, 孙熙, 余振辉 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-03-07
基金项目：国家“十三五”重点专项(2017YFC0211801，2016YFC0801704，2016YFC0203701，2016YFC0801605)；辽宁省重点研发计划项目(2019JH2/10100004)；浙江省重点研发计划项目(2020C03089)；工信部绿色制造项目(2018LSLN001)；沈阳市社会治理科技专项(20-206-4-09)。
作者简介：吕超(1993-), 男, 河南许昌人, 东北大学博士研究生;
柳静献(1966-), 男, 河北元氏人, 东北大学教授, 博士生导师;
孙熙(1945-), 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授。
摘要：细颗粒物的单极荷电能够改善细颗粒物被纤维滤料过滤的性能.本文设计搭建了由线板式预荷电器和纤维滤料集尘装置组成的复合静电增强过滤实验平台, 分别研究了在不同荷电类型、不同荷电电压以及不同过滤风速三种工况下, 单极荷电的燃煤飞灰颗粒被聚苯硫醚(PPS)纤维滤料捕集时捕集效率及阻力特性的变化规律.结果表明, 随着荷电电压的升高, 过滤风速的下降, 纤维滤料对荷电燃煤飞灰颗粒物捕集效率提高的同时压差增量减小, 且压差增长速率明显降低.粒径越小, 过滤效果增加越明显, 且负荷电提高效果优于正荷电.
关键词：燃煤飞灰颗粒纤维滤料单极荷电捕集效率压差
Enhancement of Filtration Performance of Fibrous Filter for Unipolarly Charged Coal-Fired Fly Ash
LYU Chao, LIU Jing-xian
, SUN Xi, YU Zhen-hui School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: LIU Jing-xian, E-mail: liujingxian@mail.neu.edu.cn.
Abstract: The filtration performance of bag filter for fly ash from power plants can be improved by unipolar charger. In this paper, hybrid electrostatic filter comprised of pre-charger and fibrous filter were designed and manufactured. Under different charge types, applied voltages and flow velocities, collection efficiency and pressure drop of PPS fibrous filter for unipolarly charged fly ash particles were investigated. The results indicated that with the increase of the applied voltage and the decrease of filtration velocity, the collection efficiency of bag filter is improved, and the growth rate of pressure increment is significantly reduced. The smaller the particle size, the more obvious the increase in the filtration effect, and the improvement effect of negatively charged particles is better than that of positively charged particles.
Key words: coal-fired fly ashfibrous filterunipolar chargingcollection efficiencypressure drop
燃煤电厂每年产生大约7.5亿t的飞灰颗粒物[1], 因此, 从电厂产生的烟气中高效去除燃煤飞灰颗粒是通风除尘领域亟需解决的问题.实践证明, 袋式除尘是控制粉尘尤其是微细颗粒物的最有效手段, 过滤材料是其核心[2], 但其阻力较高而实际运行中需要额外的能量, 从而增加了此类系统的运行成本.因此, 需要开发新的技术, 既可提高纤维过滤材料对飞灰颗粒物的捕集效率, 又不增加其阻力, 特别是捕集粒径小于2.5 μm的颗粒物.近年来, 通过颗粒带上电荷从而有效影响纤维滤料过滤效率和压差特性的研究取得了一定的成果[3-4].Tu等[5]和Rodrigues等[6]分别研究了颗粒物荷电水平对涤纶及丙纶针刺毡过滤效率及压差特性的影响, 但其研究的影响因素较单一, 未将工业实际应用中对滤袋有重要影响的因素进行系统全面的考虑, 例如过滤风速及荷电类型等.Choi等[7]研究了涤纶针刺毡结构对于捕集荷电颗粒物的影响, 但其公开发表的科研成果中未对压差特性进行研究, 且其研究颗粒物粒径范围为10~40 μm, 并未涉及工业领域重点关注的PM2.5.Penney[8]和Ariman等[9]分别研究了颗粒物荷电对纤维滤料压力增长特性的影响, 但其几乎未涉及到对过滤效率影响的研究.Huang等[10]对纤维滤料对荷电颗粒物捕集过程进行了微观形貌分析, 发现不带电粒子在滤料上的沉积形状为不规则链状, 而当粒子带电时, 其链状结构显得相对笔直, 其结果为解释颗粒荷电有效降低纤维滤料压差增长提供了实验支撑.带电粒子产生的电力可以远超重力, 在某些情况下, 甚至可以超过气流中的空气动力, Lundgren等[11]验证了静电电荷对纤维滤料脱除颗粒物的影响, Coury [12]则理论推导出了镜像-偶极子无量纲参数, 用于表征基于镜像力的单纤维捕集效率.上述研究从理论方面解释验证了颗粒荷电能够有效提高纤维滤料过滤效率的原因.
