電源對(duì)于電除塵器中顆粒物荷電、能效有效利用至關(guān)重要，關(guān)系到電除塵器的收塵效率，高頻電源和脈沖電源相對(duì)于傳統(tǒng)的工頻電源具有比較大的優(yōu)勢(shì)，在水泥工業(yè)顆粒物（PM）排放指標(biāo)收嚴(yán)的背景下，對(duì)水泥熟料線窯頭配套電除塵器實(shí)施“前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源的組合技術(shù)”為主，煙氣調(diào)質(zhì)、入口預(yù)除塵改造，及各級(jí)電場(chǎng)預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器等輔助手段的組合提效改造技術(shù)的原理分析和應(yīng)用案例分析，通過理論計(jì)算和結(jié)果分析，為行業(yè)提升整治措施提供參考。
電除塵器由于具有處理煙氣量大、運(yùn)行可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在我國(guó)水泥行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)《浙江省生態(tài)環(huán)境廳關(guān)于執(zhí)行國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)大氣污染物特別排放限值的通告》（浙環(huán)發(fā)[2 019]14號(hào)）的頒布實(shí)施，要求自2020年7月1日起，水泥行業(yè)顆粒物（PM）排放濃度不高于20 mg/Nm3。由于水泥廠配置的電除塵器一般僅有三電場(chǎng)，響應(yīng)特別排放限值排放標(biāo)準(zhǔn)的容錯(cuò)率低，直接擴(kuò)容改造成四電場(chǎng)、五電場(chǎng)，場(chǎng)地受限、工程量較大、造價(jià)也高，如何充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地和設(shè)施提升除塵效率、降低顆粒物排放濃度，是水泥廠面臨的直接難題。
近幾年，高壓電源技術(shù)有了突破性的發(fā)展，高頻電源、脈沖電源等多種高效電源產(chǎn)品的順利研發(fā)與成功應(yīng)用，為電除塵器提效改造提供了新的途徑和方法。但在實(shí)踐中，單一的電源使用仍具有一定的局限性。根據(jù)燃煤電廠電除塵器的改造經(jīng)驗(yàn)，充分利用高頻電源、脈沖電源的功能特性，可將高頻電源、脈沖電源在前、后電場(chǎng)有效組合應(yīng)用作為一種新的電源提效改造方案，既能降低顆粒物排放、滿足達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)也能節(jié)約改造費(fèi)用、節(jié)省改造時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)提效減費(fèi)的目的。本文以此為主導(dǎo)，對(duì)進(jìn)一步提升除塵效率開展了多技術(shù)有效的組合運(yùn)用，供同行參考。
1 電除塵器提效改造原理
電除塵器除塵效率一般采用修正后的多依奇效率公式來計(jì)算。
2 組合提效改造技術(shù)路線
要實(shí)施電除塵器提效改造，宜將影響除塵效率的各因子充分調(diào)整到最佳組合，可以采用多技術(shù)組合使用，主要思路包括：（1）從宏觀層面，通過物理性預(yù)除塵降低各電場(chǎng)入口PM濃度，提升整體除塵效率；（2）從粒徑影響除塵效率角度，通過增濕煙氣調(diào)質(zhì)使微細(xì)PM凝結(jié)成較大的粒子，PM粒徑增大，提高驅(qū)進(jìn)速度，提升各級(jí)電場(chǎng)和整個(gè)電除塵器的除塵效率；（3）從電場(chǎng)強(qiáng)度影響除塵效率角度，可以通過高壓電源提升輸入電場(chǎng)的均值電壓和峰值電壓來實(shí)現(xiàn)；（4）從各級(jí)電場(chǎng)入口PM濃度呈級(jí)數(shù)降低和節(jié)約能源角度，通過前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源的角度，實(shí)現(xiàn)能效的有效配置。
上述各項(xiàng)技術(shù)組合改造路線如圖1所示。
3 提效改造案例分析
3.1 提效改造要求
某水泥廠窯頭配套電除塵器為三電場(chǎng)干式電除塵器，原除塵器設(shè)計(jì)出口PM濃度＜50 mg/Nm3，已不能滿足現(xiàn)階段PM濃度＜20 mg/Nm3的排放要求，需實(shí)施提效改造，做到達(dá)標(biāo)排放。
3.2 具體實(shí)施方案說明
3.2.1 電源部分改造
