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為了貫徹*新的大氣治理環保政策, 高頻高壓電源電除塵技術應運而生。與傳統工頻高壓電源電除塵技術相比, 高頻高壓電源電除塵器能耗更低, 并能進一步降低玻璃窯爐煙氣中粉塵的排放濃度, 顯著降低SCR催化劑堵塞和中毒風險, 提高催化劑使用壽命。通過對四川某日用玻璃窯爐煙氣高溫電除塵+SCR脫硝項目選用的高頻高壓電源電除塵器, 詳細介紹了高頻高壓電源電除塵器的技術優勢, 分析其節能減排效果, 闡述環保效益與經濟效益。
關鍵詞：高頻電源; 高溫電除塵; 節能提效;
1 概述
2017年之前, 在非火電行業電除塵系統中使用高頻電源技術仍舊十分少見, 主要原因是:
(1) 非火電行業煙氣除塵相關的環保標準尚未提高至超低排放要求, 傳統工頻電源技術能夠滿足目前排放標準;
(2) 非火電行業煙氣成分復雜, 煙塵性質各異, 尚不能將燃煤電廠電除塵高頻電源技術和設備直接復制運用于非火電行業, 需要進行針對性的技術優化和裝備集成。然而, 提高非電行業煙氣排放標準, 逐步實現超低排放是大勢所趨。
2017年2月, 國家環保部、發改委、財政部、能源局聯合北京、天津、河北、山西、山東、河南等省市人民政府共同發布《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》 (即“2+26城市大氣污染防治方案”) , 全面推進重點行業治污升級改造和排污許可管理, 并要求區域內所有鋼鐵、燃煤鍋爐排放的二氧化硫、氮氧化物和顆粒物大氣污染物執行特別排放限值。2018年1月16日, 環保部印發《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》, 要求京津冀大氣污染傳輸通道城市 (“2+26”城市) 將執行大氣污染物特別排放限值, 控制范圍從火電、鋼鐵延展至非電全行業 (石化、水泥、有色、化工行業及燃煤鍋爐項目) 。其中, 玻璃行業排放標準在原有GB 26453—2011《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》的基礎上, 進一步要求在特殊區域 (2+26城市) 的玻璃行業執行特別排放限值:玻璃熔窯顆粒物≤20 mg/Nm3、SO2≤100 mg/Nm3、NOx≤400 mg/Nm3。
隨著國家對玻璃窯爐煙氣污染物排放控制的日益嚴格, 傳統玻璃窯爐煙氣除塵技術將無法滿足新的排放標準, 因此應開發和使用更加有效的除塵技術和裝備。高頻電源電除塵器能夠滿足這一要求, 高頻電源技術優勢來源于科學有效的控制技術。
主要應用效果在于：提高除塵效率的同時降低系統電耗, 并且能夠減少煙塵對SCR催化劑的影響, 有效延長催化劑的使用壽命。采用該高頻電源技術, 可優化除塵器內部結構, 節省鋼材用量, 減少本體設備投資和建設成本, 提高電除塵技術經濟性。我司結合項目實際工況和煙塵特性, 經過精心設計, 將高頻高壓電源運用于四川某日用玻璃窯爐煙氣除塵的高溫電除塵系統, 項目成功投產并連續穩定運行, 對非火電行業的煙氣除塵系統的升級改造和節能降耗具有一定的借鑒意義。
2 高頻電源工作原理
如圖1所示, 高頻電源是由三相380 V、50 Hz低壓交流供電, 整流濾波后形成約530 V的直流電源, 利用調制解調技術, 經IGBT全橋逆變后形成20~50 k Hz高頻信號, 驅動高頻整流變壓器, 經高頻變壓器升壓至20 k V, 再經倍壓整流器, 產生平直的60~90 k V高頻脈動負高壓直流信號, 升壓整流后輸出直流高壓, 為電場提供供電的電源。高頻電源與工頻電源技術比較見表1。
圖1 工頻電源與高頻電源供電原理
表1 高頻電源與工頻電壓技術比較
頻電源的供電電流由一系列高頻脈沖構成, 脈沖寬度為20~50kHz, 與工頻電源50Hz相比，高頻電源具有如下優勢:
(1) 高頻電源具有脈沖幅度、寬度及頻率均可以調整等特點, 所以可以給電除塵器提供從純直流到脈沖的各種電壓波形, 因而可以根據電除塵器的工況, 提供*佳電壓波形;
(2) 高頻電源二次電壓趨近于純直流, 幾乎沒有紋波, 輸出紋波小。二次電流為尖峰載波使陰極尖端的電場強度的不均勻性更加激烈, 加大電暈電流;
