關(guān)玉華,張倫秋,米俊鋒,杜勝男

(1.遼寧石油化工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001;2.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的不斷發(fā)展,環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了最大程度地利用粉塵產(chǎn)生的環(huán)境、設(shè)備動(dòng)能及熱能解決工業(yè)生產(chǎn)中粉塵的分離和捕集,發(fā)展靜電除塵技術(shù)勢(shì)在必行[1]。目前,應(yīng)用較為廣泛的除塵技術(shù)為:機(jī)械式除塵、袋式除塵、濕式除塵、靜電除塵。各除塵技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。相較于其他除塵技術(shù),靜電除塵技術(shù)具有高除塵效率、易于管理、低能耗等特點(diǎn),因此靜電除塵技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。本文重點(diǎn)針對(duì)影響除塵效率的主要因素進(jìn)行綜述。

表1 各種除塵技術(shù)的對(duì)比[1-7]Table 1 Comparison of various dust removal techniques[1-7]

1 放電極形式及材料

放電極與集塵極通過(guò)直流高壓電源形成電場(chǎng),粉塵顆粒物在電場(chǎng)力作用下向集塵極運(yùn)動(dòng)從而被捕集。放電極的形式和材料也都會(huì)影響靜電除塵器的除塵效率,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。

1.1 放電極形式

靜電除塵主要以電暈放電為理論基礎(chǔ),為形成穩(wěn)定的電暈放電,放電結(jié)構(gòu)一般采用光桿型、鋸齒型、芒刺型放電裝置以形成非均勻電場(chǎng)。各放電形式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境見(jiàn)表2。

表2 不同放電極形式的性能特點(diǎn)[8-13]Table 2 Performance characteristics of different discharge electrode forms[8-13]

良好的放電極應(yīng)當(dāng)具備操作電壓區(qū)間大、機(jī)械性能優(yōu)異、擊穿電壓高、放電強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在高溫環(huán)境下,擊穿電壓降低,芒刺型和鋸齒型放電極電暈電壓區(qū)間小,使用光桿型放電極在高電壓狀態(tài)下放電性能更穩(wěn)定。Xu等[14]探索了三中不同形式的放電極對(duì)放電性能和除塵性能的影響,研究結(jié)果表明溫度為300 K,施加相同電壓時(shí)鋸齒狀電極的放電電流最大,除塵效率達(dá)到99.8%,隨著溫度升高在700～900 K之間,圓線(xiàn)型電極顆粒收集效率較高。在其基礎(chǔ)上,Zheng等[15]發(fā)現(xiàn)溫度為700 K時(shí),鋸齒狀電極對(duì)PM1的去除效率為95.9%,PM2.5的去除效率為95.7%,通過(guò)對(duì)芒刺型電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其對(duì)各直徑分布(PM1-PM10)的顆粒去除效率可明顯高于圓線(xiàn)型,即去除效率超過(guò)95%。

放電極受材料、形式、操作溫度等多種因素的影響,因此,放電極的選擇應(yīng)從電暈放電、脫除效率、設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命等方面考慮,選擇最佳放電形式以達(dá)到較好的去除效果。

1.2 放電極材料

為保障除塵設(shè)備的除塵性能和耐腐蝕性,通常放電極采用耐高溫的合金鋼或不銹鋼[16],不同材料的逸出功不同且會(huì)影響其放電特性,可通過(guò)在金屬材料表面涂覆不同材料改變逸出功大小。ALI等[17]通過(guò)使用聚合物放電極表面與混合復(fù)合放電電極的新組合來(lái)降低其規(guī)模成本,與傳統(tǒng)的金屬放電極相比,其放電電流更穩(wěn)定且?guī)缀鯖](méi)有火花電壓。Rostami等[18]發(fā)現(xiàn)尖峰帶形式的碳鋼作為放電電極時(shí),隨著氣體流速的增加,細(xì)顆粒(直徑可達(dá)0.8 μm)的收集效率提高,且本實(shí)驗(yàn)的用水量明顯低于其他處理過(guò)程。隨后,Ali等[19]又采用碳纖維復(fù)合材料與金屬網(wǎng)結(jié)合,形成了長(zhǎng)而薄的磁帶形狀的混合電極樣品,混合復(fù)合放電電極在與金屬電極相當(dāng)?shù)墓β氏庐a(chǎn)生均勻的電暈,并具有緊湊、輕、高度耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

