反向電場細(xì)顆粒脫除機(jī)理及實驗研究

賈 沛，常玉鋒，石 零，劉君俠

（1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.湖北省工業(yè)煙塵污染控制重點(diǎn)實驗室(江漢大學(xué))，湖北 武漢 430056）

隨著國家超低排放政策的全面實施，一系列極其嚴(yán)格的國家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布。鋼鐵、水泥、化工和有色等高污染行業(yè)緊隨燃煤電廠，開展了對煙塵等多污染物實施協(xié)同治理以實現(xiàn)超低排放的提效改造[1-3]。靜電除塵器和袋式除塵器以凈化效率高，物料回收利用率高，而被廣泛應(yīng)用于顆粒污染物控制[4-6]。單一的靜電除塵器或袋式除塵器的全效率均高達(dá)99%以上，但對細(xì)顆粒物（PM2.5）的脫除效果并不理想[7]。而有機(jī)復(fù)合了靜電除塵技術(shù)和袋式除塵技術(shù)高效、低阻等諸多優(yōu)點(diǎn)的電袋復(fù)合除塵技術(shù)，在細(xì)顆粒物控制方面展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢，是目前除塵技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的熱點(diǎn)研究方向[7-9]。

本文基于反向電場除塵技術(shù)[10]，構(gòu)建了一套反向電場電袋復(fù)合除塵實驗裝置，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬揭示反向電場除塵技術(shù)的除塵增效機(jī)理，并在綜合實驗平臺上測試所研發(fā)實驗裝置對細(xì)顆粒物的捕集性能。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗裝置

反向電場電袋復(fù)合除塵實驗裝置如圖1所示。該裝置主要由發(fā)塵裝置、預(yù)荷電器、帶反向電場的袋式除塵器、高壓電源、風(fēng)機(jī)和采樣系統(tǒng)組成。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1）發(fā)塵裝置 采用舞臺發(fā)煙器，形成連續(xù)穩(wěn)定的氣溶膠顆粒（主要成分為乙醇和甘油），并通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)發(fā)塵質(zhì)量濃度。

2）預(yù)荷電器 采用線-管式預(yù)荷電器，結(jié)構(gòu)尺寸為Φ100 mm×1 000 mm（直徑×高），電暈線選用直徑2 mm的不銹鋼絲外接負(fù)高壓電源，金屬外殼接地。

3）帶反向電場的袋式除塵器 除塵器本體尺寸為450 mm×450 mm×1 400 mm（長×寬×高），內(nèi)部對稱均布4個濾袋，單個濾袋尺寸Φ120 mm×1 000 mm×2 mm（直徑×高×厚）。袋籠骨架由8根Φ8 mm的鋼筋構(gòu)成，外接負(fù)高壓。濾袋外表面包裹接地的金屬絲網(wǎng)，金屬絲直徑0.2 mm。除塵器底部設(shè)灰斗，頂部凈氣室采用脈沖噴吹清灰方式。

4）放電裝置 通過BGG-100 kV/2.5 mA負(fù)直流高壓發(fā)生器調(diào)節(jié)預(yù)荷電器的外加電壓。通過BGG-60 kV/5 mA負(fù)直流高壓發(fā)生器調(diào)節(jié)反向電場的外加電壓。

5）動力裝置 采用變頻器控制離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，并通過熱線風(fēng)速儀校核管道風(fēng)速，從而調(diào)節(jié)濾袋的過濾風(fēng)速。

6）采樣系統(tǒng) 采用PCME SC600煙塵儀測量出口粉塵質(zhì)量濃度。

1.2 實驗方法

初始條件下預(yù)荷電器不通電，袋式除塵器去除濾袋，在出口管道平直管段測量出口質(zhì)量濃度（N0）定義為初始質(zhì)量濃度。當(dāng)袋式除塵器內(nèi)裝入濾袋后，根據(jù)預(yù)荷電器和反向電場的通電情況（ON/OFF），在出口管道平直管段測得不同工況下實驗裝置的出口質(zhì)量濃度（N1），測試工況見表1。根據(jù)預(yù)荷電器和反向電場的通電情況，實驗裝置可以實現(xiàn)普通過濾、常規(guī)電袋復(fù)合和反向電場電袋復(fù)合3種測試工況。為減小實驗誤差，每組實驗測試均重復(fù)5次，取其平均值。

