賀曉楊　任國(guó)瑞　黃超　竇一帆

摘要 交流電凝并是一種有效去除顆粒物的技術(shù)，顆粒物在電場(chǎng)力的作用下碰撞頻率增大而易結(jié)合成為較大粒徑的顆粒，進(jìn)而被除塵裝置脫除。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)行參數(shù)和放電極的形式等都會(huì)影響顆粒物的凝并效果。利用交流電凝并裝置，對(duì)顆粒物的凝并效果進(jìn)行了研究：選取3種形式的放電極在不同交流電壓、粉塵濃度、煙道風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同電極形式在不同參數(shù)下對(duì)粉塵凝并效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，對(duì)于不同的電極形式，凝并效果最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)不同。通過對(duì)比結(jié)果，凝并效果總體最優(yōu)的極配形式和參數(shù)為：四齒芒刺線-金屬板，電壓為30 kV、風(fēng)速為1.2 m/s、粉塵濃度為2 g/m³，凝并后3.31～5.01 μm粒徑的粉塵體積百分比減少了5.66%，PM₁₀減少了18.29%。

關(guān) 鍵 詞 交流電場(chǎng)；電凝并；芒刺線電極；顆粒物；凝并效果

中圖分類號(hào) X701? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Electric agglomeration effect of particulate matter in AC

electric field

HE Xiaoyang，REN Guorui，HUANG Chao，DOU Yifan

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract AC electric agglomeration is an effective technology to remove particulate matter. Under the action of electric field force， the collision frequency of particulate matter increases and they are easy to be integrated into particles with larger size， which are then removed by the dust collector. In practical applications， both the operating parameters and the type of discharge electrode will affect the agglomeration effect of particulate matter. The agglomeration effect of particulate matter is studied by using an AC electric agglomerator： three types of discharging electrodes were selected to conduct experiments under different applied AC voltages， dust concentrations and air flow velocities. The dust agglomeration effect of different discharge electrodes under different parameters was compared， and the results show that for different discharging electrodes， the experimental parameters for the best agglomeration effect are not same. By comparing the results， the electrodes and parameters with the overall best agglomeration effects are： four-tooth barbed wire-metal plate， voltage 35 kV， flow velocity 1.0 m/s， and dust concentration 2 g/m³. In this case， the volume percentage of dust particles with size of 3.31–5.01 μm decreases by 5.66%， and PM₁₀decreases by 18.29%.

Key words AC electric field; electric agglomeration; barbed wire electrode; particulate matter; agglomeration effect

