烟道荷电凝并电场对电捕集微细粉尘效率的影响

白敏菂,王少雷,陈志刚,毛首蕾 (.大连海事大学环境工程研究所,辽宁 大连 606；.江苏大学环境学院,江苏 镇江 000)

烟道荷电凝并电场对电捕集微细粉尘效率的影响

白敏菂1*,王少雷1,2,陈志刚2,毛首蕾1(1.大连海事大学环境工程研究所,辽宁 大连 116026；2.江苏大学环境学院,江苏 镇江 212000)

针对目前电除尘技术存在亚微米(0.01～1μm)粉尘捕集难的问题,进行了微细粉尘的交变电场荷电凝并及对电除尘效率影响实验研究.结果表明,随着气体粒子动量、电场强度的增加,离子浓度也在增加,最大离子浓度为1.97×109/cm3;在电离电场强度峰峰值为1.75 kV/cm,频率为100Hz的交变电场里,中位径为0.2μm硅粉中的粒径＜2μm的质量为71%,凝并后降至53%,粒径为5～10μm的硅粉质量增加了162%;中位径为0.2μm硅粉质量除尘效率提高了27.6%,除尘效率提高了近1倍;粉尘浓度对电凝并后的除尘效率影响有限.高流场中微细粉尘的交变电场荷电凝并技术为电捕集亚微米粉尘的有效途径.

高流场；亚微米粉尘；交变电场；凝并

在工业生产过程中产生的粒数众多的亚微米(0.01～1μm)分子的漂浮簇微粒粉尘,影响人的健康[1].目前,电凝并去除亚微米粉尘的研究较多[2-10].但目前电凝并去除粉尘存在问题是:电离电场中的气体粒子动量低,相应电晕放电生成的离子浓度很低,降低了粉尘荷电几率;现有电除尘器粉尘荷电凝并电场多是直流静电场,粉尘与离子碰撞荷电凝并几率也相应降低.目前电除尘的荷电凝并电场实质上是电除尘器稍加改变的延伸,相当于增加 1个电除尘器,同时增加了能耗,没有从源头上解决电除尘技术存在的问题[11].

近年来粒子动量对离子输运性、离子浓度影响的研究取得了进展,气体粒子平均动量为131×10-22g⋅m/s时,则离子输送特性达到 8×1010/ (cm3⋅s)[12-13],离子浓度达到 1.1×1010/cm3[14-15].这些研究进展提示有可能在不增加电除尘器室数(有效集尘面积),不改变原运行方式和参数条件下,利用烟道中气体粒子动量大的有利条件,在烟道中产生高浓度离子,可使微细粉尘在烟道高流场中的交变电场中与高浓度离子碰撞荷电凝并成电除尘电场可捕捉的大粒径粉体,有望解决目前电除尘器捕集亚微米粉尘效率低的问题.

为此,作者采用成数量级提高离子浓度方法及适于微细粉尘荷电凝并的电场,以便解决目前粉尘荷电凝并存在的问题.

1 材料与方法

1.1 实验装置与方法

实验系统如图1所示,采用ABBDrlves调频器控制 WW-3.0/10-Ⅱ型引风机的气体流量;采用KA-22型热式风速计检测荷电凝并装置和电除尘器及管道中风速,采用KH-21型温湿度测试仪测试实验系统的温湿度;实验粉体为0.2μm中位径的硅粉;并采用 MOOEL-3886型粒子激光计数器测量不同粒径粉尘的粒子个数;采用FNF-MPL型粉尘浓度测试仪检测不同粒径粉体的质量浓度.凝并装置的接地极和高压极均为90mm×100mm×1mm的不锈钢板,3块接地极,2块接高压极,相邻的高压极与接地极之间的距离为 25mm;交变高压电源,施加凝并电离电场强度峰值为 1.75kV/cm,电源频率为 100Hz.荷电凝并后的粉尘在电收尘器中加以捕集,集尘极、电晕极采用不锈钢板制成的.电晕极为2mm×2mm的矩型电晕线,集尘极为300mm× 300mm方型平板,电除尘器为一室一场,有 7个通道,同极距为40mm,有效截面积为 300mm× 300mm,长为400mm,采用 GDB—50kV/20mA型直流高压电源供电.