表1 測試工況Tab.1 The experimental conditions

凈化裝置的除塵效率可以表征為

式中：ηi為i工況下凈化裝置的除塵效率，%；N0為粉塵初始質(zhì)量濃度，mg/m3；N1i為i工況下凈化裝置的粉塵出口質(zhì)量濃度，mg/m3。

實驗環(huán)境氣溫28~30 ℃，環(huán)境濕度70%~95%，環(huán)境壓力100 125 Pa。實驗測試的環(huán)境溫度高于煙霧劑甘油的熔點(diǎn)（20 ℃），因此也減少了因煙霧中甘油凝固而帶來的測量誤差。

2 反向電場除塵增效機(jī)理分析

2.1 反向電場靜電力增效

在袋式除塵器內(nèi)，當(dāng)無外電場時，預(yù)荷電粒子的運(yùn)動速度（ω，m/s）取決于氣體流速（u0，m/s），兩者基本相等。

當(dāng)預(yù)荷電粒子通過反向電場時受到的電場力F為F=qE(2)

式中：F為粒子所受庫侖力，N；q為粒子荷電量，C；E為場強(qiáng)，V/m。

預(yù)荷電粒子與氣體相對運(yùn)動產(chǎn)生的阻力服從斯托克斯定律：

式中：f為阻力，N；μ為動力黏度，Pa·s；dp為粒子直徑，m；Cm為Cunningham修正系數(shù)。

因此平衡狀態(tài)下阻力與電場力相等，存在：

則反向電場中預(yù)荷電粒子的運(yùn)動速度為

對比式(3)和式(5)可得：預(yù)荷電粒子通過反向電場時實際運(yùn)動速度小于含塵氣流的運(yùn)動速度，即由于反向電場的庫倫斥力作用，減緩了預(yù)荷電粒子在反向電場內(nèi)的運(yùn)動速度。庫倫斥力越大，預(yù)荷電粒子通過濾袋的速度越慢，越容易被纖維捕獲[11-12]。因此，在相同條件下，反向電場電袋復(fù)合除塵器較常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的除塵效率增加[13-14]。此外，由于反向電場的排斥力阻止了預(yù)荷電顆粒向濾料內(nèi)部運(yùn)動，也使得濾袋清灰變得更加容易。

2.2 反向電場電極結(jié)構(gòu)增效

2.2.1 電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為保持較大的過濾面積和便于脈沖清灰，工業(yè)濾袋一般為外濾式，含塵氣流由外向內(nèi)穿過濾袋[15]。圖2為反向電場電極結(jié)構(gòu)。電暈線產(chǎn)生電暈離子的運(yùn)動方向為由內(nèi)向外穿過濾袋，而氣流的運(yùn)動方向則是由外向內(nèi)穿過濾袋，由于電暈離子和氣流的運(yùn)動方向相反，故將其稱為反向電場。由圖2可見，反向電場電極中，金屬袋籠作為電暈線外接負(fù)高壓直流電源，濾袋外表面的金屬網(wǎng)作為收塵電極接地。由縱橫交替鋼筋組成的袋籠（陰極）和濾袋外部金屬絲網(wǎng)（陽極）之間的電極結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)的線-板電極。其異極距僅為濾袋的厚度（約2 mm左右），故較低的外加電壓就可以在濾袋附近維持較高的場強(qiáng)，增加了設(shè)備操作的安全可靠性。另外，電暈線位于濾袋內(nèi)側(cè)潔凈區(qū)，不僅可以消除常規(guī)荷電方式中電暈線位于粉塵區(qū)可能產(chǎn)生的電暈閉塞[8]，還能減少電暈線清灰的工作量。

圖2 反向電場電極結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of electrodes in the reversed electric field

