靜電除塵器電極技術(shù)研究進(jìn)展

王克亮　段　煉　徐燕小　劉曉冰

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所，佛山　528216；

2.廈門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系，廈門(mén)　361005；3.廈門(mén)工學(xué)院，廈門(mén)　361021)

靜電除塵器電極技術(shù)研究進(jìn)展

王克亮1段煉2徐燕小3劉曉冰1

(1.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所，佛山528216；

2.廈門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系，廈門(mén)361005；3.廈門(mén)工學(xué)院，廈門(mén)361021)

【摘要】靜電除塵器具有處理煙氣量大、除塵效率高、適用范圍廣、設(shè)備阻力低、使用簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)粉塵治理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電極作為靜電除塵器的核心部件之一對(duì)除塵效率有重要影響：電極的幾何形狀、極距等因素影響電場(chǎng)及流場(chǎng)特性，電場(chǎng)特性(電暈場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷密度等)則決定了粉塵顆粒的荷電和捕集能力，而粉塵顆粒的荷電和捕集能力正是衡量電除塵器效率高低的關(guān)鍵性因素。本文對(duì)近年來(lái)為提高靜電除塵器的除塵效率而在極板上所做的研究工作，以及電極技術(shù)的研究進(jìn)展等方面進(jìn)行了概述。

【關(guān)鍵詞】靜電除塵器；除塵效率；集塵極；電暈極

項(xiàng)目資助：廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020216052)，2015年佛山市創(chuàng)新型城市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目

引用文獻(xiàn)格式：王克亮等.靜電除塵器電極技術(shù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(6)：149-154.

引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，火電、冶金、建材和化工等行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中均排放含有大量粉塵的煙氣，不但加劇了對(duì)大氣環(huán)境的污染，也嚴(yán)重危害著人類(lèi)的自身健康?？刂乒I(yè)粉塵污染所采用的主要途徑是安裝除塵器，按其捕集機(jī)理可分為機(jī)械除塵器、電除塵器、過(guò)濾除塵器和洗滌除塵器等。其中，電除塵器[1](Electrostatic Precipitator，簡(jiǎn)稱(chēng)ESP)具有處理煙氣量大、除塵效率高、適應(yīng)范圍廣、設(shè)備阻力低、使用簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低且無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)煙塵治理領(lǐng)域，尤其是電力行業(yè)的首選產(chǎn)品。

目前ESP仍然是用量最多，市場(chǎng)占有額最大的除塵設(shè)備之一[2，3]。然而，隨著我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格和大氣污染問(wèn)題的日益突出，對(duì)ESP的生存和發(fā)展提出了更高要求和新的挑戰(zhàn)。ESP現(xiàn)在面臨的技術(shù)難題主要有兩個(gè)：一是對(duì)微細(xì)(納米級(jí)和微米級(jí))顆粒物的收集，二是對(duì)高比電阻粉塵的收集。對(duì)于微細(xì)顆粒物，由于其粒徑甚小，荷電量低，而難以在電場(chǎng)力的作用下到達(dá)收塵極板。ESP對(duì)粉塵質(zhì)量濃度的處理效率可達(dá)99%以上，但對(duì)顆粒物數(shù)量濃度的處理效率一般低于50%，未捕集到的粒子基本上都是對(duì)人類(lèi)健康危害較大的微細(xì)粉塵。對(duì)于高比電阻粉塵，不斷沉積于收塵極板上的高比電阻粉塵層所帶的電荷不易通過(guò)接地極板釋放，從而導(dǎo)致電荷積累[4]。當(dāng)電荷積累所形成的附加電場(chǎng)達(dá)到粉塵層孔隙內(nèi)氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，就出現(xiàn)反電暈，并向放電極釋放大量異極性離子流，導(dǎo)致粉塵荷電量減少，二次揚(yáng)塵加劇，火花電壓降低，除塵效率下降，除塵器無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

傳統(tǒng)ESP的核心是極板結(jié)構(gòu)及其配置，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用增大收塵面積，通過(guò)煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)改善粉塵的比電阻，增大電暈功率，增加電場(chǎng)長(zhǎng)度或增多電場(chǎng)數(shù)量等方式去彌補(bǔ)收塵效率不高的缺陷，但這樣往往會(huì)帶來(lái)很多負(fù)面作用而得不償失，并不能從根本上解決問(wèn)題。電極作為ESP的核心部件之一對(duì)除塵效率有重要影響：電極的幾何形狀、極距等因素影響電場(chǎng)及流場(chǎng)特性，電場(chǎng)特性(電暈場(chǎng)強(qiáng)、空間電荷密度等)則決定了粉塵顆粒的荷電和捕集能力，而粉塵顆粒的荷電和捕集能力正是衡量ESP除塵效率高低的關(guān)鍵性因素。因此，進(jìn)一步深入研究電極技術(shù)對(duì)克服微細(xì)顆粒物的收集和粉塵層反電暈這兩個(gè)技術(shù)難題具有重要意義。本文對(duì)近年來(lái)在ESP極板方面所做的研究工作進(jìn)行了綜述，并對(duì)電極技術(shù)的研究進(jìn)展做了相應(yīng)概述。

