電極組合配置在電除塵器提效改造中的應(yīng)用

艾璞，李昌斌，高重樂(lè)，華耀鋒，余創(chuàng)波

1 前言

電除塵器的工作原理是利用高電壓使電場(chǎng)空間氣體發(fā)生電離，氣體電離產(chǎn)生的離子與隨氣流經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的粉塵碰撞使粉塵附帶電荷，帶電粉塵在電場(chǎng)力作用下趨近收塵極板，實(shí)現(xiàn)氣固分離。許多工程項(xiàng)目電除塵器前級(jí)電場(chǎng)粉塵濃度高、粒徑大，易閃絡(luò)，粉塵空間電荷多，對(duì)電暈電流的抑制作用大，運(yùn)行電壓較高但電流??；后級(jí)電場(chǎng)粉塵濃度低、粒徑小，不易閃絡(luò)，粉塵空間電荷少，對(duì)電暈電流的抑制作用小，運(yùn)行電壓較低但電流大，通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)粉塵粒子的除塵要求，影響電除塵器除塵效率。

本文通過(guò)電流密度實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了6種工業(yè)常用陰極線線型與型號(hào)為C480 的陽(yáng)極板（簡(jiǎn)稱“C480板”）匹配時(shí)的板平均電流密度J、板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ兩個(gè)指標(biāo)，分析了不同的電極配置結(jié)構(gòu)電場(chǎng)特性，結(jié)合中試實(shí)驗(yàn)，針對(duì)電除塵器前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)現(xiàn)有電極配置影響除塵效率的問(wèn)題，根據(jù)粉塵顆粒場(chǎng)分布，調(diào)整電除塵器電場(chǎng)電極配置（陰陽(yáng)極類(lèi)型、極間距、極線距），優(yōu)化前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)電極配置，使電除塵器前級(jí)電場(chǎng)在“高電壓、大電流”模式下運(yùn)行，增大前級(jí)電場(chǎng)電暈功率，提高前級(jí)電場(chǎng)平均電場(chǎng)強(qiáng)度及粉塵荷電量；后級(jí)電場(chǎng)在“高電壓、低電流”模式下運(yùn)行，更高的峰值電壓使微細(xì)粒子粉塵充分荷電，低電流節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

極配（電極配置）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由極配試驗(yàn)裝置、高壓供電裝置和測(cè)試裝置三部分組成，如圖1 所示，主要測(cè)試儀表及設(shè)備如表1所示。

圖1 極配（電極配置）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

極配試驗(yàn)裝置為三通道極配結(jié)構(gòu)，電場(chǎng)有效高度3 375mm，有效長(zhǎng)度2 980mm，有效寬度1 200mm，同極距400mm，陰極線單根線長(zhǎng)3 000mm。陰極線線型選用RS 線（線型1）、BS 線（線型2）、針刺23 線（線型3）、針刺33 線（線型4）、板刺線（線型5）及異形鋸齒線（線型6）6 種工程常用線型，見(jiàn)圖2。陽(yáng)極板選用C480板，見(jiàn)圖3。

圖2 6種工程常用陰極線線型

圖3 C480陽(yáng)極板

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用銅片制作微電流采集探測(cè)板，將其分割成119塊22mm×47mm、相互絕緣的測(cè)試單元，在陽(yáng)極板上，高300mm、寬480mm 范圍內(nèi)，排列成7 行17 列，如圖4 所示。在測(cè)量板電流密度時(shí)，采用4個(gè)并行工作的電流采集模塊，每個(gè)模塊經(jīng)導(dǎo)線與電流探測(cè)板相連，正輸出端接地。電流采集模塊將極板微電流輸送至皮安級(jí)電流數(shù)據(jù)采集器，電流測(cè)量精度為10-12A，測(cè)量精度為±（50ppm 讀數(shù)+18ppm量程）。計(jì)算機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與皮安級(jí)電流數(shù)據(jù)采集器和高壓電源進(jìn)行通訊，記錄電流數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程控制高壓電源。

