老旧工业电除尘器减排改造：高频电源与精细振打的价值重估

基于澳大利亚KCGM金焙烧炉ESP升级项目的ICESP XIII案例解读（Alstom Thermal Service）

关键词
ESP,静电除尘器,电除尘器,emission,污染控制,upgrade,control system,高频电源,high voltage power supply,HFPS,Transformer Rectifier,TR,工业烟气治理,超低排放

工业烟气治理中，静电除尘器（ESP）依然是水泥、有色冶金、造纸、铝冶炼等领域的主力设备之一。随着环保排放限值持续收紧，大量在上世纪末和本世纪初投运的老旧电除尘器，正面临“物理空间受限、工况远超设计、排放却要显著降低”的现实矛盾。如何在不大拆大建的前提下，通过高频电源、控制系统与振打优化，实现颗粒物排放显著下降与装置可利用率提升，正成为工业环保技术的热点话题。

在ICESP XIII（2013年，印度班加罗尔）上，Alstom Thermal Service的Debasish Chakrabarti发表了题为《Emission reduction and Availability improvement in old Electrostatic Precipitators at Gold Roaster – A Case Study》的论文，系统介绍了澳大利亚西部KCGM Gidji金焙烧炉电除尘器升级改造实践[1]。这一案例的典型意义在于：在空间与结构基本不变的前提下，仅通过高频电源（HFPS）、ESP调试以及振打与漏风治理，就实现了排放降低、产能提升、停机频次下降，为老旧工业ESP的低成本减排改造提供了可复制路径。

该金焙烧项目包括两套焙烧炉，原有烟气路径为循环流化床焙烧炉出口，经一级旋风分离器后进入ESP进行粉尘控制。每台焙烧炉配套一台电除尘器，单体为一仓三电场结构，前两电场配置100 kV/800 mA变压整流器，末端电场配置100 kV/1000 mA变压整流器，典型的“工业炉窑配套ESP”格局。然而随着工况变化，实际运行远超最初设计：烟气流量比设计值提高约42%，入口粉尘浓度从34 g/Nm³抬升到180 g/Nm³，增加超过五倍；而比集尘面积（SCA）却从约80 m²/(m³/s)降到56 m²/(m³/s)，气速提升至1.62 m/s。这种高负荷、高粉尘浓度、低SCA的组合，对任何工业电除尘器都是极具挑战的工况。

在这样的背景下，ESP出现了一系列典型老龄化表现：出口排放显著高于设计值，运行功率利用率下降；放电极积灰严重，常规振打难以清灰，必须频繁人工清理；由于人为强化振打，一些放电极构件开始损坏脱落，既影响电场电气性能，又带来安全隐患。就排放控制与设备可利用率而言，这已经演变为影响金焙烧生产的关键瓶颈。

项目组首先对电除尘器进行了全面“脏侧”检修性检查。从机械结构看，三电场主体并无严重变形或重大故障，但部分放电极因长期积灰和强力清理产生松动，个别甚至被拆除以避免短路；收尘极上存在中等强度积灰，而放电极上的积灰明显更重，特别是第一电场。电气侧监测显示，第二、三电场控制器运行相对稳定，每分钟约10次火花，二次电压和电流峰值分别在63 kV/120 mA和75 kV/600 mA附近，而第一电场电压在10–50 kV之间持续波动，却没有被记录到正常火花事件，说明控制策略与真实放电状态严重错配，限制了前端电场的有效电压与电流，直接拖累整体除尘效率。

为厘清粉尘物性对ESP的影响，研究团队对来自不同电场的粉尘样品进行了电阻率、黏性、高温高湿行为以及SEM/EDX成分结构分析。电阻率测定结果表明，该金焙烧粉尘的电阻率范围大致在10⁸–10⁹ Ω·cm，属于典型低比电阻粉尘。这意味着在常规工况下，粉尘层不会出现明显的反电晕现象，电阻性因素并非收尘效率下降的主因。相反，低比电阻理论上有利于提高粉尘荷电和迁移效率。

