一．靜電除塵器面臨的形勢

在工業(yè)塵源治理的多種除塵設備中，上世紀初發(fā)展起來的靜電除塵器，由于其除塵效率較高、運行費用低、維護管理簡單方便等優(yōu)點，使其在除塵領域中廣泛的應用，大規(guī)模的除塵幾乎都采用了電除塵，據(jù)早期統(tǒng)計水泥窯用的除塵設備80％以上為電除塵器。但由于當時的排放標準要求較低，設計排放標準為50～100mg/Nm?，已不能滿足環(huán)保新要求，即一般地區(qū)水泥窯粉塵排放要求降到30mg/Nm?以下,地區(qū)要求降到20mg/Nm?以下。據(jù)2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)的粉塵排放占到工業(yè)生產(chǎn)總排放量的31.7%，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。而且，目前電除塵所用的高壓電源一般為工頻電源、高頻電源或恒流電源，其不僅能耗大，還產(chǎn)生火花放電對除塵器本體造成電腐蝕，衰減除塵效率，縮短使用壽命。所以，水泥廠窯頭窯尾除塵器的提效改造勢在必行。

二．靜電除塵器技術方案

隨著環(huán)境意識和排放標準的大幅度提高，原靜電除塵器性能難以滿足環(huán)保要求，一時期曾出現(xiàn)由靜電除塵轉為布袋或電袋除塵方式的傾向。布袋及電袋除塵器雖然能基本滿足目前環(huán)保達標的基本需要，但由于其阻力大、電耗高、運轉費用高、故障率高、維護管理不方便、二次污染等弱點，只能作為范圍內的不得已的選擇。而且，由于其難以濾掉微細粉塵和效果難以長期穩(wěn)定的固有缺陷，已滿足不了地區(qū)的≤10mg/Nm?及“超低排放”的≤5mg/Nm?的粉塵排放新要求。

煙溫對設備的影響

煙溫高于160℃時會顯著降低濾袋壽命，如持續(xù)則濾袋將短時間內燒毀并破損。當鍋爐出現(xiàn)爆管時由于前級沒有電除塵器，濾袋影響較大。尤其是不允許除塵器采用旁路，將對濾袋壽命帶來較大考驗。

煙溫高于160℃時會顯著降低濾袋壽命，如持續(xù)則濾袋將短時間內燒毀并破損。當鍋爐出現(xiàn)爆管時由于前級有電除塵器，濾袋影響較小。尤其是不允許除塵器采用旁路，將對濾袋壽命帶來較大考驗。

高煙溫對除塵效率略有影響，但設備整體對高溫煙氣承受能力強，同時對除塵器使用壽命沒有影響。

可以看出，在阻力、電耗、運轉費用、故障率、維護管理、二次污染等方面，“靜電除塵”遠優(yōu)于“布袋除塵”。 近年興起的“濕式電除塵”、“超凈電袋”、“旋轉陽極板”、“徑流式電除塵器”、“煙氣調質或微顆粒凝聚”、“本體擴容”等技術，由于空間、成本、運行維護費用、穩(wěn)定性、二次污染、適用條件、實際效果等局限，難以普及，不適合水泥行業(yè)使用。所以，除塵電源及其控制系統(tǒng)的技術性能突破就成為除塵領域期待的聚焦點。

三．除塵電源的選擇

近年，在改進電源供電方式的過程中，設計思路，電源性能不斷提升。市場上除了正在淘汰的“工頻電源”及其過渡性的“三相電源”外，有“高頻”、“脈沖”、“臨界脈沖”等新型電源。

3.1 工頻電源技術特點

單相工頻整流電源采用單相380V 交流輸入、工頻變壓器升壓、高壓硅堆整流成100Hz 的脈動直流電源。由于單相電源輸入功率因數(shù)低、諧波大、輸出脈動成分大、除塵效果差、電能消耗高，逐步被淘汰。

1） 工頻電源供電形式的優(yōu)點：

（1） 工頻電源結構簡單技術成熟；

（2） 造價低。

2） 工頻電源供電形式的缺點：

（1） 諧波大、輸出脈動成分大（理論為57.11％），除塵效率低；

（2） 功率因數(shù)低，電耗高；

（3） 單相整流造成供電不平衡；

（4） 由于火花放電，對本體造成電腐蝕，除塵效率衰減快，使用壽命短縮。

3.2 三相電源技術特點

三相整流電源是采用三相380V 交流輸入、工頻變壓器升壓、高壓硅堆整流成300Hz的脈動直流電源。三相電壓經(jīng)過一個同步檢測電路后輸出同相位的三相同步波形，主電路可控硅的六路觸發(fā)脈沖就是通過該同步波形過零點的判斷產(chǎn)生的。三相電源用到了6個反向并聯(lián)可控硅進行調壓，這6個可控硅按照1→2→3→4→5→6→1觸發(fā)信號依次相差60°，三相電源采用寬于60°的寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)，采用各相同步信號的“過零點”作為控制角計算的基準點。三相電源屬于過渡性電源，由于其除塵效率不高且在減排模式下電耗過高，以逐步淘汰。