電源部分改造主要采用：前電場(chǎng)布置高頻電源+后電場(chǎng)布置脈沖電源。通過雙電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前電場(chǎng)在高電壓下強(qiáng)放電，后電場(chǎng)在高電壓下的弱放電。
（1）針對(duì)前電場(chǎng)PM粒徑大、濃度高、易發(fā)生火花閃絡(luò)等特點(diǎn)，利用高頻電源提高前電場(chǎng)的平均電壓、供電功率，增加前電場(chǎng)的二次電壓及二次電流，使粉塵充分荷電。具體方法為：采用三相交流輸入整流為直流電源，經(jīng)逆變?yōu)楦哳l交流，最后整流輸出直流高壓，直流供電時(shí)其二次電壓波形幾乎為一條直線，提供了幾乎無波動(dòng)的直流輸出。通過提高二次電壓平均值，提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度，使得前電場(chǎng)粉塵能夠充分荷電并被收集下來，大幅提升除塵效率。高頻電源可在幾十微秒內(nèi)關(guān)斷輸出，在很短的時(shí)間內(nèi)使火花熄滅，以毫秒級(jí)恢復(fù)全功率供電，如圖2和圖3所示，平均輸出高壓無下降。
（2）針對(duì)后電場(chǎng)PM粒徑小、濃度低、不易發(fā)生火花閃絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行中的情況通常是二次電流大、二次電壓無法提升到足夠的高電壓，而后電場(chǎng)的微細(xì)粉塵的捕集，需要更大的電場(chǎng)強(qiáng)度才能有效捕集，因此利用脈沖電源提高后電場(chǎng)的峰值電場(chǎng)，進(jìn)而使微細(xì)顆粒物被充分收集。
脈沖電源在基礎(chǔ)電源上疊加極窄的高壓脈沖電壓，二次電壓和二次電流獨(dú)立控制。疊加的脈沖電源提供微秒級(jí)瞬間高壓能量，由于脈沖電壓的上升以及持續(xù)時(shí)間很短，雖然瞬時(shí)總電壓提升很高，但供電前期間隔保持較低的電荷密度，維持了電場(chǎng)的絕緣，不會(huì)形成閃絡(luò)通道，有效抑制了火花閃絡(luò)，峰值電壓接近電場(chǎng)擊穿電壓，脈沖電源瞬時(shí)高壓使電暈放電全面均勻，避免了反電暈的產(chǎn)生，可有效提高粉塵荷電效率和荷電量，大幅提高微細(xì)粉塵的捕集能力，除塵效率顯著提高，符合弱電流下的高電壓低排放要求。
相對(duì)于傳統(tǒng)直流供電，高壓脈沖電源供電脈沖電壓上升時(shí)間極短，提高了電場(chǎng)擊穿電壓，電場(chǎng)能獲得幾倍于傳統(tǒng)直流電源的峰值電壓，利于粉塵粒子荷電提高除塵效率。此外，針對(duì)常規(guī)直流電源電流用于對(duì)PM荷電以及在頻繁的火花放電過程中形成浪費(fèi)，脈沖電源僅在脈沖輸出時(shí)才產(chǎn)生電流，脈沖寬度窄，電場(chǎng)中離子流和電子流間歇脈動(dòng)，電場(chǎng)無火花，如圖4所示。
（3）電源改造說明：拆除頂部一、二電場(chǎng)的工頻變壓器和高壓隔離開關(guān)；拆除配電室內(nèi)一、二電場(chǎng)用工頻電源控制柜內(nèi)控制器及輔控回路、可控硅等，保留母排、斷路器等，增加小母排將工頻電源控制柜改造成高頻電源。拆除頂部三電場(chǎng)的工頻變壓器和高壓隔離開關(guān)；拆除配電室內(nèi)三電場(chǎng)用工頻電源控制柜內(nèi)控制器及輔控回路、可控硅等，保留母排、斷路器等，增加小母排將工頻電源控制柜改造成高頻+脈沖電源配電柜。動(dòng)力電纜改造部分：利舊，將原工頻電源動(dòng)力電纜改造成滿足高頻電源、高頻+脈沖電源三相供電的需求。新增信號(hào)電纜，高頻電源和高頻+脈沖電源到DCS的控制電纜、信號(hào)電纜，將改造后電源的開關(guān)量信號(hào)（運(yùn)行信號(hào)、準(zhǔn)備好信號(hào)、綜合報(bào)警信號(hào)、啟動(dòng)/停止信號(hào)）和模擬量信號(hào)（二次電壓、二次電流）接入主生產(chǎn)系統(tǒng)DCS。
3.2.2 煙氣調(diào)質(zhì)
煙氣調(diào)質(zhì)主要有兩方面的作用：一是通過噴射蒸汽進(jìn)行煙氣調(diào)質(zhì)，降低粉塵比電阻，提高除塵效率；二是因?yàn)闈穸仍黾涌梢允刮⒓?xì)顆粒物凝結(jié)，提高顆粒物驅(qū)進(jìn)速度，提升除塵效率。
煙氣調(diào)質(zhì)改造說明：在余熱鍋爐出口省煤器集箱取熱水，通過閃蒸罐將帶壓熱水閃蒸為低壓蒸汽，產(chǎn)生的低壓蒸汽經(jīng)過閃蒸器汽水分離后噴入電場(chǎng)入口煙道水平混合聯(lián)箱內(nèi)。為避免噴入到電除塵器入口的蒸汽帶水，導(dǎo)致粉塵結(jié)塊，增加一臺(tái)閃蒸罐。從省煤器出口集箱接出的熱水，由于帶有一定溫度和壓力，進(jìn)入到閃蒸罐后壓力迅速降低，熱水閃蒸為蒸汽狀態(tài)。閃蒸罐內(nèi)的蒸汽通過罐頂?shù)恼羝艿澜尤胝羝麌娚溲b置，閃蒸罐內(nèi)少量未蒸發(fā)的水分通過底部的接口接入連排管道。通過電動(dòng)閥控制煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的開關(guān)，通過手動(dòng)閥調(diào)節(jié)蒸汽流量。煙氣調(diào)質(zhì)改造如圖5所示。
