雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率影響因素和理論公式研究*

周 武 洪亞軍 李世遠(yuǎn) 李濟(jì)吾#

(1.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司，浙江 金華 321016)

雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率影響因素和理論公式研究*

周 武1洪亞軍2李世遠(yuǎn)1李濟(jì)吾1#

(1.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.金華華東環(huán)保設(shè)備有限公司，浙江 金華 321016)

研究了預(yù)荷電壓、煙氣流速、極板間距和電極型式對雙區(qū)靜電除塵器除塵效率的影響，推導(dǎo)了雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式，并與實(shí)驗(yàn)值和多依奇公式計(jì)算值進(jìn)行了對比驗(yàn)證。結(jié)果表明，雙區(qū)靜電除塵器的除塵效果好于單區(qū)靜電除塵器，其最佳工況是預(yù)荷電壓25kV，煙氣流速0.50m/s，極板間距400mm，采用芒刺電極。推導(dǎo)得到的雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式不僅收塵電壓較低時與實(shí)際情況相符，而且收塵電壓較高時也與實(shí)際情況基本吻合，比多依奇公式更能反映雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率。

雙區(qū)靜電除塵器 除塵效率 多依奇公式

近年來，我國華北地區(qū)頻繁爆發(fā)嚴(yán)重的霧霾天氣，不僅造成空氣能見度降低，而且嚴(yán)重威脅人體健康[1]。燃煤電廠排放的煙塵是造成霧霾的重要原因之一[2]。為控制燃煤電廠煙塵污染，國家環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會和國家能源局在2015年12月聯(lián)合發(fā)布了《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求2020年前我國燃煤電廠力爭實(shí)現(xiàn)污染物超低排放，其中要求煙塵排放的質(zhì)量濃度控制在10 mg/Nm3以下。要實(shí)現(xiàn)燃煤電廠煙塵超低排放，其難點(diǎn)在于超細(xì)顆粒物的脫除[3]，傳統(tǒng)的單區(qū)靜電除塵器很難滿足超低排放的需求[4-6]。研究表明，在單區(qū)靜電除塵器前增加預(yù)荷電區(qū)的雙區(qū)靜電除塵器可以提高靜電除塵器的除塵效率，尤其是對超細(xì)顆粒物的脫除[7-8]。目前，靜電除塵器除塵效率計(jì)算公式多采用多依奇公式，該公式能夠很好地適用于單區(qū)靜電除塵器，但與雙區(qū)靜電除塵器有很大出入。為此，本研究推導(dǎo)了雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式，研究了預(yù)荷電壓、煙氣流速、極板間距和電極型式對除塵效率的影響，并對理論公式進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

雙區(qū)靜電除塵器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，主要由發(fā)塵系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)、控制閥、流量控制器和發(fā)塵器)、供電系統(tǒng)(直流電源和直流/脈沖電源)、除塵系統(tǒng)(預(yù)荷電區(qū)和收塵區(qū))和采樣系統(tǒng)(等速采樣系統(tǒng))4個部分組成。發(fā)塵系統(tǒng)所用實(shí)驗(yàn)粉塵為滑石粉，其靜態(tài)比電阻為8.13×1011Ω·cm，平均顆粒粒徑為1.65 μm(屬于超細(xì)顆粒物)。供電系統(tǒng)主要由預(yù)荷電電源和收塵高壓電電源組成，預(yù)荷電電源采用直流電源，最高電壓為50 kV，荷負(fù)電；收塵高壓電電源為直流/脈沖電源，最高電壓為100 kV，荷正電。除塵系統(tǒng)收塵區(qū)采用線/板式，電暈極長330 mm，分光滑電極和芒刺電極兩種，芒刺長為5 mm。極板間距可調(diào)，收塵極板采用不銹鋼板。等速采樣系統(tǒng)采集除塵前后的煙塵樣品，用于計(jì)算除塵效率。

1—風(fēng)機(jī)；2—控制閥；3—流量控制器；4—發(fā)塵器；5—直流電源；6—直流/脈沖電源；7—預(yù)荷電區(qū)；8—收塵區(qū)；9—等速采樣系統(tǒng)圖1 雙區(qū)靜電除塵器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup schematic diagram of two-stage electrostatic precipitator

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 影響因素實(shí)驗(yàn)

控制除塵前煙塵平均質(zhì)量濃度為1.524 5 g/Nm3，收塵電壓為55 kV，煙氣流速為0.50 m/s，極板間距為400 mm，電極型式為芒刺電極，在0～35 kV間調(diào)節(jié)預(yù)荷電壓，測試預(yù)荷電壓對除塵效率的影響；控制除塵前煙塵平均質(zhì)量濃度為1.524 5 g/Nm3，預(yù)荷電壓為25 kV，極板間距為400 mm，電極型式為芒刺電極，調(diào)節(jié)煙氣流速為0.50、0.63、0.73 m/s，測試煙氣流速對除塵效率的影響；控制除塵前煙塵平均質(zhì)量濃度為1.524 5 g/Nm3，預(yù)荷電壓為25 kV，煙氣流速為0.50 m/s，電極型式為芒刺電極，改變電極與不銹鋼板間的距離為300、400 mm，研究極板間距對除塵效率的影響；控制除塵前煙塵平均質(zhì)量濃度為1.524 5 g/Nm3，預(yù)荷電壓為25 kV，煙氣流速為0.50 m/s，極板間距為400 mm，分別采用光滑電極和芒刺電極，探究電極型式對除塵效率的影響。

