電極組合配置在電除塵器提效改造中的應用

艾璞，李昌斌，高重樂，華耀鋒，余創波

1 前言

電除塵器的工作原理是利用高電壓使電場空間氣體發生電離，氣體電離產生的離子與隨氣流經過電場的粉塵碰撞使粉塵附帶電荷，帶電粉塵在電場力作用下趨近收塵極板，實現氣固分離。許多工程項目電除塵器前級電場粉塵濃度高、粒徑大，易閃絡，粉塵空間電荷多，對電暈電流的抑制作用大，運行電壓較高但電流小；后級電場粉塵濃度低、粒徑小，不易閃絡，粉塵空間電荷少，對電暈電流的抑制作用小，運行電壓較低但電流大，通常無法實現對微細粉塵粒子的除塵要求，影響電除塵器除塵效率。

本文通過電流密度實驗，測試了6種工業常用陰極線線型與型號為C480 的陽極板（簡稱“C480板”）匹配時的板平均電流密度J、板電流密度分布標準差σ兩個指標，分析了不同的電極配置結構電場特性，結合中試實驗，針對電除塵器前級、后級電場現有電極配置影響除塵效率的問題，根據粉塵顆粒場分布，調整電除塵器電場電極配置（陰陽極類型、極間距、極線距），優化前級、后級電場電極配置，使電除塵器前級電場在“高電壓、大電流”模式下運行，增大前級電場電暈功率，提高前級電場平均電場強度及粉塵荷電量；后級電場在“高電壓、低電流”模式下運行，更高的峰值電壓使微細粒子粉塵充分荷電，低電流節能降耗，實現煙氣達標排放。

2 實驗內容

2.1 實驗裝置

極配（電極配置）實驗系統由極配試驗裝置、高壓供電裝置和測試裝置三部分組成，如圖1 所示，主要測試儀表及設備如表1所示。

圖1 極配（電極配置）實驗系統

極配試驗裝置為三通道極配結構，電場有效高度3 375mm，有效長度2 980mm，有效寬度1 200mm，同極距400mm，陰極線單根線長3 000mm。陰極線線型選用RS 線（線型1）、BS 線（線型2）、針刺23 線（線型3）、針刺33 線（線型4）、板刺線（線型5）及異形鋸齒線（線型6）6 種工程常用線型，見圖2。陽極板選用C480板，見圖3。

圖2 6種工程常用陰極線線型

圖3 C480陽極板

2.2 實驗方法

采用銅片制作微電流采集探測板，將其分割成119塊22mm×47mm、相互絕緣的測試單元，在陽極板上，高300mm、寬480mm 范圍內，排列成7 行17 列，如圖4 所示。在測量板電流密度時，采用4個并行工作的電流采集模塊，每個模塊經導線與電流探測板相連，正輸出端接地。電流采集模塊將極板微電流輸送至皮安級電流數據采集器，電流測量精度為10-12A，測量精度為±（50ppm 讀數+18ppm量程）。計算機通過現場總線與皮安級電流數據采集器和高壓電源進行通訊，記錄電流數據并遠程控制高壓電源。

圖4 微電流采集探測板

采用平均電流密度J和電流密度分布標準差σ兩個指標，討論不同電極配置時的板表面電流密度分布特性，通過σ判斷板電流密度分布的均勻性，公式如下：

式中：

n——測點數量，個

ji——第i點電流密度，mA/m2

實驗時，在極配試驗裝置上裝設待測電極，調整至預定參數，啟動高壓電源送入負高壓，隨后逐步升高電壓，使用皮安級電流測量儀依次對每個測試單元上的電流信號進行測試。每個測試單元為一個測點，每個測點設定5s測試時間，測試范圍內119個測試單元銅片依次輸出電暈電流，直至計算機完成數據采集。試驗采用多次測試取平均值的方法，對每組電極配置進行6～10組循環測試。

3 實驗結果及分析

輸入二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV，板表面電流密度實驗結果如表2 所示，1～6 號線型陰極線分別與C480陽極板匹配時的板電流密度分布云圖如圖5～圖10所示。電流密度分布云圖為將試驗所測119組數據采用Origin圖形可視化軟件和數據分析軟件所制作的等高線圖，色譜表示板電流密度大小及分布。X、Y軸分別表示極板寬度和高度方向，X=0對應極板中心線。