3.2.3 入口預(yù)收塵改造
在進(jìn)口煙箱均布板前部增設(shè)一層C型內(nèi)渦迷宮預(yù)收塵裝置，收集粗顆粒粉塵，降低入口PM濃度，提高預(yù)收塵效果。同時(shí)起到氣流均布作用，避免電場(chǎng)入口截面中下部粉塵濃度過高，速度過大。
3.2.4 預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器改造
根據(jù)除塵效率公式（1），從宏觀角度出發(fā)，通過對(duì)各電場(chǎng)入口PM濃度進(jìn)行物理捕集可以降低各級(jí)電場(chǎng)入口PM濃度，提升綜合除塵效率。而且配置簡(jiǎn)單，僅需在除塵器進(jìn)出口及各電場(chǎng)之間安裝微孔金屬網(wǎng)。
預(yù)荷電改造主要是配合各級(jí)微網(wǎng)捕集器使用，提升微網(wǎng)捕集器的捕集效率。一電場(chǎng)的入口前增設(shè)預(yù)荷電裝置，使粉塵在進(jìn)入電場(chǎng)前就帶上電荷，提高整個(gè)電場(chǎng)的收塵效率；在三電場(chǎng)末端增設(shè)預(yù)荷電裝置，使PM在進(jìn)入微網(wǎng)捕集裝置之前帶上電荷，提高微塵捕集能力，減少二次揚(yáng)塵。
3.2.5 其他改造
對(duì)陰極線、陽極板及電除塵器內(nèi)部各部件積灰情況檢查，對(duì)積灰嚴(yán)重部位作進(jìn)一步分析，采取改進(jìn)措施。陽極板矯正，并進(jìn)行加固處理，調(diào)整間距和同極距。陰極線全部更換為新型芒刺線，調(diào)校變形的陰極大、小框架，調(diào)整極間距（同極、異極）包括非電場(chǎng)間距。調(diào)整陽極振打同軸度，陽極振打軸進(jìn)行解體檢修，更換磨損的陰極陽極振打耐磨套、螺栓，對(duì)所有的陽極振打錘進(jìn)行更換。陰極振打系統(tǒng)：調(diào)整振打器工作中心，檢查振打桿露出長(zhǎng)度、垂直度、同軸度。殼體常規(guī)檢查修復(fù)：檢查各人孔門和保溫箱的漏風(fēng)、密封材料的老化、鎖緊螺栓等，更換損壞密封材料，檢查煙道、煙箱、殼體、灰斗等有無漏風(fēng)漏灰并處理。
3.3 改造前后參數(shù)對(duì)比
某5 000 t/d水泥熟料線窯頭電除塵器改造前后主要參數(shù)對(duì)比見表1。
3.4 提效估算和測(cè)試結(jié)果分析
1）改造前除塵效率η
改造前電除塵器PM進(jìn)口濃度≤30 g/Nm3，出口濃度≤50 mg/Nm3。除塵效率為：
η=1-50/30 000=99.83%
2）改造后除塵效率η'
參照既往成功改造經(jīng)驗(yàn)，依方案實(shí)施改造后，可提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度，預(yù)計(jì)改造后驅(qū)進(jìn)速度提高20%~30%左右，改造后按提升下限比集塵面積20%計(jì)算。根據(jù)公式（1），改造后除塵效率：
結(jié)果表明：改造后除塵效果穩(wěn)定；除塵效率達(dá)99.96%，出口PM排放濃度測(cè)試值全面低于20 mg/Nm3，通過高效電源的應(yīng)用組合，并結(jié)合增加預(yù)荷電+微網(wǎng)捕塵裝置，入口預(yù)收塵裝置，均化氣流分布，陽極板、陰極線及振打裝置調(diào)整等，滿足了改造目標(biāo)要求。
4 結(jié)論與建議
依據(jù)影響除塵器除塵效率的主要因素，主要采用“前電場(chǎng)高頻電源+后電場(chǎng)脈沖電源”技術(shù)，配合煙氣調(diào)質(zhì)、除塵器入口預(yù)收塵裝置，各級(jí)電場(chǎng)預(yù)荷電+微網(wǎng)捕集器等技術(shù)的組合使用，從宏觀和微觀方面全面提升除塵效率，充分挖掘現(xiàn)有電除塵器的潛力，提升除塵效率。結(jié)合具體實(shí)例，從原理和方法兩方面展開論述，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果分析，組合提效改造技術(shù)除塵效果穩(wěn)定，顆粒物排放濃度可穩(wěn)定在20 mg/Nm3以下，為水泥廠窯頭電除塵器實(shí)現(xiàn)提標(biāo)改造提供參考。
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