交流电场中芒刺板-板电极对粒子凝并的实验研究

陈博，黄超，佟馨，张姗姗



交流电场中芒刺板-板电极对粒子凝并的实验研究

陈博，黄超，佟馨，张姗姗

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

研究了在交流电场中凝并室极配形式为芒刺板-金属板的凝并问题。考察了凝并室内不同峰值电压、烟道风速和粉尘初始浓度对凝并效果的影响。实验结果表明，在荷电室实验参数固定的条件下，凝并室采用芒刺板-金属板，通高压交流电时，交流电压为30 kV，烟道风速为0.6 m/s，粉尘初始浓度为2 g/m3时的凝并效果较好。

交流凝并； 芒刺板； 凝并效果

随着社会的进步，人们越来越关注环境问题。近年来，雾霾频现，大气污染问题引起了全社会的高度关注。大气颗粒物是大气环境中化学组成最复杂、危害最大的污染物，现已成为影响大气环境质量和人体健康的主要危害因素之一[1-3]。其中，可吸入颗粒物PM10尤其是PM2.5备受关注，它可损害呼吸系统，破坏免疫系统，进而引发呼吸系统、心脑血管疾病及其他疾病，从而增加死亡率[4-7]。因此如何高效去除大气中的PM2.5成为现今环境领域亟待解决的课题。

现有的电除尘器除尘效率可达到99%以上，但是其对微细颗粒物的捕集效率仍然较低[8-10]。因此，有必要对现有的除尘设备进行进一步改良，以提高微细颗粒物的去除效率。凝并是指将微细颗粒物进一步团聚凝并成大颗粒物，主要包括电凝并、声凝并、磁凝并、光凝并、热凝并、化学凝并等[8]。电凝并是指通过电场的作用达到粉尘粒子有效直径增大的目的[11]，从而使凝并后的大颗粒物更容易被后续的除尘设备捕集，提高除尘器对微细颗粒物的捕集效率。

Watanabe等[12]将电凝并技术与常规电除尘技术结合，提出了三区式静电除尘器，对比了安装与未安装凝并装置的电除尘器的除尘效率，发现处理0.06~12μm的飞灰时，比常规电除尘器的收尘效率提高3%，即由95.1%增加到98.1%。Hautanen[13]采用类似的凝并除尘装置去除油烟，也得到了较好的实验结果。

本文研究了不同操作条件下对颗粒物凝并效果的影响，从而提出最优化凝并条件。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，由粉尘给料机，荷电室，凝并室及采样器构成。粉尘给料机型号为DZT—1000，给粉量确定为3～60 g/min，实验模拟烟气中的粉尘为滑石粉，粉尘由进风口自动给出，继而由引风机吸入荷电室。荷电室极配形式为八齿芒刺线-C型板，异极距为200 mm，接通负直流高压电，直流电压为40 kV，对粒子进行荷电。荷电后粒子进入凝并室，在交流电作用下进行粒子的凝并。采样器为皮托管平行全自动烟尘（气）油烟采样器，粒径分布测量系统采用马尔文激光粒度仪（Mastersizer 2000）。

1-粉尘给料机；2-进风锥形管；3-荷电室收尘极；4-荷电室放电极；5-凝并室接地极；6-凝并室高压极；7-直流电源；8-直流/交流电源；9-变频风机；10-粉尘采样枪；11-采样仪。

图1 荷电凝并实验台流程图

1.2 凝并效果分析方法

本文采用某一粒径粉尘体积占有率变化来衡量凝并效果[14]，定义式如下：

2 结果和讨论

2.1 在一定风速和浓度下，不同交流电压对凝并效 果的影响

实验过程选择异极距为200 mm，给粉浓度为2 g/m3，烟道风速为1.0 m/s，交流电压为25 kV、30 kV、35 kV、40 kV和45 kV。凝并后不同粒径颗粒物体积占有率变化如图2所示。

图2 风速为1.0 m/s，给粉浓度为2 g/m3时，凝并室电压不同时，不同粒径颗粒物体积占有率变化

由图2中可以看出，含尘烟气经电凝并室凝并后，烟气中小粒径粉尘的体积占有率变化为负值，而大粒径粉尘的体积占有率变化为正，这表明，小粒径的粉尘凝并形成粒径较大的粉尘。当交流电压为30 kV时，小粒径颗粒物的体积占有率减少幅度较大，其凝并效果较好。通过研究交流电压对凝并效果的影响，可以优化出最佳交流电压。

2.2 在一定电压和浓度下，不同烟道风速对凝并效果的影响

选择异极距为200 mm，给粉浓度为2 g/m3，交流电压为35 kV，烟道风速分别为0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s和1.4 m/s。凝并后不同粒径颗粒物体积占有率变化如图3所示。

图3 给粉浓度为2 g/m3，交流电压为35 kV时，烟道风速不同时，不同粒径颗粒物体积占有率变化

从图3中可看出，风速为0.6 m/s时，小粒径颗粒物体积占有率减少幅度最大，其凝并效果最好，风速为1.4 m/s时，小粒径颗粒物体积占有率变化均为正值，其凝并效果最差。其原因主要是较大风速下粉尘在凝并室停留时间较短，导致粉尘震荡次数减少从而减少了碰撞频率，影响了粉尘的碰撞凝并效果，因此粉尘干式电凝并风速越低凝并效果越好。