圖4 微電流采集探測(cè)板

采用平均電流密度J和電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ兩個(gè)指標(biāo)，討論不同電極配置時(shí)的板表面電流密度分布特性，通過(guò)σ判斷板電流密度分布的均勻性，公式如下：

式中：

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)量，個(gè)

ji——第i點(diǎn)電流密度，mA/m2

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在極配試驗(yàn)裝置上裝設(shè)待測(cè)電極，調(diào)整至預(yù)定參數(shù)，啟動(dòng)高壓電源送入負(fù)高壓，隨后逐步升高電壓，使用皮安級(jí)電流測(cè)量?jī)x依次對(duì)每個(gè)測(cè)試單元上的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)測(cè)試單元為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)定5s測(cè)試時(shí)間，測(cè)試范圍內(nèi)119個(gè)測(cè)試單元銅片依次輸出電暈電流，直至計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)采用多次測(cè)試取平均值的方法，對(duì)每組電極配置進(jìn)行6～10組循環(huán)測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

輸入二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV，板表面電流密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，1～6 號(hào)線型陰極線分別與C480陽(yáng)極板匹配時(shí)的板電流密度分布云圖如圖5～圖10所示。電流密度分布云圖為將試驗(yàn)所測(cè)119組數(shù)據(jù)采用Origin圖形可視化軟件和數(shù)據(jù)分析軟件所制作的等高線圖，色譜表示板電流密度大小及分布。X、Y軸分別表示極板寬度和高度方向，X=0對(duì)應(yīng)極板中心線。

表2 板表面電流密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 線型1-RS線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

由圖5、圖6及表2可知，RS線、BS線與C480板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV和65kV時(shí)，兩者對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)出的電流密度分布云圖有極大的相似性，芒刺尖端正對(duì)極板處電流密度大，陰極線正對(duì)極板中間區(qū)域存在不同程度的電流盲區(qū)，且隨著二次電壓的增大，電流盲區(qū)寬度減小。這是因?yàn)镽S 線和BS線的支撐結(jié)構(gòu)為圓管（見(jiàn)圖2a、2b），圓管曲率半徑大；輸入二次電壓時(shí)，芒刺尖端勢(shì)能最大，電離周?chē)諝猱a(chǎn)生電暈電子；電暈電子定向移動(dòng)，產(chǎn)生電暈電流；而支撐結(jié)構(gòu)圓管勢(shì)能較弱，電離程度弱，即正對(duì)極板處表現(xiàn)為電流為零的“死區(qū)”。二次電壓升高，支撐結(jié)構(gòu)圓管電離程度增強(qiáng)，正對(duì)極板處電暈盲區(qū)得到部分電子，電流盲區(qū)寬度減小。BS 線較RS 線在電場(chǎng)空間放電點(diǎn)數(shù)量成倍增加，但板電流密度沒(méi)有成倍增大，這是由于RS 線內(nèi)側(cè)的芒刺尖端與外側(cè)的芒刺尖端電暈放電時(shí)產(chǎn)生的同性電子之間相互作用，存在電子干擾，表現(xiàn)出板電流密度沒(méi)有成倍增大。

圖6 線型2-BS線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

二次電壓為45kV、55kV和65kV時(shí)，RS線、BS線分別與C480板組成電場(chǎng)電極配置結(jié)構(gòu)，板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ均＞0.45，板電流密度分布不均勻，極板有效利用率低，且受線形結(jié)構(gòu)影響，極板不能充分放電，進(jìn)而在實(shí)際工程應(yīng)用中極易出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象。

