（工程热物理专业论文）水雾荷电促进超细颗粒物团聚的试验研究.pdf

摘夏 摘要 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，燃煤飞灰颗粒是我国大气颗粒污染物的主 要来源之一，空气中总悬浮颗粒物的3 3 由燃煤生成，其中超细颗粒物占3 5 ，对我国 的大气环境及居民身体健康造成严重的危害。燃煤超细颗粒物的排放控制，已得到世界 各国的普遍重视，我国也逐步将燃煤电厂烟尘排放浓度标准提高到5 0 m g n m 3 ，实现这 一目标的关键在于对超细颗粒物的控制，但是由于超细颗粒物粒径太小，难以被静电除 尘器除去，所以探索一种有效的超细颗粒物脱除方式并对现有的除尘器进行改良，对超 细颗粒物的控制十分必要。 利用团聚作用使超细颗粒物长大到传统除尘器所能脱除的范围，将会有效提高除尘 器对超细颗粒物的脱除效率。基于此，本文提出水雾荷电促进超细颗粒物团聚增效静电 除尘的方法，设计并建立了试验系统，进行了水雾荷电促进超细颗粒物团聚的试验研究， 给出了水雾荷电增效静电除尘器的方案和可行性分析。 首先，采用负电极感应荷电对喷雾雾滴的荷电特性进行了试验研究。对荷电电压、 环形电极直径、电极距喷嘴距离和环形电极宽度对雾滴荷电特性的影响进行了分析，进 而研究了喷嘴雾化参数包括雾化压力、喷雾量和雾化液体性质等对雾滴荷电特性的影 响，最后遴选出了具有较好荷电特性的操作参数。 其次，研究了感应荷电条件对喷雾雾化特性的影响。以雾滴粒径分布和喷雾雾化角 作为雾化特性的表征，测试分析了不同电压、不同感应环宽度和不同雾化压力下雾滴粒 径及其分布的变化以及喷雾雾化角的变化，并对试验过程中的电极吸附雾滴的回吸现象 进行了分析，在此基础上探讨了感应荷电条件下雾滴荷电特性和雾化特性的相互关系， 给出了合适的荷电参数和雾化参数。 最后，在对中试试验系统流动性和带电雾滴在系统中的运动轨迹进行数值模拟后， 设计并建立了中试试验系统，利用选取的合适的荷电和雾化的参数，对燃煤电厂排烟温 度环境下水雾荷电促进超细颗粒物的团聚作用进行了试验研究，结果表明感应荷电后的 水雾在1 3 5 的烟气温度中仍能够有效促进超细颗粒物的团聚。综合研究结果和理论分 析，对水雾感应荷电技术的工业应用进行了应用方案的设计和可行性分析。 关键词：超细颗粒物；水雾荷电特性；雾化特性；颗粒团聚；静电除尘器增效； a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai st h ec o u n t r yw i t ht h em a x i m a lc o a ly i e l da n dc o n s u m p t i o n p a r t i c u l a t e m a t t e ri so n eo ft h em a i ns o u r c e so fa t m o s p h e r i cp a r t i c u l a t ep o l l u t a n t si nc h i n a 3 3 p e r c e n t so ft o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e si nt h ea i ra r eg e n e r a t e db yc o a lf i r e d ，i n c l u d i n g 3 5p e r c e n t ss u b m i c r o np a r t i c l e s ，w h i c ha r eh a z a r dt ot h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a n dp e o p l e sh e a l t h u r g e n tt oc o n t r o lt h es u b m i c r o np a r t i c l e sh a sa r o u s e da w o r l d w i d ea t t e n t i o n c h i n aw i l lg r a d u a l l yr a i s et h es t a n d a r do fc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t d u s tc o n c e n t r a t i o nt o5 0 m g n m 3 t h ek e yt oa c h i e v et h a tg o a li st h ec o n t r o lo f s u b m i c r o np a r t i c l e s h o w e v e r , s u b m i c r o np a r t i c l e sa r et o os m a l lf o re l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r st or e m o v e i ti sn e c e s s a r yt h a tw es h o u l df i n da ne f f e c t i v ew a y t od e a l w i t hs u b m i c r o np a r t i c l e sa n di m p r