摘要：超低排放下电除尘器面临的问题众多，需要通过低低温电除尘器、高压电源选型和经济性评估进行优化。低低温电除尘器是指烟气温度降至酸露点附近运行的电除尘器，当电除尘器温度由120~150℃降至80~110℃时，出口排放质量浓度可下降20%~40%。为电除尘器运行供电的有高频电源、三相电源和脉冲电源三种，工程测试证明三相电源适合高粉尘负荷，高频电源在匹配良好条件下可实现较好的提效效果，而脉冲电源需更多地针对细颗粒物和高比电阻粉尘进行研究。同时电除尘器应在运行条件、电源选型等优化且满足排放要求的前提下，应通过运行优化调整试验及系统优化控制，合理降低运行电耗。
0引言
电除尘至今已有100多年的历史。1883年OliverJ.Lodge首先提出了电除尘器概念并参与设计了第1台处理含铅烟气的商用电除尘器。直到1907年，第1台真正意义上的商用电除尘器才由美国人CottrellFG安装并成功投产。自此，电除尘器得到大范围推广和高速发展。随之而来的，是对电除尘的理论研究。1911年，W.W.Strong率先开始了理论工作。1922年，Deutsch[4-5]在Anderson[6]的工作基础上推导出电除尘效率的理论公式即多依奇公式，成为电除尘的理论基础。为使电除尘理论更贴近实际，Robinson、Cooperman、Leonard、Cooperman、Zhao、Riehle、GutiérrezOrtiz、Lin、Zhu等相应提出修正的多依奇公式。尽管如此，目前没有一个公式可完全准确的预测实际电除尘器效率。
中国的电除尘历史相对较短，第1台电除尘器于1936年安装，20世纪50年代前，总共不超过60台，且主要从原苏联和东德引进。20世纪60年代以后，我国电除尘技术得以逐步发展，并取得了瞩目的成绩，但日益严格的环保要求也给电除尘技术带来了新的挑战和机遇。目前，常见的新型电除尘技术有湿式静电除尘]、电袋除尘、低低温电除尘等。
本文主要研究了低低温电除尘器对除尘效果的优化作用，并比较了高频电源、三相电源和脉冲电源在不同条件下对电除尘器运行的影响，为电除尘器系统优化和不同场景下运行条件的选择提供了参考和理论依据。
1超低排放工业应用现状
《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)要求燃煤电厂烟尘排放限值提高至30mg/m3；重点区域烟尘特别排放限值为20mg/m3。2014年的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》更明确要求或鼓励各地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度达到或接近燃气轮机组排放限值，即在基准氧体积分数为6%的条件下，烟气中烟尘排放浓度不高于10mg/m3。为实现烟尘达标排放并满足“十二五”总量控制要求，应对燃煤电厂锅炉除尘系统的运行优化和改造方案深入研究。
烟尘控制系统的优化运行目的有3个：(1)提高除尘效率以保证烟尘排放浓度满足超低排放要求；(2)在满足排放要求前提下降低运行电耗；(3)满足以上2点要求时继续进行其他优化，如提高自动控制和管理水平、减少运行维护费用等。
图1为典型燃煤锅炉后端大气污染物排放控制系统流程图，一般烟气自燃煤锅炉排出后，先后经过脱硝装置、烟气冷却器（fluegascooler,FGC）、干式除尘装置、脱硫装置、湿式除尘装置和烟气再热器(fluegasreheater,FGR)，最后自烟囱排出。燃煤机组烟尘排放的影响因素众多，包括烟尘特性（如主要成分、粒径分布和比电阻等）；燃煤特性（如灰分、硫分、水分和发热量等）；烟气特性（如烟气量、烟气温度、成分和含湿量等）；锅炉的燃烧方式和效率；前端脱硝装置的运行状况，特别是SO3的转换排放状况和氨逃逸状况；干、湿除尘装置的效率及脱硫装置效果]等。干式电除尘(dryelectrostaticsprecipitation,DESP，简称电除尘器)装置是图中灰色除尘装置部分的主要设备形式，本文所述烟尘排放控制系统运行的优化主要围绕干式电除尘器展开。
超低排放下电除尘器面临的问题众多，如表1所示。其中重点研究内容可归结为：低低温电除尘器应用、高压电源及其控制和技术经济性评估。
2低低温电除尘器
低低温电除尘器是指电除尘器前安装烟气换热器并将烟气温度降至烟气酸露点温度以下运行的电除尘器。该电除尘器可通过改善以下运行条件提高效率和降低烟尘排放：降低烟气温度，并减少烟气量和烟尘比电阻；提高电场击穿电压，从而增加电除尘器的运行电压和场强；降温形成液滴的SO3等可实现类似的烟气调质效果。
