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静电除尘临界 微 脉冲电源技术及应用 静电除尘最高效最节能电源 临界 微 脉冲电源技术及应用案例简介 2020年3月10日 提纲 四 雾霾全国分布与钢铁产能分布对比示意图 主要雾霾地区工业产品产量占全国比重 雾霾天气原因 空气中细颗粒物PM2 5浓度高大部分雾霾地区产业以电力 钢铁 建材 水泥等重工业为主对于这些区域 今后政府部门会严格控制新增钢铁产能 加强监管环保设施建设和运行 环境保护部 2013年 钢铁主要产能集聚区的京津冀 长三角平均达标天数分别为37 5 64 2 PM2 5重度污染以上的天数占全年的比例分别高达19 6 74个城市PM2 5重度污染以上的天数占全年的比例高达8 环境承载能力的限制和压力 二 事业背景 减排 在我国能源消费结构中 煤炭占68 5 石油占比17 7 水能7 1 天然气4 7 核能占0 8 其他占1 2 2012年 我国消耗了占全世界近一半的煤炭 火电则燃烧了全国一半的电煤 实现雾霾治理 减少温室气体排放 中国必须从源头煤炭抓起 工业排放主要由火电厂产生 为此国家发布了 火电厂大气污染物排放标准 GB13223 2011 此标准从2014年7月1日开始执行 要求一般地区排放的烟尘浓度 30mg Nm3 国家环保部发布第14号公告 要求自2014年7月1日起 重点控制区47个城市主城区的燃煤机组执行特别排放限值 烟尘排放指标为20mg m3 GB13223 2011 2015年12月2日国务院常务会议决定 全面实施燃煤电厂超低排放的改造和节能改造 要求到2020年火电煤耗下降到燃煤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 排放的烟尘浓度 5mg Nm3 超低排放 一些企业甚至提出火电厂排放的烟尘浓度 1mg Nm3 近零排放 二 事业背景 节能 2012年我国一次能源消费量36 2亿吨标煤 消耗全世界20 的能源 单位GDP能耗是世界平均水平的2 5倍 美国的3 3倍 日本的7倍 同时高于巴西 墨西哥等发展中国家 中国能源消耗高 能效极低 中国工程院院士 原能源部副部长陆佑楣 节能减排 十二五 规划 要求 十二五 节能减排目标 到2015年实现单位国内生产总值能耗比2010年下降16 降低单位GDP能耗 降低厂用电率 直接经济效益 工频电源功率因数低 能耗较高 而近年 为减排达标 很多电厂采用 高频电源 或 三相电源 取代 工频电源 进行提效改造 但 减排模式下的高频 三相电源 比工频电源更耗电30 100 国家发改委 环保部 国家能源局联合印发 煤电节能减排升级与改造行动计划 2014 2020年 要求 到2020年 现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗将低于310克 千瓦时 其中现役60万千瓦及以上机组 除空冷机组外 改造后平均供电煤耗低于300克 千瓦时 新建燃煤发电项目100万千瓦级湿冷 空冷机组设计供电煤耗分别不高于282 299克 千瓦时 60万千瓦级湿冷 空冷机组分别不高于285 302克 千瓦时 占厂用电0 4 0 6 三 除尘方式的选择 除尘 静电式 布袋式 电袋式 三 除尘方式的选择 静电除尘 布袋 电袋除尘 三 除尘方式的选择 除尘方式对比 三 除尘方式的选择 除尘电耗对比 600MW机组 三 除尘方式的选择 除尘运行维护费用对比 600MW机组 三 除尘方式的选择 除尘技术方案的对比 三 除尘方式的选择 最佳除尘方案 20mg Nm3 5mg Nm3 最高效 最节能 最环保 最廉价 