稀土钨热电子发射式高温静电除尘器阴极特性和除尘性能

发布时间：2020-06-18 23:51

【摘要】：稀土钨热电子发射式高温静电除尘器借助阴极的电子发射性能使气体电离,在较低的工作电压下就可以使粉尘充分荷电,从而实现有效的高温除尘。本文主要围绕这一技术进行实验和理论的探索,为其研究和发展提供实验依据和理论基础。本文制备了应用于热电子发射式静电除尘器中的单元和二元稀土钨阴极材料：La-W,Ce-W,Y-W,La-Ce-W, La-Y-W,和Ce-Y-W。为了分析其在高温静电除尘器中的伏安特性和损耗机理,分别构建实验系统,并在不同温度、电压、气压和环境气氛进行了变工况实验研究。为了讨论稀土钨热电子发射式高温静电除尘性能,首先在DR2-1000型高温比电阻试验仪上实验研究了673～1273 K温度下的飞灰比电阻；其次,构建了单区和双区管式除尘系统,通过改变除尘实验工况,获得了影响除尘效率的主要因素和变化规律；最后,借助COMSOL Multiphysics和ANSYS软件,对整个除尘过程中的气体电离、粉尘荷电和荷电颗粒的捕集分别进行了计算和模拟。通过实验和理论研究,主要获得了以下结果：稀土钨材料La-W、Ce-W和Y-W的有效逸出功分别为2.88、3.09和3.01 eV。当温度高于1173 K时,稀土钨阴极静电除尘器工作电压比传统静电除尘器低。稀土钨阴极的伏安特性受到电压、温度、气氛、环境压力的影响,稀土钨阴极和阳极之间的发射电流密度与温度和加载的电压成正比。当温度在1073、1173 K时,发射电流密度的大小受气氛的影响为：N2C02空气。随着温度的升高,不同环境气氛下的伏安特性区别较小。工作温度、电压和负压共同影响,使发射电流密度呈现出不同的变化趋势。稀土钨阴极在二氧化碳气氛和微氧气氛中工作,表面生成了致密的蓝钨,并阻止了反应的进-步发生。在含氧气氛中,表面的钨被氧化成三氧化钨并挥发,同时表面的稀土元素蒸发损失,共同造成了材料的损耗。阴极的工作寿命受到温度和氧浓度的显著影响。在1073K,含氧5%气氛中,稀土钨材料的理论工作时间大于6000个小时。飞灰在高温(673～1273 K)下,比电阻随着温度的升高而降低,变化的趋势符合Arrhenius方程。粉尘的粒径分布影响着比电阻值,但是随着温度的升高,体积导电起主要作用。体积导电主要受化学成分的影响,特别是碱元素和铁,它们的存在显著降低粉尘比电阻。单区管式稀土钨热电子发射式高温静电除尘系统的变工况除尘实验研究结果显示,提高电压总体上可以显著增加除尘效率。在1073、1173 K温度下,当电压大于4000 V时,除尘效率可以达到90%以上。温度的升高提高了除尘效率,但当温度高于1173 K后,温度增加对除尘效率的提高作用并不明显。入口粉尘浓度的增加降低了除尘效率,当其大于55 g/Nm3时,1000 V的电压下,除尘效率不足10%。除尘器极间距由16.2 mm增加至22.6mm时,相同工况下除尘效率均发生了下降。除尘效率随荷电区长度的增加而增大,当电压高于3500 V时,增大荷电区长度对提高除尘效率的作用并不明显。双区管式除尘系统的实验结果显示,温度、荷电电压、收尘电压的增高均使除尘效率增加。除尘系统在高温下所需要的工作电压较低,对于粒径大于10 μm的颗粒捕集效果较好,设置合理工况,除尘效率可以达到95%以上。线管式稀土钨阴极和阳极间气体电离的数值模拟结果显示,空气气氛中由于稀土钨阴极的电子发射性能,大量从材料表面逸出的自由电子参与到电离倍增的过程,在阴极附近使空气发生电离,在壁面处形成一个较高离子浓度的区域,而在远离电极的区域中电荷密度的变化较为平坦。离子密度普遍达到1014个/m3以上。温度的升高和电压的增加使得高离子浓度的区域扩大。增大阳极半径,阴极和阳极之间的发射电流密度随之降低,在高温下下降趋势更加明显。由于热电子发射式高温除尘工作温度较高,而工作电压却较低,因此粉尘的荷电主要依靠扩散荷电,随温度的升高,颗粒的荷电量也随之增加。粉尘的荷电量随着径向长度的增加而减小,减小的速度逐渐减慢。对管式热电子发射式高温静电除尘器中,荷电颗粒沿着除尘器通道捕集效率的计算结果表明：1073 K时,电压为2000 V,入口气体流速为1.5 m/s时,除尘器对1μm的颗粒收集效率不足50%,对10μm的颗粒捕集效率可以达到70%以上。当温度从1173K升高至1273 K时,进入除尘器ID为4的时候,粒径大于5 μm的颗粒被全部捕集。针对入口粉尘为Rosin-Rammler分布的计算结果表明,除尘效率总体上随电压的增大而提高。降低入口流速和延长除尘器的长度都将提高除尘效率,但当温度大于1273 K时,除尘效率受到入口流速和除尘器长度的影响较小,可以维持较高的捕集效率。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X701.2

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