电晕驻极滤袋对荷电微细颗粒物捕集效率

吕 超,杨小川,朱 冕,柳静献* (.东北大学资源与土木工程学院,滤料检测中心,辽宁 沈阳 089；.上海宝冶集团有限公司,上海 00000)

袋式除尘器是工业领域最有效的除尘设备之一,滤袋是其核心[1].传统滤袋主要通过拦截、惯性碰撞、布朗扩散以及重力沉降等机械过滤手段实现颗粒物的捕集脱除[2],然而,仅仅依靠以上机械作用,滤袋对于微细颗粒物的捕集效率仍不理想.通过采取优化滤袋结构而提高捕集效率的技术路线,也会因其阻力的升高而增加此类系统的运行成本.因此,研究越来越多的关注于将静电捕集机理引入传统纤维滤料中,利用纤维与颗粒物间的静电力强化捕集效率,且不会增加阻力.

根据纤维与颗粒物间引入静电力的不同方式,静电捕集机理主要基于极化力、镜像力以及库仑力3 种静电力作用[3].极化力是指带电纤维与不带电颗粒物之间的作用力,纤维经过驻极处理可使其表面携带大量的空间电荷和偶极电荷[4].电晕驻极法是应用最广泛的纤维滤料驻极工艺,前人研究多聚焦于利用电晕驻极技术提升空气滤料捕集效率[5-7],针对袋式除尘器用针刺毡滤袋电晕驻极强化过滤性能的相关研究仍需进一步开展.镜像力则是指带电颗粒物与不带电纤维之间的作用力.相关研究已经表明在滤袋前装配颗粒物预荷电器可以有效增强其捕集效率[8-10].但是,携带大量同性电荷的颗粒物长期堆积在滤袋表面会引起反电晕现象,这容易引起烧袋事故.库仑力是指带电纤维与带电颗粒物之间的作用力.理论上来讲,如果能使纤维和颗粒物携带异相电荷,那么两者之间的库仑作用不仅会增强捕集效率,也会通过电荷中和而阻止或者减缓反电晕现象的发生.然而,由于基于库仑作用的复合除尘系统构造复杂,成本高且应用难度大,故时至今日相关研究也鲜有报道,尤其是针对袋式除尘系统.

针对以上问题,利用单针-板电极负直流高压电晕放电装置对针刺毡滤袋进行电晕驻极处理,设计搭建了由线-板式预荷电器和滤袋集尘装置组成的复合电/袋过滤实验平台,系统的研究了电晕驻极滤袋对未荷电、单极荷正电、单极荷负电以及双极荷电微细颗粒物捕集效率,对比了不同风速条件下驻极滤袋对不同荷电类型颗粒物捕集效率的稳定性,利用扫描电镜技术分析了不同荷电类型颗粒物在滤袋表面沉积的微观形貌结构并总结归纳出相应的颗粒物尘饼生长理想化模型.研究结果和实验数据可为进一步发展静电-机械双效捕集脱除微细颗粒物提供理论指导和应用参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

所用针刺毡滤袋材质为聚苯硫醚(PPS),其克重为686.96g/m2,厚度为1.53mm,体积电阻为68.29Ω,表面电阻60.10Ω.所有PPS 针刺毡滤袋使用前均已进行异丙醇浸泡去电荷实验(IPA)以保证其初始表面静电势为零.

捕集效率测试用粉尘为类球形氧化铝(Al2O3)颗粒物,其相对介电常数约为9,利用Malvern 激光粒度仪对测试粉尘粒径特性进行分析,其中d10=2.433～2.716μm,d25=3.779～4.219μm,d50=5.870～6.553μm,d75=7.742～8.642μm,d90=9.117～10.17μm.

