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2024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER压力、温度和成分对气体放电特性的影响张娟1，何剑2，姚超坤2，于权茹2（1.中国重型机械研究院股份公司；2.西安理工大学，陕西西安 710048）【摘要】为深入准确掌握气体特征参数对其放电特性的影响，分别对线-管式及线-板式电场下气体压力、温度和成分对放电特性的影响进行了试验分析。结果表明气体压力增大，伏安特性曲线右移，在气体压力较低（0.08 MPa后基本呈对数关系或指数关系。由常压升至0.24 MPa，线-管式电场击穿电压提升30%40%，击穿电流下降约60%；而线-板式电场击穿电压上升50%左右，击穿电流变化不大。气体温度升高，伏安特性曲线左移。气体成分对电压的影响相较电流更显著，影响程度与其中电负性气体占比有关。【关键词】放电特性；压力；温度；气体成分【中图分类号】X701 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）01-0090-05 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Effect of Pressure,Temperature and Composition on Gas Discharge CharacteristicsZHANG Juan1,HE Jian2,YAO Chaokun2,YU Quanru2(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.;2.Xian University of Technology,Xian,Shaanxi 710048,China)【Abstract】In order to deeply and accurately understand the influence of the characteristic parameters of the gas on its discharge characteristics,the effects of gas pressure,temperature and composition on the discharge characteristics under the wire-tube and wire-plate electric fields were analyzed respectively.The results show that as the gas pressure increases,the volt-ampere characteristic curve shifts to the right,and the breakdown voltage is approximately linear with the gas pressure when the gas pressure is low(0.08 MPa.By increasing from atmospheric pressure to 0.24 MPa,the breakdown voltage of the wire-tube type electric field is elevated by 30%to 40%,and the breakdown current decreases by about 60%.Meanwhile,the breakdown voltage of the wire-plate type electric field rises by about 50%,and the breakdown current does not change much.As the gas temperature increases,the volt-ampere characteristic curve shifts to the left.The effect of gas composition on voltage is more pronounced than on current,and the magnitude of the effect is related to the proportion of electronegative gas in it.【Keywords】discharge characteristics;pressure;temperature;gas composition引言静电除尘是目前应用广泛且高效的除尘方法之一。在电除尘器运行过程中，烟气的温度、压力和成分等性质会影响电晕特性和粉尘比电阻，进而影响除尘效率，国内外学者先后在该领域开展了相关研究，取得了指导性成果1-10。高炉煤气作为高炉炼铁过程中副产的可燃气体，属典型的高温、高压、高尘多组分燃爆型气体。由于荒煤气含尘浓度高，易造成管道和燃烧设备堵塞，也易导致TRT转子的磨损、振动，降低其寿命，节能环保因此，进行高效除尘是高炉煤气良好利用的前提。高炉煤气除尘主要有湿法、布袋除尘和静电除尘 3 种工艺11。传统湿法净化系统存在着煤气压力低，污环水循环系统占地面积大，污染环境等缺点。