張先海：水泥行業(yè)新型靜電除塵技術(shù)及應(yīng)用臨界(微)脈沖電源解決方案

  在山東召開的水泥行業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)交流大會上，針對水泥企業(yè)如何實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，如何選擇控制粉塵排放技術(shù)路線這兩個問題，上海漢節(jié)環(huán)保科技有限公司張先海做了《水泥行業(yè)新型靜電除塵技術(shù)及應(yīng)用臨界（微）脈沖電源解決方案匯報》的主題予以參考。

  據(jù)2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)的粉塵排放占到全國工業(yè)生產(chǎn)總排放量的31.7%，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。最新的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（ GB4915-2013 ）要求粉塵排放限值一般地區(qū)≤30mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)≤20mg/Nm3，等同于當(dāng)前燃煤電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)，新建和現(xiàn)有企業(yè)分別于2015年3月1日和7月1日開始執(zhí)行。據(jù)早期統(tǒng)計水泥窯用的除塵設(shè)備80％為電除塵器。但由于當(dāng)時的排放標(biāo)準(zhǔn)要求較低，設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)為50～100mg/Nm3，已不能滿足環(huán)保新要求。除塵器是生產(chǎn)線的重要組成部分，也是主要耗能的環(huán)節(jié)之一。

  除塵技術(shù)路線選擇有兩種：靜電除塵和布袋除塵。

  一、技術(shù)路線選擇

  靜電除塵特點(diǎn)

  除塵技術(shù)對比

  海螺水泥：在全國擁有一百多條水泥生產(chǎn)線，清一色采用的全部是電除塵器。在這一波的除塵提效改造技術(shù)路線選擇上，海螺走訪了國內(nèi)很多的環(huán)保企業(yè)，對電除塵、電袋、布袋技術(shù)作了充分的調(diào)研和論證，最后仍決定選擇先從電改電的方式入手。

  “市場的需求是我們研發(fā)的方向，產(chǎn)品的問題是我們攻關(guān)的課題”。市場上已經(jīng)發(fā)出了很明顯的需求聲音，而這個聲音就是：他們對電除塵仍然是情有獨(dú)鐘。電除塵能否像在燃煤電廠一樣實現(xiàn)逆襲，關(guān)鍵在于是否有足夠鋒利的“劍”亮出。

  電除塵電源分類

  電除塵電源分為：單相電源，工頻電源，三相電源，高頻電源，脈沖電源，雙頻電源，臨界脈沖（軟穩(wěn)）電源。

  電除塵選擇要素

  保持長期穩(wěn)定高效（消除電腐蝕），適應(yīng)不同灰質(zhì)（比電阻范圍寬）；安全運(yùn)行；高度集成一體化結(jié)構(gòu)（體積小、重量輕、安裝方便、節(jié)省空間、輔助資材設(shè)備少）；全自動化集控，操控便捷；易維護(hù)、費(fèi)用低；三相平衡，無缺相損耗。

  二、理論技術(shù)創(chuàng)新

  兩個國際首創(chuàng)除塵電源理論：

  一、國際首次提出“空間自由離子密度”對除塵效率的影響高于場強(qiáng)的理論，并進(jìn)行了量化。電場氣體放電在“二次電子崩”和“流注初期”狀態(tài)，“空間自由離子密度”才能最大化，最利于粉塵荷電。

  二、國際首次提出“臨界區(qū)”的概念，并進(jìn)行了量化。火花放電臨界電壓是一個區(qū)域，并不是單獨(dú)的點(diǎn)構(gòu)成的曲線，臨界脈沖電源定義并利用這個區(qū)域進(jìn)行控制，實現(xiàn)了電源在最佳除塵區(qū)內(nèi)工作。

  三、臨界脈沖電源

  主電路圖

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  三、臨界脈沖電源

  產(chǎn)品系列： LM-15kW（～ 300mA/～100kV）； LM-30kW（～ 600mA/～100kV） ； LM-50kW（～1000mA/～100kV）；LM-75kW（～1500mA/～100kV）

  外形尺寸：1650×900×2200（mm）

  重量：650（kg）

  臨界脈沖電源主要指標(biāo)

  1、比工頻電源減排70%以上，同時節(jié)能60%以上；

  2、比高頻和三相電源減排40%以上，同時節(jié)能60%以上；在確保比高頻和三相電源減排效果高出25%以上的前提下，節(jié)能80%以上；

  3、避免電腐蝕，使本體性能長期高效穩(wěn)定。

  四、靜電除塵機(jī)理

  整個過程是這樣的，電子崩形成自由電子，自由電子附著電負(fù)性氣體形成氣體負(fù)離子，氣體負(fù)離子形成空間電流—電暈電流。

  影響除塵效率的要素

  固有因素：1.陰極線、2.陽極板、3.極配、4.集塵面積、5.殼體漏風(fēng)、6.分區(qū)大小、7.均風(fēng)、8.煙氣量或煙氣流速、9.煙溫、10.濕度、11.飛灰成分、12.粉塵粒度、13.氣體成分。

