摘要：静电除尘器在发电厂等输煤系统中的应用较为广泛，但在沿海港口煤炭码头中应用较少。除了静电除尘器设备的一次投资比其它干式除尘器大以外，主要还是对于其能否适应港口煤码头作业量大、煤品种类复杂、工况条件多变存有疑虑。
为此，本文对静电除尘器在煤尘环境中运行的若干技术难题进行阐述，并结合静电除尘器在神华天津煤码头运行10年中出现的典型问题进行分析。
一、静电除尘器在神华天津煤码头的应用
神华天津煤炭码头有限责任公司位于天津港南疆港区东部，拥有1个15万吨级及2个7万吨级泊位，采用火车集港、船舶疏港的作业模式，设计作业能力为4000万吨/年。港口的主要装卸工艺有翻卸车、输送、堆料、取料和装船作业，即铁路车辆到港后经过翻车机卸车、经由皮带输送系统运送至堆场，经堆料机堆垛；或者由取料机取料、经由皮带输送系统运至装船机装船。由于在煤炭的输送过程中不可避免的造成一定高度落差，这就致使煤尘形成了扩散，进而造成环境污染。神华天津煤码头在翻车机漏斗及各个转接塔均配置了静电除尘器，作为转接位置控制煤尘污染的主力环保设备。
图1 静电除尘器系统结构图
二、静电除尘器关键技术原理及应用中的关键问题
静电除尘器作用原理是工作时，在其内部的放电极和收尘极间在高压静电电源供电时形成了一个直流电场，在电场强度足够大的情况下，阴阳极之间的空气产生电离。当含尘气体通过该电场时，电离的空气离子使尘粒荷电。荷电尘粒在电场力的作用下，定向迁移至收尘板，并在收尘板上沉积。
根据静电除尘器的工作原理，静电除尘器想要在港口实际应用，并取得良好效果，要特别解决好以下两个技术要点：
（一）高压系统中电源的选择
在静电除尘器选型时，高压系统中电源的选择是核心的技术关键。一般可分为直流供电方式、间歇供电方式和脉冲供电方式。
1.直流供电方式
电除尘器使用的常规高压供电装置，一般都是由控制系统、变压器和整流器
装置组成，采用工频交流电源。硅整流器被普遍应用，电除尘器的供电方式都是将工业交流电转换成高压直流电给电除尘器供电。这种供电方式相对与之前的方式具有体积小、整流效率高、寿命长、机械性能好的优点，但它的缺点也是明显的：电源效率低，一般只有70%-80%、交流输入端电流谐波大，对电网有较大影响、变压器体积很大，成本高。
2.间歇供电方式
间歇供电的最大不同是在晶闸管控制电路上加了周期性的阻断电路。通过这个电路来控制晶闸管的关断，从而获得电除尘器上的间歇电流。导通时间和关断时间可以通过调节器来手动调节或者通过自动控制电路来自动调节。电流值可以通过火花率控制或电流极限控制来自动调节。
间歇供电可降低极间平均电压，增强了振打的清灰效果，减小极板平均积灰厚度，从而提高了电极放电性能，有效抑制反电晕的产生，故适于高比电阻粉尘和易产生反电晕的静电除尘器。间歇供电所消耗的平均功率远低于常规工频整流，能耗近似与占空比成正比，所以在高比电阻产生反电晕时，间歇供电表现出最好的减小能耗的效果。但间歇供电要求变压器的容量和瞬间输出功率提高且在低比电阻时，降低电场平均电压反而可能增大二次扬尘，故其应用有一定的局限性。
3.脉冲供电方式
从上世纪 80 年代开始，脉冲供电技术的可行性逐渐成熟，全球也逐步开始了对现有高压直流电源的改进，以期实现电除尘器的脉冲供电，其中比较典型的有以下几个：F.L.Smidth 的微秒级脉冲供电技术[10]；GEESI 设计宽脉冲系统；Ion Physics 的脉冲电源研究；Flakt 的脉冲供电系统；Lucidyne 脉冲供电系统；Masuda 的微秒级脉冲供电系统。
纵观以上的几种应用，GEESI 和Ion Physics 的宽脉冲系统由于脉宽过高，导致供电效率不高，达不到最佳脉冲供电的要求。Lucidyne 脉冲供电系统虽然除尘效率增加了30%，但是由于有严重的可靠性和维护方面的问题，也不够理想。F.L.Smidth 和Masuda 的微秒级脉冲供电技术是比较成功的，其中F.L.Smidth 系统的典型参数是脉冲宽度 50-200μ s，脉冲重复频率 25-400 pps，基础直流电压 40 kV，脉冲幅值60 kV。
在神华天津煤码头配置的静电除尘器采用的是恒功率高压脉冲电源，该脉冲式电源相对于直流供电电源和间歇供电电源具有电源设备尺寸小、电源效率高、对电源输入端谐波影响小等优势。同时，脉冲式电源可不受煤尘组份、运行温度和煤尘比电阻的限制。由此可见，采用脉冲式电源不仅可以降低一次投入费用和运行费用，还可以最大程度提高静电除尘器的适用性。