(3) 閃絡恢復快, 微秒級內快速關斷閃絡電流, 無閃絡電流沖擊問題, 不會損傷極板極線, 保護電場設備同時提高除塵效率, 降低能耗。
3 四川某項目概況
四川某玻璃制造有限公司日用玻璃窯爐, 窯爐熔量：158t/d；采用燃料：天然氣；產品：白酒玻璃瓶。生產過程中產生含NOx、煙塵、氟化物等污染物的煙氣, 未經脫硝、除塵和脫氟治理, 直接排放大氣, 煙氣中NOx、煙塵和氟化物均不能達標排放, 凈化前的排放狀況詳見表2。
為了達到相關尾氣排放標準，業主擬進行煙氣除塵脫硝治理，采用工藝路線如圖2所示。玻璃窯爐出口煙氣溫度約320℃，先經過煙氣加熱器，將煙氣溫度提升到約400℃, 再進行高溫電除塵+SCR脫硝處理，經除塵脫硝處理后，由引風機引至煙囪，排到大氣。經高溫電除塵、SCR脫硝處理后, 煙囪出口NOx、煙塵、塵氟排放濃度分別是≤50mg/Nm3、≤20mg/Nm3、≤2mg/Nm3。
表2 處理前煙氣參數
圖2 煙氣高溫電除塵脫硝流程圖
4 節能提效分析
4.1 節能指標分析
電除塵器的電能消耗設備包括高壓電源設備和低壓控制設備，低壓控制設備是包括高壓電源以外的所有用電設施，主要包括電極振打、卸灰、輸灰、絕緣子恒溫加熱等設備。該項目電除塵器的電能消耗3639.6kW·h/d，其中，高壓電源設備電能消耗2928 kW·h/d, 占整個電除塵系統能耗的80.4%，而振打、卸灰、輸灰、絕緣子恒溫加熱等電除塵設備電能消耗是711.6kW·h/d，所占份額較小。而且，為了保證設備正常運行, 振打、卸灰、輸灰、絕緣子恒溫加熱等設備能耗是必須的，因此降耗空間很小。因此， 降低電除塵器能耗的關鍵在于降低高壓電源設備能耗。
高壓電源設備能耗與玻璃窯爐煙氣煙塵比電阻有關，玻璃窯爐煙氣煙塵比電阻較高，當帶離子電荷的高比電阻煙塵在運行過程中粘附在集塵極，會造成反電暈現象，導致除塵效率下降，由此可見，高壓電源設備運行的能耗并不是與除塵效率遵循正比例線性關系，因此，根據煙塵的性質選擇合適的高壓電源設備就尤為重要。
該項目電除塵器所選擇的高頻高壓電源，不僅能提高電除塵器的除塵效率，還能降低高壓電源能耗。高壓供電設備轉換效率是直接影響電除塵器能耗的因素，采用的高頻電源轉換效率是0.94，而一般工頻電源設備轉換效率只有0.7，較高的轉換效率使高頻電源增加了電量的有功功率, 減少了電量的無功功率, 而且經過電除塵器本體優化設計, 將工頻電源改為高頻電源后，電除塵器電場數量由3個變為2個，節約電除塵器建設成本近70萬元，還減少1個電場的能耗。該項目高頻電源與工頻電源能耗對比見表3。
表3 高頻電源與工頻電源能耗分析
據表3計算, 采用高頻電源后, 每臺電除塵器輸入功率減少126kW, 節約電除塵器供電電能50%, 電除塵器節約電能108.14kW·h, 節約運行成本74.08萬元/年。由此可見, 高頻電源能量的損耗相對工頻電源要小很多, 投資成本也相對較少, 對節能減排工作有巨大的貢獻, 其有效優良的技術性能, 讓技術優勢轉化為經濟效益。
4.2 提效指標分析
影響除塵效率的主要因素有3個:電除塵器的比集塵面積、電除塵器的處理煙氣量及帶電粒子在電場中的驅進速度。
電除塵效率的計算一直是沿用多依奇公式:
式中:h—電除塵器的效率;
A—電除塵器的比集塵面積;
Q—電除塵器的處理煙氣量;
w—帶電粒子在電場中的驅進速度。
高頻電源的供電電流由一系列高頻脈沖構成, 脈沖寬度為20~50kHz, 不同工況下的高頻電源電除塵器脈沖幅度、寬度及頻率均可以自動調整，可根據不同工況選擇*適合的電壓波形， 可以提高煙塵荷電量, 增加煙塵驅動力，加快驅進速度, 提高除塵效率。工頻電源電除塵器捕集高比電阻煙塵, 將在電場內產生“反電暈”現象, 會導致除塵效率下降。而使用高頻電源是純直流供電方式， 具有電壓波動小、電暈電壓高、電暈電流大等特點，能夠抑制“反電暈”現象的產生, 拓寬捕集高比電阻范圍， 設備在運行過程中, 都處于無火花放電有效狀態中, 確保除塵器出口排放濃度≤20mg/Nm3。
