預混噴霧增效細顆粒去除的電除塵實驗研究

鄧權龍,莊丁丁,丁厚成,連志虛,徐遠迪

預混噴霧增效細顆粒去除的電除塵實驗研究

鄧權龍*,莊丁丁,丁厚成,連志虛,徐遠迪

(安徽工業大學建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

為提高電場對細顆粒物的捕集效率,實現顆粒物超低排放要求,本試驗采用噴霧與電場分區設計,搭建了預混噴霧濕式電除塵試驗裝置,以增強顆粒與液滴之間的凝聚作用,試驗探究了電場電壓、極板間距、電場風速、噴霧壓力及入口濃度等參數對除塵效率的影響規律.結果表明;除塵效率隨著電場電壓增加,除塵效率提升,增幅先升高后降低,最后趨于平穩;減小極板間距或電場風速,能夠提高除塵效率,但降低了處理風量;隨著噴霧壓力增大,除塵效率先增加后減小,當壓力值為6MPa時,除塵效果最佳;粉塵入口濃度對除塵效率的影響程度較低,對于粒徑小于2.5μm的顆粒物去除效率最高達98.5%.綜上,預混噴霧濕式電除塵效果相比單一噴霧或靜電除塵具有顯著的增強,對于顆粒物超低排放裝置的設計具有重要參考價值.

除塵；濕式電除塵(WESP)；噴霧；細顆粒物

隨著近些年各國工業高速發展,工業生產過程中排放大量顆粒物,一方面造成嚴重霧霾天氣,嚴重干擾工作和生活[1-2];另一方面,顆粒物可能攜帶重金屬、病毒、細菌等,經人體肺泡吸入后,易引起呼吸系統疾病[3-4].近年來國內政府不斷加大對顆粒物污染的控制,天津、山東等地要求新建項目燃煤、燃油及燃氣鍋爐的顆粒物排放限值達5mg/m3[5-6],對于細微顆粒物的高效去除有著較高的工藝要求.所以,如何經濟、高效地去除細顆粒物,日益成為工業除塵領域的熱點和難點問題.

電除塵器在煤電、冶金等行業尾氣顆粒物凈化方面得到廣泛應用[7].除塵器電場部分由收塵極板和放電極組成,結構簡單且風流阻力較小,降低通風動力能耗;與袋式除塵器相比,電除塵適應處理燃燒后高溫煙氣[8-9].但電除塵器的使用也受一定的限制,主要是對粉塵比電阻數值有要求,粉塵比電阻偏大(Rb>1011Ω·cm)或偏小(Rb<104Ω·cm)均易降低除塵效率,低阻型顆粒物運動至收塵集板后,釋放所帶電荷速率快,容易引起粉塵二次飛揚;高比電阻型顆粒電荷釋放速度較慢,形成反電暈效應,影響除塵效果[10-12].此外,電除塵對于微細顆粒物的去除效果不是很理想,有待進一步提高[13].

濕式電除塵將濕式除塵技術融入至電除塵技術中,與傳統電除塵相比,避免了粉塵飛濺、揚起和反電暈等問題,適用場景更廣,對細顆粒去除效率更高.濕式電除塵器的形式有很多種,例如:柔性濕布收塵電極[15]、極板水膜[16]、噴霧電除塵[17].其中噴霧電除塵是通過向煙氣中噴淋水霧,在電場力的作用下使顆粒、霧滴向收塵極板運動,提高顆粒物與液滴之間的碰撞和凝聚實現增效除塵[18-19],同時在收塵極板上形成水膜既實現對收塵極板上灰塵進行清理,防止積灰產生反電暈現象,又抑制了粉塵的二次飛揚.

