双区静电除尘器的除尘效率影响因素和理论公式研究*

周 武 洪亚军 李世远 李济吾#

(1.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江 杭州 310018；2.金华华东环保设备有限公司，浙江 金华 321016)

双区静电除尘器的除尘效率影响因素和理论公式研究*

周 武1洪亚军2李世远1李济吾1#

(1.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江 杭州 310018；2.金华华东环保设备有限公司，浙江 金华 321016)

研究了预荷电压、烟气流速、极板间距和电极型式对双区静电除尘器除尘效率的影响，推导了双区静电除尘器的除尘效率理论公式，并与实验值和多依奇公式计算值进行了对比验证。结果表明，双区静电除尘器的除尘效果好于单区静电除尘器，其最佳工况是预荷电压25kV，烟气流速0.50m/s，极板间距400mm，采用芒刺电极。推导得到的双区静电除尘器的除尘效率理论公式不仅收尘电压较低时与实际情况相符，而且收尘电压较高时也与实际情况基本吻合，比多依奇公式更能反映双区静电除尘器的除尘效率。

双区静电除尘器 除尘效率 多依奇公式

近年来，我国华北地区频繁爆发严重的雾霾天气，不仅造成空气能见度降低，而且严重威胁人体健康[1]。燃煤电厂排放的烟尘是造成雾霾的重要原因之一[2]。为控制燃煤电厂烟尘污染，国家环境保护部、国家发展和改革委员会和国家能源局在2015年12月联合发布了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求2020年前我国燃煤电厂力争实现污染物超低排放，其中要求烟尘排放的质量浓度控制在10 mg/Nm3以下。要实现燃煤电厂烟尘超低排放，其难点在于超细颗粒物的脱除[3]，传统的单区静电除尘器很难满足超低排放的需求[4-6]。研究表明，在单区静电除尘器前增加预荷电区的双区静电除尘器可以提高静电除尘器的除尘效率，尤其是对超细颗粒物的脱除[7-8]。目前，静电除尘器除尘效率计算公式多采用多依奇公式，该公式能够很好地适用于单区静电除尘器，但与双区静电除尘器有很大出入。为此，本研究推导了双区静电除尘器的除尘效率理论公式，研究了预荷电压、烟气流速、极板间距和电极型式对除尘效率的影响，并对理论公式进行了验证。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

双区静电除尘器实验装置示意图如图1所示，主要由发尘系统(风机、控制阀、流量控制器和发尘器)、供电系统(直流电源和直流/脉冲电源)、除尘系统(预荷电区和收尘区)和采样系统(等速采样系统)4个部分组成。发尘系统所用实验粉尘为滑石粉，其静态比电阻为8.13×1011Ω·cm，平均颗粒粒径为1.65 μm(属于超细颗粒物)。供电系统主要由预荷电电源和收尘高压电电源组成，预荷电电源采用直流电源，最高电压为50 kV，荷负电；收尘高压电电源为直流/脉冲电源，最高电压为100 kV，荷正电。除尘系统收尘区采用线/板式，电晕极长330 mm，分光滑电极和芒刺电极两种，芒刺长为5 mm。极板间距可调，收尘极板采用不锈钢板。等速采样系统采集除尘前后的烟尘样品，用于计算除尘效率。

1—风机；2—控制阀；3—流量控制器；4—发尘器；5—直流电源；6—直流/脉冲电源；7—预荷电区；8—收尘区；9—等速采样系统图1 双区静电除尘器实验装置示意图Fig.1 Experimental setup schematic diagram of two-stage electrostatic precipitator