o v et h et r a d i t i o n a lp r e c i p i t a t o r s p h y s i c a lo rc h e m i c a la g g l o m e r a t i o n so f s u b m i c r o np a r t i c l e sc a nm a k et h es i z eo f p a r t i c l e sb i ge n o u g ht ob er e m o v e db yt r a d i t i o n a lp r e c i p i t a t o r s ，w h i c hw i l li n c r e a s e t h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o fs u b m i c r o np a r t i c l e se f f e c t i v e l y t h et e c h n o l o g yo f s u b m i c r o np a r t i c l ea g g l o m e r a t i o nw i l lb eo n eo ft h et r e n d so nf l u eg a sd u s tr e m o v a li n t h ef u t u r e am e t h o do fs u b m i c r o np a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o ne n h a n c e db yc h a r g e d d r o p l e t sw a sp r e s e n t e di nt h i st h e s i se x p e r i m e n t a ls y s t e m sw e r ed e s i g n e da n d b u i l t t h e ns t u d i e sw e r et a k e nw h i c hf o c u so ns u b m i c r o np a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o ne n h a n c e d b yc h a r g e dd r o p l e t s a tl a s tt h ea p p l i c a t i o np r o j e c ta n df e a s i b i l i t ya n a l y s i so nd r o p l e t s c h a r g e dt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot r a d i t i o n a lp r e c i p i t a t o r sw e r ep r e s e n t e d f i r s t l y , e l e c t r o s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r o p l e t sw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rn e g a t i v e i n d u c t i o nc h a r g e d i m p a c t so ff a c t o r si n c l u d i n gv o l t a g e s ，d i a m e t e r so fi n d u c t i o nr i n g ， d i s t a n c e sf r o me l e c t r o d et on o z z l ea n dw i d t h so fi n d u c t i o nr i n gw e r ei n v e s t i g a t e da n d a n a l y z e di n t h i sp a p e r p a r a m e t e r s 。o fd r o p l e t sc h a r g e de f f e c t i v e l yw e r eo b t a i n e d a f t e r w a r d s ，t h ei m p a c to f a t o m i z a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sa t o m i z a t i o np r e s s u r e s ，f l o w r a t e sa n dl i q u i dp r o p e r t i e sw a sd i s c u s s e d a l lt h ew o r kl e dt ot h ec o n d i t i o nu n d e r w h i c hd r o p l e t sb e t t e rc h a r g e d i i i 东大学硕士学f 论文 s e c o n d l y ，t h ei m p a c to fd r o p l e t si n d u c t i v e l yc h a r g e dt oa