1. 电离占空比甚低目前电除尘器中的计算直流高电压电晕放电电离占空比(电晕电离放电通道总体积/电除尘电场总体积)约为1. 8 ×10- 5[ 25 ] ;最近,采用强电场电离放电方法能把电离占空比提高到2 ×10- 2 ,如图1所示。可见电除尘器的电离占空比存在着成数量级提高的研究余地。也预示存在大幅度减少电除尘器体积、重量及能耗的研究空间。现在的电晕放电的流光通道中电子浓度约为1. 3 ×1014 / cm3 ,微放电的流光通道中电子浓度约为1. 8 ×1014 / cm3[ 26 ] ,它们之间的差异不大;但是它们的电离占空比的差异却高达3个数量级左右。可见,电除尘器电场中的离子浓度大小将主要取决于电离占空比的大小。
目前电除尘器中的计算直流高电压电晕放电电离占空比(电晕电离放电通道总体积/电除尘电场总体积)约为1. 8 ×10- 5[ 25 ] ;最近,采用强电场电离放电方法能把电离占空比提高到2 ×10- 2 ,如图1所示。可见电除尘器的电离占空比存在着成数量级提高的
研究余地。也预示存在大幅度减少电除尘器体积、重量及能耗的研究空间。现在的电晕放电的流光通道中电子浓度约为1. 3 ×1014 / cm3 ,微放电的流光通道中电子浓度约为1. 8 ×1014 / cm3[ 26 ] ,它们之间的差异不大;但是它们的电离占空比的差异却高达3个数量级左右。可见,电除尘器电场中的离子浓度大小将主要取决于电离占空比的大小。
图1 大气压气体电离放电主要参数的对比
2. 输运项过低
描述控制电离放电通道物理过程的电离连续性
方程是[ 27 ]
式中c、L (N )分别为产生率(项) 、损失率(项) ,它们
分别表示单位时间单位体积中由电离产生的离子2电
分别表示单位时间单位体积中由电离产生的离子2电
图2 大气压气体放电的电离强度照片
子对量和因复合而湮灭的量, 单位均是/cm3 · s; ?
·(NV )为输运项,是通量(NV )的散度。表示单位时间单位体积内由输运过程引起带电粒子浓度变化的迁移率。在平衡情况下
由于电晕放电存在一个临界击穿电场强度值,所以现在电晕电离放电的注入功率密度也就相应存在一极限值,因而产生率也相应存在一个极限值。当注入电离电场中能量密度为3. 3mJ / cm3 时,电离区域流光放电通道中的电子浓度可达到1. 3 ×1014 /
cm3。如果不考虑电离区域内的电子与离子、离子与离子复合反应,计算电除尘器电场的电离占空比约为1. 8 ×10—5左右,此时除尘电场中离子浓度应为2. 3 ×109 / cm3 左右。实际上,由于电场力作用,电子、离子被束缚在电离放电通道中进行复合反应,其
损失率在2个数量级以上,所以目前电除尘器电场中平均离子浓度仅为106 / cm3 左右。从带电粒子的运动规律可知,离子在输运过程中,需要克服电离电场对带电粒子的束缚力,方能解决除尘电场离子浓度低下的问题。从目前的实验研究结果(图3)可以看出[ 28 ] ,可以通过提高带电粒子动量的方法加以解决。现在电除尘器的离子动量在5 ×10- 23 g·m / s左右,其输运项约在107 / cm3 左右。当离子动量增加到100 ×10- 23 g·m / s时,离子输运项达到1010 / cm3 左右。从图3还可看出,当离子动量每增加1 个数量级时,则相应的离子浓度及其输运项将增加2个数量级左右。这表明,可以通过提高带电粒子动量方法来解决电收尘器离子输运项低下的问题,同样也预示着这能使目前的电除尘器的体积、能耗、投资及运行费用等大幅度降低。总之,解决了电离占空比
和运输项过低的技术难题,将会使目前的电除尘机理、除尘器结构等发生根本性的变化。
四、烟尘的电晕荷电物理模型
1. 电晕放电的物理过程
通常电除尘器运行在负电晕放电过程。当外加稳定电场作用到非均匀放电间隙上时,由于空间电
图3 离子输运项与其动量关系的曲线
荷的积累,会出现新的电场分布和电晕模式。逐渐增加线(点)平面型式的放电电场强度达到一定时,将在电晕点上出现一个电晕电流相对稳定的辉光放电。辉光放电的起始电压存在一个较宽的调控范围,通常电除尘器就工作在辉光放电区域内。
最大电场将出现在放电电极电晕点附近,当雪崩头部空间电荷形成的本征电场Er 与外加电场E0的大小在同一数量级时,或者雪崩产生的电子数达到临界值时,就会在电晕点上发生辉光放电(负电晕) ,并在负电晕雪崩头部形成了正电荷积累。假如正离子包含在位于轴上的球体内,其本征电场强度为[ 29 ]
