線板極配濕式電除塵器電暈放電及收塵性能試驗(yàn)研究

丁志江，楊志燕，肖立春，張清波，鄭美美（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

線板極配濕式電除塵器電暈放電及收塵性能試驗(yàn)研究

丁志江?，楊志燕，肖立春，張清波，鄭美美
（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

摘 要：極配形式作為電除塵器的核心組成部分，對(duì)電暈放電有非常重要的影響，并且影響著電除塵器的收塵效率。本文研究了極配形式為RS二刺芒刺線配480C型板時(shí)，電場(chǎng)風(fēng)速和噴嘴壓力對(duì)濕式電除塵器電暈放電特性的影響，并進(jìn)行了收塵試驗(yàn)。結(jié)果表明：在相同的試驗(yàn)條件下，隨著電場(chǎng)風(fēng)速的增大，伏安特性曲線有向下偏移的趨勢(shì)，但是起暈電壓和火花放電電壓變化不大；相同電場(chǎng)風(fēng)速下，增加濕式電除塵器的噴水量，其伏安特性曲線向上偏移，而其火花放電電壓比不噴水時(shí)要低很多。以粉煤灰為塵源進(jìn)行收塵試驗(yàn)，當(dāng)電場(chǎng)風(fēng)速為1.0 m/s，噴嘴壓力為0.3 MPa時(shí)，濕式電除塵器對(duì)粉煤灰中微細(xì)顆粒物去除效率可達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：濕式電除塵器；伏安特性；極配；起暈電壓；火花放電電壓

0　引言

目前，國(guó)際上總顆粒物控制技術(shù)雖然已經(jīng)達(dá)到很高的水平，但對(duì)于微細(xì)顆粒物的捕集效率卻很低，PM 2.5排放量仍然呈上升趨勢(shì)。PM 2.5由于比表面積較大，容易富集各種重金屬等致癌有毒物質(zhì)，嚴(yán)重危害人們的身體健康［1?2］。近年來(lái)多地頻頻出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，引起了社會(huì)和人們的強(qiáng)烈關(guān)注［3］。這也說(shuō)明細(xì)顆粒物污染已成為我國(guó)突出的大氣環(huán)境問(wèn)題，是導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度、霧霾天氣、酸雨和氣候變化等重大環(huán)境問(wèn)題的重要因素。因此，控制燃燒源細(xì)顆粒物排放勢(shì)在必行。我國(guó)燃煤電廠中應(yīng)用最廣泛的是干式電除塵器或干法布袋除塵器，但是干式電除塵器對(duì)直徑0.1～2 μm塵粒的除塵效率較差［4］。由于清灰技術(shù)的改進(jìn)，濕式電除塵器不存在粉塵收集后的再飛揚(yáng)問(wèn)題，而且能提供幾倍于干式電除塵器的電暈功率；而且與干法布袋除塵器相比，濕式電除塵器壓力損失低，使用溫度范圍大，能夠處理高溫?zé)煔猓绕鋵?duì)微細(xì)顆粒有很高的除塵效率，可以滿足更高的環(huán)保要求［5］。為了提高濕式電除塵器對(duì)微細(xì)顆粒物的收集效率，需要對(duì)濕式電除塵器的極配系統(tǒng)進(jìn)行研究。

試驗(yàn)采用RS二刺芒刺線配480C型板的極配形式，組成單區(qū)線?板式濕式電除塵器。通過(guò)對(duì)此種極配形式在不同影響因素下的電暈放電特性進(jìn)行觀察，得出電場(chǎng)風(fēng)速和噴嘴壓力對(duì)電暈放電伏安特性的影響規(guī)律，最后在給定條件下進(jìn)行了收塵性能試驗(yàn)，為工業(yè)應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原理

濕式電除塵器的工作原理是：金屬放電線在直流高壓的作用下，將其周圍的氣體電離，使粉塵或霧滴表面荷電，荷電粒子在電場(chǎng)力的作用下向收塵極運(yùn)動(dòng)，并沉積在收塵極上，水流從除塵器頂部的噴嘴中噴出，在收塵極上形成一層穩(wěn)定的水膜，將收塵極上的粉塵沖洗到灰斗后隨水流排出［6］。

