摘要:由Deutsch 公式可知，塵粒驅(qū)進(jìn)速度的大小直接決定著電除塵器除塵效率的高低。從提高驅(qū)進(jìn)速度的角度入手，通過(guò)分析影響電除塵器除塵效率的主要因素與驅(qū)進(jìn)速度的關(guān)系，得出提高電除塵器除塵效率的方法，為設(shè)計(jì)合理、高效、節(jié)能的靜電除塵器提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:驅(qū)進(jìn)速度,電除塵器,除塵效率

0 引言

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，排放的煤煙氣體對(duì)環(huán)境的污染程度越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)人類的身體健康造成極大的危害，可吸入顆粒物能夠?qū)е路尾。?xì)微顆�？梢赃M(jìn)入人的血液循環(huán)，引起心血管疾病。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)煙塵氣體高效率的去除，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是我們現(xiàn)在面臨的一項(xiàng)嚴(yán)峻考驗(yàn)。2003 年新實(shí)施的火電廠排放標(biāo)準(zhǔn)要求將粉塵排放濃度控制到50 mg /m3［1］，使現(xiàn)在的絕大多數(shù)的電除塵器難以達(dá)到新的煙塵允許排放標(biāo)準(zhǔn)。如何提高除塵器的除塵效率尤其是細(xì)微顆粒的捕集，是目前迫切需要解決的難題。影響驅(qū)進(jìn)速度的因素很多［2］，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，多達(dá)20 多種，其中主要有:粉塵比電阻、粉塵顆粒大小、操作電壓、電流、離子風(fēng)、有效收塵面積和其他條件等。近年來(lái)，很多專家學(xué)者對(duì)除塵器的參數(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了顯著的成果。

1 提高驅(qū)進(jìn)速度的最新研究進(jìn)展

1. 1 改良電暈極

鄭雙忠［3］等人對(duì)寬間距長(zhǎng)芒刺電除塵器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定寬間距長(zhǎng)芒刺電除塵器的各項(xiàng)參數(shù)，并且運(yùn)用最優(yōu)化原理從理論上加以論證。長(zhǎng)芒刺電暈極具有明顯的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)芒刺電暈極產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)高于其他電暈極的場(chǎng)強(qiáng)，芒刺電暈極能產(chǎn)生較強(qiáng)的離子風(fēng)，能增加粒子的驅(qū)進(jìn)速度、助長(zhǎng)粒子的凝聚。很多研究者都討論了電風(fēng)現(xiàn)象，但所給的電風(fēng)結(jié)果相差很大。Hends［4］指出，在電暈極附近，電風(fēng)可高達(dá) 75 m / s，而liang 和lin［5］卻由半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出圓形電暈極與平板接地間的平均風(fēng)速為1. 162 m / s。李慶［6］等采用了在收塵極板分區(qū)布點(diǎn)的方式測(cè)量離子風(fēng)速分布，測(cè)得風(fēng)速在1 m / s左右. 在相同的電壓下離子風(fēng)速隨收塵極距的增大而減小，且收塵極距越小，風(fēng)速特性曲線越陡;正對(duì)應(yīng)著放電極線，測(cè)得離子風(fēng)速較大，距離放電極線越來(lái)越遠(yuǎn)，離子風(fēng)速逐漸減小。K. S. P. Nikas 等［7］在實(shí)驗(yàn)室模擬電除塵器內(nèi)部的流動(dòng)和收集機(jī)制，由于放電極以及電壓供應(yīng)方式不同產(chǎn)生離子風(fēng)，分析表明離子風(fēng)對(duì)氣流和橫向輸運(yùn)率產(chǎn)生顯著影響，尤其是對(duì)粉塵小微粒的影響從而直接影響到除塵器的除塵效率。離子風(fēng)產(chǎn)生的氣流使氣流方向由單向流動(dòng)變成向四面八方擴(kuò)散，在超出收集板的邊界后仍能保持高度的非均勻分布，從而有利于對(duì)小粉塵顆粒的收集，模擬結(jié)果表明，如果忽視離子風(fēng)的作用，除塵效率將由99. 95% 下降到99. 65%。但是到目前為止關(guān)于離子風(fēng)只有理論分析而無(wú)法測(cè)出離子風(fēng)的大小，關(guān)于離電暈區(qū)較遠(yuǎn)的電場(chǎng)中的電風(fēng)大小缺乏確切的描述，對(duì)電風(fēng)測(cè)定方法的研究成為制約性因素。

