电极组合配置在电除尘器提效改造中的应用.pdf

摘要：电极配置是电除尘器的重要组成部分，通过实验讨论了工业中常用的6种阴极线与C480阳极板配置时的极板表面电流密度大小和分布，分析了不同电极配置形式对电场特性的影响。为改善RS线和BS线结构存在的支撑圆管“电流盲区”现象及BS线内侧芒刺对外侧芒刺电晕的抑制，提出了阴极线结构优化方案；结合三电场中试实验，给出了电除尘器前、后级电场电极配置组合应用的布置形式。电极配置组合方式优化后，电除尘器出口粉尘浓度可降低77.68%。关键词：电除尘器；电极配置；板电流密度；结构优化中图分类号：X701.2 文献标识码:B 文章编号：1001-6171（2023）04-0064-08DOI：10.19698/ki.1001-6171.20234064通讯地址：西安龙净环保科技有限公司，陕西 西安 710075；收稿日期：2022-10-28；编辑：孙 娟电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器电极组合配置在电除尘器提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用提效改造中的应用艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞艾璞，李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌李昌斌，高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐高重乐，华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋华耀锋，余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波余创波Application of Electrode Combination Configuration in Efficiency Improvement ofElectrostatic PrecipitatorsAI Pu,LI Changbin,GAO Chongle,HUA Yaofeng,YU Chuangbo(Xian LongKing Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710075,China)Abstract:Electrode configuration is an important component of electrostatic precipitators.Throughexperiments,the surface current density and distribution of six commonly used cathode wires andC480 anode plate configurations in industry were discussed,and the influence of different electrodeconfigurations on electric field characteristics was analyzed.In order to improve the phenomenon ofcurrent blind spot in the supporting circular tube of RS and BS wire structures and suppress thecorona caused by the inner and outer spikes of BS wire,an optimization plan for the cathode wirestructure was proposed.Based on the pilot experiment of three electric fields,a layout form for thecombination application of electrode configuration in the front and rear electric fields of theelectrostatic precipitator was given.The results showed that after optimizing the electrode configurationcombination method,the dust concentration at the outlet of the electrostatic precipitator can bereduced by 77.68%.Key words:electrostatic precipitator;electrode configuration;board current density;structural optimization节能减排CEMENT TECHNOLOGY 2023/4641前言电除尘器的工作原理是利用高电压使电场空间气体发生电离，气体电离产生的离子与随气流经过电场的粉尘碰撞使粉尘附带电荷，带电粉尘在电场力作用下趋近收尘极板，实现气固分离。