技术 | 水泥行业超低排放电除尘器电源改造

前言

由于环保的要求越来越高，许多在投运中的静电除尘器（ESP）的性能不能满足实际排放水平的要求。因此，许多安装ESP的工厂需要进行升级。

改造项目被认为是一个非常复杂和昂贵的过程。由于停止过程而导致的收入损失以及雇用承包商和用于处理重物的重型车辆是通常与高成本相关的后果。

ESP的智能来自控制系统，该系统管理和监控ESP中烟气的清洁过程。控制系统控制高压电力系统（HVPS），该系统在ESP的钢结构中产生电场，并且是设计的重要部分。

以下研究表明，不是重新设计并开始重新构建ESP的钢结构，而是可以通过查看高压电力系统和控制器来提高ESP的效率。 

1. 简介ESP电源类型的选择对于ESP性能是至关重要的，高压电源应为ESP电场提供足够的电晕功率，以获得最佳排放水平。

研究表明，具有一个或两个电场的小型ESP的电源解决方案是选择一种最佳的电源类型，即：传统单相电源，三相电源，高频电源或脉冲电源。 对于更大的ESP，要获得最佳的技术/商业解决方案，计算会更复杂。 本文中案例研究表明，对于具有多个场的ESP，不同电源类型的组合才是对用户来说最佳的配置。

2. 影响电除尘器性能的主要因素目前中国排放标准已经是世界上最严格的国家之一，为了达到国家标准和行业标准要求，生产厂家不可避免的要使环保岛中的每一个系统工作在最佳状态。在讨论电源对静电除尘器性能的影响之前，需要说明的是静电除尘器是一个系统工程，要使它工作在最佳状态或者说符合排放要求的状态，需要各个环节的配合和匹配。一台机械状况良好的静电除尘器，如果采用不合适的高压电源，则无法将ESP的性能发挥到最大。反之，一台ESP配备了优化的高压电源和控制系统，如果机械方面有重大故障，也会造成排放超标的结果。

在下面本文会通过两个方面，介绍影响ESP性能的主要因素，一是电源方面的因素，二是非电因素：

2.1 ESP电源与ESP性能的关系

目前在全世界上应用最广泛的ESP电源有四种：传统单相电源，三相电源，高频电源和脉冲电源，作为一家在ESP电源行业有超过80年历史的专业厂家，我们认为这四种电源各有各的特点，四种电源都有其适用的工况，不能说某一种电源是最先进或最好的。

以下是电源方面对电除尘器性能的关键因素：

2.1.1 ESP运行电压的峰值与均值的乘积，与电除尘器的效率成正比；

2.1.2 ESP运行电流的均值，在没有发生反电晕的条件下，与电除尘器的效率成正比；

2.1.3 ESP的火花响应，在火花发生时关断越快越好，火花熄灭时恢复电压输出越快越好；

2.1.4 在经济性上，对于ESP电源的要求是设备效率越高越好；

2.1.5 其他方面，电源的控制系统要稳定可靠并能方便地与现场DCS对接，所有的警告和故障都必须有相关的故障信息显示以方便用户和厂家快速的作出判断并解决故障。

以上是针对理想化工况的ESP，而实际ESP在运行时存在与上述要求相悖的因素：

2.1.6 ESP运行电压纹波低且电压值高，这对灰量大，比电阻不高的前电场是有效的，但是对灰量小，比电阻高的后电场，这种运行电压造成反电晕的问题是明显的。

2.1.7 ESP运行电流并不是越大越好，运行电流的大小不能超过阳极板粉尘释放电荷的速度，否则也会造成反电晕的问题；

2.1.8 电源频率并不是越高越好，频率越高，对半导体本身和其控制系统的要求越高，而随着频率的升高，给电源性能带来的提升是有限的。

所以在ESP电源选择时，要根据实际工况选择最佳的类型，从ESP性能和经济性上多方面来考虑，用不同类型的电源进行搭配，使得ESP具备合理的性能和能耗。

2.2 影响ESP性能的非电因素：

2.2.1 ESP的机械状况是否良好，ESP作为一个长期工作在恶劣环境的系统，内部的极板极线等结构会由于各种不同的原因发生问题，比如闪络，高温，锈蚀等等。

2.2.2 烟气温度：保持在ESP设计的允许范围内，因为ESP的处理烟气普遍温度较高，比如水泥行业的窑头除尘器来说，如果没有加装篦冷机或余热回收利用，经常会有超过350度的烟气进入到除尘器，这将带来很大的风险使除尘器中的极板极线变形。

2.2.3 烟气分布：烟气分布不均匀带来的结果就是烟气量大的电场负荷高，烟气量小的电场负荷低，如果ESP某部分电场(通道)的负荷超过设计负荷，最终排放到出口的粉尘量必定会超标。

