WESP中帶槽PVC收塵板的水膜性能研究

孫巖 楊振民 黃超 裴藝凱 王佳豪

摘要 在濕式高壓靜電除塵器（WESP）中以聚氯乙烯（PVC）槽板為收塵極，對(duì)收塵極的板面水膜性能進(jìn)行了研究。通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)，研究不同尺寸溝槽板對(duì)水膜厚度、成膜率和收塵效率的影響。在給定供水流量條件下發(fā)現(xiàn)4種帶槽PVC板的水膜厚度和成膜率隨著溝槽寬度和深度的增加。4種溝槽板均比平板PVC成膜效果好，其中板4能達(dá)到最好水膜效果，在供水流量為700 L/h時(shí)成膜率為96.5%。水膜的存在抑制了反電暈和二次揚(yáng)塵的產(chǎn)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同供水流量下各板的收塵效率，增大供水流量收塵效率明顯增加，在700 L/h時(shí)溝槽板4達(dá)到最大收塵效率為99.702%。

關(guān) 鍵 詞 濕式靜電除塵;水膜;供水流量;收塵效率;PVC溝槽板

中圖分類號(hào) TB383 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

靜電除塵器是工業(yè)領(lǐng)域主要的除塵設(shè)備，在中國(guó)近90%的燃煤電廠都配備干式電除塵器（ESP），干式電除塵器對(duì)PM10，PM2.5和PM1.0的去除效率效率大多低于95%[1-5]，濕式靜電除塵器能有效去除高電阻率顆粒，對(duì)細(xì)粉塵收塵效率在95%以上，具有可有效抑制酸霧等優(yōu)點(diǎn)。但是，在潮濕環(huán)境下工作，WESP中常規(guī)的收塵鋼板很容易被腐蝕，目前用于濕式電除塵中的收塵板材料主要有316L不銹鋼、導(dǎo)電玻璃鋼、碳纖維或玻璃纖維等[6]。對(duì)于濕式電除塵器來(lái)說(shuō)，收塵板面水膜均布在很大程度上影響除塵效率，故通過(guò)合理的工藝改進(jìn)收塵板，實(shí)現(xiàn)布水均勻，是保證濕式電除塵器運(yùn)行正常的關(guān)鍵[7]。Bayless [8]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，濕式除塵器中采用纖維膜比金屬板做收塵極收塵效率要高。王翔[9]發(fā)現(xiàn)濕膜電極的收塵效率比在同等放電電暈功耗的干燥金屬極板高3%～5%。此外電流密度的增加是WESP收塵效率優(yōu)異的主要原因[10]。常景彩[11]使用滌綸材料或聚丙烯做收塵電極，可以改善WESP布水能力增強(qiáng)除塵效率，與傳統(tǒng)材料相比，有顯著的進(jìn)步。清華大學(xué)王曉華[12]研究了高壓電場(chǎng)中水對(duì)顆粒物脫除增強(qiáng)的機(jī)理。濕式靜電除塵綜合利用了多種物理場(chǎng)，一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)[13-14]對(duì)各種物理場(chǎng)對(duì)顆粒脫除效率的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。然而，對(duì)于WESP仍然缺乏對(duì)新型收塵板的實(shí)質(zhì)性研究[15]。

相關(guān)研究表明，聚氯乙烯（polyviny chloride，PVC）可以做收塵材料[16-17]，根據(jù)Wenzel[18]理論，親水/疏水性可以通過(guò)幾何屬性改進(jìn);Palasantzas[19]指出，表面接觸角主要取決于粗糙度指數(shù)，接觸角隨著粗糙度的增加而減小。本文研究制作4種不同尺寸溝槽的收塵板，討論在相同條件下不同尺寸溝槽與供水流量和水膜厚度，成膜率的關(guān)系。此外，在相同電壓風(fēng)速和顆粒粒徑下對(duì)比不同收塵板的收塵效率，以獲得最佳的槽口樣式。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓電源及控制系統(tǒng)、模擬煙氣系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)、濕式靜電除塵器本體等構(gòu)成。其中靜電除塵器本體包含放電電極、集塵電極、配水系統(tǒng)、高壓供電系統(tǒng)和集塵箱，放電極采用齒長(zhǎng)為20 mm的芒刺板電極。在配水系統(tǒng)上，通過(guò)水泵、流量計(jì)、管路等一系列設(shè)備組裝，調(diào)試小型水循環(huán)系統(tǒng)，保證水流暢通且裝置密封性良好。

