在山東召開的水泥行業節能環保技術交流大會上，針對水泥企業如何實現達標排放，如何選擇控制粉塵排放技術路線這兩個問題，上海漢節環保科技有限公司張先海做了《水泥行業新型靜電除塵技術及應用臨界脈沖電源解決方案匯報》的主題予以參考。

 　　據2010年數據統計，水泥工業產業的粉塵排放占到全國工業生產總排放量的31.7%，給生態環境帶來巨大壓力。最新的《水泥工業大氣污染物排放標準》要求粉塵排放限值一般地區≤30mg/Nm3，重點地區≤20mg/Nm3，等同于當前燃煤電廠的排放標準，新建和現有企業分別于2015年3月1日和7月1日開始執行。據早期統計水泥窯用的除塵設備80%為電除塵器。但由于當時的排放標準要求較低，設計排放標準為50～100mg/Nm3，已不能滿足環保新要求。除塵器是生產線的重要組成部分，也是主要耗能的環節之一。

　　除塵技術路線選擇有兩種：靜電除塵和布袋除塵。

　　一、技術路線選擇

　　靜電除塵特點

　　除塵技術對比

 　　海螺水泥：在全國擁有一百多條水泥生產線，清一色采用的全部是電除塵器。在這一波的除塵提效改造技術路線選擇上，海螺走訪了國內很多的環保企業，對電除塵、電袋、布袋技術作了充分的調研和論證，最后仍決定選擇先從電改電的方式入手。

 　　“市場的需求是我們研發的方向，產品的問題是我們攻關的課題”。市場上已經發出了很明顯的需求聲音，而這個聲音就是：他們對電除塵仍然是情有獨鐘。電除塵能否像在燃煤電廠一樣實現逆襲，關鍵在于是否有足夠鋒利的“劍”亮出。

　　電除塵電源分類

 　　電除塵電源分為：單相電源，工頻電源，三相電源，高頻電源，脈沖電源，雙頻電源，臨界脈沖電源。

　　電除塵選擇要素

 　　保持長期穩定高效，適應不同灰質;安全運行;高度集成一體化結構;全自動化集控，操控便捷;易維護、費用低;三相平衡，無缺相損耗。

　　二、理論技術創新

　　兩個國際首創除塵電源理論：

 　　一、國際首次提出“空間自由離子密度”對除塵效率的影響高于場強的理論，并進行了量化。電場氣體放電在“二次電子崩”和“流注初期”狀態，“空間自由離子密度”才能最大化，最利于粉塵荷電。

 　　二、國際首次提出“臨界區”的概念，并進行了量化。火花放電臨界電壓是一個區域，并不是單獨的點構成的曲線，臨界脈沖電源定義并利用這個區域進行控制，實現了電源在最佳除塵區內工作。

　　三、臨界脈沖電源

　　主電路圖

　　產品系列：LM-15kW;LM-30kW;LM-50kW;LM-75kW

　　外形尺寸：1650×900×2200

　　重量：650

　　臨界脈沖電源主要指標

　　1、比工頻電源減排70%以上，同時節能60%以上;

 　　2、比高頻和三相電源減排40%以上，同時節能60%以上;在確保比高頻和三相電源減排效果高出25%以上的前提下，節能80%以上;

　　3、避免電腐蝕，使本體性能長期高效穩定。

　　四、靜電除塵機理

 　　整個過程是這樣的，電子崩形成自由電子，自由電子附著電負性氣體形成氣體負離子，氣體負離子形成空間電流—電暈電流。

　　影響除塵效率的要素

 　　固有因素：1.陰極線、2.陽極板、3.極配、4.集塵面積、5.殼體漏風、6.分區大小、7.均風、8.煙氣量或煙氣流速、9.煙溫、10.濕度、11.飛灰成分、12.粉塵粒度、13.氣體成分。

 　　能動因素：1.荷電效率：氣體電離和電暈放電、2.驅進場強、3.電暈閉鎖、4.反電暈、5.“Z”字運動、6.二次揚塵：振打、火花、斷電降壓、7.電腐蝕。

　　五、荷電效率

 　　粒徑大于1.0μm左右的較大粒子在電場中被極化，引起電場局部變形，電力線被粒子遮斷。

 　　粒子荷電后形成的電場與外加電場方向相反，產生斥力，使粒子附近的電力線變形，這時粒子只能從電場的較小部分接受電荷，荷電速率相應減慢。

 　　粒子繼續荷電后，面向離子流來一側進入粒子的電力線繼續減少，最終荷電粒子本身產生的電場和外加的電場正好平衡，粒子上的電荷達到飽和狀態。

　　飽和荷電量：

 　　式中dp—粒徑;Eo—荷電場強;εp—粒子的相對介電系數。

　　瞬時荷電量

　　設qt為粒子經時間t后的瞬時荷電量，qt/qs即為粒子的荷電率，它與荷電時間t的關系為：

 　　式中to—電場荷電時間常數，即荷電率qt/qs=50%的荷電時間，由下式確定：

　　No—電暈場中帶電離子的密度;

　　e—基礎電荷1.6021892×1019;

　　Ki—離子遷移率)。

　　式中Ki0—標態

　　Eo—荷電場強

　　No—電暈場中帶電離子的數量密度

　　擴散荷電

 　　擴散荷電：是離子做不規則熱運動和粒子相碰的結果，是小于0.2μm粒子的主要荷電機制。懷特導出不考慮電場影響的擴散荷電電量計算公式為：

　　k—波爾茲曼常數，1.38×10-23J/K;

