冲洗水流量对湿式膜电除尘器除尘效率的影响①

黄 超 佟 馨 杨振民 裴艺凯 尚业雯

（河北工业大学 天津 300400）

我国是燃煤大国，煤炭长期占据能源结构的主导地位，其使用量为一次能源总量的70%[1]。通过对北京大气环境中细颗粒物（PM2.5）的研究发现，燃烧产生的PM2.5 为北京PM2.5 总排放量的1/4[2]。因此，控制燃煤锅炉PM2.5 十分重要，而湿式膜电除尘器是去除PM2.5 的有效方法之一。

国内学者胡满银等人通过建立湿式脱硫装置烟气带水的数学模型，得出该工艺烟气带水量的计算公式[3]。张雪峰等[4]经研究发现烟气湿度的提高将导致电晕电流的降低，颗粒粒径小与数目浓度高是导致电晕电流下降的重要原因，采用增大颗粒粒径，减少颗粒数目浓度的方法有利于减小电晕封闭的影响。水汽相变作用对提高湿式电除尘器性能有促进作用，雒飞等[5]通过实验发现进口烟气相对湿度由80%增至过饱和状态，水汽相变作用能提升PM2.5 数量脱除效率至90%以上。国外学者Fouad 等[6]经试验发现电晕起始电压随空气相对湿度的增加而增大，达到一定极限后，电晕起始电压开始随空气相对湿度的增加而减小。德国的Bologa 等[7]采用蒸汽相变团聚结合静电除尘技术对颗粒物进行了脱除研究，发现脱除效率可达90%～95%。

本文选取了12K 的碳纤维布与刻槽PVC 板2种收尘极，碳纤维为微晶石墨材料，具有良好导电性，电除尘器内的电场在靠近碳纤维处很高，并且除收尘极外，还可以作为放电极—碳纤维复合材料层合板，是一种复合放电电极，在聚合物基体中包裹金属网，该放电极表现出更高的颗粒收集效率，优于金属电极，PVC 材料为热塑性树脂，导电性差。碳纤维为编织物，亲水性高，PVC 光板的亲水性低，本文对PVC 光板刻槽进行研究，发现刻槽深度、刻槽间距对提高PVC 板的表面亲水性有较好的作用，即表面的润湿性提高，通过试验后发现不会出现汗斑现象，本试验选择槽深与槽间距均为6 mm的PVC 板进行研究。

1 实验系统

1.1 实验系统的建立

本实验搭建了湿式膜电除尘器的实验系统，见图1。实验系统由给粉、除尘及通风系统组成，其中给粉由给粉机供给。除尘器主体包括放电极、收尘极、布水系统、高压供电系统与除尘器箱体等，收尘极采用碳纤维布与刻槽PVC 板，通风系统包括风机与管道，并对该系统进行良好的密封。

测量湿度是在进气烟道距箱体20 cm 处布点，记录烟气的进口相对湿度（湿度）；在排气烟道距箱体35 cm 处布点，记录烟气的出口相对湿度。除尘效率利用烟气采样器进行测量，记录电流与电压值。

图1 湿式膜电除尘器实验系统

1.2 实验内容

本实验选取2 种收尘极—碳纤维布与刻槽PVC板，实验条件为风速0.8 m/s，给粉量23 g/min，温度为室温23 ℃，电源电压选取30、35、40、45、50、55 kV，冲 洗 水 流 量 选 取300、400、500、600、700 L/h，12K 碳纤维布的烟气湿度分别为35%、40%、45%、50%、55%，刻槽PVC 板的烟气湿度分别为75%、77%、79%、81%、83%。研究内容：在自然条件（无风速场）下，测量碳纤维布与刻槽PVC 板收尘极在不同冲洗水流量下放电特性与湿度分布，研究了冲洗水流量与除尘效率的相互作用关系及采用2种收尘极对除尘效率的影响。

2 结果与分析

2.1 电晕放电电流的测定

2.1.1自然条件下不同流量2种收尘极的放电特性

据图2 分析，碳纤维布随着电压的升高，电晕电流升高；随着流量的增大，电晕电流呈现先升高再降低又升高的波动规律。在流量从300～400 L/h时，电晕电流上升，且在400 L/h 达到最高值。电晕电流的大小对静电除尘器内部的电场强弱有影响；从500 ～600 L/h，电晕电流呈下降的趋势，并且在放电电压为40 ～55 kV 时，电晕电流一致；但在600 L/h 达到最低值后又开始升高。原因是随流量增大放电极表面形成的液膜对金属放电极本身的晶体结构并不产生影响，但会引起放电极表面电场分布发生变化，对电子从放电极表面逸出过程作用更明显，并且碳纤维布具有导电性，所以随流量的增大，整体呈现波动上升的趋势。由图3 可知，当收尘极为刻槽PVC 板时，随着放电电压的升高，电晕电流波动上升；随着流量的增大，电晕电流上升。

