提高静电除尘器粉尘驱进速度方法研究

更新时间：2010-10-27 11:51 来源：环境工程作者: 依成武曲文明马帅窦鹏王延民阅读：6006

摘要:由Deutsch 公式可知，尘粒驱进速度的大小直接决定着电除尘器除尘效率的高低。从提高驱进速度的角度入手，通过分析影响电除尘器除尘效率的主要因素与驱进速度的关系，得出提高电除尘器除尘效率的方法，为设计合理、高效、节能的静电除尘器提供指导。

关键词:驱进速度,电除尘器,除尘效率

0 引言

随着我国电力工业的发展，排放的煤烟气体对环境的污染程度越来越严重，对人类的身体健康造成极大的危害，可吸入颗粒物能够导致肺病，细微颗粒可以进入人的血液循环，引起心血管疾病。如何实现对烟尘气体高效率的去除，实现经济、社会和环境的协调发展，是我们现在面临的一项严峻考验。2003 年新实施的火电厂排放标准要求将粉尘排放浓度控制到50 mg /m3［1］，使现在的绝大多数的电除尘器难以达到新的烟尘允许排放标准。如何提高除尘器的除尘效率尤其是细微颗粒的捕集，是目前迫切需要解决的难题。影响驱进速度的因素很多［2］，据不完全统计，多达20 多种，其中主要有:粉尘比电阻、粉尘颗粒大小、操作电压、电流、离子风、有效收尘面积和其他条件等。近年来，很多专家学者对除尘器的参数进行了大量的研究，取得了显著的成果。

1 提高驱进速度的最新研究进展

1. 1 改良电晕极

郑双忠［3］等人对宽间距长芒刺电除尘器优化实验研究，通过实验确定宽间距长芒刺电除尘器的各项参数，并且运用最优化原理从理论上加以论证。长芒刺电晕极具有明显的优势，长芒刺电晕极产生的场强高于其他电晕极的场强，芒刺电晕极能产生较强的离子风，能增加粒子的驱进速度、助长粒子的凝聚。很多研究者都讨论了电风现象，但所给的电风结果相差很大。Hends［4］指出，在电晕极附近，电风可高达 75 m / s，而liang 和lin［5］却由半经验公式计算出圆形电晕极与平板接地间的平均风速为1. 162 m / s。李庆［6］等采用了在收尘极板分区布点的方式测量离子风速分布，测得风速在1 m / s左右. 在相同的电压下离子风速随收尘极距的增大而减小，且收尘极距越小，风速特性曲线越陡;正对应着放电极线，测得离子风速较大，距离放电极线越来越远，离子风速逐渐减小。K. S. P. Nikas 等［7］在实验室模拟电除尘器内部的流动和收集机制，由于放电极以及电压供应方式不同产生离子风，分析表明离子风对气流和横向输运率产生显著影响，尤其是对粉尘小微粒的影响从而直接影响到除尘器的除尘效率。离子风产生的气流使气流方向由单向流动变成向四面八方扩散，在超出收集板的边界后仍能保持高度的非均匀分布，从而有利于对小粉尘颗粒的收集，模拟结果表明，如果忽视离子风的作用，除尘效率将由99. 95% 下降到99. 65%。但是到目前为止关于离子风只有理论分析而无法测出离子风的大小，关于离电晕区较远的电场中的电风大小缺乏确切的描述，对电风测定方法的研究成为制约性因素。

1. 2 改进电场结构

在单区静电除尘器中［8］，粒子的荷电和捕集都在一个区内完成，而双区静电除尘器的粒子荷电部分和收尘部分是分开的。前区安装电晕极，粉尘在此区内荷电，后区安装收尘极，粉尘在此区内被捕集。双区电除尘技术是在末电场中，将单一的高压电尘荷电区和收尘区，并用不同的高压电源供电。根据需要，有所区别地向这两个区供应适宜的运行电压强化其荷电和收尘功能［9］。荷电区主要是对粉尘进行荷电同时又在阳极板上收集带负电荷的粉尘。收尘区则使颗粒从烟气中分离，将绝大部分的颗粒吸附到收尘板上;同一些带正电荷的颗粒吸附至其阴极( 又称辅助电极)。双区电场由于荷电与收尘区分开后，在荷电区可以比较灵活地调整电压，通过减小极间距，可以在较低的电压下能使尘粒充分地荷电，运行也更安全。在收尘区，可大大地提高收尘电场的均匀性，有利于提高除尘效率。章荣发［10］对双区电场对粉尘驱进速度的提高系数研究表明，为防止电除尘器发生反电晕问题并提高除尘效率，在末电场采用双区电场结构，将粉尘荷电、收尘的过程及其电源供电设备分开，使两个区域的电气运行参数分别达到最佳化。通过实验研究表明，与传统卧式电除尘器相比，双区电场可使粉尘平均驱进速度提高20% 左右;除尘效率则随之上升，并将粉尘排放浓度降低到50 mg /m3 以下。

