孔板對微細(xì)粉塵收集效率研究

李慶，劇曉晨，殷宇朝,劉曉娃

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

?

孔板對微細(xì)粉塵收集效率研究

李慶，劇曉晨，殷宇朝,劉曉娃

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

為了解決靜電除塵器對微細(xì)粉塵收集效率低的問題，設(shè)計(jì)了孔板作為收塵板．通過測量并比較不同電壓下傳統(tǒng)板和孔板電暈放電條件下的伏安特性，分析傳統(tǒng)板和孔板中粉塵的運(yùn)動狀態(tài)，對比了2種收塵極對微細(xì)粉塵的收塵效果以及新型除塵器和傳統(tǒng)除塵器對微細(xì)粉塵的除塵效率．結(jié)果表明：同一電壓下，2種放電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的放電電流差距較小；隨著電壓的增加，孔板對微細(xì)粉塵收集效果優(yōu)于打孔板且進(jìn)入孔板內(nèi)為小粒徑粉塵，線-孔板結(jié)構(gòu)的除塵器對微細(xì)粉塵的收集效率較高.

打孔板；微細(xì)粉塵；收塵效率；離子風(fēng)

大氣中的PM2.5是一種不可忽視的空氣污染物，它能攜帶可吸入有毒害作用的化學(xué)物質(zhì)，被人體吸入后直接進(jìn)入肺泡且在肺內(nèi)沉積，容易導(dǎo)致各種呼吸系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重危害人們的身體健康．PM2.5排放來源呈現(xiàn)出多樣化[1-2]，工業(yè)排放是PM2.5主要來源之一．新的國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》將火電廠煙塵排放限值降低至30 mg/m3，《關(guān)于實(shí)施環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的通知》也首次增加了細(xì)顆粒物PM2.5監(jiān)測指標(biāo)[3]．隨著大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，對煙氣除塵技術(shù)的要求也就更高．

靜電除塵器收集粉塵效率高，且處理煙氣量大[4]．目前中國火電廠除塵設(shè)備90%以上采用的是電除塵器[5]．電除塵器對微細(xì)粉塵的收集效率始終不高，分析其原因主要為：1)粒徑小于0.2 μm的粉塵在電除塵器中的荷電方式為擴(kuò)散荷電，0.2～0.5 μm的塵粒同時受電場荷電和擴(kuò)散荷電的影響，小粒徑粉塵荷電效果差且運(yùn)動情況復(fù)雜[6-8]，使微細(xì)粉塵容易受氣流擾動不被收集到極板上；2)忽略了在電暈放電過程中，高壓放電釋放的離子對周圍空氣的推動作用產(chǎn)生的離子風(fēng)[9],離子風(fēng)對微細(xì)粉塵的運(yùn)動軌跡存在擾動作用[10-13]，是造成靜電除塵器對微細(xì)粉塵收集效率低的重要因素.一些學(xué)者利用水變形研究了離子風(fēng)的強(qiáng)度和有效面積[14]，模擬了離子風(fēng)的形狀和分布[15-17]，發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)中央?yún)^(qū)域分布密集，形狀為對稱的雙螺旋結(jié)構(gòu).另一些學(xué)者通過改變收塵極板的結(jié)構(gòu)改變細(xì)顆粒物受離子風(fēng)力的方向，進(jìn)一步提高了對細(xì)顆粒物的捕集效果[18-19].