最简便 四 除尘电源类型 静电除尘 除尘电源 四 除尘电源类型 单相电源 三相电源 高频电源 包括恒流源 脉冲电源 临界脉冲电源 工频电源 工频电源 高频电源 高频电源 双频电源 软稳电源 高频电源 四 除尘电源类型 选择电源要素 保持长期稳定高效 消除电腐蚀 高度集成一体化结构 体积小 重量轻 安装方便 节省空间 辅助资材设备少 全自动化集控 操控便捷 易维护 费用低 与振打及DCS系统的接口 协调 标准通道协议 除尘能力强 运行电耗低 适应不同灰质 比电阻范围宽 三相平衡 无缺相损耗 抗高低温 高湿 低压能力强 安全运行 四 除尘电源类型 除尘电源的进化 工频电源 两个国际首创除尘电源理论 一 国际首次提出 空间自由离子密度 对除尘效率的影响高于场强的理论 并进行了量化 电场气体放电在 二次电子崩 和 流注初期 状态 空间自由离子密度 才能最大化 最利于粉尘荷电 二 国际首次提出 临界区 的概念 并进行了量化 火花放电临界电压是一个区域 并不是单独的点构成的曲线 临界脉冲电源定义并利用这个区域进行控制 实现了电源在最佳除尘区内工作 五 除尘电源创新理论 临界脉冲电源主电路图 临界柔性模块 六 产品系列及性能 临界脉冲电源的三大卓越性能 1 比工频电源减排70 以上 同时节能30 60 2 比高频和三相电源减排40 以上 同时节能60 在确保比高频和三相电源减排效果高出25 以上的前提下 节能40 80 3 极大程度避免电腐蚀 使本体性能长期稳定高效运行 减少维护量 延长使用寿命 六 产品系列及性能 临界脉冲系列 LM 15kW 300mA 100kV LM 30kW 600mA 100kV LM 50kW 1000mA 100kV LM 75kW 1500mA 100kV 外形尺寸 1650 900 2200 mm 重量 850 kg 临界脉冲电源 七 静电除尘机理 七 静电除尘机理 电除尘器工作原理示意1 电晕极 2 电子 3 离子 4 粒子 5 集尘极 6 供电装置 7 电晕区 1 粉尘粒子荷电 2 荷电粒子驱进和积尘 3 收尘 电子崩 自由电子 附着电负性气体 气体负离子 形成空间电流 电晕电流 电晕外区 电晕外区 电晕区 七 静电除尘机理 七 静电除尘机理 1 荷电效率 气体电离和电晕放电 2 驱进场强 3 电晕闭锁 4 反电晕 5 Z 字运动 6 二次扬尘 振打 火花 断电降压 1 阴极线 2 阳极板 3 极配 4 集尘面积 5 壳体漏风 6 分区大小 7 均风 8 烟气量或烟气流速 9 烟温 10 湿度 11 飞灰成分 12 粉尘粒度 13 气体成分 固有因素 影响除尘效率的要素 能动因素 7 电腐蚀 粒子荷电方式 八 荷电效率 电场荷电 八 荷电效率 a 粒径大于1 0 m左右的较大粒子在电场中被极化 引起电场局部变形 电力线被粒子遮断 b 粒子荷电后形成的电场与外加电场方向相反 产生斥力 使粒子附近的电力线变形 这时粒子只能从电场的较小部分接受电荷 荷电速率相应减慢 c 粒子继续荷电后 面向离子流来一侧进入粒子的电力线继续减少 最终荷电粒子本身产生的电场和外加的电场正好平衡 粒子上的电荷达到饱和状态 电场荷电 八 荷电效率 饱和荷电量 式中dp 粒径 m Eo 荷电场强 V m o 真空介电常数 8 85 10 12 F mC N m2 p 粒子的相对介电系数 导电材料 p 绝缘材料 p 1 金属氧化物 p 12 18 石英 p 4 0 电场荷电 八 荷电效率 瞬时荷电量 式中to 电场荷电时间常数 即荷电率qt qs 50 的荷电时间 由下式确定 设qt为粒子经时间t后的瞬时荷电量 qt qs即为粒子的荷电率 它与荷电时间t的关系为 No 电晕场中带电离子的 数量 密度 