淺談高效電源在電收塵器改造中的應(yīng)用

閻林松劉延斌

1. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003; 2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

淺談高效電源在電收塵器改造中的應(yīng)用

閻林松1,2劉延斌1

1. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003; 2. 河南中材環(huán)保有限公司，河南 平頂山 467002

原有配套的窯尾電收塵器已不能滿足新頒布的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行電收塵器改造比較多的方式是利用電收塵器原殼體，內(nèi)部改造成袋收塵器或者電袋復(fù)合的方式；而利用高效電源也是一個(gè)可行的辦法。實(shí)踐證明，一個(gè)選型設(shè)計(jì)合理的電收塵器經(jīng)過消缺處理后，配合先進(jìn)的供電和電控系統(tǒng)可以使出口粉塵排放降低至 15 mg/Nm3甚至更低，完全有能力達(dá)到國家最新環(huán)保要求。

電收塵器 三相電源 收塵效率

0 引言

2013年，國家環(huán)保部推出新的環(huán)境保護(hù)法，規(guī)定工業(yè)廢氣中的固體顆粒物排放濃度不得高于30 mg/Nm3，部分地區(qū)小于20 mg/Nm3，許多水泥公司都在進(jìn)行電收塵器的改造。比較多的方式是利用電收塵器原殼體，內(nèi)部改造成袋收塵器或者電袋復(fù)合的方式。這些改造方案都是在收塵面積無法增加、現(xiàn)場空間有限的情況下所采取的。

有些水泥公司在上項(xiàng)目時(shí)，對(duì)選用的電收塵器已經(jīng)將選型放大了一定的規(guī)格，由于當(dāng)時(shí)的電收塵器供電裝置的技術(shù)落后，在實(shí)際使用當(dāng)中并未達(dá)到電收塵器的設(shè)計(jì)效率。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，在電收塵器改造當(dāng)中利用高效電源也是一個(gè)可行的辦法，在這里根據(jù)改造的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行一些探討。

1 改造案例概況

某公司4 500 t/d 三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)水泥熟料生產(chǎn)線于2007年7月投產(chǎn)。 原有配套的窯尾電收塵器現(xiàn)已不能滿足新頒布的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。為此業(yè)主要求對(duì)電收塵器進(jìn)行改造，以達(dá)到新的排放要求。

由于現(xiàn)有電收塵器的改造受限于場地、施工空間大小，在改造方案評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮到現(xiàn)有設(shè)備使用情況、改造停機(jī)工期、改造設(shè)備成本和使用成本等因素。在方案討論時(shí)，首先考慮的是電袋一體化的方案，由于電袋一體復(fù)合式收塵器后期維護(hù)費(fèi)用高、引風(fēng)機(jī)可能需增容改造、停機(jī)施工周期長等原因暫沒有被用戶采納。如果利用現(xiàn)有供電裝置，增加電收塵器的收塵面積，卻沒有足夠的空間。

在咨詢了電氣專家后，借鑒發(fā)達(dá)國家電收塵器使用經(jīng)驗(yàn)，最終和用戶商定的方案是：對(duì)原電收塵器進(jìn)行必要的修復(fù)，更換新型高效電源。

2 工藝及設(shè)備參數(shù)情況

該水泥生產(chǎn)線為典型的三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)并同時(shí)運(yùn)行余熱發(fā)電裝置，有“聯(lián)合操作” 和“直接操作”兩種工藝模式。