除了選擇可降低成本具有耐腐蝕性的聚合物和碳鋼作為放電極,一些學(xué)者嘗試將石墨烯、稀土鎢等導(dǎo)電率高的材料作為放電極研究其放電特性和除塵效率。石墨烯具有強(qiáng)度大、導(dǎo)電性能良好[20]。Bo等[21]通過(guò)采用垂直定向的石墨烯涂層金屬線(xiàn)作電暈放電電極,可以產(chǎn)生更加節(jié)能、環(huán)保的電暈放電,放電從“石墨烯放電階段”開(kāi)始過(guò)渡到“導(dǎo)線(xiàn)放電階段”,石墨烯片放電具有更低的起暈電壓和顯著減少臭氧排放。在相同的供電電壓和放電條件下,負(fù)極性的使用可能會(huì)導(dǎo)致比正極性高得多的電暈電流,因此可能更適合于實(shí)際應(yīng)用。

Yang等[22]利用鎢涂層納米線(xiàn)的放電極,發(fā)現(xiàn)其可以在大氣中獲得連續(xù)和穩(wěn)定的電暈放電。這種基于納米線(xiàn)的電暈放電可以通過(guò)使用納米線(xiàn)在電極尖端的縮小而在相對(duì)較低的電壓下啟動(dòng)和工作。由圖1可知當(dāng)電壓增加到電暈閾值時(shí),就會(huì)發(fā)生擊穿,放電電流波動(dòng)劇烈,通過(guò)不斷增加電壓,使其略大于電暈閾值,電暈放電就變得穩(wěn)定。

圖1 采用鎢膜涂層納米線(xiàn)制備的放電器的典型I-V特性Fig.1 The typical I-V characteristics of the dischargers using nanowires coated with tungsten film

為使靜電除塵技術(shù)放電穩(wěn)定,放電極材料應(yīng)具有較低的起暈電壓,擊穿電壓高等特點(diǎn),因此探索和研究放電特性?xún)?yōu)良的陰極材料也是靜電除塵的重要研究方向。

2 比電阻對(duì)除塵效率的影響

粉塵比電阻是指在一定的粉塵填充塊中,單位長(zhǎng)度內(nèi)單位截面粉塵層的電阻。不同環(huán)境下的溫度、濕度、及其自身結(jié)構(gòu)等也會(huì)影響比電阻大小,從而影響對(duì)顆粒物的去除效率。

2.1 溫度對(duì)比電阻的影響

隨著溫度的升高,粉塵比電阻先增大后減小,由圖2典型的溫度-電阻率曲線(xiàn)圖[23]可知溫度為100～200 ℃之間粉塵比電阻出現(xiàn)最大值,當(dāng)粉塵比電阻高于1010Ω·cm時(shí),集塵極收集的灰塵電阻引起反電暈使電場(chǎng)削弱,粉塵層擊穿;當(dāng)粉塵比電阻低于104Ω·cm時(shí),顆粒物在洛倫茲力的作用下向集塵極遷移,最后與極板碰撞并通過(guò)感應(yīng)帶電攜帶同性電荷,在互斥洛倫茲力的作用下重新返回到極間氣流中往復(fù)運(yùn)動(dòng),部分粉塵顆?？赡軙?huì)被氣流帶出除塵器,造成二次揚(yáng)塵;在早期文獻(xiàn)中指出當(dāng)粉塵比電阻在104～1010Ω·cm之間,最適用于電除塵器[24]。

圖2 典型的溫度-電阻率曲線(xiàn)Fig.2 Typical temperature resistivity curve

粉塵比電阻由表面比電阻和體積比電阻共同決定。當(dāng)溫度低于粉塵比電阻變化臨界值時(shí),表面比電阻占主導(dǎo)作用,反之,體積比電阻占主導(dǎo)作用。MOHANTY等[25]通過(guò)研究不同溫度下粉塵的變化,實(shí)驗(yàn)表明溫度低于150 ℃時(shí)表面比電阻起主要作用,粉塵比電阻與溫度成正比關(guān)系;溫度在150～225 ℃范圍內(nèi),表面比電阻和體積比電阻共同作用決定比電阻大小;溫度大于225 ℃時(shí)體積比電阻占主導(dǎo)作用,因此,粉塵比電阻與溫度成反比關(guān)系。Li等[26]測(cè)試了溫度對(duì)比電阻的影響,研究表明許多工業(yè)污染顆粒物在溫度423～427 K內(nèi)具有較高的比電阻,由此可通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣溫度降低到403 K以下或提高到623 K以上使粉塵具有足夠的導(dǎo)電性。然而高煙氣溫度不利于靜電除塵器除塵,可使靜電除塵器在較低的溫度下運(yùn)行,降溫也有利于降低粉塵流速、提高運(yùn)行電壓。Xu等[27]通過(guò)研究稀土鎢陰極管式靜電除塵器在各種因素下的除塵規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著工作電壓或溫度的升高,收集效率主要表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì),而在較高溫度和較低電壓下隨溫度升高略有下降。

