高压电除尘器效率与节能研究

摘 要：针对除尘器效率与节能问题，本文分析了对电除尘器的除尘效率与节能影响最大的反电晕现象和节能潜力，对直流供电方式和脉冲间歇供电方式进行了对比，针对间歇供电方式的准确、方便控制，分析了晶闸管调压式高压除尘电源与大功率高频开关的特点，后者能显著地提高静电除尘的效率。

关键词：反电晕，间歇供电，除尘效率，节能

1、 引言

反电晕现象是电除尘器收集高比电阻粉尘时出现的重要现象之一。反电晕现象的产生会降低电场的击穿电压、产生异号空间电荷并中和起收尘作用的电荷，造成严重的二次扬尘，导致除尘效率大幅度下降或使得除尘器难以正常工作，另外还消耗大量的电能。目前为除尘器研究合适的供电电源技术，已经成为电除尘器节能提效的关键。高频高压供电电源具有控制方式灵活、输出高电压波形可控、闪络后关闭速度快和重启迅速等优点，是当今国内外静电除尘电源的主要研究发展方向。其中瑞典ALSTOM公司和丹麦SMITH等公司的产品是国外高频高压电源的典型代表。国内以福建龙净环保股份有限公司和武汉国测数字技术有限公司等企业也开展了富有成效的工作。研究高频高压供电电源，使电除尘器的实际排放浓度不仅能达到国家允许排放标准，而且显著降低电除尘器的运行电耗，具有十分重要的经济意义。

2、影响除尘效率与电能消耗的主要因素

2.1 粉尘比电阻对除尘效率的影响[1-3]

粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的指标。静电除尘器适合于捕集比电阻介于104～5×1010Ω・cm之间的粉尘。粉尘比电阻过高或过低都会导致除尘效率下降。当粉尘比电阻小于104Ω・cm时，粉尘的导电性能好，带负电的粉尘到达集尘极后，粉尘的负电荷被中和并带上与集尘极相同的正电荷。由于极性相同，会把带电的粉尘推向气流中，粉尘在集尘极板上产生跳跃现象，不能很好的吸附，最后可能被气流带出电除尘器。若粉尘的比电阻超过5×1010Ω・cm时，电除尘器的性能就随着比电阻的增高而下降。这是因为沉积在集尘极表面上的高比电阻粉尘层限制了电晕电流的通过，最终将导致除尘效率大幅度下降。若粉尘的比电阻超过 1011Ω・cm时，粉尘的导电性能差，粉尘所带的电荷不易释放，随着沉积在集尘极板上的粉尘层的增厚，释放电荷就更加困难。当粉尘到达集尘极后，粉尘层与极板中间就容易出现一个短距离的新电场。此时，一方面由于粉尘层表面电荷极性与放电极极性相同，而排斥后来的荷电粉尘；另一方面由于粉尘层电荷释放缓慢，在层间逐步形成较大的电位梯度。结果电除尘的收尘场强大大降低，电晕显著减少，空间电场强度减弱，收尘效率变得很低[2,3]。除尘效率与粉尘比电阻的关系如图1所示。

图1比电阻与除尘效率的关系

2.2反电晕现象对除尘效率和电能消耗的影响[4,5]

反电晕就是指沉积在集尘极板表面上的高比电阻粉尘所产生的局部放电现象。根据欧姆定律，集尘极和粉尘层中间的反电晕电场强度为；

（1）

式中， 为反电晕场强，V；

J为粉尘层的电流密度，A/cm2；

为粉尘层的厚度，cm；

为粉尘比电阻， 。

从上式可看出，带负电的粉尘越积越多，新电场就越来越强。当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，在某些部位空隙开始电离，出现粉尘层局部击穿。结果形成与原来的电晕放电方向不一样的反电晕放电现象。电除尘器的除尘过程和反电晕现象如图2所示。当产生反电晕现象时，产生与电晕极极性相反的正离子，所产生的正离子向电晕板运动，碰撞从电晕极向集尘极驱进的负电离子并产生中和。反电晕现象使得尘粒脱离集尘极，向放电极运动。其结果是二次电压下降，二次电流增大，粉尘二次飞扬严重。这些都影响除尘器的性能，降低除尘效率，消耗大量的电能。反电晕现象在高比电阻粉尘工况下很严重。由此可知，必须抑制反电晕现象，才能达到提高效率与节约电能的目的。

