李人杰
武汉锅炉股份有限公司 湖北 武汉 430205
摘要：随着新的火电厂污染排放标准的颁布，电凝并除尘器将发挥愈来愈重要的作用。从凝并区外电场性质和预荷电方式等因素来分类，电凝并研究主要包括4种情况: 无外电场作用下异极性荷电粉尘的凝并，异极性荷电粉尘在恒定电场中的凝并，同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并以及异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并。其中，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并效果最好。从经济成本上考虑，电凝并除尘器可采用三区式布置。
关键词：静电除尘器；荷电粉尘；电凝并；外加电场
火力发电生产过程中，煤粉炉产生的粉尘颗粒尺寸范围很广，从亚微米的分子簇到易于沉降的毫米级粒子都有分布。其中微米级和亚微米级的细微颗粒，亦即可吸入颗粒物，由于极易富集有毒有害物质、长时间飘浮在空气中，很容易被人吸入肺部，危害人体健康和生态环境。因此，细微颗粒物的净化也成为了当今世界范围内的一个热点问题。
实践表明，静电除尘器有很高的收尘效率，但对细微烟尘粒子，由于粒径太小，荷电量不足，传统静电除尘器对其捕集效率并不高。由于粉尘粒子的荷电量大小与粉尘粒径、场强等因素有关，如能利用细微烟尘的凝并特性将其聚结成较大的粉尘团，便可间接有效地收集亚微米粉尘。
凝并是指微粒在外力作用下相互碰撞或粘附而聚结成较大颗粒的过程。理论上颗粒凝并的方式有多种，如热凝并、流体力学凝并、电凝并等等。从凝并能耗比、凝并过程复杂及难易程度、有无二次污染等方面综合考虑，电凝并是最为可行的凝并方式。本文将对近些年国内外电凝并除尘技术的应用与发展简要作一下归纳与讨论。
1电凝并的种类
电凝并是指两带电颗粒间发生的凝并。Eliasson等人的实验结果标明[1]：在对称偶极荷电情况下，亚微米颗粒的电凝并速率比中性颗粒的热凝并速率高至倍。不过，这些研究只限于无外电场作用下颗粒的电凝并过程。若想进一步提高凝并速率，引入外电场是十分必要的。
从是否引入外电场及电场类别和预荷电方式等因素来考虑，电凝并研究主要包括4种情况：无外电场作用下异极性荷电粉尘的凝并，异极性荷电粉尘在恒定电场中的凝并，同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并以及异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并。
1.1 无外电场作用下异极性荷电粉尘的凝并
对于带异种电荷的两粒子，在库仑引力的作用下相互靠拢，粒子间相互碰撞的几率急剧增加，凝并速率得以提高，但随着电荷的中和，凝并过程将减缓至单纯的布朗凝并情况。Watanabe等人对此做过相关模拟研究[2]，他们同时采用对称双极荷电和非对称双极荷电，并作了对比，凝并除尘装置如图1所示，所得结论是：对于亚微米级颗粒，非对称双极荷电产生的凝并效果明显要好，但由于在凝并事件之后，大多数新生成的颗粒带有同种电荷，不利于凝并过程继续下去。
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1.2 异极性荷电粉尘在恒定电场中的凝并
恒定电场的引入将对颗粒间的凝并产生影响。首先，颗粒荷电后会受到电场力作用，大颗粒的漂移速度一般大于小颗粒，这将促进颗粒间的流体力学凝并；其次，在电场作用下，导电颗粒会发生偶极化现象[3]，许多极化的颗粒将形成“珍珠链”。在锅炉烟气中，碳颗粒有望形成“珍珠链”，从而使颗粒增大，尤其是在高强度电场作用下。因此，外加的恒定电场有利于荷电粉尘的凝并增粗。
1.3同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并
同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘装置如图2所示。粉尘在预荷电区荷以同极性电荷后，继而在交变电场力作用下产生往复振动，粒子间相互碰撞而凝聚，最后在收尘区中被捕集。按理，同极性荷电粉尘相互排斥不利于凝并，但Watanabe等人认为[4]:由于亚微米粉尘的布朗运动，加之荷电尘粒在交变电场力作用下的往复振动，增加了粒子间相互碰撞的机会，从而产生凝并作用。他们的实验结果表明：用图2的凝并除尘装置处理0.06～12μm 的飞灰，比常规电除尘器的效率提高了3%(由95%增到98%)。
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1.4异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并