1. 2 改進(jìn)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

在單區(qū)靜電除塵器中［8］，粒子的荷電和捕集都在一個(gè)區(qū)內(nèi)完成，而雙區(qū)靜電除塵器的粒子荷電部分和收塵部分是分開(kāi)的。前區(qū)安裝電暈極，粉塵在此區(qū)內(nèi)荷電，后區(qū)安裝收塵極，粉塵在此區(qū)內(nèi)被捕集。雙區(qū)電除塵技術(shù)是在末電場(chǎng)中，將單一的高壓電塵荷電區(qū)和收塵區(qū)，并用不同的高壓電源供電。根據(jù)需要，有所區(qū)別地向這兩個(gè)區(qū)供應(yīng)適宜的運(yùn)行電壓強(qiáng)化其荷電和收塵功能［9］。荷電區(qū)主要是對(duì)粉塵進(jìn)行荷電同時(shí)又在陽(yáng)極板上收集帶負(fù)電荷的粉塵。收塵區(qū)則使顆粒從煙氣中分離，將絕大部分的顆粒吸附到收塵板上;同一些帶正電荷的顆粒吸附至其陰極( 又稱輔助電極)。雙區(qū)電場(chǎng)由于荷電與收塵區(qū)分開(kāi)后，在荷電區(qū)可以比較靈活地調(diào)整電壓，通過(guò)減小極間距，可以在較低的電壓下能使塵粒充分地荷電，運(yùn)行也更安全。在收塵區(qū)，可大大地提高收塵電場(chǎng)的均勻性，有利于提高除塵效率。章榮發(fā)［10］對(duì)雙區(qū)電場(chǎng)對(duì)粉塵驅(qū)進(jìn)速度的提高系數(shù)研究表明，為防止電除塵器發(fā)生反電暈問(wèn)題并提高除塵效率，在末電場(chǎng)采用雙區(qū)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，將粉塵荷電、收塵的過(guò)程及其電源供電設(shè)備分開(kāi)，使兩個(gè)區(qū)域的電氣運(yùn)行參數(shù)分別達(dá)到最佳化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，與傳統(tǒng)臥式電除塵器相比，雙區(qū)電場(chǎng)可使粉塵平均驅(qū)進(jìn)速度提高20% 左右;除塵效率則隨之上升，并將粉塵排放濃度降低到50 mg /m3 以下。

1. 3 改良供電電源和供電方式

靜電除塵器的供電電源也是提高粉塵驅(qū)進(jìn)速度的重要方面，提高供電水平可以在節(jié)能的同時(shí)，有效收集高比電阻粉塵，提高除塵效率。傳統(tǒng)靜電除塵器的供電方式為直流脈動(dòng)，現(xiàn)在常采用與常規(guī)電源不同的高頻變換式電源、間歇供電和脈沖供電的技術(shù)來(lái)改變粉塵的荷電特性。電除塵器采用脈沖供電控制方式的目的是為了克服和抑制反電暈現(xiàn)象的發(fā)生。它的供電實(shí)質(zhì)是在一定的直流基礎(chǔ)電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)具有一定重復(fù)頻率、寬度很窄而電壓峰值又很高的脈沖電壓［11］。脈沖供電電壓是在很短的時(shí)間內(nèi)在電極上施加快速上升的脈沖，提高了電場(chǎng)擊穿電壓，所以施加在電場(chǎng)上的峰值電壓比常規(guī)電壓一般高 1. 5 倍～ 4 倍;脈沖供電時(shí)，陰極具有非常均勻的電暈分布和很強(qiáng)的電暈放電能力，從而提高了粉塵的荷電概率;可在脈沖峰值電壓基本不變的條件下，通過(guò)改變脈沖重復(fù)概率，在大范圍內(nèi)選擇電暈平均電流，因此，對(duì)粉塵性質(zhì)的變化有良好的適應(yīng)性，有利于克服電暈現(xiàn)象，可以明顯降低運(yùn)行電流，節(jié)能效果顯著;當(dāng)粉塵阻率高于1012 Ω·cm 時(shí)，除塵與節(jié)電效果更加明顯。脈沖供電的這些特點(diǎn)使其在當(dāng)今世界范圍內(nèi)的鍋爐電除塵器應(yīng)用領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的重視。

