20151029《高频电源在钢铁烧结机尾除尘的应用》

1/7高频电源在钢铁烧结机尾除尘的应用吴华明摘要：通过分析高频电源原理与特点，以及在烧结机尾电除尘器的应用情况，说明钢铁行业烧结机尾除尘使用高频电源可实现粉尘浓度长期、稳定低排放（出口含尘浓度≤30mg/Nm3），达到国家2012年新出台的《钢铁工业、球团工业大气污染物排放标准》新要求，为日后钢铁行业烧结机尾电除尘器的电源选择，或是老除尘设备的提效改造，提供借鉴意义。关键词：钢铁行业烧结机尾电除尘器高频电源低排放30mg/Nm3一、引言近几年来，我国工业取得了高速发展，同时带来的空气污染也日益严重，越来越多的城市出现大面积的雾霾天气，严重影响到人们的日常生活。钢铁工业是污染大户，因此引起了国家环保部门的高度重视，为控制钢铁企业空气污染，2012年国家环保部门针对钢铁工业出台了新的排放标准要求。根据《GB28662-2012钢铁工业、球团工业大气污染物排放标准》的规定，烧结机机尾、带式焙烧机机尾及其它生产设备，自2012年10月1日起，将执行颗粒物新的排放标准，将颗粒物排放限值从早期的100mg/Nm3、50mg/Nm3，降低至30mg/Nm3。新标准的执行将对钢铁行业烧结机尾等环境电除尘器带来巨大挑战，由于烧结机尾等环境除尘烟气中含尘浓度较高（高时达30g/Nm3以上），粉尘细，现有电除尘器所配的常规的单相工频电源因其转换效率低（一般在70%以下），电压、电流平均值与峰值差异较大，电场电晕功率低，除尘效率提高受到很大限制。因此，常规工频电源要达到≤30mg/Nm3的粉尘排放相当困难。鉴于此，迫切需要寻求一种高效电源以实现粉尘排放到达新标准的要求。本文通过高频电源原理与特点的分析，并结合实际工程应用效果，来说明高频电源应用于钢铁行业烧结机尾电除尘器实现低排放的可行性。二、烧结机尾除尘特点与电源现状：钢铁厂烧结机尾卸料端的除尘（简称烧结机尾除尘），机尾卸料端包括机尾卸矿处、单辊破碎、热筛、冷却设备的受料、卸料点。这些部位所产生的粉尘量较高，且受烧结2/7工艺、吸尘点断面风速等因素的影响，粉尘浓度波动很大。现有数据表明，机尾除尘入口烟气粉尘浓度一般在20g/Nm3左右，高时能达到34g/Nm3以上；粉尘颗粒细，小于10微米以下的粉尘占7%至50%不等；烟气平均温度为60～160℃；粉尘比电阻在109～1011Ω˙cm之间。当前，电除尘器以其处理烟气量大、效率高、阻力低、运行维护成本低、寿命长等优点，相对布袋除尘器得到市场更多的青睐，但电除尘器的除尘效率受影响的因素较多，其中供电电源性能最为关键，其性能好坏直接影响到电除尘器效率的高低。根据电除尘多依奇公式可知，对于同一台电除尘器本体，在烟气工况相同的情况下，粉尘的驱进速度越大，除尘效率越高。而驱进速度与电场平均电压与峰值电压成正比，即电场电压越高，除尘效率也越高。因此，为获得更高的除尘效率，选择一种更能提高电场运行电压的电源至关重要。当前用于电除尘上的电源种类较多，主要有可控硅调压单相电源、三相电源，还有恒流电源，高频电源，脉冲电源等。一直以来，因早期环保要求不高（一般能满足100mg/Nm3以下即可），同时考虑到投资的经济性，机尾除尘电源几乎全为可控硅调压单相工频电源。随着环保标准的提高，加之机尾除尘入口浓度较高，粉尘较细，采用工频电源往往电流较低，电压不高，除尘效率很难有大的提升，粉尘排放达到50mg/Nm3尚且能基本满足，但要达到30mg/Nm3以下的排放要求，工频电源则很难实现。鉴于此，为大力提高机尾电除尘器除尘效率，以满足日益严格的环保排放标准要求，讨论研究推广一种高效电源用于机尾除尘很有必要。三、高频电源与提高除尘效率原理(一)高频电源原理与特点高频电源工作原理如下图1所示，380V三相交流电源，经整流器整流成直流电源后，再通过全桥串并联谐振电路逆变成高频交流（其工作频率可达到40KHz），之后经过高频变压升压与高频整流器整流，输出0～80KV的直流高压电源至电除尘器电场。其特点主要有：1、高源电源输出电压高、电流大、频率高，能大幅提高除尘效率，通常能提高除3/7尘效率达30%以上，有时能达到70%。2、效率高电耗小，相比工频电源节电20%以上。高频电源的功率因素大于0.9，转换效率在90%以上，而工频电源效率一般不到70%。3、高频电源为三相电源，相对单相工频电源对电网影响很小，无缺相损耗，对电网不会造成污染，属于绿色电源。4、高频电源变压器与控制柜为一体式，体积小、重量轻，不到工频电源三分之一。图1：高频电源原理框图(二)提高除尘效率原理高源电源输出电压高、电流大、频率高，能大幅提高除尘效率，通常能提高除尘效率达30%以上，有时能达到70%。其提高除尘效率的原因主要有三：第一，高频电源纹波系数很小，输出电压波形近似一条直线，因此大大提高了电除尘器的运行平均电压和电流，可有效抑制电晕封闭的发生，非常适合于比电阻较适中的粉尘和粉尘浓度较高的烟气工况。高频电源直流供电波形如下图2所示。