0 引言

顆粒物的排放是衡量大氣受污染程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，煤炭作為我國(guó)消耗量巨大的能源，燃燒產(chǎn)生的顆粒物是造成環(huán)境污染的主要來(lái)源之一[1]。排放到大氣中的顆粒物不僅會(huì)造成空氣質(zhì)量降低、能見度降低等危害，還會(huì)危害人類的健康[2]。目前在除塵領(lǐng)域中，靜電除塵器是實(shí)現(xiàn)超低排放的主流設(shè)備[3]。盡管現(xiàn)階段的靜電除塵器對(duì)于燃煤煙氣的除塵全效率可高達(dá)99%以上，但對(duì)于煙氣中粒徑較小的微細(xì)顆粒的脫除效率卻相對(duì)較低[4]。凝并技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷，細(xì)顆粒物在外加條件下可以團(tuán)聚長(zhǎng)大，從而更容易被去除，是實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物超低排放的有效手段。凝并技術(shù)主要通過利用超聲波、化學(xué)、磁場(chǎng)或者電場(chǎng)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中電凝并技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[5]。電凝并技術(shù)的關(guān)鍵是提高顆粒物的凝并效果，使不易被收集的細(xì)顆粒物可在較短時(shí)間內(nèi)凝并成粒徑較大的顆粒，從而更容易被除塵器去除[6]。早期，Watanabe等[7]在1995年提出了一種與電凝并器相結(jié)合的靜電除塵器來(lái)提高亞微米顆粒的收集效率，通過實(shí)驗(yàn)，使用電凝并器時(shí)，1 μm以下的顆粒比不使用電凝并器時(shí)質(zhì)量百分比減少了20%，氣溶膠的平均粒徑在出口處是進(jìn)口處的4倍，除塵效率從95%提高到了98%。Laitinen等[8]通過搭建帶有雙極電暈放電的凝并裝置，利用交流電場(chǎng)來(lái)使細(xì)顆粒物發(fā)生凝并，0.1～1.0 μm的顆粒減少了17%～19%。Kim等[9]通過對(duì)一個(gè)單級(jí)靜電除塵器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)線板間距、放電極線半徑、空氣流速、湍流強(qiáng)度和施加電壓等操作條件和參數(shù)對(duì)除塵效率有著重要影響，在一定范圍內(nèi)，放電極線半徑和線板間距越小，除塵效率越高，空氣流速增大會(huì)降低除塵效率，湍流在低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)發(fā)揮著重要作用。Dumitran等[10]研究了靜電除塵器中帶電粒子的遷移速度和湍流對(duì)凝并和除塵效率的影響。2006年，Byeon等[11]在一個(gè)靜電除塵器前端安裝了DBD等離子體荷電裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓增大，顆粒物的凝并效果增強(qiáng)，除塵效率提高。Tan等[12]對(duì)雙極荷電顆粒在直流電場(chǎng)中的凝并進(jìn)行了研究，測(cè)試對(duì)象為平均粒徑為7.71 μm的水滴氣溶膠，結(jié)果顯示所施加直流電壓越大，凝并效果越好，亞微米顆粒在凝并后減少了約10.7%。Sobczyk等[13]對(duì)一個(gè)包含凝并器的兩級(jí)靜電除塵器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明兩級(jí)靜電除塵器比單級(jí)靜電除塵器的除塵效率高，對(duì)PM₁₀、PM_2.5、PM₁的收集效率分別可達(dá)98%、97%、95%。向曉東等[14-16]研究對(duì)比了增加凝并區(qū)的除塵器和未增加凝并區(qū)的除塵器，發(fā)現(xiàn)凝并器的存在可以提高除塵效率，從機(jī)理上分析了顆粒異極性荷電、交流電場(chǎng)凝并的優(yōu)勢(shì)，并且總結(jié)出影響凝并效果的主要因素為粉塵濃度、電壓和風(fēng)速。周建剛等[17]在靜電除塵器中加裝了一個(gè)預(yù)荷電裝置來(lái)提高粉塵的凝并效果，在不增加除塵器級(jí)數(shù)和體積的情況下提高了除塵效率，小粒徑粉塵減少25%左右，并且提出交流電場(chǎng)的凝并效果優(yōu)于直流電場(chǎng)。沙東輝等[18]利用高速攝像結(jié)合顯微可視化技術(shù)，在正直流電場(chǎng)中，對(duì)細(xì)顆粒物經(jīng)過大顆粒附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行觀測(cè)：當(dāng)顆粒不帶電時(shí)不發(fā)生凝并；當(dāng)顆粒帶電量較少時(shí)發(fā)生凝并，主要是由于極化而產(chǎn)生的介電泳力此時(shí)是吸引力；當(dāng)顆粒帶電量較多時(shí)，顆粒由于帶同種電荷相互排斥而不發(fā)生凝并。李敬波等[19]在高頻交流電場(chǎng)中研究了荷電電壓、顆粒濃度、凝并交流電壓、交流電頻率和氣流速度對(duì)細(xì)顆粒物電凝并的影響，結(jié)果表明：荷電電壓增加促進(jìn)凝并；顆粒物濃度增加會(huì)減弱凝并；交流電壓對(duì)凝并影響不大，但頻率增加促進(jìn)凝并；凝并效率隨著氣流速度的增大降低?？梢?，電凝并效果的優(yōu)劣受多種因素的影響，且同一實(shí)驗(yàn)參數(shù)在不同條件下對(duì)凝并效果的影響不盡相同，因此對(duì)于特定的裝置進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)進(jìn)行研究很有必要。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用2000目滑石粉代替工業(yè)粉塵?；壑饕煞譃镸g3Si4O10（OH）2，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且不溶于弱酸弱堿溶液[20]。2000目滑石粉的粒徑與工業(yè)粉塵近似，因此適宜用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，將滑石粉置于烘箱中200 ℃烘干60 min，保證足夠干燥。實(shí)驗(yàn)中，粉塵由給粉機(jī)均勻送出，在風(fēng)機(jī)作用下先通過施加負(fù)直流高壓電的預(yù)荷電室進(jìn)行荷電，然后通過凝并室，凝并室通高壓交流電源，粉塵顆粒在電場(chǎng)力等的作用下發(fā)生凝并，形成粒徑較大的顆粒。將干燥處理后的濾筒放入粉塵采樣槍中，采樣槍插入出風(fēng)通道的采樣口，根據(jù)風(fēng)速、粉塵濃度和所需采集粉塵質(zhì)量計(jì)算出需采樣時(shí)間，設(shè)定采樣儀進(jìn)行自動(dòng)采樣，收集凝并后的粉塵，使用馬爾文激光粒度分析儀（Mastersizer 2000）對(duì)粉塵的粒度分布進(jìn)行測(cè)量分析。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分是預(yù)荷電室和凝并室，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵的荷電和凝并過程。預(yù)荷電室中，放電極為四齒芒刺線，接地極為金屬板，異極距為200 mm，安裝方式如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中所施加電壓為-40 kV。凝并室中，電極安裝方式與圖2相同，僅放電極形式不同，實(shí)驗(yàn)中通過更換3種芒刺線進(jìn)行對(duì)比，包括二齒芒刺線、四齒芒刺線和八齒芒刺線，如圖3所示，接地極為金屬板，異極距為200 mm。