同时，神华天津煤码头配置的脉冲电源为恒功率电源。恒功率电源具有较高的抗短路特性，可以较好地解决绝缘子阻值降低的问题。在沿海港口使用静电除尘器时，因为现场环境湿度和昼夜温差都很大，除尘器内部的高压绝缘子很容易结露，并沾染煤粉尘，使得绝缘子的绝缘阻值大幅降低，最终导致绝缘破坏，绝缘子表面形成“污闪”，使静电除尘器无法正常工作。恒功率电源在除尘器绝缘子表面有水分存在的情况下，可以在投入使用的数分钟内，迅速蒸发绝缘子表面水分，从而使高压绝缘子的绝缘性能迅速恢复。而常规的高压电源在同样条件下，因不具备较高的抗短路特性，会导致电源设备无法正常工作。
（二）除尘器内的煤尘防燃防爆问题
1）煤尘在除尘器内的防燃主要需要考虑的是解决煤尘在除尘器内的自燃。煤尘的自燃主要是由煤尘在除尘器内长时间堆积而引起的。因此，主要采取以下措施，防止煤尘在除尘器内部燃烧：
2）除尘器内部构件均采用坡度结构，容易积灰的角落采用圆角或三角板结构，从结构设计上避免积灰。而且，在收灰斗侧壁设置振壁器，防止煤尘在斗壁粘积。
3）定时卸灰，确保收灰斗内无大量积灰。根据作业煤种的不同，充分考虑作业可能产生的收灰量，适时调整卸灰频次。
2.煤尘在除尘器内的防爆主要需要考虑的是煤尘浓度过高，可能引起的粉尘爆炸。因此，主要采取以下措施，防止除尘器内部出现过高的煤尘浓度。
1）集尘板的振打采用停机振打模式。在除尘器运行期间不进行振打，只有在除尘器停止运行，高压系统和风机完全断电的前提下，才进行振打。这是因为在振打过程中必然造成除尘器内部煤尘浓度大幅上升，在此期间完全关断高压系统，可以完全消除由于震打作业产生煤尘爆炸的可能性。而关断风机，则是为了避免二次扬尘造成煤粉从除尘器内部逃逸至外部。
2）在除尘器本体顶部安装有足够面积的防爆阀。当除尘器由于其他原因发生内部爆燃时，除尘器内部气压超过0.1MPa时，防爆阀中的防爆膜最先破裂，达到自动卸压、保护除尘器本体的目的。
三、静电除尘器实用典型问题的分析
在静电除尘器早先投入运行的四年时间之中，除尘器运行平稳，除尘效果良好。但在设备投入运行的第五年开始，设备故障率陡然增加，且故障分散在很多设备中，故障表现却十分相似，故障多发生于秋冬两季，故障的主要表现有如下三点：
（一）用于控制高压系统的电源控制板频繁损坏，最严重时曾出现过新控制板安装后3个月即再次发生故障的情况。
（二）除尘效果大幅降低，一方面在与之前相近的作业工况下，所能卸出的收集煤尘大幅减少，另一方面转接点的除尘效果也有弱化迹象，部分转接塔曾出现在除尘器运行时，仍有大量煤尘从转接点的集尘罩内溢出；
（三）除尘器本体内凝露明显增加，严重时甚至有成流的凝结水从关闭的卸灰口溢出。
当此类故障集中发生时，已严重影响了静电除尘器的运行，因此我们首先对所有的静电除尘器均进行了全面的普查，经检查发现故障的除尘器均存在以下异常情况：
（一）故障除尘器均存在本体内部凝露极为严重的情况，凝露位置包含极板、极线、绝缘子等全部主要的结构件，而对比运行正常的电除尘器，其内部则没有类似情况。
（二）故障除尘器启动后，变压器一、二次电流极不稳定，从电流表观察电流在相当大的范围内进行不停地变化。而正常运行的除尘器，其变压器一、二电流都呈现稳定状态。
在明确了故障除尘器普遍存在的本体内部和电气控制上的异常状态后，随机选择一台故障设备，按照从集尘侧--除尘器本体—风机—尾部排气侧的顺序，逐步进行了细致的检查、测试，检查结果如下：
（一）在集尘口处发现部分集尘风管前端的电动翻板故障，故障的电动翻板均为完全打开的状态，无法关闭。
（二）集尘风管积煤严重，因集尘风管没有设置观察孔，风管系统各部分由法兰盘连接而成，不利于检修维护工作的开展。因此，集尘风管内成了检查、维护的死角。
（三）对故障除尘器运行时，本体内部进入的煤尘烟气进行了分析，发现设备运行时能进入除尘器本体的烟气量较少。
（四）在风机、阀门以及尾部排气侧没有发现异常。
通过对一台故障设备的细致排查，基本可以确定故障是发生在集尘侧至除尘器本体，而且故障发展的过程也可初步推断出来。
