浅谈组合高压供电技术提高烧结机头电除尘器除尘效率

陈建学

摘 要：文章针对烧结机头烟气、烟气特点，对影响机头电除尘器运行效率的主要因素进行简单的分析，并简述各种电除尘器高压供电设备优缺点，力求通过各类电气控制组合技术，稳定或提高机头除尘器除尘效率。

关键词：烧结机头；气流分布；比电阻；振打清灰；高频电源；脉冲电源

1 概述

在国家经济发展的过程中，钢铁行业始终具有基础性地位。现阶段，中国的钢铁企业经过了近十年的飞速发展，已经使我国成为了第一大产钢国，但钢企重污染、高耗能，严重地制约着企业的可持续发展，更严重地影响了整个社会环境。目前，国内钢铁生产过程中主要使用的就是高炉炼铁氧气顶吹转炉炼钢技术，其中重要工序就是烧结。据不完全统计，烧结机头排放的粉尘占整个钢厂粉尘排放总量一半以上。因此，钢厂的粉尘排放，当务之急是先治理好烧结机头的粉尘排放。因此，找到更加符合烧结机头的除尘技术是未来的烧结系统除尘技术的发展趋势。

2 影响机头除尘器除尘效率的主要因素

2.1 方案选型因素

原有除尘器方案选型不合理，先天处理能力不足，无法满足现有环保排放要求。

2.2 烟气温度因素

由于烧结工艺控制不好，进入除尘器的烟气温度比设计值高，烟气的气体密度减少，气体的击穿电压降低。同时，烟气中的粉尘受高温度影响（1）比电阻增大，不容易荷电；（2）粉尘粘滞性增大，趋近速度降低。总体表现为烟温增大，除尘效率降低。

2.3 粉尘比电阻因素

由于国内钢铁产量年年攀升，国内富铁矿石资源日趋匮乏，各大钢铁集团公司大量从海外进口铁矿石，由于海外矿石，特别从澳洲进口的矿石中，钾、铝成分偏高，再加上海运过程中为防止扬尘等目的，往往被人为掺入大量的海水，烧结后进入机头电除尘器的粉尘中钾、钠、铝等碱金属含量较高，粉尘表现为颗粒很细、絮状、比电阻高（1011～1012Ω.cm）、不容易荷电等情况，除尘效果差。

2.4 气流分布因素

原有除尘器未通过“CFD数值模型软件实验”来指导烟道及进口喇叭气流分布设计，安装完成后也未进行现场气流分布实验来调整导流和分布板，整体除尘设备气流分布不均，未能发挥除尘器整体除尘能力。

2.5 振打清灰因素

由于大量使用海外，烟气中的粉尘碱金属含量高，粉尘呈棉絮状，轻、细粘性强，当粉尘吸附于阳极板后，不易放电，也不容易通过振打剥离。当有部分絮状粉尘受振打力从极板上剥离时，由于质量轻易漂浮烟气中，往往烟气直接带出除尘器，降低除尘效果。

2.6 壳体漏风因素

烧结机头除尘器长期处于负高压运行，壳体密封不严，外部漏入冷空气，除尘器处理的风量加大，电场内气流紊乱，降低除尘效果，冷空气入侵，烟气温度降低，结露情况发生，壳体漏风点处腐蚀严重加剧漏风，靠近漏风点处极板极线积灰严重，除尘效率降低。

2.7 安装质量因素

机头除尘器处理烟气量大，除尘器断面大，设备上无法整体供货，均是工厂加工好各部件，发运至现场拼装。因此，安装质量直接影响除尘效率。

2.8 电控技术因素

电控设备是除尘器的中枢，只有电气设备和除尘本体有机结合，才能确保发挥效率。前些年，国内机头除尘器基本上配置工频高压电源，虽基本上能满足高压供电要求，在针对高比电阻粉尘时，虽部分设备厂商从计算机智能控制方面入手，希望通过软件自动进行设备运行参数调整，采用间歇供电方式抑制反电晕，改善除尘器的运行状态等来稳定除尘效率，但由于工频电源本身性能的局限性，效果不明显。

