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国家重点研发计划成果 西安交通大学谭厚章教授团队:荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验研究

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  荷电水雾除尘主要利用液滴荷电后与细颗粒物之间的静电引力(库仑力)进行捕集,进而削弱细颗粒物自身对惯性的依赖并降低颗粒气流随动性,更有助于脱除细颗粒物。结合传统除尘器,荷电液滴除尘有模块式发展潜力,有利于缩小设备面积并缩减环保经济投入。超声波雾化产生的小粒径雾滴适用于微细颗粒物的团聚过程,在传统除尘器前作为颗粒物团聚设备模块,能高效脱除烟尘中的细颗粒物。但目前对于液滴荷电除尘研究多基于大粒径雾滴和大粒径颗粒,无法针对超声波小粒径液滴及细颗粒物的团聚机理做出研究,因此,对细颗粒物及超细荷电液滴对其团聚的作用机制需要进一步深入研究。

  西安交通大学谭厚章教授团队搭建荷电水雾团聚颗粒物试验平台,采用双层介质阻挡电极进行水雾荷电。基于高斯分布规律建立颗粒物团聚评价指标,评估水雾荷电电极的电场伏安特性,研究了不同雾化流量以及不同加载电压对颗粒物团聚的影响,以期为荷电水雾团聚颗粒物的实验室研究提供参考。

  

  摘要:荷电水雾团聚亚微米颗粒物是多场协同脱除微细颗粒物的一种方式,众多学者针对水雾荷电脱除颗粒物特性进行了大量理论和试验研究,但鲜见对超声波雾化液滴荷电团聚微细颗粒物的相关研究。设计了双层阻挡介质放电电极结构,在有效阻断传统电晕放电隙内放电电弧发展的同时,通过产生均匀稳定的高密度低温等离子体对雾化液滴进行荷电,并搭建荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验平台对电极稳定特性和微细颗粒物的团聚特性进行研究,主要针对电极伏安特性、负载电压对团聚效率的影响以及水雾量对团聚效率的影响3方面进行比较与表征。结果表明,双层阻挡介质结构有利于改善荷电电极间隙的均匀性,雾化液滴的存在有利于促进气隙空间放电。荷电电极的起晕电压与不稳定运行电压随雾化量的增加均表现为减小;当通入水雾流量为102.9 mg/min时,稳定运行的电压区间为17.2~41.1 kV。荷电雾化液滴对微细颗粒物团聚具有明显效果,其中30~70 nm颗粒在45.0 kV 作用下最高达到40%团聚效率。粒径分布曲线随雾化量的增加整体向粒径增大方向移动,也表明雾化量的增加有利于荷电雾化液滴对微细颗粒物的脱除;相同电压下,颗粒团聚效果随水雾量的增加明显提升

  试 验

  

  图1 荷电水雾团聚颗粒物试验系统示意

  

  图2 双介质阻挡荷电系统示意

  2

  颗粒物团聚评价指标

  荷电水雾的喷入促使颗粒物团聚长大,表现为颗粒物浓度、粒径分布、均值粒径等变化。为衡量颗粒物团聚效果,定义颗粒物团聚评判指标如下:颗粒物团聚前后浓度变化,分级团聚效率,双σ粒径区间粒径分布特征,均值粒径增长率。

  

  图3 双σ粒径区间及团聚效率

  3

  结果分析与讨论

  3.1 不同水雾流量下电场伏安特性

  双层介质阻挡结构的放电特性符合均匀电场伏安特征:起始段区域,随着电压升高,气隙中开始产生基本放电离子,带电质点速度逐渐升高,气隙间放电量近乎呈线性比例增加;饱和段区域,电流出现急剧跃升,此阶段间隙内产生大量带电质点并全部参与导电,放电产生大量电子雪崩,并逐渐进入流注阶段;自持放电段区域,电压升高至临界值后,放电气隙出现大量微型脉冲,放电量再次出现跃升,反应器产生强烈噪音及发光现象,此时气隙内产生大量流注放电,并处于良好导电状态。放电气隙中通入水雾后更利于产生放电,且放电强度随着水雾量的增加而增强,相同电压下,水雾量越高,产生电流越大,回路产生放电量也越多。