本文在充分考慮電場力和離子風(fēng)力對微細(xì)粉塵運(yùn)動狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)線-孔板放電裝置．分析線-孔板放電空間中微細(xì)粉塵的運(yùn)動情況，對比研究傳統(tǒng)板和孔板對微細(xì)粉塵的收集效果及2種除塵器對微細(xì)粉塵的收集效率．

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用微型立式除塵器，尺寸為90 cm×56 cm×50 cm．線板結(jié)構(gòu)，除塵器內(nèi)部放置電暈線，其直徑0.1 cm，到傳統(tǒng)板和孔板的垂直距離均為15 cm．傳統(tǒng)板和打孔板的外形尺寸為61 cm×45 cm.傳統(tǒng)板為實(shí)板，打孔板在實(shí)板的基礎(chǔ)上均勻打出孔直徑為2.7 cm的圓孔，其打孔率為30%.為了收集進(jìn)入打孔板的粉塵，在打孔板后面放置了尺寸大小相同的鋼板，稱為后板，打孔板和后板都為接地電極，如圖1所示.將孔板和傳統(tǒng)板分別作為實(shí)驗(yàn)組和對照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)采用負(fù)高電壓產(chǎn)生電暈放電．

1.2 測量條件

固定除塵器煙道風(fēng)速為1.5 m/s，粉塵濃度為30 g/m3．實(shí)驗(yàn)電壓分別為20、25、30、35、40和45 kV，測量得出線-板和線-孔板的伏安特性.用百特激光粒度儀測量原始粉塵，其PM2.5粒徑分布如圖2所示，中位徑13.02 μm，其中0.55 μm的粉塵體積百分比最高，0.95 μm體積占比最少．

圖1 除塵器實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 原始粉塵粒徑分布

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔板、傳統(tǒng)板的伏安特性

伏安特性表明了靜電除塵放電過程中產(chǎn)生的離子數(shù)量的多少，是衡量靜電除塵器運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)．根據(jù)多依奇公式可知，粉塵在電場中的驅(qū)進(jìn)速度與除塵效率直接相關(guān)，而驅(qū)進(jìn)速度與粉塵荷電量和荷電粉塵所受電場力的大小密切相關(guān).在本實(shí)驗(yàn)中通過測量打孔板、傳統(tǒng)板的伏安特性(圖3)，了解2種放電結(jié)構(gòu)的空間電荷量的差別，進(jìn)而比較2種電極結(jié)構(gòu)放電強(qiáng)度．

電暈放電條件下，放電極周圍的電場強(qiáng)度不受極板的幾何參數(shù)的影響[20]，但是電暈放電強(qiáng)度和放電極與接地極的極配方式有關(guān).在本實(shí)驗(yàn)中，由圖3可以看出隨著電壓的增加，傳統(tǒng)板、孔板的電暈電流均呈現(xiàn)上升趨勢．各個電壓下，孔板的電流值相對于傳統(tǒng)板差距不大.這表明在2種放電結(jié)構(gòu)形成的放電空間中，產(chǎn)生的空間電荷數(shù)量相差無幾，因此可以推斷在2種除塵結(jié)構(gòu)中電場力對荷電粉塵的作用結(jié)果相似.

圖3 傳統(tǒng)板和新型板伏安特性對比

2.2 孔板、傳統(tǒng)板收集粉塵粒徑分布及2種除塵器收塵效率分析

為了研究不同電壓下傳統(tǒng)板、孔板和后板對微細(xì)粉塵的收集效果，實(shí)驗(yàn)測量了傳統(tǒng)板、孔板和后板上的粉塵粒徑分布，結(jié)果如圖4所示.

圖4 30、35、40、45 kV孔板、傳統(tǒng)板粒徑體積百分比

從圖4可以看出，不同電壓下，孔板和傳統(tǒng)板收集粉塵的粒徑分布與原始粉粒徑分布相同．0.55 μm粒徑的粉塵占比最高，0.95 μm占比最低.30 kV時，傳統(tǒng)板和打孔板對的PM2.5的收集效果基本持平；隨著電壓的增加，35、40、45 kV時打孔板對PM2.5的收集效果優(yōu)于傳統(tǒng)板.結(jié)果如表1所示.

