（环境工程专业论文）异极性荷电粉尘在电场中的凝并与收集.pdf

中文摘要 与传统的静电除尘器相比，电凝并除尘装置由于能够有效的收集亚微米级粉 尘而备受人们的青睐。本文对异极性荷电粉尘在交变电场及脉冲电场中的凝并行 为进行了较为深入的研究。取得了以下主要研究成果： 1 ) 将三区式异极性荷电粉尘交变凝并除尘装置改进为双区式。其创新之处 为在凝并区内同时实现粉尘的荷电与凝并。其优越性在于可使粉尘反复荷电与凝 并，荷电粉尘凝并后，其表面积增大，再次荷电后，电量增加，因此凝并效果好； 将预荷电区与凝并区合二为一，缩短了电极总长度，降低了除尘器成本。 2 ) 通过改变凝并区介质阻挡( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e 。d b d ) 反应器放 电类型，提出了粉尘在脉冲电场中的异极性荷电新方法。并对两种放电条件下粉 尘的除尘效率进行了对比研究，结果表明，异极性荷电粉尘在脉冲电场中的凝并 效果略优于交变电场。另外，本研究考察了凝并区反应器结构对电凝并除尘装置 的影响，开发了一种新型的点对点( p o i n tt op o i m ，p t p ) 放电反应器，扩展了凝 并装置结构类型的研究。 3 ) 通过对粉尘在脉冲电场中荷电机理的分析，提出其荷电过程分为两个阶 段，在脉冲放电周期的电子荷电及脉冲放电过后的离子荷电。 4 ) 应用类似于w i l l i a m s 求声凝并系数的方法导出了异极性荷电粉尘在交变 电场中的凝并系数，并根据关于粉尘凝并过程趋于“自保分布”的概念，建立了 异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘效率的数学表达式。 关键词：电凝并，荷电粉尘，异极性荷电，交变电场，脉冲电场，介质阻挡放 电反应器，除尘效率 a b s t r a c t e l e c t r i c a la g g l o m e r a t i o ni ss u p p o s e dt ob ea ne f f i c i e n tm e t h o dt oi m p r o v et h e c o l l e c t i o n e f f i c i e n c yo ft h e e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e s p ) f o rc o l l e c t i n gt h e s u b m i c r o np a r t i c l e s e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t ea g g l o m e r a t i o n c h a r a c t e r t i s t i c so fb i p o l a rc h a r g e dp a r t i c l e si na l t e r n a t i v ec u r r e n t ( a c ) a n dp u l s e d e l e c t r i cf i e l d t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) an 蹦t y p ee l e c t r o s t a t i ca g g l o m e r a t o rw i t ht w oz o n e sw a sd e v e l o p e d t h e d i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo ft h i se l c e c t r o s t a t i ca g g l o m e r a t o ri st h a tt h ep a r c i c l e s a r e b i p o l a r l yc h a r g e da n dc o a g u l a t e di nt h es a r n ea ce l e c t r i cf i e l ds i m u l t a n e o u s l y a n d t h e r ea r et w oa d v a n t a g e s ：t h ep a r t i c l e sc a l lb ec h a r g e da n da g g l o m e r a t e dr e p e a t e d l y w h e nt h ep a r t i c l e sa r ea g g l o m e r a t e di n t oal a r g e rp a r t i c l e ，t h es u r f a c ea r e ab e c o m e s g r e a t e r t h ec h a r g eo nt h ea g g l o m e r a t e dp a r t i c l e si si n c r e a s e dw h e nt h i sp a r t i c l ei s c h a r g e da g a i n t h u s ，t h ea g g l o m e r a t i o nr a t eg o s eu p ；b e c a u s et h ep a r t i c l e sc a nb e b i p