图2为8套350~1000MW燃煤机组在电除尘器前端配有低温省煤器的排放浓度图。图中，圆点为比收尘面积与烟尘排放浓度的关系；方框点为温度与排放浓度关系；圆点和方框点有对应关系，因此在同一幅图中表达；箭头表示数值所在坐标轴。其中5组数据分别测试了低温省煤器运行前后的烟尘排放浓度，除尘器出口排放浓度整体呈随运行温度降低而减少的趋势。
用于对比的5台机组中，低温省煤器投运前后温度降低约29~40℃。省煤器投运后，除尘器出口排放浓度下降值为7~39mg/m3，除尘效率相对提高18%~46%左右。烟气温度的变化也会带来比收尘面积（即总收尘面积(单位为m2)与烟气流量（单位为m3/s）的比值）的改变，如图2圆点所示温度下降可使比收尘面积提高7~12s/m。综上所述，收尘效率的提高可能为比收尘面积增加、流速和粉尘比电阻降低等联合作用的结果。
表2汇总了3种烟气温度下，电除尘器进出口SO3浓度变化情况。110℃下，除尘器进出口SO3浓度均较低，浓度值相近；90℃下，除尘器出口SO3浓度较入口降低约15%，表明在电除尘器内SO3存在转化和被粉尘吸附的过程。SO3在颗粒物表面的吸附除能够减少后续设备内部结露引起的腐蚀外，还能对粉尘进行调质并降低其比电阻。
3电除尘器高压电源
电除尘器高压电源优化运行的核心是根据电除尘器的电场和电源种类，针对烟气条件(燃煤、负荷及机组运行情况等)调整各台高压电源的运行模式和参数(电压、电流、间隙比、脉冲比、频率等)。
3.1高频电源
高频电源将三相工频输入电源整流成直流，经逆变电路逆变成10kHz以上的高频交流电流，然后通过高频变压器升压，经高频整流器进行整流滤波，形成几十kHz的高频脉动电流供给电除尘器电场。高频电源在纯直流供电方式下，二次电压纹波系数<3%，可以提供近乎无波动的直流输出，使电除尘器能在近击穿电压下运行。因此，其平均电压较常规工频电源提高约25%~30%，电晕电流则可提高1倍，进而增加了电晕功率。
高频电源在间歇脉冲供电方式下运行时，脉冲宽度为几十μs到几ms，通过窄脉冲作用能够有效克服高比电阻粉尘的反电晕问题。此外，高频电源一般重量轻、体积小、结构紧凑、三相负载对称，功率因数较高[。但使高频电源高效运行的前提条件是其容量和电压等级必须匹配，当容量不足时，运行参数必然难以满足除尘要求。
图3为在1套600MW机组中高频电源供电的电除尘器运行效果。该电除尘器有A、B两个电场，每个电场分左右室。图中，实心图标为二次电流值，空心图标为粉尘浓度，上下两点分别为进出口浓度，箭头表示数值所在坐标轴（图5同）。由图3可见，基本上各电场中电压均可运行在45~60kV范围内，对应的二次电流为400~1100mA。比集尘面积为85.46~89.29s/m的除尘效率大致为99.79%~99.82%，出口浓度为40.20~44.64mg/m3。
另外，还进行了多组不同容量高频电源的电除尘实验，烟尘排放浓度基本为30~40mg/m3，个别电除尘器甚至与改造前排放浓度差异不大。目前，也有部分低低温电除尘器在燃煤较好（灰分低）且电除尘器高频电源选型匹配较好（电除尘器小分区、高频电源容量较匹配）的情况下烟尘排放浓度达到20mg/m3左右。因此，目前高频电源首先要解决好选型匹配问题。
3.2三相电源
三相工频高压电源（简称三相电源）采用三相380V/50Hz交流输入，各相电压、电流、磁通的大小相等，相位依次相差120°。通过三路6个可控硅反并联调压，经三相变压器升压整流，从而对电除尘器供电。
三相电源电网供电平衡，无缺相损耗，功率因数高，可以减少初级电流，设备效率较常规电源高，相电流小，容易实现超大功率输出。三相电源输出电压的纹波系数较小，二次平均电压高，较常规工频电源可提高20%以上，输出电流大且三相供电平衡，对于需要提高运行电流的除尘器具有明显的提效能力。
图4为A、B两套160MW机组中，三相电源供电除尘器运行效果。A、B机组电除尘器入口温度分别为95、100℃，比收尘面积分别为127、124s/m。最终电除尘器效率约99.87%，A、B机组的电除尘器出口浓度分别为25.43、27.14mg/m3，低于30mg/m3的限值。
对多套机组进行测试表明，正常选取三相电源可有效提高电除尘器高压运行参数，提供更大的供电功率，对提高除尘效率更为有利，可控制电除尘器出口浓度<30mg/m3。由于三相电源在电场闪络时火花强度大、封锁时间长，因此需要更加先进的电源控制技术和抗干扰技术予以辅助。
