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电场中沉降粉体接触粘结力的分析 ＊ 唐敏康 江西理工大学, 赣州 341000 罗诗文 江西应用技术职业学院, 赣州 341000 摘要 应用接触电位差理论和高斯定理, 分析了电除尘器收尘极板上沉降粉尘粒子与极板间的双电层现象, 继而探讨 了两者间的接触粘结力, 建立了粘结力与物质材料电子逸出功的关系。 研究表明, 紧密接触的沉降粉尘粒子与极板间 的接触粘结力与它们各自的电子逸出功之差成正比。 这一粘结力是阻止微细粉尘脱离收尘极板的一个重要因素。 关键词 接触电位差 电子逸出功 双电层 振打清灰 ＊国家自然科学基金资助项目 50167001 0 引言 干式电除尘器振打清灰效果不好是影响除尘器 收集效率的一个重要问题 ,其致命的原因就是极板振 打时所产生的二次扬尘 。收尘极板上积灰过厚会使 除尘效率降低; 而积灰过薄反而要较大的振打力, 且 被振打下来的粉尘易被粉碎, 引起粉尘再飞扬 ,同样 使除尘效率下降。因此, 清除粉尘时, 要防止或尽量 减少粉尘重新被卷入气流 。在干式电除尘器中,尘粒 在干式状态下被捕集, 并借电力、机械力和分子力的 综合作用而附着在极板上 。在粉尘层积累到一定厚 度时 ,由振打装置产生的振打力使其剥落到下部的灰 斗中去 [ 1] 。为了使粉尘较好地剥落下来 ,必须使粉尘 粘附到一定的厚度, 在电晕放电特性下降以前给以振 打冲击力。粉尘层能粘附在电极上 , 是因为有电力、 极板表面与尘粒之间的粘附力和范德华力作用的结 果,其中电力是通过粉尘层的离子电流所产生的。该 力能使高比电阻粉尘牢牢地附着在电极上,需要较强 的振打冲击力; 对于像碳黑这种低比电阻粉尘 ,附着 力不强,就不需要较强的振打冲击力。粉尘之间内聚 力对振打清灰通常是有利的 , 它们能使粉尘聚成团 块,减少振打清灰时的二次扬尘。粉尘粘附力受排烟 温度 、 烟气成分的影响,烟气温度在露点以下时,粉尘 结露 ,振打剥离就比较困难。因此, 探讨沉降粉体与 收尘极板之间的力学性质 ,有助于人们正确理解和解 决振打时产生二次飞扬的问题 ,从而达到提高电除尘 器收集效率的目的。 1 双电层现象和接触电位差 在电除尘器的实际运行中 ,振打清灰效果不理想 的极端情况是即便是停电振打 ,在收尘极板上仍有许 多沉积粉尘因粘结力过大而不能被震落 。粉尘在极 板上产生的粘结力可用双电层和接触电位差理论予 以解释 [ 2] 。 正常物体正 、 负电荷相平衡,都是中性的 ; 当发生 电荷转移, 物体上正 、 负电荷失去平衡时 ,即成为带电 体。原子得失电子的能力决定于原子的电子层结构、 原子半径以及原子核内质子的多少 ; 原子得失电子的 能力可用电负性来衡量; 电负性越大者得到电子的能 力越强。一般来说, 能级越低者越稳定。两种物质接 触时 其间距离 25 10 -8 cm , 由于不同原子得失 电子的能力不同 ,外层电子的能级不同 , 其间即发生 电子的转移 ,并包含着能量的传递 。因此 ,两种物质 接触时 ,界面两侧会出现大小相等、符号相反的两层 电荷 。这两层电荷即称为双电层; 其间的电位差即称 为接触电位差。 在正常情况下 ,由于正离子的束缚作用, 必须有 外力做功才能使电子脱离原来的原子或原子团。这 就是说,电子在正常情况下具有负的位能 。使一个电 子逸出物质所要求外界做的功称为逸出功或功函数。 不同物质的逸出功是不相同的。根据逸出功的定义 可以知道, 逸出功越小者 ,越容易失去电子而带正电。 应用逸出功的概念, 可以比较形象地解释两种物质接 触面上的双电层和接触电位差。图 1 是形成接触电 位差的示意图。如图所示 ,两种物质内电子的位能是 不同的 ,并分别为 W1和 W2, 与电子在真空中的位能 比较 ,二者都是负值, 形成所谓位能井 。当两种物质 紧密接触, 其间距离 25 10 -8 cm 时, 由于第二种物 质内电子的位能比第一种物质的高 ,第二种物质则有 较多的电子流入第一种物质, 使其与第一种物质分别 带上正电和负电 ,形成双电层 。随着电子从第二种物 39 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 质向第一种物质转移 ,第二种物质内电子的位能逐渐 降低 ,而第一种物质则逐渐升高。达到平衡时界面上 出现 W1-W2的位能差 。这个位能差与电子电量的 比值即为接触电位能差 [ 3] 。 图 1 接触电位差的形成 2 粉体的接触粘结力 当粉尘粒子沉积在收尘极板上时, 由于粉尘粒子 和金属收尘极板这两种物质内电子的位能不同 , 这 里不妨设粉尘粒子的位能小于金属极板的位能 , 因 此,当它们紧密接触时 , 金属极板内部有较多的电子 流入粉尘粒子内部, 即粉尘粒子的逸出功大于金属板 的逸出功 ,则粉尘粒子与金属极板分别带上负电和正 电,形成双电层 。到达平衡时, 界面上出现两者的位 能差 ,这个位能差与电子电量的比值即接触电位差。 根据双电层和接触电位差的理论, 可以推知沉积粉尘 粒子与金属极板紧密接触再分离时 , 即会产生静电。 两种物质相互摩擦产生静电, 其中就包括通过摩擦实 现较大面积的紧密接触, 在接触面上产生双电层的过 程。这种静电力的作用就是阻止沉积粉尘粒子脱离 收尘极板 。当然 ,需要说明的是两种物质的接触电位 差与物质性质及其表面状况有很大关系 ,也就是说两 种相互紧密接触的物质所呈的电性在很大程度上还 受物质所含杂质成分 、 表面氧化和吸附情况、温度 、 压 力、 外电场等因素的影响 ,不一定符合有关文献所给 出的静电序列 [ 3] 。 