摘要：电源对于电除尘器中颗粒物荷电、能效有效利用至关重要，关系到电除尘器的收尘效率，高频电源和脉冲电源相对于传统的工频电源具有比较大的优势，在水泥工业颗粒物（PM）排放指标收严的背景下，对水泥熟料线窑头配套电除尘器实施“前电场高频电源+后电场脉冲电源的组合技术”为主，烟气调质、入口预除尘改造，及各级电场预荷电+微网捕集器等辅助手段的组合提效改造技术的原理分析和应用案例分析，通过理论计算和结果分析，为行业提升整治措施提供参考。
电除尘器由于具有处理烟气量大、运行可靠性高、操作简单、维护费用低、设备使用寿命长等特点，在我国水泥行业具有广泛的应用市场。根据《浙江省生态环境厅关于执行国家排放标准大气污染物特别排放限值的通告》（浙环发[2 019]14号）的颁布实施，要求自2020年7月1日起，水泥行业颗粒物（PM）排放浓度不高于20 mg/Nm3。由于水泥厂配置的电除尘器一般仅有三电场，响应特别排放限值排放标准的容错率低，直接扩容改造成四电场、五电场，场地受限、工程量较大、造价也高，如何充分利用现有场地和设施提升除尘效率、降低颗粒物排放浓度，是水泥厂面临的直接难题。
近几年，高压电源技术有了突破性的发展，高频电源、脉冲电源等多种高效电源产品的顺利研发与成功应用，为电除尘器提效改造提供了新的途径和方法。但在实践中，单一的电源使用仍具有一定的局限性。根据燃煤电厂电除尘器的改造经验，充分利用高频电源、脉冲电源的功能特性，可将高频电源、脉冲电源在前、后电场有效组合应用作为一种新的电源提效改造方案，既能降低颗粒物排放、满足达标排放，同时也能节约改造费用、节省改造时间，从而实现提效减费的目的。本文以此为主导，对进一步提升除尘效率开展了多技术有效的组合运用，供同行参考。
1 电除尘器提效改造原理
电除尘器除尘效率一般采用修正后的多依奇效率公式来计算。
2 组合提效改造技术路线
要实施电除尘器提效改造，宜将影响除尘效率的各因子充分调整到最佳组合，可以采用多技术组合使用，主要思路包括：（1）从宏观层面，通过物理性预除尘降低各电场入口PM浓度，提升整体除尘效率；（2）从粒径影响除尘效率角度，通过增湿烟气调质使微细PM凝结成较大的粒子，PM粒径增大，提高驱进速度，提升各级电场和整个电除尘器的除尘效率；（3）从电场强度影响除尘效率角度，可以通过高压电源提升输入电场的均值电压和峰值电压来实现；（4）从各级电场入口PM浓度呈级数降低和节约能源角度，通过前电场高频电源+后电场脉冲电源的角度，实现能效的有效配置。
上述各项技术组合改造路线如图1所示。
3 提效改造案例分析
3.1 提效改造要求
某水泥厂窑头配套电除尘器为三电场干式电除尘器，原除尘器设计出口PM浓度＜50 mg/Nm3，已不能满足现阶段PM浓度＜20 mg/Nm3的排放要求，需实施提效改造，做到达标排放。
3.2 具体实施方案说明
3.2.1 电源部分改造
电源部分改造主要采用：前电场布置高频电源+后电场布置脉冲电源。通过双电源系统实现前电场在高电压下强放电，后电场在高电压下的弱放电。
（1）针对前电场PM粒径大、浓度高、易发生火花闪络等特点，利用高频电源提高前电场的平均电压、供电功率，增加前电场的二次电压及二次电流，使粉尘充分荷电。具体方法为：采用三相交流输入整流为直流电源，经逆变为高频交流，最后整流输出直流高压，直流供电时其二次电压波形几乎为一条直线，提供了几乎无波动的直流输出。通过提高二次电压平均值，提高粉尘驱进速度，使得前电场粉尘能够充分荷电并被收集下来，大幅提升除尘效率。高频电源可在几十微秒内关断输出，在很短的时间内使火花熄灭，以毫秒级恢复全功率供电，如图2和图3所示，平均输出高压无下降。
（2）针对后电场PM粒径小、浓度低、不易发生火花闪络的特点，实际运行中的情况通常是二次电流大、二次电压无法提升到足够的高电压，而后电场的微细粉尘的捕集，需要更大的电场强度才能有效捕集，因此利用脉冲电源提高后电场的峰值电场，进而使微细颗粒物被充分收集。
脉冲电源在基础电源上叠加极窄的高压脉冲电压，二次电压和二次电流独立控制。叠加的脉冲电源提供微秒级瞬间高压能量，由于脉冲电压的上升以及持续时间很短，虽然瞬时总电压提升很高，但供电前期间隔保持较低的电荷密度，维持了电场的绝缘，不会形成闪络通道，有效抑制了火花闪络，峰值电压接近电场击穿电压，脉冲电源瞬时高压使电晕放电全面均匀，避免了反电晕的产生，可有效提高粉尘荷电效率和荷电量，大幅提高微细粉尘的捕集能力，除尘效率显著提高，符合弱电流下的高电压低排放要求。
相对于传统直流供电，高压脉冲电源供电脉冲电压上升时间极短，提高了电场击穿电压，电场能获得几倍于传统直流电源的峰值电压，利于粉尘粒子荷电提高除尘效率。此外，针对常规直流电源电流用于对PM荷电以及在频繁的火花放电过程中形成浪费，脉冲电源仅在脉冲输出时才产生电流，脉冲宽度窄，电场中离子流和电子流间歇脉动，电场无火花，如图4所示。
