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      壓力、溫度和成分對(duì)氣體放電特性的影響

      2024-02-28 03:21:40姚超坤于權(quán)茹
      冶金動(dòng)力 2024年1期
      關(guān)鍵詞:電除塵器伏安煤氣

      張 娟,何 劍,姚超坤,于權(quán)茹

      (1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司;2.西安理工大學(xué),陜西西安 710048)

      引言

      靜電除塵是目前應(yīng)用廣泛且高效的除塵方法之一。在電除塵器運(yùn)行過程中,煙氣的溫度、壓力和成分等性質(zhì)會(huì)影響電暈特性和粉塵比電阻,進(jìn)而影響除塵效率,國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后在該領(lǐng)域開展了相關(guān)研究,取得了指導(dǎo)性成果[1-10]。

      高爐煤氣作為高爐煉鐵過程中副產(chǎn)的可燃?xì)怏w,屬典型的高溫、高壓、高塵多組分燃爆型氣體。由于荒煤氣含塵濃度高,易造成管道和燃燒設(shè)備堵塞,也易導(dǎo)致TRT 轉(zhuǎn)子的磨損、振動(dòng),降低其壽命,因此,進(jìn)行高效除塵是高爐煤氣良好利用的前提。高爐煤氣除塵主要有濕法、布袋除塵和靜電除塵3 種工藝[11]。傳統(tǒng)濕法凈化系統(tǒng)存在著煤氣壓力低,污環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)占地面積大,污染環(huán)境等缺點(diǎn)。相對(duì)于濕法除塵,干法除塵不僅簡(jiǎn)化了工藝,而且從根本上解決了二次污水和污泥的產(chǎn)生與處理問題,提高了煤氣物理顯熱,TRT 發(fā)電量可提高30%[12],因此,干法布袋除塵工藝逐漸成為了主流技術(shù)[13-16],并在應(yīng)用中取得了很好的效益,但實(shí)際運(yùn)行過程中也暴露出了一系列問題,如布袋維修量大、壽命短、工人作業(yè)環(huán)境惡劣;布袋在正常工作溫度范圍90~220 ℃時(shí),開爐、復(fù)風(fēng)階段粘袋現(xiàn)象嚴(yán)重[17]。相比之下,電除塵器則具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定、耐溫高、阻力損失小、TRT 發(fā)電量高等優(yōu)點(diǎn)[18-19]。

      為使靜電除塵器在高爐煤氣除塵中能更好應(yīng)用,也為類似高溫、高壓多組分氣體介質(zhì)電離特性研究提供借鑒,通過采用單電場(chǎng)對(duì)壓力、溫度及成分變化對(duì)氣體電離特性的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究,對(duì)該領(lǐng)域研究成果進(jìn)行了完善與部分修正,為相關(guān)理論研究及工業(yè)應(yīng)用提供了支撐。

      1 試驗(yàn)條件及方法

      1.1 試驗(yàn)裝置與方法

      試驗(yàn)裝置主要由高壓電源、調(diào)溫調(diào)壓氣體放電試驗(yàn)裝置和配氣系統(tǒng)組成,系統(tǒng)圖見圖1。高壓電源采用GGAJ02-(LD-1)005∕200 靜電除塵專用高壓電源,可實(shí)現(xiàn)最高200 kV 的負(fù)高壓供電。氣體放電試驗(yàn)裝置包括線-板式和線-管式兩種電場(chǎng)結(jié)構(gòu),線-板式極配為平板-雙角鋼線,同極距300 mm;線-管式極配為正六邊形矩形管-WE25(90°),同極距350 mm。氣體放電試驗(yàn)方法采用電除塵器空載通電升壓試驗(yàn)法。

      圖1 氣體放電特性試驗(yàn)系統(tǒng)圖

      1.2 試驗(yàn)氣體

      試驗(yàn)煤氣成分配比如表1所示。

      表1 試驗(yàn)氣體成分配比表 %

      2 試驗(yàn)結(jié)果分析

      2.1 氣體壓力影響

      靜電除塵器內(nèi)氣體密度影響著電場(chǎng)的起暈電壓、放電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度、空間電荷密度和離子遷移率的大小。氣體起暈電壓可用式(1)表示:

      式中:U—?dú)怏w起暈電壓,V;

      m—放電線粗糙系數(shù),0.5<m<1.0;

      a—放電線半徑,m;

      δ—?dú)怏w相對(duì)密度;

      b—異極距,m。

      其中:

      式中:T0—大氣常溫溫度,取298 K;