（1）窯尾電收塵器采用魯奇型雙室四電場電收塵，型號(hào)為 2×28/12.5/4×8/0.4，排放濃度設(shè)計(jì)值僅為50 mg/Nm3。

電收塵器實(shí)際處理煙氣量：

< 850 000 m3/h （聯(lián)合操作） ，

< 742 000 m3/h （直接操作） ；

電收塵器實(shí)際溫度 ：

90 ℃ （聯(lián)合操作） ，

≤ 130 ℃ （直接操作） ；

電收塵器入口含塵濃度：

≤ 80 g/Nm3（聯(lián)合操作） ，

≤ 30 g/Nm3（直接操作） ；

電收塵器出口含塵濃度（設(shè)計(jì)值）：

≤50 mg/Nm3；

電收塵器出口含塵濃度（2014 年 4 月標(biāo)定值） ：

≤ 72.15 mg/Nm3（聯(lián)合操作） ，

≤ 81.49 mg/Nm3（直接操作） ；

本體阻力：≤350 Pa ；

漏風(fēng)率（實(shí)際值）：≤6% 。

（2）電收塵主要參數(shù)。

電收塵器室數(shù)： 2 個(gè) ；

每個(gè)室的電場數(shù)量： 4 個(gè) ；

同極間距：（400±5）mm ；

電收塵器通道數(shù)： 2×28 ；

條帶數(shù)：8個(gè)；

陰極振打：側(cè)部振打；

陽極振打：側(cè)部振打；

總的收塵極板面積：22 278 m2；

比收塵面積：94.4 m2/ (m3/s) （聯(lián)合操作），

108.1 m2/ (m3/s) （直接操作） ；

煙氣流速：0.81 m/s（聯(lián)合操作） ，

0.71 m/s（直接操作） 。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)省能源通常將窯尾高溫?zé)煔鈱?duì)生產(chǎn)原料進(jìn)行烘干利用。當(dāng)不進(jìn)行原料烘干時(shí)，在“直接操作”狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)行原料烘干時(shí)，即工作在“聯(lián)合操作”狀態(tài)。一般直接操作時(shí)的煙氣溫度應(yīng)在120～150 ℃，聯(lián)合操作時(shí)的煙氣溫度在90 ℃左右[1]。

根據(jù)多依奇效率公式A＝-Qln(1-η) /ω ，推導(dǎo)出：η=1-e-Aω/Q和ω=-Ln(1-η)Q/A;

其中：η—收塵效率，%；

A—收塵極面積，m2；

Q—工況氣體量，m3/h；

ω—驅(qū)進(jìn)速度，cm/s （經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）。

按最大煙氣量：850 000 m3/h核算，

電收塵器入口含塵濃度：

≤ 80 g/Nm3（聯(lián)合操作） ；

電收塵器出口含塵濃度：

≤ 30 mg/Nm3（聯(lián)合操作）。

計(jì)算得出粉塵的驅(qū)進(jìn)速度為8.36 cm/s。

（3）結(jié)合魯奇技術(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外對(duì)電收塵器的使用情況，并通過電控生產(chǎn)廠家介紹采用新型的電源技術(shù)完全可以達(dá)到排放≤30 mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。

要到達(dá)此標(biāo)準(zhǔn)需要有個(gè)前提條件：電收塵器的整體運(yùn)行情況要達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。

3 改造方案的實(shí)施

（1）首先將電收塵器的內(nèi)部件進(jìn)行更換調(diào)整，對(duì)殼體、極間距、極板、電暈線、振打傳動(dòng)、阻流板、氣流均布裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行仔細(xì)檢查，進(jìn)行消缺處理。

（2）更換 1～4 電場的電源及控制系統(tǒng)，改為三相電源（共8套），提供完整的高壓電控系統(tǒng)，利用美國 B&W 直接進(jìn)口的 SQ300i 三相電控系統(tǒng)及軟件技術(shù)，上海某公司的高壓電控柜、三相硅整流變壓器、高壓隔離開關(guān)、用戶提供的柜間連接電纜及通訊電纜等。

（3）具體內(nèi)容為：

①首先對(duì)電收塵的極板的使用情況進(jìn)行檢查，變形的極板進(jìn)行調(diào)整。對(duì)陰極框架進(jìn)行調(diào)整，把松動(dòng)電暈線進(jìn)行更換。對(duì)極間距進(jìn)行測量，不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的極間距進(jìn)行調(diào)整。對(duì)振打設(shè)施、機(jī)械部件進(jìn)行檢查，并對(duì)磨損的振打錘進(jìn)行更換，對(duì)內(nèi)部件出現(xiàn)的問題進(jìn)行消缺處理，以恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài) 。

