预混喷雾增效细颗粒去除的电除尘实验研究

邓权龙,庄丁丁,丁厚成,连志虚,徐远迪

预混喷雾增效细颗粒去除的电除尘实验研究

邓权龙*,庄丁丁,丁厚成,连志虚,徐远迪

(安徽工业大学建筑工程学院,安徽 马鞍山 243002)

为提高电场对细颗粒物的捕集效率,实现颗粒物超低排放要求,本试验采用喷雾与电场分区设计,搭建了预混喷雾湿式电除尘试验装置,以增强颗粒与液滴之间的凝聚作用,试验探究了电场电压、极板间距、电场风速、喷雾压力及入口浓度等参数对除尘效率的影响规律.结果表明;除尘效率随着电场电压增加,除尘效率提升,增幅先升高后降低,最后趋于平稳;减小极板间距或电场风速,能够提高除尘效率,但降低了处理风量;随着喷雾压力增大,除尘效率先增加后减小,当压力值为6MPa时,除尘效果最佳;粉尘入口浓度对除尘效率的影响程度较低,对于粒径小于2.5μm的颗粒物去除效率最高达98.5%.综上,预混喷雾湿式电除尘效果相比单一喷雾或静电除尘具有显著的增强,对于颗粒物超低排放装置的设计具有重要参考价值.

除尘；湿式电除尘(WESP)；喷雾；细颗粒物

随着近些年各国工业高速发展,工业生产过程中排放大量颗粒物,一方面造成严重雾霾天气,严重干扰工作和生活[1-2];另一方面,颗粒物可能携带重金属、病毒、细菌等,经人体肺泡吸入后,易引起呼吸系统疾病[3-4].近年来国内政府不断加大对颗粒物污染的控制,天津、山东等地要求新建项目燃煤、燃油及燃气锅炉的颗粒物排放限值达5mg/m3[5-6],对于细微颗粒物的高效去除有着较高的工艺要求.所以,如何经济、高效地去除细颗粒物,日益成为工业除尘领域的热点和难点问题.

电除尘器在煤电、冶金等行业尾气颗粒物净化方面得到广泛应用[7].除尘器电场部分由收尘极板和放电极组成,结构简单且风流阻力较小,降低通风动力能耗;与袋式除尘器相比,电除尘适应处理燃烧后高温烟气[8-9].但电除尘器的使用也受一定的限制,主要是对粉尘比电阻数值有要求,粉尘比电阻偏大(Rb>1011Ω·cm)或偏小(Rb<104Ω·cm)均易降低除尘效率,低阻型颗粒物运动至收尘集板后,释放所带电荷速率快,容易引起粉尘二次飞扬;高比电阻型颗粒电荷释放速度较慢,形成反电晕效应,影响除尘效果[10-12].此外,电除尘对于微细颗粒物的去除效果不是很理想,有待进一步提高[13].

湿式电除尘将湿式除尘技术融入至电除尘技术中,与传统电除尘相比,避免了粉尘飞溅、扬起和反电晕等问题,适用场景更广,对细颗粒去除效率更高.湿式电除尘器的形式有很多种,例如:柔性湿布收尘电极[15]、极板水膜[16]、喷雾电除尘[17].其中喷雾电除尘是通过向烟气中喷淋水雾,在电场力的作用下使颗粒、雾滴向收尘极板运动,提高颗粒物与液滴之间的碰撞和凝聚实现增效除尘[18-19],同时在收尘极板上形成水膜既实现对收尘极板上灰尘进行清理,防止积灰产生反电晕现象,又抑制了粉尘的二次飞扬.

本文研究喷雾液滴对电场中细颗粒物的凝聚和捕集效果的影响,通过将喷雾和电场分区布置而搭建出一种新型的分区喷雾湿式电除尘系统,并对该系统的除尘性能进行探究,得出该布置方式对提高了除尘器箱体内雾滴混合程度,有效改善了荷电水雾除尘器雾化效果不好等问题;同时揭示电场电压、极板间距、喷雾压力、电场风速等因素对除尘效率的影响规律;分析喷雾除尘、电除尘、喷雾湿式电除尘3种除尘方式对捕集粉尘颗粒物效率的影响,为喷雾湿式电除尘的研发和优化提供参考.

