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在20世纪30年代，静电增强纤维过滤技术的研究结果[1-2]表明，粉尘荷电后，纤维过滤效率明显提升。然而，由于沉降在布袋表面的带电粉尘附着力较强，导致清灰较难。更严重的是，如果不能及时清除布袋上的带电粉尘，会造成布袋表面的电荷积累，发生反电晕烧袋现象[2-5]。所以历经数十年，静电增强纤维过滤未能得到推广应用。2005年，我国龙净环保有限公司开展了将电除尘器第一电场保留、后续电场改造为布袋除尘的工程实践[6-7]。这种“前电后袋”的电袋复合除尘技术在随后的工业应用中取得了较大成功[8-9]。随着理论与实验研究的深化，为提升静电增强作用，对荷电器的电极结构进行了许多改进，进而出现了前后分区式、多重分区式、嵌入式等多种形式的电袋复合除尘器[10-11]。
然而，到目前为止，电袋复合除尘器的粉尘荷电基本都是单极性的，清灰难和反电晕烧袋问题仍未得到有效解决。为此，提出双极荷电方法。双极荷电的优点是：1）带正电的粉尘和带负电的粉尘会相互吸引、碰撞而黏附凝并成较大的颗粒，有利于滤袋对细颗粒的捕集，提高除尘效率[12]；2）当双极荷电粉尘被滤料捕集时，因异极性带电粉尘的电荷中和，静电附着力减弱，易于清灰[13]，正是由于这种正负电荷的中和，能大幅度减少布袋表面的电荷积累，降低反电晕烧袋的可能。
双极预荷电方法源于静电凝并除尘[14-15]。在静电凝并除尘中，双极荷电通常采用2台极性相反的高压电源，在一组线板电极间施加正高压，极线电晕放电产生正离子，使粉尘带正电，而在另一组线板电极间施加负高压，极线电晕放电产生负离子，使粉尘带负电，然后正、负带电粉尘混合，产生静电凝并。显然，用2台高压电源实现双极荷电的供电系统复杂且不经济。2001年，向晓东等[16]提出单电源双极荷电方法，并得到工程应用[17]。因此，将单电源双极荷电方法引入到电袋复合除尘技术中，开展双极荷电器结构优化和双极荷电粉尘对滤袋电荷积累的影响研究，对提高电袋复合除尘器的除尘性能和运行可靠性具有重要意义。
1 装置与方法
1.1 实验装置
1.1.1 电极结构
荷电器的电极结构有线板式和线管式。从应用角度考虑，线管式荷电器优于线板式荷电器，因为管电极不易变形、有利于正负带电粉尘的混合，且重量轻、占用空间较小、加工制作简便[18]。故荷电器采用线管式电极结构。
线管电极中的电晕线分芒刺线和非芒刺线。芒刺电晕线具有放电强度高、起晕电压低及离子风强烈等优点，其中RS芒刺线的工业应用较普遍[19]，故实验选用RS芒刺线，芒刺线支撑圆管直径19 mm，芒刺尖端间距120 mm。
图1 单极荷电器的电极结构
Fig. 1 Electrode configuration of unipolar discharger
Fig. 1 Electrode configuration of unipolar discharger
图2 双极荷电器的电极结构
Fig. 2 Electrode configuration of bipolar discharger
Fig. 2 Electrode configuration of bipolar discharger
在图1中，所有的芒刺线接负高压，管电极接地，故只产生负电晕放电。但在图2中，每排电极中，既有芒刺线，也有管电极，如在第1排和第3排中，负高压芒刺线对接地管放电产生负离子，而在第2排和第4排中，接地芒刺线将对高压管电极放电产生正离子。因此，图2的电极结构能实现单电源双极电晕放电。
在图2中，只有中间2根芒刺电晕线放正电，而两侧有4根芒刺电晕线放负电，正离子与负离子的电量比大致是1:2左右，即空间正、负离子数量是非对称的。如果能用实验证明粉尘在非对称双极荷电情况下仍具有明显的滤料电荷积累消减作用，那么在粉尘对称双极荷电时，对滤料电荷积累的消减作用会更突出。
1.1.2 实验系统
实验装置系统如图3所示，包括发尘器、管道、荷电器、导电滤料、实验壳体、高压供电装置、风机等。实验壳体为有机玻璃，长1 m，断面积0.9 m2。荷电器的阴极框架和阳极框架按要求安装在实验壳体内，导电滤料面积0.9 m2。输出电压和电流直接在高压发生器的显示器上读出，风速调节通过变频器调节电机转速来实现，风速测定采用KA23风速仪，所有测试结果经2次重复实验后取平均值。实验室环境温度t=15～20 ℃，湿度H=70%～80%。
图3 实验装置系统流程图
Fig. 3 Schematic of experimental set-up system
Fig. 3 Schematic of experimental set-up system
所用测试仪器及设备见表1。
表1 测试仪器及设备
Table 1 List of instrument and equipment in experiments
Table 1 List of instrument and equipment in experiments
仪器及设备 | 型号 | 参数 |
负高压供电电源 | BGG60/5 | 60 kV/5 mA |
皮安表 | ZPA-1 | 20 μA |
发尘器 | 自制 | — |
热线式风速计 | KA23 | 0～5 m.s−1,0～50 m.s−1 |
1.2 实验方法
1.2.1 极配优化
电晕特性是影响荷电器性能的重要因素，在相同条件下，电晕电流越大，粉尘荷电效果越好，且电场不易发生击穿[23-24]，因此，通过对荷电器极配的优化获得高电晕电流是提高荷电器性能的有效途径。
影响线管电极电晕电流值的结构参数有管间距c、异极距b和管电极直径Φ，如图4所示。因为实验选用的RS芒刺线的芒刺尖端间距是120 mm，为保证较稳定放电，要求芒刺尖端与管电极等距对称，所以管电极间距c也为120 mm。于是，对线管荷电器电晕电流值影响的几何因素只有异极距b和管电极直径Φ。
图4 线管电极结构参数示意图
Fig. 4 Configuration parameters of wire-tube electrodes