  

  图4 电流脉冲积分

  

  图5 不同水雾量时单位周期脉冲电荷量对比

  3.2 加载电压对颗粒物团聚规律的影响

  初始亚微米颗粒分布存在2处峰值,分别为12~15 nm的极小模态颗粒和40~50 nm的中间模态,整体呈类高斯分布;试验空白对照组为单纯流道空气动力流动,可以看出,流道自身存在的流动不均匀性及荷电电极的扰流对颗粒物分布影响较小,颗粒总数量略有下降,但粒径分布不变;单纯喷入水雾及喷入荷电水雾后颗粒粒径变化明显,单纯喷入水雾后,颗粒呈现一定的团聚效果,表现为中间模态颗粒减少,100 nm以上颗粒略有增多,而喷入荷电水雾后颗粒粒径向右偏移量明显增大,平均粒径增幅明显,且粒径增大量幅度与加载电压量呈正相关关系,表明水雾荷电后对亚微米颗粒物的团聚长大有重要促进作用

  

  图6 100 mg/min水雾量时颗粒粒径分布

  粒径30~70 nm的颗粒通过荷电水雾团聚作用后数量减少,即团聚长大为粒径更大的颗粒,表现为团聚效率大于0,这里定义为小颗粒的效率,而粒径70~180 nm的颗粒经团聚作用后数量增多,表现为团聚效率小于0,定义为大颗粒的相对变化率。随着加载电压的升高,颗粒物团聚效率逐渐增强。从小颗粒的峰值团聚效率来看,0~45.0 kV五组工况下颗粒团聚效率分别在5%、10%、25%、35%和40%左右,表明荷电水雾促进颗粒团聚效果中,静电捕集占主导作用

  

  图7 100 mg/min水雾量时颗粒团聚效率

  对不同粒径颗粒团聚效率分别做加权平均得到均值效率,其中,灰色区域代表未起晕阶段。可知单独喷入水雾时小颗粒的团聚效率在4.3%,大颗粒的相对变化率在-8.0%,而随荷电电压升高,4种不同电压下小颗粒的团聚效率依次升高至9.3%、15.8%、22.3%和24.3%,大颗粒的相对变化率分别升高至-12.8%、-22.9%、-25.8%和-29.0%。值得注意的是,在荷电水雾的作用下,小颗粒的团聚与大颗粒的破碎是一个动态相互转化的过程,在68%的主要作用区间表现为团聚作用主导,而在极小粒径和极大粒径范围会保持动态平衡,表现出颗粒分布无明显差异,但0.1~1 μm总颗粒数经团聚后浓度减少6%~13%

  

  图8 100 mg/min水雾量颗粒均值团聚效率

  加载电压32.8 kV时,开始出现明显放电脉冲,随电压进一步升高,脉冲电流随之增强。双层介质阻挡电极无极性效应,脉冲电流近似对称地分布于电压的正负半周期上升沿内,表现为多组微放细丝脉冲形式,当电压加载至自持放电电压后,半周期放电持续时间约25 μs,符合管-管阻挡介质结构的放电规律。研究表明,含有电晕线电极结构的放电模式与双层阻挡介质结构放电有很大区别,线-管介质阻挡电晕电极中的线电极曲率较大,起晕时极易产生强电场而发生预电离作用,尤其在大放电间隙的不均匀结构下,预电离机制能为空间放电细丝的发展提供二次电子,是电场起晕的关键,但极易表现出极性效应;而在同等条件双介质阻挡电极则起晕更困难,对于较均匀的电场,当电极附近电离系数达到一定数值时,会形成初始电子崩,并迅速发展成放电流注,由于阻挡介质分别阻断高压端与低压端,加载电压后空间电荷迅速在介质表面集聚,介质内部形成削弱外加电场的附加电场,当气隙中电场强度低于击穿电压时,放电中断。

  

