提高电除尘器除尘效率的途径

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提高电除尘器除尘效率的途径

ExtraEdition2008

冶 金 设 备 METALLURGICALEQUIPMENT

2008年特刊(2)

提高电除尘器除尘效率的途径

舒服华¹

(武汉理工大学职业技术学院 湖北武汉430074)

摘要 介绍了电除尘器的工作原理和除尘效率的计算方法,分析了影响电除尘器除尘效率的主要因素,提出了提高电除尘器除尘效率的主要途径。

关键词 电除尘器 除尘效率 影响因素 改造措施

MethodsofImproveEfficiencyofElectrostaticPrecipitator

ShuFuhua

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology)

ABSTRACT Theworkingprincipleofelectrostaticprecipitator(ESP)isintroduced,andcaculutionmethodofESPdeductingefficiencyisintroducedalso.ThefactorofESPdeductingefficiencyareanalysizedindetai,landthemeasureofimprovingESPdeductingefficiencyissuggested.

KEYWORDS Electrostaticprecipitator Dustprecipiteefficiency Effectfactors Improvemmentmeasure

电除尘器是利用电力将气体中的粉尘粒子分离出来的一种除尘设备,它具有除尘效率高、耐温性能好、处理烟气量大、操作自动化程度高等优点,应用日益广泛,如用于冶金行业中高炉尾气除尘,能明显降低烟尘对大气的污染。但电除尘器设计参数多、结构复杂、影响因素广、运行条件要求高,如果使用、调整、维护不当,则会使除尘效率大大下降,无法达到设计的除尘指标。本文对影响电除尘器收尘效率的一些因素进行了分析,指出了提高电除尘器运行性能的措施,为冶金行业电除尘器安全、可靠、高效运行提供借鉴和参考。1 电除尘器的工作原理

电除尘器是通过高压整流变压器得到的直流电压在放电极与收集极之间建立起一个电场,在某一电压下放电极与收集极间的气体发生电晕放电,使得放电极附近产生大量载流子(自由电子,正负离子),在电场的作用下,带负电的载流子向收集极移动,由于带电载流子的附着性,处于放电极与收集极间的灰尘微粒也带上了负电,向收集极移动,灰尘沉集在收集板上,直到振打装置将它们清除。此外,还有一些带上正电荷的灰尘附着在放电极上产生了一定的绝缘作用,为保持放电极的放电效果,

放电极也需不断地通过振打清灰。所有清下的灰尘通过刮灰机与输送链送到灰尘仓,如图1

所示。

图1 电除尘器原理

2 电除尘器除尘效率计算

电除尘器是利用电场来进行收尘的,所以除尘效率的高低主要与电场中的电场强度有关。除尘效率计算公式为:

G=1-e-XA/Q

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式中 G)))电除尘器的除尘效率,%;

A)))降尘极壁的有效面积,m2;

¹作者简介:舒服华,男,1964年出生,武汉理工大学博士研究生,研究方向:机械设计和计算机应用研究,发表学术论文60余篇

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舒服华:提高电除尘器除尘效率的途径

Q)))通过除尘器的总气体量,m3/s。

在电除尘器中,粉尘微粒不仅要受到电场力的作用,还要受到风力和重力的作用,粉尘微粒的沉降不是指受重力作用向下沉降,而是指受电场力作用向降尘极沉降。因此,电除尘器的驱进速度是指粉尘微粒在电场力作用下的运动与流体阻力达到平衡时的速度。驱进速度计算公式为:

X=

PE0Ecd3PL

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化性质、含尘气体的温度、湿度等因素有关,它对电除尘器性能的影响主要有以下两方面:在通用的板式电除尘器中,电晕电流必须通过极板上的粉尘层传到接地的收尘极板上。若粉尘的比电阻超过临界值时,则电晕电流通过粉尘层就会受到限制,这将影响到粉尘粒子的荷电量、荷电率和电场强度等,如不采取必要的措施,将会导致除尘器效率下降。粉尘的比电阻对粉尘的粘附力有较