Fig. 4 Configuration parameters of wire-tube electrodes
实验采用电晕电流最大化方法确定最佳异极距b，通过荷电器伏安特性确定管电极直径Φ。
1.2.2 滤料电量测定
为明确双极荷电方法对滤料电荷积累的抑制作用，分别采用双极荷电器和单极荷电器进行比较实验。直接测定滤料的电荷积累量是困难的。在此，采取测定带电滤料电流的方法，间接判定滤料电荷积累量[25]。
如图3所示，在荷电器后放置与实验壳体截面尺寸相同的银纤维导电滤料（滤料比电阻为1 Ω·cm），滤料背后用铁丝网作支撑，滤料通过皮安表接地。含尘气流经过荷电器后，荷电粉尘会随风流飘向下游，最终附着在滤料上，使滤料上的电荷逐渐累积。为确定滤料上的电荷积累量，用电流表测定滤料释放的电流，就可判断滤料电荷累积量的多少。
2 结果与讨论
2.1 极配优化
2.1.1 异极距
为确定最佳异极距b，先取管电极直径25 mm。实验选取平均电场强度2.5、2.75、3.0 kV·cm−1。分别在异极距为60、80、100、120、140 mm时测量对应的总电晕电流值I。用i=I/b表示空间电流密度，电流密度i越大，说明在给定的平均电场强度下放电效果越好，粉尘荷电越充分。
图5 不同场强下电流密度与异极距的关系
Fig. 5 Relation of current density and wire-tube distance under different field strength
Fig. 5 Relation of current density and wire-tube distance under different field strength
图5 不同场强下电流密度与异极距的关系
Fig. 5 Relation of current density and wire-tube distance under different field strength
Fig. 5 Relation of current density and wire-tube distance under different field strength
2.1.2 管径
为了确定最佳的管电极直径，选取直径为19、25、32 mm 3种不锈钢管，在相同电极结构下测定不同管径对电场伏安特性的影响，结果见图6。
图6 不同管电极直径荷电器的伏安（V-I）特性
Fig. 6 V-I characteristics of wire-tube discharger with different tube diameters
Fig. 6 V-I characteristics of wire-tube discharger with different tube diameters
图6 不同管电极直径荷电器的伏安（V-I）特性
Fig. 6 V-I characteristics of wire-tube discharger with different tube diameters
Fig. 6 V-I characteristics of wire-tube discharger with different tube diameters
在图6中，管径Φ25 mm和Φ32 mm的电晕电流值明显高于Φ19 mm，而Φ25 mm和Φ32 mm的电晕电流值相差不大，说明相同电压下，管径Φ25 mm和Φ32 mm能得到较大的电晕电流，有利于粉尘的充分荷电，因此，基于电晕电流最大化并考虑到节省钢材、降低成本，线管荷电器的管电极选取管径Φ25 mm较优。
2.2 滤料积累电量测定
由于实际粉尘试样（如锅炉飞灰）的粒径较粗，在低风速下极易沉降，较难随气流沉降到滤料表面。为使粉尘能顺利达到滤料表面，减少对比实验误差，实验采用中位径为3.5 μm硅微粉，粒度分布如图7所示。
图7 硅微粉粒度分布
Fig. 7 Particle size distribution of silicon powder
Fig. 7 Particle size distribution of silicon powder
实验流量定为560 m³·h−1，过滤风速0.17 m·s−1，入口粉尘浓度控制在700 mg·m−3左右，发尘时间6 min。荷电器外加电压为25～30 kV，测得单极和双极荷电器的伏安特性如图8所示，测得单极荷电器和双极荷电器下游滤料累积电荷产生的电流值如图9所示。
图9 粉尘单极荷电和粉尘双极荷电的滤料电流
Fig. 9 Current produced by unipolar and bipolar charged particles on fabrics
Fig. 9 Current produced by unipolar and bipolar charged particles on fabrics
结果表明，在外加电压为25～30 kV范围内，虽然双极荷电器的电晕电流值比单极荷电器高约2%～6%，由功率的计算式P=UI，双极荷电器的能耗约比单极荷电器的高约2%～6%，但双极荷电时滤料上的累积电荷量却比单极荷电时平均降低25%左右。这是因为随机沉降在滤料上的正电荷和负电荷的中和作用，导致滤料上的净电荷积累量减少，这无疑会有利于滤料的清灰，并能有效抑制因滤料表面电荷积累产生的反电晕烧袋现象。
3 结论
1）将单电源双极荷电方式引入到电袋复合除尘技术中，如果采用线管式双极荷电器，电晕线采用刺距120 mm的RS芒刺线，实验得出的较优极配为管电极直径25 mm、管间距120 mm、异极距80 mm。
2）实验研究表明，双极荷电对滤料电荷累积的消减作用明显。因此，电袋复合除尘器如果采取双极荷电方式，将有助于解决现有单极荷电方式导致滤袋电荷积累和带电粉尘清灰难问题。
3）虽然在电袋复合除尘中采用双极荷电方式有利于消减滤袋的电荷累积，但关于双极荷电方式对电袋复合除尘器的增效作用还有待深入研究。
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