o l a r l yc h a r g e di nt h ea ce l e c t r i cf i e l d ，i ti s n o tn e c e s s a r yt oh a v eap r e c h a r g i n g z o n e t h e r e f o r e ，t h et o t a ll e n g t h o ft h ee l e c t r i c f i e l db e c o m e ss h o r t e ri nt h e a p p l i c a t i o n 2 ) a c c o r d i n gt oc h a n g i n gd i s c h a r g et y p eo fd b d r e a c t o r , an e wb i p o l a r l yc h a r g e d m e t h o do fp a r t i c l e si np u l s e de l e c t r i c f i e l dw a sp r o p o s e d t h ec o m p a r i s o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c y o fb i p o l a rc h a r g e d p a r t i c l e si np u l s e de l e c t r i cf i e l di sh i g h e rt h a nt h a ti na c e l e c t r i cf i e l d f u r t h e r m o r e ，a p t pr e a c t o rw a sd e s i g n e dt o i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e n c eo fr e a c t o rs t r u c t u r eo n c o l l e c t i o ne f f i c i e i a c yo fe l e c t r o s t a t i ca g g l o m e r a t o r 3 ) t h et h e o r yo fp a r t i c l ec h a r g i n gi np u l s e de l e c t r i c f i e l dw a s e s t a b l i s h e d t h e p a r t i c l ec h a r g i n gp r o c e s si s d i v i d e di n t ot w op e r i o d s ，t h ee l e c t r o nc h a r g i n gi np u l s e d i s c h a r g ed u r a t i o na n dt i l ei o nc h a r g i n ga f t e rt h ep u l s ed i s c h a r g ed u r a t i o n 4 ) f o r m u l at oc a l c u l a t et h ec o a g u l a t i o nc o e f f i c i e n to fb i p o l a rp a r t i c l e si na c e l e c t i e cf i e l dw a sp r o p o s e db ya d a p t i n gt h em e t h o dt h a tw a sd e v e l o p e db yw i l l i a m st o e v a l u a t et h ea c o u s t i cc o a g u l a t i o nc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to ft h e s e l f - p r e s e r v i n gi np a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，t h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fe l e c t r o s t a t i c a g g l o m e r a t o rw a sd e t e r m i n e dt h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：e l e c t r i c a la g g l o m e r a t i o n ，c h a r g e dp a r t i c l e s ，b i p o l a rc h a r g e ，a c e l e c t r i cf i e l d ，p u l s e de c e t r i cf i e l d ，d b dr e a c t o r , c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 冯涛 签字日期：l o o7 年 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 冯湾 导师签名： 叫矽矽 签字日期：2 0 0 7 年月i1 日 签字日期：伽，7 年月日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 众所周知，粉尘污染是世界公害之一。