      P0—大氣常壓壓力,取1.01325×105Pa;

      P—操作壓力,Pa;

      T—操作溫度,K。

      由式(1)、式(2)可知,在常溫下(T=T0),隨著壓力P的增加,氣體相對(duì)密度δ隨之增加,離子自由程減小,有效離子遷移率由于和中性分子碰撞的次數(shù)增多而減小,起暈電壓降低。

      煤氣組分1 在不同氣體壓力下線-管式電場(chǎng)和線-板式電場(chǎng)的伏安特性曲線見圖2,其余試驗(yàn)煤氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)下的放電過程基本與圖2 一致,伏安特性曲線光滑,符合正常放電規(guī)律。氣體壓力對(duì)各組分煤氣伏安特性影響規(guī)律一致,隨著氣體壓力的逐步增高,放電電壓升高,相同電壓下,電暈電流降低,伏安特性曲線右移。

      圖2 不同壓力下的伏安特性曲線

      曲線右移的原因主要在于氣壓增大時(shí),分子平均自由程減小,電子不容易加速到產(chǎn)生電離的速度,離子遷移率減小,起暈電壓升高。外加電場(chǎng)一定時(shí),壓力的增大使得放電極附近的空間電荷密度增大,收塵極板上的平均電流密度減小,導(dǎo)致電暈電流降低,從而曲線斜率減小。

      如果只考慮氣體壓力的影響,則擊穿電壓與氣體壓力存在一定函數(shù)關(guān)系。

      隨著氣體壓力逐步增大,無論管式電場(chǎng)或板式電場(chǎng),擊穿電壓都隨之升高。管式電場(chǎng)從常壓升至0.24 MPa,各組分下?lián)舸╇妷禾岣吡?0%~40%,而板式電場(chǎng)的擊穿電壓則提高了50%左右。對(duì)于擊穿電流,管式電場(chǎng)基本呈逐步下降趨勢(shì),由常壓升至0.24 MPa,各組分下的擊穿電流下降了60%左右,而板式電場(chǎng)的擊穿電流則稍顯平穩(wěn),基本分布在2 mA左右。這是因?yàn)闅怏w壓力降低時(shí),遷移率高的自由電子迅速離開電暈區(qū),在其未被負(fù)電性氣體分子捕獲時(shí),對(duì)形成穩(wěn)定的空間電荷不起作用。由于電子在捕集前要經(jīng)歷較長(zhǎng)的距離,低壓力時(shí)離子數(shù)較少,則空間電荷影響減弱,電暈電流迅速地增長(zhǎng),在低電壓下便被擊穿。相關(guān)擊穿特性曲線見圖3、圖4。

      圖3 氣體壓力對(duì)管式電場(chǎng)擊穿特性的影響

      圖4 氣體壓力對(duì)板式電場(chǎng)擊穿特性的影響

      在氣體壓力較低(<0.08 MPa)時(shí),擊穿電壓與氣體壓力可近似擬合成一次線性關(guān)系,這與此前常用的結(jié)論[20]吻合,且不同氣體的擬合度差別較大。而后,隨著氣體壓力的增大,二者完全呈非線性,基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系或指數(shù)關(guān)系,不同氣體的關(guān)系式也差別較大。因此可知,擊穿電壓不會(huì)隨氣體壓力遞增而呈線性單調(diào)遞增,后續(xù)遞增速度急劇放緩。這一試驗(yàn)結(jié)論更新了早期的數(shù)據(jù)及結(jié)論。

      2.2 氣體溫度影響

      煙氣溫度直接決定粉塵比電阻的量級(jí),進(jìn)而影響靜電除塵器的除塵效率。同時(shí),溫度對(duì)電除塵器電暈電壓和電暈電流等放電特性也有著顯著影響。通過采用空氣在常壓下從常溫連續(xù)升至235 ℃進(jìn)行升溫放電試驗(yàn),考察了氣體溫度對(duì)放電特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

      圖5 不同溫度情況下空氣伏安特性曲線對(duì)比

      圖6 不同溫度情況下空氣擊穿特性對(duì)比

      氣體溫度對(duì)放電特性的影響與氣體壓力的影響正好相反。隨著溫度升高,伏安特性曲線左移,起暈電壓降低,擊穿電流和擊穿電壓也基本呈下降趨勢(shì)。溫度由室溫升至200 ℃,擊穿電壓由55 kV下降至37 kV,擊穿電流由2.8 mA 降至2.52 mA。這是由于溫度的升高使得分子平均自由程增大,電子能夠獲得較大的速度和動(dòng)能,加強(qiáng)了電離效應(yīng),因而煙氣在較低的電壓下被擊穿,擊穿電壓降低也限制了擊穿電流的增長(zhǎng)。但是,溫度升高時(shí),在相同的放電電壓下,電子更容易到達(dá)陽極板,因此電暈電流是隨溫度升高而增大的。

