靜電除塵效率影響因素的研究進(jìn)展

關(guān)玉華,張倫秋,米俊鋒,杜勝男

(1.遼寧石油化工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001;2.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的不斷發(fā)展,環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。為了最大程度地利用粉塵產(chǎn)生的環(huán)境、設(shè)備動(dòng)能及熱能解決工業(yè)生產(chǎn)中粉塵的分離和捕集,發(fā)展靜電除塵技術(shù)勢在必行[1]。目前,應(yīng)用較為廣泛的除塵技術(shù)為:機(jī)械式除塵、袋式除塵、濕式除塵、靜電除塵。各除塵技術(shù)的對比見表1。相較于其他除塵技術(shù),靜電除塵技術(shù)具有高除塵效率、易于管理、低能耗等特點(diǎn),因此靜電除塵技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。本文重點(diǎn)針對影響除塵效率的主要因素進(jìn)行綜述。

表1 各種除塵技術(shù)的對比[1-7]Table 1 Comparison of various dust removal techniques[1-7]

1 放電極形式及材料

放電極與集塵極通過直流高壓電源形成電場,粉塵顆粒物在電場力作用下向集塵極運(yùn)動(dòng)從而被捕集。放電極的形式和材料也都會(huì)影響靜電除塵器的除塵效率,因此國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究。

1.1 放電極形式

靜電除塵主要以電暈放電為理論基礎(chǔ),為形成穩(wěn)定的電暈放電,放電結(jié)構(gòu)一般采用光桿型、鋸齒型、芒刺型放電裝置以形成非均勻電場。各放電形式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境見表2。

表2 不同放電極形式的性能特點(diǎn)[8-13]Table 2 Performance characteristics of different discharge electrode forms[8-13]

良好的放電極應(yīng)當(dāng)具備操作電壓區(qū)間大、機(jī)械性能優(yōu)異、擊穿電壓高、放電強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在高溫環(huán)境下,擊穿電壓降低,芒刺型和鋸齒型放電極電暈電壓區(qū)間小,使用光桿型放電極在高電壓狀態(tài)下放電性能更穩(wěn)定。Xu等[14]探索了三中不同形式的放電極對放電性能和除塵性能的影響,研究結(jié)果表明溫度為300 K,施加相同電壓時(shí)鋸齒狀電極的放電電流最大,除塵效率達(dá)到99.8%,隨著溫度升高在700～900 K之間,圓線型電極顆粒收集效率較高。在其基礎(chǔ)上,Zheng等[15]發(fā)現(xiàn)溫度為700 K時(shí),鋸齒狀電極對PM1的去除效率為95.9%,PM2.5的去除效率為95.7%,通過對芒刺型電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其對各直徑分布(PM1-PM10)的顆粒去除效率可明顯高于圓線型,即去除效率超過95%。

放電極受材料、形式、操作溫度等多種因素的影響,因此,放電極的選擇應(yīng)從電暈放電、脫除效率、設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命等方面考慮,選擇最佳放電形式以達(dá)到較好的去除效果。

1.2 放電極材料

為保障除塵設(shè)備的除塵性能和耐腐蝕性,通常放電極采用耐高溫的合金鋼或不銹鋼[16],不同材料的逸出功不同且會(huì)影響其放電特性,可通過在金屬材料表面涂覆不同材料改變逸出功大小。ALI等[17]通過使用聚合物放電極表面與混合復(fù)合放電電極的新組合來降低其規(guī)模成本,與傳統(tǒng)的金屬放電極相比,其放電電流更穩(wěn)定且?guī)缀鯖]有火花電壓。Rostami等[18]發(fā)現(xiàn)尖峰帶形式的碳鋼作為放電電極時(shí),隨著氣體流速的增加,細(xì)顆粒(直徑可達(dá)0.8 μm)的收集效率提高,且本實(shí)驗(yàn)的用水量明顯低于其他處理過程。隨后,Ali等[19]又采用碳纖維復(fù)合材料與金屬網(wǎng)結(jié)合,形成了長而薄的磁帶形狀的混合電極樣品,混合復(fù)合放電電極在與金屬電極相當(dāng)?shù)墓β氏庐a(chǎn)生均勻的電暈,并具有緊湊、輕、高度耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

