烟气温度对湿式静电除尘器工作特性影响

杨振民 黄超 王嘉豪 耿婉婷

摘要 湿式静电除尘器依靠水膜冲刷进行清灰，实际工作中气流温度对水膜蒸发速率、伏安特性及除尘效率具有一定影响。本文将碳纤维布、PVC刻槽板分别作为湿式静电除尘器的收尘极，用电加热器对进口气流进行加热，研究了除尘器进出口气流含湿量、伏安特性及除尘效率随加热温度的变化规律。结果发现：随着加热温度的提高，相同供水量下的进口气流含湿量逐渐增大;相同供水量及相同加热温度条件下，碳纤维收尘极单位空气水膜蒸发量和水蒸气利用量均大于PVC板。在相同电压下，随着加热温度的提高，电流逐渐增大。相同供水量和加热温度条件下，碳纤维收尘极的电流大于PVC板。在相同供水量下，随着加热温度的提高，除尘效率亦逐渐增大。相同供水量和加热温度条件下碳纤维收尘极的除尘效率高于PVC板。

关 键 词 气流温度;膜电极;水膜蒸发;伏安特性;除尘效率

中图分类号 X701.2     文献标志码 A

Abstract It is by water film scouring that WESPs （wet electrostatic precipitators） clean the dust on the collectors. The temperature of airflow has great influences on the water film evaporation rate， V-I characteristic and dust collection efficiency. Making carbon fiber fabric and grooved PVC plate as collectors in WESP， heating the inlet airflow to different temperatures， we studied the changing regulations of moisture content of inlet and outlet airflow in WESP， V-I characteristics and dust collection efficiencies with the heating temperatures in this paper. It is found that with the increase of heating temperature， the moisture content of inlet airflow under the same water flow rate increases gradually. When the water flow rate and heating temperature are determined， the moisture content of inlet airflow on the carbon fiber fabric is bigger than the grooved PVC plate. Under a determined voltage， with the boost of heating temperature， the electric current becomes larger. With the same water flow rate and heating temperature， the current in the WESP with carbon fiber fabric is larger than that with grooved PVC plate. With the same water flow rate， the dust collection efficiency increases with the enhancement of heating temperature. With the same water flow rate and heating temperature， the collection efficiency of the carbon fiber fabric is larger than the grooved PVC plate.

Key words temperature of flue gas; membrane collection electrode; evaporation of water film; V-I characteristics; dust collection efficiency

0 引言

干式静电除尘器（ESP）一般采用机械振打等方式清灰，而湿式静电除尘器（WESP）则采用水膜冲洗方式。相比干式静电除尘器，湿式静电除尘器具有除尘效率高、无二次扬尘等优点，故湿式静电除尘器的应用越来越普遍。

工作参数对静电除尘器的工作性能具有重要影响，如烟气温湿度、工作电压、给粉量等均会影响除尘效率。尤其是烟气温度不仅影响粉尘比电阻[1-2]及荷电[3]，还会影响电场强度[4]。已有学者对干式静电除尘器中烟气温度的影响进行了相关研究。干式静电除尘器根据工作温度的不同分为高温（170～400 ℃）、低温（130～170 ℃）和低低温（70～130 ℃）静电除尘器[5]。Xu等[6]对高温静电除尘器研究发现随着工作温度的升高起晕电压和火花放电电压均降低，导致除尘效率和粒子迁移速率下降。而Zheng等[7]研究发现当烟气温度在363 K 到623 K之间变化时，随着温度升高除尘效率逐渐下降。刘含笑等[8]对低低温静电除尘器研究发现将烟气温度降至酸露点以下可使得粉尘性质明显改善，使比电阻降低而除尘效率提高。史文峥等[9]研究发现进入除尘器的烟气温度降低，烟气中颗粒及气体分子热运动能力减弱，气体击穿电壓和粉尘趋进速度均提高，从而提高除尘效率。综上可以明确在干式静电除尘器中，除尘效率会随着烟气温度的降低而增大。

湿式静电除尘器中烟气温度的高低除了直接对放电和粉尘比电阻具有重要影响之外，还影响到收尘极水膜蒸发速率及烟气湿度，进而影响到粉尘特性、电场强度和除尘效率，因此湿式静电除尘器中烟气温度对其工作性能的影响机理更为复杂。彭泽宏等[10]探讨了含湿量对除尘器工作性能的影响，指出湿空气比干空气更易于电离，含湿量的增大使起晕电压降低，而且在粉尘表面形成一层薄水膜从而改善其导电性，最终使PM2.5的脱除效率增加。Chen等[11]将室温下水雾加入湿式静电除尘器烟气中用于提高纳米级颗粒物的除尘效率，实验发现加入水雾后除尘效率从67.9%～92.9%提高到了99.2%～99.7%。胡斌等[12]研究了脱硫废水蒸发对除尘器工作性能的影响，发现喷入废水后细颗粒物有所长大，增强了场致荷电，使细颗粒脱除效率提高了5%左右。而Yang等[13]对带新型预荷电室的湿式静电除尘器进行了研究，发现降低烟气温度会使0.1～1.0μm的细颗粒物除尘效率提升明显。