t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w a ss t u d i e d t a k i n gt h es i z ed i s t r i b u t i o no fd r o p l e t sa n dt h e s p r a ya n g e la s c h a r a c t e r i z a t i o n s ，t h es i z ed i s t r i b u t i o no fd r o p l e t sa n ds p r a ya n g l eu n d e rd i f f e r e n t v o l t a g e s ，w i d t h so fi n d u c t i o nr i n ga n da t o m i z a t i o np r e s s u r e sw e r e i n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h ea t t r a c t i o nb e t w e e nh i g hp o t e n t i a le l e c t r o d ea n do p p o s i t e l yc h a r g e d d r o p l e t s ，w h i c hw a sf o u n do u ti nt h ee x p e r i m e n t , w a sa l s os t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y o nt h a tb a s i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n da t o m i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw a sd i s c u s s e d t h e nt h e a p p l i c a b l ep a r a m e t e r so fc h a r g i n ga n d a t o m i z i n gw e r eo b t a i n e d f i n a l l y , a tt h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nf l o wf i e l da n dt r a c k so f c h a r g e dd r o p l e t s ，p il o te x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sd e s i g n e da n db u i l t t h ee x p e r i m e n t a l s t u d yo ns u b m i c r o np a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o ne n h a n c e db yc h a r g e dd r o p l e t sw a s i n v e s t i g a t e da tt h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo fc o a l - f i r e dp o w e rp l a n tu n d e ra p p l i c a b l e c o n d i t i o n so fc h a r g i n ga n da t o m i z i n g t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ea g g l o m e r a t i o no f s u b m i c r o np a r t i c l e ss t i l lc o u l db ee f f e c t i v e l ye n h a n c e db yw a t e rd r o p l e t si n d u c t i v e c h a r g e da tt h et e m p e r a t u r e13 5 。c c o m b i n i n gr e s e a r c hr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， t h i st h e s i sp r e s e n t e dt h ea p p l i c a t i o np r o j e c ta n df e a s i b i l i t ya n a l y s i so nt h et e c h n o l o g y o fs u b m i c r o n p a r t i c l ea g g l o m e r a t i o ne n h a n c e db yc h a r g e dd r o p l e t s k e y w o r d s ：s u b m i c r o np a r t i c l e s ；e l e c t r o