静电除尘效率影响因素的研究进展

关玉华,张伦秋,米俊锋,杜胜男

(1.辽宁石油化工大学 土木工程学院,辽宁 抚顺 113001;2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001)

随着经济和工业化的不断发展,环境污染问题日益严重。为了最大程度地利用粉尘产生的环境、设备动能及热能解决工业生产中粉尘的分离和捕集,发展静电除尘技术势在必行[1]。目前,应用较为广泛的除尘技术为:机械式除尘、袋式除尘、湿式除尘、静电除尘。各除尘技术的对比见表1。相较于其他除尘技术,静电除尘技术具有高除尘效率、易于管理、低能耗等特点,因此静电除尘技术具有较好的发展前景。本文重点针对影响除尘效率的主要因素进行综述。

表1 各种除尘技术的对比[1-7]Table 1 Comparison of various dust removal techniques[1-7]

1 放电极形式及材料

放电极与集尘极通过直流高压电源形成电场,粉尘颗粒物在电场力作用下向集尘极运动从而被捕集。放电极的形式和材料也都会影响静电除尘器的除尘效率,因此国内外学者对其进行了广泛的研究。

1.1 放电极形式

静电除尘主要以电晕放电为理论基础,为形成稳定的电晕放电,放电结构一般采用光杆型、锯齿型、芒刺型放电装置以形成非均匀电场。各放电形式的优缺点及适用环境见表2。

表2 不同放电极形式的性能特点[8-13]Table 2 Performance characteristics of different discharge electrode forms[8-13]

良好的放电极应当具备操作电压区间大、机械性能优异、击穿电压高、放电强度高等优点。在高温环境下,击穿电压降低,芒刺型和锯齿型放电极电晕电压区间小,使用光杆型放电极在高电压状态下放电性能更稳定。Xu等[14]探索了三中不同形式的放电极对放电性能和除尘性能的影响,研究结果表明温度为300 K,施加相同电压时锯齿状电极的放电电流最大,除尘效率达到99.8%,随着温度升高在700～900 K之间,圆线型电极颗粒收集效率较高。在其基础上,Zheng等[15]发现温度为700 K时,锯齿状电极对PM1的去除效率为95.9%,PM2.5的去除效率为95.7%,通过对芒刺型电极结构优化,其对各直径分布(PM1-PM10)的颗粒去除效率可明显高于圆线型,即去除效率超过95%。

放电极受材料、形式、操作温度等多种因素的影响,因此,放电极的选择应从电晕放电、脱除效率、设备机械强度和使用寿命等方面考虑,选择最佳放电形式以达到较好的去除效果。

1.2 放电极材料

为保障除尘设备的除尘性能和耐腐蚀性,通常放电极采用耐高温的合金钢或不锈钢[16],不同材料的逸出功不同且会影响其放电特性,可通过在金属材料表面涂覆不同材料改变逸出功大小。ALI等[17]通过使用聚合物放电极表面与混合复合放电电极的新组合来降低其规模成本,与传统的金属放电极相比,其放电电流更稳定且几乎没有火花电压。Rostami等[18]发现尖峰带形式的碳钢作为放电电极时,随着气体流速的增加,细颗粒(直径可达0.8 μm)的收集效率提高,且本实验的用水量明显低于其他处理过程。随后,Ali等[19]又采用碳纤维复合材料与金属网结合,形成了长而薄的磁带形状的混合电极样品,混合复合放电电极在与金属电极相当的功率下产生均匀的电晕,并具有紧凑、轻、高度耐腐蚀等优点。

除了选择可降低成本具有耐腐蚀性的聚合物和碳钢作为放电极,一些学者尝试将石墨烯、稀土钨等导电率高的材料作为放电极研究其放电特性和除尘效率。石墨烯具有强度大、导电性能良好[20]。Bo等[21]通过采用垂直定向的石墨烯涂层金属线作电晕放电电极,可以产生更加节能、环保的电晕放电,放电从“石墨烯放电阶段”开始过渡到“导线放电阶段”,石墨烯片放电具有更低的起晕电压和显著减少臭氧排放。在相同的供电电压和放电条件下,负极性的使用可能会导致比正极性高得多的电晕电流,因此可能更适合于实际应用。

Yang等[22]利用钨涂层纳米线的放电极,发现其可以在大气中获得连续和稳定的电晕放电。这种基于纳米线的电晕放电可以通过使用纳米线在电极尖端的缩小而在相对较低的电压下启动和工作。由图1可知当电压增加到电晕阈值时,就会发生击穿,放电电流波动剧烈,通过不断增加电压,使其略大于电晕阈值,电晕放电就变得稳定。

