孙岩 杨振民 黄超 裴艺凯 王佳豪

摘要 在湿式高压静电除尘器（WESP）中以聚氯乙烯（PVC）槽板为收尘极，对收尘极的板面水膜性能进行了研究。通过搭建试验台，研究不同尺寸沟槽板对水膜厚度、成膜率和收尘效率的影响。在给定供水流量条件下发现4种带槽PVC板的水膜厚度和成膜率随着沟槽宽度和深度的增加。4种沟槽板均比平板PVC成膜效果好，其中板4能达到最好水膜效果，在供水流量为700 L/h时成膜率为96.5%。水膜的存在抑制了反电晕和二次扬尘的产生，通过实验测试不同供水流量下各板的收尘效率，增大供水流量收尘效率明显增加，在700 L/h时沟槽板4达到最大收尘效率为99.702%。

关 键 词 湿式静电除尘;水膜;供水流量;收尘效率;PVC沟槽板

中图分类号 TB383     文献标志码 A

0 引言

静电除尘器是工业领域主要的除尘设备，在中国近90%的燃煤电厂都配备干式电除尘器（ESP），干式电除尘器对PM10，PM2.5和PM1.0的去除效率效率大多低于95%[1-5]，湿式静电除尘器能有效去除高电阻率颗粒，对细粉尘收尘效率在95%以上，具有可有效抑制酸雾等优点。但是，在潮湿环境下工作，WESP中常规的收尘钢板很容易被腐蚀，目前用于湿式电除尘中的收尘板材料主要有316L不锈钢、导电玻璃钢、碳纤维或玻璃纤维等[6]。对于湿式电除尘器来说，收尘板面水膜均布在很大程度上影响除尘效率，故通过合理的工艺改进收尘板，实现布水均匀，是保证湿式电除尘器运行正常的关键[7]。Bayless [8]的实验研究发现，在相同条件下，湿式除尘器中采用纤维膜比金属板做收尘极收尘效率要高。王翔[9]发现湿膜电极的收尘效率比在同等放电电晕功耗的干燥金属极板高3%～5%。此外电流密度的增加是WESP收尘效率优异的主要原因[10]。常景彩[11]使用涤纶材料或聚丙烯做收尘电极，可以改善WESP布水能力增强除尘效率，与传统材料相比，有显著的进步。清华大学王晓华[12]研究了高压电场中水对颗粒物脱除增强的机理。湿式静电除尘综合利用了多种物理场，一些学者通过数值模拟和实验[13-14]对各种物理场对颗粒脱除效率的影响规律进行了研究。然而，对于WESP仍然缺乏对新型收尘板的实质性研究[15]。

相关研究表明，聚氯乙烯（polyviny chloride，PVC）可以做收尘材料[16-17]，根据Wenzel[18]理论，亲水/疏水性可以通过几何属性改进;Palasantzas[19]指出，表面接触角主要取决于粗糙度指数，接触角随着粗糙度的增加而减小。本文研究制作4种不同尺寸沟槽的收尘板，讨论在相同条件下不同尺寸沟槽与供水流量和水膜厚度，成膜率的关系。此外，在相同电压风速和颗粒粒径下对比不同收尘板的收尘效率，以获得最佳的槽口样式。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

如图1所示，实验系统主要由高压电源及控制系统、模拟烟气系统、引风机、湿式静电除尘器本体等构成。其中静电除尘器本体包含放电电极、集尘电极、配水系统、高压供电系统和集尘箱，放电极采用齿长为20 mm的芒刺板电极。在配水系统上，通过水泵、流量计、管路等一系列设备组装，调试小型水循环系统，保证水流畅通且装置密封性良好。

PVC刻槽如图2所示，槽板的总高度为H，槽深为h，槽间距为j，槽宽为k。4种板型上凹槽尺寸如表1所示。

1.2 实验方法

1.2.1 水膜厚度的测量

实验中，安装好PVC板打开供水泵，运行一段时间观察流量供应稳定，使用基于非接触电容法的自制仪器测量水膜厚度。由于Asakawa效应[20]，给定板上的水膜厚度在高电压下会比没有电压下稍微改变，这里忽略电场对水膜的影响。此外，由于高压电场会对测量仪器的精敏程度有损害，本文实验测量水膜厚度没有施加电压和主流风速。

1.2.2 除尘效率

选用烟尘自动测试仪（HC-9001），使用重量法计算除尘效率。湿式静电除尘器入口颗粒物浓度和出口的颗粒物浓度分别记为[Cin]、[Cout]因此将细颗粒总脱除效率η定义为