s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fc h a r g e dd r o p l e t s ； a t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；p a r t i c l e a g g l o m e r a t i o n ；i m p r o v e m e n to fe l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r ； 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 超细颗粒物的基本性质、污染及危害 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上唯一以煤炭为主要能源的大 国，煤炭占我国能源消费总量的7 0 以上，提供了我国7 5 的工业燃料、7 6 的发电能 源和8 0 的民用能源，为国民经济建设做出了重大贡献。从我同能源资源条件和技术经 济发展水平来看，煤炭在我国能源结构中占主导地位，并且在相当长的一段时间内不会 改变【1 1 。目前我国经济正处于高速发展期，对能源尤其是电力的需求有增无减，以煤炭 为主体的能源结构，决定了我国的电力构成以火力发电为主，据统计，2 0 1 0 年，全国发 电装机容量达到9 6 2 1 9 万千瓦，火电装机总量7 0 4 4 3 万千瓦，占总装机容量的7 3 4 【2 j ， 电力生产所带来的环境污染是我国未来相当长的时间内面临的首要问题。 燃煤污染物的大量排放带来了自然环境的不断恶化，在大气颗粒物污染方面，2 0 0 9 年烟尘排放量为8 4 7 2 万吨，其中工业烟尘排放量为5 2 3 6 万吨，占总排放量的6 1 8 ， 颗粒物的大量排放，对自然环境和人体健康均造成极大危害【3 】。 1 1 1 超细颗粒物的基本性质 大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质，粒径范围在0 0 1 - 1 0 0 - t m 之间，统称为总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c i c u l a r ，t s p ) ，空气动力学直径小于 或等于1 0 p m 的大气颗粒物称为可吸入颗粒物( p m l o ) ，世界卫生组织( w h o ) 称p m l o 为可进入胸部的颗粒物( t h o r a c i cp a r t i c l e s ) ，而空气动力学直径在o 2 5 1 a m 范围的颗粒 称为超细颗粒物( p m 2 5 ) ，也称可入肺颗粒物( r e s p i r a b l ep a r t i c l e s ) ，p m 2 5 又被称作细 微颗粒物、细颗粒( f i n ep a r t i c l e s ) 等。 超细颗粒物不是一种单一成分的空气污染物，而是由许多不同的人为或自然污染源 的不同化学组分组成的复杂的大气污染物，可以由各种污染源直接排出，也可以是各种 污染源排出的气态污染物经过冷凝或在大气中发生复杂的化学反应而生成的，研究表 明，大气颗粒物中大部分的硫酸、硫酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、元素碳和有机碳等组分 存在于p m 2 5 中i 引。 lj j 东入学硕士学1 了论文 1 1 2 超细颗粒物的污染及危害 我国大气颗粒污染物的主要来源之一是燃煤飞灰颗粒，城市空气中由燃煤生成的悬 浮颗粒物占总悬浮颗粒物的3 3 ，其中超细颗粒物占3 5 ，我国每年消耗的煤炭中4 9 6 用于燃烧发电，燃煤电厂每年排放的超细颗粒物超过3 0 0 万吨，是大气中超细颗粒物污 染的主要来源【5 。 美国太空署在( ( e n v i r o n m e n t a lh e a l t hp e r s p e c t i v e s ) ) 上公布了2 0 0 1 - 2 0 0 6 年全球空气 污染p m 2 5 状况的卫星图片，如图1 1 ，世界卫生组织认为，该数值小于1 0 为安全，可 以看出，我国的超细颗粒物的污染( p m 2 5 ) 非常严重，尤其是在东部沿海及华北等工业 发达地区，这些地区人口密度较大，超细颗粒物污染严重威胁当地众多居民的身体健康。 s a t e l l i t e - d e r i v e dp m ， 沁咖1 v 图1 - 1 全球空气p m 2 5 污染状况 自2 0 世纪8 0 年代以来，人们逐渐重视大气颗粒物对健康的影响，所有的研究结果 均确认可吸入颗粒物会导致肺炎、气喘、肺功能下降等呼吸系统疾病，生活在颗粒物污 染严重地区的人群死亡率有明显增加，大部分的危害是由小粒径的颗粒物( p m l o 和 p m 2 5 ) 造成的。其中，p m 2 5 由于具有较大的比表面积，通常富集有大量的有毒痕量元 素如h g 、a s 、p b 、c u 、c i 、b r 等和多种有机污染物，且容易被人体吸入，可深达肺泡 并沉积，进而进入血液循环1 7 , 8 1 严重危害身体健康；同时，这些超细颗粒物也是诱发全球 气候变化、烟雾事件和臭氧层破坏等重大环境事件的重要因素【9 - 1 3 ，因此，燃煤超细颗 粒物的排放控制，已经得到世界各国的普遍重视，我国也正逐步将燃煤电厂烟尘排放浓 度标准提高到5 0 m g n m 3 【1 4 】，这使得我国燃煤电厂颗粒物污染的控制面临严峻挑战。 