2.2.2 場強(qiáng)分布

選取實驗裝置中單個濾袋（直徑Φ120 mm，厚度δ=2 mm）作為研究對象，采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算[16-17]。實驗初始條件為平均場強(qiáng)2 kV/cm，對應(yīng)外加電壓為–400 V。當(dāng)施加外電場后，反向電場電勢及場強(qiáng)分布如圖3和圖4所示。由圖3可見，反向電場電極中，濾袋內(nèi)側(cè)袋籠處出現(xiàn)負(fù)電勢的最大值，離開袋籠后電勢向內(nèi)外兩側(cè)遞減，并在濾袋外側(cè)金屬絲網(wǎng)上衰減至0，而濾袋表面附近的電勢相對較高。

圖3 反向電場電極電勢分布Fig.3 Electric potential distribution in reversed electric field

圖4 反向電場電極場強(qiáng)分布Fig.4 Distribution of electric field electrode intensity in reversed electric field

由圖4可見，反向電場電極場強(qiáng)分布不均勻，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在袋籠附近，離開袋籠后電勢向內(nèi)外兩側(cè)遞減，濾袋中心處的場強(qiáng)較低。高場強(qiáng)能較好地覆蓋濾袋，場強(qiáng)越大，預(yù)荷電粒子的相對運(yùn)動速度越慢，越能體現(xiàn)出反向電場的電場增效作用。但是，電場分布的不均勻性可能導(dǎo)致濾料附近流場發(fā)生變化，對捕集效率和壓力損失會有一定影響[18]。

為定性分析反向電場作用在濾袋上的場強(qiáng)分布，選取濾袋厚度中心截面，其場強(qiáng)分布曲線如圖5所示。由圖5可見，反向電場在濾袋厚度中心截面上的場強(qiáng)以袋籠骨架為軸呈對稱分布，其場強(qiáng)值在0.15～1.95 kV/cm之間。

圖5 濾袋厚度中心截面電場場強(qiáng)分布Fig.5 Distribution of electric field intensity at middle section of the filter bag

在袋籠骨架附近區(qū)域場強(qiáng)最大，對應(yīng)形成8個場強(qiáng)峰值，表明該區(qū)域?qū)︻A(yù)荷電粒子的庫侖斥力較大，能有效降低預(yù)荷電粒子的通過速度，對預(yù)荷電粒子的減速增效作用相對較強(qiáng)；而在遠(yuǎn)離袋籠骨架處場強(qiáng)急劇降低，其場強(qiáng)谷值出現(xiàn)在2個袋籠骨架中心對應(yīng)的區(qū)域，該區(qū)域?qū)︻A(yù)荷電粒子的減速增效作用相對較弱。

因此，在反向電場電袋復(fù)合除塵實驗裝置中只需對反向電場電極施加較低的外加電壓就能夠在濾袋附近形成較高的場強(qiáng)，有效降低預(yù)荷電粒子的通過速度，進(jìn)而更容易被纖維捕獲，從而實現(xiàn)反向電場的除塵增效[19]。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 氣溶膠顆粒粒徑分布

采用DP-02激光粒度分析儀測定舞臺發(fā)煙器產(chǎn)生氣溶膠顆粒的粒度分布，結(jié)果如圖6所示。實驗氣溶膠顆粒的中位徑為1.49 μm，且大于99.5%的氣溶膠顆粒粒徑小于2.5 μm，因此所選用的實驗氣溶膠可以很好地表征細(xì)顆粒物（PM2.5）。

圖6 實驗氣溶膠顆粒粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of the aerosol particle

3.2 實驗裝置放電特性

實驗裝置伏安特性如圖7所示。由圖7可見，預(yù)荷電器采用Φ2 mm的不銹鋼絲，其伏安特性較為陡峭，而反向電場采用8根Φ8 mm的鋼筋作為電暈線，其伏安特性變化相對較為平緩。

圖7 實驗裝置伏安特性曲線Fig.7 The V-I characteristic curves of the experimental setup

測試工況條件下，實驗裝置放電特性見表2。由表2可見，相對于預(yù)荷電器，反向電場的理論電暈?zāi)芎膬H為其1/30。因此，在傳統(tǒng)電袋復(fù)合除塵器上增加反向電場后，除塵系統(tǒng)的總能耗略有增加。