1電除塵器電極結(jié)構(gòu)改進(jìn)

ESP的電極包括電暈極系統(tǒng)和收塵極系統(tǒng)。常規(guī)電暈電極又稱(chēng)陰極線或電暈線，由不同截面形狀的金屬導(dǎo)線制成，接至高壓直流電源的負(fù)極。收塵極又稱(chēng)陽(yáng)極板或沉降極板，由不同形狀的金屬板制成并接地。ESP的核心是電極的線板結(jié)構(gòu)及其配置，合理的極配可使粉塵最大限度地荷電、沉降，最小限度地產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，最大限度地利用極板面積，降低鋼耗。

1.1　電暈極結(jié)構(gòu)改進(jìn)

電暈極系統(tǒng)是產(chǎn)生電暈、建立電場(chǎng)的最主要構(gòu)件，它包括電暈線、電暈線框架、框架吊桿及支撐套管、電暈極振打裝置等部分。電暈極系統(tǒng)決定了放電的強(qiáng)弱，影響煙氣中粉塵荷電的性能，直接關(guān)系著除塵效率。它的強(qiáng)度和可靠性也直接關(guān)系著整個(gè)ESP的安全運(yùn)行。所以電暈極系統(tǒng)是ESP設(shè)計(jì)、制造和安裝的關(guān)鍵部件，必須具有良好的線型，合理的結(jié)構(gòu)和適宜的振打，安裝時(shí)要保證嚴(yán)格的極間距，確保電暈極系統(tǒng)與除塵器其它部件的良好絕緣和足夠的放電距離。研究表明，放電極的幾何形狀和尺寸對(duì)電場(chǎng)特性的影響僅次于電壓[6]。

電暈電極分為非芒刺電極(無(wú)固定電暈輝點(diǎn)電極)和芒刺電極(有固定電暈輝點(diǎn)電極)。非芒刺形電極主要包括圓形、麻花形、星形，沿線全長(zhǎng)放電[7]。圓形線一般采用鎳鉻合金制成螺旋彈簧形，上部懸掛在框架上，下部用重錘保持其垂直位置，在導(dǎo)線保持一定張力的情況下，電暈線處于張緊狀態(tài)。圓形電暈極直徑越小，起暈電壓越低、放電強(qiáng)度越高，機(jī)械強(qiáng)度也低，振打容易損壞；星形線是用普通碳素鋼冷軋而成，利用極線全長(zhǎng)的四個(gè)尖角部位放電，放電效果好于光線式。具有材料便宜，易于制造，斷面積較大，比較耐用，有尖銳邊和電流較大等特點(diǎn)。但它在使用時(shí)容易因吸附粉塵而肥大，從而失去放電性能，使除塵器除塵效率急劇下降，因此只適用于含塵濃度低的情況；為了克服星形線容易積灰的缺點(diǎn)，美國(guó)洛奇-利特雷爾公司設(shè)計(jì)了一種麻花形線，由于將星形線扭成螺紋形，所以在其溝槽內(nèi)不易積灰，即使積灰，在振打時(shí)也容易被抖落，而且麻花形線力學(xué)強(qiáng)度較高，不易斷。

芒刺狀電暈電極是在電暈線的主干上焊上(或沖出)若干個(gè)的芒刺，當(dāng)電暈工作時(shí)(通上高壓直流電)，在芒刺點(diǎn)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電，其起暈電壓比其他形式極線低，放電強(qiáng)度高。強(qiáng)烈的粒子流能破壞負(fù)空間電荷效應(yīng)，避免出現(xiàn)電暈閉塞；同時(shí)強(qiáng)烈的離子流還能產(chǎn)生速度較大的電風(fēng)，電風(fēng)能促進(jìn)帶電粉塵向收塵極移動(dòng)，大大地增加了粉塵的驅(qū)進(jìn)速度，提高除塵效率，適用于含塵濃度高的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)證明，只要芒刺電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生刺尖結(jié)瘤，也不會(huì)出現(xiàn)電腐蝕，可以長(zhǎng)期使用而不必更換。目前常見(jiàn)的芒刺電暈線主要包括芒刺形和鋸齒形等(圖1)。芒刺形又衍生出多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，如柱狀芒刺、三角形芒刺、角鋼芒刺、波形芒刺、管狀芒刺、扁鋼芒刺、角鋼芒刺、鋸齒形芒刺、條狀芒刺和魚(yú)骨線等[8]。

