壓力、溫度和成分對(duì)氣體放電特性的影響

張 娟，何 劍，姚超坤，于權(quán)茹

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

引言

靜電除塵是目前應(yīng)用廣泛且高效的除塵方法之一。在電除塵器運(yùn)行過程中，煙氣的溫度、壓力和成分等性質(zhì)會(huì)影響電暈特性和粉塵比電阻，進(jìn)而影響除塵效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后在該領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，取得了指導(dǎo)性成果［1-10］。

高爐煤氣作為高爐煉鐵過程中副產(chǎn)的可燃?xì)怏w，屬典型的高溫、高壓、高塵多組分燃爆型氣體。由于荒煤氣含塵濃度高，易造成管道和燃燒設(shè)備堵塞，也易導(dǎo)致TRT 轉(zhuǎn)子的磨損、振動(dòng)，降低其壽命，因此，進(jìn)行高效除塵是高爐煤氣良好利用的前提。高爐煤氣除塵主要有濕法、布袋除塵和靜電除塵3 種工藝［11］。傳統(tǒng)濕法凈化系統(tǒng)存在著煤氣壓力低，污環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)占地面積大，污染環(huán)境等缺點(diǎn)。相對(duì)于濕法除塵，干法除塵不僅簡(jiǎn)化了工藝，而且從根本上解決了二次污水和污泥的產(chǎn)生與處理問題，提高了煤氣物理顯熱，TRT 發(fā)電量可提高30%［12］，因此，干法布袋除塵工藝逐漸成為了主流技術(shù)［13-16］，并在應(yīng)用中取得了很好的效益，但實(shí)際運(yùn)行過程中也暴露出了一系列問題，如布袋維修量大、壽命短、工人作業(yè)環(huán)境惡劣；布袋在正常工作溫度范圍90～220 ℃時(shí)，開爐、復(fù)風(fēng)階段粘袋現(xiàn)象嚴(yán)重［17］。相比之下，電除塵器則具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定、耐溫高、阻力損失小、TRT 發(fā)電量高等優(yōu)點(diǎn)［18-19］。

為使靜電除塵器在高爐煤氣除塵中能更好應(yīng)用，也為類似高溫、高壓多組分氣體介質(zhì)電離特性研究提供借鑒，通過采用單電場(chǎng)對(duì)壓力、溫度及成分變化對(duì)氣體電離特性的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，對(duì)該領(lǐng)域研究成果進(jìn)行了完善與部分修正，為相關(guān)理論研究及工業(yè)應(yīng)用提供了支撐。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置主要由高壓電源、調(diào)溫調(diào)壓氣體放電試驗(yàn)裝置和配氣系統(tǒng)組成，系統(tǒng)圖見圖1。高壓電源采用GGAJ02-（LD-1）005∕200 靜電除塵專用高壓電源，可實(shí)現(xiàn)最高200 kV 的負(fù)高壓供電。氣體放電試驗(yàn)裝置包括線-板式和線-管式兩種電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，線-板式極配為平板-雙角鋼線，同極距300 mm；線-管式極配為正六邊形矩形管-WE25（90°），同極距350 mm。氣體放電試驗(yàn)方法采用電除塵器空載通電升壓試驗(yàn)法。

圖1 氣體放電特性試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 試驗(yàn)氣體

試驗(yàn)煤氣成分配比如表1所示。

表1 試驗(yàn)氣體成分配比表 %

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣體壓力影響

靜電除塵器內(nèi)氣體密度影響著電場(chǎng)的起暈電壓、放電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度、空間電荷密度和離子遷移率的大小。氣體起暈電壓可用式（1）表示：

式中：U—?dú)怏w起暈電壓，V；

m—放電線粗糙系數(shù)，0.5＜m＜1.0；

a—放電線半徑，m；

δ—?dú)怏w相對(duì)密度；

b—異極距，m。

其中：

式中：T0—大氣常溫溫度，取298 K；

P0—大氣常壓壓力，取1.01325×105Pa；

P—操作壓力，Pa；

T—操作溫度，K。

由式（1）、式（2）可知，在常溫下（T=T0），隨著壓力P的增加，氣體相對(duì)密度δ隨之增加，離子自由程減小，有效離子遷移率由于和中性分子碰撞的次數(shù)增多而減小，起暈電壓降低。