表2 實驗裝置放電特性Tab.2 Discharge characteristics of the experimental setup

3.3 除塵效率對比

不同過濾方式下實驗裝置除塵效率的測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可見：不同過濾風(fēng)速下，有靜電增強(qiáng)作用袋式除塵器的除塵效率均高于普通濾袋方式，其中反向電場電袋復(fù)合的除塵效率最高，常規(guī)電袋復(fù)合次之；隨著過濾風(fēng)速的提高，所有過濾效率均有所下降，但反向電場電袋復(fù)合的降低幅度最緩；在1.0 m/min的過濾風(fēng)速條件下，反向電場電袋復(fù)合除塵效率較常規(guī)電袋復(fù)合和普通濾袋分別增加3.9%和7.3%；而過濾風(fēng)速提高到2.5 m/min后，其分別增效11.8%和64.4%?？梢姡^濾風(fēng)速越高，反向電場的增效作用越明顯。實驗結(jié)果再次驗證了反向電場電袋復(fù)合除塵器對高過濾風(fēng)速有更好的適應(yīng)性[10]。

圖8 實驗裝置除塵效率曲線Fig.8 Collection efficiency of the experimental setup

3.4 壓力損失對比

不同過濾方式下實驗裝置壓力損失實驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可見：隨著過濾風(fēng)速的提高，除塵器的壓力損失大致呈線性增加；在相同測試條件下，普通濾袋的壓力損失最高，常規(guī)電袋復(fù)合的壓力損失降幅最大；在過濾風(fēng)速2.5 m/min時，反向電場電袋復(fù)合除塵器相對于普通濾袋的壓力損失降低約5.3%，但比常規(guī)電袋復(fù)合的壓力損失增加約5.0%。

圖9 實驗裝置壓力損失曲線Fig.9 Pressure drop curves of the experimental setup

電袋復(fù)合除塵技術(shù)中的預(yù)荷電粒子在濾料上形成了蓬松的沉積粉塵層有利于氣流通過，有效地降低了過濾阻力[20]。常規(guī)電袋復(fù)合實驗裝置濾料上的累積電荷所形成的靜電場相對均勻，對流經(jīng)氣流的擾動較小。但反向電場中濾料層不同區(qū)域的場強(qiáng)波動較大，且遠(yuǎn)高于累積電荷所形成的靜電場，而場強(qiáng)的劇烈變化會引起濾料附近流場的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其壓力損失稍高于常規(guī)電袋復(fù)合實驗裝置。

此外，工業(yè)應(yīng)用中可采用表面為導(dǎo)電纖維的濾袋[21]，不僅可進(jìn)一步簡化電極結(jié)構(gòu)，還能減少因增加金屬絲網(wǎng)所引起的壓力損失。

4 結(jié) 論

1）反向電場電袋復(fù)合除塵器可以較低的外加電壓在濾料附近形成較高的電場場強(qiáng)，依靠庫倫斥力減緩預(yù)荷電粒子向濾袋內(nèi)部的運(yùn)動速度，從而更容易被纖維捕獲，實現(xiàn)反向電場的除塵增效。

2）在1.0~2.5 m/min過濾風(fēng)速條件下，反向電場電袋復(fù)合對細(xì)顆粒物的除塵效率相對于常規(guī)電袋復(fù)合增加3.9%～11.8%，且在高過濾風(fēng)速下其增效更為顯著。同時，由于反向電場對流場擾動，導(dǎo)致其壓力損失較常規(guī)電袋復(fù)合增加5%。

3）反向電場電袋復(fù)合除塵器無需改變原有袋式除塵器的過濾和清灰方式，且具有工作電壓低、電暈?zāi)芎牡?、對?xì)顆粒物的捕集效率高、清灰容易等優(yōu)點(diǎn)，有利于反向電場電袋復(fù)合除塵技術(shù)的工業(yè)推廣與應(yīng)用。