3 组合高压供电技术提高除尘效率

直流高压整流设备新技术简介：

3.1 高频高压电源

高频高压电源与传统的可控硅控制工频电源相比性能优异，具有输出纹波小、平均电压电流高、体积小、重量轻、成套设备集成一体化、转换效率与功率因数高、采用三相电源对电网影响小等多项显著优点。特别是可以较大幅度地提高除尘效率，所以它是传统可控硅工频电源的革命性的更新换代产品，实现了电除尘器供电电源技术水平质的飞跃，极大地拓展了电除尘器的适应范围，对我国环保设备配套电源产品的产业结构调整和优化升级产生了重要的影响。

3.1.1 基本原理

如图1所示，三相交流输入整流为直流电源，经全桥逆变为高频交流，随后升压整流输出直流高压。高频电源工作频率可达40kHZ，主要包括三个部分：变换器、变压器、控制器。其中全桥变换器实现直流到高频交流的转换，高频变压器/高频整流器实现升压整流输出，为ESP提供供电电源。

3.1.2 优越的性能特点

高频电源主要有三大优点，最主要的优点是能有效提高除尘效率，其次是能够节能降耗，并且高频电源采用三相输入，属于绿色电源，对电网不会产生污染。

3.2 脉冲高压电源

电除尘器用高压脉冲电源，是一种即能提供直流（DC）供电，又能提供直流叠加脉冲（DC+PULSE）供电的电除尘器供电电源，可有效抑制反电晕，提高电场力，提高除尘效率。

3.2.1 基本原理

如圖2所示，脉冲高压电源由两部分组成，一是由基础高压单元，通常是由常规电源、高频电源、三相电源产生基础电压（电压输出40～60kV），用于电场保持起晕状态，空气电离，产生大量的负离子，让烟气中的粉尘充分荷电。二是脉冲高压单元，叠加在基础高压之上，可叠加最大峰值80kV高压脉冲，叠加后的峰值电压可达140kV以上，提高电场力，让轻、细的荷电粉尘，瞬间吸附于极板上，大大提高除尘效率。

3.2.2 优越的性能特点：a.提高火花闪络阈值b.增加粉尘荷电c.克服高比电阻粉尘的反电晕d.增加二次电压峰值e.降低二次平均电流f.可调整单个脉冲能量的大小和脉冲重复频率，适用于各种粉尘特性的烟气工况。

3.3 组合高压供电技术组合方式及提效介绍

3.3.1 组合方式

高频高压电源+脉冲高压电源

3.3.2 提效原理

前级设置高频高压电源，提高电晕功率，增加运行电流，使穿过前电场烟气中的粉尘充分荷电。后电场配置脉冲电源，抑制反电晕，降低无功电流，高能脉冲瞬间提高电场力，增加粉尘趋近速度，增加轻、细粉尘捕捉能力。两种高压供电方式黄金组合，大大提高除尘效果。

（1）增加前电场电晕功率，烟气充分荷电，提高除尘效率。电除尘器前级电场，由于处于烟气入口端，粉尘浓度高、烟气流程较不均匀，工况变化大，往往运行电压低，易闪络放电等特点。由电除尘理论可知，电除尘器的效率与带电粒子在电场中的驱进速度ω成正比，驱进速度与电场强度的平方成正比，电场强度与电场间施加的电压成正比。因此，电除尘器的效率与电场的运行电压的平方成正比。高频电源输出直流电压比工频电源平均电压要高约30%，因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中触发火花，显著的限制了加在电极上的平均电压。而高频电源谐振频率为30～40KHz，同常规的工频电源相比，高频电源纹波系数小于5%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了几乎无波动的直流输出，这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，让通过前电场的粉尘充分荷电，提高了电除尘器的效率。

前电场采用高频电源大幅度提高了前电场输入功率，提高了前电场的除尘效率，减轻了后电场的负担，后电场由于需处理的粉尘浓度降低，配置的脉冲电源可灵活地调整各种供电方式（如：采取间歇脉冲供电方式），有效降低运行功率。

