靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響

1、文章編號:0258-8013 (2006 24-0106-05 中圖分類號:TK284; X5 文獻標識碼:A 學科分類號:470 20 靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響黃 斌,姚 強,宋 薔,龍正偉,李水清(清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室,北京市 海淀區(qū) 100084Effect of the Electrostatics on the Fibrous Filter Filtrating Fly AshHUANG Bin, YAO Qiang, SONG Qiang, LONG Zheng-wei, LI Shui-qing(Key Laboratory for Thermal S

2、cience and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University,Haidian District, Beijing 100084, ChinaABSTRACT: The effect of the corona charging, electric field polarizing and neutralizing particles cases on the commercial fibrous filter filtrating fly ash has been investigated experime

3、ntally, including pressure drop, penetration and the change of the single particle charge between upstream and downstream. The results show that the polarizing and neutralizing cases go through three stages: clean filtration, clogging and cake filtration. However, charging case never formats cake ev

4、en the pressure drop comes to over 5000Pa. Thus, the charging case has a largest increase rate. For all cases, they have a high penetration at the initial stage, especially for the submicron particle. With filtration, the penetration decrease to less than 0.01% when pressure drop is near to 1000Pa.

5、The single particle charge in charging result indicates that the charge of penetrated particles is far less than that of particle in the upstream, which implies that the charge of particles play an important role in particle penetration.KEY WORDS:particle; charging; fibrous filter; filter cake; pres

6、sure drop; penetration摘要:實驗研究了在商用的纖維濾料中, 窄分布飛灰顆粒在 電暈荷電、 電場極化及靜電中和器中和等外加條件對過濾壓 降、 穿透率以及上游顆粒與逃逸下游顆粒的荷電分布特點的 影響。 實驗結果表明,在 3.95m/min的過濾速度下,極化及 中和工況經(jīng)歷了清潔濾料過濾、堵塞和顆粒層過濾 3個階 段,而電暈狀態(tài)在 5000Pa 以后仍未形成完整的顆粒層,壓 降增 長 的速度 顯著大于其它 2個工況。 3種情 況 初始 階段 亞 微米 顆粒 都有一 個 高 的穿透率,在 還不到 1000Pa 時 ,穿透 率 均已 下降 到 0.01%以下。 ELPI 測量 結果

7、表明,下游顆粒 電荷明 顯比 上游顆粒 小 , 說 明電荷 量可能 對穿透率 起到一 個 重要作 用?；痦椖?:國 家重 點 基礎 研究 發(fā)展計劃 (2002CB211600。Project Subsidized by National Key Basic Research and Development Program(2002CB211600. 關鍵詞:顆粒 ; 電荷 ; 纖維濾料 ; 顆粒層 ; 壓降 ; 穿透率 0 引言氣體 顆粒 物脫除技術 在工 業(yè)廢氣處理 1、 高溫 煤氣凈 化 2-3和 安全生產(chǎn) 4等 技術領域 中 得到廣泛 研究。電 廠排放 飛灰以及工 業(yè)燃燒排放 的 煙塵

8、是大 氣可吸入 顆粒 物 的 重要來源 5,靜電和布 袋除塵技 術被廣泛使 用以降 低 飛灰的 排放 , 隨著人們 對 環(huán)境 要求日 加 嚴格 , 包括聲 電的 各 種技術被重 新提出 6, 其 中以靜電 除塵 與布 袋除塵 結 合 的 技術得到 最為 廣泛 的 關注 7-8。靜電影響過濾 主 要有 濾料 本身 荷 電,靜電場加 于 濾料以及顆粒 預 荷電 幾 種 方式 。工 業(yè) 上 使 用的 主 要 屬 于 顆粒 預 荷電 方式 。在 這 種技術 中, 人們 普遍認為預 荷電顆粒在纖維濾料中 進行 過 濾 能 夠 形成 疏松 的顆粒層結 構 9, 從 而 獲 得低 壓降 高 效 率的過濾 效

