提高靜電除塵器粉塵驅進速度方法研究

更新時間：2010-10-27 11:51 來源：環境工程作者: 依成武曲文明馬帥竇鵬王延民閱讀：6042

摘要:由Deutsch 公式可知，塵粒驅進速度的大小直接決定著電除塵器除塵效率的高低。從提高驅進速度的角度入手，通過分析影響電除塵器除塵效率的主要因素與驅進速度的關系，得出提高電除塵器除塵效率的方法，為設計合理、高效、節能的靜電除塵器提供指導。

關鍵詞:驅進速度,電除塵器,除塵效率

0 引言

隨著我國電力工業的發展，排放的煤煙氣體對環境的污染程度越來越嚴重，對人類的身體健康造成極大的危害，可吸入顆粒物能夠導致肺病，細微顆粒可以進入人的血液循環，引起心血管疾病。如何實現對煙塵氣體高效率的去除，實現經濟、社會和環境的協調發展，是我們現在面臨的一項嚴峻考驗。2003 年新實施的火電廠排放標準要求將粉塵排放濃度控制到50 mg /m3［1］，使現在的絕大多數的電除塵器難以達到新的煙塵允許排放標準。如何提高除塵器的除塵效率尤其是細微顆粒的捕集，是目前迫切需要解決的難題。影響驅進速度的因素很多［2］，據不完全統計，多達20 多種，其中主要有:粉塵比電阻、粉塵顆粒大小、操作電壓、電流、離子風、有效收塵面積和其他條件等。近年來，很多專家學者對除塵器的參數進行了大量的研究，取得了顯著的成果。

1 提高驅進速度的最新研究進展

1. 1 改良電暈極

鄭雙忠［3］等人對寬間距長芒刺電除塵器優化實驗研究，通過實驗確定寬間距長芒刺電除塵器的各項參數，并且運用最優化原理從理論上加以論證。長芒刺電暈極具有明顯的優勢，長芒刺電暈極產生的場強高于其他電暈極的場強，芒刺電暈極能產生較強的離子風，能增加粒子的驅進速度、助長粒子的凝聚。很多研究者都討論了電風現象，但所給的電風結果相差很大。Hends［4］指出，在電暈極附近，電風可高達 75 m / s，而liang 和lin［5］卻由半經驗公式計算出圓形電暈極與平板接地間的平均風速為1. 162 m / s。李慶［6］等采用了在收塵極板分區布點的方式測量離子風速分布，測得風速在1 m / s左右. 在相同的電壓下離子風速隨收塵極距的增大而減小，且收塵極距越小，風速特性曲線越陡;正對應著放電極線，測得離子風速較大，距離放電極線越來越遠，離子風速逐漸減小。K. S. P. Nikas 等［7］在實驗室模擬電除塵器內部的流動和收集機制，由于放電極以及電壓供應方式不同產生離子風，分析表明離子風對氣流和橫向輸運率產生顯著影響，尤其是對粉塵小微粒的影響從而直接影響到除塵器的除塵效率。離子風產生的氣流使氣流方向由單向流動變成向四面八方擴散，在超出收集板的邊界后仍能保持高度的非均勻分布，從而有利于對小粉塵顆粒的收集，模擬結果表明，如果忽視離子風的作用，除塵效率將由99. 95% 下降到99. 65%。但是到目前為止關于離子風只有理論分析而無法測出離子風的大小，關于離電暈區較遠的電場中的電風大小缺乏確切的描述，對電風測定方法的研究成為制約性因素。

1. 2 改進電場結構

在單區靜電除塵器中［8］，粒子的荷電和捕集都在一個區內完成，而雙區靜電除塵器的粒子荷電部分和收塵部分是分開的。前區安裝電暈極，粉塵在此區內荷電，后區安裝收塵極，粉塵在此區內被捕集。雙區電除塵技術是在末電場中，將單一的高壓電塵荷電區和收塵區，并用不同的高壓電源供電。根據需要，有所區別地向這兩個區供應適宜的運行電壓強化其荷電和收塵功能［9］。荷電區主要是對粉塵進行荷電同時又在陽極板上收集帶負電荷的粉塵。收塵區則使顆粒從煙氣中分離，將絕大部分的顆粒吸附到收塵板上;同一些帶正電荷的顆粒吸附至其陰極( 又稱輔助電極)。雙區電場由于荷電與收塵區分開后，在荷電區可以比較靈活地調整電壓，通過減小極間距，可以在較低的電壓下能使塵粒充分地荷電，運行也更安全。在收塵區，可大大地提高收塵電場的均勻性，有利于提高除塵效率。章榮發［10］對雙區電場對粉塵驅進速度的提高系數研究表明，為防止電除塵器發生反電暈問題并提高除塵效率，在末電場采用雙區電場結構，將粉塵荷電、收塵的過程及其電源供電設備分開，使兩個區域的電氣運行參數分別達到最佳化。通過實驗研究表明，與傳統臥式電除塵器相比，雙區電場可使粉塵平均驅進速度提高20% 左右;除塵效率則隨之上升，并將粉塵排放濃度降低到50 mg /m3 以下。

