電除塵（霧）器的高壓供電技術(shù)

摘要：闡述了電除塵（霧）油器高壓供電系統(tǒng)中的幾種不同供電技術(shù)，及其對電除塵（霧）器的適應(yīng)性；并詳述了恒流供電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1． 前言
隨著靜電技術(shù)的發(fā)展，電除塵和電除霧廣泛地應(yīng)用在硫酸工業(yè)上，其基本原理是讓塵粒和酸霧以荷電粒子在電場中受力作定向運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的，因此為了提高沉積效率，除研究改進(jìn)電場本體的結(jié)構(gòu)外，供電方式的影響，也是靜電沉積領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，磁飽和放大器電源、可控硅電源和L-C恒流電源先后均得到了廣泛應(yīng)用，其中磁飽和放大器電源由于其本身的弱點(diǎn)在電源特性、控制特性和功耗等缺陷，目前已很少使用，而L-C恒流電源由于其優(yōu)異的電源特性，從八十年代中期開始廣泛地被使用在電除塵（霧）器上。
2． 恒流源與可控硅電源運(yùn)行特性上的區(qū)別
可控硅電源

圖一 可控硅電源電路原理

如圖一所示，可控硅電源主要是通過兩個(gè)反向并聯(lián)的可控硅TH1，TH2控制高壓整流變壓器一次側(cè)電壓，整流變壓器將該電壓升壓后經(jīng)高壓硅堆整流處理得到所要求的直流電壓，改變可控硅的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)高壓輸出的平均電壓，反饋控制的基本原理是通過反饋信號綜合放大與預(yù)置值進(jìn)行比較后控制可控硅的觸發(fā)角，達(dá)到控制輸出電壓的目的，其主要功能一是對信號綜合處理后確定輸出相位以決定可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的電壓跟蹤，二是在火花放電時(shí)，封鎖可控硅，從而達(dá)到熄弧或閃絡(luò)封鎖的目的。
從以上的原理性分析可以看出，可控硅電源是以電壓源供電為基礎(chǔ)的，因此可以用圖二來分析它所需要的反饋特性。由于塵粒和酸霧呈較高的比電阻，所以它的濃度增加將使本體對外的等效阻抗增加，這也是使用靜電沉積技術(shù)進(jìn)行靜電沉積的技術(shù)基礎(chǔ)。 I=U/Z p=UI=U2/Z

圖二 電壓源供電等效原理

如圖二所示U為電源電壓可以通過可控硅的導(dǎo)通角來改變，Z為電除塵器的等效阻抗，I為電除塵器的供電電流。所以根據(jù)歐姆定律得到表一的跟蹤特性。
表一 電壓源供電的負(fù)載跟蹤特性

另一方面，當(dāng)電除塵油器內(nèi)部發(fā)生火花放電時(shí)，則Z為火花通道的等效阻抗，隨著放電的發(fā)展Z是下降的，若發(fā)展到電弧，只有幾個(gè)歐姆，但需要不斷注入能量，因此根據(jù)圖二將得到表二的結(jié)果。
表二 電壓源供電的火花抑制特性

由以上的分析可以得出這樣一個(gè)結(jié)果，用電壓源供電時(shí)電源的輸出功率與塵粒和酸霧濃度的變化成負(fù)反饋，而與火花放電的發(fā)展成正反饋，因此可控硅電源的工作基礎(chǔ)是反饋控制回路的特性，目前由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的使用，使得可控硅電源的可靠性和運(yùn)行性能得到了很大的發(fā)展，但由于可控硅是被動(dòng)關(guān)斷器件，在導(dǎo)通周期以內(nèi)是不受控的，所以火花擊穿的臨界電壓較低，電暈電流也難以控制，影響沉積效果。

恒流電源

圖三 HL-Ⅲ 恒流電源電路原理
恒流高壓直流電源的電路包括三個(gè)部分，如圖三所示，第一部分L-C變換器，它是由電感L和電容C組成的一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，將電壓源轉(zhuǎn)換成電流源，第二部分直流高壓發(fā)生器，主要由高壓變壓器和整流橋組成，第三部分反饋控制主要由半導(dǎo)體器件和接觸器構(gòu)成。