个 m3 e 基础电荷1 6021892 1019 C Ki 离子迁移率 m2 V s 式中Ki0 标态 TN 273KPN 1 013 105Pa时的离子迁移率 电场荷电 八 荷电效率 瞬时荷电量 Eo 荷电场强No 电晕场中带电离子的数量密度 扩散荷电 八 荷电效率 扩散荷电 是离子做不规则热运动和粒子相碰的结果 是小于0 2 m粒子的主要荷电机制 怀特 White 导出不考虑电场影响的扩散荷电电量计算公式为 k 波尔兹曼常数 1 38 10 23J K T 气体温度 K m 离子质量 kg t 时间 s 瞬时荷电量 No 电晕场中带电离子的数量密度 电场荷电 扩散荷电 八 荷电效率 瞬时荷电量 Eo 荷电场强No 电晕场中带电离子的 数量 密度 八 荷电效率 电晕放电 火花放电 1 时间占比极小 但耗能巨大 2 电腐蚀 除尘效率衰减 本体寿命缩短 3 搅动 二次扬尘 4 形成能量窄通道 极大程度降低空间自由离子密度 火花放电副作用 初始电子崩 电离室 P 270mmHg E 10 5kv cm a和b的时间隔为1 10 7s电子崩在空气中的发展速度约为1 25 107cm s 电子崩及流注放电 八 荷电效率 新出现的电离特强的放电区域称为流注 它迅速由阳极向阴极发展 故称为正流注 流注的发展速度较同样条件下电子崩的发展速度要大一个数量级 1 2 108cm s 初始电子崩转变为流注的瞬间P 273mmHg E 12kv cm 阳极流注发展过程 电子崩及流注放电 八 荷电效率 负流注的产生和发展 电子崩及流注放电 八 荷电效率 正流注的产生和发展 电子崩及流注放电 八 荷电效率 八 荷电效率 空气放电特性 临界微脉冲 使工作点保持在空气放电特性曲线的最高点及其的右侧很小的区域内 体现 可变内阻 特性 即 限能 抑制流注生长 避免产生火花放电 同时 储能 以保持高电压 脉冲提高火花临界电压的机理与局限 电场击穿电压与激励电压波形的关系 左图是空气放电典型的伏 安特性 影响空气放电伏 安特性的有空气的温度 湿度 气压 流速等 同时空气放电也与加在电场的激励电压波形有关 空气击穿与加载电压的波形有关 左图曲线1 5的脉宽t1 t2 t3 t4 t5 窄脉冲的电源电场击穿电压高 宽脉冲的电源电场击穿电压低 当供电电源采用1 10us脉冲供电时 电场击穿电压是常规直流电压的1 5 2倍 八 荷电效率 脉冲提高火花临界电压和空间气体离子密度的机理 八 荷电效率 基础电压的极限 U kV t Uf kV 八 荷电效率 脉冲提高火花临界电压的机理与局限 八 荷电效率 临界脉冲电源与进口脉冲电源比较 荷电尘粒在电场内受到静电力 库仑力 F qEj N 1 Ej 集尘极周围电场强度 V m 尘粒在电场内作横向运动时 要受到空气的阻力 当Rec 1时 空气阻力 斯托克斯阻力 P 3 dp N 2 尘粒与气流在横向的相对运动速度 m s 当静电力等于空气阻力时 作用在尘粒上的外力之和等于零 尘粒在横向作等速运动 这时尘粒的运动速度称为驱进速度 qEj 3 dp m s 3 将Ej简化为除尘器电场平均强度Ep 由于荷电电场与驱进电场为同一电场 E0也简化为除尘器电场平均强度Ep 则 与No近似正比 与Ep2近似正比 九 驱进速度 荷电烟尘粒子的驱进速度 对于dp 0 2 m的尘粒 上式应进行修正 KcqEj 3 dp m s 4 Kc 库 肯 宁汉滑动修正系数 气体的动力粘度 随温度的增加而增加 因此烟气温度增加时 尘粒的驱进速度和除尘效率都会下降 Rec 临界雷诺数 层流 紊流 湍流 九 驱进速度 九 驱进速度 1 78 1 1378 2 0253 1 1 0 8 1 3751 375 1 3 1 78 