煤氣組分1 在不同氣體壓力下線-管式電場(chǎng)和線-板式電場(chǎng)的伏安特性曲線見圖2，其余試驗(yàn)煤氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)下的放電過程基本與圖2 一致，伏安特性曲線光滑，符合正常放電規(guī)律。氣體壓力對(duì)各組分煤氣伏安特性影響規(guī)律一致，隨著氣體壓力的逐步增高，放電電壓升高，相同電壓下，電暈電流降低，伏安特性曲線右移。

圖2 不同壓力下的伏安特性曲線

曲線右移的原因主要在于氣壓增大時(shí)，分子平均自由程減小，電子不容易加速到產(chǎn)生電離的速度，離子遷移率減小，起暈電壓升高。外加電場(chǎng)一定時(shí)，壓力的增大使得放電極附近的空間電荷密度增大，收塵極板上的平均電流密度減小，導(dǎo)致電暈電流降低，從而曲線斜率減小。

如果只考慮氣體壓力的影響，則擊穿電壓與氣體壓力存在一定函數(shù)關(guān)系。

隨著氣體壓力逐步增大，無論管式電場(chǎng)或板式電場(chǎng)，擊穿電壓都隨之升高。管式電場(chǎng)從常壓升至0.24 MPa，各組分下?lián)舸╇妷禾岣吡?0%～40%，而板式電場(chǎng)的擊穿電壓則提高了50%左右。對(duì)于擊穿電流，管式電場(chǎng)基本呈逐步下降趨勢(shì)，由常壓升至0.24 MPa，各組分下的擊穿電流下降了60%左右，而板式電場(chǎng)的擊穿電流則稍顯平穩(wěn)，基本分布在2 mA左右。這是因?yàn)闅怏w壓力降低時(shí)，遷移率高的自由電子迅速離開電暈區(qū)，在其未被負(fù)電性氣體分子捕獲時(shí)，對(duì)形成穩(wěn)定的空間電荷不起作用。由于電子在捕集前要經(jīng)歷較長(zhǎng)的距離，低壓力時(shí)離子數(shù)較少，則空間電荷影響減弱，電暈電流迅速地增長(zhǎng)，在低電壓下便被擊穿。相關(guān)擊穿特性曲線見圖3、圖4。

圖3 氣體壓力對(duì)管式電場(chǎng)擊穿特性的影響

圖4 氣體壓力對(duì)板式電場(chǎng)擊穿特性的影響

在氣體壓力較低（＜0.08 MPa）時(shí)，擊穿電壓與氣體壓力可近似擬合成一次線性關(guān)系，這與此前常用的結(jié)論［20］吻合，且不同氣體的擬合度差別較大。而后，隨著氣體壓力的增大，二者完全呈非線性，基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系或指數(shù)關(guān)系，不同氣體的關(guān)系式也差別較大。因此可知，擊穿電壓不會(huì)隨氣體壓力遞增而呈線性單調(diào)遞增，后續(xù)遞增速度急劇放緩。這一試驗(yàn)結(jié)論更新了早期的數(shù)據(jù)及結(jié)論。

2.2 氣體溫度影響

煙氣溫度直接決定粉塵比電阻的量級(jí)，進(jìn)而影響靜電除塵器的除塵效率。同時(shí)，溫度對(duì)電除塵器電暈電壓和電暈電流等放電特性也有著顯著影響。通過采用空氣在常壓下從常溫連續(xù)升至235 ℃進(jìn)行升溫放電試驗(yàn)，考察了氣體溫度對(duì)放電特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同溫度情況下空氣伏安特性曲線對(duì)比

圖6 不同溫度情況下空氣擊穿特性對(duì)比

氣體溫度對(duì)放電特性的影響與氣體壓力的影響正好相反。隨著溫度升高，伏安特性曲線左移，起暈電壓降低，擊穿電流和擊穿電壓也基本呈下降趨勢(shì)。溫度由室溫升至200 ℃，擊穿電壓由55 kV下降至37 kV，擊穿電流由2.8 mA 降至2.52 mA。這是由于溫度的升高使得分子平均自由程增大，電子能夠獲得較大的速度和動(dòng)能，加強(qiáng)了電離效應(yīng)，因而煙氣在較低的電壓下被擊穿，擊穿電壓降低也限制了擊穿電流的增長(zhǎng)。但是，溫度升高時(shí)，在相同的放電電壓下，電子更容易到達(dá)陽極板，因此電暈電流是隨溫度升高而增大的。