PVC刻槽如圖2所示，槽板的總高度為H，槽深為h，槽間距為j，槽寬為k。4種板型上凹槽尺寸如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水膜厚度的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中，安裝好PVC板打開(kāi)供水泵，運(yùn)行一段時(shí)間觀察流量供應(yīng)穩(wěn)定，使用基于非接觸電容法的自制儀器測(cè)量水膜厚度。由于Asakawa效應(yīng)[20]，給定板上的水膜厚度在高電壓下會(huì)比沒(méi)有電壓下稍微改變，這里忽略電場(chǎng)對(duì)水膜的影響。此外，由于高壓電場(chǎng)會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x器的精敏程度有損害，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量水膜厚度沒(méi)有施加電壓和主流風(fēng)速。

1.2.2 除塵效率

選用煙塵自動(dòng)測(cè)試儀（HC-9001），使用重量法計(jì)算除塵效率。濕式靜電除塵器入口顆粒物濃度和出口的顆粒物濃度分別記為[Cin]、[Cout]因此將細(xì)顆?？偯摮师嵌x為

1.3 粉塵選擇

滑石粉的主要成分是Mg3（Si4O10）（OH）2，采用馬爾文激光粒度儀（MS2000）測(cè)得滑石粉（800目）的粒徑范圍在0.479～79.433 μm，其中約18 μm占比50%以上，接近工業(yè)粒徑分布。其基本性質(zhì)如表2所示，本實(shí)驗(yàn)選擇800目滑石粉作為實(shí)驗(yàn)粉塵。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同供水流量下PVC板上的水膜厚度分布

水膜厚度的研究溫度在15～28 ℃之間，不加粉塵和電壓情況下進(jìn)行。由于布水器的局限性，當(dāng)供水流量過(guò)大時(shí)液體會(huì)脫離板子而造成液體飛濺，這不利于實(shí)驗(yàn)的安全和測(cè)量，為了實(shí)際運(yùn)行的安全性和可操作性選定給水流量上限值700 L/h。本文選取供水流量Q分別為200 L/h，400 L/h，500 L/h和700 L/h進(jìn)行研究。由于4個(gè)板上的凹槽尺寸不同，為了有效地比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分兩種情況選取測(cè)試點(diǎn)，一是凸起面4種高度位置（按排列序號(hào)分No.36，No.89，No.141，No.176），二是凹槽面4種高度位置（按排列序號(hào)分No.35，No.82，No.145，No.175），示意如圖3。每一條橫向凸（凹）面取等間距的取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)排列在一個(gè)單獨(dú)的凸面或凹槽中，圖3中線型標(biāo)記的數(shù)字表示從測(cè)試點(diǎn)到頂部邊緣的距離。由于4種溝槽板在研究水膜厚度時(shí)特征分布相差不大，水膜厚度方面本文選擇溝槽板1進(jìn)行分析。

2.1.1 溝槽板凹槽中的水膜厚度

在不同供水流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的水膜厚度如圖4所示，橫坐標(biāo)表示板從左往右等距10個(gè)點(diǎn)的測(cè)試位置。

可以看出，各個(gè)PVC板在不同供水流量下水膜厚度有些波動(dòng)，但整體橫向上是趨于平緩，說(shuō)明板面鋪水情況良好，相關(guān)文獻(xiàn)[21]也說(shuō)明，單位表面存留的液體越多，對(duì)表面的潤(rùn)濕效果越好。表面流量越小，過(guò)水面積越大，說(shuō)明液體在表面的鋪展性好。厚度變化幅度最大位置在69.5 mm測(cè)試點(diǎn)處，4種供水流量下水膜厚度最大值與最小值之差分別為1.634 μm，1.292 μm，1.211 μm，1.039 μm，均大于1 μm。隨著測(cè)試點(diǎn)位置降低，水膜厚度的變化開(kāi)始減小。這意味著離布水管流水出口最近的測(cè)試點(diǎn)具有較大的水膜厚度變化，而較遠(yuǎn)的測(cè)量點(diǎn)有稍小的變化，這是由于在接近流水出口處水流較急，急促的水流遇上凹凸的板面結(jié)構(gòu)，便在近水口處產(chǎn)生湍流堆積。隨著供水流量的增加，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的水膜厚度都會(huì)增加。當(dāng)Q為700 L/ h時(shí)，水膜厚度最大。這是由于收塵板上的水負(fù)載能力越大，獲得的面部張力越大，成膜特性越好，因此水膜的厚度變得越大。

