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用双极预充电器静电沉积细颗粒

J.Zhu，X. Zhang，W. Chen，Y. Shi，K. Yan *

南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044

摘要：

我们设计了一种实验室静电除尘器（ESP）与双极预充电器，用于研究电荷诱导聚集和细粒子的收集。就颗粒数而言，对于粒径接近0.2mu;m到3mu;m的颗粒，ESP收集效率下降到接近90％的最小值。对于其他颗粒，其收集效率约为94％-95％。通过使用双极预充电器，所有大小颗粒收集效率均因电荷诱导的颗粒团聚作用，得到显著提高。 所有大小的颗粒收集效率都上升到约95％-98％。

关键词：

电晕放电；团聚；PM_2.5；静电沉淀

介绍

空气中的颗粒物（PM）可以形成二次气溶胶^[1,4,7]进而吸收各种有害物质。静电除尘器已广泛应用于集尘^[5,11,14]，其质量收集效率通常在99.98％左右。然而，直径小于2.5mu;m的颗粒，即PM_2.5，不能用传统的ESP进行有效地收集^[13]。排放量难以符合新标准或法规。有几个因素会对收集产生重大影响，如颗粒充电不足，电场应用较小以及由于湍流或振动造成的重新夹带^[3]。

为了提高收集效率，研发活动一直致力于通过使用各种充电技术和增加应用电场来实现微粒聚集。例如，Watanabe等人报道，对于直径小于1mu;m的颗粒，使用四极电极凝聚器可以将其浓度降低20%^[19]。他们还表明，通过施加电场来影响粒子的运动可以增强带电粒子的聚集。使用交流电晕进行颗粒充电，然后将直流电场用于颗粒团聚，Zukeran等人也确定了集聚现象^[20]。此外，Hauta-nen 等也报道布朗效应对集聚起着重要的作用^[2]。类似的集聚调查在交流和AC / DC领域也有分别有Tan^[17]、Ji^[6]、Laitinen^[8,9]等人的报道。然而，用于改善PM_2.5收集效率的电荷诱导凝聚技术的工业应用仅为通过同时使用预阳性和预阴性充电器。最近报道了几个燃煤电厂的应用，双极充电器和气流引起的凝聚器都安装在进气管前面^[18]，由于凝聚器内的强制气体流动而实现粒子聚集。现今，有关微粒收集的详细调查将用于评估技术并提出其工业应用的设计原则。本文旨在深入了解预充电器对ESP性能的影响：预计气流速度超过10m / s的双极带电粒子可以有效诱导粒子团聚；无论是额外的电场还是强制气体流动的手段都不会起到重要的作用。这项工作的最终目标是开发适用于ESP进气道的双极预充电技术，以改善微粒收集。因此，为这项工作，我们设计了一个新的装置，用原位电和粒子进行实验研究诊断。

实验设置

所有实验均在如图1所示的闭环实验室ESP中进行。所有直流电源均采用新型自动电压控制器（AVC）， AVC可以保持ESP或预充电器达到其最大工作电压，相同的AVC技术也被应用于多种工业ESP ^[10]。 该装置不仅设计用于细颗粒沉淀的实验研究，而且还用于非热等离子体诱导的气体清洗。 其基础设施，ESP的I-V曲线和等离子体引起的VOCs排放减少的详细情况先前已有报道^[21-23]。 线板式ESP有五个板块，其长度、高度和宽度分别为1000mm，1000mm和300mm。 ESP总收集面积为1.38m²。 锯状放电电极（DE）的尖端距离为22mm。 电晕电极之间的间隙为44mm，气体流量可以调节至1000 m³ / h，分别对应于ESP内部0.78 m / s和预充电器内部11.4 m / s的气体速度，那些设计好的气体速度分别对应于工业ESP内部和ESP进气管内部的气体速度。 由于其环路设计，气体或细颗粒沿着环路循环一次需要约2.8 s。

图1实验装置示意图（1）：双极性预充电器，（2）：五电场ESP，（3）：高压电源，（4）：料斗，（5）：支架，（6）：ELPI，（7）：窗口，（8）：颗粒喷射器控制器，（9）：风扇控制器，（10）：风扇，（11）：颗粒喷射器，（12）：窗口，（13） 窗口。

