电力电子技术在大气污染治理中的应用.pdf

'2007年8月吉林电力Aug.2007第35卷第4期(总第191期)JilinElectricPowerVol.35No.4(Ser.No.191)电力电子技术在大气污染治理中的应用其他ApplicationofAirPollutedTreatmentbyElectricandElectronicTechnics123王鑫,卢岩,闫淑梅(1.吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林长春130021;2.大唐长春第二热电有限责任公司,吉林长春130031;3.华北电力大学,河北保定071003)摘要:针对我国大气污染治理的要求,综述了电力电子技术作为一项重要的支撑技术,在高压静电除尘、烟气脱硫脱氮和空气净化技术中的应用,指出电力电子技术在大气污染治理技术中必将有更为广阔的应用前景,对研究大气污染治理具有重要的指导意义。关键词:大气污染;电力电子技术;治理技术Abstract:Theapplicationsofpowerelectronictechnologyasanimportantsupportinginhighpressureelectrostaticprecipi-tation,desulfurizationanddenitrificationoffluegasandairpurificationweresummarizedinthepaperaccordingtotherequirementofairpollutioncontrolinourcountry.anddiscussedthattheremustbemorevastappliedforegroundintheairpollution.Ithasanimportantdirectivefunctioninairpollutioncontroltechnicsresearch.Keywords:airpollution;powerelectricandelectronictechnics;controltechnics中图分类号:X51;TM5文献标识码:B文章编号:1009-5306(2007)04-0046-04大气是人类赖以生存的最基本的环境要素,它用电和高品质用电”为目标,作为一门学科,其发展不仅通过自身运动进行热量、动量和水资源分布的始于贝尔实验室晶闸管的发明,其后经历了整流器调节过程,给人类创造了一个适宜的生活环境,并且时代(工频),以0～100Hz的GTR、GTO为主角的阻挡过量的紫外线照射地球表面,有效地保护人类变频调速、高压直流输出、静止或无功补偿等中低频〔1〕和地球上的生物。但是,随着工业化步伐的加快,范围应用的逆变器、变频器时代,以功率MOSFET能源消费增多,粉尘、工业废气和汽车尾气的排放,和IGBT为代表,集高频、高压和大电流于一身的功二氧化硫和氮氧化物等酸性气体进入空气中,对大率半导体复合器件的出现,以及以高频技术处理问〔1〕气造成了严重的污染,已成为制约经济和社会发题为主的现代电力电子时代,现已发展成为一门综展的重要因素。大气污染治理技术已成为世界各国合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、科研人员的研究热点,该技术的研究离不开科学技自动控制技术等许多学科的交叉学科。逆变器、变频术提供的必要的数据、方法和技术支持。电力电子技器、现代电力电子技术也是在广泛应用领域内支持术便是一个重要的支撑技术,在大气污染治理中储多项高新技术发展的基础技术,应用领域日益扩大,〔2-3〕能问题、能量转换的问题、能量输配的问题、避免污对国民经济产生的效益显著,令人瞩目。染的装置等都与电力电子技术有很大关系。2电力电子技术在大气污染治理中的应用1电力电子技术2.1高压静电除尘中的电力电子技术及设备电力电子技术是以电力为对象的电子技术,它静电除尘是利用高压电场的静电力,使粉尘荷的主要任务是使用电力半导体器件及电子技术对电电产生定向运动而从气体中分离得到净化的方法,气设备的电功率进行变换和控制。它以实现“高效率在实现粉尘与气流分离的过程中,电除尘器可分离收稿日期:2006-02-27作者简介:王鑫(1982—),男,现从事电力环保专业相关工作。·46· 2007年8月吉林电力Aug.2007第35卷第4期(总第191期)JilinElectricPowerVol.35No.4(Ser.No.191)的粒度范围为0.02～200