  图9 不同加载电压下的电压电流波形

  3.3 水雾量对颗粒物团聚规律的影响

  水雾未荷电时,颗粒基础团聚效率较低,水雾量由34.1 mg/min增至102.9 mg/min 时,小颗粒的团聚效率从1.5%增至4.3%,大颗粒的相对变化率从-4.9%增至-8.0%。加上荷电电压后,团聚效率明显增大,且水雾量越大,效率越高,因此同等电压下,增大喷雾量可促进颗粒团聚效率的大幅提高。同一水雾量下,当加载电压高于起晕电压后,团聚效率逐渐增大,到达放电自持电压后,团聚效率进入平稳段,不再大幅提升,这主要是由于通过反应器的水雾量存在极限荷电量,当电压足够高时,反应器内能量离子密度极高,水雾量所携带电荷量达到饱和状态,继续升高电压并不能有效增大其荷载量,作用于气溶胶颗粒后使团聚效率存在某一极限。事实上,根据前述结论可以推测电压饱和现象的存在,但由于试验条件及高压限制,后续高电压(>50 kV)工况并未进行试验。另外,通过相同电压下的正负效率对比发现,大颗粒的相对变化率均高于小颗粒的团聚效率,这主要是由于去除两端极限粒径的34%颗粒后,研究粒径31.1~174.7 nm段包含大部分颗粒长大后的粒径段,而部分团聚减少的小颗粒并未包含其中,使得取均值后大颗粒的相对变化率稍高于小颗粒的团聚效率,另外,大颗粒破碎后形成的颗粒也多在小粒径段,削弱了颗粒团聚破碎动态平衡,这也导致了小颗粒的团聚效率略低。

  

  图10 不同水雾量下68%小颗粒的团聚效率

  

  图11 不同水雾量下68%大颗粒的相对变化率

  为研究颗粒的整体团聚效果,均值对象为所检测的全粒径范围15.1~820.5 nm,入口测点A颗粒初始均值粒径约100 nm,经过荷电水雾作用后,亚微米颗粒总数经团聚后减少,但整体亚微米均值粒径有所增大,表现在浓度分布上为峰值明显右移,且粒径增量与喷雾水雾量呈正相关关系,水雾量越大,峰值右移越明显。单独喷入水雾后,颗粒粒径变化并不明显,增长率在1.6%~2.2%,经高压荷电后,颗粒均值粒径有效增大,且水雾量越大,增长越明显

  

  图12 不同水雾量下颗粒均值粒径增长率

  4结 论

  1)双层介质阻挡结构会大大改善放电气隙的均匀性,水雾会促进气隙空间放电。对于接近均匀场的放电电极,起晕电压与不稳定运行电压相差不大,且放电脉冲电流随电压的增强变化较为平缓,常态空气时,起晕电压与不稳定运行电压分别为30和49.6 kV,通入水雾流量102.9 mg/min时,起晕电压与不稳定运行电压分别降为17.2和41.1 kV。另外,放电强度会随着水雾量的增加而增强,相同电压下,水雾量越多,电流越大

  2)荷电电压是影响颗粒团聚效率的主要因素之一。喷入纯水雾时,主要粒径段颗粒均值团聚效率在5%以下,加入电压后,主要粒径段均值团聚效率大幅提高,在2.5 m/s、100 mg/min、45 kV电压下,均值团聚效率为25%左右。对于多分散的亚微米颗粒物,荷电的超声波水雾作用后,30 nm左右极小粒径减少,100 nm以上的大颗粒增多,直观反映了亚微米颗粒团聚效果

  3)水雾量是电荷迁移并促进颗粒团聚的关键因素。相同电压下,水雾量的增加会大大增强颗粒团聚效果,另外,对于全粒径颗粒而言,荷电水雾其均值粒径整体右移,即粒径增大,说明荷电水雾对颗粒团聚长大有促进作用

  引用格式

  刘鹤欣,杨富鑫,李正鸿,等.荷电水雾团聚亚微米颗粒物试验研究[J].洁净煤技术,2020,26(5):119-126.

  LIU Hexin,YANG Fuxin,LI Zhenghong,et al.Experimental investigation on submicron particle agglomeration through atomized charged droplets[J].Clean Coal Technology,2020,26(5):119-126.

  

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