高流速電集塵裝置的開發(fā).docx

1、ry1995年第R卷第4期甘新環(huán)境研究與監(jiān)測總第32期劉葉瑞，甘簫省自怵能諄研究所）高流速電集塵裝置的開發(fā)，0大通產(chǎn)名手技院咨瀉巧境研完所）張崇德_J（甘肅省蝦境保護妍它所I去紫煙（硫型煙霧）為對象的熨哄生收1高流速電集塵裝置（HVEP）的筱念近年來，入們對于環(huán)境問題的關心H益增強a其中由固體微粒（ciusl丁及微小液滴（m函）所構成的微粒子狀物質，伴隨著種種燃燒及通風換氣正程被排向大氣中造成大氣環(huán)境的污染。對這珅粉塵及煙霧的回收處理即集塵技術,提出了新的要求°要求集塵效率更高、裝置更緊湊、小型化以及能瞥適用移曜建排氣姓理以外的新領域：最近，日本工業(yè)部門已研究開發(fā)了一種高流速電集塵裝

2、置。迄今一直在廣泛使用的電集塵裝置（EF-EJaccroscaticprecipitator：空間中的靜電場對集生效果的影響，進一步提高其集塵效率、實現(xiàn)裝置的緊湊小型化就受到限制。新開發(fā)的高流速電集塵裝置<HVEP即High,elocityElectrostaticPrecipitator）則不僅考慮到靜電場,而且也考慮到被處理氣流的條件、特別是氣流的流速條件,把靜電場的影響與流動場的影響綜合起來加以研究,從而提出了“電氣流體力學場（EHD）”的概念?；谶@一新的概念，開發(fā)出的高流速電集塵裝置就具有1新的性能、能夠達到上面提到的新的要求。這全新概念突破了迄今使用的傳統(tǒng)型電集塵裝置開發(fā)設計

3、方面的傳統(tǒng)觀念,獲得了優(yōu)異的性能這邦裝置中氣流流速比傳統(tǒng)型的電集塵裝置（EP）提高了約5倍以上.且結構緊湊,可以在煙道內(nèi)安裝。該裝置已經(jīng)在以重油為燃料的鷺爐裝上試用,對于以除達到了實用化程度。此外、它還突破了現(xiàn)與的電集塵器的使用范圍，向著更廣泛的實用領域方向展現(xiàn)了其應用性。這就是高流速電集塵裝置HVEP的新特點=2基本原理分析2.1傳統(tǒng)型電集生器EPJ的概要傳統(tǒng)型的電集塵器,即ElectrostaticPrecipitatorEP.由放電電極（高壓電極）與集塵電極（接地電極J所構成。兩電極之間的空間中，讓被處理氣流通過。該氣流中含有粉塵（固體微粒）和霧靄（液體懸浮微滴）。由于兩電極之間的電暈放

4、電使氣流中微粒帶上電荷，同時.在兩電極之間庫侖力的作用下已帶有電商的微粒向集塵電極一側移動，從而被捕集。電集塵器又分為干式EP和濕式EP兩大類。最一般的是干式EP,作為其捕集對象的微粒子物質是干燥的固律微粒，如粉塵等，這種干操狀態(tài)的粉塵在集電極上被捕集，漸漸堆集起來，因此需要用槌打等手段將其打落然后收集運走。但是槌打過程中往往造成已捕集的粉塵的二次飛散，為了防止二次飛揚兩電極之間的集塵空間中通過的被處理氣流即主氣流的流速要選誓到一個合適的范圍、傳統(tǒng)的作法是將其選擇在Vg=l2m/s的程度。一般來說，在這個范圍內(nèi)的主氣流流速條件下.隨著電集塵器EP）的電暈放電電源的上升,在達到某個電流值的限定條