式中y是轴上某点离球中心点的径向距离; N +为正离子数目; e为离子荷电量。本征电场加强了正电荷和放电极之间的电场强度, 并减弱了指向接地极的电场强度。在电晕放电空间任意一点的总电场强度为E = E0 + Er。当外加激励电场强度增大时,将会强
化了电离放电过程。本征电场强度甚至可达100—400kV / cm,比电除尘器中的外加激励电晕电场强度( ～5kV / cm)高出20倍以上。
由于汤生第一电离系数α是折合电场强度E / n( E为电离电场强度, n为气体浓度,单位Td, 1Td =10- 17V·cm2 )的函数。本征电场强度将大大地强化电离放电的强度,一个雪崩产生的电子总数、或者正离子总数将按指数规律增加。电子从电场E获得的能量是eEx, 其大于或等于电离能eVi 的几率为exp ( - Vi /Eλe ) ,由此得到表示一个电子在一个电子平均自由程λe 上电离气体粒子的几率的α为
式中μ为气体动力黏度。
从公式(6)可知,在烟气的物理条件一定的情况下,荷电尘粒的驱进速度ω与尘粒的荷电量q、除尘区域的电场强度E0 成正比,与尘粒的斯托克斯粒径ds 成反比。
从公式(5)可知,驱进速度是提高除尘效率的关键参数,也是提高除尘效率唯一可行的方法。烟尘驱进速度增加多少倍时,则相应的集尘面积减少到多少分之一,或者烟气处理量增加多少倍。从公式(6)可知,烟尘的驱进速度取决于它们的荷电量,所以说,增加烟尘的荷电量方法将成为今后电除尘技术急待研究解决的科学问题。
3. 烟尘荷电机制
尘粒荷电是通过与烟气中带电粒子碰撞实现的。尘粒碰撞荷电主要有两种机制:一种是气体中带电粒子在电场力作用下与尘粒有规则碰撞荷电,称为电场荷电;另一种是带电粒子随气体无规则运动与尘粒碰撞荷电,称为扩散荷电。在电除尘过程中,此两种机制同时存在。烟尘粒径是非均匀的,通常电除尘器前部电场中的烟尘(大于1μm)以电场荷电为主;其后部电场中的尘粒( 0. 4μm左右)以扩散
荷电为主;在电除尘器中部电场中同时存在两种荷电机制。烟尘荷电量是[ 30 ]
式中qd 为尘粒的电场荷电量; qk 为尘粒的扩散荷电
量;ε0 为真空介电常数;ε为尘粒的相对介电常数; d为尘粒直径; N 为带电粒子个数; k为玻尔兹曼常数;t为尘粒进入电场时间; T为气体热力学温度;离子的算术平均速度…u = (8kT /mπ) 0. 5。从公式(7)可知,烟尘的荷电量受N、d制约,由于电凝聚作用, d也将受气体的离子浓度制约。随着荷电量增加,则粒径也在凝聚过程中增粗,可见,除尘电场的带电粒子浓度是影响烟尘荷电量的主要因素。
4. 荷电粒子电凝聚的数学模型
从除尘效率方程和尘粒驱进速度公式可知,烟尘的荷电量、粒径大小决定了以除尘效率表征为主的电除尘性能。如能采用电凝聚方法将尘粒凝聚成大粒径的颗粒,并将负荷更多的电量。它不但能提高电除尘器的除尘效率;同时又利于捕集微细烟尘,可解决电除尘器后级电场的微细烟尘除尘效率低下的问题。近期研究表明亚微米粒子的电凝聚结速率比中性粒子的热凝聚速率可提高102 至104[ 31 ] ,对于1μm的尘粒的电凝聚系数K可达到10- 13 —10- 14m3 /s[ 32 ] ,这一研究结果引起从事烟尘净化科学界的广泛
关注,也为研究解决电除尘器现存问题提供了一个有效的可供选择的解决方法。
确定凝聚速率近似解的关键是求电凝聚系数。可通过离子在库仑力作用下的扩散方程求出[ 33 ]。
式中d0 为凝聚前尘粒中位径; n0 为初始尘粒计算浓度。从(8)式可见,烟尘的荷电量是电凝聚系数的主要参量,而电凝聚速率、凝聚后尘粒粒径均是电凝聚系数的函数。如果采用强电离放电、高气压非平衡等离子体物理等新成果,可大幅度增加等离子
体浓度、尘粒荷电量,进而可提高烟尘的电凝聚速率、尘粒粒径,反过来又促使已增粗的尘粒荷电量大幅度地增加。可见,在除尘过程中电凝聚对除尘性能起着叠加倍增效果。
综上所述,电除尘器性能将取决于除尘电场中的带电粒子浓度。由于电除尘器存在一个临界击穿电场强度和一个定量的电离占空比,这制约了电晕点中电离区域内带电粒子的产生率或浓度。近期的研究进展表明,存在大幅度提高电离区域内的输运项、电离占空比的研究空间;同时也存在成数量级提高除尘电场中的离子浓度,及大幅度提高烟尘的荷电量、驱进速度的潜力。