目前对湿式静电除尘器中气流温度对水膜蒸发、气流相对湿度、伏安特性及除尘效率的定量变化规律研究较少，而该研究对优化湿式静电除尘器的运行条件及提高除尘效率有重要的现实意义。本课题组曾经将玻璃纤维布[14]、PVC刻槽板[15]作为湿式静电除尘器的收尘极，进行了蒸发量和水膜厚度等方面的研究。而本文将碳纤维布、PVC刻槽板作为湿式静电除尘器的收尘极，测量了不同加热温度下的气流含湿量，并由此得出了单位空气中的水膜蒸发量及水蒸气的利用量;并对不同进气温度下的伏安特性及除尘效率进行了实验研究，得出了伏安特性及除尘效率随气流加热温度的变化情况。

1 实验材料和方法

1.1 实验系统

湿式静电除尘器实验系统如图1所示。该系统由给粉设备、除尘器本体、排风机和一些附属设备组成。除尘器本体包括放电极、收尘极、布水装置、高压供电装置和除尘器壳体。收尘极分别采用12 K的碳纤维布及刻槽PVC板。

采用电加热器对气体进行加热，该加热器是由11根电加热管组成的加热箱。加热管采用4根、3根、4根的交错排布方式，箱体外包有一层厚5 mm的保温层。实验过程中通过温度控制器来调整加热箱内部温度。在除尘器本体进出口处（图1中20、21点）由RC-4HA温湿度记录仪对气流进行温度和相对湿度的测量，其工作量程为温度-40～85 ℃、相对湿度0%～99%。

实验采用800目滑石粉代替工业粉尘。滑石粉主要成分为Mg3（Si4O10）（OH）2，化学性质稳定，而800目的粒径则与工业粉尘很相近。实验用给粉机为DZTC-1000智能型多功能给粉机，其工作量程为10 ～200 g/min。

实验过程如下：启动水泵、布水均匀后打开排风机、进行给粉、含尘气流流过电场、排出尾气。测量进出口气流相对湿度、伏安特性及除尘效率。

1.2 除尘效率

除尘效率指的是所去除的粉尘量占进入除尘器粉尘量的百分比，表达式可以写作：

2 结果与讨论

2.1 加热温度对气流含湿量的影响

实验室环境温度为21.3 ℃，相对湿度为61%。湿式静电除尘器加载50 kV负高压，电场气流速度取0.8 m/s，供水流量分别为300、400、500、600、700 L/h，加热温度分别取30、50、70、90、110 ℃，对应的烟道进出口气流温度如表1所示。布水时间为1 h，记录除尘器进出口气流相对湿度。

根据湿空气性质，由空气温度和相对湿度即可求得其含湿量，含湿量是指每千克干空气中所含水蒸气的质量（g/kg）[16]。结果发现进出口处气流含湿量均大于环境空气含湿量，原因在于收尘极水膜蒸发使气流含湿量明显增大。由进口处气流含湿量减去环境空气含湿量即可表示进入单位质量干空气中的水膜蒸发量，可用来表征水膜蒸发的剧烈程度，将该差值定义为单位空气蒸发量。不同加热温度和不同供水量下两种收尘极的单位空气蒸发量如图2所示。

由于图2纵坐标采用对数坐标轴，30 ℃和110 ℃条件下两种收尘极曲线看起来差别较小，为此，对不同温度下两种收尘极数据进行了显著性水平为0.05的ANOVA单因素方差分析，分析结果如表2所示。表中P值为统计量统计值（F值）> 临界值[F]的概率，若P值小于显著水平0.05则认为各数列平均值显著不同。

由图2及表2可以发现，除30 ℃加热温度条件下，两种收尘极的单位空气蒸发量在显著性水平0.05条件下无显著性不同之外，其他加热温度下相同供水量时碳纤维布的单位空气蒸发量均显著大于PVC板，原因在于碳纤维布表面润湿角较小、成膜特性较好、水膜分布更加均匀[17]，使水膜有效蒸发面积大于PVC板。而同一收尘极相同加热温度条件下，随着供水流量的加大单位空气蒸发量略有增大，原因在于随着水量的加大成膜面积略有加大。

实验发现出口处气流含湿量明显小于进口处气流，原因在于蒸发出来的水蒸气参与了除尘器的工作过程，包括：水分子被电离[18]，水分子与电场中电子和离子形成水合离子团[3]，或水分子被颗粒物吸附等。由进口处气流含湿量减去出口处气流含湿量即可表示参与了除尘器工作过程的水蒸气量，即表征水蒸气的利用量，将该差值定义为单位空气水蒸气利用量。不同加热温度和不同供水量下两种收尘极的单位空气水蒸气利用量如图3所示。

