粉塵預荷電與荷高壓導電多孔陶瓷管耦合的除塵新技術研究*

劉海弟 李偉曼 陳運法# 錢均新 何衛平 馮家迪

(1.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190； 2.江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，江蘇 宜興 214221)

大氣灰霾污染已經成為我國當前環境治理領域最為緊迫的重要議題，工業尾氣直接導致的顆粒物排放已經成為控制工業污染源一次顆粒物污染的重中之重，因此亟待開發高效、低阻的含塵氣流凈化技術[1]。目前，慣性除塵、濕法除塵、電除塵、布袋除塵和電-袋復合除塵都在工業除塵領域發揮著作用。其中，慣性除塵很難去除粒徑低于2.5 μm的顆粒，且二次揚塵明顯；濕法除塵無法用于高溫尾氣且會產生除塵廢水和灰泥，應用范圍有限[2]；電除塵工藝氣體壓降極小、穩定可靠，但粉塵的電阻率過高或過低都嚴重影響其除塵效果，此外由于荷電機制的限制，電除塵過程對于粒徑2.5 μm左右粉塵的去除效果不佳[3-4]；布袋除塵是過濾精度最高、除塵效果最可靠的除塵工藝之一[5-6]，但布袋除塵氣體壓降大、設備動力能耗高[7]，且纖維布袋很難耐受高溫、含有腐蝕性或含有火星的氣體；電-袋復合除塵是目前最可靠和最廣泛應用的除塵方案[8-9]，隨著我國目前對于工業粉塵排放濃度限值的日益降低，電-袋復合除塵表現出了很強的技術優勢和市場競爭力[10]，然而其布袋除塵工段同樣不能耐受高溫、腐蝕性等苛刻工況。因此，開發一種能耐受惡劣除塵工況的除塵工藝在我國目前的除塵技術領域具有一定的意義。

利用多孔陶瓷管取代布袋進行除塵可以顯著擴展該除塵技術在耐熱和耐腐蝕方面的工業應用范圍。多孔陶瓷管具有優異的穩定性和耐酸堿性，使過濾除塵在很多惡劣工況下的使用成為可能，尤其在凈化需要余熱回收的工業廢氣和回收有色冶金工業廢氣中的有價粉塵方面表現出獨到的技術優勢和競爭力。然而，多孔陶瓷管的氣體壓降較大，且隨著“除塵—再生”的循環往復，多孔陶瓷管的氣體壓降不斷增大，導致再生周期變短，最終多孔陶瓷管因阻塞而報廢，其原因在于粉塵中的微小顆粒鉆入多孔陶瓷管的過濾孔道中并不斷積累。為了將多孔陶瓷管充分再生，往往需要施加較大壓力的反吹再生氣流，這增大了多孔陶瓷管破裂的風險，因此多孔陶瓷管往往壁厚較大以提供較高的耐反吹機械強度，而這也提高了多孔陶瓷管的成本。

為解決上述問題，很多研究人員構思引入靜電力進行外場強化以降低多孔陶瓷管表面的粉餅壓降[11-12]，并限制粉塵進入多孔陶瓷管的微細孔道。本研究提出了粉塵預荷電與荷高壓導電多孔陶瓷管耦合的除塵新技術，該技術方案如圖1所示。首先，通過預荷電器對氣流中的粉塵進行荷電，然后使含塵氣流通過導電多孔陶瓷管的壁面進行過濾除塵，通過外部高壓電源對導電多孔陶瓷管表面荷載高電壓，其電性與粉塵所荷載的電性相同，同性電荷的推斥作用使粉塵不能進入導電多孔陶瓷管的微細過濾孔道，而且粉塵之間的電荷斥力使粉塵顆粒之間疏松堆積，有望降低除塵氣體壓降并提高導電多孔陶瓷管的再生周期。

圖1 粉塵預荷電與荷高壓導電多孔陶瓷管耦合技術方案示意圖Fig.1 Diagram of the technique combined with dust pre-charge and conductive porous ceramic tubes loaded with high voltage

