电除尘器创新改造的探索
一、引言
很久以来，我国电站锅炉电除尘器供电控制方式，先后出现了普通火花跟踪供电控制方式，间歇供电控制方式、简易脉冲供电控制方式、恒流高压直流供电控制方式等多种供电控制方式。电除尘器阴极的形式有螺旋线型、鱼骨线型、锯齿线型、芒刺线型等多种阴极形式。但是，无论供电控制方式怎样变换，阴极形式怎样改变，共粉尘荷电和收尘的区域始终没有改变，即都在阴极和阳极所相对的的同一个区域里进行着荷电、收尘和反放电工作。这里的反放电其实就是人们常说的反电晕现象。为什么公产生反电晕呢？就是因为在阴阳极之间有电晕电流通过，而且为了提高除尘效率，还要保持足够的电晕电流强度，这就要加剧了反电晕的产生频率，除尘效率降低。为了克服这种弊病，许多除尘器厂家在设计中采用保守的驱进速度、对烟气进行调质处理、采用宽极距、辅助电极、采用脉冲电源、采用间歇电源、运行中控制合理电流值等多种克服反电晕的方法。特别是最近几年从国外引进的、在采用肪冲供电方式的基础上依靠EPMAX Ⅲ监控系统实旋监控、采用间歇停电振打清灰除尘方式等。虽然对反电晕现象有所抑制，除尘效果和节能效果也较显著，但是，都没有达到较为理想的既能提高除尘效率，双能够大量节省电能的目的。如何解决这个难题，使电力企业真正达到创建“五型企业”的止的，是摆在电力系统面前的一项艰巨任务。为了解决这个难题，泊头市鹏鹤环保机械有限公司根据电除尘器领域长期工作经验和电除尘器理论书刊的指导，就目前电除尘器本体结构方面、供电方面存在的问题、以及有效抵制反电晕的思路进行探讨。
二、电除尘器本体结构存在的问题
目前，我国电除尘器本体结构所包含的两大主要部分，即收尘极系统（含收尘极板和振打清灰装置）和电晕极系统（含电晕线、电晕极框架、电晕极振打、绝缘套管和保温箱等）中，同极间距较宽，一般采用400mm；收尘极板较高，一般采用15m左右；阴极采用上上双层振打装置，阳极采用单层振打装置。当同极间距提高至400mm时，相应的二次供电电压也提高至6.6万V或7.2万V，导致高压硅整流设备及其之后的电路传输系统的绝缘等级也相应提高，不但增加了工程造价，而且增加了工作风险。当阳极板之间的间距提高至400mm时，如果电除尘器整体空间保持不变的条件下，势必减少电除尘器整体收尘面积，使收尘效率降低，为了提高除尘效率，势必增加电除尘器整体空间，使电除尘器造价增加。当收尘极板的高度提高至15m时，如果还采用底部单层振找装置，由于振动加速度沿高度方向上的逐渐减弱，使靠近阳极板顶部的积灰不易被振落，从而容易产生反电晕现象。例如，三河发电有限责任公司电除尘器阳极板高度15m，振打装置安装于底部，锅炉停运之后，阳极振打装置连续运行4h，检查发现靠近阳极板顶部的积灰厚度达2mm左右。另外，由于粉尘的荷电和收尘过程是在同一个阴阳极区域内进行，而且为了提高除尘效率，增强荷电和收尘效果，势必要提高二次电压和电晕电流。电晕电流的增强，为反电晕的发展提供了条件。
三、电除尘器供电问题
3.1 间歇供电控制方式的问题
采用间歇供电可以克服和抑制有害的反电晕现象。它周期性地关断几个半波，降低供电的平均电压从而减少通过粉尘层的电流密度，达到抑制或减轻反电晕的目的。但即使断续供电，仍然有平均电流通过粉尘层，也就不能彻底消除反电晕现象。例如，三河发电有限责有限公司一期工程电除尘器控制装置是由浙江金华电子有限公司制造的，其中的供电方式有一项是间歇供电。控制方式结果是电除尘器出口烟气浊度、二次电压和二次电流均无明显的变化。同期工程2号锅炉电除尘器控制部分采用美国技术与国内外经验相结合，开发的H型数字化微机控制设备，其间歇供电取得的效果是：相同电场的二次电压由原来的6万V降至4.5万V，二次电流由原来的500mA降至300mA，烟气温度由原来的110mg/m3降至70mg/m3节省电能和提高除尘效率均较明显，但是仍然没有达到烟尘排放浓度30mg/m3以下的标准。
3.2 脉冲供电控制方式的问题
脉冲供电方式也是为了克服和抑制反电晕现象。它是在一定的直流电压的基础上叠加一个具有一定重复频率、宽度很窄而电压峰值又很高的脉冲电压，具有如下特点：
●脉冲供电在很短的时间内在电极上施加快速上升的脉冲，提高了电场击穿电压，所以施加在电场上的峰值电压比常规电压一般高出1.5倍至4倍；