由圖7、圖8及表2可知，針刺23線、針刺33線與C480 板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV時(shí)，極板中間區(qū)域依然存在電流盲區(qū)，但電流盲區(qū)寬度較窄。相較于針刺23 線，針刺33 線針刺長(zhǎng)度增加（見(jiàn)圖2c、2d），相同電壓條件下，極板平均電流密度增大，電流盲區(qū)范圍增大。這是由于針刺33線相對(duì)于針刺23線，放電尖端位置外移，二次電壓一定時(shí)，放電尖端電暈強(qiáng)度相同，支撐結(jié)構(gòu)圓鋼對(duì)針刺33 線的抑制作用相對(duì)較小，極板兩側(cè)可以得到更多電暈電荷，正對(duì)極板中間部分電荷減弱，電流盲區(qū)范圍增大，極板兩側(cè)電流增大，優(yōu)于因放電點(diǎn)外移所引起的極板中間部分電流減弱程度，即表現(xiàn)出平均電暈電流增大，電流盲區(qū)范圍增加，使板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ增大。

圖7 線型3-針刺23線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

圖8 線型4-針刺33線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

RS 線和BS 線因支撐結(jié)構(gòu)圓管曲率半徑較大，正對(duì)極板處有一定范圍的電流盲區(qū)，現(xiàn)將BS 線圓管支撐改為扁鋼支撐，側(cè)部芒刺結(jié)構(gòu)分布不變，扁鋼兩側(cè)增加針刺線，正對(duì)極板，形成板刺線，結(jié)構(gòu)如圖2e所示。

由圖9、表2可知，板刺線與C480板匹配、各電壓條件下，支撐結(jié)構(gòu)扁鋼正對(duì)極板處電流盲區(qū)得到了極大改善，且增設(shè)針刺線部分對(duì)應(yīng)極板區(qū)域出現(xiàn)電流密度峰值，極板平均電流密度與BS 線平均電流密度數(shù)值相近，但二次電壓在45kV時(shí)，板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ減小了19.77%，二次電壓在55kV時(shí)，更是減小了38.68%，電流密度分布均勻性提高。這是因?yàn)楸怃撋显O(shè)置了針刺線，即正對(duì)電暈屏蔽區(qū)增設(shè)了放電點(diǎn)，電壓升高，針刺電暈放電產(chǎn)生定向移動(dòng)電子，定向移動(dòng)電子產(chǎn)生微電流，電流盲區(qū)得到微電流，極板上不再存在電流盲區(qū)，板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ大幅減小，極板有效利用率提升。

圖9 線型5-板刺線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

由圖10、表2 可知，異形鋸齒線與C480 板匹配、各二次電壓條件下，極板上均無(wú)電流盲區(qū)，板電流密度＞0.1mA/m2，且電流密度分布均勻度高。電壓65kV時(shí)，電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.345。這是因?yàn)?，鋸齒線支撐結(jié)構(gòu)扁鋼寬度小，產(chǎn)生電暈屏蔽范圍小，兩側(cè)鋸齒長(zhǎng)度不等（見(jiàn)圖2f），曲率半徑不同，相鄰放電點(diǎn)、相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，電暈電子干擾程度小，且一定程度上相互彌補(bǔ)了各自電暈電子所不能覆蓋的區(qū)域。電壓一定時(shí)，長(zhǎng)鋸齒放電強(qiáng)烈，正對(duì)極板處電流密度峰值大，電暈電離產(chǎn)生大量自由電子，部分電子定向移動(dòng)至極板中部，電暈屏蔽區(qū)得到電子補(bǔ)償，產(chǎn)生微電流。

圖10 線型6-異形鋸齒線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

由以上數(shù)據(jù)分析可明顯發(fā)現(xiàn)，RS 線和BS 線、針刺23 線和針刺33 線因支撐結(jié)構(gòu)為圓管和圓鋼，支撐結(jié)構(gòu)曲率半徑大于芒刺尖端和針刺尖端，輸入二次電壓，正對(duì)極板處均存在不同程度的電流盲區(qū)。相同電壓條件下，RS線和BS線支撐結(jié)構(gòu)圓管勢(shì)能弱，電離程度低，導(dǎo)致電暈電流小，板電流密度分布均勻性差，極板有效利用率低。各二次電壓條件下，RS線和BS線電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ均＞0.4。

