电除尘（雾）器的高压供电技术

电除尘（雾）器的高压供电技术

摘要：阐述了电除尘（雾）油器高压供电系统中的几种不同供电技术，及其对电除尘（雾）器的适应性；并详述了恒流供电技术的理论基础。

1． 前言
随着静电技术的发展，电除尘和电除雾广泛地应用在硫酸工业上，其基本原理是让尘粒和酸雾以荷电粒子在电场中受力作定向运动为基础的，因此为了提高沉积效率，除研究改进电场本体的结构外，供电方式的影响，也是静电沉积领域的一个研究热点，磁饱和放大器电源、可控硅电源和L-C恒流电源先后均得到了广泛应用，其中磁饱和放大器电源由于其本身的弱点在电源特性、控制特性和功耗等缺陷，目前已很少使用，而L-C恒流电源由于其优异的电源特性，从八十年代中期开始广泛地被使用在电除尘（雾）器上。
2． 恒流源与可控硅电源运行特性上的区别
可控硅电源

图一 可控硅电源电路原理

如图一所示，可控硅电源主要是通过两个反向并联的可控硅TH1，TH2控制高压整流变压器一次侧电压，整流变压器将该电压升压后经高压硅堆整流处理得到所要求的直流电压，改变可控硅的触发角来调节高压输出的平均电压，反馈控制的基本原理是通过反馈信号综合放大与预置值进行比较后控制可控硅的触发角，达到控制输出电压的目的，其主要功能一是对信号综合处理后确定输出相位以决定可控硅的导通角，实现对负载的电压跟踪，二是在火花放电时，封锁可控硅，从而达到熄弧或闪络封锁的目的。
从以上的原理性分析可以看出，可控硅电源是以电压源供电为基础的，因此可以用图二来分析它所需要的反馈特性。由于尘粒和酸雾呈较高的比电阻，所以它的浓度增加将使本体对外的等效阻抗增加，这也是使用静电沉积技术进行静电沉积的技术基础。 I=U/Z p=UI=U2/Z

图二 电压源供电等效原理

如图二所示U为电源电压可以通过可控硅的导通角来改变，Z为电除尘器的等效阻抗，I为电除尘器的供电电流。所以根据欧姆定律得到表一的跟踪特性。
表一 电压源供电的负载跟踪特性

浓度	Z	I	功率	效率
↑	↑	↓	↓	↓
↓	↓	↑	↑	↑

另一方面，当电除尘油器内部发生火花放电时，则Z为火花通道的等效阻抗，随着放电的发展Z是下降的，若发展到电弧，只有几个欧姆，但需要不断注入能量，因此根据图二将得到表二的结果。
表二 电压源供电的火花抑制特性

放电	电阻	电流	功率	效果
↑	↓	↑	↑	不能抑制

由以上的分析可以得出这样一个结果，用电压源供电时电源的输出功率与尘粒和酸雾浓度的变化成负反馈，而与火花放电的发展成正反馈，因此可控硅电源的工作基础是反馈控制回路的特性，目前由于计算机控制技术的使用，使得可控硅电源的可靠性和运行性能得到了很大的发展，但由于可控硅是被动关断器件，在导通周期以内是不受控的，所以火花击穿的临界电压较低，电晕电流也难以控制，影响沉积效果。

恒流电源

图三 HL-Ⅲ 恒流电源电路原理
恒流高压直流电源的电路包括三个部分，如图三所示，第一部分L-C变换器，它是由电感L和电容C组成的一个四端网络，将电压源转换成电流源，第二部分直流高压发生器，主要由高压变压器和整流桥组成，第三部分反馈控制主要由半导体器件和接触器构成。

图四 电流源供电等效原理图
如图四所示，是用电流源供电的物理模型，I为电流源的输出电流，可以通过L-C组的数量等方式来调节，Z为电除尘器的等效阻抗，U为电除尘器的供电电压，所以根据欧姆定律得到表三的跟踪特性。
表三 电流源供电的负载跟踪特性

浓度	Z	I	功率	效率
↑	↑	↑	↑	↑
↓	↓	↓	↓	↓

当电除尘器内部发生火花放电时，用电流源供电时则得到如表四的火花抑制特性。
表四 电流源供电的火花抑制特性

放电	电阻	电流	功率	效果
↑	↓	↓	↓	抑制

3． 恒流源的技术特点及工业应用实例：
恒流源供电能显著提高除尘器的运行电压
电场某一局部由电晕放电向火花击穿过渡是需要时间和功率的，脉冲供电控制电压脉冲宽度，使得电场还来不及发展成火花击穿，电压脉冲就结束了，于是提高了火花击穿的临界电压，对可控硅电源来说，可控硅一旦导通切出一块电压U以后，向放电区馈送的功率为U2/Z，由电晕放电向火花击穿过渡时，放电区的等效电阻Z随离子浓度的增加面减小，这就促使U2/Z更大，放电更容易发展，Z进一步降低，这相当于一个正反馈的物理过程，于是很容易导致火花击穿，而电流源供电时，情况正好相反，这时向放电馈送的功率为I2R，R减小I2Z也减小，抑制了放电的进一步发展，这相当于一个负反馈的物理过程，因此火花击穿的临界电压明显提高。

以吉化公司染料厂为例，在硫酸电除尘器上做了一次典型的对比试验，数据如表所示，试验所用的电场是该厂自行设计，上海冶矿厂制造，流通面积约30m2，静态空气介质。
表五 不同供电方式的火花击穿电压

