线板极配湿式电除尘器电晕放电及收尘性能试验研究

丁志江，杨志燕，肖立春，张清波，郑美美（燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004）

线板极配湿式电除尘器电晕放电及收尘性能试验研究

丁志江∗，杨志燕，肖立春，张清波，郑美美
（燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004）

摘 要：极配形式作为电除尘器的核心组成部分，对电晕放电有非常重要的影响，并且影响着电除尘器的收尘效率。本文研究了极配形式为RS二刺芒刺线配480C型板时，电场风速和喷嘴压力对湿式电除尘器电晕放电特性的影响，并进行了收尘试验。结果表明：在相同的试验条件下，随着电场风速的增大，伏安特性曲线有向下偏移的趋势，但是起晕电压和火花放电电压变化不大；相同电场风速下，增加湿式电除尘器的喷水量，其伏安特性曲线向上偏移，而其火花放电电压比不喷水时要低很多。以粉煤灰为尘源进行收尘试验，当电场风速为1.0 m/s，喷嘴压力为0.3 MPa时，湿式电除尘器对粉煤灰中微细颗粒物去除效率可达到90%以上。

关键词：湿式电除尘器；伏安特性；极配；起晕电压；火花放电电压

0　引言

目前，国际上总颗粒物控制技术虽然已经达到很高的水平，但对于微细颗粒物的捕集效率却很低，PM 2.5排放量仍然呈上升趋势。PM 2.5由于比表面积较大，容易富集各种重金属等致癌有毒物质，严重危害人们的身体健康［1⁃2］。近年来多地频频出现严重的雾霾天气，引起了社会和人们的强烈关注［3］。这也说明细颗粒物污染已成为我国突出的大气环境问题，是导致大气能见度、雾霾天气、酸雨和气候变化等重大环境问题的重要因素。因此，控制燃烧源细颗粒物排放势在必行。我国燃煤电厂中应用最广泛的是干式电除尘器或干法布袋除尘器，但是干式电除尘器对直径0.1～2 μm尘粒的除尘效率较差［4］。由于清灰技术的改进，湿式电除尘器不存在粉尘收集后的再飞扬问题，而且能提供几倍于干式电除尘器的电晕功率；而且与干法布袋除尘器相比，湿式电除尘器压力损失低，使用温度范围大，能够处理高温烟气，尤其对微细颗粒有很高的除尘效率，可以满足更高的环保要求［5］。为了提高湿式电除尘器对微细颗粒物的收集效率，需要对湿式电除尘器的极配系统进行研究。

试验采用RS二刺芒刺线配480C型板的极配形式，组成单区线⁃板式湿式电除尘器。通过对此种极配形式在不同影响因素下的电晕放电特性进行观察，得出电场风速和喷嘴压力对电晕放电伏安特性的影响规律，最后在给定条件下进行了收尘性能试验，为工业应用提供了指导。

1　试验部分

1.1试验原理

湿式电除尘器的工作原理是：金属放电线在直流高压的作用下，将其周围的气体电离，使粉尘或雾滴表面荷电，荷电粒子在电场力的作用下向收尘极运动，并沉积在收尘极上，水流从除尘器顶部的喷嘴中喷出，在收尘极上形成一层稳定的水膜，将收尘极上的粉尘冲洗到灰斗后随水流排出［6］。

电除尘器捕集粉尘的第一步是使尘粒荷电。若尘粒不能充分荷电，荷电尘粒就不能有效地被收尘极捕集下来，从而不能达到高效收尘。而尘粒的荷电是通过在阴阳极间产生的电晕放电来完成的，因此，电晕性能是影响电除尘器收尘的关键［7］。芒刺线属尖端放电，起晕电压低，能产生强烈的电晕放电，强烈的离子流还能够产生高速电风，促进荷电尘粒向收尘极移动，从而提高除尘效率。

1.2试验装置

本试验以试验室现有电除尘器为平台，湿式电除尘器伏安特性测定装置如图1所示，试验装置主要由直流高压供电系统（2）、喷淋系统（3）、放电收尘系统（6）和风机（7）等组成。电除尘器有效尺寸为：宽度B＝1.25 m，高度H＝1.4 m，电场长度L＝2.5 m；高压供电系统（2）采用GGAJ⁃02系列高压硅整流设备，可在干式和湿式两种状态下工作，额定直流输出电压为80 kV，额定直流输出电流为0.6 A；喷淋系统（3）采用4个高压旋芯雾化喷嘴均匀布置，正常工作时选用喷嘴直径d＝3 mm，工作压力为0.3～0.7 MPa，喷射流量2～5 m3/h，其喷射流量根据压力连续可调。

