雙極預(yù)荷電裝置凝并特性實(shí)驗(yàn)研究

賈 沛, 常玉鋒

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

中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在短期內(nèi)難以改變，其中大部分煤炭主要用于火力發(fā)電。隨著國家超低排放政策的全面實(shí)施，以及除塵技術(shù)的快速升級，燃煤電廠的顆粒物排放已全面邁入超低排放階段[1-3]。雖然現(xiàn)有靜電除塵器對燃煤煙氣中顆粒物捕集的全效率高達(dá)99.9%以上，但對于微細(xì)顆粒物PM2.5的捕集效率卻相對較低，故提高微細(xì)顆粒物的捕集性能仍是目前除塵技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的熱點(diǎn)研究方向[4-7]。

針對微細(xì)顆粒物難于被收集，但是容易凝并的特點(diǎn)，提高微細(xì)顆粒物收集效率的最佳途徑是在進(jìn)入收塵階段前增加其粒徑，而氣溶膠凝并技術(shù)正是通過促進(jìn)煙氣中顆粒碰撞黏附的方法，減少顆粒數(shù)量，增加顆粒平均粒徑，從而更容易被除塵設(shè)備捕集[8]。申奧等[9]通過電稱低壓沖擊器分別測量湍流團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚及二者耦合作用時煙氣中細(xì)顆粒數(shù)量濃度及粒徑分布的變化，分析到湍流與化學(xué)團(tuán)聚有著相互促進(jìn)的內(nèi)在耦合機(jī)制。張光學(xué)等[10]探究了聲波頻率、聲功率及初始濃度對團(tuán)聚效果的影響規(guī)律；劉鶴欣等[11]通過雙層阻擋介質(zhì)放電電極對霧化液滴進(jìn)行荷電，從電極伏安特性、負(fù)載電壓對團(tuán)聚效率的影響以及水霧量對團(tuán)聚效率的影響三個方面進(jìn)行比較與表征。朱立平等[12]將濕式相變凝聚裝置應(yīng)用到工業(yè)鍋爐尾部對煙氣中微細(xì)顆粒凝聚和脫除。陳旺生等[13]提出了偶極荷電靜電凝并除塵裝置，對其凝并收塵機(jī)理進(jìn)行了分析，并對收塵性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在各種凝并技術(shù)中，由于靜電力直接作用于顆粒物本身而不改變?nèi)济簾煔獾睦砘匦?，因此靜電凝并作為一種高效、節(jié)能和清潔的凝并技術(shù)在提高微細(xì)顆粒物捕集效率方面表現(xiàn)出其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢[14]。但是現(xiàn)有的靜電凝并技術(shù)主要為雙區(qū)雙極結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性制約了常規(guī)靜電凝并技術(shù)的推廣應(yīng)用[15-18]。

為此，基于橫向雙極靜電除塵技術(shù)[19]，設(shè)計(jì)出一種線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置，通過數(shù)值模擬揭示線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)的電場和流場分布，并在綜合實(shí)驗(yàn)平臺上測試所研發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置對微細(xì)顆粒物的凝并效率。

1 技術(shù)思路的提出

1.1 傳統(tǒng)靜電凝并器

自雙極靜電凝并器被提出以來，靜電凝并理論及技術(shù)飛速發(fā)展[20-21]，但依然沒有擺脫傳統(tǒng)靜電凝并器雙區(qū)結(jié)構(gòu)的束縛：粉塵荷電區(qū)采用一臺正高壓、一臺負(fù)高壓直流電源分別施加在不同電場的電暈線上，形成正、負(fù)電荷電場；而凝并收塵區(qū)還須外加電壓實(shí)現(xiàn)粉塵的靜電凝并和粉塵捕集過程。

由于靜電除塵器內(nèi)平均流速較小，異極性預(yù)荷電粒子之間的氣流混合作用較弱，因此靜電凝并效率不高。直到Trace等[22]提出了采用擾流柱來強(qiáng)化靜電凝并過程，才加速了靜電凝并技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。帶擾流柱的傳統(tǒng)靜電凝并器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)靜電凝并器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schemes of traditional electrostatic agglomerator

圖1中，一個傳統(tǒng)靜電凝除塵系統(tǒng)至少需要配置三臺異極性的高壓電源，且每個電場區(qū)域需維持不同的運(yùn)行工況，也就大大增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高了設(shè)備初始投資成本，從而極大地制約了傳統(tǒng)靜電凝并器的工業(yè)應(yīng)用。