針刺23 線、板刺線、異形鋸齒線與C480 板組成的電極配置，可有效改善支撐結(jié)構(gòu)在極板表面形成的電流盲區(qū)。其中，針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時(shí)，板電流密度0.366mA/m2，電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.34；板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時(shí)，板電流密度0.441mA/m2，電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.298。即，板刺線與C480 板配置，可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、大電流”運(yùn)行模式，針刺23 線與C480 板配置，可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、低電流”運(yùn)行模式，且板電流密度分布相對(duì)均勻性高，極板有效利用率高。

4 中試實(shí)驗(yàn)

4.1 電除塵器設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

我公司實(shí)驗(yàn)室自主搭建了一臺(tái)三電場(chǎng)電除塵器，陽(yáng)極板為C480 板，陰極線采取了兩種布置方案。方案1，一、二電場(chǎng)采用BS 線，三電場(chǎng)采用RS線；方案2，一、二電場(chǎng)采用板刺線，三電場(chǎng)采用針刺23 線。電除塵器多級(jí)電場(chǎng)電極配置如圖11 所示。陽(yáng)極板清灰采用側(cè)部振打，陰極清灰采用頂部電磁振打，電除塵器主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。實(shí)驗(yàn)用灰選用水泥窯尾電除塵灰，模擬工業(yè)煙氣粉塵，粉塵粒徑分布如圖12 所示，中位粒徑為2.664μm。

表3 電除塵器主要技術(shù)參數(shù)

圖12 水泥窯尾電除塵灰粒徑分布

4.2 測(cè)試結(jié)果

中試試驗(yàn)顆粒物濃度測(cè)試，選用嶗應(yīng)3012-H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀，依據(jù)GB 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》和HJ/T 47-1999《煙氣采樣器技術(shù)條件》技術(shù)要求[1-2]進(jìn)行采樣。

輸入二次電壓50kV，依次對(duì)電極配置方案1和方案2 進(jìn)行采樣。結(jié)果表明，方案1 除塵器出口粉塵濃度測(cè)試值為36.88mg/m3，除塵效率96.31%；通過(guò)電極配置組合優(yōu)化，方案2除塵器出口粉塵濃度測(cè)試值為8.23mg/m3，除塵效率99.18%，提效明顯，出口粉塵濃度降低77.68%。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）BS線、RS線、針刺23線、針刺33線與C480板匹配時(shí)，陰極線正對(duì)極板表面均存在不同程度的電流盲區(qū)，板電流密度分布不均勻，極板有效利用率低。

（2）BS 線芒刺內(nèi)、外側(cè)尖端電暈放電，存在電子干擾，且芒刺線板電流密度不隨放電尖端數(shù)量的成倍增加而成倍增大，線型結(jié)構(gòu)影響芒刺尖端不能充分放電，極板有效利用率低，易引起反電暈現(xiàn)象。

（3）優(yōu)化陰極線結(jié)構(gòu)參數(shù)，將RS 線、BS 線支撐結(jié)構(gòu)圓管改為扁鋼支撐，并在扁鋼兩側(cè)正對(duì)極板布置針刺，兩側(cè)放電尖端布置高度不同等措施，均有利于板電流密度分布均勻性的提高。

（4）板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時(shí)，板電流密度0.441mA/m2，電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.298，可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、大電流”運(yùn)行模式；針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時(shí)，板電流密度0.366mA/m2，電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.34，可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、低電流”運(yùn)行模式。

（5）電除塵器前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)電極配置的組合優(yōu)選，可顯著提升電除塵器除塵性能，三電場(chǎng)電除塵器中試試驗(yàn)，電極配置方案2 比方案1 出口粉塵濃度降低77.68%。