电除尘器及其电离荷电机制的研究新进展

电除尘器及其电离荷电机制的研究新进展Advances in the electr ostatic p reci p itat or and its i onizati on and charge mechanis m白希尧1,2,储金宇2,白敏菂1,依成武2,吴春笃2,毛程奇1(1.大连海事大学物理系,辽宁大连　116026;2.江苏大学生物与环境工程学院,江苏镇江　212013)摘要:详细介绍了电除尘技术研究现状、现存问题及其研究趋势。

目前电除尘技术的理论尚不完备,属于经验工程的学科,电除尘器的技术性能优劣取决于设计命中率。

为此,论述烟尘荷电凝聚机制并研究电离放电通道中的带电粒子复合问题及其输运特性等,以便解决除尘电场中的电离占空比、输运项甚低等问题;研究了烟尘荷电、凝聚的物理过程,以便进一步提高电除尘器的性能。

关键词:电除尘技术;电离放电;电离占空比;输运特性;电凝聚Ab s trac t:The p re sen t re sea rch s itua ti o n,the e xtan t p r o b l em s a nd the re sea rch te ndency o f e l e c tr o s ta ti c p rec i p i2 ta ti o n techno l o gy a re de sc ri be d i n de ta il.A t p re sen t,the theo ry o f e l ec tr o sta ti c p re c i p ita ti o n techno l o gy is s till i n2 com p l e te,be l o nged t o the e xp e ri e nce d isc i p li ne1And the te chn i ca l p e rf o r m a nce o f e l ec tr o sta ti c p rec i p ita ti o r is up t o the de s i gn exp e ri e nce and fo rtune.The m e cha n ism o f du s t p a rti c l e s cha rg i ng a nd a gg l o m e ra ti ng ha s bee n summ a ri ze d.The com po und and tran spo rta ti o n cha rac te ris ti c s o f cha rged p a rti c l e s i n the channe l o f i o n i za ti o nd ischa rge a re s tud i ed tho r o ugh l y i n o rde r t o so l ve the p r o b l em s such a s l o w of frac ti o na l ac ti ve vo l um e i n e l ec tri cfi e l d a nd tra n spo rta ti o n ra te o f cha rge d p a rti c l e s a nd so o n.A t the sam e ti m e,the p hys i ca l p r o ce s s o f cha rg i ng and a gg l o m e ra ti ng o f du s t p a rti c l e s is stud i e d t o i m p r o ve the effi c i e ncy o f e l ec tr o s ta ti c p re c i p ita t o r.Ke y wo rd s:e l ec tr o sta ti c p rec i p ita ti o n te chno l o gy;i o n i za ti o n d ischa rge;fra c ti o na l a c ti ve vo l um e;tra n spo rta ti o n cha rac te ris ti c;e l ec tri c agg l o m e ra ti ng中图分类号:X701.2 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2007)05-039-040　引言目前我国电除尘器数量占国内市场总量的75%,已成为世界电除尘器生产、应用大国[1]。

2004年,我国实施的火电厂污染物排放标准中烟尘限值为50mg/m3(本文烟气量均为标态值),使得新、老电除尘器绝大多数难以达到排放标准,其主要原因是后级电场中微细烟尘捕集率低,这是对现有电除尘理论和技术的一种挑战。

要使电除尘器达到新的标准,就需要在电除尘理论和技术上加大研究力度。

从大气压(等离子体物理又称为高气压)非平衡等离子体物理观点来看,电除尘器是一个巨大的等离子体源和反应室的组合体。

然而,2004年我国等离子体物理学科发展战略组研究报告指出:“目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚”。

“在高气压下等离子体的输运特性研究也刚刚起步,但是正在形成新的研究热点”[2]。

由于大气压等离子体物理研究的滞后,从而制约了电除尘技术的基础理论研究。

到目前为止,世界各国电除尘技术的理论尚不完备,基本上还处于20世纪60年代的水平,仍属于经验工程的学科[3],所以电除尘器性能的优劣,常常取决于设计的命中率、制造精度、安装质量、供电特性以及维护管理等。

由于电除尘基础理论研究的欠缺,造成了电除尘器存在一次投资高、体积庞大、钢材用量过多以及捕集微细烟尘的效率较低等问题。

早在20世纪50年代,我国从前苏联引进卧、立式电除尘器,80年代又分别从德国Ruthmuble、瑞典Flakt、美国的GE及Lodge-Cottrell、日本住友重机、新日铁等公司引进电除尘器设备及制造技术,并实现国产化。

总之,我国在电除尘技术及设备制造上一直处于以跟踪研仿为主的阶段。

电除尘的理论与技术均涉及气体电离放电物理学、高气压非平衡等离子体物理学及气体动力学等学科,是一门多学科基金项目:国家自然科学基金重点项目(60031001)和面上项目(60471036、50578020)93交叉和融合的学科。