5、件下.隨著電流值的上升，同時主氣流中粒子的帶電量也增加，而且兩極間電場強度也上升.因此作用于粒子上的庫侖力也增大,集塵性能也就提高了。但是，如果超過了這個限定電流值，則電流的上升使得由離子鳳（即從放電電極向集塵電極流動的離子化了的主氣流）所形成的二次流增大，從而使集塵空間內(nèi)的流動狀況被打亂，促進了粒子的再次飛散。為此，集塵性能不僅不能再提高.反而會降低，因此.一般傳統(tǒng)的設計思想都認為離子風是阻礙EP性能提高的反面影響因素。為了避開這個離子風的影響傳統(tǒng)式的干式EP通常設定其平均電流密度I與EP的單位集塵面積相當?shù)膯挝幻娣e上的電暈放電電流i值為20.3mA/m2o另外，濕式電集生器（EP）、由于其

6、捕集對象是以液體微粒為主因此在集塵電極表面構成一層水膜，以此將被捕集的液體微粒洗凈除去。由于同干式EP相比，捕集粒子的再飛散較少，因此根據(jù)設計經(jīng)驗.主氣流的流速設計要比干式EP快一些,其設定范圍一般在Vg=h53rn./s=在這個主氣流流速范圍內(nèi)與干式EP不同，只要使電流值上升.大體上來說，EP的性能就可以單調(diào)地上升，這是因為濕式EP不會發(fā)生象干式EP那種被捕集粒子的再飛散，離子風的不良影響比起干式EP來要小。因而濕式EP的平均電流密度一股都設計得比干式EP的要高、考慮到經(jīng)濟性和火花耐壓等因素，經(jīng)驗的設計數(shù)據(jù)在i=0.40.7mA/m氣由以上所述可知傳統(tǒng)型的電集生器（EP）,在干式的場合下.主

7、氣龐流速Vg=l2m/s,濕式的情況下Vg=53m/s©但是現(xiàn)在各界對電集塵器（EP）的小型化的要求很強.要求主氣流的流速更高，主氣流所通過的斷面面積更小。比如，如果能夠使得主氣流流速Vg達到與煙道管線流速一樣的高速流動狀態(tài)的話，則電集塵器EP）與煙道的一體化安裝就可以實現(xiàn)了、這樣、為最終實現(xiàn)電集塵器（EP）的微型化的目標就可以達到。22EHD的數(shù)學解析分析在考慮電集塵器EP）的主氣流高速化的時候.首先要考慮到EP內(nèi)部的集塵空間內(nèi)的流動狀態(tài)，它作為一個很大的影響因素對集塵性能的影響要比傳統(tǒng)型的電集塵器條件下的影響要大得多，EP內(nèi)部的集塵空間.既是主氣流的流路，同時又是形成很強的靜電場

8、的場所。該流動場同時又受到電場的影響。因此，嚴密地考察其間物理特性時，就不可缺少地采用了所謂的電氣流動力學場<IElectroHydroDynamics:EHD>的概念。不過，在強電場環(huán)境下要用實驗的方法充分地把握這個EHD場是極困誰的。為此.要采用電子計算機理論解析的方法，來把握這個電氣流動力學場（即電氣流體力學場）的物理過程。這個解析研究中特別把離子區(qū)作為中心進行了探討。文章前面已經(jīng)指出這個離子風在EHDC電氣流體力學場）的研究中是十重要現(xiàn)象而在傳統(tǒng)型電集塵器中它被視為阻礙電集塵器性能提高的危害影響因子。對電集塵器（EP）的集塵空間的EHD（電氣流體力學場）的解析的基本方程式如

9、下，它由對電場和對流動場的研究兩部分構成。電場含有荷電粒子的空間電荷的泊松（person）方程式和電流連續(xù)式為bv=心）/（1）',J=。J=（P】四d）E3式中V電壓，Pe離子密度荷電粒子密度E一真空介電常數(shù)，J一空間局部的電流密度，E電場強度C離子移動度.乩一粒子移動度a流動場在非壓縮性粘性流體的流動場，有其連續(xù)式和那比埃斯托克斯方程式,表達如下:W=。（4）年+（V-=VP+vV2V（5）K=PeE<6）式中，U為空間局部的氣流流速,P為壓力，K為外力即庫侖力）油為動粘性系數(shù)，中為氣流密度，T為流動函數(shù).利用這些基本方程式，對于平行平板型的電集塵器（EP）,根據(jù)差分法來進行