②將電收塵頂部單相的整流變換為三相變壓器；加大額定輸出容量，將原先的單相 72 kV/1 000 m A提升為三相 80 kV/1200mA。

③將高壓電控柜換為三相控制電控柜 。

④從電控柜到三相變壓器之間可直接使用原有電纜和備用電纜即可。由于三相輸入電流較小，不用另行更換動(dòng)力電纜。如果原設(shè)備沒有備用電纜，只需增加一根電纜即可。

⑤二次側(cè)信號(hào)線重新放線，使用雙絞屏蔽電纜。

⑥保留原有低壓振打加熱柜。

4 單相電源與三相電源的特點(diǎn)對(duì)比

4.1 傳統(tǒng)單相電源

傳統(tǒng)單相電源的控制原理是單相工頻交流電經(jīng)過一組正反向可控硅移相調(diào)壓，由變壓器升壓整流為脈沖直流電，給電收塵電場送電（見圖1）。

圖1 單向高壓電源原理

由于其本身原理所限，在實(shí)際使用中主要存在以下缺陷及問題：

（1）平均電壓低。傳統(tǒng)單相電源的供電特性決定了負(fù)載的二次平均電壓與峰值電壓之間存在25%～35%的脈動(dòng)（見圖2），而電收塵器實(shí)際瞬間最高電壓又被火花放電所限制，所以往往運(yùn)行時(shí)的平均電壓很低。系統(tǒng)阻抗不匹配，容易產(chǎn)生火花擊穿， 容易出現(xiàn)低電流/低電壓運(yùn)行狀態(tài)，影響整體的收塵效率，電能轉(zhuǎn)換效率比較低，理論計(jì)算效率只有 70%，實(shí)際為 66%左右。超過 30% 的電能無法做有用功。

圖2 單相電源輸出電流/電壓波形

（2）不平衡供電。在四電場或十電場實(shí)際應(yīng)用中，配電時(shí)其中必有一個(gè)電場的高壓電源，單相 380 VAC/50 HZ 輸入，一相工作，另兩相處于空載。電收塵器選用的電源規(guī)格越大，不平衡問題就越嚴(yán)重，無法保證電網(wǎng)的功率因數(shù)指標(biāo)。對(duì)于一臺(tái)1 000 mA/72 kV 的設(shè)備就有 271 A 的電流無法平衡。

4.2 三相高壓電源

B&W公司的新型三相系統(tǒng)主回路是由三組可控硅構(gòu)成的三相移相調(diào)壓電路，高壓硅整流變壓器也是三相輸入、三相輸出、三相整流成一路直流高壓加載到電收塵器。與傳統(tǒng)單相系統(tǒng)相比，三相電源無論從電收塵效率提升還是節(jié)能降耗來說，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)（見圖3）。

圖3 三相電源原理圖

三相電源的輸出電壓接近純直流波（波紋系數(shù)<1.05），即平均電壓幾乎等于峰值電壓，從而有效地提高粉塵的荷電能力，大幅度提升收塵效率。其收塵效果遠(yuǎn)好于單相電源（見圖4）。

圖4 三相電源輸出電流/電壓波形

根據(jù)多依奇效率公式A＝-Qln(1-η) /ω，其中的ω≌βVpVav, β為電收塵器給定因子；Vp為二次電壓峰值；Vav為二次電壓平均值。上面的公式告訴我們，電收塵器的收塵效率同機(jī)械結(jié)構(gòu)、工藝塵源與供電質(zhì)量 （荷電顆粒的有效驅(qū)進(jìn)速度ω及比收塵面積m2/ (m3/s)三者的密切關(guān)系。當(dāng)風(fēng)量（V） 和收塵面積（A）確定下來后，收塵效率與驅(qū)進(jìn)速度ω成正比，而ω的大小取決于供電質(zhì)量的優(yōu)劣，即輸出電壓平均值和峰值的大小，而這就是三相供電的意義所在，即大幅度提升輸出電壓平均值，使之與峰值幾乎相等，從而提高趨進(jìn)速度和收塵效率。與單相電源相比，在相同工藝及機(jī)械條件下，三相電源可使電場粉塵排放濃度至少減少30%左右[2]。