表1 不同電壓下傳統(tǒng)板、孔板0.55 μm和0.95 μm粉塵體積百分比

由圖4及表1都表示了線-孔板結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)線-板結(jié)構(gòu)對微細(xì)粉塵的單一粒徑的收集效果，為了更直觀的對比2種放電裝置對微細(xì)粉塵收集效果的優(yōu)劣，通過計(jì)算得出不同電壓下2種除塵器對PM2.5的收集效率，結(jié)果如圖5所示.同一電壓下新型除塵器對微細(xì)粉塵的收集效率始終高于傳統(tǒng)除塵器．30、35、40、45 kV時新型除塵器對微細(xì)粉塵收集效率相較于傳統(tǒng)分別高出2.67%、12.76%、7.39%、25.17%．

U/kV 圖5 不同電壓下新型除塵器和傳統(tǒng)除塵器PM2.5總收集效率對比

2.3 結(jié)果分析

多依奇公式是分析靜電除塵器效率的經(jīng)典公式

A為電除塵器的收集面積；Q為電除塵器煙氣流量；ω為荷電粉塵的驅(qū)進(jìn)速度.

根據(jù)多依奇公式可知：在放電強(qiáng)度相同、粉塵荷電量相同、電場力對荷電粉塵作用力相同的情況下，收塵板面積越大除塵效果越好.本實(shí)驗(yàn)中，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)板并沒有因?yàn)槊娣e大于打孔板(超出30%)而使其對小粒徑粉塵的收集效果優(yōu)于打孔板.多依奇公式是根據(jù)荷電粉塵在電場力作用的運(yùn)動狀態(tài)而推導(dǎo)出來的公式，公式推導(dǎo)過程中并沒有考慮電場放電形成的離子風(fēng)對粉塵運(yùn)動狀態(tài)的影響.

為了分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，筆者模擬了孔板和傳統(tǒng)板放電結(jié)構(gòu)中離子風(fēng)分布狀況，如圖6所示(圖6上半部分是孔板結(jié)構(gòu)，下半部分是傳統(tǒng)板結(jié)構(gòu)).

由圖6可以看出離子風(fēng)到達(dá)收塵極板后，由于收塵極板的阻擋作用，離子風(fēng)在收塵極板附近會形成湍流，其方向平行極板向外.在線-孔板放電結(jié)構(gòu)放電空間內(nèi)，離子風(fēng)受到孔板的阻擋，在孔板附近形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)極板產(chǎn)生了變形，即離子風(fēng)被分流.被分流后的離子風(fēng)雙螺旋作用的區(qū)域減小，使除塵器內(nèi)的氣流相對均勻.粒徑大于0.5 μm的粉塵荷電方式為電場荷電，容易飽和荷電，所以受電場力作用強(qiáng)于離子風(fēng)擾動作用，粉塵按照電場力的方向向極板運(yùn)動；而對于粒徑小于0.5 μm粉塵，荷電方式復(fù)雜，粉塵荷電不完全，離子風(fēng)對該粒徑范圍粉塵的運(yùn)動狀態(tài)的改變占主導(dǎo)作用，即微細(xì)粉塵會受離子風(fēng)的影響使其運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不被收集到極板上.線-孔板放電結(jié)構(gòu)使離子風(fēng)分流，分流后在孔板前離子風(fēng)強(qiáng)度減弱(螺旋結(jié)構(gòu)變小).這使得在線-孔板間離子風(fēng)對粒徑小于0.5 μm的粉塵干擾作用相對于傳統(tǒng)線-板結(jié)構(gòu)減小，致使孔板結(jié)構(gòu)對微細(xì)粉塵的收集效果優(yōu)于傳統(tǒng)極板，從而提高了打孔接地極板的除塵效率.穿過孔板的部分氣流攜帶微細(xì)粉塵進(jìn)入到孔板和后板之間的區(qū)域，最終被后板收集.收集結(jié)果如圖7所示.該部分收集到的微細(xì)粉塵進(jìn)一步提高了孔板除塵結(jié)構(gòu)對微細(xì)粉塵的收集效率.

