電暈駐極濾袋對荷電微細顆粒物捕集效率

呂 超,楊小川,朱 冕,柳靜獻* (.東北大學資源與土木工程學院,濾料檢測中心,遼寧 沈陽 089；.上海寶冶集團有限公司,上海 00000)

袋式除塵器是工業領域最有效的除塵設備之一,濾袋是其核心[1].傳統濾袋主要通過攔截、慣性碰撞、布朗擴散以及重力沉降等機械過濾手段實現顆粒物的捕集脫除[2],然而,僅僅依靠以上機械作用,濾袋對于微細顆粒物的捕集效率仍不理想.通過采取優化濾袋結構而提高捕集效率的技術路線,也會因其阻力的升高而增加此類系統的運行成本.因此,研究越來越多的關注于將靜電捕集機理引入傳統纖維濾料中,利用纖維與顆粒物間的靜電力強化捕集效率,且不會增加阻力.

根據纖維與顆粒物間引入靜電力的不同方式,靜電捕集機理主要基于極化力、鏡像力以及庫侖力3 種靜電力作用[3].極化力是指帶電纖維與不帶電顆粒物之間的作用力,纖維經過駐極處理可使其表面攜帶大量的空間電荷和偶極電荷[4].電暈駐極法是應用最廣泛的纖維濾料駐極工藝,前人研究多聚焦于利用電暈駐極技術提升空氣濾料捕集效率[5-7],針對袋式除塵器用針刺氈濾袋電暈駐極強化過濾性能的相關研究仍需進一步開展.鏡像力則是指帶電顆粒物與不帶電纖維之間的作用力.相關研究已經表明在濾袋前裝配顆粒物預荷電器可以有效增強其捕集效率[8-10].但是,攜帶大量同性電荷的顆粒物長期堆積在濾袋表面會引起反電暈現象,這容易引起燒袋事故.庫侖力是指帶電纖維與帶電顆粒物之間的作用力.理論上來講,如果能使纖維和顆粒物攜帶異相電荷,那么兩者之間的庫侖作用不僅會增強捕集效率,也會通過電荷中和而阻止或者減緩反電暈現象的發生.然而,由于基于庫侖作用的復合除塵系統構造復雜,成本高且應用難度大,故時至今日相關研究也鮮有報道,尤其是針對袋式除塵系統.

針對以上問題,利用單針-板電極負直流高壓電暈放電裝置對針刺氈濾袋進行電暈駐極處理,設計搭建了由線-板式預荷電器和濾袋集塵裝置組成的復合電/袋過濾實驗平臺,系統的研究了電暈駐極濾袋對未荷電、單極荷正電、單極荷負電以及雙極荷電微細顆粒物捕集效率,對比了不同風速條件下駐極濾袋對不同荷電類型顆粒物捕集效率的穩定性,利用掃描電鏡技術分析了不同荷電類型顆粒物在濾袋表面沉積的微觀形貌結構并總結歸納出相應的顆粒物塵餅生長理想化模型.研究結果和實驗數據可為進一步發展靜電-機械雙效捕集脫除微細顆粒物提供理論指導和應用參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

所用針刺氈濾袋材質為聚苯硫醚(PPS),其克重為686.96g/m2,厚度為1.53mm,體積電阻為68.29Ω,表面電阻60.10Ω.所有PPS 針刺氈濾袋使用前均已進行異丙醇浸泡去電荷實驗(IPA)以保證其初始表面靜電勢為零.

捕集效率測試用粉塵為類球形氧化鋁(Al2O3)顆粒物,其相對介電常數約為9,利用Malvern 激光粒度儀對測試粉塵粒徑特性進行分析,其中d10=2.433～2.716μm,d25=3.779～4.219μm,d50=5.870～6.553μm,d75=7.742～8.642μm,d90=9.117～10.17μm.

