高频高压电源在湿式电除尘器的应用

董 力（中国节能减排有限公司，北京 100011）

高频高压电源在湿式电除尘器的应用

董 力
（中国节能减排有限公司，北京 100011）

湿式电除尘器为燃煤污染物排放的终端精处理装备，以其为核心的烟气协同治理技术是燃煤电厂实现超低排放的主要技术路线之一。高频高压电源是新一代电除尘器供电电源，供电性能优越，并且满足湿式电除尘器技术特点对于供电电源的要求。分析了高频高压电源应用于柔性阳极湿式电除尘器的工程实例，表明其可以实现燃煤电厂烟尘的达标排放和超低排放。

高频高压电源；湿式电除尘器；柔性阳极；超低排放

1　引言

在大气环境污染异常严峻的形势下，为进一步降低燃煤污染物排放，2015年12月2日，国务院常务会议决定在全国燃煤电厂实施超低排放，即燃煤发电机组排放达到或基本达到燃气轮机组标准排放限值，SO2、NOx、烟尘的排放浓度不超过35mg/Nm3、50mg/Nm3、10或5mg/Nm3。2015年12月11日，环境保护部、国家发展改革委、国家能源局联合印发了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求到2020年全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放、全国有条件的新建燃煤发电机组达到超低排放水平。燃煤电厂污染物排放控制工作提升到了前所未有的高度，火电行业承受着巨大的减排压力。

湿式电除尘器不受烟尘比电阻影响，可有效捕集其它烟气治理设备捕集效率较低的污染物以及复合污染物，如细微颗粒物（PM2.5烟尘、SO3酸雾及气溶胶等）、重金属（Hg、As、Se、Pb、Cr等）、有机复合污染物（多环芳烃、二英等），尤其是可以高效脱除湿法脱硫后烟气中携带的石膏液滴和经过SCR脱硝后生成的SO3气溶胶颗粒，从而消除烟囱“石膏雨”和烟气的“蓝烟”现象［1、2］。湿式电除尘器可以实现其它烟气治理设备难以达到的极低的烟尘排放限值，如＜5mg/Nm3，甚至＜3mg/Nm3［3］，已逐渐被作为高效除尘及污染物协同治理的终端精处理装备得到越来越广泛的应用。

高频高压电源是电除尘领域一项先进的电源技术，具有输出功率大、工况适应性好、高效节能、火花控制特性好、结构紧凑、三相负荷平衡等技术优势，在电力、冶金、焦化、水泥、造纸等各个行业得到广泛应用，取得了良好的节能减排效果。高频高压电源与湿式电除尘器的配套应用，是燃煤电厂实现超低排放的重要技术方案之一。

2　湿式电除尘器及柔性阳极湿式电除尘器的特点

2.1湿式电除尘器工作原理及电场特点

湿式电除尘器的工作原理与干式电除尘器类似，其除尘过程主要分为四个阶段：气体的电离、烟尘荷电、荷电烟尘的捕集、清灰。不同的是，湿式电除尘器里的水雾使烟尘凝并，水雾与烟尘在电场力的作用下一起荷电，一起被捕集，收集到集尘极板上的水雾形成水膜，水膜使极板清灰，保持极板洁净［4］。由于水雾的存在，水的电阻相对较小，水雾与烟尘结合后，使高比电阻烟尘的比电阻下降，因此湿式电除尘器的工作状态更加稳定。

湿式电除尘器工作原理如图1所示。

图1　湿式电除尘器工作原理

湿式电除尘器安装在电厂湿法脱硫装置与烟囱之间，是燃煤烟气治理的终端装备，其内部电场具有以下特点：

（1）处理的烟气含尘量较低，约为10～100mg/Nm3不等，电场接近于空载。

（2）处理的烟气来自湿法脱硫装置出口，烟气温度低、湿度大、烟尘颗粒粒径小。丰富的水雾使电场等效电阻相对较低，从而运行电压较低（一般运行电压为40～45kV左右），电晕电流较大。

（3）烟气中的SO3在205℃以下时，与水反应形成H2SO4亚微米颗粒、雾滴等，对电极腐蚀较大。

依据湿式电除尘器的工作原理及电场特点，应用于湿式电除尘器的高压供电电源应具备以下能力：

（1）根据电除尘器除尘效率相关理论，提高烟尘的驱进速度可以提高除尘效率；烟尘驱进速度正比于电场输入电压平均值与输入电压峰值的乘积［5］。在相同的电场工况下，高压供电电源向电场内输出更高的二次电压，可提高除尘效率。

（2）电火花闪络会造成灼伤电极、引起电极腐蚀、影响水膜形成和清灰等问题。高压供电电源应能够精确控制火花，减少火花产生的几率；产生火花时，应能控制、减小火花能量，降低对电极的破坏。