除煙氣溫度影響擊穿電壓和擊穿電流，進(jìn)而影響除塵效率外，煙氣溫度的上升還會(huì)導(dǎo)致氣體黏滯性的增大，而氣體的黏滯性直接影響帶電粉塵的驅(qū)進(jìn)速度。煙氣溫度越高，黏滯性越大，帶電粉塵驅(qū)進(jìn)速度越低，除塵效率下降。此外，煙氣的溫度還會(huì)影響到粉塵的比電阻。根據(jù)實(shí)測(cè)表明，電除塵器工作的最適比電阻為106～1 011 Ω·cm，在比電阻小于106 Ω·cm 時(shí)，粉塵導(dǎo)電性較好，粉塵出現(xiàn)于陽極板表面跳躍現(xiàn)象，最后被氣流帶出除塵器，而比電阻大于1 011 Ω·cm 時(shí)，荷電粉塵的電荷不容易釋放，則在陽極表面出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象。從以上溫度影響電除塵器的三個(gè)方面來看，除塵器的運(yùn)行溫度應(yīng)在煙氣露點(diǎn)溫度以上，且運(yùn)行溫度越低效果越好。

2.3 氣體成分影響

電負(fù)性氣體在與電子碰撞過程中很容易傳遞電荷，形成負(fù)離子。而負(fù)離子與電子相比，向收塵極移動(dòng)的速度要慢得多，因而能形成大量的空間電荷，有效拓寬了電暈窗口，同時(shí)也影響了二次電流的大小。因此電負(fù)性氣體含量的變化會(huì)對(duì)除塵器的電離特性產(chǎn)生影響。

試驗(yàn)采用的氣體為模擬高爐煤氣，主要成分為CO：25%～30%，CO2：9%～12%，N2：55%～ 60%，H2：1.5%～3.0%，O2：0.2%～ 0.4%。電負(fù)性氣體主要為CO2、CO和O2。

圖7 為4 種壓力條件下的試驗(yàn)結(jié)果，其余壓力下規(guī)律與之類似。分析可知，空氣相比煤氣區(qū)別明顯，空氣電離特性更好，可獲得更高電暈電壓。煤氣成分變化的總體對(duì)比規(guī)律性不強(qiáng)，主要原因來自于煤氣組分1 至組分8 的電負(fù)性氣體的體積占比變化幅度太小，CO2的3 種濃度分別為9%、11.5%和12%，CO 分別為25%、27.5% 和30%，O2分別為0.2%、0.3%和0.4%，濃度變化幅度不足以在放電特性變化上體現(xiàn)出來，只有組分5 在幾乎所有對(duì)比圖中表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，相比其余組分氣體更易擊穿，曲線最靠左，也與組分5 的CO2這一主要電負(fù)性氣體的濃度最低相符合。

圖7 氣體組分對(duì)伏安特性曲線的影響

因此，要完全對(duì)比體現(xiàn)出各氣體成分對(duì)放電特性的影響，需脫離高爐煤氣實(shí)際濃度范圍的限制，放大各成分尤其是電負(fù)性氣體的濃度參變量變化幅度，以離子遷移率為評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，方可得到顯著性定量結(jié)論。

3 結(jié)論

通過氣體電離特性試驗(yàn)，掌握了空氣、高爐煤氣的電離特性規(guī)律與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，修正了該領(lǐng)域在低氣壓下試驗(yàn)所得到的結(jié)論，獲得了新的規(guī)律。其主要結(jié)論如下。

（1）氣體壓力對(duì)電離特性影響顯著，隨著氣體壓力的提升，伏安特性曲線右移，起暈電壓和擊穿電壓均增大。擊穿電壓隨氣體壓力單調(diào)遞增，低氣壓段基本呈線性關(guān)系，高氣壓段增速顯著放緩，呈指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系。

（2）氣體溫度升高，伏安特性曲線左移，擊穿電壓與擊穿電流均下降。氣體成分對(duì)電離特性有一定影響，且對(duì)電壓的影響相較電流更為顯著。

（3）煤氣相比于空氣電子附著性弱，離子遷移率大，總體伏安特性曲線左移。