m,除尘效率为80%～逆变技术地结合,组成了高频逆变型静电高压电源。90%。随着电力电子技术迅猛发展,具有控制方便、变压器采用高频软磁材料,工作频率可以达到灵敏度和精度高等优点的电力电子技术将成为影响30kHz,从而使得变压器具有体积、质量小的明显〔4〕静电除尘器除尘效果的不可分隔的必备技术。特点,使高压静电除尘系统总体的体积缩小,重量减现代工业电除尘器一般都是采用电晕放电的方轻,系统的效率也都得到了一定程度的提高。法实现的,电力电子设备主要应用于高压静电除尘2.2烟气脱硫脱氮技术中的电力电子技术及设备电源。由施加电压和电流决定除尘器电气状况,对除烟气脱硫脱氮技术是一项跨行业、多学科的系尘器效率有极大的影响。当电极配置、粉尘和气体特统工程,涉及环境工程、化学及化学工程、机械、电性一定时,电气状况还会因系统的设计,特别是电场子、自动化等学科领域,以及项目规划、工艺研究、技划分程度和控制设备的设计不同而有较大差异。静术开发、设备研制、工程设计等内容。在技术难度上,电除尘器的高压系统由升压变压器、高压整流器、控消烟除尘技术是不可与其相比的。制元件、自动控制反馈4部分组成,如图1所示。烟气脱硫的工艺很多,有200多种,石灰石-石膏法烟气脱硫系统主要由变压器、交直流UPS/配电柜、开关控制屏及继电保护装置组成,系统中使用的脱硫风机、水泵、输送机械等控制电路都选择电力半导体器件,应用了电力电子技术,使得工艺流程顺〔5〕畅,控制灵活方便。随着氮氧化物排放标准的制定,烟气脱硫脱氮技术的研究引起了人们的广泛关注,这些新技术就图1电除尘器高压控制系统的框图更离不开电力电子技术的支持。下面对电子束、脉冲高压发生设备有摩擦发生器、高频变压器、机电晕、电化学法等脱硫脱氮新技术作简单介绍。械整流器和标准铁心变压器。摩擦起电器和高频变a.电子束氨法烟气脱硫脱氮技术(EBA)是一项物理与化学紧密结合的高新技术,其工艺原理如下:压器的电流都太小,不能满足工业电除尘器的要求,因此一般都采用常规高压变压器,把正常的供电线烟气进入反应器内,喷入氨气,再通过电子束照射,路电压升到除尘器运行所需的电压。高压整流设备烟气接受由于电子加速器产生的高能电子束照射,经几次演变,硅整流器由于整流效率和可靠性都较电子束中大部分能量被烟气中氮、氧、水蒸气吸收,高,目前应用最为广泛。在正常的运行范围内,电压生成大量的离子,它们可以在极短的时间内将烟气控制设备变压器是线性的,输出电压正比于输入电中的SO2、NOx氧化成硫酸和硝酸,与先前注入的氨压,因而输出电压可以通过改变变压器的输入电压进行反应,生成硫酸氨、硝酸氨的混合粉体。喷氨与加以调节。现代化的控制设备,采用饱和电抗器(磁电子束照射工序同时在反应室内完成。生成的硫酸力装置)、晶闸管可控整流器。由于晶闸管的运用使铵与硝酸铵混合粉体进入副产品电收集器,收集后得电压控制与调节十分方便。控制系统的作用之一用造粒机造粒,分离机分离打包后作为化肥贮存入〔6〕是调节作用于电极上直流电压的幅值。此系统设在库。其中高频高压开关电源、高能电子加速器等都变压器的一次侧,通常为低压侧。应用了电力电子技术。高压静电除尘电源分为工频升压整流型高压除b.脉冲电晕等离子氨法烟气脱硫脱硝技术尘电源和高频逆变类高压除尘电源。工业上除尘用(PPCP)与EBA法相同,只是采用高压脉冲电晕放高压静电通常需要50～150kV的直流高压,电流电代替了EBA中的电子加速器。脉冲电晕特性和反一般较小,随除尘器本体的大小和除尘功率的不同,应机理的研究目的均为了优化电源性能和反应器系约在5～100mA范围,针对具体应用情况,电压、电统结构。用于描述脉冲电晕特性的主要电参数有脉流都是根据除尘环境及粉尘特点决定的。