9、 果。 近 年 出現(xiàn) 了 不 同觀 點 10, 認為 荷電的結果 不是 像之前所 說 的 產(chǎn)生 壓降增 長 速度 的降 低 。 這主 要是 因為 實驗條件的 不 同 和 深 入全 面 的 理 解 不 夠 。 通 過實驗對 其 進行更 全 面細致 的研究 是 必 要 的。1 實驗部分1.1 實驗系統(tǒng)如圖 1, 系統(tǒng)主 要 由 4部 分 組 成 :(1 顆粒 發(fā)生 部 分。 產(chǎn)生 穩(wěn)定 的、 發(fā) 散效 果 較好 的和 可重 復 的 氣 溶膠 是比 較困難 的,國 內多采 用 送風 機加 螺旋給 料機 送 料的形 式 11-12, 這 種 方式穩(wěn) 定性 和 發(fā) 散性 都不 易控制 。 在 本 實驗中

10、, 顆粒 發(fā)生 部 分 主 要 由 1臺 氣 泵 , 1臺刷式 顆粒 發(fā)生 器 (Palas Model RBG2000德 國 , 1臺 靜電中和器 (TSI 3054A Kr85 以及 溫 濕變送 器 (JWSH-9VBC02, RH 0%90%組第 24期 黃 斌 等 :靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響 107 1空 氣; 2 高 效 過濾器 ; 3空 氣 壓 縮 機 ; 4 顆粒 發(fā) 散 器 ; 5 中和器 (Kr-85; 6 質 量 流 量計; 7 溫 濕變送 器 ; 8 ESP ; 9 高 壓 直流 靜電 發(fā)生 器 (2kV80kV ; 10采 樣 器 ; 11 濾料 ; 12 閥門

11、 ; 13 低 壓靜電 撞擊 器 ELPI ; 14 中和器 ; 15 差 壓 變送 器 ; 16 減 壓 閥圖 1實驗系統(tǒng)Fig. 1 Experimental setup成。實驗的飛灰 由 顆粒 發(fā)生 器 高 速 刷 打 散 , 然 后 由氣 泵提 供 的 高 壓 氣體 經(jīng)過 噴嘴 高 速 噴 出 , 保證0.1100µm 的顆粒 充 分 發(fā) 散 , 并 經(jīng)過中和器中和 其電荷, 其 中 氣 流 由 質 量 流 量 控制 器 控制 。(2 顆粒荷電 預 處理 部 分, 主 要包括一 線管式 荷電 通 道 和與 其 連接 的 高 壓靜電 發(fā)生 器,荷電 通道 放 電極的 直徑 為

12、0.3mm , 長 50mm 。(3 實驗段, 主 要 為 實驗濾料的 夾持 段。(4 測 試部 分, 包括 了 低 壓靜電 撞擊 器 (ELPI及 其 稀釋 系統(tǒng) ,上下游等速 采 樣裝置 , 測 試 上下游壓降的 差 壓 變送 器 (JYB-KO-BV, 05000Pa。1.2 實驗用顆粒和濾料實驗 采 用上 海某公司 提 供 的電 廠 經(jīng)過分 選 后的飛灰, 比 電 阻 1.6G cm 。 圖 2為 其 掃描 電 鏡 圖 。從圖 可 以 看 出 ,顆粒 具 有 較好 的 球 形和 較 窄的粒 徑分布, 真密 度 (測 試 儀 器 AccuPyc1330 為 2.61g/cm3,體 積平

13、均 直徑 為 1.4µm 。纖維 則 來 至某公司 工 業(yè) 商用 丙綸 濾料, 如圖 3, 厚 度 為 3mm , 纖維 直徑 為 20m 。圖 2實驗用飛灰顆粒Fig. 2 Fly ash used inthis experiment圖 3丙綸濾料表面Fig. 3 Surface of thefibrous filter1.3 測量方法實驗 采 用 ELPI 上下游 交替 測量來 獲 得 顆粒的上下游顆粒 物 的 濃 度, 其 中上游 采 用 一 級稀釋 。ELPI 上游 持續(xù) 采 樣 , 間隙 對下游 進行采 樣 , 下游 每次 穩(wěn)定采 樣 不 少 于 30個 數(shù)據(jù) 。顆粒的分