本文研究噴霧液滴對電場中細顆粒物的凝聚和捕集效果的影響,通過將噴霧和電場分區布置而搭建出一種新型的分區噴霧濕式電除塵系統,并對該系統的除塵性能進行探究,得出該布置方式對提高了除塵器箱體內霧滴混合程度,有效改善了荷電水霧除塵器霧化效果不好等問題;同時揭示電場電壓、極板間距、噴霧壓力、電場風速等因素對除塵效率的影響規律;分析噴霧除塵、電除塵、噴霧濕式電除塵3種除塵方式對捕集粉塵顆粒物效率的影響,為噴霧濕式電除塵的研發和優化提供參考.

1 實驗模型與方法

1.1 噴霧與電場組合設計

圖1 噴霧與電場的2種布置方式

在高壓靜電場中,顆粒物與液滴之間發生多重復雜的作用.首先,顆粒物與液滴發生慣性旋轉碰撞,微小顆粒凝聚增大;其次,顆粒物和液滴均獲得電荷量,在庫侖力牽引下產生趨進速度,向收塵極板運動實現除塵[20].為了獲得最佳的增效捕塵效果,需要將霧滴與顆粒充分均勻混合,顆粒物與液滴之間混合的充分程度取決于噴霧與電場的組合方式[21].因此,考慮兩種不同組合方式,組合1是將噴嘴安裝在電場內部,將噴霧與電場重合,粉塵顆粒在電場作用下與液滴相互作用,如圖1(a)所示;組合2是將噴霧與電場分開,含塵氣流先進入噴霧區,然后再進入電場區,如圖1(b)所示.經過對比和計算兩種組合下單位流量霧滴在電場的停留時間,即液滴與顆粒物接觸的時間,得出組合2是組合1的1.6倍.因此,組合2更具有充分混合的優勢,在實驗設計中采用組合2方式開展研究.

1.2 實驗系統與設備材料

1.2.1 實驗系統 實驗由供水噴霧單元、電場單元、風塵控制單元、測試單元4個單元組成,實驗系統如圖2所示,供水噴霧單元包括噴嘴、水壓表、水管、高壓水泵和循環水箱組成,噴嘴安裝在箱體上部前端位置,高壓水泵提供動力,產生噴霧形成噴霧區,循環水箱具有過濾功能,實現廢水循環利用.電場單元包括收塵極板、放電極、高壓電源和電線等,收塵極板、放電極材料均為304不銹鋼,收塵極板接地,放電極連接高壓電源負高壓輸出端,形成電場區.風塵控制單元包括粉塵發生器、風管、均勻導流板、箱體、風機,通過粉塵發生器控制粉塵產生的濃度,抽出式離心風機為風流提供動力,含塵氣流經過風管進入箱體,經過噴霧區和電場區時,顆粒物被去除,凈化后的清潔氣流經風管排出.測試單元包括采樣頭、采樣儀、分析天平、激光粒度分析儀等.

圖2 濕式電除塵實驗系統

1.2.2 實驗設備材料 如圖3(a)所示,實驗用的高壓直流電源型號為泰思曼TRC2025,是一款數字化連續可調高壓電源,控制面板上直接顯示數字電壓和電流,輸出負電壓值為0～120kV.收塵極板的尺寸為900mm×450mm,厚度為1mm,兩塊收塵極板的間距為400mm,其材質為304鋼,用絕緣螺栓固定兩側并接地.放電極采用4根電暈線,長度460mm,放電極間距為200mm,采用八角芒刺電暈線,芒刺長5mm,每根放電極上10個,間距為50mm.如圖3(b),最后通過導線連接至高壓電源的負極(負電壓).

圖3 電源與放電極

實驗采用型號為H2S型高壓低流量水泵,實物如圖4(a),最大供水量488L/h,額定功率3.1kW,提供0～20MPa連續可調的水壓.由于不同噴嘴霧化角對荷電水霧除塵器箱體內霧化效果的影響,根據箱體尺度選擇噴嘴霧化角為80°.噴嘴霧化形狀對顆粒物的捕集效果有較大影響,霧化形狀是指噴嘴噴出的圓錐狀霧狀水滴投射到一個平面,所呈現的形狀,常見的噴嘴霧化形狀有空心形、實心形和半實心形,其中實心形噴嘴霧化分布更均勻,且霧化液滴粒徑相對較小.選擇噴嘴出口口徑1.5mm、霧化角80°的實心噴嘴,如圖4(b).