图1　湿式电除尘器伏安特性测定系统Fig.1　V⁃I characteriatics test system of WESP

2　结果与分析

湿式电除尘器运行过程中的二次电压和二次电流能够反映设备在各种因素影响下的工作状态，电除尘器的电晕电压和电流的关系特性成为伏安特性［8⁃10］，V⁃I特性曲线能形象地显示电流和电压的消长规律。利用V⁃I特性曲线来分析电除尘器的运行状况，可以找到影响电场工作效率或常见故障的因素，为更好地使用和维护电除尘器提供参考依据。

2.1喷嘴口径、压力与流量的关系

选用相同联接尺寸，直径分别为d＝3 mm和d＝5 mm的两种嘴嘴进行试验，测得喷嘴口径、压力和耗水量之间的关系如图2所示。从图中可以看出，对于两种不同口径的喷嘴，其耗水量都是随着喷嘴压力的增大而增大，喷嘴压力刚开始增大时，喷嘴耗水量的增长速率比较快，随着喷嘴压力的进一步增大，耗水量的增长速率减慢。在喷嘴压力相同的情况下，喷嘴口径越大，其耗水量也越大。这是因为孔径越小，液体的通过性就越差，其流量也必然受到一定限制，当气体压力一定时，小口径喷嘴喷出单位液体就可以得到更多的雾化能量，雾滴粒径自然也会减小。

图2　喷嘴耗水量和压力的关系Fig.2　Relationship between water consumption and nozzle pressure

2.2伏安特性曲线的测定

本文伏安特性测定是以空气为介质，环境温度为23～29℃，大气压为100 kPa左右，相对湿度为75%～96%的条件下进行的。

2.2.1负载对伏安特性曲线的影响

在不加粉尘和入口粉尘浓度为150 mg/m3时进行空载和负载试验，其伏安特性曲线如图3所示，有负载时的火花放电电压比空载时的低，同时电晕电流也减小。这是因为当含尘气体通过收尘电场时，负离子与烟气中的尘粒碰撞，并附着在尘粒上，使尘粒荷电。在电场力作用下，负离子和荷负电的尘粒向收尘极运动而形成电晕电流。由于荷电尘粒的迁移速率比负离子的小得多，负载时负离子和荷电尘粒的综合有效迁移速率比空载时的负离子迁移率小，导致负载时的电晕电流比空载时小。

图3　空载和负载时的伏安特性曲线Fig.3　V⁃I characteristic curve on load and no⁃load

2.2.2电场风速对伏安特性曲线的影响

如图4（a）所示，不喷水时，不同电场风速下的起晕电压均在18 kV左右，之后随着电压的增大，电晕电流也随之增大，但是增大幅度受电场风速变化很小，这说明不喷水时电场风速对伏安特性曲线的影响不大。从图4（b）中可以看出：喷水状态下，随着电场风速的增大，在低电压下不同电场风速的伏安特曲线基本重合，之后增大电压，曲线逐渐分离开来，且随着风速的增大，曲线逐渐向上偏移。这是因为当施加在放电极和收尘极之间的电压较小时，气体电离产生的自由电子和离子的数量很少，气体的阻抗很大，随着电压的升高，气体在更多的高能电子轰击下通过电子雪崩产生更多的自由电子和离子，使气体的导电能力增强，电流增大。而且当电场有水雾存在时，随着电场风速的增大，电场中就充满了细小的液滴或水分子，可吸附大量的离子并向收尘极移动，形成很大的电流。所以，在喷水状态下，随着电场风速的增大，电晕电流增大，曲线向上偏移。

2.2.3喷水量对起晕电压和火花放电电压的影响

从图5可以看出，随着喷水量的增大，喷嘴压力从0.2 MPa增大到0.4 MPa时，起晕电压略微降低，继续增大喷水量，起晕电压基本稳定，说明起晕电压并不是随着喷水量的增大而一直降低，当喷嘴压力达到一定值后，再继续增大喷嘴压力，只是喷水量增加了，而对起晕电压不会起到有利作用。火花放电电压随着喷水量的增大是先增大后减小。

图4　电场风速对伏安特性曲线的影响Fig.4　V⁃I characteristic curve affected by gas velocity

图5　喷水量与起晕电压和火花放电电压的关系Fig.5　Relationship between spraying water and corona onset voltage and spark voltage

火花放电电压与起晕电压之差为有效运行电压，有效运行电压越大，除尘器工作区间越大，其运行就越稳定。工作电压对湿式电除尘器的收尘效率影响很大，电场风速一定时，湿式电除尘器的收尘效率随着工作电压的增大而增加。提高工作电压可以提高电场强度，电场强度较高时，除尘器空间就会有足够多的负离子，当尘粒进入电场时就可以在很短的时间内充分荷电，荷电越多其向收尘极移动的速度越快，除尘效率就越高。所以从图中可以得出，当喷嘴压力在0.3～0.4 MPa范围时，电除尘器运行比较稳定。