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

為了研究技術方案的可行性，設計加工了耦合了粉塵預荷電和荷高壓導電多孔陶瓷管的新型除塵實驗裝置(見圖2)，經風機輸送的氣流攜帶經壓縮空氣噴吹分散的粉塵進入臥式線管狀預荷電器。預荷電器電暈極為外套彈簧的圓絲(直徑2 mm)，其上荷載直流高壓負電；外部圓管直徑12 cm，長度1 m，良好接地；通過電暈極和外部圓管之間的電場對粉塵進行預荷電。經預荷電器處理后的含塵氣流進入立式圓筒狀除塵室中，除塵室設置7根導電多孔陶瓷管(管長1.5 m，管外徑6 cm)，通過絕緣層使導電多孔陶瓷管和花板之間絕緣，導電多孔陶瓷管由直流負高壓電源供電，在穩定的塵濃度和氣流流量下進行除塵實驗，獲得氣體壓降隨除塵時間的變化曲線。

1.2 實驗過程

當除塵氣布比為2.5 m/min、氣體流量為300 Nm3/h、塵質量濃度為6 667 mg/Nm3時，實驗中選擇4種實驗條件：(1)在關閉預荷電器、導電多孔陶瓷管不荷電的條件下，記錄實驗過程中氣體壓降隨除塵時間的變化情況；(2)開啟為導電多孔陶瓷管供電的高壓電源，使導電多孔陶瓷管表面荷載直流-5 000 V電壓，其他條件與(1)相同；(3)開啟預荷電器(電暈極工作電壓：直流-20 kV)，關閉為導電多孔陶瓷管供電的高壓電源，其他條件與(1)相同；(4)開啟預荷電器(電暈極工作電壓：直流-20 kV)，同時導電多孔陶瓷管表面荷載直流-5 000 V電壓，其他條件與(1)相同。除塵過程持續1 h，實驗結束后打開除塵室人孔，觀察粉末形貌，而后采用0.5 MPa的壓縮空氣反吹再生一次，從除塵室下部的灰斗中卸出粉體并稱量。

1.3 實驗粉體材料表征

實驗中選擇經雷蒙磨粉碎處理的堇青石粉體為實驗粉體，實驗前堇青石粉體在100 ℃下烘干12 h，粉體的粒度分布采用馬爾文Mastersize2000型粒度儀分析獲得，其結果見圖3。堇青石粉體D10(累計粒度分布體積分數達到10%時所對應的粒徑)為1.08 μm，D50(累計粒度分布體積分數達到50%時所對應的粒徑)為4.60 μm，D90(累計粒度分布體積分數達到90%時所對應的粒徑)為14.40 μm，體積平均粒徑為7.62 μm，表面積平均粒徑為2.53 μm。圖4為JSM-6700F型冷場發射掃描電子顯微鏡獲得的堇青石粉體的微觀照片。由圖4可知，堇青石粉體顆粒表現出了經機械粉碎后的粉體常見形貌：具有尖銳的棱角和不規則的外形，其顆粒尺寸分布很寬，在視野中大多數顆粒處于2～10 μm，但也存在小于1 μm的微細顆粒。該結果和粒度分析獲得的信息一致。圖5為Smartlab(9)型X射線衍射分析儀得到的堇青石粉體的X射線衍射譜圖。由圖5可知，樣品的X射線衍射譜圖中出現了標準堇青石晶體的衍射峰，說明粉末樣品為較純凈的堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)。

圖2 新型除塵實驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of new dust elimination experimental setup

圖3 堇青石粉體的粒度分布曲線Fig.3 Particle size distribution curve of the as-used cordierite powder