No 近似值 要求出电除尘器的除尘效率需建立微分方程 但由于电除尘器的除尘效率与粉尘性质 电场强度 气流速度 气体性质及除尘器结构等因素有关 要严格地从理论上推导除尘效率方程式是困难的 因此在推导过程中作以下假设 电除尘器横断面上有两上区域 集尘极附近的层流边界层和几乎占有整个断面的紊流区 尘粒运动受紊流的控制 整个断面上的浓度分布是均匀的 在边界层尘粒具有垂直于避面的分速度 忽略电风 气流分布不均匀 二次扬尘等因素的影响 十 除尘效率 除尘效率的计算 静电除尘器除尘效率分析模型图 设气体和粉尘在水平方向的流速为 m s 除尘器内某一断面上气体含尘浓度为y g m3 气流运动方向上每单位长度集尘面积为a m2 m 气流运动方向上除尘器的横断面积为F m2 电场长度为l m 尘粒的驱进度为气流运动方向上除尘器的横断面积为F m2 电场长度为 m 尘粒的驱进速度为 m s 在d 时间内 在d 空间捕集的粉尘量dm d d y F dx dy 1 把d d 代入上式 则对上式两边进行积分 式中y1 除尘器进口处含尘浓度 g m3 y2 除尘器出口处含尘浓度 g m3 将F L A上式 则 十 除尘效率 除尘效率的计算 式中L 除尘器处理风量 m3 s A 集尘极总的集尘面积 m2 则除尘效率为根据在一定的除尘器结构形式和运行条件下测得的总捕集效率值 代入德意希方程反算出相应的驱进速度值 称为有效驱进速度 用 p表示 p实际上已成为一个把集尘极总面积和气体处理量以外的各种影响捕集效率的因素包括在内的参数 十 除尘效率 除尘效率的计算 十 除尘效率 除尘效率的计算 9 22 4 61 29 22 6 1 5367 1 78 1 1378 2 0253 1 1 0 8 1 3751 375 1 3 1 78 十一 临界脉冲柔特性机理 空气放电特性 最理想电源 一般除尘电源将有效电压控制在红线附近 电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子 原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了 电场畸变形成动态临界区 十一 临界脉冲柔特性机理 1 电子的迁移速度比正离子的要大两个数量级 出现了大量的空间电荷 崩头最前面集中着电子 其后直到尾部则是正离子 而其外形则好似球头的锥体 2 当电子崩发展到足够程度后 空间电荷将使外电场明显畸变 大大加强了崩头及崩尾的电场而削弱了崩头内正 负电荷区域之间的电场 3 崩头前后 电场明显增强 有利于发生分子和离子的激励现象 当它们从激励状态回复到正常状态时 就将放射出光子 崩头内部正 负电荷区域之间电场大大削弱 则有助于发生复合过程 同样也将发射出光子 平板电极间电子崩空间电荷对外电场的畸变 电场畸变形成动态临界区 十一 临界脉冲柔特性机理 电源内阻与气体放电特性 工作点 U kV I A 上翘电源 恒压电源 低阻电源 变阻电源 恒流电源 高阻电源 十一 临界脉冲柔特性机理 高频 三相电源控制机理 火花控制 U kV t Uf kV 十一 临界脉冲柔特性机理 高频 三相电源控制机理 火花控制 t 十一 临界脉冲柔特性机理 U kV 高频 三相电源控制机理 火花控制 t 十一 临界脉冲柔特性机理 U kV 火花频率增加 平均有效电压略有提高 U t Uf kV 十一 临界脉冲柔特性机理 火花放电电压 火花放电临界区 电源输出电压 60 kV 67 kV 临界脉冲电源从能量梯度控制入手 具有 硬件储能与限能 和 微脉冲 式供电特性 输出的电压随着工况 电场内温度 湿度 压力 粉尘浓度 粒度 比电阻以及市电波动 的变化 自动调节动态适应 