不同电控方式对电除尘器的提效特性及能耗分析

我国燃煤电厂烟气超低排放已全面实施[1，2]，且已完成50%以上，据不完全统计，截至2018年底，全国已完成燃煤电厂超低排放改造约8.1亿kW[3]，约占全国煤电装机容量的80%。目前，钢铁、水泥等非电行业的超低排放改造也陆续开始实施[4]。

电除尘器是工业烟气的主流除尘设备，其在燃煤电厂烟尘超低排放改造中应用广泛，据统计，目前燃煤电厂约70%的除尘设备为电除尘器[5，6]。电除尘器主要分为电控和本体两部分。近年来，针对燃煤电厂超低排放技术改造的文献报道大多针对电除尘器的本体新技术，如颗粒团聚技术[7-10]、低低温电除尘技术[11-13]等。但对电控技术，尤其是电控技术对电除尘提效贡献幅度及其相应的电耗分析报道较少。目前，电源新技术主要有高频电源、脉冲电源等[14]。在高频电源方面，贾振宇[15]介绍了一种高效除尘除雾装置高频电源的设计，并对其主电路、控制电路、散热系统、整流变压器、通信模式进行了阐述，但未报道后续详细提效性能；朱法华等[16]分析了电除尘器高频电源节能减排的机理，介绍了国内外高频电源的研究与应用情况，并基于实际工程案例，介绍了高频电源的节能减排幅度，其在节能模式下运行，仍能保持较好的减排效果，但未提及最优的节能运行参数。在脉冲电源方面，汤铭等[17]提出了一种低成本高压脉冲静电除尘电源，分析了该高压脉冲电源的稳态工作原理以及电场发生闪络时的工作情况；孙鹤辉等[18]阐述了电除尘用脉冲电源及控制系统的设计要点，但未见工程应用报道；丁鑫龙等[19]通过实验方法，研究了脉冲电源技术对高比电阻粉尘的脱除特性，但未述及其电耗参数。另外，针对高频电源、脉冲电源2项新技术的提效幅度对比，国内也未见文献报道。

因此，本文通过实验室研究及现场实测相结合的手段，定量分析了不同电控技术对电除尘的提效幅度及其对应的高压供电电耗，为后续电除尘器提效改造提供参考。

1 电除尘器及其电源技术分析

1.1 电除尘器工作原理

电除尘器的系统结构及工作原理如图1所示，主要由电控系统及本体系统组成，本体则由阴极线、阳极板、绝缘子等部件组成，通过电控系统给本体高压供电，带负高压的阴极线在电场内将空气电离，并与接地的阳极板间形成电场场强，含尘烟气流经电场时被荷上负电荷，并在电场力的作用下运动至阳极板，形成粉尘层，然后通过振打等方式将粉尘清除。

1.2 电源技术

归纳常规工频电源、高频电源、脉冲电源的工作原理、示意及技术特点，如表1所示。

2 实验部分

2.1 实验系统

电除尘器实验系统如图2所示，分别由燃油热风炉、螺旋给料机、气瓶(N2、O2、SO2等)、催化装置、电除尘器、在线仪表(CEMS)、风机等组成。其中，电除尘器为单室5电场电除尘器，极板采用480C型，极线为RSB线，同极间距为460 mm，电除尘器各个电场均配置单独的电源供电。分别在电除尘器前、后面布置测孔(为方便PM2.5采样，测孔内径为150 mm)。本实验系统中螺旋给料机设定最大连续给料量约为25 kg/h，设计风量为2000 m3/h，烟气温度在80～250 ℃连续可调。

2.2 实验方法

本实验所需测试仪器及测试方法如表2所示，测试内容包括烟尘、PM2.5、SO2、SO3及粉尘的工况比电阻、几何粒径分布等。通过调整螺旋给料机的转速来调整电除尘器入口的烟尘浓度，实验时将给料量稳定在20 kg/h，风机风量稳定在2000 m3/h，电除尘器入口烟气温度为119 ℃。为模拟实际烟气工况，通入特种气体，并通过调整气瓶阀门开度来调整给气量，其中SO2经催化装置催化氧化后会生成SO3，本实验过程中，固定气瓶通气量及催化装置温度，此时，电除尘器入口烟气中ρ(SO2)、ρ(SO3)分别为2097.3,29.5 mg/m3。

3 结果及讨论

3.1 烟尘减排提效特性

烟尘测试仪器如图3所示，滤筒采用进口的石英滤筒，采样枪加热至(160±5) ℃，并开展空白试验[20]，采样结束后用10-5 g电子天平进行称重。

经测定，3种灰样品实验时电除尘器入口的烟尘浓度分别约为13.9， 13.5， 13.2 g/m3。5个电场均为工频电源供电时，3种灰样品实验时电除尘器出口的烟尘浓度分别约为27.1， 29.9， 35.7 mg/m3，经计算，电除尘效率分别为99.81%、99.79%、99.73%。并对CEMS进行校准，使其较准确地显示电除尘器出口的烟尘浓度值。

