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中国科学院上海光学精密机械研究所
【摘要】本文通过对湿式电除尘器电气工作环境的分析，揭示了湿式电除尘器对高压供电装置的基本要求。进而通过恒流供电装置技术原理和工作特征以及应用案例的介绍，展示了恒流供电的功率输出与电场正向需要的符合性。指出：恒流供电与WESP的协调工作必将充分展示湿式电除尘器在废气处理中的优势。
【关键词】湿式电除尘 电除雾 恒流 脱硫 PM2.5
1. 概述
目前，日趋严格的环保政策促进了烟气净化技术的进步。传统电除尘器正面临新的技术挑战：燃烧废气经除尘、脱硫脱硝后，废气中残留的微尘、脱硫脱硝剂及其生成物的逃逸以及液雾挟带等对环境的破坏受到越来越多的关注并已成为环境控制的重要对象，脱硫脱硝尾气的深度处理成为必需，烟囱出口污染物排放限制愈加严格。
湿式电除尘(下称WESP)拟将成为火电、钢铁行业废气终级处理的首选设备，其基本原理与干式电除尘器、电除雾器相似，而构造方式更接近于电除雾器，主要特征是大型化、高流速、超低排放和腐蚀性。
湿式电除尘器形态及性能上的变化，同时对电除尘的高压供电技术提出了更高的要求。恒流高压电源，以其优异的供电性能在电除雾行业和特种电除尘场合得到广泛使用，经技术提升后，同样能够全面满足湿式电除尘器的各种需求。
2. 湿法脱硫、脱硝后烟气深度处理WESP的电气工作环境
与电除酸雾和干式电除尘的工作环境相比较，WESP的工作环境更加复杂。工业燃烧废气经除尘、脱硫后进入WESP。当前广泛应用的脱硫方式主要是石灰石石膏法和氨法脱硫两种，尾气的主要特征是：
烟气温度： <80℃
烟气湿度：水饱和、过饱和，含大量液雾
烟气组分：燃烧烟气
尘雾成份：饱和水蒸汽， NOx，SOx，石灰桨液、石膏，氨、硫酸铵，电除尘器逃逸粉尘等微尘(PM10/PM2.5为主)
入口含尘浓度：≤150mg/Nm3
出口含尘浓度：≤30～20mg/Nm3
对传统电除雾(尘)器来说，处理烟气量大，工作环境恶劣，有害物含量低但却极其细微，其有效去除既存在难度，更存在设备造价过高的问题。
通过全方位考察和大量试验比对，优选出立式蜂窝状湿式电除尘(雾)器模型作为脱硫尾气终级治理的首选设备。这种设备除尘雾效率高，并且不受粉尘比电阻范围的影响。
由于是腐蚀性烟气，除尘器主体材料必须具有良好的抗腐蚀性能;设备庞大，设备所选用的材料应当适用而经济;过饱和湿烟气、含尘，电极形状应当利于形成均匀液膜并自行均匀流淌，为确保电极表面无污垢，需间断对电极表面进行冲洗。
导电玻璃钢成为阳极首选材料(也有选用经特殊处理的PVC塑料作阳极的，选用不锈钢作阳极的投资成本及运行维护成本过高且不能实现液膜均匀自行流淌)，其持久耐温70℃;阴极芒刺放电线选用C276哈氏合金。
烟气在电场内的停留时间≤2s，出口含尘≤30～20mg/Nm3，除尘效率≥80%。
届此，WESP的电气工作环境已经明确：低温，饱和湿烟气，微尘，细雾，高浓度(指液雾+溶入性微尘，其比表总面积远高于常规意义上的干粉尘)，高流速、高效率。据此，WESP对供电装置有以下特殊要求：
起晕电压和运行电压高，平均线(或板)电流密度或电晕功率大并能持续保持;电源应能自行抑制火花放电向击穿放电发展，一旦发生击穿放电，电源应即时消减供给功率、不能引起电极的烧损，并能承受瞬态及稳态短路。水冲洗时，能自动切断电源，冲洗过后，能自动恢复运行。
根据恒流高压供电装置的供电原理和工作特征，可轻松满足WESP各项工作要求。
3 恒流电源研制的历史背景
上世纪九十年代，有色冶炼，硫酸等工业领域，开始使用导电玻璃钢替代PVC和铅作为电除雾器的阳极材料，用于制酸烟气的净化，提升了SO3雾滴的净化率，同时使设备重量大大减轻，但带来了阳极容易烧穿的弊病。这是由于电除雾的供电装置是可控硅电源，为提高除雾效率，应提高运行电压。在可控硅电源供电条件下，电场内的火花转变成击穿无可避免。火花击穿的能量转变成局部气体温度的急剧升高，致使导热率低、熔点温度很低的材料局部被烧穿。只有降低运行电压(同时更大幅度地降低运行电流)才能可靠运行，除雾效率因而降低。
