高流速电集尘装置的开发.docx

1、ry1995年第R卷第4期甘新环境研究与监测总第32期刘叶瑞，甘箫省自怵能谆研究所）高流速电集尘装置的开发，0大通产名手技院咨泻巧境研完所）张崇德_J（甘肃省虾境保护妍它所I去紫烟（硫型烟雾）为对象的熨哄生收1高流速电集尘装置（HVEP）的筱念近年来，入们对于环境问题的关心H益增强a其中由固体微粒（ciusl丁及微小液滴（m函）所构成的微粒子状物质，伴随着种种燃烧及通风换气正程被排向大气中造成大气环境的污染。对这珅粉尘及烟雾的回收处理即集尘技术,提出了新的要求°要求集尘效率更高、装置更紧凑、小型化以及能瞥适用移曜建排气姓理以外的新领域：最近，日本工业部门已研究开发了一种高流速电集尘装

2、置。迄今一直在广泛使用的电集尘装置（EF-EJaccroscaticprecipitator：空间中的静电场对集生效果的影响，进一步提高其集尘效率、实现装置的紧凑小型化就受到限制。新开发的高流速电集尘装置<HVEP即High,elocityElectrostaticPrecipitator）则不仅考虑到静电场,而且也考虑到被处理气流的条件、特别是气流的流速条件,把静电场的影响与流动场的影响综合起来加以研究,从而提出了“电气流体力学场（EHD）”的概念。基于这一新的概念，开发出的高流速电集尘装置就具有1新的性能、能够达到上面提到的新的要求。这全新概念突破了迄今使用的传统型电集尘装置开发设计

3、方面的传统观念,获得了优异的性能这邦装置中气流流速比传统型的电集尘装置（EP）提高了约5倍以上.且结构紧凑,可以在烟道内安装。该装置已经在以重油为燃料的鹭炉装上试用,对于以除达到了实用化程度。此外、它还突破了现与的电集尘器的使用范围，向着更广泛的实用领域方向展现了其应用性。这就是高流速电集尘装置HVEP的新特点=2基本原理分析2.1传统型电集生器EPJ的概要传统型的电集尘器,即ElectrostaticPrecipitatorEP.由放电电极（高压电极）与集尘电极（接地电极J所构成。两电极之间的空间中，让被处理气流通过。该气流中含有粉尘（固体微粒）和雾霭（液体悬浮微滴）。由于两电极之间的电晕放

4、电使气流中微粒带上电荷，同时.在两电极之间库仑力的作用下已带有电商的微粒向集尘电极一侧移动，从而被捕集。电集尘器又分为干式EP和湿式EP两大类。最一般的是干式EP,作为其捕集对象的微粒子物质是干燥的固律微粒，如粉尘等，这种干操状态的粉尘在集电极上被捕集，渐渐堆集起来，因此需要用槌打等手段将其打落然后收集运走。但是槌打过程中往往造成已捕集的粉尘的二次飞散，为了防止二次飞扬两电极之间的集尘空间中通过的被处理气流即主气流的流速要选誓到一个合适的范围、传统的作法是将其选择在Vg=l2m/s的程度。一般来说，在这个范围内的主气流流速条件下.随着电集尘器EP）的电晕放电电源的上升,在达到某个电流值的限定条

5、件下.随着电流值的上升，同时主气流中粒子的带电量也增加，而且两极间电场强度也上升.因此作用于粒子上的库仑力也增大,集尘性能也就提高了。但是，如果超过了这个限定电流值，则电流的上升使得由离子凤（即从放电电极向集尘电极流动的离子化了的主气流）所形成的二次流增大，从而使集尘空间内的流动状况被打乱，促进了粒子的再次飞散。为此，集尘性能不仅不能再提高.反而会降低，因此.一般传统的设计思想都认为离子风是阻碍EP性能提高的反面影响因素。为了避开这个离子风的影响传统式的干式EP通常设定其平均电流密度I与EP的单位集尘面积相当的单位面积上的电晕放电电流i值为20.3mA/m2o另外，湿式电集生器（EP）、由于其