表2 板表面電流密度實驗結果

圖5 線型1-RS線與C480板匹配時的板電流密度分布

由圖5、圖6及表2可知，RS線、BS線與C480板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV和65kV時，兩者對應呈現出的電流密度分布云圖有極大的相似性，芒刺尖端正對極板處電流密度大，陰極線正對極板中間區域存在不同程度的電流盲區，且隨著二次電壓的增大，電流盲區寬度減小。這是因為RS 線和BS線的支撐結構為圓管（見圖2a、2b），圓管曲率半徑大；輸入二次電壓時，芒刺尖端勢能最大，電離周圍空氣產生電暈電子；電暈電子定向移動，產生電暈電流；而支撐結構圓管勢能較弱，電離程度弱，即正對極板處表現為電流為零的“死區”。二次電壓升高，支撐結構圓管電離程度增強，正對極板處電暈盲區得到部分電子，電流盲區寬度減小。BS 線較RS 線在電場空間放電點數量成倍增加，但板電流密度沒有成倍增大，這是由于RS 線內側的芒刺尖端與外側的芒刺尖端電暈放電時產生的同性電子之間相互作用，存在電子干擾，表現出板電流密度沒有成倍增大。

圖6 線型2-BS線與C480板匹配時的板電流密度分布

二次電壓為45kV、55kV和65kV時，RS線、BS線分別與C480板組成電場電極配置結構，板電流密度分布標準差σ均＞0.45，板電流密度分布不均勻，極板有效利用率低，且受線形結構影響，極板不能充分放電，進而在實際工程應用中極易出現反電暈現象。

由圖7、圖8及表2可知，針刺23線、針刺33線與C480 板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV時，極板中間區域依然存在電流盲區，但電流盲區寬度較窄。相較于針刺23 線，針刺33 線針刺長度增加（見圖2c、2d），相同電壓條件下，極板平均電流密度增大，電流盲區范圍增大。這是由于針刺33線相對于針刺23線，放電尖端位置外移，二次電壓一定時，放電尖端電暈強度相同，支撐結構圓鋼對針刺33 線的抑制作用相對較小，極板兩側可以得到更多電暈電荷，正對極板中間部分電荷減弱，電流盲區范圍增大，極板兩側電流增大，優于因放電點外移所引起的極板中間部分電流減弱程度，即表現出平均電暈電流增大，電流盲區范圍增加，使板電流密度分布標準差σ增大。

圖7 線型3-針刺23線與C480板匹配時的板電流密度分布

圖8 線型4-針刺33線與C480板匹配時的板電流密度分布

RS 線和BS 線因支撐結構圓管曲率半徑較大，正對極板處有一定范圍的電流盲區，現將BS 線圓管支撐改為扁鋼支撐，側部芒刺結構分布不變，扁鋼兩側增加針刺線，正對極板，形成板刺線，結構如圖2e所示。

由圖9、表2可知，板刺線與C480板匹配、各電壓條件下，支撐結構扁鋼正對極板處電流盲區得到了極大改善，且增設針刺線部分對應極板區域出現電流密度峰值，極板平均電流密度與BS 線平均電流密度數值相近，但二次電壓在45kV時，板電流密度分布標準差σ減小了19.77%，二次電壓在55kV時，更是減小了38.68%，電流密度分布均勻性提高。這是因為扁鋼上設置了針刺線，即正對電暈屏蔽區增設了放電點，電壓升高，針刺電暈放電產生定向移動電子，定向移動電子產生微電流，電流盲區得到微電流，極板上不再存在電流盲區，板電流密度分布標準差σ大幅減小，極板有效利用率提升。

圖9 線型5-板刺線與C480板匹配時的板電流密度分布

由圖10、表2 可知，異形鋸齒線與C480 板匹配、各二次電壓條件下，極板上均無電流盲區，板電流密度＞0.1mA/m2，且電流密度分布均勻度高。電壓65kV時，電流密度分布標準差σ為0.345。這是因為，鋸齒線支撐結構扁鋼寬度小，產生電暈屏蔽范圍小，兩側鋸齒長度不等（見圖2f），曲率半徑不同，相鄰放電點、相同電場強度下，電暈電子干擾程度小，且一定程度上相互彌補了各自電暈電子所不能覆蓋的區域。電壓一定時，長鋸齒放電強烈，正對極板處電流密度峰值大，電暈電離產生大量自由電子，部分電子定向移動至極板中部，電暈屏蔽區得到電子補償，產生微電流。

