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摘 要：针对除尘器效率与节能问题，本文分析了对电除尘器的除尘效率与节能影响最大的反电晕现象和节能潜力，对直流供电方式和脉冲间歇供电方式进行了对比，针对间歇供电方式的准确、方便控制，分析了晶闸管调压式高压除尘电源与大功率高频开关的特点，后者能显著地提高静电除尘的效率。
关键词：反电晕，间歇供电，除尘效率，节能
1、 引言
反电晕现象是电除尘器收集高比电阻粉尘时出现的重要现象之一。反电晕现象的产生会降低电场的击穿电压、产生异号空间电荷并中和起收尘作用的电荷，造成严重的二次扬尘，导致除尘效率大幅度下降或使得除尘器难以正常工作，另外还消耗大量的电能。目前为除尘器研究合适的供电电源技术，已经成为电除尘器节能提效的关键。高频高压供电电源具有控制方式灵活、输出高电压波形可控、闪络后关闭速度快和重启迅速等优点，是当今国内外静电除尘电源的主要研究发展方向。其中瑞典ALSTOM公司和丹麦SMITH等公司的产品是国外高频高压电源的典型代表。国内以福建龙净环保股份有限公司和武汉国测数字技术有限公司等企业也开展了富有成效的工作。研究高频高压供电电源，使电除尘器的实际排放浓度不仅能达到国家允许排放标准，而且显著降低电除尘器的运行电耗，具有十分重要的经济意义。
2、影响除尘效率与电能消耗的主要因素
2.1 粉尘比电阻对除尘效率的影响[1-3]
粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的指标。静电除尘器适合于捕集比电阻介于104～5×1010Ω·cm之间的粉尘。粉尘比电阻过高或过低都会导致除尘效率下降。当粉尘比电阻小于104Ω·cm时，粉尘的导电性能好，带负电的粉尘到达集尘极后，粉尘的负电荷被中和并带上与集尘极相同的正电荷。由于极性相同，会把带电的粉尘推向气流中，粉尘在集尘极板上产生跳跃现象，不能很好的吸附，最后可能被气流带出电除尘器。若粉尘的比电阻超过5×1010Ω·cm时，电除尘器的性能就随着比电阻的增高而下降。这是因为沉积在集尘极表面上的高比电阻粉尘层限制了电晕电流的通过，最终将导致除尘效率大幅度下降。若粉尘的比电阻超过 1011Ω·cm时，粉尘的导电性能差，粉尘所带的电荷不易释放，随着沉积在集尘极板上的粉尘层的增厚，释放电荷就更加困难。当粉尘到达集尘极后，粉尘层与极板中间就容易出现一个短距离的新电场。此时，一方面由于粉尘层表面电荷极性与放电极极性相同，而排斥后来的荷电粉尘；另一方面由于粉尘层电荷释放缓慢，在层间逐步形成较大的电位梯度。结果电除尘的收尘场强大大降低，电晕显著减少，空间电场强度减弱，收尘效率变得很低[2,3]。除尘效率与粉尘比电阻的关系如图1所示。
图1比电阻与除尘效率的关系
2.2反电晕现象对除尘效率和电能消耗的影响[4,5]
反电晕就是指沉积在集尘极板表面上的高比电阻粉尘所产生的局部放电现象。根据欧姆定律，集尘极和粉尘层中间的反电晕电场强度为；
（1）
式中， 为反电晕场强，V；
J为粉尘层的电流密度，A/cm2；
为粉尘层的厚度，cm；
为粉尘比电阻， 。
从上式可看出，带负电的粉尘越积越多，新电场就越来越强。当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，在某些部位空隙开始电离，出现粉尘层局部击穿。结果形成与原来的电晕放电方向不一样的反电晕放电现象。电除尘器的除尘过程和反电晕现象如图2所示。当产生反电晕现象时，产生与电晕极极性相反的正离子，所产生的正离子向电晕板运动，碰撞从电晕极向集尘极驱进的负电离子并产生中和。反电晕现象使得尘粒脱离集尘极，向放电极运动。其结果是二次电压下降，二次电流增大，粉尘二次飞扬严重。这些都影响除尘器的性能，降低除尘效率，消耗大量的电能。反电晕现象在高比电阻粉尘工况下很严重。由此可知，必须抑制反电晕现象，才能达到提高效率与节约电能的目的。