许多工程项目电除尘器前级电场粉尘浓度高、粒径大，易闪络，粉尘空间电荷多，对电晕电流的抑制作用大，运行电压较高但电流小；后级电场粉尘浓度低、粒径小，不易闪络，粉尘空间电荷少，对电晕电流的抑制作用小，运行电压较低但电流大，通常无法实现对微细粉尘粒子的除尘要求，影响电除尘器除尘效率。本文通过电流密度实验，测试了6种工业常用阴极线线型与型号为C480的阳极板（简称“C480板”）匹配时的板平均电流密度J、板电流密度分布标准差两个指标，分析了不同的电极配置结构电场特性，结合中试实验，针对电除尘器前级、后级电场现有电极配置影响除尘效率的问题，根据粉尘颗粒场分布，调整电除尘器电场电极配置（阴阳极类型、极间距、极线距），优化前级、后级电场电极配置，使电除尘器前级电场在“高电压、大电流”模式下运行，增大前级电场电晕功率，提高前级电场平均电场强度及粉尘荷电量；后级电场在“高电压、低电流”模式下运行，更高的峰值电压使微细粒子粉尘充分荷电，低电流节能降耗，实现烟气达标排放。2实验内容2.1实验装置极配（电极配置）实验系统由极配试验装置、高压供电装置和测试装置三部分组成，如图1所示，主要测试仪表及设备如表1所示。极配试验装置为三通道极配结构，电场有 效 高 度 3 375mm，有 效 长 度 2 980mm，有 效宽度 1 200mm，同极距 400mm，阴极线单根线长3 000mm。阴极线线型选用RS线（线型1）、BS线（线型2）、针刺23线（线型3）、针刺33线（线型4）、板刺线（线型5）及异形锯齿线（线型6）6种工程常用线型，见图2。阳极板选用C480板，见图3。2.2实验方法采用铜片制作微电流采集探测板，将其分割成119块22mm47mm、相互绝缘的测试单元，在阳极板上，高300mm、宽480mm范围内，排列成7行表1主要测试仪表及设备序号1234567设备/仪器高压电源控制柜配电柜电流模块阳极板阴极线皮安级电流数据采集器型号LF-0.2A/150kVC480RS线、BS线、针刺线、新型极线DMM7510，10nA级厂家大连贵友大连贵友大连贵友西安龙净西安龙净西安龙净KEITHLEY图1极配（电极配置）实验系统测试装置高压供电装置极配试验装置板电流探测单元节能减排2023年第4期6517列，如图4所示。在测量板电流密度时，采用4个并行工作的电流采集模块，每个模块经导线与电流探测板相连，正输出端接地。电流采集模块将极板微电流输送至皮安级电流数据采集器，电流测量精度为10-12A，测量精度为（50ppm读数+18ppm量程）。计算机通过现场总线与皮安级电流数据采集器和高压电源进行通讯，记录电流数据并远程控制高压电源。采用平均电流密度J和电流密度分布标准差两个指标，讨论不同电极配置时的板表面电流密度分布特性，通过判断板电流密度分布的均匀性，公式如下：J=1ni=1nji（1）a RS线（线型1，支撑结构为圆管）b BS线（线型2，支撑结构为圆管）50mm100mm50mm100mmc 针刺23线（线型3，支撑结构为圆钢）d 针刺33线（线型4，支撑结构为圆钢）50mm100mm23mm50mm100mm33mme 板刺线（线型5，支撑结构为扁钢）f 异形锯齿线（线型6，支撑结构为扁钢）50mm100mm25mm50mm5mm10mm图26种工程常用阴极线线型图3C480阳极板480mm50mm节能减排CEMENT TECHNOLOGY 2023/466=1ni=1n(ji-J)2-J2（2）式中：n测点数量，个ji第i点电流密度，mA/m2实验时，在极配试验装置上装设待测电极，调整至预定参数，启动高压电源送入负高压，随后逐步升高电压，使用皮安级电流测量仪依次对每个测试单元上的电流信号进行测试。每个测试单元为一个测点，每个测点设定5s测试时间，测试范围内119个测试单元铜片依次输出电晕电流，直至计算机完成数据采集。试验采用多次测试取平均值的方法，对每组电极配置进行610组循环测试。3实验结果及分析输入二次电压分别为45kV、55kV和65kV，板表面电流密度实验结果如表2所示，16号线型阴极线分别与C480阳极板匹配时的板电流密度分布云图如图5图10所示。电流密度分布云图为将试验所测119组数据采用Origin图形可视化软件和数据分析软件所制作的等高线图，色谱表示板电流密度大小及分布。X、Y轴分别表示极板宽度和高度方向，X=0对应极板中心线。由图5、图6及表2可知，RS线、BS线与C480板匹配、二次电压分别为45kV、55kV和65kV时，两者对应呈现出的电流密度分布云图有极大的相似性，芒刺尖端正对极板处电流密度大，阴极线正对极板中间区域存在不同程度的电流盲区，且随着二次电压的增大，电流盲区宽度减小。