1.3 粉尘选择

滑石粉的主要成分是Mg3（Si4O10）（OH）2，采用马尔文激光粒度仪（MS2000）测得滑石粉（800目）的粒径范围在0.479～79.433 μm，其中约18 μm占比50%以上，接近工业粒径分布。其基本性质如表2所示，本实验选择800目滑石粉作为实验粉尘。

2 结果与讨论

2.1 不同供水流量下PVC板上的水膜厚度分布

水膜厚度的研究温度在15～28 ℃之间，不加粉尘和电压情况下进行。由于布水器的局限性，当供水流量过大时液体会脱离板子而造成液体飞溅，这不利于实验的安全和测量，为了实际运行的安全性和可操作性选定给水流量上限值700 L/h。本文选取供水流量Q分别为200 L/h，400 L/h，500 L/h和700 L/h进行研究。由于4个板上的凹槽尺寸不同，为了有效地比较实验结果，分两种情况选取测试点，一是凸起面4种高度位置（按排列序号分No.36，No.89，No.141，No.176），二是凹槽面4种高度位置（按排列序号分No.35，No.82，No.145，No.175），示意如图3。每一条横向凸（凹）面取等间距的取10个测试点排列在一个單独的凸面或凹槽中，图3中线型标记的数字表示从测试点到顶部边缘的距离。由于4种沟槽板在研究水膜厚度时特征分布相差不大，水膜厚度方面本文选择沟槽板1进行分析。

2.1.1 沟槽板凹槽中的水膜厚度

在不同供水流量下进行实验得到的水膜厚度如图4所示，横坐标表示板从左往右等距10个点的测试位置。

可以看出，各个PVC板在不同供水流量下水膜厚度有些波动，但整体横向上是趋于平缓，说明板面铺水情况良好，相关文献[21]也说明，单位表面存留的液体越多，对表面的润湿效果越好。表面流量越小，过水面积越大，说明液体在表面的铺展性好。厚度变化幅度最大位置在69.5 mm测试点处，4种供水流量下水膜厚度最大值与最小值之差分别为1.634 μm，1.292 μm，1.211 μm，1.039 μm，均大于1 μm。随着测试点位置降低，水膜厚度的变化开始减小。这意味着离布水管流水出口最近的测试点具有较大的水膜厚度变化，而较远的测量点有稍小的变化，这是由于在接近流水出口处水流较急，急促的水流遇上凹凸的板面结构，便在近水口处产生湍流堆积。随着供水流量的增加，每个测试点的水膜厚度都会增加。当Q为700 L/ h时，水膜厚度最大。这是由于收尘板上的水负载能力越大，获得的面部张力越大，成膜特性越好，因此水膜的厚度变得越大。

2.1.2 沟槽板凸面的水膜厚度

凸面的水膜厚度结果如图5所示。从图5可以看出，水膜厚度沿板高的变化是明显的，其中70.5 mm和176.5 mm处的水膜厚度波动大，均在1 μm以上。280.5 mm和356.5 mm处水膜厚度的波动小，均小于1 μm。由于凹槽有蓄水功能，凸面并不具有，没有了缓冲储水功能，凸面上水膜厚度的波动变化比凹槽中的水膜厚度变化更大。此外，280.5 mm和356.5 mm处的水膜厚度均大于70.5 mm和176.5 mm处的水膜厚度，表明收尘板底部的水膜厚度大于顶部的水膜厚度。出现这种现象可能是板子放置结构不同造成，上游的水流在底部有部分堆积，造成水膜厚度变化，但位置由于处于最低端，可以认为对整体水膜布置和除尘情况影响不会太大。同样，随着供水流量的不断增加，每个凸面测试点的水膜厚度并没有太过明显的变化，这也是由于凸起部分相当于一个平面，水流在这个表面上便顺势而过。当Q = 700 L/h时曲线波动最小，接近平滑，表明各部分位置水膜情况布置均匀，变化较平稳。

2.2 同一高度不同沟槽板的水膜厚度对比

在供水流量Q = 400 L/h时，测量4种板型在同一高度位置凹槽内的水膜厚度，并将其与光滑PVC板的结果进行比较，结果如图6所示。

在相同供水流量下，沟槽PVC板测试点的水膜厚度大于光滑板。随着沟槽深度和宽度的增加，水膜厚度越来越厚。凹槽的存在有利于增加水膜厚度，凹槽将水填充沟槽间隙并使水膜具有了横向迁移功能。结果表明，随着凹槽的扩大，储水能力和水膜厚度是增加的。每块板上最大水膜厚度与最小水膜厚度之间的差异如下，在光滑板上为1.095 μm，在沟槽板1上为1.292 μm（出现在69.5 mm的高度处），在沟槽板2上为1.069 μm（出现在289.5 mm的高度），在沟槽板3上为1.001 μm（出现在163.5 mm的高度）。由此可见，水膜厚度的变化幅度是随着槽深和宽度的增加而减小。这是由于凹槽尺寸越大，蓄水功能越强，对水膜的变化幅度有缓冲作用，因此水膜更容易均匀地散布在面上，而减小水膜波动变化。