圖四 電流源供電等效原理圖
如圖四所示，是用電流源供電的物理模型，I為電流源的輸出電流，可以通過L-C組的數(shù)量等方式來調(diào)節(jié)，Z為電除塵器的等效阻抗，U為電除塵器的供電電壓，所以根據(jù)歐姆定律得到表三的跟蹤特性。
表三 電流源供電的負(fù)載跟蹤特性

當(dāng)電除塵器內(nèi)部發(fā)生火花放電時(shí)，用電流源供電時(shí)則得到如表四的火花抑制特性。
表四 電流源供電的火花抑制特性

3． 恒流源的技術(shù)特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用實(shí)例：
恒流源供電能顯著提高除塵器的運(yùn)行電壓
電場某一局部由電暈放電向火花擊穿過渡是需要時(shí)間和功率的，脈沖供電控制電壓脈沖寬度，使得電場還來不及發(fā)展成火花擊穿，電壓脈沖就結(jié)束了，于是提高了火花擊穿的臨界電壓，對可控硅電源來說，可控硅一旦導(dǎo)通切出一塊電壓U以后，向放電區(qū)饋送的功率為U2/Z，由電暈放電向火花擊穿過渡時(shí)，放電區(qū)的等效電阻Z隨離子濃度的增加面減小，這就促使U2/Z更大，放電更容易發(fā)展，Z進(jìn)一步降低，這相當(dāng)于一個(gè)正反饋的物理過程，于是很容易導(dǎo)致火花擊穿，而電流源供電時(shí)，情況正好相反，這時(shí)向放電饋送的功率為I2R，R減小I2Z也減小，抑制了放電的進(jìn)一步發(fā)展，這相當(dāng)于一個(gè)負(fù)反饋的物理過程，因此火花擊穿的臨界電壓明顯提高。

以吉化公司染料廠為例，在硫酸電除塵器上做了一次典型的對比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表所示，試驗(yàn)所用的電場是該廠自行設(shè)計(jì)，上海冶礦廠制造，流通面積約30m2，靜態(tài)空氣介質(zhì)。
表五 不同供電方式的火花擊穿電壓

恒流供電能保證足夠的電暈電流而不容易轉(zhuǎn)化為貫穿性的火花擊穿，實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)跟蹤。
可控硅電源供電時(shí)，控制量實(shí)際上是電壓，而電流是隨機(jī)量。在阻抗?jié)舛容^大，集塵極積塵較厚時(shí)，電暈電流往往變得很小。電流源供電時(shí)，控制量是電流。不論工況如何，電暈電流是可以根據(jù)需要來確定的，而電壓是隨機(jī)量，與前者正好形成對偶關(guān)系。
電源源供電可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)跟蹤，而不需要任何反饋控制電路。例如含塵（霧）濃度增加時(shí)，宏觀體現(xiàn)為放電區(qū)的等效電阻增大。由于外電路提供的電流不變，所以電場上的電壓就自然上升了。此外，能有效克服電暈電流"閉塞"現(xiàn)象，對電極肥大的適應(yīng)性也較強(qiáng)，電極肥大或集塵極積塵加厚時(shí)，電壓同樣會(huì)自動(dòng)上升，而可控硅電源供電時(shí)，在上述情況下，電壓需要通過反饋來控制可控硅的導(dǎo)通角來提高電壓，這就必然帶來幾個(gè)工頻周期的延時(shí)，若電源和本體配置不當(dāng)，導(dǎo)通角已到最大，則控制無法進(jìn)行，只能是電流下降的結(jié)果。
因此，恒流供電能大大提高沉積效率，由于采用恒流供電技術(shù)，注入到電場的電功率增加，所以除塵除霧效率得到了明顯的提高。這可以從表六中數(shù)據(jù)得到反映。
表六 一級電霧主風(fēng)機(jī)出口含量（mg/m2）