1. 3 改良供電電源和供電方式

靜電除塵器的供電電源也是提高粉塵驅進速度的重要方面，提高供電水平可以在節能的同時，有效收集高比電阻粉塵，提高除塵效率。傳統靜電除塵器的供電方式為直流脈動，現在常采用與常規電源不同的高頻變換式電源、間歇供電和脈沖供電的技術來改變粉塵的荷電特性。電除塵器采用脈沖供電控制方式的目的是為了克服和抑制反電暈現象的發生。它的供電實質是在一定的直流基礎電壓的基礎上疊加一個具有一定重復頻率、寬度很窄而電壓峰值又很高的脈沖電壓［11］。脈沖供電電壓是在很短的時間內在電極上施加快速上升的脈沖，提高了電場擊穿電壓，所以施加在電場上的峰值電壓比常規電壓一般高 1. 5 倍～ 4 倍;脈沖供電時，陰極具有非常均勻的電暈分布和很強的電暈放電能力，從而提高了粉塵的荷電概率;可在脈沖峰值電壓基本不變的條件下，通過改變脈沖重復概率，在大范圍內選擇電暈平均電流，因此，對粉塵性質的變化有良好的適應性，有利于克服電暈現象，可以明顯降低運行電流，節能效果顯著;當粉塵阻率高于1012 Ω·cm 時，除塵與節電效果更加明顯。脈沖供電的這些特點使其在當今世界范圍內的鍋爐電除塵器應用領域獲得越來越多的重視。

Masuda［12］，王海寧等人［13］分別用高電壓窄脈沖供電方法，對煙塵進行脈沖直流電場的同極性離子進行荷電凝聚，增大了煙塵荷電量及粒徑，提高了煙塵的荷電凝聚性能，改善了靜電除塵器的反電暈問題，使捕集高比電阻煙塵的效率有所提高。2003 年Mantegna 等人［14］、2004 年Ahmadi 等人［15］分別進行了荷電粉塵的流體動力學研究。實驗結果表明，交變電場對異極性離子具有較強的荷電凝聚作用，無火花放電的峰值電壓，可提高粉塵粒子的荷電量，從而使粉塵粒子獲得更大的運動速度，達到提高收塵效率的目的。交變電場的應用改善了粉塵，特別是對微小粉塵的收集性能。2007 年浙江大學的Rui Xie［16］等運用諧振技術，變壓技術和磁技術研究出一種短時間內提高輸出電壓，降低能源損耗的高壓脈沖電源。通過實驗計算得到該脈沖電源在4 kV，功率在10 kHz時，電源能夠有效的運行。脈沖電源能夠提供一個壓縮的電流和電壓波形，電壓峰值比常規電壓要高許多，能夠滿足電除塵器電源高壓的需求，所以用高壓脈沖電源供電要比常規高壓要好很多。高壓脈沖供電能使脈沖供電能使極板間電場強度增大，使極板間電流密度分布均勻性趨好，改善電除塵器的運行狀況，有效抑制反電暈，提高粉塵的荷電量，增加塵粒的驅進速度，提高電除塵器的除塵效率。

1. 4 縱橫復合式橫向極板除塵器

傳統電除塵器的收塵極板與氣體的進入方向平行，氣體的驅進速度僅由氣體的慣性力決定，為了達到除塵效率，需要增加電場的長度，浪費了大量的鋼材。而橫向極板電除塵器是一種新型的除塵器，收塵極板與氣體運動方向垂直，使電場力和慣性力方向一致，氣體的驅進速度由電場力和慣性力共同決定，增大了驅進速度，提高了除塵效率，改善電除塵器性能，減少了資源的浪費。同時極板的橫向布置還可以起到勻化氣體分布的作用。由于這項技術在流場方向，提高離子的輸出濃度等方面技術尚不成熟，因而需要進一步研究。

