张先海：水泥行业新型静电除尘技术及应用临界(微)脉冲电源解决方案

  在山东召开的水泥行业节能环保技术交流大会上，针对水泥企业如何实现达标排放，如何选择控制粉尘排放技术路线这两个问题，上海汉节环保科技有限公司张先海做了《水泥行业新型静电除尘技术及应用临界（微）脉冲电源解决方案汇报》的主题予以参考。

  据2010年数据统计，水泥工业产业的粉尘排放占到全国工业生产总排放量的31.7%，给生态环境带来巨大压力。最新的《水泥工业大气污染物排放标准》（ GB4915-2013 ）要求粉尘排放限值一般地区≤30mg/Nm3，重点地区≤20mg/Nm3，等同于当前燃煤电厂的排放标准，新建和现有企业分别于2015年3月1日和7月1日开始执行。据早期统计水泥窑用的除尘设备80％为电除尘器。但由于当时的排放标准要求较低，设计排放标准为50～100mg/Nm3，已不能满足环保新要求。除尘器是生产线的重要组成部分，也是主要耗能的环节之一。

  除尘技术路线选择有两种：静电除尘和布袋除尘。

  一、技术路线选择

  静电除尘特点

  除尘技术对比

  海螺水泥：在全国拥有一百多条水泥生产线，清一色采用的全部是电除尘器。在这一波的除尘提效改造技术路线选择上，海螺走访了国内很多的环保企业，对电除尘、电袋、布袋技术作了充分的调研和论证，最后仍决定选择先从电改电的方式入手。

  “市场的需求是我们研发的方向，产品的问题是我们攻关的课题”。市场上已经发出了很明显的需求声音，而这个声音就是：他们对电除尘仍然是情有独钟。电除尘能否像在燃煤电厂一样实现逆袭，关键在于是否有足够锋利的“剑”亮出。

  电除尘电源分类

  电除尘电源分为：单相电源，工频电源，三相电源，高频电源，脉冲电源，双频电源，临界脉冲（软稳）电源。

  电除尘选择要素

  保持长期稳定高效（消除电腐蚀），适应不同灰质（比电阻范围宽）；安全运行；高度集成一体化结构（体积小、重量轻、安装方便、节省空间、辅助资材设备少）；全自动化集控，操控便捷；易维护、费用低；三相平衡，无缺相损耗。

  二、理论技术创新

  两个国际首创除尘电源理论：

  一、国际首次提出“空间自由离子密度”对除尘效率的影响高于场强的理论，并进行了量化。电场气体放电在“二次电子崩”和“流注初期”状态，“空间自由离子密度”才能最大化，最利于粉尘荷电。

  二、国际首次提出“临界区”的概念，并进行了量化。火花放电临界电压是一个区域，并不是单独的点构成的曲线，临界脉冲电源定义并利用这个区域进行控制，实现了电源在最佳除尘区内工作。

  三、临界脉冲电源

  主电路图

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  三、临界脉冲电源

  产品系列： LM-15kW（～ 300mA/～100kV）； LM-30kW（～ 600mA/～100kV） ； LM-50kW（～1000mA/～100kV）；LM-75kW（～1500mA/～100kV）

  外形尺寸：1650×900×2200（mm）

  重量：650（kg）

  临界脉冲电源主要指标

  1、比工频电源减排70%以上，同时节能60%以上；

  2、比高频和三相电源减排40%以上，同时节能60%以上；在确保比高频和三相电源减排效果高出25%以上的前提下，节能80%以上；

  3、避免电腐蚀，使本体性能长期高效稳定。

  四、静电除尘机理

  整个过程是这样的，电子崩形成自由电子，自由电子附着电负性气体形成气体负离子，气体负离子形成空间电流—电晕电流。

  影响除尘效率的要素

  固有因素：1.阴极线、2.阳极板、3.极配、4.集尘面积、5.壳体漏风、6.分区大小、7.均风、8.烟气量或烟气流速、9.烟温、10.湿度、11.飞灰成分、12.粉尘粒度、13.气体成分。