电源种类	电晕电流mA	火花击穿电压kv	说明
可控硅电源（大连）	90	38	频繁火花击穿
可控硅电源（福建）	110	40	频繁火花击穿
可控硅电源（日本）	120	40	频繁火花击穿
HL-Ⅱ恒流电源	200	56	尚未击穿

恒流供电能保证足够的电晕电流而不容易转化为贯穿性的火花击穿，实现电压自动跟踪。
可控硅电源供电时，控制量实际上是电压，而电流是随机量。在阻抗浓度较大，集尘极积尘较厚时，电晕电流往往变得很小。电流源供电时，控制量是电流。不论工况如何，电晕电流是可以根据需要来确定的，而电压是随机量，与前者正好形成对偶关系。
电源源供电可以轻而易举地实现电压自动跟踪，而不需要任何反馈控制电路。例如含尘（雾）浓度增加时，宏观体现为放电区的等效电阻增大。由于外电路提供的电流不变，所以电场上的电压就自然上升了。此外，能有效克服电晕电流"闭塞"现象，对电极肥大的适应性也较强，电极肥大或集尘极积尘加厚时，电压同样会自动上升，而可控硅电源供电时，在上述情况下，电压需要通过反馈来控制可控硅的导通角来提高电压，这就必然带来几个工频周期的延时，若电源和本体配置不当，导通角已到最大，则控制无法进行，只能是电流下降的结果。
因此，恒流供电能大大提高沉积效率，由于采用恒流供电技术，注入到电场的电功率增加，所以除尘除雾效率得到了明显的提高。这可以从表六中数据得到反映。
表六 一级电雾主风机出口含量（mg/m2）

使用厂家	HL-Ⅱ恒流电源	可控硅电源	说明
河北井陉磷肥厂	0.00-0.10		南化研究院测试
山东来茜磷肥厂	3.67	24.76
上海吴泾化工总厂硫酸厂	3.10	29.00	二个月的统计平均值
广西灵川化肥厂	7.00
吉化公司染料厂	2.00 一级电雾	≥6.00二级电雾

运行可靠性高
我厂恒流源没有复杂的电子线路，无接插件，允许高压持续短路和突发短路（相当于电场的频繁火花放电），不会烧坏任何元件。
对于除酸雾的塑料电场本体来说恒流还有一个重要意义，当火花击穿时，不易烧穿塑料阳极筒壁。

节电效果明显
功率因素高，COSφ=0.9~1 。而且不随运行的功率水平变化，可以显著降低前级供电变压器的容易并节能。

高压发生器的体积重量比可控硅电源小得多，在一些无防爆要求的场合，高压发生器可以直接装在电场本体顶部。

具有过电压、持续欠电压和过氧保护电路，能自动报警和跳闸。
L-C 电源的出现，给静电沉积技术带来了新的特点，在化工、冶金、建材、纺织和发电等行业的实际应用中，取得了始料未及的效果，运行效率明显提高。现列出几个厂家使用恒流源除酸雾实测数据。

工业应用实例：
贵州平坝化肥厂1989年筹建4万吨/年硫酸装置，1992底峻工投产，电除雾器的高压整流采用我厂HL-Ⅱ恒流高压直流电源自92年投运至今通过短路、开路、喷水试验均达到技术要求。1993年测得平均酸雾含量见表
表七 贵州平坝化肥厂硫酸电除雾月平均酸雾含量统计表

月份	3	4	5	9	10	11	12
平均酸雾含量（g/m3）	0.00229	0.0053	0.00169	0.0068	0.0032	0.0047	0.0032

无锡硫酸厂在三废综合治理改造中，硫酸生产能力扩大到80ht/a为节省投资，净化工序采用一级电除雾器（塑料集束管型216管）选用我厂HL-Ⅲ型静电沉积用恒流高压直流电源，用户反映自1994年5月上旬硫酸生产系统投产后电源运行情况十分良好，操作方便，稳定性好，抗电晕闭塞能力强，当系统含尘较高和出现升华硫时，二次电压自动升高，防止了矿尘和升华硫在电晕极上粘结。
表八 无锡硫酸厂95、96两年月平均酸雾浓度
95年硫酸电除雾月平均出口酸雾统计表（g/m3）

1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
0.0087	0.011	0.011	0.0073	0.0074	0.0080	0.0065	0.013	0.022	/	0.0099	0.0095

96年硫酸电除雾月平均出口酸雾统计表（g/m3）

1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
0.014	0.011	0.011	0.0085	0.011	0.0093	0.016	0.014	0.0075	0.0095	0.0061	0.011

韶关冶炼厂以生产精铅、精锌为主，年产量约20万吨，硫酸14万吨在铅锌矿的烧结过程中产生大量金属粉尘和二氧化硫，在96年改造中采用HL-Ⅲ型恒流源用于二个系统的电除雾上，经一年多运行性能稳定，出口酸雾量低于国家标准。
表九 九七年月平均出口酸雾含量统计表（g/m3）

	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月
一系统	0.0031	0.0045	0.0032	0.0024	0.003	0.004	0.0028	0.0037	0.0038	0.0024	0.0016
二系统	0.0054	0.005	0.0037	0.0039	0.0061	0.0037	0.0034	0.0053	0.0062	0.0028	0.0032

结束语
作为恒流技术本身是来自于中国科学院上海光学精密机械研究所的一项军工项目的单元技术，作为这一技术拓展到静电沉积领域是由该所创办的上海激光电源设备有限公司开展的，经过十年的发展，该产品已经从最初的I型发展成目前约Ⅲ型，并形成了相关的多项专利，是1997年国家环保局最佳实用技术的依托单位，1994年的国家级重点新产品。
通过三千多台套的工业应用，我们得到了诸多领域的应用经验，并取得了显著的社会效益和环境效益。