艾璞，李昌斌，高重乐，华耀锋，余创波

1 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σ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。

图1 极配（电极配置）实验系统

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。

图2 6种工程常用阴极线线型

图3 C480阳极板

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22mm×47mm、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17 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。

图4 微电流采集探测板

采用平均电流密度J和电流密度分布标准差σ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σ判断板电流密度分布的均匀性，公式如下：

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6～10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，1～6 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。

表2 板表面电流密度实验结果

图5 线型1-RS线与C480板匹配时的板电流密度分布

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。

图6 线型2-BS线与C480板匹配时的板电流密度分布

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σ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σ增大。

图7 线型3-针刺23线与C480板匹配时的板电流密度分布

图8 线型4-针刺33线与C480板匹配时的板电流密度分布

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σ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σ大幅减小，极板有效利用率提升。

图9 线型5-板刺线与C480板匹配时的板电流密度分布

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σ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。

图10 线型6-异形锯齿线与C480板匹配时的板电流密度分布

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σ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σ=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σ=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2.664μm。

表3 电除尘器主要技术参数

图12 水泥窑尾电除尘灰粒径分布

4.2 测试结果

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σ=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σ=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%。