中科院上海精密光学机械研究所激光核聚变“神光”项目中的能源系统的单元技术——恒流源技术，由上海激光电源设备有限责任公司(http://www.leee.com.cn)进行单元技术产业化，实现恒稳的电流输出，开始广泛应用于电除雾器的供电，使得工作电流大幅提高，工作电压也有较大幅度的提高且非常稳定，除雾效率在使用恒流源供电后，一级除雾达到或接近两级除雾的排放。自此，恒流源成为电除雾行业的首选电源。
4 恒流供电原理与工作特征
4.1恒流供电原理
均匀、充足而又适当的板电晕功率是电除尘(雾)器高效工作的前提，从而确保尘雾荷电充足、迁移速率高。
恒流高压直流电源利用L-C变换器，将电压源转换成电流源，电源向放电区馈送出稳定的电流I2。按照欧姆定律，电场电压U2与电场等效阻抗Z关系式：U2=I2*Z。它的控制过程是通过对运行电压变化趋势的反馈与预置值进行比较，以决定L-C投入数量，控制目标是保持电场在较高的工作电压下稳定运行。
与恒流供电相对，电除尘(雾)器普遍使用的可控硅电源是电压源，其反馈控制过程是通过反馈信号综合放大与预置值进行比较以确定输出相位、并决定可控硅下一个半波的触发角，以实现对负载的电压跟踪、控制输出电流，当火花放电发展成弧光击穿时，封锁可控硅，以实现熄弧或闪络封锁、保护回路设备和器件。由于它的输出电压U2是恒定的，输出电流I2随电场等效阻抗Z变化：I2=U2/Z。
两种电源的工作特性曲线见图1、图2。图中电压对电流的斜率du/di即电场等效阻抗Z。
图1.恒流电源工作特性曲线 图2.可控硅电源工作特性曲线
WESP是变阻抗负载，它的值Z随含尘雾浓度的增减而增减，又与烟气温度呈逆向变化，还与烟尘成分(由工艺条件决定)、电极几何状态(由本体构造设计制造安装维护质量决定)密切相关，更重要的是：Z随着电晕电流的增大和放电的发展呈下降趋势，当火花放电发展成击穿放电时，Z值锐减甚至接近于“0”，相当于电场短路。
由图1和图2可对两种电源在电场阻抗Z变化(增大或减少)时的回馈作出全面、定性的分析：对任何变化的情况，恒流电源提供的供电功率符合电场阻抗变化的正向需求——电场负荷(浓度)增加即Z值增加供电功率自行增加，火花发展时Z值减小供电功率自行消减，并不需要人为设计的控制程序强行干预即能自行满足电场需求，因此，电场运行电压和电晕功率总能维护在较高的水平，故能持续保持较高的尘雾去除效率。而可控硅电源在导通周期内提供的供电功率与电场阻抗变化的正向需求相背离，又通过程序干预的控制方式增加馈送或强行关断则导致运行状态的不稳定和平均电晕功率降低，尘雾去除效率因而降低。
4.2恒流源的供电特征
显著提高电除尘(雾)器的运行电压 火花放电是电场高效工作过程中的常见现象【电场内没有火花表明电场并没有进入最佳工作状态】。火花放电是狭窄、曲折路径下的气体击穿。火花放电一旦形成，火花通道内的离子浓度急剧增高，局部气体成为良导体使得电场整体的等效阻抗Z大幅降低。
电场中的尘雾浓度高、浓度不均匀、局部风速过高或过低、极距偏移、电极变形、电极附灰等都会诱导局部火花放电和击穿放电。
电流源供电时， L-C谐振回路输出I1正弦全波，电源向放电区馈送的功率为I22Z，火花产生后， I2没有改变，Z减小→I22Z也减小，电源提供的能量消减，抑制了放电的进一步发展，这是一个良性的能量衰减过程(对除尘工作有利)。因此之故，恒流供电可以在较高的电压下稳定运行。可控硅供电正相反，可控硅导通后，电源输出量为U2，电源向放电区馈送的功率为U22/ Z，火花产生后， U2没有改变，Z减小→U22/Z增大，电源提供的能量增加，助长了放电的进一步发展，这是一个恶性的能量倍增过程(对除尘工作不利并引起系统不安全)。因此之故，可控硅电源供电只能在较低的电压下稳定运行。
恒流电源的火花响应波形见图3，图4为可控硅电源的火花响应与控制波形。
图3.恒流源火花击穿响应波形 图4.可控硅电源火花【击穿】响应与控制波形