電除塵器捕集粉塵的第一步是使塵粒荷電。若塵粒不能充分荷電，荷電塵粒就不能有效地被收塵極捕集下來(lái)，從而不能達(dá)到高效收塵。而塵粒的荷電是通過(guò)在陰陽(yáng)極間產(chǎn)生的電暈放電來(lái)完成的，因此，電暈性能是影響電除塵器收塵的關(guān)鍵［7］。芒刺線屬尖端放電，起暈電壓低，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電，強(qiáng)烈的離子流還能夠產(chǎn)生高速電風(fēng)，促進(jìn)荷電塵粒向收塵極移動(dòng)，從而提高除塵效率。

1.2試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)以試驗(yàn)室現(xiàn)有電除塵器為平臺(tái)，濕式電除塵器伏安特性測(cè)定裝置如圖1所示，試驗(yàn)裝置主要由直流高壓供電系統(tǒng)（2）、噴淋系統(tǒng)（3）、放電收塵系統(tǒng)（6）和風(fēng)機(jī)（7）等組成。電除塵器有效尺寸為：寬度B＝1.25 m，高度H＝1.4 m，電場(chǎng)長(zhǎng)度L＝2.5 m；高壓供電系統(tǒng)（2）采用GGAJ?02系列高壓硅整流設(shè)備，可在干式和濕式兩種狀態(tài)下工作，額定直流輸出電壓為80 kV，額定直流輸出電流為0.6 A；噴淋系統(tǒng)（3）采用4個(gè)高壓旋芯霧化噴嘴均勻布置，正常工作時(shí)選用噴嘴直徑d＝3 mm，工作壓力為0.3～0.7 MPa，噴射流量2～5 m3/h，其噴射流量根據(jù)壓力連續(xù)可調(diào)。

圖1　濕式電除塵器伏安特性測(cè)定系統(tǒng)Fig.1　V?I characteriatics test system of WESP

2　結(jié)果與分析

濕式電除塵器運(yùn)行過(guò)程中的二次電壓和二次電流能夠反映設(shè)備在各種因素影響下的工作狀態(tài)，電除塵器的電暈電壓和電流的關(guān)系特性成為伏安特性［8?10］，V?I特性曲線能形象地顯示電流和電壓的消長(zhǎng)規(guī)律。利用V?I特性曲線來(lái)分析電除塵器的運(yùn)行狀況，可以找到影響電場(chǎng)工作效率或常見(jiàn)故障的因素，為更好地使用和維護(hù)電除塵器提供參考依據(jù)。

2.1噴嘴口徑、壓力與流量的關(guān)系

選用相同聯(lián)接尺寸，直徑分別為d＝3 mm和d＝5 mm的兩種嘴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得噴嘴口徑、壓力和耗水量之間的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，對(duì)于兩種不同口徑的噴嘴，其耗水量都是隨著噴嘴壓力的增大而增大，噴嘴壓力剛開(kāi)始增大時(shí)，噴嘴耗水量的增長(zhǎng)速率比較快，隨著噴嘴壓力的進(jìn)一步增大，耗水量的增長(zhǎng)速率減慢。在噴嘴壓力相同的情況下，噴嘴口徑越大，其耗水量也越大。這是因?yàn)榭讖皆叫。后w的通過(guò)性就越差，其流量也必然受到一定限制，當(dāng)氣體壓力一定時(shí)，小口徑噴嘴噴出單位液體就可以得到更多的霧化能量，霧滴粒徑自然也會(huì)減小。

圖2　噴嘴耗水量和壓力的關(guān)系Fig.2　Relationship between water consumption and nozzle pressure

2.2伏安特性曲線的測(cè)定

本文伏安特性測(cè)定是以空氣為介質(zhì)，環(huán)境溫度為23～29℃，大氣壓為100 kPa左右，相對(duì)濕度為75%～96%的條件下進(jìn)行的。

