, 张欣安2, 蔡继莹11. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 内蒙古京能盛乐热电有限公司, 内蒙古 呼和浩特 011518
收稿日期：2016-04-18
基金项目：中国农业部农村能源专项(2015-36)。
作者简介：郝文阁(1959-), 男, 河北唐山人, 东北大学教授。
摘要：为了验证立式方筒静电脱雾除尘器对微细粉尘的净化效果, 按照工程实际应用要求的规格尺寸, 组建了一套单筒脱雾除尘器试验测试系统.在实验系统上分别测试了电场风速、极间电压、电场长度、粉尘质量浓度等因素对模拟烟气中微细粉尘的除尘效果的影响.测试结果表明, 在电场风速为2.6 m·s-1, 极间电压60 kV, 电场长度6 m条件下, 立式方筒静电脱雾除尘器对烟气中质量浓度低至50 mg·m-3的粉尘表现出96.66 %的除尘效率; 并且, 对粒径≤2 μm的粉尘颗粒仍然具有93 %的除尘效率.
关键词：微细粉尘电场长度粒度分布净化效率
Superfine Dust Removal Performance in Vertically Quadrate Wet Electrostatic Precipitation
HAO Wen-ge1, LIU Sai1
, ZHANG Xin-an2, CAI Ji-ying11. School of Resource Engineering & Civil, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Inner Mongolia Jingneng Shengle Thermal Power Co., Ltd., Hohhot 011518, China
Corresponding author: LIU Sai, E-mail: 18204043602@163.com
Abstract: In order to verify removal performance of superfine dust in the vertically quadrate wet electrostatic precipitation(WESP), a WESP test system was set up in accordance with the practical engineering application requirements. In the experimental system, the influence of factors on the dust removing effect were tested such as the wind speed, the voltage between the electrodes, the electric field length and the dust concentration of fine dust in the simulated flue gas. The test results showed that when wind speed was 2.6 m·s-1, voltage was up to 60 kV, field length was 6 m and dust concentration of fine dust in the simulated flue gas was low to 50 mg·m-3, the dust removal efficiency in the vertically quadrate electrostatic precipitation dust showed high to 96.66 %; also, the removal efficiency of dust particle whose diameter was equal to or less than 2 μm still achieved 93 %.
Key Words: superfine dustelectric field lengthparticle size distributionremoval efficiency
湿式电除尘器(WESP)与干式电除尘器的除尘基本原理相同.WESP早期主要应用于冶金、制酸等工业生产中酸性雾滴的捕集[1].WESP的结构分为线管式、八角蜂窝式、环形布线同心圆式等几种典型结构.随着对烟气净化要求的提高, 国外开始将WESP应用于燃煤锅炉烟气净化系统的末端, 净化从SO2吸收塔排出烟气中的细颗粒粉尘和吸收液雾滴[2].目前美国采用在湿法脱硫系统后加装湿式静电除尘器, 作为控制SO3酸雾的措施, 代替在电除尘器前烟道内喷氨除SO3酸雾的方案[3-4].Mertens等通过实验研究发现, WESP不仅能降低颗粒物的排放浓度还能显著地减少SO2和CO2的排放量.对于清洁燃煤的火力发电厂的废气, 运行湿式电除尘器可以同时作为减轻温室气体的选择[5].Bandyopadhyay等证实了WESP对PM2.5的去除效率高于90%[6].Kim等的研究结果证实加装WESP能够使得烟尘排放质量浓度低于5 mg·m-3[7].Bayless等证实了烟气浊度降低至10 %, 甚至有些已经达到接近零浊度排放[8].
目前, 我国针对燃煤电厂锅炉烟气的治理提出十分严格的“超低排放”要求, 为了达到5 mg·Nm-3的粉尘排放标准, 国内电厂也加大力度推广在净化系统末端加装WESP的技术路线.运行实践表明, 燃煤烟气净化系统末端增设WESP可以大幅度降低烟气中微细粉尘的排放浓度.同时可以去除湿法脱硫后烟气中尚存在的吸收浆液液滴, 有效缓解下游烟道的腐蚀, 避免烟囱排放口附近区域出现的“石膏雨”.刘丽娜等对伏安特性曲线明显不同的三种极配型式下的WESP进行了收尘试验, 得到了使WESP实现微细颗粒高效脱除的极配型式.证明了湿法脱硫后增设WESP可以实现微细粉尘浓度的低排放[9].