沉积效率的提高 使用中的电除尘(雾)器，总存在着各种放电不利因素：尘雾浓度过高，极线和极板严重附灰，极距偏移、电极松动，烟气流速过快，等等。这些不利因素形成复杂的放电局面。表1给出了在不利条件下，两种电源的供电响应及控制结果。
表6. 放电不利条件下电源的供电响应及控制结果
现象宏观电气表现工作参数恒流电源
响应可控硅电源
响应与控制
尘(雾)浓度过高烟气流速过快电场阻抗增大运行电压升高升高
运行电流正常极小
效率高下降
其它无电晕"闭塞"
电极肥大
集尘极积尘加厚电场阻抗增大运行电压升高升高
运行电流正常极小
效率高下降
其它无电晕“封锁”
电极变形或偏移极间距不均电场阻抗减小运行电压降低降低
运行电流正常大幅下降
效率小幅降低大幅下降
其它无闪络频繁
瞬态称态短路等效阻抗为0电压降低不变
电流不变极大、跳停
功率0极大
回路恢复正常自行恢复供电产生脉冲电流
大量实践表明：采用恒流供电技术替换可控硅供电，注入到电场的有效电功率增加，尘雾去除效率显著提高。
运行可靠性高 恒流源的正常工作不依靠复杂的电子线路、插接件，允许高压瞬态或持续短路(见表1)而不会出现过流，因而不会烧坏任何元件。瞬态短路过后，电场自动恢复(实为自行，无需程序控制)。对可控硅电源来说，无论是瞬态短路或是持久短路，只有下一个周波封锁可控硅，不可避免地产生短路脉冲电流，这种脉冲电流会损坏导电玻璃钢阳极，极端情况下，会导致导电玻璃钢燃烧。
导电玻璃钢毕竟不是金属，在导电率上有数量级的差别，在形成稳定的电场能力上，恒流源有先天性的优势。
具备其它必要的监测与保护功能。
节能省电 恒流电源功率因素COSφ=0.9~1，它不随运行的功率水平变化，可以显著降低前级供电变压器的容量并节能。
5 恒流源在湿式电除尘(雾)器上的应用
巴陵石化动力事业部#1锅炉(蒸汽量220t/h) 环境污染问题，率先采用流光放电氨法脱硫脱硝技术进行改造，并于2011年3月投入运行。该项目首次采用以恒流电源供电的玻璃钢蜂窝式电除雾器对火电厂脱硫脱硝尾气进行深度净化处理，成功解决了铵盐夹带、气溶胶排放，不但减少了二次污染，同时实现了降低脱硫剂消耗、节约成本的收益，烟囱腐蚀也有所延缓。
WESP空载调试时，绝缘箱温度控制在40～80 ℃之间，用水冲洗WESP内部，使之形成液膜。空载调试及负荷运行测试数据见表7。
表2. 脱硫脱硝后置WESP空载及运行供电数据
参数一次电压电网电流二次电压二次电流
单位VAkVmA
空载数据24517955853
运行数据 70370
经湖南省环保局检测，WESP出口侧烟气中的污染物含量(见表3)远低于国家环保标准，烟囱排放无明显白烟雾(气溶胶)。
表3. #1炉脱硫脱硝+WESP环保检测数据
污染物单位WESP前含量标准允许排放设计排放实际排放去除效率
SO2mg/Nm3234.44≤400≤10010.397.74%
NOxmg/Nm3 ≤800 341.53
水雾浓度mg/Nm3200 30
NH3mg/Nm3 17.1≤8 2.24
粉尘mg/Nm3 1420≤50≤5041.6797.10%
6 结束语
恒流供电技术，它在为各种电除尘、电除雾器提供优质供电的同时，又通过自身的不断完善，进一步提升性能。如目前要求的电源输出电流较大，电源必须在无火花状态下运行，同时在故障状态下，出现异常放电时，电源能自动保护并报警，保障电除雾器的安全。
在环境政策日趋严格的氛围之下，恒流电源与WESP的协调工作，必将进一步突显WESP在电站锅炉烟气深度处理领域的优势。
参考资料
1. 陈宇渊，“电除雾器的高压供电技术”【J】硫酸工业 1998 (6)：21-24
2. 解广润、陈慈莹合编，《高压静电除尘》，水利电力出版社，1993，6
3. 陈宇渊，"恒流高压直流电源的外特性"《电除尘与气体净化》1996，4，pp20-22
4. 孙乃庚，"用于静电沉积的新型恒流高压直流电源"《第六届全国电除学术会议论文集》 1995，4 pp251-25
(第二届电站锅炉优化运行与环保技术研讨会论文集)
