陳宇淵 陳小明
上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【摘要】本文通過對濕式電除塵器電氣工作環(huán)境的分析，揭示了濕式電除塵器對高壓供電裝置的基本要求。進(jìn)而通過恒流供電裝置技術(shù)原理和工作特征以及應(yīng)用案例的介紹，展示了恒流供電的功率輸出與電場正向需要的符合性。指出：恒流供電與WESP的協(xié)調(diào)工作必將充分展示濕式電除塵器在廢氣處理中的優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】濕式電除塵 電除霧 恒流 脫硫 PM2.5
1. 概述
目前，日趨嚴(yán)格的環(huán)保政策促進(jìn)了煙氣凈化技術(shù)的進(jìn)步。傳統(tǒng)電除塵器正面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)：燃燒廢氣經(jīng)除塵、脫硫脫硝后，廢氣中殘留的微塵、脫硫脫硝劑及其生成物的逃逸以及液霧挾帶等對環(huán)境的破壞受到越來越多的關(guān)注并已成為環(huán)境控制的重要對象，脫硫脫硝尾氣的深度處理成為必需，煙囪出口污染物排放限制愈加嚴(yán)格。
濕式電除塵(下稱WESP)擬將成為火電、鋼鐵行業(yè)廢氣終級處理的首選設(shè)備，其基本原理與干式電除塵器、電除霧器相似，而構(gòu)造方式更接近于電除霧器，主要特征是大型化、高流速、超低排放和腐蝕性。
濕式電除塵器形態(tài)及性能上的變化，同時對電除塵的高壓供電技術(shù)提出了更高的要求。恒流高壓電源，以其優(yōu)異的供電性能在電除霧行業(yè)和特種電除塵場合得到廣泛使用，經(jīng)技術(shù)提升后，同樣能夠全面滿足濕式電除塵器的各種需求。
2. 濕法脫硫、脫硝后煙氣深度處理WESP的電氣工作環(huán)境
與電除酸霧和干式電除塵的工作環(huán)境相比較，WESP的工作環(huán)境更加復(fù)雜。工業(yè)燃燒廢氣經(jīng)除塵、脫硫后進(jìn)入WESP。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的脫硫方式主要是石灰石石膏法和氨法脫硫兩種，尾氣的主要特征是：
煙氣溫度： <80℃
煙氣濕度：水飽和、過飽和，含大量液霧
煙氣組分：燃燒煙氣
塵霧成份：飽和水蒸汽， NOx，SOx，石灰槳液、石膏，氨、硫酸銨，電除塵器逃逸粉塵等微塵(PM10/PM2.5為主)
入口含塵濃度：≤150mg/Nm3
出口含塵濃度：≤30～20mg/Nm3
對傳統(tǒng)電除霧(塵)器來說，處理煙氣量大，工作環(huán)境惡劣，有害物含量低但卻極其細(xì)微，其有效去除既存在難度，更存在設(shè)備造價過高的問題。
通過全方位考察和大量試驗比對，優(yōu)選出立式蜂窩狀濕式電除塵(霧)器模型作為脫硫尾氣終級治理的首選設(shè)備。這種設(shè)備除塵\霧效率高，并且不受粉塵比電阻范圍的影響。
由于是腐蝕性煙氣，除塵器主體材料必須具有良好的抗腐蝕性能;設(shè)備龐大，設(shè)備所選用的材料應(yīng)當(dāng)適用而經(jīng)濟(jì);過飽和濕煙氣、含塵，電極形狀應(yīng)當(dāng)利于形成均勻液膜并自行均勻流淌，為確保電極表面無污垢，需間斷對電極表面進(jìn)行沖洗。
導(dǎo)電玻璃鋼成為陽極首選材料(也有選用經(jīng)特殊處理的PVC塑料作陽極的，選用不銹鋼作陽極的投資成本及運(yùn)行維護(hù)成本過高且不能實現(xiàn)液膜均勻自行流淌)，其持久耐溫70℃;陰極芒刺放電線選用C276哈氏合金。
煙氣在電場內(nèi)的停留時間≤2s，出口含塵≤30～20mg/Nm3，除塵效率≥80%。
屆此，WESP的電氣工作環(huán)境已經(jīng)明確：低溫，飽和濕煙氣，微塵，細(xì)霧，高濃度(指液霧+溶入性微塵，其比表總面積遠(yuǎn)高于常規(guī)意義上的干粉塵)，高流速、高效率。據(jù)此，WESP對供電裝置有以下特殊要求：
