（环境工程专业论文）高风速电除尘器的实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 收尘板的距离工从2 0 衄到3 5m m 时，离子浓度c 由7 9 x 1 0 5 e m 3 增加到3 4 x 1 0 7 c m 3 ；在间距三= 3 5m 1 1 1 时离子浓度，c 达到最大值 3 4 x 1 0 7 c m 3 。此后，随着距离的增大，离子浓度c 又降低到1 5 x 1 0 6 c m 3 。 通过对正交实验表的分析，可以得出与单因素实验结果相吻合的 结论，即在适当的收尘板间距和工作电压条件下，在一定的气体流速 范围内，气流速度越高，放电产生的离子浓度越高。 ( 2 ) 高风速电除尘器的模拟烟气实验： 工作电压u 及有效收尘面积s 对除尘效率，7 的作用显著。1 ) 工作 电压u 由2 0k v 上升至4 5k v 时，除尘效率，7 由7 3 上升到9 5 ；当 u 由4 5k v 上升至6 0k v 时，玎由9 5 上升至9 9 ；2 ) 当系统不加电， 把高风速电除尘器单纯以旋风机理收尘，除尘效率珂已经达到7 0 以 上；当系统加电以后，1 5 排收尘极板全部工作，有效收尘面积s 为6m 2 时，瑁达到9 5 以上。 气流速度y 对除尘效率叩影响较显著，在其他条件稳定的情况下， 除尘效率，7 随着气流速度 ，的提高而降低。当气流速度v 由o 7m s 。1 提高到3 0m s 。1 时，卵的降低趋势较为缓和，由9 9 降为9 5 ；当v 高 于3 0m s 。1 时，7 的降低趋势较为明显。然而，当v = 5 0m s d 时，7 仍 旧保持在9 0 以上，性能远远超过传统电除尘器。 通过正交实验研究发现，多因素综合作用与单因素实验结果相符 厶 口。 关键词：电除尘器，高风速，离子输运率，离子浓度，除尘效率 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ei n d u s t r yo fc h i n a i so nt h es t a g eo fh i l g hs p e e d d e v e l o p m e n t ，t h u s t h ee n v i r o n m e n tq u e s t i o no fa i rp o l l u t i o ni sg e t t i n gm o r e a n dm o r es e r i o u s h o wt oc o n t r o lt h ea i rp o l l u t i o nb e c o m e st h eu r g e n t e v e n t t h e nh o wt or a i s e t h ed u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ed u s t p r e c i p i t a t o rh a sb e c o m et h ek e yo f t h ep r o g r a m t h ea t t i r ew a sc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a - - t h er e s e a r c ho fi o n sc h a r g i n ga g g l o m e r a t i n g w i t h t h ea l t e m a t i o ne l e c t r i cf i e l do ft h ee s p ( a p p r o v en u m b e r ：5 0 5 7 8 0 2 0 ) ，t o d e s i 印an e wt y p ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r w i t hh i g hg a sv e l o c i t ya n ds t u d y o nt h ec a p a b i l i t ya n dt h et h e o r yo ft h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 砀em a i n o fr e s e a r c hc o n t e n ti s ： ( 1 ) i n v i e wo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r se x i s t i n g v i r t u ea n d d i s a d v a n t a g e ，t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ep r e c i p i t a t o r w a sa m e l i o r a t e da n d i m p r o v e d ，a n dt h e na n e wt y p eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rw i t hh i g hg a s v e l o