虽然WESP在国内外的实际应用皆取得了较好的效果, 但是迄今国内尚未见到有关WESP主要运行参数与细粉尘收尘效率之间关系的系统研究.针对研发的立式方筒湿式静电除尘器, 为了确定合理的结构及运行参数, 在组装的全尺度WESP模型上分别开展了电场风速、极间电压、粉尘浓度及电场长度与除尘效率之间关系的实验测试研究.研究结果表明立式方筒静电脱雾除尘器具有结构简单、便于组装、单位过流断面具有的收尘极面积大等特点; 并且, 只要科学确定WESP的结构及运行参数, 其对细粉尘的捕集效率完全可以达到超低排放的要求.
1 实验系统及测试方法1.1 实验系统实验系统主要由除尘器、进风管、出风管、引风机、采样器、倾斜微压计、发尘装置及高压电源组成, 如图 1所示.其中除尘器模型箱体高11m, 其中有效电场高度为8 m, 电场断面为500 mm×500 mm的方形.沿电场通道中心垂直悬挂芒刺形电晕线.进、出风管上设有测试孔, 用以测定气流的风速及粉尘浓度.除尘器收尘极板顶端设置布水装置, 通过调节溢流水量保证收尘极板上涂刷的防腐导电涂层恰好处于湿润状态, 达到防止极板上沉积粉尘层产生二次飞扬的效果.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system |
实验设备和仪器如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 试验设备及仪器型号Table 1 List of apparatus
| 表 1 试验设备及仪器型号 Table 1 List of apparatus |
实验选用粉尘为滑石粉, 粒径范围在0~12 μm, 质量中位径为5 μm, 除尘器入口处气体中所含粉尘的粒径质量累计分布如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 粉尘粒径分布情况Fig.2 Size distribution of dust particle |
1.2 测试方法1.2.1 粉尘粒径分布的测定根据GB 3095－2012采用滤膜溶解涂片法, 将采集有粉尘的过氯乙烯滤膜溶于乙酸丁酯溶液中, 形成粉尘颗粒的悬浊液, 制成标本, 在显微镜下进行测量和计数粉尘的大小及数量.
1.2.2 电场风速的测定根据GB/T 18204.1－2013采用倾斜式微压计在测风口处测定管内进风气流的平均动压.将动压换算成气体流量除以除尘器的过流断面面积, 即可得到电场中风流的平均风速.
1.2.3 除尘效率测定1) 总除尘效率.进气与出气管烟气中粉尘浓度采用GB5748－85质量法进行测定.考虑到极板上水膜的影响, 每次所有的采样滤膜在测试前后皆在恒温箱中进行干燥处理.用型号为BSA224S-CW的天平(max=220 g, d=0.1 mg), 称测滤膜的粉尘增重.并按式(1)计算采样气体的粉尘浓度.
 | (1) |
运用式(2)计算除尘效率.
 | (2) |
2) 分级除尘效率.采用分级除尘效率表征一定粒径区间粉尘的除尘效果.
 | (3) |
1.2.4 电场伏安特性测定在实验进行过程中, 通过高压电源控制仪, 采用改变极间施加电压的方式读取不同电压条件下的电流强度值, 并换算成单位收尘极板面积上的电流面密度.
2 实验结果与讨论2.1 电场伏安特性图 3为电场在风速2.5 m·s-1时, 进气不发生粉尘情况下的伏安特性曲线.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 伏安特性曲线Fig.3 Characteristic curve of current and voltage |
随着电压的增加, 电流逐步增加; 当极间电压升高到65 kV时, U-j特性曲线并未显示电场出现击穿的迹象.
2.2 电场强度对除尘效率影响在电场长度为8 m时, 在电场风速2.5 m·s-1的条件下, 控制发尘质量浓度为110 mg·m-3, 测试电场强度对除尘效率的影响, 实验结果如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 除尘器除尘效率与电压关系Fig.4 Relationship between dust removal efficiency and voltage |
当极间电压从50 kV升高到60 kV时, 除尘效率显著提高; 极间电压进一步升高, 除尘效率提高较为缓慢.可选择60 kV作为除尘器运行时的极间电压.
2.3 电场风速对除尘效率影响在电场长度为8 m时, 控制发尘质量浓度为110 mg·m-3, 极间电压固定在65 kV的情况下, 测试过滤风速对除尘效率的影响.结果如图 5所示.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 除尘效率与过滤风速关系Fig.5 Relationship between removal efficiency and the filtration velocity |
从图中可以发现, 除尘效率随电场风速的提高有下降的趋势.在电场风速为1 m·s-1时, 除尘效率可接近99.99 %.当电场风速增大到2.5 m·s-1时, 除尘效率开始快速下降, 考虑到除尘器体积及制作成本等因素, 选定电场风速为2.5 m·s-1.
