双极荷电静电除尘器收集高比电阻微尘的实验.pdf

烟 气 污 染 治 理 双极荷电静电除尘器收集高比电阻微尘的实验 ＊ 陈 玲 夏良健 沈高鹏 范先媛 武汉科技大学 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室, 湖北 武汉 430081 摘要 根据粉尘层反电晕现象分析, 提出在接地收尘极板上布置芒刺反电晕放电极的双极电晕静电除尘器, 这种双极 电晕静电除尘器能避免粉尘层的反电晕。 在平均场强约 3. 4 kV cm时, 采用粒子图像测速仪 PIV 测得电场内正、负离 子风的核心区风速约 2 m s。 实验表明 , 离子风对收集微细粉尘有很好的促进作用。 在常温常压下, 平均场强为 3. 4 kV cm、气流速度在 0. 5～ 2. 0 m s的范围内, 对质量中位径为 0. 159μ m、比电阻为 2. 41014Ψ cm 的硅微粉的电除 尘效率测定结果表明, 双极荷电静电除尘器的除尘效率高于单极荷电静电除尘器。 观察发现, 由于接地芒刺的存在, 即使对于比电阻高达 2. 41014Ψ cm 的硅微粉, 沉积在双极荷电静电除尘器收尘极板上的粉饼没有出现反电晕。 关键词 静电除尘器 双极荷电 比电阻 离子风 除尘效率 ＊国家科技部技术开发研究专项资金资助项目 2002EG113032 0 引言 自1907年科特雷尔 Cottrell 将静电收尘技术用 于净化工业烟尘获得成功以来 ,静电除尘器在空气污 染控制领域得到越来越广泛的应用 。然而,静电收尘 技术发展到今天, 有两大难题一直没有得到很好解 决 一是超细微粒 亚微米及以下微粒 的有效收集, 二是对高比电阻 ρR 10 11 Ψ cm 烟尘的净化 。人们 之所以关注高比电阻粉尘的收集, 是因为在电除尘器 中,不断沉积于收尘极板上的高比电阻荷电粉尘层的 导电性较差,所带电荷不易被接地的收尘极板带走而 导致电荷积累。粉尘层中的电荷积累会形成与电除 尘器收尘电场方向相反的附加电场 ,当这一附加电场 达到粉尘层空隙内气体的击穿场强 , 就出现反电晕, 使除尘器难以稳定运行 [ 1] 。反电晕向极间释放出与 空间电荷极性相反的离子 ,降低向极板沉降粉尘的荷 电量, 同时粉尘层的反电晕还会加剧二次扬尘 ,导致 除尘效率下降 [ 2] 。为了提高对高比电阻微尘的收集 效果 ,国内外提出了很多技术方法 [ 3] , 主要有烟气调 质、 移动阳极、 湿式电除尘、冷壁电除尘和脉冲供电。 在烟气中加入水蒸气 、 氨等物质的烟气调质方法和用 水冲洗极板清灰的湿式电除尘方法能克服高比电阻 粉尘对电收尘的影响 ,但会产生结垢、 腐蚀、 二次污染 和增加运行费等问题 。运动阳极式电除尘器可连续 刮掉阳极板沉积尘 ,能消除反电晕, 但运动阳极式电 除尘器有传动件 ,结构复杂,检修维护工作量大,成本 高。冷壁电除尘可降低沉积到接地极板上的粉尘比 电阻 ,但极板易结露 ,造成清灰困难 ,目前已基本停止 使用 。脉冲供电对高比电阻粉尘的反电晕有一定的 抑制作用,但不能避免沉积粉尘层的反电晕。因此, 到目前为止 ,还没有找到经济、实用的有效收集高比 电阻微尘的电除尘方法。所以 ,开发高效收集高比电 阻微尘的电除尘器具有重要实用意义 。在此提出一 种在收尘极板和高压极板上都交错布置芒刺电极的 双极荷电除尘器。这种电除尘器不仅完全消除了沉 积粉尘层的反电晕 ,而且 ,极大地提高了对超细粉尘 的除尘效率 。 1 双极荷电静电除尘器的提出 为认识高比电阻粉尘的反电晕现象, Chang 和 Bai [ 4] 、 Cross [ 5] 和 Jaworek 等人 [ 6] 分别进行了线-板式电 除尘器和芒刺-板式电除尘器中粉尘层反电晕的实验 研究。研究表明, 反电晕现象有 2 个主要特征 粉尘 层反电晕基本处在电晕放电极正下方,反电晕点直到 击穿无转移 ; 粉尘层越厚 ,电晕电流越小 ,粉尘层越易 反电晕击穿 。如图 1所示。 图 1 反电晕现象示意图 基于上述粉尘层反电晕现象,如果在接地收尘极 板上安装芒刺, 接地芒刺与放电极芒刺交错布置, 使 反电晕点转移 , 如图 2 所示 。由于在接地极上加芒 刺,放电极芒刺产生的大量空间电荷 离子和电子 以 及沉积尘上的部分电荷会经过接地芒刺从接地极板 流走, 避免了粉尘层中过高的电荷积累 , 消除了反电 34 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 晕。接地芒刺与放电极芒刺交错布置是为了提高外 加电压,以免过早短路。实际上, 这是用接地芒刺的 反电晕替代了粉尘层的反电晕。接地芒刺的反电晕 将产生与放电极的极性相反的离子 ,接地芒刺与放电 极芒刺交错布置能减少正 、 负离子的综合作用 。由于 在电除尘器中同时存在正、负两种极性的电晕放电, 故称之为双极荷电静电除尘器。考虑到电场分布均 匀性 ,高压极也采用平板 芒刺。 图 2 双极荷电静电除尘器结构与离子风及电荷运动示意图 2 双极荷电静电除尘器的收尘性能实验研究 2. 1 双极荷电静电除尘器中的离子风测定 在双极荷电静电除尘器中 ,由于在接地极和高压 极上都采用了芒刺电极, 芒刺电极所产生的强离子风 对双极荷电静电除尘器收尘性能产生重要影响。 Jones对芒刺-板电极的离子风进行了较深入的理论 研究 [ 7] , 认为虽然离子风增加了电场中的湍流, 但离 子风的存在有助于电除尘器的收尘作用。Blanchard 等人 [ 8] 对芒刺-板电极的分析认为 , 高压极芒刺产生 的强离 子 风会 产 生反 向流 , 造 成二 次 扬尘 , 如 图3 a 。 但在双极荷电静电除尘器中, 接地芒刺将产 生正离子风, 使反向流区中的粉尘向阴极板运动, 如图 3 b 。 于是, 高压极板和接地极板都收尘 , 这一 现象在该实验中已得到证实 , 如图 4 所示。因此, 进 行离子风的测定是必要的 。 图 3 单极芒刺和双极芒刺的离子风与反向流示意图 图 4 高压极板和接地极板粉尘沉积照片 离子风测试系统如图 5 所示 。采用粒子图象测 速仪 PIV ,Y120-15E TSI 测定离子风, 摄像机位于静 电除尘实验装置顶部向下拍摄 ,示踪粒子采用中位径 为0. 159 μ m 的硅微粉, 以 1. 5 m s的气流速度喷入电 场中 。