圖10 線型6-異形鋸齒線與C480板匹配時的板電流密度分布

由以上數據分析可明顯發現，RS 線和BS 線、針刺23 線和針刺33 線因支撐結構為圓管和圓鋼，支撐結構曲率半徑大于芒刺尖端和針刺尖端，輸入二次電壓，正對極板處均存在不同程度的電流盲區。相同電壓條件下，RS線和BS線支撐結構圓管勢能弱，電離程度低，導致電暈電流小，板電流密度分布均勻性差，極板有效利用率低。各二次電壓條件下，RS線和BS線電流密度分布標準差σ均＞0.4。

針刺23 線、板刺線、異形鋸齒線與C480 板組成的電極配置，可有效改善支撐結構在極板表面形成的電流盲區。其中，針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時，板電流密度0.366mA/m2，電流密度分布標準差σ=0.34；板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時，板電流密度0.441mA/m2，電流密度分布標準差σ=0.298。即，板刺線與C480 板配置，可用于電除塵器前級電場的“高電壓、大電流”運行模式，針刺23 線與C480 板配置，可用于電除塵器前級電場的“高電壓、低電流”運行模式，且板電流密度分布相對均勻性高，極板有效利用率高。

4 中試實驗

4.1 電除塵器設計參數和技術指標

我公司實驗室自主搭建了一臺三電場電除塵器，陽極板為C480 板，陰極線采取了兩種布置方案。方案1，一、二電場采用BS 線，三電場采用RS線；方案2，一、二電場采用板刺線，三電場采用針刺23 線。電除塵器多級電場電極配置如圖11 所示。陽極板清灰采用側部振打，陰極清灰采用頂部電磁振打，電除塵器主要技術參數如表3所示。實驗用灰選用水泥窯尾電除塵灰，模擬工業煙氣粉塵，粉塵粒徑分布如圖12 所示，中位粒徑為2.664μm。

表3 電除塵器主要技術參數

圖12 水泥窯尾電除塵灰粒徑分布

4.2 測試結果

中試試驗顆粒物濃度測試，選用嶗應3012-H型自動煙塵測試儀，依據GB 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》和HJ/T 47-1999《煙氣采樣器技術條件》技術要求[1-2]進行采樣。

輸入二次電壓50kV，依次對電極配置方案1和方案2 進行采樣。結果表明，方案1 除塵器出口粉塵濃度測試值為36.88mg/m3，除塵效率96.31%；通過電極配置組合優化，方案2除塵器出口粉塵濃度測試值為8.23mg/m3，除塵效率99.18%，提效明顯，出口粉塵濃度降低77.68%。

5 結語

（1）BS線、RS線、針刺23線、針刺33線與C480板匹配時，陰極線正對極板表面均存在不同程度的電流盲區，板電流密度分布不均勻，極板有效利用率低。

（2）BS 線芒刺內、外側尖端電暈放電，存在電子干擾，且芒刺線板電流密度不隨放電尖端數量的成倍增加而成倍增大，線型結構影響芒刺尖端不能充分放電，極板有效利用率低，易引起反電暈現象。

（3）優化陰極線結構參數，將RS 線、BS 線支撐結構圓管改為扁鋼支撐，并在扁鋼兩側正對極板布置針刺，兩側放電尖端布置高度不同等措施，均有利于板電流密度分布均勻性的提高。

（4）板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時，板電流密度0.441mA/m2，電流密度分布標準差σ=0.298，可用于電除塵器前級電場的“高電壓、大電流”運行模式；針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時，板電流密度0.366mA/m2，電流密度分布標準差σ=0.34，可用于電除塵器前級電場的“高電壓、低電流”運行模式。

（5）電除塵器前級、后級電場電極配置的組合優選，可顯著提升電除塵器除塵性能，三電場電除塵器中試試驗，電極配置方案2 比方案1 出口粉塵濃度降低77.68%。