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为了贯彻*新的大气治理环保政策, 高频高压电源电除尘技术应运而生。与传统工频高压电源电除尘技术相比, 高频高压电源电除尘器能耗更低, 并能进一步降低玻璃窑炉烟气中粉尘的排放浓度, 显著降低SCR催化剂堵塞和中毒风险, 提高催化剂使用寿命。通过对四川某日用玻璃窑炉烟气高温电除尘+SCR脱硝项目选用的高频高压电源电除尘器, 详细介绍了高频高压电源电除尘器的技术优势, 分析其节能减排效果, 阐述环保效益与经济效益。
关键词：高频电源; 高温电除尘; 节能提效;
1 概述
2017年之前, 在非火电行业电除尘系统中使用高频电源技术仍旧十分少见, 主要原因是:
(1) 非火电行业烟气除尘相关的环保标准尚未提高至超低排放要求, 传统工频电源技术能够满足目前排放标准;
(2) 非火电行业烟气成分复杂, 烟尘性质各异, 尚不能将燃煤电厂电除尘高频电源技术和设备直接复制运用于非火电行业, 需要进行针对性的技术优化和装备集成。然而, 提高非电行业烟气排放标准, 逐步实现超低排放是大势所趋。
2017年2月, 国家环保部、发改委、财政部、能源局联合北京、天津、河北、山西、山东、河南等省市人民政府共同发布《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》 (即“2+26城市大气污染防治方案”) , 全面推进重点行业治污升级改造和排污许可管理, 并要求区域内所有钢铁、燃煤锅炉排放的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物大气污染物执行特别排放限值。2018年1月16日, 环保部印发《关于京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值的公告》, 要求京津冀大气污染传输通道城市 (“2+26”城市) 将执行大气污染物特别排放限值, 控制范围从火电、钢铁延展至非电全行业 (石化、水泥、有色、化工行业及燃煤锅炉项目) 。其中, 玻璃行业排放标准在原有GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的基础上, 进一步要求在特殊区域 (2+26城市) 的玻璃行业执行特别排放限值:玻璃熔窑颗粒物≤20 mg/Nm3、SO2≤100 mg/Nm3、NOx≤400 mg/Nm3。
随着国家对玻璃窑炉烟气污染物排放控制的日益严格, 传统玻璃窑炉烟气除尘技术将无法满足新的排放标准, 因此应开发和使用更加有效的除尘技术和装备。高频电源电除尘器能够满足这一要求, 高频电源技术优势来源于科学有效的控制技术。
主要应用效果在于：提高除尘效率的同时降低系统电耗, 并且能够减少烟尘对SCR催化剂的影响, 有效延长催化剂的使用寿命。采用该高频电源技术, 可优化除尘器内部结构, 节省钢材用量, 减少本体设备投资和建设成本, 提高电除尘技术经济性。我司结合项目实际工况和烟尘特性, 经过精心设计, 将高频高压电源运用于四川某日用玻璃窑炉烟气除尘的高温电除尘系统, 项目成功投产并连续稳定运行, 对非火电行业的烟气除尘系统的升级改造和节能降耗具有一定的借鉴意义。
2 高频电源工作原理
如图1所示, 高频电源是由三相380 V、50 Hz低压交流供电, 整流滤波后形成约530 V的直流电源, 利用调制解调技术, 经IGBT全桥逆变后形成20~50 k Hz高频信号, 驱动高频整流变压器, 经高频变压器升压至20 k V, 再经倍压整流器, 产生平直的60~90 k V高频脉动负高压直流信号, 升压整流后输出直流高压, 为电场提供供电的电源。高频电源与工频电源技术比较见表1。
图1 工频电源与高频电源供电原理
表1 高频电源与工频电压技术比较
频电源的供电电流由一系列高频脉冲构成, 脉冲宽度为20~50kHz, 与工频电源50Hz相比，高频电源具有如下优势:
(1) 高频电源具有脉冲幅度、宽度及频率均可以调整等特点, 所以可以给电除尘器提供从纯直流到脉冲的各种电压波形, 因而可以根据电除尘器的工况, 提供*佳电压波形;
