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世纪60年代的水平,属于经验工程的学科。并为此,本文深入研究了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,以便解决目前除尘电场的电离占空比、带电粒子输运项甚低等问题。进而强化了烟尘的荷电、
凝聚物理过程,这将大幅度提高烟尘的驱进速度和除尘效率。
关键词:电除尘技术 电离放电 电离占空
比 输运特性 电凝聚
一、引 言
中国是以煤炭为主的能源生产、消费大国。在21世纪,如果中国能够继续保持较高的经济增长速度,这将消费更多的能源,进而烟尘污染物也将会大幅度地增加。与此同时,电除尘器( ESP)在火电厂以及钢铁厂、水泥厂等方面的应用会取得高速发展。
目前,中国已成为世界上电除尘器生产、应用大国,电除尘器的数量已占国内市场总量的75%[ 1 ]。2004年我国颁布了新的火电厂国家允许排放标准(50mg/Nm3 ) ,这将使现有的新、老电除尘器中绝大多数难以达到新的烟尘允许排放标准,其主要原因是后级电
场中微细烟尘捕集效率低的问题,这是对现有电除尘理论和技术的一种挑战。要使电除尘器达到新的标准,就需要在电除尘理论和技术上加大研究力度,以便取得突破性进展,把电除尘器技术推向更高的水平上发展。
由于电除尘(净化)器具有能净化高温(350℃) 、高湿[ 40% (V /V ) ]度和大气量的烟尘、压力损失低(100—300Pa) 、可捕集微小粉尘、运行费用比较低等特点,被世界公认为高效除尘设备。工业电除尘器中尘粒的荷电,是通过电晕极与集尘极间的电晕放电产生带电粒子(离子) ,并使其附着在尘粒上产生的。带有荷电的尘粒在电场力作用下被驱附在集尘极上,再加以振打收集,实现了烟气除尘。从大气压(等离子体物理又称为高气压)非平衡(非热、冷)等离子体物理观点来看,电除尘器是一个巨大的等离子体源和反应室的组合体。然而, 2004年我国等离子体物理学科发展战略组研究报告指出,目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚;并指出,在高气压下等离子体的输运特性研究也刚刚起步,但是正在形成新的研究热点[ 2 ]。由于大气压等离子体物理研究的滞后,制约了电除尘技术的基础理论研究。到目前为止,世界各国电除尘技术的理论尚不完备,基本上还处于20世纪60年代水平上,仍属于经验工程的学科[ 3 ]。所以,电除尘器性能的优劣常常取决于设计的优劣、制造精度、安装质量、供电特性以及维护管理等因素。由于电除尘的基础理论研究的欠缺而造成电除尘器存在一次投资高、体积庞大、钢材用量过多以及捕集微细烟尘的效率还较低等问题。
早在20世纪50年代,我国从前苏联引进卧、立式电除尘器, 80年代又分别从德国Ruthmuble、瑞典Flakt、美国的GE及Lodge2Cottrell、日本住友重机及新日铁等公司引进电除尘器设备及制造技术,并已国产化。总之,我国在电除尘技术及设备制造上一直处于以跟踪研仿为主的阶段。
电除尘的理论与技术均涉及气体电离放电物理学、高气压非平衡等离子体物理学及气体动力学等学科,是一门多学科交叉和融合的学科。近年来,气体电离放电物理[ 4—6 ]、高气压非平衡等离子体物理[ 7—8 ]等领域的研究取得了令人瞩目的进展,这就为
我国电除尘技术及设备的发展由跟踪研仿为主走向自主创新的新阶段提供了基础理论及方法的支持。
二、电除尘技术研究现状
从1955年以来,采用电除尘技术处理工业烟尘及空气净化的工程数量成指数规律增加,因此引起世界各国企业界、学术界的极大关注,并进行了大量有关电除尘理论与技术的研究工作。1980年Masu2da[ 9 ] 、1990年与川慎太郎等人[ 10 ]以及2001年王海宁
等人[ 11 ]分别进行了用高电压窄脉冲供电方法,对烟尘进行脉冲直流电场的同极性离子荷电凝聚,增大了烟尘荷电量及粒径,提高了烟尘的荷电凝聚性能,改善了电除尘器的反(逆)电晕问题,使捕集高比电阻烟尘的效率有所提高。1990 年白希尧等人[ 12 ]进
行了直流电场的同极性烟尘荷电凝聚技术的研究工作,提高了粉尘的荷电凝聚特性,烟尘驱进速度可提高2—6倍,改善了电除尘器的收尘性能。1992年阪本清等人[ 13 ]采用间歇供电方法改善了高比电阻烟尘的荷电凝聚性能,解决了烧结烟气的除尘疑难问题。
