麦电网讯：研究了粉尘预荷电与荷高压导电多孔陶瓷管耦合的除尘新技术。该技术首先通过设置直流负电晕(-20kV)的预荷电器对粉尘进行荷电,再使含尘气体穿过荷载高压负电(-5000V)的导电多孔陶瓷管的管壁而进行过滤除尘。结果表明,该技术降低了导电多孔陶瓷管除尘过程的气体压降。

在相同除尘时间(60min)内比较,该技术的粉饼压降(787Pa)仅为无荷电条件下粉饼压降(4300Pa)的0.183倍;在相同粉饼质量(1000g)的情况下比较,该技术的粉饼压降仅为无荷电条件下40min粉饼压降(2747Pa)的0.286倍。这很可能是因为粉尘荷电导致的颗粒间斥力使粉饼更加疏松,而且导电多孔陶瓷管荷载与粉尘相同的电荷,两者结合松散,减小了过滤过程中的气体压降。该技术有望显著降低工业多孔陶瓷管除尘过程的气体压降,并延长其再生周期。

大气灰霾污染已经成为我国当前环境治理领域最为紧迫的重要议题,工业尾气直接导致的颗粒物排放已经成为控制工业污染源一次颗粒物污染的重中之重,因此亟待开发高效、低阻的含尘气流净化技术。目前,惯性除尘、湿法除尘、电除尘、布袋除尘和电-袋复合除尘都在工业除尘领域发挥着作用。

其中,惯性除尘很难去除粒径低于2.5μm的颗粒,且二次扬尘明显;湿法除尘无法用于高温尾气且会产生除尘废水和灰泥,应用范围有限;电除尘工艺气体压降极小、稳定可靠,但粉尘的电阻率过高或过低都严重影响其除尘效果,此外由于荷电机制的限制,电除尘过程对于粒径2.5μm左右粉尘的去除效果不佳;

布袋除尘是过滤精度最高、除尘效果最可靠的除尘工艺之一,但布袋除尘气体压降大、设备动力能耗高,且纤维布袋很难耐受高温、含有腐蚀性或含有火星的气体;

电-袋复合除尘是目前最可靠和最广泛应用的除尘方案,随着我国目前对于工业粉尘排放浓度限值的日益降低,电-袋复合除尘表现出了很强的技术优势和市场竞争力,然而其布袋除尘工段同样不能耐受高温、腐蚀性等苛刻工况。因此，开发一种能耐受恶劣除尘工况的除尘工艺在我国目前的除尘技术领域具有一定的意义。

利用多孔陶瓷管取代布袋进行除尘可以显著扩展该除尘技术在耐热和耐腐蚀方面的工业应用范围。多孔陶瓷管具有优异的稳定性和耐酸碱性，使过滤除尘在很多恶劣工况下的使用成为可能，尤其在净化需要余热回收的工业废气和回收有色冶金工业废气中的有价粉尘方面表现出独到的技术优势和竞争力。

然而，多孔陶瓷管的气体压降较大，且随着“除尘—再生”的循环往复，多孔陶瓷管的气体压降不断增大，导致再生周期变短，最终多孔陶瓷管因阻塞而报废，其原因在于粉尘中的微小颗粒钻入多孔陶瓷管的过滤孔道中并不断积累。

为了将多孔陶瓷管充分再生，往往需要施加较大压力的反吹再生气流，这增大了多孔陶瓷管破裂的风险，因此多孔陶瓷管往往壁厚较大以提供较高的耐反吹机械强度，而这也提高了多孔陶瓷管的成本。

为解决上述问题，很多研究人员构思引入静电力进行外场强化以降低多孔陶瓷管表面的粉饼压降，并限制粉尘进入多孔陶瓷管的微细孔道。本研究提出了粉尘预荷电与荷高压导电多孔陶瓷管耦合的除尘新技术，该技术方案如图1所示。