除了選擇可降低成本具有耐腐蝕性的聚合物和碳鋼作為放電極,一些學(xué)者嘗試將石墨烯、稀土鎢等導(dǎo)電率高的材料作為放電極研究其放電特性和除塵效率。石墨烯具有強(qiáng)度大、導(dǎo)電性能良好[20]。Bo等[21]通過采用垂直定向的石墨烯涂層金屬線作電暈放電電極,可以產(chǎn)生更加節(jié)能、環(huán)保的電暈放電,放電從“石墨烯放電階段”開始過渡到“導(dǎo)線放電階段”,石墨烯片放電具有更低的起暈電壓和顯著減少臭氧排放。在相同的供電電壓和放電條件下,負(fù)極性的使用可能會(huì)導(dǎo)致比正極性高得多的電暈電流,因此可能更適合于實(shí)際應(yīng)用。

Yang等[22]利用鎢涂層納米線的放電極,發(fā)現(xiàn)其可以在大氣中獲得連續(xù)和穩(wěn)定的電暈放電。這種基于納米線的電暈放電可以通過使用納米線在電極尖端的縮小而在相對較低的電壓下啟動(dòng)和工作。由圖1可知當(dāng)電壓增加到電暈閾值時(shí),就會(huì)發(fā)生擊穿,放電電流波動(dòng)劇烈,通過不斷增加電壓,使其略大于電暈閾值,電暈放電就變得穩(wěn)定。

圖1 采用鎢膜涂層納米線制備的放電器的典型I-V特性Fig.1 The typical I-V characteristics of the dischargers using nanowires coated with tungsten film

為使靜電除塵技術(shù)放電穩(wěn)定,放電極材料應(yīng)具有較低的起暈電壓,擊穿電壓高等特點(diǎn),因此探索和研究放電特性優(yōu)良的陰極材料也是靜電除塵的重要研究方向。

2 比電阻對除塵效率的影響

粉塵比電阻是指在一定的粉塵填充塊中,單位長度內(nèi)單位截面粉塵層的電阻。不同環(huán)境下的溫度、濕度、及其自身結(jié)構(gòu)等也會(huì)影響比電阻大小,從而影響對顆粒物的去除效率。

2.1 溫度對比電阻的影響

隨著溫度的升高,粉塵比電阻先增大后減小,由圖2典型的溫度-電阻率曲線圖[23]可知溫度為100～200 ℃之間粉塵比電阻出現(xiàn)最大值,當(dāng)粉塵比電阻高于1010Ω·cm時(shí),集塵極收集的灰塵電阻引起反電暈使電場削弱,粉塵層擊穿;當(dāng)粉塵比電阻低于104Ω·cm時(shí),顆粒物在洛倫茲力的作用下向集塵極遷移,最后與極板碰撞并通過感應(yīng)帶電攜帶同性電荷,在互斥洛倫茲力的作用下重新返回到極間氣流中往復(fù)運(yùn)動(dòng),部分粉塵顆粒可能會(huì)被氣流帶出除塵器,造成二次揚(yáng)塵;在早期文獻(xiàn)中指出當(dāng)粉塵比電阻在104～1010Ω·cm之間,最適用于電除塵器[24]。

圖2 典型的溫度-電阻率曲線Fig.2 Typical temperature resistivity curve

粉塵比電阻由表面比電阻和體積比電阻共同決定。當(dāng)溫度低于粉塵比電阻變化臨界值時(shí),表面比電阻占主導(dǎo)作用,反之,體積比電阻占主導(dǎo)作用。MOHANTY等[25]通過研究不同溫度下粉塵的變化,實(shí)驗(yàn)表明溫度低于150 ℃時(shí)表面比電阻起主要作用,粉塵比電阻與溫度成正比關(guān)系;溫度在150～225 ℃范圍內(nèi),表面比電阻和體積比電阻共同作用決定比電阻大小;溫度大于225 ℃時(shí)體積比電阻占主導(dǎo)作用,因此,粉塵比電阻與溫度成反比關(guān)系。Li等[26]測試了溫度對比電阻的影響,研究表明許多工業(yè)污染顆粒物在溫度423～427 K內(nèi)具有較高的比電阻,由此可通過調(diào)節(jié)煙氣溫度降低到403 K以下或提高到623 K以上使粉塵具有足夠的導(dǎo)電性。然而高煙氣溫度不利于靜電除塵器除塵,可使靜電除塵器在較低的溫度下運(yùn)行,降溫也有利于降低粉塵流速、提高運(yùn)行電壓。Xu等[27]通過研究稀土鎢陰極管式靜電除塵器在各種因素下的除塵規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著工作電壓或溫度的升高,收集效率主要表現(xiàn)出明顯的增加趨勢,而在較高溫度和較低電壓下隨溫度升高略有下降。