　　T—氣體溫度;

　　m—離子質量;

　　t—時間。

　　No—電暈場中帶電離子的數量密度

　　瞬時荷電量：

　　Eo—荷電場強

　　No—電暈場中帶電離子的密度

　　電暈放電˙火花放電

　　電子崩及流注放電

　　初始電子崩：

　　P=270mmHg，E=10.5kv/cm，a和b的時間隔為1×10-7s

　　電子崩在空氣中的發展速度約為1.25×107cm/s

　　電子崩及流注放電

　　初始電子崩轉變為流注的瞬間

　　陽極流注發展過程

　　P=273mmHg，E=12kV/cm

　　這個新出現的電離特強的放電區域稱為流注，它迅速由陽極向陰極發展，故稱為正流注。

 　　流注的發展速度較同樣條件下電子崩的發展速度要大一個數量級，1～2×108cm/s。

　　正流注的產生和發展

　　空間自由離子密度

　　電場擊穿電壓與激勵電壓波形的關系

 　　上圖是空氣放電典型的伏-安特性，影響空氣放電伏-安特性的有空氣的溫度、濕度、氣壓、流速等，同時空氣放電也與加在電場的激勵電壓波形有關。空氣擊穿與加載電壓的波形有關，左圖曲線1～5的脈寬t1>t2>t3>t4>t5，窄脈沖的電源電場擊穿電壓高，寬脈沖的電源電場擊穿電壓低。當供電電源采用1～10us脈沖供電時，電場擊穿電壓是常規直流電壓的1.5～2倍。

　　脈沖提高火花臨界電壓和空間氣體離子密度的機理

　　基礎電壓的極限

　　臨界脈沖與“大脈沖”的波形比較分析

　　驅進速度

　　荷電塵粒在電場內受到靜電力：F=qEj

　　Ej——集塵極周圍電場強度，V/m。

 　　塵粒在電場內作橫向運動時，要受到空氣的阻力，當Rec≤1時，空氣阻力：P=3πμdpω

　　ω——塵粒與氣流在橫向的相對運動速度，m/s。

 　　當靜電力等于空氣阻力時，作用在塵粒上的外力之和等于零，塵粒在橫向作等速運動，這時塵粒的運動速度稱為驅進速度。

　　ω=qEj/3πμdp

 　　將Ej簡化為除塵器電場平均強度Ep;由于荷電電場與驅進電場為同一電場，E0也簡化為除塵器電場平均強度Ep，則：ω與No近似正比，與Ep2近似正比。

　　荷電煙塵粒子的驅進速度：

　　對于dp≤0.2m的塵粒，上式應進行修正：

　　ω=KcqEj3πμdp

　　Kc——庫寧漢滑動修正系數。

 　　μ——氣體的動力粘度，隨溫度的增加而增加，因此煙氣溫度增加時，塵粒的驅進速度和除塵效率都會下降。

　　Rec——臨界雷諾數。層流，紊流。

　　No1.1÷0.8=1.3751.375×1.3=1.78

　　ω1.78×1.1378=2.0253

　　六、除塵效率

　　除塵效率的計算

 　　要求出電除塵器的除塵效率需建立微分方程。但由于電除塵器的除塵效率與粉塵性質、電場強度、氣流速度、氣體性質及除塵器結構等因素有關，要嚴格地從理論上推導除塵效率方程式是困難的，因此在推導過程中作以下假設：

　　①電除塵器橫斷面上有兩上區域，集塵極附近的層流邊界層和幾乎占有整個斷面的紊流區。

　　②塵粒運動受紊流的控制，整個斷面上的濃度分布是均勻的。

　　③在邊界層塵粒具有垂直于避面的分速度ω。

　　④忽略電風、氣流分布不均勻、二次揚塵等因素的影響。

　　靜電除塵器除塵效率分析模型圖

 　　設氣體和粉塵在水平方向的流速為υ;除塵器內某一斷面上氣體含塵濃度為y;氣流運動方向上每單位長度集塵面積為a;氣流運動方向上除塵器的橫斷面積為F;電場長度為l;塵粒的驅進度為氣流運動方向上除塵器的橫斷面積為F;電場長度為l;塵粒的驅進速度為ω。

　　在dτ時間內，在dχ空間捕集的粉塵量

　　dm=αωdτy=-Fdy

　　把dχ=υdτ代入上式，則

　　對上式兩邊進行積分，

　　式中y1——除塵器進口處含塵濃度，g/m3;

　　y2——除塵器出口處含塵濃度，g/m3。

　　將Fυ=L、αι=A上式，則

　　式中L——除塵器處理風量，m3/s;

　　A——集塵極總的集塵面積，m2。

　　則除塵效率為

 　　根據在一定的除塵器結構形式和運行條件下測得的總捕集效率值，代入德意希方程反算出相應的驅進速度值，稱為有效驅進速度，用ωp表示。ωp實際上已成為一個把集塵極總面積和氣體處理量以外的各種影響捕集效率的因素包括在內的參數。

　　七、臨界脈沖柔特性機理

　　電場畸變形成動態臨界區

 　　電子崩的頭部集中著大部分的正離子和幾乎全部電子。原有均勻場強在電子崩前方和尾部處都增強了。

　
　1.電子的遷移速度比正離子的要大兩個數量級，出現了大量的空間電荷，崩頭最前面集中著電子，其后直到尾部則是正離子，而其外形則好似球頭的錐體。
 

 　　2.當電子崩發展到足夠程度后，空間電荷將使外電場明顯畸變，大大加強了崩頭及崩尾的電場而削弱了崩頭內正、負電荷區域之間的電場。

 　　3.崩頭前后，電場明顯增強，有利于發生分子和離子的激勵現象，當它們從激勵狀態回復到正常狀態時，就將放射出光子。崩頭內部正、負電荷區域之間電場大大削弱，則有助于發生復合過程，同樣也將發射出光子。