1995年Watababe等人[ 14 ]和Hautanen等人[ 15 ]、1997年许德玄[ 16 ]以及2000年向晓东等人[ 17 ]分别进行了离子荷电机理以及荷电、凝聚、收尘三段式电除尘器的试验研究工作,在电除尘器前面设置了比电除尘器体积略小的荷电区(器)凝聚区(器) ,对0. 06—12μm烟尘的除尘效率提高了3%左右。2001 年刘功智等人[ 18 ]以及2002年王连泽等人[ 19 ]分别进行了静电荷电凝聚除尘研究, 除尘效率均提高了3%。2003年Coghe等人[ 20 ]、2004年Zamankhan等人[ 21 ]进行了离子荷电粉尘的流体动力学研究。上述实验研究表明,在直流、交变电场中的同极性、异极性离子对烟尘具有荷电凝聚作用。目前应用于电除尘器的烟尘预荷电设置大多是电除尘器稍加改变而成,通常是靠增加几个变形电场来实现的,实质上是电除尘电场的延伸。近几十年电除尘技术在工艺上有了
改进[ 22—23 ] ,并在烟尘荷电凝聚机理及方法上也进行了不少探索性的研究。但从这些研究进展也可看出,并没有解决电除尘器现存的根本问题。
众所周知,烟尘荷电量、驱进速度与电晕电离电场强度分别成1次方、2 次方函数关系[ 24 ]。由于电晕电离电场强度存在着临界击穿电场强度的极限值(板线型, ≤7. 5kV / cm) ,进而烟尘的荷电量、驱进速度也相应存在极限值。所以目前电除尘器均采用自
动火花跟踪临界击穿电场强度的供电方法,使电除尘器运行在现有技术的最佳临界极限值上。可见,进一步提高电除尘器性能的可能性就很小了。这一问题引起了等离子体物理和气体放电物理学者的关注,并着手寻求解决问题的理论基础及方法。
三、电除尘技术存在的问题
从高气压非平衡等离子体物理、气体电离放电物理学观点来分析,目前电除尘器存在电离占空比、输运项等均低下的问题,这也是目前电除尘器存在体积大、重量重、耗能高及后级电场中微细灰尘的除尘效率低等问题的主要原因。
1. 电离占空比甚低
目前电除尘器中的计算直流高电压电晕放电电离占空比(电晕电离放电通道总体积/电除尘电场总体积)约为1. 8 ×10- 5[ 25 ] ;最近,采用强电场电离放电方法能把电离占空比提高到2 ×10- 2 ,如图1所示。可见电除尘器的电离占空比存在着成数量级提高的
研究余地。也预示存在大幅度减少电除尘器体积、重量及能耗的研究空间。现在的电晕放电的流光通道中电子浓度约为1. 3 ×1014 / cm3 ,微放电的流光通道中电子浓度约为1. 8 ×1014 / cm3[ 26 ] ,它们之间的差异不大;但是它们的电离占空比的差异却高达3个数量级左右。可见,电除尘器电场中的离子浓度大小将主要取决于电离占空比的大小。
图1 大气压气体电离放电主要参数的对比
2. 输运项过低
描述控制电离放电通道物理过程的电离连续性
方程是[ 27 ]
式中c、L (N )分别为产生率(项) 、损失率(项) ,它们
分别表示单位时间单位体积中由电离产生的离子2电
图2 大气压气体放电的电离强度照片
子对量和因复合而湮灭的量, 单位均是/cm3 · s; ý
·(NV )为输运项,是通量(NV )的散度。表示单位时间单位体积内由输运过程引起带电粒子浓度变化的迁移率。在平衡情况下
由于电晕放电存在一个临界击穿电场强度值,所以现在电晕电离放电的注入功率密度也就相应存在一极限值,因而产生率也相应存在一个极限值。当注入电离电场中能量密度为3. 3mJ / cm3 时,电离区域流光放电通道中的电子浓度可达到1. 3 ×1014 /
cm3。如果不考虑电离区域内的电子与离子、离子与离子复合反应,计算电除尘器电场的电离占空比约为1. 8 ×10—5左右,此时除尘电场中离子浓度应为2. 3 ×109 / cm3 左右。实际上,由于电场力作用,电子、离子被束缚在电离放电通道中进行复合反应,其
损失率在2个数量级以上,所以目前电除尘器电场中平均离子浓度仅为106 / cm3 左右。从带电粒子的运动规律可知,离子在输运过程中,需要克服电离电场对带电粒子的束缚力,方能解决除尘电场离子浓度低下的问题。从目前的实验研究结果(图3)可以看出[ 28 ] ,可以通过提高带电粒子动量的方法加以解决。现在电除尘器的离子动量在5 ×10- 23 g·m / s左右,其输运项约在107 / cm3 左右。当离子动量增加到100 ×10- 23 g·m / s时,离子输运项达到1010 / cm3 左右。从图3还可看出,当离子动量每增加1 个数量级时,则相应的离子浓度及其输运项将增加2个数量级左右。这表明,可以通过提高带电粒子动量方法来解决电收尘器离子输运项低下的问题,同样也预示着这能使目前的电除尘器的体积、能耗、投资及运行费用等大幅度降低。总之,解决了电离占空比
和运输项过低的技术难题,将会使目前的电除尘机理、除尘器结构等发生根本性的变化。
四、烟尘的电晕荷电物理模型
1. 电晕放电的物理过程
通常电除尘器运行在负电晕放电过程。当外加稳定电场作用到非均匀放电间隙上时,由于空间电
图3 离子输运项与其动量关系的曲线