  能動因素：1.荷電效率：氣體電離和電暈放電、2.驅(qū)進(jìn)場強(qiáng)、3.電暈閉鎖、4.反電暈、5.“Z”字運(yùn)動、6.二次揚(yáng)塵：振打、火花、斷電降壓、7.電腐蝕。

  五、荷電效率

  （a）粒徑大于1.0μm左右的較大粒子在電場中被極化，引起電場局部變形，電力線被粒子遮斷。

  （b）粒子荷電后形成的電場與外加電場方向相反，產(chǎn)生斥力，使粒子附近的電力線變形，這時粒子只能從電場的較小部分接受電荷，荷電速率相應(yīng)減慢。

  （c）粒子繼續(xù)荷電后，面向離子流來一側(cè)進(jìn)入粒子的電力線繼續(xù)減少，最終荷電粒子本身產(chǎn)生的電場和外加的電場正好平衡，粒子上的電荷達(dá)到飽和狀態(tài)。

  飽和荷電量：

  式中 dp—粒徑（m）；Eo—荷電場強(qiáng)（V/ m）； εp—粒子的相對介電系數(shù)。

  （導(dǎo)電材料εp =∞；絕緣材料εp =1；金屬氧化物εp =12～18；石英εp =4.0。）

  瞬時荷電量

  設(shè)qt為粒子經(jīng)時間t后的瞬時荷電量，qt/qs即為粒子的荷電率，它與荷電時間t的關(guān)系為：

  式中 to—電場荷電時間常數(shù)，即荷電率qt/qs=50%的荷電時間，由下式確定：

  No —電暈場中帶電離子的（數(shù)量）密度 （個／m3）；

  e —基礎(chǔ)電荷  1.6021892×1019（C）；

  Ki —離子遷移率（ m2/（V·s） ） 。

  式中 Ki0 — 標(biāo)態(tài)（TN = 273K    PN =1.013×105Pa時的離子遷移率）

  Eo —荷電場強(qiáng)

  No —電暈場中帶電離子的數(shù)量密度

  擴(kuò)散荷電

  擴(kuò)散荷電：是離子做不規(guī)則熱運(yùn)動和粒子相碰的結(jié)果，是小于0.2μm粒子的主要荷電機(jī)制。懷特（White）導(dǎo)出不考慮電場影響的擴(kuò)散荷電電量計算公式為：

  k — 波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23 J/K；

  T — 氣體溫度（K）；

  m — 離子質(zhì)量（kg）；

  t — 時  間（s）。

  No —電暈場中帶電離子的數(shù)量密度

  瞬時荷電量：

  Eo —荷電場強(qiáng)

  No —電暈場中帶電離子的（數(shù)量）密度

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  電暈放電·火花放電

  電子崩及流注放電

  初始電子崩（電離室）：

  P=270 mmHg，E=10.5kv/cm，a和b的時間隔為1 × 10-7s

  電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為1.25× 107cm/s

  電子崩及流注放電

初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⒌乃查g

陽極流注發(fā)展過程

  P=273 mmHg，E=12kV/cm

  這個新出現(xiàn)的電離特強(qiáng)的放電區(qū)域稱為流注，它迅速由陽極向陰極發(fā)展，故稱為正流注。

  流注的發(fā)展速度較同樣條件下電子崩的發(fā)展速度要大一個數(shù)量級，1～2×108cm/s。

  正流注的產(chǎn)生和發(fā)展

  空間自由離子密度

  電場擊穿電壓與激勵電壓波形的關(guān)系

  上圖是空氣放電典型的伏－安特性，影響空氣放電伏－安特性的有空氣的溫度、濕度、氣壓、流速等，同時空氣放電也與加在電場的激勵電壓波形有關(guān)?？諝鈸舸┡c加載電壓的波形有關(guān)，左圖曲線1～5的脈寬t1> t2> t3> t4> t5，窄脈沖的電源電場擊穿電壓高，寬脈沖的電源電場擊穿電壓低。當(dāng)供電電源采用1～10us脈沖供電時，電場擊穿電壓是常規(guī)直流電壓的1.5～2倍。

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  脈沖提高火花臨界電壓和空間氣體離子密度的機(jī)理