10、數(shù)值解析。在EHD場.包含有離子風所產(chǎn)生的二次流的流動場，我們對該旎動場的解析結果進行整理時,如果以下面的EHD數(shù)NEHd來進行比較、則由于流動相似法則的成立，就顯得是很便利。這里提出的Neh?？梢杂么硇缘碾x子風速魚與主氣流流速V,的比值來表示.足立氏等人對此作了以下的定義。N'EHD=VL/Vg（7）JoD8)V=式中，D為電極間隔，七為放電電極下面的集塵電極上的電流密度。通過EHD解析所得的EP集塵空間內(nèi)的流線圖可見圖10W放電電極通民遺中心虬氣it（2GH60。，。二J.5«/s,M的由待心二0.J5,(b)D=35,Ugd</%i=19.7»A,時&

11、lt;N/0.33)ic)IM6Qb丫鏟0.£5Ws，IMHaA/寸(N_云.麗、dJ二J5”.。護，s，i二MTbA/寸（虬=2.00）圖】：通過EHD解析所得到的EP集塵空間內(nèi)的流線圖。EP集塵空間內(nèi)的流動狀況是由劉:理氣流流速.電極配置帶電狀況等條件而變化的但可以通過EHD數(shù)加以整理分析.圖I中（a）-<d）.是解析結果的一什例子。圖中表示出EP內(nèi)的流線。圖1<,）模擬了傳統(tǒng)型的EP的運轉狀態(tài)。其中主氣流流速Vg=5m/'s,平均電流密度i=0.29mA/此時的EHD數(shù)Neh°=035>（b）中的電極間隔比3）更窄小.主氣流流速為6m/s比3

12、）更快同時，平均電流密度i值為19.7mA福比a）更大，由于這些參數(shù)的改變、技）情況下的Nehd值仍然與雋）的情況大體相等.為0.33。這種情況下的|值已經(jīng)比傳統(tǒng)型的電集塵器EP）要大得多了、但盡管如此，由離子風所形成的二次流動的顯著影響卻從流線圖上看不出來a由于這一點"b）悄況下的流線模型圖樣顯示出與傳統(tǒng)型的EP相類似的流線模型樣式。圖1的（c）、（d）兩種情況.其電極間隔距離與電流密度值分別與）、（b）的情況相同,其主氣流流速分別作了降低，通過這種調(diào)整,其Nehd值分別提高到大約2的程度這種情況下，離子風比起主氣流流速來，相對地變大了,從圖中可以看出，離子風的影響已明顯地顯示出來

13、，圖中流線呈現(xiàn)出相當?shù)奈蓙ya（。、（d）兩種情況下的N£Hd值盡管大體上相同，但兩者流線的紊亂樣式,即流動狀況，卻互相相似象（c）這樣的條件下被捕集粒子的再飛散增加了，這是因為集塵極附近的流線的很大紊亂所造成的。因而象（b）這樣流線不紊亂的條件下伴隨著電流的增加，電壓也上升.捕集粒子的集塵電極的電附著力也增強。如果可以這樣來認識的話，那么提高主氣流的流速，就有可能得到高效率的集塵效果：實際上這種可能性已經(jīng)在上述的分析中顯示出來。2.3HVEP高流速電集塵裝置）的構思概念如前節(jié)所述，從物理意義上來說，主氣流的流速與離子風速之比而構成的無量綱數(shù)與EHD數(shù)是一致的,即NEhd.這一點已經(jīng)通

14、過EHD理論解析作了說明，下面，再從概念上重新說明一下。對離子風速進行嚴密的定義弁加以測定.這在實際上是非常困難的。于是,根據(jù)離子風速與平均電流密度i（由電暈放電產(chǎn)生的有效集塵電流密度）的平方大約成正比這一實驗事實，重新定義出一個新的參數(shù)CC=.GVg<9>可以把參數(shù)C看作是在實用上與EHD數(shù)具有同等意義的參數(shù)，不過在這里，平均電流密度i,僅限于由電暈放電所發(fā)生的電流的密度。另有一部份所謂的逆電離這種異常荷電現(xiàn)象它所產(chǎn)生的電暈放電，由于只是在表現(xiàn)上增加了電流密度.而實際上對離子風的形成沒有貢獻，所以這部分電流密度要除外。這個參數(shù)C,是有可能代替EHD數(shù)，表示對應于各主氣流流速的特定