许多企业都是粉尘污染的大户，例如， 火力发电厂、供热厂、水泥厂、石料加工厂、纺织厂、化工厂等都是主要的产尘 源。粉尘污染对人类和环境的影响是多方面的，如对人造成毒害和刺激，降低能 见度，引起设备磨损腐蚀，对农作物、草原、牲畜生长造成危害，对环境卫生影 响也十分突出。由于大多数情况下，粉尘污染是开放性和随机性的，粉尘污染控 制非常困难和昂贵。所以，数百年来，粉尘的防治技术的研究和开发一直得到高 度重视，其技术水平也不断地发展f l 】。 1 1 研究背景 1 1 1 我国粉尘污染现状 随着工业的不断发展和人们生活水平的提高，能源急剧增长，由此导致的大 气污染问题日趋突出，严重威胁人类生存环境，阻碍经济健康可持续地发展。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要 能源的国家之一，煤炭在一次能源中的比例高达7 5 左右。原煤燃烧产生大量的 粉尘，据统计大气粉尘污染中的7 1 来自煤燃烧。能源结构决定了我国大气污染 以煤烟型为主，主要污染物就是粉尘。我国年煤炭消费量巨大，1 9 9 5 年为1 2 1 亿吨，2 0 0 0 年为1 4 5 亿吨【2 】。大量的煤炭消耗，使我国的大气污染非常严重， 1 9 9 8 年粉尘排放量为1 4 5 2 万吨，居世界第一位。 尽管除尘技术已经比较成熟，粉尘污染也得到了一定控制，但总体水平与发 达国家相比差距较大，除尘效率不高，尤其是细微粉尘收集效率更低。1 9 9 5 年 全国火力发电厂除尘器平均除尘率为9 5 - 9 6 ，只相当于美国1 9 7 2 年的水平。 悬浮于大气中的l 岫以下亚微米粉尘，通过呼吸系统进入人的体内，引发鼻炎、 慢性支气管炎、哮喘等各种呼吸道疾病【引。进入肺部可导致尘肺病，这是一种常 见而且难以治愈的职业病【4 】。粉尘降落在植物上，影响植物光合作用，降低其生 长速度，造成产量下降，品质变坏。粉尘还会造成设备磨损等问题，对人体健康 和生产经营活动危害也很大1 5 1 。亚微米粉尘污染已经成为一些城市的突出问题。 因此，粉尘治理需要加强，尤其是亚微米粉尘的治理已成为当务之急【6 】。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 我国除尘技术发展历程 新中国成立以来，党和政府一直十分重视环境保护工作，取得了举世瞩目的 成就。在除尘技术方面，经过我国广大科技工作者的不懈努力，现在已大大缩小 了与西方发达国家之间的差距。回顾我国除尘技术发展的历程，可粗略地分三个 阶剐7 】。 第一阶段为上世纪6 0 - - 7 0 年代，主要是介绍西方关于颗粒污染物净化技术 和引进成套的除尘设备，以应用于中国的除尘实践。 第二阶段为上世纪8 0 年代，主要是对除尘理论与技术进行归纳总结，除了 借鉴西方发达国家的研究成果外，日本在除尘方面的实用技术对我们建立较完善 的除尘理论与技术体系也产生了较大影响。其中有代表性的著作有嵇敬文编著的 除尘器，陈明绍等编著的除尘技术的基本理论与应用，谭天佑、梁风珍 编写的工业通风除尘技术等。在这一阶段，我国的除尘设备制造业有了高速 的发展，可自行生产许多大型除尘设备，如静电除尘器、袋式除尘器等。 第三阶段为上世纪9 0 年代以后，由于环境科学、计算机科学，特别是作为 除尘技术的理论基础一气溶胶科学的发展，极大地促进了除尘理论与技术的发 展。除了对传统除尘方法的净化机理有了更深刻的认识以外，还出现了许多新的 除尘理论、除尘方法和新型除尘设备。这一阶段的突出特点是：除尘技术的创新、 除尘设备的创新以及环保高科技产品的产业化。 1 1 3 传统除尘技术概述 颗粒污染物净化技术包括固体颗粒和雾滴的净化，传统上称为除尘技术。所 采用的净化方法通常为物理净化方法1 8 】。根据所利用的净化机理不同，习惯上将 除尘设备分为四大类1 9 d i 】： 1 ) 机械式除尘器机械式除尘器是利用质量力( 如重力、离心力等) 的作用 使颗粒物与气流分离并被捕集的装置，如重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器 等，见图1 1 。这种设备构造简单、投资少、动力消耗低，除尘效率一般在4 0 9 0 之间，是国内常用的一种除尘设备。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 含尘气体亡玲 重力沉降室 惯性除尘器 日洁净气体 旋风除尘器 图1 - 1 常见机械式除尘器示意图 重力沉降室 重力沉降室是一种最古老、最简单的除尘装置。它是利用重力作用使粉尘自 然沉降，使尘粒和气体分离开来而达到除尘目的。它具有构造简单、造价低、能 耗小、运行管理方便等特点，而且可以处理高温气体。重力沉降室体积较大，除 尘效率较低，一般为4 0 6 0 ，且只能去除大于4 0 5 0l am 的大颗粒，故一般 作为预除尘器使用，以减轻第二级除尘器的负荷。 惯性除尘器 惯性除尘器是利用含尘气体急剧地改变方向，其中粉尘粒子因为惯性作用与 气流分离并被捕集的一种装置。惯性除尘器的除尘效率一般为5 0 - - 7 0 。由于 惯性除尘器的除尘效率较低，一般也只用来作预除尘器使用。惯性除尘器可用来 处理高温含尘气体，能直接安装在风道上。