14、級 荷電 大 小 也 由 ELPI 采 用特 殊 方 法 測 出 13。1.4 顆粒荷電顆粒 發(fā)生 器 產(chǎn)生 出 的 氣 溶膠 顆粒 由 于 摩擦 和 發(fā) 散 作 用, 普遍 帶 有 較 高 電荷, 如 飛灰 主 要 攜帶負 電荷, 從 而 使氣 溶膠 不 穩(wěn)定 。靜電中和器 主 要 靠 放 射 性 元素 產(chǎn)生 的 射線 電 離 空 氣 , 從 而 使 通 過的 氣 溶膠 顆粒 帶 電 量 接 近 波爾茲曼 分布 14。 另 外,外加 電場 能使 顆粒 強 制 荷電 主 要 為 場 致 荷電和 擴 散 荷 電。 飽 和場 致 荷電 理 論 荷電個 數(shù) 15為2324prsr EEdnK e=+

15、(1 式 中 :r 為 顆粒的 相 對 介 電 常數(shù) , 本 實驗中 取 5; E 為 電場 強 度, K E =9×109; e 為 單位 電荷。2 實驗及其數(shù)據(jù)處理方法2.1 實驗實驗對 比 了 3種不 同 工況 : 中和, 即 顆粒荷 電 部 分的靜電 發(fā)生 器 產(chǎn)生 電壓 U =0kV , 電 流 I =0µA , 顆粒 發(fā)生 器 產(chǎn)生 的 氣 溶膠通 過中和器后 直接 進行 過 濾 ; 極化, 即 U =10kV , I =0µA ; 電暈荷電, 即 U =20kV , I =50µA ,電極 發(fā)生 電暈,顆粒 被 強 制 荷電。過濾過程中 濕

16、 度 穩(wěn)定 在 RH 12% 14%, 溫 度 為 2530 . 過濾速度 控制 在 3.95m/min左右 。 2.2 濾料承載顆粒量由 于 很 難 實 時 獲 取 濾料上顆粒層 質 量 , 文 獻 中 普遍采 用 最 終 濾料上的 質 量 通 過 時 間平 均來 替 代 實 時 的顆粒層 質 量 16-17, 或者 直接 采 用過濾 時 間 來 表 征 濾料上 沉 積 顆粒的 質 量 18-19。 這 種 方 法 前提 要 求 顆粒 發(fā)生 器的 濃 度在整個實驗中 均 勻 一 致 ,而 現(xiàn)108 中 國 電 機 工 程 學 報 第 26卷有 的顆粒 發(fā)生 器 設 計 很 難 保證 這 一

17、目標 , 另 外中和 器和 管道 壁 面 的 沉 積 , 預 荷電 產(chǎn)生 的 預 除塵都 影響 氣 溶膠 的 濃 度。 本 實驗 考慮 了 來 流 的顆粒 濃 度, 認 為 濾料過濾 效 率 穩(wěn)定 , 利 用 光滑 處理 后的 ELPI 測 得 的實 時 濃 度 值 與 最 終 顆粒層 質 量來 獲 得 任意 時 刻 濾料上顆粒層的 質 量1111( i ti ti i i i i ni ni ii i C t C M t m m C tC = (2 式 中 :m 為 實驗結 束 時 濾料上顆粒 質 量; n 為 實驗 總 的 測量時 間 , s ; t 為 實驗過程 某 一時 刻 ,實驗 采

18、 樣間 隔 t 為 1s ; C i 為 i 時 刻 氣 溶膠 濃 度。 2.3 穿透率穿透率 即 上游顆粒與下游顆粒的 濃 度 比 。 從 實 驗中 發(fā) 現(xiàn) ,在 較 短 的 時 間 段 內 , 可 以 認為 上游 氣 溶 膠 顆粒 濃 度 保持 穩(wěn)定 。 這 樣 ,下游 濃 度 平 均 值 與 附 近 時 間 內 上游 平 均 值 的 比 例 即 為 此 時 刻 的穿透率。3 結果和討論 3.1 壓降 圖 4為 3種 工況下壓降 隨著 濾料 單位 面 積 顆粒 承載 量 的增加的 變 化 圖 。 由圖 可 以 看 出 , 由 于初始 較 短 時 間 內 , 濾料 全體 積 參 與過濾 (纖