图1粉尘预荷电与荷高压导电多孔陶瓷管耦合技术方案示意图

首先，通过预荷电器对气流中的粉尘进行荷电，然后使含尘气流通过导电多孔陶瓷管的壁面进行过滤除尘，通过外部高压电源对导电多孔陶瓷管表面荷载高电压，其电性与粉尘所荷载的电性相同，同性电荷的推斥作用使粉尘不能进入导电多孔陶瓷管的微细过滤孔道，而且粉尘之间的电荷斥力使粉尘颗粒之间疏松堆积，有望降低除尘气体压降并提高导电多孔陶瓷管的再生周期。

1实验部分

1.1实验装置

为了研究技术方案的可行性，设计加工了耦合了粉尘预荷电和荷高压导电多孔陶瓷管的新型除尘实验装置（见图2），经风机输送的气流携带经压缩空气喷吹分散的粉尘进入卧式线管状预荷电器。预荷电器电晕极为外套弹簧的圆丝（直径2mm），其上荷载直流高压负电；外部圆管直径12cm，长度1m，良好接地；

图2新型除尘实验装置示意图

通过电晕极和外部圆管之间的电场对粉尘进行预荷电。经预荷电器处理后的含尘气流进入立式圆筒状除尘室中，除尘室设置7根导电多孔陶瓷管（管长1.5m，管外径6cm），通过绝缘层使导电多孔陶瓷管和花板之间绝缘，导电多孔陶瓷管由直流负高压电源供电，在稳定的尘浓度和气流流量下进行除尘实验，获得气体压降随除尘时间的变化曲线。

1.2实验过程

当除尘气布比为2.5m/min、气体流量为300Nm3/h、尘质量浓度为6667mg/Nm3时，实验中选择4种实验条件：

(1)在关闭预荷电器、导电多孔陶瓷管不荷电的条件下，记录实验过程中气体压降随除尘时间的变化情况;

(2)开启为导电多孔陶瓷管供电的高压电源，使导电多孔陶瓷管表面荷载直流-5000V电压，其他条件与(1)相同;

(3)开启预荷电器(电晕极工作电压：直流-20kV)，关闭为导电多孔陶瓷管供电的高压电源，其他条件与(1)相同;

(4)开启预荷电器(电晕极工作电压：直流-20kV)，同时导电多孔陶瓷管表面荷载直流-5000V电压，其他条件与(1)相同。

除尘过程持续1h，实验结束后打开除尘室人孔，观察粉末形貌，而后采用0.5MPa的压缩空气反吹再生一次，从除尘室下部的灰斗中卸出粉体并称量。

1.3实验粉体材料表征

实验中选择经雷蒙磨粉碎处理的堇青石粉体为实验粉体，实验前堇青石粉体在100℃下烘干12h粉体的粒度分布采用马尔文Mastersize2000型粒度仪分析获得，其结果见图3。

图3堇青石粉体的粒度分布曲线

堇青石粉体D10(累计粒度分布体积分数达到10%时所对应的粒径)为1.08μm，D50(累计粒度分布体积分数达到50%时所对应的粒径)为4.60μm，D90(累计粒度分布体积分数达到90%时所对应的粒径)为14.40μm，体积平均粒径为7.62μm，表面积平均粒径为2.53μm。

图4堇青石粉体的扫描电子显微镜照片

图4为JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜获得的堇青石粉体的微观照片。由图4可知，堇青石粉体颗粒表现出了经机械粉碎后的粉体常见形貌：具有尖锐的棱角和不规则的外形，其颗粒尺寸分布很宽，在视野中大多数颗粒处于2～10μm，但也存在小于1μm的微细颗粒。该结果和粒度分析获得的信息一致。

图5堇青石粉体的X射线衍射谱图

图5为Smartlab(9)型X射线衍射分析仪得到的堇青石粉体的X射线衍射谱图。由图5可知，样品的X射线衍射谱图中出现了标准堇青石晶体的衍射峰，说明粉末样品为较纯净的堇青石。