2.3 沟槽对成膜率的影响

测试不同供水流量下的每个沟槽板的成膜率。结果如图7所示。

结果表明，每个沟槽板的成膜率均高于未处理的PVC板，并且成膜率在相同的供水流量下随着沟槽深度和宽度的增加而增加，原因是沟槽可以增加板表面的润湿度，并且有利于储水和使水横向与垂直迁移。储水容量随着沟槽深度和宽度的增加而增加，水膜的扩散能力提高，成膜率增加。板4时可得到最佳水膜成形结果为96.5%。板3的沟槽宽度是板2沟槽宽度的两倍，在不同流量下，板3的成膜率高于板2，表明沟槽宽度增加有利于液膜扩散，宽度增加了沟槽对水的填充能力，同时增加了薄膜形成面积。板4的沟槽深度是板2的两倍。当沟槽宽度和沟槽间隔相同时，板4的成膜率显著增加。由于沟槽深度的增加，使水流横向移动增强的并在沟槽中留下更多的水。从而增加了槽板的承载水量，相应地改善了成膜面积。在实验过程中发现，横向刻槽板成膜率不可能达到100%，在给水流量为700 L/h时的成膜面积已经接近极值。原因是横向槽的存在使水膜有向里收缩的力，这种力使得液膜底部变窄，增加流量这种现象会有所减弱，但不能完全避免。

2.4 供水流量和沟槽方式对除尘效率的影响

在实验条件为：风速为0.8 m/s，给粉浓度为30 g/min（相应入口浓度3 788.3 mg/m3），工作电压为60 kV，异极距为200 mm，供水流量分别为200 L/h，400 L/h，500 L/h和700 L/h，测试5种板的除尘效率。如图9所示，随着供水流量的增加，5个板的除尘效率均变化很明显，几乎呈线性增长。相比之下，4种沟槽板的效率都高于光滑板。说明改进后的沟槽板的可行性。

在相同的供水流量下，随着沟槽的宽度和深度的增加，除尘效率大小如下：光滑板<沟槽板1<沟槽板2<沟槽板3<沟槽板4，沟槽板4的槽深和槽宽最大并且具有最佳除尘效率，达到99.702%。原因是沟槽板上的水膜厚度大于平滑板的水膜厚度，此外，每个板上的水膜厚度和成膜率从1到4顺序增加，提高了水膜对粉尘的冲刷能力且水膜具有导电性，让除尘效率得到改进。

随着水膜厚度和成膜率的增加，冲洗效果首先得到改善，消除了反电晕和二次扬尘损失。其次，由于板面布满水，必然除尘器通道内充满水分子，由浅川效应[20]可知，电压的存在会使水的蒸发量加剧，场道内气体的湿度增加，且高压电晕放电会产生离子风促进颗粒物与水分子结合，改善导电性，促进了小颗粒的荷电和团聚，从而提高除尘效率。

3 结论与展望

本研究采用不同形式的PVC溝槽板作为收尘板，对WESP的水膜厚度和除尘效率进行研究得出以下结论。

1）在不同的供水流量下，PVC板无论是凹槽还是凸面，靠近布水管流水出口处的水膜厚度变化幅度大，且底部的水膜厚度比变化规律也是如此。对于收尘板上的相同测试点，随着供水流量的增加，凹槽和凸面水膜厚度在上都增加，凹槽面的厚度增加量大于凸面的增加量。

2）在不同供水流量下，PVC光滑板上的水膜厚度小于沟槽板上的水膜厚度，此外，随着沟槽尺寸宽度和深度的增加，水膜厚度增加，这表明沟槽的存在利于增加水膜厚度。在不同供水流量下，凹槽中的水膜厚度变化幅度小于凸面上水膜厚度的变化幅度，这表明凹槽可以减缓水膜的波动变化，利于均布水膜。

3）水膜厚度与成膜率呈正相关。在给定的收尘板上，水膜厚度和成膜率均随着供水流量的增加而增加;在给定的供水流量下，水膜厚度随着不同类型板上成膜率的增加而增加。

4）在相同的供水流量下，PVC光滑板的除尘效率最低。随着凹槽的扩大，除尘效率变得越来越高。在4种槽板类型中，沟槽板4最佳，最大除尘效率为99.702%。