19、維 直接 捕捉 顆 粒 , 且 顆粒 具 有 較 高 的穿透率, 其有一 段壓降 緩慢 增 長 的過程。 隨著 濾料上 沉 積 顆粒的增加, 這 些 顆 粒 開 始 與纖維 一 樣 成 為 捕捉 氣 流 中顆粒的 主 體 ,濾 料表 面 的過濾 通 道 入 口逐步 被 堵塞, 單位質 量 沉 積 顆粒 帶 來 的壓降增加率 迅 速 升 高 。 隨著 過濾的 進 行 , 沉 積 的顆粒 長 出 濾料,顆粒 “樹枝” 以及顆粒 鏈將 相 互纏繞 形成顆粒 簇 , 然 后顆粒 簇 相連 形成 一 個整 體 , 此 后 將 進行 顆粒層的過濾。 這 個 時 期的過 濾, 由 于 顆粒層 高 度的增加,

20、 空 隙 率 相 對 于 “ 堵塞 ” 階段 變 化 緩慢 , 所 以壓降的增加 將會 減少 。極化和 中和工況在濾料 沉 積 顆粒 質 量還不到 50g/m2即 開 始 了顆粒層的過濾,壓降增 長 速度 變?yōu)?相 對 較 小 的 直線 增 長 。而電暈工況在整個實驗過程中 一 直 處于 “ 堵塞 ” 狀態(tài), 保持 較 高 增 長 速度 從 而與 其它 二者 的壓降 差 增 大 。 從 實驗結 束 后的過濾 面 照片 圖 57可 以 看 出 , 前 兩者 的顆粒層 發(fā)展得 很 充 分, 其 最 終 顆粒層 高 度 達 到 了 545µm 和 608µm 。而后 者 長 出

21、的顆粒 簇 仍 處于 相 互 連接 但又 未 連 成 一體 的狀況, 仍 有 很 多 濾料的表 面 暴露 在外 邊 (圖 中的 坑凹 處 。 這 種 “ 堵塞 ” 期的 延 長使得 在 這 期 間 電暈工況的5000 3000 10004000 2000 0 0100 200 400300 顆粒 沉 積質 量 /(g/m2中和 3.95m/min 極化 3.97m/min 電暈荷電 3.95m/min壓 降 /P a極化圖 4 不同預處理對濾料壓降增長的影響 Fig. 4 Effect of pressure drop increaseon the different pretreatment

22、 case圖 5 極化工況顆粒層Fig. 5Cake fromthe polarizing case圖 6 中和工況顆粒層Fig. 6Cake from the neutralizing case圖 7 荷電工況顆粒層Fig. 7 Cake from the charging case壓 力 增加 顯著大于 另 外 兩 個。而 此二者 在 這 期 間 很 好 符 合 直線 增 長 。隨著 過濾的 進行 ,顆粒 受 到 更 大 壓降的 作 用, 破壞 顆粒層 內部 某 些 顆粒的 平 衡 , 導 致這 些 顆粒的 滑移 。 滑移 的顆粒 引 起 此 顆粒上 部 的顆粒 重 新 調 整 獲 得 新

23、 的 平 衡 位置 , 也 就導 致 了顆粒層 或者 顆粒 簇 發(fā)生 突 然 塌陷 18,20, 坍塌將導 致 顆粒層 空 隙 率的降 低 , 空 隙 率的降 低 將會 使 壓降 出現(xiàn) 突 然 的 “跳躍” ,第 24期 黃 斌 等 : 靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響 109如圖 4中壓降 曲 線 圈 出 的 部 分,壓降 會 有一 個 約 80Pa 的的階 躍 。 在實驗結果中 可 以 觀 察 到 , 壓降增 長 速度 越 大 的工況, 發(fā)生大 規(guī)模坍塌 的 頻 率和壓降 的增加 越 高 和 越 大 , 且 電暈工況 3次 壓降的增 高大 小 和 間 隔 都 很 相 似 , 這 很 有可能

24、 就 是 分層壓 縮 的結 果 18。3.2 穿透率 圖 810是 3種 工況下 隨著 過濾 進行 顆粒的分 級 穿透濾。對 于 纖維濾料,清潔的濾料的穿透率 一 般 是比 較 高 的,特 別 是 對 于亞微米 顆粒。 隨著 沉 積 顆粒 逐 漸 成 為 顆粒 捕捉 的 主 體 ,顆粒的穿透率 會迅 速下降。 從圖 中 可 以 看 出 , 3種 工況在 初始 階段 亞 微米 以及 幾 十納 米 的顆粒 具 有 很 高 的穿透濾。在壓 0.010.1 1 10顆粒 直徑 /µm分 級 穿 透 率圖 8 極化工況顆粒穿透率Fig. 8 Particle penetration as a