图1 采用钨膜涂层纳米线制备的放电器的典型I-V特性Fig.1 The typical I-V characteristics of the dischargers using nanowires coated with tungsten film

为使静电除尘技术放电稳定,放电极材料应具有较低的起晕电压,击穿电压高等特点,因此探索和研究放电特性优良的阴极材料也是静电除尘的重要研究方向。

2 比电阻对除尘效率的影响

粉尘比电阻是指在一定的粉尘填充块中,单位长度内单位截面粉尘层的电阻。不同环境下的温度、湿度、及其自身结构等也会影响比电阻大小,从而影响对颗粒物的去除效率。

2.1 温度对比电阻的影响

随着温度的升高,粉尘比电阻先增大后减小,由图2典型的温度-电阻率曲线图[23]可知温度为100～200 ℃之间粉尘比电阻出现最大值,当粉尘比电阻高于1010Ω·cm时,集尘极收集的灰尘电阻引起反电晕使电场削弱,粉尘层击穿;当粉尘比电阻低于104Ω·cm时,颗粒物在洛伦兹力的作用下向集尘极迁移,最后与极板碰撞并通过感应带电携带同性电荷,在互斥洛伦兹力的作用下重新返回到极间气流中往复运动,部分粉尘颗粒可能会被气流带出除尘器,造成二次扬尘;在早期文献中指出当粉尘比电阻在104～1010Ω·cm之间,最适用于电除尘器[24]。

图2 典型的温度-电阻率曲线Fig.2 Typical temperature resistivity curve

粉尘比电阻由表面比电阻和体积比电阻共同决定。当温度低于粉尘比电阻变化临界值时,表面比电阻占主导作用,反之,体积比电阻占主导作用。MOHANTY等[25]通过研究不同温度下粉尘的变化,实验表明温度低于150 ℃时表面比电阻起主要作用,粉尘比电阻与温度成正比关系;温度在150～225 ℃范围内,表面比电阻和体积比电阻共同作用决定比电阻大小;温度大于225 ℃时体积比电阻占主导作用,因此,粉尘比电阻与温度成反比关系。Li等[26]测试了温度对比电阻的影响,研究表明许多工业污染颗粒物在温度423～427 K内具有较高的比电阻,由此可通过调节烟气温度降低到403 K以下或提高到623 K以上使粉尘具有足够的导电性。然而高烟气温度不利于静电除尘器除尘,可使静电除尘器在较低的温度下运行,降温也有利于降低粉尘流速、提高运行电压。Xu等[27]通过研究稀土钨阴极管式静电除尘器在各种因素下的除尘规律,发现随着工作电压或温度的升高,收集效率主要表现出明显的增加趋势,而在较高温度和较低电压下随温度升高略有下降。

2.2 湿度对比电阻的影响

Li等[26]通过对粉尘比电阻和静电沉淀效率变化特性的研究,发现在相同温度下烟气比电阻与湿度成反比关系,即温度相同,湿度增加,粉尘层的比电阻减小从而增加导电效果,使得击穿电压增大,从而不易发生火花电压,即电场强度的增大也将显著提高烟气颗粒物的捕集效果。Mohanty等[25]对粉煤灰比电阻的研究中发现湿度对200 ℃以下的大多数粉尘有主要影响,且湿度不宜过大,因为更多的水蒸气会在ESP中产生腐蚀问题,温度较高时,颗粒物的比电阻几乎不受湿度影响。此外,国内外Zhang[28]和Liu等[29]学者的研究均证实了以上观点。

王翔等[30]进一步分析湿式水膜对粉尘比电阻的影响,提出湿式高压静电除尘效率高的原因是:①由于液膜在粉尘表面的附着对沉积的颗粒进行改性,提高粉尘相对介电常数[31],稳定运行使静电场内粉尘荷电不随粉尘沉积而降低,提高颗粒物的荷电能力;②湿式水膜静电场中粉尘向集尘极的有效运动路径变短,且运动的时间减短,粉尘捕集效率更高;③湿度可增强团聚体内颗粒之间的粘结能力,有效避免二次扬尘。

由于粉尘比电阻和湿度变化成负相关规律,所以可通过增加湿度降低粉尘比电阻以提高集尘效率,粉尘湿度增加的同时还具有增加粉尘荷电过程、防止粉尘二次扬尘的作用。当前的湿式电除尘器不仅可提高对黏性粉尘的去除,还可保证电极板的清洁,提高其使用寿命。