c i t yw a sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e mo fh u g ev o l u m e a n dh i g hc o s t o fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( 劲f e a s i b i l i t ye x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d t os t u d yt h ee f f e c to ft h e w o r k i n gv o l t a g eu ，t h eg a sv e l o c i t yv ，t h ei n t e r v a lo f d u s tc o l l e c t i o np l a t e s a n ds oo nw i t ht h ea i ri o nc o n c e n t r a t i o ng e n e r a t e db yt h es e l fd e s i g n e d c h a r g i n gd e v i c e b yt h eg e n e r a lr u l ew h i c hw a s o b t a i n e db yt h es i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t ，t h em u l t i f a c t o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt o s e e kt h em o s ts u p e r i o rc o m b i n a t i o no ft h ev a r i o u sf a c t o r st oe n h a n c et h e i o nc o n c e n t r a t i o n f 3 1i nv i e wo ft h er e s u l to f t h ef e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n to f e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rw i t hh i g hg a sv e l o c i t yt op u r i f yt h es i m u l a t i o ng a s w a sc a r r i e do u t t h ei n f l u e n c er u l e so ft h e f a c t o r st od u s tc o l l e c t i n g e f f i c i e n c ya r ee x a m i n e d ，s u c ha si n i t i a ld u s td e n s i t y 缈，w o r k i n gv o l t a g eu e f f e c t i v ed u s tc o l l e c t i n ga r e asa n dg a sv e l o c i t yya n ds oo n t h e nt h e m 江苏大学硕士学位论文 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t w a sc a r r i e do nt os e e kt h em o s t s u p e r i o r c o m b i n a t i o no ft h ev a r i o u sf a c t o r st oe n h a n c et h ed u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e d ： ( 1 ) f e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t ： t h ee f f e c to ft h eg a s v e l o c i t ya n dt h ed u s tc o l l e c t i o nb o a r ds p a c i n go n t h ei o nt r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r er e m a r k a b l e 1 ) w h e nt h eg a s v e l o c i t yw a se n h a n c e d ，t h ei o nc o n c e n t r a t i o nw a sr a i s e df r o m2 1 0 6 c m 3t o 2 1 x l o sc m 一w h e nt h eg a sv e l o c i t yw a sc l o s e dt o6m s ，t h ea i ri o n c o n c e n t r a t i o ng e tam a x i m u mv a l