起暈電壓和運(yùn)行電壓高，平均線(或板)電流密度或電暈功率大并能持續(xù)保持;電源應(yīng)能自行抑制火花放電向擊穿放電發(fā)展，一旦發(fā)生擊穿放電，電源應(yīng)即時消減供給功率、不能引起電極的燒損，并能承受瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)短路。水沖洗時，能自動切斷電源，沖洗過后，能自動恢復(fù)運(yùn)行。
根據(jù)恒流高壓供電裝置的供電原理和工作特征，可輕松滿足WESP各項工作要求。
3 恒流電源研制的歷史背景
上世紀(jì)九十年代，有色冶煉，硫酸等工業(yè)領(lǐng)域，開始使用導(dǎo)電玻璃鋼替代PVC和鉛作為電除霧器的陽極材料，用于制酸煙氣的凈化，提升了SO3霧滴的凈化率，同時使設(shè)備重量大大減輕，但帶來了陽極容易燒穿的弊病。這是由于電除霧的供電裝置是可控硅電源，為提高除霧效率，應(yīng)提高運(yùn)行電壓。在可控硅電源供電條件下，電場內(nèi)的火花轉(zhuǎn)變成擊穿無可避免?；鸹〒舸┑哪芰哭D(zhuǎn)變成局部氣體溫度的急劇升高，致使導(dǎo)熱率低、熔點溫度很低的材料局部被燒穿。只有降低運(yùn)行電壓(同時更大幅度地降低運(yùn)行電流)才能可靠運(yùn)行，除霧效率因而降低。
中科院上海精密光學(xué)機(jī)械研究所激光核聚變“神光”項目中的能源系統(tǒng)的單元技術(shù)——恒流源技術(shù)，由上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司(http://www.leee.com.cn)進(jìn)行單元技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)恒穩(wěn)的電流輸出，開始廣泛應(yīng)用于電除霧器的供電，使得工作電流大幅提高，工作電壓也有較大幅度的提高且非常穩(wěn)定，除霧效率在使用恒流源供電后，一級除霧達(dá)到或接近兩級除霧的排放。自此，恒流源成為電除霧行業(yè)的首選電源。
4 恒流供電原理與工作特征
4.1恒流供電原理
均勻、充足而又適當(dāng)?shù)陌咫姇灩β适请姵龎m(霧)器高效工作的前提，從而確保塵霧荷電充足、遷移速率高。
恒流高壓直流電源利用L-C變換器，將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源，電源向放電區(qū)饋送出穩(wěn)定的電流I2。按照歐姆定律，電場電壓U2與電場等效阻抗Z關(guān)系式：U2=I2*Z。它的控制過程是通過對運(yùn)行電壓變化趨勢的反饋與預(yù)置值進(jìn)行比較，以決定L-C投入數(shù)量，控制目標(biāo)是保持電場在較高的工作電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。
與恒流供電相對，電除塵(霧)器普遍使用的可控硅電源是電壓源，其反饋控制過程是通過反饋信號綜合放大與預(yù)置值進(jìn)行比較以確定輸出相位、并決定可控硅下一個半波的觸發(fā)角，以實現(xiàn)對負(fù)載的電壓跟蹤、控制輸出電流，當(dāng)火花放電發(fā)展成弧光擊穿時，封鎖可控硅，以實現(xiàn)熄弧或閃絡(luò)封鎖、保護(hù)回路設(shè)備和器件。由于它的輸出電壓U2是恒定的，輸出電流I2隨電場等效阻抗Z變化：I2=U2/Z。
兩種電源的工作特性曲線見圖1、圖2。圖中電壓對電流的斜率du/di即電場等效阻抗Z。
圖1.恒流電源工作特性曲線 圖2.可控硅電源工作特性曲線
WESP是變阻抗負(fù)載，它的值Z隨含塵\霧濃度的增減而增減，又與煙氣溫度呈逆向變化，還與煙塵成分(由工藝條件決定)、電極幾何狀態(tài)(由本體構(gòu)造設(shè)計制造安裝維護(hù)質(zhì)量決定)密切相關(guān)，更重要的是：Z隨著電暈電流的增大和放電的發(fā)展呈下降趨勢，當(dāng)火花放電發(fā)展成擊穿放電時，Z值銳減甚至接近于“0”，相當(dāng)于電場短路。
