大气污染控制工程：第六章 颗粒污染物的净化part2ESP

1、 6.5 静电沉积 ESP Electrostatic Precipitation6.5.1 静电沉积的原理6.5.2 电除尘器的类型和构造6.5.3 电除尘器的选用和设计计算电除尘器电厂锅炉除尘系统流程图 最大特点与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上电除尘器的主要优点压力损失小，一般为200500Pa处理烟气量大，可达105106m3/h能耗低，大约0.20.4kWh/1000m3有很高的捕集效率，可高于99可在高温或强腐蚀性气体下操作缺点：造价高，技术要求高(影响到系统的可靠性）对颗粒物导电性有要求6.5.1 静电沉积原理 四个基本过程电晕放电颗粒荷电

2、带电颗粒在电场内迁移和捕集被捕集颗粒从集尘表面上清除电除尘器的工作原理（1）电晕放电（1）电晕放电（续）起始电晕电压开始产生电晕电流时所施加的电压管式电除尘器内任一点的电场强度起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度（皮克经验公式）电压电流特性 电晕放电电场的电压与电流之间的关系，通常称为电压电流特性或简称为伏-安特性。 （1）电晕放电（续） 正、负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线 电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离电场击穿；相应的电压击穿电压在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流，且击穿电压也高得多 工业气体净化倾向于采用稳定性强，操作电压和电

3、流高的负电晕极；空气调节系统采用正电晕极，好处在于其产生臭氧和氮氧化物的量低（1）电晕放电（续）影响电晕特性的因素 气体组成、压力、温度不同气体对电子的亲合力、迁移率不同 气体温度和压力的不同影响电子平均自由程和加速电子及能产生碰撞电离所需要的电压 气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积 电极的形状、电极间距离电压的波形 （2）颗粒荷电 两种机理电场荷电或碰撞荷电离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电扩散荷电离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程；依赖于离子的热能，而不是依赖于电场 粒子的主要荷电过程取决于粒径大于1 m的微粒，以电场荷电为主小于0.1 m

4、的微粒，以扩散荷电为主介于之间的粒子，需要同时考虑这两种过程。（2）颗粒荷电 之 电场荷电颗粒荷电电荷累积颗粒场强增加没有气体分子能够到达颗粒表面，电荷饱和（2）颗粒荷电 之 电场荷电颗粒获得的饱和电荷 影响电场荷电的因素 粒径dp和介电常数电场强度E0和离子密度N0 一般粒子的荷电时间仅为0.1s，相当于气流在除尘器内流动1020cm所需要的时间，一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷（2）颗粒荷电 之 扩散荷电与电场电荷过程相反，不存在扩散荷电的最大极限值（根据分子运动理论，不存在离子动能上限） 荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间 扩散荷电理论方程 玻耳兹曼常数（1.

5、381023 ）温度，K；离子平均速度，再次说明：电场荷电主要对大颗粒（大于1 m）起作用。 对于小颗粒（小于0.1 m ），扩散荷电起主要作用。 电场荷电和扩散荷电的综合作用处于中间范围 （0.11 m）的粒子，需同时考虑电场荷电和扩散荷电根据Robinson的研究，简单地将电场荷电和扩散荷电的电荷相加，可近似地表示两种过程综合作用时的荷电量，与实验值基本一致（3）荷电颗粒的运动和捕集 理论驱进速度 （3）荷电颗粒的运动和捕集（续）驱进速度与粒径和场强的关系当颗粒直径为250m时，vd与粒径成正比（3）荷电颗粒的运动和捕集（续）捕集效率一（Deutsch)公式 德意希公式的假定:除尘器中气流

6、为湍流状态在垂直于集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均匀的粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程忽略电风、气流分布不均匀、被捕集粒子重新进入气流等影响 颗粒通过边界层的时间颗粒沿轴向运动的距离为 荷电颗粒的运动和捕集（续）有效驱进速度当粒子的粒径相同且驱进速度不超过气流速度的1020时，德意希方程理论上才是成立的 作为除尘总效率的近似估算，vd应取某种形式的平均驱进速度有效驱进速度实际中常常根据在一定的除尘器结构型式和运行条件下测得的总捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相应驱进速度值。荷电颗粒的运动和捕集（续）有效驱进速度粉尘种类驱进速度（m/s）粉尘种类驱进速度（m/s）煤粉炉飞灰0

7、.100.14冲天炉烟尘0.030.04纸浆及造纸尘0.08水泥尘（干法）0.060.07平炉烟尘0.06水泥尘（湿法）0.100.11硫酸雾0.060.08多层床焙烧炉烟尘0.08氧化锌尘0.04红磷尘0.03悬浮焙烧炉烟尘0.08石膏尘0.160.20催化剂粉尘0.08二级高炉烟尘0.125荷电颗粒的运动和捕集（续）净化性能影响因素及相互关系气气烟气湿度烟气温度烟气成份烟气压力尘a.废气的成分 由于不同气体分子与电子的亲和能力不同，不同离子在电场中的迁移率不同，所以废气成分对电晕电场的伏安特性和闪络电压有影响。负电性气体和离子迁移率低的气体存在，可提高工作电压，对改善除尘器工作性能有利。

8、b.气体的温度和压强 电离过程中，电子必须加速到一定的速度，才能碰撞气体分子供其电离。如果气体密度增大，平均自由程缩短，可供电子加速的时间减少，只有提高电场强度，才能在较短的时间内加速到能使气体电离的速度。所以，气体温度降低和压强升高，会使起晕电压升高。气体温度和压强的变化，也会影响离子迁移率，从而改变伏安特性。 带电颗粒由于电场力的作用，在集尘极表面沉积，沉积的稳定程度与颗粒物的导电性有很大关系。 导电性好（比电阻小）的颗粒与集尘极表面一接触，立即释放电荷，并重新带上与集尘极电性相同的电荷。重新荷电的颗粒在斥力的作用下重返气流。（对于除尘一般很少出现） 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（