圖4 水泵和噴嘴

圖5 粉塵粒徑分布

為對微細顆粒物濕式電除塵實驗研究,本文使用預處理過的滑石粉,樣品比電阻為1.92′109Ω·cm,采用激光粒度分析儀(OMEC,LS-909)對粉塵顆粒粒徑進行測定,粒度分析結果如圖5所示,預處理過的粉塵粒徑分布范圍在0～10μm,平均粒徑1.8μm,其中D10為0.7μm,D50中值粒徑為1.3μm,D90為3.5μm.粉塵粒徑整體滿足細顆粒的要求.

1.3 實驗方法

在進風管和出風管分別設置采樣孔,采用采樣頭和采樣儀(FC-3A)進行采樣,并對濾膜樣品分別采用分析天平(Sartorius,CPA2250D)和激光粒度分析儀(OMEC,LS-909)進行質量分析和粒徑分析,得出相關實驗結果.

粉塵濃度一般采用濾膜取樣稱重法測得.在標準狀態下,干空氣粉塵濃度可表示為:

式中:△為采樣前后濾膜質量,mg;為標準狀態下流量,L/min;為采樣持續時間,min.

將總除塵效率用η表示,1、2分別表示除塵器進口和出口處顆粒物的質量濃度(mg/m3),Δ1、Δ2分別表示除塵器進口和出口處顆粒物的質量(mg),根據除塵效率含義得出計算公式(2).

采用激光粒度分析儀可以測量除塵器進口和出口處不同粒度的粉塵比例e、o,其計算公式如(3)、(4).

式中:Δ1i、Δ2i分別表示除塵器進口和出口處不同粒度的顆粒物的質量(mg),根據粒度分布測量結果,綜合式(2)～(4)計算得出不同粒度顆粒物的分級去除效率[11],計算公式見(5).

本文中在進口段和出口段均布設采樣頭進行采樣,由于涉及到噴霧潤濕作用,為避免水分對采樣結果的影響,在采樣前后濾膜需要放置烘箱60℃烘干1h.利用此方法可以得出粉塵濃度,從而進一步計算除塵效率和分級效率.

2 結果與討論

2.1 電壓對除塵效率的影響

分析不同收塵極板間距下電場的伏安特性曲線(圖6),高壓電場放電電流隨著電壓的升高總體趨勢是增大的,其中加載負電壓值小于10kV時,基本無電流產生,電流趨近零,說明此時放電極周圍空氣無電離產生.當負電壓值達到20kV以上時,放電極周圍空氣發生部分電離導致電場產生較小的電流,隨著加載電壓增加,電流呈現不同程度的上升.收塵極板間距越小,電場空間內產生的電流越大,發生擊穿負電壓值越小,這與離子運動的距離和速度有很大的關系;當負電壓值達到55kV時,電暈電流數值較大,極板間距2=240mm工況下電場電流達到3.1mA;若電壓繼續增加,易產生電火花,可能發生擊穿現象.

圖6 伏安特性曲線

由圖7所示,隨著放電極加載負電壓值升高,電除塵效率呈現增加的趨勢,當電壓在10～20kV范圍內,除塵效率增效的速率較小;當電壓在20～50kV時,除塵效率增加速率較大;當電壓值大于50kV時,除塵效率增幅緩慢,最后趨于穩定.

