘颗粒有所不同，如图3-3所示：

图3-3 粉尘荷电类型
根据多依奇-安德森除尘效率公式，可以看出烧结烟气对电除尘效率的影响因素：

ω:驱进速度（m/s）
η:除尘效率（%）
V:烟气量（m3/s）
A:收尘极板面积（m2）
由上式得出，要提升除尘效率，有三种途径：
1)减少烟气量。在维持正常的烧结矿生产过程中，此途径很难实现；
2) 增大收尘面积。要增大收尘面积，要么增加电场数量，要么增高电场高度。但无论采用哪种方法，烧结机都要面临停产的窘境。这个方法投资大，工期长，施工难度大，甚至现场空间不允许等；
3)增大粉尘驱进速度。驱进速度

此公式可以简化为：ω≈βVpVai
β为常数；
Vp为电压峰值；
Vai为电压平均值；
由上式可见，在比集尘面积和烟气量一定的情况下，要提升除尘效率只能提高驱进速度ω，也就是要提高Vp与Vai。在直流电源中为避免闪络无法突破电场闪络电，Vp难以提高。高频基波叠加脉冲电源的引入正是实现了突破，其微秒级脉冲因时间极短不会导致电场闪络的情况下可大幅提高Vp。高频基波叠加脉冲电源是一种能周期性输出兆瓦级能量的直流电源，可瞬间将电场电压提高到160KV，能量的瞬间释放提高电场内扩散荷电的作用，大大增强高比电阻粉尘及细微粉尘在电场中的荷电效果，从而提高粉尘的捕集效率，达到减排的目的。
同时，后级电场因为板、线吸收了大量高比电阻、粘性很大的细粉尘，极难清除，反电晕现象严重，电场伏安特性出现拐点，电晕电流升的越高，电晕电压越低，并导致电场击穿电压的下降，出现频繁闪络，从而也降低了电晕电压平均值Vai，减弱了电除尘内部的电场力，降低了除尘效率。脉冲电源运用先进的技术设计出的脉冲供电方式，不仅适用于反电晕工况，使极板上积尘有足够时间释放电荷，还能确保更高电晕功率输出，可以大幅节能。
基于以上分析，可以得出一个结论，影响电除尘器效率的关键因素在于对高比电阻粉尘及细微粉尘的捕集能力，而高频基波叠加脉冲电源在处理高比电阻及细微颗粒的粉尘方面具有直流电源无法比拟的优势，可以达到几倍甚至几十倍的提升效果。而在烧结机头烟气除尘过程中，恰恰此类粉尘大量集中于后级电场，这也是后级电场使用高频基波叠加脉冲电源可以得到很好的收尘效果，以及降低出口烟尘排放浓度的理论依据。
3.4 高频电源和脉冲电源在烧结机头电除尘器改造中的应用实例
本溪钢铁集团有限公司本钢炼铁厂三烧360m2烧结机的两台机头电除尘器是按原颗粒物排放标准100 mg/Nm³进行的设计，由于除尘器年久失修，并改用了进口矿石后，出口粉尘浓度为130-200 mg/Nm3，要求经过改造后除尘器出口（湿法脱硫入口）粉尘排放浓度达到70mg/Nm³以下。改造包括两部分内容：1）除尘器本体增高1m；2）电源改造。改造前后系统参数对照表见表3-1：
表3-1 本钢360m2烧结机机头电除尘器改造前后对照表
序号
名称
改造前技术参数
改造后的技术参数
1
电除尘型号
BDX245
BDX245
2
处理烟气量 m3/h
1050000m3/h
1050000 m3/h
3
入口烟气含尘量 g/Nm3
1 g/Nm3--3g/Nm3
1 g/Nm3--3g/Nm3
4
入口温度 ℃
150℃
150℃
5
流通面积 m3
243.6m2
260.4 m2
6
烟气流速 m/s
1.2m/s
1.12 m/s
7
总集尘面积 m2
14543m2
15624 m2
8
比收尘面积 m2/m3/s
53.5m2 ∙s /m3
53.568 m2 ∙s /m3
9
电除尘效率 ℅

97.67
10
出口烟气含尘量 g/Nm3
≤200mg/Nm3
≤70 mg/Nm3
11
电除尘本体漏风率 ℅
≤3%
≤2%
12
电除尘本体压降 Pa
300Pa
300 Pa
13
电场数/室数
3/2
3/2
14
同极间距
400mm
400 mm
15
电场高度
14.5m
15.5 m
16
电场长度
3×4 m
3×4 m
17
电场宽度
2×8.4m
2×8.4 m
18
电场通道数
2×21
2×21
19
阳极板型式
C480大C型
C480
20
阴极线型式
RS芒刺线
八齿芒刺线
21
粉尘比电阻
1011-1013进口矿石
1011-1013进口矿石
22
高压电源型号及数量
全单相电源，容量1.0A/72KV，6台
一、二电场选用高频电源（1.2A/80KV）， 三电场选用脉冲电源（1.2A/80KV·80kV）
23
出口排放浓度
130-200 mg/Nm³
1#电除尘器：56.1mg/Nm³
2#电除尘器：69.1mg/Nm³
4 结论
不论对于新建的烧结机头电除尘器还是对于老除尘器改造来说，采用先进的高频电源及高频基波叠加脉冲电源来改变电除尘高压设备供电方式，是提高粉尘驱进速度、提升电除尘除尘效率的有效方法。尤其对于电除尘器的改造，它见效快，效果好，投资低，是目前性价比最高的一种方案，既能有效减轻排放压力，又符合企业增产提效的要求。当然，影响电除尘器除尘效率的因素还有很多，尤其是生产工况、除尘器本体状况等，无法仅靠改造电源来完全实现降低排放。但高频电源和脉冲电源的出现，为电除尘器节能减排、满足国家环保要求提供了一条很好的思路。