煙氣溫度對濕式靜電除塵器工作特性影響

楊振民 黃超 王嘉豪 耿婉婷

摘要 濕式靜電除塵器依靠水膜沖刷進(jìn)行清灰，實際工作中氣流溫度對水膜蒸發(fā)速率、伏安特性及除塵效率具有一定影響。本文將碳纖維布、PVC刻槽板分別作為濕式靜電除塵器的收塵極，用電加熱器對進(jìn)口氣流進(jìn)行加熱，研究了除塵器進(jìn)出口氣流含濕量、伏安特性及除塵效率隨加熱溫度的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著加熱溫度的提高，相同供水量下的進(jìn)口氣流含濕量逐漸增大;相同供水量及相同加熱溫度條件下，碳纖維收塵極單位空氣水膜蒸發(fā)量和水蒸氣利用量均大于PVC板。在相同電壓下，隨著加熱溫度的提高，電流逐漸增大。相同供水量和加熱溫度條件下，碳纖維收塵極的電流大于PVC板。在相同供水量下，隨著加熱溫度的提高，除塵效率亦逐漸增大。相同供水量和加熱溫度條件下碳纖維收塵極的除塵效率高于PVC板。

關(guān) 鍵 詞 氣流溫度;膜電極;水膜蒸發(fā);伏安特性;除塵效率

中圖分類號 X701.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract It is by water film scouring that WESPs （wet electrostatic precipitators） clean the dust on the collectors. The temperature of airflow has great influences on the water film evaporation rate， V-I characteristic and dust collection efficiency. Making carbon fiber fabric and grooved PVC plate as collectors in WESP， heating the inlet airflow to different temperatures， we studied the changing regulations of moisture content of inlet and outlet airflow in WESP， V-I characteristics and dust collection efficiencies with the heating temperatures in this paper. It is found that with the increase of heating temperature， the moisture content of inlet airflow under the same water flow rate increases gradually. When the water flow rate and heating temperature are determined， the moisture content of inlet airflow on the carbon fiber fabric is bigger than the grooved PVC plate. Under a determined voltage， with the boost of heating temperature， the electric current becomes larger. With the same water flow rate and heating temperature， the current in the WESP with carbon fiber fabric is larger than that with grooved PVC plate. With the same water flow rate， the dust collection efficiency increases with the enhancement of heating temperature. With the same water flow rate and heating temperature， the collection efficiency of the carbon fiber fabric is larger than the grooved PVC plate.

Key words temperature of flue gas; membrane collection electrode; evaporation of water film; V-I characteristics; dust collection efficiency

0 引言

干式靜電除塵器（ESP）一般采用機(jī)械振打等方式清灰，而濕式靜電除塵器（WESP）則采用水膜沖洗方式。相比干式靜電除塵器，濕式靜電除塵器具有除塵效率高、無二次揚(yáng)塵等優(yōu)點，故濕式靜電除塵器的應(yīng)用越來越普遍。

工作參數(shù)對靜電除塵器的工作性能具有重要影響，如煙氣溫濕度、工作電壓、給粉量等均會影響除塵效率。尤其是煙氣溫度不僅影響粉塵比電阻[1-2]及荷電[3]，還會影響電場強(qiáng)度[4]。已有學(xué)者對干式靜電除塵器中煙氣溫度的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。干式靜電除塵器根據(jù)工作溫度的不同分為高溫（170～400 ℃）、低溫（130～170 ℃）和低低溫（70～130 ℃）靜電除塵器[5]。Xu等[6]對高溫靜電除塵器研究發(fā)現(xiàn)隨著工作溫度的升高起暈電壓和火花放電電壓均降低，導(dǎo)致除塵效率和粒子遷移速率下降。而Zheng等[7]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣溫度在363 K 到623 K之間變化時，隨著溫度升高除塵效率逐漸下降。劉含笑等[8]對低低溫靜電除塵器研究發(fā)現(xiàn)將煙氣溫度降至酸露點以下可使得粉塵性質(zhì)明顯改善，使比電阻降低而除塵效率提高。史文崢等[9]研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)入除塵器的煙氣溫度降低，煙氣中顆粒及氣體分子熱運(yùn)動能力減弱，氣體擊穿電壓和粉塵趨進(jìn)速度均提高，從而提高除塵效率。綜上可以明確在干式靜電除塵器中，除塵效率會隨著煙氣溫度的降低而增大。