相对于湿法除尘，干法除尘不仅简化了工艺，而且从根本上解决了二次污水和污泥的产生与处理问题，提高了煤气物理显热，TRT 发电量可提高30%12，因此，干法布袋除尘工艺逐渐成为了主流技术13-16，并在应用中取得了很好的效益，但实际运行过程中也暴露出了一系列问题，如布袋维修量大、寿命短、工人作业环境恶劣；布袋在正常工作温度范围90220 时，开炉、复风阶段粘袋现象严重17。相比之下，电除尘器则具有适应性强、使用寿命长、运行稳定、耐温高、阻力损失小、TRT 发电量高等优点18-19。为使静电除尘器在高炉煤气除尘中能更好应用，也为类似高温、高压多组分气体介质电离特性研究提供借鉴，通过采用单电场对压力、温度及成分变化对气体电离特性的影响规律进行系统试验研究，对该领域研究成果进行了完善与部分修正，为相关理论研究及工业应用提供了支撑。1 试验条件及方法1.1 试验装置与方法试验装置主要由高压电源、调温调压气体放电试验装置和配气系统组成，系统图见图1。高压电源采用GGAJ02-（LD-1）005/200静电除尘专用高压电源，可实现最高200 kV的负高压供电。气体放电试验装置包括线-板式和线-管式两种电场结构，线-板式极配为平板-双角钢线，同极距 300 mm；线-管式极配为正六边形矩形管-WE25（90），同极距350 mm。气体放电试验方法采用电除尘器空载通电升压试验法。1.2 试验气体试验煤气成分配比如表1所示。2 试验结果分析2.1 气体压力影响静电除尘器内气体密度影响着电场的起晕电压、放电极表面电场强度、空间电荷密度和离子迁移率的大小。气体起晕电压可用式（1）表示：U=3 106ma(+0.03a)lnba（1）式中：U气体起晕电压，V；m放电线粗糙系数，0.5m1.0；a放电线半径，m；气体相对密度；b异极距，m。控制柜；变压器；调温调压气体放电试验装置；配气瓶；加热器图1 气体放电特性试验系统图表1 试验气体成分配比表%902024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER因此，进行高效除尘是高炉煤气良好利用的前提。高炉煤气除尘主要有湿法、布袋除尘和静电除尘 3 种工艺11。传统湿法净化系统存在着煤气压力低，污环水循环系统占地面积大，污染环境等缺点。相对于湿法除尘，干法除尘不仅简化了工艺，而且从根本上解决了二次污水和污泥的产生与处理问题，提高了煤气物理显热，TRT 发电量可提高30%12，因此，干法布袋除尘工艺逐渐成为了主流技术13-16，并在应用中取得了很好的效益，但实际运行过程中也暴露出了一系列问题，如布袋维修量大、寿命短、工人作业环境恶劣；布袋在正常工作温度范围90220 时，开炉、复风阶段粘袋现象严重17。相比之下，电除尘器则具有适应性强、使用寿命长、运行稳定、耐温高、阻力损失小、TRT 发电量高等优点18-19。为使静电除尘器在高炉煤气除尘中能更好应用，也为类似高温、高压多组分气体介质电离特性研究提供借鉴，通过采用单电场对压力、温度及成分变化对气体电离特性的影响规律进行系统试验研究，对该领域研究成果进行了完善与部分修正，为相关理论研究及工业应用提供了支撑。1 试验条件及方法1.1 试验装置与方法试验装置主要由高压电源、调温调压气体放电试验装置和配气系统组成，系统图见图1。高压电源采用GGAJ02-（LD-1）005/200静电除尘专用高压电源，可实现最高200 kV的负高压供电。气体放电试验装置包括线-板式和线-管式两种电场结构，线-板式极配为平板-双角钢线，同极距 300 mm；线-管式极配为正六边形矩形管-WE25（90），同极距350 mm。气体放电试验方法采用电除尘器空载通电升压试验法。1.2 试验气体试验煤气成分配比如表1所示。2 试验结果分析2.1 气体压力影响静电除尘器内气体密度影响着电场的起晕电压、放电极表面电场强度、空间电荷密度和离子迁移率的大小。气体起晕电压可用式（1）表示：U=3 106ma(+0.03a)lnba（1）式中：U气体起晕电压，V；m放电线粗糙系数，0.5m1.0；a放电线半径，m；气体相对密度；b异极距，m。控制柜；变压器；调温调压气体放电试验装置；配气瓶；加热器图1 气体放电特性试验系统图表1 试验气体成分配比表%组别组分1组分2组分3组分4组分5组分6组分7组分8H21.682.272.731.852.22.751.852.17O20.220.330.380.320.380.250.360.25CO26.2724.8324.8826.6827.2727.4329.229.7CO29.7711.1911.711.779.7310.9211.3411.74N262.0661.3960.3259.3860.4258.6456.7156.14912024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER其中：=T0 PP0 T（2）式中：T0大气常温温度，取298 K；P0大气常压压力，取1.01325105 Pa；P操作压力，Pa；T操作温度，K。由式（1）、式（2）可知，在常温下（T=T0），随着压力P的增加，气体相对密度随之增加，离子自由程减小，有效离子迁移率由于和中性分子碰撞的次数增多而减小，起晕电压降低。