综上所述, 目前对于利用颗粒物单极荷电强化纤维滤料过滤性能的研究有了一定的进展, 但仍缺少系统全面的关于燃煤飞灰单极荷电对纤维滤料过滤性能强化的研究, 且由于相关文献中所用预荷电装置种类繁多, 其实验中所用颗粒物多为氧化铝或滑石粉等实验室尺度用料，与实际工业应用差别较大, 测试所用纤维滤料种类多样等原因, 故相互之间无法进行有效地对比说明, 导致不能进一步归纳总结更为普适性的结论.因此, 本文设计搭建了由线板式预荷电器和纤维滤料集尘装置组成的复合静电增强过滤实验平台, 分别研究了在不同荷电类型、不同荷电电压以及不同过滤风速三种工况下, 燃煤飞灰颗粒(PM2.5)单极荷电对于聚苯硫醚(PPS)针刺毡滤料捕集效率及阻力特性的影响规律, 研究成果对于燃煤电厂企业颗粒物脱除具有一定的实际意义.
1 实验材料与方法1.1 实验材料本文所用纤维滤料均为PPS针刺毡, 测试颗粒物为燃煤电厂飞灰颗粒物.采用YG(B)141D数字式织物厚度仪、BT224S型分析天平、X射线荧光光谱分析仪以及Malvern激光粒度仪对飞灰颗粒物及纤维滤料的相关特性参数进行测量.表 1给出了两种实验材料特性参数的测试结果, 图 1给出了燃煤飞灰颗粒物的粒径分布, 其中, D50为颗粒物中值粒径.
表 1(Table 1)
 表 1 飞灰颗粒物及纤维滤料的特性参数Table 1 Performance parameter of fly ash particles and fibrous filter
| 表 1 飞灰颗粒物及纤维滤料的特性参数 Table 1 Performance parameter of fly ash particles and fibrous filter | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 燃煤飞灰颗粒粒径分布Fig.1 Size distribution of fly ash particles |
1.2 实验方法图 2给出了复合静电增强过滤实验平台示意图, 图 3给出了预荷电区域及纤维滤料集尘区域局部俯视图.如图 3所示, 预荷电区被分为两个等容空间, 每个空间的容积为50 mm×50 mm×200 mm, 含尘气体分别等量进入2个预荷电器.2根铜电晕放电线分别位于3块接地铜极板(200 mm×50 mm)的中心, 其直径为0.8 mm, 长度为200 mm.燃煤飞灰颗粒物通过发尘器及文丘里管被分散后, 进入预荷电器荷电后, 被下游的聚苯硫醚针刺毡(法兰固定)捕集脱除.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 复合静电增强过滤实验平台Fig.2 Experimental platform of hybrid electrostatic filter |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 预荷电区域及纤维滤料集尘区域局部俯视图Fig.3 The top view of pre-charger and dust collection region in hybrid electrostatic filter |
图 4给出了正/负预荷电器的伏安特性图.由图 4可以看出，正/负电压与其对应的电流均呈现明显的二次函数关系，结果与汤森德定律一致.故本文所用正/负直流高压发生器运行稳定可靠.为保证颗粒物荷电充足及仪器运行稳定, 故本研究将初始电压至击穿电压范围的80%作为实验区间, 用于研究颗粒物在不同荷电电压情况下被纤维滤料捕集的规律, 本文其他研究内容如未特殊说明, 均为在22 kV负直流电源稳定运行实验工况下测试得到.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 正/负预荷电器伏安特性曲线Fig.4 The voltage-current characteristic of pre-charger |
本文通过空气粒子计数器(APC, 型号9306, TSI Inc.Shoreview, MN, USA) 分别测量纤维滤料上游和下游单位体积内颗粒物粒子数目，用以计算纤维滤料的捕集效率；使用压差计(Testo 512)分别测量过滤实验过程中纤维滤料上游和下游不断变化的压力值，用以研究纤维滤料压差变化规律.分别研究不同荷电类型(荷正电和荷负电)、不同电压(16, 18, 20, 22 kV)以及不同过滤风速(0.5, 0.1, 0.02 m/s)三种工况下, 燃煤飞灰颗粒单极荷电对于聚苯硫醚纤维滤料捕集效率及阻力特性的影响规律.所有实验均在环境温度为20 ℃, 相对湿度为15%的条件下进行, 实验平台相关仪器均接地.捕集效率计算公式如下:
 | (1) |
