交流电场中颗粒物电凝并效果的研究

贺晓杨　任国瑞　黄超　窦一帆

摘要 交流电凝并是一种有效去除颗粒物的技术，颗粒物在电场力的作用下碰撞频率增大而易结合成为较大粒径的颗粒，进而被除尘装置脱除。在实际应用中，运行参数和放电极的形式等都会影响颗粒物的凝并效果。利用交流电凝并装置，对颗粒物的凝并效果进行了研究：选取3种形式的放电极在不同交流电压、粉尘浓度、烟道风速下进行实验，对不同电极形式在不同参数下对粉尘凝并效果进行对比，结果表明，对于不同的电极形式，凝并效果最佳的实验参数不同。通过对比结果，凝并效果总体最优的极配形式和参数为：四齿芒刺线-金属板，电压为30 kV、风速为1.2 m/s、粉尘浓度为2 g/m³，凝并后3.31～5.01 μm粒径的粉尘体积百分比减少了5.66%，PM₁₀减少了18.29%。

关 键 词 交流电场；电凝并；芒刺线电极；颗粒物；凝并效果

中图分类号 X701     文献标志码 A

Electric agglomeration effect of particulate matter in AC

electric field

HE Xiaoyang，REN Guorui，HUANG Chao，DOU Yifan

（School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract AC electric agglomeration is an effective technology to remove particulate matter. Under the action of electric field force， the collision frequency of particulate matter increases and they are easy to be integrated into particles with larger size， which are then removed by the dust collector. In practical applications， both the operating parameters and the type of discharge electrode will affect the agglomeration effect of particulate matter. The agglomeration effect of particulate matter is studied by using an AC electric agglomerator： three types of discharging electrodes were selected to conduct experiments under different applied AC voltages， dust concentrations and air flow velocities. The dust agglomeration effect of different discharge electrodes under different parameters was compared， and the results show that for different discharging electrodes， the experimental parameters for the best agglomeration effect are not same. By comparing the results， the electrodes and parameters with the overall best agglomeration effects are： four-tooth barbed wire-metal plate， voltage 35 kV， flow velocity 1.0 m/s， and dust concentration 2 g/m³. In this case， the volume percentage of dust particles with size of 3.31–5.01 μm decreases by 5.66%， and PM₁₀decreases by 18.29%.

Key words AC electric field; electric agglomeration; barbed wire electrode; particulate matter; agglomeration effect

