热湿交换对静电场对细颗粒物作用机制研究

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面对日益严格的颗粒物排放标准,湿式水膜静电除尘技术得到广泛应用。湿式水膜静电除尘器极板表面连续流动的水膜将极板表面沉积的颗粒冲刷至灰斗。湿式水膜静电除尘器所处理的烟气成分复杂、温/湿度范围广。配套无组织尘排放源的工业用静电除尘器(20~200℃,不饱和);配套湿法脱硫系统的湿式静电除雾器(50~80℃,饱和);用于干式静电除尘增效的错流式干湿耦合静电除尘器(80~150℃,不饱和)。在温/湿度场、流场和静电场的耦合作用下收尘极板表面水膜和烟气间同时进行传热和传质过程,放电空间内形成一非均相分布的温/湿度场。非均相分布的温/湿度场作用下,静电场内电晕放电、颗粒物荷电、迁移和沉积规律发生改变。  鉴于此,本文主要以湿式柔性水膜极板静电除尘器为研究对象,采用试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法对静电场、温度场、湿度场等多场耦合作用下收尘极板表面液膜内水分的迁移,空间温/湿度场的分布及演变规律,非均相分布温度/湿度场对电晕放电及颗粒物荷电、改性、受力、迁移、沉积规律的影响等问题展开研究。主要研究工作及取得的成果如下:  1)围绕着干式和湿式水膜极板静电场中极板表面电晕电流密度分布的差异,从烟气湿度和极板表面液膜两方面对静电场中电晕放电特性进行了试验研究。定量分析了不同极配参数下干式和湿式水膜极板表面电晕电流密度的差异。同时利用Comsol Multiphysics仿真软件对干式碳钢和湿式水膜极板静电场内电晕放电过程进行数值模拟,着重考察了极板表面液膜对电晕放电过程中电场强度、温度和粒子(电子、离子)浓度的影响。结果表明,烟气湿度增加,静电除尘器的工作电压窗口增大。湿式水膜极板静电场的电晕电流比干式极板静电场高50~80%。湿式水膜极板与干式极板表面电晕电流密度比δ与电晕电流密度分布呈正相关关系。极板表面区域不同,电晕电流密度比δ不同(1<δ<3)。极板表面液膜使极板表面电晕电流密度分布变得不均匀。湿式水膜极板静电场中的电场强度和电子温度均大于干式极板静电场,放电区域内的粒子密度(电子、离子)约为干式极板静电场的2倍;  2)围绕静态静电场中收尘极板表面液膜的失重规律展开研究,考察了极配形式及液膜属性等参数对极板表面液膜蒸发特性的影响并提出了适用于直流静电场的液膜蒸发模型。在此基础上,着重研究了静电场、温度场、速度场耦合条件下的液膜失重规律并分析了多场协同作用下液膜失重的主导因素。结果表明,直流静电场中极板表面液膜中水分子被极化,离子风冲击液膜表面,提高了液膜与烟气间的热质交换速率,液膜蒸发为一等速蒸发过程。液膜添加溶质,蒸发速率受到抑制,液膜蒸发分为等速和降速两个过程,气液接触面首先析出晶体。静电场和流场相互耦合,提高了烟气的湍流强度。温度场提高了分子动能,温度场和静电场耦合作用下的液膜蒸发速率大于单场直接叠加后的蒸发速率。低温度和低流速时,外加静电场对烟气与湿极板表面间热质交换速率的提高更加显著;  3)分析了颗粒物在干式和湿式水膜极板静电场中的荷电和荷电颗粒在收尘极板表面堆积形貌、粒径分布特性。以电子在沉积颗粒间的迁移传递过程为基础,分析了湿式水膜极板表面颗粒沉积、长大及脱落机理,明确了极板表面液膜在颗粒物荷电、堆积和脱落过程中的作用。结果表明,极板表面液膜对颗粒物的荷电过程具有促进作用,尤其对以扩散荷电为主导机制的颗粒物(Di<0.1μm)荷电量的提升效果更明显。静电除尘器实现了颗粒物的分级脱除,同一位置处(L=200cm),湿式水膜极板表面沉积颗粒物中PM2.5的含量大于干式极板(77.32%干式、80.09%湿式),极板表面液膜提高了静电场内颗粒物的沉积效率。干式极板表面颗粒堆积形貌、粒径分布与极板表面电晕电流密度分布一致;湿式水膜极板表面堆积的颗粒呈无规则的散点球状分布;  4)研究了烟气与湿式水膜极板表面热湿交换过程中,静电场内温/湿度场的分布及演变规律、出口烟气中颗粒物的粒径分布和静电场内颗粒物的脱除特性,明确了热湿交换过程对静电场中颗粒物的作用机制。同时,以出口烟气中团聚体的表面微观形貌为基础,探讨了颗粒物在烟气中水作用下的团聚模型及发展机理。研究结果表明,静电场作用下,极板表面液膜中水分子蒸发趋中运动与带电水合离子趋壁运动相互矛盾,湿度场重新分布,放电空间中湿度场浓淡分离。热湿交换过程中,烟气中亚微米颗粒物(Di<0.1μm)的数量浓度降低,微米级颗粒物(Di>1μm)的数量浓度上升,颗粒物在水分子的作用下团聚并长大。低热湿交换速率时,颗粒物间团聚形式主要以细颗粒物间相互黏附和细颗粒物黏附粗颗粒物为主,形成的团聚体尺寸较小(Di≈1μm);高热湿交换速率时,低热湿传递速率下形成的团聚体进一步团聚,团聚体尺寸较大(Di≈3μm),同时粗颗粒间开始相互黏附并形成团聚体。
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