荷电水雾除尘技术试验研究

修德江，杨成财，张彤

（1.鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114004；2.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司灯塔分公司，辽宁 辽阳111312；3.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁 鞍山114001）

矿山生产过程中有时会产生大量粉尘，其中的微细颗粒粉尘因其颗粒直径小、在大气中停留时间长、传输距离远等特点，对人体健康及环境影响很大。特别是PM2.5以下颗粒，其粒径小、比表面积大、吸附性强，且表面容易吸附有害物质，一旦通过呼吸进入人体，会深入肺部，诱发各种疾病，因此对微细颗粒物的控制显得尤为重要［1］。常规的除尘设备主要有机械除尘器、电除尘器、过滤除尘器和洗涤除尘器等，但这些除尘设备对微细颗粒粉尘的除尘效率均较低。

鞍钢集团矿业有限公司现有除尘器主要包括电除尘、袋式除尘、电袋复合式除尘、湿式电除尘器等。其中，电除尘无法满足10 mg/Nm3的排放标准；袋式除尘处理含水分较多或有较强吸湿性的粉尘时，会发生滤袋黏结、阻塞滤料，且当空气温度过低时，易冷凝结露而糊袋；湿式电除尘技术存在投资大、烟气带水、布置场地要求高、运行成本高等问题。为了精准捕集微细粉尘，达到对微细颗粒粉尘高效去除的目的，进行了荷电水雾除尘技术试验研究，通过试验得出了不同荷电电压、不同电极间距、不同喷雾水压对水雾荷质比的影响，及不同荷质比对除尘效率的影响。

1 荷电水雾除尘技术机理

传统水雾除尘是通过喷雾控制物料的湿度，减少粉尘产生量，从而起到除尘作用。但水雾颗粒与微细粉尘颗粒碰撞接触机率低，对微细粉尘的控制效率较低［1］。水雾荷电技术是一种水电结合的除尘方法，即使水雾颗粒在电场的作用下带上电荷，形成球形电场，产生静电力，在静电力惯性碰撞等的作用下，增强粉尘与雾粒相互碰撞的机率，使荷电雾滴与细微的粉尘吸附结合，粉尘颗粒通过凝聚形成较大颗粒［2］，从而加大尘土的沉降速度，达到捕集粉尘的目的。影响荷电水雾除尘效率的因素主要为水雾荷质比。

2 水雾荷质比影响因素

在荷电水雾除尘技术中，水雾荷质比是影响荷电水雾除尘效果的一个重要指标，也是评价雾滴荷电量的重要参数。影响水雾荷质比的主要因素包括雾滴粒径、荷电电压、喷雾压力、电极和喷头间的距离（电极间距）、环形电极的直径等。

2.1 测定水雾荷质比试验装置和方法

试验采用感应荷电方式，感应环为铜环，将高压电的负极连接在铜环上，水雾喷嘴设置在铜环的轴线上，且距离铜环中心一定距离。在电场力作用下，水雾通过连接负高压的铜环，会感应上与铜环相同极性的负电荷。感应荷电结构示意图见图1。

图1 感应荷电结构示意图Fig.1 Structural Sketch for Inductive Charging

本次试验研究中，通过测定荷电水雾的平均荷质比来反映荷电雾滴群的荷电情况。水雾平均荷质比测定装置示意图见图2。

图2 水雾平均荷质比测定装置示意图Fig.2 Schematic Diagram for Measuring Device for Average Charge-mass Ratio of Water Mist

荷电水雾平均荷质比计算公式［3］为：

式中，β为荷电水雾平均荷质比，mC/kg；I为电流，mA；t为时间，s；Qg为水的质量流量，kg/s；ρ为水的密度，kg/L；q为水的体积流量，L/s。

2.2 荷电电压、电极间距对荷质比影响

试验设定不同的高压电源输出电压、不同环形电极和喷头间的距离（电极间距），以获取各种工况下水雾的荷质比。环形电极采用Φ2 mm的铜环，环直径为60 mm，设定喷雾压力为0.6 MPa，电极间距分别取40 mm和60 mm，调节高压电源的输出电压，从1 kV起递增，递增幅度为1 kV/次，最高实验电压为9 kV。测定不同电极间距、不同荷电电压下水雾荷电量，并计算得出水雾荷质比。不同极间距下水雾荷质比随荷电电压的变化趋势见图3。

图3 不同电极间距下水雾荷质比随荷电电压变化趋势Fig.3 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Electrode Spacing

由图3可以看出，随着荷电电压的增大，水雾的荷质比呈先增大后降低趋势。这是因为通过环形电极施加在喷头喷雾区的电场强度会随着荷电电压的升高而增大，水雾在高压电场区所受到的电场感应也会呈正相关增强，其荷质比会随着荷电电压的升高呈现出正相关的增长关系；但当荷电电压升高到一定值时，环形电极会发生电晕放电现象，导致感应荷电的荷电量和荷质比降低。同时，在相同荷电电压下，电极间距大的其荷质比也较高，但差距较小，最大相差约0.05 mC/kg，且最大荷质比均出现在试验电压8 kV附近。

2.3 喷雾水压对荷质比影响

喷雾压力的变化既影响水雾喷射的长度又影响水的流量［4］，二者都会影响荷质比。此项试验中，环形电极采用Φ2 mm的铜环，环直径为60 mm，电极间距为60 mm，以电导率约为0.45 mS/cm的普通自来水作为喷雾水源，喷雾压力分别为0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，施加电压从1 kV起递增，递增幅度为1 kV/次，最高施加电压为9 kV，测定不同喷雾水压下水雾荷电量，并计算得出水雾荷质比。不同喷雾水压下水雾荷质比随荷电电压的变化趋势如图4所示。