Masuda［12］，王海寧等人［13］分別用高電壓窄脈沖供電方法，對(duì)煙塵進(jìn)行脈沖直流電場(chǎng)的同極性離子進(jìn)行荷電凝聚，增大了煙塵荷電量及粒徑，提高了煙塵的荷電凝聚性能，改善了靜電除塵器的反電暈問(wèn)題，使捕集高比電阻煙塵的效率有所提高。2003 年Mantegna 等人［14］、2004 年Ahmadi 等人［15］分別進(jìn)行了荷電粉塵的流體動(dòng)力學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交變電場(chǎng)對(duì)異極性離子具有較強(qiáng)的荷電凝聚作用，無(wú)火花放電的峰值電壓，可提高粉塵粒子的荷電量，從而使粉塵粒子獲得更大的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到提高收塵效率的目的。交變電場(chǎng)的應(yīng)用改善了粉塵，特別是對(duì)微小粉塵的收集性能。2007 年浙江大學(xué)的Rui Xie［16］等運(yùn)用諧振技術(shù)，變壓技術(shù)和磁技術(shù)研究出一種短時(shí)間內(nèi)提高輸出電壓，降低能源損耗的高壓脈沖電源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到該脈沖電源在4 kV，功率在10 kHz時(shí)，電源能夠有效的運(yùn)行。脈沖電源能夠提供一個(gè)壓縮的電流和電壓波形，電壓峰值比常規(guī)電壓要高許多，能夠滿足電除塵器電源高壓的需求，所以用高壓脈沖電源供電要比常規(guī)高壓要好很多。高壓脈沖供電能使脈沖供電能使極板間電場(chǎng)強(qiáng)度增大，使極板間電流密度分布均勻性趨好，改善電除塵器的運(yùn)行狀況，有效抑制反電暈，提高粉塵的荷電量，增加塵粒的驅(qū)進(jìn)速度，提高電除塵器的除塵效率。

1. 4 縱橫復(fù)合式橫向極板除塵器

傳統(tǒng)電除塵器的收塵極板與氣體的進(jìn)入方向平行，氣體的驅(qū)進(jìn)速度僅由氣體的慣性力決定，為了達(dá)到除塵效率，需要增加電場(chǎng)的長(zhǎng)度，浪費(fèi)了大量的鋼材。而橫向極板電除塵器是一種新型的除塵器，收塵極板與氣體運(yùn)動(dòng)方向垂直，使電場(chǎng)力和慣性力方向一致，氣體的驅(qū)進(jìn)速度由電場(chǎng)力和慣性力共同決定，增大了驅(qū)進(jìn)速度，提高了除塵效率，改善電除塵器性能，減少了資源的浪費(fèi)。同時(shí)極板的橫向布置還可以起到勻化氣體分布的作用。由于這項(xiàng)技術(shù)在流場(chǎng)方向，提高離子的輸出濃度等方面技術(shù)尚不成熟，因而需要進(jìn)一步研究。

橫向極板電除塵器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了一定的研究: 西安熱工研究院已經(jīng)對(duì)橫向極板電除塵器進(jìn)行了一定的研究，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并就其發(fā)明的橫向折角槽板式電除塵器申請(qǐng)了國(guó)家專利［17］。專利的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是改常規(guī)電除塵器中收塵極板與氣體流入方向平行的布置形式，代之以將具有一定角度的若干塊槽型收塵極板錯(cuò)列橫置于工作室內(nèi)，使除塵器內(nèi)電場(chǎng)方向與含塵氣體的流入方向基本一致。在收塵極板面積不增加和氣體流速不降低的情況下，可有效地提高整個(gè)設(shè)備的除塵效率。南方冶金學(xué)院的鄒永平、張谷貽等［18 － 19］對(duì)影響收塵效率的幾個(gè)因素進(jìn)行了多因素正交實(shí)驗(yàn)，據(jù)此得出了最佳極線是RS 管狀芒刺線，極板為槽形凹向風(fēng)流的極板，還有配置的參數(shù)，并且還對(duì)異極間距、線異比、隙寬比、平均場(chǎng)強(qiáng)、電場(chǎng)平均風(fēng)速、電場(chǎng)單元數(shù)等六個(gè)因素進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，對(duì)電除塵器的收塵機(jī)理以及影響收塵效率的因素進(jìn)行了研究，對(duì)Deutsch 效率公式進(jìn)行了修正。它們還通過(guò)對(duì)粒子驅(qū)進(jìn)速度的研究，得出了橫向極板電收塵器中粒子驅(qū)進(jìn)速度與收塵極板上平均電暈功率密度、極板間距、平均電場(chǎng)風(fēng)速、收塵極板面積間的關(guān)系。鄔長(zhǎng)福、周永安［20 － 21］對(duì)橫向極板電除塵器的特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為在同一條件下，相比常規(guī)電除塵器，橫向極板電除塵器具有氣流均布性好，運(yùn)行風(fēng)速大，體積小，收塵效率高等特性;還對(duì)收塵極板作了研究，得出收塵極板形狀對(duì)收塵效率的影響，認(rèn)為C 型板是最佳的極板形式。