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大的影响,高比电阻导致粉尘的粘附力增大,以致清除电极上的粉尘层要提高振打强度,这将导致比正常情况下的二次飞扬大,最终也使除尘效率下降。图2为粉尘比电阻与除尘效率之间的关系。可见,在A区段,即低阻型时,比电阻愈小,粉尘导电性愈好,电晕电流愈高,除尘效率愈低。在B区段,即正常型时,除尘效率较高,电流消耗亦较稳定。在C区段,即高阻型时,随着比电阻的增大,除尘效率急剧下降,电晕电流开始下降(C区段),随后急剧上升(D区段)

式中 X)))驱进速度,m/s;

P)))颗粒介电常数,随物质种类而不同;E0)))电晕边沿处电场强度,V/m;Ec)))沉降极处电场强度,V/m;d)))颗粒直径,m;

L)))气体的粘度,kg/m#s。3 影响电除尘器性能的主要因素3.1 粉尘特性的影响3.1.1 粉尘粒径分布

粉尘的粒径分布对总收尘效率有很大影响,因为核电粉尘的驱进速度与粉尘粒径的大小成正比。即粉尘粒径越大,收尘效率越高。

3.1.2 粉尘的真密度和堆积密度

粉尘是及其细微的集合体,粉尘作为实体存在真密度r,但作为集合体是呈堆积状态,其密度称为堆积密度ra,它是指测出包括离子间在内的体积并取固体离子的质量求得的密度。离子间的空间体积与包括离子在内的全部体积之比,通称空隙率p。空隙率p、真密度r与堆积密度ra之间的关系为ra=(1-p)r。真密度r对固定物质是一定的,而堆积密度ra则与空隙率p有关,随着充填程度的不同而有大幅度变化,如果r与ra之比越大,则由于粉尘再飞扬而对除尘性能的影响也就越大。如r/ra值在10左右时,则由于含尘气体的偏流或漏风对粉尘二次飞扬的影响会很大,所以此时应防止漏风。3.1.3 粉尘粘附性

粉尘具有粘附性,可使细微粉尘粒子凝聚成较大的粒子。这对粉尘的捕集是有利的。但粉尘粘附在收尘器壁上会堆积起来,这是造成收尘器堵塞的主要原因。在电除尘器中,若粉尘的粘附性强,粉尘就会粘附在电极上,即使加强振打也不易脱落,即会出现电晕线肥大和收尘极板粉尘堆积的情况,影响电晕电流与工作电压升高,导致除尘效率降低。3.1.4 粉尘的比电阻

粉尘的比电阻Q与固体物质的电阻率不同,固体物质电阻率是表示物质本身的电阻;而粉尘的比电阻除了表示本身的电阻外,还包括粉尘颗粒的表面电阻与颗粒之间所包含的气体的电阻等。粉尘比电阻与粉尘本身的理

图2 粉尘比电阻与除尘效率关系

3.2 含尘气体性质的影响3.2.1 含尘气体的流量和流速

对于一定型号规格的电除尘器,它的除尘效率是指处理的气体量在一定范围内而言。如果气体量超过设计的范围,则除尘效率达不到设计的要求。气体流量大于电除尘器设计允许的范围时,使除尘效率降低的原因主要是由于气流流速增大,减少了粉尘微粒与电离的气体离子相结合的机会,加大了粉尘微粒被高速气流带走的数量,同时也加大了已沉聚下来的粉尘再度被高速气流扬起带走的力量,即加大了二次扬尘。从电除尘器的工作原理来看,气体流速愈低,粉尘微粒荷电的机会愈多,因而除尘效率愈高。3.2.2 气体的含尘浓度

在电晕极和降尘极所造成的不均匀电场中,气体发生电离。电离产生的正离子,向电晕极运动;电离产生的负离子(包括电子)向降尘极运动。正负离子各向相反的方向移动,形成电风。由于晕外区比电晕区大得多,所以负离子在电场中的运动居于主导地位,即由负离子形成的电风是主要的。通过电场的粉尘微粒粘附在负离子上

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电晕线粗糙度对电气性能的影响是由于对电晕始发电压、表面电场强度及电晕线附近空间的电荷密度有关。3.3.2 气流分布

