制浆造纸回收锅炉ESP升级风向：从三相电源到极线优化

基于FLSmidth Airtech团队对回收锅炉静电除尘器的工程实践与技术演进解读

关键词
Electrostatic Precipitator, Recovery boiler, 3-phase power supply, SMPS, discharge electrode, Pulp & Paper industry, Industrial flue gas treatment

在制浆造纸行业的碱法制浆（Kraft）工艺中，回收锅炉既是化学品回收的核心设备，也是颗粒物排放的主要关口。黑液在回收锅炉内燃烧，烟气中携带大量细微粉尘，行业普遍采用静电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）作为主力除尘装备，并在部分项目中串联湿法洗涤塔。随着近十余年工艺参数与环保标准的双重变化，回收锅炉 ESP 的设计边界被不断推高，传统配置在高负荷、严排放工况下面临明显压力。

近期，FLSmidth Airtech 的 K. Poulsen、K. Skriver、E.L. Christensen、P. Elholm 等[1–4]，系统梳理了制浆造纸回收锅炉 ESP 的运行特点、影响因素及升级路线，尤其围绕三相高压电源、SMPS 高频电源、放电极结构与高效振打等关键环节给出工程化解决方案。结合该团队多年在北欧及中欧回收锅炉上的案例实践，可以清晰看到这一细分领域 ESP 技术演进的“风向”：在不大幅增加土建与系统改造的前提下，依靠电源侧升级与内部极系优化，去匹配更高的干固体焚烧率、更高的锅炉出口烟温和更严苛的排放限值。

从工况变化看，回收锅炉黑液干固体含量已经从以往约 70% 提升到 80%以上，意味着单位烟气体积中粉尘浓度抬升，同时进入 ESP 的水分含量下降；另一方面，新一代回收锅炉的出口烟气设计温度从约 170℃提升到 220℃，不少项目在每个 ESP 之后单独布置烟气冷却器，将排烟温度降至约 140℃以改善热经济性[1]。与此同时，以中国为代表的新建或改造项目将回收锅炉 ESP 烟囱排放限制压缩到 10 mg/Nm³ 以下，这对 ESP 的比电场功率密度、结构布置与控制策略提出了更高要求。

回收锅炉粉尘本身具有明显的“难除尘”特征。典型粒径分布 D50 约 1 μm[2]，属于超细粉尘区间，电场内极易造成电晕淬灭，压制可用电压和电流输入，排放控制空间被挤压。同时，灰分中的碱性成分使粉尘具有黏附倾向，容易在气流分布板、收尘极板、高压极线以及各种倾斜与水平内表面形成堆积。经验表明，当粉尘 pH 值高于 9 时，一般黏性略有降低，但并不绝对可靠，工程上仍需从结构和振打去“主动管理”结垢风险。

与电力锅炉或水泥窑不同，回收锅炉烟气工况高度动态化。锅炉受热面需要高频率吹灰，不同受热面区段的吹灰动作会显著改变 ESP 入口粉尘浓度与烟气水分，导致电场短时间内负荷波动剧烈。若吹灰间隔过长，烟气本身的高水分有利于提高电晕闪络电压；但一旦吹灰启动，局部瞬时含尘量和粒径谱重构，又会成为 ESP 控制系统的“扰动源”。在此背景下，“稳定可用电场”和“快速电压恢复能力”成为回收锅炉 ESP 设计的重要评价维度。

从除尘机理与配置策略看，针对回收锅炉烟气中高浓度超细粉尘，FLSmidth 建议从电极结构、电场几何与电源特性三方面协同优化。首先，在电场几何上采用较窄极板间距（典型约 300 mm）以提高场强。其次，在入口电场选用更“激进”的放电极结构——即具有较低电晕起始电压的刚性或半刚性极线，通过在相对温和电压下实现更高的电流密度，让收尘极板表面维持足够的荷电颗粒捕集能力。这一策略特别适用于第一、第二电场：在高含尘浓度下尽早“吃掉”大部分负荷。

对于出口段电场，高比功率密度是实现超低排放的关键。此时可以引入电晕起始电压略高但电压平台更平稳的极线型式，以便在接近闪络电压的区间内持续加载更高的比功率，实现对尾段超细颗粒的精细控制。FLSmidth 的实际项目中，单室处理风量可达 500,000 Nm³/h，单电场有效面积可放大到 4,400 m²，相应设计电流密度通常需达到 0.5–0.8 mA/m²，对应 2,200–3,500 mA 的运行电流，这对电源装置的输出能力与长期稳定性提出了直接要求。

在高压供电方案上，论文给出了回收锅炉 ESP 目前的三种典型路径：传统单相整流、三相整流电源以及高频开关电源（SMPS）[3]。由于回收锅炉粉尘电阻率低且粒径细，电场电晕–电流曲线越“平坦”，越有利于高效捕集。三相电源与 SMPS 在这一点上相对单相更具优势，能够提供更平坦的电压–电流特性。但考虑到回收锅炉大型电场的面积和电流需求，三相电源在额定电压范围、最大输出电流（典型可达 4,500 mA）以及结构可靠性上更适合大规模应用；SMPS 受单机电流容量（多在 2,000 mA 以下）与电压级差限制，更适合作为特定小电场或局部优化手段，而非大电场的通用主力电源。在一些项目中，可以通过将大电场划分为两个或更多母线段，由同一高压源供电，兼顾电场利用率与投资成本，但是否分段需要结合现场烟道与检修条件综合判定。