25、function of particle size on the polarizing case 0.010.1 1 10顆粒 直徑 /µm分 級 穿 透 率圖 9 中和工況顆粒穿透率Fig. 9 Particle penetration as a function of particle size on the neutralizing case 0.010.1 1 10顆粒 直徑 /µm分 級 穿 透 率圖 10 電暈工況顆粒穿透率Fig. 10 Particle penetration as a functionof particle size on the char

26、ging case降 不到 1000Pa 時 ,下游的顆粒 濃 度降 至 了 每 標 米 幾 十 微 克 直至 ELPI 的 測量 下 限 , 其 穿透率降 低到 了 0.01%以下。 圖 11為 3種 工況下顆粒 總 數(shù) 穿透率。 可 以 看 出 ,在堵塞形成 初 期,極化與中和的穿透率 相 當 , 隨著 堵塞的形成 迅 速降 低 ,而荷電工況 由 于 堵塞階段 發(fā)展 較 慢 ,在 400Pa 以后 其 穿透率的降 低 速度 也 較 緩慢 , 并 且 顯著大于其 他 二者 。顆粒 直徑 /µm顆 粒 數(shù) 目 穿 透 率400800 1200 1600圖 11 不同工況穿透率隨壓降升

27、高的變化Fig. 11 Penetration vs. pressure drop for different cases3.3 上下游單顆粒分級荷電量圖 12為 電暈工況濾料上下游的分 級單 顆粒荷 電 量 變 化, 它是一 段 濃 度 穩(wěn)定 的 時 間 內 ELPI 每級 顆粒荷電 總 和與 此 級 顆粒 數(shù) 的商, 代 表了 這 級 顆粒 的 平 均 荷電 量 。 從 結果 可 以 看 出 ,上游 (up的顆粒 的荷電 量 很 高 ,特 別 是 超 微米 顆粒, 其 單 個顆粒 平 均 荷電 量都 在 1016C 以上, 這 與 式 (1計 算 的 單 顆 粒的 理 論 值 相 近 (稍

28、 大 的 原 因 可能是 未 計 算 擴 散 荷 電的結果 。 而下游 (down顆粒荷電 量 成 倍 減少 , 其 中 超 微米 顆粒 減少 了 34倍 (隨著 壓降的增 高 , 下游 已 無 法 測 到 超 微 米 顆 粒 , 所 以 down498Pa 和 down1151Pa 沒 有 超 微米 顆粒的 值 , 其 他 相 似 實驗 也 有 同 樣 的結果。 這 說 明了 更易 穿透的顆粒 攜帶 電 荷 較 少 。顆粒 直徑 /µm荷 電 量0.010.1 1 104圖 12 電暈工況上下游分級單顆粒荷電量Fig. 12 The charge of the single par

29、ticle in differentclasses in the upstream and the downstream4 結論(1 在 3.95m/min過濾 風 速下, 極化與中和工110 中 國 電 機 工 程 學 報 第 26卷況 都 經(jīng)歷 一 個壓降 緩慢 上 升 的清潔濾料過濾 區(qū) ,壓 降 迅 速上 升 的堵塞期, 當 1000Pa 以后 進 入 壓降 線 性 上 升 的顆粒層過濾期。電暈荷電工況經(jīng)過 同 樣 一 個 短 時 間 清潔過濾后, 直 到 整個實驗結 束 (壓降 大于 5000Pa 仍未形成顆粒層, 其 壓降增加速度 顯著大于 其它 工況。(2 3種 工況在堵塞形成期

30、及 其 之前 , 亞微米 顆粒 都有 較 大 的穿透率。荷電工況在堵塞期 相 同 壓 降下的穿透率 相 比其它 兩 工況 稍 高 。(3 ELPI 對 單 顆粒荷電 測量 結果表明,下游 穿透的 主 要 為 荷電 量小 的顆粒。參 考 文獻1 胡滿銀 , 高 香林 , 胡志 光 ,等 .鍋爐 燃燒 和 運 行 對電 除塵 器 性 能 影響的分 析 與研究 J. 中國電機工程學報, 1997, 17(4:278-281. Hu Manyin, Gao Xianglin, Hu Zhiguang, et al. Study of effect of ESP efficiency with comb

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