沖洗水流量對濕式膜電除塵器除塵效率的影響①

黃 超 佟 馨 楊振民 裴藝凱 尚業雯

（河北工業大學 天津 300400）

我國是燃煤大國，煤炭長期占據能源結構的主導地位，其使用量為一次能源總量的70%[1]。通過對北京大氣環境中細顆粒物（PM2.5）的研究發現，燃燒產生的PM2.5 為北京PM2.5 總排放量的1/4[2]。因此，控制燃煤鍋爐PM2.5 十分重要，而濕式膜電除塵器是去除PM2.5 的有效方法之一。

國內學者胡滿銀等人通過建立濕式脫硫裝置煙氣帶水的數學模型，得出該工藝煙氣帶水量的計算公式[3]。張雪峰等[4]經研究發現煙氣濕度的提高將導致電暈電流的降低，顆粒粒徑小與數目濃度高是導致電暈電流下降的重要原因，采用增大顆粒粒徑，減少顆粒數目濃度的方法有利于減小電暈封閉的影響。水汽相變作用對提高濕式電除塵器性能有促進作用，雒飛等[5]通過實驗發現進口煙氣相對濕度由80%增至過飽和狀態，水汽相變作用能提升PM2.5 數量脫除效率至90%以上。國外學者Fouad 等[6]經試驗發現電暈起始電壓隨空氣相對濕度的增加而增大，達到一定極限后，電暈起始電壓開始隨空氣相對濕度的增加而減小。德國的Bologa 等[7]采用蒸汽相變團聚結合靜電除塵技術對顆粒物進行了脫除研究，發現脫除效率可達90%～95%。

本文選取了12K 的碳纖維布與刻槽PVC 板2種收塵極，碳纖維為微晶石墨材料，具有良好導電性，電除塵器內的電場在靠近碳纖維處很高，并且除收塵極外，還可以作為放電極—碳纖維復合材料層合板，是一種復合放電電極，在聚合物基體中包裹金屬網，該放電極表現出更高的顆粒收集效率，優于金屬電極，PVC 材料為熱塑性樹脂，導電性差。碳纖維為編織物，親水性高，PVC 光板的親水性低，本文對PVC 光板刻槽進行研究，發現刻槽深度、刻槽間距對提高PVC 板的表面親水性有較好的作用，即表面的潤濕性提高，通過試驗后發現不會出現汗斑現象，本試驗選擇槽深與槽間距均為6 mm的PVC 板進行研究。

1 實驗系統

1.1 實驗系統的建立

本實驗搭建了濕式膜電除塵器的實驗系統，見圖1。實驗系統由給粉、除塵及通風系統組成，其中給粉由給粉機供給。除塵器主體包括放電極、收塵極、布水系統、高壓供電系統與除塵器箱體等，收塵極采用碳纖維布與刻槽PVC 板，通風系統包括風機與管道，并對該系統進行良好的密封。

測量濕度是在進氣煙道距箱體20 cm 處布點，記錄煙氣的進口相對濕度（濕度）；在排氣煙道距箱體35 cm 處布點，記錄煙氣的出口相對濕度。除塵效率利用煙氣采樣器進行測量，記錄電流與電壓值。

圖1 濕式膜電除塵器實驗系統

1.2 實驗內容

本實驗選取2 種收塵極—碳纖維布與刻槽PVC板，實驗條件為風速0.8 m/s，給粉量23 g/min，溫度為室溫23 ℃，電源電壓選取30、35、40、45、50、55 kV，沖 洗 水 流 量 選 取300、400、500、600、700 L/h，12K 碳纖維布的煙氣濕度分別為35%、40%、45%、50%、55%，刻槽PVC 板的煙氣濕度分別為75%、77%、79%、81%、83%。研究內容：在自然條件（無風速場）下，測量碳纖維布與刻槽PVC 板收塵極在不同沖洗水流量下放電特性與濕度分布，研究了沖洗水流量與除塵效率的相互作用關系及采用2種收塵極對除塵效率的影響。

2 結果與分析

2.1 電暈放電電流的測定

2.1.1自然條件下不同流量2種收塵極的放電特性

據圖2 分析，碳纖維布隨著電壓的升高，電暈電流升高；隨著流量的增大，電暈電流呈現先升高再降低又升高的波動規律。在流量從300～400 L/h時，電暈電流上升，且在400 L/h 達到最高值。電暈電流的大小對靜電除塵器內部的電場強弱有影響；從500 ～600 L/h，電暈電流呈下降的趨勢，并且在放電電壓為40 ～55 kV 時，電暈電流一致；但在600 L/h 達到最低值后又開始升高。原因是隨流量增大放電極表面形成的液膜對金屬放電極本身的晶體結構并不產生影響，但會引起放電極表面電場分布發生變化，對電子從放電極表面逸出過程作用更明顯，并且碳纖維布具有導電性，所以隨流量的增大，整體呈現波動上升的趨勢。由圖3 可知，當收塵極為刻槽PVC 板時，隨著放電電壓的升高，電暈電流波動上升；隨著流量的增大，電暈電流上升。