2.1.2 溝槽板凸面的水膜厚度

凸面的水膜厚度結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，水膜厚度沿板高的變化是明顯的，其中70.5 mm和176.5 mm處的水膜厚度波動(dòng)大，均在1 μm以上。280.5 mm和356.5 mm處水膜厚度的波動(dòng)小，均小于1 μm。由于凹槽有蓄水功能，凸面并不具有，沒(méi)有了緩沖儲(chǔ)水功能，凸面上水膜厚度的波動(dòng)變化比凹槽中的水膜厚度變化更大。此外，280.5 mm和356.5 mm處的水膜厚度均大于70.5 mm和176.5 mm處的水膜厚度，表明收塵板底部的水膜厚度大于頂部的水膜厚度。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是板子放置結(jié)構(gòu)不同造成，上游的水流在底部有部分堆積，造成水膜厚度變化，但位置由于處于最低端，可以認(rèn)為對(duì)整體水膜布置和除塵情況影響不會(huì)太大。同樣，隨著供水流量的不斷增加，每個(gè)凸面測(cè)試點(diǎn)的水膜厚度并沒(méi)有太過(guò)明顯的變化，這也是由于凸起部分相當(dāng)于一個(gè)平面，水流在這個(gè)表面上便順勢(shì)而過(guò)。當(dāng)Q = 700 L/h時(shí)曲線波動(dòng)最小，接近平滑，表明各部分位置水膜情況布置均勻，變化較平穩(wěn)。

2.2 同一高度不同溝槽板的水膜厚度對(duì)比

在供水流量Q = 400 L/h時(shí)，測(cè)量4種板型在同一高度位置凹槽內(nèi)的水膜厚度，并將其與光滑PVC板的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

在相同供水流量下，溝槽PVC板測(cè)試點(diǎn)的水膜厚度大于光滑板。隨著溝槽深度和寬度的增加，水膜厚度越來(lái)越厚。凹槽的存在有利于增加水膜厚度，凹槽將水填充溝槽間隙并使水膜具有了橫向遷移功能。結(jié)果表明，隨著凹槽的擴(kuò)大，儲(chǔ)水能力和水膜厚度是增加的。每塊板上最大水膜厚度與最小水膜厚度之間的差異如下，在光滑板上為1.095 μm，在溝槽板1上為1.292 μm（出現(xiàn)在69.5 mm的高度處），在溝槽板2上為1.069 μm（出現(xiàn)在289.5 mm的高度），在溝槽板3上為1.001 μm（出現(xiàn)在163.5 mm的高度）。由此可見(jiàn)，水膜厚度的變化幅度是隨著槽深和寬度的增加而減小。這是由于凹槽尺寸越大，蓄水功能越強(qiáng)，對(duì)水膜的變化幅度有緩沖作用，因此水膜更容易均勻地散布在面上，而減小水膜波動(dòng)變化。

2.3 溝槽對(duì)成膜率的影響

測(cè)試不同供水流量下的每個(gè)溝槽板的成膜率。結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果表明，每個(gè)溝槽板的成膜率均高于未處理的PVC板，并且成膜率在相同的供水流量下隨著溝槽深度和寬度的增加而增加，原因是溝槽可以增加板表面的潤(rùn)濕度，并且有利于儲(chǔ)水和使水橫向與垂直遷移。儲(chǔ)水容量隨著溝槽深度和寬度的增加而增加，水膜的擴(kuò)散能力提高，成膜率增加。板4時(shí)可得到最佳水膜成形結(jié)果為96.5%。板3的溝槽寬度是板2溝槽寬度的兩倍，在不同流量下，板3的成膜率高于板2，表明溝槽寬度增加有利于液膜擴(kuò)散，寬度增加了溝槽對(duì)水的填充能力，同時(shí)增加了薄膜形成面積。板4的溝槽深度是板2的兩倍。當(dāng)溝槽寬度和溝槽間隔相同時(shí)，板4的成膜率顯著增加。由于溝槽深度的增加，使水流橫向移動(dòng)增強(qiáng)的并在溝槽中留下更多的水。從而增加了槽板的承載水量，相應(yīng)地改善了成膜面積。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，橫向刻槽板成膜率不可能達(dá)到100%，在給水流量為700 L/h時(shí)的成膜面積已經(jīng)接近極值。原因是橫向槽的存在使水膜有向里收縮的力，這種力使得液膜底部變窄，增加流量這種現(xiàn)象會(huì)有所減弱，但不能完全避免。