圖1　較常見(jiàn)的幾種芒刺狀電暈線

1.2　收塵極結(jié)構(gòu)改進(jìn)

收塵極系統(tǒng)是由若干排極板與電暈線相間排列共同組成的電場(chǎng)，是使粉塵沉積的重要部件，它直接影響ESP的效率。收塵極系統(tǒng)由陽(yáng)極板排、極板的懸吊和極板振打裝置三部分組成。它的功能是捕獲荷電粉塵，并在振打力作用下使收塵極板表面附著的粉塵成片狀脫離板面，落入灰斗中，達(dá)到除塵的目的。集塵電極要求易于塵粒沉積，避免塵粒二次揚(yáng)塵，振打性能好，便于清灰，足夠剛度強(qiáng)度，不易變形腐蝕，金屬消耗量小，氣流通過(guò)極板時(shí)阻力小，氣流容易通過(guò)等。

目前，收塵極板形狀[8]主要有網(wǎng)狀、棒幃狀、魚(yú)鱗板狀、波紋形、C形、Z形、CW形、ZT形和工字形等。網(wǎng)狀形式的極板，防二次飛揚(yáng)的性能差，僅適于電場(chǎng)風(fēng)速小、溫度高的工況；棒幃狀是采用一排由若干根Φ8～Φ9mm的圓鋼組成的收塵極，它和網(wǎng)狀收塵極一樣，在高溫下使用時(shí)變形小，但粉塵的二次飛揚(yáng)大，所以電場(chǎng)風(fēng)速應(yīng)小于0.6m/s，目前已很少使用；魚(yú)鱗板狀極板是由三層鋼板組成，它雖有較好的防止二次飛揚(yáng)的性能，但因其鋼材消耗量大，極板的振動(dòng)性能差，所以新設(shè)計(jì)的ESP也不宜采用；波紋形極板是五十年代末期開(kāi)始使用的，它比魚(yú)鱗板狀的極板有所改進(jìn)，它的重量較輕，剛度較大，但因其防粉塵二次飛揚(yáng)和振動(dòng)性較差，目前也己被淘汰；C形極板是六十年代初期出現(xiàn)的一種極板，由于極板的阻流寬度大，不能充分利用電場(chǎng)空間，所以很快地被其它形式所代替；Z形極板從1965年起是我國(guó)普遍采用的一種極板，它有較好的電性能(板電流密度分布較均勻)、防止粉塵二次飛揚(yáng)的性能以及振動(dòng)加速度分布均勻的性能等，重量也較輕，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)由于兩端的防風(fēng)溝朝向相反，極板在懸吊后容易出現(xiàn)扭曲；大C形極板一方面保持了Z形極板的良好的工藝性能，克服了Z形極板發(fā)生扭曲的缺點(diǎn)，另一方面將其厚度由原來(lái)的2mm改為1.5mm，大大地節(jié)約了鋼材的消耗量；CW極是聯(lián)邦德國(guó)魯奇設(shè)計(jì)的一種極板，它具有良好的振打性能和電性能，但制造困難，己被ZT形極板所代替，另外還有BB型和V型極板等。

2電極技術(shù)的研究進(jìn)展

為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)ESP除塵效率和捕集更細(xì)微的顆粒物，同時(shí)為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，科研人員對(duì)ESP電極結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了一些新型的高效ESP，并且將研制出的一些新材料應(yīng)用到ESP領(lǐng)域，持續(xù)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)革新。

2.1　新型靜電除塵器

2.1.1寬間距芒刺型電除塵器

20世紀(jì)60年代后，隨著高壓供電技術(shù)的進(jìn)步，德國(guó)、美國(guó)等提出寬間距(通道寬度>300mm)ESP并很快得到了工程應(yīng)用[9]。極距加寬，外加電壓提高，有利于粒子的荷電，離子風(fēng)增強(qiáng)，加快了帶電粉塵的驅(qū)進(jìn)速度，進(jìn)而提高了對(duì)微細(xì)粒子的除塵效率。而且，寬間距ESP也增強(qiáng)了對(duì)收集高比電阻粉塵的適應(yīng)性[10]。寬極距ESP因具有除塵效率高、處理煙氣量大、阻力低、日常運(yùn)行費(fèi)用低、對(duì)收集高比電阻飛灰有明顯的效果等優(yōu)點(diǎn)得到了普遍承認(rèn)。傳統(tǒng)的靜ESP板間距一般為250mm。當(dāng)板間距大于350mm便稱(chēng)為寬極距靜ESP。早在1977年，美國(guó)的cooperman[11]就利用梯度關(guān)系式研究了寬極距對(duì)粉塵氣流的影響，對(duì)寬極距有利于提高除塵效率作了充分的理論解釋?zhuān)簩挊O距設(shè)備由于濃度梯度小，因此湍流反混影響輕，因此對(duì)于濃度梯度大的普通靜ESP而言，除塵效率比較高，同時(shí)寬極距陽(yáng)極板的電流密度往往較低且均勻，這是它適應(yīng)高比電阻粉塵，抑制反電暈的重要原因。

