压力、温度和成分对气体放电特性的影响

2024-02-28姚超坤于权茹

冶金动力 2024年1期

张娟，何剑，姚超坤，于权茹

（1.中国重型机械研究院股份公司；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

引言

静电除尘是目前应用广泛且高效的除尘方法之一。在电除尘器运行过程中，烟气的温度、压力和成分等性质会影响电晕特性和粉尘比电阻，进而影响除尘效率，国内外学者先后在该领域开展了相关研究，取得了指导性成果［1-10］。

高炉煤气作为高炉炼铁过程中副产的可燃气体，属典型的高温、高压、高尘多组分燃爆型气体。由于荒煤气含尘浓度高，易造成管道和燃烧设备堵塞，也易导致TRT 转子的磨损、振动，降低其寿命，因此，进行高效除尘是高炉煤气良好利用的前提。高炉煤气除尘主要有湿法、布袋除尘和静电除尘3 种工艺［11］。传统湿法净化系统存在着煤气压力低，污环水循环系统占地面积大，污染环境等缺点。相对于湿法除尘，干法除尘不仅简化了工艺，而且从根本上解决了二次污水和污泥的产生与处理问题，提高了煤气物理显热，TRT 发电量可提高30%［12］，因此，干法布袋除尘工艺逐渐成为了主流技术［13-16］，并在应用中取得了很好的效益，但实际运行过程中也暴露出了一系列问题，如布袋维修量大、寿命短、工人作业环境恶劣；布袋在正常工作温度范围90～220 ℃时，开炉、复风阶段粘袋现象严重［17］。相比之下，电除尘器则具有适应性强、使用寿命长、运行稳定、耐温高、阻力损失小、TRT 发电量高等优点［18-19］。

为使静电除尘器在高炉煤气除尘中能更好应用，也为类似高温、高压多组分气体介质电离特性研究提供借鉴，通过采用单电场对压力、温度及成分变化对气体电离特性的影响规律进行系统试验研究，对该领域研究成果进行了完善与部分修正，为相关理论研究及工业应用提供了支撑。

1 试验条件及方法

1.1 试验装置与方法

试验装置主要由高压电源、调温调压气体放电试验装置和配气系统组成，系统图见图1。高压电源采用GGAJ02-（LD-1）005∕200 静电除尘专用高压电源，可实现最高200 kV 的负高压供电。气体放电试验装置包括线-板式和线-管式两种电场结构，线-板式极配为平板-双角钢线，同极距300 mm；线-管式极配为正六边形矩形管-WE25（90°），同极距350 mm。气体放电试验方法采用电除尘器空载通电升压试验法。

图1 气体放电特性试验系统图

1.2 试验气体

试验煤气成分配比如表1所示。

表1 试验气体成分配比表 %

2 试验结果分析

2.1 气体压力影响

静电除尘器内气体密度影响着电场的起晕电压、放电极表面电场强度、空间电荷密度和离子迁移率的大小。气体起晕电压可用式（1）表示：

式中：U—气体起晕电压，V；

m—放电线粗糙系数，0.5＜m＜1.0；

a—放电线半径，m；

δ—气体相对密度；

b—异极距，m。

其中：

式中：T0—大气常温温度，取298 K；

P0—大气常压压力，取1.01325×105Pa；

P—操作压力，Pa；

T—操作温度，K。

由式（1）、式（2）可知，在常温下（T=T0），随着压力P的增加，气体相对密度δ随之增加，离子自由程减小，有效离子迁移率由于和中性分子碰撞的次数增多而减小，起晕电压降低。

煤气组分1 在不同气体压力下线-管式电场和线-板式电场的伏安特性曲线见图2，其余试验煤气介质和空气介质下的放电过程基本与图2 一致，伏安特性曲线光滑，符合正常放电规律。气体压力对各组分煤气伏安特性影响规律一致，随着气体压力的逐步增高，放电电压升高，相同电压下，电晕电流降低，伏安特性曲线右移。

图2 不同压力下的伏安特性曲线

曲线右移的原因主要在于气压增大时，分子平均自由程减小，电子不容易加速到产生电离的速度，离子迁移率减小，起晕电压升高。外加电场一定时，压力的增大使得放电极附近的空间电荷密度增大，收尘极板上的平均电流密度减小，导致电晕电流降低，从而曲线斜率减小。

