高壓靜電除塵及伏安特性實(shí)驗(yàn)研究

翁 棣，許冬冬，張煜耀，石凌棟，胡兆冬

高壓靜電除塵及伏安特性實(shí)驗(yàn)研究

翁 棣，許冬冬，張煜耀，石凌棟，胡兆冬

（浙江大學(xué) 國(guó)家級(jí)環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310058）

研究了高壓靜電電壓對(duì)除塵效率的影響。無論是在變化板間距還是變化板間電壓的情況下，靜電除塵器的除塵效率都能夠達(dá)到90%以上；當(dāng)最大板間距、電壓為32 kV時(shí)出現(xiàn)最大捕集效率為99.66%。靜電除塵器在空載和負(fù)載時(shí)的伏安特性曲線趨勢(shì)基本一致，均在9 kV左右開始出現(xiàn)電流陡增，隨著電流迅速增大，二者均在20 kV左右開始出現(xiàn)閃絡(luò)。

靜電除塵；捕集率；驅(qū)進(jìn)速度；伏安特性曲線

隨著國(guó)家相關(guān)方面標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，提高除塵效率是迫在眉睫的大事，而靜電除塵可以對(duì)細(xì)顆粒物有很好的捕集去除效率，因此受到了廣泛的關(guān)注[1-4]。

電除塵器的工作原理包括電暈放電、氣體電離、粒子荷電、荷電粒子的遷移和捕集，以及清灰等過程[5-7]。

1 電除塵器的主要性能指標(biāo)

1.1 伏安特性曲線

空載伏安特性曲線是衡量電除塵器制造、安裝質(zhì)量的依據(jù)。當(dāng)曲線的閃絡(luò)擊穿點(diǎn)越接近設(shè)定的電壓、電流值時(shí)，該電除塵器質(zhì)量越好，所以空載伏安特性曲線是為了獲得最佳工況條件。閃絡(luò)指的是固體絕緣子周圍的氣體或液體電介質(zhì)被擊穿時(shí)，沿固體絕緣子表面的放電現(xiàn)象，放電時(shí)的電壓稱為閃絡(luò)電壓。發(fā)生閃絡(luò)后，電極間的電壓迅速下降到零或接近于零。閃絡(luò)通道中的火花或電弧使絕緣表面局部過熱造成炭化，損壞表面絕緣。沿絕緣體表面的放電叫閃絡(luò)，而沿絕緣體內(nèi)部的放電則稱為是擊穿。空載伏安特性曲線應(yīng)在除塵器投運(yùn)前試驗(yàn)，應(yīng)保存首次試驗(yàn)的曲線，便于與以后運(yùn)行中停爐時(shí)再試驗(yàn)的伏安曲線進(jìn)行比較，判斷除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否變形，出現(xiàn)異常，以便操作、檢修人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，排除故障。

送入工況含塵氣體測(cè)得電壓與電流的關(guān)系曲線稱為負(fù)載伏安特性曲線，主要受電極幾何形狀、電極配置形式與參數(shù)、氣體成分、含塵濃度、操作溫度和壓力、粉塵性質(zhì)等因素的影響。負(fù)載伏安特性曲線是反映除塵器運(yùn)行后特征的依據(jù)。應(yīng)保存第1次投運(yùn)后的伏安曲線，便于與運(yùn)行中因工況變化，或除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的伏安曲線進(jìn)行比較，作為分析診斷故障的依據(jù)，指導(dǎo)操作、檢修人員排除故障[8-9]。

1.2 荷電粒子的驅(qū)進(jìn)速度

電除塵器中的荷電粒子在靜電力和空氣阻力支配下所達(dá)到的終末電力沉降速度即為粒子的驅(qū)進(jìn)速度，計(jì)算式子為

驅(qū)進(jìn)速度的方向與電場(chǎng)力方向一致，即垂直指向集塵電極表面。

1.3 除塵效率

靜電除塵器的捕集效率與粒子性質(zhì)、電場(chǎng)強(qiáng)度、氣流速度、氣體性質(zhì)及除塵器結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。一般采用如下兩種方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）定義法求解。常用方法有質(zhì)量法和濃度法，本實(shí)驗(yàn)采用濃度法。用等速采樣法同時(shí)測(cè)出除塵器進(jìn)口和出口管道中氣流含塵濃度i和o，則除塵效率為