實(shí)驗(yàn)研究表明，寬間距技術(shù)既可以降低鋼耗，又能提高除塵效率，使相對(duì)誤差降低，安裝精度提高，電暈線積灰減緩，提高粉塵被吹向電暈極的可能性，抑制反電暈與二次飛揚(yáng)的產(chǎn)生。同時(shí)，它對(duì)捕集高比電阻以及低比電阻的飛灰具有明顯的優(yōu)越性[12]，這是因?yàn)楫?dāng)荷電粉塵驅(qū)向集塵極時(shí)，會(huì)在空間形成負(fù)電荷離子區(qū)，由于寬極距空間大，所以負(fù)離子濃度相對(duì)降低，對(duì)驅(qū)進(jìn)速度影響不大，此時(shí)極距寬在大多數(shù)情況下取400～600mm[13]。

2.1.2旋風(fēng)式電除塵器

旋風(fēng)式ESP是在旋風(fēng)除塵器內(nèi)加入電極以引入高壓靜電場(chǎng)，是離心除塵機(jī)理和靜電除塵機(jī)理相結(jié)合的除塵設(shè)備，離心力的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在大入口風(fēng)速和大粒徑灰粒上，電場(chǎng)力的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在低風(fēng)速下的小粒徑灰粒上。旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等特點(diǎn)，但除塵效率不高；ESP除塵效率高，但耗鋼材多、造價(jià)高。因此旋風(fēng)除塵機(jī)理和靜電除塵機(jī)理在靜電旋風(fēng)除塵器內(nèi)表現(xiàn)為互補(bǔ)的除塵機(jī)理，其除塵效率是旋風(fēng)除塵和靜電除塵綜合的表現(xiàn)[14]。這種方式的除塵器對(duì)低風(fēng)速下亞微米級(jí)灰粒的分級(jí)效率的提高最為顯著，可廣泛應(yīng)用于建材、冶金、輕工、電力和化工等各個(gè)領(lǐng)域的含塵廢氣處理、氣固分離和粉狀物料回收等。旋風(fēng)式ESP目前在實(shí)驗(yàn)室條件下除塵性能優(yōu)越，具有廣闊應(yīng)用前景。

2.1.3熱端(高溫)電除塵器

熱端(高溫)ESP[15]是指將ESP安裝在空氣預(yù)熱器的前面的一種裝配方式，運(yùn)行溫度在300～400℃，粉塵電阻率低于臨界值1010Ω·cm以下，已長(zhǎng)期用于水泥窯粉塵和其他粉塵的捕集。這種除塵器在上個(gè)世紀(jì)70年代得到了迅速普及。其優(yōu)點(diǎn)是可以避免使用低硫煤時(shí)，在大約150℃的煙氣溫度下經(jīng)常遇到的高電阻率飛灰，這個(gè)溫度是空氣預(yù)熱器滯后煙氣的典型溫度。在安裝有選擇性催化還原氮氧化物控制單元的系統(tǒng)內(nèi)，催化劑可以在低飛灰濃度下運(yùn)行，避免了高濃度飛灰對(duì)催化劑的不良影響。但它也存在嚴(yán)重缺點(diǎn)，如在高溫下氣體流量增加50%；由于高溫使氣體密度降低，ESP運(yùn)行電壓顯著降低，氣體黏度雖氣體溫度上升而增加，因而降低了粉塵的驅(qū)進(jìn)速度；還會(huì)出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)和機(jī)械方面的問(wèn)題，如除塵器殼體和支撐構(gòu)件熱膨脹程度不同會(huì)導(dǎo)致殼體的破壞和支撐構(gòu)件的變形。但是，最主要的問(wèn)題還是由于集塵極表面上殘留的粉塵層中鈉的含量過(guò)低而導(dǎo)致ESP性能的惡化。研究表明，在燃用低硫煤前向煤中加入相當(dāng)于飛灰質(zhì)量1%～2%的Na2O就可以適當(dāng)恢復(fù)ESP的性能，從而防止性能的惡化。考慮到對(duì)改善選擇性催化還原催化劑操作的附加作用，熱端ESP仍然是一種有吸引力的選擇。

2.1.4移動(dòng)電極式ESP(MEEP-ESP)