2.2 濕度對比電阻的影響

Li等[26]通過對粉塵比電阻和靜電沉淀效率變化特性的研究,發(fā)現(xiàn)在相同溫度下煙氣比電阻與濕度成反比關(guān)系,即溫度相同,濕度增加,粉塵層的比電阻減小從而增加導(dǎo)電效果,使得擊穿電壓增大,從而不易發(fā)生火花電壓,即電場強(qiáng)度的增大也將顯著提高煙氣顆粒物的捕集效果。Mohanty等[25]對粉煤灰比電阻的研究中發(fā)現(xiàn)濕度對200 ℃以下的大多數(shù)粉塵有主要影響,且濕度不宜過大,因?yàn)楦嗟乃魵鈺?huì)在ESP中產(chǎn)生腐蝕問題,溫度較高時(shí),顆粒物的比電阻幾乎不受濕度影響。此外,國內(nèi)外Zhang[28]和Liu等[29]學(xué)者的研究均證實(shí)了以上觀點(diǎn)。

王翔等[30]進(jìn)一步分析濕式水膜對粉塵比電阻的影響,提出濕式高壓靜電除塵效率高的原因是:①由于液膜在粉塵表面的附著對沉積的顆粒進(jìn)行改性,提高粉塵相對介電常數(shù)[31],穩(wěn)定運(yùn)行使靜電場內(nèi)粉塵荷電不隨粉塵沉積而降低,提高顆粒物的荷電能力;②濕式水膜靜電場中粉塵向集塵極的有效運(yùn)動(dòng)路徑變短,且運(yùn)動(dòng)的時(shí)間減短,粉塵捕集效率更高;③濕度可增強(qiáng)團(tuán)聚體內(nèi)顆粒之間的粘結(jié)能力,有效避免二次揚(yáng)塵。

由于粉塵比電阻和濕度變化成負(fù)相關(guān)規(guī)律,所以可通過增加濕度降低粉塵比電阻以提高集塵效率,粉塵濕度增加的同時(shí)還具有增加粉塵荷電過程、防止粉塵二次揚(yáng)塵的作用。當(dāng)前的濕式電除塵器不僅可提高對黏性粉塵的去除,還可保證電極板的清潔,提高其使用壽命。

3 溫度

3.1 對放電特性的影響

為了解溫度對靜電除塵器放電特性的影響,研究人員進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。Xu等[32]研究了溫度在300～900 K范圍內(nèi)溫度對電暈放電伏安特性曲線的影響,發(fā)現(xiàn)起暈電壓和火花電壓均隨溫度升高而降低,導(dǎo)致粒子收集效率和粒子遷移速度降低,在相同電壓下,高溫狀態(tài)下電流較大,提高粉塵濃度有利于粒子的收集。研究還表明在高溫下靜電除塵器的可調(diào)節(jié)電壓范圍變小,見圖3,原因是隨著溫度的升高起暈電壓和火花電壓均發(fā)生不同程度的減小,且火花電壓減小的速度更快,導(dǎo)致放電不穩(wěn)定,易發(fā)生火花放電。

圖3 溫度對放電電壓的影響Fig.3 Voltage-current characteristic at different temperatures

Yan[33]通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了溫度對電暈放電影響,研究表明電暈電流密度受離子電流和電子電流的影響。一方面是由于高溫使得分子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng),易發(fā)生碰撞導(dǎo)致電離增加,且負(fù)離子中可分離出電子;另一方面由于逸出功減小導(dǎo)致陰極表面產(chǎn)生更多熱電子。Wang等[34]通過將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合分析溫度對電暈放電特性的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高電暈區(qū)減小,電場強(qiáng)度較小,溫度提高至850 ℃時(shí),電暈區(qū)為2.5 mm,電場強(qiáng)度降低至3×106V/m,最大荷電密度減小為6.4×1014m-3。