式（2）中：i為除塵器進(jìn)口流量，m3/h；Qo為除塵器出口流量，m3/h。

本實(shí)驗(yàn)中用采樣煙塵采樣槍進(jìn)行采樣，用濾筒進(jìn)行收集煙塵。

（2）Deutsch公式計(jì)算法。Deutsch進(jìn)行了如下的假設(shè)：①電除塵器中含塵氣流為湍流狀態(tài)，在垂直于集塵極表面的任一橫斷面上粒子濃度和氣流分布 均勻；②粉塵粒子進(jìn)入電除塵器后就認(rèn)為完全荷電；③忽略電風(fēng)、氣流分布不均勻及被捕集粒子重新進(jìn)入氣流等影響。于是推出如下式子[5-7,10-11]：

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)污染物

杭州電廠的粉煤灰從發(fā)電廠靜電除塵器的灰斗中收集，過100目篩（孔徑為15 mm），即粒子直徑 ≤15 mm；有效驅(qū)進(jìn)速度經(jīng)驗(yàn)值為10~14 cm/s；粉塵比電阻為7.3×1010~10.0×1010Ω·cm，適合于后續(xù)采用普通干式除塵器處理。

粉煤灰比電阻值由DR-3型高壓粉塵比電阻試驗(yàn)臺(tái)（華北電力大學(xué)）分析測(cè)量，符合普通的干式電除塵器處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備有靜電除塵器、靜電除塵高壓電源、高壓電源控制柜、風(fēng)機(jī)、WJ-60B型皮托管平行全自動(dòng)煙塵油煙采集儀、玻纖濾筒、精密天平、一次性手套等。除塵器高壓直流電源型號(hào)為GGAj02(RH2008B)型–0.02A/72 kV，參數(shù)見表1。除塵器（由浙江大學(xué)閆克平教授研發(fā)）的性能參數(shù)見表2。

表1 電除塵器高壓直流電源參數(shù)

表2 電除塵器技術(shù)性能參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖1。

圖1 靜電除塵裝置流程圖

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置以及儀器進(jìn)行觀察，了解整個(gè)裝置的流程。

（2）開啟電除塵器高壓直流電源，檢查各儀表的示數(shù)是否歸零，“負(fù)相/正相”檔是否指向負(fù)相擋，實(shí)驗(yàn)裝置中是否為負(fù)相接觸方式，控制電源檔是否置于“OFF”檔。

（3）在斷電條件下，進(jìn)行一次接地放電操作，打開靜電除塵器的頂蓋，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行清灰，后調(diào)節(jié)集塵極的極間距為最小極間距，合上頂蓋并固定；向進(jìn)灰裝置中倒入適量的電廠粉塵，關(guān)閉進(jìn)灰口。

3.2 空載情況下的伏安特性曲線的測(cè)定

啟動(dòng)高壓供電設(shè)備，旋轉(zhuǎn)控制電源檔置于“ON”檔，后在電除塵器高壓電源智能控制器上按“運(yùn)行”鍵，此時(shí)開始高壓供電；用錄像設(shè)備錄下電除塵器高壓電源智能控制器上液晶顯示屏的數(shù)值變化，主要是二次電壓2和二次電流2的數(shù)值；待二次電壓數(shù)值升至最高值、無法進(jìn)一步上升時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，此時(shí)按電除塵器高壓電源智能控制器上“停機(jī)”鍵，停止高壓供電；并對(duì)設(shè)備進(jìn)行放電處理。

3.3 負(fù)載情況下的伏安特性曲線的測(cè)定

開啟起灰風(fēng)機(jī)，設(shè)定頻率10.00 Hz，然后開啟主風(fēng)機(jī)，設(shè)定頻率為50.00 Hz。攪拌器的Power設(shè)置為50%，確保處于安全位置后，啟動(dòng)高壓供電設(shè)備；然后按照空載測(cè)量步驟測(cè)定負(fù)載情況下的伏安特性曲線；待電除塵器高壓電源智能控制器上的液晶顯示屏上顯示的電壓值達(dá)到0時(shí)，依次“STOP”起灰風(fēng)機(jī)和主風(fēng)機(jī)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行接地放電處理。

3.4 靜電除塵器除塵效率的測(cè)定

（1）開啟兩臺(tái)WJ-60B型皮托管平行全自動(dòng)煙塵（氣）油煙采樣器進(jìn)行預(yù)熱，測(cè)定煙道截面積的參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定好（煙氣溫度與濕度均采用實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)溫度和濕度）；開啟電除塵器高壓直流電源，檢查各儀表的示數(shù)是否歸零，“負(fù)相/正相”檔是否指向負(fù)相擋，實(shí)驗(yàn)裝置中是否為負(fù)相接觸方式，控制電源檔是否置于“OFF”檔；在斷電條件下（確保安全，進(jìn)行一次接地放電操作），打開靜電除塵器的頂蓋，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行清灰，后調(diào)節(jié)集塵極的極間距為最小極間距，后合上頂蓋并固定。