濕式靜電除塵器中煙氣溫度的高低除了直接對放電和粉塵比電阻具有重要影響之外，還影響到收塵極水膜蒸發(fā)速率及煙氣濕度，進(jìn)而影響到粉塵特性、電場強(qiáng)度和除塵效率，因此濕式靜電除塵器中煙氣溫度對其工作性能的影響機(jī)理更為復(fù)雜。彭澤宏等[10]探討了含濕量對除塵器工作性能的影響，指出濕空氣比干空氣更易于電離，含濕量的增大使起暈電壓降低，而且在粉塵表面形成一層薄水膜從而改善其導(dǎo)電性，最終使PM2.5的脫除效率增加。Chen等[11]將室溫下水霧加入濕式靜電除塵器煙氣中用于提高納米級顆粒物的除塵效率，實驗發(fā)現(xiàn)加入水霧后除塵效率從67.9%～92.9%提高到了99.2%～99.7%。胡斌等[12]研究了脫硫廢水蒸發(fā)對除塵器工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)噴入廢水后細(xì)顆粒物有所長大，增強(qiáng)了場致荷電，使細(xì)顆粒脫除效率提高了5%左右。而Yang等[13]對帶新型預(yù)荷電室的濕式靜電除塵器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)降低煙氣溫度會使0.1～1.0μm的細(xì)顆粒物除塵效率提升明顯。

目前對濕式靜電除塵器中氣流溫度對水膜蒸發(fā)、氣流相對濕度、伏安特性及除塵效率的定量變化規(guī)律研究較少，而該研究對優(yōu)化濕式靜電除塵器的運(yùn)行條件及提高除塵效率有重要的現(xiàn)實意義。本課題組曾經(jīng)將玻璃纖維布[14]、PVC刻槽板[15]作為濕式靜電除塵器的收塵極，進(jìn)行了蒸發(fā)量和水膜厚度等方面的研究。而本文將碳纖維布、PVC刻槽板作為濕式靜電除塵器的收塵極，測量了不同加熱溫度下的氣流含濕量，并由此得出了單位空氣中的水膜蒸發(fā)量及水蒸氣的利用量;并對不同進(jìn)氣溫度下的伏安特性及除塵效率進(jìn)行了實驗研究，得出了伏安特性及除塵效率隨氣流加熱溫度的變化情況。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

濕式靜電除塵器實驗系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由給粉設(shè)備、除塵器本體、排風(fēng)機(jī)和一些附屬設(shè)備組成。除塵器本體包括放電極、收塵極、布水裝置、高壓供電裝置和除塵器殼體。收塵極分別采用12 K的碳纖維布及刻槽PVC板。

采用電加熱器對氣體進(jìn)行加熱，該加熱器是由11根電加熱管組成的加熱箱。加熱管采用4根、3根、4根的交錯排布方式，箱體外包有一層厚5 mm的保溫層。實驗過程中通過溫度控制器來調(diào)整加熱箱內(nèi)部溫度。在除塵器本體進(jìn)出口處（圖1中20、21點）由RC-4HA溫濕度記錄儀對氣流進(jìn)行溫度和相對濕度的測量，其工作量程為溫度-40～85 ℃、相對濕度0%～99%。

實驗采用800目滑石粉代替工業(yè)粉塵。滑石粉主要成分為Mg3（Si4O10）（OH）2，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而800目的粒徑則與工業(yè)粉塵很相近。實驗用給粉機(jī)為DZTC-1000智能型多功能給粉機(jī)，其工作量程為10 ～200 g/min。

實驗過程如下：啟動水泵、布水均勻后打開排風(fēng)機(jī)、進(jìn)行給粉、含塵氣流流過電場、排出尾氣。測量進(jìn)出口氣流相對濕度、伏安特性及除塵效率。