2.2.4喷嘴压力对伏安特性曲线的影响

在通入空气的状态下，改变喷嘴压力，得到湿式电除尘器的伏安特性曲线如图6所示。从图中可以看出，当喷嘴压力从0.25 MPa增大到0.3 MPa时，伏安特性曲线基本一致，当喷嘴压力增大到0.5 MPa时，伏安特性曲线开始下移，即在相同的电压下，电流减小，这就说明喷嘴压力存在一个最佳值，此时电除尘器的放电性能最好。其原因是喷嘴喷出的雾滴粒径大小受喷嘴压力的影响变化，喷嘴压力越大，雾滴粒径分布越均匀，雾化效果越好，湿式电除尘器的放电性能也相应提高。但当水压增大到0.4 MPa以后雾滴粒径几乎不再减小，这也说明此时喷嘴已经达到了良好的雾化效果，也考虑到喷淋系统受水泵扬程的限制，所以喷嘴的合适压力应选0.3～0.4 MPa。

图6　喷嘴压力对伏安特性曲线的影响Fig.6　V⁃I characteristic curve affected by nozzle pressure

2.3湿式电除尘器除尘效率的测定

本试验除尘效率是在电场风速为1.0 m/s，喷嘴压力为0.3 MPa的条件下测定的。试验所用粉尘为某厂粉尘样品，粉尘粒径非常细，经激光粒度分布仪测定，粒径小于2.5 μm的微细颗粒占97%左右。在入口粉尘浓度为150 mg/m3，工作电压为50 kV时，测得干法、湿法电除尘器的除尘效率如表1所示。

表1　相同工作电压下的除尘效率Tab.1　Collection efficiency under the same operating voltage

从表1中可以看出，相同条件下，湿式电除尘效率要高于干式电除尘。湿式电除尘器出口采样滤筒中几乎看不到有尘，且更换极线时，极线表面较干净，说明雾滴对极线的清洗效果非常好，这样极线就可以时刻保持良好的放电状态，从而使除尘效率得到提高。这是因为湿式电除尘器不需要振打清灰，喷水还可以对烟气起到调质作用，不会出现二次扬尘现象，而且湿法喷淋的雾滴荷电后其静电力增强，与带电雾滴结合后的颗粒，其粘滞力、静电力等也增强，在电场力的作用下向收尘极移动，更易于与其他颗粒发生团聚而使粒径增大，从而对烟气中的粉尘颗粒实现了静电凝并和动力凝并，颗粒更易于脱除，所以湿式电除尘效率高。

3　结论

通过选取工业常用的480C型板配RS芒刺电晕线的极配形式，并在不同的试验条件下，对湿式电除尘器的电晕放电特性进行了研究，最后进行了收尘试验，得到以下结论：

1）喷水量对湿式电除尘器电晕放电特性的影响较大，而电场风速对湿式电除尘器的电晕放电特性影响不大。

2）随着喷水量的增大，伏安特性曲线逐渐向上偏移，有变陡的趋势。起晕电压受喷水量的影响变化较小，火花放电电压随着喷水量的增大先增大后减小。

3）当电场风速为1.0 m/s，相同收尘面积的湿式电除尘器的收尘效率比干式电除尘器的高出4%左右。

参考文献

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Experimental research on performance of corona discharge and dust remove of wire⁃plate wet electrostatic precipitator

DING Zhi⁃jiang，YANG Zhi⁃yan，XIAO Li⁃chun，ZHAN Qing⁃bo，ZHENG Mei⁃mei
（School of Enviromental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

Abstract：The electrode matching of electrostatic precipitator（ESP）has great influence on the corona discharge and the collection efficiency.The corona discharge of wet electrostatic precipitator（WESP）is influenced by gas velocity and nozzle pressure under the condition of polar matching between RS tubular barbed wire with 480C plate，what′s more，the collection efficiency of WESP has been tested.Results show that the V⁃I curve tends downward with the wind speed in electric field increasing under the same circum⁃stance，but the wind speed in electric field has little effect on onset corona voltage and spark voltage；at the same wind speed，the V⁃I curve tends upward with the spraying water adding，however the spark discharge voltage decreases greatly，compared with no spra⁃ying water.Using fly ash as the dust source，the collection efficiency of fine particles in fly ash by WESP can be over 90%，while wind speed is 1.0 m/s，the nozzle pressure is 0.3 MPa.

Key words：wet electrostatic precipitator；voltage⁃current characteristics；electrode matching；onset corona voltage；spark discharge voltage

作者简介：∗丁志江（1957⁃），男，黑龙江佳木斯人，教授，主要研究方向为大气污染控制工程，Email：dlyxyj＠163.com。

基金项目：河北省重大技术创新项目（10273920z）

收稿日期：2014⁃12⁃01

文章编号：1007⁃791X（2015）02⁃0177⁃05

DOI：10.3969/j.issn.1007⁃791X.2015.02.013

文献标识码：A

中图分类号：X513