（a）电除尘器的除尘过程示意图
(b) 电除尘器的反电晕过程示意图
图2电除尘器的除尘过程与反电晕示意图
2.3除尘所需的电能分析[6-8]
在正常工况下，随着电晕电流的增大，电场空间中的自由电荷也随之增多。这使得更多的粉尘颗粒荷电，收尘效果也越好。然而，如果仅仅提高供电电压，随着电晕电流的增大，空间中自由电荷增多，没有与粉尘粒子荷电而直接流向集尘电极的自由电荷数量也增加，这部分电能不是作用于收尘，而是白白地消耗掉了。并且在工况不变的情况下，这种电能的浪费随着电晕功率的提高而增大，虽然提高了除尘效率，但却以电能的大量消耗为代价，得不偿失。
美国学者怀特对电除尘分离粉尘粒子所需要能量做了深入的研究，认为从气体中分离出粉尘粒子所需的电能很小，这是根据气流尘粒的粘滞力和粒子向着集尘电极运动所经过的距离计算出来的。理论计算的结果表明，不论是什么样的尘粒，分离出粉尘粒子所消耗的电能量都是很少的，整个电量消耗大约只占除尘电量的2%左右。理论上功率消耗值与实际运行的电除尘器所消耗的功率值偏差很大。虽然可能有其他没有估计到的因素，但至少从上述分析可知，电除尘器节能潜力很大。
经过分析研究发现，出现如此大的差距主要是因为火花整定方式下的电能利用率极低。电除尘器在实际运行过程中，用于高压除尘的电能消耗可分为3类：第一类是“有效”电能，用于粉尘的荷电与捕集：第二类是“反效”电能，对粉尘的荷电与捕集起破坏作用，如反电晕、二次扬尘等：第三类是“无效”电能，是介于上述两者之间，既不有利也不有害的电能，如电晕放电过程中没有作用于粉尘的电荷与集尘极捕集到的多余电荷等。
“反效”电能与“无效”电能亦称“浪费”电能。在电除尘器实际运行过程中，有效、反效、无效电能是交织在一起的。在总的电能消耗中，有效电能的比例很小，反效和无效电能占了绝大部分。因此，通过先进的技术措施提高有效电能比例，降低反效与无效电能比例，可进一步提高电除尘器的除尘效率、并大幅降低电能消耗。
3、高压直流电源的控制方式[9]
高压直流电源的控制方式基本上可分直流供电方式和间歇脉冲供电方式。
3.1高压直流供电控制方式
高压直流供电控制方式有稳流供电方式和火花整定运行方式。
稳流供电方式多用于低电压、大电流的场合下。高压直流供电控制采用恒流供电方式，可改善电除尘器的运行效果，避免因出现高能量火花而减少电晕功率及对电除尘器本体寿命的影响。该供电方式以二次电流整定值作为电除尘器运行的优先参考标志；
火花整定运行方式用于高粉尘浓度及产生电晕闭塞的场合，尤其是工况恶劣、除尘效率低的场合。在这种工况下，通过提高火花率的整定值，来加强粉尘的荷电率，使除尘效果有明显改善，可以提高除尘效率。
目前，国内所有燃煤电厂的电除尘器几乎都运行在火花整定工作方式下。 在火花整定状态下虽然能取得较好的除尘效果，但电除尘器运行过程中的电能利用效率很低，大量的电能不是用于收尘，而是被白白浪费掉了。据统计，电除尘器的收尘耗电量约占整台机组发电容量的0.3- 0.6%之间。为了提高电场场强，增强电晕放电效果，需要尽量提高运行电压，直到接近火花闪络电压，以产生尽可能多的自由电子和离子。这样虽然能够达到提高除尘率的目的，但是由于实际产生的大量自由电子和离子中，仅有一小部分用于烟尘荷电，绝大部分自由电子和离子并未参与尘粒进行荷电，而是直接从电晕极（阴极）到达集尘极（阳极）板，最终以光能或热能的形式消耗，造成电能的浪费。另一方面，当烟尘比电阻较高时，运行电压电流达到一定数值时，电场内将出现反电晕现象。在反电晕工况下，继续增加运行电压电流会加剧反电晕的程度，导致电除尘器的能耗不断增加，而除尘效率反而大幅下降。
