陳博，黃超，佟馨，張姍姍

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交流電場中芒刺板-板電極對粒子凝并的實(shí)驗(yàn)研究

陳博，黃超，佟馨，張姍姍

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

研究了在交流電場中凝并室極配形式為芒刺板-金屬板的凝并問題。考察了凝并室內(nèi)不同峰值電壓、煙道風(fēng)速和粉塵初始濃度對凝并效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在荷電室實(shí)驗(yàn)參數(shù)固定的條件下，凝并室采用芒刺板-金屬板，通高壓交流電時，交流電壓為30 kV，煙道風(fēng)速為0.6 m/s，粉塵初始濃度為2 g/m3時的凝并效果較好。

交流凝并； 芒刺板； 凝并效果

隨著社會的進(jìn)步，人們越來越關(guān)注環(huán)境問題。近年來，霧霾頻現(xiàn)，大氣污染問題引起了全社會的高度關(guān)注。大氣顆粒物是大氣環(huán)境中化學(xué)組成最復(fù)雜、危害最大的污染物，現(xiàn)已成為影響大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康的主要危害因素之一[1-3]。其中，可吸入顆粒物PM10尤其是PM2.5備受關(guān)注，它可損害呼吸系統(tǒng)，破壞免疫系統(tǒng)，進(jìn)而引發(fā)呼吸系統(tǒng)、心腦血管疾病及其他疾病，從而增加死亡率[4-7]。因此如何高效去除大氣中的PM2.5成為現(xiàn)今環(huán)境領(lǐng)域亟待解決的課題。

現(xiàn)有的電除塵器除塵效率可達(dá)到99%以上，但是其對微細(xì)顆粒物的捕集效率仍然較低[8-10]。因此，有必要對現(xiàn)有的除塵設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步改良，以提高微細(xì)顆粒物的去除效率。凝并是指將微細(xì)顆粒物進(jìn)一步團(tuán)聚凝并成大顆粒物，主要包括電凝并、聲凝并、磁凝并、光凝并、熱凝并、化學(xué)凝并等[8]。電凝并是指通過電場的作用達(dá)到粉塵粒子有效直徑增大的目的[11]，從而使凝并后的大顆粒物更容易被后續(xù)的除塵設(shè)備捕集，提高除塵器對微細(xì)顆粒物的捕集效率。

Watanabe等[12]將電凝并技術(shù)與常規(guī)電除塵技術(shù)結(jié)合，提出了三區(qū)式靜電除塵器，對比了安裝與未安裝凝并裝置的電除塵器的除塵效率，發(fā)現(xiàn)處理0.06~12μm的飛灰時，比常規(guī)電除塵器的收塵效率提高3%，即由95.1%增加到98.1%。Hautanen[13]采用類似的凝并除塵裝置去除油煙，也得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文研究了不同操作條件下對顆粒物凝并效果的影響，從而提出最優(yōu)化凝并條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由粉塵給料機(jī)，荷電室，凝并室及采樣器構(gòu)成。粉塵給料機(jī)型號為DZT—1000，給粉量確定為3～60 g/min，實(shí)驗(yàn)?zāi)M煙氣中的粉塵為滑石粉，粉塵由進(jìn)風(fēng)口自動給出，繼而由引風(fēng)機(jī)吸入荷電室。荷電室極配形式為八齒芒刺線-C型板，異極距為200 mm，接通負(fù)直流高壓電，直流電壓為40 kV，對粒子進(jìn)行荷電。荷電后粒子進(jìn)入凝并室，在交流電作用下進(jìn)行粒子的凝并。采樣器為皮托管平行全自動煙塵（氣）油煙采樣器，粒徑分布測量系統(tǒng)采用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000）。

1-粉塵給料機(jī)；2-進(jìn)風(fēng)錐形管；3-荷電室收塵極；4-荷電室放電極；5-凝并室接地極；6-凝并室高壓極；7-直流電源；8-直流/交流電源；9-變頻風(fēng)機(jī)；10-粉塵采樣槍；11-采樣儀。