含尘气体在冲击或方向转变前的速度 越高、方向转变的曲率半径越小时，其除尘效率也就越高。 旋风除尘器 旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使粉尘从气流中分离并捕集下来 的装置。具有应用广泛、型式繁多、结构简单、没有运动部件、造价便宜、维修 管理方便等特点。一般类型的旋风除尘器除尘效率为8 5 左右，高效的旋风除尘 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 器除尘效率可达9 0 左右。 2 ) 过滤式除尘器过滤式除尘器是使含尘气流通过织物或多孔的填料层进行 过滤分离的装置，如袋式除尘器、颗粒层除尘器等，见图1 2 。这种过滤器多用 袋式除尘器 圆形滤袋 颗粒层除尘器 图1 2 常见过滤式除尘器示意图 于工业原料气的精制、固体粉料的回收、特定空间内的通风和空调系统的空气净 化以及去除工业排放尾气或烟尘中的粉尘粒子。过滤除尘器的滤尘过程比较复 杂，一般来讲，粉尘粒子在捕集体上沉降，并非只有一种沉降机理在起作用，而 天津大学硕士学位论文第章绪论 是多种沉降机理联合作用的结果。 袋式除尘器 用布袋除尘是一种最古老，也是应用最广泛的方法，它是一种干式高效过滤 除尘器，利用纤维织物的过滤作用进行除尘。自从1 9 世纪中叶布袋除尘器开始 应用以来，不断地得到发展，特别是2 0 世纪5 0 年代，由于合成纤维滤料的出现、 脉冲清灰及滤袋自动检漏等新技术的应用，袋式除尘器在冶金、水泥、化学、陶 瓷、食品等不同工业部门得到了广泛的应用。其主要优点是：对净化含微米数量 级的粉尘粒子的除尘效率可达9 5 ，可以捕集多种干式粉尘，含尘气体浓度在相 当大的范围内变化时对除尘效率的影响不大，运行性能稳定可靠、操作维护简单。 对袋式除尘器，含尘气体是通过由滤布制成的滤袋来实现的，滤布的特性和质量 直接影响袋式除尘器的性能。 颗粒层除尘器 颗粒层除尘器是以硅沙、砾石、矿渣和焦炭等粒状颗粒物作为滤料，去除含 尘气体中粉尘粒子的一种内滤式除尘装置。在除尘过程中，气体中的粉尘粒子是 在惯性碰撞、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电力等多种捕尘机理作用下捕集的， 粉尘附着于颗粒滤料及尘粒表面上。颗粒层除尘器具有结构简单、维修方便、耐 高温、耐腐蚀、效率高、可处理易燃的含尘气体、并且具有可同时处理气体中 s 0 2 等多种污染物等优点。 3 ) 洗涤式除尘器洗涤式除尘器是利用液滴或液膜洗涤含尘气流，使粉尘与 气流分离的装置，如喷淋式除尘器、文丘里式除尘器等，见图1 3 。洗涤式除尘 器的除尘效率比干式除尘器高，可以处理高温、高湿、高比阻、易燃和易爆的含 尘气体，在去除含尘气体中粉尘粒子的同时还可以去除气体中的水蒸气及某些有 毒有害气态污染物，具有除尘、冷却和净化的作用。 喷淋式除尘器 喷淋式除尘器是最简单的一种洗涤式除尘器。这类除尘器具有结构简单、压 力损失小、操作稳定方便等特点，但净化效率较低，且耗水量及占地面积大。对 于大于l oui t i 的尘粒捕集效率较好。该除尘器一般不用作单独除尘，而是与高 效除尘器联用，起预净化、降温和加湿的作用。 文丘里式除尘器 文丘里式除尘器是一种高效洗涤式除尘器。其工作原理为；含尘气体高速通 过喉管，水在喉管处注入并被高速气流雾化，尘粒与液滴相互碰撞使尘粒沉降。 其结构简单，对微米级粉尘具有较高的去除效率，但动力消耗比较大，运行费用 较高。该除尘器常用于高温烟气降温和除尘，也可用于吸收气体污染物。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 喷淋式除尘器 格栅 文丘里式除尘器 嚣 图1 3 常见洗涤式除尘器示意图 4 ) 静电除尘器静电除尘器是利用电力作为捕尘机理的除尘装置，如板式静 电除尘器等，见图1 4 。电除尘器是一种用于捕集细微粉尘的高效除尘器，已广 泛应用于冶金、化工、水泥、火电站以及轻工等行业。电除尘器与其他除尘器的 根本区别在于除尘过程的分离力直接作用于粒子上，而不是整个气流上。因此， 电除尘器具有除尘效率高、能耗低、气流阻力小、耐高温、处理烟气量大、可捕 集小粒径粉尘及能够实现微机控制和远距离操作等优点。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 洁净气体 亡= = 极板 欷式静电除尘器 图1 4 常见静电除尘器示意图 表1 1 列出了这几种传统除尘器的除尘性能。从表1 1 中可以看出，传统除 尘设备对粒径大于lpm 的粉尘一般均有良好的去除效果，但是对亚微米级粉尘 的净化效率却不甚理想，因此有必要对除尘设备进一步开发以提高对细微粉尘的 收集效率。 表1 1 传统除尘设备除尘性能 除尘设备类别 捕集粒径u m除尘效率 机械式除尘器5 1 0 04 m 母0 过滤式除尘器2 1 0 07 5 9 5 洗涤式除尘器 1 1 0 08 0 9 8 静电除尘器0 5 1 0 08 0 9 9 1 2 电凝并除尘技术 由1 1 3 可知，传统的除尘技术包括：重力、惯性或离心分离、过虑、静电 和湿式净化，不过这些除尘技术仅用了两大净化机理：空气动力分离和静电收集。 实际上还存在其他许多外力，如泳力、分子力、磁力等都可以用于气溶胶粒子的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 收集。