2 结果与讨论2.1 不同荷电类型图 5给出了飞灰颗粒物在高压电源±22 kV工况下分别带正/负电荷对PPS针刺毡过滤效率的影响.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 荷电类型对于纤维滤料捕集效率的影响Fig.5 Effect of charged type of particle on collection efficiency |
由图 5可以看出, 颗粒物荷负电后其捕集效率提高效果优于荷正电, 其效率提高百分比随着粒径的增大而逐渐减小.对于较小粒径颗粒物, 两种荷电类型的增强效果差距尤其明显, 例如对于0.3 μm粒径颗粒物, 荷负电颗粒物效率为93.04%，较荷正电颗粒物效率90.67%提高了2.35个百分点.这是由于在预荷电区, 电晕线附近区域的电子有足够的能量撞击气体分子使其电离, 从而产生大量正离子和高能自由电子, 对于正直流电场, 电子向负电晕线移动, 正离子由于库仑斥力扩散到周围, 因此其主要表现为正离子的荷电作用.而对于负直流电场, 自由电子由于库仑斥力而远离电晕线区域, 其能量急剧下降而大量附着在气体分子上形成了负离子, 因此其以负离子及电子对颗粒物的荷电为主[13].在这个过程中, 含飞灰颗粒气流被引导穿过电晕放电场, 并被电晕放电产生的正/负离子或电子附着而带电.由图 4可知, 相同电压条件下, 负电源电流大于正电源电流, 且放电电压越高趋势越明显.电流密度越高, 即空间中离子密度越高, 颗粒物荷电量越多, 则荷电颗粒物在滤料表面形成尘饼具有更高电势, 对于后续的具有同电性的颗粒物的库仑阻力更大[3], 因此, 颗粒物荷负电后其捕集效率提高效果优于荷正电.
2.2 不同荷电电压图 6给出了颗粒物被不同放电电压荷电后, PPS针刺毡的捕集效率的规律变化, 相关实验数据由表 2给出.由图 6及表 2可以看出, 燃煤飞灰单极荷电对增强纤维滤料过滤性能效果明显.这主要是因为粉尘被荷单一电性电荷后, 其靠近纤维时会使纤维感应带上异性电荷而在其周围形成电场, 电场产生的镜像力会增强纤维对粉尘的捕集力.其次随着过滤实验的进行, 单极荷电颗粒物之间以及与其在滤料表面形成的同极性尘饼之间的库仑斥力增加, 故以上原因均使得过滤效率提高[5-6].
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 荷电电压对于纤维滤料捕集效率的影响Fig.6 Effect of applied voltage on collection efficiency of fibrous filter |
表 2(Table 2)
表 2 不同荷电电压条件下PPS针刺毡对于飞灰颗粒的捕集效率Table 2 Collection efficiency of PPS filter for fly ash under different voltages??
| 表 2 不同荷电电压条件下PPS针刺毡对于飞灰颗粒的捕集效率 Table 2 Collection efficiency of PPS filter for fly ash under different voltages?? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
由图 6还可以看出, 随着荷电电压的升高, PPS针刺毡对荷电飞灰颗粒物的捕集效率升高.在保证电源平稳运行的最大放电电压情况下(-22 kV), 其对测试的颗粒物全粒径尺寸捕集效率已均高于97%.对于粒径较小颗粒物, 其增强效果尤其明显, 例如，PPS针刺毡对未荷电0.3 μm颗料物捕集效率仅为60.84%，而其对-22 kV荷电电压条件下，单极荷电0.3 μm颗粒物的捕集效率已高达97.96%.这是由于气溶胶粒子的荷电是一个复杂的电流体力学过程, 但其荷电机制主要分为两种[14]: 场致荷电qf(见式(2))和扩散荷电qd(见式(3)):
 | (2) |
 | (3) |
研究表明对于粒径大于0.2 μm的颗粒物以场致荷电为主[15].本节实验中所使用的负电压分别为16, 18, 20, 22 kV, 计算得到场强分别为(6.4, 7.2, 8.0, 8.8)×105 V/m.根据式(2)可以得到颗粒物(0.3, 0.5, 1.0, 2.5 μm)在不同放电电压条件下的理论荷电量, 计算结果如表 3所示.由表 3可以看出, 随着颗粒物粒径增大, 其理论荷电量也增加, 且随着荷电电压的升高, 相同粒径颗粒物荷电量也增加.预荷电区域内的电流密度升高, 则空间中离子密度变高, 故颗粒物荷电量变多, 因此, 随着荷电电压的升高, 无论是镜像力导致的纤维捕集能力增强或是同极性尘饼导致的颗粒穿透滤料能力降低, 最终均表现为PPS针刺毡对荷电飞灰颗粒物的捕集效率随着放电电压的增大而显著提升, 其理论分析与实验结果相一致.