（2）在最小極間距情況下，開啟皮托管，并進(jìn)行校正和參數(shù)設(shè)定；在做好設(shè)備防漏處理的情況下，開啟主風(fēng)機(jī)，頻率設(shè)定為50.00 Hz，在該條件下選擇合適的采樣嘴（進(jìn)口處10#，出口處12#）并安裝。

（3）戴上手套，取一超細(xì)玻璃纖維無膠濾筒，稱量并記錄后將該濾筒裝入采樣槍中。將煙槍放在道中軸線位置處，采樣嘴正直面向進(jìn)氣方，并合上煙道開口，注意密封。

（4）設(shè)置采樣時(shí)間為10 min，選擇采樣方式為“等速采樣”，開啟主風(fēng)機(jī)。

（5）開啟高壓供電設(shè)備，旋轉(zhuǎn)控制電源檔置于“ON”檔，后在電除塵器高壓電源智能控制器上按“運(yùn)行”鍵。此時(shí)開始高壓供電，調(diào)整二次電壓到設(shè)計(jì)值，開始采樣，采樣過程中始終注意控制電壓。

（6）采樣結(jié)束，保存采樣數(shù)據(jù)。先降低電壓，然后按電除塵器高壓源智能控制器上的“停機(jī)”鍵，停止高壓供電。待其上的液晶顯示屏顯示的電壓值達(dá)到0時(shí)，按“STOP”鍵關(guān)閉主風(fēng)機(jī)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行接地放電處理；取出煙槍，后佩戴手套，小心取下采樣槍中的濾筒進(jìn)行稱量并記錄。

（7）打開ESP，進(jìn)行清灰后，依次調(diào)節(jié)集塵極的間距為中等和最大，在二次電壓及采樣嘴不變的情況下，按上述中步驟重復(fù)測(cè)定。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理

實(shí)驗(yàn)室條件：溫度為27 ℃；含濕量為29%；大氣壓為101.6 kPa，風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz。靜電除塵器板極間距（極板間距指的是放電極與塵板之間的距離）為5.1、10.3、17.7 cm。

測(cè)得極板小間距輸出電壓與電流數(shù)據(jù)見表3。

板間電壓值相同（16 kV）時(shí)調(diào)整靜電除塵器板間距的采集到數(shù)據(jù)見表4。

板間距最大不變時(shí)調(diào)整板間電壓時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)見表5。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

最小版間距下空載和負(fù)載下的伏安特性曲線見圖2。

板間電壓值相同、調(diào)整靜電除塵器板間距情況下的除塵效率的測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果見表6，表中0為濾筒質(zhì)量，1為濾筒及煤灰質(zhì)量，Δ為收集煤灰質(zhì)量。

最大板間距、不同板間電壓的情況下的除塵效率的測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果見表7，表中0為濾筒質(zhì)量，1為濾筒及煤灰質(zhì)量，Δ為收集煤灰質(zhì)量。

表3 極板小間距輸出電壓U2和電流I2數(shù)據(jù)表（負(fù)相電源）

表4 板間電壓（16 kV）不變時(shí)WJ-60B煙塵采樣報(bào)表

表5 板間距最大不變時(shí)WJ-60B煙塵采樣報(bào)表

圖2 空載和負(fù)載下的伏安特性曲線

表6 板間電壓16 kV不變、不同板間距下靜電除塵器除塵效率測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果

表7 板間距最大、不同板間電壓下靜電除塵器除塵效率測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果

由于管道內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)沒有變化，故標(biāo)干流量與工況流量之間的比值不變，因此可直接用標(biāo)干流量進(jìn)行計(jì)算[12]。

除塵效率與板間電壓的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 粉塵捕集效率與板間電壓變化的關(guān)系曲線

運(yùn)用Deutsch公式校核靜電除塵器中粉塵的驅(qū)進(jìn)速度（風(fēng)機(jī)風(fēng)量為400 m3/h）時(shí)有如下結(jié)果：

板間電壓為16 kV、最小板間距下測(cè)得總集塵面積=1.4276 m2，除塵效率=90.97%，驅(qū)進(jìn)速度= 0.11 m/s；中間板間距下測(cè)得=99.64%，=0.26 m/s；最大板間距下測(cè)得=95.19%，=0.146 m/s。