2 第1 章绪论 1 2 燃煤超细颗粒物控制技术 1 2 1 传统燃煤颗粒物控制技术 燃煤颗粒物的控制主要通过除尘器来实现，目前我国工业上广泛应用的除尘器可以 分为机械式除尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器和静电除尘器四大类。 机械式除尘器有重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等，由于结构简单、造价低 廉、维护管理方便，机械式除尘器在各工业领域被普遍使用，适于处理大粒径的粉尘颗 粒，而对于微米级和亚微米级的颗粒，其分离能力非常低l l 引。 借助于水或其他液体与含尘气体接触，利用液网、液膜或液滴捕集烟尘颗粒使烟气 得到净化的除尘设备统称为湿式除尘器，湿式除尘器的除尘效率要比干式的高，适用于 处理高温、高湿的烟气以及黏性大的粉尘颗粒，但除尘过程消耗水，能耗大，存在物料 难以回收、易造成污染转移( 除尘废水造成水污染) 等缺点。 过滤式除尘器包括袋式除尘器和颗粒层除尘器，以过滤机理作为主要除尘机理，以 袋式除尘器为例，过滤式除尘器具有较高的除尘效率，即使对于微细的粉尘颗粒，效率 也不难达到9 9 9 ，并且适用性强，维护方便，但是其造成的压力损失较大，滤料的抗 腐蚀性较差，需定期清洁和更换，限制了应用。 静电除尘，工作原理见图1 2 ，是利用高电压产生的强电场使气体电离，产生电晕 放电，进而使粉尘荷电，并在电场力的作用下使带电的粉尘粒子向收尘极运动以达到分 离目的的除尘技术【1 纠引，静电除尘技术在我国燃煤粉尘颗粒物控制方面有不可替代的作 用，目前，我同燃煤电厂中烟尘净化设备9 0 左右采用静电除尘器( e s p ) 。 1 电晕极2 气体电离产生的离子3 粉尘颗粒4 收尘极板5 高压电源 图1 - 2 静电除尘器工作原理 lj j 东夫学硕士学伊论文 静电除尘器能够获得较高的除尘效率，对粒径1 0 p m 以上粉尘颗粒的脱除效率在 9 9 以上，但对于1 0 i t m ( 特别是2 5 p r o ) 以下的超细颗粒，由于超细颗粒难以荷电，而 且电极振打产生二次扬尘容易使已捕集的超细颗粒逸出，导致脱除效率急剧下降，在其 l 左右的逃逸粉尘颗粒中，粒径小于2 5 t m 的超细颗粒可达逃逸粉尘颗粒总数的9 0 以上。面对超细颗粒物脱除难的困境，提高静电除尘器效率的传统方法是增加静电除尘 器的电场数量，但是受静电除尘器自身除尘原理的限制，通常在前几个电场中收集不到 的粉尘，在新增加的电场中仍然难以收集，对于超细颗粒物，单纯依靠增加电场数提高 脱除效率难以实现，而且增大了占地面积、建设投资及运行成本，所以探索一种有效的 超细颗粒物控制方式并对现有的静电除尘器进行改良，对超细颗粒物的控制十分必要 1 1 9 - 2 1 。 1 2 2 超细颗粒物团聚技术 传统的除尘方式难以有效控制超细颗粒物的排放，在传统除尘器前设置预处理阶段 使超细颗粒物通过物理或化学的作用团聚长大成粒径较大的颗粒后加以清除是未来除 尘技术的发展趋势之一【2 2 1 ，常见的超细颗粒物团聚技术主要有电团聚、磁团聚、热团聚、 水雾增湿团聚和水雾荷电团聚等。 电团聚是提高粉尘团聚的有效方法之一，通过提高超细颗粒物的荷电能力，促进超 细颗粒物以电荷库仑力的作用发生团聚，增大颗粒粒径，采用电团聚技术能够使传统静 电除尘器脱除超细颗粒物的效率提高，但除尘极板捕捉的颗粒达到一定数量后，效率会 大大降低，需要用燃烧法再生，这限制了电团聚技术的应用。 磁团聚指的是强磁性颗粒经磁场作用，即磁选或预磁后，由于其剩磁的相互作用而 产生的团聚现象，磁团聚技术应用于物料提纯和磁力选矿等已有很长的历史，上世纪七 十年代开始将磁分离技术应用于冶炼、电镀等行业的废水超细颗粒物的处理，虽然磁团 聚除尘对收集亚微米粒子的效率是极高的，但是在如何收集弱磁性尘粒，以及如何清除 收尘位置的粒子方面仍存在一些问题。 热团聚又称为热扩散团聚，是指超细颗粒物在没有外力、温度较高的环境下产生明 显的成核和团聚的现象，通常对于烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒物，热团聚的效果 比较明显，但是热团聚的过程仍十分缓慢，耗时较长，因而难以在工业上推广使用【2 2 ，2 3 1 。 对含尘烟气进行喷雾增湿可以促进超细颗粒物团聚，使用水雾控制烟气中的粉尘 时，含尘气流绕过雾滴，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离并同雾滴相撞被捕捉，即 4 甭l 苹绪论 通过粉尘粒子与液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现捕捉，其被捕捉的几 率与雾滴直径、粉尘受力情况有关；在高温烟气环境中伴随着传热等能量变化过程，水 雾会不断蒸发，使空气中的水蒸气迅速饱和，饱和后的水蒸气会以粉尘颗粒为核而凝聚， 使颗粒不断增大而落下来，这对抑制亚微米及微米级的粉尘特别有效。 