u e2 1 x 1 0 8e r a - 3 2 ) w h i l et h ei n t e r v a lo f d u s tc o l l e c t i o n p l a t e s w a si n c r e a s e df r o m2 0t o3 5 n 1 1 i 1 ，t h ei o n c o n c e n t r a t i o nw a sr a i s e df r o m7 9 1 0 5c i n 3t o3 4 1 0 7 伽- 3 t h e nw i t ht h e r a i s i n go ft h ei n t e r v a lo fd u s tc o l l e c t i o np l a t e s ，t h ei o nc o n c e n t r a t i o nw a s r e d u c e dt o1 5 1 0 6c n l 3 t h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt a b l e ，t h es i m i l a rr e s u l to ft h e s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t a lc a nb ef o u n d ( 2 ) e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rw i t hh i g hg a sv e l o c i t yt op u r i f yt h e s i m u l a t i o ng a s e x p e r i m e n t ： t h ee f f e c to fw o r k i n gv o l t a g eua n de f f e c t i v ed u s tc o l l e c t i n ga r e aso n d u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c yw e r er e m a r k a b l e 1 ) w h e nt h ew o r k i n gv o l t a g eu w a sr a i s e df r o m2 0k vt o4 5k v , t h ed u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c yw a sr a i s e d f r o m7 3 t o9 5 ；w h e nuw a sr a i s e df r o m4 5k vt o6 0k v , 叩w a sr a i s e d f r o m9 5 t o9 9 2 ) w h e nt h es y s t e mw a sn o ta p p l i e dh i g hv o l t a g e ，t h e c y c l o n em e c h a n i s m t a k e se f f e c tp u r e l y , a n dt h ed u s tc o l l e c t i n ge f f i c i e n c yc a l l r e a c ha b o v e7 0 w h e n1 5r o w so ft h ep l a t e sa r ec o m p l e t e l ya p p l i e dh i g h v o l t a g e ，t h ea r e ao fd u s tc o l l e c t i o np l a t e sw a s1 0m 2 ，印w a sa b o v e9 5 t h er e s u l to ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a ss i m i l a rt ot h e s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t a l k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r ，h i 曲g a sv e l o c i t y , i o n t r a n s p o r t i n g ， i o n c o n c e n t r a t i o n ，d u s tc o l l e c t i n g e f f i c i e n c y i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 人类社会进入2 1 世纪，科技水平日新月异，经济全球化进程迅猛，以科技竞 争为核心的综合国力的竞争日趋激烈。我国社会经济发展已进入新的历史阶段， 实施可持续发展战略已成为共识。全面推进环境科技进步是有效解决我国经济快 速发展中日益突出的环境问题，确保国家环境安全，落实环境保护基本国策的根 本保证。 然而，目前我国经济社会发展与资源环境约束的矛盾日益突出，环境保护面 临严峻的挑战。大气污染防治作为环境工程的一个主要部分尚有许多亟待解决的 难题。 