15、流動狀況的，而且比起主氣流流速Vg來，它可直接決定適當?shù)碾娏髅芏萯值，這一點具有很高的實用性。傳統(tǒng)型的干式EP,其典型情況下一般選定Vg=1.5m/s,i=0.25mA/mJ而傳統(tǒng)型的濕式EP,其典型情況下，選定Vg=2m/s,i=0.5mA/m2o對于這兩種型式如果各自計算一下其參數(shù)C值的話，則可以明白，干式EP和濕式EP兩種情況下C值大約都為C=ymA?/s,也就是說，迄今為止，已經(jīng)獲得了成功經(jīng)驗而達到了良好運轉狀態(tài)的EP設備，不論干式還是濕式在其所使用的參數(shù)條件方面，就其表徵流動狀況的參數(shù)EHD數(shù)而言，其結果大體上是相似的。為了簡便易行，把參數(shù)C用ymAi/S來除，則實現(xiàn)無量綱化；此時：

16、CK=3/Vg(10)重新作了以上定義之后，則當參數(shù)Cn，取其CN-1左右時，集塵空間的流動狀況就與傳統(tǒng)型EP在其經(jīng)驗性的良好集塵效果條件下流動狀況大體上相似。圖2為EP中主氣流流速與平均電流密度之間的關系：主氣流速主氣流速圖2：Ep中主氣流速與平均電旅密度的關系，在傳統(tǒng)型Ep及HV-Ep的運轉范圍內(nèi)，由參數(shù)d所整理得到的關系曲線，r、V二if阻贈棗««-圖2中，橫抽是主氣流的對數(shù)坐標、縱抽是平均電流i值的對數(shù)坐標.參數(shù)的各值用實線表示，虛線圍起的范圍是傳統(tǒng)型干式和濕式EP的經(jīng)驗性的良好運轉狀態(tài)所處的運轉范圍。劃了斜線的部分，表示主氣流流速Va為4m/s以上.參數(shù)Cn，為0

17、.52的范圍。在這個范圍內(nèi)，其高流速領域是傳統(tǒng)型的EP所沒有的.但其良好的流動狀況卻是與傳統(tǒng)型的EP大體上相似的。我們把能夠在這個領域運轉的干式EP叫作高速干式EP(HighVelocityDrgtypeEP：HVDEP),而把濕式的則叫作高速濕式EP(HighVe-locityWettypeEP:HVWEP).統(tǒng)禰其為高流速EP(HV-EP)。在高流速EP(HVEP)中，當參數(shù)Cn小于05時.與主氣流流速相對應的電暈放電電流較小.因而不能充分地使粒子帶電，加之電場較弱，不能有裁地集塵。而當Cn值大于2時，對應于主氣流、離子風的風速相對變大，這種情況對于粒子再飛散性弱的濕式HVWEP暫且不說，

18、對于干式HVDEP來說，就會引起其集塵性能下降。主氣流高流速的領域，例如V&=6m/s而參數(shù)J=1時，平均電流密度有必要達到i=4mA/m2,但這樣一來，就達到了比傳統(tǒng)型的EP幾乎要高出整整1的高值。有必要在火花開始電壓以下的穩(wěn)定帶電狀態(tài)中確保該值不變，傳統(tǒng)型的電極間隔開的EP.盡管其條件不同而有各種情況，但要達到如此高的電流值的話，往往在還沒有達到之前,其集塵空間的絕緣就已被破壞了，從而也不能確保要生成火花所必要的電流。圖3所示的是一種單線園筒型EP,它用于電流電壓特性測定實驗，利用這種裝置測定了電流電壓特性，結果如圖4所示。作為一般傾向，通過使電極間隔變窄，平均電流密度對平均電場強