1.2 实验方法

1.2.1 影响因素实验

控制除尘前烟尘平均质量浓度为1.524 5 g/Nm3，收尘电压为55 kV，烟气流速为0.50 m/s，极板间距为400 mm，电极型式为芒刺电极，在0～35 kV间调节预荷电压，测试预荷电压对除尘效率的影响；控制除尘前烟尘平均质量浓度为1.524 5 g/Nm3，预荷电压为25 kV，极板间距为400 mm，电极型式为芒刺电极，调节烟气流速为0.50、0.63、0.73 m/s，测试烟气流速对除尘效率的影响；控制除尘前烟尘平均质量浓度为1.524 5 g/Nm3，预荷电压为25 kV，烟气流速为0.50 m/s，电极型式为芒刺电极，改变电极与不锈钢板间的距离为300、400 mm，研究极板间距对除尘效率的影响；控制除尘前烟尘平均质量浓度为1.524 5 g/Nm3，预荷电压为25 kV，烟气流速为0.50 m/s，极板间距为400 mm，分别采用光滑电极和芒刺电极，探究电极型式对除尘效率的影响。

1.2.2 除尘效率测定

除尘前后的烟尘样品浓度采用《环境空气颗粒物(PM2.5)手工监测方法(重量法)技术规范》(HJ 656—2013)进行测定，根据式(1)计算除尘效率。

(1)

式中：η为除尘效率，%；ci、co分别为除尘前、后的烟尘平均质量浓度，g/Nm3。

2 双区静电除尘器的除尘效率理论公式

2.1 公式推导

双区静电除尘器的收尘区俯视截面图如图2所示，并赋予其坐标系统。参考多依奇公式的推导，假设：

(1) 所有进入收尘区的烟尘颗粒已荷负电达到饱和；

(2) 忽略反电晕、二次扬尘、烟尘粒子凝聚等因素的影响；

(3) 通过双区静电除尘器的烟气流速是均匀分布的，且不影响驱进速度；

(4) 由于烟气流速远大于重力沉降速率，故忽略重力的作用。

注：L为收尘极长度，m；b为1/2极板间距，m；x、y分别为横向、纵向距离，m；v为(x，y)处的烟气流速，m/s；w为烟尘粒子的驱进速度，m/s。

图2双区静电除尘器的收尘区俯视截面图
Fig.2 Plan sectional view of two-stage electrostatic precipitator’s dust collection area

依据假设，可以得到双区静电除尘器收尘区中荷电烟尘颗粒的扩散方程[9-11]为：

(2)

式中：c(x，y)为(x，y)处的烟尘质量浓度，g/Nm3；D为横向紊流扩散系数，m2/s。

其中，横向紊流扩散系数[12]和驱进速度[13]可分别根据式(3)和式(4)计算。

(3)

(4)

式中：Cu为库伦修正系数；kB为玻尔兹曼常数，J/K，kB=1.38×10-23J/K；T为绝对温度，K；μ为介质的黏度，Pa·s；dp为烟尘平均颗粒粒径，m；q为烟尘颗粒所荷电量，C；E为收尘电场强度，V/m。

依据分离变量法，可得式(2)的偏微分方程解为：

c(x,y)=A(cosβy+Bsinβy)

(5)

式中：A、β、B为待定系数，可根据边界条件求得，单位根据实际情况而定。

将3个边界条件分别代入式(5)可解得：

A=ci

(6)

(7)

(8)

B和β的具体值可通过计算机用数值方法求得。

为了简化起见，除尘器前后的烟尘浓度都取平均值，因此双区静电除尘器的除尘效率理论公式为：

(9)

2.2 公式验证

已知Cu=2×108、L=1.0 m、b=0.2 m；介质为空气，μ=1.8×10-5Pa·s；测得q=1.6×10-19C；T取298 K；E根据收尘电压和b计算得到。将以上参数代入式(3)和式(4)可求得D和w，再代入式(9)可得双区静电除尘器的除尘效率理论计算公式，可以计算不同收尘电压和烟气流速下的除尘效率。控制除尘前烟尘平均质量浓度为1.524 5 g/Nm3，预荷电压为25 kV，极板间距为400 mm，电极型式为芒刺电极，在0.60、0.90、1.20 m/s 3种烟气流速下计算双区静电除尘器的除尘效率理论值(以下简称理论值)，并与实验值和多依奇公式计算值(以下简称计算值)进行比较。