这是因为RS线和BS线的支撑结构为圆管（见图2a、2b），圆管曲率半径大；输入二次电压时，芒刺尖端势能最大，电离周围空气产生电晕电子；电晕电子定向移动，产生电晕电流；而支撑结构圆管势能较弱，电离程度弱，即正对极板处表现为电流为零的“死区”。二次电压升高，支撑结构圆管电离程度增强，正对极板处电晕盲区得到部分电子，电流盲区宽度减小。BS线较RS线在电场空间放电点数量成倍增加，但板电流密度没有成倍增大，这是由于RS线内侧的芒刺尖端与外侧的芒刺尖端电晕放电时产生的同性电子之间相互作用，存在电子干扰，表现出板电流密度没有成倍增大。二次电压为45kV、55kV和65kV时，RS线、BS线分别与C480板组成电场电极配置结构，板电流密度分布标准差均0.45，板电流密度分布不均匀，极板有效利用率低，且受线形结构影响，极板不能充分放电，进而在实际工程应用中极易出现反电晕现象。由图7、图8及表2可知，针刺23线、针刺33线与 C480 板匹配、二次电压分别为 45kV、55kV 和65kV时，极板中间区域依然存在电流盲区，但电流盲区宽度较窄。相较于针刺23线，针刺33线针刺长度增加（见图2c、2d），相同电压条件下，极板平均电流密度增大，电流盲区范围增大。这是由于针刺33线相对于针刺23线，放电尖端位置外移，二次电压一定时，放电尖端电晕强度相同，支撑结构圆钢对针刺33线的抑制作用相对较小，极板两侧可以图4微电流采集探测板节能减排2023年第4期67图6线型2-BS线与C480板匹配时的板电流密度分布a 二次电压=45kVb 二次电压=55kVc 二次电压=65kV300250200150100500-200-150-100-500501001502000.502 00.439 70.377 50.315 30.253 00.190 00.128 50.066 30.004 0300250200150100500-200-150-100-500501001502000.768 00.671 30.574 50.477 80.381 00.284 30.187 50.090 80.006 0300250200150100500-200-150-100-500501001502001.150 01.007 00.869 80.720 60.577 50.434 40.291 30.148 10.005 0X，mmX，mmX，mmY，mmY，mmY，mm板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2图5线型1-RS线与C480板匹配时的板电流密度分布a 二次电压=45kVb 二次电压=55kVc 二次电压=65kV300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.392 00.343 00.294 00.245 00.196 00.147 00.098 00.049 00.000 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.602 00.526 70.451 50.376 20.301 00.225 80.150 50.075 30.000 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.945 00.826 90.708 70.590 60.472 50.354 40.236 30.118 10.000 0X，mm板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2图7线型3-针刺23线与C480板匹配时的板电流密度分布a 二次电压=45kVb 二次电压=55kVc 二次电压=65kV300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.383 00.335 70.288 50.241 30.194 00.146 70.099 50.052 30.005 0300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.602 00.527 50.453 00.378 50.304 00.229 50.155 00.080 50.006 0X，mmX，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.892 00.782 80.673 50.564 30.455 00.345 80.236 50.127 30.018 