1.2 凝并效果評(píng)價(jià)方法

實(shí)驗(yàn)中，不開啟凝并電源，僅開啟荷電電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)采樣所得粉塵測(cè)量其粒徑分布，即為未發(fā)生凝并作用的粒度分布，作為實(shí)驗(yàn)背景值。隨后根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)給粉濃度、風(fēng)速、凝并區(qū)交流電壓等參數(shù)，測(cè)量凝并后粉塵粒度分布，與背景值比較，得到在不同條件下粉塵的凝并效果。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件中是否凝并的差別僅為開啟凝并區(qū)電源與否，且凝并區(qū)施加交流電，粉塵在交流電場(chǎng)中幾乎不被電極捕集，因此本實(shí)驗(yàn)中凝并前后粉塵濃度基本不會(huì)發(fā)生變化，從而保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。定義Δv為凝并前后不同粒徑下粉塵體積百分比變化，公式為[21]

Δv=v-v₀，（1）

式中：v₀為某一粒徑粉塵凝并前體積百分比；v某一粒徑粉塵凝并后體積百分比。

本實(shí)驗(yàn)研究了凝并室放電電極形式對(duì)凝并效果的影響，所選用放電電極包括二齒芒刺線、四齒芒刺線和八齒芒刺線。對(duì)不同放電極選取4種交流電壓、3種粉塵濃度、4種風(fēng)速，在不同參數(shù)下進(jìn)行了比較，得到不同放電極最優(yōu)凝并參數(shù)組合。

2 結(jié)果與討論

2.1 二齒芒刺線-金屬板對(duì)粉塵凝并效果的影響

由圖4分析可知，小顆粒粉塵體積百分比減少，大顆粒粉塵體積百分比增加，說(shuō)明在粉塵顆粒之間發(fā)生了凝并，小顆粒之間彼此粘連、大顆粒對(duì)小顆粒吸附，通過凝并形成較大粒徑的顆粒。另外，4種電壓下曲線的變化趨勢(shì)相似，但粉塵凝并效果受電壓變化影響不大，因?yàn)楦鶕?jù)理論，粉塵荷電量越大，凝并效果越好，但當(dāng)粉塵荷電達(dá)到飽和之后，電壓變化對(duì)粉塵凝并的影響會(huì)減弱。Δv的峰值在30 kV時(shí)為-4.23%，在35 kV時(shí)為-4.34%，在40 kV時(shí)為-4.86%，在45 kV時(shí)為-3.83%。整體上對(duì)于整個(gè)粒徑范圍內(nèi)的粉塵，電壓從30 kV增加到40 kV時(shí)，粉塵凝并效果變好，在40 kV時(shí)最好，繼續(xù)升高電壓，反而會(huì)使凝并效果變差，此時(shí)凝并室內(nèi)發(fā)生火花放電，接近臨界電壓。電壓升到50 kV，發(fā)生擊穿。