3 结果与讨论

3.1 预荷电压的影响

从图3可以看出，双区静电除尘器的除尘效率随预荷电压的升高而增加。当预荷电压为0 kV时，除尘效率为78.7%，此时相当于单区静电除尘器；当预荷电压为25 kV时，除尘效率达到97.4%。由此可见，双区静电除尘器的除尘效率明显高于单区静电除尘器。预荷电压超过25 kV后，除尘效率相对稳定。考虑到能耗、安全等问题，预荷电压宜为25 kV。

图3 预荷电压对除尘效率的影响Fig.3 Influence of pre-charge voltage on dust removal efficiency

3.2 烟气流速的影响

从图4可以看出，烟气流速越大，双区静电除尘器的除尘效率越低。分析原因，烟气流速越大，在收尘区的停留时间就越短，烟尘颗粒在到达收尘极板前可能就已经随着气流排出到静电除尘器外面了。此外，烟气流速过大，还容易造成二次扬尘，造成除尘效率下降。但是，烟气流速太小会导致除尘时间过长，也不合适。当烟气流速为0.50～0.73 m/s时，除尘效率均随着收尘电压的升高先增加后稳定。因此，当收尘电压低于55 kV时，最佳烟气流速应为0.50 m/s；而当收尘电压超过55 kV时，烟气流速为0.50、0.63 m/s时的除尘效率几乎没有差别，但也建议采用0.50 m/s。

图4 烟气流速对除尘效率的影响Fig.4 Influence of flue gas velocity on dust removal efficiency

3.3 极板间距的影响

从图5可以看出，极板间距相同时，双区静电除尘器的除尘效率随收尘电压的变化与3.2节的结果一致，即随收尘电压的升高而增加。收尘电压较低时，极板间距对除尘效率的影响较小；当收尘电压逐步增加时，极板间距对除尘效率的影响越来越大。总体而言，极板间距为300 mm时的除尘效果明显低于400 mm时。考虑到极板间距增大势必导致静电除尘器的占地面积增大，相应的生产成本也会增大，因此极板间距不宜过大。

图5 极板间距对除尘效率的影响Fig.5 Influence of plate-wire distance on dust removal efficiency

3.4 电极型式的影响

从图6可以看出，不管是芒刺电极还是光滑电极，除尘效率均随收尘电压的升高而增加，并趋于平稳。收尘电压较低时，芒刺电极的除尘效率明显大于光滑电极。这是因为芒刺电极在收尘电压较低时，更容易放电，且电场分布较均匀，可提高除尘效率，随着收尘电压的升高，光滑电极也能放电，芒刺电极的影响越来越小。由于收尘电压通常低于55 kV，因此电极型式建议选用芒刺电极。

图6 电极型式对除尘效率的影响Fig.6 Influence of electrode type on dust removal efficiency

3.5 双区静电除尘器的除尘效率理论公式验证

图7分别验证了0.60、0.90、1.20 m/s 3种烟气流速下在不同收尘电压时的双区静电除尘器的除尘效率理论值与实验值的差异，并与计算值进行了比较。结果发现，理论值与实验值吻合较好，说明所建立的双区静电除尘器的除尘效率理论公式可以应用于实际情况。然而，计算值只有在收尘电压较低时，与实验值相近；而在收尘电压较高时，计算值与实验值相去甚远，说明多依奇公式不再适于双区静电除尘器的除尘效率计算了。

图7 双区静电除尘器的除尘效率理论公式验证Fig.7 Verification result of two-stage electrostatic precipitator theoretical equation for dust removal efficiency

4 结 论

(1) 双区高压静电除尘器的最佳工况是预荷电压25 kV，烟气流速0.50 m/s，极板间距400 mm，采用芒刺电极。

[1] KULMALA M.China’s choking cocktail[J].Nature,2015,526(7574):497-499.

