影响水泥窑头电除尘器收尘效率的因素
摘电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子(尘粒或液滴)的装置，其效率受粉尘比电阻、电源、清灰控制、内部件变形、电除尘器规格、制造安装质量、气流分布及设备漏风等因素的影响。当前水泥窑头电除尘器使用中出现的问题，大部分是项目操作不当造成的，并不是电除尘器技术本身不适用或达不到引起的。
引言
我国在大型窑炉烟尘治理方面，电除尘器的应用已极其普遍，钢铁、电力、建材、有色冶金等行业，对电除尘器的设计、制造及使用维护都积累了大量成熟的经验。但当前，电除尘器技术遇到了前所未有的挑战。就水泥行业来说，2005年之前，窑头和窑尾烟气的粉尘治理绝大多数使用电除尘器，2005年之后，国家实施<50mg/Nm3排放标准，新建项目大多放弃电除尘器而选用袋式除尘，许多已有的电除尘器也改造成袋式除尘器或电袋复合除尘器。
造成这一现象的原因：其一是环境保护法规对废气中粉尘含量的排放指标有所提升并且还有进一步提高的趋势;二是袋除尘技术的发展和应用已取得丰硕的成果，正逐步扩大和占领大型废气处理市场;三是现役电除尘器的工作效率受工况条件等各种因素的影响，难以稳定实现达标运行。2013年，最新颁布的GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》又将排放标准提高到<30mg/Nm3，部分地区执行<20mg/Nm3的标准。
无可否认，受商业利益驱动，各大设计院所和电除尘器制造商对电除尘器的技术问题较少投入精力开展研究和探讨，而是把主要目光放在如何获取商机和商业利益方面，以致于把原先用来做电除尘器试验的装置废弃不用甚至予以拆除，也就难免在电除尘器技术研发和创新方面收效甚微[1]。
就现有电除尘器而言，仍有一定的潜力可挖。当前电除尘器使用中出现的问题，大部分是项目操作不当造成的，并不是电除尘器技术本身不适用或达不到要求引起的。值得欣慰的是，电除尘器技术发展到今天，对应用中存在的技术难题，都有了系统有效的解决方案，从而提高了电除尘器的性能。
本文从电除尘器的原理入手，对影响水泥窑头电除尘器收尘效率的因素进行逐一分析，以期找到提升收尘效率的途径。
1电除尘器的工作原理
电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子(尘粒或液滴)的装置，如图1。含尘气体在不均匀高压强电场中发生电离，气体中的粉尘荷电并在电场力作用下沉积于相反电极，粉尘从含尘气体中分离出来。与其他除尘器的根本区别在于：除尘过程的分离力(主要是静电力)直接作用在尘粒上，而不是作用在整个气流上。
电除尘器完成粉尘捕集主要有以下五个过程：
(1)当含尘烟气通过两极之间后，外部电源向电场施加直流高电压产生强电场使气体电离，产生电晕放电;
(2)电晕产生的电子和正负离子就会吸附到粉尘的表面使粉尘荷电;
(3)荷电粉尘在电场力的作用下会向与其极性相反的方向移动;
(4)荷电尘粒最后被极性相反的极捕获，完成了粉尘与气体的分离，即除尘作用;
(5)当两极(阴、阳极)上的粉尘积到一定厚度时会影响电晕放电和其它粉尘的运动，通过振打装置将沉积在两极上的粉尘清除掉使两极再生，即振打清灰。
以上就是电除尘器工作的五个过程，即电晕放电、粉尘荷电、向两极运动、沉积到两极上和振打清灰。
2影响水泥窑头电除尘器收尘效率的因素
2.1比电阻的影响
粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的指标，对电除尘器性能的影响最为突出。沉淀在电极表面的粉尘必须具有一定的导电性，这样才能传导从电晕放电到大地的离子流，使吸附在电极上的粉尘释放电荷并通过振打机构达到清灰目的。
