作者：石零，陈文，曹诗龙（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学）；江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）
摘 要
极配形式是静电除尘器的核心部件，其伏安特性常作为分析和评价电晕放电特性、电源性能与静电除尘器稳定运行的重要参数。空载条件下，实验研究了电晕线直径、正负极性、电场风速和空气相对湿度对线-网式静电除尘器伏安特性的影响。结果表明：电晕线直径、电晕极性对电晕电流有较大影响；电场风速对伏安特的影响在高电压和大风速时存在；空气相对湿度对击穿电压影响很大，在未达到空气饱和条件下，对起晕电压几乎无影响。
关键词
静电除尘器；伏安特性；电晕放电；线-网极配形式
静电除尘器（electrostatic precipitator，ESP）是低压损、低能耗、高效率除尘器，广泛应用于燃煤电厂、烧结工艺高温烟气中颗粒污染物的去除，运行良好的静电除尘器总效率可达99%以上，但是微细颗粒物的净化效率还较低，且存在长期运行稳定性欠佳的问题［1-2］。其原因可能是小粒径颗粒物由于不适当的电极形式造成了荷电效率降低。正是基于此，针对如何提高静电除尘器的微细颗粒物净化效率，国内外学者对静电除尘的电极配置形式和电极伏安特性进行了大量研究。KASDI［3］利用数值模拟与实验相结合的方法对空载下线-板式静电除尘器的伏安特性进行研究，发现极配形式对电晕电流影响较大，电晕线间距增大、直径减小均有利于电晕放电，实验结果与理论分析及模型计算结果基本吻合。PATINO 等［4］设计了一种线-管状模块化静电除尘器电极对，并对其伏安特性进行了研究，其结论是：负电晕的放电性能优于正电晕放电，随着电晕线直径的减小，电晕电流增大，但是相对湿度与电晕电流呈负相关。WANG等［5］对不同收尘材质的湿式静电除尘器的伏安特性进行了研究，发现相同电压下，膜式收尘极的电晕电流大于金属板收尘极；极板材质相同时，负电晕放电性能较好。NOURI等［6］研究了相对湿度对线-板式静电除尘器伏安特性的影响，结果表明相对湿度对电晕电流的影响很大，当外加电压较小时，电晕电流随着相对湿度的增大而增大；当电压较高时，由于空气中粒子迁移速度的影响，相对湿度对电晕电流的影响较复杂，除了相对湿度在99%时，其他湿度下，电晕电流均随着相对湿度的增大而减小。这些伏安特性的研究，为静电除尘器运行中问题的解决，对静电除尘器的设计改进、电源控制策略提供了有益的帮助［7］。
本文提出了线-网式静电除尘器极配形式，并基于实验研究讨论了电晕线直径、正负极性、电场风速和空气相对湿度对线-网式静电除尘器伏安特性的影响。给出了空载条件下该极配形式的实验结果，为该极配形式在静电除尘器中的应用提供一定的数据支撑。
1 电极理论与结构
1.1 电场起晕理论
电晕极和接地极构成静电除尘器的极配结构，是静电除尘器的静电场形成、粉尘荷电、带电粉尘去除的关键所在。常用的静电除尘器的电极对主要有线-管式、线-板式、针-板式等形式，对电极对的电晕电极——放电极，有起晕电压低、电晕电流大、易清灰等要求；对接地极——收尘极，有二次扬尘少、金属消耗低、造价低等要求。
低起晕电压是对电极极配的关键要求，线-管式电晕电极的起晕电压可表示为［8］
式中，U0 表示起晕电压，kV；E0 表示起晕场强，kV/m；r0 表示电晕线半径，m；rc 表示筒体直径，m。
线-管式起晕电场强度为
式中，f 表示电晕线粗糙度系数，无量纲；T0 表示标态下绝对温度，T0 = 273 K；P0 表示标态下绝对气体压力，P0 = 101 300 Pa；P 表示实际气体压力，Pa；T 表示实际气体绝对温度，K。
1.2 线-网极配结构
本文提出了线-网式静电除尘器的极配形式，其具体结构见图1。由图1 可知，网状收尘极是由横纵相间的金属丝编制而成的丝网，丝网置于绝缘筒体内，同时，不锈钢丝电晕极安装在筒体中轴线上。
2 实验装置