双极预充电器放置在ESP前端，其长度，高度和宽度分别为1000 mm，150 mm和150 mm，预充电器由如图2所示的一个正极和一个负极充电器组成。所有使用的高压电极均为线型，直径为1.2 mm。 在预充电器内部，气体被等分为两部分，一部分从正电晕预处理器中流出，另一部分来自负电晕预处理器。 然后，由于ESP入口部分内的气体流动，正负带电粒子会自动混合，图3展示了预充电器的典型V-I曲线。使用电气低压冲击器（ELPI）对颗粒大小，电荷和颗粒数量进行原位诊断，这是目前最流行的微粒诊断仪器之一^[12,16]。 颗粒采样在ESP的下游进行，如图1所示。例如，图4显示了目前工作的一个典型粒径分布，我们目前使用碳酸钙作为微粒源。 所有实验均在室温下在空气中进行。最初的质量浓度通常约为50 mg / m³，其特定的电阻率r_d约为2.74times;109 U cm。

图2：预充电器1：绝缘体的侧视图和正视图; 2：电晕丝; 3：导管; 4个正极高压连接器; 5：负高压连接器; 6：正电晕充电器; 7：负电晕充电器。 两根相同的电晕丝的长度为1000毫米。 每个电晕充电器的高度和宽度分别为150毫米和75毫米。

图3.双极预充电器在颗粒浓度为50 mg / Nm³和气体流量为725 Nm³ / h的条件下的电压 - 电流特性。

图4.质量浓度为50 mg / Nm³，气体流量为725 Nm³ / h时的静止状态颗粒数分布。

结果和讨论

3.1充电特性

为了对凝聚技术有深入的了解，通过假设对相同粒径的颗粒收集相同量的充电器来评估预充电器的微粒充电特性。 早期推导收集到的电荷数量与ELPI诊断电流之间的分析关系为^[12]：

其中n是粒子上的平均电荷单位;I是fA中的诊断电流; T是以分钟为单位的采样持续时间; △V是以立方厘米为单位的样气体积; N是1 / cm³的颗粒数量浓度; e是1.062times;10^-19C的基本电子电荷。图5和6是充电特性的典型例子，图5是单冠状态，图6是双极冠状态。在单电晕放电下，收集的电荷总是随着施加电压的增加而上升。对于细颗粒来说，与负电晕放电下的电荷数相比，正电晕下放电的电荷数是负电晕下的5倍。当共同生成双极性冠时，聚集后的净电荷对于非常精细的粒子而言下降到接近零，并且对于较大粒径的粒子显示出单极性。对于图6所示的实验，在相同的负电晕下，三种不同的正电晕放电下，人们可以很容易地看到，对于直径小于1mu;m的颗粒，颗粒收集几乎相同的正电荷或负电荷。由于集聚，净剩余电量接近于零。 然而，对于直径大于1mm的颗粒，剩余电荷取决于电晕电流。例如，当正充电电流从3.8kV时的3.0mA增加到5.0kV时的9.0mA时，净电荷极性从负变正。已经有许多文献可以讨论充电过程，实验观察和理论分析之间的详细比较正在研究中，并且很快就会有报道。

图5初始质量浓度为50 mg / Nm³，气体流量为725 Nm³ / h时单电晕放电的颗粒充电特性。相应的条件是：A：在-13.0kV和105mA下的负电晕，B：在-4.4kV和5mA下的正电晕。

图6.初始质量浓度为50 mg / Nm3和气体流量为725 Nm3 / h时双极性冠状颗粒的颗粒充电特性。 施加的电压分别为A：（3.8kV，-13.0kV），B：（4.4kV，-13.0kV）和C：（5.0kV，-13.0kV）。 这些电压的电晕电流在4.5kV时为5mA，在5.0kV时为9.0mA，在105℃时为105mA，-13.0kV。

3.2颗粒收集效率

考虑到循环，我们根据初始和时间分辨的粒子数量集中来评估粒子收集效率。 因此，时间分辨的收集效率可以推导为：

其中eta;（t）是时间分辨效率，N_i是初始浓度，N₀（t）是ESP出口处的时间分辨浓度。

图7显示了通过实验持续时间没有电晕放电的典型颗粒浓度。将颗粒注入开始装置后，数字浓度首先上升，然后在约8分钟后变得稳定。其最终的固定浓度取决于其初始值。由于其较小的直径，系统中由于重力引起的颗粒沉淀几乎可以忽略不计。相反，当ESP在施加电压为1.6mA时通电

