静电对纤维滤料过滤飞灰颗粒的影响

1、第 26卷 第 24期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.26 No.24 Dec. 2006 2006年 12月 Proceedings of the CSEE ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号:0258-8013 (2006 24-0106-05 中图分类号:TK284; X5 文献标识码:A 学科分类号:470 20 静电对纤维滤料过滤飞灰颗粒的影响黄 斌,姚 强,宋 蔷,龙正伟,李水清(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京市 海淀区 100084Effect of the Electrostatics on the Fibro

2、us Filter Filtrating Fly AshHUANG Bin, YAO Qiang, SONG Qiang, LONG Zheng-wei, LI Shui-qing(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University,Haidian District, Beijing 100084, ChinaABSTRACT: The effect of the corona charging, electric field polariz

3、ing and neutralizing particles cases on the commercial fibrous filter filtrating fly ash has been investigated experimentally, including pressure drop, penetration and the change of the single particle charge between upstream and downstream. The results show that the polarizing and neutralizing case

4、s go through three stages: clean filtration, clogging and cake filtration. However, charging case never formats cake even the pressure drop comes to over 5000Pa. Thus, the charging case has a largest increase rate. For all cases, they have a high penetration at the initial stage, especially for the

5、submicron particle. With filtration, the penetration decrease to less than 0.01% when pressure drop is near to 1000Pa. The single particle charge in charging result indicates that the charge of penetrated particles is far less than that of particle in the upstream, which implies that the charge of p

6、articles play an important role in particle penetration.KEY WORDS:particle; charging; fibrous filter; filter cake; pressure drop; penetration摘要:实验研究了在商用的纤维滤料中, 窄分布飞灰颗粒在 电晕荷电、 电场极化及静电中和器中和等外加条件对过滤压 降、 穿透率以及上游颗粒与逃逸下游颗粒的荷电分布特点的 影响。 实验结果表明,在 3.95m/min的过滤速度下,极化及 中和工况经历了清洁滤料过滤、堵塞和颗粒层过滤 3个阶 段,而电晕状态在 5000Pa

7、 以后仍未形成完整的颗粒层,压 降增 长 的速度 显著大于其它 2个工况。 3种情 况 初始 阶段 亚 微米 颗粒 都有一 个 高 的穿透率,在 还不到 1000Pa 时 ,穿透 率 均已 下降 到 0.01%以下。 ELPI 测量 结果表明,下游颗粒 电荷明 显比 上游颗粒 小 , 说 明电荷 量可能 对穿透率 起到一 个 重要作 用。基金项目 :国 家重 点 基础 研究 发展计划 (2002CB211600。Project Subsidized by National Key Basic Research and Development Program(2002CB211600. 关键词:

8、颗粒 ; 电荷 ; 纤维滤料 ; 颗粒层 ; 压降 ; 穿透率 0 引言气体 颗粒 物脱除技术 在工 业废气处理 1、 高温 煤气净 化 2-3和 安全生产 4等 技术领域 中 得到广泛 研究。电 厂排放 飞灰以及工 业燃烧排放 的 烟尘是大 气可吸入 颗粒 物 的 重要来源 5,静电和布 袋除尘技 术被广泛使 用以降 低 飞灰的 排放 , 随着人们 对 环境 要求日 加 严格 , 包括声 电的 各 种技术被重 新提出 6, 其 中以静电 除尘 与布 袋除尘 结 合 的 技术得到 最为 广泛 的 关注 7-8。静电影响过滤 主 要有 滤料 本身 荷 电,静电场加 于 滤料以及颗粒 预 荷电 几

9、 种 方式 。工 业 上 使 用的 主 要 属 于 颗粒 预 荷电 方式 。在 这 种技术 中, 人们 普遍认为预 荷电颗粒在纤维滤料中 进行 过 滤 能 够 形成 疏松 的颗粒层结 构 9, 从 而 获 得低 压降 高 效 率的过滤 效 果。 近 年 出现 了 不 同观 点 10, 认为 荷电的结果 不是 像之前所 说 的 产生 压降增 长 速度 的降 低 。 这主 要是 因为 实验条件的 不 同 和 深 入全 面 的 理 解 不 够 。 通 过实验对 其 进行更 全 面细致 的研究 是 必 要 的。1 实验部分1.1 实验系统如图 1, 系统主 要 由 4部 分 组 成 :(1 颗粒 发生