2结果和讨论

2.1无荷电条件下的除尘过程研究

预荷电器和导电多孔陶瓷管均不荷电，实验过程的气体压降和除尘时间的关系曲线如图6所示

图6无荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线

由图6可见，在除尘过程开始时，气体压降初始为1231Pa，在保持实验过程气体流量300Nm3/h的情况下气体压降随着除尘过程不断上升，最终上升至5500Pa左右，约增加了4300Pa。

可知，在实验气体流量下，本实验产生的堇青石粉饼较致密，气体压降较大且上升较快。在实际的工业除尘中，如此巨大的堇青石粉饼阻力必然导致频繁的反吹再生，这对连续稳定的除尘操作是非常不利的。

此外，在一般的过滤性除尘的过程中，过滤组件的气体压降随除尘时间的变化往往是先线性升高而后转变为指数函数急剧上升，从图6来看，该除尘过程尚未进入气体压降指数上升的阶段，但其气体压降已高达5500Pa左右，因此利用普通的过滤收尘来处理实验中的堇青石粉体是难以长期稳定运行的。

除尘结束后，利用0.5MPa的压缩空气对导电多孔陶瓷管进行反吹再生，反吹脱落堇青石粉体经灰斗排出后称量，其质量为1500g，而预荷电器的水平直管段则清理出大约500g堇青石粉体，两者之和为2000g，与实验的堇青石粉体进料量一致。

2.2预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下除尘过程研究

预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线见图7。

图7预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线

由图7可知，该除尘过程和图6非常类似，气体压降在60min内从1220Pa上升至5400Pa左右。可见，单独给导电多孔陶瓷管荷电并不能为除尘过程带来明显的改善，其原因在于堇青石粉体电阻很高，很难在接触到-5000V电压的导电多孔陶瓷管表面时被荷电，因此粉尘颗粒在导电多孔陶瓷管表面的沉积几乎和没有荷电的情况完全相同，仅对导电多孔陶瓷管荷电不能对高电阻粉体的过滤去除产生明显促进作用。和无荷电条件下相同，本实验后反吹再生所得堇青石粉体约为1500g。

2.3预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下除尘过程研究

预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线见图8。

图8预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线

由图8可见，由于预荷电器的使用，除尘过程的气体压降显著降低，仅由初始的1218Pa上升至最终的2814Pa，约上升1600Pa，堇青石粉饼透气性能明显改善，原因在于携带同种电荷的粉尘颗粒间由于显著的静电排斥力，使粉尘形成疏松多孔的粉饼层，非常有利于含尘气体通过，其气体压降明显减小。

对导电多孔陶瓷管反吹再生后可知，堇青石粉体质量约1000g，少于无荷电、预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下的堇青石粉体质量(1500g)，原因在于预荷电器开启时部分堇青石粉体因电沉降的机制被预荷电器捕捉，此外由于除尘室的外筒体接地，一部分带负电的粉尘沉降在除尘室的外筒壁上，所以沉积在导电多孔陶瓷管表面的粉尘量减少。

在无荷电、预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下的实验过程中，由于堇青石粉饼质量随除尘时间线性增加，可以推断堇青石粉饼质量在除尘进行到40min时增加至1000g，在无荷电条件下，40min气体压降为3978Pa(见图6)，40min粉饼压降则为3978-1231=2747Pa，为预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下粉饼压降(1600Pa)的1.72倍。

在预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下，40min气体压降为3729Pa(见图7)，40min粉饼压降则为3729-1220=2509Pa，为预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下粉饼压降的1.57倍。因此，推断即使在粉饼质量相同的前提下比较，预荷电器的使用显著增加了粉饼的疏松程度、降低了气体压降。

