荷电水雾振弦栅除尘器电极结构及外设参数优化研究*

饶贞标 陈祖云 张如梦 肖竹新

(1.江西理工大学资源与环境工程学院 江西赣州 341000；2.江西省矿冶环境污染控制重点实验室 江西赣州 341000)

0 引言

近年来，随着我国政府及民众不断提高的环保意识，加之传统产业结构转型不断深化，传统单一除尘技术处理微细粉尘不尽人意，因此提出了荷电水雾振弦栅除尘技术。它是把电除尘技术、喷雾降尘技术和纤维栅过滤除尘技术的优点综合起来发展而来的先进除尘技术，对细微粉尘的捕集效率最高可达99%[1-3]。水雾荷电是实现其高捕集效率的重要因素，为了提高水雾荷电能力需要对电场特性做出优化，而电极结构对电场特性造成影响[4]。为了使除尘器水雾荷电可以获取更好的性能，对放电极结构进行优化，得到较优的放电极参数，以便获取带有超高荷质比的雾滴，进而实现提高喷雾荷电除尘效率的目的[5]。阅读相关参考文献发现水雾荷质比与荷电电压、喷极间距、喷雾压力、电极结构有关，与电极材质无关[6-9]。因此需要研究放电极结构及外设参数以期进一步提高除尘器除尘性能，因此电晕极结构参数的研究包括电极形状、喷极间距、芒刺数量、芒刺长度、电极个数等；外设参数研究主要有入口风速、平均入口粉尘质量浓度、喷雾量等。

1 实验装置及放电极结构介绍

1.1 实验装置介绍

图1为荷电水雾振弦栅除尘装置示意图，其装置组成有发尘器、风机、水泵、实心锥形喷嘴、高压供电系统、振弦栅6部分。把经过干燥处理的滑石粉作为发尘器实验粉尘，实验中调节导尘管倾角获取不同发尘速率。高压供电系统由高压硅整流变压器(CK100 kV/10 Ma)及高压控制柜组成，电压可调范围0～100 kV。用铁制作加工成环形(直径为130 mm，粗约3 mm)、棒状(长度为102 mm，粗约6 mm)、方形(边长为102 mm，粗约3 mm)3种电极，规格相近质量均接近90 g，便于实验对比。

1—发尘器；2—集流器；3—采样头；4—进气管；5—高压绝缘子；6—高压电源；7—控制柜；8—增压雾化系统；9—喷嘴；10—放电极；11—振弦栅；12—倾斜压差计；13—滤膜盒；14—转子流量计；15—风机；16—风量调节阀；17—出气管；18—抽气泵

运行步骤：先运行风机(CF-11-3A2)和启动水泵(1ZDB65)，待风流和水雾稳定后，打开高压电源进行升压，升至最大电晕电压后，启动发尘器，粉尘经进气管流入箱体，在箱体里与荷电水雾接触凝并后被捕集，振弦栅再对含尘气体作进一步的拦截清灰处理，最后从风机出口排出净化气体。

1.2 水雾荷电降尘机理分析

水雾荷电有电场荷电和扩散荷电两种[10]。对于粉尘大于0.2 μm主要是电场荷电，即离子在电场作用下，与雾滴发生碰撞并吸附在雾滴上使雾滴荷电。雾滴表面随着吸附的离子不断增多，离子间的排斥作用越大，最终电场达到平衡时，雾滴荷电达到饱和[11-12]。MATIN C[13]研究水雾荷电得到雾滴在0.1～1 s时荷电量接近饱和，因此可以认为电除尘中的雾滴从喷嘴喷出经过电极即达到了饱和电荷量。水雾荷电后与荷电粉尘在电场力的作用下发生凝并，形成较大含尘液滴，然后通过纤维栅的惯性碰撞、拦截、扩散多种机理[14-15]过程达到捕集粉尘的目的。

1.3 实验参数测定方法介绍

1.3.1 水雾荷质比的测定方法

实验使用网状目标法测量雾滴群的总电量和总质量，如图2所示。水雾经放电极喷在金属接收桶，通过连接在桶上的精密微安表读出电流值，同时记录测试时间，荷电量为电晕电流和测定时间的乘积，然后称出水雾质量，因此荷质比可表达为：

1—雾化喷嘴；2—负高压电源；3—放电极；4—感应屏蔽环；5—绝缘层；6—金属网；7—量杯；8—精密微安表

λ=q/m=It/ρVt=I/ρV=U/ρVR

(1)

式中，λ为荷质比，mC/kg；q为总电荷量，mC；m为带电体质量，kg；I为雾滴群的稳定电流；t为实验时间，s；ρ为水的密度，kg/m3；V为喷嘴单位时间的喷雾量，m3/s。因此在喷雾压力一定下，水雾荷质比与电晕电压成正相关。