1.2 橫向雙極靜電除塵器

針對此技術(shù)難題，聶衍韜等[23]提出了極配形式(圖2)的橫向雙極靜電除塵技術(shù)。圖2中，橫向雙極靜電除塵技術(shù)的高壓電極(組)和接地電極(組)均垂直于氣流運(yùn)動方向布置。僅利用一臺(套)高壓電源和控制系統(tǒng)就同時形成了正、負(fù)電暈區(qū)：在高壓電暈線和接地極板之間形成負(fù)電暈荷電區(qū)，接地電暈線和高壓極板之間形成正電暈荷電區(qū)。氣流經(jīng)過橫置收塵板時強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動提高了正、負(fù)預(yù)荷電粒子之間的湍流和靜電凝并效率，同時也實(shí)現(xiàn)了空氣動力分離和靜電除塵機(jī)理的完美復(fù)合。因此，橫向雙極靜電除塵器僅用一臺高壓電源同時實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)電暈，湍流混合，湍流和靜電凝并，以及空氣動力和靜電收塵等傳統(tǒng)靜電凝并器的所有功能。

紅色為接地電極；藍(lán)色為負(fù)高壓電極圖2 橫向雙極靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schemes of bipolar transverse plate ESP

實(shí)驗(yàn)室測試和示范工程環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)[24]均表明，橫向雙極靜電除塵系統(tǒng)相對常規(guī)靜電除塵系統(tǒng)的穿透率降低50%左右；橫置極板導(dǎo)致垂直于氣流運(yùn)動方向截面的有效過流面積只有50%，因此除塵系統(tǒng)阻力相對于傳統(tǒng)靜電除塵器的阻力增加了30%。

1.3 線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置

在超凈排放改造工程中，若原有風(fēng)機(jī)的富裕壓頭不足，則無法選用阻力較大的除塵系統(tǒng)。為降低橫向雙極靜電除塵系統(tǒng)的阻力，借鑒靜電凝并器擾流柱設(shè)計(jì)，用金屬極管代替橫置極板，構(gòu)建出如圖3所示的線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置。

紅色為接地電極；藍(lán)色為負(fù)高壓電極圖3 線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schemes of wire-tube transverse bipolar precharging device

圖3中，系統(tǒng)僅使用一臺(套)高壓電源和控制系統(tǒng)，在高壓電暈線和接地極管之間形成負(fù)電暈荷電區(qū)，接地電暈線和高壓極管之間形成正電暈荷電區(qū)；金屬極管作為擾流柱，在作為電極的同時也強(qiáng)化了電場內(nèi)含塵氣流的湍流擾動，同樣實(shí)現(xiàn)了湍流和靜電凝并的有機(jī)復(fù)合。由于粉塵較難在光滑的極管外壁沉積，因此靜電收塵功能可以忽略不計(jì)，但是可以作為帶凝聚功能的預(yù)荷電器使用。

線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置將傳統(tǒng)雙區(qū)靜電凝并器的雙極粉塵荷電區(qū)和擾流柱有機(jī)整合在一個空間，具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、投資和運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)。相對于橫向雙極靜電除塵器，線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)垂直于氣流運(yùn)動方向截面的有效過流面積較大，阻力大大降低；此外，由于線-管電極上粉塵難以沉積，因此在降低電極的清灰頻率的同時也避免了線-板電極的反電暈現(xiàn)象。因此，線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置可以安裝在常規(guī)凈化裝置之前作為帶凝并功能的預(yù)荷電器使用，從而拓寬橫向雙極靜電除塵技術(shù)的工程應(yīng)用范圍[25]。

2 線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)電流體動力學(xué)分析

為定性分析線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)的電場、流場和空間電荷分布規(guī)律，借助商業(yè)多物理場耦合軟件，建立如圖4所示的2D計(jì)算模型。其中，電場和空間電荷分布選用等離子體接口的電暈放電模塊(由電荷守恒方程和泊松方程組成)，流場分布選用流體接口的湍流動能-耗散率(k-ε)湍流模塊，通過等離子體接口和流體接口的耦合來計(jì)算電場內(nèi)電場、空間電荷密度和流場分布。