1.2 实验方法

图1 给出了单针-板电极电晕驻极装置示意.在相同条件下,负电晕放电可以获得比正电晕放电更高的电流,且其闪络电压也高于正电晕放电.此外,正电晕放电非常容易发生剧烈的火花放电现象而使下方滤料发生击穿破损,且放电电压不断的波动也无法满足设定的实验条件,故本文只采用负直流高压电源(ZGF-100kV/10mA)对放电电极施加电压.调试测得此电晕驻极装置的起晕电压为-5kV,击穿电压为-20kV,为了能够使电源设备在较高电压条件下长时间稳定运行,本文选择将PPS 针刺毡滤袋在驻极条件(-18kV,(20±2)℃,10min)下进行极化处理,所得驻极滤袋立即投入捕集效率测试实验,其表面初始静电势采用SIMCO-FMX-003 静电测试仪测得为-3kV.

图1 电晕驻极装置示意Fig.1 Setup of corona discharge

图2 给出了捕集效率测试系统示意.其中,发尘器由东北大学滤料检测中心自研自制,可稳定调试所需的粉尘浓度,颗粒物荷电区由两个等容空间组成,每个空间的容积为50mm×50mm×200mm,含尘气体分别等量进入2 个荷电器,2 根放电电极(直径为0.8mm,长度为 200mm)分别位于 3 块接地极板(200mm×50mm)中心.通过变频器调控流量计,用以设置不同的过滤风速(荷电时间).为了研究驻极滤袋对荷电微细颗粒物的捕集效率,实验将在以下3 种工况条件下进行:1.颗粒物单极荷正电:两根放电电极均接入正直流高压电源(起晕电压+14kV,击穿电压+24kV);2.颗粒物单极荷负电:两根放电电极均接入负直流高压电源(起晕电压-14kV,击穿电压-24kV);3.颗粒物双极荷电:两根放电电极分别接入正/负直流高压电源(起晕电压+/-14kV,击穿电压+/-24kV).综合考虑颗粒物荷电充足性及设备运行稳定性,将初始电压至击穿电压范围的60%作为实验区间,即选择+(16～22) kV 以及-(16～22)kV 作为测试电压.过滤实验根据“GB/T 38019-2019 工业用过滤布 粉尘过滤性能测试方法”,实验环境温度为(20±2)℃,相对湿度为(20±2)%,发尘浓度设定为5g/m3,利用粒子计数器(APC-9306)测量粒子数量浓度,驻极滤袋捕集效率计算公式(1)如下:

图2 捕集效率测试系统示意Fig.2 Schematic diagram of test system

式中:f为捕集效率;表示粒径为i的上游粒子浓度;表示粒径为i的下游粒子浓度,本文中i为<0.3μm,0.3～0.5μm,0.5～1μm,1～2.5μm,2.5～5μm,5～10μm, 其中0.3μm 为袋式除尘器用滤袋最易穿透粒径,PM0.5颗粒物浓度与居民健康危害的关系最为显著,PM1为可入肺颗粒物,PM2.5为大气中悬浮颗粒物,是天气阴霾的主要原因.

2 结果与讨论

2.1 驻极滤袋对荷电颗粒物捕集效率

图3给出了驻极滤袋对+(16～20)kV单极荷正电0.3～10μm 颗粒物的捕集效率,内嵌图为驻极滤袋对+22kV 荷正电0.3～10μm 颗粒物捕集效率.由图3 可以看出,随着颗粒物荷电电压从+16kV 升高到+20kV,驻极滤袋对其捕集效率也增大.但是,当颗粒物荷电电压进一步升高到+22kV 时,驻极滤袋对其捕集效率反而减小.对于单极荷正电颗粒物而言,驻极滤袋表面或近表面的电荷和带电离子会对其产生各种静电力作用,其中最主要的是库仑力.随着颗粒物荷电电压的升高,荷电区域内电流密度升高,离子密度升高,颗粒物荷电量增多,故荷正电颗粒物与驻极滤袋表面电子或负离子之间的库仑引力增大.当含荷正电颗粒物气流通过驻极滤袋时,其由于库仑引力作用会偏离原始气流运动轨迹而更易被纤维捕集.对于荷电电压继续增大到+22kV 时,已经接近荷电器击穿电压+24kV,是辉光放电向弧光放电的过渡阶段[11],电流急剧上升,电压剧烈波动且下降,故使得颗粒物荷电量降低,进而减弱了库仑引力对于捕集效率的增强作用,例如:相较于+16kV 荷电工况,对于0.3μm 粒径颗粒物捕集效率骤降16.65%.