随着新一冲电压、电流和能量的峰值、上升时间、脉宽和重复代电力半导体器件MOSFET、IGBT等的应用,使频率,其他还有脉冲波形的振荡程度,单次脉冲能高频逆变技术越来越成熟,从而产生了各种不同类量、单次脉冲电量等。适当的直流电压有利于电源和型和特点的电路,已经广泛应用于直流-直流变换,反应器匹配,电源和反应器本身及运行条件直接决直流-交流逆变等场合,电容倍压整流电路与高频定脉冲电晕特性。高压窄脉冲电源回路的设计有许·47· 2007年8月吉林电力Aug.2007第35卷第4期(总第191期)JilinElectricPowerVol.35No.4(Ser.No.191)多,但最主要的是利用电容储能并通过火花隙开关烟气中的SO2反应生成CaSO3及CaSO4颗粒物质,形成和传输高压窄脉冲能量。反应器作为电源负载然后被后部的除尘设备除去。CDSI主要包括吸收必须同电源相匹配,即经传输线传输以及反应器的剂喷射单元、吸收剂给料单元(进料制器、料斗装置)脉冲能量全部注入到反应器,而无沿传输线反应。及计算机控制单元等,喷射单元由荷电喷枪、高压电c.电化学法脱硫是在电催化下间接电解而将煤源、气-固混合器、一次风机及二次风机组成。高压中的有机硫氧化的过程。影响有机硫脱除的因素主电源的作用是使喷枪带上高压静电荷,形成充电区。要有电解质、电解电位、电流密度、电解电极、电解温CDSI系统吸收剂的喷射量是根据烟气中SO2含量度、电解时间等。利用电力半导体器件设计的电解电的多少决定的,通过锅炉负荷的变化来调整吸收剂源可以实现煤脱硫,效率高达70%以上,用以减少的喷入量,将煤的含硫量与低次发热值等数据输入或防止煤燃烧时产生含硫气体对大气的污染,实现计算机就可实现自动控制的目的。把计算机控制应煤的深度净化。用与荷电喷枪与高压电源有机地结合起来,提高了d.高压脱硫是一种烟气脱硫的新方法、新技术,脱硫效率,降低了成本,改善了环境。其脱硫原理是:利用高压、高频的工作电源,对烟气2.3空气净化类电力电子设备中的气体分子(O2、H2O、N2等)作用产生丰富的离空气的洁净度是人们生活水平提高到一定程度子和自由基,这些活性粒子同污染分子(SO2、NOx)后必然予以关注的问题。在治理室内空气污染方面反应,氧化或是还原(主要途径是氧化),在有添加剂独领风骚的空气净化器,近几年逐渐被人们所认识,NH3存在的条件下生成相应的氨盐除去。该技术所并且在短期内迅速成了一个国际性的新兴产业。空使用的高压脉冲电源其主要电路中就可以选用最新气净化器主要作用是清除室内空气中的粉尘;清除的耐高压且开关速度很高的电力半导体器件。智能室内空气中的有毒气相物及异味,其原理是采用吸型电力半导体器件中抗干扰技术和新的控制理论的附或化学分解法;清除室内空气中的细菌及病毒。空应用使其在高频、高效、高可靠性方面更具有竞争气净化类电力电子设备主要有以下几种。力。高压脱硫类电力电子设备主要有120kHz高压a.臭氧发生器。臭氧具有极强的氧化能力与杀开关电源、荷电干式吸收剂喷射系统(CDSI)2种,分菌性能。在治理污染、消毒灭菌过程中臭氧对有害物述如下。质进行分解,使其转化为无毒的副产物,没有二次污120kHz高压开关电源:应用含有IGBT驱动、染,本身被还原成氧和水,在环境中不存在残留物,保护的智能功率模块和脉宽调制(PWM)稳压,限流因此臭氧在空气和水的净化治理中都有广泛的应双闭环集成控制技术设计的20kHz高频高压开关用。电解法臭氧发生器是利用直流电源电解含氧电电源,其原理电路框图如图2所示。它的核心电路有解质产生臭氧气体,具有浓度高、成分纯净、在水中整流电路、斩波电路、全桥逆变电路、IPM驱动控制溶解度高的优点,是目前应用最广泛、相对能耗较电路和PWM脉宽调制集成控制电路。经升压变压低、单机臭氧产量最大、市场占有率最高的臭氧装器、高压整流后,送给高压负载(脱硫吸收塔的高压置。其放电器件基本构成有:高压电极、地电极、介电电极)。极与放电气隙四部分。其分类方法很多,按放电器件荷电干式吸收剂喷射系统(CDSI):CDSI系统形状分为管式和板式;按冷却方式分为液冷与气冷;是通过在锅炉出口烟道内除尘器前的适当位置喷入按电源分为工频与高频。干的吸收剂{通常用消石灰Ca(OH)2},使吸收剂与b.空调净化计算机控制系统。