图1 粉尘荷电凝并实验系统示意Fig.1 Schematic of the experiment setup

实验粉体经WY-1型微细粉尘自动给料机定量投加到气道中,粉尘浓度控制在2.44mg/Nm3.离子源中的电离放电电场强度为7.5kV/cm,形成负离子浓度为1.97×109/cm3,并用DLY-3大型大气离子测试仪检控.粉尘在荷电凝并装置中与离子碰撞荷电凝并.粉尘经荷电凝并增粗后进入电除尘器中加以捕集.并采用快速粉尘浓度测试仪或激光计数器对不同粒径的质量浓度或尘粒数浓度进行检测,以此评价粉尘凝并效果及其粒径粉尘的电除尘效率.

1.2 分析方法

采用i粒径粉尘质量占有率(δim)、i粒径粉尘凝并前后的质量占有率的变化率(χim)及 i粒径粉尘质量除尘效率增加值(dim)来评价交变电场凝并效果:

式中:Ci、CΣ分别为i粒径的粉尘质量浓度、全粒径的粉尘质量浓度;δiom、δifm分别为i粒径粉尘凝并前后的质量占有率;ηiom、ηifm分别为i粒径粉尘凝并前后质量除尘效率.

2 结果与讨论

2.1 电场强度下气体粒子动量对离子浓度影响

图2 粒子动量对离子浓度的影响Fig.2 Effect of particle momentum on ion density

由图2可见,随着气体粒子动量、电场强度的增加,离子浓度也在增加.当粒子动量从0.20×10-22g·m/s增加到9.82×10-22g·m/s时,电场强度为 8.5,9.5,10.5kV/cm 的离子浓度分别由4.66×106,1.18×107,4.88×107/cm3增加到3.01×107, 3.99×108,7.57×108/cm3,升高了 1到 2个数量级.这是由于粒子动量增加降低了离子复合的几率,更多的离子被输运离开电场.从电场强度的变化可见,由于电场强度增加,离子产生率相应地增大.气体动量的增加大大地降低了离子复合机率,大幅度增加了离子输运性,从而提高了离子浓度.

2.2 中位径为0.2μm硅粉的交变电场荷电凝并实验

图3 中位径为0.2μm硅粉凝并前后的不同粒径质量占有率分布Fig.3 Mass percent of different dust particle diameter before and after coagulation for median-particlesize of 0.2μm silicon powder

由图3可见,中位径为0.2μm硅粉的交变电场凝并实验中,凝并前粒径＜2μm硅粉为质量百分比为71%,而＞2μm的硅粉仅为29%,其中粒径在2～5μm、5～10μm、＞10μm硅粉分别为11%、8%、10%.经高流场中的交变电场荷电凝并后,＜2μm硅粉降至 53%,降低了 18%;粒径为2～5μm硅粉增至14%;粒径为5～10μm硅粉增加到21%,增加了162%;＞10μm硅粉增至12%,增加了 20%.由此可见,交变电场利于将粒径＜2μm的微细粉尘凝并成粒径为 5～10μm的大颗粒粉尘,此粒径范围是在电除尘器有效捕集粉尘粒径范围之内,利于电除尘器捕集.

2.3 微细粉尘荷电凝并对电除尘效率影响

表1 中位径为0.2μm硅粉荷电凝并前后除尘效率对比Table 1 Capturing efficiency before and after coagulation for median-particle-size of 0.2μm silicon powder

交变电场微细粉尘荷电凝并除尘效果影响的实验是在除尘静电场强度为1.75kV/cm、风速为 2.38m/s条件下进行的,实验粉体是用中位径为0.2μm硅粉,其浓度控制在2.44mg/m3.为了便于验证电凝并对电除尘效率影响程度,采用单室单场电除尘器,其风速、静电场强度分别高于、低于电除尘器的运行参数,便于把除尘效率控制在中间值,利于评价微细粉尘荷电凝并对电除尘效率增加值.由表1可见,电除尘技术捕集微细粉尘效率较低.经交变电场荷电凝并后的中粒径为0.2μm的硅粉,其中粒径＜2μm的粉尘从71%减至53%,降低了18%;其质量除尘效率却由28.2%升至 55.8%,增加了 27.6%.凝并后的质量除尘效率增加0.98,除尘效率提高了近1倍.可见,交变电场荷电凝并对电除尘器捕集微细粉尘的作用十分显著.在高流场中的粉尘经交变电场荷电凝并提高了微细粉尘的除尘效率,将有助于解决当前电除尘器捕集微细粉尘存在的难题.

