電除塵器創新改造的探索
一、引言
很久以來，我國電站鍋爐電除塵器供電控制方式，先后出現了普通火花跟蹤供電控制方式，間歇供電控制方式、簡易脈沖供電控制方式、恒流高壓直流供電控制方式等多種供電控制方式。電除塵器陰極的形式有螺旋線型、魚骨線型、鋸齒線型、芒刺線型等多種陰極形式。但是，無論供電控制方式怎樣變換，陰極形式怎樣改變，共粉塵荷電和收塵的區域始終沒有改變，即都在陰極和陽極所相對的的同一個區域里進行著荷電、收塵和反放電工作。這里的反放電其實就是人們常說的反電暈現象。為什么公產生反電暈呢？就是因為在陰陽極之間有電暈電流通過，而且為了提高除塵效率，還要保持足夠的電暈電流強度，這就要加劇了反電暈的產生頻率，除塵效率降低。為了克服這種弊病，許多除塵器廠家在設計中采用保守的驅進速度、對煙氣進行調質處理、采用寬極距、輔助電極、采用脈沖電源、采用間歇電源、運行中控制合理電流值等多種克服反電暈的方法。特別是最近幾年從國外引進的、在采用肪沖供電方式的基礎上依靠EPMAX Ⅲ監控系統實旋監控、采用間歇停電振打清灰除塵方式等。雖然對反電暈現象有所抑制，除塵效果和節能效果也較顯著，但是，都沒有達到較為理想的既能提高除塵效率，雙能夠大量節省電能的目的。如何解決這個難題，使電力企業真正達到創建“五型企業”的止的，是擺在電力系統面前的一項艱巨任務。為了解決這個難題，泊頭市鵬鶴環保機械有限公司根據電除塵器領域長期工作經驗和電除塵器理論書刊的指導，就目前電除塵器本體結構方面、供電方面存在的問題、以及有效抵制反電暈的思路進行探討。
二、電除塵器本體結構存在的問題
目前，我國電除塵器本體結構所包含的兩大主要部分，即收塵極系統（含收塵極板和振打清灰裝置）和電暈極系統（含電暈線、電暈極框架、電暈極振打、絕緣套管和保溫箱等）中，同極間距較寬，一般采用400mm；收塵極板較高，一般采用15m左右；陰極采用上上雙層振打裝置，陽極采用單層振打裝置。當同極間距提高至400mm時，相應的二次供電電壓也提高至6.6萬V或7.2萬V，導致高壓硅整流設備及其之后的電路傳輸系統的絕緣等級也相應提高，不但增加了工程造價，而且增加了工作風險。當陽極板之間的間距提高至400mm時，如果電除塵器整體空間保持不變的條件下，勢必減少電除塵器整體收塵面積，使收塵效率降低，為了提高除塵效率，勢必增加電除塵器整體空間，使電除塵器造價增加。當收塵極板的高度提高至15m時，如果還采用底部單層振找裝置，由于振動加速度沿高度方向上的逐漸減弱，使靠近陽極板頂部的積灰不易被振落，從而容易產生反電暈現象。例如，三河發電有限責任公司電除塵器陽極板高度15m，振打裝置安裝于底部，鍋爐停運之后，陽極振打裝置連續運行4h，檢查發現靠近陽極板頂部的積灰厚度達2mm左右。另外，由于粉塵的荷電和收塵過程是在同一個陰陽極區域內進行，而且為了提高除塵效率，增強荷電和收塵效果，勢必要提高二次電壓和電暈電流。電暈電流的增強，為反電暈的發展提供了條件。
三、電除塵器供電問題
3.1 間歇供電控制方式的問題
采用間歇供電可以克服和抑制有害的反電暈現象。它周期性地關斷幾個半波，降低供電的平均電壓從而減少通過粉塵層的電流密度，達到抑制或減輕反電暈的目的。但即使斷續供電，仍然有平均電流通過粉塵層，也就不能徹底消除反電暈現象。例如，三河發電有限責有限公司一期工程電除塵器控制裝置是由浙江金華電子有限公司制造的，其中的供電方式有一項是間歇供電。控制方式結果是電除塵器出口煙氣濁度、二次電壓和二次電流均無明顯的變化。同期工程2號鍋爐電除塵器控制部分采用美國技術與國內外經驗相結合，開發的H型數字化微機控制設備，其間歇供電取得的效果是：相同電場的二次電壓由原來的6萬V降至4.5萬V，二次電流由原來的500mA降至300mA，煙氣溫度由原來的110mg/m3降至70mg/m3節省電能和提高除塵效率均較明顯，但是仍然沒有達到煙塵排放濃度30mg/m3以下的標準。
3.2 脈沖供電控制方式的問題
脈沖供電方式也是為了克服和抑制反電暈現象。它是在一定的直流電壓的基礎上疊加一個具有一定重復頻率、寬度很窄而電壓峰值又很高的脈沖電壓，具有如下特點：
●脈沖供電在很短的時間內在電極上施加快速上升的脈沖，提高了電場擊穿電壓，所以施加在電場上的峰值電壓比常規電壓一般高出1.5倍至4倍；