1.2 實驗方法

圖1 給出了單針-板電極電暈駐極裝置示意.在相同條件下,負電暈放電可以獲得比正電暈放電更高的電流,且其閃絡電壓也高于正電暈放電.此外,正電暈放電非常容易發生劇烈的火花放電現象而使下方濾料發生擊穿破損,且放電電壓不斷的波動也無法滿足設定的實驗條件,故本文只采用負直流高壓電源(ZGF-100kV/10mA)對放電電極施加電壓.調試測得此電暈駐極裝置的起暈電壓為-5kV,擊穿電壓為-20kV,為了能夠使電源設備在較高電壓條件下長時間穩定運行,本文選擇將PPS 針刺氈濾袋在駐極條件(-18kV,(20±2)℃,10min)下進行極化處理,所得駐極濾袋立即投入捕集效率測試實驗,其表面初始靜電勢采用SIMCO-FMX-003 靜電測試儀測得為-3kV.

圖1 電暈駐極裝置示意Fig.1 Setup of corona discharge

圖2 給出了捕集效率測試系統示意.其中,發塵器由東北大學濾料檢測中心自研自制,可穩定調試所需的粉塵濃度,顆粒物荷電區由兩個等容空間組成,每個空間的容積為50mm×50mm×200mm,含塵氣體分別等量進入2 個荷電器,2 根放電電極(直徑為0.8mm,長度為 200mm)分別位于 3 塊接地極板(200mm×50mm)中心.通過變頻器調控流量計,用以設置不同的過濾風速(荷電時間).為了研究駐極濾袋對荷電微細顆粒物的捕集效率,實驗將在以下3 種工況條件下進行:1.顆粒物單極荷正電:兩根放電電極均接入正直流高壓電源(起暈電壓+14kV,擊穿電壓+24kV);2.顆粒物單極荷負電:兩根放電電極均接入負直流高壓電源(起暈電壓-14kV,擊穿電壓-24kV);3.顆粒物雙極荷電:兩根放電電極分別接入正/負直流高壓電源(起暈電壓+/-14kV,擊穿電壓+/-24kV).綜合考慮顆粒物荷電充足性及設備運行穩定性,將初始電壓至擊穿電壓范圍的60%作為實驗區間,即選擇+(16～22) kV 以及-(16～22)kV 作為測試電壓.過濾實驗根據“GB/T 38019-2019 工業用過濾布 粉塵過濾性能測試方法”,實驗環境溫度為(20±2)℃,相對濕度為(20±2)%,發塵濃度設定為5g/m3,利用粒子計數器(APC-9306)測量粒子數量濃度,駐極濾袋捕集效率計算公式(1)如下:

圖2 捕集效率測試系統示意Fig.2 Schematic diagram of test system

式中:f為捕集效率;表示粒徑為i的上游粒子濃度;表示粒徑為i的下游粒子濃度,本文中i為<0.3μm,0.3～0.5μm,0.5～1μm,1～2.5μm,2.5～5μm,5～10μm, 其中0.3μm 為袋式除塵器用濾袋最易穿透粒徑,PM0.5顆粒物濃度與居民健康危害的關系最為顯著,PM1為可入肺顆粒物,PM2.5為大氣中懸浮顆粒物,是天氣陰霾的主要原因.

2 結果與討論

2.1 駐極濾袋對荷電顆粒物捕集效率

圖3給出了駐極濾袋對+(16～20)kV單極荷正電0.3～10μm 顆粒物的捕集效率,內嵌圖為駐極濾袋對+22kV 荷正電0.3～10μm 顆粒物捕集效率.由圖3 可以看出,隨著顆粒物荷電電壓從+16kV 升高到+20kV,駐極濾袋對其捕集效率也增大.但是,當顆粒物荷電電壓進一步升高到+22kV 時,駐極濾袋對其捕集效率反而減小.對于單極荷正電顆粒物而言,駐極濾袋表面或近表面的電荷和帶電離子會對其產生各種靜電力作用,其中最主要的是庫侖力.隨著顆粒物荷電電壓的升高,荷電區域內電流密度升高,離子密度升高,顆粒物荷電量增多,故荷正電顆粒物與駐極濾袋表面電子或負離子之間的庫侖引力增大.當含荷正電顆粒物氣流通過駐極濾袋時,其由于庫侖引力作用會偏離原始氣流運動軌跡而更易被纖維捕集.對于荷電電壓繼續增大到+22kV 時,已經接近荷電器擊穿電壓+24kV,是輝光放電向弧光放電的過渡階段[11],電流急劇上升,電壓劇烈波動且下降,故使得顆粒物荷電量降低,進而減弱了庫侖引力對于捕集效率的增強作用,例如:相較于+16kV 荷電工況,對于0.3μm 粒徑顆粒物捕集效率驟降16.65%.