2D計(jì)算模型參數(shù)同實(shí)驗(yàn)測試平臺：電場空間尺寸180 mm×116 mm，線電極Φ0.4 mm，管電極Φ10 mm，異極距20 mm，外加電壓-12 kV，進(jìn)口風(fēng)速5 m/s，出口為壓力控制。在定常條件下的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置2D計(jì)算模型Fig.4 2D geometric model of wire-tube bipolar transverse precharger device

圖5 電流體動力學(xué)分析結(jié)果Fig.5 Electrohydrodynamic analysis results

由圖5(a)可以看出，在陰極管和陰極線處出現(xiàn)負(fù)電勢的最大值，離開陰極后迅速減小，并在陽極管和陽極線處衰減為0。根據(jù)經(jīng)典靜電學(xué)理論：陰極線相對于陽極管的電勢差為負(fù)值，故陰極線-陽極管構(gòu)成的電極將產(chǎn)生負(fù)電暈；而陽極線相對于陰極管的電勢差為正值，故陽極線-陰極管構(gòu)成的電極將產(chǎn)生正電暈。由于線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)同時存在多個陰極線-陽極管電極和陽極線-陰極管電極，因此一臺負(fù)高壓電源在預(yù)荷電裝置內(nèi)可以同時產(chǎn)生正、負(fù)電暈。

由圖5(b)可以看出，空間電荷分布具有很好的對稱性：負(fù)電荷出現(xiàn)在陰極線和陽極管之間的區(qū)域，在陰極線附近負(fù)電荷密度最大，并朝著陽極管的方向快速減?。欢姾沙霈F(xiàn)在陽極線和陰極管之間的區(qū)域，在陽極線附近正電荷密度最大，并朝著陰極管的方向快速減小，因此在預(yù)荷電裝置內(nèi)同時出現(xiàn)了正、負(fù)電荷，而正、負(fù)電荷的存在是靜電凝并器內(nèi)發(fā)生靜電凝并的必要前置條件。

由圖5(c)可以看出，順氣流方向上，極線附近區(qū)域的流速較大，速度峰值在7～8 m/s，遠(yuǎn)高于進(jìn)口平均風(fēng)速；高風(fēng)速有利于自由電子和離子擺脫電暈線的束縛，增加電場空間內(nèi)帶電離子的濃度；而極管區(qū)域的流速較小，在極管背風(fēng)面附近區(qū)域的速度谷值不到0.5 m/s，且存在回流區(qū)，有助于荷電粒子的充分混合、荷電和靜電沉降[26]。垂直于氣流方向截面上，由于極管的擾流作用，速度分布不均勻，湍流混合作用增強(qiáng)；且在離開預(yù)荷電裝置后一段距離內(nèi)，還存在較強(qiáng)的湍流混合，均有利于湍流凝并和靜電凝并[27]。

圖6 測試系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of test system

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Panorama of experimental device

3 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)原理圖及實(shí)驗(yàn)裝置全景全分別如圖6、圖7所示，主要由發(fā)塵器、預(yù)荷電裝置、高壓電源、風(fēng)機(jī)和進(jìn)、出口采樣系統(tǒng)組成。①發(fā)塵裝置：采用自制發(fā)塵器，經(jīng)干燥處理后形成穩(wěn)定連續(xù)的粉塵，并通過節(jié)流閥控制發(fā)塵濃度；②預(yù)荷電電極：線電極選用直徑0.4 mm的鎢絲，管電極選用直徑10 mm的不銹鋼管，異極距取20 mm，雙極預(yù)荷電器放置在圖6中第一電場內(nèi)，第二電場不通電；③放電裝置：通過BGG-60 kV/5 mA負(fù)直流高壓發(fā)生器HV調(diào)節(jié)預(yù)荷電裝置的外加電壓；④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)預(yù)荷電裝置內(nèi)的電場風(fēng)速；⑤采樣系統(tǒng)：采用6通道KANOMAX3889粒子計(jì)數(shù)器測量進(jìn)出口粉塵的數(shù)量濃度(稀釋的)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

經(jīng)干燥處理的粉塵由發(fā)塵器實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地給粉，在進(jìn)口管道平直管段測量進(jìn)口粉塵濃度N0i，粉塵在進(jìn)入預(yù)荷電裝置后發(fā)生雙極荷電、湍流混合和靜電凝并，在出口管道平直管段測量出口粉塵濃度N1i，則粉塵的凝并效率ηi為