2.2.1負(fù)載對(duì)伏安特性曲線的影響

在不加粉塵和入口粉塵濃度為150 mg/m3時(shí)進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)，其伏安特性曲線如圖3所示，有負(fù)載時(shí)的火花放電電壓比空載時(shí)的低，同時(shí)電暈電流也減小。這是因?yàn)楫?dāng)含塵氣體通過(guò)收塵電場(chǎng)時(shí)，負(fù)離子與煙氣中的塵粒碰撞，并附著在塵粒上，使塵粒荷電。在電場(chǎng)力作用下，負(fù)離子和荷負(fù)電的塵粒向收塵極運(yùn)動(dòng)而形成電暈電流。由于荷電塵粒的遷移速率比負(fù)離子的小得多，負(fù)載時(shí)負(fù)離子和荷電塵粒的綜合有效遷移速率比空載時(shí)的負(fù)離子遷移率小，導(dǎo)致負(fù)載時(shí)的電暈電流比空載時(shí)小。

圖3　空載和負(fù)載時(shí)的伏安特性曲線Fig.3　V?I characteristic curve on load and no?load

2.2.2電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)伏安特性曲線的影響

如圖4（a）所示，不噴水時(shí)，不同電場(chǎng)風(fēng)速下的起暈電壓均在18 kV左右，之后隨著電壓的增大，電暈電流也隨之增大，但是增大幅度受電場(chǎng)風(fēng)速變化很小，這說(shuō)明不噴水時(shí)電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)伏安特性曲線的影響不大。從圖4（b）中可以看出：噴水狀態(tài)下，隨著電場(chǎng)風(fēng)速的增大，在低電壓下不同電場(chǎng)風(fēng)速的伏安特曲線基本重合，之后增大電壓，曲線逐漸分離開(kāi)來(lái)，且隨著風(fēng)速的增大，曲線逐漸向上偏移。這是因?yàn)楫?dāng)施加在放電極和收塵極之間的電壓較小時(shí)，氣體電離產(chǎn)生的自由電子和離子的數(shù)量很少，氣體的阻抗很大，隨著電壓的升高，氣體在更多的高能電子轟擊下通過(guò)電子雪崩產(chǎn)生更多的自由電子和離子，使氣體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電流增大。而且當(dāng)電場(chǎng)有水霧存在時(shí)，隨著電場(chǎng)風(fēng)速的增大，電場(chǎng)中就充滿了細(xì)小的液滴或水分子，可吸附大量的離子并向收塵極移動(dòng)，形成很大的電流。所以，在噴水狀態(tài)下，隨著電場(chǎng)風(fēng)速的增大，電暈電流增大，曲線向上偏移。

2.2.3噴水量對(duì)起暈電壓和火花放電電壓的影響

從圖5可以看出，隨著噴水量的增大，噴嘴壓力從0.2 MPa增大到0.4 MPa時(shí)，起暈電壓略微降低，繼續(xù)增大噴水量，起暈電壓基本穩(wěn)定，說(shuō)明起暈電壓并不是隨著噴水量的增大而一直降低，當(dāng)噴嘴壓力達(dá)到一定值后，再繼續(xù)增大噴嘴壓力，只是噴水量增加了，而對(duì)起暈電壓不會(huì)起到有利作用。火花放電電壓隨著噴水量的增大是先增大后減小。

圖4　電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)伏安特性曲線的影響Fig.4　V?I characteristic curve affected by gas velocity

圖5　噴水量與起暈電壓和火花放電電壓的關(guān)系Fig.5　Relationship between spraying water and corona onset voltage and spark voltage