10、 部 分。 产生 稳定 的、 发 散效 果 较好 的和 可重 复 的 气 溶胶 是比 较困难 的,国 内多采 用 送风 机加 螺旋给 料机 送 料的形 式 11-12, 这 种 方式稳 定性 和 发 散性 都不 易控制 。 在 本 实验中, 颗粒 发生 部 分 主 要 由 1台 气 泵 , 1台刷式 颗粒 发生 器 (Palas Model RBG2000德 国 , 1台 静电中和器 (TSI 3054A Kr85 以及 温 湿变送 器 (JWSH-9VBC02, RH 0%90%组第 24期 黄 斌 等 :静电对纤维滤料过滤飞灰颗粒的影响 107 1空 气; 2 高 效 过滤器 ; 3空 气

11、 压 缩 机 ; 4 颗粒 发 散 器 ; 5 中和器 (Kr-85; 6 质 量 流 量计; 7 温 湿变送 器 ; 8 ESP ; 9 高 压 直流 静电 发生 器 (2kV80kV ; 10采 样 器 ; 11 滤料 ; 12 阀门 ; 13 低 压静电 撞击 器 ELPI ; 14 中和器 ; 15 差 压 变送 器 ; 16 减 压 阀图 1实验系统Fig. 1 Experimental setup成。实验的飞灰 由 颗粒 发生 器 高 速 刷 打 散 , 然 后 由气 泵提 供 的 高 压 气体 经过 喷嘴 高 速 喷 出 , 保证0.1100µm 的颗粒 充 分 发 散

12、 , 并 经过中和器中和 其电荷, 其 中 气 流 由 质 量 流 量 控制 器 控制 。(2 颗粒荷电 预 处理 部 分, 主 要包括一 线管式 荷电 通 道 和与 其 连接 的 高 压静电 发生 器,荷电 通道 放 电极的 直径 为 0.3mm , 长 50mm 。(3 实验段, 主 要 为 实验滤料的 夹持 段。(4 测 试部 分, 包括 了 低 压静电 撞击 器 (ELPI及 其 稀释 系统 ,上下游等速 采 样装置 , 测 试 上下游压降的 差 压 变送 器 (JYB-KO-BV, 05000Pa。1.2 实验用颗粒和滤料实验 采 用上 海某公司 提 供 的电 厂 经过分 选 后的飞

13、灰, 比 电 阻 1.6G cm 。 图 2为 其 扫描 电 镜 图 。从图 可 以 看 出 ,颗粒 具 有 较好 的 球 形和 较 窄的粒 径分布, 真密 度 (测 试 仪 器 AccuPyc1330 为 2.61g/cm3,体 积平 均 直径 为 1.4µm 。纤维 则 来 至某公司 工 业 商用 丙纶 滤料, 如图 3, 厚 度 为 3mm , 纤维 直径 为 20m 。图 2实验用飞灰颗粒Fig. 2 Fly ash used inthis experiment图 3丙纶滤料表面Fig. 3 Surface of thefibrous filter1.3 测量方法实验 采 用

14、 ELPI 上下游 交替 测量来 获 得 颗粒的上下游颗粒 物 的 浓 度, 其 中上游 采 用 一 级稀释 。ELPI 上游 持续 采 样 , 间隙 对下游 进行采 样 , 下游 每次 稳定采 样 不 少 于 30个 数据 。颗粒的分 级 荷电 大 小 也 由 ELPI 采 用特 殊 方 法 测 出 13。1.4 颗粒荷电颗粒 发生 器 产生 出 的 气 溶胶 颗粒 由 于 摩擦 和 发 散 作 用, 普遍 带 有 较 高 电荷, 如 飞灰 主 要 携带负 电荷, 从 而 使气 溶胶 不 稳定 。静电中和器 主 要 靠 放 射 性 元素 产生 的 射线 电 离 空 气 , 从 而 使 通 过