由圖5可知，當(dāng)粉塵濃度為1.0 g/m³、2.0 g/m³、3.0 g/m³時(shí)，Δv的峰值分別為-3.91%、-4.86%、-4.35%， 濃度為2.0 g/m³時(shí)凝并效果最好?？梢?，使凝并效果最好的濃度存在一個(gè)最佳值。在凝并過程中，對(duì)于較低的粉塵濃度，在相同大小的空間里顆粒均勻分布，它們之間的距離必然會(huì)較大，此距離可能大于顆粒在交流電場(chǎng)中的震蕩幅度，導(dǎo)致許多顆粒無(wú)法與其他顆粒碰撞發(fā)生凝并。但若濃度過高，粉塵中的大顆粒可能會(huì)發(fā)生沉降，或者碰撞到極板造成電荷損失，從而降低凝并效果。所以，對(duì)于不同形式的除塵裝置，若要最大幅度地利用凝并效應(yīng)，需要選擇最佳的設(shè)備進(jìn)口的粉塵濃度值。

從圖6可以看出，風(fēng)速為0.8 m/s 、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s時(shí)，Δv峰值分別為-3.81%、-4.85%、-4.86%、? -4.05%。對(duì)于粒徑小于5.01 μm的顆粒，風(fēng)速為1.2 m/s時(shí)凝并效果最好，對(duì)于5.01～10 μm的顆粒，風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)整體凝并效果最好，說(shuō)明粉塵粒徑不同，風(fēng)速對(duì)凝并效果的影響不同，即粉塵在凝并器內(nèi)的滯留時(shí)間也是影響凝并效果的重要因素。風(fēng)速太小，粒徑較大的顆粒在凝并室內(nèi)會(huì)受重力作用較大而沉降，使得粉塵中的小顆粒無(wú)法附著，或因凝并后的大顆粒未出煙道而落入灰斗中未被收集，導(dǎo)致最終所測(cè)凝并效果較差。而當(dāng)風(fēng)速大于一定值，粉塵經(jīng)過凝并器的速度過快，時(shí)間太短，不足以進(jìn)行凝并就被吹出煙道，因而降低了凝并效果。

可見，交流電壓、粉塵濃度和煙道風(fēng)速，都對(duì)粉塵凝并起著重要的作用。通過數(shù)據(jù)分析，二齒芒刺線—金屬板的極配形式，對(duì)PM10凝并效果最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電壓40 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速1.2 m/s，此時(shí)PM10在凝并后減少值最大，為15.85%。

2.2 四齒芒刺線-金屬板對(duì)粉塵凝并效果的影響

從圖7可以看出，在不同電壓下的Δv變化趨勢(shì)相似，當(dāng)電壓為20 kV、25 kV時(shí)，Δv峰值分別為-4.35%、-4.69%。當(dāng)電壓為30 kV時(shí)，凝并效果最佳，Δv峰值為-5.66%。當(dāng)電壓升至35 kV，此時(shí)可能接近擊穿電壓，放電效果變差而導(dǎo)致凝并效果降低，Δv峰值為-4.98%。

圖8顯示，當(dāng)粉塵濃度為1 g/m³、2 g/m³、3 g/m³時(shí)，Δv峰值分別為-5.31%、-5.66%、-5.11%。當(dāng)粉塵濃度為2 g/m³時(shí)，凝并效果最優(yōu)，Δv峰值為-5.66%。與二齒芒刺線結(jié)果類似，粉塵濃度不宜過高或過低，均在2 g/m³時(shí)凝并效果最好。

從圖9看出，風(fēng)速為0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s時(shí)，Δv峰值分別為-5.16%、-5.3%、-5.66%，隨著風(fēng)速增大，PM10凝并效果增強(qiáng)，風(fēng)速繼續(xù)增加到1.4 m/s，凝并效果減弱，Δv峰值為-4.51%。但是對(duì)于5.01 μm以下的粉塵細(xì)顆粒物，1.0 m/s風(fēng)速時(shí)凝并效果最優(yōu)。

對(duì)凝并室極配形式為四齒芒刺線-金屬板數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，對(duì)PM10凝并效果最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電壓30 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速為1.2 m/s，凝并后PM10減少總量為18.29%。