目前，我国能源生产及消费主要还是以煤为主，因此造成大气污染类型以煤 烟型为主【l 】，主要的污染物为总悬浮颗粒物和二氧化硫、酸雨等，而产生这些污染 物的主要是一些大型耗能企业，如：火力发电厂，炼钢厂，化肥厂等等。 粉尘的危害是多方面的，当粉尘落到植物叶子上时，叶子被夺去很多水分， 并使细胞质受到伤害，多数情况下表现为表皮细胞与栅栏细胞的枯萎。对于水泥 粉尘，在足够高的空气湿度时形成硅酸三钙，在植物上形成一个粘附层，从而封 闭换气用的气孔，阻碍呼吸和光合作用。甚至一般的街道粉尘落到植物叶子上也 会降低它的光合作用的效率。 小颗粒粉尘( 直径0 5 2 1 m ) ，被人吸入肺中，容易引起尘肺，损害人体健康； 如果人体吸入含有铅，锰，砷等毒物的粉尘，可引起全身性的中毒反应。细小的 飘尘( 直径1 0 p m ) 在大气中漂浮，几小时甚至几年才落下来，危及子孙后代。 为了减少大气污染的危害，应当从源头抓起，减少企业的污染物排放。传统 的电除尘器具有能处理高n ( 3 5 0 ) 、高湿【4 0 ( v 加) 】度的大烟气量，压力损失低 ( 1 0 0p a - 3 0 0p 幻，可捕集微小粉尘，运行费用低等优点【2 4 】，被世界公认为高效除尘 设备。 2 0 0 4 年我国颁布了新的火电厂国家允许排放标准( 5 0m g n 1 m b ，对收尘理论 和技术提出了新的挑战。因此，应当对电除尘器进行优化设计，使其运行更高效， 江苏大学硕士学位论文 投资更节省。 1 2 电除尘器的研究现状 1 2 i 电除尘器综合性能研究进展 静电除尘是一个涉及到多方面的学科，包括物理、机械、电力电子、自动控 制等。因此，静电除尘技术的进步需要多专业的多方面研究。电除尘器的工作过 程主要包括：粉尘荷电、静电收集、清灰三个过程。 近年来，国外在粉尘特性对电除尘器影响研究1 5 捌，粉尘在电场中沉降规律研 究【9 _ 1 1 1 ，气流分布和理性研究等基础理论研究取得了一些进展。此外，进行了电除 尘器的优化运行【1 2 1 ，电除尘器的供电方式和控制方法【1 ”4 1 ，电除尘器建模【1 5 , 1 6 和 数值分析【1 7 , 1 8 ，烟气调质等方面的研究工作。 而中国对电除尘器的研究亦很重视。早在“七五”期间，国家就将高效电除 尘器技术的研究列入攻关课题。在八十年代中期以后，通过相继引进美国的g e 公 司和e e 公司、瑞典的f l a k t 公司、德国的l u r g i 公司等国外先进的静电除尘 技术和设备，保证了我国的静电除尘技术应用始终接近国际先进水平。特别是近 1 0 年来，我国对静电除尘技术的发展高度重视，进行了许多相关实用技术的研究 1 9 - 2 1 】，部分研究达n - y 国外同等水平。 结合国内外研究成果，我国不断地改进和完善常规电除尘器的性能；同时， 开发研制出一批结构新颖的电除尘器，如透镜式电除尘器、立体式电除尘器、管 极式电除尘器、横向极板电除尘器、双区电除尘器等，极大地丰富了我国电除尘 器的规格品种，有力地拓展了电除尘器的应用范凰。 与此同时，我国电除尘器供电电源的研制也取得了很大的进展1 2 2 捌。目前， 我国研发的微机控制可控硅调压电源，在控制精度和功能、电能管理、火花能量 的识别及处理等方面的技术均已达到国际先进水平，特别是在火花检测与处理， 电能管理等方面更有新的突破。还有电除尘仿真模拟器及相关仿真软件和具有动 态火花发生器的便携式模拟调试台的研制成功，对电除尘器的生产调试、运行维 护和教学培训起到了积极的促进作用。 在电除尘器供电电源微机控制和网络集中控制方面 2 4 , 2 5 ，近年来也有了一定 2 江苏大学硕士学位论文 的发展。双束激光相关补偿蚀度仪的研制成功，为电除尘器现代智能运行控制系 统的设计提供了可能。电除尘器现代智能运行控制系统的目标是希望能够以双束 激光相关补偿蚀度仪为耳目，高压供电电源和低压控制装置为下位机，工业控制 计算机为上位机，完成电除尘器的远程测量、远程控制、i n t e r n e t 通讯、现场 运行数据的实时获取存储、故障诊断、高度自动化控制、以及能量的管理和节能 控制等功能。 综上所述，我国电除尘器产业的总体水平部分接近或者达到了国际先进水平， 主要体现在以下方面： ( 1 ) 电除尘器本体的主要性能已经可以满足国内外不同用户的需要，具有同国 外主要厂商参与国际项目的招标和竞争的能力，而且已经有部分产品出n g , l 汇。 ( 2 ) 我国主要的电除尘器生产企业己经采用国外先进的设计方法，包括采用计 算机程序进行电除尘器选型和强度计算、以及辅助设计等。所设计的电除尘器本 体的钢耗量、命中率等均己接近国际先进水平。 1 2 2 电除尘器中气体电离放电物理研究进展 近年来，气体电离放电物理、高气压非平衡等离子体物理等领域研究取得了 令人瞩目的进展 2 6 - 2 8 1 ，这就为我国电除尘技术及设备的发展，由跟踪研仿为主走 向自主创新阶段提供了理论基础及新方法。 从1 9 5 5 年以来，采用电除尘技术处理工业烟尘及空气净化的工程数量成指数 规律增加，因此引起世界各国企业界、学术界的极大关注，并进行大量有关电除 尘理论与技术的研究工作 2 9 1 。