关键词：反电晕，间歇供电，除尘效率，节能
1、 引言
反电晕现象是电除尘器收集高比电阻粉尘时出现的重要现象之一。反电晕现象的产生会降低电场的击穿电压、产生异号空间电荷并中和起收尘作用的电荷，造成严重的二次扬尘，导致除尘效率大幅度下降或使得除尘器难以正常工作，另外还消耗大量的电能。目前为除尘器研究合适的供电电源技术，已经成为电除尘器节能提效的关键。高频高压供电电源具有控制方式灵活、输出高电压波形可控、闪络后关闭速度快和重启迅速等优点，是当今国内外静电除尘电源的主要研究发展方向。其中瑞典ALSTOM公司和丹麦SMITH等公司的产品是国外高频高压电源的典型代表。国内以福建龙净环保股份有限公司和武汉国测数字技术有限公司等企业也开展了富有成效的工作。研究高频高压供电电源，使电除尘器的实际排放浓度不仅能达到国家允许排放标准，而且显著降低电除尘器的运行电耗，具有十分重要的经济意义。
2、影响除尘效率与电能消耗的主要因素
2.1 粉尘比电阻对除尘效率的影响[1-3]
粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的指标。静电除尘器适合于捕集比电阻介于104～5×1010Ω·cm之间的粉尘。粉尘比电阻过高或过低都会导致除尘效率下降。当粉尘比电阻小于104Ω·cm时，粉尘的导电性能好，带负电的粉尘到达集尘极后，粉尘的负电荷被中和并带上与集尘极相同的正电荷。由于极性相同，会把带电的粉尘推向气流中，粉尘在集尘极板上产生跳跃现象，不能很好的吸附，最后可能被气流带出电除尘器。若粉尘的比电阻超过5×1010Ω·cm时，电除尘器的性能就随着比电阻的增高而下降。这是因为沉积在集尘极表面上的高比电阻粉尘层限制了电晕电流的通过，最终将导致除尘效率大幅度下降。若粉尘的比电阻超过 1011Ω·cm时，粉尘的导电性能差，粉尘所带的电荷不易释放，随着沉积在集尘极板上的粉尘层的增厚，释放电荷就更加困难。当粉尘到达集尘极后，粉尘层与极板中间就容易出现一个短距离的新电场。此时，一方面由于粉尘层表面电荷极性与放电极极性相同，而排斥后来的荷电粉尘；另一方面由于粉尘层电荷释放缓慢，在层间逐步形成较大的电位梯度。结果电除尘的收尘场强大大降低，电晕显著减少，空间电场强度减弱，收尘效率变得很低[2,3]。除尘效率与粉尘比电阻的关系如图1所示。
图1比电阻与除尘效率的关系
2.2反电晕现象对除尘效率和电能消耗的影响[4,5]
反电晕就是指沉积在集尘极板表面上的高比电阻粉尘所产生的局部放电现象。根据欧姆定律，集尘极和粉尘层中间的反电晕电场强度为；
（1）
式中， 为反电晕场强，V；
J为粉尘层的电流密度，A/cm2；
为粉尘层的厚度，cm；
为粉尘比电阻， 。
从上式可看出，带负电的粉尘越积越多，新电场就越来越强。当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，在某些部位空隙开始电离，出现粉尘层局部击穿。结果形成与原来的电晕放电方向不一样的反电晕放电现象。电除尘器的除尘过程和反电晕现象如图2所示。当产生反电晕现象时，产生与电晕极极性相反的正离子，所产生的正离子向电晕板运动，碰撞从电晕极向集尘极驱进的负电离子并产生中和。反电晕现象使得尘粒脱离集尘极，向放电极运动。其结果是二次电压下降，二次电流增大，粉尘二次飞扬严重。这些都影响除尘器的性能，降低除尘效率，消耗大量的电能。反电晕现象在高比电阻粉尘工况下很严重。由此可知，必须抑制反电晕现象，才能达到提高效率与节约电能的目的。