1.2.2 除塵效率測定

除塵前后的煙塵樣品濃度采用《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測方法(重量法)技術(shù)規(guī)范》(HJ 656—2013)進(jìn)行測定，根據(jù)式(1)計(jì)算除塵效率。

(1)

式中：η為除塵效率，%；ci、co分別為除塵前、后的煙塵平均質(zhì)量濃度，g/Nm3。

2 雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式

2.1 公式推導(dǎo)

雙區(qū)靜電除塵器的收塵區(qū)俯視截面圖如圖2所示，并賦予其坐標(biāo)系統(tǒng)。參考多依奇公式的推導(dǎo)，假設(shè)：

(1) 所有進(jìn)入收塵區(qū)的煙塵顆粒已荷負(fù)電達(dá)到飽和；

(2) 忽略反電暈、二次揚(yáng)塵、煙塵粒子凝聚等因素的影響；

(3) 通過雙區(qū)靜電除塵器的煙氣流速是均勻分布的，且不影響驅(qū)進(jìn)速度；

(4) 由于煙氣流速遠(yuǎn)大于重力沉降速率，故忽略重力的作用。

注：L為收塵極長度，m；b為1/2極板間距，m；x、y分別為橫向、縱向距離，m；v為(x，y)處的煙氣流速，m/s；w為煙塵粒子的驅(qū)進(jìn)速度，m/s。

圖2雙區(qū)靜電除塵器的收塵區(qū)俯視截面圖
Fig.2 Plan sectional view of two-stage electrostatic precipitator’s dust collection area

依據(jù)假設(shè)，可以得到雙區(qū)靜電除塵器收塵區(qū)中荷電煙塵顆粒的擴(kuò)散方程[9-11]為：

(2)

式中：c(x，y)為(x，y)處的煙塵質(zhì)量濃度，g/Nm3；D為橫向紊流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

其中，橫向紊流擴(kuò)散系數(shù)[12]和驅(qū)進(jìn)速度[13]可分別根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算。

(3)

(4)

式中：Cu為庫倫修正系數(shù)；kB為玻爾茲曼常數(shù)，J/K，kB=1.38×10-23J/K；T為絕對溫度，K；μ為介質(zhì)的黏度，Pa·s；dp為煙塵平均顆粒粒徑，m；q為煙塵顆粒所荷電量，C；E為收塵電場強(qiáng)度，V/m。

依據(jù)分離變量法，可得式(2)的偏微分方程解為：

c(x,y)=A(cosβy+Bsinβy)

(5)

式中：A、β、B為待定系數(shù)，可根據(jù)邊界條件求得，單位根據(jù)實(shí)際情況而定。

將3個邊界條件分別代入式(5)可解得：

A=ci

(6)

(7)

(8)

B和β的具體值可通過計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法求得。

為了簡化起見，除塵器前后的煙塵濃度都取平均值，因此雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式為：

(9)

2.2 公式驗(yàn)證

已知Cu=2×108、L=1.0 m、b=0.2 m；介質(zhì)為空氣，μ=1.8×10-5Pa·s；測得q=1.6×10-19C；T取298 K；E根據(jù)收塵電壓和b計(jì)算得到。將以上參數(shù)代入式(3)和式(4)可求得D和w，再代入式(9)可得雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論計(jì)算公式，可以計(jì)算不同收塵電壓和煙氣流速下的除塵效率。控制除塵前煙塵平均質(zhì)量濃度為1.524 5 g/Nm3，預(yù)荷電壓為25 kV，極板間距為400 mm，電極型式為芒刺電極，在0.60、0.90、1.20 m/s 3種煙氣流速下計(jì)算雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論值(以下簡稱理論值)，并與實(shí)驗(yàn)值和多依奇公式計(jì)算值(以下簡稱計(jì)算值)進(jìn)行比較。

3 結(jié)果與討論

3.1 預(yù)荷電壓的影響

從圖3可以看出，雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率隨預(yù)荷電壓的升高而增加。當(dāng)預(yù)荷電壓為0 kV時，除塵效率為78.7%，此時相當(dāng)于單區(qū)靜電除塵器；當(dāng)預(yù)荷電壓為25 kV時，除塵效率達(dá)到97.4%。由此可見，雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率明顯高于單區(qū)靜電除塵器。預(yù)荷電壓超過25 kV后，除塵效率相對穩(wěn)定。考慮到能耗、安全等問題，預(yù)荷電壓宜為25 kV。