      除煙氣溫度影響擊穿電壓和擊穿電流,進(jìn)而影響除塵效率外,煙氣溫度的上升還會(huì)導(dǎo)致氣體黏滯性的增大,而氣體的黏滯性直接影響帶電粉塵的驅(qū)進(jìn)速度。煙氣溫度越高,黏滯性越大,帶電粉塵驅(qū)進(jìn)速度越低,除塵效率下降。此外,煙氣的溫度還會(huì)影響到粉塵的比電阻。根據(jù)實(shí)測(cè)表明,電除塵器工作的最適比電阻為106~1 011 Ω·cm,在比電阻小于106 Ω·cm 時(shí),粉塵導(dǎo)電性較好,粉塵出現(xiàn)于陽極板表面跳躍現(xiàn)象,最后被氣流帶出除塵器,而比電阻大于1 011 Ω·cm 時(shí),荷電粉塵的電荷不容易釋放,則在陽極表面出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象。從以上溫度影響電除塵器的三個(gè)方面來看,除塵器的運(yùn)行溫度應(yīng)在煙氣露點(diǎn)溫度以上,且運(yùn)行溫度越低效果越好。

      2.3 氣體成分影響

      電負(fù)性氣體在與電子碰撞過程中很容易傳遞電荷,形成負(fù)離子。而負(fù)離子與電子相比,向收塵極移動(dòng)的速度要慢得多,因而能形成大量的空間電荷,有效拓寬了電暈窗口,同時(shí)也影響了二次電流的大小。因此電負(fù)性氣體含量的變化會(huì)對(duì)除塵器的電離特性產(chǎn)生影響。

      試驗(yàn)采用的氣體為模擬高爐煤氣,主要成分為CO:25%~30%,CO2:9%~12%,N2:55%~ 60%,H2:1.5%~3.0%,O2:0.2%~ 0.4%。電負(fù)性氣體主要為CO2、CO和O2。

      圖7 為4 種壓力條件下的試驗(yàn)結(jié)果,其余壓力下規(guī)律與之類似。分析可知,空氣相比煤氣區(qū)別明顯,空氣電離特性更好,可獲得更高電暈電壓。煤氣成分變化的總體對(duì)比規(guī)律性不強(qiáng),主要原因來自于煤氣組分1 至組分8 的電負(fù)性氣體的體積占比變化幅度太小,CO2的3 種濃度分別為9%、11.5%和12%,CO 分別為25%、27.5% 和30%,O2分別為0.2%、0.3%和0.4%,濃度變化幅度不足以在放電特性變化上體現(xiàn)出來,只有組分5 在幾乎所有對(duì)比圖中表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性,相比其余組分氣體更易擊穿,曲線最靠左,也與組分5 的CO2這一主要電負(fù)性氣體的濃度最低相符合。

      圖7 氣體組分對(duì)伏安特性曲線的影響

      因此,要完全對(duì)比體現(xiàn)出各氣體成分對(duì)放電特性的影響,需脫離高爐煤氣實(shí)際濃度范圍的限制,放大各成分尤其是電負(fù)性氣體的濃度參變量變化幅度,以離子遷移率為評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析,方可得到顯著性定量結(jié)論。

      3 結(jié)論

      通過氣體電離特性試驗(yàn),掌握了空氣、高爐煤氣的電離特性規(guī)律與基礎(chǔ)數(shù)據(jù),修正了該領(lǐng)域在低氣壓下試驗(yàn)所得到的結(jié)論,獲得了新的規(guī)律。其主要結(jié)論如下。

      (1)氣體壓力對(duì)電離特性影響顯著,隨著氣體壓力的提升,伏安特性曲線右移,起暈電壓和擊穿電壓均增大。擊穿電壓隨氣體壓力單調(diào)遞增,低氣壓段基本呈線性關(guān)系,高氣壓段增速顯著放緩,呈指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系。

      (2)氣體溫度升高,伏安特性曲線左移,擊穿電壓與擊穿電流均下降。氣體成分對(duì)電離特性有一定影響,且對(duì)電壓的影響相較電流更為顯著。

      (3)煤氣相比于空氣電子附著性弱,離子遷移率大,總體伏安特性曲線左移。

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