高頻電源采用脈沖供電方式運行, 通過調節輸出電壓、導通率等, 在滿足排放標準時實現*優化控制。該項目在電除塵器進口和煙囪處各安裝1臺在線監測儀, 實時監測高溫電除塵處理前后煙塵和NOx濃度。在所有電場的高頻電源均正常且節能工作模式時, 煙囪的煙塵平均排放濃度為17.3mg/Nm3 (≤20mg/Nm3) , 滿足特殊排放標準。高頻電源電除塵器優異良好的除塵效果、連續穩定的運行方式, 顯著降低SCR催化劑堵塞和中毒風險, 延長SCR催化劑壽命。
目前平板玻璃行業執行GB 26453—2011《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》的要求, 從目前執行的標準看, NOx排放限值偏高, 仍有較大減排空間, 顆粒物也有進一步提高排放控制要求的潛力, 因此, 在2017年6月, 針對重點地區 (京津冀及周邊“2+26”城市) , 國家環境保護部發布了《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》等20項國家污染物排放標準修改單, 對玻璃熔窯增加特別排放限值。面對GB 26453—2011《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》中的煙塵排放標準的提高, 高頻電源電除塵技術突破了傳統工頻電源的瓶頸, 不僅能在較低的建設成本情況下, 滿足玻璃熔窯特別排放標準要求, 而且可以產生較大的經濟效益與環保效益。
現將GB 26453—2011《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》的現行標準和特別排放限值、以及該項目排放值匯總, 數據結果見表4。
表4 平板玻璃工業大氣污染物排放標準和該項目排放值
表4中的數據進行分析, 該項目的高頻電源電除塵器在節能模式下運行, 煙塵濃度排放值比現行排放標準限值低32.7mg/Nm3, 僅是現行排放標準限值的1/3, 比特別排放標準限值低2.7mg/Nm3。NOx濃度排放值比現行排放標準限值低602mg/Nm3, 只是現行排放標準限值的1/7, 比特別排放標準限值低302mg/Nm3, 是特殊排放標準限值的1/4。相比現行排放標準限值, 減少煙塵排放量6875t/年, 減少NOx排放量12.7萬t/年。通過對表4分析可知, 采用高頻電源電除塵器, 煙塵和NOx排放濃度遠遠低于現行排放標準限值, 略低于《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》的特殊排放標準限值, 除塵效率顯著提高。同時在低煙塵濃度煙氣工況下, 減少SCR催化劑中毒與堵塞的風險, 能夠選擇小孔徑的催化劑, 提高還原劑氨氣的利用率, 保證SCR脫硝效率。高頻電源電除塵器體現了優良的環保效益, 是對社會有利的一項重要舉措。
5 結語結合電除塵器技術、高頻電源技術及實際運行狀況, 對電除塵器高頻電源控制技術參數優化調整, 分別對高頻電源電除塵器節能降耗、提有效率、節約成本進行探討, 得出:
(1) 高頻電源進一步提高了電除塵器的性能和運行效率, 顯著減少電除塵器輸入功率, 降低了除塵器能耗, 每臺電除塵器運行功率只有工頻電源電除塵器的一半, 節約運行成本74萬元/年。
(2) 高頻電源電除塵器除塵效果良好, 提高了除塵效率, 減少了煙氣中塵氟排放濃度, 煙塵濃度排放值是現行排放標準限值的1/3, 且低于平板玻璃行業的特殊排放標準限值。經過高頻電源電除塵器之后的低煙塵濃度煙氣, 保障了后續脫硝系統穩定運行, 延長了SCR脫硝催化劑使用壽命。
(3) 該項目使用高頻電源電除塵器之后, 減少了電除塵器電場數量, 每臺電除塵器本體由3個電場變為2個電場, 節約建設成本近70萬元, 提高經濟效益。
未來期望結合高頻高壓電源先進技術, 進一步優化除塵器本體設計, 做到更加節能有效, 縮減本體設備投資和系統運行成本, 為非火電行業煙氣電除塵領域提供行之有效的超低排放可選技術。
高頻電源電除塵器使用后, 為電除塵器技術優化提供了很好的控制平臺, 對玻璃窯爐煙氣除塵治理行業節能提效具有重要意義。
本文發表于全國性建材科技期刊——《玻璃》2018年 第9期 總第324期
作者：楊崎峰 周永信 楊長鈁 陳國寧 王愛 詹馥蔓 韋艷玲 黃宣宣
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