靜電除塵效率影響因素的研究進展

關玉華,張倫秋,米俊鋒,杜勝男

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

隨著經濟和工業化的不斷發展,環境污染問題日益嚴重。為了最大程度地利用粉塵產生的環境、設備動能及熱能解決工業生產中粉塵的分離和捕集,發展靜電除塵技術勢在必行[1]。目前,應用較為廣泛的除塵技術為:機械式除塵、袋式除塵、濕式除塵、靜電除塵。各除塵技術的對比見表1。相較于其他除塵技術,靜電除塵技術具有高除塵效率、易于管理、低能耗等特點,因此靜電除塵技術具有較好的發展前景。本文重點針對影響除塵效率的主要因素進行綜述。

表1 各種除塵技術的對比[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動從而被捕集。放電極的形式和材料也都會影響靜電除塵器的除塵效率,因此國內外學者對其進行了廣泛的研究。

1.1 放電極形式

靜電除塵主要以電暈放電為理論基礎,為形成穩定的電暈放電,放電結構一般采用光桿型、鋸齒型、芒刺型放電裝置以形成非均勻電場。各放電形式的優缺點及適用環境見表2。

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

良好的放電極應當具備操作電壓區間大、機械性能優異、擊穿電壓高、放電強度高等優點。在高溫環境下,擊穿電壓降低,芒刺型和鋸齒型放電極電暈電壓區間小,使用光桿型放電極在高電壓狀態下放電性能更穩定。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,研究結果表明溫度為300 K,施加相同電壓時鋸齒狀電極的放電電流最大,除塵效率達到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。在其基礎上,Zheng等[15]發現溫度為700 K時,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構優化,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,放電極的選擇應從電暈放電、脫除效率、設備機械強度和使用壽命等方面考慮,選擇最佳放電形式以達到較好的去除效果。

1.2 放電極材料

為保障除塵設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合放電電極的新組合來降低其規模成本,與傳統的金屬放電極相比,其放電電流更穩定且幾乎沒有火花電壓。Rostami等[18]發現尖峰帶形式的碳鋼作為放電電極時,隨著氣體流速的增加,細顆粒(直徑可達0.8 μm)的收集效率提高,且本實驗的用水量明顯低于其他處理過程。隨后,Ali等[19]又采用碳纖維復合材料與金屬網結合,形成了長而薄的磁帶形狀的混合電極樣品,混合復合放電電極在與金屬電極相當的功率下產生均勻的電暈,并具有緊湊、輕、高度耐腐蝕等優點。

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,一些學者嘗試將石墨烯、稀土鎢等導電率高的材料作為放電極研究其放電特性和除塵效率。石墨烯具有強度大、導電性能良好[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,可以產生更加節能、環保的電暈放電,放電從“石墨烯放電階段”開始過渡到“導線放電階段”,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,負極性的使用可能會導致比正極性高得多的電暈電流,因此可能更適合于實際應用。

Yang等[22]利用鎢涂層納米線的放電極,發現其可以在大氣中獲得連續和穩定的電暈放電。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和工作。由圖1可知當電壓增加到電暈閾值時,就會發生擊穿,放電電流波動劇烈,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