最大板間距下，=1.4276 m2、板間電壓為16 kV下測(cè)得=95.19%，=0.14 m/s；板間電壓為24 kV下測(cè)得=99.54%，=0.25 m/s；板間電壓為32 kV下測(cè)得=99.66%，=0.26 m/s；板間電壓為40 kV下測(cè)得=99.64%，=0.26 m/s；板間電壓為48 kV下測(cè)得=99.34%，=0.22 m/s。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 靜電除塵器的伏安特性曲線分析

從圖2的伏安特性曲線可知，兩條曲線趨勢(shì)基本一致，均在9 kV左右開始出現(xiàn)電流陡增。這是由于在靜電除塵器內(nèi)部，隨著電壓的升高，氣體在更多的高能電子轟擊下產(chǎn)生更多的自由電子和離子，使得氣體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，于是電流迅速增大，最后均在20 kV左右開始出現(xiàn)閃絡(luò)。靜電除塵器內(nèi)部的流體在空載和負(fù)載兩種情況下幾乎相同，這與理論不太符合[5-7]。考慮是由以下原因造成的：

（1）靜電除塵器內(nèi)部灰塵沒有清掃干凈，加上管道內(nèi)存在的積灰，導(dǎo)致在空載情況下，流體中還是有灰塵，并且灰塵濃度與負(fù)載時(shí)差不多；

（2）負(fù)載時(shí)灰塵濃度過低，導(dǎo)致流體的比電阻 值與空氣的比電阻值差不多，于是使得伏安特性曲線類似。

6.2 靜電除塵效率分析

從表6和表7可知，無論是改變板間距，還是改變板間電壓，靜電除塵器的除塵效率都能夠達(dá)到90%以上，當(dāng)最大板間距、電壓為32 kV時(shí)出現(xiàn)最大捕集效率（99.66%）。這與靜電除塵器的實(shí)際應(yīng)用和理論都較為符合。但從表6可知，隨著板間距的增大，除塵效率先是增大，然后減小，中間板間距時(shí)有最大捕集效率。這一結(jié)果與理論不太相符[13]。按照理論可知，當(dāng)電壓相同時(shí)，板間距越小，板間電流越大，越利于粉塵的捕集。當(dāng)板間距較小時(shí)，粉塵有部分繞過極板因而對(duì)靜電除塵器的捕集效率產(chǎn)生影響。根據(jù)表7與圖3可以看出，當(dāng)板間距保持不變時(shí)，當(dāng)電壓增大時(shí)，靜電除塵器的捕集效率會(huì)有所增大，之后隨著電壓的增大，效率變化不明顯?？紤]在一開始電壓增大時(shí)會(huì)使得板間電流增大，從而使得粉塵利于被捕集。

運(yùn)用Deutsch公式核算驅(qū)進(jìn)速度，得到驅(qū)進(jìn)速度范圍為0.11~0.26 m/s，查閱資料得到的靜電除塵器中的有效驅(qū)進(jìn)速度經(jīng)驗(yàn)值為0.11~0.14 m/s，與核算值之間存在一定的偏差。理論研究表明，粉塵粒子在靜電場(chǎng)中的驅(qū)進(jìn)速度越大，除塵效率越高。

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Study on experiment of high voltage electrostatic precipitation and voltammetric characteristics

WENG Di, XU Dongdong, ZHANG Yuyao, SHI Lingdong, HU Zhaodong

(National Experimental Teaching Demonstration Center for Environment and Resources, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The effect of high voltage electrostatic voltage on dust removal efficiency is studied. The dust removal efficiency of ESP can reach more than 90%, no matter the spacing of plates or the voltage between plates is changed. The maximum trapping efficiency is 99.66% when the maximum plate spacing and voltage are 32 kV. The volt-ampere characteristic curves of ESP under no-load and load are basically the same. Current increases sharply at about 9 kV, and flashover occurs at about 20 kV with the rapid increase of current.

electrostatic precipitation; fractional collection efficiency; drift velocity; volt-ampere characteristic curve

X701.2

A

1002-4956(2019)12-0052-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.013

2019-04-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21577126）；國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目（教高廳函〔2016〕7號(hào)）

翁棣（1962—），男，浙江杭州，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲廴究刂乒こ痰认嚓P(guān)科研與教學(xué)工作。E-mail: wengdi@zju.edu.cn