  基礎(chǔ)電壓的極限

  臨界脈沖與“大脈沖”的波形比較分析

  驅(qū)進(jìn)速度

  荷電塵粒在電場內(nèi)受到靜電力（庫侖力）：F=qEj（N）（1）

  Ej——集塵極周圍電場強(qiáng)度，V/m。

  塵粒在電場內(nèi)作橫向運(yùn)動時，要受到空氣的阻力，當(dāng)Rec≤1時，空氣阻力（斯托克斯阻力）：  P=3πμdpω（N）   （2）

  ω——塵粒與氣流在橫向的相對運(yùn)動速度，m/s。

  當(dāng)靜電力等于空氣阻力時，作用在塵粒上的外力之和等于零，塵粒在橫向作等速運(yùn)動，這時塵粒的運(yùn)動速度稱為驅(qū)進(jìn)速度。

  ω=qEj/3πμdp（m/s）                （3）

  將Ej簡化為除塵器電場平均強(qiáng)度Ep；由于荷電電場與驅(qū)進(jìn)電場為同一電場， E0也簡化為除塵器電場平均強(qiáng)度Ep ，則：ω與No近似正比，與Ep?2近似正比。

  荷電煙塵粒子的驅(qū)進(jìn)速度：

  對于dp≤0.2m的塵粒，上式應(yīng)進(jìn)行修正：

  ω= Kc qEj3πμdp（m/s）

  Kc——庫（肯）寧漢滑動修正系數(shù)。

  μ ——?dú)怏w的動力粘度，隨溫度的增加而增加，因此煙氣溫度增加時，塵粒的驅(qū)進(jìn)速度和除塵效率都會下降。

  Rec ——臨界雷諾數(shù)。層流，紊流（湍流）。

  No    1.1 ÷ 0.8 = 1.375      1.375 × 1.3 = 1.78

  ω     1.78 × 1.1378 = 2.0253

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    六、除塵效率

  除塵效率的計算

  要求出電除塵器的除塵效率需建立微分方程。但由于電除塵器的除塵效率與粉塵性質(zhì)、電場強(qiáng)度、氣流速度、氣體性質(zhì)及除塵器結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，要嚴(yán)格地從理論上推導(dǎo)除塵效率方程式是困難的，因此在推導(dǎo)過程中作以下假設(shè)：

  ①電除塵器橫斷面上有兩上區(qū)域，集塵極附近的層流邊界層和幾乎占有整個斷面的紊流區(qū)。

  ②塵粒運(yùn)動受紊流的控制，整個斷面上的濃度分布是均勻的。

  ③在邊界層塵粒具有垂直于避面的分速度ω。

  ④忽略電風(fēng)、氣流分布不均勻、二次揚(yáng)塵等因素的影響。

靜電除塵器除塵效率分析模型圖

  設(shè)氣體和粉塵在水平方向的流速為υ（m/s）；除塵器內(nèi)某一斷面上氣體含塵濃度為y（g/m3）；氣流運(yùn)動方向上每單位長度集塵面積為a（m2/m）；氣流運(yùn)動方向上除塵器的橫斷面積為F（m2）；電場長度為l（m）；塵粒的驅(qū)進(jìn)度為氣流運(yùn)動方向上除塵器的橫斷面積為F（m2）；電場長度為ｌ（m）；塵粒的驅(qū)進(jìn)速度為ω（m/s）。

  在dτ時間內(nèi)，在dχ空間捕集的粉塵量

  dm=α（dχ）ωdτy= -F（dx）dy

  把dχ=υdτ代入上式，則

  對上式兩邊進(jìn)行積分，

  式中y1——除塵器進(jìn)口處含塵濃度，g/m³；

  y2——除塵器出口處含塵濃度，g/m³。

  將Fυ=L、αι=A上式，則

  式中 L——除塵器處理風(fēng)量，m³/s；

  A——集塵極總的集塵面積，m²。

  則除塵效率為

  根據(jù)在一定的除塵器結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行條件下測得的總捕集效率值，代入德意希方程反算出相應(yīng)的驅(qū)進(jìn)速度值，稱為有效驅(qū)進(jìn)速度，用ωp 表示。 ωp實際上已成為一個把集塵極總面積和氣體處理量以外的各種影響捕集效率的因素包括在內(nèi)的參數(shù)。

  9.22 ÷ 4.61 = 2      9.22 ÷ 6 = 1.5367

  1.1 ÷ 0.8 = 1.375      1.375 × 1.3 = 1.78

1.78 × 1.1378 = 2.0253

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  七、臨界脈沖柔特性機(jī)理

  電場畸變形成動態(tài)臨界區(qū)

  電子崩的頭部集中著大部分的正離子和幾乎全部電子。原有均勻場強(qiáng)在電子崩前方和尾部處都增強(qiáng)了。

  1. 電子的遷移速度比正離子的要大兩個數(shù)量級，出現(xiàn)了大量的空間電荷，崩頭最前面集中著電子，其后直到尾部則是正離子，而其外形則好似球頭的錐體。