图3 驻极滤袋对单极荷正电颗粒物捕集效率Fig.3 Collection efficiency of electret bag filter for positively charged particles

图4 给出了驻极滤袋对-(16～22)kV 单极荷负电0.3～10μm 颗粒物的捕集效率.由图4 可以看出,随着颗粒物荷电电压从-16kV 升高到-22kV,驻极滤袋对其捕集效率逐渐增大,尤其对于0.3～1μm 粒径较小颗粒物,增大幅度更加明显.这同样是由于随着颗粒物荷电电压的升高,荷电空间内负离子和电子数量浓度增加,导致颗粒物荷电量增多.但是,不同于驻极滤袋捕集荷正电颗粒物时的库仑引力作用,捕集荷负电颗粒物占据主导作用的增强作用为库仑斥力.首先,由于驻极滤袋表面或近表面的电子和负离子与荷负电颗粒物之间的库仑斥力,使得颗粒物到达滤袋表面时速度降低,由于其本身动能的降低,导致其穿透率也降低,实验数据上则直观表现为捕集效率的升高.其次,随着过滤实验的进行,单极荷负电颗粒物在驻极滤袋表面形成的尘饼也会对后续同极性颗粒物产生库仑斥力作用.对于粒径较小颗粒物,尤其是0.3～1μm 粒径颗粒物,布朗扩散(<0.2μm)及惯性碰撞(>1μm)两种机械捕集作用均较弱[12-14],故基于库仑力的静电捕集机理占据了主导作用,使得对于此粒径区间颗粒物捕集效率的提升效果愈加明显.此外,不同于+22kV 颗粒物荷电工况,当荷电电压增大到-22kV 时,捕集效率仍有一定提升,主要是因为负直流高压电源的供电性能稳定,不易发生击穿现象,这也是工业用电除尘器常选用负直流高压电源作为供电设备的原因之一.

图4 驻极滤袋对单极荷负电颗粒物捕集效率Fig.4 Collection efficiency of electret bag filter for negatively charged particles

图5 给出了驻极滤袋对±(16～22)kV 双极荷电0.3～10μm 颗粒物的捕集效率.由图5 可以看出,随着颗粒物荷电电压从±16kV 升高到±22kV,驻极滤袋对其捕集效率也逐渐增大.这主要是由于以下两类原因:1)双极荷电颗粒物会发生凝并行为,携带异性电荷的小粒径颗粒物通过库仑引力作用结合为较大粒径颗粒物,使得小粒径颗粒物绝对数量浓度降低.此外,凝并后较大粒径颗粒物也更容易被机械作用捕集,如惯性碰撞和拦截等.随着匹配电压的增加,双极荷电颗粒物凝并效率增加,捕集效率提升幅度也更大;2)对于经过双极荷电区域的颗粒物,仍然会存在一些未发生凝并的单极性(或正或负)颗粒物,以及即使发生凝并但未完全电中和而仍旧显示电性(或正或负)的大粒径颗粒物,当这些非电中性颗粒物经过驻极滤袋时,库仑力仍旧对捕集效率增强起到一定的作用.

图5 驻极滤袋对双极荷电颗粒物捕集效率Fig.5 Collection efficiency of electret bag filter for bipolarly charged particles