异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并除尘装置如图3所示。由于采用异极性预荷电方式，异极性荷电粉尘在交变电场中的相对运动加快，有利于荷电粉尘的相互吸引、碰撞、凝并，从而提高了凝并速率。Kari等人的对比研究发现[5]，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并作用远大于同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并[6]。
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2电凝并除尘器的分区布置
传统的电凝并除尘装置大多为三区式电极布置形式，其缺点是:粉尘为一次荷电方式，随荷电粉尘凝并中和，粉尘所带电量减少，电凝并速率将减缓。向晓东、陈旺生等人提出一种双区电极布置形式，如图4所示。和三区式(图1~3) 相比，其创新和优越性是：在凝并区内同时实现粉尘的荷电与凝并，使得粉尘反复荷电和凝并，荷电粉尘凝并后表面积增大，再次荷电的电量可增加，凝并效果好；正负电晕交替进行，提高了粉尘群正负荷电量的对称性；无预荷电区，缩短了电极总长度。向晓东、陈旺生等人对双区式和三区式电凝并除尘进行了对比实验研究[7]。
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双区电凝并除尘实验装置如图5所示。
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1-发尘器；2-粉尘采样头；3-灰斗；4-交变电场荷电与凝并区；5-收尘区；
6-芒刺电晕极；7-交流高压电源；8-直流高压电源；9-滤膜；10-转子流量计
在双区式电凝并区中，由于芒刺电晕极能产生较强的电晕放电和离子风作用[8]，并具有较好的正负荷电对称性和一定的收尘作用，因此，在电场长度相等时，双区式的除尘效率高于三区式(见图6 )。从实验结果看，在平均场强为4kv/cm时处理中位径为2μm 的粉尘，双区式电凝并除尘效率可达98%。
总的来看，双区式电凝并方法的除尘效率高于三区式。
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3总结
经过近百年的发展，静电除尘器在防治大气烟尘污染方面所起的作用越来越大。随着新的火电厂污染排放标准的颁布，电凝并除尘器将发挥愈来愈重要的作用。
在上述4种电凝并方法中，异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并效果最好，应优先采用。从电凝并除尘器的分区布置角度来讲，双区式电凝并除尘器的除尘效率略高于三区式的。但三区式布置便于对现有单区静电除尘器进行改造----仅需在除尘装置的烟气入口端串联一电凝并箱。从经济成本上考虑，三区式布置更可取。因此，研制凝并效果好、能耗小、成本低的电凝并箱是推广电凝并除尘工艺在工业应用上的关键。
参考文献
[1] Eliasson,B.,Egli,W. and Jodeit, H., J.Aerosol Sci., 18,Dg69, 1987
[2] Y.Koizumi. F.Tochikubo. T.Watanabe and J.Hautanen, Bipolar-charged submicron particle agglomeration, Journal of Electrostatics， 1995; 35 ; 55-60
[3] 唐敏康，电除尘器中亚微粒子凝并机理的研究，工业安全与防尘，1995年第6期
[4] Watanabe T. et al，Submicron Particle Agglomeration by an Electrostatic Agglomerator， J. Electrostatics，1995 ;34 :367 – 383;
[5] Kildes J . et al， An Experimental Investigation for Agglomeration of Aerosols in Alternating Electric Fields，Aerosol Sci . and Techn，1995 ;23 :603 – 610
[6] Kari E. et al，Kinematic Coagulation of Charged Droplets in an Alternating Electric Field， Aerosol Sci . and Techn，1995 ;23 :422 – 430
[7] 向晓东，陈旺生,幸福堂等，烟尘在交变电场中电凝并收集的实验研究，建筑热能通风空调 2000年第01期
[8] 向晓东,芒刺电晕极场强分析与离子风测定,武汉冶金科技大学学报,1999 ;22 :39 –41