0 引言

顆粒物的排放是衡量大气受污染程度的一项重要指标，煤炭作为我国消耗量巨大的能源，燃烧产生的颗粒物是造成环境污染的主要来源之一[1]。排放到大气中的颗粒物不仅会造成空气质量降低、能见度降低等危害，还会危害人类的健康[2]。目前在除尘领域中，静电除尘器是实现超低排放的主流设备[3]。尽管现阶段的静电除尘器对于燃煤烟气的除尘全效率可高达99%以上，但对于烟气中粒径较小的微细颗粒的脱除效率却相对较低[4]。凝并技术可以很好地弥补这一缺陷，细颗粒物在外加条件下可以团聚长大，从而更容易被去除，是实现细颗粒物超低排放的有效手段。凝并技术主要通过利用超声波、化学、磁场或者电场等手段来实现，其中电凝并技术应用最为广泛[5]。电凝并技术的关键是提高颗粒物的凝并效果，使不易被收集的细颗粒物可在较短时间内凝并成粒径较大的颗粒，从而更容易被除尘器去除[6]。早期，Watanabe等[7]在1995年提出了一种与电凝并器相结合的静电除尘器来提高亚微米颗粒的收集效率，通过实验，使用电凝并器时，1 μm以下的颗粒比不使用电凝并器时质量百分比减少了20%，气溶胶的平均粒径在出口处是进口处的4倍，除尘效率从95%提高到了98%。Laitinen等[8]通过搭建带有双极电晕放电的凝并装置，利用交流电场来使细颗粒物发生凝并，0.1～1.0 μm的颗粒减少了17%～19%。Kim等[9]通过对一个单级静电除尘器进行实验研究，发现线板间距、放电极线半径、空气流速、湍流强度和施加电压等操作条件和参数对除尘效率有着重要影响，在一定范围内，放电极线半径和线板间距越小，除尘效率越高，空气流速增大会降低除尘效率，湍流在低场强区发挥着重要作用。Dumitran等[10]研究了静电除尘器中带电粒子的迁移速度和湍流对凝并和除尘效率的影响。2006年，Byeon等[11]在一个静电除尘器前端安装了DBD等离子体荷电装置，实验结果表明，电压增大，颗粒物的凝并效果增强，除尘效率提高。Tan等[12]对双极荷电颗粒在直流电场中的凝并进行了研究，测试对象为平均粒径为7.71 μm的水滴气溶胶，结果显示所施加直流电压越大，凝并效果越好，亚微米颗粒在凝并后减少了约10.7%。Sobczyk等[13]对一个包含凝并器的两级静电除尘器进行了实验，结果证明两级静电除尘器比单级静电除尘器的除尘效率高，对PM₁₀、PM_2.5、PM₁的收集效率分别可达98%、97%、95%。向晓东等[14-16]研究对比了增加凝并区的除尘器和未增加凝并区的除尘器，发现凝并器的存在可以提高除尘效率，从机理上分析了颗粒异极性荷电、交流电场凝并的优势，并且总结出影响凝并效果的主要因素为粉尘浓度、电压和风速。周建刚等[17]在静电除尘器中加装了一个预荷电装置来提高粉尘的凝并效果，在不增加除尘器级数和体积的情况下提高了除尘效率，小粒径粉尘减少25%左右，并且提出交流电场的凝并效果优于直流电场。沙东辉等[18]利用高速摄像结合显微可视化技术，在正直流电场中，对细颗粒物经过大颗粒附近时的运动特性进行观测：当颗粒不带电时不发生凝并；当颗粒带电量较少时发生凝并，主要是由于极化而产生的介电泳力此时是吸引力；当颗粒带电量较多时，颗粒由于带同种电荷相互排斥而不发生凝并。李敬波等[19]在高频交流电场中研究了荷电电压、颗粒浓度、凝并交流电压、交流电频率和气流速度对细颗粒物电凝并的影响，结果表明：荷电电压增加促进凝并；颗粒物浓度增加会减弱凝并；交流电压对凝并影响不大，但频率增加促进凝并；凝并效率随着气流速度的增大降低。可见，电凝并效果的优劣受多种因素的影响，且同一实验参数在不同条件下对凝并效果的影响不尽相同，因此对于特定的装置进行全面的实验条件和参数进行研究很有必要。

1 实验装置与方法

1.1 实验系统

实验系统如图1所示。实验采用2000目滑石粉代替工业粉尘。滑石粉主要成分为Mg3Si4O10（OH）2，化学性质稳定，且不溶于弱酸弱碱溶液[20]。2000目滑石粉的粒径与工业粉尘近似，因此适宜用于实验。实验前，将滑石粉置于烘箱中200 ℃烘干60 min，保证足够干燥。实验中，粉尘由给粉机均匀送出，在风机作用下先通过施加负直流高压电的预荷电室进行荷电，然后通过凝并室，凝并室通高压交流电源，粉尘颗粒在电场力等的作用下发生凝并，形成粒径较大的颗粒。将干燥处理后的滤筒放入粉尘采样枪中，采样枪插入出风通道的采样口，根据风速、粉尘浓度和所需采集粉尘质量计算出需采样时间，设定采样仪进行自动采样，收集凝并后的粉尘，使用马尔文激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）对粉尘的粒度分布进行测量分析。

本实验系统的主体部分是预荷电室和凝并室，分别实现对粉尘的荷电和凝并过程。预荷电室中，放电极为四齿芒刺线，接地极为金属板，异极距为200 mm，安装方式如图2所示，实验中所施加电压为-40 kV。凝并室中，电极安装方式与图2相同，仅放电极形式不同，实验中通过更换3种芒刺线进行对比，包括二齿芒刺线、四齿芒刺线和八齿芒刺线，如图3所示，接地极为金属板，异极距为200 mm。

1.2 凝并效果评价方法

实验中，不开启凝并电源，仅开启荷电电源进行实验，对采样所得粉尘测量其粒径分布，即为未发生凝并作用的粒度分布，作为实验背景值。随后根據各组实验调节给粉浓度、风速、凝并区交流电压等参数，测量凝并后粉尘粒度分布，与背景值比较，得到在不同条件下粉尘的凝并效果。因为实验条件中是否凝并的差别仅为开启凝并区电源与否，且凝并区施加交流电，粉尘在交流电场中几乎不被电极捕集，因此本实验中凝并前后粉尘浓度基本不会发生变化，从而保证了结果的准确性。定义Δv为凝并前后不同粒径下粉尘体积百分比变化，公式为[21]