（a）电除尘器的除尘过程示意图

(b) 电除尘器的反电晕过程示意图

图2电除尘器的除尘过程与反电晕示意图

2.3除尘所需的电能分析[6-8]

在正常工况下，随着电晕电流的增大，电场空间中的自由电荷也随之增多。这使得更多的粉尘颗粒荷电，收尘效果也越好。然而，如果仅仅提高供电电压，随着电晕电流的增大，空间中自由电荷增多，没有与粉尘粒子荷电而直接流向集尘电极的自由电荷数量也增加，这部分电能不是作用于收尘，而是白白地消耗掉了。并且在工况不变的情况下，这种电能的浪费随着电晕功率的提高而增大，虽然提高了除尘效率，但却以电能的大量消耗为代价，得不偿失。

美国学者怀特对电除尘分离粉尘粒子所需要能量做了深入的研究，认为从气体中分离出粉尘粒子所需的电能很小，这是根据气流尘粒的粘滞力和粒子向着集尘电极运动所经过的距离计算出来的。理论计算的结果表明，不论是什么样的尘粒，分离出粉尘粒子所消耗的电能量都是很少的，整个电量消耗大约只占除尘电量的2%左右。理论上功率消耗值与实际运行的电除尘器所消耗的功率值偏差很大。虽然可能有其他没有估计到的因素，但至少从上述分析可知，电除尘器节能潜力很大。

经过分析研究发现，出现如此大的差距主要是因为火花整定方式下的电能利用率极低。电除尘器在实际运行过程中，用于高压除尘的电能消耗可分为3类：第一类是“有效”电能，用于粉尘的荷电与捕集：第二类是“反效”电能，对粉尘的荷电与捕集起破坏作用，如反电晕、二次扬尘等：第三类是“无效”电能，是介于上述两者之间，既不有利也不有害的电能，如电晕放电过程中没有作用于粉尘的电荷与集尘极捕集到的多余电荷等。

“反效”电能与“无效”电能亦称“浪费”电能。在电除尘器实际运行过程中，有效、反效、无效电能是交织在一起的。在总的电能消耗中，有效电能的比例很小，反效和无效电能占了绝大部分。因此，通过先进的技术措施提高有效电能比例，降低反效与无效电能比例，可进一步提高电除尘器的除尘效率、并大幅降低电能消耗。

3、高压直流电源的控制方式[9]

高压直流电源的控制方式基本上可分直流供电方式和间歇脉冲供电方式。

3.1高压直流供电控制方式

高压直流供电控制方式有稳流供电方式和火花整定运行方式。

稳流供电方式多用于低电压、大电流的场合下。高压直流供电控制采用恒流供电方式，可改善电除尘器的运行效果，避免因出现高能量火花而减少电晕功率及对电除尘器本体寿命的影响。该供电方式以二次电流整定值作为电除尘器运行的优先参考标志；

火花整定运行方式用于高粉尘浓度及产生电晕闭塞的场合，尤其是工况恶劣、除尘效率低的场合。在这种工况下，通过提高火花率的整定值，来加强粉尘的荷电率，使除尘效果有明显改善，可以提高除尘效率。