水雾荷电除尘最早应用于矿井降尘，水雾带上电就成为荷电水雾，用荷电水雾降尘 是利用水雾促进颗粒团聚的一种有效方法，由于用人工的方法使水雾带上电荷，水雾雾 滴和尘粒之间增加了另外一种作用力静电吸引力或称库仑力，大大增强了雾滴与尘 粒之间的附着效果和团聚效果，因而能够大幅度提高水雾除尘的效率，其效率高低主要 取决于水雾的荷电方式、粉尘的带电性及喷雾量等因素1 2 4 1 。 水雾荷电除尘技术是在静电除尘技术和湿式除尘技术相融合的基础上发展起来的， 其工作原理涉及悬浮粒子荷电、带电粒子在电场中的迁移和捕集、惯性碰撞、颗粒碰撞 团聚以及将捕集物从集尘器表面清除等过程，当含尘气流与荷电水雾混合后，除了惯性 碰撞团聚等常规水雾除尘的作用外，由于尘粒处于水雾雾滴的包围之中，尘粒只要接触 水雾雾滴的球形电场即被吸附，从而实现捕尘的目的。 1 3 水雾荷电促进超细颗粒物团聚的研究进展 水雾荷电能够有效促进超细颗粒物团聚从而达到脱除目的，一个主要原因是雾滴荷 电后静电力增强，提高了捕集颗粒的能力，与带电雾滴结合后的颗粒，粘滞力静电力等 增强，更易于与其他颗粒发生团聚而使粒径增大，从而易于脱除，如果后续除尘设备是 静电除尘器，那么带有电荷的尘粒和雾滴的结合体，将更容易被除去，可见，水雾荷电 促进超细颗粒物团聚的相关研究对于超细颗粒物脱除具有重要意义，是超细颗粒物脱除 领域的一个发展趋势。 国内外的学者对水雾荷电促进超细颗粒物团聚进行了相关研究，多集中于荷电水雾 脱除粉尘特别是超细颗粒物的机理、荷电水雾除尘的影响因素、电凝并理论以及应用荷 电水雾综合脱除燃煤烟气污染物的研究领域。 1 3 1 水雾增湿团聚的研究现状 耿建新等【2 5 】研究了水雾对颗粒物的团聚作用，指出微细水雾可以对呼吸性粉尘产生 捕集作用，粉尘被水雾湿润后粒径、质量均增大，而变得易于脱除；喷入水雾的冷凝作 i j j 东大学硕士学何论文 用会造成空间中温度与浓度的不均匀变化并在冷凝处出现温差，未降温气体中的超细颗 粒物布朗运动未变，而己降温气体中的超细颗粒物布朗运动速度变慢，出现速度差，加 大了碰撞的机率，颗粒物之间更容易发生团聚作用。 r o l fd i e t e rb e c h e r 等t 2 6 】对流化床雾化参数对颗粒团聚的影响进行了研究，结果表 明，随着气液比的降低、雾化气量的减小以及温度的降低，颗粒团聚率增加。 f r a n kt h i e m a n n 掣2 7 】对流化床内颗粒的表面增湿特性对团聚效率的影响进行了试 验研究，对颗粒粒径分布以及颗粒微观形态进行了分析，结果表明，颗粒的润湿特性对 颗粒的团聚效率有较大影响，憎水性球型颗粒产生的团聚体比亲水性球型颗粒的粒度分 布更广，并且成粒更圆更紧实。 杨林军等【2 8 】对蒸汽相变促进燃烧源p m 2 5 团聚长大进行了总结，蒸汽相变促进颗粒 团聚的机理是，在过饱和蒸汽环境中，蒸汽以p m 2 5 微粒为凝结核发生相变，使微粒粒 度增大，质量增加，并同时产生扩散和热泳的作用，促使颗粒物迁移运动并相互碰撞， 使p m 2 5 团聚长大，从而实现更好的脱除。 颜金培等【2 9 】对洗涤塔内相变促进燃煤细颗粒凝结长大与脱除进了试验研究，结果表 明，利用过饱和水气在细颗粒表面凝结长大，可有效脱除燃煤超细颗粒，适当增加烟气 在相变区域的停留时间，有利于提高脱除效率，试验中燃煤细颗粒的脱除效率可达到 6 0 和6 5 以上，并趋于稳定。 可见，即使水雾不带电，只是依靠水雾的增湿作用就能促进微细颗粒的团聚【3 0 1 ，提 高除尘效率。 1 3 2 粉尘电凝并技术的研究现状 w a t a n a b e 等【3 1 , 3 2 就提出了电凝并除尘器概念，首先在预荷电区内收集较大粒径的颗 粒并且对亚微米颗粒进行荷电，荷电后的颗粒在凝并区中进行电凝并过程，最后凝并后 的颗粒在收尘区进行收集，试验结果表明，电凝并技术能够有效提高亚微米颗粒的除尘 效率，对比常规静电除尘器，p m l 的质量百分比减少了2 0 ，颗粒平均粒径明显增大。 j u n h oj i 等 3 3 】对不同荷电性质下的粒子在交变电场中的凝并特性进行了试验研究， 结果表明，利用电凝并技术，粒径小于l t t m 的颗粒含量减少了2 5 2 9 。 s v e m u r y 等【3 4 1 采用二维模型对对称荷电和非对称荷电条件下粒子的凝并效率进行 了研究，指出粒子荷电是电凝并的基础，同对称荷电相比，非对称荷电能够更有效地促 进凝并。 6 第1 苹绪论 r b o i c h o t 等【3 5 】利用电凝并技术针对发动机排放超细颗粒物进行了试验研究，结果 表明，引入电凝并技术后，发动机排放尾气中p m l 的脱除效率可达9 0 。 王连泽等【3 6 】将含尘气体分别通过正负放电电场，然后再混合，以滑石粉为试验粉尘 所能达到的最大沉降收集效率增加了9 5 ，以锅炉飞灰为试验粉尘所能达到的最大沉 降效率增加了8 o 。 周建刚等1 3 刀分析了烟道中同极性荷电粉尘的团聚，理论上认为带相同电荷的粉尘粒 子，由于粒子间存在斥力而不利于粒子的团聚，但实际的粉尘粒子都属高度多分散系， 其形状也并非是完整的球状体，并有较好的绝缘性，在相同的荷电条件下，粒子的带电 量却不相同，电荷在粒子表面的分布也不相同，不同的带电量和不同的电荷分布导致团 聚现象的发生，总体上呈现粒子团聚增大的现象。 如上所述，不论颗粒带何种极性的电荷，只要粉尘颗粒带电，颗粒之间的团聚作用 都能得到加强，依据电凝并理论，如果荷电水雾能够强化电荷由水雾到颗粒的迁移，那 么既克服了比电阻大的颗粒不易荷电的缺点，又使得粉尘颗粒特别是超细颗粒物在水雾 的增湿作用和电荷库仑力的作用下，实现更好的团聚。 