Δv=v-v₀，（1）

式中：v₀为某一粒径粉尘凝并前体积百分比；v某一粒径粉尘凝并后体积百分比。

本实验研究了凝并室放电电极形式对凝并效果的影响，所选用放电电极包括二齿芒刺线、四齿芒刺线和八齿芒刺线。对不同放电极选取4种交流电压、3种粉尘浓度、4种风速，在不同参数下进行了比较，得到不同放电极最优凝并参数组合。

2 结果与讨论

2.1 二齿芒刺线-金属板对粉尘凝并效果的影响

由图4分析可知，小颗粒粉尘体积百分比减少，大颗粒粉尘体积百分比增加，说明在粉尘颗粒之间发生了凝并，小颗粒之间彼此粘连、大颗粒对小颗粒吸附，通过凝并形成较大粒径的颗粒。另外，4种电压下曲线的变化趋势相似，但粉尘凝并效果受电压变化影响不大，因为根据理论，粉尘荷电量越大，凝并效果越好，但当粉尘荷电达到饱和之后，电压变化对粉尘凝并的影响会减弱。Δv的峰值在30 kV时为-4.23%，在35 kV时为-4.34%，在40 kV时为-4.86%，在45 kV时为-3.83%。整体上对于整个粒径范围内的粉尘，电压从30 kV增加到40 kV时，粉尘凝并效果变好，在40 kV时最好，继续升高电压，反而会使凝并效果变差，此时凝并室内发生火花放电，接近临界电压。电压升到50 kV，发生击穿。

由图5可知，当粉尘浓度为1.0 g/m³、2.0 g/m³、3.0 g/m³时，Δv的峰值分别为-3.91%、-4.86%、-4.35%， 浓度为2.0 g/m³时凝并效果最好。可见，使凝并效果最好的浓度存在一个最佳值。在凝并过程中，对于较低的粉尘浓度，在相同大小的空间里颗粒均匀分布，它们之间的距离必然会较大，此距离可能大于颗粒在交流电场中的震荡幅度，导致许多颗粒无法与其他颗粒碰撞发生凝并。但若浓度过高，粉尘中的大颗粒可能会发生沉降，或者碰撞到极板造成电荷损失，从而降低凝并效果。所以，对于不同形式的除尘装置，若要最大幅度地利用凝并效应，需要选择最佳的设备进口的粉尘浓度值。

从图6可以看出，风速为0.8 m/s 、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s时，Δv峰值分别为-3.81%、-4.85%、-4.86%、  -4.05%。对于粒径小于5.01 μm的颗粒，风速为1.2 m/s时凝并效果最好，对于5.01～10 μm的颗粒，风速为1.0 m/s时整体凝并效果最好，说明粉尘粒径不同，风速对凝并效果的影响不同，即粉尘在凝并器内的滞留时间也是影响凝并效果的重要因素。风速太小，粒径较大的颗粒在凝并室内会受重力作用较大而沉降，使得粉尘中的小颗粒无法附着，或因凝并后的大颗粒未出烟道而落入灰斗中未被收集，导致最终所测凝并效果较差。而当风速大于一定值，粉尘经过凝并器的速度过快，时间太短，不足以进行凝并就被吹出烟道，因而降低了凝并效果。

可见，交流电压、粉尘浓度和烟道风速，都对粉尘凝并起着重要的作用。通过数据分析，二齿芒刺线—金属板的极配形式，对PM10凝并效果最优的实验参数为：电压40 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速1.2 m/s，此时PM10在凝并后减少值最大，为15.85%。

2.2 四齿芒刺线-金属板对粉尘凝并效果的影响

从图7可以看出，在不同电压下的Δv变化趋势相似，当电压为20 kV、25 kV时，Δv峰值分别为-4.35%、-4.69%。当电压为30 kV时，凝并效果最佳，Δv峰值为-5.66%。当电压升至35 kV，此时可能接近击穿电压，放电效果变差而导致凝并效果降低，Δv峰值为-4.98%。