煤气组分1在不同气体压力下线-管式电场和线-板式电场的伏安特性曲线见图2，其余试验煤气介质和空气介质下的放电过程基本与图2一致，伏安特性曲线光滑，符合正常放电规律。气体压力对各组分煤气伏安特性影响规律一致，随着气体压力的逐步增高，放电电压升高，相同电压下，电晕电流降低，伏安特性曲线右移。曲线右移的原因主要在于气压增大时，分子平均自由程减小，电子不容易加速到产生电离的速度，离子迁移率减小，起晕电压升高。外加电场一定时，压力的增大使得放电极附近的空间电荷密度增大，收尘极板上的平均电流密度减小，导致电晕电流降低，从而曲线斜率减小。如果只考虑气体压力的影响，则击穿电压与气体压力存在一定函数关系。随着气体压力逐步增大，无论管式电场或板式电场，击穿电压都随之升高。管式电场从常压升至0.24 MPa，各组分下击穿电压提高了 30%40%，而板式电场的击穿电压则提高了50%左右。对于击穿电流，管式电场基本呈逐步下降趋势，由常压升至 0.24 MPa，各组分下的击穿电流下降了 60%左右，而板式电场的击穿电流则稍显平稳，基本分布在2 mA左右。这是因为气体压力降低时，迁移率高的自由电子迅速离开电晕区，在其未被负电性气体分子捕获时，对形成稳定的空间电荷不起作用。由于电子在捕集前要经历较长的距离，低压力时离子数较少，则空间电荷影响减弱，电晕电流迅速地增长，在低电压下便被击穿。相关击穿特性曲线见 图3、图4。在气体压力较低（0.08 MPa）时，击穿电压与气体压力可近似拟合成一次线性关系，这与此前常用的结论20吻合，且不同气体的拟合度差别较大。而后，随着气体压力的增大，二者完全呈非线性，基本呈对数关系或指数关系，不同气体的关系式也差别较大。因此可知，击穿电压不会随气体压力递增而呈线性单调递增，后续递增速度急剧放缓。这一试验结论更新了早期的数据及结论。2.2 气体温度影响烟气温度直接决定粉尘比电阻的量级，进而影响静电除尘器的除尘效率。同时，温度对电除尘器电晕电压和电晕电流等放电特性也有着显著影响。通过采用空气在常压下从常温连续升至235 进行升温放电试验，考察了气体温度对放电特性的影响，试验结果见图5、图6。气体温度对放电特性的影响与气体压力的影响正好相反。随着温度升高，伏安特性曲线左移，起晕电压降低，击穿电流和击穿电压也基本呈下降趋势。温度由室温升至200，击穿电压由55 kV下降至37 kV，击穿电流由2.8 mA降至2.52 mA。这是由于温度的升高使得分子平均自由程增大，电子能（a）线-管式电场（组分1）（b）线-板式电场（组分1）图2 不同压力下的伏安特性曲线922024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER够获得较大的速度和动能，加强了电离效应，因而烟气在较低的电压下被击穿，击穿电压降低也限制了击穿电流的增长。但是，温度升高时，在相同的放电电压下，电子更容易到达阳极板，因此电晕电流是随温度升高而增大的。除烟气温度影响击穿电压和击穿电流，进而影响除尘效率外，烟气温度的上升还会导致气体黏滞性的增大，而气体的黏滞性直接影响带电粉尘的驱进速度。烟气温度越高，黏滞性越大，带电粉尘驱进速度越低，除尘效率下降。此外，烟气的温度还会影响到粉尘的比电阻。根据实测表明，电除尘器工作的最适比电阻为1061 011 cm，在比电阻小于106 cm时，粉尘导电性较好，粉尘出现于阳极板表面跳跃现象，最后被气流带出除尘器，而比电阻大于 1 011 cm 时，荷电粉尘的电荷不容易释放，则在阳极表面出现反电晕现象。从以上温度影响电除尘器的三个方面来看，除尘器的运行温度应在烟气露点温度以上，且运行温度越低效果越好。2.3 气体成分影响电负性气体在与电子碰撞过程中很容易传递电荷，形成负离子。而负离子与电子相比，向收尘极移动的速度要慢得多，因而能形成大量的空间电荷，有效拓宽了电晕窗口，同时也影响了二次电流的大小。因此电负性气体含量的变化会对除尘器的电离特性产生影响。试验采用的气体为模拟高炉煤气，主要成分为（a）（b）图3 气体压力对管式电场击穿特性的影响（a）（b）图4 气体压力对板式电场击穿特性的影响图5 不同温度情况下空气伏安特性曲线对比932024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWERCO：25%30%，CO2：9%12%，N2：55%60%，H2：1.5%3.0%，O2：0.2%0.4%。电负性气体主要为CO2、CO和O2。图7为4种压力条件下的试验结果，其余压力下规律与之类似。分析可知，空气相比煤气区别明显，空气电离特性更好，可获得更高电晕电压。煤气成分变化的总体对比规律性不强，主要原因来自于煤气组分1至组分8的电负性气体的体积占比变化幅度太小，CO2的 3 种浓度分别为 9%、11.5%和12%，CO 分 别 为 25%、27.5%和 30%，O2分 别 为0.2%、0.3%和0.4%，浓度变化幅度不足以在放电特性变化上体现出来，只有组分5在几乎所有对比图中表现出较强的规律性，相比其余组分气体更易击穿，曲线最靠左，也与组分5的CO2这一主要电负性气体的浓度最低相符合。因此，要完全对比体现出各气体成分对放电特性的影响，需脱离高炉煤气实际浓度范围的限制，放大各成分尤其是电负性气体的浓度参变量变化幅度，以离子迁移率为评定指标进行正交试验分析，方可得到显著性定量结论。