圖3 駐極濾袋對單極荷正電顆粒物捕集效率Fig.3 Collection efficiency of electret bag filter for positively charged particles

圖4 給出了駐極濾袋對-(16～22)kV 單極荷負電0.3～10μm 顆粒物的捕集效率.由圖4 可以看出,隨著顆粒物荷電電壓從-16kV 升高到-22kV,駐極濾袋對其捕集效率逐漸增大,尤其對于0.3～1μm 粒徑較小顆粒物,增大幅度更加明顯.這同樣是由于隨著顆粒物荷電電壓的升高,荷電空間內負離子和電子數量濃度增加,導致顆粒物荷電量增多.但是,不同于駐極濾袋捕集荷正電顆粒物時的庫侖引力作用,捕集荷負電顆粒物占據主導作用的增強作用為庫侖斥力.首先,由于駐極濾袋表面或近表面的電子和負離子與荷負電顆粒物之間的庫侖斥力,使得顆粒物到達濾袋表面時速度降低,由于其本身動能的降低,導致其穿透率也降低,實驗數據上則直觀表現為捕集效率的升高.其次,隨著過濾實驗的進行,單極荷負電顆粒物在駐極濾袋表面形成的塵餅也會對后續同極性顆粒物產生庫侖斥力作用.對于粒徑較小顆粒物,尤其是0.3～1μm 粒徑顆粒物,布朗擴散(<0.2μm)及慣性碰撞(>1μm)兩種機械捕集作用均較弱[12-14],故基于庫侖力的靜電捕集機理占據了主導作用,使得對于此粒徑區間顆粒物捕集效率的提升效果愈加明顯.此外,不同于+22kV 顆粒物荷電工況,當荷電電壓增大到-22kV 時,捕集效率仍有一定提升,主要是因為負直流高壓電源的供電性能穩定,不易發生擊穿現象,這也是工業用電除塵器常選用負直流高壓電源作為供電設備的原因之一.

圖4 駐極濾袋對單極荷負電顆粒物捕集效率Fig.4 Collection efficiency of electret bag filter for negatively charged particles

圖5 給出了駐極濾袋對±(16～22)kV 雙極荷電0.3～10μm 顆粒物的捕集效率.由圖5 可以看出,隨著顆粒物荷電電壓從±16kV 升高到±22kV,駐極濾袋對其捕集效率也逐漸增大.這主要是由于以下兩類原因:1)雙極荷電顆粒物會發生凝并行為,攜帶異性電荷的小粒徑顆粒物通過庫侖引力作用結合為較大粒徑顆粒物,使得小粒徑顆粒物絕對數量濃度降低.此外,凝并后較大粒徑顆粒物也更容易被機械作用捕集,如慣性碰撞和攔截等.隨著匹配電壓的增加,雙極荷電顆粒物凝并效率增加,捕集效率提升幅度也更大;2)對于經過雙極荷電區域的顆粒物,仍然會存在一些未發生凝并的單極性(或正或負)顆粒物,以及即使發生凝并但未完全電中和而仍舊顯示電性(或正或負)的大粒徑顆粒物,當這些非電中性顆粒物經過駐極濾袋時,庫侖力仍舊對捕集效率增強起到一定的作用.

圖5 駐極濾袋對雙極荷電顆粒物捕集效率Fig.5 Collection efficiency of electret bag filter for bipolarly charged particles