图 6 是异极距为 100 mm、芒刺长为 12 mm 时 离子风流场云图 。测试结果表明,高压极芒刺产生的 离子风略高于接地芒刺反电晕产生的离子风。离子 风核心区风速约 2 m s。 图 5 离子风测试系统 图 6 负电压为 34 kV 时垂直于极板的离子风流场云图 2. 2 双极荷电静电除尘器中的伏安特性测定 在静风 、 常温常压情况下单极荷电芒刺和双极芒 刺静电除尘器的伏安特性比较试验结果如图 7 所示。 结果表明, 双极荷电芒刺静电除尘器的外加击穿电压 略有降低, 但电晕电流显著提高 。因此 , 双极荷电芒 刺静电除尘器有更好的伏安特性。 图 7 单极芒刺和双极芒刺静电除尘器的伏安特性比较 2. 3 双极荷电静电除尘器中的除尘效率测定 除尘效率实验装置如图 8, 除尘器几何尺寸如 图5。 为体现双极荷电静电除尘器对高比电阻微细粒 子的收集效果, 实验采用高比电阻硅微粉 ,比电阻为 2. 4 10 14 Ψcm , 质 量 中 位 径 为 0. 159 μ m, 用 winner2000激光粒度分析仪的粒度分布测定结果如 图9。图 10是在平均场强 3. 3 kV cm 的室温条件下, 双极芒刺电除尘器和单极芒刺电除尘器的除尘效率 35 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 比较 。除尘效率是在每一工况下 3 次测定结果的平 均值 。测定结果表明 ,双极芒刺电除尘器的除尘效率 高于单极芒刺电除尘器的除尘效率。如当风速为 1 m s时 ,单极芒刺电除尘器的总除尘效率为 94. 6, 双极芒刺电除尘器的效率为 98. 8。电场风速为 2 m s时 ,单极芒刺电除尘器的总除尘效率为 71. 6, 双极芒刺电除尘器的效率为 89. 0。 1发尘器; 2动压平衡烟尘采样仪; 3BGG 直流高压发生器; 4除尘器; 5风机。 图 8 除尘效率测定系统示意图 图 9 实验用硅微粉的粒度分布 图 10 双极和单极芒刺电除尘器的除尘效率比较实验结果 3 讨论 3. 1 粒子荷电 双极荷电静电除尘器对粉尘有极好的荷电作用, 因为它能产生远高于单极荷电静电除尘器的电晕电 流 见图 7 。虽然高比电阻粉尘层在接地收尘极板 上的沉积降低了收尘极板的导电性 ,但接地芒刺的存 在,仍然能使高压极芒刺有很好地放电作用。在电场 中,正 、 负离子同时存在并反向运动 ,可能会出现电量 中和 ,但由于双极芒刺交错布置,而且离子风速较高, 中和掉的电量很少。 3. 2 场强分布 工业静电除尘器多为线板式 , 其电场分布不均 匀,如图 11所示。对于单极电晕芒刺的电除尘器 ,其 场强分布似乎更不均匀 , 如图 12 所示。但如果在接 地极板上加反电晕芒刺, 整个电场空间中场强会显著 提高 ,如图 13 所示 。 图 11 圆形电晕线与收尘极板间空间电场分布示意图 图 12 单极芒刺与收尘极板空间电场分布示意图 图 13 双极芒刺与收尘极板空间电场分布示意图 3. 3 离子风与除尘效率 Liang 和 lin 由半经验公式估算了线-板电极间平 均离子风为 1. 16 m s [ 9] 。按该实验的 PIV 测定结果, 在平均场强约 3. 4 kV cm 时 ,芒刺放电极产生的离子 风核心区风速达到 2 m s,而对中位径为 0. 159 μ m 的 硅微粉,在电场力作用下的理论驱进速度只有每秒几 厘米 [ 10] 。离子风速比粒子驱进速度高数十倍到上百 倍。可以认为粒子在极板上的沉降几乎不是靠电场 力作用 ,而是被离子风“吹”到极板上的。实验发现, 在正对芒刺尖的对面接地收尘极板和高压极板上都 沉积有形状非常规则的圆形粉饼,见图 14、 15。 图 14 沉积于收尘极板上的圆形粉饼 这意味着在同样的电场空间内 , 收尘面积提 高1 倍 。 因此 ,除尘效率有明显提高 。在 1 m s 的主 气流风速下, 向下游偏移不到 2 cm。这说明离子风 对粒子的收集起主导作用 。更重要的是 ,实验观察表 36 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 图 15 圆形粉饼向下游的位移量 明,由于接地芒刺的存在 ,使沉积在接地收尘极板上 比电阻高达2. 4 10 14 Ψ cm 的硅微粉没有反电晕。 4 结论 1 实验研究表明, 沉积粉尘层越厚 , 越易反电 晕。如果在接地极加反电晕放电极 ,其长度超过沉积 层厚度就能消除高比电阻粉尘层的反电晕。 2 加反电晕放电极虽然使火花电压下降 ,但却 大幅度提高了电晕电流 , 增强了荷电效果和电场 强度 。 3 采用双极芒刺放电极 ,充分发挥了离子风的 捕尘作用, 使高压极板也变为有效收尘面积 ,从而实 现了对高比电阻微尘的高效收集。 参考文献 [ 1] McDonald J K . 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[ 7] 马世豪, 何星海. 城镇污水处理厂污染物排放标准浅释. 给水 排水,2003, 29 9 89 -94. 作者通讯处 彭永臻 100022 北京市朝阳区平乐园 100 号 北京工 业大学环能学院水污染控制室 电话 010 67392627 2006- 09-27 收稿 欢迎订阅环境工程杂志 邮发代号 82 -64 37 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 TREATMENTOFPHARMACYWASTEWATERBYHYDROLYTICACIDIFICATION -SBR PROCESSBai Liyun Hu Xiaodong XiaoYongsheng et al 25 Abstract It is introduced the application of hydrolysis acidification-SBR process in a pharmacy factory. The debugging and running for a period of time shows that this process is feasible to treat mixed pharmacy wastewater which has highly