目前，国内所有燃煤电厂的电除尘器几乎都运行在火花整定工作方式下。 在火花整定状态下虽然能取得较好的除尘效果，但电除尘器运行过程中的电能利用效率很低，大量的电能不是用于收尘，而是被白白浪费掉了。据统计，电除尘器的收尘耗电量约占整台机组发电容量的0.3- 0.6%之间。为了提高电场场强，增强电晕放电效果，需要尽量提高运行电压，直到接近火花闪络电压，以产生尽可能多的自由电子和离子。这样虽然能够达到提高除尘率的目的，但是由于实际产生的大量自由电子和离子中，仅有一小部分用于烟尘荷电，绝大部分自由电子和离子并未参与尘粒进行荷电，而是直接从电晕极（阴极）到达集尘极（阳极）板，最终以光能或热能的形式消耗，造成电能的浪费。另一方面，当烟尘比电阻较高时，运行电压电流达到一定数值时，电场内将出现反电晕现象。在反电晕工况下，继续增加运行电压电流会加剧反电晕的程度，导致电除尘器的能耗不断增加，而除尘效率反而大幅下降。

3.2间歇脉冲供电控制方式

不少的研究与现场长期实验结果表明，电压脉动成分小、接近纯直流的电压并不是理想的除尘用电压，含有比较多的脉动成分或者具有一定的时间间隔的电压波形更有利于提高除尘器的性能。

间歇脉冲供电控制方式的特性就是以间歇或者脉冲的方式输出的直流波形。该方式由于既提高了放电极与集尘极之间的单位场强，也提高了“有效”电能比例，降低“反效”与“无效”电能比例，又能有效避免电除尘器的反电晕工况，提高除尘效率，大幅降低电能消耗，而且，堆积的集尘极板上的粉尘也容易脱落，会使振打清灰电能减少。

间歇供电方式按供电与不供电半波个数比例不同，可构成各种间歇组合。但必须保持变压器原边正负半波励磁对称，如：1：4，1：6，1：8，…，2：2，2：4，2：6，…等等。通过选择不同的间歇比，可以适应不同的除尘工况。以间歇比1：2，1：4，2：4为例，其输出波形如图3所示。

图 3。间歇脉冲供电波形实例

间歇脉冲供电对电除尘器性能的改善主要体现在以下几方面：

（1）减小平均电流，破坏了反电晕的产生条件，有效抑制了反电晕的发生。

（2）与高压直流供电控制方式相比，电压波形具有脉冲形状，火花击穿电压提高，运行电压峰值提高，所以提高了粉尘粒子的荷电率。

（3）带负电的粉尘到达集尘极后，释放电荷就更有利，反电晕现象的产生受到抑制。

（4）由于平均电场强度下降，有利于振打除灰，可大幅度节省能耗。

4、 静电除尘器高压直流电源

静电除尘电源是电除尘系统中的关键部分，其性能直接影响除尘器的性能。

4.1晶闸管（SCR）调压的静电除尘电源[10,11]

静电除尘电源最初采用的是晶闸管相控交流调压，经变压器升压再整流的结构。其发展到今天已经形成了一套非常成熟的技术，典型结构如图4所示（图4（a）：单相供电晶闸管静电除尘电源结构，图4（b）：三相供电晶闸管静电除尘电源结构）。

（b）三相供电晶闸管静电除尘电源主电路

图4 晶闸管静电除尘电源结构

由于三相晶闸管调压整流电路仍然采用移相调压的控制方式，所以相对于单相供电的晶闸管静电除尘电源，除了在供电平衡以及输出电压波动等方面有所改善外，其他方面并没有本质的改变，例如闪络发生时，系统不能及时切断电源。

晶闸管静电除尘电源可以采用直流供电方式或间歇供电方式。晶闸管导通方式可以每半周轮流导通，也就是中断几个半周导通一个半周。这种控制方式属于脉冲供电中的一种(毫秒级脉冲)。但由于这种电源输入均为电网交流电源频率50Hz，变压器体积大、重量重，并且有如下缺点：

从对工业电网影响方面上看，由于采用移相控制，功率因数低，电磁干扰严重；

从输出电压的调压方面考虑，由于利用交流移相调压，输出电源波形比较单一，对电场工况变化的适应性比较差。供电和间歇周期依赖于工频周期，波形宽度及占空比、频率都不能自由调节；