1.2 除塵效率

除塵效率指的是所去除的粉塵量占進(jìn)入除塵器粉塵量的百分比，表達(dá)式可以寫作：

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度對氣流含濕量的影響

實驗室環(huán)境溫度為21.3 ℃，相對濕度為61%。濕式靜電除塵器加載50 kV負(fù)高壓，電場氣流速度取0.8 m/s，供水流量分別為300、400、500、600、700 L/h，加熱溫度分別取30、50、70、90、110 ℃，對應(yīng)的煙道進(jìn)出口氣流溫度如表1所示。布水時間為1 h，記錄除塵器進(jìn)出口氣流相對濕度。

根據(jù)濕空氣性質(zhì)，由空氣溫度和相對濕度即可求得其含濕量，含濕量是指每千克干空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量（g/kg）[16]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口處氣流含濕量均大于環(huán)境空氣含濕量，原因在于收塵極水膜蒸發(fā)使氣流含濕量明顯增大。由進(jìn)口處氣流含濕量減去環(huán)境空氣含濕量即可表示進(jìn)入單位質(zhì)量干空氣中的水膜蒸發(fā)量，可用來表征水膜蒸發(fā)的劇烈程度，將該差值定義為單位空氣蒸發(fā)量。不同加熱溫度和不同供水量下兩種收塵極的單位空氣蒸發(fā)量如圖2所示。

由于圖2縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)軸，30 ℃和110 ℃條件下兩種收塵極曲線看起來差別較小，為此，對不同溫度下兩種收塵極數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯著性水平為0.05的ANOVA單因素方差分析，分析結(jié)果如表2所示。表中P值為統(tǒng)計量統(tǒng)計值（F值）> 臨界值[F]的概率，若P值小于顯著水平0.05則認(rèn)為各數(shù)列平均值顯著不同。

由圖2及表2可以發(fā)現(xiàn)，除30 ℃加熱溫度條件下，兩種收塵極的單位空氣蒸發(fā)量在顯著性水平0.05條件下無顯著性不同之外，其他加熱溫度下相同供水量時碳纖維布的單位空氣蒸發(fā)量均顯著大于PVC板，原因在于碳纖維布表面潤濕角較小、成膜特性較好、水膜分布更加均勻[17]，使水膜有效蒸發(fā)面積大于PVC板。而同一收塵極相同加熱溫度條件下，隨著供水流量的加大單位空氣蒸發(fā)量略有增大，原因在于隨著水量的加大成膜面積略有加大。

實驗發(fā)現(xiàn)出口處氣流含濕量明顯小于進(jìn)口處氣流，原因在于蒸發(fā)出來的水蒸氣參與了除塵器的工作過程，包括：水分子被電離[18]，水分子與電場中電子和離子形成水合離子團(tuán)[3]，或水分子被顆粒物吸附等。由進(jìn)口處氣流含濕量減去出口處氣流含濕量即可表示參與了除塵器工作過程的水蒸氣量，即表征水蒸氣的利用量，將該差值定義為單位空氣水蒸氣利用量。不同加熱溫度和不同供水量下兩種收塵極的單位空氣水蒸氣利用量如圖3所示。

對圖3中不同溫度下兩種收塵極數(shù)據(jù)進(jìn)行了顯著性水平為0.05的ANOVA單因素方差分析，分析結(jié)果如表3所示。

由圖3及表3可以發(fā)現(xiàn)除30 ℃加熱溫度條件下，兩種收塵極的單位空氣蒸發(fā)量在顯著性水平0.05條件下無顯著性不同之外，其他溫度條件下相同供水量時碳纖維的單位空氣水蒸氣利用量均顯著大于PVC板。主要原因在于碳纖維收塵極的單位空氣蒸發(fā)量大于PVC板;同時由于碳纖維布表面水膜分布更加均勻，使得其電場分布也更加均勻，電場出現(xiàn)局部畸變的概率也更低[19]。而同一收塵極在相同加熱溫度條件下，隨著供水流量的加大單位空氣水蒸氣利用量略有增大，原因在于隨著供水量的加大單位空氣蒸發(fā)量有所增大。

2.2 加熱溫度對伏安特性的影響

在供水量500 L/h，供電電壓分別為40、45、50、55、60 kV，電場氣流速度取0.8 m/s，給粉量為23 g/min條件下，對不同加熱溫度下除塵器內(nèi)的電暈電流進(jìn)行了5次測量求平均值，結(jié)果如圖4所示。