为了判断粉尘是否存在“粘灰”问题，试验将样品在380 ℃、40%体积分数水分的环境中保持数小时，冷却后观察粉尘形态及是否粘附工具。结果显示，无论是一电场还是三电场样品，都未表现出典型的粘性特征，粉尘不粘附金属器具，但整体颗粒呈致密紧实的状态。结合SEM观察可以发现，粉尘颗粒偏粗，存在两类主要成分：一类为富含Si、Al、K和O的角状矿物颗粒；另一类为形态不规则、富含Fe、S和O的晶体，推测为铁氧化物与铁硫酸盐的混合物。后者在高温、高湿、高SO₂/SO₃环境下易发生化学烧结，起到类似“水泥胶结相”的作用，使不同颗粒之间形成坚硬的团聚体和壳层。这也解释了为什么放电极周围积灰异常严重：在放电极表面逐渐形成一层烧结壳，传统振打难以破除，却又不表现为“潮湿粘灰”，典型的高硫、高铁、化学烧结型粉尘行为。

硫含量分析进一步印证了这一判断。三段电场粉尘的总硫含量均在11%–15%（质量分数）之间，而水溶性硫酸根含量接近总硫折算的硫酸根含量，大部分硫以硫酸盐形态存在。在8%体积分数SO₂的焙烧炉烟气中，粉尘中的铁氧化物与SO₂/SO₃发生反应，生成铁硫酸盐并诱发烧结，有利于粉尘在微观尺度上的“互锁”与聚团，却不显著增强粉尘与金属极板之间的粘附力。因此，收尘极表面的粉尘层仍可被有效振落，而放电极表面的“烧结壳层”则成为主要难题。

再看振打系统，原有配置为：收尘极振打轴转速约0.28 rpm（每圈3分34秒），各电场按不同开停时间周期工作；放电极振打则采用更高频率，尤其是一电场放电极振打轴连续运行、1.4 rpm，即每约43秒敲击一次。这在高负荷工况下带来两重负面效应：一方面，高频振打仍无法完全破碎烧结壳层，导致放电极持续带“厚衣服”运行，有效电晕区缩小；另一方面，高频、高强度振打加速了机械构件疲劳与损坏，出现放电极脱落等问题。显然，单纯通过“振得更狠”并不能解决烧结积灰问题，还会带来电场几何结构和电气环境的进一步恶化。

在工艺和粉尘特性基本锁定后，改造策略的关键落点转向ESP本体外部的“可控变量”——高压电源与控制系统。Alstom提出采用高频电源（High Frequency Power Supply，HFPS）替代传统工频变压整流器，特别是在前端电场引入高频电源，实现更高、更稳定、更接近“无脉动”的DC输出。传统工频T/R由于整流方式和电网频率限制，二次电压存在较大纹波，峰值电压可高出平均值约25%。局部峰值电压抬高容易诱发提前火花，使控制系统被迫压低平均电压，导致电场总体能量输入受限。HFPS通过高频开关整流技术显著降低电压纹波，使电除尘器能够在更接近火花极限的位置长期稳定运行，扩大有效电流区间，从而在不改变本体结构的前提下，拉升电场电气强度与粉尘荷电效率。

更重要的是，HFPS内置了“功率下拉振打（Power Down Rapping，PDR）”控制算法，可以在振打周期内主动切断或降低高压输出，实现“带电收尘、不带电清灰”。在高硫烧结粉尘工况下，这一策略对于放电极清灰尤为关键：在无电场力干扰的状态下，振打能量更有效地传递到粉尘层内部，提高壳层脱落效率，减轻对电极结构的破坏风险。这一“电-机协同”振打模式，不同于传统仅靠机械参数调整的振打优化，更适合当前高负荷、复杂粉尘粒径与成分分布的工业烟气工况。

