高比电阻粉尘工况下静电除尘器改造实践

以哈萨克斯坦 Aksu 电站 ESP 替换项目为例解析高尘负荷工况下的超低排放路径

关键词
high resistivity fly ash, electrostatic precipitator, back-corona, Semipulse energisation, high dust load, coal-fired power plant, industrial flue gas treatment, ESP retrofit

在燃煤电厂烟气治理领域，高比电阻飞灰与低硫煤的组合一直被视为静电除尘器（ESP）应用的“难啃骨头”。随着排放标准日益趋严，又要在老机组、有限场地条件下完成除尘效率的大幅提升，更让改造项目面临技术与投资的双重约束。本文基于 Rustambayev A.A.、Koptev A. 与 Porle K. 等人在国际静电除尘会议上发表的研究成果[1-4]，结合 Aksu 电站的实际工程案例，对高比电阻粉尘、高尘负荷条件下的 ESP 改造技术路径进行系统解读，并梳理其中对中国燃煤电厂、供热企业具有借鉴意义的关键经验。

本研究的对象是位于哈萨克斯坦北部、毗邻 Ekibastus 露天煤矿的 Aksu 燃煤电站。机组设计于上世纪 60 年代，单台机组容量为 300 MW，每台锅炉为双炉膛结构，对应两套独立烟道和两台 ESP。电站燃用的 Ekibastus 煤具有代表性：含硫量低于 0.6%，但灰分含量超过 40%，导致 ESP 入口粉尘负荷高达 60 g/Nm³ 甚至更高；与此同时，飞灰在 110–150 ℃ 烟温范围内的体积电阻率接近 10¹³ Ω·cm，典型的高比电阻粉尘工况。这类工况在前苏联国家、东欧，以及国内部分内陆露天矿燃煤机组中相当常见，往往伴随强烈回击电晕（back-corona）、电场电流受限、除尘效率偏低等问题。

Aksu 电站原有 ESP 建于 1960 年代，采用 300 mm 极板间距，杆/刺式放电极，后期曾更换为打孔针型放电极；TR 电源最初为磁放大器（电抗调压）控制，后升级为模拟可控硅调压。但在高粉尘浓度、高比电阻、高磨蚀性的多重不利条件下，ESP 实际捕集效率难以稳定超过 95%，且只能在额定负荷 60–70% 下运行以勉强满足排放要求。严重回击电晕贯穿各电场区，典型的 U–I 曲线呈现电压上升受限、电流陡降特征；高磨蚀性飞灰则导致振打轴承几乎每年需要更换一次，引风机叶轮 9–12 个月就要检修或更换以维持炉膛负压。这种状况在部分老旧燃煤电厂和冶金、建材企业的 ESP 上也并不鲜见。

在独联体国家电力行业私有化与环保政策收紧的背景下，当地政府通过排污收费与超标罚款推动发电企业实施大气污染治理改造。然而投资能力有限、锅炉本体和烟气通道布置受限，使得“在原有基础与支撑结构上进行 ESP 替换、实现效率大幅提升”成为现实可行的路径选择。1998 年，Aksu 电站业主 Euroasian Energy Corporation 在此背景下启动了长期 ESP 现代化改造计划，并与 ALSTOM Power 合作，针对高比电阻飞灰工况提出系统化技术解决方案。

在机械设计方面，改造方案坚持“不动基础、不加长度”的原则，在既有 ESP 基础和支撑钢结构上完成内部总成的整体替换。为匹配原有不同尺寸的灰斗，电场被设计成不同长度，并在三排灰斗上划分为两个母线段（bus section），在保证灰斗坡角与结构高度的同时，优化气流和荷电区间分布。为了在有限长径比条件下显著提高除尘效率，改造将极板高度由 12 m 提升至 15 m，增加了有效收尘面积和电场容积。经等间距换算后，该项目的有效迁移速度（wk）实现了约 3 倍提升，对高比电阻、低硫煤工况下追求 99.5% 以上捕集效率具有关键意义。

在电极系统方面，项目摒弃传统杆式或针式放电极，改用螺旋型放电极。这类电极通过多点放电和电场均匀性优化，使放电电流在极间空间分布更加均匀，从而在保证总电流的前提下降低局部场强峰值，弱化高比电阻粉尘层中回击电晕的产生倾向[1]。同时，项目对振打系统进行了针对性强化：一方面采用滚落锤（tumbling hammer）方式进行极板振打，以较大冲击力和合理振打频次提高电阻率较高时粉尘饼的脱落效率[2]；另一方面，对振打轴承结构进行专门设计，在保证可靠密封的前提下提升抗磨蚀能力，使轴承寿命提高 5–10 倍，显著降低检修工作量和非计划停运风险。结合严格的制造质量控制与安装精度管理，这些机械侧的优化为后续电气控制策略的发挥提供了稳定平台。