1 实验模型与方法

1.1 喷雾与电场组合设计

图1 喷雾与电场的2种布置方式

在高压静电场中,颗粒物与液滴之间发生多重复杂的作用.首先,颗粒物与液滴发生惯性旋转碰撞,微小颗粒凝聚增大;其次,颗粒物和液滴均获得电荷量,在库仑力牵引下产生趋进速度,向收尘极板运动实现除尘[20].为了获得最佳的增效捕尘效果,需要将雾滴与颗粒充分均匀混合,颗粒物与液滴之间混合的充分程度取决于喷雾与电场的组合方式[21].因此,考虑两种不同组合方式,组合1是将喷嘴安装在电场内部,将喷雾与电场重合,粉尘颗粒在电场作用下与液滴相互作用,如图1(a)所示;组合2是将喷雾与电场分开,含尘气流先进入喷雾区,然后再进入电场区,如图1(b)所示.经过对比和计算两种组合下单位流量雾滴在电场的停留时间,即液滴与颗粒物接触的时间,得出组合2是组合1的1.6倍.因此,组合2更具有充分混合的优势,在实验设计中采用组合2方式开展研究.

1.2 实验系统与设备材料

1.2.1 实验系统 实验由供水喷雾单元、电场单元、风尘控制单元、测试单元4个单元组成,实验系统如图2所示,供水喷雾单元包括喷嘴、水压表、水管、高压水泵和循环水箱组成,喷嘴安装在箱体上部前端位置,高压水泵提供动力,产生喷雾形成喷雾区,循环水箱具有过滤功能,实现废水循环利用.电场单元包括收尘极板、放电极、高压电源和电线等,收尘极板、放电极材料均为304不锈钢,收尘极板接地,放电极连接高压电源负高压输出端,形成电场区.风尘控制单元包括粉尘发生器、风管、均匀导流板、箱体、风机,通过粉尘发生器控制粉尘产生的浓度,抽出式离心风机为风流提供动力,含尘气流经过风管进入箱体,经过喷雾区和电场区时,颗粒物被去除,净化后的清洁气流经风管排出.测试单元包括采样头、采样仪、分析天平、激光粒度分析仪等.

图2 湿式电除尘实验系统

1.2.2 实验设备材料 如图3(a)所示,实验用的高压直流电源型号为泰思曼TRC2025,是一款数字化连续可调高压电源,控制面板上直接显示数字电压和电流,输出负电压值为0～120kV.收尘极板的尺寸为900mm×450mm,厚度为1mm,两块收尘极板的间距为400mm,其材质为304钢,用绝缘螺栓固定两侧并接地.放电极采用4根电晕线,长度460mm,放电极间距为200mm,采用八角芒刺电晕线,芒刺长5mm,每根放电极上10个,间距为50mm.如图3(b),最后通过导线连接至高压电源的负极(负电压).

图3 电源与放电极

实验采用型号为H2S型高压低流量水泵,实物如图4(a),最大供水量488L/h,额定功率3.1kW,提供0～20MPa连续可调的水压.由于不同喷嘴雾化角对荷电水雾除尘器箱体内雾化效果的影响,根据箱体尺度选择喷嘴雾化角为80°.喷嘴雾化形状对颗粒物的捕集效果有较大影响,雾化形状是指喷嘴喷出的圆锥状雾状水滴投射到一个平面,所呈现的形状,常见的喷嘴雾化形状有空心形、实心形和半实心形,其中实心形喷嘴雾化分布更均匀,且雾化液滴粒径相对较小.选择喷嘴出口口径1.5mm、雾化角80°的实心喷嘴,如图4(b).

图4 水泵和喷嘴

图5 粉尘粒径分布

为对微细颗粒物湿式电除尘实验研究,本文使用预处理过的滑石粉,样品比电阻为1.92´109Ω·cm,采用激光粒度分析仪(OMEC,LS-909)对粉尘颗粒粒径进行测定,粒度分析结果如图5所示,预处理过的粉尘粒径分布范围在0～10μm,平均粒径1.8μm,其中D10为0.7μm,D50中值粒径为1.3μm,D90为3.5μm.粉尘粒径整体满足细颗粒的要求.

1.3 实验方法

在进风管和出风管分别设置采样孔,采用采样头和采样仪(FC-3A)进行采样,并对滤膜样品分别采用分析天平(Sartorius,CPA2250D)和激光粒度分析仪(OMEC,LS-909)进行质量分析和粒径分析,得出相关实验结果.

粉尘浓度一般采用滤膜取样称重法测得.在标准状态下,干空气粉尘浓度可表示为:

式中:△为采样前后滤膜质量,mg;为标准状态下流量,L/min;为采样持续时间,min.

将总除尘效率用η表示,1、2分别表示除尘器进口和出口处颗粒物的质量浓度(mg/m3),Δ1、Δ2分别表示除尘器进口和出口处颗粒物的质量(mg),根据除尘效率含义得出计算公式(2).

采用激光粒度分析仪可以测量除尘器进口和出口处不同粒度的粉尘比例e、o,其计算公式如(3)、(4).