（3）湿式电除尘器长期运行后，电极易出现变形。高压供电电源在电极变形后，应仍然能够维持较高二次电压和二次电流。

（4）湿式电除尘器电场内电流密度较大，二次电流可能接近高压供电电源的额定值。高压供电电源须具备长期满载运行的能力，可靠性、稳定性高。

（5）电能转化效率高，电耗尽量低。

2.2柔性阳极湿式电除尘器的技术特点

柔性阳极湿式电除尘器最早由美国俄亥俄州州立大学联合多家公司开发，以纤维膜代替金属极板作为集尘极，在美国建设有一个应用于燃油锅炉的工程案例［6］，因存在阳极固定等技术问题，并未得到广泛应用。国内山东神华山大能源环境有限公司与山东大学联合研发，以丙纶和涤纶纤维织布作为集尘极，并攻克了柔性阳极湿式电除尘器在大型火电机组工程应用的相关技术难题，形成了具有完全自主知识产权的技术体系。柔性阳极湿式电除尘器在国内得到推广应用，已具有在多台大型燃煤发电机组多年稳定运行的业绩，成为湿式电除尘的主流技术之一。

柔性阳极湿式电除尘器烟尘捕集和清灰的原理是用作阳极材料的绝缘柔性纤维织布经喷淋系统水冲洗后，水流通过纤维毛细作用，在阳极表面形成一层均匀水膜，水膜和被浸湿的纤维织布共同作为集尘极。收集的烟尘在水膜的作用下靠重量自流向下而与烟气分离，极小部分烟尘和水雾附着在阴极线上形成小液滴靠重力自流向下。收集物落入集液槽，经管道外排［4］。

柔性阳极湿式电除尘器具有以下主要技术特点：

（1）柔性阳极材质为绝缘有机合成纤维织布，成本更低；耐腐蚀性强，可在饱和湿烟气环境长期运行。

在实验室模拟湿法脱硫后高湿、强酸烟气环境，测试柔性阳极胀破强度等机械性能指标，历经5年多的实验，柔性阳极强度稳定。实验结果如图2所示。

图2　模拟烟气环境下柔性阳极机械性能

（2）相对于金属阳极表面张力特性易形成水膜不均和枝丫流，柔性阳极利用纤维结构的毛细现象，使液滴对阳极布有很好的浸润，运行过程中形成“全表面”均匀水膜，降低了阳极结垢的风险。

金属阳极、柔性阳极表面水膜流动示意如图3所示；液滴在柔性阳极表面的浸润如图4所示［7］。

图3　金属阳极、柔性阳极表面水膜流动示意图

图4　液滴在柔性阳极表面浸润过程

（3）无需连续使用中性冲洗水保护，运行过程中间歇冲洗，水耗很小；出口雾滴含量低。

（4）无竞争荷电现象，有效保障除尘效率。

（5）无循环水、废水处理系统，无碱洗系统，运行维护简单、可靠、工作量少。

（6）模块化设计，布置方式灵活，可实现阳极单片更换。

3　高频高压电源工作原理及特点

3.1高频高压电源的工作原理

高频高压电源基于现代电力电子技术，采用大功率高频开关将输入的三相工频电流经过整流、逆变成为20kHz以上的高频交流电流，然后通过高频变压器升压，再经高频整流器整流滤波，形成直流或窄脉冲等各种电压波形供给电除尘器内部电场。

高频高压电源系统主要包括整流模块、逆变模块、升压变压器、控制器及冷却系统等，其原理如图5所示［1、4］。

图5　高频高压电源原理图

3.2高频高压电源的技术特点

高频高压电源具有以下主要技术特点：

（1）运用高频变频技术将50Hz工频电流逆变为几万Hz的高频电流，输出电压不受工频正弦半波“暂下降”现象影响，输出的二次电压波形接近稳定平滑，电压峰值、谷值和平均值基本相等；因此既能减少二次电压峰值引起火花闪络的频率，又可提高二次电压平均值和电晕功率。供给电场内的平均电压比工频高压电源提高25%～30%，电晕电流可提高一倍［1、4］，大大提高烟尘荷电量，提高了除尘效率。

高频高压电源与工频高压电源的二次电压波形如图6所示。

图6　高压电源二次电压波形

（2）输出频率为几万Hz，输出的脉冲周期为数十μs；火花检测和关断时间为数十μs，火花恢复时间约为10ms。而工频高压电源输出频率为100Hz，输出的脉冲周期为10ms；火花检测和关断时间约为10ms，火花恢复时间约为60ms。在电场内发生火花闪络时，相对于工频高压电源具有更高灵敏度的闪络判断、更短的闪络恢复时间以及极短的脉冲供电周期；因此火花能量很低，电场能量的损耗很小，减轻了对电极的冲击，降低了火花闪络引起电极腐蚀的风险。特别是在湿式电除尘器电场中，这种特点既可有效延长电极寿命，同时能够提高输出电压的持续性，提高除尘效率。

（3）功率因数一般约为0.95，高频变压器转换效率约为93%，而工频高压电源功率因数一般小于0.8，变压器转换效率为64%～70%；输入采用三相供电，相对单相工频高压电源，电源作为负荷三相平衡，因此，具有更好的节能降耗效果。普遍具备脉冲供电模式，作为间歇供电方式，在反电晕工况下，不仅能有效提升除尘效率，同时能大幅节省电能。