2.4 粉尘浓度对电凝并除尘效率影响实验

由表2可见,实验粉体为中位径0.2μm硅粉.当粉尘浓度从2.44mg/Nm3增加到8.59mg/Nm3时,粉尘质量浓度增加了2.52倍,而交变电场凝并后质量除尘效率增加了 24.1%～27.6%,由于粉尘浓度增加致使凝并后除尘效率降低了 5%,除尘效率增加值降低了0.13倍.可见粉尘浓度对电凝并后的除尘效率影响有限,如果改善粉尘荷电、凝并条件有望消除粉尘浓度对电凝并后除尘效率的影响.

表2 中位径为0.2μm硅粉浓度对凝并后质量除尘效率的影响Table 2 Effect of particle density on mass capturing efficiencybefore and after coagulation for medianparticle-size of 0.2μm silicon powder

当气体粒子动量为9.82×10-22g·m/s时,荷电凝并装置中离子浓度达到 1.97×109/cm3,比现有电除尘器的荷电凝并技术高2～3个数量级,利用烟道中的中性气体粒子所具有高动量的特点,将解决微细粉尘荷电所需要丰富大量离子的问题.

本实验结果启示可在电除尘器入口烟道中设置等离子体产生装置和荷电凝并装置,可在烟道中完成微细粉尘荷电凝并成大粒径粉尘的物理过程,其荷电凝并效果高于目前电除尘器荷电凝并效果,同时又省去相当于一个电除尘器电场(室)的荷电凝并系统,为解决现有电除尘器捕集微细粉尘效率低的难题提供新方法,将实现不增加电除尘器室数,不改变原有运行方式和参数条件下解决现有电除尘器捕集微细粉尘的问题,为现有电除尘器改造提供技术上支持,也将为电除尘器设计提供新思路、新方法.

3 结论

3.1 本实验的离子产生装置(源)放置在烟道中,烟道中的中性气体粒子所具有动量足以驱动离子脱离电场束缚并沿风向漂移.高流场(20m/s)中的交变电场荷电凝并最佳条件是:交变电场强度峰峰值为1.75kV/cm、频率为100Hz和离子浓度在1.97×109/cm3以上.

3.2 当交变电场频率为100～150Hz,电离电场强度峰峰值1.75 kV/cm时,微细粉尘在交变电场中与离子碰撞荷电凝并成大粒径粉尘,实验结果表明,中位径为 0.2μm硅粉中的粒径＜2μm的质量百分含量为 71%,凝并后降至 53%;而粒径为5～10μm硅粉质量百分含量增加了162%;此时质量除尘效率相应提高了27.6%.

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Effect of submicron dust charging and coagulation in the flue on the efficiency of ESP.

BAI Min-di1*, WANG Shao-lei1,2, CHEN Zhi-gang2, MAO Shou-lei1(1.Environmental Engineering Institute, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China；2.Environmental Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：738～741

The collection efficiency of submicron dust (0.01～1μm) by using ESP is low at present. The effect of submicron dust charging and coagulation in alternating electric field on collection efficiency was investigated. The ion density increased with the increasing of particle momentum and electric field strength. The most high value was 1.97×109/cm3. When the alternating electric field strength of 1.75 kV/cm, the frequency of 100Hz, for median-particle-size of 0.2μm silicon powder, the mass percent of particles of ＜0.2μm decreased from 71% to 53%, while the mass changing rate of the particles of 5～10μm increased by 1.62 times. The removal efficiency of silicon powder median-particle-size of 0.2μm increased by 27.6%. The collection efficiency increased by one time. Dust density was in a limited impact on the collection efficiency. The charging and coagulation in alternating electric field would be an effective method to collection submicron dust in high velocity flow field.

high flow；submicron-particles；alternating electric field；coagulation

2009-11-20

国家自然科学基金资助项目(50778028);国家“863”项目(2008AA06Z317)

* 责任作者, 副研究员, lengbaiyu9@163.com

X701.2

A

1000-6923(2010)06-0738-04

白敏菂(1968-),女,辽宁鞍山人,副研究员,主要从事气体放电和环境工程方面的研究.发表论文50余篇.