近来,气体电离放电物理[4-6]、高气压非平衡等离子体物理[7-8]等领域的研究取得了令人瞩目的进展,为我国电除尘技术及设备的发展提供了基础理论及方法的支持。

1　烟气电离及尘粒荷电机制的研究趋势通常电除尘器运行在负电晕放电过程。

当外加稳定电场作用到非均匀放电间隙上时,由于空间电荷的积累,会出现新的电场分布和电晕模式。

逐渐增加放电电场强度至一定值时,将在电晕点上出现一个电晕电流相对稳定的辉光放电。

辉光放电的起始电压存在一个较宽的调控范围,通常电除尘器就工作在辉光放电区域内。

最大电场将出现在放电电极电晕点附近,当雪崩头部空间电荷形成的本征电场Er 与外加电场E的大小在同一数量级时,或雪崩产生的电子数达到临界值时,会在电晕点上发生辉光放电(负电晕),并在负电晕雪崩头部产生正电荷积累[29],形成本征电场。

它加强了正电荷和放电极之间的电场强度,并减弱了指向接地极的电场强度。

在电晕放电空间任意一点的总电场强度为E=E+E r。

当E o增大时,将会强化电离放电过程。

此时Er甚至可达100～400kV/c m,比电除尘器中的外加激励电晕电场强度高出20倍左右。

电除尘器捕集烟尘主要是通过荷电的烟尘颗粒在电场作用下完成的。

在物理条件一定的情况下,荷电尘粒的驱进速度ω与尘粒的荷电量q、除尘区域的电场强度E0成正比,与尘粒的斯托克斯粒径ds成反比。

从除尘效率方程可知,ω是除尘效率的关键参数,提高ω也是提高除尘效率唯一可行的途径。

烟尘驱进速度增加多少倍,则电除尘器集尘面积将相应减少多少倍,或者烟气处理量增加多少倍。

从驱进速度公式可知,ω取决于烟尘的荷电量。

所以,增加烟尘荷电量的方法将成为今后电除尘技术急待研究解决的问题。

尘粒荷电是通过与带电粒子碰撞实现的。

尘粒碰撞荷电主要有电场荷电和扩散荷电两种机制。

在电除尘过程中,此两种机制同时存在。

烟尘粒径是非均一的,通常电除尘器前部电场中烟尘以电场荷电为主;后部电场中尘粒以扩散荷电为主。

从烟尘荷电量公式可知,烟尘的荷电量受带电粒子浓度及粒径制约,由于电凝聚作用,烟尘粒径也将受气体中带电粒子浓度的制约。

随着荷电量增加,粒径也在凝聚过程中增大。

可见,除尘电场的带电粒子浓度是影响烟尘荷电量的主要因素。

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。

如能采用电凝聚方法将尘粒凝聚成大粒径的颗粒,将得到更多的电量,它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尘粒捕集效率低下的问题。

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102～104[31];1μm尘粒的电凝聚系数K 可达到10-13～10-14m3/s[32],这一研究结果引起烟尘净化科学界的广泛关注,也为解决电除尘器的现存问题提供了一个有效的解决方法。

烟尘的荷电量是电凝聚系数的主要参数,而电凝聚速率、凝聚后尘粒粒径均是电凝聚系数的函数。

通过增加带电粒子浓度、尘粒荷电量,可提高烟尘的电凝聚速率、尘粒粒径,反过来又促使已增大尘粒的荷电量大幅度增加。

可见,在除尘过程中,电凝聚对除尘性能起着叠加倍增的效果。

2　电除尘技术研究进展从1955年以来,采用电除尘技术处理工业烟尘及空气净化的工程数量成指数规律增加,因此引起世界各国企业界、学术界的极大关注,并开展了大量有关电除尘理论与技术的研究工作。

Masuda(1980年)[9]与川慎太郎等人(1990年)[10],以及王海宁等人(2001年)[11]分别用高电压窄脉冲供电方式进行了脉冲直流电场的同极性离子荷电凝聚研究,增大了烟尘荷电量及粒径,提高了烟尘的荷电凝聚性能,改善了电除尘器的反(逆)电晕问题,使高比电阻烟尘的捕集效率有所提高。

1990年白希尧等人[12]进行了直流电场同极性烟尘荷电凝聚技术的研究,提高粉尘的荷电凝聚特性,烟尘驱进速度可提高2～6倍,改善了电除尘器的收尘性能。

1992年阪本清等人[13]采用间歇供电方法改善高比电阻烟尘的荷电凝聚性能,解决了烧结烟气的除尘疑难问题。

1995年W atababe等人[14]和Hautanen等人[15],1997年许德玄[16]以及2000年向晓东等人[17]分别进行了离子荷电机理或荷电、凝聚、收尘三段式电除尘器的试验研究。