为分析沉积粉尘粒子与金属极板之间因紧密接 触而产生的静电力 粘结力 的大小 ,不妨先考察两物 质接触界面上的电荷密度 σ的大小 , 因为 σ是表征 物质带电情况的重要参数之一 。在宏观上,可以把沉 积在收尘极板上的粉尘层视为均匀电介质,则粉尘层 与收尘极板紧密接触时, 界面带电情况如图 2 所示 。 对金属收尘极板而言 ,由接触而产生的正电荷集 中在表面 ,设其面电荷密度为 σ,对粉尘电介质 ,电荷 分布在沉积粉尘层的厚度为 L 内 , 设其体电荷密度 为 γ 。在两物质的界面上取一端面积为 S ,垂直于界 图 2 面电荷密度计算图 面的封闭柱面。运用高斯定理得到 [ 4] ∮ εdEds Q 1 式中 Q 封闭柱面内的电荷量 C; E 封闭柱面内的电场强度 V m 。 考虑到金属极板内的电场强度为 0, 沉积粉尘层 因接触电位差存在而产生的电场也可视为均匀,且方 向与柱面方向一致。因此 , 1 式左边积分为 ∮ εdEdS εdEhS 2 式中 Eh 沉积粉尘层内离界面 h 处的电场强 度 V m。 Q σ S γ hS 3 ∵σ-γ L 。由式 2 、 3 可得 EhQ ε dS 1 εd σγ h γ εd h -L 4 ∵ 在厚度为 L 的沉积粉尘层内所产生的接触电位 差为 ∫ L 0 Ehdh ∫ 1 0 γ ε d h -L dh -γ L 2 2ε d 令 W1和 W2分别为金属极板和沉积粉尘层的逸出 功,e 为电子电量 e 1. 6 10 -19C ,则有 -γ L 2 2ε d W1-W2 e 或 γ - 2ε d eL W2 -W1 或 σ 2ε d eL W2-W1 5 5 式即为沉积粉尘层与金属收尘极板界面上面电荷 密度的计算公式 。由式 5 可得沉积粉尘层单位面积 上的静电力 。 f σ E 2ε d eLE W 2-W1 6 这一静电力是阻止微细粉尘脱离收尘极板的一 个重要因素 ,它严重地影响了振打清灰的效果, 应引 起人们的高度重视 。 6 式表明, 接触静电力与两种 紧密接触的物质的逸出功之差成正比。由此 ,选择一 种电子逸出功接近粉尘粒子, 但电阻率又略小于粉尘 粒子的材料来制作收尘极板, 以便降低沉积粉尘层与 收尘极板间的粘结力, 提高振打清灰的效果 ,但又不 影响粉尘粒子所带电荷的泄漏 。 40 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 以上所讨论的因接触而产生的静电力产生在粉 尘粒子与收尘极板之间, 在粉尘粒子之间也存在这种 静电力。因为对大多数粉尘粒子而言, 尽管粒子内部 的性质是相似的, 但其表面的逸出功却很可能不一 样,所以每个粒子表面的逸出功是不均匀的。也就是 说,粒子间也存在接触电位差 。显然, 这种电位差的 存在是有利于粒子间的凝并, 有利于提高振打效果 。 3 结语 在此仅从静电力的方面定性讨论了沉积在收尘 极板上的粉尘粒子的力学性质 。实际上 ,影响沉积粉 尘层粘结力的因素很多, 很有必要对这方面的问题进 行定性定量的分析研究, 以深化人们对这一问题的认 识,并指导人们的实践。 参考文献 [ 1] Tang Minkang , Cai Sijing. Coherence Properties of Precipitated Dust Layer in Electrostatic Precipitator. Proc . of the 2004International Symposium on Safety Science and Technology , Shanghai, 2004, 1309 - 1311. [ 2] 管义夫. 静电手册 中译本 . 北京 科学出版社, 1981 23 -48. [ 3] 杨有启. 静电安全技术, 北京; 化学工业出版社, 1983 79 -98. [ 4] 贾启民. 电磁学. 上海 复旦大学出版社,1987 34 -56. 作者通讯处 唐敏康 341000 江西省赣州市红旗大道 86 号 江西 理工大学 205 号信箱 2006- 05-29 收稿 面向加油站的油气回收处理装置及其关键技术 ＊ 陈家庆 曹建树 王建宏 李汉勇 北京石油化工学院, 北京 102617 摘要 在阐述加油站油气回收特点与可行措施的基础上, 介绍发达国家几种面向加油站发油环节的膜法强化油气回 收处理装置, 并从膜分离材料类型和膜组件结构等角度对其有关的关键技术进行分析。 关键词 加油站 烃类 VOCs 强化油气回收 气体膜分离 ＊北京市科技新星计划项目 2005B25 ; 北京市教委科技发展计划项 目 KM200610017003 随着汽车等燃油交通运输工具的普及,油品销售 行业迅速发展, 油库 、 加油站的数量继续逐渐增多 ,但 在这些油品收发场所不可避免地存在油气蒸发损耗 问题。蒸发损耗的油气实际上是烃类 VOCs 与空气 的混合物,不仅危害健康 、污染环境 、 浪费能源 、 影响 安全生活与生产 ,而且还降低了油品质量 [ 1] 。美国、 德国等西方发达国家自 20 世纪 80 年代以来纷纷颁 布法令要求在这些场合进行油气回收处理,并最终实 现零排放 。目前国内在面向加油站油气回收处理工 艺技术方面所取得的实质性进展不大, 迫切需要有针 对性地开展研究开发工作 。 1 加油站油气回收处理的特点与可行措施 据欧美发达国家的实践, 涉及到加油站的油气回 收可划分为密闭卸油和密闭发油两个阶段。如图 1 所示, 密闭卸油就是当油罐车卸油时, 将油罐车与地 下储油罐采用输油管及油气回收管连接成密闭系统, 地下储油罐中同体积的油气被回收到油罐车中; 密闭 加油是利用特殊的加油枪将机动车油箱中的油气经 加油枪、 抽气泵回收到地下储油罐内饱压 [ 2] 。 