式中:Δ1i、Δ2i分别表示除尘器进口和出口处不同粒度的颗粒物的质量(mg),根据粒度分布测量结果,综合式(2)～(4)计算得出不同粒度颗粒物的分级去除效率[11],计算公式见(5).

本文中在进口段和出口段均布设采样头进行采样,由于涉及到喷雾润湿作用,为避免水分对采样结果的影响,在采样前后滤膜需要放置烘箱60℃烘干1h.利用此方法可以得出粉尘浓度,从而进一步计算除尘效率和分级效率.

2 结果与讨论

2.1 电压对除尘效率的影响

分析不同收尘极板间距下电场的伏安特性曲线(图6),高压电场放电电流随着电压的升高总体趋势是增大的,其中加载负电压值小于10kV时,基本无电流产生,电流趋近零,说明此时放电极周围空气无电离产生.当负电压值达到20kV以上时,放电极周围空气发生部分电离导致电场产生较小的电流,随着加载电压增加,电流呈现不同程度的上升.收尘极板间距越小,电场空间内产生的电流越大,发生击穿负电压值越小,这与离子运动的距离和速度有很大的关系;当负电压值达到55kV时,电晕电流数值较大,极板间距2=240mm工况下电场电流达到3.1mA;若电压继续增加,易产生电火花,可能发生击穿现象.

图6 伏安特性曲线

由图7所示,随着放电极加载负电压值升高,电除尘效率呈现增加的趋势,当电压在10～20kV范围内,除尘效率增效的速率较小;当电压在20～50kV时,除尘效率增加速率较大;当电压值大于50kV时,除尘效率增幅缓慢,最后趋于稳定.

喷雾开启前后,湿式电除尘效率随电压变化曲线的趋势与电除尘的基本一致.喷雾未开启时,电除尘效率最高达84%,当喷雾开启后,湿电除尘最高除尘效率为95%,由此可见,与传统电除尘相比,喷雾湿式电除尘有助于提高对细颗粒物的去除效率.对于不同粒径的分级效率变化曲线存在一定的差异,当颗粒粒径小于2.5μm时,除尘效率变化与总效率的变化一致;当颗粒粒径在2.5～10μm范围,分级效率比总除尘效率稍微高一些.从图7可得到加载电压50～60kV是实现高效除尘的经济电压.

图7 除尘效率随电压变化曲线

2.2 间距对除尘效率的影响

收尘极板的间距是影响除尘效率的重要因素之一,通过实验测量不同板间距对除尘效率的影响(图8).随着收尘极板间距的增加,总除尘效率呈现降低的变化趋势,说明间距越小越有利于提高除尘效率.当电场电压为55kV,电场风速为0.8m/s,喷雾压力为5MPa时,喷雾湿式电除尘对于粒径小于2.5um颗粒的分级效率为98.5%.分级除尘效率随极板间距的变化趋势与总效率基本相似.

图8 除尘效率随板间距的变化曲线

极板间距越小除尘效率越高,但是在电场风速相同情况下,极板间距的大小直接影响处理风量,板间距的减小导致处理风量的降低,所以板间距选择要综合考虑对除尘效率和处理风量的影响,根据实验结果,推荐的合适的极板间距范围为280～360mm.

2.3 水压对除尘效率的影响

喷雾压力影响喷雾雾滴的分布及其粒度,对除尘效率有较大的影响.如图9所示,单纯的喷雾除尘效率随着喷雾压力的增大而升高,当压力大于6MPa后除尘效率的增幅不明显,除尘效率达72%.喷雾湿式电除尘的除尘效率随着喷雾压力增加呈现先升高后降低的变化趋势,当喷雾压力为6MPa时系统总除尘效率趋近最大值为96.4%,当压力大于6MPa后,除尘效率呈现降低的趋势.分级效率随喷雾压力的变化与总效率的变化趋势基本一致,其中颗粒粒径在1～2.5μm范围内的除尘效率曲线基本与总除尘效率曲线重合.

图9 除尘效率随雾化压力的变化曲线

由于喷雾耗水量与喷雾压力成正相关,喷雾压力越大,耗水量越多.本文采用的是高压低流量的水泵,喷雾耗水量在90～220mL/min范围内总体较小,其中喷雾压力为6MPa时,耗水量为180mL/min,根据实验结果,综合除尘效率和耗水量的考虑,喷雾压力为范围较为适宜.

2.4 风速对除尘效率的影响

含尘气流速度决定着粉尘颗粒物和液滴在电场空间内停留时间的长短,进而对电场除尘效率有着较大的影响.如图10所示,除尘效率随着电场风速的增加,呈现逐渐降低的趋势,电场风速越小,颗粒物在电场停留时间越长,有助于捕集粉尘颗粒物.当电场风速从0.6m/s升至1.2m/s时,系统除尘效率由97.2%降至93.4%,由此可见,电场风速与系统除尘效率成负相关的关系.