為了對實驗過程中的誤差進(jìn)行分析，對電暈電流5次測量結(jié)果進(jìn)行了平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的求解，并作出error bar如圖5所示，為清晰起見，只列出了30 ℃和110 ℃這兩個極端加熱溫度下的曲線。

由圖5中數(shù)據(jù)計算了不同工況下電暈電流的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)最大變異系數(shù)為0.013（<5%），說明實驗數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，兩種收塵極上伏安特性變化趨勢相近，即隨著供電電壓的增大，電暈電流均逐漸增大。而在相同電壓下隨著加熱溫度的提高電流亦逐漸增大，這是由于氣溫升高導(dǎo)致水膜蒸發(fā)加劇，而氣流中水分子電離增大了流場電子數(shù)目和細(xì)顆粒物的荷電機(jī)率及荷電量[20]，從而提高了空間電流密度。同一供水量和加熱溫度條件下，發(fā)現(xiàn)碳纖維電流大于PVC板，原因仍是碳纖維上水膜蒸發(fā)效果較好，致使電場中自由電子數(shù)目較多、顆粒物荷電量亦較大。

2.3 不同煙氣溫度下兩種收塵極的除塵效率

在供電電壓為50 kV，電場內(nèi)氣流速度為0.8 m/s，給粉量為23 g/min，供水流量分別為300、400、500、600、700 L/h，加熱溫度分別為30、50、70、90、110 ℃的條件下，對兩種收塵極的除塵效率進(jìn)行了5次測量測量并求平均值。結(jié)果如圖6所示。

為了對實驗過程中的誤差進(jìn)行分析，對除塵效率5次測量結(jié)果進(jìn)行了平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的求解，并作出error bar圖，如圖7所示，為清晰起見，只列出了30 ℃和110 ℃這兩個極端加熱溫度下的曲線。

由圖7中數(shù)據(jù)計算了不同工況下電暈電流的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)最大變異系數(shù)為0.008 4（<5%），說明實驗數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩種收塵極的除塵效率均隨著供水量的增加而增大，這是由于隨著水量的加大，一是水蒸發(fā)量加大，電場電流加大，提高了亞微米顆粒物的荷電及其向收塵極的趨近速度[21]，使除塵效率提高;二是水量加大減小了干斑和溝流的產(chǎn)生，使水膜清灰能力增強(qiáng)。不過隨著水量的加大除塵效率增大的幅度越來越小，這是由于進(jìn)口氣流接近飽和后其含濕量增大的幅度越來越小，且成膜率接近100%后再增大水量則對清灰能力的影響也會減小。

對比兩種收塵極會發(fā)現(xiàn)，相同供水量和相同加熱溫度條件下，碳纖維布的除塵效率高于PVC板，原因在于碳纖維布表面水膜更加均勻從而蒸發(fā)速率更大，導(dǎo)致不僅電場電流較大且水膜清灰效果也更好。

而同一收塵極在相同供水量條件下，隨著加熱溫度的提高，除塵效率亦逐漸增大，而增大的幅度逐漸減小。分析原因一是隨著加熱溫度的提高水膜蒸發(fā)加劇，致使氣流含濕量加大，更多水分子的電離導(dǎo)致電子數(shù)目和電暈電流增大。而電暈電流的加大，不僅提高了荷電顆粒物的電場力，還降低了除塵器打火現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次，有利于除塵效率的提高。二是由于氣流溫度升高使之和水膜之間的溫差加大，導(dǎo)致細(xì)顆粒的熱泳效果得到增強(qiáng)，從而提高了細(xì)顆粒物的脫除效率。

3 結(jié)論

本文將碳纖維布、PVC刻槽板作為濕式靜電除塵器的收塵極，研究了加熱溫度對氣流含濕量、伏安特性及除塵效率的影響規(guī)律。結(jié)論如下：

隨著加熱溫度的提高，相同供水量下的進(jìn)出口氣流含濕量逐漸增大，使單位空氣蒸發(fā)量和單位空氣水蒸氣利用量均增大。而相同加熱溫度下隨著供水量的增大，單位空氣蒸發(fā)量略有增大。相同供水量及相同加熱溫度條件下，碳纖維布收塵極的單位空氣蒸發(fā)量和單位空氣水蒸氣利用量均大于PVC板。