日立公司早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)發(fā)出了這種靜ESP，移動(dòng)電極式ESP[16]和常規(guī)ESP的工作原理基本相同，只是清灰方式不同，常規(guī)的ESP采用振打、聲波等方式來(lái)達(dá)到清灰目的，而無(wú)論采用何種振打清灰方式，都必然引起二次揚(yáng)塵，且難以有效克服反電暈和極板粘灰所造成的除塵效率損失[17]。此種技術(shù)采用可移動(dòng)的收塵極板、固定的放電極、旋轉(zhuǎn)的清灰刷共同組成的移動(dòng)電極電場(chǎng)由電場(chǎng)區(qū)域和非電場(chǎng)區(qū)域構(gòu)成。由于清灰是在無(wú)煙氣流通的灰斗內(nèi)進(jìn)行，因而消除了粉塵的二次飛等問(wèn)題。

旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)既彌補(bǔ)了常規(guī)靜ESP對(duì)高比電阻、超細(xì)粉塵、高粘度粉塵難收難清、振打容易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵等不足，又彌補(bǔ)了袋式除塵器的設(shè)備阻力大、運(yùn)行費(fèi)用高、日常維護(hù)工作量大、難以處理高溫、高濕煙氣以及布袋的后處理等方面的缺陷。具備節(jié)省空間、節(jié)能，耐高溫(可經(jīng)受短時(shí)350℃)、耐高濕、抗腐蝕性強(qiáng)，適用收集的粉塵范圍廣泛，粉塵二次飛揚(yáng)幾乎為零，設(shè)備布置不受場(chǎng)地限制等特點(diǎn)，特別適合于老機(jī)組ESP改造，在很多場(chǎng)合，只需將末電場(chǎng)改成旋轉(zhuǎn)電極電場(chǎng)，不需另占場(chǎng)地。與布袋除塵器相比，阻力損失小，維護(hù)費(fèi)用低，對(duì)煙氣溫度和煙氣性質(zhì)不敏感，并且有著較好的性價(jià)比。在保證相同除塵性能的前提下，與常規(guī)ESP相比，一次投資略高、運(yùn)行費(fèi)用較低、維護(hù)成本幾乎相當(dāng)，但可實(shí)現(xiàn)ESP的小型化。改型ESP的主要缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝工藝要求較高，有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，增加了故障機(jī)率。

2.1.5縱橫復(fù)合收塵極板電除塵器

縱橫復(fù)合收塵極板ESP把縱向和橫向ESP的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，利用粉塵顆粒慣性力和靜電力的綜合作用來(lái)提高除塵效率。除塵過(guò)程中，在橫向極板的迎風(fēng)面，荷電粉塵在電場(chǎng)力和氣流推動(dòng)力的綜合作用下向收塵極板移動(dòng)而被捕集。當(dāng)含塵氣流通過(guò)橫向極板的隙縫時(shí)，由于氣流的過(guò)風(fēng)斷面減小，在收塵極板背風(fēng)面形成渦流區(qū)，進(jìn)入渦流區(qū)的粉塵顆粒，隨渦旋氣流運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)慣性力指向收塵極板背風(fēng)面的情況，實(shí)現(xiàn)了慣性力與電場(chǎng)力疊加，粉塵顆粒的驅(qū)進(jìn)速度增大，利于被收塵極板背風(fēng)面收集。同時(shí)，渦流區(qū)的產(chǎn)生，使縱向極板捕集粉塵更加有利。

將縱橫復(fù)合收塵極板ESP安裝在某小型水泥廠，用于球磨機(jī)粉塵治理，經(jīng)過(guò)8個(gè)多月的實(shí)際運(yùn)行，測(cè)得其收塵效率大于99.6%[18]。縱橫復(fù)合收塵極板ESP的體積小，制造成本低，并且除塵效率高，適合向中小企業(yè)推廣應(yīng)用。