导电性不良的尘粒在阳极板沉积后，由于电荷不容易释放，极板粉尘层逐渐增厚，在粉尘层间发生局部放电，反而从阳极板上放射出大量的正电离子的尘粒，这种现象称之为反电晕。实践证明这是因为粉尘的比电阻超过5×1010Ω˙cm所致，当粉尘的比电阻超过1011Ω˙cm时，反电晕现象就更加严重了，见图2。始发的反电晕会导致火花放电电压的降低，严重的反电晕能使阳极板上产生大量的正离子放电，与来自阴极的负离子尘粒中和，而变成中性分子的尘粒随气体携出电除尘器以外，收尘效率消失殆尽。反电晕放电时，尘粒电荷将大大减少，而正电性和中性尘粒的数量可能相等，甚至超过负离子的数量。由此可见，粉尘的比电阻是影响电除尘器性能的重要因素。一般认为，粉尘的比电阻值在104至5×1010Ω˙cm范围内是中阻值，不易出现反电晕现象。
从图2可以看出，当粉尘的比电阻低于104Ω˙cm时，粉尘因频繁的荷电及放电，而发生跳跃现象，进而逃逸出电除尘器，此时的收尘效率低下。而当粉尘比电阻高于1011Ω˙cm，粉尘荷电不稳定，收尘效果下降。当比电阻高于1013Ω˙cm时，粉尘出现反电晕现象，电除尘器丧失功能[2]。
国家在严格控制水泥熟料生产粉尘污染的同时，对水泥窑废气中的余热通过低温余热发电技术加以利用，既实现了能量的合理利用，又能在某种程度上减少火电生产造成的污染。在政策扶持下，低温余热发电给水泥熟料生产企业带来很好的经济回报。始料所不及的是：在水泥窑废气余热得到有效利用之际，窑头、窑尾电除尘器的出口废气粉尘排放浓度大幅增加。其原因，是由于烟气温度以及烟气含水率的改变使得烟气中的粉尘导电性发生了改变(见图3)，粉尘在静电除尘器内捕集效率大幅下降。
从图3可以看出，对窑头电除尘器而言，当烟气温度在180～200℃以上时，粉尘的导电性尚可，按传统选型设计的电除尘器在设备状态完好情况下可获得预期的收尘效率;在环保标准提高的情况下，经过适当改进也能达到期望的效果。经过余热发电，虽然烟气温度降低使工况烟气量有所减少，含尘浓度也有一定程度的降低，但粉尘导电性的降低使实际收尘效率下降，粉尘逃逸量大幅增加。
正常情况下，水泥窑头废气的湿度都在2%以下，窑头电除尘器在余热发电不投入使用时，气体的温度都在200～250℃，此时的粉尘比电阻还是适合电除尘器收尘需要的。而当余热发电投入使用时，进电除尘器的烟气温度大部分都在100～120℃之间，此时的粉尘比电阻比较高，电除尘器很难有好的收尘效果。
然而，在实际的使用过程中，也有这样的现象。如在长江以南使用的窑头电除尘器，普遍比北方地区使用效果好。而在北方地区同一条生产线，雨天和晴天收尘效果就差别很大。是什么原因造成这样的差别呢?主要是环境空气湿度及原料中含的水分不一样造成的。在本体规格确定的条件下，窑头电除尘器的收尘效率在很大程度上取决于电收尘器的入口温度和湿度。余热利用后的温度降低使得熟料粉尘的比电阻大幅升高，不利于粉尘的有效捕集，主要表现在粉尘被收下之后，电荷难以释放。电荷在阳极板表面累积，形成反电晕，产生大量正离子，抵消电场的正常放电，阻碍后续粉尘的荷电与捕集。
水泥窑头废气在经过余热发电后，如果电除尘器使用效果恶化，首先要考虑降低粉尘比电阻。具体做法是可以从余热发电引一部分蒸汽进入进电除尘器的管道，来降低比电阻。适量添加蒸汽既可有效提高电除尘器收尘效率，又能避免对工艺系统的稳定运行产生大的干扰。
也有水泥公司在管道中喷入水，对进气烟道喷水增湿虽然对粉尘捕集有利，但事实证明：烟道和阀门不久将发生堵塞，系统无法正常运行。造成这样的原因是由于余热发电后进电除尘器的气体温度较低，喷入管道的水来不及汽化就和粉尘一起粘在管道上，形成尘垢堵塞管道，对系统的安全运行产生影响。
2.2电源的影响