[2] 中国电力企业联合会.中国电力行业年度发展报告2016[M].北京：中国市场出版社,2016.

[3] 王树民,张翼,刘吉臻.燃煤电厂细颗粒物控制技术集成应用及“近零排放”特性[J].环境科学研究,2016,29(9):1256-1263.

[4] KIM S H,LEE K W.Experimental study of electrostatic precipitator performance and comparison with existing theoretical prediction models[J].Journal of Electrostatics,1999,48(1):3-25.

[5] ZHUANG Y,KIM Y J,LEE T G.Experimental and theoretical studies of ultra-fine particle behavior in electrostatics precipitators[J].Journal of Electrostatics,2000,48(3/4):245-260.

[6] PODLINSKI J,NIEWULIS A,MIZERACZYK J,et al.ESP performance for various dust densities[J].Journal of Electrostatics,2008,66(5/6):246-253.

[7] KOIZUMI Y,KAWAMURA M,TOCHIKUBO F,et al.Estimation of the agglomeration coefficient of bipolar-charged aerosol particles[J].Journal of Electrostatics,2000,48(2):93-101.

[8] 王连泽,贺美陆,孟亚力.双极荷电粉尘颗粒凝聚的初步研究[J].环境工程,2002,20(3):31-34.

[9] YAMAMOTO T.Effects of turbulence and electrohydrodynamics on the performance of electrostatic precipitators[J].Journal of Electrostatics,1989,22(1):11-22.

[10] ULLUM T,LARSEN P S,ÖZCAN O.Three-dimensional flow and turbulence structure in electrostatic precipitator by stereo PIV[J].Experiments in Fluids,2004,36(1):91-99.

[11] SCHMID H J,STOLZ S,BUGGISCH H.On the modelling of the electro-hydrodynamic flow field in electrostatic precipitators[J].Flow,Turbulence and Combustion,2002,68(1):63-89.

[12] ZIMMER A T,BARON P A,BISWAS P.The influence of operating parameters on number-weighted aerosol size distribution generated from a gas metal arc welding process[J].Journal of Aerosol Science,2002,33(3):519-531.

[13] KILDESØJ,BHATIA V K,LIND L,et al.An experimental investigation for agglomeration of aerosols in alternating electric fields[J].Aerosol Science and Technology,1995,23(4):603-610.

Influencefactorsandtheoreticalequationstudyfordustremovalefficiencyoftwo-stageelectrostaticprecipitator

ZHOUWu1,HONGYajun2,LIShiyuan1,LIJiwu1.

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，ZhejiangGongshangUniversity，HangzhouZhejiang310018；2.JinhuaHuadongEnvironmentalProtectionEquipmentCo.，Ltd.,JinhuaZhejiang321016)

The influences of pre-charge voltage,flue gas velocity,plate-wire distance and electrode type on dust removal efficiency of two-stage electrostatic precipitator were studied. The theoretical equation for dust removal efficiency of two-stage electrostaic precipitator was deduced,and compared with the calculation results of Deutsch equation and experimental results. Results showed that the dust removal efficiency of two-stage electrostatic precipitator was higher than that of single-stage electrostatic precipitator. The best conditions were achieved when pre-charge voltage was 25 kV,flue gas velocity was 0.50 m/s and plate-wire distance was 400 mm with nail electrode. The theoretical values of the dust removal efficiency calculated by the theoretical equation were better to reflect the actual situation both at low and high dust collection voltage compared with that calculated by Deutsch equation.

two-stage electrostatic precipitator； dust removal efficiency； Deutsch equation

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.019

周 武，男，1993年生，硕士研究生，研究方向为大气污染控制理论与技术。#

。

*浙江省公益性技术研究计划项目(No.2015C33044)；浙江省新苗人才计划项目(No.2016R408059)；2016年金华市工业类科技计划重点项目；浙江工商大学研究生科研创新基金资助项目(No.14060601003)。

2016-12-03)