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        電極組合配置在電除塵器提效改造中的應(yīng)用

        2023-09-07 08:52:32艾璞李昌斌高重樂華耀鋒余創(chuàng)波
        水泥技術(shù) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:電暈線型電除塵器

        艾璞,李昌斌,高重樂,華耀鋒,余創(chuàng)波

        1 前言

        電除塵器的工作原理是利用高電壓使電場(chǎng)空間氣體發(fā)生電離,氣體電離產(chǎn)生的離子與隨氣流經(jīng)過電場(chǎng)的粉塵碰撞使粉塵附帶電荷,帶電粉塵在電場(chǎng)力作用下趨近收塵極板,實(shí)現(xiàn)氣固分離。許多工程項(xiàng)目電除塵器前級(jí)電場(chǎng)粉塵濃度高、粒徑大,易閃絡(luò),粉塵空間電荷多,對(duì)電暈電流的抑制作用大,運(yùn)行電壓較高但電流??;后級(jí)電場(chǎng)粉塵濃度低、粒徑小,不易閃絡(luò),粉塵空間電荷少,對(duì)電暈電流的抑制作用小,運(yùn)行電壓較低但電流大,通常無法實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)粉塵粒子的除塵要求,影響電除塵器除塵效率。

        本文通過電流密度實(shí)驗(yàn),測(cè)試了6種工業(yè)常用陰極線線型與型號(hào)為C480 的陽(yáng)極板(簡(jiǎn)稱“C480板”)匹配時(shí)的板平均電流密度J、板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ兩個(gè)指標(biāo),分析了不同的電極配置結(jié)構(gòu)電場(chǎng)特性,結(jié)合中試實(shí)驗(yàn),針對(duì)電除塵器前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)現(xiàn)有電極配置影響除塵效率的問題,根據(jù)粉塵顆粒場(chǎng)分布,調(diào)整電除塵器電場(chǎng)電極配置(陰陽(yáng)極類型、極間距、極線距),優(yōu)化前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)電極配置,使電除塵器前級(jí)電場(chǎng)在“高電壓、大電流”模式下運(yùn)行,增大前級(jí)電場(chǎng)電暈功率,提高前級(jí)電場(chǎng)平均電場(chǎng)強(qiáng)度及粉塵荷電量;后級(jí)電場(chǎng)在“高電壓、低電流”模式下運(yùn)行,更高的峰值電壓使微細(xì)粒子粉塵充分荷電,低電流節(jié)能降耗,實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放。

        2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

        極配(電極配置)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由極配試驗(yàn)裝置、高壓供電裝置和測(cè)試裝置三部分組成,如圖1 所示,主要測(cè)試儀表及設(shè)備如表1所示。

        圖1 極配(電極配置)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        極配試驗(yàn)裝置為三通道極配結(jié)構(gòu),電場(chǎng)有效高度3 375mm,有效長(zhǎng)度2 980mm,有效寬度1 200mm,同極距400mm,陰極線單根線長(zhǎng)3 000mm。陰極線線型選用RS 線(線型1)、BS 線(線型2)、針刺23 線(線型3)、針刺33 線(線型4)、板刺線(線型5)及異形鋸齒線(線型6)6 種工程常用線型,見圖2。陽(yáng)極板選用C480板,見圖3。

        圖2 6種工程常用陰極線線型

        圖3 C480陽(yáng)極板

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        采用銅片制作微電流采集探測(cè)板,將其分割成119塊22mm×47mm、相互絕緣的測(cè)試單元,在陽(yáng)極板上,高300mm、寬480mm 范圍內(nèi),排列成7 行17 列,如圖4 所示。在測(cè)量板電流密度時(shí),采用4個(gè)并行工作的電流采集模塊,每個(gè)模塊經(jīng)導(dǎo)線與電流探測(cè)板相連,正輸出端接地。電流采集模塊將極板微電流輸送至皮安級(jí)電流數(shù)據(jù)采集器,電流測(cè)量精度為10-12A,測(cè)量精度為±(50ppm 讀數(shù)+18ppm量程)。計(jì)算機(jī)通過現(xiàn)場(chǎng)總線與皮安級(jí)電流數(shù)據(jù)采集器和高壓電源進(jìn)行通訊,記錄電流數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程控制高壓電源。