(1)

式(1)中：ηi為粒徑為i的粉塵凝并效率，%；N0i為進(jìn)口段粒徑為i的粉塵濃度，個/m3；N1i為出口段粒徑為i的粉塵濃度，個/m3。

為統(tǒng)計(jì)全粒徑分布粉塵的凝并效率，預(yù)荷電裝置內(nèi)的平均風(fēng)速取5 m/s，可以有效地減少大顆粒粉塵在極管和管道內(nèi)壁上的沉淀。預(yù)荷電裝置出口距出口采樣孔的距離大于2 m，對應(yīng)的氣流運(yùn)動和混合時間大于0.4 s，也滿足預(yù)荷電粉塵充分湍流混合和靜電凝并的時間要求[28]。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)測試均重復(fù)5次，取其平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 放電特性

粉塵的荷電效果一般通過電暈電流來評價。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[24]，相同工況下橫向雙極靜電除塵器的電暈電流較常規(guī)靜電除塵器的電暈電流高約30%，因此橫向雙極靜電除塵器對粉塵的荷電效果強(qiáng)于常規(guī)靜電除塵器，電暈電流越大，靜電除塵器的除塵效率越高[29]。雙極預(yù)荷電裝置的放電特性如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置的伏安特性Fig.8 V-I characteristics of the experimental device

由圖8可以看出，預(yù)荷電裝置的起暈電壓約為4 kV(對應(yīng)平均場強(qiáng)為2 kV/cm)。由于當(dāng)外加電壓大于9 kV后，電暈電流開始急劇增加，能使通過預(yù)荷電裝置的粉塵充分荷電，因此實(shí)驗(yàn)中外加電壓的測試范圍取8～12 kV，對應(yīng)的平均場強(qiáng)為4～6 kV/cm。

4.2 進(jìn)出口粉塵粒徑分布

為測試雙極預(yù)荷電裝置對微細(xì)顆粒物的凝并效果，實(shí)驗(yàn)粉塵選用硅微粉(超細(xì)規(guī)格)，采用DP-02激光粒度分析儀測定其粒度分布，如圖9所示。

圖9 進(jìn)口實(shí)驗(yàn)粉塵粒徑分布Fig.9 Particle size distribution of test dust at inlet

選用粉塵的中位粒徑為1.7 μm，最大顆粒直徑為13.4 μm其濃度峰值出現(xiàn)在1～3 μm，且70%以上粉塵的粒徑小于2.5 μm，而僅0.3%的粉塵粒徑大于10 μm，因此所選用的實(shí)驗(yàn)粉塵基本可以表征微細(xì)顆粒物(PM2.5)。

將出口采樣孔內(nèi)收集的粉塵通過激光粒度分析儀得到其粒度分布，如圖10所示。

圖10 出口收集粉塵粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of collected dust at outlet

經(jīng)過預(yù)荷電裝置后，出口段粉塵的粒徑分布呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，其中一個峰值區(qū)間位于1～3 μm，而另外一個峰值區(qū)間位于50～60 μm。粒徑小于2.5 μm的粉塵占比減少到60%，而粒徑大于10 μm的粉塵占比增加到11%，且最大直徑增加到152 μm，凝并效果顯著。出口粉塵粒徑越大，越容易被后續(xù)的凈化裝置所捕集。

4.3 凝并效率

設(shè)定發(fā)塵速率下，進(jìn)口段粉塵的質(zhì)量濃度約為2.5 g/m3，其數(shù)量濃度分布如圖11所示。

圖11 進(jìn)口粉塵數(shù)量濃度Fig.11 Particle number concentration at inlet

給定發(fā)塵速率下，進(jìn)口段粉塵的數(shù)量濃度為5.45×1010個/m3，粉塵主要粒徑分布區(qū)間集中在1～3 μm，占比約60%。

不同外加電壓下粉塵的凝并效果如圖12所示。

圖12 不同電壓下粉塵的凝并效率Fig.12 Agglomeration efficiency at different applied voltages

由圖12可以看出，各粒徑段粉塵的凝并效率隨著外加電壓的增大而升高。當(dāng)外加電壓由8 kV提升到10 kV時，凝并效率提高顯著，其主要原因是電暈電流的提升幅度較大，隨著顆粒物的荷電量增加，異極性荷電粒子之間的靜電凝并作用也隨之增強(qiáng)。在10 kV(對應(yīng)電場強(qiáng)度5 kV/cm)條件下，所有粒徑區(qū)間粉塵的凝并效率均超過90%。外加電壓超過11 kV以后，細(xì)微顆粒的荷電量已基本飽和，故繼續(xù)提高外加電壓，粉塵的凝并效率提升不明顯。