1.3.2 除尘效率测定

除尘效率是指含尘气流经过装置时被捕集的粉尘量占入口粉尘量的百分比，通过抽气泵采集进出口粉尘量，可表示为：

η=(m1-m2)/m1×100%

(2)

式中，m1和m2分别为进出口滤膜收集的粉尘质量。

分级除尘效率是在除尘系统中对粉尘的某一粒径范围△dp内的除尘效率。其中粉尘粒径区间颗粒数采用显微镜法测定。显微镜法测定粒径分布的基本原理是采用醋酸丁酯使带尘滤膜溶解，搅拌均匀使粉尘粒子均匀的悬浮于溶液中，抽取一滴放在载玻片上，涂成粉尘标本，把显微镜连接电脑后利用ScopePhoto观测粉尘粒子大小的构成情况。观测结束后，把尘粒按相应粒径区间分组，计算百分数。

n=(a/N)×100%

(3)

式中，n为尘粒的粒径分布；a为某级尘粒的颗粒数；N为单个样品所度量的尘粒总数。

分级效率表达式为：

ηr=(1-S2r/S1r)×100%

(4)

式中，ηr为分级除尘效率，%；S1r、S2r为进、出口dpr粉尘颗粒数。

2 电极结构优化实验分析

2.1 电极形状的影响

通过上述参数测定方法，设置喷嘴与电极间距为75 mm，调节控制柜电压测得不同形状电极与喷嘴的水雾荷质比结果，见图3。从图3中可以看出水雾荷质比随电晕电压的提高而呈指数形式增加。原因是电压升高，空气中电离的电子增加，在定向移动过程中不断被水雾吸收从而使水雾带电量增加。当电压较低时，电晕电离的电子较少，水雾荷电量小，当电压增大到10 kV时，电极电离出的电子迅速增加，水雾的荷电量也迅速增加。同时可以看到电极形状对水雾荷质比影响较大，相同电晕电压下电极放电能力依次为环形电极>方形电极>棒形电极。主要原因是环形电极在同等电晕电压条件下电晕效果较好，而且环形电极放电场成环形，与水雾的分布比较吻合，使得水雾荷电效果较好，因此选择环形电极进行后续实验。

图3 电极形状对水雾荷质比的影响

2.2 芒刺数量的影响

用铁丝分别在环形电极上均匀缠绕一字型芒刺线，数量分别是4、6、8个，测出不同数量芒刺的水雾荷质比，实验结果如图4所示。最大水雾荷质比随芒刺数的增加表现为先增大后减小，主要原因是每个芒刺只有一个尖端放电，随着芒刺数的增加，可放电尖端数量增加，产生的电晕电流越大，放电效果越好。其中带4个芒刺的环形电极水雾荷质比最高，主要原因是芒刺数增加导致芒刺间的间距减小，使芒刺之间发生相互作用，最大击穿电压也减小，导致电晕效果下降，水雾荷质比也相对减小。因此芒刺数为4个最佳。

图4 电极的芒刺数对水雾荷质比的影响

2.3 芒刺长度的影响

在4个芒刺条件下通过改变环形电极的芒刺长度测定不同电晕电压下的水雾荷质比，测定结果如图5所示。从图中可以看出在电压为小于20 kV时，芒刺长度对水雾荷质比的影响很小，几乎可以忽略不计，原因是电压小时产生的电晕电流小，水雾荷电量小。当电压大于20 kV时，水雾荷质比随芒刺长度增大开始减小且降幅增大，主要原因是电晕电压增大使电晕电流增大较为明显，导致不同长度的芒刺影响到电场分布，芒刺间发生了复杂的电场干扰作用，导致电极的击穿电压随芒刺长度增加减小。在相同电压下，不同环形电极的芒刺长度下的水雾荷质比大小排序是10 mm>20 mm>30 mm，因此芒刺长度为10 mm的电极放电效果最佳。

图5 电极的芒刺长度对水雾荷质比的影响

2.4 电极数的影响

在4个芒刺环形电极，芒刺长度为10 mm时通过改变环形电极个数测定对应电极数的荷质比。如图6所示，从图6中可以看出增加环形电极后荷质比有所增加，但电晕电压区间变窄，主要原因是在除尘箱体长度受限的情况下,环形电极数的增加在电极间不互相干扰的情况下可以提高放电效果，但是电极间的布置间距有限导致击穿电压减小，其中单电极的荷质比最高可升至32.28 mC/kg，远大于多电极且安装布置简单，因此选择一个环形电极进行实验，最大电晕电压可达40 kV。