        圖4 微電流采集探測(cè)板

        采用平均電流密度J和電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ兩個(gè)指標(biāo),討論不同電極配置時(shí)的板表面電流密度分布特性,通過σ判斷板電流密度分布的均勻性,公式如下:

        式中:

        n——測(cè)點(diǎn)數(shù)量,個(gè)

        ji——第i點(diǎn)電流密度,mA/m2

        實(shí)驗(yàn)時(shí),在極配試驗(yàn)裝置上裝設(shè)待測(cè)電極,調(diào)整至預(yù)定參數(shù),啟動(dòng)高壓電源送入負(fù)高壓,隨后逐步升高電壓,使用皮安級(jí)電流測(cè)量?jī)x依次對(duì)每個(gè)測(cè)試單元上的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)測(cè)試單元為一個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)定5s測(cè)試時(shí)間,測(cè)試范圍內(nèi)119個(gè)測(cè)試單元銅片依次輸出電暈電流,直至計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)采用多次測(cè)試取平均值的方法,對(duì)每組電極配置進(jìn)行6~10組循環(huán)測(cè)試。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        輸入二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV,板表面電流密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示,1~6 號(hào)線型陰極線分別與C480陽(yáng)極板匹配時(shí)的板電流密度分布云圖如圖5~圖10所示。電流密度分布云圖為將試驗(yàn)所測(cè)119組數(shù)據(jù)采用Origin圖形可視化軟件和數(shù)據(jù)分析軟件所制作的等高線圖,色譜表示板電流密度大小及分布。X、Y軸分別表示極板寬度和高度方向,X=0對(duì)應(yīng)極板中心線。

        表2 板表面電流密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖5 線型1-RS線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        由圖5、圖6及表2可知,RS線、BS線與C480板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV和65kV時(shí),兩者對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)出的電流密度分布云圖有極大的相似性,芒刺尖端正對(duì)極板處電流密度大,陰極線正對(duì)極板中間區(qū)域存在不同程度的電流盲區(qū),且隨著二次電壓的增大,電流盲區(qū)寬度減小。這是因?yàn)镽S 線和BS線的支撐結(jié)構(gòu)為圓管(見圖2a、2b),圓管曲率半徑大;輸入二次電壓時(shí),芒刺尖端勢(shì)能最大,電離周圍空氣產(chǎn)生電暈電子;電暈電子定向移動(dòng),產(chǎn)生電暈電流;而支撐結(jié)構(gòu)圓管勢(shì)能較弱,電離程度弱,即正對(duì)極板處表現(xiàn)為電流為零的“死區(qū)”。二次電壓升高,支撐結(jié)構(gòu)圓管電離程度增強(qiáng),正對(duì)極板處電暈盲區(qū)得到部分電子,電流盲區(qū)寬度減小。BS 線較RS 線在電場(chǎng)空間放電點(diǎn)數(shù)量成倍增加,但板電流密度沒有成倍增大,這是由于RS 線內(nèi)側(cè)的芒刺尖端與外側(cè)的芒刺尖端電暈放電時(shí)產(chǎn)生的同性電子之間相互作用,存在電子干擾,表現(xiàn)出板電流密度沒有成倍增大。

        圖6 線型2-BS線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        二次電壓為45kV、55kV和65kV時(shí),RS線、BS線分別與C480板組成電場(chǎng)電極配置結(jié)構(gòu),板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ均>0.45,板電流密度分布不均勻,極板有效利用率低,且受線形結(jié)構(gòu)影響,極板不能充分放電,進(jìn)而在實(shí)際工程應(yīng)用中極易出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象。