问题在于这些净化机理如何在实用的工艺基础上实现。近年来发展起来的 电凝并除尘技术就是一种基于新机理且具有良好发展前景的除尘新技术【1 2 】。 1 2 i 凝并技术研究进展 分散的微细粒子通过物理的或化学的作用相互接触而结合成的较大颗粒的 过程称为凝并。研究凝并机理对间接收集微细粉尘具有特别重要的意义。对于气 溶胶粒子，根据凝并机理的不同，凝并主要分为热凝并、声凝并及电凝并。 i ) 热凝并 热凝并又称为热扩散凝并，是在没有外力作用情况下产生的。关于热凝并的 研究已经较为成熟。s m o l u c h o w s k i 很早就导出了在静止连续介质中球形尘粒的 热凝并公式。设有计数浓度为c ，半径为r l 的尘粒向半径为r 2 的中心粒子碰撞， 那么单位时间r 。粒子的减少量应等于单位时间这两种粒子的碰撞次数。 s m o l u c h o w s k i 给出： 害= 。鸸1 ( 鲁 c 防 i2j 、7 式中：d ，一半径r l 粒子的扩散系数； c 一数量浓度，个m 3 。 考虑到两种粒子相互扩散，因此d l 和应该用d i + b 和+ 吒代替，于是， 合量的浓度变化率为： d 出c = - 2 万( ，i + 吃) ( d 1 + d 2 ) c 2 i ( 1 - 2 ) 对于布朗扩散过程，爱因斯坦给出： d = k b t 6 刀 a ( 1 - 3 ) 式中：d 一扩散系数； k 。一玻耳兹曼常数； 丁一绝对温度，k ； 气体动力黏度，p a s 。 若粒子大小接近空气分子自由程入时，式( 1 - 3 ) 需乘c u n n i n g h a m 滑移修正 系数c - 。 将式 式中： ( 1 3 ) 代入到式( k ，一热凝并系数 2 ) 中，于是便得到了更一般的热凝并方程式： 尘：一墨cz(1-4)dt 2 显然有： 弘掣l 堕+ 誓h 吒) ( i - 5 ) 3 l r 2j 天津大学硕士学位论文第一章绪论 解式( 1 - 4 ) 可得： ，1、 c = c o il + 寺k , c o t ( 1 - 6 ) 式中：c o w t = 0 时刻初始尘粒的计数浓度，个n 1 3 。 式( 1 - 4 ) 和式( 1 6 ) 是经典的凝并理论公式。 热凝并系数的值一般很小，因此，为了使其增长到较大的尘粒需要较长的时 间。一般来说，在起始含尘质量浓度高，粒径相差较大的多分散尘粒，凝并效应 是比较明显的，即使这样，热凝并的凝聚过程仍十分缓慢。如使1l am 的尘粒群 增大到一倍，需要1 0 0 m i n 以上的时间，因而这种凝并在工业中很难得到应用。 2 ) 声凝并 在声场和超声场中，对细小粒子的声凝并机理有不同的解释。其中一种认为 由于声波引起的振动，使不同大小的粒子间被带动的程度不同而产生不同的移动 速度。小粒子由于质量小将参与到大振幅的声波振动，并与难以振动的大颗粒相 碰撞而产生凝并。然而这种理论并不完善，有些现象不能得到解释。例如，频率 很高时，几乎所有粒子都静止不动，但仍有凝并现象。通常认为超声凝并机理是 因以下3 方面原因造成的：在声场中不同大小尘粒振动的振幅不同而导致粒子间 的碰撞；由气流和颗粒间的相对速度在粒子之间造成的流体吸引力；由于声辐射 压的作用，使粒子沉积到声驻波的波腹上。 利用声凝并可以大大提高微粒的凝并速率。实验室的声波除尘装置由声波发 生器、声凝并箱和分离器组成。含尘气流在凝并箱中滞留时间往往不超过1 0 s 。 声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的关注。然而为了产生 几十k h z 甚至更高频率的声波，需要耗用大量的电能，因此限制了它的实际应 用。 3 ) 电凝并 电凝并包括带电粒子间的库仑凝并和外电场力作用下带电粒子间的凝并。虽 然早在2 0 世纪初，人们就开始了关于微粒凝并现象的研究。然而，直到上个世 纪末，气溶胶科学研究者才开始讨论在外电场力作用下带电粒子的凝并行为。空 气污染控制理论与实践表明，采用常规的净化方法，收集粒径小于l i a n a 的亚微 米级粉尘的效率很低。而这种亚微米粉尘对人类及环境的危害很大。多少年来， 人们一直寻求有效收集亚微米粉尘的方法。静电凝并理论与净化技术的发展，为 间接收集烟气中的亚微米粒子提供了一个有效的途径。 上世纪6 0 年代初，气溶胶科学的奠基人f u c h s l l 3 】就导出了带电粒子碰撞频 率计算式。8 0 年代末，e l i a s s o n 等f 】理论计算和试验测定了异极性荷电粉尘的凝 并速率。w i l l i a m s 及l o y a l k a ”】运用场论的方法进一步完善了电凝并方程式。9 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 年代初，w a t a n a b e 等( 16 】提出同极性荷电粉尘在交变电场中凝并的三区式静电凝 并除尘器引起了除尘技术领域的关注。随后，k a u p p i n e n 掣1 7 1 提出了亚微米带电 粒子在交变电场中的浓度随时间衰减百分率计算式。w a t a n a b e 等【1 6 】以及h a u t a n e n 等【l8 】对这种三区式电凝并除尘器做了较全面的试验研究。然而，w a t a n a b e 采用 的是同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并方法，根据静电凝并机理，如果采用异 极性荷电粉尘，会进一步提高凝并效果。