19、度E-V/D的特性曲線的斜率就增大；與此同時火花發(fā)生點處的平均電場強度向高電場方面移動，因而可以使最大的平均電流密度上升，而能確保更大的電暈放電電流°集室電掇25EP園型一簡線國單一的aft單特用量祗圖于EP0xi丸花堂生點電O*25m垣過使電德黯薩抵瞄瞄5r做一50。試4HL&IKV-WEP試底蒙丑I雄水捧術厘*塔人bit狷桂丑廠悔料爐，體冷卻»尚仲虬塹干KEP加壓液化,的國"加心皿技g,納寶IHZ）-排空711T林術由bjt瀾位丑/®AA<3<EP件H曼滉&EP（后備用>圖"騷蔑酷富髭露蕓琳款用皿購試*略觸

20、由此可知，要開發(fā)成功HVEP,就需要比傳統(tǒng)型EP更大的平均電流密度，這樣、電極間隔變窄就是不可缺少的。3HVEP的適用例3,1高流速濕式EP（HVWEP）3.L1適用于燃燒重油的鍋爐排煙（紫煙）處理3.L1、1背景以重油為燃料的鍋爐設備，為減低燃料費，使用高硫燃料的情況增加了，為除去排煙中的SOX（SO2及SO3）成分通常都設置了排煙脫疏裝置.但是在這個裝置中，經(jīng)過冷卻、增濕及吸收過程，雖然可以很有效地除去SO2,但同時在冷卻增濕過程中析出的微細的液體微粒狀的SO，,即所謂的硫酸型煙霧卻幾乎不能捕集，因而隨著排煙從煙囪冒出來，形成所謂的“紫煙”,成為突出的公害問題。解決這種問題的一種較為成功的

21、方法是選用傳統(tǒng)型的濕式EP,再配之以排煙脫硫裝置。這種組合型的配套設備構成了可以高效除去總疏氧化物的設備體系現(xiàn)在大約有10萬套這種設備體系在運轉。但是這種設備體系存在一個問題，就是與傳統(tǒng)性濕式EP相配套的設備，都是大容量機器設備，這樣就有兩個方面的問題，一是當現(xiàn)有設備在進行燃料轉換時，往往要隨需要追加機器設備，這種情況下，追加設備的設置及安裝等受到場地空間方面的限制；二是成本增加。為了解決這個問題，迫切要求開發(fā)小型化緊湊型的高效處理設備，高流速濕式電集塵裝置HVWEP就是適用這種情況而研究開發(fā)出來的°3、L小規(guī)模引導試驗'文章前面介紹了HV-EP的概念，基于這種認識，通過使電

22、極間隔狹窄化，就有可能得到高電流密度。根據(jù)這種原理，試作了種種形式的EP,在這些試驗性的EP上面作了各種引導性試驗，以確定最佳方案。在日本三菱重工業(yè)的高砂研究所設置了一種CEP500型試驗設備。自1987年以來，在這套設備上進行了關于各種電極構成的篩選甄別實驗。圖5的流程圖，就表明了這種試驗設備的情況。這種CEP500型試驗設備中，有一臺以煤炭或液化石油氣（LPG）為燃料的燃燒爐。該爐按500m，村的標準產(chǎn)出、排出氣體。其產(chǎn)生的排出氣體的溫度、水分、硫酸霧之濃度等都通過調(diào)整模擬到與燃燒重油的鍋爐設備排煙脫境裝置出口氣體一樣，然后使該排出氣體流入試制的HV-WEP模型試驗機中。通過測定HVWEP

23、設備出入口的疏酸霧依度來求出其性能改善率H,并對其性能進行評價。這里使用的性能改善率H,作為對EP性能評價的表徵值，是通過如下方法予以定義的。通過常用的基本關系式阿蘭達一馬茲公式（II式）然后定義出改善率HC12式）。EPt）=1expt（W、f）叮（11）H=W/W%（式中、Wh是粒子的表觀移動速度5是的集塵效率，f是比集塵面積（每單位處理氣體量的集塵面積），K是經(jīng)驗常數(shù)、Wk。是傳統(tǒng)型的濕式EP的極限性能時的表觀粒子移動速度。所得結果中，最終被篩選出的電極構成.其有關技術數(shù)據(jù)在圖6中表示出來。其中橫軸是平均電流密度i，縱軸是性能改善率H。在圖8中，匯集表示了傳統(tǒng)型濕式EP設備中的實際測定值