图4 不同喷雾水压下水雾荷质比随荷电电压的变化趋势Fig.4 Variation Trend of Charge-mass Ratio of Water Mist with Variable Charged Voltages under Different Spray Water Pressures

由图4可以看出，图中三条曲线具有相同的变化规律，相同荷电电压下，喷雾压力越大，水雾荷质比越高；喷雾压力不变时，随着荷电电压升高，水雾荷质比先升高再降低。这是因为，荷电电压相同时，提高喷雾压力减小了雾滴粒径，获得了更大的表面积和更多的雾滴数量，从而可携带更多的电量，提高了荷质比；喷雾压力不变时，提高荷电电压可使每个雾滴携带更多的电荷，从而提高了荷质比，但当荷电电压升高到一定值时，环形电极会发生电晕放电现象，导致感应荷电的荷电量和荷质比降低。本次实验的喷雾压力分别为0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，其荷质比最大相差约0.05 mC/kg，最大荷质比均出现在试验电压8 kV附近。

3 水雾荷质比对除尘效率影响

3.1 荷电水雾除尘试验设备和方法

荷电水雾除尘试验设备示意图见图5。试验设备主要由产尘、通风、检测、供电、供水、粉尘捕收、振弦过滤等几部分组成。其中，产尘部分由空压机产生高压空气，高速气流通过文丘里管发尘器产生负压，吸入粉料仓中的灰粉，从而产生一定浓度的粉尘；通风部分采用小型离心风机，并可根据试验需要由变频器调节风量。

图5 荷电水雾除尘试验设备示意图Fig.5 Schematic Diagram for Test Equipment by Dust Removal with Charged Water Mist

试验粉尘为铁精矿烧结车间的积尘，其粒度分布如表1所示。由表1的粒度组成可知，该粉尘主要为除尘难度较大的呼吸性粉尘。

表1 试验粉尘粒度分布Table 1 Distribution of Dust Sizes in Testing %

本试验采用电晕荷电，电晕区产生带负电的离子，使水雾荷电。选用锥形喷嘴，雾滴粒径的中心值控制约75 μm，环形电极采用Φ2 mm的铜环，直径为60 mm，环中心距喷嘴60 mm且垂直于风流方向。振弦栅弦丝为6层，丝径为0.2 mm。采用0～35 kV高压可调电源。除尘率由滤膜计重法称量计算，即抽取一定体积含尘空气，将粉尘阻留在已知质量的滤膜上，测定取样后滤膜的增重，求出单位体积空气中粉尘的质量（mg/m3）。根据滤膜增重、流量及时间计算出管道内粉尘计重浓度［5］。

除尘效率η可由下式得出：

式中，m1、m2分别为除尘器入口及出口处滤膜重，mg。

3.2 荷质比对除尘效率影响

试验采用喷雾压力分别为0.6 MPa和0.7 MPa，通过调节可调电源，使二者在相同荷质比条件下，进行了除尘效率试验，结果见图6。

图6 不同喷雾水压下除尘效率随水雾荷质比的变化趋势Fig.6 Variation Trend of Dust Removal Efficiency with Variable Water Mist Charge-mass Ratio under Different Spray Water Pressures

由图6看出，随着水雾荷质比的增加，除尘效率明显增加。当水雾荷质较低时，喷雾压力采用0.6 MPa时的除尘效率明显低于采用0.7 MPa时的，这是因为水雾荷质较低时主要靠水雾除尘，喷雾压力大时可以产生更多的水雾，有利于提高除尘效率。随着水雾荷质比的不断升高，喷雾压力采用0.6 MPa的除尘效率与采用0.7 MPa时的逐渐接近，这是因为随着水雾荷质比的提高，荷电后雾滴的的静电力增加，其与粉尘颗粒的碰撞、扩散、截留的机率也增大，对粉尘特别是微细粒粉尘的捕收效率也提高了，其除尘作用已不仅依靠水雾。本次试验中，当荷质比由0升至0.35 mC/kg，喷雾压力为0.6 MPa的除尘效率从94.2%上升到98.4%，提高了4.2%；喷雾压力为0.7 MPa的除尘效率从95.0%上升到98.6%，提高了3.6%，荷电后的雾滴对粉尘特别是微细粒粉尘的捕收效率与雾滴水雾荷质比成正相关。因此，水雾荷质比是影响荷电水雾对微细粒粉尘的捕收效率的重要指标，即水雾荷质比越高，对粉尘捕收效率越高；但水雾荷质比不能无限度提高，因为水雾的荷电电压达到一定值时会发生电晕放电，使水雾荷质比降低。

4 结论

通过进行荷电水雾除尘技术研究，分析了不同荷电电压、不同电极间距、不同喷雾水压对水雾荷质比的影响，并对不同荷质比对除尘效率的影响做了进一步研究，得出以下结论：

（1）在一定范围内增大极间距，可提高水雾荷质比，但幅度较小。本试验条件下的电极间距分别为60 mm和40 mm，其荷质比最大相差约0.05 mC/kg。

（2）随着荷电电压的增大，水雾荷质比呈增大趋势，但当荷电电压达到一定值时，雾滴的荷质比开始降低。本试验条件下的最大荷质比均出现在试验电压8 kV附近。

（3）荷电电压相同时，提高喷雾压力，可提高水雾荷质比。本实验的喷雾压力分别为0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，其荷质比最大相差约 0.05 mC/kg。

（4）水雾对粉尘尤其对呼吸性粉尘的除尘效率与水雾荷质比呈正相关。本试验荷质比从0升高到0.35 mC/kg，喷雾压力为0.6 MPa时的除尘效率提高了约4.2%，喷雾压力为0.7 MPa时的除尘效率提高了约3.6%。