concentrated organic impurities and large variety of wastewater quality and flux. The water quality of the final effluent can meet the second grade of Guangdong Local Effluent Discharge Standard. It has notable advantages such as simple operation, stable running. Therefore, this process is worthy to be popularized. Keywords hydrolysis acidification, sequencing batch reactor andmultiple pharmacy wastewater ADVANCED PROCESS FOR TREATING DE -INKING WASTEWATER IN PAPERMAKING PROCESSYu Guanlong Yang Chunping Ma Shuguang et al 28 Abstract An advanced process for treating de -inking wastewater is described. The principles, schematic flow diagram, and major structures of this advanced treatment process are presented, and the effects of parameters of design and operation of this process are discussed. A de -inking wastewater treatment project has been set up using this process in a big papermaking factory. The effluent water from this process meets the limits of the class two in the National Comprehensive Wastewater Discharge Standards GB8979 -1996. Measureshave been proposed to troubleshoot the problems in the oepration of this process. Keywords de -inking wasterwater, organic compounds, activated sludge process, advanced oxidation technology andwasterwater treatment THE CONTROL OF AERATION RATE AND THE VARIATION RULES OF PH AND DO IN A O PROCESSPeng Feng Peng Yongzhen Ma Yong 31 Abstract The effect of aeration rate on nitrification, and the variation rules of DO and pH in aerobic zones, were studied at different operational conditions. It is found that the average nitrification rate and DO concentration were gradually increased, but the increased range was reduced. The nitrification rate could be indirectly controlledby aeration rate, so as to meet the effluent standard. The average DO concentrationand the type of pH profiles could be used to determine the aeration if excessive, sufficient or insufficient. Keywords aeration rate, DO , pH, A O process and control EXPERIMENT ONTHE COLLECTION OF FINE DUST WITH HIGH RESISTIVITY BY A BIPOLAR DISCHARGING ESPChen Ling Xia Liangjian Shen Gaopeng et al 34 Abstract A new electrostatic precipitator ESPfor avoiding the back corona of the high resistivity dust layer is developed by fixing the barb nail discharging electrodes on the grounded plate electrodesbased on the analysis of the phenomenonof the back corona of the high resistivity dust layer deposited on the grounded plate electrodes. Therefore, this ESP becomes a bipolar discharging ESP because the negative and positive ions are generated simultaneously by the high voltage discharging electrodes and the grounded barb nail discharging electrodes respectively. The ionic wind is measured by a particle image velocimetry PIV because the ionic wind plays an important role in collecting the fine dust with high resistivity. The positive and the negative ion wind velocities in core area are about 2m swhen the distance between the opposite electrodes is 100 mm at the voltage of 3. 