三相電源功率因素（輸入/輸出電能轉(zhuǎn)換效率）可達(dá)到95.2%，而傳統(tǒng)單相電源最高只能只有70.7%，實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)還會(huì)更低。以 1 200 mA/ 72kV變壓器為例，單相電源的輸入電流為325 A，而三相電源只需 138 A。

三相電源各相電壓、電流、磁通的大小相等，相位上依次相差 120°。任何時(shí)候電網(wǎng)都是平衡的，是最科學(xué)合理的用電模式[2]。

因?yàn)槿嚯娫措娔苻D(zhuǎn)換效率比單相電源提高25%，三相完全平衡輸入，單臺(tái)額定輸入電流可減小 55%以上，輸出二次平均電壓比單相電源提高15%左右，有效提高收塵效率。這些因素都直接轉(zhuǎn)化成節(jié)能的效果。

5 改造后的效果評(píng)估

（1）該項(xiàng)目的改造于2014 年7月中旬完成施工、調(diào)試并投入使用。一線窯尾電收塵器改造前后參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 改造前（單相供電）電壓、電流及改造后（三相供電）電壓、電流情況

（2） 改造后由專業(yè)人員于2014年 8月8日對(duì)電收塵出口進(jìn)行了粉塵排放測試，結(jié)果見表2。

表2 一線窯尾煙囪出口 mg/Nm3

（3） 改造完成后電收塵器出口粉塵濃度≤30 mg/Nm3，達(dá)到此次改造的要求。

6 結(jié)束語

通過最終檢測結(jié)果可以看到，一個(gè)選型設(shè)計(jì)合理的電收塵器經(jīng)過消缺處理后，配合先進(jìn)的供電和電控系統(tǒng)可以使出口粉塵排放降低至 15 mg/Nm3甚至更低，完全有能力達(dá)到國家最新環(huán)保要求。

高壓供電裝置是保障電收塵器高效運(yùn)行的重要設(shè)備，運(yùn)行效果好壞與電源有直接關(guān)系，高壓電源的電壓、電流選配恰當(dāng)，則收塵效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，能耗低，否則就相反。

目前一些新上項(xiàng)目在高壓電控上采用了先進(jìn)的高效電源及進(jìn)口控制器技術(shù)，使收塵效果大為提高。但是我們不能盲目地以為采用新型電源就能解決所有的排放問題，需要根據(jù)不同的工藝情況和電收塵器的設(shè)計(jì)參數(shù)來分析和解決問題。

目前電收塵器均按低頻環(huán)境配合設(shè)計(jì)，內(nèi)部機(jī)械件連接均采用螺栓或其他摩擦配合方式緊固，在實(shí)際施工中現(xiàn)有緊固方式都會(huì)產(chǎn)生連接和接地阻抗的不均，從而不適應(yīng)三相電源或高頻電源系統(tǒng)，產(chǎn)生電壓瞬時(shí)下降和相互干擾，頻率愈高干擾愈甚。這也是國外三相電源或高頻電源制造商提供電源的同時(shí)對(duì)本體焊接及接地都有詳細(xì)要求的原因。

[1] 劉后啟,林宏.電收塵器[M].北京：建筑工業(yè)出版社,1987.

[2] 梁天曉.電除塵器三相高頻高壓電源技術(shù)與性能分析[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2010(07):23-26.

TQ172.687

B

1008-0473(2016)04-0085-04 DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.04.019

2016-04-11）