使输出电压值稳定位于火花始发点以下临界区 无须大幅降压或关断以熄灭火花 连续输出临界电压 可实现最理想的也是运行中最高的场强 荷电场强 驱进场强 使电场保持在 二次电子崩 与 流注初期 状态 空间自由电荷最多 荷电效率最高 十一 临界脉冲柔特性机理 临界脉冲电源与高频 三相电源比较 临界区 临界脉冲电源从能量梯度控制入手 具有 硬件储能与限能 和 微脉冲 式供电特性 输出的电压随着工况 电场内温度 湿度 压力 粉尘浓度 粒度 比电阻以及市电波动 的变化 自动调节动态适应 使输出电压值稳定位于火花始发点以下临界区场强 无须大幅降压或关断以熄灭火花 连续输出临界电压 可实现最理想的也是运行中最高的场强 荷电场强 驱进场强 有效场强 最大化 空间自由离子密度 使电场保持在 二次电子崩 与 流注初期 状态 空间自由电荷最多 荷电效率最高 空间自由离子密度 最大化 抑制电晕闭锁 高场强和高空间自由气体离子密度 使电晕放电能力保持极高状态而且 由于电流较小 减少了同量大颗粒粉尘的多余荷电量 抑制电晕封闭 抑制 Z 字型运动 低比电阻粉尘易于释放电荷 离开极板后 由于空间自由气体离子密度高 迅速再次荷电 利于集尘 抑制反电晕 避免火花放电 全贯穿火花放电和局部火花放电 实现高电压低电流运行 使粉尘达到最佳荷电率 降低了粉尘层在极板上的电荷积累 有效抑制反电晕 拓宽捕集粉尘比电阻的范围 10 1010 cm 103 1013 cm 抑制二次扬尘 小电流供电 降低了粉尘层对极板的吸引力 易振打脱落 在振打力度可调 如电磁振打 的情况下 可适当降低振打力度 减少二次扬尘 不必断电或减压振打 保持高场强集尘状态 有效抑制二次扬尘 避免深度火花放电 减少因火花击穿而造成的扰动二次扬尘 大幅度节能 由于避免了火花放电所造成的能耗 并采用高频技术功率因数高 实现了更大幅度的节能 消除电腐蚀 由于 临界脉冲电源 技术在供电过程极大程度避免了火花放电状态 所以极大程度消除了电腐蚀 从而保证了除尘器本体包括极线 极板长期处于高效稳定运行状态 十二 临界脉冲电源技术要点 反电晕机理当阳极板灰积到一定厚度时 比电阻高的灰在荷电后的负离子向除尘器阳极板趋近过程中 其荷电不容易释放到阳极板 负离子逐渐积累到阳极板表面 与阳极板形成类似电容的电场 这个电场将抵消主电场 降低除尘效果 如果电场强度进一步加强后 这个电场将局部击穿激发出反向正离子向阴极线迁移 造成除尘器电流增大 但消耗的电能没有起到吸尘作用 这种现象就是反电晕现象 振打周期内集尘层所带的电荷是动态的 取决于释放到阳极的电量与重新荷电电量的差值 供电电流越小 则越有利于抑制反电晕 所谓 脉冲式供电有效抑制反电晕 其实质就是平均电流较小 解决方案 低电流1 平均再荷电电流小于荷电后的灰尘放电电流 使阳极板上粉尘积层的再次荷电量小于释放电量 降低了粉尘层在极板上的电荷积累 2 平均再荷电电流等于或略大于荷电后的灰尘放电电流 但到下次振打为止 粉尘层电量的积累不足以产生反电晕 抑制反电晕 抑制反电晕 火花放电 时间占比很小 但消耗能量巨大 避免火花放电 是节能的最大要因 一 二电场 粉尘浓度高 粒径较大 粉尘荷电用电量也相应增加 但 粉尘荷电用电量不足目前传统电源耗电的2 对电除尘总耗电量基本没有影响 但 高浓度的荷电粉尘会使电场电阻变小 为实现较高场强 被迫输出了较大电流 从表面现象看 确实注入了较多能量 但电流越大 造成通过粉尘而传导的电量就越大 形成浪费 火花放电 时间占比很小 但消耗能量巨大 火花放电始发点与电场介质相关 粉尘浓度高 更易闪落 这也是造成 一 二电场输入很高能量 的原因 需要输入更大能量 的 理论 或以 能够向电场输入更大能量 为技术优势 不但不尊重电晕放电基本本质 