从除尘效率与节能方面考虑，在粉尘为中、低比电阻情况下，由于晶闸管静电除尘电源的间歇供电方式会使除尘效率降低，所以只能采用直流供电方式，电能消耗也很大；

反电晕与闪络发生时，由于保护时间比较长（依赖于工频半周期）、恢复时间也长，反电晕现象容易出现，除尘效率低、电能消耗大，且不利于保护。

目前，在国内多大数运行的电除尘器都采用了晶闸管交流调压供电方式，原因在技术上晶闸管交流调压供电方式已经很成熟，随着电源功率增加，技术方案几乎不变，所以技术延续性好，开发时间短，可靠性也比较高。晶闸管交流调压供电方式对于铁芯材料及变压器的要求比较低。

4.2高频高压供电电源

电力电子技术的飞速发展，IGBT、MOSFET等高频大功率电力电子开关器件的出现，为研制静电除尘用的新型高频高压电源提供了可靠的前提及保证。高频高压静电除尘器电源示意图如图5所示。

高频高压电源控制系统通过调节开关频率可实现各种脉冲供电方式的输出电压调节，通过控制脉冲信号的导通时间和截止时间的比例，可以自由调整间歇供电方式的输出电压。

高频电源工作频率为20kHz-50 kHz。高频高压电源是与工频无关的可变脉动电源，其电源的供电电流由一系列窄脉冲构成（脉冲宽度在微秒级），其脉冲幅、度宽度及频率均可以调整，为电除尘器提供从接近于从纯直流到脉动幅度很大、脉动频率很高的各种电压波形，也就是说，控制方式灵活。根据不同的电除尘器的工况，可以提供最合适的电压波形来提高除尘效率。采用高频高压开关电源可以大幅度提高电除尘器捕集中、低比电阻粉尘的效率，很好地抑制高比电阻粉尘的反电晕现象。同时，在粉尘带有足够电荷的前提下，可尽量减少无效的电场电离，从而大幅度减少电能损耗。

此种高频高压供电电源体积小、重量轻、直接置于除尘器顶部，无需占用地面建筑。除此以外，它还具有如下优点：

工业电网影响方面，由于采用三相交流供电，供电平衡，对电网无电磁干扰，无缺相损耗，属于绿色电源。效率高（93%以上），功率因数也高（98%以上）；

输出电压调压方面，可为电除尘器提供各种电压波形，在电场工况变化时控制方式灵活。间歇周期与工频无关，波形宽度及占空比均可以自由调节；

除尘效率与节能方面，无论粉尘比电阻低、中、高，都能采用间歇供电方式提高除尘效率，节能效果很明显。针对高比电阻粉尘，便于设置任意占空比的间歇供电方式。

目前，国内高频高压供电电源的发展速度较慢，其原因为：

高频高压供电电源控制技术和制造工艺的难度较大，电源功率越大，技术难度亦越大。大容量与小容量高频电源不同，随着容量的长，技术难度大幅增大，所以开发周期也会加长；

（2）高频损耗（IGBT损耗，变压器损耗）不容忽视；

（3）价格高，维修较困难。

5 、结束语

限制电除尘器反电晕的能量浪费，采用间歇供电方式以及利用大功率高频开关的晶闸管调压式，可以在很大程度上挖掘电除尘器的节能潜力，显著地提高静电除尘的效率。

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[11] 张谷勋,蒋云峰.电除尘器电源的发展方向-高频化和数字化[J].电源世界,2007(1):11-14.

作者简介：

郭晓娜（1982-），女，内蒙古呼和浩特人，学士，助理工程师，从事环保工程设计方面的研究。

李冠男（1982-），女，内蒙古呼和浩特人，学士，助理工程师，研究方向为高电压技术。

任丽芳（1972-），女，内蒙古呼和浩特人，本科，助理工程师，从事环保工程设计；

牛双艳 （1984-），女， 巴彦淖尔市人， 专科，助理工程师，从事环保工程设计；

张志芳（1988-），女，内蒙古呼和浩特人，硕士，研究方向为电力系统故障识别。