2.4 供水流量和溝槽方式對(duì)除塵效率的影響

在實(shí)驗(yàn)條件為：風(fēng)速為0.8 m/s，給粉濃度為30 g/min（相應(yīng)入口濃度3 788.3 mg/m3），工作電壓為60 kV，異極距為200 mm，供水流量分別為200 L/h，400 L/h，500 L/h和700 L/h，測(cè)試5種板的除塵效率。如圖9所示，隨著供水流量的增加，5個(gè)板的除塵效率均變化很明顯，幾乎呈線性增長(zhǎng)。相比之下，4種溝槽板的效率都高于光滑板。說(shuō)明改進(jìn)后的溝槽板的可行性。

在相同的供水流量下，隨著溝槽的寬度和深度的增加，除塵效率大小如下：光滑板<溝槽板1<溝槽板2<溝槽板3<溝槽板4，溝槽板4的槽深和槽寬最大并且具有最佳除塵效率，達(dá)到99.702%。原因是溝槽板上的水膜厚度大于平滑板的水膜厚度，此外，每個(gè)板上的水膜厚度和成膜率從1到4順序增加，提高了水膜對(duì)粉塵的沖刷能力且水膜具有導(dǎo)電性，讓除塵效率得到改進(jìn)。

隨著水膜厚度和成膜率的增加，沖洗效果首先得到改善，消除了反電暈和二次揚(yáng)塵損失。其次，由于板面布滿水，必然除塵器通道內(nèi)充滿水分子，由淺川效應(yīng)[20]可知，電壓的存在會(huì)使水的蒸發(fā)量加劇，場(chǎng)道內(nèi)氣體的濕度增加，且高壓電暈放電會(huì)產(chǎn)生離子風(fēng)促進(jìn)顆粒物與水分子結(jié)合，改善導(dǎo)電性，促進(jìn)了小顆粒的荷電和團(tuán)聚，從而提高除塵效率。

3 結(jié)論與展望

本研究采用不同形式的PVC溝槽板作為收塵板，對(duì)WESP的水膜厚度和除塵效率進(jìn)行研究得出以下結(jié)論。

1）在不同的供水流量下，PVC板無(wú)論是凹槽還是凸面，靠近布水管流水出口處的水膜厚度變化幅度大，且底部的水膜厚度比變化規(guī)律也是如此。對(duì)于收塵板上的相同測(cè)試點(diǎn)，隨著供水流量的增加，凹槽和凸面水膜厚度在上都增加，凹槽面的厚度增加量大于凸面的增加量。

2）在不同供水流量下，PVC光滑板上的水膜厚度小于溝槽板上的水膜厚度，此外，隨著溝槽尺寸寬度和深度的增加，水膜厚度增加，這表明溝槽的存在利于增加水膜厚度。在不同供水流量下，凹槽中的水膜厚度變化幅度小于凸面上水膜厚度的變化幅度，這表明凹槽可以減緩水膜的波動(dòng)變化，利于均布水膜。

3）水膜厚度與成膜率呈正相關(guān)。在給定的收塵板上，水膜厚度和成膜率均隨著供水流量的增加而增加;在給定的供水流量下，水膜厚度隨著不同類型板上成膜率的增加而增加。

4）在相同的供水流量下，PVC光滑板的除塵效率最低。隨著凹槽的擴(kuò)大，除塵效率變得越來(lái)越高。在4種槽板類型中，溝槽板4最佳，最大除塵效率為99.702%。