火花放電電壓與起暈電壓之差為有效運(yùn)行電壓，有效運(yùn)行電壓越大，除塵器工作區(qū)間越大，其運(yùn)行就越穩(wěn)定。工作電壓對(duì)濕式電除塵器的收塵效率影響很大，電場(chǎng)風(fēng)速一定時(shí)，濕式電除塵器的收塵效率隨著工作電壓的增大而增加。提高工作電壓可以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，除塵器空間就會(huì)有足夠多的負(fù)離子，當(dāng)塵粒進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)就可以在很短的時(shí)間內(nèi)充分荷電，荷電越多其向收塵極移動(dòng)的速度越快，除塵效率就越高。所以從圖中可以得出，當(dāng)噴嘴壓力在0.3～0.4 MPa范圍時(shí)，電除塵器運(yùn)行比較穩(wěn)定。

2.2.4噴嘴壓力對(duì)伏安特性曲線的影響

在通入空氣的狀態(tài)下，改變噴嘴壓力，得到濕式電除塵器的伏安特性曲線如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)噴嘴壓力從0.25 MPa增大到0.3 MPa時(shí)，伏安特性曲線基本一致，當(dāng)噴嘴壓力增大到0.5 MPa時(shí)，伏安特性曲線開(kāi)始下移，即在相同的電壓下，電流減小，這就說(shuō)明噴嘴壓力存在一個(gè)最佳值，此時(shí)電除塵器的放電性能最好。其原因是噴嘴噴出的霧滴粒徑大小受噴嘴壓力的影響變化，噴嘴壓力越大，霧滴粒徑分布越均勻，霧化效果越好，濕式電除塵器的放電性能也相應(yīng)提高。但當(dāng)水壓增大到0.4 MPa以后霧滴粒徑幾乎不再減小，這也說(shuō)明此時(shí)噴嘴已經(jīng)達(dá)到了良好的霧化效果，也考慮到噴淋系統(tǒng)受水泵揚(yáng)程的限制，所以噴嘴的合適壓力應(yīng)選0.3～0.4 MPa。

圖6　噴嘴壓力對(duì)伏安特性曲線的影響Fig.6　V?I characteristic curve affected by nozzle pressure

2.3濕式電除塵器除塵效率的測(cè)定

本試驗(yàn)除塵效率是在電場(chǎng)風(fēng)速為1.0 m/s，噴嘴壓力為0.3 MPa的條件下測(cè)定的。試驗(yàn)所用粉塵為某廠粉塵樣品，粉塵粒徑非常細(xì)，經(jīng)激光粒度分布儀測(cè)定，粒徑小于2.5 μm的微細(xì)顆粒占97%左右。在入口粉塵濃度為150 mg/m3，工作電壓為50 kV時(shí)，測(cè)得干法、濕法電除塵器的除塵效率如表1所示。

表1　相同工作電壓下的除塵效率Tab.1　Collection efficiency under the same operating voltage

從表1中可以看出，相同條件下，濕式電除塵效率要高于干式電除塵。濕式電除塵器出口采樣濾筒中幾乎看不到有塵，且更換極線時(shí)，極線表面較干凈，說(shuō)明霧滴對(duì)極線的清洗效果非常好，這樣極線就可以時(shí)刻保持良好的放電狀態(tài)，從而使除塵效率得到提高。這是因?yàn)闈袷诫姵龎m器不需要振打清灰，噴水還可以對(duì)煙氣起到調(diào)質(zhì)作用，不會(huì)出現(xiàn)二次揚(yáng)塵現(xiàn)象，而且濕法噴淋的霧滴荷電后其靜電力增強(qiáng)，與帶電霧滴結(jié)合后的顆粒，其粘滯力、靜電力等也增強(qiáng)，在電場(chǎng)力的作用下向收塵極移動(dòng)，更易于與其他顆粒發(fā)生團(tuán)聚而使粒徑增大，從而對(duì)煙氣中的粉塵顆粒實(shí)現(xiàn)了靜電凝并和動(dòng)力凝并，顆粒更易于脫除，所以濕式電除塵效率高。

3　結(jié)論

通過(guò)選取工業(yè)常用的480C型板配RS芒刺電暈線的極配形式，并在不同的試驗(yàn)條件下，對(duì)濕式電除塵器的電暈放電特性進(jìn)行了研究，最后進(jìn)行了收塵試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）噴水量對(duì)濕式電除塵器電暈放電特性的影響較大，而電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)濕式電除塵器的電暈放電特性影響不大。

