模拟烟道中粉尘粒子的荷电凝并实验研究_白敏菂

模拟烟道中粉尘粒子的荷电凝并实验研究
白敏艹的,邱秀梅,杨 波,毛程奇
(大连海事大学环境工程研究所,辽宁大连 116026)
摘 要:基于电凝并理论,在模拟电除尘器烟道中增设预荷电装置,进行了高压电场荷电凝并研究.实验
结果表明,将预荷电装置安装于烟道中,离子浓度比除尘电场中高约1个数量级,有利于提高粉尘的荷电量,增强带电粒子的凝并作用;交变电场比直流电场更利于带电粒子凝并,最佳电场频率为40H z;电凝并作用可以使粒子粒径增大21%左右,总除尘效率提高2.6%~ 3.5%,有利于实现电除尘器的小型化.
关键词:电除尘器;预荷电;荷电凝并;电晕放电
中图分类号:X 5 文献标识码:A 文章编号:1000-1565(2007)06-0610-05
Study on Pre -charge and Agglomeration of the Dust Particles in Simulation Flue
BAI Min -di,QIU Xiu -mei,YAN G Bo,MAO Cheng -qi
(Institute of Environmental Eng ineering ,Dalian Maritime U niversity,Dalian 116026,China)
Abstract:The experiment of pre -charge and electrostatic agglomeration in strong electric field is done by in -stalled the pre -charge facility in the flue of electrostatic precipitator,based on the theory of electrostatic agglom -eration.T he results show that ion concentration can be increased about 1order of magnitude greater than that in the field of electrostatic precipitation after adding the pre -charge facility in the channel,which is propitious to in -crease the charge of particles and enhance the agglomeration of the charged particles;T he AC electric field is more effective than DC electric field,and the optimal frequency is 40Hz;The particle diameter and the efficiency of electrostastic precipitator can been increased 21%,2.6%~3.5%respectively by the electrostatic agglomera -tion,w hich is beneficial to realize the miniatyrization of electrostatic precipitator.
Key words:electrostatic precipitator;pre -charg e;electrostatic agglomeration;corona discharge
工业生产过程中产生的粉尘颗粒尺寸范围很大,涵盖了从亚微米分子簇到易于沉降的毫米级微粒.亚微米的分子簇由于粒径太小而难以除去,因此将细微颗粒物凝并成大颗粒后再除去是当今世界范围内的热点课题.目前,细微颗粒的凝并方式有多种[1],从凝并能耗比、凝并过程复杂性及难易程度、有无二次污染等方面综合考虑,电凝并是较为可行的凝并方式.
电除尘器的除尘效率可用多依奇除尘(计重)效率方程表示
收稿日期:2007-07-30
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578020) 作者简介:白敏
(1968-),女,满族,辽宁鞍山人,大连海事大学副研究员,主要从事等离子体技术在环境应用方面的研究.
第27卷 第6期2007年 11月
河北大学学报(自然科学版)
Journal of H ebei University(Natural Science Edition)
Vol.27No.6Nov.2007
G =1-e (-A
Q
#X ),(1)式中:A 为电除尘器总集尘面积;Q 为预处理烟气量;X 为荷电尘粒驱向集尘极的驱进速度[2].在忽略了尘
粒惯性力的条件下,荷电尘粒驱进速度为
X =
qE d
6P d s L
,(2)
式中L 为气体动力黏度.
从公式(2)可知,在烟气物理条件一定的情况下,荷电尘粒的驱进速度与尘粒的荷电量q 、除尘区域电场强度E d 成正比,与尘粒的斯托克斯粒径d s 成反比.从除尘效率方程和尘粒驱进速度公式可知,烟尘的荷电量、粒径大小决定了以除尘效率表征为主的电除尘性能.如果采用电凝聚方法将尘粒凝并成大粒径颗粒,将得到更多的电量,不但能提高电除尘器的除尘效率,同时又可解决电除尘器后级电场中微细烟尘除尘效率低下的问题,利于捕集微细烟尘.近期研究表明亚微米粒子的电凝聚速率比中性粒子的热凝聚速率提高了102至104;对于1L m 的尘粒的电凝并系数K 可达到10-13~10-14
m 3/s [4].