（a）常压下各组分伏安特性曲线（b）0.08 MPa下各组分伏安特性曲线（c）0.16 MPa下各组分伏安特性曲线（d）0.25 MPa下各组分伏安特性曲线图7 气体组分对伏安特性曲线的影响3 结论通过气体电离特性试验，掌握了空气、高炉煤气的电离特性规律与基础数据，修正了该领域在低气压下试验所得到的结论，获得了新的规律。其主要结论如下。（1）气体压力对电离特性影响显著，随着气体压力的提升，伏安特性曲线右移，起晕电压和击穿（下转第98页）图6 不同温度情况下空气击穿特性对比942024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER3 结语马钢煤焦化公司南区化产区域放散气收集系统的改造已初见成效，现场放散气得到有效收集和治理，大大改善了职工的工作环境，同时满足了环保法律法规要求。此外，将冷凝鼓风工序、焦油槽等放散气收集进入初冷器前煤气负压系统也间接回收了高附加值的焦油、萘等有机物，不仅降低了物料的损失、减少了气体排放，也提高了系统运行安全。参 考 文 献 1 马建超，郭振东.京唐西山焦化厂VOCs的治理及分析 J.化工管理，2021（18）：23-24.2 顾兴林，华祥，冯江华，等.焦化 VOCs治理浅析 J.山东化工，2019，48（11）：201-202+204.收稿日期：2023-08-17作者简介：胡孟杰（1990-），男，助理工程师，硕士，现从事煤气净化工艺技术工作。表1 处理后废气检测数据污染因子硫化氢氨非甲烷总烃排气流量/（m3/h）8 3698 3698 369排放浓度/（mg/m3）检测值0.460.450.50标准值5.02050排放速率/（kg/h）检测值3.8510-33.7710-34.1810-3标准值0.060.6-（上接第94页）电压均增大。击穿电压随气体压力单调递增，低气压段基本呈线性关系，高气压段增速显著放缓，呈指数或对数关系。（2）气体温度升高，伏安特性曲线左移，击穿电压与击穿电流均下降。气体成分对电离特性有一定影响，且对电压的影响相较电流更为显著。（3）煤气相比于空气电子附着性弱，离子迁移率大，总体伏安特性曲线左移。参 考 文 献 1 徐学基，诸定昌.气体放电物理 M.上海：复旦大学出版社，1996.2 武占成，张希军，胡有志.气体放电 M.北京：国防工业出版社，2012.3 符瑜科.气压和湿度对复合电压下高压电极电晕特性影响试验研究 D.北京：华北电力大学，2017.4 王浩霖.烟气气体成分对静电除尘器放电及脱除效率影响的研究 D.杭州：浙江大学，2020.5 王磊，张玉磊，李兆东，等.烟气成分对湿式电除尘器电晕放电特性的影响 J.山东大学学报（工学版），2020，50（5）：83-89.6 张佳鹏，肖刚，王锡辉，等.高温环境下线管式电极结构直流放电特性试验研究 J.高电压技术，2014，40（1）：242-249.7 BOLOGA A，PAUR H R，SEIFEERT H，et al.Influence of gas composition，temperature and pressure on corona discharge characteristicsJ.International Journal of Plasma Environmental Science&Technology，2011，5（2）：110-116.8 柳佳佳，岑建孟，方梦祥，等.不同气体成分下高温直流放电特性J.浙江大学学报（工学版），2018，52（5）：971-9799 YAN P，ZHENG C H，ZHU W Z，et al.An experimental study on the effects of temperature and pressure on negative corona discharge in high-temperature ESPs J.Applied Energy，2016，164（9）：28-35.10 闫克平，李树然，郑钦臻，等.电除尘技术发展与应用 J.高电压技术，2017，43（2）：476-486.11 吕勇.全干式除尘及余压发电工艺技术方案研究 J.冶金动力，2006（4）：34-38.12 秦勇.高炉煤气全干式除尘技术在攀钢钒的应用实践 J.冶金动力，2014（11）：19-23.13 王朝晖，郭卓团，汪进刚.包钢4高炉煤气全干法布袋除尘技术应用实践 J.冶金能源，2007（1）：5-7+11.14 王业飞，肖国才，徐克铭.高炉煤气全干法除尘在南钢8号高炉上的应用 J.炼铁，2012，31（2）：38-40.15 董艳苹.高炉煤气用布袋及环缝除尘技术的综合比较 J.中国环保产业，2016（7）：64-66.16 赵彬.高炉煤气布袋除尘技术的应用研究 D.唐山：华北理工大学，2018.17 贾彩清，胡堃，贾艳艳.新型高炉煤气全干法静电除尘技术研究J.冶金动力，2014（11）：17-18+23.18 汤楚贵.高炉煤气干法电除尘的研究 J.冶金动力，2001（6）：26-27.19 王胜平，陈鹏.电除尘器和布袋除尘器的综合比较 J.科技创新与应用，2013（23）：54-55.20 黎在时.静电除尘器 M.北京：冶金工业出版社，1993.收稿日期：2023-08-30作者简介：张娟（1970-），女，大学本科，正高级工程师，目前从事大气污染控制工作。98