2.3 在一定风速和电压下，不同粉尘浓度对凝并效果的影响

本部分实验时在固定风速和电压条件下进行。当异极距为200 mm时，烟道风速为1.0 m/s，交流电压为35 kV，选择的粉尘变化浓度为1 g/m3，2 g/m3，3 g/m3。图4为粉尘凝并后的不同粒径颗粒物体积占有率变化。

图4 风速为1.0 m/s，交流电压为35 KV时，初始粉尘浓度不同时，不同粒径颗粒物体积占有率变化

由图4可以看出，浓度为1 g/m3和3 g/m3时，小粒径颗粒物体积占有率不降反增，而浓度为2 g/m3时，小粒径颗粒物体积占有率减少，说明小粒径颗粒物经凝并而减少，可以知道浓度为2 g/m3时凝并效果较好。分析原因为，粉尘浓度过低使得荷电室内除尘效率提高，对大粒径颗粒物的去除作用得到提升，进而凝并室内大粒径颗粒物的比例降低，碰撞几率减小，凝并效果不理想。在一定的烟道风速、交流电压下，存在最佳初始浓度值。

3 结 论

实验结果表明，当荷电室极配形式为八齿芒刺线-C型板，异极距为200 mm，接通负直流高压电，直流电压为40 kV时，在交流电场作用下，当凝并室的极配形式选为芒刺板-板时，存在最优凝并条件，即当交流电压为30 kV，烟道风速为0.6 m/s，粉尘初始浓度为2 g/m3时的凝并效果较好。这种优化条件可以为工业应用提供基础研究。

［1］陈仁杰，陈秉衡，阚海东. 我国113 个城市大气颗粒物污染的健康经济学评价[J]. 中国环境科学, 2010, 30 (3): 410-415.

［2］阚海东，陈秉衡. 我国大气颗粒物暴露与人群健康效应的关系[J].环境与健康，2002, 19 (16): 422-424.

［3］周学华，王哲，郝明途，等. 济南市春季大气颗粒物污染研究[J].环境科学学报，2008, 28 (4): 755-763.

［4］马雁军，刘宁微，洪也，等. 2011年春季辽宁一次沙尘天气过程及其对不同粒径颗粒物和空气质量的影响[J].环境科学学报, 2012, 32 (5): 1160-1167.

［5］孟紫强，卢彬，周义，等. 沙尘天气对呼吸系统疾病日入院人数影响的时间序列研究( 1995-2003年) [J]. 环境科学学报, 2006, 26 (11): 1900-1908.

［6］Peters A，Liu E，Verrier R L，et al. Air pollution and incidence of cardiac arrhythmia[J]. Epidemiology, 2000, 11 (1): 11-17.

［7］谢鹏，刘晓云，刘兆荣，等. 我国人群大气颗粒物污染暴露-反应关系的研究[J]. 中国环境科学, 2009, 29 (10): 1034-1040.

［8］Fernandez Art, Wendt J O L, Wolski N, et al. Inhalation healtheffects of fine particles from the co-combustion of coal and refusederived fuel [J]. Origins, Fate, and Health Effects, 2003, 51 (10): 1129-1137.

［9］Helble J J. A model for the air emissions of trace metallic elementsfrom coal combustors equipped with electrostatic precipitators[J]. Fuel Processing Technology, 2000, 63 (2): 125-147.

［10］赵毅，沈艳梅. 燃煤过程中亚微米颗粒物形成及防治的研究进展[J]. 洁净煤技术, 2008, 14 (5) : 83-85+92.

［11］魏凤，张军营，土春梅，等. 煤燃烧超细颗粒物团聚促进技术的研究进展[J]. 煤炭转化, 2003, 26 (3): 27-31.

［12］Watanabe T., Tochikubo F., Koizuni Y., Submicron particle agglomera -tion by an electrostatic agglomerator. Journal of Electrostatics [J]. 1995, 34 (4): 367-383.

［13］Hautanen J. Electrical agglomeration of aerosol particles in an alternating electric field[J]. Aerosol Sci. and Techn., 1995, 22: 181-189.

［14］HUANG Chao, MA Xiuqin, SUN Youshan et al. Particle Agglomeration in Bipolar Barb Agglomerator Under AC Electric Field[J]. Plasma Science and Technology, 2015, 17 (4): 317-320.

Experimental Study on Particle Agglomeration With Unipolar Barbed Plate-Plate Electrode in AC Electric Field

,,,

（Hebei University of Technology, Tianjin 300401，China）

The agglomeration of particle with a unipolar barbed plate-plate electrode in AC electric field was studied. The effect of peak voltage, flue gas flow velocity and initial particle concentration on the agglomeration efficiency was investigated. The results indicate that, with the unipolar barbed plate-plate electrode in agglomerating area in AC electric field, when the AC voltage is 30kV, the flue gas flow velocity is 0.6m/s and initial particle concentration is 2g/m3, the agglomeration efficiency is better.

AC agglomeration; barbed plate; agglomeration efficiency

2017-05-04

陈博（1991-），女，硕士，河南省濮阳市人，2017年毕业于河北工业大学动力工程专业，研究方向：大气污染控制理论与技术。

黄超（1960-），男，教授，博士，研究方向：大气污染控制理论与技术。

河北省科技支撑计划，项目号：15273713D-1。

R 122.7

A

1004-0935（2017）07-0629-03