【摘要】：稀土鎢熱電子發(fā)射式高溫靜電除塵器借助陰極的電子發(fā)射性能使氣體電離,在較低的工作電壓下就可以使粉塵充分荷電,從而實(shí)現(xiàn)有效的高溫除塵。本文主要圍繞這一技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論的探索,為其研究和發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。本文制備了應(yīng)用于熱電子發(fā)射式靜電除塵器中的單元和二元稀土鎢陰極材料：La-W,Ce-W,Y-W,La-Ce-W, La-Y-W,和Ce-Y-W。為了分析其在高溫靜電除塵器中的伏安特性和損耗機(jī)理,分別構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并在不同溫度、電壓、氣壓和環(huán)境氣氛進(jìn)行了變工況實(shí)驗(yàn)研究。為了討論稀土鎢熱電子發(fā)射式高溫靜電除塵性能,首先在DR2-1000型高溫比電阻試驗(yàn)儀上實(shí)驗(yàn)研究了673～1273 K溫度下的飛灰比電阻；其次,構(gòu)建了單區(qū)和雙區(qū)管式除塵系統(tǒng),通過改變除塵實(shí)驗(yàn)工況,獲得了影響除塵效率的主要因素和變化規(guī)律；最后,借助COMSOL Multiphysics和ANSYS軟件,對(duì)整個(gè)除塵過程中的氣體電離、粉塵荷電和荷電顆粒的捕集分別進(jìn)行了計(jì)算和模擬。通過實(shí)驗(yàn)和理論研究,主要獲得了以下結(jié)果：稀土鎢材料La-W、Ce-W和Y-W的有效逸出功分別為2.88、3.09和3.01 eV。當(dāng)溫度高于1173 K時(shí),稀土鎢陰極靜電除塵器工作電壓比傳統(tǒng)靜電除塵器低。稀土鎢陰極的伏安特性受到電壓、溫度、氣氛、環(huán)境壓力的影響,稀土鎢陰極和陽極之間的發(fā)射電流密度與溫度和加載的電壓成正比。當(dāng)溫度在1073、1173 K時(shí),發(fā)射電流密度的大小受氣氛的影響為：N2C02空氣。隨著溫度的升高,不同環(huán)境氣氛下的伏安特性區(qū)別較小。工作溫度、電壓和負(fù)壓共同影響,使發(fā)射電流密度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。稀土鎢陰極在二氧化碳?xì)夥蘸臀⒀鯕夥罩泄ぷ?表面生成了致密的藍(lán)鎢,并阻止了反應(yīng)的進(jìn)-步發(fā)生。在含氧氣氛中,表面的鎢被氧化成三氧化鎢并揮發(fā),同時(shí)表面的稀土元素蒸發(fā)損失,共同造成了材料的損耗。陰極的工作壽命受到溫度和氧濃度的顯著影響。在1073K,含氧5%氣氛中,稀土鎢材料的理論工作時(shí)間大于6000個(gè)小時(shí)。飛灰在高溫(673～1273 K)下,比電阻隨著溫度的升高而降低,變化的趨勢(shì)符合Arrhenius方程。粉塵的粒徑分布影響著比電阻值,但是隨著溫度的升高,體積導(dǎo)電起主要作用。體積導(dǎo)電主要受化學(xué)成分的影響,特別是堿元素和鐵,它們的存在顯著降低粉塵比電阻。單區(qū)管式稀土鎢熱電子發(fā)射式高溫靜電除塵系統(tǒng)的變工況除塵實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示,提高電壓總體上可以顯著增加除塵效率。在1073、1173 K溫度下,當(dāng)電壓大于4000 V時(shí),除塵效率可以達(dá)到90%以上。溫度的升高提高了除塵效率,但當(dāng)溫度高于1173 K后,溫度增加對(duì)除塵效率的提高作用并不明顯。入口粉塵濃度的增加降低了除塵效率,當(dāng)其大于55 g/Nm3時(shí),1000 V的電壓下,除塵效率不足10%。除塵器極間距由16.2 mm增加至22.6mm時(shí),相同工況下除塵效率均發(fā)生了下降。除塵效率隨荷電區(qū)長(zhǎng)度的增加而增大,當(dāng)電壓高于3500 V時(shí),增大荷電區(qū)長(zhǎng)度對(duì)提高除塵效率的作用并不明顯。雙區(qū)管式除塵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,溫度、荷電電壓、收塵電壓的增高均使除塵效率增加。除塵系統(tǒng)在高溫下所需要的工作電壓較低,對(duì)于粒徑大于10 μm的顆粒捕集效果較好,設(shè)置合理工況,除塵效率可以達(dá)到95%以上。線管式稀土鎢陰極和陽極間氣體電離的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,空氣氣氛中由于稀土鎢陰極的電子發(fā)射性能,大量從材料表面逸出的自由電子參與到電離倍增的過程,在陰極附近使空氣發(fā)生電離,在壁面處形成一個(gè)較高離子濃度的區(qū)域,而在遠(yuǎn)離電極的區(qū)域中電荷密度的變化較為平坦。離子密度普遍達(dá)到1014個(gè)/m3以上。溫度的升高和電壓的增加使得高離子濃度的區(qū)域擴(kuò)大。增大陽極半徑,陰極和陽極之間的發(fā)射電流密度隨之降低,在高溫下下降趨勢(shì)更加明顯。由于熱電子發(fā)射式高溫除塵工作溫度較高,而工作電壓卻較低,因此粉塵的荷電主要依靠擴(kuò)散荷電,隨溫度的升高,顆粒的荷電量也隨之增加。粉塵的荷電量隨著徑向長(zhǎng)度的增加而減小,減小的速度逐漸減慢。對(duì)管式熱電子發(fā)射式高溫靜電除塵器中,荷電顆粒沿著除塵器通道捕集效率的計(jì)算結(jié)果表明：1073 K時(shí),電壓為2000 V,入口氣體流速為1.5 m/s時(shí),除塵器對(duì)1μm的顆粒收集效率不足50%,對(duì)10μm的顆粒捕集效率可以達(dá)到70%以上。當(dāng)溫度從1173K升高至1273 K時(shí),進(jìn)入除塵器ID為4的時(shí)候,粒徑大于5 μm的顆粒被全部捕集。針對(duì)入口粉塵為Rosin-Rammler分布的計(jì)算結(jié)果表明,除塵效率總體上隨電壓的增大而提高。降低入口流速和延長(zhǎng)除塵器的長(zhǎng)度都將提高除塵效率,但當(dāng)溫度大于1273 K時(shí),除塵效率受到入口流速和除塵器長(zhǎng)度的影響較小,可以維持較高的捕集效率。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X701.2

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本文編號(hào)：2720004