图10 除尘效率随电场风速的变化曲线

分级效率曲线的变化与总除尘效率曲线的变化趋势基本一致,大于2.5μm的除尘效率高于总除尘效率,其中在5～10μm范围的除尘效率最高.当极板间距固定的情况下,电场风速与电场处理风量大小成正比,提高电场风速可以有效提升系统处理风量,但是会导致除尘效率降低.为了考虑电场风速对除尘效率和处理风量的影响,需要做一定的取舍和平衡,当电场风速为0.8～1.2m/s范围能够保证系统除尘效率和处理风量相对最佳.

2.5 3种类型除尘工艺的对比

为研究除尘设备入口浓度对系统除尘性能的影响,在特定工况下(=55kV、2=280mm、=0.8m/s、P=5MPa),通过改变入口粉尘浓度(范围50～800mg/m3),测量喷雾除尘、电除尘、喷雾湿式电除尘3种工艺的除尘效率.由图11可知,单一喷雾除尘的效率在65%～73%范围,且随着入口粉尘浓度增加除尘效率发生轻微的升高;单一电除尘的效率在86%～90%范围,随着入口粉尘浓度增加除尘效率升高的幅度较小;喷雾湿电除尘的效率在94%～96%范围,随着入口粉尘浓度增加除尘效率升高的不明显.

通过比较3种类型除尘工艺的效率,其中喷雾湿电除尘效率最高,电除尘效率次之,喷雾除尘效率最低,入口粉尘浓度大小对电除尘和湿电除尘效率影响不明显,对喷雾除尘效率有一定的影响.

图11 除尘效率随入口浓度的的变化曲线

3 结论

3.1 电场电压升高能够提高电场电流大小,喷雾湿式电除尘效率随着电场电压增大而升高,除尘效率增幅先升高后降低,最后趋于平稳,实现高效除尘的经济电压为50～60kV.

3.2 极板间距和电场风速对系统除尘效率和处理风量影响的规律具有相似之处,随着板间距或电场风速减小,总除尘效率和分级效率增大,但是同时降低了系统的处理风量,推荐的极板间距为280～360mm,电场风速为0.8～1.2m/s.

3.3 随着喷雾压力升高,喷雾耗水量增加,喷雾湿式电除尘效率发生先增加后降低的变化趋势,当喷雾压力为6MPa时,喷雾预混电除尘效率相对较高为96.4%,推荐喷雾压力为5～7MPa.

3.4 与单一的喷雾除尘或电除尘相比,喷雾湿式电除尘效率具有明显的提高,且受到入口浓度变化的影响较小.喷雾湿式电除尘分级效率与总除尘效率变化趋势基本一致.

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Experimental study on electrostatic precipitator removal of fine particles with pre mixed spray.

DENG Quan-long*, ZHUANG Ding-ding, DING Hou-cheng, LIAN Zhi-xu, XU Yuan-di

(School of Civil Engineering & Architecture, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)., 2022,42(7)：3077～3083

In order to improve the collection efficiency of fine particles via electric field and achieve the requirement of ultra-low emission of particles, a novel pre mixed spray electrostatic precipitator was designed by separating the spray part and electronic field to enhance the agglomeration between particles and droplets. The influence of electric field voltage, plate spacing, air velocity, spray pressure and inlet dust concentration on the efficiency of dust removal was investigated in detail. The results showed that with the increase of voltage, the dust removal efficiency increased, the increasing tendency raised quickly and then slowed down to steady state. Reducing the distance between plates or the wind speed could raise the dust removal efficiency while the treatment air volume reduced. With the increasing of spray pressure, the dust removal efficiency increased firstly and then decreased. When the pressure value was 6MPa, the dust removal effect showed the largest value. The influence of inlet concentration of dust on the removal efficiency was quite low, the removal efficiency of particles with the size less than 2.5mm was large as 98.5%. In summary, the dust removal efficiency of pre mixed spray electrostatic precipitator was significantly enhanced compared with that of single spray or electrostatic precipitator, which has significant reference value for the design of ultra-low particulate emission devices.

dust removal；wet electrostatic precipitator (WESP)；water spray；fine particles

X513

A

1000-6923(2022)07-3077-07

邓权龙(1990-),男,江西贵溪人,讲师,博士,主要从事工业通风与除尘方面研究.发表论文20余篇.

2021-12-31

安徽高校自然科学研究项目(KJ2019A0052);安徽工业大学青年基金资助项目(QZ202016)

* 责任作者, 讲师, dql3316@163.com