高压静电除尘及伏安特性实验研究

翁 棣，许冬冬，张煜耀，石凌栋，胡兆冬

高压静电除尘及伏安特性实验研究

翁 棣，许冬冬，张煜耀，石凌栋，胡兆冬

（浙江大学 国家级环境与资源实验教学示范中心，浙江 杭州 310058）

研究了高压静电电压对除尘效率的影响。无论是在变化板间距还是变化板间电压的情况下，静电除尘器的除尘效率都能够达到90%以上；当最大板间距、电压为32 kV时出现最大捕集效率为99.66%。静电除尘器在空载和负载时的伏安特性曲线趋势基本一致，均在9 kV左右开始出现电流陡增，随着电流迅速增大，二者均在20 kV左右开始出现闪络。

静电除尘；捕集率；驱进速度；伏安特性曲线

随着国家相关方面标准的不断提高，提高除尘效率是迫在眉睫的大事，而静电除尘可以对细颗粒物有很好的捕集去除效率，因此受到了广泛的关注[1-4]。

电除尘器的工作原理包括电晕放电、气体电离、粒子荷电、荷电粒子的迁移和捕集，以及清灰等过程[5-7]。

1 电除尘器的主要性能指标

1.1 伏安特性曲线

空载伏安特性曲线是衡量电除尘器制造、安装质量的依据。当曲线的闪络击穿点越接近设定的电压、电流值时，该电除尘器质量越好，所以空载伏安特性曲线是为了获得最佳工况条件。闪络指的是固体绝缘子周围的气体或液体电介质被击穿时，沿固体绝缘子表面的放电现象，放电时的电压称为闪络电压。发生闪络后，电极间的电压迅速下降到零或接近于零。闪络通道中的火花或电弧使绝缘表面局部过热造成炭化，损坏表面绝缘。沿绝缘体表面的放电叫闪络，而沿绝缘体内部的放电则称为是击穿。空载伏安特性曲线应在除尘器投运前试验，应保存首次试验的曲线，便于与以后运行中停炉时再试验的伏安曲线进行比较，判断除尘器内部结构是否变形，出现异常，以便操作、检修人员能及时发现故障，排除故障。

送入工况含尘气体测得电压与电流的关系曲线称为负载伏安特性曲线，主要受电极几何形状、电极配置形式与参数、气体成分、含尘浓度、操作温度和压力、粉尘性质等因素的影响。负载伏安特性曲线是反映除尘器运行后特征的依据。应保存第1次投运后的伏安曲线，便于与运行中因工况变化，或除尘器内部结构变化的伏安曲线进行比较，作为分析诊断故障的依据，指导操作、检修人员排除故障[8-9]。

1.2 荷电粒子的驱进速度

电除尘器中的荷电粒子在静电力和空气阻力支配下所达到的终末电力沉降速度即为粒子的驱进速度，计算式子为

驱进速度的方向与电场力方向一致，即垂直指向集尘电极表面。

1.3 除尘效率

静电除尘器的捕集效率与粒子性质、电场强度、气流速度、气体性质及除尘器结构等因素有关。一般采用如下两种方法进行计算：

（1）定义法求解。常用方法有质量法和浓度法，本实验采用浓度法。用等速采样法同时测出除尘器进口和出口管道中气流含尘浓度i和o，则除尘效率为

式（2）中：i为除尘器进口流量，m3/h；Qo为除尘器出口流量，m3/h。

本实验中用采样烟尘采样枪进行采样，用滤筒进行收集烟尘。

（2）Deutsch公式计算法。Deutsch进行了如下的假设：①电除尘器中含尘气流为湍流状态，在垂直于集尘极表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布 均匀；②粉尘粒子进入电除尘器后就认为完全荷电；③忽略电风、气流分布不均匀及被捕集粒子重新进入气流等影响。于是推出如下式子[5-7,10-11]：

2 实验设备和装置

2.1 实验目标污染物

杭州电厂的粉煤灰从发电厂静电除尘器的灰斗中收集，过100目筛（孔径为15 mm），即粒子直径 ≤15 mm；有效驱进速度经验值为10~14 cm/s；粉尘比电阻为7.3×1010~10.0×1010Ω·cm，适合于后续采用普通干式除尘器处理。

粉煤灰比电阻值由DR-3型高压粉尘比电阻试验台（华北电力大学）分析测量，符合普通的干式电除尘器处理。

2.2 实验设备

设备有静电除尘器、静电除尘高压电源、高压电源控制柜、风机、WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘油烟采集仪、玻纤滤筒、精密天平、一次性手套等。除尘器高压直流电源型号为GGAj02(RH2008B)型–0.02A/72 kV，参数见表1。除尘器（由浙江大学闫克平教授研发）的性能参数见表2。

