静电除尘和电袋除尘技术研究对比分析(附案例)

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本文对静电除尘和电袋除尘这两种目前应用较为广泛的除尘技术进行了对比研究,对静电除尘及所用高频直流电源进行了详细阐述,就工作机理、除尘效率和节能效果等进行了分析研究,并给出了电袋除尘机理和优势,分析了其工作特点。根据华能汕头电厂采用的两种除尘方式的实际效果进行分析比较,得到其具有的不同优势。
燃煤火力发电是我国的主要电力供应模式,烟尘的排放会造成严重的环境污染。2012年1月1日起实施的国家标准GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的要求:2014年7月1日起现有火力发电锅炉烟尘排放浓度≤30mg/m3,重点地区≤20mg/m3。火力发电厂在竞争日益激励的市场经济条件下,不仅要考虑产出,也要考虑投入,以尽量少的资源投入和环境代价实现尽可能大的产出,切实做到节约发展、清洁发展、安全发展、可持续发展。高效节能的火力发电厂除尘设备已经直接影响到人民群众的日常生活,而且关乎到能源工业的可持续发展。本文详细分析了静电除尘和电袋除尘这两种主要除尘方式的优劣,并给出了应用实例加以分析。
1、静电除尘
静电除尘是在接有直流高压电的阴极与阳极板之间电场通过烟尘气体,电离烟尘气体。负电气体离子向阳板运动过程中与烟尘结合使其带负电向阳极运动并沉积于阳极板上。可控硅电源是比较传统的静电除尘方式,通过变压器将工频交流电升压然后半控整流,这种方式输出脉动较大,由于输出电压的峰值不能高于击穿电压,所以输出电压平均值比击穿电压低。
随着全控型功率器件的发展,尤其是高压大电流的IGBT快速发展,电除尘器高频电源得到极大发展,成为具有新一代优异性能的电除尘器供电装置。电除尘器高频电源采用逆变方式,可提供脉冲宽度为微秒级的电流脉冲给电除尘器供电,是开关频率高输出电压脉动小的直流电,输出电压平均值高于可控硅电源,具有更大的电场强度,更高的粒子荷电量和更高的除尘效率,可减少烟尘排放40%~70%,并且可减少电除尘器供电功率50%~80%。高频电源的火花控制特性好,在火花放电严重的场合,可控硅为半控功率器件,会缩小其导通角,使得电源输出功率下降,而高频电源在几个开关周期内能恢复供电,保证了输出功率。另外,高频电源根据电除尘器的工况可提供较为合适的输出电压;高频电源的效率通常能达到90%以上;高频电源由于采用高频变压器,具有体积小重量轻的特点,可高度集成,重量仅为工频电源的1/4;高频电源辅助设备少,安装方便,节省了费用;高频电源采用三相交流供电,无缺相损耗,对电网影响小。高频电源目前有两种形式,一种是PWM关高频电源,一种使用串联谐振电路实现软开关的高频电源。
串联谐振高频电源是将PWM移相控制与谐振变换控制相结合,通过两桥臂之间移相角的控制来调节输出电压,通过恒频控制实现功率开关管的零电压零电流软开关,大大减小了开关损耗和噪声干扰,实现较高的开关频率,并具有类似恒流源的特性,能有效抑制除尘电场火花的大电流冲击,并快速熄灭火花并恢复电场的能量。
串联谐振高频电源电路如图1所示。其中,Uc1为电容C1的端电压,由电网经三相全桥整流得到,Q1~Q4组成全桥逆变电路,Cr为谐振电容与变压器分布电容折合到变压器原边的等效电容,Lr为谐振电感与变压器漏感串联得到的等效电感。整个电路的谐振频:

当开关频率f与谐振频率fr相等时,得到最大谐振峰值电压,输出功率达到最大。

Q1与Q2的驱动信号相位相差180°,中间有死区;Q3和Q4之间相差也是180°,中间有死区。只有在Q1、Q4同时导通或Q2、Q3同时导通时,逆变器桥才能通过变压器向副边传递能量。通过改变移相角,就可以改变Q1、Q4及Q2、Q3的导通时间,通过调整这2组驱动信号脉冲之间的相位移θ,就可以改变输出功率。由于Q3和Q4相对于Q1和Q2先通断,所以Q3和Q4为超前臂,Q1和Q2为滞后臂。
仅通过高频变压器实现的电压抬升是不足以满足电除尘的电压等级要求,因此需要进行整流电路的电压抬升。为串级倍压整流电路。图2为变压器倍压整流电路,整流电路所用二极管一般为高压硅堆。

