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高风速复合式电收尘器模拟烟气净化实验研究

高风速复合式电收尘器模拟烟气净化实验研究

摘要部分
本文采用自制高风速复合式电收尘器（HWSCESP）进行了模拟烟气粉尘净化实验研究，并探讨了其收尘机理。以收尘效率作为收尘指标，以粉尘初始浓度、工作电压、有效收尘面积及系统风速作为影响因素进行单因素分析，分别考查各因素对收尘效率的影响规律。实验结果表明，当烟气处理量为3780m3/h，烟气风速为1.75m/s，粉尘初始浓度为5g/m3，工作电压为47kV，有效收尘面积为14.5m2时，电收尘器收尘效率可达95%以上。HWSCESP除尘系统比传统电收尘器（ESP）体积缩小1.33~8倍，实现了除尘设备小型化，降低了其一次性投资。

正文部分
1引言
中国是以煤炭为主的能源生产、消费大国。随着我国经济的高速发展将消费更多的能源，烟尘污染物将会大幅度地增加。超标排放的粉尘严重损坏了人们的身体健康，破坏了人类的生存环境，影响了经济的可持续发展。因此任何一个现代化的工业窑炉、锅炉都要采用高效的收尘装置以净化烟尘。由于电除尘器（ESP）具有能处理高温（350℃）高湿[40％（v/v）]大烟气量；压力损失低（100Pa～300Pa）；可扑集微小粉尘；运行费用低等。因此，被世界公认为高效除尘设备。目前电除尘器的数量占国内市场总量的75%，中国已成为世界上电除尘器生产、应用大国[1]。然而，传统的电收尘器也有着自身的缺点。传统电收尘器，含尘气流方向与收尘极板相平行，单纯依靠静电的作用将荷电粉尘收集到收尘极板上，风速对于粉尘的收集起到的是负面作用（管式电收尘器道理相同）。为了获得较大的收尘效率，必须把收尘器内的风速降到0.6～1.2m/s，通常粉尘在收尘器内停留的时间要高达4～5s。这样，传统电收尘器往往体积巨大，钢材浪费严重，一次性投资大。
世界各国研究人员从未放弃过对于传统电收尘器的改良和改造。其中，研究收尘极板垂直于含气流方向的收尘器为一大方向。
原西德和苏联学者在1963年和1971年就开始研究与气流方向垂直布置的收尘极板，虽然收尘效率稍有提高，但烟气风速还是保持在0.8～1.2m/s，烟尘在电场中停留时间还长达3.5～4.0s，EP有效截面积和电场长度均没有明显减少。上世纪90年代，白希尧等人对收尘极板垂直于气流方向的电收尘器作了可行性研究 [2-4]。

2实验原理
传统的板式电收尘器均采用收尘极板与风向平行摆放的结构形式，如图1所示。由图可见，尘粒的合速度μp是气流速度μ与驱进速度ω的向量和。若在时间增量 tp内，则有 ，在边界层δ内所有尘粒都被收集到集尘极上，但是超过这个时间增量，尘粒就极有可能不被收尘极板所收集。要提高收尘效率，只能采取：①降低速度 ；②加大收尘极板长度；③提高驱进速度ω等手段。从经济角度来看，提高驱进速度ω是最好的选择。但是由于受电场的击穿强度限制，电场中的库仑力几乎处于临界值，尘粒驱进速度只能在很小范围内得以改善。

把收尘极板从顺气流方向排列改成迎气流方向，如图2所示。此时在边界层内尘粒向集尘极板上运动速度μn是风速μ与驱进速度 的代数和，因而大大提高了尘粒向集尘极运动的速度。边界层增厚，尘粒被集尘极板捕捉所需的时间大大减少，将风速这一不利于捕捉尘粒的条件转变成有利的条件，从而会大大提高收尘的效果[2]。
自制的新型除尘器，从流体力学角度，采用的是双C型集尘极板，外形结构表面只相当于旋风除尘器的一半。集尘极板C形角能把沿着集尘极板表面流过的、未被捕集下来的尘粒，再按气流方向导入集尘板表面加以捕集。极板间开口率为30%～50%。均速板把风道出口气流进行均速，均速板后面的集尘极也起着均速作用，因而对均速板要求相对降低。双C型集尘极板能把振打时掉下来的粉尘层控制在双C槽内，再加上电场的抑制作用，粉尘不易产生二次扬尘。由于气流是沿着集尘极表面绕行，大大延长了尘粒运动轨迹，再加上收尘器内气流速度对尘粒的推进作用，能在短时间内以较大的气流速度把尘粒驱赶到集尘极表面加以捕集。因而，成倍减少了EP截面积和长度，体积较常规EP成倍减少，实现了EP小型化。