荷的积累,会出现新的电场分布和电晕模式。逐渐增加线(点)平面型式的放电电场强度达到一定时,将在电晕点上出现一个电晕电流相对稳定的辉光放电。辉光放电的起始电压存在一个较宽的调控范围,通常电除尘器就工作在辉光放电区域内。
最大电场将出现在放电电极电晕点附近,当雪崩头部空间电荷形成的本征电场Er 与外加电场E0的大小在同一数量级时,或者雪崩产生的电子数达到临界值时,就会在电晕点上发生辉光放电(负电晕) ,并在负电晕雪崩头部形成了正电荷积累。假如正离子包含在位于轴上的球体内,其本征电场强度为[ 29 ]
式中y是轴上某点离球中心点的径向距离; N +为正离子数目; e为离子荷电量。本征电场加强了正电荷和放电极之间的电场强度, 并减弱了指向接地极的电场强度。在电晕放电空间任意一点的总电场强度为E = E0 + Er。当外加激励电场强度增大时,将会强
化了电离放电过程。本征电场强度甚至可达100—400kV / cm,比电除尘器中的外加激励电晕电场强度( ～5kV / cm)高出20倍以上。
由于汤生第一电离系数α是折合电场强度E / n( E为电离电场强度, n为气体浓度,单位Td, 1Td =10- 17V·cm2 )的函数。本征电场强度将大大地强化电离放电的强度,一个雪崩产生的电子总数、或者正离子总数将按指数规律增加。电子从电场E获得的能量是eEx, 其大于或等于电离能eVi 的几率为exp ( - Vi /Eλe ) ,由此得到表示一个电子在一个电子平均自由程λe 上电离气体粒子的几率的α为
式中μ为气体动力黏度。
从公式(6)可知,在烟气的物理条件一定的情况下,荷电尘粒的驱进速度ω与尘粒的荷电量q、除尘区域的电场强度E0 成正比,与尘粒的斯托克斯粒径ds 成反比。
从公式(5)可知,驱进速度是提高除尘效率的关键参数,也是提高除尘效率唯一可行的方法。烟尘驱进速度增加多少倍时,则相应的集尘面积减少到多少分之一,或者烟气处理量增加多少倍。从公式(6)可知,烟尘的驱进速度取决于它们的荷电量,所以说,增加烟尘的荷电量方法将成为今后电除尘技术急待研究解决的科学问题。
3. 烟尘荷电机制
尘粒荷电是通过与烟气中带电粒子碰撞实现的。尘粒碰撞荷电主要有两种机制:一种是气体中带电粒子在电场力作用下与尘粒有规则碰撞荷电,称为电场荷电;另一种是带电粒子随气体无规则运动与尘粒碰撞荷电,称为扩散荷电。在电除尘过程中,此两种机制同时存在。烟尘粒径是非均匀的,通常电除尘器前部电场中的烟尘(大于1μm)以电场荷电为主;其后部电场中的尘粒( 0. 4μm左右)以扩散
荷电为主;在电除尘器中部电场中同时存在两种荷电机制。烟尘荷电量是[ 30 ]
式中qd 为尘粒的电场荷电量; qk 为尘粒的扩散荷电
量;ε0 为真空介电常数;ε为尘粒的相对介电常数; d为尘粒直径; N 为带电粒子个数; k为玻尔兹曼常数;t为尘粒进入电场时间; T为气体热力学温度;离子的算术平均速度…u = (8kT /mπ) 0. 5。从公式(7)可知,烟尘的荷电量受N、d制约,由于电凝聚作用, d也将受气体的离子浓度制约。随着荷电量增加,则粒径也在凝聚过程中增粗,可见,除尘电场的带电粒子浓度是影响烟尘荷电量的主要因素。
4. 荷电粒子电凝聚的数学模型
从除尘效率方程和尘粒驱进速度公式可知,烟尘的荷电量、粒径大小决定了以除尘效率表征为主的电除尘性能。如能采用电凝聚方法将尘粒凝聚成大粒径的颗粒,并将负荷更多的电量。它不但能提高电除尘器的除尘效率;同时又利于捕集微细烟尘,可解决电除尘器后级电场的微细烟尘除尘效率低下的问题。近期研究表明亚微米粒子的电凝聚结速率比中性粒子的热凝聚速率可提高102 至104[ 31 ] ,对于1μm的尘粒的电凝聚系数K可达到10- 13 —10- 14m3 /s[ 32 ] ,这一研究结果引起从事烟尘净化科学界的广泛
关注,也为研究解决电除尘器现存问题提供了一个有效的可供选择的解决方法。
确定凝聚速率近似解的关键是求电凝聚系数。可通过离子在库仑力作用下的扩散方程求出[ 33 ]。
式中d0 为凝聚前尘粒中位径; n0 为初始尘粒计算浓度。从(8)式可见,烟尘的荷电量是电凝聚系数的主要参量,而电凝聚速率、凝聚后尘粒粒径均是电凝聚系数的函数。如果采用强电离放电、高气压非平衡等离子体物理等新成果,可大幅度增加等离子
体浓度、尘粒荷电量,进而可提高烟尘的电凝聚速率、尘粒粒径,反过来又促使已增粗的尘粒荷电量大幅度地增加。可见,在除尘过程中电凝聚对除尘性能起着叠加倍增效果。
综上所述,电除尘器性能将取决于除尘电场中的带电粒子浓度。由于电除尘器存在一个临界击穿电场强度和一个定量的电离占空比,这制约了电晕点中电离区域内带电粒子的产生率或浓度。近期的研究进展表明,存在大幅度提高电离区域内的输运项、电离占空比的研究空间;同时也存在成数量级提高除尘电场中的离子浓度,及大幅度提高烟尘的荷电量、驱进速度的潜力。