  能动因素：1.荷电效率：气体电离和电晕放电、2.驱进场强、3.电晕闭锁、4.反电晕、5.“Z”字运动、6.二次扬尘：振打、火花、断电降压、7.电腐蚀。

  五、荷电效率

  （a）粒径大于1.0μm左右的较大粒子在电场中被极化，引起电场局部变形，电力线被粒子遮断。

  （b）粒子荷电后形成的电场与外加电场方向相反，产生斥力，使粒子附近的电力线变形，这时粒子只能从电场的较小部分接受电荷，荷电速率相应减慢。

  （c）粒子继续荷电后，面向离子流来一侧进入粒子的电力线继续减少，最终荷电粒子本身产生的电场和外加的电场正好平衡，粒子上的电荷达到饱和状态。

  饱和荷电量：

  式中 dp—粒径（m）；Eo—荷电场强（V/ m）； εp—粒子的相对介电系数。

  （导电材料εp =∞；绝缘材料εp =1；金属氧化物εp =12～18；石英εp =4.0。）

  瞬时荷电量

  设qt为粒子经时间t后的瞬时荷电量，qt/qs即为粒子的荷电率，它与荷电时间t的关系为：

  式中 to—电场荷电时间常数，即荷电率qt/qs=50%的荷电时间，由下式确定：

  No —电晕场中带电离子的（数量）密度 （个／m3）；

  e —基础电荷  1.6021892×1019（C）；

  Ki —离子迁移率（ m2/（V·s） ） 。

  式中 Ki0 — 标态（TN = 273K    PN =1.013×105Pa时的离子迁移率）

  Eo —荷电场强

  No —电晕场中带电离子的数量密度

  扩散荷电

  扩散荷电：是离子做不规则热运动和粒子相碰的结果，是小于0.2μm粒子的主要荷电机制。怀特（White）导出不考虑电场影响的扩散荷电电量计算公式为：

  k — 波尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；

  T — 气体温度（K）；

  m — 离子质量（kg）；

  t — 时  间（s）。

  No —电晕场中带电离子的数量密度

  瞬时荷电量：

  Eo —荷电场强

  No —电晕场中带电离子的（数量）密度

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  电晕放电·火花放电

  电子崩及流注放电

  初始电子崩（电离室）：

  P=270 mmHg，E=10.5kv/cm，a和b的时间隔为1 × 10-7s

  电子崩在空气中的发展速度约为1.25× 107cm/s

  电子崩及流注放电

初始电子崩转变为流注的瞬间

阳极流注发展过程

  P=273 mmHg，E=12kV/cm

  这个新出现的电离特强的放电区域称为流注，它迅速由阳极向阴极发展，故称为正流注。

  流注的发展速度较同样条件下电子崩的发展速度要大一个数量级，1～2×108cm/s。

  正流注的产生和发展

  空间自由离子密度

  电场击穿电压与激励电压波形的关系

  上图是空气放电典型的伏－安特性，影响空气放电伏－安特性的有空气的温度、湿度、气压、流速等，同时空气放电也与加在电场的激励电压波形有关。空气击穿与加载电压的波形有关，左图曲线1～5的脉宽t1> t2> t3> t4> t5，窄脉冲的电源电场击穿电压高，宽脉冲的电源电场击穿电压低。当供电电源采用1～10us脉冲供电时，电场击穿电压是常规直流电压的1.5～2倍。