如图8所示，收集效率在大约20 s内上升到94％-95％，如图8所示。然而，进一步增加收集时间并不能提高效率，这与微粒颗粒不能被传统的ESP有效收集达成一致。有了ELPI，我们也注意到仅在ESP内的电晕放电下剩余粒子上的平均电荷小于2.5个离子。通过AVC技术自动实现所施加的电压(-56 kV)是当前ESP因火花击穿而产生的最大工作电压。实际上，相同的技术或相同的施加电压被用于工业PM_2.5在空气中的采集。

图7.分别在质量浓度A：100 mg / Nm³，B：50 mg / Nm³和C：40 mg / Nm³下没有任何电晕放电的时间分辨颗粒浓度。 气体流量为725 Nm³ / h。

图8.初始质量浓度为50 mg / Nm³和气体流量为725 Nm³ / h时的时间分辨颗粒收集效率。 电晕电流为1.6mA，施加的电压分别为-56kV和-52kV时为1.2mA。

3.3聚集效应对ESP收集效率的影响

与不采用预充电器的收集效率相比，图9显示了预充电器对等级收集效率的典型影响，其中两个带预充电器的曲线对应于预充电器中的一对电压（ 5.0kV，-13.0kV）和（ 5.0kV，-15.0kV）的充电器。下面的曲线给出了在预充电器上不施加任何电压的情况下的效率。在这些测试中，所有施加在ESP上的电压和电流分别为-56kV和1.6mA。一般来说，双极冠引起的团聚可以将收集效率提高2％-10％，这些提高对于直径在0.1-0.5mu;m和2-10mu;m的颗粒非常明显。图9还通过改变施加的电压显示负电晕强度的影响。根据等级效率和电压等级，优化预充电电压。如图10所示，当优化正电晕强度时，也会观察到非常类似的效应。根据推导出的理论粒子迁移速度，可以很好地解释观察到的近0.2mu;m的较低等级的颗粒收集效率现象。对于较大粒径的颗粒，由于区域充电，迁移速度随颗粒大小增加而增加。对于较小粒径的颗粒，由于众所周知的坎宁安因子，迁移速度随着粒径的减小而增加^[15]。然而，接近3-5mu;m的较低等级颗粒的收集效率，不能通过此模型来解释，这可能是由于ESP内部的气体流量分布以及由于颗粒特性造成的。这种现象只有在这个实验室里才能观察到，工业除尘器对等级收集效率的实验并未显示出这样的观察结果。

图9.初始质量浓度为50 mg / Nm³和气体流量为725 Nm³ / h时，双极预充电器对品位收集效率的影响。 预充电器的相应电晕电流分别为：在5.0kV时为9.0mA，在-13.0kV时为105mA，在-15.0kV时为136mA。 A：不使用预充电器，B：（ 5.0kV，-13.0kV）的预充电器上的电压对和C：（ 5.0kV，-15.0kV）的电压对。

图10.初始质量浓度为50 mg / Nm³，气体流量为725 Nm³ / h时，施加电压对品位收集效率的影响。 预充电器的相应电晕电流分别为3.8kVplusmn;3.0mA，plusmn;4.4kVplusmn;5.0mA，plusmn;5.0kVplusmn;9.0mA，-13.0kVplusmn;105mA。 试验条件为：A：（3.8kV，-13.0kV），B：（4.4kV，-13.0kV）和C：（5.0kV，-13.0kV）的电压对。

结论

根据目前关于微粒收集和收集的实验研究，我们可以得出以下结论：

1.与负电晕相比，正电晕对直径小于2.0mu;m的颗粒的充电非常有效，其集电可以增加5倍。当产生双极性冠时，由于粒子团聚，净电荷下降。

2.由于ESP的重力作用，微粒的自然沉淀对于ESP应用可以忽略不计。就颗粒数而言，ESP显示的最大收集效率仅为94％-95％，并且这不能通过增加收集表面积或持续时间来改善。

3.通过使用双极预充电器，可以显著提高所有粒径颗粒的等级收集效率，通过优化施加的充电电压可以实现高达98％的等级收集效率。

致谢

本研究得到国家自然科学基金项目（编号20776131），浙江省科技计划项目（2008013050），中国863项目资助项目（2007AA061804）资助。

参考文献

1. P. Biswas, C.Y. Wu, Control of toxic metal emission from combustors using sorbents: a review. Journal of the Air and Waste Management Associatio

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