1 9 8 0 年m a s u d a 3 0 l ，1 9 9 0 年与川慎太郎等人p 1 】以及 2 0 0 1 年王宁海等人p 2 】分别进行了用高电压窄脉冲供电方法，对烟尘进行脉冲直流 电场的同极性离子荷电凝聚，增加了烟尘荷电量及粒径度，提高了烟尘的荷电凝 聚性能，改善了电除尘器的反电晕问题，使捕集高比阻烟尘的效率有所提高。1 9 9 0 年白希尧等人【3 3 1 进行了直流电场的同极性烟尘荷电凝聚技术的研究工作，提高了 粉尘的荷电凝聚特性，烟尘驱进速度得到了较大提高，改善了电除尘器的收尘性 能。1 9 9 2 年阪本清等人l 蚓采用间歇供电方法改善了高比阻烟尘的荷电凝聚性能， 解决了烧结烟气的除尘疑难问题。1 9 9 5 年w a t b a l e 等人【3 5 】和h a n t a n e n 等人 3 0 - 1 ，1 9 9 7 年许德玄p 7 l 以及2 0 0 0 年向晓东等人【蚓分别进行了离子荷电机理或荷电、凝聚和收 3 江苏大学硕士学位论文 尘的三段式电除尘器的试验研究工作。在电除尘器前面设置比电除尘器体积略小 的荷电区( 器) 凝聚区( 器) 。对0 0 6 1 2 u r n 烟尘的除尘效率只提高了3 左右。2 0 0 1 年刘功智等人【3 9 l 以及2 0 0 2 年王连泽等人【4 0 1 分别进行了静电荷电凝聚除尘研究，除 尘效率均提高了3 。2 0 0 3 年c o g h e 等人【4 1 1 、2 0 0 4 年z a m a n k h a n 等人1 4 2 1 进行了离 子荷电粉尘的流体力学研究。 近几十年电收尘技术在工艺上有了改进，并在烟尘荷电凝聚机理及方法上也 进行了不少探索性的研究【4 3 郴】。然而，从这些研究进展可见，电除尘技术还有很 多亟待解决的难题，电除尘器的性能还有很大的提升空间。 1 3 电除尘器面临的实际问题 目前，经过国内外专家的努力，对于电除尘器的研究取得了一定的进展，然 而仍旧存在以下一些问题湖： ( 1 ) 如何拓宽电除尘器对高浓度、高温、高比电阻烟尘和含有腐蚀性气体等的 适应领域； ( 2 _ ) 减少由于气流的冲刷和清灰振打引起的二次扬尘损失； ( 3 ) 开发配套的监测仪器和装备，以及电除尘器的故障诊断系统； ( 4 ) 改进型材规格和品种，降低主体重量； ( 5 ) 完善计算机选型技术，开发脉冲供电、微机控制、可变电压供电装置等； 旧重点开发特殊环境使用的电除尘器，适当发展用于各种炉窑的中小型电除 尘器。 ， 这些问题中比较突出的一点是：电除尘器的自身体积较大，为了达到较高的 除尘效率和排放标准，只有不断的延长放电区的长度，造成了严重的钢材资源浪 费，增加了投资使用的负担，而一些企业舍不得这笔巨大的开销，只能放弃对粉 尘排放的管理，或者“偷工减料 ，造成严重的空气污染。 如何解决这一问题便成了目前国内外学者研究和开发的重点。 传统的电除尘器，含尘气流方向与收尘极板相平行，单纯依靠静电的作用将 荷电粉尘收集到收尘极板上，风速对于粉尘的收集起到的是负面作用。 传统线板式电除尘器采用收尘极板沿含尘气流方向摆放的结构形式，如图1 1 所示。由图可见，尘粒的合速度坳是气流速度与驱进速度的向量和。若在时间 4 江苏大学硕士学位论文 增量4 知内，则有拄别b ，在边界层6 内所有尘粒都被收集到集尘板上，但是超过这 个时间增量，尘粒就极有可能不被收尘极板所收集。因此，为了获得较大的收尘 效率，必须把除尘器内的风速降n 0 6 1 2m s 一，而粉尘在除尘器内停留的时间要 达n 4 - 5s m 。此时，为了达到一定的停留时间，只有延长电除尘器内放电区域的 长度，增加电除尘器自身的体积才能满足要求。 气流方向 - - j lj l l。 6 7 鳓 、 r ， a 图卜l 传统的板式电除尘器收尘极板与风向平行 f i g 1 - lt h ed u s t c o l l e c t i o np l a t ei sp a r a l l e lt ot h eg a sf l o wd i r e c 6 0 n i nt h et r a d i t i o n a le l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 通常情况下，为了提高除尘器的收尘效率，一般采用以下几种方式：1 ) 降低 气流速度；2 ) 加大收尘极板的长度；3 ) 提高驱进速度c o 等 4 8 - 4 9 1 。 从经济的角度来看，提高驱进速度是最好的选择。一般说来，带电粒子的驱 进速度与受到的电场力作用大小成正比，也就是外加电场强度的大小成正比，但 是由于受到电场的击穿强度限制，电场中的库仑力不可能无限制的提高，因此尘 粒的驱进速度也只能在很小范围内得以改善。 如果从增加尘粒的外加作用力的角度去考虑，利用含尘气流本身的风力，把 收尘极板从顺气流方向排列改成迎气流方向，如图1 2 所示。此时在边界层内尘粒 向板上运动速度鳓是风速与驱进速度的代数和，因而大大提高了尘粒向运动的 速度。边界层增厚，尘粒被收尘板捕捉所需的时间大大减少，将风速这一不利于 捕捉尘粒的条件转变成有利的条件，从而会大大提高收尘的效果 s o - 5 6 1 。 