3实验流程和装置
高风速复合式电收尘系统实验工艺流程如图3所示。由引风机产生一定流量的气体，可通过转动风机风门调节风量大小，风量调整范围为：2670~6870m3/h；由空压机和供料器产生一定量的粉尘，与引风机产生的空气配制成一定量的模拟烟气。烟气经过HWSCESP除尘器后粉尘颗粒被收集下来，由清灰系统运出，净化后烟气排到空气中。实验采用两台TH-880Ⅳ型微电脑烟尘平行采样仪同时分别检测除尘系统的入口和出口粉尘浓度及有关参数。供电电源采用GGA102-12型高压静电电源，最大输出电压、电流为72kV/50mA。采用Q4型高压静电电压表检测直流电压值。

4结果与分析
4.1粉尘初始浓度对收尘效率的影响
不同含尘浓度的烟气应采用不同的收尘方法，一般情况下，电收尘器进口允许粉尘浓度以不超过40~50g/m3为宜。由于电收尘器正常工作时，电晕电流基本上是气体离子的运动所致，当含尘量过高，则大部分空间离子电荷给了尘粒，而尘粒移动速度远低于离子移动速度，电荷活动大大降低，使收尘器形成所谓电晕封闭，电流下降，因而效率也下降。
不同粉尘初始浓度对收尘效率的影响实验，其实验结果如图4所示。其他实验参数为：电场工作电压47kV，有效收尘面积14.5m2，烟气风速为1.73~1.75m/s，大气压力101.3kPa，皮托管系数0.841，平均烟温19℃，入口平均全压-0.21kPa，出口平均全压-0.94kPa。
从图4可知，粉尘初始浓度对收尘效率影响不显著。当粉尘初始浓度小于5g/m3时，收尘效率相对较低，低于95%；当粉尘初始浓度为5g/m3~45g/m3时，收尘效率相对稳定，为95%~98%；当大于45g/m3时收尘效率略有下降。但从图4可以看出，这种下降趋势比较缓和，不同于传统电收尘器一出现电晕封闭，收尘效率骤减的现象。分析原因，HWSCESP系统相当于旋风收尘器与电收尘器的有机结合。特制的收尘极板呈鱼鳞状渐次排列，高浓度粉尘经过时，前排极板旋风收尘机理作用显著，电收尘机理方面出现电晕封闭，所以总收尘效率有所下降；含尘气流到达后排收尘极板时，烟尘浓度已然有所下降，此时电收尘与旋风收尘机理同时作用，所以总收尘效率下降趋势缓和。

4.2电场工作电压对收尘效率的影响
电收尘器工作时，电晕电极附近产生高压电晕电场，致使电晕放电、粒子荷电，粉尘电场作用下做定向移动，从而产生收尘效果。在一定范围内，工作电压越高，收尘效果越好，收尘效率越高；但是工作电压过高，将产生火花放电，进而使收尘效率下降。
实验中，粉尘初始浓度为5g/m3，有效收尘面积为14.5m2，烟气风速为1.75m/s，大气压力101.1kPa，皮托管系数0.841，平均烟温19℃，入口平均全压-0.24kPa，出口平均全压-0.93kPa。电场工作电压对收尘效率的影响实验结果如图5所示。
从图5看出：工作电压对收尘效率的作用显著，在其他条件稳定的情况下，收尘效率随着工作电压的提高而提高。当工作电压由20kV上升至40kV时，收尘效率上升趋势显著；当工作电压由40kV上升至47kV时，收尘效率上升趋势趋缓。
另外，由于设计原因，工作电压只能调至47kV，再试图升高时，系统出现放电现象而使工作电压迅速下降，因而影响了实验效果。