目前水泥窑头电除尘器使用的电源大部分为普通工频可控硅电源，高低压合一、节能优化和远程控制方面存在一些技术不足和缺陷，对一些特殊工况特别是高比电阻粉尘就无能为力。众所周知，电场强度对驱进速度起主导作用，驱进速度与场强的平方成正比。电除尘器的电场强度取决于供电电源的特性，不同的供电电源产生不同的电场强度。故此，更换运行水平较低或产品品质较低的供电电源是电除尘器升级改造的重要方面，通常做法是以原理相同、配置较高的供电装置替换原供电装置，或以中频电源、三相电源、高频恒流电源等替换普通可控硅电源，都能够在一定程度上提高电源的工作性能，进而较大幅度地提高收尘效率。
2.3清灰控制的影响
阳极的有效清灰是电除尘器实现除尘功能不可或缺的关键环节，只有适时清灰，才有可能使除尘过程持续进行;阴极清灰是保持电晕放电持续进行的必要前提。电除尘器清灰程序的一般设置是：阳极清灰间歇进行，沿气流方向顺序间歇时间延长，阴极清灰间歇时间较短。为避免瞬时超标排放，清灰时序控制应避免阳极前后电场或整个电场同时振打。有些电除尘器的阴阳极积灰非常严重，造成这样的原因有两个：一是振打装置失效，从外面看振打机构在工作，实际没有振打力，造成出工不出力;二是清灰周期设计不合理，清灰周期过长。
清灰造成的二次扬尘也是影响超标排放的重要因素。而造成二次扬尘的原因是清灰机制设计的不合理，特别是最后一个电场，没有多少粉尘，频繁的清灰造成二次扬尘严重，进而排放超标。
因此，合理的清灰机制也是保证电除尘器达标排放的一个重要因素。当阳极板采用双边振打时，应注意调整到每一电场每一排阳极板的振打不能同时进行。对不是连续振打的电场，应调整到当一边振打结束后立即启动另一边的振打，并使电场进气端的振打装置优先启动。
对于阳极板的一个振打锤振打设置时间为n秒，第一电场振打的停止时间为2n秒，第二电场的振打停止时间为5n秒，第三电场的振打停止时间为9n秒，第四电场的振打停止时间为24n秒。以上设定仅是一个参考值，在实际运行中应根据工况进行适当的调整，以最大可能地提高清灰效果，减少二次扬尘，节省能源消耗和延长振打装置的使用寿命。
2.4内部件变形的影响
在高温时粉尘的比电阻是非常适合窑头电除尘器收尘的，但高温对除尘器的影响也是致命的。温度过高会造成电除尘器内部件变形，反而影响收尘效果，严重的时候整个电场短路，电除尘器停止工作。
在日常的电除尘器使用中，内部件最容易发生的故障如下：内部件受高温冲击发生变形、两侧边缘挡风板变形或脱落、灰斗阻流板损坏或脱落、绝缘部件损坏、阴极系统的故障、振打传动失效等。
(1)内部件受高温冲击发生变形。受高温冲击最容易发生变形的是极板，这些变形在温度回归正常时而不能恢复到正常状态，影响电场电压的升高，严重时整个电场都升不上电压，电除尘器收尘效果恶化。
(2)两侧边缘挡风板变形或脱落，都会使含尘气体不经过电场收尘而直接排出，进而造成电除尘器排放超标。
(3)绝缘部件损坏会造成电场电压升不上去，电除尘器收尘效果恶化。
(4)阴极系统的故障。经验表明，电场出现故障频率较高的主要是阴极系统，包括阴极线框架的定位、极线松紧度。例如：阴极线框架定位螺杆出现松动虽不是普遍现象，但一个线框的松动会带来整个电场工作效率大幅降低甚至失效。所有螺杆定位失效的概率很小，但一个电场在一年内出现一处松动的概率并不低，而阴极线的松动同样会引起运行电压和电流的降低、削弱电场功效，因此，无论是否发现其松动，皆应对每根线加以检查和紧固。
(5)振打传动失效。阴阳极振打系统有很多传动部件，对安装精度要求很高，每一个细节安装调整不到位，都会影响振打力的传递，进而影响收尘效果。以上每个部件出现问题都会影响电除尘器的收尘效果。
2.5电除尘器规格的影响
有些设计者在选用电除尘器时，只是根据厂家样本中所标明的风量和截面积来确定电除尘器的规格，而不考虑烟气和粉尘的性质以及收尘极板总面积等主要因素。除尘行业竞争激烈，为提高其竞争力，不是立足于自身技术进步和设备的可靠性，而是着重于价格高低。