從高氣壓非平衡等離子體物理及氣體放電物理學(xué)的角度分析，目前靜電除塵器的除塵效率仍然不高或不穩(wěn)定的根本原因在于除塵器荷電區(qū)內(nèi)的粒子部分仍被束縛。在電場(chǎng)中發(fā)生復(fù)合反應(yīng)及出現(xiàn)過(guò)早沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出的離子濃度較低，輸運(yùn)率不高( 離子密度僅為100 / cm3 左右) ，從而使粉塵的凝并沉降過(guò)程受到影響，這也是造成目前靜電收塵器體積大、質(zhì)量重、投資高及后級(jí)電場(chǎng)中細(xì)微粉塵捕集率低等問(wèn)題的根本原因。針對(duì)目前離子輸運(yùn)率不高的問(wèn)題，研究了除塵器內(nèi)多種參數(shù)對(duì)離子輸運(yùn)的影響，提出進(jìn)一步提高帶電粒子密度，促進(jìn)離子輸出的有效可行的方法，降低因振打引起的二次揚(yáng)塵。

依成武、吳春篤等［22］研究的高風(fēng)速橫向極板電除塵技術(shù)，如圖1 所示把收塵極板從順氣流方向排列改成迎氣流方向，此時(shí)在邊界層內(nèi)塵粒向集塵極板上運(yùn)動(dòng)速度是風(fēng)速與驅(qū)進(jìn)速度的代數(shù)和，極大提高了塵粒向集塵極運(yùn)動(dòng)的速度，從而提高了收塵效果。采用雙C 型集塵極板，并按迎風(fēng)方式排列可能在短時(shí)間內(nèi)以較大的氣流速度把塵粒驅(qū)趕到集塵極表面加以捕集，成倍減少了ESP 截面積和長(zhǎng)度，體積較常規(guī) ESP 成倍減少，實(shí)現(xiàn)了ESP 小型化。潘玉良［23］，吳立群運(yùn)用了機(jī)械動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、靜電場(chǎng)力學(xué)原理在 Ω － 2C 型收塵板的基礎(chǔ)上提出了一種新的迎風(fēng)型靜電收塵板結(jié)構(gòu)－ ω 型靜電收塵板。使氣流的速度在一定范圍內(nèi)促進(jìn)了有效驅(qū)進(jìn)速度的提高。

2 新式結(jié)構(gòu)提出

如圖2 所示，本文作者也采用與氣流方向垂直布置的收塵極板。但與現(xiàn)有的橫向極板不同的是，將放電極設(shè)置在迎氣流的集塵極間隙出口端［24］。由于間隙出口端風(fēng)壓很大，使流過(guò)放電電場(chǎng)的氣流流速高達(dá) 5 ～ 20 m / s，大大增加了帶電粒子動(dòng)能，能使離子有效擺脫電場(chǎng)的束縛，進(jìn)而提高了離子輸運(yùn)率，離子密度從目前106 ～ 107 / cm3 提高到108 ～ 109 / cm3 ，可使目前的煙塵驅(qū)進(jìn)速度從3 ～ 20 cm / s 提高到20 ～ 200 cm / s. 同時(shí)，解放受電場(chǎng)的擊穿電壓的限制，電場(chǎng)中的庫(kù)倫力幾乎處于臨界值，塵粒驅(qū)進(jìn)速度只能在很小范圍內(nèi)得到改善的問(wèn)題。采用橫向極板，使煙氣流速成為增加煙塵有效驅(qū)進(jìn)速度的有利因素。這種方法通過(guò)提高帶電粒子動(dòng)量方法解決電收塵器離子輸運(yùn)率低的問(wèn)題，從而提高較高的離子密度，進(jìn)而增加煙塵粒子的荷電量，提高帶電粒子的驅(qū)進(jìn)速度，解決常規(guī)電除塵器存在的捕集微細(xì)煙塵效率低，一次投資高，體積龐大以及剛材用量過(guò)多的等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

驅(qū)進(jìn)速度是除塵效率的關(guān)鍵參數(shù)，也是提高除塵效率最有效的途徑。本文介紹了近年來(lái)電除塵器的最新研究進(jìn)展，對(duì)影響除塵效率的電極結(jié)構(gòu)，電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，電源供電方式等因素進(jìn)行了探討，提出未來(lái)電除塵器的發(fā)展方向，改變目前電除塵效率低的現(xiàn)狀，為研究新型電除塵器提供理論指導(dǎo)。

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