由圖1和圖2可對兩種電源在電場阻抗Z變化(增大或減少)時的回饋作出全面、定性的分析：對任何變化的情況，恒流電源提供的供電功率符合電場阻抗變化的正向需求——電場負(fù)荷(濃度)增加即Z值增加供電功率自行增加，火花發(fā)展時Z值減小供電功率自行消減，并不需要人為設(shè)計的控制程序強(qiáng)行干預(yù)即能自行滿足電場需求，因此，電場運(yùn)行電壓和電暈功率總能維護(hù)在較高的水平，故能持續(xù)保持較高的塵霧去除效率。而可控硅電源在導(dǎo)通周期內(nèi)提供的供電功率與電場阻抗變化的正向需求相背離，又通過程序干預(yù)的控制方式增加饋送或強(qiáng)行關(guān)斷則導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定和平均電暈功率降低，塵霧去除效率因而降低。
4.2恒流源的供電特征
顯著提高電除塵(霧)器的運(yùn)行電壓 火花放電是電場高效工作過程中的常見現(xiàn)象【電場內(nèi)沒有火花表明電場并沒有進(jìn)入最佳工作狀態(tài)】?；鸹ǚ烹娛仟M窄、曲折路徑下的氣體擊穿?；鸹ǚ烹娨坏┬纬?，火花通道內(nèi)的離子濃度急劇增高，局部氣體成為良導(dǎo)體使得電場整體的等效阻抗Z大幅降低。
電場中的塵霧濃度高、濃度不均勻、局部風(fēng)速過高或過低、極距偏移、電極變形、電極附灰等都會誘導(dǎo)局部火花放電和擊穿放電。
電流源供電時， L-C諧振回路輸出I1正弦全波，電源向放電區(qū)饋送的功率為I22Z，火花產(chǎn)生后， I2沒有改變，Z減小→I22Z也減小，電源提供的能量消減，抑制了放電的進(jìn)一步發(fā)展，這是一個良性的能量衰減過程(對除塵工作有利)。因此之故，恒流供電可以在較高的電壓下穩(wěn)定運(yùn)行?？煽毓韫╇娬喾?，可控硅導(dǎo)通后，電源輸出量為U2，電源向放電區(qū)饋送的功率為U22/ Z，火花產(chǎn)生后， U2沒有改變，Z減小→U22/Z增大，電源提供的能量增加，助長了放電的進(jìn)一步發(fā)展，這是一個惡性的能量倍增過程(對除塵工作不利并引起系統(tǒng)不安全)。因此之故，可控硅電源供電只能在較低的電壓下穩(wěn)定運(yùn)行。
恒流電源的火花響應(yīng)波形見圖3，圖4為可控硅電源的火花響應(yīng)與控制波形。
圖3.恒流源火花擊穿響應(yīng)波形 圖4.可控硅電源火花【擊穿】響應(yīng)與控制波形
沉積效率的提高 使用中的電除塵(霧)器，總存在著各種放電不利因素：塵霧濃度過高，極線和極板嚴(yán)重附灰，極距偏移、電極松動，煙氣流速過快，等等。這些不利因素形成復(fù)雜的放電局面。表1給出了在不利條件下，兩種電源的供電響應(yīng)及控制結(jié)果。
表6. 放電不利條件下電源的供電響應(yīng)及控制結(jié)果
現(xiàn)象宏觀電氣表現(xiàn)工作參數(shù)恒流電源
響應(yīng)可控硅電源
響應(yīng)與控制
塵(霧)濃度過高煙氣流速過快電場阻抗增大運(yùn)行電壓升高升高
運(yùn)行電流正常極小
效率高下降
其它無電暈"閉塞"
電極肥大
集塵極積塵加厚電場阻抗增大運(yùn)行電壓升高升高
運(yùn)行電流正常極小
效率高下降
其它無電暈“封鎖”
電極變形或偏移極間距不均電場阻抗減小運(yùn)行電壓降低降低
運(yùn)行電流正常大幅下降
效率小幅降低大幅下降
其它無閃絡(luò)頻繁
瞬態(tài)\稱態(tài)短路等效阻抗為0電壓降低不變
電流不變極大、跳停
功率0極大
回路恢復(fù)正常自行恢復(fù)供電產(chǎn)生脈沖電流
大量實踐表明：采用恒流供電技術(shù)替換可控硅供電，注入到電場的有效電功率增加，塵霧去除效率顯著提高。