●脈沖供電時，陰極具有非常強烈而均勻的電暈放電，從而提高了粉塵的荷電機量；
●可在脈沖峰值電壓基本不變的條件下，通過改變脈沖重復頻率，在大范圍內選擇電暈平均電流。因此，對不同性質的粉塵具有良好的適應性，有利于克服反電暈現象；
●可以明顯降低運行電流，節能效果顯著；
●當粉塵比電阻高于1012Ω·cm 時，除塵與節電效果更加明顯。脈沖供電的這些特點使其成為當今電除塵器主要供電技術之一。但是，由于目前的脈沖供電電源是一個由直流電源和脈沖電源疊加而成的復合電源，且粉塵荷電和超級的工作都是在同一個區域內完成的，而且基礎電壓是一個脈動的、連續的起直流電流，仍然有可能產生反電暈，除塵效率也就不可能理想。例如，國產KGYAJ-115、50、40電除塵器脈沖供電設備的主要技術參數如下：
額定脈沖峰值電壓：50KV；脈沖寬度：100-300uS；脈沖重復頻率：20-300PPS；額定基礎直流電壓：40KV；額定基礎直流電流：400mA。
我國新型脈沖電源供電設備主要技術參數如下：脈沖電壓寬度：0.06-0.10uS；脈沖重復頻率：50-100PPS；脈沖電壓與基礎電壓比值：1.5-4.0。
由國外技術與國內技術相結合而產生的EPMAX Ⅲ供電設備監控系統主要技術參數如下表所示。
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通過上述三種脈沖供電設備參數的對比可以看出，無論參數如何變化，都有基礎直流電壓和基礎直流電流存在，所不同的是脈沖電壓與基礎電壓的比值、二次基礎電壓平均值、二次基礎電流平均值、二次脈沖電流值。由于二次基礎電壓平均值和二次基礎電流平均值的存在，使電除塵反電暈現象不可能從根本上消除，除塵效率也就不可能達到較為理想的除塵效率。例如，三河發電有限責任公司1號鍋爐電除塵器一期工程電除塵器控制裝置是由浙江金華電子有限公司制造的，2006年6月改由國外技術和國內技術結合而形成的EPMAX Ⅲ脈沖供電設備監控系統，改造的結果是：二次平均電流由原來的550mA降至280mA，煙塵濃度由原來的120mg/m3降至60mg/m3,節能和除塵效果都很顯著。但是，仍然與要求的30mg/m3有很大的距離。
三、理想模型
4.1 電除塵器分區供電
所謂分區供電，就是將電除塵器的某幾個電場作為粉塵荷電之用，另外幾個電場作為收塵之用。粉塵的荷電和收塵分別在不同的區域完成，從而杜絕反電暈的產生。前面已經提到脈沖供電時，陰極具有非常均勻的電暈分布和很強的電暈放電能力，從而提高粉塵的荷電機率；還能夠在脈沖峰值電壓基本不變的條件下，通過改變脈沖重復頻率，在大范圍內選擇電暈平均電流。例如，可將目前的脈沖重復頻率20-300PPS提高至600-1000PPS或更高，這樣，在保持陰陽極尺寸不變的情況下，大提高粉塵的荷電機率，或者說是在提高了脈沖得復頻率之后，可顯著減少除塵器體積，降低工程造價。鑒于此，應該充分發揮脈沖供電的優點，也就是說，脈沖供電應該是純正的脈沖供電，而不應該在基礎起碼流的基礎上桑加脈沖電波，這種供電方式既不能夠充分發揮脈沖供電的長處，又為反電暈的形成提供了條件，使脈沖供電優勢不可能發揮的淋漓盡致。在荷電區域提供純正的脈沖供電電源之后，可以最大限度地發揮脈沖供電的荷電優勢，使粉塵荷電達到最佳的效果而且脈沖電源設備得升了簡化。節能效果也會非常顯著。此外，還可以使電除塵器控制系統簡單化，例如，陽極和陰極振打系統可以采用連續振打方式徹底杜絕反電暈的滋生土壤。國外和國內共同開發的EPMAX Ⅲ脈沖供電控制系統采用降壓振打方式，不但使控制系統復雜化，故障幾率增加，而且在降壓的過程中荷電變差，除塵效率低。采用分區放電，可以在放電區域采用輔助電極。所謂輔助電極，是指本身不產生電暈，只在輔助電極和陽極之間產生均勻的強電場，吸附已荷電的粉塵并使之放電，最終實現收塵的電極。由于輔助電極不產生電暈，所以這個區域所產生產電流只能是荷電粉塵在輔助電極和陽極的放電電流，應該是很小的，這就可以有效的防止高比電陰粉塵在陽極產生的反電暈現象。根據電場理論，在電壓相同的條件下均勻電場的場強比不均勻電場的場強大得多，這就可以有效提高荷電粉塵的驅進速度，同時均勻電場捕捉荷電粉塵的幾率也遠遠大于不均勻電場。使設計有輔助電極的區域放電收塵效果要顯著大于目前正在使用的、同時具備荷電和放電收塵功能結構，除塵效率將有質的飛躍。