2.4预荷电器开启-导电多孔陶瓷管荷电条件下除尘过程研究

预荷电器开启-导电多孔陶瓷管荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线见图9。

图9预荷电器开启-导电多孔陶瓷管荷电条件下气体压降和除尘时间的关系曲线

由图9可见，除尘过程的60min内，气体压降从初始的1257Pa上升到2044Pa，仅上升了787Pa，为无荷电条件下粉饼压降(4300Pa)的0.183倍，其原因除了粉尘颗粒荷电后互相排斥而导致粉饼疏松以外，还包括导电多孔陶瓷管和荷载粉尘因静电力而互相推斥，使粉饼与导电多孔陶瓷管之间的结合松散，所以形成的粉饼压降进一步减小。

因此，对粉尘进行预荷电和利用荷电的导电多孔陶瓷管来推斥带电粉尘都可提高粉体的过滤性能，其中前者的效果更加明显。

除尘实验结束后对导电多孔陶瓷管反吹再生，所得堇青石粉饼质量同样为1000g。在相同堇青石粉饼质量(1000g)的情况下，粉饼压降仅为无荷电条件下40min粉饼压降(2747Pa)的0.286倍，仅为预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下40min粉饼压降(2509Pa)0.314倍。

因此，可以推断使用粉尘预荷电技术，并在导电多孔陶瓷管表面荷载与粉尘相同电性的高电压，可显著提高粉尘的滤过性能，即使在2.5m/min的高气布比下也同样能获得高效、稳定和长时间的除尘效果。

2.5不同实验条件下粉饼形貌的比较

不同实验条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼层的形貌见图10。

图10不同实验条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼层的形貌

无荷电条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼光滑平整(见图10(a))，很可能因为粉饼层较致密，其气体压降较高，不利于后续的过滤。预荷电器关闭-导电多孔陶瓷管荷电条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼和无荷电条件下的情况非常接近，堇青石粉饼同样平滑致密(见图10(b))，说明仅给导电多孔陶瓷管荷电不能对除尘过程带来明显改善。

预荷电器开启-导电多孔陶瓷管不荷电条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼明显表现出了粗糙的表面形貌(见图10(c))，这很可能因为粉尘颗粒间的静电推斥作用导致颗粒堆积不规则，产生了相对疏松的粉饼。

预荷电器开启-导电多孔陶瓷管荷电条件下导电多孔陶瓷管表面堇青石粉饼表面类似海绵的凹凸和花纹更加明显(见图10(d))，这可能因为粉饼在粉尘荷电与导电多孔陶瓷管荷电这两个因素的共同作用下更加疏松多孔，所以气体压降更低，利于除尘过程的进行。可知，导电多孔陶瓷管表面粉饼层的形貌与粉体颗粒是否荷电具有高度的相关性。

3结语

研究了采用预荷电器对粉尘进行荷电、同时向导电多孔陶瓷管荷载高电压这两个技术手段对多孔陶瓷管过滤除尘过程的促进作用。研究发现，在2.5m/min的气布比下，使用以上两项促进技术时，60min内除尘模块的粉饼压降从无电荷条件下的4300Pa左右降低至仅787Pa，降低了81.7%;在相同堇青石粉饼质量(1000g)的情况下比较，粉尘预荷电与荷高压导电多孔陶瓷管耦合的除尘新技术方案下的粉饼压降仅为无荷电条件下40min粉饼压降的0.286倍。

该显著促进作用可能的原因在于：(1)粉尘颗粒之间因电荷相同而存在显著斥力，形成的粉饼层较疏松，气体压降较小，利于进一步收尘；(2)导电多孔陶瓷管表面荷载与粉尘颗粒相同性质的电荷，使两者间发生明显的推斥作用，使粉饼层与导电多孔陶瓷管表面的结合松散，除尘模块的气体压降进一步减小。

可见，粉尘预荷电与荷高压导电多孔陶瓷管耦合的除尘新技术有望显著提高多孔陶瓷管过滤除尘操作的气布比，同时大大降低其气体压降并延长反吹再生周期，这对提高多孔陶瓷管除尘技术的市场竞争力具有重要意义。