由于荷电方式、粉尘物化性质等因素的 影响，粉尘群的正负电荷量往往是非对称的，向晓东及c o l b e c k t l 9 】研究了非对称 异极性气溶胶的电凝并过程。同时，许多研究者讨论了实现气溶胶粒子异极性荷 电的方法 2 0 - 2 3 】。并提出异极性荷电粉尘在交变电场中凝并将优于同极性荷电粉尘 在交变电场中的凝并设想【2 4 1 。紧接着，许多研究者进行了异极性荷电粉尘在交变 电场中凝并的理论和实验研究 2 5 - 3 0 】。另外，异极性荷电气溶胶粒子不仅有静电凝 并，而且还存在同极性荷电粒子相互远离的静电弥散现象。于是向晓东和c o l b e c k 理论分析和实验研究了除静电凝并外荷电粉尘的静电弥散现象【3 1 1 ，从而加深了对 电凝并现象的认识。 近几年来，欧美、日本在使用静电凝并方法收集亚微米粉尘方面有了突破性 进展。电凝并应用研究主要概括为3 个方面：异极性荷电粉尘的库伦凝并；同极 性荷电粉尘在交变电场中的凝并；异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并。其中， 异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是电凝并除尘技术的发展方向。 t 1 2 2 异极性荷电粉尘的库仑凝并 异极性荷电粉尘的库仑凝并原理如图1 5 所示。微细粉尘在预荷电区中荷以 异极性的电荷后，进入凝并区中，在凝并区，带电粉尘在库仑力的作用下聚集成 较大的颗粒，然后进入收尘区并被捕集下来。 图1 - 5 异极性荷电粉尘库仑凝并除尘装置示意图 k a n a z a w a 等人采用图1 - 5 所示的静电凝并除尘装置收集烟草烟雾的收尘效 天津大学硕士学位论文第一章绪论 率达8 0 。e l i a s s o n 等人的实验结果表明：在对偶极性荷电情况下，亚微米粒子 的电凝并速率比中性粒子的热凝并速率高1 0 2 一1 0 4 倍，这一研究结果引起气溶胶 科学界的广泛兴趣。不过，这些研究往往只限于在凝并箱中的静态无外力场情况 下粒子的电凝并过程。为增强凝并速率，有必要引入电场力，从而进一步提高对 亚微米粉尘的收尘效率。 1 2 3 同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并 同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘装置如图1 - 6 所示。粉尘在预荷电 区荷以同极性电荷后，引入到加有高压电场的凝并区中，荷电粉尘在交变电场力 作用下产生往复振动，由于粒子间的相对运动或速度差，使得粒子相互碰撞而凝 并，最后在收尘区中被捕集下来。同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并机理比较 复杂，目前尚无法确定其凝并系数的大小。一般认为，同极性荷电粉尘相互排斥 不利于凝并，但是w a t a n a b e 认为：由于亚微米粉尘的布朗运动，加上荷电粉尘 在交变电场力作用下的往复振动，增强了粒子间相互碰撞的机会，从而产生凝并 作用。w a t a n a b e 等人的实验结果表明：采用图1 - 6 所示的电凝并除尘装置处理 0 0 6 1 2 p m 的飞灰，比常规电除尘器的收尘效率提高3 ，即由9 5 1 增加到 9 8 1 。h a u t a n e n 和k i l p e l a i n e n 采用类似的凝并除尘装置去除油烟，也得到了较 好的实验结果。 图1 - 6 同极性荷电粉尘交变凝并除尘装置示意图 1 2 4 异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并 异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘装置如图1 7 所示。由于采用了异 极性预荷电的方式，加快了荷电粉尘在交变电场中的相对运动，有利于荷电粉尘 的相互吸引、碰撞、凝并，从而提高了凝并速率。根据k i l d e s 等人提出的交变电 场中荷电粉尘的凝并系数计算式，对于l p m 的尘粒，在电场e = 4 k v c m 条件下， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 可估算出凝并系数k w = 1 0 1 2 m 3 s ，而库仑凝并系数k e 2 l o 1 4 - 1 0 。3 m 3 s ，因此异极 性荷电粉尘在交变电场中的凝并优于异极性荷电粉尘的库仑凝并。另外，k a r i 等人在进行交变电场中同极性荷电粉尘与异极性荷电粉尘电凝并对比实验中发 现，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并作用远大于同极性荷电粉尘在交变电场 中的凝并，因此，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘技术应该成为电凝并 除尘的发展方向。 图1 7 异极性荷电粉尘交变凝并除尘装置示意图 2 0 世纪9 0 年代后期，国内以向晓东为代表的研究人员也投入了电凝并除尘 理论与实践方面的研究，并取得了一定的研究成果【3 2 ，3 3 1 。白敏冬等 3 4 】为了解决目 前除尘电场的电离占空比、带电粒子输运项低等问题，对大气压电场电离放电特 征参量的时空演变规律、电离放电通道中的带电粒子复合及其输运特性等理论问 题做了较深入研究，这将有助于提高烟尘的驱进速度和除尘效率。