噴霧開啟前后,濕式電除塵效率隨電壓變化曲線的趨勢與電除塵的基本一致.噴霧未開啟時,電除塵效率最高達84%,當噴霧開啟后,濕電除塵最高除塵效率為95%,由此可見,與傳統電除塵相比,噴霧濕式電除塵有助于提高對細顆粒物的去除效率.對于不同粒徑的分級效率變化曲線存在一定的差異,當顆粒粒徑小于2.5μm時,除塵效率變化與總效率的變化一致;當顆粒粒徑在2.5～10μm范圍,分級效率比總除塵效率稍微高一些.從圖7可得到加載電壓50～60kV是實現高效除塵的經濟電壓.

圖7 除塵效率隨電壓變化曲線

2.2 間距對除塵效率的影響

收塵極板的間距是影響除塵效率的重要因素之一,通過實驗測量不同板間距對除塵效率的影響(圖8).隨著收塵極板間距的增加,總除塵效率呈現降低的變化趨勢,說明間距越小越有利于提高除塵效率.當電場電壓為55kV,電場風速為0.8m/s,噴霧壓力為5MPa時,噴霧濕式電除塵對于粒徑小于2.5um顆粒的分級效率為98.5%.分級除塵效率隨極板間距的變化趨勢與總效率基本相似.

圖8 除塵效率隨板間距的變化曲線

極板間距越小除塵效率越高,但是在電場風速相同情況下,極板間距的大小直接影響處理風量,板間距的減小導致處理風量的降低,所以板間距選擇要綜合考慮對除塵效率和處理風量的影響,根據實驗結果,推薦的合適的極板間距范圍為280～360mm.

2.3 水壓對除塵效率的影響

噴霧壓力影響噴霧霧滴的分布及其粒度,對除塵效率有較大的影響.如圖9所示,單純的噴霧除塵效率隨著噴霧壓力的增大而升高,當壓力大于6MPa后除塵效率的增幅不明顯,除塵效率達72%.噴霧濕式電除塵的除塵效率隨著噴霧壓力增加呈現先升高后降低的變化趨勢,當噴霧壓力為6MPa時系統總除塵效率趨近最大值為96.4%,當壓力大于6MPa后,除塵效率呈現降低的趨勢.分級效率隨噴霧壓力的變化與總效率的變化趨勢基本一致,其中顆粒粒徑在1～2.5μm范圍內的除塵效率曲線基本與總除塵效率曲線重合.

圖9 除塵效率隨霧化壓力的變化曲線

由于噴霧耗水量與噴霧壓力成正相關,噴霧壓力越大,耗水量越多.本文采用的是高壓低流量的水泵,噴霧耗水量在90～220mL/min范圍內總體較小,其中噴霧壓力為6MPa時,耗水量為180mL/min,根據實驗結果,綜合除塵效率和耗水量的考慮,噴霧壓力為范圍較為適宜.

2.4 風速對除塵效率的影響

含塵氣流速度決定著粉塵顆粒物和液滴在電場空間內停留時間的長短,進而對電場除塵效率有著較大的影響.如圖10所示,除塵效率隨著電場風速的增加,呈現逐漸降低的趨勢,電場風速越小,顆粒物在電場停留時間越長,有助于捕集粉塵顆粒物.當電場風速從0.6m/s升至1.2m/s時,系統除塵效率由97.2%降至93.4%,由此可見,電場風速與系統除塵效率成負相關的關系.

圖10 除塵效率隨電場風速的變化曲線

分級效率曲線的變化與總除塵效率曲線的變化趨勢基本一致,大于2.5μm的除塵效率高于總除塵效率,其中在5～10μm范圍的除塵效率最高.當極板間距固定的情況下,電場風速與電場處理風量大小成正比,提高電場風速可以有效提升系統處理風量,但是會導致除塵效率降低.為了考慮電場風速對除塵效率和處理風量的影響,需要做一定的取舍和平衡,當電場風速為0.8～1.2m/s范圍能夠保證系統除塵效率和處理風量相對最佳.