在本案例的一期实施中，项目团队主要完成了四项关键措施：其一，在两台焙烧炉ESP的一电场增设额定70 kV/1700 mA的HFPS高频电源；其二，对三电场进行系统调试与极间电压、电流和火花率优化；其三，在放电极上层增设补充振打装置，采用1 rpm电机，以改善烧结区域的清灰效果；其四，针对本体壳体、导流板及各类检修门等处存在的漏风点进行系统修复。这些措施均在不大规模改变ESP壳体和内部电极结构的前提下实施，体现了工业电除尘器“外部电源+控制+振打”的快速改造思路。

对比HFPS实施前后运行趋势可以看到，2013年改造后的典型24小时运行数据中，三电场二次电压和电流水平明显高于2012年传统T/R电源条件下的1小时对比数据；同时，焙烧炉的处理量从约15 t/h提升到约19 t/h，颗粒物排放反而下降，烟气净化能力与系统产能实现同步提升。更具代表性的是，通过观察二焙烧炉末端电场电流趋势，可以清晰看到每次振打后电流瞬时降低，随后随着粉尘在收尘极上的重新积累而缓慢爬升，直至下一次振打触发。这种“电流锯齿波形”是振打有效性的大致体现，而在HFPS改造前，电场电流随振打的这种清晰联动几乎不可见。

从全年层面看，HFPS与振打系统综合改造带来的收益十分直观：一方面，产能从15 t/h提升至19 t/h，对应金产量增加约2500盎司/年；另一方面，由于收尘与清灰效率的提升，ESP因严重积灰、堵塞、清理等原因导致的非计划停机次数从每年约34次下降到预计15次左右，设备可利用率大幅提高。对于处理含砷、含硫和其他有毒组分烟气的金焙烧系统而言，这不仅是减排与增产问题，更显著降低了检修人员暴露于有毒粉尘和气体的频次，从HSE角度创造了额外收益。

该案例表明，对于大量仍在服役的老旧工业电除尘器，特别是在水泥窑尾、金属焙烧炉、回收锅炉等复杂高尘负荷工况，引入高频电源与先进控制技术，配合适度的振打优化和本体密封治理，往往可以在不增加箱体、电场和电极面积的情况下，获得30%以上的排放降低，甚至更高的性能提升[1–5]。在投资回报期、停机时间和现场改造难度方面，高频电源方案相对于“增设新电场”“改造袋除尘”等重资产路径具有明显优势，特别适用于场地受限、停机代价极高的老厂区改造。

从更广泛的行业视角看，Alstom等企业已经在水泥、电解铝、造纸黑液回收锅炉等多个场景中部署了约900台HFPS单元[1–5]。静电除尘器的“电源升级”正逐渐从少数示范项目走向规模化应用，成为工业烟气超低排放和能效提升的一个关键抓手。对于正在规划老旧ESP技术改造的业主而言，基于自身烟气特性与工况的精细诊断，结合高频电源、智能控制、优化振打和局部结构修复的综合方案，可能是在未来几年内实现合规减排与稳定生产的成本最优选择之一。

参考文献
[1] Chakrabarti D. Emission reduction and Availability improvement in old Electrostatic Precipitators at Gold Roaster – A Case Study[C]//Proceedings of ICESP XIII. Bangalore, India, September 2013.
[2] Kirsten M, Karlsson A. Economical Aspects of Energising Electrostatic Precipitators with High-Frequency Switched Power Supplies[C]//Proceedings of ICESP X. Australia, 2006.
[3] Mauritzson C, Kirsten M, Karlsson A. ESP emission reductions with advanced electrode rapping together with novel energizing methods[C]//Proceedings of ICESP IX. South Africa, 2004.
[4] Ranstad P, Mauritzson C, Kirsten M, Ridgeway R. On experiences of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C]//Proceedings of ICESP IX. South Africa, 2004.
[5] Ranstad P, Porle K. High Frequency power conversion: A technique for ESP energisation[C]//EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants. Toronto, August 1995.
[6] Mauritzson C, Thimansson M, Karlsson A. Advanced Switched Integrated Rectifier for ESP Energisation[C]//Proceedings of ICESP VIII. USA, 2001.

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