（a）电除尘器的除尘过程示意图
(b) 电除尘器的反电晕过程示意图
图2电除尘器的除尘过程与反电晕示意图
2.3除尘所需的电能分析[6-8]
在正常工况下，随着电晕电流的增大，电场空间中的自由电荷也随之增多。这使得更多的粉尘颗粒荷电，收尘效果也越好。然而，如果仅仅提高供电电压，随着电晕电流的增大，空间中自由电荷增多，没有与粉尘粒子荷电而直接流向集尘电极的自由电荷数量也增加，这部分电能不是作用于收尘，而是白白地消耗掉了。并且在工况不变的情况下，这种电能的浪费随着电晕功率的提高而增大，虽然提高了除尘效率，但却以电能的大量消耗为代价，得不偿失。
美国学者怀特对电除尘分离粉尘粒子所需要能量做了深入的研究，认为从气体中分离出粉尘粒子所需的电能很小，这是根据气流尘粒的粘滞力和粒子向着集尘电极运动所经过的距离计算出来的。理论计算的结果表明，不论是什么样的尘粒，分离出粉尘粒子所消耗的电能量都是很少的，整个电量消耗大约只占除尘电量的2%左右。理论上功率消耗值与实际运行的电除尘器所消耗的功率值偏差很大。虽然可能有其他没有估计到的因素，但至少从上述分析可知，电除尘器节能潜力很大。
经过分析研究发现，出现如此大的差距主要是因为火花整定方式下的电能利用率极低。电除尘器在实际运行过程中，用于高压除尘的电能消耗可分为3类：第一类是“有效”电能，用于粉尘的荷电与捕集：第二类是“反效”电能，对粉尘的荷电与捕集起破坏作用，如反电晕、二次扬尘等：第三类是“无效”电能，是介于上述两者之间，既不有利也不有害的电能，如电晕放电过程中没有作用于粉尘的电荷与集尘极捕集到的多余电荷等。
“反效”电能与“无效”电能亦称“浪费”电能。在电除尘器实际运行过程中，有效、反效、无效电能是交织在一起的。在总的电能消耗中，有效电能的比例很小，反效和无效电能占了绝大部分。因此，通过先进的技术措施提高有效电能比例，降低反效与无效电能比例，可进一步提高电除尘器的除尘效率、并大幅降低电能消耗。
3、高压直流电源的控制方式[9]
高压直流电源的控制方式基本上可分直流供电方式和间歇脉冲供电方式。
3.1高压直流供电控制方式
高压直流供电控制方式有稳流供电方式和火花整定运行方式。
稳流供电方式多用于低电压、大电流的场合下。高压直流供电控制采用恒流供电方式，可改善电除尘器的运行效果，避免因出现高能量火花而减少电晕功率及对电除尘器本体寿命的影响。该供电方式以二次电流整定值作为电除尘器运行的优先参考标志；
火花整定运行方式用于高粉尘浓度及产生电晕闭塞的场合，尤其是工况恶劣、除尘效率低的场合。在这种工况下，通过提高火花率的整定值，来加强粉尘的荷电率，使除尘效果有明显改善，可以提高除尘效率。
目前，国内所有燃煤电厂的电除尘器几乎都运行在火花整定工作方式下。 在火花整定状态下虽然能取得较好的除尘效果，但电除尘器运行过程中的电能利用效率很低，大量的电能不是用于收尘，而是被白白浪费掉了。据统计，电除尘器的收尘耗电量约占整台机组发电容量的0.3- 0.6%之间。为了提高电场场强，增强电晕放电效果，需要尽量提高运行电压，直到接近火花闪络电压，以产生尽可能多的自由电子和离子。这样虽然能够达到提高除尘率的目的，但是由于实际产生的大量自由电子和离子中，仅有一小部分用于烟尘荷电，绝大部分自由电子和离子并未参与尘粒进行荷电，而是直接从电晕极（阴极）到达集尘极（阳极）板，最终以光能或热能的形式消耗，造成电能的浪费。另一方面，当烟尘比电阻较高时，运行电压电流达到一定数值时，电场内将出现反电晕现象。在反电晕工况下，继续增加运行电压电流会加剧反电晕的程度，导致电除尘器的能耗不断增加，而除尘效率反而大幅下降。