運(yùn)行可靠性高 恒流源的正常工作不依靠復(fù)雜的電子線路、插接件，允許高壓瞬態(tài)或持續(xù)短路(見表1)而不會出現(xiàn)過流，因而不會燒壞任何元件。瞬態(tài)短路過后，電場自動恢復(fù)(實為自行，無需程序控制)。對可控硅電源來說，無論是瞬態(tài)短路或是持久短路，只有下一個周波封鎖可控硅，不可避免地產(chǎn)生短路脈沖電流，這種脈沖電流會損壞導(dǎo)電玻璃鋼陽極，極端情況下，會導(dǎo)致導(dǎo)電玻璃鋼燃燒。
導(dǎo)電玻璃鋼畢竟不是金屬，在導(dǎo)電率上有數(shù)量級的差別，在形成穩(wěn)定的電場能力上，恒流源有先天性的優(yōu)勢。
具備其它必要的監(jiān)測與保護(hù)功能。
節(jié)能省電 恒流電源功率因素COSφ=0.9~1，它不隨運(yùn)行的功率水平變化，可以顯著降低前級供電變壓器的容量并節(jié)能。
5 恒流源在濕式電除塵(霧)器上的應(yīng)用
巴陵石化動力事業(yè)部#1鍋爐(蒸汽量220t/h) 環(huán)境污染問題，率先采用流光放電氨法脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)行改造，并于2011年3月投入運(yùn)行。該項目首次采用以恒流電源供電的玻璃鋼蜂窩式電除霧器對火電廠脫硫脫硝尾氣進(jìn)行深度凈化處理，成功解決了銨鹽夾帶、氣溶膠排放，不但減少了二次污染，同時實現(xiàn)了降低脫硫劑消耗、節(jié)約成本的收益，煙囪腐蝕也有所延緩。
WESP空載調(diào)試時，絕緣箱溫度控制在40～80 ℃之間，用水沖洗WESP內(nèi)部，使之形成液膜。空載調(diào)試及負(fù)荷運(yùn)行測試數(shù)據(jù)見表7。
表2. 脫硫脫硝后置WESP空載及運(yùn)行供電數(shù)據(jù)
參數(shù)一次電壓電網(wǎng)電流二次電壓二次電流
單位VAkVmA
空載數(shù)據(jù)24517955853
運(yùn)行數(shù)據(jù) 70370
經(jīng)湖南省環(huán)保局檢測，WESP出口側(cè)煙氣中的污染物含量(見表3)遠(yuǎn)低于國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，煙囪排放無明顯白煙霧(氣溶膠)。
表3. #1爐脫硫脫硝+WESP環(huán)保檢測數(shù)據(jù)
污染物單位WESP前含量標(biāo)準(zhǔn)允許排放設(shè)計排放實際排放去除效率
SO2mg/Nm3234.44≤400≤10010.397.74%
NOxmg/Nm3 ≤800 341.53
水霧濃度mg/Nm3200 30
NH3mg/Nm3 17.1≤8 2.24
粉塵mg/Nm3 1420≤50≤5041.6797.10%
6 結(jié)束語
恒流供電技術(shù)，它在為各種電除塵、電除霧器提供優(yōu)質(zhì)供電的同時，又通過自身的不斷完善，進(jìn)一步提升性能。如目前要求的電源輸出電流較大，電源必須在無火花狀態(tài)下運(yùn)行，同時在故障狀態(tài)下，出現(xiàn)異常放電時，電源能自動保護(hù)并報警，保障電除霧器的安全。
在環(huán)境政策日趨嚴(yán)格的氛圍之下，恒流電源與WESP的協(xié)調(diào)工作，必將進(jìn)一步突顯WESP在電站鍋爐煙氣深度處理領(lǐng)域的優(yōu)勢。
參考資料
1. 陳宇淵，“電除霧器的高壓供電技術(shù)”【J】硫酸工業(yè) 1998 (6)：21-24
2. 解廣潤、陳慈瑩合編，《高壓靜電除塵》，水利電力出版社，1993，6
3. 陳宇淵，"恒流高壓直流電源的外特性"《電除塵與氣體凈化》1996，4，pp20-22
4. 孫乃庚，"用于靜電沉積的新型恒流高壓直流電源"《第六屆全國電除學(xué)術(shù)會議論文集》 1995，4 pp251-25
(第二屆電站鍋爐優(yōu)化運(yùn)行與環(huán)保技術(shù)研討會論文集)
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