陈旺生等【3 5 】 根据碰撞理论，推导出偶极荷电粒子在交变电场中的电凝并系数，并利用 w i l l i a m s 求声凝并系数的方法，将其简化。得出了在忽略粒子的惯性条件下，电 凝并系数与交变电场的频率无关的结论。 1 3 本文的研究内容 综上所述，目前国内外关于电凝并除尘理论与实践方面的研究都还只处于起 步阶段，为了满足人们对能够高效收集亚微米粉尘除尘设备的需求，本文对电凝 并除尘理论与实践进行了深入的研究，具体内容如下： 第二章对异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集做了较为系统的研究， 并改进传统的三区式电凝并除尘装置为双区式。与三区式相比，其创新之处为在 凝并区内同时实现粉尘的荷电与凝并。 第三章通过改变凝并区d b d 反应器放电类型，提出了粉尘在正负脉冲电场 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 中的异极性荷电新方法。并对两种放电条件下粉尘的除尘效率进行了对比研究， 结果表明，异极性荷电粉尘在脉冲电场中的凝并效果略优于交变电场。另外，本 研究考察了凝并区反应器结构对电凝并除尘装置的影响，开发了一种新型的p t p 凝并放电反应器。 第四章通过对粉尘在脉冲电场中荷电机理的分析，提出其荷电过程分为两个 阶段，在脉冲放电周期的电子荷电及脉冲过后的离子荷电。并建立了粉尘在交变 电场中电凝并除尘效率的数学表达式。 天津大学硕士学位论文 第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 在电凝并研究的主要三个方向：异极性荷电粉尘的库伦凝并，同极性荷电粉 尘在交变电场中的凝并，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并中，由于异极性荷 电粉尘在交变电场中的凝并效果最好，而成为电凝并除尘技术的发展方向。 本章对异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集做了较为系统的研究，并 改进传统的三区式电凝并除尘装置为双区式。和三区式相比，其创新之处为在凝 并区内同时实现粉尘的荷电与凝并。其优越性在于：可使粉尘反复荷电与凝并， 荷电粉尘凝并后，其表面积增大，再次荷电后，电量增加，因此凝并效果好；将 预荷电区与凝并区合二为一，不仅缩短了电极总长度，还有利于传统静电除尘设 备的改造( 将常规静电除尘器加一交流电源即可) 与电凝并除尘技术的推广与应 用。 2 1 实验装置与方法 2 1 1 实验仪器及设备 实验所需主要仪器及其型号、性能和生产厂家如表2 1 所示。 表2 - 1 主要实验仪器及其性能 实验仪器型号仪器性能厂家 北京机电院高电压技术 直流高压电源b g g直流，o l o k v 研究所 北京机电院高电压技术 交流高压电源y d交流，o 1 0k v 研究所 示波仪t d $ 3 0 5 4 b5 0 0m h z ，5g s s 太克( t e k t r o n i x ) 科技公司 2 0k v ( d c + p c a k a c ) ， 电压探头p 6 0 1 5 a 太克( t e k t r o n i x ) 科技公司 7 5 m h z 天津大学硕士学位论文 第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 实验仪器型号仪器性能厂家 电流探头t c p 2 0 2d c 5 0m h z太克( t e k t r o n i x ) 科技公司 可读性：o 1n a g 电子天平b $ 2 2 4 s 北京赛多利斯仪器系统有限公司 标准偏差：垒o 1m g 磁力加热搅拌器7 8 10 - - 1 6 0 0 转，分余姚广播电视六厂 转子流量计l z b 2 5 f m 乏5 l r a i n 余姚工业自动化仪表厂 空压机a c o 0 0 10 之0 l r a i n台州格凌电气有限公司 2 1 2 实验装置及方法 异极性荷电粉尘在交变电场中凝并与收集的实验装置如图2 1 所示。整个实 验装置由粉尘发生系统、电凝并除尘系统、电源供给系统、电压电流数据采集系 统组成。d b d 放电器与板板静电除尘器分别构成了电凝并除尘装置的凝并区和 集尘区。凝并区交变电场由y d 型交流高压电源供给( 电压范围为0 , - - 1 0 k v ) ：集 尘区电场由b g g 型直流高压电源供给( 电压范围为0 1 0 k v ) 。电压电流数据采 用美国泰克公司的p 6 0 1 5 a 型高压探头、t c p 2 0 2 型电流探头和t d s 3 0 5 4 b 型示 波器采集得到。 转子流量 空压机 图2 1 异极性荷电粉尘在交变电场中凝并与收集的实验装置示意图 天津大学硕士学位论文 第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 实验用粉尘为两种平均粒径分别为0 5um 与2ui n 的硅粉，并由自制虹吸 式发尘器产生。通过调节进入发尘器的气体流量与虹吸管高度来控制发尘速率， 实验中固定气体流量为1 0 l r a i n ，虹吸管高度为1 0 0 r a m ，此时测得发尘速率为 o m g s 。除尘效率采用重量法测定。