5 江苏大学硕士学位论文 厦 恹 煺 扩 图卜2 设计电除尘器收尘极板为迎气流方向 f i g 1 - 2t h ed u s t - c o l l e c t i o np l a t ei sv e r t i c a lt ot h eg a sf l o w d i r e c t i o ni nt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 此外，根据电除尘器的等离子体物理原理，电除尘器可以看作等离子体源和 反应室的组合体【5 7 堋。通过电离连续方程：电除尘器放电时，气体电离总体上处 于平衡状态，即电离过程中离子的产生项等于其损失项与输运项之和。因此，通 过增加电场内带电粒子的外加作用力，使其迅速脱离发生源，防止电场内已经产 生的正负离子的复合，从而提高离子输运率，从根本上解决电除尘器内离子输运 率低下的问题，提高电除尘器的除尘效率【5 9 一。 综合以上两种方法，设计收尘极板为迎风式的电除尘器，并使其工作在高风 速条件下，将可有效解决电除尘器体积庞大，占地面积过多以及钢材资源浪费严 重等问题。 1 4 主要研究内容 根据以上分析，确定论文研究的主要内容是： ( 1 ) 针对现有电除尘器的优缺点，对其结构进行一定的改进和优化，设计一种 新型高风速电除尘器用于解决其体积庞大，成本过高的问题； ( 2 ) 设计自制小型装置实验，考察工作电压纵气流速度b 集尘板间距厶放 电极距出口距离彳等因素对自制放电装置的离子浓度的影响。由单因素实验得出 的一般规律，来设计多因素实验，寻求提高离子浓度的各因素的最优组合，并通 过实验来验证； ( 3 ) 结合自制小装置实验的结果，设计新型高风速电除尘器并进行模拟烟气净 化实验，通过考查工作电压所气流速度n 粉尘初试浓度矿等因素对模拟烟气 除尘效率的影响，研究其除尘性能并从等离子体物理的观点讨论其机理。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章高风速电除尘器实验的理论基础 2 1 电除尘器的工作原理及除尘过程 电除尘是利用电力使气体中的悬浮粒子分离出来的装置。实际中的电除尘器 有许多类型和结构，但它们都是按照同样的基本原理设计出来的。用电除尘的方 法分离气体中的悬浮尘粒，主要包括以下四个复杂而又相互有关的物理过程1 5 7 ，5 8 】： ( 1 ) 气体的电离； 众所周知，物质的原子是由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核 以及在核外高速运动的带负电的电子组成。电子比较容易受撞击或外力影响而脱 离原子核的束缚，成为带负电的“自由电子 。这些自由电子有些还会附着在其他 颗粒或分子上，成为带负电的质点，称为“负离子 。气体分子失去一个电子以后， 就多出一个正电荷，呈现出带正电的性质，称为“正离子 。这种中性气体分子分 离为正离子和负离子( 包括自由电子) 的现象，称为气体的电离。 ( 2 ) 悬浮尘粒的荷电； 当在放电极和收尘极之间施加直流高电压，放电极周围的小区域内空气全部 电离，可以看到一圈蓝色的光环，此时为电晕放电。放电极称为电晕极。当外加 电压进一步加大，空气电离的范围逐渐扩大，最后导致两极间的空气全部电离。 在放电极附近的所谓电晕区内正离子立即被放电极( 假定带负电) 中和，自由电 子和随即形成的负离子则因受电场力的驱使向收尘极移动，并充满到两极间的绝 大部分空间。当含尘气流通过电场空间时，气流内粉尘粒子和自由电子或负离子 碰撞结合，便实现了粉尘的荷电。 ( 3 ) 荷电尘粒向电极运动并被捕集； 荷电粉尘在库伦力的作用下向收尘极运动，经过一段时间后到达收尘极表面， 然后放出其所带电荷而沉积在收尘极上。 ( 4 ) 清灰 当收尘极表面上的粉尘达到一定的厚度时，用机械振打( 包括自动装置振打) 或者水洗的方法等等将其除掉，使之落入到下部的灰斗中。放电极也会附着少量 粉尘，隔一段时间也需要进行清灰。 7 江苏大学硕士学位论文 2 2 影响电除尘器工作效率的因素 衡量除尘装置性能的主要技术指标是除尘效率。除尘效率是指同一时间内除 尘装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比的百分数。除尘效率的高 低，意味着除尘装置对含尘气体所能达到的净化程度。 假设气体流向为x 轴方向，气体和粒子的流速皆为，( m s 。1 ) ，气体流量为q ( m 3 s 1 ) ，气体含尘浓度为cq n - - 1 m - 3 ) ，在流动方向上每单位长度的板面积为a ( i n 2 - m 1 ) ，总板面积为a ( m 2 ) ，电场长度为l ，流动方向上的横断面积为v ( m 2 ) ， 粒子驱进速度为( m s 。1 ) ，则在出时间内于出空间捕集的粒子质量为： d m = a ( d x ) r o c ( d t ) = - f ( d x ) ( d c ) ( 2 1 ) 由于v d t = d x ，代入上式得： 丝出= 一d c (2一-2一)f 戤= 一 i vc 、7 将其由除尘器入口( 含尘浓度为c 1 ) 到出口( 含尘浓度为c o ) 进行积分，因 为f v = q ，吐= a ， 则得到理论捕集效率方程式( 即多依奇方程式) ： 轳1 - c o = 1 一e x p c l ( 专砷 ( 2 - 3 ) 电除尘器除尘效率计算公式见式( 2 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 3 ) 。