图2直流供电二次电压波形图3间歇供电二次电压波形4/7由电除尘理论可知：AQ11fee－ωωη2/pAVVV（上式中：η—除尘效率；A—收尘极板面积；Q—烟气量；f—比集尘面积，ω—粉尘驱进速度；E—尘粒所处的电场强度；μ—滞粘系数；k—系数；a—尘粒半径；β—常数；Vp—二次电压峰值；VAV—二次电压平均值。）从上述公式可知，电除尘器除尘效率与电压峰值与平均值乘积成正比，因此，对于同一台除尘器，在烟气工况不变的情况下，电场运行电压峰值与电压平均值越高，电除尘器效率越高。高频电源工作时的谐振频率一般在30至40KHz之间，纹波系数小于3%，在直流供电的模式下，它的二次电压波形近似一条直线，因此在同一个火花闪络点，高频电源输出直流平均电压比工频电源平均电压要高出许多（大约在30％），从而大大提高了运行电压和电流，提高了除尘效率。如下图4所示。图4高频电源与工频电源电压电流对比图在出现电除尘器因入口烟尘浓度过大造成电晕封闭时，常规工频电源提高二次电流非常困难，但采用高频电源则很容易将运行电流提高一倍以上，如此就有效抑制了电晕封闭的发生，提高了除尘效率。第二，高频电源可有效抑制反电晕发生，提高高比电阻粉尘的除尘效率。众所周知，高比电阻粉尘因释放电荷缓慢，极易因此发生发电晕，造成二次飞扬严重，除尘效率下降。而抑制反电晕的有效方法之一就是采用间歇供电，并选择合适的占空比。因高频电源工作频率在30KHz至40KHz之间，相对于工作频率为50Hz的常规工频电源，其歇供电时开通与关断时间可调范围大很多，脉冲宽度更窄、脉冲频率选择范围更宽、电压上升率5/7更陡峭，因此更加有效抑制反电晕的发生，从而提高了高比电阻粉尘的除尘效率。间歇供电波形如图3所示。第三，高频电源串并联混和谐振逆变器具有良好的恒流特性，因此可以有效抑制电流的大幅波动，以及电场火花电流的冲击，并能快速熄灭火花，迅速恢复电场电压，从而使电场能够获更高的电晕功率，提高除尘效率。综上所述，高频电源的性能特点毫无疑问能更好地适应电除尘器粉尘入口浓度大与比电阻高的工况，能有效解决电晕封闭和克服反电晕现象，使除尘器效率更能得到保证。四、高频电源在机尾除尘的应用情况(一)设备概况安徽芜湖新兴铸管有限公司一期265m2烧结工程，配套240m2双室四电场电除尘器，设备于2012年5月份投运。电除尘器有关设计参数如下表1：表1：电除尘器设计参数序号项目规格型号/参数单位1处理烟气量740000m3/h2烟气温度≤120℃3入口含尘浓度≤25g/Nm34出口含尘浓度≤30mg/Nm35漏风率≤2%6电场断面积240m27室数2个8电场数量4个9同极间距400mm10驱进速度7.68cm/s11总收尘面积19180m212烟气流速0.86m/s13比收尘面积93.3m2/m3/s14阳极板型式C型4806/715阴极线型式齿芒刺线16阳极振打型式侧部底部振打17阴极振打型式侧部上下两层振打18阳极吊挂形式自由悬吊式19高频电源8台19.1型号规格GGYAj-1.0A/80KV19.2变换器形式全桥串并联混合谐振19.3谐振频率30kHz～40kHz19.4变换器效率≥0.9219.5运行方式纯直流供电、间歇脉冲供电19.6输出直流电压调节范围40～100%额定值19.7电流调节范围20～100%额定值(二)运行情况机尾电除尘设备自2012年5月投运至今已有三年时间，电场运行电压电流稳定，除尘效率高，粉尘排放一直很平稳，电除尘出口粉尘排放浓度近三年的测试结果均在30mg/Nm3以下，如下表2：表2：机尾电除尘运行电压电流与排放浓度时间电场二次电压（KV）二次电流（mA）粉尘排放浓度（mg/Nm3）2013年4月3日左室一电场61.823428.2左室二电场62.6320左室三电场63.6452左室四电场72.5538右室一电场59.6317右室二电场72.3736右室三电场73.5815右室四电场75.38602014年4月8日左室一电场62.729420.7左室二电场63.83907/7左室三电场64.7522左室四电场73.7625右室一电场60.5367右室二电场72.9785右室三电场73.3845右室四电场75.68702015年4月2日左室一电场62.328126.3左室二电场63.2370左室三电场64.3502左室四电场73.1588右室一电场60.2347右室二电场72.7772右室三电场73.0831右室四电场75.3855从上表可以看出，设备投运的三年来，电除尘器运行电压比较稳定，一直保持在60～75.3KV之间；除尘效率良好，出口粉尘排放浓度在20.7～28.2mg/Nm3之间。五、结语高频电源功率因素高、效率高，输出电晕电流电压高，用于钢铁行业烧结机尾电除尘器供电电源，可实现出口粉尘浓度小于30mg/Nm3的长期、稳定低排放要求。鉴于此优点，高频电源可在钢铁烧结机尾除尘提效改造上大力推扩应用。参考文献：1、黎在时《电除尘器的选型安装和运行管理》中国电力出版社20052、陈颖、郭俊等《电除尘器高频电源的提效节能应用》中国环保产业3、《GB28662-2012钢铁工业、球团工业大气污染物排放标准》4、吴红奎《IGBT基础与应用实务》科学出版社