实验对比了这两类不同粒径粉尘在有无静电 凝并条件下，除尘效率随板板除尘器间平均场强变化关系，并考察了d b d 放电 器所加交流电压值对粉尘凝并效果的影响。 2 2d b d 放电器与板板静电除尘器 2 2 1d b d 放电器 实验所用d b d 放电器为同轴圆筒结构，如图2 - 2 所示。交流高压电极与接 地极由不锈钢棒与缠绕在石英玻璃管外表面的导电胶带构成，并分别与交流高压 电源输出端和大地相连。其中，不锈钢棒直径为3 m m 、长度为2 0 0 m m ，石英玻 璃管外径为1 2 r a m 、内径为1 0 m m 、壁厚为1 0 m m 、长度为2 0 0 m m ，导电胶带长 度为1 0 0 m m 。 图2 - 2d b d 放电器结构示意图 天津大学硕士学位论文第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝井与收集 2 2 2 板一板静电除尘器 圈2 - 3 板板静电除尘器结构示意图 集尘装置为板- 扳静电除尘器，结构如图2 - 3 所示。整个装置封闭在一个长 方体有机玻璃容器中，上端与d b d 放电器相连，下端通过一锥形渐变容器( 见 图2 _ 4 ) 与空压机相连。两块集尘板由长为1 5 0 r a m 宽为5 0 m m 的不锈钢板构成， 板间距离固定为2 0 m m 。一块不锈钢板与b g g 型直流高压电源的输出端相连， 另一块不锈钢板接地。 圈2 4 锥形连接管结构示意图 晤 一廖 黼塑蜊吲=一 一 豳箨兰厶 一 一簿 | 删t 天津大学硕士学位论文第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 2 3 实验结果与讨论 2 3 1 无静电凝并条件下粉尘收集效率的研究 实验首先考察了在未向凝并区d b d 放电器施加交流高压的条件下，单独使 用板一板静电除尘装置对不同粒径粉尘的收集效果，实验结果如图2 5 所示。 琴 爵 校 刊 篮 平均场强 k v i c m 】 图2 5 凝并区不加电压时集尘区平均场强对除尘效率的影响 由图2 5 可知，粉尘的收集效率随静电除尘器两板间平均场强的增加而增加， 这是因为场强越大对粉尘的静电作用就越强，从而导致粉尘收集效率的提高。板 板静电除尘装置对不同粒径粉尘的收集效果是不同的，从图中可以看出板板除 尘器对平均粒径为2l am 粉尘的收集效果明显优于平均粒径为0 5l am 的粉尘。 当平均场强为5 k v c m 时，板板除尘器对平均粒径为2l am 粉尘的除尘效率可达 9 1 ，而对平均粒径为0 5um 粉尘的除尘效率仅为8 8 。这与k o i z u m i 领导的 研究小组在2 0 0 0 年所报道的传统静电除尘装置对微米级粉尘的除尘效率可达 9 9 ，而对亚微米级粉尘的除尘效率只有8 6 的实验结果相致【3 6 】。由此可见， 传统的静电除尘装置对亚微米级粉尘的收集效果确实不理想。 2 3 2 静电凝并条件下粉尘收集效率的研究 为了研究在静电凝并条件下集尘器对粉尘的收集效果，实验对凝并区d b d 放电器施以不同的交流电压，考察此时集尘器对粉尘的收集效果。图2 - 6 是使 用美国泰克公司生产的t d s 3 0 5 4 b 型示波器采集到的典型的电压电流波形。从 踮 佰 加 晒 弱 天津大学硕士学位论文第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 电压波形上可以清楚的看到对d b d 放电器施加的为典型的交流电压，电压值 在正负之间不断变化，保证了对粉尘的异极性荷电，但从电压波形上没有看到 明显的放电现象。不过从电流波形上显示的大量脉冲电流证明了电晕放电的发 堆1 3 7 - 3 9 lo 1 5 1 0 罗 5 旨0 羽 - 5 1 0 1 5 z 岩 蕊 曾 时间【s 】s 图2 6 典型的电压电流波形 在对凝并区d b d 放电器分别施加2 k v 、4 k v 、6 k v 、8 k v ( 均方根值) 高压 放电的实验条件下，平均粒径为0 5um 粉尘的除尘效率随集尘区平均场强的变 化关系如图2 7 所示。从图中可知，随着凝并区d b d 放电器放电电压的升高， 集尘器对0 5l am 粉尘的除尘效率也随之提高。当集尘器板间平均场强为5 k v c m ， 凝并区不加电压时，0 5l am 粉尘的除尘效率为8 8 ，提高凝并区电压到8 k v ， 此时粉尘的除尘效率可达9 6 。除尘效率的提高主要是因为粉尘在凝并区被交变 电场荷电后，发生凝并现象，使得小粒径粉尘相互结合进而凝聚为较大粒径粉尘， 从而提高了集尘区的集尘效果。凝并区d b d 放电器所加电压越高，粉尘荷电与 凝并效应越明显，除尘效果也就越好。 天津大学硕士学位论文第二章异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并与收集 平均场强 k w e m 图2 7 凝并区施加不同电压值时集尘区平均场强对0 5um 粉尘除尘效率的影响 另外，从图2 7 中还可以看到当凝并区电压从6 k v 提高到8 k v 时，除尘效 率不如电压由2 k v 到4 k v 和由4 k v 到6 k v 时提高的明显。分析原因可能是由于 在本实验条件下，凝并区电压升高到一定值以后，粉尘的凝并效应达到了饱和， 致使除尘效率不再有进一步的提高。 为了更深入的研究凝并区d b d 放电器所加电压大小对粉尘收集效