在相同電壓下同一收塵極上隨著氣流加熱溫度的提高，電流逐漸增大。同一供水量和加熱溫度條件下，碳纖維布上的電流大于PVC板。

在相同供水量下同一收塵極上隨著加熱溫度的提高，除塵效率亦逐漸增大。相同供水量和相同加熱溫度條件下碳纖維布的除塵效率高于PVC板。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? NODA N，MAKINO H. Influence of operating temperature on performance of electrostatic precipitator for pulverized coal combustion boiler[J]. Advanced Powder Technology，2010，21（4）：495-499.

[2]? ? GUO B Y，YU A B，GUO J. Numerical modeling of electrostatic precipitation：Effect of Gas temperature[J]. Journal of Aerosol Science，2014，77：102-115.

[3]? ? 王曉華. 靜電場中水對顆粒物脫除增強(qiáng)機(jī)理與過程[D]. 北京：清華大學(xué)，2013.

[4]? ? LUO K，LI Y，ZHENG C H，et al. Numerical simulation of temperature effect on particles behavior via electrostatic precipitators[J]. Applied Thermal Engineering，2015，88：127-139.

[5]? ? 閆克平，李樹然，鄭欽臻，等. 電除塵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù)，2017，43（2）：476-486.

[6]? ? XU X，GAO X，YAN P，et al. Particle migration and collection in a high-temperature electrostatic precipitator[J]. Separation and Purification Technology，2015，143：184-191.

[7]? ? ZHENG C H，SHEN Z Y，YAN P，et al. Particle removal enhancement in a high-temperature electrostatic precipitator for glass furnace[J]. Powder Technology，2017，319：154-162.

[8]? ? 劉含笑，姚宇平，酈建國，等. 低低溫條件下飛灰工況比電阻特性[J]. 潔凈煤技術(shù)，2017，23（5）：125-128.

[9]? ? 史文崢，楊萌萌，張緒輝，等. 燃煤電廠超低排放技術(shù)路線與協(xié)同脫除[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36（16）：4308-4318，4513.

[10]? 彭澤宏，樓波，孫超凡. 含濕量對電除塵器內(nèi)PM2. 5除塵效率的影響規(guī)律研究[J]. 電站系統(tǒng)工程，2015，31（2）：41-43.

[11]? CHEN T M，TSAI C J，YAN S Y，et al. An efficient wet electrostatic precipitator for removing nanoparticles，submicron and micron-sized particles[J]. Separation and Purification Technology，2014，136：27-35.

[12]? 胡斌，王曉焙，白璐，等. 脫硫廢水蒸發(fā)增強(qiáng)電除塵脫除PM2. 5和SO3實驗研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報，2017，45（7）：889-896.

[13]? YANG Z D，ZHENG C H，LIU S J，et al. A combined wet electrostatic precipitator for efficiently eliminating fine particle penetration[J]. Fuel Processing Technology，2018，180：122-129.

[14]? 陳麗麗，楊振民，黃超，等. 玻璃纖維膜電極表面水蒸發(fā)量的研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，47（4）：21-25.

[15] 孫巖，楊振民，黃超，等. WESP中帶槽PVC收塵板的水膜性能研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2020，49（1）：64-70.

[16]? 沈維道，童鈞耕. 工程熱力學(xué)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2007.

[17]? HUANG C，MA X Q，WANG M Y，et al. Property of the PVC dust collecting plate used in wet membrane electrostatic precipitator[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2014，42（11）：3520-3528.

[18]? 楊長河. 氣水混合兩相體放電現(xiàn)象及機(jī)制的理論與實驗研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[19]? 萬益. 濕式靜電除塵水膜均布及細(xì)顆粒物強(qiáng)化脫除研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2014.

[20]? 時超林，潘衛(wèi)國，郭瑞堂，等. 火電廠濕式靜電除塵器的發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 電力與能源，2013，34（5）：493-496，499.

[21]? 劉媛，閆駿，井鵬，等. 濕式靜電除塵技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，37（6）：83-88，102.