2.2.4 振打控制：不同的ESP运行状态，要有不同的振打控制来进行匹配进行收尘，最终的目的是不造成过大的二次扬尘，不能使极线极板积灰严重而造成相关问题。

其他ESP本身的固定参数和烟气参数及烟气物理化学性质在ESP电源改造项目中属于不可变量，不在本文的讨论范围内。

3. 各种电源类型的比较电除尘器经过上百年的发展，到现代已经是一个非常庞大的系统，而我们在分析一台电除尘器运行性能时首先要看的却是一些微观的参数。要知道一台电除尘器运行的状况是否良好，除了要检查它各个电场的电压电流值以外，还要检查这些电压电流的运行时的波形和闪络时的波形，这些波形都是在毫秒甚至是微秒级的，但是这些微观的量却是最终决定ESP整体性能，每小时排放量，每天排放量，每年排放量的最关键的因素。

所以我们要对各种电源类型进行比较的时候，实际上我们要比较的是他们的电压电流波形，这些是ESP收尘性能是否良好的关键点所在：

3.1 传统单相电源

输出电压纹波= 40~50%, 输出电流为毫秒级脉冲。

适合灰量大，中低比电阻粉尘工况。  

3.2 三相电源

输出电压纹波= 1~5%, 输出电流为持续直流电流，纹波低。

适合灰量大，低比电阻粉尘工况。  

3.3 高频电源

输出电压纹波<1%, 输出电流为持续直流电流，纹波低。

适合灰量大，中低比电阻粉尘工况，特殊的脉冲供电模式对中比电阻粉尘效果良好。

对于高频电源，这里值得一提的是高频电源主要存在三种不同的控制技术，包括调频，调幅和脉宽控制，这三种高频电源最终输出到ESP的电压电流波形是不一样的，本文不作详细说明，上图是脉宽控制高频电源的输出波形，其特点是纹波最低且不随负载变化而变化，频率不变。

3.4 脉冲电源 

脉冲电源作为一种特殊的电源系统，是专门针对高比电阻粉尘设计的电源解决方案，简单的说，在同等电晕电流的运行状况下，其他电源会有反电晕的问题，但脉冲电源不会发生反电晕。

输出电压为直流基压叠加微秒级脉冲电压，直流基压的作用为形成静电场，使荷电粉尘在ESP中向收尘极移动，脉冲电压的作用是产生瞬态大电流，给粉尘荷电。由于每个脉冲电流峰值高，时间短，对高比电阻粉尘的荷电效果好而又留有足够的时间让吸附在收尘极上的粉尘释放电荷。

上图为脉冲电源的输出电流，正如图所示，这里的输出电流也有两部分组成，一是电晕电流为纯直流，二是脉冲电流，脉冲电流不再是直流而是交流，在前半段脉冲电源向ESP输入瞬态大电流给粉尘荷电，在后半段电场电容由于充电造成的高压，开始反向向脉冲电源内的电容进行充电，将电能传送回到电源内部。

正是因为这个特性，使得脉冲电源有从电场回收能量的功能，脉冲电源本身也是四种电源中运行效率最高的电源。

4. 水泥厂ESP电源改造案例KP在对水泥ESP进行电源改造时，通常是按照以下流程来进行，以便于给用户提供最佳的电源解决方案并进行最终验证：

1) 现有ESP初步数据分析

2) 现场勘察

3) 电源改造方案提交

4) 现场施工指导和运行调试

5) 改造后性能验证在近十几年国内外市场实施多个水泥ESP电源改造项目后，KP积累了丰富的经验，除了给客户推荐最佳的电源搭配以外，由于长期与国际顶尖ESP厂家合作，包括FLSmidth，GE(ALSTOM)，Hamon等，我们的现场指导和运行调试也是世界先进水平的。由于KP拥有所有的ESP电源类型，我们永远是给客户推荐最合理的电源搭配，而不会强调某一种电源类型是最好的。

以下是部分案例的介绍：

4.1 邻水红狮水泥-窑尾除尘器

从上面数据可见，通过将单相工频电源更换为三相电源后，除尘器的运行电压电流均有大幅的增加，从伏安曲线上可以确认没有反电晕的问题发生，改造后9#和10#电场的收尘能力得到了大幅的提高。

由于此项目只更换了一个通道的末尾两个电场的电源，用于考核更换电源以后的运行电压电流数据，所以没有考核改造前后的粉尘排放数据。

4.2 浙江红狮水泥-窑头除尘器

改造后的窑头粉尘保持在10mg/Nm3以下，上图中显示值为7.8mg/Nm3。

从上面的数据可见，用三相电源更换调频高频电源，有机会可以得到更高的除尘器运行电压。但从1#和2#电场改造前后的输出电流来看有一些问题，实际输出电压有所升高但输出电流却降低不少，需要进一步调查。从3#和4#改造前后的运行电压电流来看，KP的高频电源在替换三相电源后使得运行电压电流大幅增加，而从改造前后的排放数据来看，粉尘排放量得到了很大的降低。

4.3 国外案例，印度Narmada水泥厂-窑头篦冷机除尘器

5. 结论

对于国家和社会对环境保护的要求，现有水泥生产工艺中烟气的粉尘治理可以通过电除尘器电源的改造来达到标准，而不需要对除尘器本体进行大的改造甚至增加电场数。而对于不同的ESP，要达到超低排放的要求可以通过不同的电源类型搭配来达到效果，而不是越大的电源越好或者某一种电源一定最好。

作者：丁程 王海庆

作者单位：夸普电气(上海)有限公司

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