图2 流量对碳纤维电晕电流的影响

图3 流量对PVC 电晕电流的影响

2.1.2不同流量下2种收尘极的放电特性

如图4 所示，在放电电压一定的条件下，收尘极选用碳纤维布时电晕放电电流随烟道湿度的增大而增大。原因是负极性水分子在放电极表面电场的作用下吸附于电晕线表面，引起直流静电场中电子逸出功的减小，同一电压下较多的电子从电晕线表面被激发，导致电晕电流上升。据图5 可知，刻槽PVC 板为湿式膜电除尘器收尘极时，电晕放电电流随烟气湿度增大而增大，与碳纤维布的规律相同；但是当电晕放电电流为0.7 mA 时，烟道气体湿度随流量的增大而减小，在600 L/h 的流量下，烟气湿度达最低值76.3%。

图4 碳纤维烟气湿度对电晕电流的影响

图5 PVC 烟气湿度对电晕电流的影响

如图6、图7 所示，碳纤维布与刻槽PVC 板呈现的规律不同。选用碳纤维布时，随着流量增大出口湿度为开口向上的二次曲线，在400 L/h 与500 L/h的流量下，出口湿度最低，达到出口最低值；选用刻槽PVC 板时，随着流量增多，出口湿度均在69%～84%，有小幅波动。

图6 碳纤维出口湿度对电晕电流的影响

图7 PVC 烟气湿度对电晕电流的影响

2.2 除尘效率的测定

如图8、图9 所示，对于碳纤维布，随着放电电压的升高，除尘效率增大；流量增多至700 L/h，除尘效率最低；对刻槽P V C 板，在流量为5 0 0 L/h 与700 L/h 时除尘效率偏低。在不同流量下碳纤维布收尘极随着电压的升高，除尘效率逐步提升；在不同流量下刻槽PVC 板收尘极随着电压的升高，除尘效率也逐步提升但小于碳纤维布。原因是在相同温度下，随着湿度的增大，击穿电压升高，使静电除尘器能在较高的电压下运行，火花放电现象较难出现，除尘器除尘效率提高。

如图10 所示，碳纤维布的除尘效率随烟气湿度的增大而增大，原因是水分子中的氧原子会吸附在放电极表面，液膜/金属放电极界面处存在相互作用，液膜水分子中的电子将从液膜向界面处移动，水分子层内电子迁移减小了水分子固有的偶极矩，有利于粉尘吸附与去除。在湿度为55%、流量为600 L/h 时达到最高值，除尘效率为97.3%。在湿度为35%～50%时，流量为300 ～600 L/h 时，除尘效率整体变化幅度不大，除尘效率为94.5%～97.5%；但在流量为600 ～700 L/h 时，除尘效率急速下降。在图11 中，刻槽PVC 板随着湿度的增大，除尘效率呈下降的趋势；在同一湿度下，除尘效率随流量的增多，呈现波动增大。原因是PVC 板经刻槽处理，亲水性增大，同时湿式膜电除尘器箱体内部的水分子运动加剧，散逸的水分子增多，湿度增大，不利于除尘。

图8 流量对碳纤维除尘效率的影响

图9 流量对PVC 除尘效率的影响

图10 碳纤维不同烟气湿度下的除尘效率

图11 PVC 不同烟气湿度下的除尘效率

3 结论

本文建立了湿式膜电除尘器除尘系统，选用12K 碳纤维布与刻槽深度及间距均为6 mm 的PVC板作为收尘极，研究了在不同冲洗水流量条件下电晕放电电流及除尘效率的变化特性，得出以下结论。

（1）自然条件下，碳纤维布随着电压的升高，电晕电流升高；随着流量的升高，电晕电流呈现先增大再减小又增大的波动规律。刻槽PVC 板的电晕电流随电压与流量的增大而增大。

（2）碳纤维布的电晕放电电流随烟道湿度的增大而增大。刻槽PVC 板当电晕放电电流为0.7 mA 时，烟道气体湿度随流量的增大而减小，在600 L/h 的流量下，烟气湿度达最低值76.3%。随着流量增多，碳纤维布出口湿度为开口向上的二次曲线，在400 L/h 与500 L/h 的流量下，出口湿度最低。刻槽PVC 板出口湿度均在69%～84%，有小幅波动。

（3）在常温环境下水蒸气增多有助于提高湿式静电除尘器的除尘效率，通常施加的电压越高，流量越大，除尘效率越高。

（4）碳纤维布除尘效率随流量的增大而增大，在烟气湿度为55%、流量为600 L/h 时达到最高值97.3%；PVC板当烟气湿度为75%，流量为700 L/h时，除尘效率达到最高98.6%，碳纤维布与PVC 板达到最高除尘效率时，流量均为较大流量。