●脉冲供电时，阴极具有非常强烈而均匀的电晕放电，从而提高了粉尘的荷电机量；
●可在脉冲峰值电压基本不变的条件下，通过改变脉冲重复频率，在大范围内选择电晕平均电流。因此，对不同性质的粉尘具有良好的适应性，有利于克服反电晕现象；
●可以明显降低运行电流，节能效果显著；
●当粉尘比电阻高于1012Ω·cm 时，除尘与节电效果更加明显。脉冲供电的这些特点使其成为当今电除尘器主要供电技术之一。但是，由于目前的脉冲供电电源是一个由直流电源和脉冲电源叠加而成的复合电源，且粉尘荷电和超级的工作都是在同一个区域内完成的，而且基础电压是一个脉动的、连续的起直流电流，仍然有可能产生反电晕，除尘效率也就不可能理想。例如，国产KGYAJ-115、50、40电除尘器脉冲供电设备的主要技术参数如下：
额定脉冲峰值电压：50KV；脉冲宽度：100-300uS；脉冲重复频率：20-300PPS；额定基础直流电压：40KV；额定基础直流电流：400mA。
我国新型脉冲电源供电设备主要技术参数如下：脉冲电压宽度：0.06-0.10uS；脉冲重复频率：50-100PPS；脉冲电压与基础电压比值：1.5-4.0。
由国外技术与国内技术相结合而产生的EPMAX Ⅲ供电设备监控系统主要技术参数如下表所示。
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通过上述三种脉冲供电设备参数的对比可以看出，无论参数如何变化，都有基础直流电压和基础直流电流存在，所不同的是脉冲电压与基础电压的比值、二次基础电压平均值、二次基础电流平均值、二次脉冲电流值。由于二次基础电压平均值和二次基础电流平均值的存在，使电除尘反电晕现象不可能从根本上消除，除尘效率也就不可能达到较为理想的除尘效率。例如，三河发电有限责任公司1号锅炉电除尘器一期工程电除尘器控制装置是由浙江金华电子有限公司制造的，2006年6月改由国外技术和国内技术结合而形成的EPMAX Ⅲ脉冲供电设备监控系统，改造的结果是：二次平均电流由原来的550mA降至280mA，烟尘浓度由原来的120mg/m3降至60mg/m3,节能和除尘效果都很显著。但是，仍然与要求的30mg/m3有很大的距离。
三、理想模型
4.1 电除尘器分区供电
所谓分区供电，就是将电除尘器的某几个电场作为粉尘荷电之用，另外几个电场作为收尘之用。粉尘的荷电和收尘分别在不同的区域完成，从而杜绝反电晕的产生。前面已经提到脉冲供电时，阴极具有非常均匀的电晕分布和很强的电晕放电能力，从而提高粉尘的荷电机率；还能够在脉冲峰值电压基本不变的条件下，通过改变脉冲重复频率，在大范围内选择电晕平均电流。例如，可将目前的脉冲重复频率20-300PPS提高至600-1000PPS或更高，这样，在保持阴阳极尺寸不变的情况下，大提高粉尘的荷电机率，或者说是在提高了脉冲得复频率之后，可显著减少除尘器体积，降低工程造价。鉴于此，应该充分发挥脉冲供电的优点，也就是说，脉冲供电应该是纯正的脉冲供电，而不应该在基础起码流的基础上桑加脉冲电波，这种供电方式既不能够充分发挥脉冲供电的长处，又为反电晕的形成提供了条件，使脉冲供电优势不可能发挥的淋漓尽致。在荷电区域提供纯正的脉冲供电电源之后，可以最大限度地发挥脉冲供电的荷电优势，使粉尘荷电达到最佳的效果而且脉冲电源设备得升了简化。节能效果也会非常显著。此外，还可以使电除尘器控制系统简单化，例如，阳极和阴极振打系统可以采用连续振打方式彻底杜绝反电晕的滋生土壤。国外和国内共同开发的EPMAX Ⅲ脉冲供电控制系统采用降压振打方式，不但使控制系统复杂化，故障几率增加，而且在降压的过程中荷电变差，除尘效率低。采用分区放电，可以在放电区域采用辅助电极。所谓辅助电极，是指本身不产生电晕，只在辅助电极和阳极之间产生均匀的强电场，吸附已荷电的粉尘并使之放电，最终实现收尘的电极。由于辅助电极不产生电晕，所以这个区域所产生产电流只能是荷电粉尘在辅助电极和阳极的放电电流，应该是很小的，这就可以有效的防止高比电阴粉尘在阳极产生的反电晕现象。根据电场理论，在电压相同的条件下均匀电场的场强比不均匀电场的场强大得多，这就可以有效提高荷电粉尘的驱进速度，同时均匀电场捕捉荷电粉尘的几率也远远大于不均匀电场。使设计有辅助电极的区域放电收尘效果要显著大于目前正在使用的、同时具备荷电和放电收尘功能结构，除尘效率将有质的飞跃。