圖1 荷電凝并實(shí)驗(yàn)臺流程圖

1.2 凝并效果分析方法

本文采用某一粒徑粉塵體積占有率變化來衡量凝并效果[14]，定義式如下：

2 結(jié)果和討論

2.1 在一定風(fēng)速和濃度下，不同交流電壓對凝并效 果的影響

實(shí)驗(yàn)過程選擇異極距為200 mm，給粉濃度為2 g/m3，煙道風(fēng)速為1.0 m/s，交流電壓為25 kV、30 kV、35 kV、40 kV和45 kV。凝并后不同粒徑顆粒物體積占有率變化如圖2所示。

圖2 風(fēng)速為1.0 m/s，給粉濃度為2 g/m3時，凝并室電壓不同時，不同粒徑顆粒物體積占有率變化

由圖2中可以看出，含塵煙氣經(jīng)電凝并室凝并后，煙氣中小粒徑粉塵的體積占有率變化為負(fù)值，而大粒徑粉塵的體積占有率變化為正，這表明，小粒徑的粉塵凝并形成粒徑較大的粉塵。當(dāng)交流電壓為30 kV時，小粒徑顆粒物的體積占有率減少幅度較大，其凝并效果較好。通過研究交流電壓對凝并效果的影響，可以優(yōu)化出最佳交流電壓。

2.2 在一定電壓和濃度下，不同煙道風(fēng)速對凝并效果的影響

選擇異極距為200 mm，給粉濃度為2 g/m3，交流電壓為35 kV，煙道風(fēng)速分別為0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s和1.4 m/s。凝并后不同粒徑顆粒物體積占有率變化如圖3所示。

圖3 給粉濃度為2 g/m3，交流電壓為35 kV時，煙道風(fēng)速不同時，不同粒徑顆粒物體積占有率變化

從圖3中可看出，風(fēng)速為0.6 m/s時，小粒徑顆粒物體積占有率減少幅度最大，其凝并效果最好，風(fēng)速為1.4 m/s時，小粒徑顆粒物體積占有率變化均為正值，其凝并效果最差。其原因主要是較大風(fēng)速下粉塵在凝并室停留時間較短，導(dǎo)致粉塵震蕩次數(shù)減少從而減少了碰撞頻率，影響了粉塵的碰撞凝并效果，因此粉塵干式電凝并風(fēng)速越低凝并效果越好。

2.3 在一定風(fēng)速和電壓下，不同粉塵濃度對凝并效果的影響

本部分實(shí)驗(yàn)時在固定風(fēng)速和電壓條件下進(jìn)行。當(dāng)異極距為200 mm時，煙道風(fēng)速為1.0 m/s，交流電壓為35 kV，選擇的粉塵變化濃度為1 g/m3，2 g/m3，3 g/m3。圖4為粉塵凝并后的不同粒徑顆粒物體積占有率變化。

圖4 風(fēng)速為1.0 m/s，交流電壓為35 KV時，初始粉塵濃度不同時，不同粒徑顆粒物體積占有率變化

由圖4可以看出，濃度為1 g/m3和3 g/m3時，小粒徑顆粒物體積占有率不降反增，而濃度為2 g/m3時，小粒徑顆粒物體積占有率減少，說明小粒徑顆粒物經(jīng)凝并而減少，可以知道濃度為2 g/m3時凝并效果較好。分析原因?yàn)椋蹓m濃度過低使得荷電室內(nèi)除塵效率提高，對大粒徑顆粒物的去除作用得到提升，進(jìn)而凝并室內(nèi)大粒徑顆粒物的比例降低，碰撞幾率減小，凝并效果不理想。在一定的煙道風(fēng)速、交流電壓下，存在最佳初始濃度值。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷電室極配形式為八齒芒刺線-C型板，異極距為200 mm，接通負(fù)直流高壓電，直流電壓為40 kV時，在交流電場作用下，當(dāng)凝并室的極配形式選為芒刺板-板時，存在最優(yōu)凝并條件，即當(dāng)交流電壓為30 kV，煙道風(fēng)速為0.6 m/s，粉塵初始濃度為2 g/m3時的凝并效果較好。這種優(yōu)化條件可以為工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)研究。

［1］陳仁杰，陳秉衡，闞海東. 我國113 個城市大氣顆粒物污染的健康經(jīng)濟(jì)學(xué)評價[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010, 30 (3): 410-415.