6、捕集对象是以液体微粒为主因此在集尘电极表面构成一层水膜，以此将被捕集的液体微粒洗净除去。由于同干式EP相比，捕集粒子的再飞散较少，因此根据设计经验.主气流的流速设计要比干式EP快一些,其设定范围一般在Vg=h53rn./s=在这个主气流流速范围内与干式EP不同，只要使电流值上升.大体上来说，EP的性能就可以单调地上升，这是因为湿式EP不会发生象干式EP那种被捕集粒子的再飞散，离子风的不良影响比起干式EP来要小。因而湿式EP的平均电流密度一股都设计得比干式EP的要高、考虑到经济性和火花耐压等因素，经验的设计数据在i=0.40.7mA/m气由以上所述可知传统型的电集生器（EP）,在干式的场合下.主

7、气庞流速Vg=l2m/s,湿式的情况下Vg=53m/s©但是现在各界对电集尘器（EP）的小型化的要求很强.要求主气流的流速更高，主气流所通过的断面面积更小。比如，如果能够使得主气流流速Vg达到与烟道管线流速一样的高速流动状态的话，则电集尘器EP）与烟道的一体化安装就可以实现了、这样、为最终实现电集尘器（EP）的微型化的目标就可以达到。22EHD的数学解析分析在考虑电集尘器EP）的主气流高速化的时候.首先要考虑到EP内部的集尘空间内的流动状态，它作为一个很大的影响因素对集尘性能的影响要比传统型的电集尘器条件下的影响要大得多，EP内部的集尘空间.既是主气流的流路，同时又是形成很强的静电场

8、的场所。该流动场同时又受到电场的影响。因此，严密地考察其间物理特性时，就不可缺少地采用了所谓的电气流动力学场<IElectroHydroDynamics:EHD>的概念。不过，在强电场环境下要用实验的方法充分地把握这个EHD场是极困谁的。为此.要采用电子计算机理论解析的方法，来把握这个电气流动力学场（即电气流体力学场）的物理过程。这个解析研究中特别把离子区作为中心进行了探讨。文章前面已经指出这个离子风在EHDC电气流体力学场）的研究中是十重要现象而在传统型电集尘器中它被视为阻碍电集尘器性能提高的危害影响因子。对电集尘器（EP）的集尘空间的EHD（电气流体力学场）的解析的基本方程式如

9、下，它由对电场和对流动场的研究两部分构成。电场含有荷电粒子的空间电荷的泊松（person）方程式和电流连续式为bv=心）/（1）',J=。J=（P】四d）E3式中V电压，Pe离子密度荷电粒子密度E一真空介电常数，J一空间局部的电流密度，E电场强度C离子移动度.乩一粒子移动度a流动场在非压缩性粘性流体的流动场，有其连续式和那比埃斯托克斯方程式,表达如下:W=。（4）年+（V-=VP+vV2V（5）K=PeE<6）式中，U为空间局部的气流流速,P为压力，K为外力即库仑力）油为动粘性系数，中为气流密度，T为流动函数.利用这些基本方程式，对于平行平板型的电集尘器（EP）,根据差分法来进行

10、数值解析。在EHD场.包含有离子风所产生的二次流的流动场，我们对该旎动场的解析结果进行整理时,如果以下面的EHD数NEHd来进行比较、则由于流动相似法则的成立，就显得是很便利。这里提出的Neh。可以用代表性的离子风速鱼与主气流流速V,的比值来表示.足立氏等人对此作了以下的定义。N'EHD=VL/Vg（7）JoD8)V=式中，D为电极间隔，七为放电电极下面的集尘电极上的电流密度。通过EHD解析所得的EP集尘空间内的流线图可见图10W放电电极通民遗中心虬气it（2GH60。，。二J.5«/s,M的由待心二0.J5,(b)D=35,Ugd</%i=19.7»A,时&

11、lt;N/0.33)ic)IM6Qb丫铲0.£5Ws，IMHaA/寸(N_云.丽、dJ二J5”.。护，s，i二MTbA/寸（虬=2.00）图】：通过EHD解析所得到的EP集尘空间内的流线图。EP集尘空间内的流动状况是由刘:理气流流速.电极配置带电状况等条件而变化的但可以通过EHD数加以整理分析.图I中（a）-<d）.是解析结果的一什例子。图中表示出EP内的流线。图1<,）模拟了传统型的EP的运转状态。其中主气流流速Vg=5m/'s,平均电流密度i=0.29mA/此时的EHD数Neh°=035>（b）中的电极间隔比3）更窄小.主气流流速为6m/s比3