（2）后级电场配置脉冲高压电源有效抑制反电晕，提高运行电压，节能提效。前面所述，由于进口矿本身碱金属含量高且加上海运等原因，烧结后进入机头电除尘器烟气，粉尘程棉絮装，轻、细、比电阻高因素，造成电除尘器后电场极板积灰严重，运行参数体现电压低、电流大等特点，反电晕严重，能耗高、除尘效果差。后级电场配置脉冲电源，能有效地抑制反电晕，提高运行电压，实现节能提效。

a. 反电晕现象分析：反电晕是在电除尘器中沉积在极板表面上的高比电阻粉尘层所产生的局部放电现象。高比电阻粉尘到达收尘极板后不易释放。其极性及电晕极相同，便排斥后来的荷电粉尘，由于粉尘层的电荷释放缓慢，粉尘间形成较大的电位梯度，当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，就会在粉尘层的空隙间产生局部击穿，产生与电晕极极性相反的正离子，并向电晕极运动，中和电晕极带负电的粒子。其表现为电流增大，电压降低，粉尘二次飞扬严重，使得收尘性能显著恶化。

b. 脉冲电源有效抑制反电晕：电除尘器是一个等效电容体，整流变压器是个电感元件，当运行电压提高到一定程度时，运行电流将非线性地迅速增加，电流大幅度增加，抑制了运行电压的提高。机头除尘器后电场普遍反电晕严重，大量自由电子来不及使粉尘荷电，就和反电晕产生的正离子中和，以光能或热能的形式被消耗掉，表现为二次电流急剧加大，二次电压反而降低等情况。减少反电晕的有效办法就是减少电晕电流，降低收尘极吸附的粉尘层积聚的电荷。针对高比电阻粉尘，脉冲高压电源正好能有效地抑制反电晕的产生：

基准高压供电单元给电场提供基准起晕电压，确保电场工作在临界无火花状态，一是确保气体电离，产生大量的电子，保证粉尘充分荷电，另一是确保基础电压控制在反电晕起点之前，避免由于深度反电晕，造成电流急剧加大，电压下降情况发生；粒子在电场中的荷电以电子的电场荷电和动能扩散荷电为主，在有效基础电压基础上叠加脉冲电压，实现阶跃脉冲供电。高压脉冲前沿，提升电场的峰值电压，产生瞬间高强电场，既激发出了大量的自由电子，又加快电子运动速率，增加了粒子的电子荷电量，充分发挥高电场下作用下粒子对电子快速核电的特点。实验表明，在高强电场中粒子对电子的荷电量，比对离子的荷电量要高出50%以上，这样就可有效抑制反电晕造成的大电流；基准电压+脉冲高压叠加，既能维持电场的电晕电压（即保证了荷电粉尘的驱进速度），又降低了阳极板粉尘层的表面电位，最大程度地遏制了反电晕现象的发生，大大提升了电除尘器对高比电阻粉尘、高浓度粉尘等复杂工况的适应能力；在满足粉尘排放标准的前提下，可通过阶跃脉冲供电波形的调整，实现节能控制。

3.4 电源组合技術优劣性分析

高频电源+脉冲电源组合技术，主要是针对机头电除尘器处理烟气工况变化大，粉尘比电阻高等复杂特性进行配置，应该说，在目前电除尘器电源配置上属豪华配置，主要优劣性如下：

（1）优点。a.工况适应性好；b.节能效果好；c.提效明显；d.相对本体改造，改造成本低，时间短，改造方便。

（2）劣势。a.相对普通工频电源，电气控制方面投资成本增加；b.备品通用性差；c.设备维保人才要求提高。

4 结束语

随着国家环保新规定的出台，颗粒物排放限值指标更加严格，大部分原有的机头电除尘器需进行提效改造。在改造方案选择上，大部分厂家采用除尘器本体加大、加高以及加长等方式进行改造，可以在一定程度上实现提高除尘效率的目的，但是由于受到场地的限制以及投资大等因素影响，很难得以实现。文章所述组合高压供电电源技术改造，工期短、成效快，能有效提高除尘效率，确保环保排放要求的同时又实现节能降耗目的，贴近国家现有“节能降耗、绿色环保”主题的要求，意义深远。特别对一些除尘效率尚可，排放接近达标的除尘器，采取组合高压供电技术改造，配合原有电除尘器本体恢复性大修，完全可以满足环保排放要求，应该是目前机头电除尘器改造最经济、最可靠、最便捷的改造方式。

参考文献

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