15、的 气 溶胶 颗粒 带 电 量 接 近 波尔兹曼 分布 14。 另 外,外加 电场 能使 颗粒 强 制 荷电 主 要 为 场 致 荷电和 扩 散 荷 电。 饱 和场 致 荷电 理 论 荷电个 数 15为2324prsr EEdnK e=+(1 式 中 :r 为 颗粒的 相 对 介 电 常数 , 本 实验中 取 5; E 为 电场 强 度, K E =9×109; e 为 单位 电荷。2 实验及其数据处理方法2.1 实验实验对 比 了 3种不 同 工况 : 中和, 即 颗粒荷 电 部 分的静电 发生 器 产生 电压 U =0kV , 电 流 I =0µA , 颗粒 发生 器

16、产生 的 气 溶胶通 过中和器后 直接 进行 过 滤 ; 极化, 即 U =10kV , I =0µA ; 电晕荷电, 即 U =20kV , I =50µA ,电极 发生 电晕,颗粒 被 强 制 荷电。过滤过程中 湿 度 稳定 在 RH 12% 14%, 温 度 为 2530 . 过滤速度 控制 在 3.95m/min左右 。 2.2 滤料承载颗粒量由 于 很 难 实 时 获 取 滤料上颗粒层 质 量 , 文 献 中 普遍采 用 最 终 滤料上的 质 量 通 过 时 间平 均来 替 代 实 时 的颗粒层 质 量 16-17, 或者 直接 采 用过滤 时 间 来 表 征 滤

17、料上 沉 积 颗粒的 质 量 18-19。 这 种 方 法 前提 要 求 颗粒 发生 器的 浓 度在整个实验中 均 匀 一 致 ,而 现108 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26卷有 的颗粒 发生 器 设 计 很 难 保证 这 一 目标 , 另 外中和 器和 管道 壁 面 的 沉 积 , 预 荷电 产生 的 预 除尘都 影响 气 溶胶 的 浓 度。 本 实验 考虑 了 来 流 的颗粒 浓 度, 认 为 滤料过滤 效 率 稳定 , 利 用 光滑 处理 后的 ELPI 测 得 的实 时 浓 度 值 与 最 终 颗粒层 质 量来 获 得 任意 时 刻 滤料上颗粒层的 质 量1111( i ti

18、 ti i i i i ni ni ii i C t C M t m m C tC = (2 式 中 :m 为 实验结 束 时 滤料上颗粒 质 量; n 为 实验 总 的 测量时 间 , s ; t 为 实验过程 某 一时 刻 ,实验 采 样间 隔 t 为 1s ; C i 为 i 时 刻 气 溶胶 浓 度。 2.3 穿透率穿透率 即 上游颗粒与下游颗粒的 浓 度 比 。 从 实 验中 发 现 ,在 较 短 的 时 间 段 内 , 可 以 认为 上游 气 溶 胶 颗粒 浓 度 保持 稳定 。 这 样 ,下游 浓 度 平 均 值 与 附 近 时 间 内 上游 平 均 值 的 比 例 即 为 此

19、时 刻 的穿透率。3 结果和讨论 3.1 压降 图 4为 3种 工况下压降 随着 滤料 单位 面 积 颗粒 承载 量 的增加的 变 化 图 。 由图 可 以 看 出 , 由 于初始 较 短 时 间 内 , 滤料 全体 积 参 与过滤 (纤维 直接 捕捉 颗 粒 , 且 颗粒 具 有 较 高 的穿透率, 其有一 段压降 缓慢 增 长 的过程。 随着 滤料上 沉 积 颗粒的增加, 这 些 颗 粒 开 始 与纤维 一 样 成 为 捕捉 气 流 中颗粒的 主 体 ,滤 料表 面 的过滤 通 道 入 口逐步 被 堵塞, 单位质 量 沉 积 颗粒 带 来 的压降增加率 迅 速 升 高 。 随着 过滤的 进

