高频电源及脉冲电源在烧结机头电除尘器改造中的应用

吴 波

（陕钢集团汉中钢铁有限责任公司， 陕西 勉县 724200）

随着当前大气污染形势日趋严峻，国家出台了排放标准。《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40 mg/m3，限值地区为40 mg/m3，部分地方规定甚至达到30 mg/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。

1 电除尘高压电源发展历程

电除尘高压电源伴随着电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的进步而不断发展，总的发展趋向于运维的智能化、控制的自动化、功率变换器的高频化、系统运行费效比的合理化，其发展历程。

1.1 LC 恒流源

20 世纪80 年代及以前，电除尘系统中应用的均为LC 恒流电源，其原理是在主回路中串并联电感电容的组合，使得负载的输出电流不随负载电阻变化，实现恒流输出，改变电容电感串并联组的不同，实现对输出电流大小的档位调节。

1.2 可控硅高压工频电源

20 世纪90 年代，随着晶闸管成本的下降和控制方式的成熟，市场上出现了可控硅工频电源，通过改变晶闸管的导通角来调节变压器低压侧的输入电压有效值，进而调节输出的直流高压电的电压值，这样就可以对输出电流进行精细调节。

1.3 电除尘高频电源

随着电力电子器件IGBT 的发展和控制技术的成熟，2003 年法国阿尔斯通公司提出了电除尘高频电源方案，在国外干式电除尘系统中成功运用，取得良好的效果。

1.4 电除尘脉冲电源

在干式电除尘应用中，针对烟气的高比电阻情况，颗粒物的直径又非常小，实践中发现，极小颗粒很难荷电，丹麦史密斯率先开发出脉冲电源，国内往往称为复合脉冲电源，应用于干式电除尘的末级电场，进行最终的精细化微小颗粒除尘。

2 高频电源工作原理

电除尘器高频电源是利用高频开关技术而形成的逆变式电源，其供电电流是由一系列窄脉冲构成，可以给电除尘器提供具有从接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形。高频电源控制方式灵活多样，可根据电除尘器运行工况选择最合适的电压波形，减少电除尘能耗，提高除尘效率。

高频电源是将三相交流电（380 V）经整流和滤波后得到约530 V 左右的直流电压，经全桥逆变，形成20 kHz 左右的交变电流，再经高频变压器升压整流后形成高频高压脉动直流送至电除尘器。脉冲控制器是通过不断分析整流变压器的一次、二次信号的电气特性（并非采用浊度反馈信号），主要是根据信号的波形变化来了解当前电场内工况运行情况，并实时针对该变化由控制器内部程序自动调整整流变压器的输入输出能量，从而更好地优化注入到电场的能量，以获得最佳收尘效率。

3 脉冲电源工作原理

分体式脉冲电源是新一代的电除尘器供电装置，可广泛应用于电力、冶金、化工、水泥等行业的烟气粉尘治理，脉冲电源由两部分构成，即基础电压部分和脉冲电压部分。

1）基础电压部分。可由常规高频电源提供，通过整流、滤波、逆变、升压的方式，将三相380 V 交流电转换成一系列电流窄脉冲，供给静电除尘器，并在静电除尘器上形成稳定的直流电压，基础电压额定值可达60 kV。基础电压也可由常规工频电源、三相电源等直流电源提供。

2）脉冲电压部分。由IGBT 开关器件、储能电容、脉冲变压器、高压隔直电容组成，这些器件与电除尘器等效电容构成谐振回路，产生谐振电流，并最终在除尘器上产生脉冲电压。脉冲电压宽度小于100μs，脉冲电压峰值最高可达80 kV。

分体式脉冲电源是结构上基础电压与脉冲电压分离的一种脉冲电源。两部分为分别独立的供电单元，基础部分提供额定值为60 kV 的基础电压，脉冲部分提供额定峰值为80 kV 的脉冲电压。两部分通过高压隔离开关连接，给除尘器供电。

3）智能控制部分。通过脉冲控制器不断分析整流变压器的一次、二次信号的电气特性（并非采用浊度反馈信号），主要是根据信号的波形变化来了解当前电场内工况运行情况，并实时针对该变化由控制器内部程序自动调整整流变压器的输入输出能量，从而更好地优化注入到电场的能量，以获得最佳收尘效率。

4 高频电源及脉冲电源的应用

4.1 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，黏度大，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1 012 Ω·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20 kPa，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。

4.2 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。

在比集尘面积和烟气量一定的情况下，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160 kV，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、黏性很大的细粉尘，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，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。

5 结语

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组合应用，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。