4.3有效收尘面积对收尘效率的影响
其他条件不变，增加收尘极板块数，可使有效收尘面积的增大。
实验中，粉尘初始浓度为5g/m3，有效收尘面积为0~14.5m2，烟气风速为1.73~1.76m/s，大气压力101.5kPa，皮托管系数0.841，平均烟温20℃，入口平均全压-0.25kPa，出口平均全压-0.96kPa。电场工作电压对收尘效率的影响实验结果如图6所示。将有效收尘面积作为变量，考查其对于收尘效率的作用规律，实验结果如图6所示。图6横坐标数据分别是0、1、3、5、6、7、9排收尘极板加电时的有效收尘面积。
图6直观的反应了收尘效率随有效收尘面积变化的规律。从图中看出：工作电压对收尘效率的作用明显，在其他条件稳定的情况下，收尘效率随着有效收尘面积的提高而提高。其中，由0到6排加电，收尘效率上升趋势较为明显，6到9排加电，收尘效率上升趋势较为缓和。
当系统不加电，单纯以旋风机理收尘，收尘效率已经达到70%以上；即使9排全部加电，有效收尘面积仅有14.5m2，也远小于传统电收尘器。而由实验结果可知，在其他参数相同的情况下，其收尘效率并不比传统电收尘器差。这意味着HWSCESP系统可实现收尘设备的小型化。
4.4烟气风速对收尘效率的影响
对于一定型号规格的电收尘器，其收尘效率是指处理风量在一定范围内而言。如果处理风量超过设计范围，收尘效率也就达不到设计要求。处理风量大于电收尘器设计允许的范围时，收尘效率降低的原因主要是由于气流流速增大，减少了粉尘微粒与电离的气体相结合的机会，加大了粉尘微粒被高速气流带走的数量，同时也加大了已沉聚下来的粉尘再度被高速气流扬起带走的数量，即加大了二次扬尘。一般认为，气体流速取0.6~1.3m/s为宜。这是造成电收尘器一次性投资增加的原因。
将烟气风速作为变量，考查其对于收尘效率的作用规律，实验结果如图7所示。其他参数情况为：粉尘初始浓度约5g/m3，工作电压47kV,有效收尘面积为14.5m2, 大气压力101.6kPa，皮托管系数0.841，平均烟温10℃，入口平均全压－0.22kPa,出口平均全压－0.96KPa。
从图7看出：风速对收尘效率影响较大，在其他条件稳定的情况下，收尘效率随着系统风速的提高而降低。当系统风速由0.81m/s提高到1.76m/s时，收尘效率的降低趋势较为缓和，收尘效率由99.54%降为95.1%；当系统风量高于1.8m/s时，收尘效率的降低趋势较为明显。

5结论
（1）把收尘极板从顺气流方向排列改成迎气流方向，此时在边界层内尘粒向集尘极板上运动速度μn是风速μ与驱进速度 的代数和，因而极大提高了尘粒向集尘极运动的速度，从而提高了收尘的效果。
（2）以收尘效率作为收尘指标，以粉尘初始浓度、工作电压、有效收尘面积及系统风速作为影响因素进行单因素分析，初步确定各因素对收尘效率的影响规律，为该项技术的应用提供了一定参考数据。
（3）当烟气处理量为3860m3/h，烟气风速为1.75m/s，粉尘初始浓度为5g/m3，工作电压为47kV，有效收尘面积为14.5m2时，电收尘器收尘效率可达95%以上。
（4）由于采用双C型集尘极板，并按迎风方式排列，能在短时间内以较大的气流速度把尘粒驱赶到集尘极表面加以捕集。因而，成倍减少了EP截面积和长度，体积较常规EP成倍减少，实现了EP小型化。
参考文献
[1] 原永涛,林国鑫,宣伟桥,等.火力发电厂电除尘技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2004
[2] 白希尧,白敏菂,满书玲. 大风速电收尘器的实验研究. 工业安全与防护,1995,(2):1~5
[3] 黄莉群,满书玲,冯霞. 高风速电收尘器的实验研究. 辽宁城乡环境科技,1995,19(2):19~22
[4] 邬长福,周永安.横向极板电收尘器收尘极板的研究.环境工程,1996,14(5):29~34

发布日期：2008-6-14　【返回】