表1 电除尘器高压直流电源参数

表2 电除尘器技术性能参数

2.3 实验装置流程图

实验装置流程图见图1。

图1 静电除尘装置流程图

3 实验方法

3.1 实验前准备

（1）对实验装置以及仪器进行观察，了解整个装置的流程。

（2）开启电除尘器高压直流电源，检查各仪表的示数是否归零，“负相/正相”档是否指向负相挡，实验装置中是否为负相接触方式，控制电源档是否置于“OFF”档。

（3）在断电条件下，进行一次接地放电操作，打开静电除尘器的顶盖，对内部进行清灰，后调节集尘极的极间距为最小极间距，合上顶盖并固定；向进灰装置中倒入适量的电厂粉尘，关闭进灰口。

3.2 空载情况下的伏安特性曲线的测定

启动高压供电设备，旋转控制电源档置于“ON”档，后在电除尘器高压电源智能控制器上按“运行”键，此时开始高压供电；用录像设备录下电除尘器高压电源智能控制器上液晶显示屏的数值变化，主要是二次电压2和二次电流2的数值；待二次电压数值升至最高值、无法进一步上升时，同时出现闪络现象，此时按电除尘器高压电源智能控制器上“停机”键，停止高压供电；并对设备进行放电处理。

3.3 负载情况下的伏安特性曲线的测定

开启起灰风机，设定频率10.00 Hz，然后开启主风机，设定频率为50.00 Hz。搅拌器的Power设置为50%，确保处于安全位置后，启动高压供电设备；然后按照空载测量步骤测定负载情况下的伏安特性曲线；待电除尘器高压电源智能控制器上的液晶显示屏上显示的电压值达到0时，依次“STOP”起灰风机和主风机，对设备进行接地放电处理。

3.4 静电除尘器除尘效率的测定

（1）开启两台WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘（气）油烟采样器进行预热，测定烟道截面积的参数，并将实验工况设定好（烟气温度与湿度均采用实验室的室内温度和湿度）；开启电除尘器高压直流电源，检查各仪表的示数是否归零，“负相/正相”档是否指向负相挡，实验装置中是否为负相接触方式，控制电源档是否置于“OFF”档；在断电条件下（确保安全，进行一次接地放电操作），打开静电除尘器的顶盖，对内部进行清灰，后调节集尘极的极间距为最小极间距，后合上顶盖并固定。

（2）在最小极间距情况下，开启皮托管，并进行校正和参数设定；在做好设备防漏处理的情况下，开启主风机，频率设定为50.00 Hz，在该条件下选择合适的采样嘴（进口处10#，出口处12#）并安装。

（3）戴上手套，取一超细玻璃纤维无胶滤筒，称量并记录后将该滤筒装入采样枪中。将烟枪放在道中轴线位置处，采样嘴正直面向进气方，并合上烟道开口，注意密封。

（4）设置采样时间为10 min，选择采样方式为“等速采样”，开启主风机。

（5）开启高压供电设备，旋转控制电源档置于“ON”档，后在电除尘器高压电源智能控制器上按“运行”键。此时开始高压供电，调整二次电压到设计值，开始采样，采样过程中始终注意控制电压。

（6）采样结束，保存采样数据。先降低电压，然后按电除尘器高压源智能控制器上的“停机”键，停止高压供电。待其上的液晶显示屏显示的电压值达到0时，按“STOP”键关闭主风机。对设备进行接地放电处理；取出烟枪，后佩戴手套，小心取下采样枪中的滤筒进行称量并记录。

（7）打开ESP，进行清灰后，依次调节集尘极的间距为中等和最大，在二次电压及采样嘴不变的情况下，按上述中步骤重复测定。

4 实验数据记录和处理

实验室条件：温度为27 ℃；含湿量为29%；大气压为101.6 kPa，风机频率为20 Hz。静电除尘器板极间距（极板间距指的是放电极与尘板之间的距离）为5.1、10.3、17.7 cm。