为提高价格优势，唯一手段就是降低设备重量，所以往往确定的设计参数不切实际，致使电除尘器的规格偏小，处理风量能力不够，其结果是收尘效率低，达不到国家的粉尘排放标准。还有些电除尘器的长高比、长宽比不合适，虽然收尘面积够，但收尘效率不高。电除尘器的规格不够唯一的办法就是增加电场或者加高电场，不管哪种方法投资都是比较大的，而且施工量较大、施工周期长。
2.6制造安装质量的影响
在电除尘器制造方面，很多人认为电除尘器的技术含量不高，不是要求精密度很高的金属结构件产品，只要有几台焊机、几台设备就能加工电除尘器，因此在很多大型电除尘器制造厂的周围，会派生出很多的小型制造厂，有些连基本的设备都没有就能生产电除尘器。
特别是前些年，水泥行业形势较好，电除尘器生产厂家的任务都很饱满，粗制滥造的情况时有发生，更有个别不良厂家偷工减料，再加上没有严格的检验程序，其产品质量很难保证[3]。
至于安装方面，问题更为严重，层层分包，以包代管的情况非常普遍;安装队伍不专业，安装人员都是临时拼凑的，技术水平不高，对电收尘器的安装要点更是没有一点了解，施工现场混乱无序，这种素质的安装队伍，是没法保证安装质量的。
在施工工程中，业主也是只注重工期及形象进度，根本不过问安装质量，给后续的使用留下严重的质量缺陷。制造安装质量差是很多电除尘器一开始投运就除尘效果差的一个重要原因。
2.7气流分布的影响
电除尘器是利用电极间的空间来除尘的，为达到设计的除尘效率，要求含尘烟气能均匀地分布在电场的全部空间内，所以电除尘器的进气口均设计有气体均布装置，并对均布效果有一定的要求。
气体均布的好坏对收尘效率的影响很大，如果气流分布不均意味着电场内存在高、低速度区，某些部位存在涡流和死区，在低速区增加的收尘效率远不能弥补高速区效率的降低，况且高速气流和涡流会产生冲刷，增加极板和灰斗中粉尘的二次扬尘，不良的气流分布可造成收尘效率降低20%～30%甚至更多，可见气体均布的好坏对除尘效率的影响很大。
在设计气体均布装置时，是以烟气垂直进入进气口法兰为前提的，所以烟道风管在与电除尘器进口法兰联接时，必须要考虑烟气能否垂直进入进气口法兰，否则会破坏气体均布装置的性能，影响烟气在电场内的均布。
这一点工艺人员在进行烟道风管设计时考虑较少，有些风管甚至是斜向插入除尘器，烟道是连上了，气体的均布效果却给破坏了[5]。正确的设计是保持与进气口法兰垂直的烟道有一定的长度，这一长度应不小于风管当量直径的三倍。如因场地等原因无法做到时，应在风管的弯头内增加导流板，引导气流垂直进入电除尘器。
风管的直径也是一个重要参数，必须与除尘器的进口法兰面积相当，通常进电除尘器法兰处的气流速度多小于14m/s。如偏差较大应设计变径管，且变径管的张角不能太大，一般不大于60°。
若条件限制，则应在变径管内增加扩散器，引导气流扩散，否则，不但影响气流在电除尘器内的均布，还会强烈冲击气体分布板，造成分布板破损，影响电除尘器的使用效果[4]。
对不符合布置要求的均风装置，应进行调整，或通过改进烟道以及采取导流等措施，改善气流分布，提高收尘效率。
2.8漏风的影响
电除尘器的漏风主要有两个部位：一个是本体的漏风;另一个是灰斗下料口的漏风。本体漏风不但造成工作负载的增大，还会增加粉尘的逃逸。电除尘器多为负压工作，局部漏进来的风速极高，清灰降落的粉尘将被带起直接到达出气口形成粉尘逃逸。当采用拉链机排灰而灰斗下料口没有锁风装置时，拉链机使实际的粉尘逃逸大大增加。由此可见，电除尘器的漏风也是影响除尘效果的一个重要因素。
3结束语
综上所述，窑头电除尘器的除尘效率受多重因素影响，要根据具体情况进行分析，找出主要问题症结所在，只有把问题找准，才能采取针对性的措施。这些措施可能是一项，也可能是多项的组合，只要这些措施实施到位，收尘效果一定会有大幅度的提高，达标排放的问题将会迎刃而解。