双极荷电粉尘颗粒凝聚的初步研究_王连泽

烟气污染治理

双极荷电粉尘颗粒凝聚的初步研究

*

王连泽 贺美陆

(清华大学工程力学系,北京100084)

孟亚力

(北京国电华北电力工程有限公司,北京100011)

摘要 采取将含尘气体并行分别通过正负放电电场,然后再合二为一,空间大尺度范围依靠湍流输运,近距离依靠库仑力及范德瓦力的双极荷电凝聚方式,以滑石粉和锅炉飞灰为实验粉尘,初步研究了气流速度、含尘浓度、正负放电强度配合等因素对凝聚效率的影响,得到了双极荷电可使沉降收集效率提高约10%的静电凝聚效果。关键词 双极荷电 非对称 凝聚 除尘效率

*北京市自然科学基金资助项目(8012010),清华大学基础研究基金资助项目(JC20001033).

1 引言

工业生产过程中产生的粉尘颗粒尺寸范围很广,从亚微米的分子簇到易于沉降的毫米级粒子都有分布。其中微米级和亚微米级的细微颗粒,亦即可吸入颗粒物,由于极易富集有毒有害物质、长时间长距离飘浮在空气中,很容易被人吸入肺部,危害人身健康,并危害生态环境。而这类粉尘颗粒,无论是对工业除尘还是对空调净化,都由于其粒径太小而难以去除。因此,细微颗粒物的净化是当今世界范围内的热点问题,颗粒凝聚自然也成为一个主要的研究方向。

理论上颗粒凝聚的方式有多种,如热凝聚、声凝聚、电凝聚等等。从凝聚能耗比、凝聚过程复杂及难易程度、有无二次污染等方面综合考虑,本文认为电凝聚是最为可行的凝聚方式,特别是本文所述的双极荷电凝聚模式,将以往电凝聚无论是交变荷电、脉冲荷电还是预荷电等等单一极性荷电的做法改变为正负均强制荷电的做法,更大程度地提高了静电凝聚的应用效果。

凝聚变大的粉尘颗粒采取常规除尘方式,如旋风除尘器、布袋除尘器、电除尘器等去除时,可望提高除尘效率,特别是提高细微颗粒粉尘的除尘效率,降低运行成本。电凝聚与普通除尘方式配合可望达到高效除尘器的除尘效果。另外,对空调净化来讲,电凝聚机制的合理使用,可望改变常规过滤方式存在的渗漏和风量波动等问题并可能通过正负放电的优化控制与臭氧杀菌和负离子保健等基于气体放电原理的新型功能有机结合。2 实验研究

2 1 实验原理及方法实验粉尘颗粒被系统前端的颗粒发送装置送入进气管,与由于系统尾部风机吸入管道当中的空气充分混合后进入双极荷电段。含有已荷电粉尘颗粒的空气之后进入凝聚沉降段,在此粉尘颗粒凝聚变大,已增至足够大的颗粒在重力作用下沉降至下部灰斗。本身粒径小且未凝聚变为足够大的粉尘颗粒随气流排出实验系统。

由于粉尘颗粒的荷电是一个非常迅速的过程,大约10

-2

s 即可完成。因此含尘气体在荷电段电场的

流动速度可比常规电除尘器电场中的流动速度高得多,而且只要满足必要的非均匀电场形成条件,极板在流动方向上的长度可尽量短。本文电场风速范围为1 0~5 5m s,极线采用直径1 5mm 钢丝,极板采用高140mm 、长200mm 的A3钢板。

本实验所用实验粉尘为滑石粉和锅炉飞灰,实验中在不同电场风速情况下,分别在系统加电前后及加载不同正负电压配合情况下测量凝聚段的沉降收集效率。凝聚导致沉降收集效率的提高量以加电后的沉降收集效率减去对应电场风速下不加电时的沉降收集效率而得到。2 2 实验设备及装置

本实验所用电源为正负各一CK100 10高压硅整流控制器,电压测量采用两台JB T5470Q4-V 型电压计,电流测量采用两块DY2106型万用表。系统入口静压测量采用YYT -200B 斜管压力计。粉尘分散度测定采用日本岛津离心粒径测定仪,分散剂为0 2%六偏磷酸钠。溶液为蒸馏水。图1为本实验装置简图。3 实验结果与分析3 1 实验装置的伏安特性

粉尘颗粒在电场中的运动及凝聚效果与粉尘的

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环 境 工 程

2002年6月第20卷第3期

图1 实验装置简图

荷电质量密切相关,而粉尘颗粒的荷电质量直接受限于荷电空间的电流密度。本实验电场中施加电压与极间电流的关系,即伏安特性曲线如图2所示。

由图2可见,单一极性电场的伏安特性表现为负电晕放电时起晕电压比正电晕放电时起晕电压低。对称电极加电时,同样遵循着这一规律。但是,无论是将正电场施以恒定电压(本实验中取定35kV),检测负电场中电流随施加电压的变化,还是将负电场施以恒定电压,检测正电场中电流随施加电压的变化,都发现对称电极的加电,导致了起晕电压的降低和击穿电压的降低。因此,双极电场的交错布置,利于电场的尽早放电,但也使得正常工作时施加电压的降低。

3 2 静电凝聚效率

本研究在3种不同电场风速下分别对滑石粉和锅炉飞灰进行了凝聚实验。表1给出了在相同含尘浓度情况下,不同电场风速及不同正负电压(电流)配合时以滑石粉为实验粉尘时沉降收集效率增长量的绝对值。

表1 不同工况下滑石粉沉降收集效率增长量

电场风速3 24 35 5正极

电压 kV 电流 A 34149299228933317033115296833

11028

1102763负极

电压 kV 电流 A

35

14433

1463090254536

17033

17035150

2985

33160效率增长量%3 89 5

6

4 7

5 15 5

5 85 1

3 7

表2 不同工况下锅炉飞灰沉降收集效率增长量

电场风速1 93 15 4正极

电压 kV 电流 A 3399305529983096275627563111029672864负极

电压 kV 电流 A

2788

2886

31

13832

14031140

2881

34

15634

1733097

表2给出了在相同含尘浓度情况下,不同电场风速及不同正负电压(电流)配合时以锅炉飞灰为实验粉尘时沉降收集效率增长量的绝对值。图3又给出了某一工况下锅炉飞灰沉降收集效率增长量随正负电场极间电流的变化关系。

图2 实验装置的伏安特性

图3 锅炉飞灰正负极电流非对称性与凝聚效率的关系

由此可见,电场风速的增加,一般情况下导致凝聚效率的降低,但凝聚效果更多地依赖于所施加的正负电压(电流)的配合。高电场风速情况下,良好的正负放电配合,可能使得凝聚效果比低电场风速时欠缺的正负放电配合情况下更好。

在本实验所采用的正负电压(电流)配合下,以滑石粉为实验粉尘所能达到的最大沉降收集效率增加

为9 5%,以锅炉飞灰为实验粉尘所能达到的最大沉降效率增加为8 0%。造成两种粉尘沉降收集效率不同的原因,除了施加电压(电流)不同外,粉尘分散度与比电阻的不同可能是更主要的。

仔细分析表1和表2的数据还可发现:正

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