12、）更快同时，平均电流密度i值为19.7mA福比a）更大，由于这些参数的改变、技）情况下的Nehd值仍然与隽）的情况大体相等.为0.33。这种情况下的|值已经比传统型的电集尘器EP）要大得多了、但尽管如此，由离子风所形成的二次流动的显著影响却从流线图上看不出来a由于这一点"b）悄况下的流线模型图样显示出与传统型的EP相类似的流线模型样式。图1的（c）、（d）两种情况.其电极间隔距离与电流密度值分别与）、（b）的情况相同,其主气流流速分别作了降低，通过这种调整,其Nehd值分别提高到大约2的程度这种情况下，离子风比起主气流流速来，相对地变大了,从图中可以看出，离子风的影响已明显地显示出来

13、，图中流线呈现出相当的紊乱a（。、（d）两种情况下的N£Hd值尽管大体上相同，但两者流线的紊乱样式,即流动状况，却互相相似象（c）这样的条件下被捕集粒子的再飞散增加了，这是因为集尘极附近的流线的很大紊乱所造成的。因而象（b）这样流线不紊乱的条件下伴随着电流的增加，电压也上升.捕集粒子的集尘电极的电附着力也增强。如果可以这样来认识的话，那么提高主气流的流速，就有可能得到高效率的集尘效果：实际上这种可能性已经在上述的分析中显示出来。2.3HVEP高流速电集尘装置）的构思概念如前节所述，从物理意义上来说，主气流的流速与离子风速之比而构成的无量纲数与EHD数是一致的,即NEhd.这一点已经通

14、过EHD理论解析作了说明，下面，再从概念上重新说明一下。对离子风速进行严密的定义弁加以测定.这在实际上是非常困难的。于是,根据离子风速与平均电流密度i（由电晕放电产生的有效集尘电流密度）的平方大约成正比这一实验事实，重新定义出一个新的参数CC=.GVg<9>可以把参数C看作是在实用上与EHD数具有同等意义的参数，不过在这里，平均电流密度i,仅限于由电晕放电所发生的电流的密度。另有一部份所谓的逆电离这种异常荷电现象它所产生的电晕放电，由于只是在表现上增加了电流密度.而实际上对离子风的形成没有贡献，所以这部分电流密度要除外。这个参数C,是有可能代替EHD数，表示对应于各主气流流速的特定

15、流动状况的，而且比起主气流流速Vg来，它可直接决定适当的电流密度i值，这一点具有很高的实用性。传统型的干式EP,其典型情况下一般选定Vg=1.5m/s,i=0.25mA/mJ而传统型的湿式EP,其典型情况下，选定Vg=2m/s,i=0.5mA/m2o对于这两种型式如果各自计算一下其参数C值的话，则可以明白，干式EP和湿式EP两种情况下C值大约都为C=ymA?/s,也就是说，迄今为止，已经获得了成功经验而达到了良好运转状态的EP设备，不论干式还是湿式在其所使用的参数条件方面，就其表徵流动状况的参数EHD数而言，其结果大体上是相似的。为了简便易行，把参数C用ymAi/S来除，则实现无量纲化；此时：

16、CK=3/Vg(10)重新作了以上定义之后，则当参数Cn，取其CN-1左右时，集尘空间的流动状况就与传统型EP在其经验性的良好集尘效果条件下流动状况大体上相似。图2为EP中主气流流速与平均电流密度之间的关系：主气流速主气流速图2：Ep中主气流速与平均电旅密度的关系，在传统型Ep及HV-Ep的运转范围内，由参数d所整理得到的关系曲线，r、V二if阻赠枣««-图2中，横抽是主气流的对数坐标、纵抽是平均电流i值的对数坐标.参数的各值用实线表示，虚线围起的范围是传统型干式和湿式EP的经验性的良好运转状态所处的运转范围。划了斜线的部分，表示主气流流速Va为4m/s以上.参数Cn，为0

17、.52的范围。在这个范围内，其高流速领域是传统型的EP所没有的.但其良好的流动状况却是与传统型的EP大体上相似的。我们把能够在这个领域运转的干式EP叫作高速干式EP(HighVelocityDrgtypeEP：HVDEP),而把湿式的则叫作高速湿式EP(HighVe-locityWettypeEP:HVWEP).统祢其为高流速EP(HV-EP)。在高流速EP(HVEP)中，当参数Cn小于05时.与主气流流速相对应的电晕放电电流较小.因而不能充分地使粒子带电，加之电场较弱，不能有裁地集尘。而当Cn值大于2时，对应于主气流、离子风的风速相对变大，这种情况对于粒子再飞散性弱的湿式HVWEP暂且不说，