綜上所述,提高溫度可增大靜電除塵器的放電電流,但粉塵荷電密度減小;同時(shí)靜電除塵器的穩(wěn)定操作電壓范圍受限,因此,需進(jìn)一步研究靜電除塵器在高溫環(huán)境下提高其放電特性的方法。

3.2 對除塵效率的影響

溫度對電暈放電特性的影響最終體現(xiàn)在除塵效率的變化上,Zhu等[35]測試了溫度在363～763 K范圍內(nèi)對除塵效率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同電壓下,除塵效率隨溫度的提高而提高;但在相同電流下,除塵效率隨著溫度的升高而降低,除塵效率隨著電壓、粉塵氣體流量和顆粒初始濃度的增加而均有所提高。Shen等[36]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同電流下當(dāng)溫度從563 K提高到1 020 K時(shí)除塵效率快速降低,得出相同結(jié)論。

Li等[37]發(fā)現(xiàn)在高溫下離子風(fēng)對氣流二次流動(dòng)影響顯著,高溫增加了作用在粒子上的平均電場力,粉塵粘度較大,場電荷減弱,從而導(dǎo)致除塵效率降低。Wan等[38]采用RSM湍流模型研究溫度對含塵氣體的運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)溫度對切向速度作用明顯,隨著溫度的提高,分離效率降低。

Luo等[39]通過數(shù)值模型研究了不同溫度下顆粒物在極板間的運(yùn)動(dòng)。該模型考慮了溫度對電場、流體動(dòng)力學(xué)和顆粒流之間的復(fù)雜相互作用。數(shù)值結(jié)果表明高溫使沿平板的邊界層變厚,增強(qiáng)了湍流,電暈極電場強(qiáng)度和平均電場強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低,高溫削弱了粒子充電。對于粒徑為10 μm 左右的粉塵,隨溫度的升高,洛倫茲力、薩夫曼升力和布朗力下降,阻力增大,不利于集塵。

綜上所述,溫度變化對靜電除塵器的主要影響因素分為以下三點(diǎn):①在高溫下易發(fā)生火花放電,從而導(dǎo)致除塵效率降低;②高溫使得粉塵粘度增大,更易被 氣流帶出除塵器,分離效率降低;③高溫導(dǎo)致集塵極邊界層變厚,湍流增強(qiáng),電場強(qiáng)度降低,粒子之間的作用力增強(qiáng),從而粉塵顆粒不易被捕集。因此,如何使靜電除塵器在高溫狀態(tài)下高效穩(wěn)定運(yùn)行還有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

(1)靜電除塵的除塵效果主要受放電極形式與材料、粉塵比電阻、溫度等因素影響。不同的除塵環(huán)境中需綜合考慮各因素選擇相應(yīng)的放電形式及材料;粉塵比電阻和溫度變化呈鐘罩形規(guī)律,和濕度成負(fù)相關(guān)關(guān)系,粉塵比電阻在適當(dāng)范圍內(nèi)除塵效率較好;放電電流隨溫度變化而改變,除塵器在高溫下可操作電壓區(qū)間較小,除塵效率低。

(2)目前靜電除塵技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用,但仍存在一些不足。需在以下方向進(jìn)行更深一步的探索:①當(dāng)前溫度對靜電除塵技術(shù)的機(jī)理分析還僅限于實(shí)驗(yàn)分析,缺乏更深層次的研究,還需對放電過程中離子的運(yùn)動(dòng)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化等微觀事物進(jìn)行探索。②解決高溫狀態(tài)下操作電壓區(qū)間較小的問題,研究減小起暈電壓、增大擊穿電壓的方法。③探索靜電除塵器對含油或含水粉塵、細(xì)小粉塵的除塵性能,對燃煤處理等復(fù)雜氣流的研究較少,但其通過改變本體,可有效促進(jìn)能源清潔的進(jìn)一步發(fā)展。