白敏菂,王少雷,陳志剛,毛首蕾 (.大連海事大學環(huán)境工程研究所,遼寧 大連 606；.江蘇大學環(huán)境學院,江蘇 鎮(zhèn)江 000)

煙道荷電凝并電場對電捕集微細粉塵效率的影響

白敏菂1*,王少雷1,2,陳志剛2,毛首蕾1(1.大連海事大學環(huán)境工程研究所,遼寧 大連 116026；2.江蘇大學環(huán)境學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

針對目前電除塵技術(shù)存在亞微米(0.01～1μm)粉塵捕集難的問題,進行了微細粉塵的交變電場荷電凝并及對電除塵效率影響實驗研究.結(jié)果表明,隨著氣體粒子動量、電場強度的增加,離子濃度也在增加,最大離子濃度為1.97×109/cm3;在電離電場強度峰峰值為1.75 kV/cm,頻率為100Hz的交變電場里,中位徑為0.2μm硅粉中的粒徑＜2μm的質(zhì)量為71%,凝并后降至53%,粒徑為5～10μm的硅粉質(zhì)量增加了162%;中位徑為0.2μm硅粉質(zhì)量除塵效率提高了27.6%,除塵效率提高了近1倍;粉塵濃度對電凝并后的除塵效率影響有限.高流場中微細粉塵的交變電場荷電凝并技術(shù)為電捕集亞微米粉塵的有效途徑.

高流場；亞微米粉塵；交變電場；凝并

在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粒數(shù)眾多的亞微米(0.01～1μm)分子的漂浮簇微粒粉塵,影響人的健康[1].目前,電凝并去除亞微米粉塵的研究較多[2-10].但目前電凝并去除粉塵存在問題是:電離電場中的氣體粒子動量低,相應(yīng)電暈放電生成的離子濃度很低,降低了粉塵荷電幾率;現(xiàn)有電除塵器粉塵荷電凝并電場多是直流靜電場,粉塵與離子碰撞荷電凝并幾率也相應(yīng)降低.目前電除塵的荷電凝并電場實質(zhì)上是電除塵器稍加改變的延伸,相當于增加 1個電除塵器,同時增加了能耗,沒有從源頭上解決電除塵技術(shù)存在的問題[11].

近年來粒子動量對離子輸運性、離子濃度影響的研究取得了進展,氣體粒子平均動量為131×10-22g?m/s時,則離子輸送特性達到 8×1010/ (cm3?s)[12-13],離子濃度達到 1.1×1010/cm3[14-15].這些研究進展提示有可能在不增加電除塵器室數(shù)(有效集塵面積),不改變原運行方式和參數(shù)條件下,利用煙道中氣體粒子動量大的有利條件,在煙道中產(chǎn)生高濃度離子,可使微細粉塵在煙道高流場中的交變電場中與高濃度離子碰撞荷電凝并成電除塵電場可捕捉的大粒徑粉體,有望解決目前電除塵器捕集亞微米粉塵效率低的問題.

為此,作者采用成數(shù)量級提高離子濃度方法及適于微細粉塵荷電凝并的電場,以便解決目前粉塵荷電凝并存在的問題.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示,采用ABBDrlves調(diào)頻器控制 WW-3.0/10-Ⅱ型引風機的氣體流量;采用KA-22型熱式風速計檢測荷電凝并裝置和電除塵器及管道中風速,采用KH-21型溫濕度測試儀測試實驗系統(tǒng)的溫濕度;實驗粉體為0.2μm中位徑的硅粉;并采用 MOOEL-3886型粒子激光計數(shù)器測量不同粒徑粉塵的粒子個數(shù);采用FNF-MPL型粉塵濃度測試儀檢測不同粒徑粉體的質(zhì)量濃度.凝并裝置的接地極和高壓極均為90mm×100mm×1mm的不銹鋼板,3塊接地極,2塊接高壓極,相鄰的高壓極與接地極之間的距離為 25mm;交變高壓電源,施加凝并電離電場強度峰值為 1.75kV/cm,電源頻率為 100Hz.荷電凝并后的粉塵在電收塵器中加以捕集,集塵極、電暈極采用不銹鋼板制成的.電暈極為2mm×2mm的矩型電暈線,集塵極為300mm× 300mm方型平板,電除塵器為一室一場,有 7個通道,同極距為40mm,有效截面積為 300mm× 300mm,長為400mm,采用 GDB—50kV/20mA型直流高壓電源供電.