(2) 高频电源二次电压趋近于纯直流, 几乎没有纹波, 输出纹波小。二次电流为尖峰载波使阴极尖端的电场强度的不均匀性更加激烈, 加大电晕电流;
(3) 闪络恢复快, 微秒级内快速关断闪络电流, 无闪络电流冲击问题, 不会损伤极板极线, 保护电场设备同时提高除尘效率, 降低能耗。
3 四川某项目概况
四川某玻璃制造有限公司日用玻璃窑炉, 窑炉熔量：158t/d；采用燃料：天然气；产品：白酒玻璃瓶。生产过程中产生含NOx、烟尘、氟化物等污染物的烟气, 未经脱硝、除尘和脱氟治理, 直接排放大气, 烟气中NOx、烟尘和氟化物均不能达标排放, 净化前的排放状况详见表2。
为了达到相关尾气排放标准，业主拟进行烟气除尘脱硝治理，采用工艺路线如图2所示。玻璃窑炉出口烟气温度约320℃，先经过烟气加热器，将烟气温度提升到约400℃, 再进行高温电除尘+SCR脱硝处理，经除尘脱硝处理后，由引风机引至烟囱，排到大气。经高温电除尘、SCR脱硝处理后, 烟囱出口NOx、烟尘、尘氟排放浓度分别是≤50mg/Nm3、≤20mg/Nm3、≤2mg/Nm3。
表2 处理前烟气参数
图2 烟气高温电除尘脱硝流程图
4 节能提效分析
4.1 节能指标分析
电除尘器的电能消耗设备包括高压电源设备和低压控制设备，低压控制设备是包括高压电源以外的所有用电设施，主要包括电极振打、卸灰、输灰、绝缘子恒温加热等设备。该项目电除尘器的电能消耗3639.6kW·h/d，其中，高压电源设备电能消耗2928 kW·h/d, 占整个电除尘系统能耗的80.4%，而振打、卸灰、输灰、绝缘子恒温加热等电除尘设备电能消耗是711.6kW·h/d，所占份额较小。而且，为了保证设备正常运行, 振打、卸灰、输灰、绝缘子恒温加热等设备能耗是必须的，因此降耗空间很小。因此， 降低电除尘器能耗的关键在于降低高压电源设备能耗。
高压电源设备能耗与玻璃窑炉烟气烟尘比电阻有关，玻璃窑炉烟气烟尘比电阻较高，当带离子电荷的高比电阻烟尘在运行过程中粘附在集尘极，会造成反电晕现象，导致除尘效率下降，由此可见，高压电源设备运行的能耗并不是与除尘效率遵循正比例线性关系，因此，根据烟尘的性质选择合适的高压电源设备就尤为重要。
该项目电除尘器所选择的高频高压电源，不仅能提高电除尘器的除尘效率，还能降低高压电源能耗。高压供电设备转换效率是直接影响电除尘器能耗的因素，采用的高频电源转换效率是0.94，而一般工频电源设备转换效率只有0.7，较高的转换效率使高频电源增加了电量的有功功率, 减少了电量的无功功率, 而且经过电除尘器本体优化设计, 将工频电源改为高频电源后，电除尘器电场数量由3个变为2个，节约电除尘器建设成本近70万元，还减少1个电场的能耗。该项目高频电源与工频电源能耗对比见表3。
表3 高频电源与工频电源能耗分析
据表3计算, 采用高频电源后, 每台电除尘器输入功率减少126kW, 节约电除尘器供电电能50%, 电除尘器节约电能108.14kW·h, 节约运行成本74.08万元/年。由此可见, 高频电源能量的损耗相对工频电源要小很多, 投资成本也相对较少, 对节能减排工作有巨大的贡献, 其有效优良的技术性能, 让技术优势转化为经济效益。
4.2 提效指标分析
影响除尘效率的主要因素有3个:电除尘器的比集尘面积、电除尘器的处理烟气量及带电粒子在电场中的驱进速度。
电除尘效率的计算一直是沿用多依奇公式:
式中:h—电除尘器的效率;
A—电除尘器的比集尘面积;
Q—电除尘器的处理烟气量;
w—带电粒子在电场中的驱进速度。
高频电源的供电电流由一系列高频脉冲构成, 脉冲宽度为20~50kHz, 不同工况下的高频电源电除尘器脉冲幅度、宽度及频率均可以自动调整，可根据不同工况选择*适合的电压波形， 可以提高烟尘荷电量, 增加烟尘驱动力，加快驱进速度, 提高除尘效率。工频电源电除尘器捕集高比电阻烟尘, 将在电场内产生“反电晕”现象, 会导致除尘效率下降。而使用高频电源是纯直流供电方式， 具有电压波动小、电晕电压高、电晕电流大等特点，能够抑制“反电晕”现象的产生, 拓宽捕集高比电阻范围， 设备在运行过程中, 都处于无火花放电有效状态中, 确保除尘器出口排放浓度≤20mg/Nm3。