2.4 电场长度对除尘效率影响为了实测考察电场长度对除尘效率的影响, 固定极间电压为60 kV, 控制发尘质量浓度为110 mg·m-3, 通过采取自除尘器下端逐级摘除电晕线的方式, 测定有效电场长度分别为2, 4, 6和8 m的除尘效率, 结果如图 6所示.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 电场长度与除尘效率关系图Fig.6 Relationship between removal efficiency and electric field length |
测试结果显示, 对于1 m·s-1的电场风速, 4 m的电场长度就已经达到较高的除尘效率; 对于2.5 m·s-1的电场风速, 电场长度需要达到6 m时, 除尘效率的升高趋势开始变缓.
依据电场进风风量和收尘极板面积整理出的比集尘面积与除尘效率之间的关系如图 7所示.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 比集尘面积与除尘效率关系图Fig.7 Relationship between removal efficiency and specific collection area |
分析计算结果发现, 除个别点稍有偏离外, 除尘效率与比集尘面积二者之间基本符合多依奇效率公式所揭示的指数关系.当比集尘面积达到50 s·m-1时, 除尘效率可达到99.60 %.
在最佳电场强度和发尘质量浓度固定的条件下, 将影响WESP除尘效率的除尘器结构和运行参数的收尘极面积与电场含尘气体流量参数进行无量纲处理, 得到图 8.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 无量纲分析Fig.8 Dimensionless analysis |
图 8再次证明, 除尘器对粉尘的除尘效率基本符合多依奇公式:
 | (4) |
2.5 粉尘浓度对除尘效率影响在电场长度为6 m, 电场风速为2.5 m·s-1, 极间电压为60 kV的实验条件下, 改变发尘质量浓度, 得到如图 9所示的粉尘质量浓度与除尘效率关系图.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 除尘器除尘效率与粉尘质量浓度关系Fig.9 Relationship between removal efficiency and dust concentration |
从图中看出, 随着粉尘质量浓度的增加, 除尘效率提高, 且当空气中粉尘质量浓度大致在50 mg·m-3这种较低水平时, 除尘效率仍可达到96.66 %.
2.6 分级除尘效率当电场长度为6 m时, 基于对进气中所含全部粉尘的除尘效率及进气中粉尘和排气中粉尘的质量频率分布的测试结果整理出的分级除尘效率曲线如图 10所示, 对于粒径小于5 μm的粉尘颗粒, 分级除尘效率受电场风速的影响较明显.但是, 即使电场风速达到2.5 m·s-1, 对于粒径小于2 μm粒径粉尘的除尘效率仍可达到93 %.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 分级除尘效率Fig.10 Classification removal efficiency |
研究结果表明, 在选择的结构及运行参数条件下, 除尘器对微细颗粒粉尘具有很好的净化效果.考虑到模拟含尘气体中若有水雾将会造成粉尘采样困难, 本次测试并未向模拟气体中喷加水雾.实际应用时烟气中的水雾有助于粉尘颗粒的凝并, 对于除尘效果产生正面作用; 至于水雾的增加会一定幅度削减电场的电流强度对于除尘效果造成的负面影响程度, 则可以间接地从实验揭示的粉尘浓度的增加对除尘效果并未产生不利影响这一事实加以推断.
3 结论1) 通过电场风速、极间电压、电场长度的变化对除尘效果影响的测试结果分析, 针对模拟含尘烟气条件, 可以确定电场风速为2.5 m·s-1、极间电压为60 kV、电场长度为6 m作为脱雾除尘器较为合理的运行参数.
2) 通过对烟气中粉尘浓度对除尘效果影响的测定分析发现, 随着粉尘浓度的提高, 除尘效率呈现逐渐升高的趋势; 对于50 mg·Nm-3这样较低粉尘质量浓度, 脱雾除尘器仍然可以达到96.66 %较高的除尘效率; 同时, 在较低含尘浓度范围内, 粉尘浓度升高给除尘效果带来的正面影响, 间接地揭示出, 脱雾除尘器实际应用时烟气中含有一定浓度的水雾会一定程度削减电场电晕电流密度给除尘效果造成的不利影响可能并不显著.
3) 对分级除尘效率的分析发现, 脱雾除尘器对于粒径小于2 μm的粉尘的除尘效率可以达到93 %.除了具有结构简单, 制作安装方便, 单位过流断面收尘面积大等优点外, 对于微细粉尘也具有较高除尘效率, 立式方筒脱雾除尘器完全可以作为安装在燃煤锅炉烟气净化系统末端的设施, 完成对细粉尘和雾滴的高效捕集.
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