电源与控制系统是本次 ESP 改造的第二个技术核心。针对高比电阻飞灰易诱发回击电晕的问题，项目首先对变电所配电变压器进行升级，为更高电压等级的 ESP TR 供电创造条件。新配置的 TR 单元允许峰值电压达到 95 kV（原系统仅 70 kV），并安装在 ESP 顶部室外，通过母排连接高压电极，避免高压电缆带来的额外损耗与维护隐患。这一提升使在不触发明显回击电晕前提下，可用电压裕度更大，为高比电阻工况下的荷电过程提供了更高的驱动力。

更关键的是，该项目全面采用了基于微处理器的 EPIC 控制系统，引入 Semipulse® 等先进脉冲供电和智能电源管理策略[3]。在具体实践中，控制系统针对每个母线段分别优化充电比（charging ratio），通过调整脉冲宽度、占空比和频率，使电晕放电在接近临界回击电晕点附近稳定运行，既最大化粉尘荷电，又尽量抑制反电离现象的形成。与此配套，项目还在控制层引入了“电源-振打联动”的 Power Control Rapping 策略[4]：在极板和放电极振打前后，智能调整 TR 输出功率和电压上升速率，降低振打瞬间粉尘再飞扬引起的烟羽峰值，从而实现更为平滑的排放曲线。这种“电场–机械”协同控制逻辑，对当前国内冶金、电解铝、水泥行业 ESP 的节能与稳排同样具有推广意义。

在运行监测方面，新系统配置了带数据记录功能的工作站和上位机接口，可实时监控各电场电压、电流、火花率、振打频次等关键运行参数，并记录长期历史数据。通过可视化界面，运行人员能够直观判断回击电晕、粉尘层堆积状况以及振打效果，实现针对性优化。与在线不透光度计形成闭环后，可持续追踪排放趋势，判断长期退化或异常状况。

经过改造投运并在当地环保部门监督下进行性能测试，Aksu 电站改造后的 ESP 在锅炉满负荷运行条件下，实现了 99.6–99.7% 的除尘效率，明显优于当地排放标准要求。运行 1.5 年后的内部检查显示，极板、放电极及关键耐磨部件无异常磨损，过去频繁出现的轴承损坏和引风机叶轮严重磨蚀问题得到明显缓解。不透光度在线监测数据表明，从投运至今排放基本保持稳定，无显著性能衰减迹象。随后电站在另一台机组上复制该技术方案，获得了类似的运行效果，验证了该方案在高尘负荷、高比电阻工况下的可复制性和工程可靠性。

从行业视角看，Aksu 电站的实践再次印证：在老机组与受限空间条件下，仅靠单一措施（如更换放电极或简单升级 TR）往往难以根本解决高比电阻飞灰与回击电晕问题。必须将粉尘特性、烟气工况、ESP 几何设计、气流分布、电源与控制策略、振打与维护管理等因素作为一个系统整体联动优化，才能在不大幅扩建厂房和土建的前提下，把 ESP 迁移速度提升一个量级，实现接近或超过 99.5% 的捕集效率。对目前面临超低排放、提效降耗和投资约束的国内燃煤电厂、钢铁烧结机、水泥窑尾等行业来说，这种“在原基础上按现代技术标准做深度改造”的思路，具有重要的参考价值。

Keywords: high resistivity fly ash, electrostatic precipitator, back-corona, Semipulse energisation, high dust load, coal-fired power plant, industrial flue gas treatment, ESP retrofit

References:
[1] Porle, K., Maartmann, S., Bergström, M.-O., & Bradburn, K. (1990). Modern Electrode Geometries and Voltage Waveforms Minimize the Required SCAs. In: 8th Symposium on the Transfer and Utilization of Particulate Control Technology, San Diego, California, USA.
[2] Lillieblad, L., Thimanson, M., Porle, K., & Jacobsson, H. (2001). On Dust Cake Removal in Electrostatic Precipitators. In: 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Birmingham, Alabama, USA.
[3] Jacobsson, H., Thimanson, M., Porle, K., & Kirsten, M. (1996). Back-Corona Control with Help of Advanced Microprocessor Enhances Performances. In: 6th International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary.
[4] Mauritzson, C., Kirsten, M., Jacobsson, H., & Karlsson, A. (2004). ESP Emission Reductions with Advanced Electrode Rapping together with Novel Energising Methods. In: 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Mpumalanga, South Africa.

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参考文献
[1] Porle, K., Maartmann, S., Bergström, M.-O., & Bradburn, K. (1990). Modern Electrode Geometries and Voltage Waveforms Minimize the Required SCAs. In: 8th Symposium on the Transfer and Utilization of Particulate Control Technology, San Diego, California, USA.
[2] Lillieblad, L., Thimanson, M., Porle, K., & Jacobsson, H. (2001). On Dust Cake Removal in Electrostatic Precipitators. In: 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Birmingham, Alabama, USA.
[3] Jacobsson, H., Thimanson, M., Porle, K., & Kirsten, M. (1996). Back-Corona Control with Help of Advanced Microprocessor Enhances Performances. In: 6th International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary.
[4] Mauritzson, C., Kirsten, M., Jacobsson, H., & Karlsson, A. (2004). ESP Emission Reductions with Advanced Electrode Rapping together with Novel Energising Methods. In: 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Mpumalanga, South Africa.