1. 3 改良供电电源和供电方式

静电除尘器的供电电源也是提高粉尘驱进速度的重要方面，提高供电水平可以在节能的同时，有效收集高比电阻粉尘，提高除尘效率。传统静电除尘器的供电方式为直流脉动，现在常采用与常规电源不同的高频变换式电源、间歇供电和脉冲供电的技术来改变粉尘的荷电特性。电除尘器采用脉冲供电控制方式的目的是为了克服和抑制反电晕现象的发生。它的供电实质是在一定的直流基础电压的基础上叠加一个具有一定重复频率、宽度很窄而电压峰值又很高的脉冲电压［11］。脉冲供电电压是在很短的时间内在电极上施加快速上升的脉冲，提高了电场击穿电压，所以施加在电场上的峰值电压比常规电压一般高 1. 5 倍～ 4 倍;脉冲供电时，阴极具有非常均匀的电晕分布和很强的电晕放电能力，从而提高了粉尘的荷电概率;可在脉冲峰值电压基本不变的条件下，通过改变脉冲重复概率，在大范围内选择电晕平均电流，因此，对粉尘性质的变化有良好的适应性，有利于克服电晕现象，可以明显降低运行电流，节能效果显著;当粉尘阻率高于1012 Ω·cm 时，除尘与节电效果更加明显。脉冲供电的这些特点使其在当今世界范围内的锅炉电除尘器应用领域获得越来越多的重视。

Masuda［12］，王海宁等人［13］分别用高电压窄脉冲供电方法，对烟尘进行脉冲直流电场的同极性离子进行荷电凝聚，增大了烟尘荷电量及粒径，提高了烟尘的荷电凝聚性能，改善了静电除尘器的反电晕问题，使捕集高比电阻烟尘的效率有所提高。2003 年Mantegna 等人［14］、2004 年Ahmadi 等人［15］分别进行了荷电粉尘的流体动力学研究。实验结果表明，交变电场对异极性离子具有较强的荷电凝聚作用，无火花放电的峰值电压，可提高粉尘粒子的荷电量，从而使粉尘粒子获得更大的运动速度，达到提高收尘效率的目的。交变电场的应用改善了粉尘，特别是对微小粉尘的收集性能。2007 年浙江大学的Rui Xie［16］等运用谐振技术，变压技术和磁技术研究出一种短时间内提高输出电压，降低能源损耗的高压脉冲电源。通过实验计算得到该脉冲电源在4 kV，功率在10 kHz时，电源能够有效的运行。脉冲电源能够提供一个压缩的电流和电压波形，电压峰值比常规电压要高许多，能够满足电除尘器电源高压的需求，所以用高压脉冲电源供电要比常规高压要好很多。高压脉冲供电能使脉冲供电能使极板间电场强度增大，使极板间电流密度分布均匀性趋好，改善电除尘器的运行状况，有效抑制反电晕，提高粉尘的荷电量，增加尘粒的驱进速度，提高电除尘器的除尘效率。

1. 4 纵横复合式横向极板除尘器

传统电除尘器的收尘极板与气体的进入方向平行，气体的驱进速度仅由气体的惯性力决定，为了达到除尘效率，需要增加电场的长度，浪费了大量的钢材。而横向极板电除尘器是一种新型的除尘器，收尘极板与气体运动方向垂直，使电场力和惯性力方向一致，气体的驱进速度由电场力和惯性力共同决定，增大了驱进速度，提高了除尘效率，改善电除尘器性能，减少了资源的浪费。同时极板的横向布置还可以起到匀化气体分布的作用。由于这项技术在流场方向，提高离子的输出浓度等方面技术尚不成熟，因而需要进一步研究。