圖6 給出了駐極濾袋對荷正電、荷負電以及雙極荷電0.3～10μm 顆粒物的捕集效率,內嵌圖為原始濾料對未荷電0.3～10μm 顆粒物捕集效率.由圖6 可以看出,無論顆粒物荷正電、荷負電以及雙極荷電,均能提升駐極濾袋對其捕集效率,尤其是對于較小粒徑0.3～1μm 顆粒物,提升效果更加明顯.例如:對于0.3μm 顆粒物,荷正電使其捕集效率從79.9%提升到99.9%,荷負電使其捕集效率從79.9%提升到99.3%,雙極荷電使其捕集效率從79.9%提升到98.6%,而對于較大粒徑2.5～10μm 顆粒物,駐極濾袋對3 種荷電模式顆粒物捕集效率幾乎相同.對于3 種不同荷電模式顆粒物,駐極濾袋對荷正電顆粒物捕集效率提升最為明顯,全粒徑捕集效率均已高于99.9%,接下來依次是荷負電顆粒物和雙極荷電顆粒物,這說明:1)靜電捕集機理的引入能夠提升纖維濾袋的全尺寸粒徑捕集效率,尤其是能夠有效補償由于機械捕集機理失效而造成的濾袋對0.3～1μm粒徑顆粒物較低的捕集效率;2)庫侖引力作用對于捕集效率的提升優于庫侖斥力作用,且兩者均優于異相凝并作用,這可能是由于三種荷電模式顆粒物在濾袋表面沉積形成的塵餅形貌結構不同導致的.

圖6 駐極濾袋對不同荷電類型顆粒物捕集效率Fig.6 Comparison of collection efficiency of electret bag filter for particles with different charge types

2.2 駐極濾袋對荷電顆粒物捕集效率穩定性

由圖7(a)可以看出,隨著過濾風速的提升,各粒徑捕集效率均降低,且粒徑越小,下降幅度越大,其中,0.3μm下降9.4%,0.5μm 下降5.8%,1μm下降4.4%,2.5μm 下降3.0%,5μm 下降1.5%,10μm 下降1.3%.這主要是由于隨著過濾風速增大,雷諾數增大[15],這既降低了單纖維機械捕集效率,也使得顆粒物更易再飛散或反彈.然而,對于較大粒徑顆粒物,PPS 針刺氈濾袋的捕集效率本就相當高;其次,不同于較小粒徑顆粒物依靠布朗擴散捕集機理,較大粒徑顆粒物機械捕集手段主要依靠攔截及重力沉降,故較大粒徑顆粒物捕集效率隨風速增加而下降的幅度較小.

圖7 風速對不同荷電狀態顆粒物捕集效率的影響Fig.7 Effect of flow velocity on collection efficiency of electret bag filter for particles with different charge types

圖7(b)給出了當過濾風速自1m/min 增加到3m/min 時,駐極濾袋對荷正電顆粒物捕集效率降低值.由圖7(b)可以看出,駐極濾袋對荷正電顆粒物捕集效率隨著粒徑減小,下降幅度增大,其中,0.3μm 下降0.06%,0.5μm 下降0.04%,1μm 下降0.03%,2.5μm下降0.1%,5 和10μm 未出現明顯下降.通過與圖7(a)對比可知,顆粒物荷正電能夠顯著減小由于風速增大而造成的駐極濾袋捕集效率的降低幅度,這主要是由于庫侖引力作用下的顆粒物漂移速度增大,而流場對于其的對流速度減小[16],使得顆粒物更傾向于向纖維移動而非遠離.

圖7(c)給出了當過濾風速自1m/min 增加到3m/min 時,駐極濾袋捕集荷負電顆粒物效率降低值.由圖7(c)可以看出,駐極濾袋對荷負電顆粒物捕集效率隨著粒徑減小,下降幅度增大,其中,0.3μm 下降0.2%,0.5μm 下降0.09%,1μm 下降0.04%,2.5μm 下降0.2%,5 和10μm 未出現明顯下降.通過與圖7(a、b)對比可知,顆粒物荷負電也能夠減小由于風速增大而造成的捕集效率降低幅度,但是減小效果不如顆粒物荷正電模式,表明了庫侖引力作用對于強化捕集效率的穩定性優于庫侖斥力作用.這是由于庫侖斥力主要通過降低顆粒物穿透率而提升捕集效率,而非使其更易被纖維所捕集,也可能是由于正/負荷電模式顆粒物在濾袋表面沉積形成的塵餅結構不同導致后續捕集效率穩定性表現出差異,具體內容接下來會進一步討論分析.