圖1 粉塵荷電凝并實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of the experiment setup

實驗粉體經(jīng)WY-1型微細粉塵自動給料機定量投加到氣道中,粉塵濃度控制在2.44mg/Nm3.離子源中的電離放電電場強度為7.5kV/cm,形成負離子濃度為1.97×109/cm3,并用DLY-3大型大氣離子測試儀檢控.粉塵在荷電凝并裝置中與離子碰撞荷電凝并.粉塵經(jīng)荷電凝并增粗后進入電除塵器中加以捕集.并采用快速粉塵濃度測試儀或激光計數(shù)器對不同粒徑的質(zhì)量濃度或塵粒數(shù)濃度進行檢測,以此評價粉塵凝并效果及其粒徑粉塵的電除塵效率.

1.2 分析方法

采用i粒徑粉塵質(zhì)量占有率(δim)、i粒徑粉塵凝并前后的質(zhì)量占有率的變化率(χim)及 i粒徑粉塵質(zhì)量除塵效率增加值(dim)來評價交變電場凝并效果:

式中:Ci、CΣ分別為i粒徑的粉塵質(zhì)量濃度、全粒徑的粉塵質(zhì)量濃度;δiom、δifm分別為i粒徑粉塵凝并前后的質(zhì)量占有率;ηiom、ηifm分別為i粒徑粉塵凝并前后質(zhì)量除塵效率.

2 結(jié)果與討論

2.1 電場強度下氣體粒子動量對離子濃度影響

圖2 粒子動量對離子濃度的影響Fig.2 Effect of particle momentum on ion density

由圖2可見,隨著氣體粒子動量、電場強度的增加,離子濃度也在增加.當粒子動量從0.20×10-22g·m/s增加到9.82×10-22g·m/s時,電場強度為 8.5,9.5,10.5kV/cm 的離子濃度分別由4.66×106,1.18×107,4.88×107/cm3增加到3.01×107, 3.99×108,7.57×108/cm3,升高了 1到 2個數(shù)量級.這是由于粒子動量增加降低了離子復(fù)合的幾率,更多的離子被輸運離開電場.從電場強度的變化可見,由于電場強度增加,離子產(chǎn)生率相應(yīng)地增大.氣體動量的增加大大地降低了離子復(fù)合機率,大幅度增加了離子輸運性,從而提高了離子濃度.

2.2 中位徑為0.2μm硅粉的交變電場荷電凝并實驗

圖3 中位徑為0.2μm硅粉凝并前后的不同粒徑質(zhì)量占有率分布Fig.3 Mass percent of different dust particle diameter before and after coagulation for median-particlesize of 0.2μm silicon powder

由圖3可見,中位徑為0.2μm硅粉的交變電場凝并實驗中,凝并前粒徑＜2μm硅粉為質(zhì)量百分比為71%,而＞2μm的硅粉僅為29%,其中粒徑在2～5μm、5～10μm、＞10μm硅粉分別為11%、8%、10%.經(jīng)高流場中的交變電場荷電凝并后,＜2μm硅粉降至 53%,降低了 18%;粒徑為2～5μm硅粉增至14%;粒徑為5～10μm硅粉增加到21%,增加了162%;＞10μm硅粉增至12%,增加了 20%.由此可見,交變電場利于將粒徑＜2μm的微細粉塵凝并成粒徑為 5～10μm的大顆粒粉塵,此粒徑范圍是在電除塵器有效捕集粉塵粒徑范圍之內(nèi),利于電除塵器捕集.