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  脉冲提高火花临界电压和空间气体离子密度的机理

  基础电压的极限

  临界脉冲与“大脉冲”的波形比较分析

  驱进速度

  荷电尘粒在电场内受到静电力（库仑力）：F=qEj（N）（1）

  Ej——集尘极周围电场强度，V/m。

  尘粒在电场内作横向运动时，要受到空气的阻力，当Rec≤1时，空气阻力（斯托克斯阻力）：  P=3πμdpω（N）   （2）

  ω——尘粒与气流在横向的相对运动速度，m/s。

  当静电力等于空气阻力时，作用在尘粒上的外力之和等于零，尘粒在横向作等速运动，这时尘粒的运动速度称为驱进速度。

  ω=qEj/3πμdp（m/s）                （3）

  将Ej简化为除尘器电场平均强度Ep；由于荷电电场与驱进电场为同一电场， E0也简化为除尘器电场平均强度Ep ，则：ω与No近似正比，与Ep?2近似正比。

  荷电烟尘粒子的驱进速度：

  对于dp≤0.2m的尘粒，上式应进行修正：

  ω= Kc qEj3πμdp（m/s）

  Kc——库（肯）宁汉滑动修正系数。

  μ ——气体的动力粘度，随温度的增加而增加，因此烟气温度增加时，尘粒的驱进速度和除尘效率都会下降。

  Rec ——临界雷诺数。层流，紊流（湍流）。

  No    1.1 ÷ 0.8 = 1.375      1.375 × 1.3 = 1.78

  ω     1.78 × 1.1378 = 2.0253

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    六、除尘效率

  除尘效率的计算

  要求出电除尘器的除尘效率需建立微分方程。但由于电除尘器的除尘效率与粉尘性质、电场强度、气流速度、气体性质及除尘器结构等因素有关，要严格地从理论上推导除尘效率方程式是困难的，因此在推导过程中作以下假设：

  ①电除尘器横断面上有两上区域，集尘极附近的层流边界层和几乎占有整个断面的紊流区。

  ②尘粒运动受紊流的控制，整个断面上的浓度分布是均匀的。

  ③在边界层尘粒具有垂直于避面的分速度ω。

  ④忽略电风、气流分布不均匀、二次扬尘等因素的影响。

静电除尘器除尘效率分析模型图

  设气体和粉尘在水平方向的流速为υ（m/s）；除尘器内某一断面上气体含尘浓度为y（g/m3）；气流运动方向上每单位长度集尘面积为a（m2/m）；气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为l（m）；尘粒的驱进度为气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为ｌ（m）；尘粒的驱进速度为ω（m/s）。

  在dτ时间内，在dχ空间捕集的粉尘量

  dm=α（dχ）ωdτy= -F（dx）dy

  把dχ=υdτ代入上式，则

  对上式两边进行积分，

  式中y1——除尘器进口处含尘浓度，g/m³；

  y2——除尘器出口处含尘浓度，g/m³。

  将Fυ=L、αι=A上式，则

  式中 L——除尘器处理风量，m³/s；

  A——集尘极总的集尘面积，m²。

  则除尘效率为

  根据在一定的除尘器结构形式和运行条件下测得的总捕集效率值，代入德意希方程反算出相应的驱进速度值，称为有效驱进速度，用ωp 表示。 ωp实际上已成为一个把集尘极总面积和气体处理量以外的各种影响捕集效率的因素包括在内的参数。

  9.22 ÷ 4.61 = 2      9.22 ÷ 6 = 1.5367

  1.1 ÷ 0.8 = 1.375      1.375 × 1.3 = 1.78

1.78 × 1.1378 = 2.0253

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  七、临界脉冲柔特性机理

  电场畸变形成动态临界区

  电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了。

  1. 电子的迁移速度比正离子的要大两个数量级，出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，而其外形则好似球头的锥体。

  2. 当电子崩发展到足够程度后，空间电荷将使外电场明显畸变，大大加强了崩头及崩尾的电场而削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场。

  3. 崩头前后，电场明显增强，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们从激励状态回复到正常状态时，就将放射出光子。崩头内部正、负电荷区域之间电场大大削弱，则有助于发生复合过程，同样也将发射出光子。

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  八、临界脉冲电源高效节能和长期稳定的本质

  临界脉冲（柔）特性

  ①临界脉冲电源具有“硬件储能与限能”和“微脉冲” 式供电特性，输出的电压随着工况（电场内温度、湿度、压力、粉尘浓度、粒度、比电阻以及市电波动）的变化，自动调节动态适应，使输出电压值稳定位于火花始发点以下临界区。