4.2電除塵器電場的結構形式
從電除塵器整體出發，一般情況下可以將電場分為六個區域，即三個荷電區域和三個收塵區域，而且荷電區域始終在相應的收塵區域之前和三個收塵區域，而且荷電區域始終在相應的收塵區域之前，具體布置。在第一荷電電場和第二荷電電場由于煙塵濃度較高而粉塵較粗，陰極最好采用改進型RS密芒刺線。這樣，脈沖供電和RS密芒刺線相結合，可獲得最佳的荷電效果。因為RS密芒刺線工作時，刺尖能產生強烈的電暈放電，強烈的離子流能破壞負空間電荷效應，避免出現電暈封閉，而同時提供的脈沖供電又可以防止反電暈的產生。兩者相輔相成，構成一個電源結構比較完整、適應煙氣工況變化能力較強、荷電效應強烈的荷電區域。第三荷電區域電場由于處在煙塵濃度相對較小而寺細顆料又較多的區域，陰極最好采用螺旋線，其曲率半徑較大，電暈放電均勻，對高比電陰的細粉塵有良好的適應性。由于放電均勻，可以大大提高電除塵器尾部細粉塵的荷電捕捉率，把握電除塵器最后一道關口。三個放電收塵區域可以設計成長度、寬度、高度相同的區域。這里的寬度或者說同極間距應該采用比目前所使用的同極間小，例臺，目前同極陽極或陰極之間的間距一般為400mm，在輔助電極區，由于不產生電暈電流，因此可以不考慮反電暈的影響，使電極的布置方式更加靈活，同極間距可以由原來的400mm縮短為300mm或更窄一些，增加收塵面積接近三分之一或更多。電壓等級以及相應的電源設備耐壓等級也會相應降低，在機組設計容量保持不變的前提下，會顯著減少電除塵器本體容積，從而降低工程造價，降低工作的風險。輔助電極的形式可以采用與收塵極相同的形式，即采用480C形極板或735C形極板，這樣不但可以產生極其均勻的、不產生電暈放電的靜電場，還有利于振打清灰，有效防止二次揚塵。電除塵器電場的高度也應該比目前所使用的電場高度大幅度降低，例如，目前所使用的電場高度一般為15m左右，它所存在的弊病是：當陽極板采用底部單層振打清灰時，上部的清灰效果較差，遺留較厚的灰層，容易產生反電暈現象；當這樣的陽極板上部灰層振打脫落時，成片的積灰會在下落加速過程中因與煙氣延長的摩擦、與陽極板碰撞而額外產生二次飛揚。因此，解決問題的方案有兩種。第一種解決方案，如果陽極仍然采用底單層振打裝置，陽極板的高度設計為10m為宜；第二種解決方案，如果陽極采用兩極振打裝置，陽極板的高度設計為15m為宜。無論在荷電區域，在放電收塵區域，收塵極板的形式均可以采用480C形極板或735C形極板。在荷電區域采用連續振打方式，而在放電收塵區域的輔助電極和收塵極，根據電場所在的位置不同，分別采用間歇振打方式，沿著煙氣流動方向，第一輔助電極區振打間歇時間應該最短，而最后輔助電極區振打間歇時間應該最長。
五、可行性分析
產生純脈沖供電方式是可行的。目前的脈沖供電是基礎直流電流與脈沖電流疊加。而脈沖供電又是可以獨立生成的。因此，在目前混流脈沖供電方式下去掉基礎直流電流是完全可行的，在技術上也是能夠通過的。至于在輔助電極區域將目前設計的同極間距400mm縮短為300mm，不但在技術上可行，而且已經獲得成功。所在的區域是不產生電暈電流以的輔助電極區域，布置上有充分的靈活性。至于因為電場高度所帶來的陽極上奪打清灰效果變差的問題，經過改造采用上下兩層振打或者對于在建的電除塵器陽極直接采用兩層振打，技術上也是可行的。
六、結論
綜上所述，經過十幾年的實踐，混合脈沖供電方式已經獲得了成功，為提高除塵效率、節省能源提供了有力的技術支持。因此，純脈沖供電方式也必將在新建、擴建和改建的電除塵器中獲得成功的運用。由于純脈沖供電方式具有超強的荷電能力，RS改進型芒刺線具有超強的電暈放電能力和穿透能力，輔助電極區域具有超強的放電收塵能力和良好的振打清灰能力，同時高陽極板采用雙層振打清灰方式，在輔助電極區域因同極間距的縮小而產生的收塵面積的增大，不但使電除塵器的除塵效果發生質的飛躍、持續保持除塵效率，而且降低工程投資，節省運行維護費用，降低能源消耗。所以建議有關設計單位或制造單位采用并發展純脈沖供電、分區供電和輔助電極區相結合的除塵方式，將會收到事半功倍的效果。
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