18、对于干式HVDEP来说，就会引起其集尘性能下降。主气流高流速的领域，例如V&=6m/s而参数J=1时，平均电流密度有必要达到i=4mA/m2,但这样一来，就达到了比传统型的EP几乎要高出整整1的高值。有必要在火花开始电压以下的稳定带电状态中确保该值不变，传统型的电极间隔开的EP.尽管其条件不同而有各种情况，但要达到如此高的电流值的话，往往在还没有达到之前,其集尘空间的绝缘就已被破坏了，从而也不能确保要生成火花所必要的电流。图3所示的是一种单线园筒型EP,它用于电流电压特性测定实验，利用这种装置测定了电流电压特性，结果如图4所示。作为一般倾向，通过使电极间隔变窄，平均电流密度对平均电场强

19、度E-V/D的特性曲线的斜率就增大；与此同时火花发生点处的平均电场强度向高电场方面移动，因而可以使最大的平均电流密度上升，而能确保更大的电晕放电电流°集室电掇25EP园型一简线国单一的aft单特用量祗图于EP0xi丸花堂生点电O*25m垣过使电德黯萨抵瞄瞄5r做一50。试4HL&IKV-WEP试底蒙丑I雄水捧术厘*塔人bit狷桂丑厂悔料炉，体冷却»尚仲虬堑干KEP加压液化,的国"加心皿技g,纳宝IHZ）-排空711T林术由bjt澜位丑/®AA<3<EP件H曼滉&EP（后备用>图"骚蔑酷富髭露芸琳款用皿购试*略触

20、由此可知，要开发成功HVEP,就需要比传统型EP更大的平均电流密度，这样、电极间隔变窄就是不可缺少的。3HVEP的适用例3,1高流速湿式EP（HVWEP）3.L1适用于燃烧重油的锅炉排烟（紫烟）处理3.L1、1背景以重油为燃料的锅炉设备，为减低燃料费，使用高硫燃料的情况增加了，为除去排烟中的SOX（SO2及SO3）成分通常都设置了排烟脱疏装置.但是在这个装置中，经过冷却、增湿及吸收过程，虽然可以很有效地除去SO2,但同时在冷却增湿过程中析出的微细的液体微粒状的SO，,即所谓的硫酸型烟雾却几乎不能捕集，因而随着排烟从烟囱冒出来，形成所谓的“紫烟”,成为突出的公害问题。解决这种问题的一种较为成功的

21、方法是选用传统型的湿式EP,再配之以排烟脱硫装置。这种组合型的配套设备构成了可以高效除去总疏氧化物的设备体系现在大约有10万套这种设备体系在运转。但是这种设备体系存在一个问题，就是与传统性湿式EP相配套的设备，都是大容量机器设备，这样就有两个方面的问题，一是当现有设备在进行燃料转换时，往往要随需要追加机器设备，这种情况下，追加设备的设置及安装等受到场地空间方面的限制；二是成本增加。为了解决这个问题，迫切要求开发小型化紧凑型的高效处理设备，高流速湿式电集尘装置HVWEP就是适用这种情况而研究开发出来的°3、L小规模引导试验'文章前面介绍了HV-EP的概念，基于这种认识，通过使电

22、极间隔狭窄化，就有可能得到高电流密度。根据这种原理，试作了种种形式的EP,在这些试验性的EP上面作了各种引导性试验，以确定最佳方案。在日本三菱重工业的高砂研究所设置了一种CEP500型试验设备。自1987年以来，在这套设备上进行了关于各种电极构成的筛选甄别实验。图5的流程图，就表明了这种试验设备的情况。这种CEP500型试验设备中，有一台以煤炭或液化石油气（LPG）为燃料的燃烧炉。该炉按500m，村的标准产出、排出气体。其产生的排出气体的温度、水分、硫酸雾之浓度等都通过调整模拟到与燃烧重油的锅炉设备排烟脱境装置出口气体一样，然后使该排出气体流入试制的HV-WEP模型试验机中。通过测定HVWEP