圖2 流量對碳纖維電暈電流的影響

圖3 流量對PVC 電暈電流的影響

2.1.2不同流量下2種收塵極的放電特性

如圖4 所示，在放電電壓一定的條件下，收塵極選用碳纖維布時電暈放電電流隨煙道濕度的增大而增大。原因是負極性水分子在放電極表面電場的作用下吸附于電暈線表面，引起直流靜電場中電子逸出功的減小，同一電壓下較多的電子從電暈線表面被激發，導致電暈電流上升。據圖5 可知，刻槽PVC 板為濕式膜電除塵器收塵極時，電暈放電電流隨煙氣濕度增大而增大，與碳纖維布的規律相同；但是當電暈放電電流為0.7 mA 時，煙道氣體濕度隨流量的增大而減小，在600 L/h 的流量下，煙氣濕度達最低值76.3%。

圖4 碳纖維煙氣濕度對電暈電流的影響

圖5 PVC 煙氣濕度對電暈電流的影響

如圖6、圖7 所示，碳纖維布與刻槽PVC 板呈現的規律不同。選用碳纖維布時，隨著流量增大出口濕度為開口向上的二次曲線，在400 L/h 與500 L/h的流量下，出口濕度最低，達到出口最低值；選用刻槽PVC 板時，隨著流量增多，出口濕度均在69%～84%，有小幅波動。

圖6 碳纖維出口濕度對電暈電流的影響

圖7 PVC 煙氣濕度對電暈電流的影響

2.2 除塵效率的測定

如圖8、圖9 所示，對于碳纖維布，隨著放電電壓的升高，除塵效率增大；流量增多至700 L/h，除塵效率最低；對刻槽P V C 板，在流量為5 0 0 L/h 與700 L/h 時除塵效率偏低。在不同流量下碳纖維布收塵極隨著電壓的升高，除塵效率逐步提升；在不同流量下刻槽PVC 板收塵極隨著電壓的升高，除塵效率也逐步提升但小于碳纖維布。原因是在相同溫度下，隨著濕度的增大，擊穿電壓升高，使靜電除塵器能在較高的電壓下運行，火花放電現象較難出現，除塵器除塵效率提高。

如圖10 所示，碳纖維布的除塵效率隨煙氣濕度的增大而增大，原因是水分子中的氧原子會吸附在放電極表面，液膜/金屬放電極界面處存在相互作用，液膜水分子中的電子將從液膜向界面處移動，水分子層內電子遷移減小了水分子固有的偶極矩，有利于粉塵吸附與去除。在濕度為55%、流量為600 L/h 時達到最高值，除塵效率為97.3%。在濕度為35%～50%時，流量為300 ～600 L/h 時，除塵效率整體變化幅度不大，除塵效率為94.5%～97.5%；但在流量為600 ～700 L/h 時，除塵效率急速下降。在圖11 中，刻槽PVC 板隨著濕度的增大，除塵效率呈下降的趨勢；在同一濕度下，除塵效率隨流量的增多，呈現波動增大。原因是PVC 板經刻槽處理，親水性增大，同時濕式膜電除塵器箱體內部的水分子運動加劇，散逸的水分子增多，濕度增大，不利于除塵。

圖8 流量對碳纖維除塵效率的影響

圖9 流量對PVC 除塵效率的影響

圖10 碳纖維不同煙氣濕度下的除塵效率

圖11 PVC 不同煙氣濕度下的除塵效率

3 結論

本文建立了濕式膜電除塵器除塵系統，選用12K 碳纖維布與刻槽深度及間距均為6 mm 的PVC板作為收塵極，研究了在不同沖洗水流量條件下電暈放電電流及除塵效率的變化特性，得出以下結論。

（1）自然條件下，碳纖維布隨著電壓的升高，電暈電流升高；隨著流量的升高，電暈電流呈現先增大再減小又增大的波動規律。刻槽PVC 板的電暈電流隨電壓與流量的增大而增大。

（2）碳纖維布的電暈放電電流隨煙道濕度的增大而增大。刻槽PVC 板當電暈放電電流為0.7 mA 時，煙道氣體濕度隨流量的增大而減小，在600 L/h 的流量下，煙氣濕度達最低值76.3%。隨著流量增多，碳纖維布出口濕度為開口向上的二次曲線，在400 L/h 與500 L/h 的流量下，出口濕度最低。刻槽PVC 板出口濕度均在69%～84%，有小幅波動。

（3）在常溫環境下水蒸氣增多有助于提高濕式靜電除塵器的除塵效率，通常施加的電壓越高，流量越大，除塵效率越高。

（4）碳纖維布除塵效率隨流量的增大而增大，在煙氣濕度為55%、流量為600 L/h 時達到最高值97.3%；PVC板當煙氣濕度為75%，流量為700 L/h時，除塵效率達到最高98.6%，碳纖維布與PVC 板達到最高除塵效率時，流量均為較大流量。