电凝并理论认为,烟尘的荷电量是电凝并系数的主要参量,而电凝并速率、凝并后尘粒粒径均是电凝并系数的函数.如果采用强电离放电、高气压非平衡等离子体物理等新成果,可大幅度增加等离子体浓度、尘粒荷电量,进而提高了烟尘电凝并速率、尘粒粒径,反过来又促使已增粗的尘粒荷电量大幅度增加[5].可见,在除尘过程中电凝并对除尘性能起着叠加倍增效果.
预荷电技术是一种利用电凝并技术使粉尘荷电量增加,提高电除尘效率的方法.在电除尘器前端安装预荷电凝并装置,可使高浓度微小颗粒产生更显著的凝并效果[6]
,再结合高气压非平衡等离子体物理研究的新成果,提高带电粒子浓度增加粉尘粒子荷电量,增强电凝并作用,进而提高电除尘器性能.
1 实验设备和装置
为研究预荷电装置的安装位置,进行了离子浓度随不同参数变化的实验,实验系统如图1所示.用变频器及风机调节气体流量,经气体预处理把空气处理成标准实验气体,再通过匀速气道使其匀速后进入电晕放电等离子源使气体粒子荷电,离子浓度的测量使用等离子体检测仪进行
.
图1 模拟烟道中离子浓度变化规律实验系统
Fig.1 Experiment system of ion concentration change rule in simulation smoke channel
为了研究预荷电装置的高压电场对凝并效果的影响,采用如图2所示的实验流程.在气流中加入中位径约为0.2L m 的硅粉或约6L m 的滑石粉,模拟含尘废气,利用负电晕放电等离子体源产生高浓度负离子对气流中粉尘粒子进行荷电,通过其后的高压凝并电场加强带电粒子的絮凝,研究凝并电场各参量对粒子絮凝效果的影响,并将安装预荷电装置的凝并结果同无预荷电装置的凝并效果进行比较.
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2 实验结果与讨论
2.1 气体流速对离子浓度的影响
改变图1的气流流速,在距离等离子体源20~100cm 处测量负离子浓度.从图3可知,在电场电压为12kV 时,距离子源不同距离处,离子浓度随气流速度变化的趋势.随着气流速度的增加,离子浓度也增大,这是由于气流速度增大,粒子在气流运动方向上获得了更大的动量,以便挣脱电场的束缚,因而更多离子能够被输运离开电场,从而降低了离子复合的几率.在20cm 处,当气流速度为1m /s 时,离子浓度只有1.2@107
cm -3
;气流速度增加到20m/s 时,负离子浓度增大到2.55@108
cm -3
,比1m/s 的离子浓度高约21倍;气流速度继续增加到25m/s,负离子浓度达到3.10@108cm -3.利用这个结论,气流速度越大,输运出的离子越多.因此,在烟道中安装预荷电装置,离子浓度比除尘电场中高约1个数量级,有利于增加粉尘离子荷电量,增强粉尘的电凝聚作用,提高电除尘器的性能
.
2.2 预荷电装置对除尘器的影响2.2.1 粉尘粒径
测量预荷电装置后的粉尘粒径分布参数,以便分析预荷电装置对粉尘粒径的影响.进行测量时预荷电装置的电晕电压为临界击穿电压,凝并交变高压电压为6kV,烟道中气流速度为5m/s.根据理论可知磨碎的粒子粒径分布大部分为罗辛-拉姆勒分布,据此对荷电凝并处理前后的粉尘粒径参数进行分析,设y =lg[lg (100/R )],x =lg d p ,其中R 为粉尘筛下累计分布率,d p 为粉尘粒径.通过分析可知,荷电凝并处理前后的x ,y 线性相关,预荷电处理前的线性方程为y =0.24452-0.81429x ,相关性系数为-1;预荷电处理后为y =0.27362-0.77693x ,相关性系数为-0.99999.当R =50时根据线性方程计算可以得到粉尘的中位径.由表1可知,使用同极性交变电场凝并处理后粒子中位径从8.71L m 增加到10.54L m,增大了21%.