2.3 微細粉塵荷電凝并對電除塵效率影響

表1 中位徑為0.2μm硅粉荷電凝并前后除塵效率對比Table 1 Capturing efficiency before and after coagulation for median-particle-size of 0.2μm silicon powder

交變電場微細粉塵荷電凝并除塵效果影響的實驗是在除塵靜電場強度為1.75kV/cm、風速為 2.38m/s條件下進行的,實驗粉體是用中位徑為0.2μm硅粉,其濃度控制在2.44mg/m3.為了便于驗證電凝并對電除塵效率影響程度,采用單室單場電除塵器,其風速、靜電場強度分別高于、低于電除塵器的運行參數(shù),便于把除塵效率控制在中間值,利于評價微細粉塵荷電凝并對電除塵效率增加值.由表1可見,電除塵技術(shù)捕集微細粉塵效率較低.經(jīng)交變電場荷電凝并后的中粒徑為0.2μm的硅粉,其中粒徑＜2μm的粉塵從71%減至53%,降低了18%;其質(zhì)量除塵效率卻由28.2%升至 55.8%,增加了 27.6%.凝并后的質(zhì)量除塵效率增加0.98,除塵效率提高了近1倍.可見,交變電場荷電凝并對電除塵器捕集微細粉塵的作用十分顯著.在高流場中的粉塵經(jīng)交變電場荷電凝并提高了微細粉塵的除塵效率,將有助于解決當前電除塵器捕集微細粉塵存在的難題.

2.4 粉塵濃度對電凝并除塵效率影響實驗

由表2可見,實驗粉體為中位徑0.2μm硅粉.當粉塵濃度從2.44mg/Nm3增加到8.59mg/Nm3時,粉塵質(zhì)量濃度增加了2.52倍,而交變電場凝并后質(zhì)量除塵效率增加了 24.1%～27.6%,由于粉塵濃度增加致使凝并后除塵效率降低了 5%,除塵效率增加值降低了0.13倍.可見粉塵濃度對電凝并后的除塵效率影響有限,如果改善粉塵荷電、凝并條件有望消除粉塵濃度對電凝并后除塵效率的影響.

表2 中位徑為0.2μm硅粉濃度對凝并后質(zhì)量除塵效率的影響Table 2 Effect of particle density on mass capturing efficiencybefore and after coagulation for medianparticle-size of 0.2μm silicon powder

當氣體粒子動量為9.82×10-22g·m/s時,荷電凝并裝置中離子濃度達到 1.97×109/cm3,比現(xiàn)有電除塵器的荷電凝并技術(shù)高2～3個數(shù)量級,利用煙道中的中性氣體粒子所具有高動量的特點,將解決微細粉塵荷電所需要豐富大量離子的問題.

本實驗結(jié)果啟示可在電除塵器入口煙道中設(shè)置等離子體產(chǎn)生裝置和荷電凝并裝置,可在煙道中完成微細粉塵荷電凝并成大粒徑粉塵的物理過程,其荷電凝并效果高于目前電除塵器荷電凝并效果,同時又省去相當于一個電除塵器電場(室)的荷電凝并系統(tǒng),為解決現(xiàn)有電除塵器捕集微細粉塵效率低的難題提供新方法,將實現(xiàn)不增加電除塵器室數(shù),不改變原有運行方式和參數(shù)條件下解決現(xiàn)有電除塵器捕集微細粉塵的問題,為現(xiàn)有電除塵器改造提供技術(shù)上支持,也將為電除塵器設(shè)計提供新思路、新方法.

3 結(jié)論

3.1 本實驗的離子產(chǎn)生裝置(源)放置在煙道中,煙道中的中性氣體粒子所具有動量足以驅(qū)動離子脫離電場束縛并沿風向漂移.高流場(20m/s)中的交變電場荷電凝并最佳條件是:交變電場強度峰峰值為1.75kV/cm、頻率為100Hz和離子濃度在1.97×109/cm3以上.

3.2 當交變電場頻率為100～150Hz,電離電場強度峰峰值1.75 kV/cm時,微細粉塵在交變電場中與離子碰撞荷電凝并成大粒徑粉塵,實驗結(jié)果表明,中位徑為 0.2μm硅粉中的粒徑＜2μm的質(zhì)量百分含量為 71%,凝并后降至 53%;而粒徑為5～10μm硅粉質(zhì)量百分含量增加了162%;此時質(zhì)量除塵效率相應(yīng)提高了27.6%.

[1] Mikael O Ohlstrom, Kari E J Lehtinen, Mikkd Moisio, et al. Fine-particle emissions of energy production in Finland [J]. Atmospheric Environment, 2000,34:3701-3711.

[2] Watanabe E I. Submircron size carbonic particle agglomeration by an electrostatic agglomeration apparatus [D]. Kyoto, Japan: Proc. Third Internat. Aerosol. Conf., 1990:749-752.