圖4 堇青石粉體的掃描電子顯微鏡照片Fig.4 SEM diagram of the as-used cordierite powder

圖5 堇青石粉體的X射線衍射譜圖Fig.5 XRD pattern of the as-used cordierite powder

2 結果和討論

2.1 無荷電條件下的除塵過程研究

預荷電器和導電多孔陶瓷管均不荷電，實驗過程的氣體壓降和除塵時間的關系曲線如圖6所示。由圖6可見，在除塵過程開始時，氣體壓降初始為1 231 Pa，在保持實驗過程氣體流量300 Nm3/h的情況下氣體壓降隨著除塵過程不斷上升，最終上升至5 500 Pa左右，約增加了4 300 Pa。可知，在實驗氣體流量下，本實驗產生的堇青石粉餅較致密，氣體壓降較大且上升較快。在實際的工業除塵中，如此巨大的堇青石粉餅阻力必然導致頻繁的反吹再生，這對連續穩定的除塵操作是非常不利的。此外，在一般的過濾性除塵的過程中，過濾組件的氣體壓降隨除塵時間的變化往往是先線性升高而后轉變為指數函數急劇上升，從圖6來看，該除塵過程尚未進入氣體壓降指數上升的階段，但其氣體壓降已高達5 500 Pa左右，因此利用普通的過濾收塵來處理實驗中的堇青石粉體是難以長期穩定運行的。除塵結束后，利用0.5 MPa的壓縮空氣對導電多孔陶瓷管進行反吹再生，反吹脫落堇青石粉體經灰斗排出后稱量，其質量為1 500 g，而預荷電器的水平直管段則清理出大約500 g堇青石粉體，兩者之和為2 000 g，與實驗的堇青石粉體進料量一致。

圖6 無荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線Fig.6 The relation curve between gas pressure-drop and dust elimination time without loading high voltage

2.2 預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下除塵過程研究

預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線見圖7。由圖7可知，該除塵過程和圖6非常類似，氣體壓降在60 min內從1 220 Pa上升至5 400 Pa左右。可見，單獨給導電多孔陶瓷管荷電并不能為除塵過程帶來明顯的改善，其原因在于堇青石粉體電阻很高，很難在接觸到-5 000 V電壓的導電多孔陶瓷管表面時被荷電，因此粉塵顆粒在導電多孔陶瓷管表面的沉積幾乎和沒有荷電的情況完全相同，僅對導電多孔陶瓷管荷電不能對高電阻粉體的過濾去除產生明顯促進作用。和無荷電條件下相同，本實驗后反吹再生所得堇青石粉體約為1 500 g。

圖7 預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線Fig.7 The relation curve between gas pressure-drop and dust elimination time when the pre-charge appliance was shut off and the conductive porous ceramic tubes was loaded with high voltage

2.3 預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下除塵過程研究

預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線見圖8。由圖8可見，由于預荷電器的使用，除塵過程的氣體壓降顯著降低，僅由初始的1 218 Pa上升至最終的2 814 Pa，約上升1 600 Pa，堇青石粉餅透氣性能明顯改善，原因在于攜帶同種電荷的粉塵顆粒間由于顯著的靜電排斥力，使粉塵形成疏松多孔的粉餅層，非常有利于含塵氣體通過，其氣體壓降明顯減小。

圖8 預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線Fig.8 The relation curve between gas pressure-drop and dust elimination time when the pre-charge appliance was operated and the conductive porous ceramic tubes was not loaded with high voltage

對導電多孔陶瓷管反吹再生后可知，堇青石粉體質量約1 000 g，少于無荷電、預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下的堇青石粉體質量(1 500 g)，原因在于預荷電器開啟時部分堇青石粉體因電沉降的機制被預荷電器捕捉，此外由于除塵室的外筒體接地，一部分帶負電的粉塵沉降在除塵室的外筒壁上，所以沉積在導電多孔陶瓷管表面的粉塵量減少。在無荷電、預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下的實驗過程中，由于堇青石粉餅質量隨除塵時間線性增加，可以推斷堇青石粉餅質量在除塵進行到40 min時增加至1 000 g，在無荷電條件下，40 min氣體壓降為3 978 Pa(見圖6)，40 min粉餅壓降則為3 978-1 231=2 747 Pa，為預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下粉餅壓降(1 600 Pa)的1.72倍。在預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下，40 min氣體壓降為3 729 Pa(見圖7)，40 min粉餅壓降則為3 729-1 220=2 509 Pa，為預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下粉餅壓降的1.57倍。因此，推斷即使在粉餅質量相同的前提下比較，預荷電器的使用顯著增加了粉餅的疏松程度、降低了氣體壓降。