本实验分别选A、B、C 3个电厂的实际飞灰为研究对象，其飞灰成分如表3所示。其中，A电厂为1000 MW机组，配套4电场电除尘器(末电场脉冲，其余均为2.0 A/72 kV高频电源)；B电厂为660 MW机组，配套5电场电除尘器(全采用2.0 A/72 kV高频电源)；C电厂为600 MW机组，配套5电场电除尘器(末电场脉冲，其余均为2.0 A/72 kV高频电源)。

采用飞灰工况比电阻测试仪，在电除尘器入口测定3个飞灰样品在烟气环境中的工况比电阻，其测定结果分别为3.58×108，5.79×1011，1.12×1013 Ω·cm，并对3个飞灰样品分别进行激光粒度分析，得到其几何粒径分布如图4所示。

实验用电源分别为5台2.0 A/72 kV工频电源、1台2.0 A/72 kV高频电源、1台2.0 A/72 kV+80 kV/200 A/100PPS脉冲电源，为方便对比，3类电源均采购自同一厂家。分别实验5个电场均为工频电源供电、1个电场高频(分别实验第1～5电场)+4个电场工频电源供电、1个电场脉冲(分别实验第1～5电场)+4个电场工频电源供电时电除尘器的性能，测定电除尘器进、出口的烟尘及ρ(PM2.5)，评价不同电控方式时电除尘器提效特性。采用式(1)来评价电除尘器对烟尘或PM2.5的脱除效率；提效幅度按式(2)计算：

式中：η为电除尘器对烟尘或PM2.5的脱除效率，%；q1为电除尘器入口的ρ(烟尘)或ρ(PM2.5)，mg/m3；q2为电除尘器出口的ρ(烟尘)或ρ(PM2.5)，mg/m3；η′为采用高频或脉冲电源供电时对电除尘器烟尘浓度的提效幅度，%；q′2为采用全工频供电时电除尘器出口的烟尘质量浓度，mg/m3；q″2为采用高频或脉冲供电时电除尘器出口的烟尘质量浓度，mg/m3。

采用三相有功电能表测定不同电源配置实验期间电除尘器的电耗，分别记录电能表读数和测量时间，并参照式(3)计算电除尘器电耗：

式中：P为电除尘器电耗，kW；W2为测量后电能表读数，kW·h；W1为测量前电能表读数，kW·h；t为测量时间，h。

烟尘测试结果如图5所示。3种灰样品实验时，各电场换用高频或脉冲供电后，电除尘器均提效明显，且脉冲电源的提效幅度明显高于高频电源。对于高频电源而言，第1电场更换时提效幅度最大，后级电场更换时，其提效幅度逐渐减少；而脉冲电源则恰恰相反，末级电场更换时，其提效幅度最大，前级电场更换时，其提效幅度逐渐减少。高频电源在纯直流方式供电时，其二次电压波纹系数<3%[21]，提高电场的工作电压和电流，可实现较高的电晕功率输入，因此特别适用于高烟尘浓度的前级电场；脉冲电源瞬间峰值电压可达140 kV以上，输出电流可提高到200 A以上，大幅提高颗粒荷电水平[22]，因此更适用于捕集粒径小、比电阻高的后级电场粉尘。

3.2 PM2.5减排提效特性

对于电除尘器而言，一般情况下，其出口烟尘浓度越低，对应PM2.5占比越高[23]，这是因为电除尘器存在小粒径颗粒的“穿透窗口”[24]。采用DEKATI公司的PM-10撞击器测定电除尘器进出口的ρ(PM2.5)，撞击器及其工作原理如图6所示，分为3级，且第3级出口布置滤膜，第3级撞击器及最后滤膜收集到的颗粒总和即为PM2.5。为避免大颗粒对采样结果的影响，在PM-10撞击器前布置1个50%切割粒径为10 μm的旋风分离器，用于收集大颗粒。

经测定，3种灰样品实验时电除尘器入口的ρ(PM2.5)分别约为328.5, 389.7, 417.2 mg/m3，采用全工频电源供电时，电除尘器出口ρ(PM2.5)分别约为19.3, 21.1, 25.3 mg/m3，对应的PM2.5脱除效率分别为94.12%、94.59%、93.94%，对于高比电阻粉尘，即使是在入口浓度较高的情况下，其PM2.5脱除效率仍然是相对最低的。PM2.5测定结果如图7所示，3种灰样品实验时，各电场换用高频或脉冲供电后，电除尘器对PM2.5的减排均提效明显，其提效规律与总烟尘含量相近。且脉冲电源对PM2.5的提效幅度明显高于高频电源。

3.3 高频电源与脉冲电源组合使用

根据上述实验结果，高频电源适用于粉尘浓度较高的前级电场，而脉冲电源则适用于粒径小、比电阻高的末级电场，因此，采用第1电场高频电源+第2～4电场工频电源+第5电场脉冲电源的配置方式，分别在对3种灰样品实验时，测定其提效幅度，结果如图8所示。电除尘器出口ρ(烟尘)分别为9.3，10.1, 12.3 mg/m3，烟尘提效幅度分别为65.68%、66.22%、65.54%；电除尘器出口ρ(PM2.5)分别为7.9, 8.2, 10.4 mg/m3，PM2.5提效幅度分别为59.07%、61.14%、58.89%。