23、设备出入口的疏酸雾依度来求出其性能改善率H,并对其性能进行评价。这里使用的性能改善率H,作为对EP性能评价的表徵值，是通过如下方法予以定义的。通过常用的基本关系式阿兰达一马兹公式（II式）然后定义出改善率HC12式）。EPt）=1expt（W、f）叮（11）H=W/W%（式中、Wh是粒子的表观移动速度5是的集尘效率，f是比集尘面积（每单位处理气体量的集尘面积），K是经验常数、Wk。是传统型的湿式EP的极限性能时的表观粒子移动速度。所得结果中，最终被筛选出的电极构成.其有关技术数据在图6中表示出来。其中横轴是平均电流密度i，纵轴是性能改善率H。在图8中，汇集表示了传统型湿式EP设备中的实际测定值

24、。由图可见HVWEP的性能改善率与传统型的湿式EP处于同一条直线上，但是随着电流密度值的升高，呈现出直线性增加的倾向。i特统强添式EP（实际应用机的测定值，D:KV一皿（研究所实定值）:HV-IEP<A公司实际辨气处理实16）©0®&n?0050I02Q5）251020"平均电视密度图6：利用HV-WP的性第改善毕.另外，经筛选研究听确定试制的样板设备HVWEP,于1988年在日本一工厂（代号A）的自用燃油发电设备的燃油锅炉上进行了试运行。对其性能进行现场测试的结果也表示在图6上，其结果比筛选研究中所测得的数据显示了更高的性能。3.1.1，3实用推广

25、情况：在以上筛选研究的基础上，开始了实际应用设备的研制。1991年，日本某公司（代号B）订购了一台最初试制的设备，以用于该公司的一台240吨/小时的石油焦炭燃境锅炉.图7就是这台设备的概略情况。由图可知，高流速电集尘装置（湿式）NO.1HVWEP被安装在同一公司制的排烟脱硫装置的吸收塔的顶部，与塔成为一体构造。在位于N01HV一WEP下流方向的垂直下降流动部设置了NQ.2HVWEP装置。在主气流流速为8m/s的烟道内，配列有如图7所示的正方形断面的小通道)该通道内安置的集尘电极更为紧凑，比同一公司以前生产的传统型EP内的空间，其紧凑程度提高了?，同时，各通道内部安装有刖性很高的放电电极。S7,

26、实际应用设备HVWEP台投人实际应用的设备其夕卜形与内部电槌林的梅念函。以上设备同传统型的湿式电集尘器(EP)比较.其集尘面积约为|，而安装设置面积则由于NO.1HVWEP与排烟脱硫装置一体化了所以实际上已达到了备程度的紧凑化。另外平均电流密度.比传统型的EP大了45倍，而由于电极的空间更狭小T.其结果.由于电压的降低及集尘面积的减小.消耗电力也比传统型EP降低到了1.5倍。除此之外，由于NO.1及NQ.2的HVWEP被各自分割为3个单元，因此，可以各自在工厂里组装，成一体化，然后整体运送到使用厂家。这样,比以往在使用现场安装，工期大幅度缩短,因而可以降低总成本，3.1.2DOP烟雾收集器作为

27、其他方面的用途，凡湿式电集尘器(EP)适用的领域,HVWEP都可适用。而且在工业规模的EP适用范围以外也有很多用途。其中一个成功的例子就是,使用篡乙烯制作壁纸的建材印刷工程中，常使用一种可塑剂DOP,即次辛烷基邻弟二甲酸，在生产过程中，常有DOP随着工厂通风排气被排出户外，造成对大气环境的污染。日本三菱重工业公司于1990年在日本某工厂(代号C)进行了应用HVWEP设备作为换气处理设备的现场实验，已经证实了HV-WEP可以作为排气中DOP烟雾捕集器而使用。目前正在研制实用型装置。S8：HVDEP示范机状况:烟flt中的翅,在HVDEP带电动作后2枷fg去了的图示。3-2高流速干式电集尘器(HVDEP)湿式电集尘器是把捕集在集尘电极上的粒子冲洗除去的.与此不同，干式电集尘卷则姑用棱打来除去巳彼捕集的粒子尘埃.从棱打所捕集的粒子尘埃这一点看，要实现主气流旗速快、电极配量空间更为狭小的HV-DEP,琬实存在种种困难.但是如果在处理尘粒浓度极小的情况下，或在隧道、大厦等的换气设备中进行集尘时，相对比较容易。在这种情况下由于尘埃量较少，就不需昊在集尘过程中同时加以打落，由此就可以长时间运转。这样