3 温度

3.1 对放电特性的影响

为了解温度对静电除尘器放电特性的影响,研究人员进行了多次实验。Xu等[32]研究了温度在300～900 K范围内温度对电晕放电伏安特性曲线的影响,发现起晕电压和火花电压均随温度升高而降低,导致粒子收集效率和粒子迁移速度降低,在相同电压下,高温状态下电流较大,提高粉尘浓度有利于粒子的收集。研究还表明在高温下静电除尘器的可调节电压范围变小,见图3,原因是随着温度的升高起晕电压和火花电压均发生不同程度的减小,且火花电压减小的速度更快,导致放电不稳定,易发生火花放电。

图3 温度对放电电压的影响Fig.3 Voltage-current characteristic at different temperatures

Yan[33]通过实验进一步研究了温度对电晕放电影响,研究表明电晕电流密度受离子电流和电子电流的影响。一方面是由于高温使得分子发生热运动,易发生碰撞导致电离增加,且负离子中可分离出电子;另一方面由于逸出功减小导致阴极表面产生更多热电子。Wang等[34]通过将实验与数值模拟相结合分析温度对电晕放电特性的影响,研究发现随着温度的升高电晕区减小,电场强度较小,温度提高至850 ℃时,电晕区为2.5 mm,电场强度降低至3×106V/m,最大荷电密度减小为6.4×1014m-3。

综上所述,提高温度可增大静电除尘器的放电电流,但粉尘荷电密度减小;同时静电除尘器的稳定操作电压范围受限,因此,需进一步研究静电除尘器在高温环境下提高其放电特性的方法。

3.2 对除尘效率的影响

温度对电晕放电特性的影响最终体现在除尘效率的变化上,Zhu等[35]测试了温度在363～763 K范围内对除尘效率的影响。实验发现在相同电压下,除尘效率随温度的提高而提高;但在相同电流下,除尘效率随着温度的升高而降低,除尘效率随着电压、粉尘气体流量和颗粒初始浓度的增加而均有所提高。Shen等[36]通过实验发现在相同电流下当温度从563 K提高到1 020 K时除尘效率快速降低,得出相同结论。

Li等[37]发现在高温下离子风对气流二次流动影响显著,高温增加了作用在粒子上的平均电场力,粉尘粘度较大,场电荷减弱,从而导致除尘效率降低。Wan等[38]采用RSM湍流模型研究温度对含尘气体的运动,发现温度对切向速度作用明显,随着温度的提高,分离效率降低。

Luo等[39]通过数值模型研究了不同温度下颗粒物在极板间的运动。该模型考虑了温度对电场、流体动力学和颗粒流之间的复杂相互作用。数值结果表明高温使沿平板的边界层变厚,增强了湍流,电晕极电场强度和平均电场强度均随温度的升高而降低,高温削弱了粒子充电。对于粒径为10 μm 左右的粉尘,随温度的升高,洛伦兹力、萨夫曼升力和布朗力下降,阻力增大,不利于集尘。

综上所述,温度变化对静电除尘器的主要影响因素分为以下三点:①在高温下易发生火花放电,从而导致除尘效率降低;②高温使得粉尘粘度增大,更易被 气流带出除尘器,分离效率降低;③高温导致集尘极边界层变厚,湍流增强,电场强度降低,粒子之间的作用力增强,从而粉尘颗粒不易被捕集。因此,如何使静电除尘器在高温状态下高效稳定运行还有待进一步探索。

4 结论

(1)静电除尘的除尘效果主要受放电极形式与材料、粉尘比电阻、温度等因素影响。不同的除尘环境中需综合考虑各因素选择相应的放电形式及材料;粉尘比电阻和温度变化呈钟罩形规律,和湿度成负相关关系,粉尘比电阻在适当范围内除尘效率较好;放电电流随温度变化而改变,除尘器在高温下可操作电压区间较小,除尘效率低。

(2)目前静电除尘技术在工业上得到了广泛的应用,但仍存在一些不足。需在以下方向进行更深一步的探索:①当前温度对静电除尘技术的机理分析还仅限于实验分析,缺乏更深层次的研究,还需对放电过程中离子的运动及物质转化等微观事物进行探索。②解决高温状态下操作电压区间较小的问题,研究减小起晕电压、增大击穿电压的方法。③探索静电除尘器对含油或含水粉尘、细小粉尘的除尘性能,对燃煤处理等复杂气流的研究较少,但其通过改变本体,可有效促进能源清洁的进一步发展。