（4）体积小，重量轻，控制柜和变压器一体化，并直接安装于电除尘器顶部，节省了电缆。不单独使用高压控制柜，减少了控制室的面积，降低了基建的工程量。

（5）在国内燃煤电厂电除尘器和湿式电除尘器广泛应用有不到10年的时间，以其稳定、可靠的性能和优异的除尘、节能效果迅速占领市场，成为工频高压电源的技术换代产品。应用于湿式电除尘器，在国内已有几十台1000MW级燃煤机组的业绩，具备了长期满载运行的能力。

综上所述，相对于传统的工频高压电源，高频高压电源具有在相同工况时向电除尘器内部电场输入更高的电压和更大的能量，火花控制性能好、减少灼伤电极的风险，高效节能，可长期满载运行，建设及维护成本低等诸多技术优势，并且完全符合湿式电除尘器电场特点对于高压供电电源的要求。

4　高频高压电源应用于柔性阳极湿式电除尘器的工程实例

高频高压电源作为柔性阳极湿式电除尘器的供电电源，已运行的工程业绩有国电集团江西某电厂350MW燃煤发电机组1台（A机组）、神华集团安徽某电厂330MW燃煤发电机组4台（以其中#1机组为例，B机组），均实现了良好的大气污染物减排效果。

4.1A机组湿式电除尘器应用效果

A机组湿式电除尘器布置在石灰石-石膏湿法脱硫装置后，主要设计参数如表1所示［8］。

表1　A机组湿式电除尘器设计参数

A机组于2015年6月投运，并通过了第三方检测机构的性能测试，排放指标符合设计要求，目前运行稳定。

A机组运行参数如表2所示［9］。

表2　A机组湿式电除尘器运行参数

4.2B机组湿式电除尘器应用效果

B机组湿式电除尘器布置在石灰石-石膏湿法脱硫装置后，主要设计参数如表3所示［10］。

表3　B机组湿式电除尘器设计参数

B机组于2015年12月投运并通过了性能测试，其运行参数如表4所示［11］，在85%机组负荷的情况下，实现了烟尘小于1mg/m3的近零排放。

表4　B机组湿式电除尘器运行参数

5　结论

（1）高频高压电源基于现代电力电子技术，供电性能优越、控制灵活、结构紧凑，是传统工频高压电源的技术换代产品。

（2）高频高压电源符合湿式电除尘器内部电场特点对于高压供电电源的要求，在燃煤电厂湿式电除尘器工程实施中逐渐得到应用和推广。

（3）高频高压电源与柔性阳极湿式电除尘器配套应用，能达到燃煤电厂烟尘排放的国家标准，可实现烟尘超低排放乃至＜3mg/Nm3的近零排放。

［1］ 中国环境保护产业协会电除尘委员会.电除尘器选型设计指导书［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［2］ 陈招妹，王剑波，姚宇平，等.湿式电除尘器在燃煤电厂WFGD后的应用［C］.第十五届中国电除尘学术会议论文集，2013：35-39.

［3］ 王树民，宋畅，陈寅彪，等.燃煤电厂大气污染物“近零排放”技术研究及工程应用［J］.环境科学研究，2015（4）：487-494.

［4］ 中国环境保护产业协会电除尘委员会.燃煤电厂烟气超低排放技术［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［5］ 郝吉明，马大广，王书肖.大气污染控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［6］ David J.Bayless，Liming Shi，Gregory Kremer，et al. Membrane-Based Wet Electrostatic Precipitation［J］.Journal of the Air&Waste Management Association， 2005（6）：784-791.

［7］ 常景彩，董勇，陈鹏，等.丙纶和涤纶集尘极表面的液滴浸入扩散动力学特征［J］.复合材料学报，2011（10）：197-205.

［8］ 山东神华山大能源环境有限公司.国电集团江西某电厂电除尘器减排改造项目湿式电除尘改造施工图［Z］. 2014.

［9］ 国网江西省电力科学研究院.国电集团江西某电厂湿式电除尘器性能测试报告（HH-201506-6013-0002）［R］. 2015.

［10］ 山东神华山大能源环境有限公司.神华集团安徽某电厂增设湿式电除尘器改造项目施工图［Z］. 2015.

［11］ 山东唯真测试分析有限公司.神华集团安徽某电厂湿式电除尘器废气检测报告（SDWZ-2015305）［R］. 2015.

Application of High-Frequency and High-Voltage Power Supply in Flexible Anode Wet Electrostatic Precipitator

DONG Li
（China Energy Conservation and Emission Reduction Co.， Ltd， Beijing 100011， China）

The high-frequency and high-voltage power supply is a new generation power supply of the electrostatic precipitator， its power supply capability shows superiority and meets the power supply requirement of technical characteristic of wet electrostatic precipitator. The paper analyzes the engineering example of high-frequency and high-voltage power supply which is used in the flexible anode wet electrostatic precipitator. The paper shows that the high-frequency and high-voltage power supply can realize the compliance with the standard emission and ultra-low emission of the smoke dust in the coal-fired power plant.

high-frequency and high-voltage power supply； wet electrostatic precipitator； flexible anode； ultra-low emission

X701

A

1006-5377（2016）08-0060-05