0X，mm板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2表2板表面电流密度实验结果线型RS线BS线针刺23线针刺33线板刺线异形锯齿线平均板表面电流密度，mA/m245kV0.1930.2630.2260.2290.26255kV0.3390.4230.3660.3680.4410.37665kV0.5370.6460.5430.5470.561电流密度分布标准差45kV0.5640.5210.3550.3950.34855kV0.5170.4860.3400.3690.2980.37365kV0.4810.4560.3320.3480.345节能减排CEMENT TECHNOLOGY 2023/468得到更多电晕电荷，正对极板中间部分电荷减弱，电流盲区范围增大，极板两侧电流增大，优于因放电点外移所引起的极板中间部分电流减弱程度，即表现出平均电晕电流增大，电流盲区范围增加，使板电流密度分布标准差增大。RS线和BS线因支撑结构圆管曲率半径较大，正对极板处有一定范围的电流盲区，现将BS线圆管支撑改为扁钢支撑，侧部芒刺结构分布不变，扁钢两侧增加针刺线，正对极板，形成板刺线，结构如图2e所示。由图9、表2可知，板刺线与C480板匹配、各电压条件下，支撑结构扁钢正对极板处电流盲区得到了极大改善，且增设针刺线部分对应极板区域出现电流密度峰值，极板平均电流密度与BS线平均电图9线型5-板刺线与C480板匹配时的板电流密度分布图10线型6-异形锯齿线与C480板匹配时的板电流密度分布a 二次电压=45kVb 二次电压=55kVa 二次电压=55kVb 二次电压=65kV图8线型4-针刺33线与C480板匹配时的板电流密度分布a 二次电压=45kVb 二次电压=55kVc 二次电压=65kV300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.369 00.322 90.276 80.230 60.184 50.138 40.092 30.046 10.000 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.582 00.509 20.436 50.363 70.291 00.218 30.145 50.072 80.000 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.860 00.752 50.645 00.537 50.430 00.322 50.215 00.107 50.000 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.476 00.417 50.359 00.300 50.242 00.183 50.125 00.066 50.008 0X，mm300250200150100500Y，mm-200-150-100-500501001502000.728 00.644 00.560 00.476 00.392 00.308 00.224 00.140 00.056 0X，mm300250200150100500Y，mm0.704 00.633 30.562 50.491 80.421 00.350 30.279 50.208 80.138 0-200-150-100-50050100150200X，mm300250200150100500Y，mm1.006 00.903 30.800 50.697 80.595 00.492 30.389 50.286 80.184 0-200-150-100-50050100150200X，mm节能减排2023年第4期板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m2板电流密度，mA/m269流密度数值相近，但二次电压在45kV时，板电流密度分布标准差减小了19.77%，二次电压在55kV时，更是减小了38.68%，电流密度分布均匀性提高。这是因为扁钢上设置了针刺线，即正对电晕屏蔽区增设了放电点，电压升高，针刺电晕放电产生定向移动电子，定向移动电子产生微电流，电流盲区得到微电流，极板上不再存在电流盲区，板电流密度分布标准差大幅减小，极板有效利用率提升。由图 10、表 2 可知，异形锯齿线与 C480 板匹配、各二次电压条件下，极板上均无电流盲区，板电流密度0.1mA/m2，且电流密度分布均匀度高。电压65kV时，电流密度分布标准差为0.345。这是因为，锯齿线支撑结构扁钢宽度小，产生电晕屏蔽范围小，两侧锯齿长度不等（见图2f），曲率半径不同，相邻放电点、相同电场强度下，电晕电子干扰程度小，且一定程度上相互弥补了各自电晕电子所不能覆盖的区域。电压一定时，长锯齿放电强烈，正对极板处电流密度峰值大，电晕电离产生大量自由电子，部分电子定向移动至极板中部，电晕屏蔽区得到电子补偿，产生微电流。由以上数据分析可明显发现，RS线和BS线、针刺23线和针刺33线因支撑结构为圆管和圆钢，支撑结构曲率半径大于芒刺尖端和针刺尖端，输入二次电压，正对极板处均存在不同程度的电流盲区。