2.3 八齒芒刺線-金屬板對(duì)粉塵凝并效果的影響

由圖10可知，粉塵在不同電壓下Δv變化規(guī)律相似，當(dāng)電壓為20 kV、25 kV、30 kV時(shí)，Δv峰值分別為-2.64%、-3.15%、-3.82%，電壓為30 kV時(shí)凝并效果最優(yōu)。當(dāng)電壓升高至35 kV時(shí)，由于已接近擊穿電壓，導(dǎo)致凝并效果降低，Δv峰值為-3.05%。

由圖11可知，當(dāng)粉塵濃度為1 g/m³、2 g/m³、3 g/m³時(shí)，Δv峰值分別為-2.29%、-3.82%、-3.05%，濃度為2 g/m³時(shí)峰值最大，且此時(shí)對(duì)PM10凝并效果最好。對(duì)于不同粒徑的顆粒， 3.31 μm以下的粉塵，濃度為1 g/m³的凝并效果優(yōu)于3 g/m³，3.31～10 μm內(nèi)的粉塵，濃度為1 g/m3的凝并效果不如3 g/m³。

由圖12可知，當(dāng)風(fēng)速為0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s時(shí)，Δv峰值分別為-2.33%、-2.65%、-3.82%，風(fēng)速為1.2 m/s時(shí)凝并效果最優(yōu)，風(fēng)速升到1.4 m/s，凝并效果變差，Δv峰值減小到-2.28%。風(fēng)速過高會(huì)導(dǎo)致顆粒物在電場(chǎng)中滯留時(shí)間變短，不足以充分凝并，使得效果降低。

凝并室極配形式為八齒芒刺線-金屬板時(shí)，對(duì)PM10凝并效果最優(yōu)的參數(shù)為：電壓30 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速1.2 m/s，PM10減少總值為12.50%。

2.4 不同電極形式凝并效果比較

選取二齒芒刺線、四齒芒刺線、八齒芒刺線各自的最優(yōu)凝并效果的參數(shù)組合進(jìn)行比較，對(duì)應(yīng)各自的最佳參數(shù)組合分別為：電壓40 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速1.2 m/s；電壓30 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速1.2 m/s；交流電壓30 kV，粉塵濃度2 g/m³，風(fēng)速1.2 m/s。

由圖13可知，對(duì)于1.91 μm以下的粉塵，二齒、八齒芒刺線的凝并效果相似，但均比四齒芒刺線好；對(duì)于1.91～10 μm的粉塵，反而四齒的效果最優(yōu)，八齒最差。可見，每種電極形式對(duì)粉塵的凝并效果并不總是最優(yōu)，而是每種極配形式對(duì)于不同粒徑的粉塵各有優(yōu)劣，因?yàn)椴煌降姆蹓m荷電凝并機(jī)理不同，而不同形式的電極放電效果也各有差異。

3 結(jié)論

1）在交流電凝并中，電壓的提高有利于凝并的發(fā)生，電壓越高，凝并效果越好，但當(dāng)電壓超過一定值時(shí)，接近臨界電壓，會(huì)產(chǎn)生火花放電而導(dǎo)致凝并效果降低，對(duì)于不同形式的放電極，實(shí)現(xiàn)最佳凝并效果的電壓值不同。

2）粉塵濃度過低會(huì)使顆粒物間距太大而不易碰撞凝并，濃度過高會(huì)使得粉塵未達(dá)到飽和荷電量不易吸附凝并，因此存在一個(gè)最佳濃度值。

3）風(fēng)速大小也是影響凝并效果的重要因素，太小會(huì)使大顆粒受重力影響大而沉降脫離電場(chǎng)，過大使得顆粒物在電場(chǎng)中滯留時(shí)間過短，都會(huì)降低凝并效果。

4）對(duì)于二齒、四齒、八齒芒刺線三種不同的放電極，使得其凝并效果最佳的交流電壓、粉塵濃度、風(fēng)速分別為：40 kV、2 g/m³、1.2 m/s，30 kV、2 g/m³、1.2 m/s，30 kV、2 g/m³、1.2 m/s。在此條件下，凝并后粉塵中PM10的減少值分別為：15.85%，18.29%，12.50%。凝并效果總體最優(yōu)的極配形式和參數(shù)為：四齒芒刺線-金屬板，交流電壓為30 kV、粉塵濃度為2 g/m³、風(fēng)速為1.2 m/s，凝并后3.31～5.01 μm粒徑的粉塵體積百分比減少了5.66%，PM10減少了18.29%。

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