靜電除塵用跟蹤臨界火花點三相整流技術研究

　　1 引言

　　影響靜電除塵器(ESP)性能的主要因素為本體結構，高壓直流供電電源和運行工況。本體結構主要由電暈極、集塵極及振打單元等組成，包括集塵面積、同極距等參數。運行工況主要包括煙氣、粉塵性質等。在ESP本體結構確定，供電電源在適應運行工況要求的前提下，能否改進?以提高靜電除塵器的整體性能指標，是值得深入探討的課題。

　　2 靜電除塵的物理過程

　　臥式ESP的電暈極(陰極)外形為尖端狀，集塵極(陽極)外形為板狀，通常兩極間距為150-200(mm)。運行時，電暈極接至高壓直流供電電源的負極，集塵極接至高壓直流供電電源的正極且接入大地作為零參考電位，兩極間形成的電場屬于極不均勻電場。

　　多依奇除塵效率公式：

　　式中:η為除塵效率;運行工況一定時A(集塵面積)/Q(氣體流量)為常數;v為荷電塵埃粒子移向電極(主要指集塵極)的驅進速度。

　　由公式(1)得出，除塵效率η隨荷電塵埃粒子的驅進速度v的增長呈指數規律增長。v主要與荷電塵埃粒子的荷電量成正比，荷電量愈大則受電場力的作用愈大。荷電量大則應在電暈外區空間存在的自由電子和負離子的密度要大，電暈內區在單位時間內生成的自由電子、正離子和負離子的密度要大，自持電暈放電要更強烈。

　　如何實現自持電暈放電更強烈?湯遜(Townsend)理論給出了解釋，認為自持放電主要是由電子的碰撞電離和正離子在陰極上釋放二次電子形成的，連續碰撞電離形成電子崩式電暈放電，即α(電子電離系數)過程。α表示一個電子由陰極到陽極每1cm路程中與氣體質點相碰撞所產生的自由電子數(平均值)。

　　數學表達式：

　　式中：A、B為與氣體性質相關的常數;P為大氣壓力;E為電場強度。

　　由公式(2)看出α值對E值變化非常敏感，呈指數規律響應。E值正比于外加高壓直流供電電源的輸出電壓Vd值，即α值隨直流電壓Vd幅值的增長呈指數規律增長。α值愈大，空氣中電子、離子的密度愈大。但是，Vd幅值不能無限提高，在電暈極與集塵極間隙一定時，Vd有一個極限值Vdmax，超過此值則產生火花放電(氣體被擊穿)，造成除塵過程中斷，除塵效率降低，空氣導電的伏安特性說明了此過程，如圖1所示。

　　圖1 空氣導電伏安特性

　　Vd≥5(Vdmax)時，此階段產生火花放電，造成電離電流Id急劇增長，直流電壓Vd急劇下降，通常高壓供電電源立即中止供電。

　　4

　　湯遜用放電的碰撞理論闡述了氣體放電的基本過程，但對于間隙(δS)>0.26cm時的一些放電現象的解釋還不是很完善。例如，ESP運行時，煙塵濃度的變化對火花放電的影響?

　　對此，流柱理論給出了解釋，認為電子的碰撞電離和空間光電離(二次電子崩)是形成自持放電的主要因素，并強調空間電荷畸變電場的作用。所謂流柱，是受電場力作用的帶電粒子在兩極之間空間上的堆壘，是充滿正負帶電粒子的混合通道、電離通道。當流柱通道把兩極接通時，將導致火花放電。所以，煙塵濃度增加時，由于荷電塵埃粒子的增加提高了流柱延伸的速度，所以在較低的Vd幅值時，就可以出現火花放電。

　　火花放電時，由于電子、離子直接由一極躍馳至另一極，所以煙塵荷電的幾率趨于零，此時供電電源的交流側輸入電流通常是額定值的5倍左右，火花最小延遲時間約為10ms。因此，火花放電工況，既降低除塵效率又耗費電能，對靜電除塵運行是不利的。

　　綜上所述，提出控制策略：為追求靜電除塵增效節能的目標，高壓直流電壓Vd幅值的工作點應控制在自持電暈放電階段，并且盡量趨近Vdmax值，即臨界火花點，使得α(電子電離系數)穩定地維持在極大值的狀態，但是要盡量避免出現火花放電工況。

　　按此控制策略，可以對不同主電路拓撲結構方案的高壓直流輸出電壓的波形參數及不同的調節規律進行分析。此處，輸出電壓的平均值電壓Vd與峰值電壓Vp的比值(紋波系數)盡量小是使工作點能夠穩定地控制在臨界火花點運行的基礎。

　　3 不同主電路方案直流輸出電壓的波形參數及供電功率

　　直流電源按其工作原理不同分為線性電源與開關電源。目前，靜電除塵用高壓直流供電電源主要為線性可控硅交流相控調壓電源，主電路結構上分為單相可控硅交流相控調壓方案與三相可控硅交流相控調壓方案。