图6 电极数对水雾荷质比的影响

2.5 喷嘴与电极间距对水雾荷质比的影响

由于喷嘴与电极间距对水雾荷电会产生一定影响，为获取较优的间距，调整喷嘴与环形电极的间距分别为50、75、100、125 mm。测定对应间距下的水雾荷质比结果如图7所示。由图7可知，喷嘴与电极间距越近,在同样电压下，水雾荷质比越高，但击穿电压较低。按喷嘴与电极的平场电场强度计算，水雾荷质比喷嘴与电极的平场电场强度增加而增大；在相同平场电场强度条件下，喷嘴与放电极间距为100 mm的击穿电压最高，但喷嘴与电极间距超过100 mm时，轴向喷雾范围增大导致水雾不能完全从环形电极经过，使得部分水雾未荷电。同时为了获得更高的电晕电压及平场电场强度，尽可能提高水雾荷质比，设置喷嘴与放电极间距为100 mm。

图7 喷嘴与电极间距对水雾荷质比的影响

3 外设参数优化实验分析

对外设参数进行优化，探究入口风速、喷雾压力和入口平均粉尘质量浓度对水雾荷电除尘的影响，确定其最佳参数，分析电极优化前后分级效率。

3.1 入口风速

参数喷雾压力和入口平均粉尘质量浓度不变，通过调节风量板得出不同风速下的除尘效率，如图8所示。风速对除尘效率有很大的影响，在实验风速增大的过程中除尘效率反而持续下降，在风速为5.96 m/s后曲线呈现大幅下降趋势。主要原因是入口风速越低，含尘气流对水雾荷电的影响较小，越有利于带电水雾与粉尘通过静电吸引发生碰撞凝并。风速较大时，荷电水雾与粉尘粒子接触碰撞时间减少，凝并效果下降，电场作用减弱，致使荷电水雾的除尘效率下降。因此考虑除尘效率和处理气体量，最佳实验入口风速设置为5.96 m/s。

图8 入口风速对除尘效率的影响

3.2 喷雾量

当入口风速为5.96 m/s时，入口平均粉尘质量浓度不变，通过调节供水阀得出不同喷雾压力下的喷雾量，在对应喷雾量下测定其除尘效率，得到图9。由图9可知，除尘效率随着喷雾压力增大而增大，主要原因是喷雾压力越大，喷雾量越大，水雾荷质比增大，同时喷雾压力增大会减小水雾粒径，促进荷电水雾与粉尘的接触碰撞，最终凝并形成较大含尘液滴，从而使除尘效率增大，因而把0.5 MPa作为最佳喷雾压力值。

图9 喷雾压力对除尘效率的影响

3.3 入口平均粉尘质量浓度

已知最佳入口风速为5.96 m/s，最佳供水压力为0.5 MPa时，通过调节导尘管得到不同入口平均粉尘质量浓度下的除尘效率，如图10所示。随入口平均粉尘质量浓度的增大除尘效率曲线呈现先增大后减小的走势，存在的原因可能是在除尘箱体容积一定的情况下，处理的粉尘量会有一个最大限值，在粉尘质量浓度约为1.97 g/m3时，除尘效率最高，处理的粉尘量接近最大限值，粉尘质量浓度超过1.97 g/m3时，过量粉尘没能够被荷电水雾捕集，导致粉尘未达到有效荷电致使除尘效率急剧下降，因而1.97 g/m3为最佳入口平均粉尘质量浓度。

图10 入口平均粉尘浓度对除尘效率的影响

3.4 电极优化前后分级效率分析

在上述实验中得到最佳外设参数是入口风速为5.96 m/s，喷雾压力为0.5 MPa，入口平均粉尘质量浓度为1.97 g/m3。测定空气密度为1.171 kg/m3，将电压升至40 kV，分别测定环形电极优化前后的进出口采样粉尘。处理后放入生物显微镜下计数，借助ScopePhoto得到粉尘分级效率，如图11所示。从图11可知，分级效率在优化前后均随粉尘粒径的增大呈现不断增长趋势，在20 μm时缓慢增加并趋于稳定，最后在30 μm处达最大值，趋近100%。同一粉尘粒径在5 μm以下的净化效率优化后提高了3.57%，表明水雾荷质比的提高有利于促进细微粉尘与水雾之间发生凝并，使粉尘颗粒增大从而提高净化作用。

图11 电极优化前后的分级效率对比

4 结论

制作不同电极，通过测定水雾荷质比对电极结构进行优化实验，然后确定最佳外设参数并对比优化前后分级效率，得到以下结论：

(1)最佳放电极结构参数为一个直径130 mm，芒刺数为4，芒刺长20 mm的环形电极，喷嘴与电极间距为100 mm，最大电晕电压为40 kV。

(2)外设条件最优参数为入口风速5.96 m/s，喷雾压力0.5 MPa，入口平均粉尘质量浓度1.97 g/m3。

(3)电极优化前后荷电水雾对5 μm以下的粉尘的去除率提高了3.57%，说明电极结构参数优化对微细粉尘的治理效果明显。