空气净化不仅对图220kHz高频高压开关电源原理框图·48· 2007年8月吉林电力Aug.2007第35卷第4期(总第191期)JilinElectricPowerVol.35No.4(Ser.No.191)各区域实施温度、湿度、压差控制,而且对设备运行率高,耗电少,成本低,因此,对一般家庭比较实用。状态加以监视。计算机控制系统是以空调机组为背景,根据工况的要求,完成各区域的一次加热口温度控制,新风恒温恒湿控制,空调机组加湿控制。在新风口端部安装了电加热器,根据区域的风量,设置电加热功率,单元加热器为多组控制,这样调节范围宽,精度高,冬季新风口温度应在2～5℃,以保证恒温恒湿机的正常工作。c.智能空气净化器。空气净化器是家庭办公室及宾馆等场所用来净化空气的理想产品,由简单的图3空气负离子发生器电路开关控制发展为智能控制,功能有3个档速,4个定g.加湿器。空气湿度是一个与生产及人们生活时时间,烟雾传感自动开机,高压积尘及产生负离子密切相关的重要环境参数。空气加湿器能有效地改的控制,遥控操作,有的还有红外感应控制。智能控善人们的生活和工作环境。电子恒湿控制器也是利制的硬件电路是采用单片机及其接口电路组成,通用电力电子技术设计的,主要是由湿度传感电路、正过软件编程实现上述功能。由于电动机和高压电路弦波振荡电路、直流放大电路、开关电路4部分的存在,对电源的干扰极大,为减少对单机的影响,组成。〔7〕在对电动机控制接口上普遍采用了光电隔离。d.吸尘器。VW-100G型吸尘器整机电路由控3结束语制电路、显示电路和电动机驱动电路3部分组成。双向晶闸管、电动机、变压器等元器件组成电动机驱动大气污染问题是我国现阶段重要的环境污染之电路,变压器将控制电路输出的触发脉冲耦合后,由一,治理污染已成为改善人民生活水平的重要手段。变压器的二次侧输出,经二极管加至双向晶闸管的电力电子技术作为一种高新技术为大气污染治理提门极,晶闸管得到触发电压而导通,使得电动机运供了很好的机遇,随着新的电力电子元器件的研发转,吸尘器正常工作。调节电位器阻值时,控制电路及现代计算机、控制技术的迅速发展,应用领域更加输出的触发脉冲经变压器耦合后改变双向晶闸管的广泛,应用性能也越来越完善。新的大功率电力电子导通角,从而控制电动机的转速,以调节吸尘器的工器件的研发和应用必将为大气污染治理技术的发展作状态。提供更加广阔的应用前景。e.消毒柜。随着人们生活条件的不断改善,人们对小家电的要求也越来越高,生产厂家也在不断提参考文献:高小家电的技术含量,新开发的小家电都离不开电力电子技术的应用。消毒柜就是典型的实例。柯利〔1〕钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例〔M〕.北KLXG-E型消毒柜应用臭氧消毒原理,其控制电路京:工业出版社,2002.主要由时基电路NE555和外接的TC165P组成定〔2〕JohnGK.Thefutureofpowerelectronicsinadvan-时控制及触发电路;宝利CY-3型茶具臭氧消毒柜automotiveelectricalsystems,PESC’96,1996.电路主要由桥式整流器、晶闸管、脉冲升压变压器和〔3〕俞勇祥.电力电子技术的应用概况〔J〕.新技术新工艺,2000,(10):12.臭氧放电管等组成。〔4〕胡志光,田贺忠.电除尘器供电控制技术〔M〕.河北:华f.空气负离子发生器。当空气中负离子浓度很北电力大学出版社,1998.高时,能抑制多种病菌的繁殖,还能降低血压,消除〔5〕邓永强,谭庆锋.国内外烟气同时脱硫脱氮技术研究现疲劳使人心情愉快,增进健康,故空气负离子有空气状〔J〕.江西化工,2006,1:33-3.维生素的美名。空气负离子发生器的工作原理主要〔6〕孙军蓉.电子束烟气脱硫技术〔J〕.科技情报开发与经是利用电网的正反峰值控制晶闸管起开关的作用,济,2003,13(8):142-144.有电位器和电容组成分压电路,电位器两端分得的〔7〕冯玉生,李宏.环境与消防安全中的电力电子技术电压作为晶闸管的门极控制电压(见图3)。该电路〔M〕.北京:机械工业出版社,2005.性能稳定,臭氧浓度很低,负离子浓度很高,并且效(编辑田淑华)·49·'