图6 给出了驻极滤袋对荷正电、荷负电以及双极荷电0.3～10μm 颗粒物的捕集效率,内嵌图为原始滤料对未荷电0.3～10μm 颗粒物捕集效率.由图6 可以看出,无论颗粒物荷正电、荷负电以及双极荷电,均能提升驻极滤袋对其捕集效率,尤其是对于较小粒径0.3～1μm 颗粒物,提升效果更加明显.例如:对于0.3μm 颗粒物,荷正电使其捕集效率从79.9%提升到99.9%,荷负电使其捕集效率从79.9%提升到99.3%,双极荷电使其捕集效率从79.9%提升到98.6%,而对于较大粒径2.5～10μm 颗粒物,驻极滤袋对3 种荷电模式颗粒物捕集效率几乎相同.对于3 种不同荷电模式颗粒物,驻极滤袋对荷正电颗粒物捕集效率提升最为明显,全粒径捕集效率均已高于99.9%,接下来依次是荷负电颗粒物和双极荷电颗粒物,这说明:1)静电捕集机理的引入能够提升纤维滤袋的全尺寸粒径捕集效率,尤其是能够有效补偿由于机械捕集机理失效而造成的滤袋对0.3～1μm粒径颗粒物较低的捕集效率;2)库仑引力作用对于捕集效率的提升优于库仑斥力作用,且两者均优于异相凝并作用,这可能是由于三种荷电模式颗粒物在滤袋表面沉积形成的尘饼形貌结构不同导致的.

图6 驻极滤袋对不同荷电类型颗粒物捕集效率Fig.6 Comparison of collection efficiency of electret bag filter for particles with different charge types

2.2 驻极滤袋对荷电颗粒物捕集效率稳定性

由图7(a)可以看出,随着过滤风速的提升,各粒径捕集效率均降低,且粒径越小,下降幅度越大,其中,0.3μm下降9.4%,0.5μm 下降5.8%,1μm下降4.4%,2.5μm 下降3.0%,5μm 下降1.5%,10μm 下降1.3%.这主要是由于随着过滤风速增大,雷诺数增大[15],这既降低了单纤维机械捕集效率,也使得颗粒物更易再飞散或反弹.然而,对于较大粒径颗粒物,PPS 针刺毡滤袋的捕集效率本就相当高;其次,不同于较小粒径颗粒物依靠布朗扩散捕集机理,较大粒径颗粒物机械捕集手段主要依靠拦截及重力沉降,故较大粒径颗粒物捕集效率随风速增加而下降的幅度较小.

图7 风速对不同荷电状态颗粒物捕集效率的影响Fig.7 Effect of flow velocity on collection efficiency of electret bag filter for particles with different charge types

图7(b)给出了当过滤风速自1m/min 增加到3m/min 时,驻极滤袋对荷正电颗粒物捕集效率降低值.由图7(b)可以看出,驻极滤袋对荷正电颗粒物捕集效率随着粒径减小,下降幅度增大,其中,0.3μm 下降0.06%,0.5μm 下降0.04%,1μm 下降0.03%,2.5μm下降0.1%,5 和10μm 未出现明显下降.通过与图7(a)对比可知,颗粒物荷正电能够显著减小由于风速增大而造成的驻极滤袋捕集效率的降低幅度,这主要是由于库仑引力作用下的颗粒物漂移速度增大,而流场对于其的对流速度减小[16],使得颗粒物更倾向于向纤维移动而非远离.

图7(c)给出了当过滤风速自1m/min 增加到3m/min 时,驻极滤袋捕集荷负电颗粒物效率降低值.由图7(c)可以看出,驻极滤袋对荷负电颗粒物捕集效率随着粒径减小,下降幅度增大,其中,0.3μm 下降0.2%,0.5μm 下降0.09%,1μm 下降0.04%,2.5μm 下降0.2%,5 和10μm 未出现明显下降.通过与图7(a、b)对比可知,颗粒物荷负电也能够减小由于风速增大而造成的捕集效率降低幅度,但是减小效果不如颗粒物荷正电模式,表明了库仑引力作用对于强化捕集效率的稳定性优于库仑斥力作用.这是由于库仑斥力主要通过降低颗粒物穿透率而提升捕集效率,而非使其更易被纤维所捕集,也可能是由于正/负荷电模式颗粒物在滤袋表面沉积形成的尘饼结构不同导致后续捕集效率稳定性表现出差异,具体内容接下来会进一步讨论分析.