        由圖7、圖8及表2可知,針刺23線、針刺33線與C480 板匹配、二次電壓分別為45kV、55kV 和65kV時(shí),極板中間區(qū)域依然存在電流盲區(qū),但電流盲區(qū)寬度較窄。相較于針刺23 線,針刺33 線針刺長(zhǎng)度增加(見圖2c、2d),相同電壓條件下,極板平均電流密度增大,電流盲區(qū)范圍增大。這是由于針刺33線相對(duì)于針刺23線,放電尖端位置外移,二次電壓一定時(shí),放電尖端電暈強(qiáng)度相同,支撐結(jié)構(gòu)圓鋼對(duì)針刺33 線的抑制作用相對(duì)較小,極板兩側(cè)可以得到更多電暈電荷,正對(duì)極板中間部分電荷減弱,電流盲區(qū)范圍增大,極板兩側(cè)電流增大,優(yōu)于因放電點(diǎn)外移所引起的極板中間部分電流減弱程度,即表現(xiàn)出平均電暈電流增大,電流盲區(qū)范圍增加,使板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ增大。

        圖7 線型3-針刺23線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        圖8 線型4-針刺33線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        RS 線和BS 線因支撐結(jié)構(gòu)圓管曲率半徑較大,正對(duì)極板處有一定范圍的電流盲區(qū),現(xiàn)將BS 線圓管支撐改為扁鋼支撐,側(cè)部芒刺結(jié)構(gòu)分布不變,扁鋼兩側(cè)增加針刺線,正對(duì)極板,形成板刺線,結(jié)構(gòu)如圖2e所示。

        由圖9、表2可知,板刺線與C480板匹配、各電壓條件下,支撐結(jié)構(gòu)扁鋼正對(duì)極板處電流盲區(qū)得到了極大改善,且增設(shè)針刺線部分對(duì)應(yīng)極板區(qū)域出現(xiàn)電流密度峰值,極板平均電流密度與BS 線平均電流密度數(shù)值相近,但二次電壓在45kV時(shí),板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ減小了19.77%,二次電壓在55kV時(shí),更是減小了38.68%,電流密度分布均勻性提高。這是因?yàn)楸怃撋显O(shè)置了針刺線,即正對(duì)電暈屏蔽區(qū)增設(shè)了放電點(diǎn),電壓升高,針刺電暈放電產(chǎn)生定向移動(dòng)電子,定向移動(dòng)電子產(chǎn)生微電流,電流盲區(qū)得到微電流,極板上不再存在電流盲區(qū),板電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ大幅減小,極板有效利用率提升。

        圖9 線型5-板刺線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        由圖10、表2 可知,異形鋸齒線與C480 板匹配、各二次電壓條件下,極板上均無電流盲區(qū),板電流密度>0.1mA/m2,且電流密度分布均勻度高。電壓65kV時(shí),電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.345。這是因?yàn)?,鋸齒線支撐結(jié)構(gòu)扁鋼寬度小,產(chǎn)生電暈屏蔽范圍小,兩側(cè)鋸齒長(zhǎng)度不等(見圖2f),曲率半徑不同,相鄰放電點(diǎn)、相同電場(chǎng)強(qiáng)度下,電暈電子干擾程度小,且一定程度上相互彌補(bǔ)了各自電暈電子所不能覆蓋的區(qū)域。電壓一定時(shí),長(zhǎng)鋸齒放電強(qiáng)烈,正對(duì)極板處電流密度峰值大,電暈電離產(chǎn)生大量自由電子,部分電子定向移動(dòng)至極板中部,電暈屏蔽區(qū)得到電子補(bǔ)償,產(chǎn)生微電流。

        圖10 線型6-異形鋸齒線與C480板匹配時(shí)的板電流密度分布

        由以上數(shù)據(jù)分析可明顯發(fā)現(xiàn),RS 線和BS 線、針刺23 線和針刺33 線因支撐結(jié)構(gòu)為圓管和圓鋼,支撐結(jié)構(gòu)曲率半徑大于芒刺尖端和針刺尖端,輸入二次電壓,正對(duì)極板處均存在不同程度的電流盲區(qū)。相同電壓條件下,RS線和BS線支撐結(jié)構(gòu)圓管勢(shì)能弱,電離程度低,導(dǎo)致電暈電流小,板電流密度分布均勻性差,極板有效利用率低。各二次電壓條件下,RS線和BS線電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ均>0.4。