2.1.6泛比電阻電除塵器

三電極ESP是在兩個(gè)相鄰的放電極之間增加了一塊或一組與之等電位的輔助電極。其中，1977年日本大同特殊鋼株式會(huì)社提出的原式(Harrar)ESP是較有影響的一種三電極ESP。三電極ESP有以下作用：能產(chǎn)生一個(gè)較均勻且較高的收塵電場(chǎng)，有助于提高除塵效率；抑制放電極的電暈電流，減緩粉塵層的電荷積累，對(duì)高比電阻粉塵的反電暈有一定的抑制作用[19]。注意到上述特點(diǎn)，黃三明提出結(jié)構(gòu)更為合理的三電極ESP結(jié)構(gòu)形式，即泛比電阻除塵器[20，21]。其創(chuàng)新點(diǎn)是陽(yáng)極采用輕型極板且在垂直于氣流方向上交錯(cuò)布置，板面平行于氣流，形成可以調(diào)節(jié)的單雙區(qū)復(fù)合式ESP[22]。收塵極板相互錯(cuò)開(kāi)布置減小了收塵區(qū)電暈極與收塵極的間距，在相同電壓下，提高了收塵區(qū)的平均場(chǎng)強(qiáng)，從而提高了粉塵的有效驅(qū)進(jìn)速度和收塵區(qū)的收塵效率。同時(shí)，交錯(cuò)布置的收塵極板有效地抑制了二次揚(yáng)塵，提高了對(duì)低比電阻粉塵的適應(yīng)性。高壓輔助電極的存在提高了收塵區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)，而且其自身也捕集帶正電的粉塵，不僅增大了收塵面積，又減少了電暈極對(duì)帶正電粉塵的吸附量，有效防止了電暈閉塞，使ESP更適應(yīng)對(duì)高含塵濃度煙氣的處理，而且有利于提高除塵效率。同時(shí)，輔助電極對(duì)電暈極的放電有抑制作用，使反電暈的產(chǎn)生得到了有效控制，提高了對(duì)高比電阻粉塵的適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，泛比電阻ESP收集高比電阻粉塵的收塵效率比傳統(tǒng)ESP高10%以上[23]。

2.1.7雙極電除塵器

雙極荷電，又稱(chēng)異極荷電或偶極荷電，是上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的靜電凝并除塵方法。目的是提高對(duì)亞微米，乃至納米微粒的收集效果。沒(méi)有考慮對(duì)高比電阻粉塵的適應(yīng)性。一般地，實(shí)現(xiàn)微粒雙極荷電需使用正、負(fù)兩臺(tái)直流高壓電源[24]或用一臺(tái)交流高壓電源[25]電凝并收塵過(guò)程常分為三步：荷電、凝并和收塵。 在國(guó)內(nèi)，具有代表性的雙極ESP是1987年武漢大學(xué)陳學(xué)構(gòu)等提出的透鏡式ESP[26]。透鏡式ESP中的粉塵受到庫(kù)侖力、感應(yīng)力和電風(fēng)三種收塵力的作用，粉塵有效驅(qū)進(jìn)速度比傳統(tǒng)線板式ESP高很多，除塵效率相對(duì)也高，荷電粉塵一旦進(jìn)入收塵室內(nèi)，如同進(jìn)入陷阱，便很難從透鏡口逸出。同時(shí)，由于透鏡極的自我反饋調(diào)節(jié)作用，聚焦效應(yīng)穩(wěn)定，使得透鏡式ESP具有良好的運(yùn)行電氣特性。雖然透鏡式ESP的結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，但其收集高比電阻微塵的優(yōu)越性能引起了除塵技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，特別是陳仕修等關(guān)于透鏡式ESP凈化機(jī)理的研究促進(jìn)了電收塵理論的發(fā)展[27]，使人們看到雙極ESP收集高比電阻微塵的應(yīng)用前景，但由于其投資大，加工困難，對(duì)供電要求相對(duì)較高等原因，目前尚未投入規(guī)?；a(chǎn)。同時(shí)，在基礎(chǔ)理論方面，如何處理庫(kù)侖力和環(huán)流作用力、除塵器選型等方面還有待于更深入的研究和開(kāi)發(fā)。

1998年，林等提出了雙極交替荷電靜ESP[28]。這種ESP是將之前提出的多段沖擊ESP的單極荷電方式改為雙極荷電方式[29]，每段設(shè)有正、負(fù)電暈極，分別形成正電場(chǎng)區(qū)和負(fù)電場(chǎng)區(qū)。其特點(diǎn)是電場(chǎng)力和慣性力共同作用加速了粉塵在橫向極板迎風(fēng)面的沉降；在橫向極板的背后低速區(qū)，有利于塵粒在橫向極板的背風(fēng)面沉降。對(duì)于在氣流和離心力作用下進(jìn)入負(fù)電場(chǎng)區(qū)的粉塵，將荷上負(fù)電荷而沉降到槽形板表面。這種雙極荷電ESP比原來(lái)的單極荷電ESP的除塵效率有較大提高。

2.1.8水簾極板電除塵器

水簾極板ESP[30]是利用流水形成的水簾作為ESP的收塵極板。在除塵過(guò)程中，荷電顆粒在靜電力作用下向水簾極板沉積后被水流帶走而得到凈化。李濟(jì)吾等[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了水簾極板ESP的供電電壓、電極間距、煙氣速度、水簾流量、粉塵濃度等對(duì)除塵效率的影響。用水簾替代金屬極板，無(wú)需振打清灰裝置，從本質(zhì)上避免了傳統(tǒng)ESP粉塵返混率高、腐蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，為提高ESP除塵效率提供了一個(gè)新的途徑。