图7(d)给出了当过滤风速自1m/min 增加到3m/min 时,驻极滤袋捕集双极荷电颗粒物效率降低值.由图7(d)可以看出,随着过滤风速的提升,各粒径捕集效率均降低,且粒径越小,下降幅度越大.其中,0.3μm 下降5.2%,0.5μm 下降5.0%,1μm 下降1.4%,2.5μm 下降0.5%,5μm 下降0.3%,10μm 未出现明显下降.通过与图7(a-c)对比可知,颗粒物双极荷电也能够减小由于风速增大而造成的捕集效率降低幅度,但是减小效果不如颗粒物单极荷电模式,这可能是由于随着过滤风速的增大,双极荷电颗粒物凝并效率降低.此外,双极荷电凝并形成的颗粒物粒径更大,而大粒径颗粒物形成的尘饼孔隙结构也不同于未荷电较小粒径颗粒物,且气流中含有的小部分未凝并非电中性颗粒物也会对尘饼形态结构产生一定影响,后续小结会进一步讨论分析.

2.3 不同荷电类型颗粒物尘饼形貌分析

前人对于纤维滤袋表面尘饼的形成已经有了一些研究,主要包括纤维滤袋捕集中性颗粒物以及单/双极荷电颗粒物[2,18].但是,对于驻极滤袋捕集荷电颗粒物尘饼的生长模型仍未见报道.图8 给出了不同荷电类型颗粒物沉积于纤维表面的微观形貌图,基于扫描电子显微镜照片作出了相应的颗粒物尘饼生长理想化模型.由图8(a)可以看出,原始滤料捕集未荷电颗粒物主要通过拦截、惯性碰撞以及布朗扩散等机械捕集机理,依靠范德华力与纤维结合在一起[17],随着颗粒物沉积的不断增多,形成类似树枝结构,该结构具有主枝长、分枝多的特点.

图8 滤料捕集不同荷电类型颗粒物尘饼形貌Fig.8 Morphology of filter cake on the surface of bag filters for particles with different charge types

由图8(b)可以看出,荷正电颗粒物在纤维上沉积量明显更大,且以较密集的连片状形态沉积,库仑引力使得形成的主枝密度更大,分枝相互连结生长成为新的枝干,形成的尘饼结构稳定性最强,受风速影响最小,故驻极滤袋对荷正电颗粒物捕集效率最高、最稳定.由图8(c)可以看出,荷负电颗粒物以较分散的形态沉积在纤维上,沉积量更少,且多以单一颗粒形态存在.库仑斥力使得主枝生长长度受阻,主枝尖端和分枝相互排斥效果明显,形成尘饼的结构稳定性稍差一些,故驻极滤袋捕集荷负电颗粒物效率低于捕集荷正电颗粒物.但也是由于库仑斥力的存在,后续同极性颗粒物不易沉积于纤维之上,使其穿透率降低,故其捕集效率仍要高于捕集未荷电颗粒物.由图8(d)可以看出,双极荷电颗粒物沉积形态呈现出小团块状为主,单一小颗粒零散分布于大颗粒四周的特点,凝并行为使得主枝和分枝生长更加粗壮,小分枝形成更加密集,未凝并的单极荷电颗粒物也沉积于纤维上或主枝旁,形成尘饼更加厚实,受风速影响较小,故其捕集效率也高于捕集未荷电颗粒物.

3 结论

3.1 相比于原始滤料捕集未荷电颗粒物,库仑作用的引入使得驻极滤料捕集荷电颗粒物具有更高的效率,尤其是对于0.3～1μm 粒径颗粒物,提升效果更加明显.

3.2 随着过滤风速的提升,各粒径捕集效率均降低,且粒径越小,下降幅度越大,而基于库仑力的静电捕集效率能够补偿由于风速增大而造成的机械捕集效率降低幅度.

3.3 无论是对于捕集效率的增强作用,还是对于机械捕集效率的补偿作用,库仑引力作用优于库仑斥力作用,两者均优于异相荷电凝并作用.

3.4 根据扫描电子显微镜照片提出了基于库仑引力、库仑斥力以及异相荷电凝并颗粒物沉积于驻极滤袋表面尘饼生长的理想化模型.