2.5 3種類型除塵工藝的對比

為研究除塵設備入口濃度對系統除塵性能的影響,在特定工況下(=55kV、2=280mm、=0.8m/s、P=5MPa),通過改變入口粉塵濃度(范圍50～800mg/m3),測量噴霧除塵、電除塵、噴霧濕式電除塵3種工藝的除塵效率.由圖11可知,單一噴霧除塵的效率在65%～73%范圍,且隨著入口粉塵濃度增加除塵效率發生輕微的升高;單一電除塵的效率在86%～90%范圍,隨著入口粉塵濃度增加除塵效率升高的幅度較小;噴霧濕電除塵的效率在94%～96%范圍,隨著入口粉塵濃度增加除塵效率升高的不明顯.

通過比較3種類型除塵工藝的效率,其中噴霧濕電除塵效率最高,電除塵效率次之,噴霧除塵效率最低,入口粉塵濃度大小對電除塵和濕電除塵效率影響不明顯,對噴霧除塵效率有一定的影響.

圖11 除塵效率隨入口濃度的的變化曲線

3 結論

3.1 電場電壓升高能夠提高電場電流大小,噴霧濕式電除塵效率隨著電場電壓增大而升高,除塵效率增幅先升高后降低,最后趨于平穩,實現高效除塵的經濟電壓為50～60kV.

3.2 極板間距和電場風速對系統除塵效率和處理風量影響的規律具有相似之處,隨著板間距或電場風速減小,總除塵效率和分級效率增大,但是同時降低了系統的處理風量,推薦的極板間距為280～360mm,電場風速為0.8～1.2m/s.

3.3 隨著噴霧壓力升高,噴霧耗水量增加,噴霧濕式電除塵效率發生先增加后降低的變化趨勢,當噴霧壓力為6MPa時,噴霧預混電除塵效率相對較高為96.4%,推薦噴霧壓力為5～7MPa.

3.4 與單一的噴霧除塵或電除塵相比,噴霧濕式電除塵效率具有明顯的提高,且受到入口濃度變化的影響較小.噴霧濕式電除塵分級效率與總除塵效率變化趨勢基本一致.

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Experimental study on electrostatic precipitator removal of fine particles with pre mixed spray.

DENG Quan-long*, ZHUANG Ding-ding, DING Hou-cheng, LIAN Zhi-xu, XU Yuan-di

(School of Civil Engineering & Architecture, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)., 2022,42(7)：3077～3083

In order to improve the collection efficiency of fine particles via electric field and achieve the requirement of ultra-low emission of particles, a novel pre mixed spray electrostatic precipitator was designed by separating the spray part and electronic field to enhance the agglomeration between particles and droplets. The influence of electric field voltage, plate spacing, air velocity, spray pressure and inlet dust concentration on the efficiency of dust removal was investigated in detail. The results showed that with the increase of voltage, the dust removal efficiency increased, the increasing tendency raised quickly and then slowed down to steady state. Reducing the distance between plates or the wind speed could raise the dust removal efficiency while the treatment air volume reduced. With the increasing of spray pressure, the dust removal efficiency increased firstly and then decreased. When the pressure value was 6MPa, the dust removal effect showed the largest value. The influence of inlet concentration of dust on the removal efficiency was quite low, the removal efficiency of particles with the size less than 2.5mm was large as 98.5%. In summary, the dust removal efficiency of pre mixed spray electrostatic precipitator was significantly enhanced compared with that of single spray or electrostatic precipitator, which has significant reference value for the design of ultra-low particulate emission devices.

dust removal；wet electrostatic precipitator (WESP)；water spray；fine particles

X513

A

1000-6923(2022)07-3077-07

鄧權龍(1990-),男,江西貴溪人,講師,博士,主要從事工業通風與除塵方面研究.發表論文20余篇.

2021-12-31

安徽高校自然科學研究項目(KJ2019A0052);安徽工業大學青年基金資助項目(QZ202016)

* 責任作者, 講師, dql3316@163.com