為使靜電除塵技術放電穩定,放電極材料應具有較低的起暈電壓,擊穿電壓高等特點,因此探索和研究放電特性優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,單位長度內單位截面粉塵層的電阻。不同環境下的溫度、濕度、及其自身結構等也會影響比電阻大小,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最大值,當粉塵比電阻高于1010Ω·cm時,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;當粉塵比電阻低于104Ω·cm時,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運動,部分粉塵顆?？赡軙粴饬鲙С龀龎m器,造成二次揚塵;在早期文獻中指出當粉塵比電阻在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。當溫度低于粉塵比電阻變化臨界值時,表面比電阻占主導作用,反之,體積比電阻占主導作用。MOHANTY等[25]通過研究不同溫度下粉塵的變化,實驗表明溫度低于150 ℃時表面比電阻起主要作用,粉塵比電阻與溫度成正比關系;溫度在150～225 ℃范圍內,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 ℃時體積比電阻占主導作用,因此,粉塵比電阻與溫度成反比關系。Li等[26]測試了溫度對比電阻的影響,研究表明許多工業污染顆粒物在溫度423～427 K內具有較高的比電阻,由此可通過調節煙氣溫度降低到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行,降溫也有利于降低粉塵流速、提高運行電壓。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律,發現隨著工作電壓或溫度的升高,收集效率主要表現出明顯的增加趨勢,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,發現在相同溫度下煙氣比電阻與濕度成反比關系,即溫度相同,濕度增加,粉塵層的比電阻減小從而增加導電效果,使得擊穿電壓增大,從而不易發生火花電壓,即電場強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現濕度對200 ℃以下的大多數粉塵有主要影響,且濕度不宜過大,因為更多的水蒸氣會在ESP中產生腐蝕問題,溫度較高時,顆粒物的比電阻幾乎不受濕度影響。此外,國內外Zhang[28]和Liu等[29]學者的研究均證實了以上觀點。

王翔等[30]進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行改性,提高粉塵相對介電常數[31],穩定運行使靜電場內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動路徑變短,且運動的時間減短,粉塵捕集效率更高;③濕度可增強團聚體內顆粒之間的粘結能力,有效避免二次揚塵。

由于粉塵比電阻和濕度變化成負相關規律,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還具有增加粉塵荷電過程、防止粉塵二次揚塵的作用。當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,研究人員進行了多次實驗。Xu等[32]研究了溫度在300～900 K范圍內溫度對電暈放電伏安特性曲線的影響,發現起暈電壓和火花電壓均隨溫度升高而降低,導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節電壓范圍變小,見圖3,原因是隨著溫度的升高起暈電壓和火花電壓均發生不同程度的減小,且火花電壓減小的速度更快,導致放電不穩定,易發生火花放電。

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

Yan[33]通過實驗進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生熱運動,易發生碰撞導致電離增加,且負離子中可分離出電子;另一方面由于逸出功減小導致陰極表面產生更多熱電子。Wang等[34]通過將實驗與數值模擬相結合分析溫度對電暈放電特性的影響,研究發現隨著溫度的升高電暈區減小,電場強度較小,溫度提高至850 ℃時,電暈區為2.5 mm,電場強度降低至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;同時靜電除塵器的穩定操作電壓范圍受限,因此,需進一步研究靜電除塵器在高溫環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在除塵效率的變化上,Zhu等[35]測試了溫度在363～763 K范圍內對除塵效率的影響。實驗發現在相同電壓下,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]通過實驗發現在相同電流下當溫度從563 K提高到1 020 K時除塵效率快速降低,得出相同結論。

Li等[37]發現在高溫下離子風對氣流二次流動影響顯著,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動,發現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]通過數值模型研究了不同溫度下顆粒物在極板間的運動。該模型考慮了溫度對電場、流體動力學和顆粒流之間的復雜相互作用。數值結果表明高溫使沿平板的邊界層變厚,增強了湍流,電暈極電場強度和平均電場強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:①在高溫下易發生火花放電,從而導致除塵效率降低;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高溫導致集塵極邊界層變厚,湍流增強,電場強度降低,粒子之間的作用力增強,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下高效穩定運行還有待進一步探索。

4 結論

(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。不同的除塵環境中需綜合考慮各因素選擇相應的放電形式及材料;粉塵比電阻和溫度變化呈鐘罩形規律,和濕度成負相關關系,粉塵比電阻在適當范圍內除塵效率較好;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間較小,除塵效率低。

(2)目前靜電除塵技術在工業上得到了廣泛的應用,但仍存在一些不足。需在以下方向進行更深一步的探索:①當前溫度對靜電除塵技術的機理分析還僅限于實驗分析,缺乏更深層次的研究,還需對放電過程中離子的運動及物質轉化等微觀事物進行探索。②解決高溫狀態下操作電壓區間較小的問題,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、細小粉塵的除塵性能,對燃煤處理等復雜氣流的研究較少,但其通過改變本體,可有效促進能源清潔的進一步發展。