20、 行 , 沉 积 的颗粒 长 出 滤料,颗粒 “树枝” 以及颗粒 链将 相 互缠绕 形成颗粒 簇 , 然 后颗粒 簇 相连 形成 一 个整 体 , 此 后 将 进行 颗粒层的过滤。 这 个 时 期的过 滤, 由 于 颗粒层 高 度的增加, 空 隙 率 相 对 于 “ 堵塞 ” 阶段 变 化 缓慢 , 所 以压降的增加 将会 减少 。极化和 中和工况在滤料 沉 积 颗粒 质 量还不到 50g/m2即 开 始 了颗粒层的过滤,压降增 长 速度 变为 相 对 较 小 的 直线 增 长 。而电晕工况在整个实验过程中 一 直 处于 “ 堵塞 ” 状态, 保持 较 高 增 长 速度 从 而与 其它 二者

21、的压降 差 增 大 。 从 实验结 束 后的过滤 面 照片 图 57可 以 看 出 , 前 两者 的颗粒层 发展得 很 充 分, 其 最 终 颗粒层 高 度 达 到 了 545µm 和 608µm 。而后 者 长 出 的颗粒 簇 仍 处于 相 互 连接 但又 未 连 成 一体 的状况, 仍 有 很 多 滤料的表 面 暴露 在外 边 (图 中的 坑凹 处 。 这 种 “ 堵塞 ” 期的 延 长使得 在 这 期 间 电晕工况的5000 3000 10004000 2000 0 0100 200 400300 颗粒 沉 积质 量 /(g/m2中和 3.95m/min 极化 3.9

22、7m/min 电晕荷电 3.95m/min压 降 /P a极化图 4 不同预处理对滤料压降增长的影响 Fig. 4 Effect of pressure drop increaseon the different pretreatment case图 5 极化工况颗粒层Fig. 5Cake fromthe polarizing case图 6 中和工况颗粒层Fig. 6Cake from the neutralizing case图 7 荷电工况颗粒层Fig. 7 Cake from the charging case压 力 增加 显著大于 另 外 两 个。而 此二者 在 这 期 间 很 好

23、符 合 直线 增 长 。随着 过滤的 进行 ,颗粒 受 到 更 大 压降的 作 用, 破坏 颗粒层 内部 某 些 颗粒的 平 衡 , 导 致这 些 颗粒的 滑移 。 滑移 的颗粒 引 起 此 颗粒上 部 的颗粒 重 新 调 整 获 得 新 的 平 衡 位置 , 也 就导 致 了颗粒层 或者 颗粒 簇 发生 突 然 塌陷 18,20, 坍塌将导 致 颗粒层 空 隙 率的降 低 , 空 隙 率的降 低 将会 使 压降 出现 突 然 的 “跳跃” ,第 24期 黄 斌 等 : 静电对纤维滤料过滤飞灰颗粒的影响 109如图 4中压降 曲 线 圈 出 的 部 分,压降 会 有一 个 约 80Pa 的的阶

24、 跃 。 在实验结果中 可 以 观 察 到 , 压降增 长 速度 越 大 的工况, 发生大 规模坍塌 的 频 率和压降 的增加 越 高 和 越 大 , 且 电晕工况 3次 压降的增 高大 小 和 间 隔 都 很 相 似 , 这 很 有可能 就 是 分层压 缩 的结 果 18。3.2 穿透率 图 810是 3种 工况下 随着 过滤 进行 颗粒的分 级 穿透滤。对 于 纤维滤料,清洁的滤料的穿透率 一 般 是比 较 高 的,特 别 是 对 于亚微米 颗粒。 随着 沉 积 颗粒 逐 渐 成 为 颗粒 捕捉 的 主 体 ,颗粒的穿透率 会迅 速下降。 从图 中 可 以 看 出 , 3种 工况在 初始

25、阶段 亚 微米 以及 几 十纳 米 的颗粒 具 有 很 高 的穿透滤。在压 0.010.1 1 10颗粒 直径 /µm分 级 穿 透 率图 8 极化工况颗粒穿透率Fig. 8 Particle penetration as a function of particle size on the polarizing case 0.010.1 1 10颗粒 直径 /µm分 级 穿 透 率图 9 中和工况颗粒穿透率Fig. 9 Particle penetration as a function of particle size on the neutralizing case