电除尘器内气流分布不均对除尘效率的影响较明显,主要有以下几方面原因:¹气流低的地方收尘效率相对高,气流高的地方收尘效率较低。º局部气流速度高的地方会出现冲刷现象,将以沉积在收尘板上和灰斗内的粉尘再次大量扬起。»除尘器进口的含尘浓度不均匀,导致除尘器内部管道的弯头、导向板和分布板等处存积大量粉尘,会进一步破坏气流的均匀性。电除尘器内气流不均与导向板的形状和安装位置、气流分布板的形状和安装位置、管道设计以及除尘器与风机的连接位置有关。这些因素累积起来会使除尘效率降低20%~30%。3.4 操作因素的影响3.4.1 伏-安特性

在火花放电或反电晕之前所获得的伏安特性,能描述电除尘器从气体中分离尘粒的效果优劣。过低的工作电压或电晕电流会导致电除尘性能降低。任一时间输入电除尘器的平均电晕功率愈高,除尘效果就越好。当供电系统运行在临界击穿(火花)电压下工作时,有最大的有效平均电晕功率输出。但如果进一步增大平均电晕功率,必然使运行电压超过临界击穿电压,而使火花次数增加,或使电除尘器产生高压/闪络0,放电,甚至产生/拉弧0形象,则电除尘器的正常电晕被破坏,反而使有效的平均电晕功率降低,同时引起二次飞扬增加,除尘效率将大大降低。因此,电除尘运行电压不是越高越好。减少总电流,保持有效的电晕电流,也就保持了电除尘的除尘效率,同时也使电除尘消耗的电能大大减少,达到节能的目的。3.4.2 漏风

电除尘一般都用负压操作,如果壳体的连接处密封不严,就会漏入冷空气,使通过电除尘的风速增大,含尘气体温度降低。这二者都会使含尘气体露点发生变化,其结果是粉尘比电阻增高,收尘性能下降。入口管道漏风,效果更为恶化。如果从灰斗和排灰装置漏入空气,将会造成收下的粉尘二次飞扬使收尘效率降低、使灰受潮、粘附灰斗导致卸灰不畅,甚至产生堵灰。若从检查门、烟道、伸缩门、烟道阀门、绝缘套管等处漏入冷空气,将增加电除尘的含尘气体处理量和出现冷凝水,引起电晕线肥大,绝缘套管爬电和腐蚀等后果。3.4.3 气流旁路

气流旁路是指电除尘器的气流不通过收尘区,而是从收尘板的顶部、底部和极板左右最外边与壳体壁间的通道中通过。气流旁路运行是一个严重的问题,对除尘效率的影响特别大。气只要气流有5%的旁流,收尘效率就达不到95%。防止气流旁路的常用措施是采用阻流板迫使旁路气流通过除尘区,将除尘区分成几个串联电场

后,成为带负电荷的粒子向降尘极运动,在电场中形成空间电荷。当气体中含尘浓度不很大时,带电粉尘微粒受到电风的影响而加速向降尘极移动,改善了除尘效率;但当气体含尘量过大时,气体电离而成的离子被粉尘微粒包围,高速运动的电风被低速运动的带电微粒所代替,电风停止,高压电流几乎降低到零,电晕受到抑制,气体电离受到影响,除尘效率大大下降,发生电晕封闭现象。3.2.3 含尘气体的温度

含尘气体温度的高低主要影响到粉尘的比电阻(电阻率)。在低温时,粉尘的表面吸附物和水蒸气或其它化学物质的影响起作用,随着温度的升高,作用减弱,而使比电阻增加。但高温时,尘粒本身的电阻起作用,随着温度的升高,尘粒中质点的能量增加,电阻降低,比电阻降低。气体的粘度和密度都与温度有关。温度升高,气体的粘度增加,荷电粉尘驱进速度降低,除尘效率降低;温度升高,气体密度减小,击穿电压降低,除尘效率降低。高温气体虽然可使粉尘比电阻降低,但对电除尘机械强度不利。从总的效果来看,气体的温度低些有利于提高电除尘器的除尘效率,但不能低到气体的露点,否则引起粉尘结块,使设备易于腐蚀。3.2.4 含尘气体的湿度