如果只考虑气体压力的影响，则击穿电压与气体压力存在一定函数关系。

随着气体压力逐步增大，无论管式电场或板式电场，击穿电压都随之升高。管式电场从常压升至0.24 MPa，各组分下击穿电压提高了30%～40%，而板式电场的击穿电压则提高了50%左右。对于击穿电流，管式电场基本呈逐步下降趋势，由常压升至0.24 MPa，各组分下的击穿电流下降了60%左右，而板式电场的击穿电流则稍显平稳，基本分布在2 mA左右。这是因为气体压力降低时，迁移率高的自由电子迅速离开电晕区，在其未被负电性气体分子捕获时，对形成稳定的空间电荷不起作用。由于电子在捕集前要经历较长的距离，低压力时离子数较少，则空间电荷影响减弱，电晕电流迅速地增长，在低电压下便被击穿。相关击穿特性曲线见图3、图4。

图3 气体压力对管式电场击穿特性的影响

图4 气体压力对板式电场击穿特性的影响

在气体压力较低（＜0.08 MPa）时，击穿电压与气体压力可近似拟合成一次线性关系，这与此前常用的结论［20］吻合，且不同气体的拟合度差别较大。而后，随着气体压力的增大，二者完全呈非线性，基本呈对数关系或指数关系，不同气体的关系式也差别较大。因此可知，击穿电压不会随气体压力递增而呈线性单调递增，后续递增速度急剧放缓。这一试验结论更新了早期的数据及结论。

2.2 气体温度影响

烟气温度直接决定粉尘比电阻的量级，进而影响静电除尘器的除尘效率。同时，温度对电除尘器电晕电压和电晕电流等放电特性也有着显著影响。通过采用空气在常压下从常温连续升至235 ℃进行升温放电试验，考察了气体温度对放电特性的影响，试验结果见图5、图6。

图5 不同温度情况下空气伏安特性曲线对比

图6 不同温度情况下空气击穿特性对比

气体温度对放电特性的影响与气体压力的影响正好相反。随着温度升高，伏安特性曲线左移，起晕电压降低，击穿电流和击穿电压也基本呈下降趋势。温度由室温升至200 ℃，击穿电压由55 kV下降至37 kV，击穿电流由2.8 mA 降至2.52 mA。这是由于温度的升高使得分子平均自由程增大，电子能够获得较大的速度和动能，加强了电离效应，因而烟气在较低的电压下被击穿，击穿电压降低也限制了击穿电流的增长。但是，温度升高时，在相同的放电电压下，电子更容易到达阳极板，因此电晕电流是随温度升高而增大的。

除烟气温度影响击穿电压和击穿电流，进而影响除尘效率外，烟气温度的上升还会导致气体黏滞性的增大，而气体的黏滞性直接影响带电粉尘的驱进速度。烟气温度越高，黏滞性越大，带电粉尘驱进速度越低，除尘效率下降。此外，烟气的温度还会影响到粉尘的比电阻。根据实测表明，电除尘器工作的最适比电阻为106～1 011 Ω·cm，在比电阻小于106 Ω·cm 时，粉尘导电性较好，粉尘出现于阳极板表面跳跃现象，最后被气流带出除尘器，而比电阻大于1 011 Ω·cm 时，荷电粉尘的电荷不容易释放，则在阳极表面出现反电晕现象。从以上温度影响电除尘器的三个方面来看，除尘器的运行温度应在烟气露点温度以上，且运行温度越低效果越好。

2.3 气体成分影响

电负性气体在与电子碰撞过程中很容易传递电荷，形成负离子。而负离子与电子相比，向收尘极移动的速度要慢得多，因而能形成大量的空间电荷，有效拓宽了电晕窗口，同时也影响了二次电流的大小。因此电负性气体含量的变化会对除尘器的电离特性产生影响。

试验采用的气体为模拟高炉煤气，主要成分为CO：25%～30%，CO2：9%～12%，N2：55%～ 60%，H2：1.5%～3.0%，O2：0.2%～ 0.4%。电负性气体主要为CO2、CO和O2。

图7 为4 种压力条件下的试验结果，其余压力下规律与之类似。分析可知，空气相比煤气区别明显，空气电离特性更好，可获得更高电晕电压。煤气成分变化的总体对比规律性不强，主要原因来自于煤气组分1 至组分8 的电负性气体的体积占比变化幅度太小，CO2的3 种浓度分别为9%、11.5%和12%，CO 分别为25%、27.5% 和30%，O2分别为0.2%、0.3%和0.4%，浓度变化幅度不足以在放电特性变化上体现出来，只有组分5 在几乎所有对比图中表现出较强的规律性，相比其余组分气体更易击穿，曲线最靠左，也与组分5 的CO2这一主要电负性气体的浓度最低相符合。