高频电源采用脉冲供电方式运行, 通过调节输出电压、导通率等, 在满足排放标准时实现*优化控制。该项目在电除尘器进口和烟囱处各安装1台在线监测仪, 实时监测高温电除尘处理前后烟尘和NOx浓度。在所有电场的高频电源均正常且节能工作模式时, 烟囱的烟尘平均排放浓度为17.3mg/Nm3 (≤20mg/Nm3) , 满足特殊排放标准。高频电源电除尘器优异良好的除尘效果、连续稳定的运行方式, 显著降低SCR催化剂堵塞和中毒风险, 延长SCR催化剂寿命。
目前平板玻璃行业执行GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的要求, 从目前执行的标准看, NOx排放限值偏高, 仍有较大减排空间, 颗粒物也有进一步提高排放控制要求的潜力, 因此, 在2017年6月, 针对重点地区 (京津冀及周边“2+26”城市) , 国家环境保护部发布了《平板玻璃工业大气污染物排放标准》等20项国家污染物排放标准修改单, 对玻璃熔窑增加特别排放限值。面对GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》中的烟尘排放标准的提高, 高频电源电除尘技术突破了传统工频电源的瓶颈, 不仅能在较低的建设成本情况下, 满足玻璃熔窑特别排放标准要求, 而且可以产生较大的经济效益与环保效益。
现将GB 26453—2011《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的现行标准和特别排放限值、以及该项目排放值汇总, 数据结果见表4。
表4 平板玻璃工业大气污染物排放标准和该项目排放值
表4中的数据进行分析, 该项目的高频电源电除尘器在节能模式下运行, 烟尘浓度排放值比现行排放标准限值低32.7mg/Nm3, 仅是现行排放标准限值的1/3, 比特别排放标准限值低2.7mg/Nm3。NOx浓度排放值比现行排放标准限值低602mg/Nm3, 只是现行排放标准限值的1/7, 比特别排放标准限值低302mg/Nm3, 是特殊排放标准限值的1/4。相比现行排放标准限值, 减少烟尘排放量6875t/年, 减少NOx排放量12.7万t/年。通过对表4分析可知, 采用高频电源电除尘器, 烟尘和NOx排放浓度远远低于现行排放标准限值, 略低于《平板玻璃工业大气污染物排放标准》的特殊排放标准限值, 除尘效率显著提高。同时在低烟尘浓度烟气工况下, 减少SCR催化剂中毒与堵塞的风险, 能够选择小孔径的催化剂, 提高还原剂氨气的利用率, 保证SCR脱硝效率。高频电源电除尘器体现了优良的环保效益, 是对社会有利的一项重要举措。
5 结语结合电除尘器技术、高频电源技术及实际运行状况, 对电除尘器高频电源控制技术参数优化调整, 分别对高频电源电除尘器节能降耗、提有效率、节约成本进行探讨, 得出:
(1) 高频电源进一步提高了电除尘器的性能和运行效率, 显著减少电除尘器输入功率, 降低了除尘器能耗, 每台电除尘器运行功率只有工频电源电除尘器的一半, 节约运行成本74万元/年。
(2) 高频电源电除尘器除尘效果良好, 提高了除尘效率, 减少了烟气中尘氟排放浓度, 烟尘浓度排放值是现行排放标准限值的1/3, 且低于平板玻璃行业的特殊排放标准限值。经过高频电源电除尘器之后的低烟尘浓度烟气, 保障了后续脱硝系统稳定运行, 延长了SCR脱硝催化剂使用寿命。
(3) 该项目使用高频电源电除尘器之后, 减少了电除尘器电场数量, 每台电除尘器本体由3个电场变为2个电场, 节约建设成本近70万元, 提高经济效益。
未来期望结合高频高压电源先进技术, 进一步优化除尘器本体设计, 做到更加节能有效, 缩减本体设备投资和系统运行成本, 为非火电行业烟气电除尘领域提供行之有效的超低排放可选技术。
高频电源电除尘器使用后, 为电除尘器技术优化提供了很好的控制平台, 对玻璃窑炉烟气除尘治理行业节能提效具有重要意义。
本文发表于全国性建材科技期刊——《玻璃》2018年 第9期 总第324期
作者：杨崎峰 周永信 杨长钫 陈国宁 王爱 詹馥蔓 韦艳玲 黄宣宣
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