1 3 3 水雾荷电促进超细颗粒物团聚的研究现状 j a w o r e k 等【3 8 】在研究多喷嘴电喷雾系统净化烟气的过程中，用1 0 0 9 m 以下的带电雾 滴捕集香烟中的微细粒子，发现与液滴不带电时相比，带电雾滴捕集微细粒子的效率获 得显著提高。 g a u n t 等【3 9 】采用带电雾滴净化空气中的飘尘，发现雾化液滴荷电时的捕集效率比不 带电时提高1 6 。 x d x i a n g 掣4 0 1 针对燃烧产生的高温烟尘研究了加入非荷电水雾和荷电水雾后烟尘 浓度的变化情况，在加入荷电水雾5 m i n 后，烟尘浓度降低了约6 0 ，而同样条件下非 荷电水雾只是将浓度降低了1 0 。 吴琨等【4 1 ，4 2 】进行了荷电水雾除尘器的性能研究，指出风速在一定范围内增加时，较 高的流速可以促进颗粒与水雾之间以及颗粒之间的碰撞，能够起到促进团聚的作用，但 如果风速过大，就会破坏已经团聚了的颗粒团；研究还发现，在一定范围内，水雾粒径 越小，捕尘效率越高，液滴直径5 0 1 5 0 p m 时除尘器对微细粉尘的捕集效率最好；液滴 荷质比越大，除尘效率越高，特别是对超细颗粒物，除尘效率随着水雾荷质比的提高呈 直线上升，水雾荷电后对粒径小于1 0g m 的粉尘除尘效率较不带电时明显提高，到粒径 7 i ij 东人学硕士学f 论文 大于1 0 岬后，荷电与不带电除尘效果趋于一致。 袁颖等【4 3 】分析了影响荷电水雾除尘效率的主要因素，指出静电力对微细颗粒的捕集 需要较低风速才能发挥较好效果，因此必须选择合适的风速，才能达到满意的捕尘效果； 喷雾量同样对除尘效率具有显著影响，而增加荷质比对颗粒的捕集影响不是十分显著， 因此在工程中可通过增大喷雾量来提高除尘效率。 陈卓楷等】对超声雾化水雾在除尘试验中的应用进行了研究，指出一般的喷雾对除 去“呼吸性粉尘 的效果不理想是因为水雾的粒径太大( 粒径为2 0 0 6 0 0p r o ) ；王贞涛 等【4 5 j 对高压静电雾化理论进行了详细的阐述，指出高压静电减小了液体的表面张力和粘 滞阻力，使液滴尺寸分布更为均匀，并且液滴荷电后，带电液滴在高压静电场的作用下 容易发生二次雾化，进一步减小液滴粒径，同时带电液滴在电荷之间斥力作用下，弥散 程度加大。 陈汇龙等【4 6 ，4 7 】采用环形电极、机械雾化喷嘴等组成的荷电雾化装置石灰浆液滴的荷 电特性进行了研究，分析表明，荷质比随荷电电压的增加而增大，但在低流量情况下接 近电极放电电压时荷质比会出现下降的趋势；分析了不同流量时的荷质比变化规律，指 出液滴的荷电效果与浆液流量有关，针对特定的流量，存在最佳电压值。 t s p r a n e s h a 等【4 8 】在研究静电力下大液滴脱除气溶胶粒子的试验中发现，带有更多 电荷的液滴脱除气溶胶粒子的效率反而降低，作者推测可能是液滴荷电过高时，当微细 颗粒靠近带电雾滴，会发生火花跳跃使颗粒从液滴获得电荷，即发生带电雾滴向微细颗 粒的电荷迁移，导致液滴与颗粒之间的吸引力变为排斥力，使效率降低。 e m e t z l e r 等1 4 9 】对液滴荷电和粉尘荷电增效除尘效果进行了试验研究，结果表明，颗 粒荷电的作用要优于液滴荷电对除尘的增效。 b a l a c h a n d r a n 掣5 0 】对荷电水雾脱除超细颗粒物进行了试验研究，选用了粒径分布在 l “m 的超细粉尘，分别进行了水雾荷电和粉尘颗粒荷电对脱除效率影响作用的研究，结 果表明，同样在液滴荷电的情况下，在颗粒也荷电的条件下，颗粒物的浓度有比较大的 下降，这表明颗粒荷电在水雾荷电时对除尘效果有很大的影响。 s e d w a r d 等【5 l 】研究了带电雾滴在蒸发作用下的电荷向颗粒物的转移情况，指出 液滴与颗粒物粘附后，部分电荷会转移到颗粒物上，并且在周围气体湿度较高时，会发 生气体的电离，促进颗粒的荷电； m e h m e tp o l a t 等1 5 2 j 在液滴中添加表面活化剂来促进液滴的荷电以及电荷从液滴到 粉尘的转移，对比了不同类型的活化剂对除尘效率的影响，结果表明，离子型表面活化 8 第1 章绪论 剂能够更好的促进液滴荷电从而有效提高带电雾滴的除尘效率。 综上所述，应用水雾荷电技术实现对超细颗粒物的高效捕集具有鲜明特色和现实可 行性，但对于直接影响除尘效率的带电雾滴的研究以及其促进超细颗粒物团聚机理研究 尚不全面，已有的水雾荷电除尘研究，主要是在常温下进行的，带电雾滴蒸发相对缓慢， 而应用于燃煤电厂超细颗粒物团聚脱除时，需要面对的是最高可达1 5 0 的烟气，因此 这一环境下带电雾滴对超细颗粒物的团聚促进作用有待进一步研究。 1 4 本文的研究目的和主要内容 燃煤电厂是我国大气中超细颗粒物的主要来源，对我国的大气环境及居民身体健康 造成严重的危害，虽然现有电厂静电除尘器的除尘效率可达9 9 以上，但是对粒径在 1 0 1 a m 以下的颗粒，特别是粒径2 5 1 , t m 以下的超细颗粒物，脱除效率急剧下降，造成超 细颗粒物的大量逃逸。本文针对静电除尘器对超细颗粒物捕集能力有限的现状，提出利 用水雾感应荷电技术促进燃煤烟气超细颗粒物团聚，使之粒径变大，再利用静电除尘器 对其进行脱除，从而增强现有静电除尘器对超细颗粒物的控制能力。 水雾荷电除尘技术凭借其较高的细颗粒脱除效率、灵活的操作性和良好的可行性， 与静电除尘联合，有望解决静电除尘器难以脱除超细颗粒物的问题。