2.2　新材料在靜電除塵器電極上的應(yīng)用

從ESP一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程來(lái)看，由于具有經(jīng)濟(jì)性、較耐腐蝕等難以替代的優(yōu)勢(shì)，鋼材仍然是電極的首選材料。但為了增強(qiáng)防腐性能，提高電極壽命和除塵效率，對(duì)電極材料進(jìn)行改進(jìn)仍有很大空間，如利用非金屬材料[31]、炭纖維或硅纖維編織膜[32]、柔性絕緣疏水纖維織物[33]、微納米材料等。一些典型材料在ESP電極方面的應(yīng)用總結(jié)如下：

2.2.1導(dǎo)電防腐涂料在ESP極板方面的應(yīng)用

用導(dǎo)電防腐涂料涂敷ESP極板可以改善ESP極板防腐性能、增加極板的抗污性能和提高極板清灰效果。所用的涂料必須具有良好的防腐性、耐高溫和憎污性能，是可以導(dǎo)電的固體，以適應(yīng)處理煙氣屬性和滿足ESP工況要求。理論研究結(jié)果表明，添加涂層后，極板上低比電阻粉塵層放電時(shí)間常數(shù)增大，粉塵層積累電荷量增多，粉塵層與極板間靜電附著力增大，有效減弱了粉塵的二次飛揚(yáng)現(xiàn)象[34]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，添加涂層后低比電阻粉塵的收集效率有顯著提高，中高比電阻粉塵的收集效率變化不大，極板粉塵剝離率較不加涂層時(shí)有很大提高[34]。該技術(shù)可以有效延長(zhǎng)了極板的使用壽命，在保證除塵效率的前提下提高了極板的清灰效果，適應(yīng)處理煙氣的復(fù)雜工況，是一項(xiàng)創(chuàng)新，但在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。目前，導(dǎo)電防腐涂料使用較多的材料是樹(shù)脂。

2.2.2逸出功率較低的材料在ESP極板方面的應(yīng)用

用逸出功率較低的材料作為發(fā)射極的無(wú)電暈式高壓ESP，能在高溫條件下穩(wěn)定地發(fā)射電子，使周?chē)諝庵械姆蹓m荷電，然后在較強(qiáng)的電場(chǎng)中將粉塵顆粒捕獲。其工作原理是利用了分子熱物理理論：任何物質(zhì)在溫度達(dá)到臨界發(fā)射溫度后，都能大量地發(fā)射電子。在高溫高壓環(huán)境下，采用電暈所獲得的電流密度相對(duì)較小，使得相應(yīng)的除塵器體積較大，成本也相應(yīng)提高，但無(wú)電暈式的高壓ESP體積相對(duì)較小、成本也較低，與常規(guī)電暈放電相比，只需較低的電極電壓(3kV) 即可獲得高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的電流密度[35]。因此，無(wú)電暈式靜電除塵技術(shù)的高溫低壓運(yùn)行條件使得電暈式ESP在高溫條件下遇到的電擊穿、電暈線斷線和電絕緣等問(wèn)題得以容易解決，適合用于火電、冶金、建材、化工等工業(yè)中。

2.2.3炭纖維或硅纖維編織膜在ESP極板方面的應(yīng)用

1998年，美國(guó)首次提出了“膜電除塵器(MESP)的概念，其利用炭纖維或硅纖維編織膜作為收塵極板，放棄了傳統(tǒng)ESP中的鋼制收塵極板，Pasic等人對(duì)各種纖維材料編織而成的膜的導(dǎo)電性、潤(rùn)濕性、阻燃性、抗疲勞強(qiáng)度、伸張彈性及編織密度等性能和清灰方法作了較為全面的研究。結(jié)果表明[36]，它完全適合用作干式ESP的陽(yáng)極板。作為收塵極板的編織膜具有質(zhì)輕、抗拉強(qiáng)度大及抗腐蝕等特點(diǎn)，這種極板克服了傳統(tǒng)ESP的極板的腐蝕問(wèn)題，同時(shí)大大減輕了ESP的重量。試驗(yàn)證明，MESP對(duì)粉塵及酸性氣溶膠(硫氧化物、氮氧化物)的去除率高于傳統(tǒng)濕式ESP。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中濕式MESP還表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：(1)當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間，粉塵顆粒滲入到編織膜纖維間的空隙后，除塵效率比清潔膜提高了30%；(2)用水量是傳統(tǒng)濕式ESP的12%；(3)以聚丙烯膜作為收塵極板時(shí)，經(jīng)過(guò)5000 h的除塵中試試驗(yàn)后，聚丙烯膜的破裂強(qiáng)度沒(méi)有降低；(4)編織膜作為收塵極板的成本是抗腐蝕性金屬的5%～10%[37]。