值得注意的是，对于电除尘器而言，一般工程上要求其出口烟尘浓度的设计值≤20 mg/m3或30 mg/m3，配合后级的湿法脱硫、湿式电除尘器等实现10 mg/m3或5 mg/m3的超低排放要求即可，因此，其在运行过程中存在一定的节能空间。基于本实验台，通过调整电源参数，控制电除尘器的电耗及出口烟尘浓度(通过CEMS进行在线监测)，并与全工频电源时的电耗进行对比，取其电耗比值k(组合方案电耗/全工频电源电耗)为研究对象，组合方案不同出口烟尘浓度时对应的电耗比值的实验结果如图9所示。根据出口烟尘浓度值的不同，其电耗比值为0.81～1.41，随着组合方案的电除尘器出口烟尘浓度增大，其比值逐渐减小，且在10～15 mg/m3，其减小幅度较大，曲线较陡；而在20～30 mg/m3，曲线则较为平缓。因此，从节能的角度来看，在满足电除尘器设计要求及最终烟尘排放的前提下，建议通过节能运行的方式，将电除尘器出口烟尘浓度控制在15～20 mg/m3。

4 实际工程调研及测试

对实施电源改造的某4个实际工程项目(改造前全部采用常规电除尘器，且工频电源供电，项目4为新建工程)进行跟踪考察调研，实测电除尘器出口、烟囱排口处的烟尘浓度及电源除尘器电耗等指标，并在满足超低排放要求的前提下，进行节能优化，相关数据汇总如表4所示。值得注意的是，这4个工程中配套的电除尘器除了采用新型电源技术外，还采用了相关本体新技术，具体的烟气治理技术路线如图10所示，相应的煤质及飞灰成分数据如表5所示。由表4可知：采用新型电源后电除尘器出口烟尘浓度均得到较好控制，多在15 mg/m3以内，但电除尘器相应的电耗也较高，在保证最终烟囱排放的前提下，调整电源参数，降低电除尘器运行电耗，此时节能比例分别为46.66%、50.08%、30.56%、48.12%，最终的烟尘排放浓度均能满足超低排放要求，且项目3、项目4在对前级电除尘器进行节能优化时，末级湿式电除尘器的电耗增加并不明显。

5 结论及展望

1)各电场换用高频或脉冲供电后，电除尘器对总尘和PM2.5均具有明显的提效幅度，且高频电源适用于高烟尘浓度的前级电场，脉冲电源适用于捕集粒径小、比电阻高的后级电场粉尘。

2)与全工频供电相比，采用第1电场高频电源+第2～4电场工频电源+第5电场脉冲电源的配置方式，针对不同比电阻粉尘电除尘器总尘提效幅度分别为65.68%、66.22%、65.54%，PM2.5提效幅度分别为59.07%、61.14%、58.89%。

3)从节能的角度来看，在满足电除尘器设计要求及最终烟尘排放的前提下，建议通过节能运行的方式，将电除尘器出口烟尘浓度控制在15～20 mg/m3。基于该思路对4个实际工程项目进行节能优化，在满足超低排放要求的前提下，分别实现节能比例为46.66%、50.08%、30.56%、48.12%。

对于超低排放改造项目，其电除尘器供电电源建议优先考虑对烟尘及PM2.5脱除性能更好的高频电源或脉冲电源，但实际工程项目中，高频电源或脉冲电源普遍存在运行电耗偏高的问题，存在较大的节能运行空间，因此，后续应进一步研究在电除尘器与湿法脱硫的协同除尘配合实现超低排放的情况下，最大限度地减少电源的功率输出，降低电除尘器运行电耗。

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不同电控方式对电除尘器的提效特性及能耗分析

0 引言

1 电除尘器及其电源技术分析

1.1 电除尘器工作原理

1.2 电源技术

2 实验部分

2.1 实验系统

2.2 实验方法

3 结果及讨论

3.1 烟尘减排提效特性

3.2 PM2.5减排提效特性

3.3 高频电源与脉冲电源组合使用

4 实际工程调研及测试

5 结论及展望

ANALYSIS OF EFFICIENCY AND ENERGY CONSUMPTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR BY DIFFERENT ELECTRIC CONTROL METHODS

不同电控方式对电除尘器的提效特性及能耗分析

0 引 言

1 电除尘器及其电源技术分析

1.1 电除尘器工作原理

1.2 电源技术

2 实验部分

2.1 实验系统

2.2 实验方法

3 结果及讨论

3.1 烟尘减排提效特性

3.2 PM2.5减排提效特性

3.3 高频电源与脉冲电源组合使用

4 实际工程调研及测试

5 结论及展望

ANALYSIS OF EFFICIENCY AND ENERGY CONSUMPTION OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR BY DIFFERENT ELECTRIC CONTROL METHODS

0 引言