表1 预荷电处理前后粒径变化
Tab.1 Particle size change around pre -charged
粒径/L m
筛下累计分布率/%
处理前
处理后x y
处理前处理后中位径/L m 处理前处理后2
1080.3010
0.04533.7290.699-0.326-0.278.71
10.54
10
53.7
48.5
1
-0.569
-0.503
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2.2.2 除尘效率
表2为烟道中气流速度为9m/s,除尘电场气流速度约为1m/s 时,在气流中投加硅粉,进行除尘处理的结果,无预荷电装置的总除尘效率为83.8%,有预荷电装置的总除尘效率为87.3%,除尘效率增加了3.5%.表3为烟道中气流速度15m/s,除尘电场中气流速度约为1.7m/s 时,在气流中投加滑石粉的实验结果,无预荷电装置的总除尘效率为80.7%,有预荷电装置的总除尘效率为83.3%,总除尘效率增加了2.6%.
表2 烟道气流速度为9m /s 时,硅粉凝并的实验结果
Tab.2 Experim ental result of silica powder agglomeration,with the flue gas flow velocity of 9m/s 项目烟尘浓度/(mg #m -3)分散度/%
0~2L m 2~5L m 5~10L m
>10L m 除尘效率/%
原始值 5.3725351921)无预荷电排放0.87582191283.8预荷电排放
0.68
48
34
9
9
87.3
表3 烟道气流速度为15m/s 时,滑石粉凝并的实验结果
Tab.3 Experimental result of talcum powder agglomeration,with the flue gas flow velocity of 15m/s 项目烟尘浓度/(mg #m -3)分散度/%
0~2L m
2~5L m 5~10L m
>10L m 除尘效率/%
原始值45.505152060)无预荷电排放8.782340221580.7预荷电排放
7.61
21
38
24
17
83.3
图4是在2.5m/s 气流速度,5kV/cm 直流高压电场,5kV/cm 交流高压电场和3.8kV/cm 交流高压电场下粒子个数的减小情况.从图中可以看出,同样的电场强度,交流电场粒子个数减少程度比直流电场大,5kV/cm 交流高压电场下粒子个数减少程度比3.8kV/cm 交流高压大,说明交流高压电场对粒子凝聚的加强效果比直流高压电场好,凝聚电场的强度越高越有利于粒子凝并
.
图4 相同气流速度下,直流/交流电场及电场强度对粒子个数的影响
Fig.4 Eff ect of DC/AC electric field and it .s intensity on the number of particle under same stream velocity
为了找出粒子凝并的最佳电场频率,在不同交变电场频率下进行凝并实验,如图5所示,综合各粒径的情况看,电场频率在40Hz 时,粒子个数减少最多,凝并效果最佳.
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图5 交变电场频率对粒子个数的影响
Fig.5 Effect of alternating electrical field frequency on the number of paricle
3 结论
1)将预荷电装置安装于烟道中,离子浓度比除尘电场中高约1个数量级,有利于提高粉尘荷电量,增强带电粒子的凝并作用;
2)电凝并作用可以使粒子粒径增大21%左右,安装预电荷装置后,总除尘效率提高了2.6%~3.5%;
3)交变电场比直流电场更利于带电粒子凝并,电场频率为40Hz 时效果最佳.
参 考 文 献:
[1]谭天佑,梁凤珍.工业通风除尘技术[M ].北京:中国建筑工业出版社,1993.[2]向晓东.现代除尘理论与技术[M ].北京:冶金工业出版社,2002.
[3]EL IASSON B,EGL I W ,FERGU SON J R,et al.Coagulation of bipolar ly charg ed aeroso ls in a stack coagulator[J].J Aerosol
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Field[J].A er osol Sci and T echn,1995,23:603-610.[5]毛程奇.交变电场粒子荷电凝并实验研究[D].大连:大连海事大学,2007.
[6]KIL DESO J,BHAT IA V K,LI ND L,et al.An ex perimental investigation for agglomeration of aerosols in alternating electric
fields[J].Aerosol Science and T echnolog y,1995,22:422-430.
(责任编辑:赵藏赏)
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