1） 三相工頻電源供電形式的優(yōu)點：

（1） 三相平衡，對電網(wǎng)污染減少；

（2） 電壓脈動小（電壓時理論為4.74％），平均場強有所提高；

（3） 功率因數(shù)接近90%，在同樣二次電壓、電流的輸出情況下，比工頻電源節(jié)電。

2） 三相工頻電源供電形式的缺點：

（1） 三相電源閃絡沖擊大，閃絡后要關斷多個半波，除塵效率低；

（2） 為提高除塵效率，電流很大，電耗大幅度增加；

（3） 由于火花放電，對本體造成電腐蝕，除塵效率衰減快，使用壽命短縮。

3.3 高頻電源技術特點

高頻電源輸入三相380v/50Hz交流電源，經(jīng)三相整流濾波和IGBT模塊構成的高頻逆變（20～50KHz）、高頻變壓整流后，經(jīng)限流電阻R0供給ESP極板。輸出電流、電壓、反饋至控制系統(tǒng)改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅動器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進行調節(jié)。

1）高頻電源的優(yōu)點：

（1）電場擊穿后恢復快，工頻電源從電場擊穿到電場恢復約需要80ms，高頻電源從電場擊穿到電場恢復約需要20ms；

（2） 由于采用高頻電力電子技術，使功率因數(shù)大幅度提高，在不考慮減排的情況下，可實現(xiàn)大幅度節(jié)能；

（3） 控制方式靈活、體積小、重量輕。

2）高頻電源的缺點：

（1） 高頻高壓電源的控制模式是以檢測火花為前提的。在檢測到火花后，通過較大幅度降壓供電或較短時間內停止供電的方式火花，超過火花電壓的部分電能全部浪費，低于火花電壓的部分無法全部荷電，“無效”比例較大；

（2） 平均場強遠低于火花始發(fā)點的臨界電壓，荷電與驅進能力較差；

（3） 為減排，盡可能地向電場輸入能量，造成電能浪費；

（4） 由于火花放電對極線和極板產(chǎn)生電腐蝕，使電除塵器效率衰減較快，不僅影響除塵效果，也造成除塵器本體維護費用的增加。

3.4 脈沖電源技術特點

脈沖電源是混合供電模式，即是指在靜電除塵器直流供電的基礎上疊加高頻脈沖電壓。主要由基礎電壓調節(jié)電路、脈沖產(chǎn)生電路、保護電路、脈沖幅值調節(jié)電路等組成。由脈沖電路構成的脈沖電源通過耦合電容一同輸出到靜電除塵器的電場進行除塵。瞬間高電壓輸出，提高了電場場強和電暈功率，提高了除塵效率。而且，由于作為基礎直流電壓設定在火花始發(fā)點以下，也降低了除塵時電能消耗。

1）脈沖電源的優(yōu)點：

（1） 脈沖電壓上升沿小，持續(xù)時間短，不易觸發(fā)閃絡，地提高了場強；

（2） 如果本體極配，脈沖電壓幅值匹配，可提高空間自由離子密度，提高粉塵的荷電效率；

（3） 采用間歇脈沖供電技術來克服高比電阻粉塵引起的反電暈，根據(jù)工況條件變化自動選擇工作方式（選擇間歇脈沖供電的占空比）、自動選擇運行參數(shù)，可以提高除塵效率而且還可以較大幅度節(jié)約電能。

2）脈沖電源的缺點：

（1） 其在大功率連續(xù)工作狀態(tài)下，易損毀，抗浪涌電壓和有待商榷，后續(xù)維護費用很高；

（2） 初期投資太高；

（3） 在國內尚無大型電廠應用實際成功案例。

3.5 臨界脈沖電源技術特點

臨界脈沖電源是將380V三相交流電經(jīng)整流濾波成直流，再逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器升壓后，再經(jīng)“臨界柔性模塊”變?yōu)閹в形⑿∶}動的平穩(wěn)直流。航天電控公司在行業(yè)內提出“空間自由離子密度對除塵效率的影響遠大于場強”的理論并進行了量化，提出“臨界區(qū)”的概念并量化應用。臨界脈沖電源突破了現(xiàn)有工頻（單相、三相）、高頻及脈沖除塵電源增效節(jié)能的瓶頸，實現(xiàn)了大幅度（70%以上）減排的同時大幅度（30～80%）節(jié)能，并避免了火花放電產(chǎn)生的電腐蝕從而使本體性能長期穩(wěn)定運行。

3.5.1 臨界脈沖電源的基本原理

臨界脈沖電源采用“硬件儲能與限能、軟件監(jiān)視電壓變化趨勢”的控制方式，從能量梯度控制入手，使工作點保持在空氣放電特性曲線的較高點及其的右側很小的區(qū)域內。體現(xiàn)“可變內阻”特性，即，“限能”流注生長，避免產(chǎn)生火花放電。同時，“儲能”以保持高電壓。