2）隨著噴水量的增大，伏安特性曲線逐漸向上偏移，有變陡的趨勢(shì)。起暈電壓受噴水量的影響變化較小，火花放電電壓隨著噴水量的增大先增大后減小。

3）當(dāng)電場(chǎng)風(fēng)速為1.0 m/s，相同收塵面積的濕式電除塵器的收塵效率比干式電除塵器的高出4%左右。

參考文獻(xiàn)

［1］Farnoosh N Adamiak K Castle G S P.Numerical calculations of submicron particle removal in a spike?plate electrostatic precipitator J .IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2011 18 5 1439?1452.

［2］楊新興 馮麗華 尉鵬 等.大氣顆粒物PM 2.5及其危害 J .前沿科學(xué) 2012 6 1 22?31.

［3］Lee S W Herage T Dureau R et al.Measurement of PM 2.5 and ultra?fine particulate emissions from coal?fired utility boilers J .Fuel 2013 108 60?66.

［4］Xu F Luo Z Y Bo W et al.Experimental investigation on charging characteristics and penetration efficiency of PM2.5 emitted from coal combustion enhanced by positive corona pulsed ESP J .Journal of Electrostatics 2009 67 5 799?805.

［5］Bologa A Paur H R Seifert H et al.Novel wet electrostatic precipi?tation for collection of fine aerosol J .Journal of Electrostatics 2009 67 2/3 150?153.

［6］肖立春 李強(qiáng) 丁志江.電除塵器運(yùn)行參數(shù)對(duì)脫水裝置性能的影響 J .燕山大學(xué)學(xué)報(bào) 2012 36 4 316?319.

［7］Li L Chen D R.Performance study of a DC?corona?based particle charger for conditioning J .Journal of Aerosol Science 2011 42 2 87?99.

［8］何劍 徐國(guó)勝 周孝德 等.電除塵器伏安特性規(guī)律研究 J .環(huán)境工程學(xué)報(bào) 2009 3 1 143?146.

［9］郭尹亮 向曉東 蓋齡童.芒刺電除塵器板電流密度分布及芒刺間距優(yōu)化 J .高電壓技術(shù) 2010 36 4 1021?1025.

［10］要建軍.電除塵器伏安特性曲線的分析與應(yīng)用 J .冶金動(dòng)力2011 1 1?6.

Experimental research on performance of corona discharge and dust remove of wire?plate wet electrostatic precipitator

DING Zhi?jiang，YANG Zhi?yan，XIAO Li?chun，ZHAN Qing?bo，ZHENG Mei?mei
（School of Enviromental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

Abstract：The electrode matching of electrostatic precipitator（ESP）has great influence on the corona discharge and the collection efficiency.The corona discharge of wet electrostatic precipitator（WESP）is influenced by gas velocity and nozzle pressure under the condition of polar matching between RS tubular barbed wire with 480C plate，what′s more，the collection efficiency of WESP has been tested.Results show that the V?I curve tends downward with the wind speed in electric field increasing under the same circum?stance，but the wind speed in electric field has little effect on onset corona voltage and spark voltage；at the same wind speed，the V?I curve tends upward with the spraying water adding，however the spark discharge voltage decreases greatly，compared with no spra?ying water.Using fly ash as the dust source，the collection efficiency of fine particles in fly ash by WESP can be over 90%，while wind speed is 1.0 m/s，the nozzle pressure is 0.3 MPa.

Key words：wet electrostatic precipitator；voltage?current characteristics；electrode matching；onset corona voltage；spark discharge voltage

作者簡(jiǎn)介：?丁志江（1957?），男，黑龍江佳木斯人，教授，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂乒こ蹋珽mail：dlyxyj＠163.com。

基金項(xiàng)目：河北省重大技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（10273920z）

收稿日期：2014?12?01

文章編號(hào)：1007?791X（2015）02?0177?05

DOI：10.3969/j.issn.1007?791X.2015.02.013

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X513