高頻電源及脈沖電源在燒結(jié)機(jī)頭電除塵器改造中的應(yīng)用

吳 波

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司， 陜西 勉縣 724200）

隨著當(dāng)前大氣污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，國(guó)家出臺(tái)了排放標(biāo)準(zhǔn)。《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，燒結(jié)機(jī)頭排放標(biāo)準(zhǔn)提高至40 mg/m3，限值地區(qū)為40 mg/m3，部分地方規(guī)定甚至達(dá)到30 mg/m3。由此可見國(guó)家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高到了一個(gè)更高的水平。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排放值要求的指標(biāo)提高幅度較大，因此新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前建成的大部分燒結(jié)機(jī)頭電除塵器均面臨技術(shù)升級(jí)改造問題。

1 電除塵高壓電源發(fā)展歷程

電除塵高壓電源伴隨著電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展，總的發(fā)展趨向于運(yùn)維的智能化、控制的自動(dòng)化、功率變換器的高頻化、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)效比的合理化，其發(fā)展歷程。

1.1 LC 恒流源

20 世紀(jì)80 年代及以前，電除塵系統(tǒng)中應(yīng)用的均為L(zhǎng)C 恒流電源，其原理是在主回路中串并聯(lián)電感電容的組合，使得負(fù)載的輸出電流不隨負(fù)載電阻變化，實(shí)現(xiàn)恒流輸出，改變電容電感串并聯(lián)組的不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的檔位調(diào)節(jié)。

1.2 可控硅高壓工頻電源

20 世紀(jì)90 年代，隨著晶閘管成本的下降和控制方式的成熟，市場(chǎng)上出現(xiàn)了可控硅工頻電源，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)的輸入電壓有效值，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出的直流高壓電的電壓值，這樣就可以對(duì)輸出電流進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

1.3 電除塵高頻電源

隨著電力電子器件IGBT 的發(fā)展和控制技術(shù)的成熟，2003 年法國(guó)阿爾斯通公司提出了電除塵高頻電源方案，在國(guó)外干式電除塵系統(tǒng)中成功運(yùn)用，取得良好的效果。

1.4 電除塵脈沖電源

在干式電除塵應(yīng)用中，針對(duì)煙氣的高比電阻情況，顆粒物的直徑又非常小，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，極小顆粒很難荷電，丹麥?zhǔn)访芩孤氏乳_發(fā)出脈沖電源，國(guó)內(nèi)往往稱為復(fù)合脈沖電源，應(yīng)用于干式電除塵的末級(jí)電場(chǎng)，進(jìn)行最終的精細(xì)化微小顆粒除塵。

2 高頻電源工作原理

電除塵器高頻電源是利用高頻開關(guān)技術(shù)而形成的逆變式電源，其供電電流是由一系列窄脈沖構(gòu)成，可以給電除塵器提供具有從接近純直流到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形。高頻電源控制方式靈活多樣，可根據(jù)電除塵器運(yùn)行工況選擇最合適的電壓波形，減少電除塵能耗，提高除塵效率。

高頻電源是將三相交流電（380 V）經(jīng)整流和濾波后得到約530 V 左右的直流電壓，經(jīng)全橋逆變，形成20 kHz 左右的交變電流，再經(jīng)高頻變壓器升壓整流后形成高頻高壓脈動(dòng)直流送至電除塵器。脈沖控制器是通過不斷分析整流變壓器的一次、二次信號(hào)的電氣特性（并非采用濁度反饋信號(hào)），主要是根據(jù)信號(hào)的波形變化來了解當(dāng)前電場(chǎng)內(nèi)工況運(yùn)行情況，并實(shí)時(shí)針對(duì)該變化由控制器內(nèi)部程序自動(dòng)調(diào)整整流變壓器的輸入輸出能量，從而更好地優(yōu)化注入到電場(chǎng)的能量，以獲得最佳收塵效率。

3 脈沖電源工作原理

分體式脈沖電源是新一代的電除塵器供電裝置，可廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、水泥等行業(yè)的煙氣粉塵治理，脈沖電源由兩部分構(gòu)成，即基礎(chǔ)電壓部分和脈沖電壓部分。

1）基礎(chǔ)電壓部分。可由常規(guī)高頻電源提供，通過整流、濾波、逆變、升壓的方式，將三相380 V 交流電轉(zhuǎn)換成一系列電流窄脈沖，供給靜電除塵器，并在靜電除塵器上形成穩(wěn)定的直流電壓，基礎(chǔ)電壓額定值可達(dá)60 kV。基礎(chǔ)電壓也可由常規(guī)工頻電源、三相電源等直流電源提供。

2）脈沖電壓部分。由IGBT 開關(guān)器件、儲(chǔ)能電容、脈沖變壓器、高壓隔直電容組成，這些器件與電除塵器等效電容構(gòu)成諧振回路，產(chǎn)生諧振電流，并最終在除塵器上產(chǎn)生脈沖電壓。脈沖電壓寬度小于100μs，脈沖電壓峰值最高可達(dá)80 kV。

分體式脈沖電源是結(jié)構(gòu)上基礎(chǔ)電壓與脈沖電壓分離的一種脈沖電源。兩部分為分別獨(dú)立的供電單元，基礎(chǔ)部分提供額定值為60 kV 的基礎(chǔ)電壓，脈沖部分提供額定峰值為80 kV 的脈沖電壓。兩部分通過高壓隔離開關(guān)連接，給除塵器供電。