五、结束语
我国是以煤炭为主的能源生产、消费大国。烟尘污染的问题将备受关注。目前电除尘技术的理论尚不完备,还属于经验工程学科。因此,必须加强气体电离放电物理、高气压等离子体物理的基础研究,以便解决电离占空比、带电粒子输运特性等关键的研究课题。因此迫切需要对大气压电场电离放电的形成及其特征参量时空演变规律进行深入的研究,以便解决电离占空比低的问题;并应加强对大气压下气体放电通道中带电粒子相互作用机制的研究,以便解决电除尘电场中带电粒子少的问题。这将为解决电除尘技术现存问题打下理论基础和提供解决问题的方法,使目前电除尘器的机理、结构发生很大的变革,为改善我国大气质量做出贡献。
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BaiMindong Zhang Zhitao Mao Chengqi
Department of Physics, DalianMaritime University
Bai Xiyao Chu J inyu Wu Chundu
School of Biological & Environmental
Engineering, J iangsu University
In this paper, the p resent research situation, p rob2
lems and research tendency of electrostatic p recip itation
technology is described in detail. At p resent, the theory
of electrostatic p recip itation technology is still incom2
p lete, almost under 60’s levels, belonged to the experi2
ence discip line, and the technical performance of elec2
trostatic p recip itation is up to the design experience. So
the physical p rocess of corona discharge in the electric
p recip itation field and the mechanism of dust charged
agglomerating are summarized. The time and space evo2
lution rule of characteristic parameter of ionization dis2charge at atmospheric p ressure and the compound and
transportation characteristic of charged particle in the
channel of ionization discharge has been studied thor2
oughly in order to solve the p roblems such as low of
fractional active volume in electric filed and transporta2
tion rate of charged particles and so on. Therefore the
physical p rocess of charging and agglomerating of dust
particles is been strengthened to imp rove the hasten
speed and removal efficiency evidently.
Keywords: electrostatic p recip itation technology; ioni2
zation discharge; fractional active volume; transporta2
tion characteristic; electric agglomerating
白敏冬,女,博士生导师, 1965年5月出生。从事等离子
体化学、气体放电物理及环境工程领域研究工作。主持国家
重大基础研究前期专项、国家国际科技合作重点项目、国家
新世纪优秀人才支持计划以及国家自然科学基金项目10余
项及多项省部级基金项目。发表论文100余篇,其中被SCI
收录40余篇。
