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(jí)，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(duì)燃煤煙氣中顆粒物捕集的全效率高達(dá)99.9%以上，但對(duì)于微細(xì)顆粒物PM2.5的捕集效率卻相對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)霧化液滴進(jìn)行荷電，從電極伏安特性、負(fù)載電壓對(duì)團(tuán)聚效率的影響以及水霧量對(duì)團(tuán)聚效率的影響三個(gè)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(duì)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(duì)其凝并收塵機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)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(tái)上測試所研發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)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(tái)正高壓、一臺(tái)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(gè)傳統(tǒng)靜電凝除塵系統(tǒng)至少需要配置三臺(tái)異極性的高壓電源，且每個(gè)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(duì)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(dòng)方向布置。僅利用一臺(tái)(套)高壓電源和控制系統(tǒng)就同時(shí)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(shí)強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了空氣動(dòng)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(tái)高壓電源同時(shí)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(tái)(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(shí)也強(qiáng)化了電場內(nèi)含塵氣流的湍流擾動(dòng)，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(gè)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(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(tái)：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(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)存在多個(gè)陰極線-陽極管電極和陽極線-陰極管電極，因此一臺(tái)負(fù)高壓電源在預(yù)荷電裝置內(nèi)可以同時(shí)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(duì)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??；而正電荷出現(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(shí)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(tái)的搭建

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(dòng)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(gè)/m3；N1i為出口段粒徑為i的粉塵濃度，個(gè)/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(duì)應(yīng)的氣流運(yùn)動(dòng)和混合時(shí)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(shí)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(píng)價(jià)。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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)峰值區(qū)間位于1～3 μm，而另外一個(gè)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(gè)/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(shí)，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(duì)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(gè)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(duì)比分析

徐俊磊等[30]對(duì)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(duì)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(dòng)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(cuò)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(shí)，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(shí)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(duì)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(tái)高壓電源同時(shí)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(dòng)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(shí)出現(xiàn)正、負(fù)電暈，同時(shí)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(duì)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。