圖6 孔板結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)板結(jié)構(gòu)離子風(fēng)速度分布

圖7 35 kV后板收集粉塵粒徑與原始粉塵粒 徑體積百分比

3 結(jié)論

對比研究了線-孔板和線-板結(jié)構(gòu)放電特性、對微細(xì)粉塵的收集效果以及新型除塵器和傳統(tǒng)除塵器對PM2.5的收集效率，得出線-孔板和線-板結(jié)構(gòu)在相同電暈放電電壓下，兩者的放電電流相差不大，產(chǎn)生的離子數(shù)差距較小.孔板結(jié)構(gòu)對離子風(fēng)的分流作用，減小了離子風(fēng)對微細(xì)粉塵的擾動，使得孔板對微細(xì)粉塵的收集效果優(yōu)于傳統(tǒng)板，線-孔板結(jié)構(gòu)的除塵器對微細(xì)粉塵的收塵效率高于傳統(tǒng)線-板結(jié)構(gòu)除塵器.在分析靜電除塵器內(nèi)粉塵的運(yùn)動狀態(tài)以及設(shè)計(jì)靜電除塵器結(jié)構(gòu)的過程中，離子風(fēng)的作用是不容忽視的重要因素.

[1] LI Y C,SHU M,HO S S H,et al.Characteristics of PM2.5 emitted from different cooking activities in China[J].Atmospheric Research,2015,166:83-91.DOI:10.1016/j.atmosres.2015.06.010.

[2] PUI D Y H,CHEN S C,ZUO Z.PM2.5 in China:Measurements,sources,visibility and health effects,and mitigation[J].Particuology,2013,13(1):1-26.DOI:10.1016/j.partic.2013.11.001.

[3] 李奎中,莫建松.火電廠電除塵器應(yīng)用現(xiàn)狀及新技術(shù)探討[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2013,3(3):231-239. LI K Z,MO J S.Electrostatic precipitator for power plant:present status and prospects of new technologies[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2013,3(3):231-239.DOI:10.3969/j.issn.1674-991X.2013.03.037.

[4] 和軍梁．火電廠煙氣除塵與脫硫的必要性[J].華北電業(yè),2002(11):31-32. HE J L.Necessity of flue gas dust removal and desulfurization in thermal power plant[J].North China Power,2002(11):31-32.

[5] 中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.新標(biāo)準(zhǔn)下我國燃煤電站煙氣除塵技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2012(9):38-42. Electrical Precipitation Committee of CAEPI.China development report on pollution control industry of motor vehicle in 2011[J].China Environmental Protection Industry,2012(9):38-42.

[6] 朱繼保.細(xì)顆粒物的電收集技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2010. ZHU J B.Study on the electrical collection technology of fine particulate matter[D].Hangzhou:Zhejiang University,2010.

[7] 沈欣軍.電除塵器內(nèi)細(xì)顆粒物的運(yùn)動規(guī)律及其除塵效率研究[D].杭州：浙江大學(xué),2015. SHEN X J.Study on motion laws and removal efficiencies of fine particles in electrostatic precipitator[D].Hangzhou:Zhejiang University,2015.

[8] 丁奇嶇,董冰巖,陳祖云,等.電袋除塵器靜電區(qū)內(nèi)靜電場及荷電粒子的數(shù)值模擬[J].有色金屬科學(xué)與工程,2015(3):111-115.DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.021. DING Q Q,DONG B Y,CHEN Z Y,et al.Numerical simulation of charged particle and electric field in electrical area of electrostatic filter bag[J].Nonferrous Metals Science and Engineering,2015(3):111-115.

[9] YAMAMOTO T,OKUDA M,OKUBO M.Three-dimensional ionic wind and electrohydrodynamics of tuft/point corona electrostatic precipitator[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,2(6):1602-1607.DOI:10.1109/TIA.2003.818983.

[11] 李慶，王利，楊青.板-袋收塵極板對微細(xì)粉塵收集結(jié)果的影響分析[J].高電壓技術(shù)，2016,42(2):362-367. LI Q,WANG L,YANG Q,et al.Analysis on the influence of the result of the fine dust collectionfor board-bag collecting plate[J].High Volt-age En-gineering,2016,42(2):362-367.