運(yùn)行可靠性高
我廠恒流源沒有復(fù)雜的電子線路，無接插件，允許高壓持續(xù)短路和突發(fā)短路（相當(dāng)于電場的頻繁火花放電），不會(huì)燒壞任何元件。
對于除酸霧的塑料電場本體來說恒流還有一個(gè)重要意義，當(dāng)火花擊穿時(shí)，不易燒穿塑料陽極筒壁。

節(jié)電效果明顯
功率因素高，COSφ=0.9~1 。而且不隨運(yùn)行的功率水平變化，可以顯著降低前級供電變壓器的容易并節(jié)能。

高壓發(fā)生器的體積重量比可控硅電源小得多，在一些無防爆要求的場合，高壓發(fā)生器可以直接裝在電場本體頂部。

具有過電壓、持續(xù)欠電壓和過氧保護(hù)電路，能自動(dòng)報(bào)警和跳閘。
L-C 電源的出現(xiàn)，給靜電沉積技術(shù)帶來了新的特點(diǎn)，在化工、冶金、建材、紡織和發(fā)電等行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，取得了始料未及的效果，運(yùn)行效率明顯提高。現(xiàn)列出幾個(gè)廠家使用恒流源除酸霧實(shí)測數(shù)據(jù)。

工業(yè)應(yīng)用實(shí)例：
貴州平壩化肥廠1989年籌建4萬噸/年硫酸裝置，1992底峻工投產(chǎn)，電除霧器的高壓整流采用我廠HL-Ⅱ恒流高壓直流電源自92年投運(yùn)至今通過短路、開路、噴水試驗(yàn)均達(dá)到技術(shù)要求。1993年測得平均酸霧含量見表
表七 貴州平壩化肥廠硫酸電除霧月平均酸霧含量統(tǒng)計(jì)表

無錫硫酸廠在三廢綜合治理改造中，硫酸生產(chǎn)能力擴(kuò)大到80ht/a為節(jié)省投資，凈化工序采用一級電除霧器（塑料集束管型216管）選用我廠HL-Ⅲ型靜電沉積用恒流高壓直流電源，用戶反映自1994年5月上旬硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)后電源運(yùn)行情況十分良好，操作方便，穩(wěn)定性好，抗電暈閉塞能力強(qiáng)，當(dāng)系統(tǒng)含塵較高和出現(xiàn)升華硫時(shí)，二次電壓自動(dòng)升高，防止了礦塵和升華硫在電暈極上粘結(jié)。
表八 無錫硫酸廠95、96兩年月平均酸霧濃度
95年硫酸電除霧月平均出口酸霧統(tǒng)計(jì)表（g/m3）

韶關(guān)冶煉廠以生產(chǎn)精鉛、精鋅為主，年產(chǎn)量約20萬噸，硫酸14萬噸在鉛鋅礦的燒結(jié)過程中產(chǎn)生大量金屬粉塵和二氧化硫，在96年改造中采用HL-Ⅲ型恒流源用于二個(gè)系統(tǒng)的電除霧上，經(jīng)一年多運(yùn)行性能穩(wěn)定，出口酸霧量低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
表九 九七年月平均出口酸霧含量統(tǒng)計(jì)表（g/m3）

結(jié)束語
作為恒流技術(shù)本身是來自于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的一項(xiàng)軍工項(xiàng)目的單元技術(shù)，作為這一技術(shù)拓展到靜電沉積領(lǐng)域是由該所創(chuàng)辦的上海激光電源設(shè)備有限公司開展的，經(jīng)過十年的發(fā)展，該產(chǎn)品已經(jīng)從最初的I型發(fā)展成目前約Ⅲ型，并形成了相關(guān)的多項(xiàng)專利，是1997年國家環(huán)保局最佳實(shí)用技術(shù)的依托單位，1994年的國家級重點(diǎn)新產(chǎn)品。
通過三千多臺(tái)套的工業(yè)應(yīng)用，我們得到了諸多領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益。