圖7(d)給出了當過濾風速自1m/min 增加到3m/min 時,駐極濾袋捕集雙極荷電顆粒物效率降低值.由圖7(d)可以看出,隨著過濾風速的提升,各粒徑捕集效率均降低,且粒徑越小,下降幅度越大.其中,0.3μm 下降5.2%,0.5μm 下降5.0%,1μm 下降1.4%,2.5μm 下降0.5%,5μm 下降0.3%,10μm 未出現明顯下降.通過與圖7(a-c)對比可知,顆粒物雙極荷電也能夠減小由于風速增大而造成的捕集效率降低幅度,但是減小效果不如顆粒物單極荷電模式,這可能是由于隨著過濾風速的增大,雙極荷電顆粒物凝并效率降低.此外,雙極荷電凝并形成的顆粒物粒徑更大,而大粒徑顆粒物形成的塵餅孔隙結構也不同于未荷電較小粒徑顆粒物,且氣流中含有的小部分未凝并非電中性顆粒物也會對塵餅形態結構產生一定影響,后續小結會進一步討論分析.

2.3 不同荷電類型顆粒物塵餅形貌分析

前人對于纖維濾袋表面塵餅的形成已經有了一些研究,主要包括纖維濾袋捕集中性顆粒物以及單/雙極荷電顆粒物[2,18].但是,對于駐極濾袋捕集荷電顆粒物塵餅的生長模型仍未見報道.圖8 給出了不同荷電類型顆粒物沉積于纖維表面的微觀形貌圖,基于掃描電子顯微鏡照片作出了相應的顆粒物塵餅生長理想化模型.由圖8(a)可以看出,原始濾料捕集未荷電顆粒物主要通過攔截、慣性碰撞以及布朗擴散等機械捕集機理,依靠范德華力與纖維結合在一起[17],隨著顆粒物沉積的不斷增多,形成類似樹枝結構,該結構具有主枝長、分枝多的特點.

圖8 濾料捕集不同荷電類型顆粒物塵餅形貌Fig.8 Morphology of filter cake on the surface of bag filters for particles with different charge types

由圖8(b)可以看出,荷正電顆粒物在纖維上沉積量明顯更大,且以較密集的連片狀形態沉積,庫侖引力使得形成的主枝密度更大,分枝相互連結生長成為新的枝干,形成的塵餅結構穩定性最強,受風速影響最小,故駐極濾袋對荷正電顆粒物捕集效率最高、最穩定.由圖8(c)可以看出,荷負電顆粒物以較分散的形態沉積在纖維上,沉積量更少,且多以單一顆粒形態存在.庫侖斥力使得主枝生長長度受阻,主枝尖端和分枝相互排斥效果明顯,形成塵餅的結構穩定性稍差一些,故駐極濾袋捕集荷負電顆粒物效率低于捕集荷正電顆粒物.但也是由于庫侖斥力的存在,后續同極性顆粒物不易沉積于纖維之上,使其穿透率降低,故其捕集效率仍要高于捕集未荷電顆粒物.由圖8(d)可以看出,雙極荷電顆粒物沉積形態呈現出小團塊狀為主,單一小顆粒零散分布于大顆粒四周的特點,凝并行為使得主枝和分枝生長更加粗壯,小分枝形成更加密集,未凝并的單極荷電顆粒物也沉積于纖維上或主枝旁,形成塵餅更加厚實,受風速影響較小,故其捕集效率也高于捕集未荷電顆粒物.

3 結論

3.1 相比于原始濾料捕集未荷電顆粒物,庫侖作用的引入使得駐極濾料捕集荷電顆粒物具有更高的效率,尤其是對于0.3～1μm 粒徑顆粒物,提升效果更加明顯.

3.2 隨著過濾風速的提升,各粒徑捕集效率均降低,且粒徑越小,下降幅度越大,而基于庫侖力的靜電捕集效率能夠補償由于風速增大而造成的機械捕集效率降低幅度.

3.3 無論是對于捕集效率的增強作用,還是對于機械捕集效率的補償作用,庫侖引力作用優于庫侖斥力作用,兩者均優于異相荷電凝并作用.

3.4 根據掃描電子顯微鏡照片提出了基于庫侖引力、庫侖斥力以及異相荷電凝并顆粒物沉積于駐極濾袋表面塵餅生長的理想化模型.