图8显示，当粉尘浓度为1 g/m³、2 g/m³、3 g/m³时，Δv峰值分别为-5.31%、-5.66%、-5.11%。当粉尘浓度为2 g/m³时，凝并效果最优，Δv峰值为-5.66%。与二齿芒刺线结果类似，粉尘浓度不宜过高或过低，均在2 g/m³时凝并效果最好。

从图9看出，风速为0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s时，Δv峰值分别为-5.16%、-5.3%、-5.66%，随着风速增大，PM10凝并效果增强，风速继续增加到1.4 m/s，凝并效果减弱，Δv峰值为-4.51%。但是对于5.01 μm以下的粉尘细颗粒物，1.0 m/s风速时凝并效果最优。

对凝并室极配形式为四齿芒刺线-金属板数据进行分析可得，对PM10凝并效果最优的实验参数为：电压30 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速为1.2 m/s，凝并后PM10减少总量为18.29%。

2.3 八齿芒刺线-金属板对粉尘凝并效果的影响

由图10可知，粉尘在不同电压下Δv变化规律相似，当电压为20 kV、25 kV、30 kV时，Δv峰值分别为-2.64%、-3.15%、-3.82%，电压为30 kV时凝并效果最优。当电压升高至35 kV时，由于已接近击穿电压，导致凝并效果降低，Δv峰值为-3.05%。

由图11可知，当粉尘浓度为1 g/m³、2 g/m³、3 g/m³时，Δv峰值分别为-2.29%、-3.82%、-3.05%，浓度为2 g/m³时峰值最大，且此时对PM10凝并效果最好。对于不同粒径的颗粒， 3.31 μm以下的粉尘，浓度为1 g/m³的凝并效果优于3 g/m³，3.31～10 μm内的粉尘，浓度为1 g/m3的凝并效果不如3 g/m³。

由图12可知，当风速为0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s时，Δv峰值分别为-2.33%、-2.65%、-3.82%，风速为1.2 m/s时凝并效果最优，风速升到1.4 m/s，凝并效果变差，Δv峰值减小到-2.28%。风速过高会导致颗粒物在电场中滞留时间变短，不足以充分凝并，使得效果降低。

凝并室极配形式为八齿芒刺线-金属板时，对PM10凝并效果最优的参数为：电压30 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速1.2 m/s，PM10减少总值为12.50%。

2.4 不同电极形式凝并效果比较

选取二齿芒刺线、四齿芒刺线、八齿芒刺线各自的最优凝并效果的参数组合进行比较，对应各自的最佳參数组合分别为：电压40 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速1.2 m/s；电压30 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速1.2 m/s；交流电压30 kV，粉尘浓度2 g/m³，风速1.2 m/s。

由图13可知，对于1.91 μm以下的粉尘，二齿、八齿芒刺线的凝并效果相似，但均比四齿芒刺线好；对于1.91～10 μm的粉尘，反而四齿的效果最优，八齿最差。可见，每种电极形式对粉尘的凝并效果并不总是最优，而是每种极配形式对于不同粒径的粉尘各有优劣，因为不同粒径的粉尘荷电凝并机理不同，而不同形式的电极放电效果也各有差异。

3 结论

1）在交流电凝并中，电压的提高有利于凝并的发生，电压越高，凝并效果越好，但当电压超过一定值时，接近临界电压，会产生火花放电而导致凝并效果降低，对于不同形式的放电极，实现最佳凝并效果的电压值不同。

2）粉尘浓度过低会使颗粒物间距太大而不易碰撞凝并，浓度过高会使得粉尘未达到饱和荷电量不易吸附凝并，因此存在一个最佳浓度值。

3）风速大小也是影响凝并效果的重要因素，太小会使大颗粒受重力影响大而沉降脱离电场，过大使得颗粒物在电场中滞留时间过短，都会降低凝并效果。

4）对于二齿、四齿、八齿芒刺线三种不同的放电极，使得其凝并效果最佳的交流电压、粉尘浓度、风速分别为：40 kV、2 g/m³、1.2 m/s，30 kV、2 g/m³、1.2 m/s，30 kV、2 g/m³、1.2 m/s。在此条件下，凝并后粉尘中PM10的减少值分别为：15.85%，18.29%，12.50%。凝并效果总体最优的极配形式和参数为：四齿芒刺线-金属板，交流电压为30 kV、粉尘浓度为2 g/m³、风速为1.2 m/s，凝并后3.31～5.01 μm粒径的粉尘体积百分比减少了5.66%，PM10减少了18.29%。

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