横向极板电除尘器在国内已经有了一定的研究: 西安热工研究院已经对横向极板电除尘器进行了一定的研究，并积累了一定的经验，并就其发明的横向折角槽板式电除尘器申请了国家专利［17］。专利的结构特点是改常规电除尘器中收尘极板与气体流入方向平行的布置形式，代之以将具有一定角度的若干块槽型收尘极板错列横置于工作室内，使除尘器内电场方向与含尘气体的流入方向基本一致。在收尘极板面积不增加和气体流速不降低的情况下，可有效地提高整个设备的除尘效率。南方冶金学院的邹永平、张谷贻等［18 － 19］对影响收尘效率的几个因素进行了多因素正交实验，据此得出了最佳极线是RS 管状芒刺线，极板为槽形凹向风流的极板，还有配置的参数，并且还对异极间距、线异比、隙宽比、平均场强、电场平均风速、电场单元数等六个因素进行了单因素实验，对电除尘器的收尘机理以及影响收尘效率的因素进行了研究，对Deutsch 效率公式进行了修正。它们还通过对粒子驱进速度的研究，得出了横向极板电收尘器中粒子驱进速度与收尘极板上平均电晕功率密度、极板间距、平均电场风速、收尘极板面积间的关系。邬长福、周永安［20 － 21］对横向极板电除尘器的特性进行了研究，认为在同一条件下，相比常规电除尘器，横向极板电除尘器具有气流均布性好，运行风速大，体积小，收尘效率高等特性;还对收尘极板作了研究，得出收尘极板形状对收尘效率的影响，认为C 型板是最佳的极板形式。

从高气压非平衡等离子体物理及气体放电物理学的角度分析，目前静电除尘器的除尘效率仍然不高或不稳定的根本原因在于除尘器荷电区内的粒子部分仍被束缚。在电场中发生复合反应及出现过早沉积现象，导致输出的离子浓度较低，输运率不高( 离子密度仅为100 / cm3 左右) ，从而使粉尘的凝并沉降过程受到影响，这也是造成目前静电收尘器体积大、质量重、投资高及后级电场中细微粉尘捕集率低等问题的根本原因。针对目前离子输运率不高的问题，研究了除尘器内多种参数对离子输运的影响，提出进一步提高带电粒子密度，促进离子输出的有效可行的方法，降低因振打引起的二次扬尘。

依成武、吴春笃等［22］研究的高风速横向极板电除尘技术，如图1 所示把收尘极板从顺气流方向排列改成迎气流方向，此时在边界层内尘粒向集尘极板上运动速度是风速与驱进速度的代数和，极大提高了尘粒向集尘极运动的速度，从而提高了收尘效果。采用双C 型集尘极板，并按迎风方式排列可能在短时间内以较大的气流速度把尘粒驱赶到集尘极表面加以捕集，成倍减少了ESP 截面积和长度，体积较常规 ESP 成倍减少，实现了ESP 小型化。潘玉良［23］，吴立群运用了机械动力学、流体力学、静电场力学原理在 Ω － 2C 型收尘板的基础上提出了一种新的迎风型静电收尘板结构－ ω 型静电收尘板。使气流的速度在一定范围内促进了有效驱进速度的提高。

2 新式结构提出

如图2 所示，本文作者也采用与气流方向垂直布置的收尘极板。但与现有的横向极板不同的是，将放电极设置在迎气流的集尘极间隙出口端［24］。由于间隙出口端风压很大，使流过放电电场的气流流速高达 5 ～ 20 m / s，大大增加了带电粒子动能，能使离子有效摆脱电场的束缚，进而提高了离子输运率，离子密度从目前106 ～ 107 / cm3 提高到108 ～ 109 / cm3 ，可使目前的烟尘驱进速度从3 ～ 20 cm / s 提高到20 ～ 200 cm / s. 同时，解放受电场的击穿电压的限制，电场中的库伦力几乎处于临界值，尘粒驱进速度只能在很小范围内得到改善的问题。采用横向极板，使烟气流速成为增加烟尘有效驱进速度的有利因素。这种方法通过提高带电粒子动量方法解决电收尘器离子输运率低的问题，从而提高较高的离子密度，进而增加烟尘粒子的荷电量，提高带电粒子的驱进速度，解决常规电除尘器存在的捕集微细烟尘效率低，一次投资高，体积庞大以及刚材用量过多的等问题。