圖3 預(yù)荷電壓對除塵效率的影響Fig.3 Influence of pre-charge voltage on dust removal efficiency

3.2 煙氣流速的影響

從圖4可以看出，煙氣流速越大，雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率越低。分析原因，煙氣流速越大，在收塵區(qū)的停留時間就越短，煙塵顆粒在到達(dá)收塵極板前可能就已經(jīng)隨著氣流排出到靜電除塵器外面了。此外，煙氣流速過大，還容易造成二次揚(yáng)塵，造成除塵效率下降。但是，煙氣流速太小會導(dǎo)致除塵時間過長，也不合適。當(dāng)煙氣流速為0.50～0.73 m/s時，除塵效率均隨著收塵電壓的升高先增加后穩(wěn)定。因此，當(dāng)收塵電壓低于55 kV時，最佳煙氣流速應(yīng)為0.50 m/s；而當(dāng)收塵電壓超過55 kV時，煙氣流速為0.50、0.63 m/s時的除塵效率幾乎沒有差別，但也建議采用0.50 m/s。

圖4 煙氣流速對除塵效率的影響Fig.4 Influence of flue gas velocity on dust removal efficiency

3.3 極板間距的影響

從圖5可以看出，極板間距相同時，雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率隨收塵電壓的變化與3.2節(jié)的結(jié)果一致，即隨收塵電壓的升高而增加。收塵電壓較低時，極板間距對除塵效率的影響較??；當(dāng)收塵電壓逐步增加時，極板間距對除塵效率的影響越來越大?？傮w而言，極板間距為300 mm時的除塵效果明顯低于400 mm時?？紤]到極板間距增大勢必導(dǎo)致靜電除塵器的占地面積增大，相應(yīng)的生產(chǎn)成本也會增大，因此極板間距不宜過大。

圖5 極板間距對除塵效率的影響Fig.5 Influence of plate-wire distance on dust removal efficiency

3.4 電極型式的影響

從圖6可以看出，不管是芒刺電極還是光滑電極，除塵效率均隨收塵電壓的升高而增加，并趨于平穩(wěn)。收塵電壓較低時，芒刺電極的除塵效率明顯大于光滑電極。這是因?yàn)槊⒋屉姌O在收塵電壓較低時，更容易放電，且電場分布較均勻，可提高除塵效率，隨著收塵電壓的升高，光滑電極也能放電，芒刺電極的影響越來越小。由于收塵電壓通常低于55 kV，因此電極型式建議選用芒刺電極。

圖6 電極型式對除塵效率的影響Fig.6 Influence of electrode type on dust removal efficiency

3.5 雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式驗(yàn)證

圖7分別驗(yàn)證了0.60、0.90、1.20 m/s 3種煙氣流速下在不同收塵電壓時的雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論值與實(shí)驗(yàn)值的差異，并與計(jì)算值進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說明所建立的雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式可以應(yīng)用于實(shí)際情況。然而，計(jì)算值只有在收塵電壓較低時，與實(shí)驗(yàn)值相近；而在收塵電壓較高時，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相去甚遠(yuǎn)，說明多依奇公式不再適于雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率計(jì)算了。

圖7 雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率理論公式驗(yàn)證Fig.7 Verification result of two-stage electrostatic precipitator theoretical equation for dust removal efficiency

4 結(jié) 論

(1) 雙區(qū)高壓靜電除塵器的最佳工況是預(yù)荷電壓25 kV，煙氣流速0.50 m/s，極板間距400 mm，采用芒刺電極。

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Influencefactorsandtheoreticalequationstudyfordustremovalefficiencyoftwo-stageelectrostaticprecipitator

ZHOUWu1,HONGYajun2,LIShiyuan1,LIJiwu1.

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，ZhejiangGongshangUniversity，HangzhouZhejiang310018；2.JinhuaHuadongEnvironmentalProtectionEquipmentCo.，Ltd.,JinhuaZhejiang321016)

The influences of pre-charge voltage,flue gas velocity,plate-wire distance and electrode type on dust removal efficiency of two-stage electrostatic precipitator were studied. The theoretical equation for dust removal efficiency of two-stage electrostaic precipitator was deduced,and compared with the calculation results of Deutsch equation and experimental results. Results showed that the dust removal efficiency of two-stage electrostatic precipitator was higher than that of single-stage electrostatic precipitator. The best conditions were achieved when pre-charge voltage was 25 kV,flue gas velocity was 0.50 m/s and plate-wire distance was 400 mm with nail electrode. The theoretical values of the dust removal efficiency calculated by the theoretical equation were better to reflect the actual situation both at low and high dust collection voltage compared with that calculated by Deutsch equation.

two-stage electrostatic precipitator； dust removal efficiency； Deutsch equation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.019

周 武，男，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂评碚撆c技術(shù)。#

。

*浙江省公益性技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015C33044)；浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(No.2016R408059)；2016年金華市工業(yè)類科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目；浙江工商大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(No.14060601003)。

2016-12-03)