  2. 當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠程度后，空間電荷將使外電場明顯畸變，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾的電場而削弱了崩頭內(nèi)正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場。

  3. 崩頭前后，電場明顯增強(qiáng)，有利于發(fā)生分子和離子的激勵現(xiàn)象，當(dāng)它們從激勵狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)時，就將放射出光子。崩頭內(nèi)部正、負(fù)電荷區(qū)域之間電場大大削弱，則有助于發(fā)生復(fù)合過程，同樣也將發(fā)射出光子。

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  八、臨界脈沖電源高效節(jié)能和長期穩(wěn)定的本質(zhì)

  臨界脈沖（柔）特性

  ①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(nèi)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(diào)節(jié)動態(tài)適應(yīng)，使輸出電壓值穩(wěn)定位于火花始發(fā)點(diǎn)以下臨界區(qū)。

  ②無須大幅降壓或關(guān)斷以熄滅火花，連續(xù)輸出臨界電壓，可實現(xiàn)最理想的也是運(yùn)行中最高的場強(qiáng)（荷電場強(qiáng)、驅(qū)進(jìn)場強(qiáng)）。

  ③使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，空間自由電荷最多，荷電效率最高。

  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(shù)功率因數(shù)高。

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

  臨界脈沖電源的優(yōu)勢

  ①場強(qiáng)：平均輸出電壓越高，電場越強(qiáng)，則荷電場強(qiáng)和驅(qū)進(jìn)（集塵）場強(qiáng)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(nèi)的區(qū)域），可實現(xiàn)最理想的也是運(yùn)行中最高的場強(qiáng)。

  ②空間自由電荷：煙塵通過的空間，自由電荷越多，則核電概率越高，核電速度越快。使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，可實現(xiàn)空間自由電荷最多，荷電效率最高。

  ③抑制電暈封閉：高場強(qiáng)和高空間自由氣體離子密度，使電暈放電能力保持極高狀態(tài)，抑制電暈封閉。

  ④“Z”字型運(yùn)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，迅速再次荷電，利于集塵。有效拓寬捕集粉塵比電阻的范圍 （10?～2×1010Ω·cm→103～5×1013Ω·cm）

  抑制反電暈

  反電暈機(jī)理

  當(dāng)陽極板灰積到一定厚度時，比電阻高的灰在荷電后的負(fù)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(fù)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(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)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(nèi)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，則越有利于抑制反電暈。所謂“脈沖式供電有效抑制反電暈”，其實質(zhì)就是平均電流較小。

  解決方案：

  低電流

  1、平均再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。

  減少二次揚(yáng)塵

  振打時粉塵層對極板的吸引力大小，取決于當(dāng)時的供電電流大小，而不是電壓。

  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(diào)（如電磁振打）的情況下，可適當(dāng)降低振打力度，減少二次揚(yáng)塵；

  2、不必斷電或減壓振打，保持高場強(qiáng)集塵狀態(tài)，則有效抑制二次揚(yáng)塵。

  避免深度火花放電，減少因火花擊穿而造成的擾動二次揚(yáng)塵。

  大幅度節(jié)能

  臨界脈沖電源節(jié)能原理

  由于采用高頻技術(shù)功率因數(shù)高，并避免了火花放電所造成的能耗，實現(xiàn)了大幅度節(jié)能。

  火花放電，時間占比很小，但消耗能量巨大。避免火花放電，是節(jié)能的最大要因。  一、二電場，粉塵濃度高，粒徑較大，粉塵荷電用電量也相應(yīng)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，為實現(xiàn)較高場強(qiáng)，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，造成通過粉塵而傳導(dǎo)的電量就越大，形成浪費(fèi)?；鸹ǚ烹?，時間占比很小，但消耗能量巨大?；鸹ǚ烹娛及l(fā)點(diǎn)與電場介質(zhì)相關(guān)，粉塵濃度高，更易閃落，這也是造成“一、二電場輸入很高能量”的原因?！靶枰斎敫竽芰俊钡摹袄碚摗?，或以“能夠向電場輸入更大能量”為技術(shù)優(yōu)勢，不但不尊重電暈放電基本本質(zhì)，對國內(nèi)市場也造成了嚴(yán)重誤導(dǎo)。

  施工方式及工期

  施工方式：可利用檢修期施工，也可以在線施工。

  在線更換：采取單電源逐臺切換方式，每臺電源更換需要停電2h。

  無須拆除或移動任何原設(shè)備

  低壓電纜利舊

  施工期：3天/每條線。

  供貨期：約為10天。