4.2电除尘器电场的结构形式
从电除尘器整体出发，一般情况下可以将电场分为六个区域，即三个荷电区域和三个收尘区域，而且荷电区域始终在相应的收尘区域之前和三个收尘区域，而且荷电区域始终在相应的收尘区域之前，具体布置。在第一荷电电场和第二荷电电场由于烟尘浓度较高而粉尘较粗，阴极最好采用改进型RS密芒刺线。这样，脉冲供电和RS密芒刺线相结合，可获得最佳的荷电效果。因为RS密芒刺线工作时，刺尖能产生强烈的电晕放电，强烈的离子流能破坏负空间电荷效应，避免出现电晕封闭，而同时提供的脉冲供电又可以防止反电晕的产生。两者相辅相成，构成一个电源结构比较完整、适应烟气工况变化能力较强、荷电效应强烈的荷电区域。第三荷电区域电场由于处在烟尘浓度相对较小而寺细颗料又较多的区域，阴极最好采用螺旋线，其曲率半径较大，电晕放电均匀，对高比电阴的细粉尘有良好的适应性。由于放电均匀，可以大大提高电除尘器尾部细粉尘的荷电捕捉率，把握电除尘器最后一道关口。三个放电收尘区域可以设计成长度、宽度、高度相同的区域。这里的宽度或者说同极间距应该采用比目前所使用的同极间小，例台，目前同极阳极或阴极之间的间距一般为400mm，在辅助电极区，由于不产生电晕电流，因此可以不考虑反电晕的影响，使电极的布置方式更加灵活，同极间距可以由原来的400mm缩短为300mm或更窄一些，增加收尘面积接近三分之一或更多。电压等级以及相应的电源设备耐压等级也会相应降低，在机组设计容量保持不变的前提下，会显著减少电除尘器本体容积，从而降低工程造价，降低工作的风险。辅助电极的形式可以采用与收尘极相同的形式，即采用480C形极板或735C形极板，这样不但可以产生极其均匀的、不产生电晕放电的静电场，还有利于振打清灰，有效防止二次扬尘。电除尘器电场的高度也应该比目前所使用的电场高度大幅度降低，例如，目前所使用的电场高度一般为15m左右，它所存在的弊病是：当阳极板采用底部单层振打清灰时，上部的清灰效果较差，遗留较厚的灰层，容易产生反电晕现象；当这样的阳极板上部灰层振打脱落时，成片的积灰会在下落加速过程中因与烟气延长的摩擦、与阳极板碰撞而额外产生二次飞扬。因此，解决问题的方案有两种。第一种解决方案，如果阳极仍然采用底单层振打装置，阳极板的高度设计为10m为宜；第二种解决方案，如果阳极采用两极振打装置，阳极板的高度设计为15m为宜。无论在荷电区域，在放电收尘区域，收尘极板的形式均可以采用480C形极板或735C形极板。在荷电区域采用连续振打方式，而在放电收尘区域的辅助电极和收尘极，根据电场所在的位置不同，分别采用间歇振打方式，沿着烟气流动方向，第一辅助电极区振打间歇时间应该最短，而最后辅助电极区振打间歇时间应该最长。
五、可行性分析
产生纯脉冲供电方式是可行的。目前的脉冲供电是基础直流电流与脉冲电流叠加。而脉冲供电又是可以独立生成的。因此，在目前混流脉冲供电方式下去掉基础直流电流是完全可行的，在技术上也是能够通过的。至于在辅助电极区域将目前设计的同极间距400mm缩短为300mm，不但在技术上可行，而且已经获得成功。所在的区域是不产生电晕电流以的辅助电极区域，布置上有充分的灵活性。至于因为电场高度所带来的阳极上夺打清灰效果变差的问题，经过改造采用上下两层振打或者对于在建的电除尘器阳极直接采用两层振打，技术上也是可行的。
六、结论
综上所述，经过十几年的实践，混合脉冲供电方式已经获得了成功，为提高除尘效率、节省能源提供了有力的技术支持。因此，纯脉冲供电方式也必将在新建、扩建和改建的电除尘器中获得成功的运用。由于纯脉冲供电方式具有超强的荷电能力，RS改进型芒刺线具有超强的电晕放电能力和穿透能力，辅助电极区域具有超强的放电收尘能力和良好的振打清灰能力，同时高阳极板采用双层振打清灰方式，在辅助电极区域因同极间距的缩小而产生的收尘面积的增大，不但使电除尘器的除尘效果发生质的飞跃、持续保持除尘效率，而且降低工程投资，节省运行维护费用，降低能源消耗。所以建议有关设计单位或制造单位采用并发展纯脉冲供电、分区供电和辅助电极区相结合的除尘方式，将会收到事半功倍的效果。
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