但目前有关水雾荷 电除尘的研究多应用于常温环境，针对燃煤电厂排烟环境并与静电配合的水雾荷电除尘 技术和系统的研究则很少。即使在常温环境下，雾滴荷电后的荷电特性和雾化特性的研 究尚不系统，二者的相互关系的研究也不完善。 本文的研究内容来自国家自然科学基金：水雾荷电迁移及微细粉尘颗粒团聚过程研 究( n o 5 1 0 0 6 0 6 3 ) 。主要通过试验的方法来研究水雾感应荷电过程中雾滴的荷电特性和 雾化特性的变化及其影响因素，探讨二者相互影响的关系，在此基础上，得到合适的操 作参数，建立水雾荷电促进超细颗粒物团聚的中试试验系统，测试水雾感应荷电对超细 颗粒物团聚的促进效果，并给出应用方案和相关设计。为此，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 研究感应荷电条件下水雾雾滴的荷电特性，分析荷电电压、电极尺寸、雾化 参数等对雾滴荷电特性的影响以及变化规律，探讨雾滴获得最佳荷电特性的参数； ( 2 ) 研究感应荷电条件下水雾雾滴的雾化特性，以荷电前后雾滴粒径分布、雾化 角等的变化评估雾化特性，分析荷电后雾滴雾化特性的变化，结合雾滴的荷电特性探讨 雾滴荷电特性和雾化特性的关系，为水雾感应荷电应用于燃煤烟气超细颗粒物团聚提供 9 j i 东人学硕士学何论文 依据； ( 3 ) 设计并建立水雾荷电促进超细颗粒物团聚的试验系统，根据试验确定的荷电 特性和雾化特性的参数进行超细颗粒物团聚效果的试验，评估水雾感应荷电后对燃煤烟 气中超细颗粒物的控制能力，给出工业应用的方案和可行性分析，为进一步的试验及工 业应用奠定基础。 1 0 第2 章水雾荷电特r t 试验研究 第2 章水雾荷电特性试验研究 水雾荷电捕集粉尘颗粒的过程中，带电雾滴的库仑力将发挥重要作用，电环境的引 入是水雾荷电除尘区别于常规喷雾除尘的关键，尤其对于燃煤电厂，现有静电除尘器对 超细颗粒物的脱除效果不能令人满意，其中一个重要原因就在于超细颗粒物在静电除尘 器中不能有效荷电而无法被有效除去，超细颗粒物极小的粒径是限制荷电的主要原因之 一，而水雾在荷电后，雾滴会成为一个带电的捕集体，除了水雾雾滴自身粘滞力对超细 颗粒物有捕集作用外，雾滴所带的电荷形成的库仑吸引力也会发挥作用，促进颗粒物团 聚、粒径变大，从而能够促进超细颗粒物荷电，进而提高超细颗粒物的脱除效率；另外， 带电的水雾雾滴同颗粒物碰撞结合后，整个结合体将带上电荷，这对于颗粒物在静电除 尘器中的荷电过程也是有利的。实现以上目标的前提是必须使雾滴良好荷电，因此本章 主要研究雾滴的荷电特性及其影响因素，雾滴的荷电特性不仅对超细颗粒物的团聚效果 和后续的脱除效果有重要影响，也是工业应用的基础。 2 1 水雾荷电机理简介 水雾荷电常用以下3 种方法：喷射荷电、电晕荷电和感应荷电。 喷射荷电，也称摩擦荷电，是让水高速通过某种非金属材料制成的喷嘴，在水与喷 嘴摩擦的过程中带上电荷，其荷电量与带电极性受喷嘴材料、喷水量、水压等因素影响， 使用这种荷电方式虽然结构简单，但是其带电性和荷电量难以控制。 电晕荷电是让水雾通过电晕场，电晕场对水雾充电，水雾带电的极性视电晕极性而 定，负电晕带负电，正电晕带正电，水雾荷电量的大小主要受电晕场强度及电场内离子 浓度的影响。 感应荷电是基于静电感应原理，通过静电场对电荷的感应作用，喷嘴喷出的水雾将 带上与感应电极相反极性的电荷，此法控制水雾的荷电量和极性都比较容易，能耗较低 【2 4 】。现有的相关研究中使用的多是负极性环形电极对水雾进行充电 5 3 4 5 ，雾滴的感应荷 电过程如图2 1 所示。 i i i 东人学硕士学f 论文 3 一负 一电 二极 =7 1 喷嘴2 环形电极3 喷雾雾滴4 雾滴中的电子5 雾滴失去电子带正电 图2 1 雾滴感应荷电过程 静电感应现象由英国科学家约翰坎顿和瑞典科学家约翰卡尔维尔克分别于1 7 5 3 年和1 7 6 2 年发现，是一种在电场影响下所引起的导体上电荷分离的现象。以负极性环 形电极静电喷雾为例，感应环接的是负极，水雾雾滴中的负电荷，比如水中负离子所带 的电荷等，将在电极的排斥作用下运动到水雾雾滴远离电极的一端，如果有一条接地引 线接触到雾滴上时，就会有若干电子流向大地，雾滴因失去电子而带正电荷。杨超珍等 5 6 , 5 7 1 应用电容器理论给出了环形电极感应充电的电学模型，指出感应充电雾滴荷电机理 可用电路的阻容模型描述，接地喷嘴和水雾形成的水膜同感应环形成一个电容器，其伏 安特性与气体导电的伏安特性吻合。上述的机理分析表明，感应电场的性质决定雾滴的 荷电特性，雾滴感应荷电下的荷电特性同电压、电极参数包括电极的尺寸、位置、形状 以及雾化参数和雾化液体的性质有密切关系。 近年来关于感应荷电的研究 5 3 - 5 7 1 中，多数采用对电压和电极绝缘性要求低、安全性 能好的负电晕环形电极荷电方式，鉴于此，本文中的试验将采用负电晕环形电极感应荷 电的方式对水雾充电( 下文中如无特殊说明，水雾荷电即指感应荷电) ，研究影响水雾 荷电特性的各个因素，包括电压、电极尺寸、雾化参数和雾化液体的性质等，分析雾滴 荷电特性的变化规律。 2 2 试验系统及方案 试验中设计的雾滴荷电特性的试验系统如图2 2 所示，试验装置使用绝缘性能良好 的有机玻璃制作，装置前端设置一个开口，其余位置封闭，保证带电雾滴被充分收集并 不受周围空气扰动的影响，装置内部设置可以移动的有机玻璃滑块，金属嘲附着其上捕 集带电雾滴，将