［2］闞海東，陳秉衡. 我國大氣顆粒物暴露與人群健康效應(yīng)的關(guān)系[J].環(huán)境與健康，2002, 19 (16): 422-424.

［3］周學(xué)華，王哲，郝明途，等. 濟(jì)南市春季大氣顆粒物污染研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008, 28 (4): 755-763.

［4］馬雁軍，劉寧微，洪也，等. 2011年春季遼寧一次沙塵天氣過程及其對不同粒徑顆粒物和空氣質(zhì)量的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012, 32 (5): 1160-1167.

［5］孟紫強(qiáng)，盧彬，周義，等. 沙塵天氣對呼吸系統(tǒng)疾病日入院人數(shù)影響的時間序列研究( 1995-2003年) [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2006, 26 (11): 1900-1908.

［6］Peters A，Liu E，Verrier R L，et al. Air pollution and incidence of cardiac arrhythmia[J]. Epidemiology, 2000, 11 (1): 11-17.

［7］謝鵬，劉曉云，劉兆榮，等. 我國人群大氣顆粒物污染暴露-反應(yīng)關(guān)系的研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29 (10): 1034-1040.

［8］Fernandez Art, Wendt J O L, Wolski N, et al. Inhalation healtheffects of fine particles from the co-combustion of coal and refusederived fuel [J]. Origins, Fate, and Health Effects, 2003, 51 (10): 1129-1137.

［9］Helble J J. A model for the air emissions of trace metallic elementsfrom coal combustors equipped with electrostatic precipitators[J]. Fuel Processing Technology, 2000, 63 (2): 125-147.

［10］趙毅，沈艷梅. 燃煤過程中亞微米顆粒物形成及防治的研究進(jìn)展[J]. 潔凈煤技術(shù), 2008, 14 (5) : 83-85+92.

［11］魏鳳，張軍營，土春梅，等. 煤燃燒超細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2003, 26 (3): 27-31.

［12］Watanabe T., Tochikubo F., Koizuni Y., Submicron particle agglomera -tion by an electrostatic agglomerator. Journal of Electrostatics [J]. 1995, 34 (4): 367-383.

［13］Hautanen J. Electrical agglomeration of aerosol particles in an alternating electric field[J]. Aerosol Sci. and Techn., 1995, 22: 181-189.

［14］HUANG Chao, MA Xiuqin, SUN Youshan et al. Particle Agglomeration in Bipolar Barb Agglomerator Under AC Electric Field[J]. Plasma Science and Technology, 2015, 17 (4): 317-320.

Experimental Study on Particle Agglomeration With Unipolar Barbed Plate-Plate Electrode in AC Electric Field

,,,

（Hebei University of Technology, Tianjin 300401，China）

The agglomeration of particle with a unipolar barbed plate-plate electrode in AC electric field was studied. The effect of peak voltage, flue gas flow velocity and initial particle concentration on the agglomeration efficiency was investigated. The results indicate that, with the unipolar barbed plate-plate electrode in agglomerating area in AC electric field, when the AC voltage is 30kV, the flue gas flow velocity is 0.6m/s and initial particle concentration is 2g/m3, the agglomeration efficiency is better.

AC agglomeration; barbed plate; agglomeration efficiency

2017-05-04

陳博（1991-），女，碩士，河南省濮陽市人，2017年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)動力工程專業(yè)，研究方向：大氣污染控制理論與技術(shù)。

黃超（1960-），男，教授，博士，研究方向：大氣污染控制理論與技術(shù)。

河北省科技支撐計劃，項目號：15273713D-1。

R 122.7

A

1004-0935（2017）07-0629-03