图2 为线-网式静电除尘器伏安特性测定实验装置图，主要包括发尘箱、高压供电装置、除尘器筒体、除尘管道、风机等部分。电晕线是直径0. 1 mm、长度1. 0 m 的不锈钢金属细丝，收尘极为不锈钢编制丝网，筒体内径150 mm，极间距为75 mm。供电装置采用BGG 型高压电源，输出电压±120 kV，输出电流2. 5 mA，不稳定度< 1%，电流表分辨率1 μA，电压表分辨率0. 1 kV。
在常温常压、空载的条件下进行线-网伏安特性实验。实验电压通过调节高压发生器调节旋钮来实现，电压由电压表测量，电流由微安表测量，风速调节通过变频器调节电机转速来实现。实验过程为在风速稳定的情况下，按照0. 5 kV的升压间隔记录每个电压下的电流数值，直至电场击穿保护。实验相关参数的选取与设置见表1。
3 实验结果与讨论
3.1 电晕线直径对伏安特性的影响
分别配置两种线径的电晕线，按前述实验过程进行V-I 实验，结果如图3 所示。由图3 可知，两种线径电晕线的起晕电压在5. 5 kV 上。由于线径差别很小，起晕电压的区别没有明显地显现。同时，在取电晕线光滑系数为1 时，由（1）式计算可得0. 1 mm 不锈钢细丝的起晕电压是5. 44 kV，实验结果与理论计算值十分吻合。图3 显示在相同的外加电压下，直径较小电晕线的电晕电流大于直径较大电晕线的电晕电流，如在10 kV 时，0. 1 mm 电晕线的电流为 0.052 mA，而0. 15 mm 电晕线的电流为 0.032 4 mA，虽然差别不大，但该实验结果也应引起重视，分析该差别可能与电晕线的材质有关。文献［3-4］也呈现出相同的实验结果。
3.2 正负极性对伏安特性的影响
对同一电极配置的电晕线施加+、-两种不同极性电压，实验结果见图4。由图4 可知，相同电压下，负电压产生的电晕电流大于正电压产生的电晕电流，如15 kV 时，负电晕电流为0. 189 6 mA，而正电晕电流为0. 107 1 mA，负电晕电流比正电晕电流高77%。按静电学理论可知，这是电子迁移速度大于正离子迁移速度的原因所致。且两种极性的击穿电压不同，负电晕高于正电晕。线-网式极配形式的V-I 特性遵循一般规律。
3.3 电场风速对伏安特性的影响
在无粉尘空气流动条件下，线-网极配形式的V-I 特性实验结果如图5 所示，V-I 间的变化规律较无风速条件下无变化，但击穿电压有所增加，且高电压下电流有轻微波动趋势。出现这种情况的可能解释是：电场中带电离子和电子在向接地极运动的过程中，各自的迁移率不同，再加上气流流动的影响而导致的。文献［6，9-10］给出了高湿度不同电场风速条件下的V-I 特性曲线，也呈现出相同的实验结果。此外，由图5 可知，随着风速的增大，火花放电电压也随之减小，这可能是因为风速的增大扰动了静电场中的离子流动，破坏了电场的均匀性。
3.4 相对湿度对伏安特性的影响
图6 给出了介质相对湿度与线-网极配形式的V-I 特性实验结果。空气相对湿度对静电除尘器的击穿电压影响很大，相对湿度大时，击穿电压低；相对湿度小时，击穿电压高。分析原因在于：相对湿度大时，空气中水分子含量增多，一方面水分子电离，一方面水分子带电，空间电场中出现更多的电子和离子，增大了电场内部的电晕电流，所以更容易击穿。文献［6，9］在更大相对湿度范围内对V-I特性进行了实验，实验结果却是，低电压时（< 20 kV），与本实验规律有相似结果，但是当电压较高时（>20 kV），相对湿度的变化对电晕电流影响较小。这些实验数据对湿式静电除尘器的研究开发具有一定帮助。
4 结论
1）线-网极配形式的V-I 特性的变化规律与多数极配形式V-I 特性的变化规律相同。
2）高电压下，大电场风速时电晕电流有一定的波动。
3）在未达到空气饱和条件下，高空气湿度时，击穿电压减小，但相对湿度对起晕电压几乎无影响。
4）线-网极配形式下电晕线的起晕电压是5. 5 kV。
基金项目：武汉市高技术产业科技创新团队培养计划项目（2015071704021605）
文献来源：石零，陈文，曹诗龙. 线-网极配伏安特性实验研究[J]. 江汉大学学报（自然科学版）, 2017, 45(1): 5-9.
DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2017.01.001 |
