高温电晕放电机理及粉尘比电阻特性研究

摘要

高温静电除尘由于其压力损失小、除尘效率高、适应性强等诸多优点是一种极具前景的高温工业烟气净化技术。本文针对影响高温静电除尘器高效稳定运行的两个关键因素（高温电晕放电规律和高温粉尘比电阻特性）开展研究，通过实验与理论相结合的方法分析了温度对气体电离放电的影响机理，揭示了高温下粉尘比电阻的变化规律，并研究了高温下电晕放电与比电阻对颗粒静电捕集特性的共同影响机制。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了293K~1073K下电晕放电规律，获得了各温度下放电电流与起晕/击穿电压，发现高温下放电电流急剧增大。通过相同气体密度下高温常压放电实验与低压常温放电实验的对比，提出了温度除了通过分子自由程来影响电晕电流外，高温下还存在额外的高温效应电流△It，973K高温实验电流密度为3.095mA/m2，而相同气体密度下30.9kPa低压实验电流密度仅为1.619mA/m2。通过饱和离子电流的计算分析，发现高温下主要来源于电子电流，873K、973K温度下分别高达79.5％和94.1%。随着温度升高，起晕与击穿电压之间的稳定电晕区间逐渐减小，高温电晕放电更易击穿，当温度从293K升高至873K，异极距35mm时稳定电晕区间从14kV下降至6.8 kV。实验研究发现通过增大异极距或使用光杆/螺旋电极代替锯齿电极可提高高温放电稳定性，并扩大高温电晕操作电压范围。⑵设计搭建了高温可变气氛粉尘比电阻测试装置，研究了293K~1073K范围内温度对粉尘比电阻的影响规律。从全国多行业搜集飞灰50余种，对各飞灰的化学组分、粒径分布、形貌特征及比电阻进行了测试分析，分析对比了不同行业飞灰比电阻的典型特征。重点研究了飞灰各化学元素在飞灰颗粒导电中的作用机制，发现飞灰比电阻与Fe、K、Na原子数量呈负相关性，而与Ca原子数量呈正相关性。提出了碱金属元素和铁元素为比电阻的敏感化学元素，高温下飞灰颗粒内部导电主要由碱金属阳离子作为电荷载体，而Fe3O4通过改变颗粒内部原子的排列结构来影响电荷载体的数目或迁移速度。在此基础上，采用数据统计分析方法建立了293K~1073K温度范围内飞灰比电阻预测模型，并进行了模型准确性分析，结果显示实验比电阻值与模型预测值的相对误差小于10%的数据点占92.3%，模型预测准确性较高，最终形成了飞灰比电阻随其化学组分及温度变化的系列关系图谱。⑶选取燃煤电站/水泥窑尾/玻璃炉窑飞灰作为典型的中/高/低比电阻粉尘，研究了373K~823K下温度及比电阻对颗粒静电脱除特性的共同影响机制。发现随着温度升高，电晕放电特性及粉尘比电阻均发生显著变化，使得颗粒静电脱除效率随之变化，温度453K时，水泥窑尾粉尘比电阻高达1.75×1013Ω·cm，其脱除效率仅为88.95%，低于燃煤电站/玻璃炉窑飞灰的97.05%和96.07%；温度升高至793K时，由于高温击穿电压减小，燃煤电站和水泥窑尾飞灰脱除效率分别从403K时的95.9%、95.0%下降至89.92%、83.74%，然而玻璃炉窑飞灰由于793K时其比电阻仅为1.12×105Ω·cm，导致其脱除效率大幅下降至65.91%。最后探索了高温下静电除尘器粉尘极限排放浓度，并通过实验证明了粉尘极限排放浓度与进口浓度无关，而与比电阻关系密切，793K下燃煤电站、水泥窑尾和玻璃炉窑飞灰极限排放浓度分别为6.24mg/m3、8.07mg/m3、14.05mg/m3。

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符号列表

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2高温除尘研究进展

1.3影响高温静电除尘的关键因素

1.4本文研究内容与技术路线

第二章 高温负直流电晕放电特性

2.1引言

2.2电晕放电实验系统

2.3温度对放电机制的影响规律

2.4高温电晕稳定性强化机制研究

2.5本章小结

第三章 高温电晕放电电流的形成机制

3.1引言

3.2高温电晕电流组成

3.3相同气体密度下高温与低压放电实验

3.4电场强度对高温效应电流的影响规律

3.5不同气体成分中高温电晕放电特性

3.6本章小结

第四章 温度及粉尘性质对比电阻影响的实验研究

4.1引言

4.2高温可变气氛粉尘比电阻测试系统

4.3粉尘层导电机理

4.4粉尘性质对比电阻影响的实验研究

4.5本章小结

第五章 宽温度范围粉尘比电阻预测模型与谱图

5.1引言

5.2比电阻实验值与典型预测模型对比

5.3宽温度范围粉尘比电阻预测模型

5.4比电阻随温度/化学成分变化关系谱图

5.5本章小结

第六章 温度及粉尘比电阻对静电除尘的共同影响机制

6.1引言

6.2高温静电除尘实验系统

6.3颗粒物在线测量方法

6.4温度对颗粒脱除效率的影响

6.5粉尘比电阻对静电除尘的影响

6.6高温静电除尘器粉尘极限排放浓度

6.7本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2 创新点

7.3进一步工作展望

参考文献

作者简历

作者攻读博士学位期间发表的主要学术论文

攻博期间曾获奖励

参加的科研项目