24、。由圖可見HVWEP的性能改善率與傳統(tǒng)型的濕式EP處于同一條直線上，但是隨著電流密度值的升高，呈現(xiàn)出直線性增加的傾向。i特統(tǒng)強添式EP（實際應用機的測定值，D:KV一皿（研究所實定值）:HV-IEP<A公司實際辨氣處理實16）©0®&n?0050I02Q5）251020"平均電視密度圖6：利用HV-WP的性第改善畢.另外，經(jīng)篩選研究聽確定試制的樣板設備HVWEP,于1988年在日本一工廠（代號A）的自用燃油發(fā)電設備的燃油鍋爐上進行了試運行。對其性能進行現(xiàn)場測試的結果也表示在圖6上，其結果比篩選研究中所測得的數(shù)據(jù)顯示了更高的性能。3.1.1，3實用推廣

25、情況：在以上篩選研究的基礎上，開始了實際應用設備的研制。1991年，日本某公司（代號B）訂購了一臺最初試制的設備，以用于該公司的一臺240噸/小時的石油焦炭燃境鍋爐.圖7就是這臺設備的概略情況。由圖可知，高流速電集塵裝置（濕式）NO.1HVWEP被安裝在同一公司制的排煙脫硫裝置的吸收塔的頂部，與塔成為一體構造。在位于N01HV一WEP下流方向的垂直下降流動部設置了NQ.2HVWEP裝置。在主氣流流速為8m/s的煙道內(nèi)，配列有如圖7所示的正方形斷面的小通道)該通道內(nèi)安置的集塵電極更為緊湊，比同一公司以前生產(chǎn)的傳統(tǒng)型EP內(nèi)的空間，其緊湊程度提高了?，同時，各通道內(nèi)部安裝有刖性很高的放電電極。S7,

26、實際應用設備HVWEP臺投人實際應用的設備其夕卜形與內(nèi)部電槌林的梅念函。以上設備同傳統(tǒng)型的濕式電集塵器(EP)比較.其集塵面積約為|，而安裝設置面積則由于NO.1HVWEP與排煙脫硫裝置一體化了所以實際上已達到了備程度的緊湊化。另外平均電流密度.比傳統(tǒng)型的EP大了45倍，而由于電極的空間更狹小T.其結果.由于電壓的降低及集塵面積的減小.消耗電力也比傳統(tǒng)型EP降低到了1.5倍。除此之外，由于NO.1及NQ.2的HVWEP被各自分割為3個單元，因此，可以各自在工廠里組裝，成一體化，然后整體運送到使用廠家。這樣,比以往在使用現(xiàn)場安裝，工期大幅度縮短,因而可以降低總成本，3.1.2DOP煙霧收集器作為

27、其他方面的用途，凡濕式電集塵器(EP)適用的領域,HVWEP都可適用。而且在工業(yè)規(guī)模的EP適用范圍以外也有很多用途。其中一個成功的例子就是,使用篡乙烯制作壁紙的建材印刷工程中，常使用一種可塑劑DOP,即次辛烷基鄰弟二甲酸，在生產(chǎn)過程中，常有DOP隨著工廠通風排氣被排出戶外，造成對大氣環(huán)境的污染。日本三菱重工業(yè)公司于1990年在日本某工廠(代號C)進行了應用HVWEP設備作為換氣處理設備的現(xiàn)場實驗，已經(jīng)證實了HV-WEP可以作為排氣中DOP煙霧捕集器而使用。目前正在研制實用型裝置。S8：HVDEP示范機狀況:煙flt中的翅,在HVDEP帶電動作后2枷fg去了的圖示。3-2高流速干式電集塵器(HVDEP)濕式電集塵器是把捕集在集塵電極上的粒子沖洗除去的.與此不同，干式電集塵卷則姑用棱打來除去巳彼捕集的粒子塵埃.從棱打所捕集的粒子塵埃這一點看，要實現(xiàn)主氣流旗速快、電極配量空間更為狹小的HV-DEP,琬實存在種種困難.但是如果在處理塵粒濃度極小的情況下，或在隧道、大廈等的換氣設備中進行集塵時，相對比較容易。在這種情況下由于塵埃量較少，就不需昊在集塵過程中同時加以打落，由此就可以長時間運轉。這樣