2、电袋除尘
除了静电除尘器外,布袋除尘器也是应用较为广泛的高效除尘器[2]。布袋除尘器的优点:除尘效率高,出口排放能达到30mg/Nm3左右;通过滤料提高处理细微烟尘的能力;适于净化带有火花的烟尘气体;除尘效率与运行时间成正比关系。布袋除尘器的缺点:运行阻力大,容易造成布袋堵塞,导致缩短使用寿命,因此需要吸风机;吸风机功率较大,能耗高;更换滤袋导致使用成本提高,增加了工作量;滤料和滤袋大多不能经受高温烟气。
将电除尘器与布袋除尘器结合起来的电袋除尘器能有效解决其局限性,如图3所示。电袋除尘器工作原理:烟尘气体在气流分布板的作用下均匀进入除尘器,电场使烟尘大部分带负电荷,并在电场力作用下向阳极移动并沉积于阳极板上,经过电除尘处理后含有少量烟尘的烟气少部分通过多孔板进入滤袋收尘区,其余大部分烟气向下部,然后由下而上进入布袋除尘区,烟尘被滞留在滤袋表面上,经过两次除尘的纯净烟气经提升阀进入烟道排出。电袋除尘提高了除尘效率,进一步降低了发电厂除尘成本。因此,电袋除尘器对于发电厂除尘器改造意义重大,而且和脱硫技术相结合可以提高脱硫效率。

电袋除尘方式相对其它方式有如下特点:
(1)电袋除尘器效率高且稳定。电袋复合除尘器发挥了布袋除尘器对烟尘特性适应范围广泛的特点,不再受烟气烟尘特性变化的影响,含尘烟气先经电除尘器除去大部分烟尘,再由布袋除尘器除去烟气中残余的微细烟尘,即弥补了电除尘器除微细烟尘效果不高的缺陷,又降低了布袋除尘器的压力,提高了烟尘的净化效率。
(2)与纯布袋除尘器相比,在运行过程中电袋除尘器运行阻力低,由于前方静电除尘器,大部分烟尘在到达布袋除尘器以前已被清除,袋除尘烟尘负荷低,压力损失小,并且荷电烟尘改变了滤袋粉饼结构,烟尘之间排列蓬松有序、透气性好,使滤袋阻力变小,因而可以选择较长的清灰周期和较低的喷吹压力。
(3)电袋除尘器运维费用低,电袋复合除尘器结构紧凑,电除尘单元除去了大部分的烟尘,大幅降低了滤袋负荷,因而可以选择较高的过滤风速,滤袋除尘区中,滤袋数量少,减少了布袋收尘部分的成本和延长了滤袋的使用寿命,从而降低了滤袋的更换维护费用。降低了运行阻力并节省了引风机的电耗。清灰周期比一般除尘器大幅延长,节省压缩空气消耗量,减少空压机的电耗费用。
3、应用实例
以华能汕头电厂除尘改造作为实例对电袋除尘与采用高频电源的静电除尘进行比较。华能汕头电厂#1、#2机组炉除尘器原配套两台双室四电场卧式除尘器,设计除尘效率≥99.2%,极板型式为大C型板,极线型式全部为螺旋线,出口设槽极板,振打方式全部采用侧部饶臂锤振打;其一、二、三、四电场高压供电和整流变压器;工程于1995年底通过168h满负荷试运,1996年完成性能考核试验工作。为了实现节能减排,采用电袋除尘方式进行除尘改造,电袋除尘器方案阴阳极振打方式为顶部电磁振打。华能汕头电厂#3机组为600MW机组,机组采用两台静电除尘器,每台除尘器为二通道四电场结构,以机组负荷的测量值作为闭环反馈控制信号。本体及电控系统设备均由福建龙净生产,机组于2005年09月投入运行。为了实现节能减排,改造工程对电除尘器第一和第二电场工频整流电源进行改造,更换为高频高压电源,同时对振打及加热控制系统整合,通过改造以达到降低除尘器耗电率、降低烟尘排放的目的。具体数据如表1所示。从表中,可以得到电袋除尘在除尘效率和漏风率上优于静电除尘,静电除尘在风阻和节能方面优于电袋除尘。

4、结束语
本文重点分析了静电除尘和电袋复合除尘两种除尘方式的工作机理、除尘效果。说明了在静电除尘方式中,高频电源相对传统可控硅电源的优势,给出了其电路结构和工作机理。给出了电袋复合式除尘方式相对其它方式的特点。通过华能汕头电厂的两种除尘改造的应用实例加以分析,对比得到了两种除尘方式的优缺点。