进入电除尘器的含尘气体,很难避免水蒸气的存在。这种水蒸气在电除尘器里,温度如果低于露点,则一方面会使收入的粉尘结块粘结在降尘极和电晕极上,难于振落,影响除尘效率;另一方面由于湿气冷凝成水后,水中溶有酸型物质,从而造成极板和极线的严重腐蚀。但水蒸气的温度如果高于露点,则不仅无害,反而有益。在极间距相同情况下,湿度大的气体,其击穿电压也相应增高,因而提高了除尘效率。同时粘附在粉尘表面的水蒸的作用气分子薄膜有使比电阻较高的尘粒降低其比电阻的作用,因而也提高了除尘效率。3.3 结构因素的影响3.3.1 电极几何因素

影响板式电除尘电器性能的几何因素有很多,包括极板间距、电晕线间距、半径、粗糙度等,这些因素各自对电器性能产生不同的影响。¹极板间距:当作用电压、电晕线的间距和半径相同,加大极板间距会影响电晕线临近区所产生离子电流的分布,以及增大表面积上的电位差,将导致电晕外区电密度、电场强度和空间电荷密度的降低。º电晕线间距:电晕线的间距有一个会产生最大电晕电流的最佳值,若此间距小于该值,会导致由于电晕线周围电场的相互屏蔽作用而使电晕电流减小。»电晕线半径:增大电晕线的半径,会导致在开始产生电晕时,使电晕始发电压升高,而使电晕线表面的电场强度降低,若给定的电压超过电晕始发电压,则电晕电流会随着电晕线半径的加大而减小。¼电晕线表面粗糙度的影响:

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舒服华:提高电除尘器除尘效率的途径及使进入电除尘器和出来的气流保持稳态。3.4.4 粉尘二次飞扬

粉尘的二次飞扬会使原来沉淀下来的积灰被烟气重新带走,使除尘效率下降。它与前文所述的粉尘特性、比电阻等有关。如烟气流速过高,产生二次飞扬;振打频率设置不当,频率过快,使粉尘从收尘极板落下时呈粉末状而被烟气重新带走;电除尘本体或锁气器处漏风而产生二次飞扬。可通过降低主气流速度,避免紊流、涡流现象,控制振打强度和频率,对高压分组电场进行轮流均衡振打等防止二次扬尘。3.4.5 电晕线肥大

电晕线上由于粉尘粘附,引起电晕线上包簇的粉尘越来越多,使放电线肥大,电晕极上积的粉尘量虽小,但对放电影响较大,它抑制了放电性能,导致电晕电流显著下降,使电除尘效率下降。如粉尘未及时清除掉,在电晕极线结疤,结疤到一定程度时,会使除尘器完全停止工作。可适当增大电极的振打力,或定期对电极进行清扫,保持电极的清洁。

4 提高电除尘器除尘效率的措施4.1 降低粉尘比电阻。

要想从技术上解决高比电阻粉尘引起的反电晕现象,必须降低粉尘层的电晕电流J或粉尘的比电阻Q。但是常规的电除尘器要降低J,则同时必须降低收尘区的电场强度,其结果会使除尘效率降低。因此,要使粉尘层不被击穿,一般采取的措施是降低粉尘的比电阻。降低粉尘比电阻的常用方法是对烟气进行调质。其一是利用水分,特别是在气体中含水分较少而温度又较高时,效果更为显著,它可降低粉尘Q,提高气体的介质强度,减少气体的粘度。需要注意的是水量的多少取决于含硫量的高低,确保含尘气体温度控制在露点温度之上,避免喷雾增湿后可能给排灰、输灰造成的困难。其二是使用化学调理剂,在燃料中含硫量低时,下灰Q很高,如果加些调理剂,如SO3或Na2O等,可使Q降低。4.2 保持气流分布均匀和防止漏风

一般而言,烟道内气流速度为15m/s左右,而电场内流速仅为1m/s左右,两者相差15倍之多。速度的迅速转变,会使进入电场的烟气产生涡流、紊流,导致气流分布不均,使得电场效应无法得到充分的利用,在一定程度上影响了除尘效率。为了使流入电场的含尘气体均匀经过电场,一般在电场入口前须装有进口气流分布板,改善电场内烟气气流分布不均的问题。但目前大多采用的是纯阻流型气流分布板。这种气流分布板在调整时,需通过开孔或补孔,调整困难,且流体阻力较大,磨损严重,气流分布均匀性往往达不到设计要求。可采用阻流加导流板的气流分布装置,它不但保证了气流的均匀性,同时和多孔板形式相比阻力也有所下降。防止安装时外壳的因气

