静电除尘用跟踪临界火花点三相整流技术研究

　　1 引言

　　影响静电除尘器(ESP)性能的主要因素为本体结构，高压直流供电电源和运行工况。本体结构主要由电晕极、集尘极及振打单元等组成，包括集尘面积、同极距等参数。运行工况主要包括烟气、粉尘性质等。在ESP本体结构确定，供电电源在适应运行工况要求的前提下，能否改进?以提高静电除尘器的整体性能指标，是值得深入探讨的课题。

　　2 静电除尘的物理过程

　　卧式ESP的电晕极(阴极)外形为尖端状，集尘极(阳极)外形为板状，通常两极间距为150-200(mm)。运行时，电晕极接至高压直流供电电源的负极，集尘极接至高压直流供电电源的正极且接入大地作为零参考电位，两极间形成的电场属于极不均匀电场。

　　多依奇除尘效率公式：

　　式中:η为除尘效率;运行工况一定时A(集尘面积)/Q(气体流量)为常数;v为荷电尘埃粒子移向电极(主要指集尘极)的驱进速度。

　　由公式(1)得出，除尘效率η随荷电尘埃粒子的驱进速度v的增长呈指数规律增长。v主要与荷电尘埃粒子的荷电量成正比，荷电量愈大则受电场力的作用愈大。荷电量大则应在电晕外区空间存在的自由电子和负离子的密度要大，电晕内区在单位时间内生成的自由电子、正离子和负离子的密度要大，自持电晕放电要更强烈。

　　如何实现自持电晕放电更强烈?汤逊(Townsend)理论给出了解释，认为自持放电主要是由电子的碰撞电离和正离子在阴极上释放二次电子形成的，连续碰撞电离形成电子崩式电晕放电，即α(电子电离系数)过程。α表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数(平均值)。

　　数学表达式：

　　式中：A、B为与气体性质相关的常数;P为大气压力;E为电场强度。

　　由公式(2)看出α值对E值变化非常敏感，呈指数规律响应。E值正比于外加高压直流供电电源的输出电压Vd值，即α值随直流电压Vd幅值的增长呈指数规律增长。α值愈大，空气中电子、离子的密度愈大。但是，Vd幅值不能无限提高，在电晕极与集尘极间隙一定时，Vd有一个极限值Vdmax，超过此值则产生火花放电(气体被击穿)，造成除尘过程中断，除尘效率降低，空气导电的伏安特性说明了此过程，如图1所示。

　　图1 空气导电伏安特性

　　Vd≥5(Vdmax)时，此阶段产生火花放电，造成电离电流Id急剧增长，直流电压Vd急剧下降，通常高压供电电源立即中止供电。

　　4

　　汤逊用放电的碰撞理论阐述了气体放电的基本过程，但对于间隙(δS)>0.26cm时的一些放电现象的解释还不是很完善。例如，ESP运行时，烟尘浓度的变化对火花放电的影响?

　　对此，流柱理论给出了解释，认为电子的碰撞电离和空间光电离(二次电子崩)是形成自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用。所谓流柱，是受电场力作用的带电粒子在两极之间空间上的堆垒，是充满正负带电粒子的混合通道、电离通道。当流柱通道把两极接通时，将导致火花放电。所以，烟尘浓度增加时，由于荷电尘埃粒子的增加提高了流柱延伸的速度，所以在较低的Vd幅值时，就可以出现火花放电。

　　火花放电时，由于电子、离子直接由一极跃驰至另一极，所以烟尘荷电的几率趋于零，此时供电电源的交流侧输入电流通常是额定值的5倍左右，火花最小延迟时间约为10ms。因此，火花放电工况，既降低除尘效率又耗费电能，对静电除尘运行是不利的。

　　综上所述，提出控制策略：为追求静电除尘增效节能的目标，高压直流电压Vd幅值的工作点应控制在自持电晕放电阶段，并且尽量趋近Vdmax值，即临界火花点，使得α(电子电离系数)稳定地维持在极大值的状态，但是要尽量避免出现火花放电工况。

　　按此控制策略，可以对不同主电路拓扑结构方案的高压直流输出电压的波形参数及不同的调节规律进行分析。此处，输出电压的平均值电压Vd与峰值电压Vp的比值(纹波系数)尽量小是使工作点能够稳定地控制在临界火花点运行的基础。

　　3 不同主电路方案直流输出电压的波形参数及供电功率

　　直流电源按其工作原理不同分为线性电源与开关电源。目前，静电除尘用高压直流供电电源主要为线性可控硅交流相控调压电源，主电路结构上分为单相可控硅交流相控调压方案与三相可控硅交流相控调压方案。