[12] COLAS D F,FERRET A,PAI D Z,et al.Ionic wind generation by a wire-cylinder-plate corona discharge in air at atmospheric pressure[J].Journal of Applied Physics,2010,108(10):103306-103306-6.DOI:10.1063/1.3514131.

[13] JOHNSON M J,TIRUMALA R,GO D B.Analysis of geometric scaling of miniature,multi-electrode assisted corona discharges for ionic wind generation[J].Journal of Electrostatics,2015,74:8-14.DOI:10.1016/j.elstat.2014.12.001.

[14] ZHANG Y,LIU L,OUYANG J.On the negative corona and ionic wind over water electrode surface[J].Journal of Electrostatics,2014,72(1):76-81.DOI:10.1016/j.elstat.2013.11.010.

[15] 李慶,孫玉榮,劉志強(qiáng),等.靜電除塵器離子風(fēng)研究[J].河北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,27(5):483-485，545. LI Q,SUN Y R,LIU Z Q,et al.Study of ionic wind in electrostatic precipitator[J].Journal of Hebei University:( Natural Science Edition)，2007,27(5):483-485，545.

[16] 李慶,楊振亞,甘罕,等.靜電除塵器煙道進(jìn)口處流場的數(shù)值模擬[J].環(huán)境污染與防治,2012,34(1):1-4. LI Q,YANG Z Y,GAN H,et al.Numerical simulation of flow in entrance of electrostatic prexipitator[J].Environmental Pollution and Control，2012,34(1):1-4.

[17] 李慶,李海鳳,孫曉榮,等.電暈放電電流體狀態(tài)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J].高電壓技術(shù),2010,36(11):2739-2744. LI Q,LI H F,SUN X R,et al.Experimental research and numerical simulation of electrohydrodynamic in corona discharge[J].High Voltage Engineering,2010,36(11):2739-2744.

[18] KAWAKAMI H,SAKURAI T,EHARA Y,et al.Performance characteristics between horizontally and vertically oriented electrodes EHD ESP for collection of low-resistive diesel particulates[J].Journal of Electrostatics,2013,71(6):1117-1123.DOI:10.1016/j.elstat.2013.10.004.

[19] YAMAMOTO T,ABE T,MIMURA T,et al.Electrohydrodynamically assisted electrostatic precipitator for the collection of low-resistivity dust[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2010,45(6):2178-2184.DOI:10.1109/TIA.2009.2031859.

[20] 涂揚(yáng)賡,宋薔,涂功銘,等.孔板對復(fù)合電袋除塵器靜電區(qū)除塵性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(17):51-56.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.17.006. TU Y G,SONG Q,TU G M,et al.Experimental research on particulate collection performance by perforated plate in hybrid particulate collector[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(17):51-56.

(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Efficiency of a new type of perforated plate for the fine particle collection

LI Qing,JU Xiaochen,YIN Yuchao,LIU Xiaowa

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

In order to solve the problem of low efficiency of electrostatic precipitator for fine dust collection,a new type of perforated dust collector is proposed.By measuring the voltage current characteristics of the traditional plate and perforated plate,analyzing the movement of the dust in the traditional plate and the perforated plate,the dust removal efficiencies of the new electrostatic precipitator and the traditional electrostatic precipitator is are compared.The results show that under the same voltage,the discharge current value of wire-perforated plate is a little higher than wire-plate structure;with voltage increasing,the perforated plate is better than that of traditional plate;therefore our results show that fine dust collection efficiency of new type of electrostatic precipitator is higher than that of traditional electrostatic precipitator.

perforated plate;fine particle;collection efficiency;ionic wind

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.01.003

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51077035；10875036)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016201184)

李慶 (1968—)，男，河北徐水人，河北大學(xué)研究員，博士，主要從事大氣污染治理方向研究. E-mail：liqing@hbu.cn

X16

A

1000-1565(2017)01-0013-06