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密性焊接控制不严、温度变化使入孔门变形密封不严、振打轴穿墙绝缘板开裂、箱型梁和星型排灰阀等密封不严引起漏风,以及壳体入口烟道(膨胀节)外部保温和瓦楞装饰板密封不严引起漏风等,导致电除尘器漏风变大,降低了收尘效果的现象发生。4.3 优化极配方式

针对不同的烟气条件,合理的选取极板、极线的结构以及它们的配置方式是电除尘器设计时必须首先解决的重大问题。电晕线的关键要求有2个,一是牢固可靠,二是电气性能好。/RSB0新型管状芒刺线是一种改进型的管型芒刺线,它的支撑主体是20mm圆管,其强度大、刚性好,运行中保证不会象如星形线等细小极线那样产生断线。它的电晕电流大,起晕电压低,尤其重要的是它在阳极板上产生的电晕电流的分布十分均匀,对提高阳极板的有效利用率和防止反电晕的产生效果十分明显。并且,由于它主要靠芒刺尖端放电,电风强烈,所以即使在高粉尘浓度条件下,也不会产生电晕封闭。一般前级电场应优先选用RSB新管型芒刺线极配方式,采用承插式结构,把极线包含在连接件内,这样即使安装时出现了疏忽,就是掉了螺栓也不会产生掉线现象,大大提高了正常投运率。后级电场采用螺旋线,它搜集细小粉尘的能力强,配合出口封头处设置的抑尘板结构,可将尾部的细小粉尘及二次扬尘大大减小。4.4 定期校核和调整极板间距

电除尘器放电极框架大多采用圆钢管或异型钢管焊制而成,它不但重量较轻,而且结构较单薄或薄弱,在长期受高温和振打力的作用下,极易产生变形或移位。当振打其框架时,使振打锤偏离正常振打位置,导致振打加速度值下降,振打力传递削弱,严重影响供电状况和振打清灰效果,特别是在电除尘器开、停机频繁的情况下,因收尘极和放电极反复热胀冷缩而产生严重变形,造成极间距局部缩小,引起高压放电间距变小,严重影响电场电压达到最大火花放电电压,导致电场荷电性能降低。因此,要制定出定期检查、校准的检修规范制度,对不符合尺寸规范的间距早日实施调整,提高电除尘器的除尘效率。

4.5 制定合理的振打方式

电除尘器内电场的振动打装置主要用来定时清除电场内极线和极板上的积灰,保持电场二次电压的稳定。电除尘器清灰效果与振打方式密切相关。振打方式包括振打方向、强度、周期。振打方向随不同的场合而异,其中,阴极顶部机械振打系统,阳极侧向底部机械振打系统为目前较常用和比较的振打系统。顶部重锤回转式机械振打除具有侧向挠臂振打的特点外,还具有可靠性高,检修方便,减少了漏风,空间利用率提高,延长锤头及振打轴系的使用寿命等优点。由于各个电场粉尘浓度粒度、

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应用技术的发展,采用数字电路的控制器已经广泛用于电除尘器控制装置,其主要特点是电场高压直流输出方式可多种选择,电气参数设定、调整方便,控制精度高,具有故障诊断记忆功能,与原来采用模拟电路控制器相比,可缩短火花放电后的输出封锁时间,抑制火花放电功率,提高升压速率,使总的平均电功率输出有一个明显提高。4.8 改善供电方式

电除尘器高压供电设备的作用是适应和跟踪电除尘器电场烟尘条件的变化,向电场施加所需电压、提供所需电流,以利于粉尘的荷电和捕集。选择合适的电压波形。大量试验表明负高压直流供电具有放电效果好、击穿电压高和运行稳定等优点,故在工业电除尘器中得到广泛采用;选择合适的匹配阻抗当电除尘器的板线极距和运行工况确定后提高其运行电压是很困难的。但是,通过选择适当的整流变阻抗与电场阻抗相匹配,达到提高电晕电流的目的是可行的;采用小电场供电。一般电场的供电装置是一套供电装置带左右分隔的电场,由大电场变为小电场供电,既可减少由火花放电引起的供电效率损失,又可避免电场极板间距不良引起的相互干扰,能有效提高电场的火花放电电压。而且,电场供电装置,其内阻抗大,火花放电时的限流作用好,电场电压相对恢复也快,同时也提高了电场的电晕功率。5 结束语