图 1 加油站密封卸油和密闭发油系统流程示意图 1. 1 加油站油气回收的特点 在常压状态下, 汽油蒸气的体积约为同质量液态 汽油体积的 250 倍,因此需要收集和回收处理的油气 体积显然大于油液的收发体积 。环境温度不同时 ,因 自然蒸发而形成的油气浓度也有所不同 ; 环境温度为 40 ℃时, 油气浓度可达 42 体积百分比, 下同 ; 环 41 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 other sludges, such as urban and papermaking sludges etc. Keywords printing the faults and noise sources of the unit were determined based on the frequency spectrum and noise distribution and the project for eliminating faults and reducing noise was established according to vibration -acoustics analysis. And then a sound insulation cover was built by optimizing some parameters of the compound sound -absorbing structure. This can provide the reference for faults diagnosis and noise control of the large -scale units. Keywords chiller, vibration-acoustics analysis, noise control and sound-absorption structure THETECHNOLOGYOFLANDFILLLEACHATETREATMENTUSINGAGED -REFUSE BIOREACTORBian Bingxin Zhao Youcai Zhou Zheng et al 52 Abstract This paper isgoing to study the constituentsof aged -refuse less than 15 mm after being sieved and design aged -refuse bioreactors to treat landfill leachate with fillers of those constituents. It is shown that aged -refuse has larger adsorption specific surface area, biggish ion exchange capacity, higher contents of organic matter and considerable microorganism species groups both onvariety and quantity which are usedfor biodegradation. Thus it is a kindof excellent biomedium inwaste water treating. It is indicated in engineering applications that the total removal rate of CODCrand NH 4-N can be seperately high than 90 and 95 and the effluent can come up to the state landfill leachate discharging standard within the second grade or the third grade stably after being treated by three aged -refuse bioreactors in -line. Keywords aged-refuse, bioreactor and leachate STUDY ONAPPLICATION OF GEOCOMPOSITE IN LANDFILL XiaoHenglin Xiao Bin Zhang Suhang 56 Abstract The application of geocomposite drainage layers in landfill is introduced briefly. It was studied the permeability, shear strength, long -term reduction factors and other key inds of the material in deteail. The design was given. At last, the test, construction, and material -selecting were discussed and recommendations were given. Keywords geocomposite, drainage, landfill and shear strength 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007