对图3中不同温度下两种收尘极数据进行了显著性水平为0.05的ANOVA单因素方差分析，分析结果如表3所示。

由图3及表3可以发现除30 ℃加热温度条件下，两种收尘极的单位空气蒸发量在显著性水平0.05条件下无显著性不同之外，其他温度条件下相同供水量时碳纤维的单位空气水蒸气利用量均显著大于PVC板。主要原因在于碳纤维收尘极的单位空气蒸发量大于PVC板;同时由于碳纤维布表面水膜分布更加均匀，使得其电场分布也更加均匀，电场出现局部畸变的概率也更低[19]。而同一收尘极在相同加熱温度条件下，随着供水流量的加大单位空气水蒸气利用量略有增大，原因在于随着供水量的加大单位空气蒸发量有所增大。

2.2 加热温度对伏安特性的影响

在供水量500 L/h，供电电压分别为40、45、50、55、60 kV，电场气流速度取0.8 m/s，给粉量为23 g/min条件下，对不同加热温度下除尘器内的电晕电流进行了5次测量求平均值，结果如图4所示。

为了对实验过程中的误差进行分析，对电晕电流5次测量结果进行了平均值和标准差的求解，并作出error bar如图5所示，为清晰起见，只列出了30 ℃和110 ℃这两个极端加热温度下的曲线。

由图5中数据计算了不同工况下电晕电流的变异系数，发现最大变异系数为0.013（<5%），说明实验数据误差在允许范围内。由图4可以发现，两种收尘极上伏安特性变化趋势相近，即随着供电电压的增大，电晕电流均逐渐增大。而在相同电压下随着加热温度的提高电流亦逐渐增大，这是由于氣温升高导致水膜蒸发加剧，而气流中水分子电离增大了流场电子数目和细颗粒物的荷电机率及荷电量[20]，从而提高了空间电流密度。同一供水量和加热温度条件下，发现碳纤维电流大于PVC板，原因仍是碳纤维上水膜蒸发效果较好，致使电场中自由电子数目较多、颗粒物荷电量亦较大。

2.3 不同烟气温度下两种收尘极的除尘效率

在供电电压为50 kV，电场内气流速度为0.8 m/s，给粉量为23 g/min，供水流量分别为300、400、500、600、700 L/h，加热温度分别为30、50、70、90、110 ℃的条件下，对两种收尘极的除尘效率进行了5次测量测量并求平均值。结果如图6所示。

为了对实验过程中的误差进行分析，对除尘效率5次测量结果进行了平均值和标准差的求解，并作出error bar图，如图7所示，为清晰起见，只列出了30 ℃和110 ℃这两个极端加热温度下的曲线。

由图7中数据计算了不同工况下电晕电流的变异系数，发现最大变异系数为0.008 4（<5%），说明实验数据误差在允许范围内。由图6可以发现，两种收尘极的除尘效率均随着供水量的增加而增大，这是由于随着水量的加大，一是水蒸发量加大，电场电流加大，提高了亚微米颗粒物的荷电及其向收尘极的趋近速度[21]，使除尘效率提高;二是水量加大减小了干斑和沟流的产生，使水膜清灰能力增强。不过随着水量的加大除尘效率增大的幅度越来越小，这是由于进口气流接近饱和后其含湿量增大的幅度越来越小，且成膜率接近100%后再增大水量则对清灰能力的影响也会减小。

对比两种收尘极会发现，相同供水量和相同加热温度条件下，碳纤维布的除尘效率高于PVC板，原因在于碳纤维布表面水膜更加均匀从而蒸发速率更大，导致不仅电场电流较大且水膜清灰效果也更好。

而同一收尘极在相同供水量条件下，随着加热温度的提高，除尘效率亦逐渐增大，而增大的幅度逐渐减小。分析原因一是随着加热温度的提高水膜蒸发加剧，致使气流含湿量加大，更多水分子的电离导致电子数目和电晕电流增大。而电晕电流的加大，不仅提高了荷电颗粒物的电场力，还降低了除尘器打火现象出现的频次，有利于除尘效率的提高。二是由于气流温度升高使之和水膜之间的温差加大，导致细颗粒的热泳效果得到增强，从而提高了细颗粒物的脱除效率。

3 结论

本文将碳纤维布、PVC刻槽板作为湿式静电除尘器的收尘极，研究了加热温度对气流含湿量、伏安特性及除尘效率的影响规律。结论如下：

随着加热温度的提高，相同供水量下的进出口气流含湿量逐渐增大，使单位空气蒸发量和单位空气水蒸气利用量均增大。而相同加热温度下随着供水量的增大，单位空气蒸发量略有增大。相同供水量及相同加热温度条件下，碳纤维布收尘极的单位空气蒸发量和单位空气水蒸气利用量均大于PVC板。

在相同电压下同一收尘极上随着气流加热温度的提高，电流逐渐增大。同一供水量和加热温度条件下，碳纤维布上的电流大于PVC板。

在相同供水量下同一收尘极上随着加热温度的提高，除尘效率亦逐渐增大。相同供水量和相同加热温度条件下碳纤维布的除尘效率高于PVC板。

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