        針刺23 線、板刺線、異形鋸齒線與C480 板組成的電極配置,可有效改善支撐結(jié)構(gòu)在極板表面形成的電流盲區(qū)。其中,針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時(shí),板電流密度0.366mA/m2,電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.34;板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時(shí),板電流密度0.441mA/m2,電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.298。即,板刺線與C480 板配置,可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、大電流”運(yùn)行模式,針刺23 線與C480 板配置,可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、低電流”運(yùn)行模式,且板電流密度分布相對(duì)均勻性高,極板有效利用率高。

        4 中試實(shí)驗(yàn)

        4.1 電除塵器設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

        我公司實(shí)驗(yàn)室自主搭建了一臺(tái)三電場(chǎng)電除塵器,陽(yáng)極板為C480 板,陰極線采取了兩種布置方案。方案1,一、二電場(chǎng)采用BS 線,三電場(chǎng)采用RS線;方案2,一、二電場(chǎng)采用板刺線,三電場(chǎng)采用針刺23 線。電除塵器多級(jí)電場(chǎng)電極配置如圖11 所示。陽(yáng)極板清灰采用側(cè)部振打,陰極清灰采用頂部電磁振打,電除塵器主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。實(shí)驗(yàn)用灰選用水泥窯尾電除塵灰,模擬工業(yè)煙氣粉塵,粉塵粒徑分布如圖12 所示,中位粒徑為2.664μm。

        表3 電除塵器主要技術(shù)參數(shù)

        圖12 水泥窯尾電除塵灰粒徑分布

        4.2 測(cè)試結(jié)果

        中試試驗(yàn)顆粒物濃度測(cè)試,選用嶗應(yīng)3012-H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀,依據(jù)GB 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》和HJ/T 47-1999《煙氣采樣器技術(shù)條件》技術(shù)要求[1-2]進(jìn)行采樣。

        輸入二次電壓50kV,依次對(duì)電極配置方案1和方案2 進(jìn)行采樣。結(jié)果表明,方案1 除塵器出口粉塵濃度測(cè)試值為36.88mg/m3,除塵效率96.31%;通過電極配置組合優(yōu)化,方案2除塵器出口粉塵濃度測(cè)試值為8.23mg/m3,除塵效率99.18%,提效明顯,出口粉塵濃度降低77.68%。

        5 結(jié)語

        (1)BS線、RS線、針刺23線、針刺33線與C480板匹配時(shí),陰極線正對(duì)極板表面均存在不同程度的電流盲區(qū),板電流密度分布不均勻,極板有效利用率低。

        (2)BS 線芒刺內(nèi)、外側(cè)尖端電暈放電,存在電子干擾,且芒刺線板電流密度不隨放電尖端數(shù)量的成倍增加而成倍增大,線型結(jié)構(gòu)影響芒刺尖端不能充分放電,極板有效利用率低,易引起反電暈現(xiàn)象。

        (3)優(yōu)化陰極線結(jié)構(gòu)參數(shù),將RS 線、BS 線支撐結(jié)構(gòu)圓管改為扁鋼支撐,并在扁鋼兩側(cè)正對(duì)極板布置針刺,兩側(cè)放電尖端布置高度不同等措施,均有利于板電流密度分布均勻性的提高。

        (4)板刺線與C480板匹配、二次電壓55kV時(shí),板電流密度0.441mA/m2,電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.298,可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、大電流”運(yùn)行模式;針刺23 線與C480 板匹配、二次電壓55kV時(shí),板電流密度0.366mA/m2,電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.34,可用于電除塵器前級(jí)電場(chǎng)的“高電壓、低電流”運(yùn)行模式。

        (5)電除塵器前級(jí)、后級(jí)電場(chǎng)電極配置的組合優(yōu)選,可顯著提升電除塵器除塵性能,三電場(chǎng)電除塵器中試試驗(yàn),電極配置方案2 比方案1 出口粉塵濃度降低77.68%。

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