2.2 濕度對(duì)比電阻的影響

Li等[26]通過(guò)對(duì)粉塵比電阻和靜電沉淀效率變化特性的研究,發(fā)現(xiàn)在相同溫度下煙氣比電阻與濕度成反比關(guān)系,即溫度相同,濕度增加,粉塵層的比電阻減小從而增加導(dǎo)電效果,使得擊穿電壓增大,從而不易發(fā)生火花電壓,即電場(chǎng)強(qiáng)度的增大也將顯著提高煙氣顆粒物的捕集效果。Mohanty等[25]對(duì)粉煤灰比電阻的研究中發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)200 ℃以下的大多數(shù)粉塵有主要影響,且濕度不宜過(guò)大,因?yàn)楦嗟乃魵鈺?huì)在ESP中產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題,溫度較高時(shí),顆粒物的比電阻幾乎不受濕度影響。此外,國(guó)內(nèi)外Zhang[28]和Liu等[29]學(xué)者的研究均證實(shí)了以上觀(guān)點(diǎn)。

王翔等[30]進(jìn)一步分析濕式水膜對(duì)粉塵比電阻的影響,提出濕式高壓靜電除塵效率高的原因是:①由于液膜在粉塵表面的附著對(duì)沉積的顆粒進(jìn)行改性,提高粉塵相對(duì)介電常數(shù)[31],穩(wěn)定運(yùn)行使靜電場(chǎng)內(nèi)粉塵荷電不隨粉塵沉積而降低,提高顆粒物的荷電能力;②濕式水膜靜電場(chǎng)中粉塵向集塵極的有效運(yùn)動(dòng)路徑變短,且運(yùn)動(dòng)的時(shí)間減短,粉塵捕集效率更高;③濕度可增強(qiáng)團(tuán)聚體內(nèi)顆粒之間的粘結(jié)能力,有效避免二次揚(yáng)塵。

由于粉塵比電阻和濕度變化成負(fù)相關(guān)規(guī)律,所以可通過(guò)增加濕度降低粉塵比電阻以提高集塵效率,粉塵濕度增加的同時(shí)還具有增加粉塵荷電過(guò)程、防止粉塵二次揚(yáng)塵的作用。當(dāng)前的濕式電除塵器不僅可提高對(duì)黏性粉塵的去除,還可保證電極板的清潔,提高其使用壽命。

3 溫度

3.1 對(duì)放電特性的影響

為了解溫度對(duì)靜電除塵器放電特性的影響,研究人員進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。Xu等[32]研究了溫度在300～900 K范圍內(nèi)溫度對(duì)電暈放電伏安特性曲線(xiàn)的影響,發(fā)現(xiàn)起暈電壓和火花電壓均隨溫度升高而降低,導(dǎo)致粒子收集效率和粒子遷移速度降低,在相同電壓下,高溫狀態(tài)下電流較大,提高粉塵濃度有利于粒子的收集。研究還表明在高溫下靜電除塵器的可調(diào)節(jié)電壓范圍變小,見(jiàn)圖3,原因是隨著溫度的升高起暈電壓和火花電壓均發(fā)生不同程度的減小,且火花電壓減小的速度更快,導(dǎo)致放電不穩(wěn)定,易發(fā)生火花放電。

圖3 溫度對(duì)放電電壓的影響Fig.3 Voltage-current characteristic at different temperatures

Yan[33]通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了溫度對(duì)電暈放電影響,研究表明電暈電流密度受離子電流和電子電流的影響。一方面是由于高溫使得分子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng),易發(fā)生碰撞導(dǎo)致電離增加,且負(fù)離子中可分離出電子;另一方面由于逸出功減小導(dǎo)致陰極表面產(chǎn)生更多熱電子。Wang等[34]通過(guò)將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合分析溫度對(duì)電暈放電特性的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高電暈區(qū)減小,電場(chǎng)強(qiáng)度較小,溫度提高至850 ℃時(shí),電暈區(qū)為2.5 mm,電場(chǎng)強(qiáng)度降低至3×106V/m,最大荷電密度減小為6.4×1014m-3。