神华天津煤码头配置的静电除尘器均设置于各个输送转接点处，而且为了提高静电除尘器的设备利用率，单台除尘器作用于相邻的多个转接点，一般一台除尘器有2~3个集尘口分布在相应的转接点处。在集尘风管前端设置电动翻版的作用在于对应不同的作业流程，使不同的集尘口起作用。而电动翻板故障后，则导致两个后果：
（一）在除尘器运行时，除尘器会从真正作业的集尘口和电动翻板已经故障但没有实际作业的集尘口（以下简称“故障集尘口”）同时吸入气体。在秋冬两季，一般煤料由于堆垛等原因，煤堆内部煤料的温度远高于现场温度，除尘器从真正作业的集尘口吸入的温度较高。但是，除尘器从故障集尘口吸入的气体为现场气体，温度较低。这样，在除尘器运行，冷热两股烟气就会在集尘风管汇聚，直接凝结为水汽。凝结后的水汽与煤尘混合后，直接粘接于风管壁，除尘器长期运行在此工况下，便导致了风管内的积煤逐渐曾多。
（二）在除尘器停止时，由于故障集尘口的电动翻板不能关闭，导致现场的气体会直接进入除尘器本体内部。而在秋冬两季，昼夜温差大，空气湿度也大，进入除尘器本体空气中的湿气在温度变化作用下，凝结于风管壁和除尘器本体内部的各个部位。
正是由于上述两点作用，才导致了集尘风管内积煤严重以及除尘器内部严重凝露。而除尘器内部严重凝露也会导致两个严重后果：
（一）除尘器在本体内部的绝缘子上凝露，煤尘会粘连在绝缘子上，造成绝缘子的绝缘性能强烈降低。由于神华天津煤码头静电除尘器配置电源型式为恒功率电源，其具有较高的抗短路特性，可以迅速蒸发绝缘子表面的水分。但是，在绝缘子表面凝露过多的情况，恒功率电源在除尘器启动时，必然将长时间输出较高的电流，这也就是故障除尘器启动时，变压器一、二次电流极不稳定的原因。而且，由于故障集尘口的原因，绝缘子表面凝露过多的情况也就不。因此，恒功率电源总会长时间输出过高的工作电流，而这也就是导致电源控制板频繁损坏的原因。
（二）除尘器在本体内部的集尘板上凝露，煤尘会粘连在集尘板上，造成集尘板对煤尘收集能力大幅降低。由于集尘板上凝露，煤尘会以湿煤尘，甚至是煤泥的形式附着于集尘板上，即使经过了振打过程，集尘板上煤尘也不能全部清除。这样，集尘板在其上面粘着的煤尘以及高湿度的影响下，集尘效果急剧降低，在极端情况下甚至会产生反电晕现象，在集尘表面造成严重的二次扬尘。
至此，本次静电除尘器发生故障的原因已经找到，根本原因是集尘风管前端的电动翻板故障，导致故障进一步发展的原因是风管和本体内产生了大量的凝露，而故障最终导致的后果为风管严重积煤、高压系统控制板件频繁损坏，致使静电除尘器除尘效果大幅减低，甚至无法正常运行。
找到故障原因后，在对故障部件进行修复、异常部位故障进行排除的同时，对除尘器的作业方式进行了调整。通过本次故障，发现恒功率电源虽然有较高的抗短路特性，但是不能依靠该特性来解决除尘器本体内部的绝缘子表面凝露问题，应尽量避免该类情况的出现。为此，对除尘器的作业方式进行了调整：一方面对于即将作业的设备，让其提前10分钟启动风机，用以对除尘器本体内部进行除湿干燥。待10分钟后，再启动高压系统。另一方面，24小时都未投入作业的除尘器，在每天中午左右启动风机15分钟，用以对除尘器本体内部进行除湿干燥。
在本次故障修复后，并对除尘器的作业方式调整后，神华天津煤码头配置的静电除尘器再未发生过类似问题，而且即使在秋冬两季的大雾天气，静电除尘器的工作电流也十分平稳。
四、综述
较之其它干式除尘工艺相比，静电除尘器的运行时间表明其在除尘能力、控制水平、维护量和稳定性等方面有一定优势，同时一次投资费用不高、耗能较低、具有较好的性价比。目前神华天津煤码头应用静电除尘器已有10年左右，事实证明恒功率脉冲式电源型静电除尘器可完全适用于北方沿海煤炭散货港口。在静电除尘器实际运行中，只要完全摸清其工作特性，适时地对其工作方式进行微调，便可以使其完全地适应现场工况。
参考文献：
[1]吴妹，高压静电除尘技术在港口中的应用[J]，中国水运，2010.10
[2]耿涛，电除尘器脉冲供电的技术途经研究[D]，上海交通大学，2009.01
[3]乔勇，电除尘器在神华天津煤码头输煤系统中的应用[J]，港口装卸，2009，No.2
论文作者:王培
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/21
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