测得极板小间距输出电压与电流数据见表3。

板间电压值相同（16 kV）时调整静电除尘器板间距的采集到数据见表4。

板间距最大不变时调整板间电压时的测量数据见表5。

5 实验结果与分析

最小版间距下空载和负载下的伏安特性曲线见图2。

板间电压值相同、调整静电除尘器板间距情况下的除尘效率的测量数据及结果见表6，表中0为滤筒质量，1为滤筒及煤灰质量，Δ为收集煤灰质量。

最大板间距、不同板间电压的情况下的除尘效率的测量数据及结果见表7，表中0为滤筒质量，1为滤筒及煤灰质量，Δ为收集煤灰质量。

表3 极板小间距输出电压U2和电流I2数据表（负相电源）

表4 板间电压（16 kV）不变时WJ-60B烟尘采样报表

表5 板间距最大不变时WJ-60B烟尘采样报表

图2 空载和负载下的伏安特性曲线

表6 板间电压16 kV不变、不同板间距下静电除尘器除尘效率测量数据及结果

表7 板间距最大、不同板间电压下静电除尘器除尘效率测量数据及结果

由于管道内的温度和压强数据没有变化，故标干流量与工况流量之间的比值不变，因此可直接用标干流量进行计算[12]。

除尘效率与板间电压的关系曲线见图3。

图3 粉尘捕集效率与板间电压变化的关系曲线

运用Deutsch公式校核静电除尘器中粉尘的驱进速度（风机风量为400 m3/h）时有如下结果：

板间电压为16 kV、最小板间距下测得总集尘面积=1.4276 m2，除尘效率=90.97%，驱进速度= 0.11 m/s；中间板间距下测得=99.64%，=0.26 m/s；最大板间距下测得=95.19%，=0.146 m/s。

最大板间距下，=1.4276 m2、板间电压为16 kV下测得=95.19%，=0.14 m/s；板间电压为24 kV下测得=99.54%，=0.25 m/s；板间电压为32 kV下测得=99.66%，=0.26 m/s；板间电压为40 kV下测得=99.64%，=0.26 m/s；板间电压为48 kV下测得=99.34%，=0.22 m/s。

6 实验结果与分析

6.1 静电除尘器的伏安特性曲线分析

从图2的伏安特性曲线可知，两条曲线趋势基本一致，均在9 kV左右开始出现电流陡增。这是由于在静电除尘器内部，随着电压的升高，气体在更多的高能电子轰击下产生更多的自由电子和离子，使得气体的导电能力增强，于是电流迅速增大，最后均在20 kV左右开始出现闪络。静电除尘器内部的流体在空载和负载两种情况下几乎相同，这与理论不太符合[5-7]。考虑是由以下原因造成的：

（1）静电除尘器内部灰尘没有清扫干净，加上管道内存在的积灰，导致在空载情况下，流体中还是有灰尘，并且灰尘浓度与负载时差不多；

（2）负载时灰尘浓度过低，导致流体的比电阻 值与空气的比电阻值差不多，于是使得伏安特性曲线类似。

6.2 静电除尘效率分析

从表6和表7可知，无论是改变板间距，还是改变板间电压，静电除尘器的除尘效率都能够达到90%以上，当最大板间距、电压为32 kV时出现最大捕集效率（99.66%）。这与静电除尘器的实际应用和理论都较为符合。但从表6可知，随着板间距的增大，除尘效率先是增大，然后减小，中间板间距时有最大捕集效率。这一结果与理论不太相符[13]。按照理论可知，当电压相同时，板间距越小，板间电流越大，越利于粉尘的捕集。当板间距较小时，粉尘有部分绕过极板因而对静电除尘器的捕集效率产生影响。根据表7与图3可以看出，当板间距保持不变时，当电压增大时，静电除尘器的捕集效率会有所增大，之后随着电压的增大，效率变化不明显。考虑在一开始电压增大时会使得板间电流增大，从而使得粉尘利于被捕集。

运用Deutsch公式核算驱进速度，得到驱进速度范围为0.11~0.26 m/s，查阅资料得到的静电除尘器中的有效驱进速度经验值为0.11~0.14 m/s，与核算值之间存在一定的偏差。理论研究表明，粉尘粒子在静电场中的驱进速度越大，除尘效率越高。

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Study on experiment of high voltage electrostatic precipitation and voltammetric characteristics

WENG Di, XU Dongdong, ZHANG Yuyao, SHI Lingdong, HU Zhaodong

(National Experimental Teaching Demonstration Center for Environment and Resources, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The effect of high voltage electrostatic voltage on dust removal efficiency is studied. The dust removal efficiency of ESP can reach more than 90%, no matter the spacing of plates or the voltage between plates is changed. The maximum trapping efficiency is 99.66% when the maximum plate spacing and voltage are 32 kV. The volt-ampere characteristic curves of ESP under no-load and load are basically the same. Current increases sharply at about 9 kV, and flashover occurs at about 20 kV with the rapid increase of current.

electrostatic precipitation; fractional collection efficiency; drift velocity; volt-ampere characteristic curve

X701.2

A

1002-4956(2019)12-0052-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.013

2019-04-29

国家自然科学基金项目（21577126）；国家级实验教学示范中心建设项目（教高厅函〔2016〕7号）

翁棣（1962—），男，浙江杭州，硕士，高级工程师，主要研究方向为污染控制工程等相关科研与教学工作。E-mail: wengdi@zju.edu.cn