綜上所述,提高溫度可增大靜電除塵器的放電電流,但粉塵荷電密度減小;同時(shí)靜電除塵器的穩(wěn)定操作電壓范圍受限,因此,需進(jìn)一步研究靜電除塵器在高溫環(huán)境下提高其放電特性的方法。

3.2 對(duì)除塵效率的影響

溫度對(duì)電暈放電特性的影響最終體現(xiàn)在除塵效率的變化上,Zhu等[35]測(cè)試了溫度在363～763 K范圍內(nèi)對(duì)除塵效率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同電壓下,除塵效率隨溫度的提高而提高;但在相同電流下,除塵效率隨著溫度的升高而降低,除塵效率隨著電壓、粉塵氣體流量和顆粒初始濃度的增加而均有所提高。Shen等[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同電流下當(dāng)溫度從563 K提高到1 020 K時(shí)除塵效率快速降低,得出相同結(jié)論。

Li等[37]發(fā)現(xiàn)在高溫下離子風(fēng)對(duì)氣流二次流動(dòng)影響顯著,高溫增加了作用在粒子上的平均電場(chǎng)力,粉塵粘度較大,場(chǎng)電荷減弱,從而導(dǎo)致除塵效率降低。Wan等[38]采用RSM湍流模型研究溫度對(duì)含塵氣體的運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)切向速度作用明顯,隨著溫度的提高,分離效率降低。

Luo等[39]通過(guò)數(shù)值模型研究了不同溫度下顆粒物在極板間的運(yùn)動(dòng)。該模型考慮了溫度對(duì)電場(chǎng)、流體動(dòng)力學(xué)和顆粒流之間的復(fù)雜相互作用。數(shù)值結(jié)果表明高溫使沿平板的邊界層變厚,增強(qiáng)了湍流,電暈極電場(chǎng)強(qiáng)度和平均電場(chǎng)強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低,高溫削弱了粒子充電。對(duì)于粒徑為10 μm 左右的粉塵,隨溫度的升高,洛倫茲力、薩夫曼升力和布朗力下降,阻力增大,不利于集塵。

綜上所述,溫度變化對(duì)靜電除塵器的主要影響因素分為以下三點(diǎn):①在高溫下易發(fā)生火花放電,從而導(dǎo)致除塵效率降低;②高溫使得粉塵粘度增大,更易被 氣流帶出除塵器,分離效率降低;③高溫導(dǎo)致集塵極邊界層變厚,湍流增強(qiáng),電場(chǎng)強(qiáng)度降低,粒子之間的作用力增強(qiáng),從而粉塵顆粒不易被捕集。因此,如何使靜電除塵器在高溫狀態(tài)下高效穩(wěn)定運(yùn)行還有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

(1)靜電除塵的除塵效果主要受放電極形式與材料、粉塵比電阻、溫度等因素影響。不同的除塵環(huán)境中需綜合考慮各因素選擇相應(yīng)的放電形式及材料;粉塵比電阻和溫度變化呈鐘罩形規(guī)律,和濕度成負(fù)相關(guān)關(guān)系,粉塵比電阻在適當(dāng)范圍內(nèi)除塵效率較好;放電電流隨溫度變化而改變,除塵器在高溫下可操作電壓區(qū)間較小,除塵效率低。

(2)目前靜電除塵技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用,但仍存在一些不足。需在以下方向進(jìn)行更深一步的探索:①當(dāng)前溫度對(duì)靜電除塵技術(shù)的機(jī)理分析還僅限于實(shí)驗(yàn)分析,缺乏更深層次的研究,還需對(duì)放電過(guò)程中離子的運(yùn)動(dòng)及物質(zhì)轉(zhuǎn)化等微觀(guān)事物進(jìn)行探索。②解決高溫狀態(tài)下操作電壓區(qū)間較小的問(wèn)題,研究減小起暈電壓、增大擊穿電壓的方法。③探索靜電除塵器對(duì)含油或含水粉塵、細(xì)小粉塵的除塵性能,對(duì)燃煤處理等復(fù)雜氣流的研究較少,但其通過(guò)改變本體,可有效促進(jìn)能源清潔的進(jìn)一步發(fā)展。