4kV. In our comparison experiments, the overall efficiency of the bipolar discharging ESP for collecting the silica flour with 0. 159μ m mass median diameter is higher than that of the unipolar discharging ESP at the mean electric field of 3. 4 kV cm at the room temperature and pressure. The experimental observation shows that the there is no back corona in the bipolar discharging ESP even when the very high resistivity silica flour 2. 4104Ψ cmis used. Keywords ESP, bipolar discharging, dust resistivity, ionwind and collection efficiency NUMERICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY ON GAS FLOW DISTRIBUTION OF STRAIGHT-THROUGH FLOW BAGHOUSEDang Xiaoqing Gao Ruifang Ma Guangda et al 38 Abstract By using computational fluid dynamics CFD , the gas flow distribution of a large straight through baghouse in the coal- boiler power plantwas analyzed numerically. Through numerically analyzing gas flow distribution in the tank body, air volume of every filter bag cell, head-on gas flow velocity distribution of filter bag were demonstrated. The calculated results were better consistent with the model experiment and the measured results in the field. And the results can be as the basis for optimizing structure design of baghouse. Keywords coal-boiler power plant, baghouse, CFD and gas flow distribution EXPERIMENT ON DESULFURIZATION OF SINTERED FUME WITH WASTEWATER FROM CONVERTERLu Gang Xu Bing Xing Yi et al 41 Abstract A simulation experiment was carried out on desulfurization of fume by waste water from converter. Factors as gas speed, start SO2 concentration, ratio of liquid and gas, reaction duration, temperature are studied to find the impacts on desulfurization. Under the designed experiment situation, good deculfurization result was got through controlling the experimental parameters. Keywords waste water from converter, fume from sinter and desulfurization STUDY ONDYNAMIC ADSORPTION OF CHLORO BY ACTIVATED CARBON FIBRE TaoYangyu Kang Juan Xu Zelin et al 44 Abstract In order to study dynamic adsorption of chloro organic waste gas by using activated carbon fiber ACFas adsorption material, the influence of chloro inlet concentration, gas flow rate, temperature, the times of regeneration on adsorption efficiency and the 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 4, Aug . , 2007