相同电压条件下，RS线和BS线支撑结构圆管势能弱，电离程度低，导致电晕电流小，板电流密度分布均匀性差，极板有效利用率低。各二次电压条件下，RS线和BS线电流密度分布标准差均0.4。针刺23线、板刺线、异形锯齿线与C480板组成的电极配置，可有效改善支撑结构在极板表面形成的电流盲区。其中，针刺23线与C480板匹配、二次电压55kV时，板电流密度0.366mA/m2，电流密度分布标准差=0.34；板刺线与C480板匹配、二次电压55kV时，板电流密度0.441mA/m2，电流密度分布标准差=0.298。即，板刺线与C480板配置，可用于电除尘器前级电场的“高电压、大电流”运行模式，针刺23线与C480板配置，可用于电除尘器前级电场的“高电压、低电流”运行模式，且板电流密度分布相对均匀性高，极板有效利用率高。4中试实验4.1电除尘器设计参数和技术指标我公司实验室自主搭建了一台三电场电除尘器，阳极板为C480板，阴极线采取了两种布置方案。方案1，一、二电场采用BS线，三电场采用RS线；方案2，一、二电场采用板刺线，三电场采用针刺23线。电除尘器多级电场电极配置如图11所示。阳极板清灰采用侧部振打，阴极清灰采用顶部电磁振打，电除尘器主要技术参数如表3所示。实验用灰选用水泥窑尾电除尘灰，模拟工业烟气粉尘，粉尘粒径分布如图 12 所示，中位粒径为2.664m。4.2测试结果图11电除尘器多级电场电极配置a 方案1b 方案2烟气烟气一电场电极配置阳极板：C480阴极板：BS线二电场电极配置阳极板：C480阴极板：BS线三电场电极配置阳极板：C480阴极板：RS线一电场电极配置阳极板：C480阴极板：板刺线二电场电极配置阳极板：C480阴极板：板刺线三电场电极配置阳极板：C480阴极板：针刺23线节能减排CEMENT TECHNOLOGY 2023/470表3电除尘器主要技术参数项目入口烟气量，m3/h电场数，个电场风速，m/s极板有效高度，m同极间距，mm总集尘面积，m2比集尘面积，m2/（m3/s）烟气停留时间，s入口粉尘浓度，g/m3入口烟气温度，工频电源规格，A/kV本体漏风率，%本体压力降，Pa参数5 000311.54002014.491室温0.2/662300中试试验颗粒物浓度测试，选用崂应3012-H型自动烟尘测试仪，依据GB 16157-1996 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 和HJ/T 47-1999 烟气采样器技术条件 技术要求1-2进行采样。输入二次电压50kV，依次对电极配置方案1和方案2进行采样。结果表明，方案1除尘器出口粉尘浓度测试值为36.88mg/m3，除尘效率96.31%；通过电极配置组合优化，方案2除尘器出口粉尘浓度测试值为8.23mg/m3，除尘效率99.18%，提效明显，出口粉尘浓度降低77.68%。5结语（1）BS线、RS线、针刺23线、针刺33线与C480板匹配时，阴极线正对极板表面均存在不同程度的电流盲区，板电流密度分布不均匀，极板有效利用率低。（2）BS线芒刺内、外侧尖端电晕放电，存在电子干扰，且芒刺线板电流密度不随放电尖端数量的成倍增加而成倍增大，线型结构影响芒刺尖端不能充分放电，极板有效利用率低，易引起反电晕现象。（3）优化阴极线结构参数，将RS线、BS线支撑结构圆管改为扁钢支撑，并在扁钢两侧正对极板布置针刺，两侧放电尖端布置高度不同等措施，均有利于板电流密度分布均匀性的提高。（4）板刺线与C480板匹配、二次电压55kV时，板电流密度0.441mA/m2，电流密度分布标准差=0.298，可用于电除尘器前级电场的“高电压、大电流”运行模式；针刺23线与C480板匹配、二次电压55kV时，板电流密度0.366mA/m2，电流密度分布标准差=0.34，可用于电除尘器前级电场的“高电压、低电流”运行模式。（5）电除尘器前级、后级电场电极配置的组合优选，可显著提升电除尘器除尘性能，三电场电除尘器中试试验，电极配置方案2比方案1出口粉尘浓度降低77.68%。参考文献：1 国家环境保护局.固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法M.北京：中国环境科学出版社，1996.2 HJ/T 47-1999，烟气采样器技术条件S.图12水泥窑尾电除尘灰粒径分布100.090.080.070.060.050.040.030.020.010.00.0累计含量，%0.00.11.010.0100.01 000.04.03.63.22.82.42.01.61.20.80.40.0区间含量，%粒径，m0.1000.2000.5001.0002.0005.00010.00020.00045.00075.000含量，%0.000.018.0625.1742.6665.8181.4292.3899.11100.00粒径，m节能减排2023年第4期71