表 3(Table 3)
表 3 不同荷电电压条件下飞灰颗粒理论荷电量Table 3 Charge of fly ash under different voltage??
| 表 3 不同荷电电压条件下飞灰颗粒理论荷电量 Table 3 Charge of fly ash under different voltage?? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3 不同过滤风速图 7给出了不同风速下, PPS针刺毡对于未荷电及荷电颗粒物的捕集效率变化规律, 相关实验数据由表 4给出.由图 7及表 4可以看出, 随着过滤风速的增加, PPS针刺毡对于未荷电及荷电颗粒物的捕集效率均随着粒径的增大而升高, 且在相同风速条件下, PPS针刺毡对于荷电颗粒物的捕集效率均高于未荷电颗粒.首先, 这是由于随着过滤风速的增加, 飞灰颗粒物预荷电时间减小, 其荷电量也降低, 因此, 由于库仑斥力及镜像力导致的过滤增强效果减弱; 其次过滤风速增大后, 其本身动能的增加, 导致其穿透率的增加, 效率降低.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 风速对纤维滤料捕集效率的影响Fig.7 Effect of flow velocity on collection efficiency (a)—预荷电器OFF；(b)—预荷电器ON. |
表 4(Table 4)
表 4 不同风速下纤维滤料对未荷电及荷电颗粒物捕集效率Table 4 Collection efficiency of PPS filter for uncharged and charged particles under different flow velocities??
| 表 4 不同风速下纤维滤料对未荷电及荷电颗粒物捕集效率 Table 4 Collection efficiency of PPS filter for uncharged and charged particles under different flow velocities?? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.4 颗粒物荷电对于纤维滤料压差特性的影响由于不同块滤料初始压差值不同，故无法直接比较其压差特性.本文定义压差增量为过滤实验过程中某一时刻纤维滤料上下游压差与其初始压差的差值.图 8给出了PPS针刺毡在过滤未荷电及荷电飞灰颗粒物的实验过程中压差增量曲线.由图 8可以看出, 颗粒物荷电可以有效地降低纤维滤料的压差增量增长.当颗粒物未荷电, 过滤实验运行540 s时, PPS针刺毡的压差增量为220 Pa, 而相同工况下, 当飞灰颗粒物荷电后, 压差增量只有37 Pa, 同比降低约83.18%.由图 8还可以看出, 颗粒物荷电能使纤维滤料的压差增量的增长速率明显变缓.对压差增量的稳定增长区域进行线性拟合, 颗粒物荷电后能使滤料的压差增量增长速率(斜率)降低80.73%.这是因为飞灰颗粒物荷电后, 其在滤料表面形成的尘饼与颗粒物本身具有同性电荷, 由于库仑斥力的作用, 减弱了颗粒物对尘饼的撞击速度, 因此, 由荷电颗粒物形成的尘饼更加的疏松多孔[8-10], 则其相应的压差增量及压差增长速率也必然降低.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 颗粒物荷电对于PPS针刺毡压差特性的影响Fig.8 Effect of charged particles on pressure drop of PPS |
3 结论1) 颗粒物荷负电后其捕集效率均高于荷正电, 且其效率提高百分比随着粒径的增大而减小.对于0.3 μm粒径颗粒物, 荷负电颗粒物效率为93.04%较荷正电颗粒物效率90.67%提高幅度最大为2.35个百分点.
2) 随着荷电电压的升高, 颗粒物理论荷电量增加, 纤维滤料对荷电燃煤飞灰颗粒物的捕集效率升高.在最大稳定放电电压情况下(-22 kV), 其对0.3~2.5 μm颗粒物捕集效率均高于97%.对于0.3 μm粒径颗粒物, 纤维滤料对荷负电颗粒物捕集效率达到97.96%较未荷电颗粒物捕集效率60.84%提高幅度最大为37.12个百分点.
3) 随着过滤风速的增加, 纤维滤料对于未荷电及荷电颗粒物的捕集效率均随着粒径的增大而升高, 且在相同风速条件下, 纤维滤料对于荷电颗粒物的过滤效率均高于未荷电颗粒.
4) 燃煤飞灰颗粒物荷电能使纤维滤料的压差增量变小, 且增长速率也降低, 其压差增量降幅高达83.18%, 压差增量增长速率降幅可达80.73%.
5) 颗粒物荷电提升纤维滤料过滤性能的主要机理有两个: 尘饼未在纤维滤料表面形成前，镜像力增强了纤维对粉尘的捕集效率, 同电性尘饼逐渐形成后, 库仑斥力阻碍了荷电粉尘通过滤料.颗粒物单极荷电对降低其“穿透”纤维滤料能力是两种机理在不同过滤阶段分别占据主导作用且相互耦合的结果.
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