（3）电源改造说明：拆除顶部一、二电场的工频变压器和高压隔离开关；拆除配电室内一、二电场用工频电源控制柜内控制器及辅控回路、可控硅等，保留母排、断路器等，增加小母排将工频电源控制柜改造成高频电源。拆除顶部三电场的工频变压器和高压隔离开关；拆除配电室内三电场用工频电源控制柜内控制器及辅控回路、可控硅等，保留母排、断路器等，增加小母排将工频电源控制柜改造成高频+脉冲电源配电柜。动力电缆改造部分：利旧，将原工频电源动力电缆改造成满足高频电源、高频+脉冲电源三相供电的需求。新增信号电缆，高频电源和高频+脉冲电源到DCS的控制电缆、信号电缆，将改造后电源的开关量信号（运行信号、准备好信号、综合报警信号、启动/停止信号）和模拟量信号（二次电压、二次电流）接入主生产系统DCS。
3.2.2 烟气调质
烟气调质主要有两方面的作用：一是通过喷射蒸汽进行烟气调质，降低粉尘比电阻，提高除尘效率；二是因为湿度增加可以使微细颗粒物凝结，提高颗粒物驱进速度，提升除尘效率。
烟气调质改造说明：在余热锅炉出口省煤器集箱取热水，通过闪蒸罐将带压热水闪蒸为低压蒸汽，产生的低压蒸汽经过闪蒸器汽水分离后喷入电场入口烟道水平混合联箱内。为避免喷入到电除尘器入口的蒸汽带水，导致粉尘结块，增加一台闪蒸罐。从省煤器出口集箱接出的热水，由于带有一定温度和压力，进入到闪蒸罐后压力迅速降低，热水闪蒸为蒸汽状态。闪蒸罐内的蒸汽通过罐顶的蒸汽管道接入蒸汽喷射装置，闪蒸罐内少量未蒸发的水分通过底部的接口接入连排管道。通过电动阀控制烟气调质系统的开关，通过手动阀调节蒸汽流量。烟气调质改造如图5所示。
3.2.3 入口预收尘改造
在进口烟箱均布板前部增设一层C型内涡迷宫预收尘装置，收集粗颗粒粉尘，降低入口PM浓度，提高预收尘效果。同时起到气流均布作用，避免电场入口截面中下部粉尘浓度过高，速度过大。
3.2.4 预荷电+微网捕集器改造
根据除尘效率公式（1），从宏观角度出发，通过对各电场入口PM浓度进行物理捕集可以降低各级电场入口PM浓度，提升综合除尘效率。而且配置简单，仅需在除尘器进出口及各电场之间安装微孔金属网。
预荷电改造主要是配合各级微网捕集器使用，提升微网捕集器的捕集效率。一电场的入口前增设预荷电装置，使粉尘在进入电场前就带上电荷，提高整个电场的收尘效率；在三电场末端增设预荷电装置，使PM在进入微网捕集装置之前带上电荷，提高微尘捕集能力，减少二次扬尘。
3.2.5 其他改造
对阴极线、阳极板及电除尘器内部各部件积灰情况检查，对积灰严重部位作进一步分析，采取改进措施。阳极板矫正，并进行加固处理，调整间距和同极距。阴极线全部更换为新型芒刺线，调校变形的阴极大、小框架，调整极间距（同极、异极）包括非电场间距。调整阳极振打同轴度，阳极振打轴进行解体检修，更换磨损的阴极阳极振打耐磨套、螺栓，对所有的阳极振打锤进行更换。阴极振打系统：调整振打器工作中心，检查振打杆露出长度、垂直度、同轴度。壳体常规检查修复：检查各人孔门和保温箱的漏风、密封材料的老化、锁紧螺栓等，更换损坏密封材料，检查烟道、烟箱、壳体、灰斗等有无漏风漏灰并处理。
3.3 改造前后参数对比
某5 000 t/d水泥熟料线窑头电除尘器改造前后主要参数对比见表1。
3.4 提效估算和测试结果分析
1）改造前除尘效率η
改造前电除尘器PM进口浓度≤30 g/Nm3，出口浓度≤50 mg/Nm3。除尘效率为：
η=1-50/30 000=99.83%
2）改造后除尘效率η'
参照既往成功改造经验，依方案实施改造后，可提高粉尘驱进速度，预计改造后驱进速度提高20%~30%左右，改造后按提升下限比集尘面积20%计算。根据公式（1），改造后除尘效率：
结果表明：改造后除尘效果稳定；除尘效率达99.96%，出口PM排放浓度测试值全面低于20 mg/Nm3，通过高效电源的应用组合，并结合增加预荷电+微网捕尘装置，入口预收尘装置，均化气流分布，阳极板、阴极线及振打装置调整等，满足了改造目标要求。
4 结论与建议
依据影响除尘器除尘效率的主要因素，主要采用“前电场高频电源+后电场脉冲电源”技术，配合烟气调质、除尘器入口预收尘装置，各级电场预荷电+微网捕集器等技术的组合使用，从宏观和微观方面全面提升除尘效率，充分挖掘现有电除尘器的潜力，提升除尘效率。结合具体实例，从原理和方法两方面展开论述，结合理论计算和实测结果分析，组合提效改造技术除尘效果稳定，颗粒物排放浓度可稳定在20 mg/Nm3以下，为水泥厂窑头电除尘器实现提标改造提供参考。
作者单位：浙江南方水泥有限公司，浙江省生态环境科学设计研究院