MESP的低成本和高除塵效率使它展現(xiàn)出了廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。并且，濕式MESP除塵過(guò)程中形成的均勻水膜，能有效吸收煙氣中硫氧化物、氮氧化物及重金屬元素，為ESP同時(shí)除塵、脫硫、脫硝、除重金屬等提供了新途徑。但對(duì)MESP的研究還處于中試階段，還需要對(duì)其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究。在此過(guò)程中，尋找到適合某特定性質(zhì)煙氣的膜材料是研究突破的關(guān)鍵。

2.2.4納米材料在ESP極板方面的應(yīng)用

由于納米晶帶材具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性能和電磁性能等。有學(xué)者[38]作了一些將納米晶帶材料作為集塵板材料的研究探索。理論分析表明，用納米晶作為電極材料可以提高除塵效率，解決以鐵、鋼材料為主的電除塵設(shè)備的易腐蝕、易磨損、短壽命、低效率等問(wèn)題。但是該項(xiàng)研究由于缺乏經(jīng)濟(jì)性，且對(duì)除塵效率提升不顯著而不具備明顯的實(shí)用價(jià)值，只能用在條件苛刻，小規(guī)模，要求高的某些特定場(chǎng)合。

2.2.5電植絨材料在ESP極板方面的應(yīng)用

在細(xì)孔金屬網(wǎng)的表面植入尼龍絨，并用這種特殊處理過(guò)的細(xì)孔金屬網(wǎng)作為收塵極板的ESP 就是電植絨收塵極 ESP[39]。一方面，這種新式 ESP在工作時(shí)，會(huì)在尼龍絨絨毛的尖端產(chǎn)生電力線的聚集，使絨毛頂端存在梯度場(chǎng)強(qiáng)，粉塵在電場(chǎng)力的作用下緊緊吸引在絨毛的頂端，防止了二次揚(yáng)塵現(xiàn)象的發(fā)生[40]。同時(shí)，由于收塵極板表面的尼龍絨摩擦力較大，降低了電場(chǎng)中離子風(fēng)的速度，有效抑制了二次揚(yáng)塵[41]；另一方面，尼龍絨的存在增大了收塵極板的收塵面積，因此提高了對(duì)超細(xì)粉塵的去除效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[39]，電植絨收塵極ESP對(duì)直徑為0.1～0.3μm粉塵的除塵效率可達(dá) 97%，而在相同條件下，普通ESP的除塵效率僅為82%。因此，電植絨收塵極ESP具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。但仍需要對(duì)其清灰方法、電植絨壽命和長(zhǎng)時(shí)間除塵的穩(wěn)定性等方面進(jìn)一步研究。

3結(jié)論

隨著環(huán)保要求的越來(lái)越高，對(duì)ESP市場(chǎng)需求也將越來(lái)越大，可以預(yù)示未來(lái)必將占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，成為最為重要的除塵設(shè)備之一，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。通過(guò)對(duì)ESP電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，研制開(kāi)發(fā)ESP的新結(jié)構(gòu)形式，并將新型材料技術(shù)應(yīng)用到ESP電極等，可以使ESP各項(xiàng)性能獲得大幅度提升，解決了當(dāng)前除塵技術(shù)中實(shí)際難題，并具有非常廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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Research Progress of the Electrode Technology of Electrostatic

Precipitator

WANG Keliang1DUAN Lian2XU Yanxiao3LIU Xiaobing1

(1.Institute of Environmental Science，Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering，F(xiàn)oshan，528216；

2.Department of Mechanical &Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005；

3.Department of Mechanical Engineering，Xiamen Institute ofTechnology，Xiamen 361021)

Abstract：The Electrostatic Precipitator(ESP)are widely used in various industries fields due toits big treatment capacity，high removal efficiency，wide application range，low equipment resistance，more simple and reliability，low operating and maintenance cost，no secondary pollution，etc.The electrode，as the core component of the ESP，plays significant influence on the dust removal efficiency.Geometry and distance of the electrodes could affect the characteristics of electric field and flow field，and the electric field characteristic ( corona field intensity，space charge intensity)could determine the efficiency of dust trapping and charging，for which it is the critical factor tobalance the dust removal efficiency of ESP.In this work，the research progress of electrode technology and improving the removal efficiency of ESP have been reviewed in recent years.

Keywords：Electrostatic precipitator；Dust removal efficiency；Collecting electrode；Corona electrode

作者簡(jiǎn)介：王克亮，博士，主要研究方向?yàn)榭諝馕廴究刂萍夹g(shù)及策略

中圖分類(lèi)號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-288X(2015)06-0149-06