3.5.2 臨界脈沖電源的技術特點：

（1）具有節(jié)能和長期穩(wěn)定的本質

① 臨界脈沖（柔）特性：

臨界脈沖電源具有“硬件儲能與限能”和“微脈沖” 式供電特性，輸出的電壓隨著工況(電場內溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、粒度、比電阻以及市電波動)的變化，自動調節(jié)動態(tài)適應，使輸出電壓值穩(wěn)定位于火花始發(fā)點以下臨界區(qū)。

無須大幅降壓或關斷以熄滅火花，連續(xù)輸出臨界電壓，可實現(xiàn)理想的也是運行中較高的場強（荷電場強、驅進場強）。

使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，空間自由離子密度較大，荷電效率較高。

其工作電壓如下圖所示：

② 高電壓低電流：在使電壓保持在臨界區(qū)的同時，避免了大量的無效電耗，實現(xiàn)小電流供電。而且，采用高頻技術功率因數(shù)高。

③ 避免電腐蝕：由于臨界脈沖電源技術在供電過程都處于無火花放電狀態(tài)，避免了對除塵器本體極線、極板的電腐蝕。

臨界脈沖電源的提效節(jié)能示意圖如下：

（2）集塵

① 場強：平均輸出電壓越高，電場越強，則荷電場強和驅進（集塵）場強越大。使輸出電壓一致保持在“臨界區(qū)”（靜態(tài)火花始發(fā)臨界線及其下面的3%以內的區(qū)域），可實現(xiàn)理想的也是運行中較高的場強。

② 空間自由離子：煙塵通過的空間，自由離子越多，則荷電時間常數(shù)越短，荷電速度越快。使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，可實現(xiàn)空間自由電荷多，荷電效率較高。

③ 電暈封閉：高場強和高空間自由氣體離子密度，使電暈放電能力保持狀態(tài)而且，由于電流較小，減少了同量大顆粒粉塵的多余荷電量，電暈封閉。

④ “Z”字型運動：低比電阻粉塵離開極板后，由于空間自由氣體離子密度高，再次荷電，利于集塵。

（3）反電暈

反電暈機理：當陽極板灰積到厚度時，比電阻高的灰在荷電后的負離子向除塵器陽極板趨近過程中，其荷電不容易釋放到陽極板，負離子逐漸積累到陽極板表面，與陽極板形成類似電容的電場，這個電場將抵消主電場，降低除塵效果；如果電場強度進一步加強后，這個電場將局部擊穿激發(fā)出反向正離子向陰極線遷移，造成除塵器電流增大，但消耗的電能沒有起到吸塵作用，這種現(xiàn)象就是反電暈現(xiàn)象。振打周期內集塵層所帶的電荷是動態(tài)的，取決于釋放到陽極的電量與重新荷電電量的差值，供電電流越小，則越有利于反電暈。所謂“脈沖式供電反電暈”，其實質就是平均電流較小。

解決方案：低電流

① 平均后續(xù)荷電電流小于荷電后的灰塵放電電流，使陽極板上粉塵積層的再次荷電量小于釋放電量，降低了粉塵層在極板上的電荷積累。

② 平均再荷電電流等于或略大于荷電后的灰塵放電電流，但到下次振打為止，粉塵層電量的積累不足以產(chǎn)生反電暈。

（4）減少二次揚塵

① 降低了粉塵層對極板的吸引力，易振打脫落，在振打力度可調（如電磁振打）的情況下，可適當降低振打力度，減少二次揚塵。

② 不必斷電或減壓振打，保持高場強集塵狀態(tài)，則二次揚塵。

③ 避免火花放電，減少因火花擊穿而造成的擾動二次揚塵。

（5）大幅度節(jié)能

一、二電場，粉塵濃度高，粒徑較大，粉塵荷電用電量也相應增加。但粉塵荷電用電量不足目前傳統(tǒng)電源耗電的2%，對電除塵總耗電量基本沒有影響。但高濃度的荷電粉塵會使電場電阻變小，其它電源，為實現(xiàn)較高場強，被迫輸出了較大電流。從表面現(xiàn)象看，確實注入了較多能量。但電流越大，造成局部火花放電越多，通過粉塵而傳導的電量也越大，形成浪費?；鸹ǚ烹?，時間占比很小，但消耗能量巨大。火花放電始發(fā)點與電場介質相關，粉塵濃度高，更易閃落，這也是造成“一、二電場輸入很量”的原因。臨界脈沖電源避免了火花放電（全貫穿火花放電和局部火花放電），大幅度節(jié)電。

綜上所述，而臨界脈沖電源技術在這些重要方面實現(xiàn)了革命性的突破，目前是世界上減排效果較強同時節(jié)能幅度較大的電源，是超凈排放中電源的理想選擇。今后將除塵電源技術發(fā)展方向。