3）智能控制部分。通過脈沖控制器不斷分析整流變壓器的一次、二次信號(hào)的電氣特性（并非采用濁度反饋信號(hào)），主要是根據(jù)信號(hào)的波形變化來了解當(dāng)前電場(chǎng)內(nèi)工況運(yùn)行情況，并實(shí)時(shí)針對(duì)該變化由控制器內(nèi)部程序自動(dòng)調(diào)整整流變壓器的輸入輸出能量，從而更好地優(yōu)化注入到電場(chǎng)的能量，以獲得最佳收塵效率。

4 高頻電源及脈沖電源的應(yīng)用

4.1 燒結(jié)機(jī)頭電除塵器的特點(diǎn)

1）工況穩(wěn)定性差導(dǎo)致煙氣溫度變化范圍大，使電除塵器工況處于劇烈變化狀態(tài)，除塵效果不穩(wěn)定。

2）煙氣粉塵中堿金屬氧化物含量高，比重輕，黏度大，粉塵顆粒細(xì)。粉塵被吸附在陽極板、陰極線上后，難以清除，造成板、線積灰嚴(yán)重，易造成電暈閉塞及反電暈現(xiàn)象發(fā)生，影響除塵效率。

3）粉塵比電阻高。由于粉塵比電阻高，尤其產(chǎn)生高堿度燒結(jié)礦時(shí)，比電阻值甚至達(dá)到1 012 Ω·cm以上，造成荷電困難，同時(shí)粉塵被吸附在陽極板、陰極線上后，很難釋放電荷，在電場(chǎng)力的作用下很難被振打力清除，從而極易產(chǎn)生“反電暈”現(xiàn)象，降低除塵效率。

4）煙氣含濕量大。水分與硫反應(yīng)生成的酸性物質(zhì)腐蝕設(shè)備，同時(shí)增加粉塵附著力，造成清灰困難。

5）粉塵粒徑小。粒度＜5μm 的粉塵占30%以上。

6）煙氣負(fù)壓高。達(dá)到近20 kPa，易使設(shè)備漏風(fēng)，造成氣流分布不均，且漏風(fēng)處溫度下降，造成局部結(jié)露積灰，絕緣降低，產(chǎn)生爬電，導(dǎo)致除塵效率下降。

4.2 燒結(jié)機(jī)機(jī)頭電除塵器采用基波疊加脈沖電源的優(yōu)勢(shì)

電除塵器的工作原理主要是首先使空氣電離，電離后使粉塵荷電，荷電后的粉塵在電場(chǎng)力的作用下向極板移動(dòng)并吸附于其上，最后使用振打裝置將其震落并收集，完成了一個(gè)電除塵器的收塵過程。

在比集塵面積和煙氣量一定的情況下，高頻基波疊加脈沖電源是一種能周期性輸出兆瓦級(jí)能量的直流電源，可瞬間將電場(chǎng)電壓提高到160 kV，能量的瞬間釋放提高電場(chǎng)內(nèi)擴(kuò)散荷電的作用，大大增強(qiáng)高比電阻粉塵及細(xì)微粉塵在電場(chǎng)中的荷電效果，從而提高粉塵的捕集效率，達(dá)到減排的目的。

同時(shí)，后級(jí)電場(chǎng)因?yàn)榘濉⒕€吸收了大量高比電阻、黏性很大的細(xì)粉塵，極難清除，反電暈現(xiàn)象嚴(yán)重，電場(chǎng)伏安特性出現(xiàn)拐點(diǎn)，電暈電流升的越高，電暈電壓越低，并導(dǎo)致電場(chǎng)擊穿電壓的下降，出現(xiàn)頻繁閃絡(luò)，從而也降低了電暈電壓平均值，減弱了電除塵內(nèi)部的電場(chǎng)力，降低了除塵效率。脈沖電源運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)出的脈沖供電方式，不僅適用于反電暈工況，使極板上積塵有足夠時(shí)間釋放電荷，還能確保更高電暈功率輸出，可以大幅節(jié)能。

基于以上分析，可以得出一個(gè)結(jié)論，影響電除塵器效率的關(guān)鍵因素在于對(duì)高比電阻粉塵及細(xì)微粉塵的捕集能力，而高頻基波疊加脈沖電源在處理高比電阻及細(xì)微顆粒的粉塵方面具有直流電源無法比擬的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到幾倍甚至幾十倍的提升效果。

5 結(jié)語

不論對(duì)于新建的燒結(jié)機(jī)頭電除塵器還是對(duì)于老除塵器改造來說，采用先進(jìn)的高頻電源及高頻基波疊加脈沖電源來改變電除塵高壓設(shè)備供電方式，是提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度、提升電除塵除塵效率的有效方法。尤其對(duì)于電除塵器的改造，它見效快，效果好，投資低，是目前性價(jià)比最高的一種方案，既能有效減輕排放壓力，又符合企業(yè)增產(chǎn)提效的要求。當(dāng)然，影響電除塵器除塵效率的因素還有很多，尤其是生產(chǎn)工況、除塵器本體狀況等，無法僅靠改造電源來完全實(shí)現(xiàn)降低排放。但高頻電源和脈沖電源的組合應(yīng)用，為電除塵器節(jié)能減排、滿足國(guó)家環(huán)保要求提供了一條很好的思路。