3.3脉冲电源及其他电源
脉冲高压电源常见实现形式是一个直流电源和一个脉冲高压电源相叠加，多采用脉冲宽度≤100μs的窄脉冲电压波形叠加于基础直流高压上，瞬间形成一个高压脉冲供给电除尘器电场，脉冲电源峰值电压远高于电除尘器在使用常规电源供电时的击穿电压。
脉冲电源优点在于高效节能，脉冲部分负责粉尘荷电，直流部分维持起晕电压。由于脉冲电源输出平均电流较小，还能够减轻粉尘层电荷积累，减少反电晕的发生因此脉冲电源对煤中和粉尘适用性好，更利于高比电阻粉尘捕集。如图5所示，对300MW机组的2台电除尘器进行脉冲电源改造，在第2、3、4电场增设脉冲电源供电，A、B的比收尘面积分别为103.9、102.5s/m，脉冲电源运行电压和电流基本维持在50kV和120~160A左右。最终除尘效率约为99.68%，A、B机组的电除尘器出口浓度分别为46.97、50.40mg/m3（烟尘浓度比原工频电源供电降低约30%）。图5中，实心图标为二次电
流值，空心叉图标为脉冲二次电流值，空心图标为粉尘浓度，上下两点分别为进出口浓度。
脉冲高压电源适用于高比电阻粉尘和微细粉尘的后级电场改造[24]。目前在国内步开始在电除尘器改造工程上应用，其改造效果和主要影响因素还有待于进一步应用研究。
此外，在1套280MW机组上进行了智能变频高压电源的测试，其比收尘面积为84.03~89.08s/m，入口粉尘浓度为24g/m3，出口粉尘浓度则高达84.34mg/m3。此种改造缺乏明确依据，很难有效实
现低排放的目标。
综上所述，电除尘器要到到合理控制烟尘排放浓度的目标，需要根据各个电场的典型煤种、不同负荷及吹灰等运行情况，进行高压电源及其运行控制参数的选取。对于高粉尘浓度的烟气，目前选取三相电源可以提高电场的工作电压和荷电电流；当电源和电除尘器本体匹配工作能够有效完成时，高频电源可发挥较好的提效效果；脉冲电源对高比电阻粉尘和微细粉尘有明显的捕集作用，应加快其工业应用和稳定运行的研究。
4电除尘器节能
电除尘器需要消耗电能来向颗粒物荷电并促使颗粒物向极板驱进，提高颗粒物捕集效率不仅要求提高除尘器配套的电源效率，还要求提高电源整体功率。目前超低排放要求下，电除尘器的能耗不断提高，与节能趋势产生矛盾。因此，协调统一超低排放和节能要求、不断降低能耗是燃煤电厂和电除尘行业唯一的生存之路。
电除尘器节能需要通过系统优化，在保证超低排放要求的前提下，尽可能降低运行能耗（包括电耗和气耗等），以达到最佳的节能效果。首先应根据燃煤电厂实际情况，考量如燃煤、机组负荷、脱硝、锅炉等运行变化对电除尘器影响，制定科学、经济、可靠的技术路线。并掌握电耗和烟尘排放关系，进行综合研究和优化试验。
图6为在电除尘器电耗相同（电耗约1460kW，各电场二次电流约1200mA）情况下，电除尘器在400、500和660MW机组负荷下进行效率测试。3种负荷下的烟气量分别为2291675、2834460和3076772m3/h，对应的出口浓度依次为19.83、24.43和32.50mg/m3。由此可见，随着机组负荷的减小，电除尘器进口烟气量随之降低，除尘效率进一步增加。
而在锅炉负荷均为660MW的情况下，分别测试了电耗为1463kW和1980kW下电除尘器的效率，结果分别为99.811%和99.865%。随着电除尘器电耗增加，二次电压和电流均有所提高，电场内粉尘的荷电、迁移效果均得到增强，因此使除尘效率提高。
在此基础上，将工况条件下电除尘器处理单位含尘烟气量所需的总电耗定义为比电耗，其计算式为
5结论
各种新型电源和低低温电除尘器技术为电除尘器提效提供了较好的新技术和设备。在超低排放的严格要求下，电除尘器除尘效果不仅取决于其自身设计和运行状况，还受燃煤、锅炉和脱硝装置运行状况的影响，因此应认真、系统研究目前状态下电除尘器的提效影响因素及应用中的问题，进一步优化设计、提高运行水平，在满足烟尘排放的前提下降低运行电耗。
1）低低温除尘器能通过降低烟气温度，进而提高除尘效率，减少烟尘排放。
2）高压电源的选择需根据具体的烟气条件。高频电源在容量和电压等级匹配下，能有效提升除尘效果；三相电源能输出大功率，但较适合于高粉尘负荷条件；脉冲电源高效节能，更适用于高比阻粉尘。高频电源、三相电源和脉冲脉冲电源都有适用范围。
3）根据具体的工况和运行条件，系统需进一步优化控制，在保证效率的基础上尽量降低电耗。
原标题：电除尘器在超低排放下的系统运行优化