26、0.010.1 1 10颗粒 直径 /µm分 级 穿 透 率图 10 电晕工况颗粒穿透率Fig. 10 Particle penetration as a functionof particle size on the charging case降 不到 1000Pa 时 ,下游的颗粒 浓 度降 至 了 每 标 米 几 十 微 克 直至 ELPI 的 测量 下 限 , 其 穿透率降 低到 了 0.01%以下。 图 11为 3种 工况下颗粒 总 数 穿透率。 可 以 看 出 ,在堵塞形成 初 期,极化与中和的穿透率 相 当 , 随着 堵塞的形成 迅 速降 低 ,而荷电工况 由 于 堵塞

27、阶段 发展 较 慢 ,在 400Pa 以后 其 穿透率的降 低 速度 也 较 缓慢 , 并 且 显著大于其 他 二者 。颗粒 直径 /µm颗 粒 数 目 穿 透 率400800 1200 1600图 11 不同工况穿透率随压降升高的变化Fig. 11 Penetration vs. pressure drop for different cases3.3 上下游单颗粒分级荷电量图 12为 电晕工况滤料上下游的分 级单 颗粒荷 电 量 变 化, 它是一 段 浓 度 稳定 的 时 间 内 ELPI 每级 颗粒荷电 总 和与 此 级 颗粒 数 的商, 代 表了 这 级 颗粒 的 平 均 荷

28、电 量 。 从 结果 可 以 看 出 ,上游 (up的颗粒 的荷电 量 很 高 ,特 别 是 超 微米 颗粒, 其 单 个颗粒 平 均 荷电 量都 在 1016C 以上, 这 与 式 (1计 算 的 单 颗 粒的 理 论 值 相 近 (稍 大 的 原 因 可能是 未 计 算 扩 散 荷 电的结果 。 而下游 (down颗粒荷电 量 成 倍 减少 , 其 中 超 微米 颗粒 减少 了 34倍 (随着 压降的增 高 , 下游 已 无 法 测 到 超 微 米 颗 粒 , 所 以 down498Pa 和 down1151Pa 没 有 超 微米 颗粒的 值 , 其 他 相 似 实验 也 有 同 样 的结

29、果。 这 说 明了 更易 穿透的颗粒 携带 电 荷 较 少 。颗粒 直径 /µm荷 电 量0.010.1 1 104图 12 电晕工况上下游分级单颗粒荷电量Fig. 12 The charge of the single particle in differentclasses in the upstream and the downstream4 结论(1 在 3.95m/min过滤 风 速下, 极化与中和工110 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26卷况 都 经历 一 个压降 缓慢 上 升 的清洁滤料过滤 区 ,压 降 迅 速上 升 的堵塞期, 当 1000Pa 以后 进 入

30、 压降 线 性 上 升 的颗粒层过滤期。电晕荷电工况经过 同 样 一 个 短 时 间 清洁过滤后, 直 到 整个实验结 束 (压降 大于 5000Pa 仍未形成颗粒层, 其 压降增加速度 显著大于 其它 工况。(2 3种 工况在堵塞形成期及 其 之前 , 亚微米 颗粒 都有 较 大 的穿透率。荷电工况在堵塞期 相 同 压 降下的穿透率 相 比其它 两 工况 稍 高 。(3 ELPI 对 单 颗粒荷电 测量 结果表明,下游 穿透的 主 要 为 荷电 量小 的颗粒。参 考 文献1 胡满银 , 高 香林 , 胡志 光 ,等 .锅炉 燃烧 和 运 行 对电 除尘 器 性 能 影响的分 析 与研究 J.

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33、iltration performance of ceramic filter by numerical simulationJ. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(12:203-207(in Chinese.4 荣伟东 , 张 国 权 , 刘功智 ,等 . 静电增 强 纤维层过滤 技术 的研究 J. 中国 安全 科 学学报, 1998, 8(1:32-36.Rong Weidong, Zhang Guoquan, Liu Gongzhi, et al. Study on the technique of reinforced fibrous electros

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