2.4 預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管荷電條件下除塵過程研究

預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線見圖9。由圖9可見，除塵過程的60 min內，氣體壓降從初始的1 257 Pa上升到2 044 Pa，僅上升了787 Pa，為無荷電條件下粉餅壓降(4 300 Pa)的0.183倍，其原因除了粉塵顆粒荷電后互相排斥而導致粉餅疏松以外，還包括導電多孔陶瓷管和荷載粉塵因靜電力而互相推斥，使粉餅與導電多孔陶瓷管之間的結合松散，所以形成的粉餅壓降進一步減小。因此，對粉塵進行預荷電和利用荷電的導電多孔陶瓷管來推斥帶電粉塵都可提高粉體的過濾性能，其中前者的效果更加明顯。

圖9 預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管荷電條件下氣體壓降和除塵時間的關系曲線Fig.9 The relation curve between gas pressure-drop and dust elimination time when the pre-charge appliance was operating under -20 kV and the conductive porous ceramic tubes was loaded with DC-5000 V

除塵實驗結束后對導電多孔陶瓷管反吹再生，所得堇青石粉餅質量同樣為1 000 g。在相同堇青石粉餅質量(1 000 g)的情況下，粉餅壓降僅為無荷電條件下40 min粉餅壓降(2 747 Pa)的0.286倍，僅為預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下40 min粉餅壓降(2 509 Pa)0.314倍。因此，可以推斷使用粉塵預荷電技術，并在導電多孔陶瓷管表面荷載與粉塵相同電性的高電壓，可顯著提高粉塵的濾過性能，即使在2.5 m/min的高氣布比下也同樣能獲得高效、穩定和長時間的除塵效果。

2.5 不同實驗條件下粉餅形貌的比較

不同實驗條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅層的形貌見圖10。無荷電條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅光滑平整(見圖10(a))，很可能因為粉餅層較致密，其氣體壓降較高，不利于后續的過濾。預荷電器關閉-導電多孔陶瓷管荷電條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅和無荷電條件下的情況非常接近，堇青石粉餅同樣平滑致密(見圖10(b))，說明僅給導電多孔陶瓷管荷電不能對除塵過程帶來明顯改善。預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管不荷電條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅明顯表現出了粗糙的表面形貌(見圖10(c))，這很可能因為粉塵顆粒間的靜電推斥作用導致顆粒堆積不規則，產生了相對疏松的粉餅。預荷電器開啟-導電多孔陶瓷管荷電條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅表面類似海綿的凹凸和花紋更加明顯(見圖10(d))，這可能因為粉餅在粉塵荷電與導電多孔陶瓷管荷電這兩個因素的共同作用下更加疏松多孔，所以氣體壓降更低，利于除塵過程的進行。可知，導電多孔陶瓷管表面粉餅層的形貌與粉體顆粒是否荷電具有高度的相關性。

圖10 不同實驗條件下導電多孔陶瓷管表面堇青石粉餅層的形貌Fig.10 Photos of dust layers upon conductive porous ceramic tubes under various experimental conditions

3 結 語

研究了采用預荷電器對粉塵進行荷電、同時向導電多孔陶瓷管荷載高電壓這兩個技術手段對多孔陶瓷管過濾除塵過程的促進作用。研究發現，在2.5 m/min的氣布比下，使用以上兩項促進技術時，60 min內除塵模塊的粉餅壓降從無電荷條件下的4 300 Pa左右降低至僅787 Pa，降低了81.7%；在相同堇青石粉餅質量(1 000 g)的情況下比較，粉塵預荷電與荷高壓導電多孔陶瓷管耦合的除塵新技術方案下的粉餅壓降僅為無荷電條件下40 min粉餅壓降的0.286倍。該顯著促進作用可能的原因在于：(1)粉塵顆粒之間因電荷相同而存在顯著斥力，形成的粉餅層較疏松，氣體壓降較小，利于進一步收塵；(2)導電多孔陶瓷管表面荷載與粉塵顆粒相同性質的電荷，使兩者間發生明顯的推斥作用，使粉餅層與導電多孔陶瓷管表面的結合松散，除塵模塊的氣體壓降進一步減小。

可見，粉塵預荷電與荷高壓導電多孔陶瓷管耦合的除塵新技術有望顯著提高多孔陶瓷管過濾除塵操作的氣布比，同時大大降低其氣體壓降并延長反吹再生周期，這對提高多孔陶瓷管除塵技術的市場競爭力具有重要意義。

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