橫向極板電除塵器在國內已經有了一定的研究: 西安熱工研究院已經對橫向極板電除塵器進行了一定的研究，并積累了一定的經驗，并就其發明的橫向折角槽板式電除塵器申請了國家專利［17］。專利的結構特點是改常規電除塵器中收塵極板與氣體流入方向平行的布置形式，代之以將具有一定角度的若干塊槽型收塵極板錯列橫置于工作室內，使除塵器內電場方向與含塵氣體的流入方向基本一致。在收塵極板面積不增加和氣體流速不降低的情況下，可有效地提高整個設備的除塵效率。南方冶金學院的鄒永平、張谷貽等［18 － 19］對影響收塵效率的幾個因素進行了多因素正交實驗，據此得出了最佳極線是RS 管狀芒刺線，極板為槽形凹向風流的極板，還有配置的參數，并且還對異極間距、線異比、隙寬比、平均場強、電場平均風速、電場單元數等六個因素進行了單因素實驗，對電除塵器的收塵機理以及影響收塵效率的因素進行了研究，對Deutsch 效率公式進行了修正。它們還通過對粒子驅進速度的研究，得出了橫向極板電收塵器中粒子驅進速度與收塵極板上平均電暈功率密度、極板間距、平均電場風速、收塵極板面積間的關系。鄔長福、周永安［20 － 21］對橫向極板電除塵器的特性進行了研究，認為在同一條件下，相比常規電除塵器，橫向極板電除塵器具有氣流均布性好，運行風速大，體積小，收塵效率高等特性;還對收塵極板作了研究，得出收塵極板形狀對收塵效率的影響，認為C 型板是最佳的極板形式。

從高氣壓非平衡等離子體物理及氣體放電物理學的角度分析，目前靜電除塵器的除塵效率仍然不高或不穩定的根本原因在于除塵器荷電區內的粒子部分仍被束縛。在電場中發生復合反應及出現過早沉積現象，導致輸出的離子濃度較低，輸運率不高( 離子密度僅為100 / cm3 左右) ，從而使粉塵的凝并沉降過程受到影響，這也是造成目前靜電收塵器體積大、質量重、投資高及后級電場中細微粉塵捕集率低等問題的根本原因。針對目前離子輸運率不高的問題，研究了除塵器內多種參數對離子輸運的影響，提出進一步提高帶電粒子密度，促進離子輸出的有效可行的方法，降低因振打引起的二次揚塵。

依成武、吳春篤等［22］研究的高風速橫向極板電除塵技術，如圖1 所示把收塵極板從順氣流方向排列改成迎氣流方向，此時在邊界層內塵粒向集塵極板上運動速度是風速與驅進速度的代數和，極大提高了塵粒向集塵極運動的速度，從而提高了收塵效果。采用雙C 型集塵極板，并按迎風方式排列可能在短時間內以較大的氣流速度把塵粒驅趕到集塵極表面加以捕集，成倍減少了ESP 截面積和長度，體積較常規 ESP 成倍減少，實現了ESP 小型化。潘玉良［23］，吳立群運用了機械動力學、流體力學、靜電場力學原理在 Ω － 2C 型收塵板的基礎上提出了一種新的迎風型靜電收塵板結構－ ω 型靜電收塵板。使氣流的速度在一定范圍內促進了有效驅進速度的提高。

2 新式結構提出

如圖2 所示，本文作者也采用與氣流方向垂直布置的收塵極板。但與現有的橫向極板不同的是，將放電極設置在迎氣流的集塵極間隙出口端［24］。由于間隙出口端風壓很大，使流過放電電場的氣流流速高達 5 ～ 20 m / s，大大增加了帶電粒子動能，能使離子有效擺脫電場的束縛，進而提高了離子輸運率，離子密度從目前106 ～ 107 / cm3 提高到108 ～ 109 / cm3 ，可使目前的煙塵驅進速度從3 ～ 20 cm / s 提高到20 ～ 200 cm / s. 同時，解放受電場的擊穿電壓的限制，電場中的庫倫力幾乎處于臨界值，塵粒驅進速度只能在很小范圍內得到改善的問題。采用橫向極板，使煙氣流速成為增加煙塵有效驅進速度的有利因素。這種方法通過提高帶電粒子動量方法解決電收塵器離子輸運率低的問題，從而提高較高的離子密度，進而增加煙塵粒子的荷電量，提高帶電粒子的驅進速度，解決常規電除塵器存在的捕集微細煙塵效率低，一次投資高，體積龐大以及剛材用量過多的等問題。