理论上讲，影响电除尘 器除尘效率的因素主要包括以下几个方面：粉尘的比电阻、气体温度、湿度、含 尘气体的流量和流速、含尘浓度、气流分布均匀性以及除尘器本身的结构等【5 9 】。 2 2 1 粉尘比电阻对除尘效率的影响 粉尘比电阻是衡量粉尘导电性的一项指标，粉尘的比电阻愈小，其导电性能 愈好，粉尘的比电阻对电除尘器除尘效率影响较大。当利用电除尘器处理比电阻 小于1 0 4q c m 的低阻型粉尘时，其除尘效率较低，而电晕电流则愈高。产生这种 现象的原因是因为低阻型粉尘导电性能好，当它在晕外区带上负电荷后，立即向 集尘极运动，到达后，粉尘马上释放负电荷而使尘粒本身电性中和，中和后的尘 粒，在集尘极处立即因为感应带电带上正电荷，从而被所排斥，再次进入晕外区， 与负离子中和，中和后的尘粒又在负离子流中重新带上负电荷，向集尘极运动， 8 江苏大学硕士学位论文 重复上述过程。这样，不但多消耗了电流，而且很难把粉尘捕集下来，使电除尘 器除尘效率大大降低。对于比电阻在1 0 4 一, 1 0 1 1q c m 之间的正常型粉尘，电除尘 器的除尘效率较高，电晕电流消耗亦较低，电除尘器工作稳定，这类粉尘是电除 尘器最适宜处理的粉尘。当利用电除尘器处理比电阻值大于1 0 1 1q c m 的高阻型粉 尘时，随着粉尘比电阻的增大，电除尘器除尘效率急剧下降，电晕电流开始下降， 随后急剧上升。这是由于这类高阻型粉尘在晕外区带上负离子后，被带正电的所 吸引，但当到达后，粉尘的负电荷不能迅速释放，因而被牢牢吸引。当这层粉尘 的负电荷得到中和后，对随后而来的粉尘起到绝缘或阻碍其负电荷中和的作用。 因此，随着粉尘愈聚愈多，粉尘层积聚的负电荷也愈聚愈多，于是在先后聚集的 粉尘层之间出现电位梯度，并出现微电场，从而减慢带负电离子的尘粒向沉积的 速度，并使电晕电流下降。随着尘粒不断地在上沉积，负电荷数量不断增加，粉 尘层中的气体发生电离。当聚集的电荷达到一定数量后微电场发生局部击穿，在 粉尘层最外层到极板之间形成通道并发生火花放电现象。局部放电的存在，改变 ， 了电除尘器内电力线的分布，使通道处电力线高度集中，其它地方电力线变稀疏。 局部放电所产生的正离子离开而移向晕外区，与电晕极产生的负离子及带负电粉 尘粒子中和，使除尘状况恶化，电晕电流急剧上升，电除尘器除尘效率显著下降。 2 2 2 含尘气体湿度对除尘效率的影响 进入电除尘器的含尘气体很难避免有水蒸气的存在，这些水蒸气在电除尘器 内，温度如果低于其露点温度，则一方面会使捕集到的粉尘结块粘结在和电晕极 上，难于振落，影响电除尘器除尘效率；另一方面，由于水蒸气冷凝成水后，水 中溶有酸性物质，从而造成电除尘器极板和极线的严重腐蚀，缩短电除尘器的使 用寿命。但是，水蒸气温度如果高于其露点温度，则不仅无害，反而有益。因为 在极间距相同的条件下，湿度高的含尘气体，其击穿电压相应增高，电除尘器工 作性能稳定，因而提高了电除尘器的除尘效率；同时粘附在粉尘表面的水蒸气分 子薄膜又改善了粉尘的导电性能，使比电阻较高的尘粒降低其比电阻，因而提高 了电除尘器的除尘效率。向烟气中喷水可以达到同时增加烟气湿度和降低温度的 双重目的，因此对降低水泥厂中高比电阻粉尘比电阻特别有效，可以达到提高电 除尘器除尘效率的目的。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 气体含尘浓度对除尘效率的影响 在电晕极所形成的非均匀电场中，气体发生电离。电离产生的正离子向电晕 极运动；电离产生的负离子( 包括电子) 向收尘极运动。正负离子各自向相反的 方向移动，形成电风，这种电风的速度可达0 6 1 0m s 。由于晕外区比电晕区大 得多，所以负离子在电场中的运动居于主导地位，即由负离子形成的电风是主要 的。通过电场的粉尘微粒捕获负离子后，也成为带负电荷的粒子向运动，这种带 电微粒的运动速度很慢，只有每秒几厘米，在电场中形成空间电荷。当气体的含 尘浓度较低时，带电粉尘微粒受到电风的影响而加速向集尘极移动，改善了除尘 效率，但当气体含尘量过大时，气体电离而成的正负离子为粉尘微粒所饱和，高 速运动的电风为低速运动的带电微粒所代替，电风停止，高压电流几乎降低到零， 电晕受到抑制，气体电离受到影响，电除尘器除尘效率大大下降，导致电晕封闭 现象的发生。为此，必须降低电除尘器入口处的含尘浓度，可以采取二次除尘的 办法来解决，即含尘气体在进入电除尘器之前，先经过旋风除尘器或其它除尘设 备进行预处理，以降低电除尘器的含尘浓度。此外，改变电晕极的形状例如采用 芒刺形电晕极也有助于减少电晕封闭现象的发生。目前对造成电晕封闭的含尘浓 度极限值尚无实践资料，一般认为入口含尘浓度在4 0 6 0g n 1 m - 3 以下尚不致造成 电晕封闭现象。 2 2 4 含尘气体流量( 或流速) 对除尘效率的影响 对于一定型号规格的电除尘器，其除尘效率是指指处理气体量在一定范围内 而言。如果处理气体量超过设计范围，则除尘效率也就达不到设计的要求。气体 流量大于电除尘器所设计的允许范围时，电除尘器的除尘效率降低，主要原因是 由于气体流速增大，减少了粉尘与电离的气体离子结合的机会，加大了粉尘微粒 被高速气流带走的数量，同时，也增加了已经沉集下来的粉尘再度被高速气流扬 起带走的数量，即增大了二次扬尘效应。