在控制层面，快速响应的高压控制器成为回收锅炉 ESP 成败的关键之一。以 FLSmidth 的 PIACS DC4 为例，该类控制器以高采样频率、快速电压恢复策略和“高频放电容忍度”为核心设计思路，在发生电晕放电或闪络后迅速恢复至接近闪络极限的工作电压：一方面减少电场失压时间，使电场可以在允许范围内以较高放电频率工作；另一方面尽量保持接近最高可用电压运行，从而最大化比功率输入。在烟气工况频繁扰动（例如连续吹灰）的回收锅炉项目中，这一能力直接决定了排放波动的幅度和环保“边缘空间”。配合趋势记录、波形示波、报警与事件日志等诊断工具，控制器也成为日常运维与故障分析的重要入口。

除了电源与电控，回收锅炉 ESP 更大的隐性风险来自“内部清洁度”。由于粉尘黏度高，极板、极线和气流分布装置一旦粉尘堆积失控，不仅有效收尘面积大幅缩水，还可能引发极线击穿、振打变形等连锁故障。因此，在结构设计上必须围绕“易振打、振得动、振得干净”展开：气流分布板、收尘极板和高压框架均需要专门的振打机构与传力路径，既要确保有效清灰，又要兼顾长期机械强度。针对回收锅炉特有的平底刮板排灰结构，则需要注意防止料层在料斗区域局部架桥或“扫气”短路，保障粉尘能够沿气流和重力方向被持续带离电场有效区。

对于存量项目，如何在有限检修窗口内实现 ESP 升级，是当前制浆造纸行业的实际痛点。FLSmidth 团队通过多组工程案例展示了几条典型改造路径。在挪威某回收锅炉项目中，原有三电场混凝土壳体 ESP 采用“新内件预制+顶盖整体更换”的方式：在不停炉条件下于侧面预制组装加高 0.5 m 的极板和极线总成，待年修停炉时切除原屋顶，将新内件和钢结构顶盖整体吊装就位，12 天内完成改造并恢复运行。该方式用更长的预制周期换取极短的锅炉停机时间，对不能接受长期停产的纸浆厂具有现实参考价值。

在瑞典另一处项目中，原两室 ESP 仅通过更换高压极线为刚性 Fibulax 电极，并将单相电源升级为三相整流电源，就将排放浓度从约 150 mg/Nm³ 降低到显著优于 100 mg/Nm³ 的新要求。施工范围主要集中在极线与振打系统的调整，改造边界相对可控。而在同一国家一台 1997 年投运的回收锅炉 ESP 上，该设备经历了“二次升级”：最初通过优化尾段高压极线解决再飞扬问题，将排放压低到 5 mg/Nm³ 以下[4]；随后，随着锅炉产能从 3,300 tDS/day 提升到 4,700 tDS/day、烟温从 175℃升高到 210℃，烟道比速度从 0.63 m/s 提升至 0.87 m/s（较原设计提升 38%），在 2016–2017 年分阶段引入新一代放电极及三相电源，仅通过内部升级就让其中两室在高负荷条件下仍可稳定实现 <10 mg/Nm³ 排放。该案例表明，在结构预留合理的前提下，ESP 的“二次乃至多次迭代升级”可以连续支撑机组的扩容与更严环保要求，而无需大规模新建电场与烟道。 从新建项目角度，奥地利某回收锅炉采用两室、每室三电场的全新 FLSmidth ESP，配套 Fibulax 刚性极线和三相电源，自投运起便以较低的运行比能耗实现严格的粉尘控制目标，为后续同类项目提供了一套可复制的配置样板。这一类新建工程与存量升级案例共同勾勒出制浆造纸回收锅炉 ESP 的技术发展路径：在高干固体燃烧、高烟温与超低排放的综合约束下，行业正从“加大体量”逐步转向“精细电源+优化极系+智能控制”的综合升级模式。 综合来看，回收锅炉 ESP 的未来走向可以概括为三点：其一，持续优化放电极和收尘极结构，在高比速度条件下提升捕集效率，同时兼顾抗积灰与抗变形能力；其二，主流电源从单相向三相与高频电源演进，通过电场特性塑形提升比功率利用效率；其三，以高速控制器为核心的智能控制与诊断平台，将成为 ESP 稳定运行与精准运维的基础设施。对于正在规划回收锅炉技改或扩能的制浆造纸企业而言，如何在新增土建与内部升级之间做出最优权衡，并充分利用成熟的三相电源与新型极线技术，将直接决定项目的环保合规能力与全生命周期成本表现。 Keywords: Electrostatic Precipitator, Recovery boiler, 3-phase power supply, SMPS, discharge electrode, Pulp & Paper industry, Industrial flue gas treatment 参考文献： [1] Heinola M, Salmenoja K. High Energy Recovery Boilers[C]. International Recovery Boiler Conference, 2014. [2] Baxter L, Hatch G. An Experimental Study of the Mechanisms of Fine Particle Deposition in Kraft Recovery Boilers[J]. Journal of Undergraduate Research, 2013. [3] Reyes V, Poulsen K. Use of HV Three-phase Rectifiers in Electrostatic Precipitators[J]. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology (IJPEST), 2014. [4] Christensen E L, Poulsen K S, Lind L. Current Distribution and Re-entrainment of Low Cohesive Dust[C]. Proceedings of ICESP VII, Korea, 1998.

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参考文献
[1] Heinola M, Salmenoja K. High Energy Recovery Boilers[C]. International Recovery Boiler Conference, 2014.
[2] Baxter L, Hatch G. An Experimental Study of the Mechanisms of Fine Particle Deposition in Kraft Recovery Boilers[J]. Journal of Undergraduate Research, 2013.
[3] Reyes V, Poulsen K. Use of HV Three-phase Rectifiers in Electrostatic Precipitators[J]. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology (IJPEST), 2014.
[4] Christensen E L, Poulsen K S, Lind L. Current Distribution and Re-entrainment of Low Cohesive Dust[C]. Proceedings of ICESP VII, Korea, 1998.