对国内市场也造成了严重误导 大幅度节能 十三 三种新型电源的比较 十四 施工方式及工期 施工方式 可利用检修期施工 也可以在线施工 在线更换 采取单电源逐台切换方式 每台电源更换需要停电1h 无须拆除或移动任何原设备 低压电缆利旧 施工期 15天 每条线 供货期 约为30天 十五 临界脉冲电源在水泥厂的应用案例 水泥厂窑头除尘器后面是没有脱硫装置 脱离洗尘 真实稳定减排 成了不容含糊的硬指标 在行业除尘器本体普遍远劣于火电厂的基础上 只改三级电源 就要使粉尘浓度从55mg Nm3左右减为15mg Nm3左右 减排73 同时节电40 以上 已被评为 中国水泥行业最佳使用技术 电除尘唯一 在水泥行业并已进入大规模推广阶段 十五 临界脉冲电源在水泥厂的应用案例 一 枣庄中联水泥有限公司 3 5000t d生产线窑头设有型号为 31 15 3 9 0 45 的静电除尘器 电场数为三级 截面积为215 5 通风量为 25万m h 高压供电系统采用3台1 8A 72KV的常规工频电源 除尘器进口浓度为10 1g m 烟气温度通常为110 130 最高温度为250 出口排放为52 6mg m3 2014年9月18日 10月10日 枣庄市中区环保局进行了项目验收环境检测 均达到了低于20mg Nm 的排放结果 目前稳定运行在10mg Nm 左右 采用 临界脉冲电源 进行了电改电 与原电除尘相比电耗减少41 8KW 按运转率300天 0 59元 kWh计算 每年节约电费19 7万元 与电改袋方案相比 每年节约电费67 87万元 2020 3 10 2020 3 10 十五 临界脉冲电源在水泥厂的应用案例 二 临朐山水水泥有限责任公司一期5000t d熟料生产线窑头收尘器使用的是西安矿山机械厂生产的电收尘器 型号为32 12 5 3 10 0 45 处理烟气量580000m3 h 电场有效面积176 1m2 入口含尘浓度 20g m3 出口含尘浓度 50mg Nm3 正常烟气温度余热发电投运时 120 165 余热发电关闭时 230 350 瞬时最高烟气温度 400 设计压力 2000Pa 压力损失 200Pa 电场风速0 91m s 2015年5月15日 临朐县环保局进行了项目验收环境检测 均达到了低于20mg Nm 的排放结果 采用 临界脉冲电源 进行了电改电 与原电除尘相比电耗减少了47 54KW 节能率为49 2 按运转率300天 0 59元 kWh计算 每年节约电费20 2万元 与电改袋方案相比 每年节约电费68 37万元 2020 3 10 2020 3 10 十五 临界脉冲电源在水泥厂的应用案例 三 中材湘潭水泥有限公司5000t d熟料生产线窑头收尘器 十六 临界脉冲电源在钢铁厂的实验案例 钢铁厂的烧结机头 因烟气高温和粘性 除尘器不宜使用滤袋方式 由于烟气里含有大量氧化镁的不易除尘成分 而且烟温高 本体状态差 即使除尘器后面有脱硫装置 绝大多数钢厂的颗粒物排放都远远超标 某钢厂烧结机头 90m2单室四电场除尘器 除尘器出口颗粒物排放值为122mg Nm3 在线施工 在未对本体对任何改动的前提下 更换为 临界脉冲电源 后 变为28 6mg Nm3 减排77 十七 临界脉冲电源在钢铁厂的应用案例 项目概况 马鞍山钢铁股份有限公司第二炼铁厂300m2烧结机机头除尘系统于1991年4月由冶金工业部马鞍山钢铁设计研究院设计 1992年底投产 除尘设备配189 三电场电除尘器 按照国家粉尘排放标准80mg Nm3设计 2012年扩容为360 除尘设备在原一电场前增加了一个沉降室 变成了沉降室 189 3电场电除尘 高压电源 工频电源GGAJO2 1 2 90KV 高频电源JHGP 0 4A 1