  ②无须大幅降压或关断以熄灭火花，连续输出临界电压，可实现最理想的也是运行中最高的场强（荷电场强、驱进场强）。

  ③使电场保持在“二次电子崩”与“流注初期”状态，空间自由电荷最多，荷电效率最高。

  高电压低电流：在使电压保持在临界区的同时，避免了大量的无效电耗，实现小电流供电。而且，采用高频技术功率因数高。

  避免电腐蚀：由于临界脉冲电源技术在供电过程都处于无深度火花放电状态，避免了对除尘器本体极线、极板的电腐蚀。

  临界脉冲电源的优势

  ①场强：平均输出电压越高，电场越强，则荷电场强和驱进（集尘）场强越大。使输出电压一致保持在“临界区”（静态火花始发临界线及其下面的3%以内的区域），可实现最理想的也是运行中最高的场强。

  ②空间自由电荷：烟尘通过的空间，自由电荷越多，则核电概率越高，核电速度越快。使电场保持在“二次电子崩”与“流注初期”状态，可实现空间自由电荷最多，荷电效率最高。

  ③抑制电晕封闭：高场强和高空间自由气体离子密度，使电晕放电能力保持极高状态，抑制电晕封闭。

  ④“Z”字型运动：低比电阻粉尘离开极板后，由于空间自由气体离子密度高，迅速再次荷电，利于集尘。有效拓宽捕集粉尘比电阻的范围 （10?～2×1010Ω·cm→103～5×1013Ω·cm）

  抑制反电晕

  反电晕机理

  当阳极板灰积到一定厚度时，比电阻高的灰在荷电后的负离子向除尘器阳极板趋近过程中，其荷电不容易释放到阳极板，负离子逐渐积累到阳极板表面，与阳极板形成类似电容的电场，这个电场将抵消主电场，降低除尘效果；如果电场强度进一步加强后，这个电场将局部击穿激发出反向正离子向阴极线迁移，造成除尘器电流增大，但消耗的电能没有起到吸尘作用，这种现象就是反电晕现象。

  振打周期内集尘层所带的电荷是动态的，取决于释放到阳极的电量与重新荷电电量的差值，供电电流越小，则越有利于抑制反电晕。所谓“脉冲式供电有效抑制反电晕”，其实质就是平均电流较小。

  解决方案：

  低电流

  1、平均再荷电电流小于荷电后的灰尘放电电流，使阳极板上粉尘积层的再次荷电量小于释放电量，降低了粉尘层在极板上的电荷积累。

  2、平均再荷电电流等于或略大于荷电后的灰尘放电电流，但到    下次振打为止，粉尘层电量的积累不足以产生反电晕。

  减少二次扬尘

  振打时粉尘层对极板的吸引力大小，取决于当时的供电电流大小，而不是电压。

  1、降低了粉尘层对极板的吸引力，易振打脱落，在振打力度可调（如电磁振打）的情况下，可适当降低振打力度，减少二次扬尘；

  2、不必断电或减压振打，保持高场强集尘状态，则有效抑制二次扬尘。

  避免深度火花放电，减少因火花击穿而造成的扰动二次扬尘。

  大幅度节能

  临界脉冲电源节能原理

  由于采用高频技术功率因数高，并避免了火花放电所造成的能耗，实现了大幅度节能。

  火花放电，时间占比很小，但消耗能量巨大。避免火花放电，是节能的最大要因。  一、二电场，粉尘浓度高，粒径较大，粉尘荷电用电量也相应增加。但，粉尘荷电用电量不足目前传统电源耗电的2%，对电除尘总耗电量基本没有影响。 但，高浓度的荷电粉尘会使电场电阻变小，为实现较高场强，被迫输出了较大电流。从表面现象看，确实注入了较多能量。但电流越大，造成通过粉尘而传导的电量就越大，形成浪费。火花放电，时间占比很小，但消耗能量巨大。火花放电始发点与电场介质相关，粉尘浓度高，更易闪落，这也是造成“一、二电场输入很高能量”的原因。“需要输入更大能量”的“理论”，或以“能够向电场输入更大能量”为技术优势，不但不尊重电晕放电基本本质，对国内市场也造成了严重误导。

  施工方式及工期

  施工方式：可利用检修期施工，也可以在线施工。

  在线更换：采取单电源逐台切换方式，每台电源更换需要停电2h。

  无须拆除或移动任何原设备

  低压电缆利旧

  施工期：3天/每条线。

  供货期：约为10天。