在0.3～10 μm粒徑區(qū)間，同一電壓下凝并效率隨著粒徑的增加而提高，即粉塵越小，其凝并效果越差。主要原因是該粒徑區(qū)間粒子的荷電機(jī)制為電場荷電，顆粒越大其飽和荷電量越多，庫侖力作用下的靜電凝并效果越顯著。而大于10 μm粒徑區(qū)間粉塵的凝并效率曲線受外加電壓的影響較小，主要是小粒徑粉塵凝聚后進(jìn)入該粒徑區(qū)間并形成一個數(shù)量濃度峰值。雖然該區(qū)間粒子出口數(shù)量濃度變化不大，但由于凝并作用引起粒徑的增加導(dǎo)而致其質(zhì)量濃度顯著提高。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

徐俊磊等[30]對傳統(tǒng)雙區(qū)靜電凝并裝置(無擾流柱)的實(shí)驗(yàn)研究得到：在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速1.6 m/s、直流電壓15 kV(對應(yīng)平均電場強(qiáng)度約5 kV/cm)、脈沖正電壓20 kV、脈沖頻率70 Hz、脈沖占空比50%，工況條件下，0.3～1.0 μm微細(xì)顆粒物的凝并效率為84.1%～86.8%。所提出的雙極預(yù)荷電裝置結(jié)構(gòu)更加簡單，且凝并效率提升約8.5%，其根本原因是雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)的湍流運(yùn)動強(qiáng)化了靜電凝并。當(dāng)然，采用脈沖電源替代直流電源實(shí)現(xiàn)雙極預(yù)荷電裝置的節(jié)能增效是值得進(jìn)一步研究的課題。

張江石等[31]研發(fā)了雙區(qū)芒刺式電凝并裝置在電暈極板和反電暈極板上均安裝有相互交錯的芒刺，利用芒刺產(chǎn)生的正、負(fù)離子風(fēng)提高電場區(qū)域的湍流強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高的靜電凝并效率。在電場風(fēng)速0.5 m/s，異極距0.02 m工況下，當(dāng)外加電壓達(dá)到9 kV時，0.3 μm和0.5 μm粒徑粉塵的凝并效率超過80%，1、3、5 μm粒徑粉塵的凝并效率均超過90%，與雙極預(yù)荷電裝置的凝并效率實(shí)驗(yàn)值較為接近，且變化規(guī)律基本一致，但雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)的電場風(fēng)速是其10倍。高電場風(fēng)速一方面可以提高湍流強(qiáng)度，進(jìn)而增加凝并效率，同時也意味著雙極預(yù)荷電裝置的占地面積大大減小。而簡單化、小型化、大氣量、高凝并效率一直是靜電凝并裝置工業(yè)應(yīng)用的需要解決的技術(shù)難題。

5 結(jié)論

(1)相對于傳統(tǒng)靜電凝并器，線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置僅用一臺高壓電源同時實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)雙極電暈荷電，湍流混合和靜電凝并等常規(guī)靜電凝并器的基本功能，其電極結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，有助于拓寬橫向雙極靜電除塵技術(shù)的應(yīng)用范圍。

(2)電流體動力學(xué)定性分析結(jié)果驗(yàn)證了線-管式橫向雙極預(yù)荷電裝置內(nèi)同時出現(xiàn)正、負(fù)電暈，同時存在正、負(fù)電荷；氣流分布的不均勻性有助于增加電暈電流和增強(qiáng)湍流混合，進(jìn)而提高靜電凝并效率。

(3)針對中位粒徑為1.7 μm的實(shí)驗(yàn)粉塵，各粒徑段粉塵的凝并效率隨著外加電壓的增大而升高，凝并后的粉塵呈雙峰分布，0.3～10 μm粒徑區(qū)間粉塵的凝并效率隨著粒徑的增加而升高，而大于10 μm粒徑區(qū)間粉塵的凝并效率受外加電壓的影響較小，但其最大顆粒直徑增大明顯。