从电除尘器的工作原理来看，气体流速 愈低，粉尘微粒荷电的机会愈多，因而除尘效率愈高。 传统的电除尘器，当含尘气体流速小于0 5m s - 1 时，除尘效率最高，接近1 0 0 。 当流速增高到1 0m s d 时，除尘效率降低到9 6 。当流速增高到1 6m s 1 时，除尘 效率只有8 4 。可见，随着含尘气体流速的增高，电除尘器的除尘效率大幅度下 1 0 江苏大学硕士学位论文 降，一般认为，气体流速取0 6 1 3m s 1 为宜。论文主要针对这一问题进行研究， 通过改进电除尘器的内部结构，提高电除尘器在高风速条件下的除尘效率，从而 减少钢材的浪费和投资成本。 2 2 5 含尘气体温度对除尘效率的影响 含尘气体的温度高低主要影响粉尘的比电阻。在低温时，粉尘表面吸附物、 水蒸气或其它化学物质的影响起主导作用，随着温度的升高，这种作用减弱，而 使粉尘的比电阻增加。在高温时，尘粒本身的导电性能起主导作用，随着温度的 升高，尘粒中质点的能量增加，导电性能增强，而使比电阻降低。 另一方面，气体的粘度和密度都与温度有关。温度升高时，气体质点运动的 内摩擦力加大，因此气体粘度增大，从而使荷电粉尘驱进速度降低，电除尘器除 尘效率随之降低。在一定的压力下，气体的密度与温度的变化成反比，而气体的 击穿电压与密度成正比。也就是说，温度升高时，气体的密度减小，击穿电压降 低，使电除尘器的除尘效率降低；温度降低时，气体密度增大，击穿电压升高， 电除尘器除尘效率增大。从提高除尘效率的角度来看，应使含尘气体的温度低于 1 6 0 或高于4 3 0 。 2 3 电除尘器的等离子体物理原理 从等离子体物理的观念来看，电收尘器是等离子体源和反应室的组合体。从 宏观来说，电收尘的电离处于平衡状态，用电离连续方程观点来看，电离过程中离 子的产生项等于其损失项与输运项之和。可见，离子产生率、离子输运率在电收 尘其烟尘荷电过程中起着主导作用，也是解决电收尘技术现存问题的关键。 2 3 1电离放电物理过程 大气等离子体是指氮和氧气体被电离生成大量离子，其中包括；，+ ，d ；， 0 + ，d ；以及0 ；，g ，0 一，；，一等等，同时也含有大量的自由基、激发 态原( 分) 子等活性粒子。每一种离子都将影响气体放电特性及物理性能，通常电 子占主导地位。众所周知，0 2 分子电离能为1 2 5e v ，n 2 分子电离能为1 5 6e v ； 1 1 江苏大学硕士学位论文 0 ，n 原子电离能分别为1 3 6e v ，1 4 5e v 。当外加激励电场达到6 0k v c l i l - 1 9 0 k v c n l d 时，在流光头部形成本征电场强度接近或者大于激励电场强度时，在放电 通道雪崩头部形成强电离放电电场，电子平均能量达到1 2e v 以上，电子浓度在1 0 “ 伽1 0 1 5c m ，此时大部电子具有的能量达到或大于0 2 ，n 2 电离能，能把放电通 道中的大部分气体电离形成高浓度的等离子体【6 0 1 。放电通道中的等离子体成分含 有光子、电子、离子、自由基及具有高反应活性的中性成分；中性活性成分是指 活性原子、激发态原子( 分子) 和活性分子碎片等；而离开放电通道的等离子体是 指有离子、自由基及具有活性的中性成分粒子，它们恰恰是从源输运出去的，也 是工业应用的等离子体主体成分。 在非平衡态等离子体中电子从电场取得能量传递给气体分子，单位体积内的 为电子从电场取得的总功率为： p - 哪2 等z m 。南 ( 2 4 ) e+ v ： 式中，n 。为电子浓度；e 为电子电荷；m 。为电子质量；1 ，。为电子碰撞频率；c o 为 等离子体激励频率；e 气体放电电场强度，它是由外加激励电场与雪崩头的本征 电场叠加形成的。电子从电场取得能量与其电场强度、气体浓度n 成函数关系。 放电间隙的激励电场强度e 删增加足够大时，在雪崩头部的空间电荷也相应增 加到一定数量，在流光( 雪崩) 头部集聚形成本征电场e k 。当e k 邳1 e 倒时，放 电电场强度就开始发生明显的畸变；在e 鲥= e k 时，放电空间的电场就畸变得非常 厉害。假设雪崩的电子全部集中在球形头部中，而一个电子通过雪崩产生电子数 为e 甜，x 是在外加激励电场e 。作用下雪崩电离长度，本征电场强度表达式是： e i o c 等e 耐( 2 - 0 式中：系数k 由电子的漂移速度求得。当外加激励电场强度达到5 0k v 伽1 时，在 流光头部形成的电离电场强度的值是非常大的，甚至可以达到1 5 0k v c m - l 4 0 0 k v c m 一；电离占空比文电离放电通道总体积与等离子体源内的电场空间总体积比 值) 达到0 0 1 ，是电晕电离放电的1 0 2 倍，甚至1 0 3 倍以上；等离子体源输运出去 的浓度有望达到1 0 1 2 伽- 3 左右，将远高出弱电离放电6 个数量级左右；再把流光( 微) 放电电离的反应时间极短的特征考虑进去，可使等离子体源及其反应器的体积、 江苏大学硕士学位论文 重量、能耗等主要参数也相应减少3 个数量级左右【6 1 彤】。 2 3 2 电离连续方程 电离区域的物理过程大致分为：导致电离物的产生和消失以及电离物的输运。 描述控制电离区域物理过程的基本方程是带电粒子浓度分布的连续方程： 譬=