[3] Hautanen J. Electrical agglomeration of aerosol particles in an alternating electricfield [J]. Aerosol. Sci. and Technol., 1995,22(2): 181-189.

[4] Kauppinen E I, Jormao Jokiniemi, Kari Lehtinen. Agglomeration of bipolarly charged aerosol partieles in alternating electric field [J]. Aerosol. Sci., 1995,26(9):739-740.

[5] 向曉東,陳旺生,幸福堂,等.交變電場中電凝并收塵理論與試驗研究 [J]. 環(huán)境科學學報, 2000,20(2):187-191.

[6] Mohr M, Ylatalo S, Klippel N, et al. Submicron fly ash penetration through electrostatic precipitators at two coal power plants [J]. Aerosol. Sci. and Technol., 1996, 24(3):191-204.

[7] Ji Jun-Ho, Hwang Jungho, Bae Gwi-Nam. Particle charging and agglomeration in DC and AC electric fields [J]. Journal of Electrostatics, 2004,61(1):57-68.

[8] 王連澤,賀美陸,孟亞力.雙極荷電粉塵顆粒凝聚的初步研究 [J].環(huán)境工程, 2002,20(3):31-33.

[9] Jeong Hoon Byeon, Jungho Hwanga, Jae Hong Parka, et al. Collection of submicron particles by an electrostatic precipitator using a dielectric barrier discharge [J]. Aerosol Science, 2006, 37(11):1618-1628.

[10] 陳旺生,向曉東,陸繼東.偶極荷電靜電凝并除塵器收塵機理性能研究 [J]. 環(huán)境工程學報, 2008,2(7):973-975.

[11] 白希堯,儲金宇,白敏菂,等.電除塵器及其電離荷電機制的研究新進展 [J]. 電力環(huán)境保護, 2007,23(5):39-42.

[12] 白希堯,白敏冬,楊 波,等.強電場中離子運動規(guī)律及應(yīng)用基礎(chǔ)研究進展 [J]. 中國基礎(chǔ)科學, 2004,6(4):23-27.

[13] 毛程奇,白敏菂,依成武,等.電除塵器中帶電粒子輸運特性的實驗研究 [J]. 高電壓技術(shù), 2007,33(2):182-185.

[14] 白敏菂,谷建龍,張芝濤,等.高氣壓強電場電離過程中的離子濃度分布規(guī)律.核聚變與等離子體物理 [J]. 2005,25(3):218-222.

[15] Bai Mindi, Qiu Xiumei, Liu Dong, et al. The minimization of non-equilibrium plasma source at high pressure [J]. Chinese Science Bulletin, 2008,53(21):3425-3428.

Effect of submicron dust charging and coagulation in the flue on the efficiency of ESP.

BAI Min-di1*, WANG Shao-lei1,2, CHEN Zhi-gang2, MAO Shou-lei1(1.Environmental Engineering Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China；2.Environmental Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：738～741

The collection efficiency of submicron dust (0.01～1μm) by using ESP is low at present. The effect of submicron dust charging and coagulation in alternating electric field on collection efficiency was investigated. The ion density increased with the increasing of particle momentum and electric field strength. The most high value was 1.97×109/cm3. When the alternating electric field strength of 1.75 kV/cm, the frequency of 100Hz, for median-particle-size of 0.2μm silicon powder, the mass percent of particles of ＜0.2μm decreased from 71% to 53%, while the mass changing rate of the particles of 5～10μm increased by 1.62 times. The removal efficiency of silicon powder median-particle-size of 0.2μm increased by 27.6%. The collection efficiency increased by one time. Dust density was in a limited impact on the collection efficiency. The charging and coagulation in alternating electric field would be an effective method to collection submicron dust in high velocity flow field.

high flow；submicron-particles；alternating electric field；coagulation

2009-11-20

國家自然科學基金資助項目(50778028);國家“863”項目(2008AA06Z317)

* 責任作者, 副研究員, lengbaiyu9@163.com

X701.2

A

1000-6923(2010)06-0738-04

白敏菂(1968-),女,遼寧鞍山人,副研究員,主要從事氣體放電和環(huán)境工程方面的研究.發(fā)表論文50余篇.