电除尘器除尘效率的高低,直接影响到对含尘气体所能达到的净化程度。因此,只有清楚影响电除尘器除尘效率的因素,才能采取相应的改进措施,获得最佳的治理方案。影响电除尘器除尘效率的因素,相互联系相互制约,提高电除尘器除尘效率是一项系统工程,必须结合具体情况,全面系统分析和考虑,才能达到预期的处理效果。同时,还需要各方面配合,在保证设计人员计算的科学、准确性基础上,加强运行人员的相互配合,通过专业技术人员定期测试分析、调整、改进设备,保证高效电除尘器的除尘效率。随着工业生产的飞速发展和对环境质量要求日益严格,电除尘器必将得到更快的发展和更普遍的应用。

参考文献

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(收稿日期:2007)11)22)

粘度以及比电阻不同,粉尘的沉积速度和在极板上的附着力也不同,所以各电场的振打力和振打周期也不同。一般情况下,间隙振打比连续振打可减少一次扬尘1/2-2/3。实践表明电除尘器振打清灰周期的时间长短,对除尘效率的影响十分显著。振打清灰周期时间设置过长,则积灰太厚,虽然有时灰也能自行剥落,但会降低除尘效率。振打清灰时间设置过短时,由于各灰层太薄,振打下来的粉煤灰重新被烟气带走而加剧二次扬尘,降低除尘效率。对于阴、阳极振打,除了选择合理的振打周期外,还应考虑同一电场的阴、阳极应交错振打,前后电场的阴极(或阳极)应交错振打。这样做既利于清灰,又可提高除尘效率。

4.6 采用有效的清灰形式。

目前,电除尘器采用的卸灰控制方式主要包括:连续卸灰控制、周期性定时卸灰控制、上料位检测卸灰定时控制和上、下料位检测卸灰控制等,它们各有优缺点。对于连续卸灰,容易造成灰斗中的灰料排空,在排灰口出现漏风,引起/二次扬尘0,使除尘效率下降。对于周期性卸灰,因为收集灰量与周期性排灰量不可能正好相等,所以,经过一段时间的积累,就会出现灰斗排空或灰斗满灰现象。灰斗满灰不仅增加灰斗的荷重,还会引起/灰短路0和灰斗棚灰,致使电除尘器无法正常运行。上料位卸灰和上、下料位卸灰,应属较好的卸灰控制方式,但对于后级电场灰斗,由于收集灰量少,致使灰位从下料位达到上料位的时间过长,若遇灰斗加热保温不良,就会造成灰料结块棚灰。对于级次靠后的灰斗,除应采取有效的加热保温措施外,还应降低上料位的检测高度,或采用卸灰与阳极振打联动,实现下料位检测的卸灰控制方式。这样既可以防止漏风,又减少了排灰不畅的故障,也就等于提高了除尘效率。4.7 采用新型控制系统

电除尘的电控装置的性能对电除尘器的除尘效率有重要影响,在其它条件不变的情况下,电除尘的除尘效率取决于粉尘的驱进速度,而驱进速度是随着电场强度的提高而增大的,要获得高的除尘效率,就要提高电场强度,也就要使施加在电除尘器上的电压尽可能高。因此,为保证供电电压保持在较高水平工作,就要求电控装置在除尘器工况条件发生变化时,能适应其变化,自动调节输出电压、电流,使电除尘器在快速跟踪方式下运行。电源控制系统功能主要包括:火花跟踪控制、火花强度控制、临界火花控制、恒火花控制、最高平均电压控制、间歇供电控制、富能供电控制和反电晕检测控制。要选择自动高压控制装置,以防止手动调节不及时而造成电场电压低而影响电除尘器的除尘效率。近几年随着微处理机

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