9、比电阻）导电性不好（比电阻大）的颗粒物沉积到集尘极表面，由于不能完全释放电荷，就会在集尘极表面形成一层与集尘极电性相反的带电积尘层。该层排斥后到的带电颗粒，阻止其向集尘极沉积。另外，带电沉积层如果出现裂缝，裂缝处会形成不均匀电场，产生局部电晕放电。这一电晕放电过程的离子运动与整个集尘装置的离子运动方向相反，所以被称为是反电晕。反电晕产生的离子与空间颗粒所带电荷的电性相反，因此碰撞后中和。中和尘粒不会向集尘极作驱进运动。所以反电晕出现，会使电除尘器效率显著下降。 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续高比电阻粉尘对电除尘器性能的影响 高比电阻粉尘会干扰电场条件，导致除尘效率下降低于10

10、10/cm时，比电阻几乎对除尘器操作和性能没有影响比电阻介于10101011/cm之间时，火花率增加，操作电压降低高于1011/cm时，产生明显反电晕净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续烟气湿度和温度对粉尘比电阻的影响a.飞灰 b.水泥窑粉尘净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续S含量对粉尘比电阻的影响Log10resistivity, cm净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续粉尘比电阻对除尘器伏安特性的影响 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续粉尘比电阻对有效驱进速度的影响 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续粉尘比电阻对场强分布的影

11、响 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续克服高比电阻影响的方法 保持电极表面尽可能清洁采用较好的供电系统烟气调质增加烟气湿度，或向烟气中加入SO3、NH3，及Na2CO3等化合物，使粒子导电性增加。最常用的化学调质剂是SO3 改变烟气温度向烟气中喷水，同时增加烟气湿度和降低温度发展新型电除尘器 净化性能影响因素之c.颗粒物的导电性（比电阻）续净化性能影响因素之d 捕集效率随粒径的变化e.颗粒物浓度进口气体含颗粒物浓度不高的情况下，浓度提高，电除尘器效率会有所提高。但如果进口浓度过高，状况反而恶化。原因：荷电颗粒的运动速度远比气体离子的运动速度小。进口含尘浓度高，电晕区产生的气体离子

12、大量沉积到颗粒上，使电流减弱。当进口浓度提高到一定程度，由于电晕产生的气体离子都沉积到颗粒上，电流几乎减弱到零，电除尘器失效，这种现象被称为电晕阻塞。为了防止电晕阻塞，对高浓度含尘气体，应先进行预处理，使浓度降到适当程度，再进电除尘器。 净化性能影响因素续f.电极的形状和尺寸 电极的形状和尺寸对电晕放电影响很大，放电极极细或带有尖刺，起晕电压低。 管式集尘极的直径和板式极的间距、集尘极是否有尖锐部分（如锐边或毛刺），都会影响闪络电压。集尘极形状还会对二次扬尘产生影响。净化性能影响因素续g.气流情况气流分布不均，电除尘器各通道中的气体流速相差较大，使某些通道工况恶化，导致总效率降低。引起气流分布

13、不均匀的原因大致有：进出口及通道形状不利，管道或通道不均匀积灰，各部分温度不均匀。气流紊乱（射流、涡流或脉动等）引起颗粒重返气流，使效率下降。电晕放电产生的电风，可增大颗粒的驱进速度，增加碰撞凝并，对捕集过程有利；但有时电风与气流共同作用，引起某些部分颗粒重返气流。 净化性能影响因素续h.供电参数（推动力的体现） 供电参数对电除尘器性能影响很大，起主要作用的参数有功率、火花率（闪频）和电压波形等。 颗粒的有效驱进速度可近似表达为净化性能影响因素续集尘效率随电晕功率提高而提高。电除尘器在通常运转条件下，电晕电流和功率随电压升高而急剧增加。所以当电晕电压接近峰值时，即使是数值不大的变化，也会对效率

14、产生明显影响。 火花率是单位时间电场出现火花放电的次数。随着电场电压升高，火花率增加。电压高对除尘有利，所以要保持较高的除尘效率，就要有一定的火花率，大约在每分钟几百次；处理中比电阻尘，最佳火花率在每分钟10100次。试验表明，脉冲供电比平稳直流供电更有利。峰值电压有利于提高除尘效率，谷值电压可减少火花放电和连续电弧的发生。 (4）被捕集粉尘的清除 电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积 粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性，一般方法采取振打清灰方式清除 从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流在湿式电除尘器中，用水冲洗集尘极板在干式电除尘器中，一般用机械撞击或电极振动产生的

15、振动力清灰（4）被捕集粉尘的清除（续）现代的电除尘器大都采用电磁振打或锤式振打清灰。振打系统要求既能产生高强度的振打力，又能调节振打强度和频率常用的振打器有电磁型和挠臂锤型 Typical hammer/anvil rappers forcollection plates(Europe)Typical magnetic-impulse rappersfor collection plates ( USA) Typical electric-vibrator rappers used for wire discharge electrodesTumbling hammers for rigid

16、frame discharge electrode6.5.2 电除尘器类型和构造 电除尘器类型双区电除尘器通风空气的净化和某些轻工业部门单区电除尘器控制各种工艺尾气和燃烧烟气污染单区和双区电除尘器双区电除尘器单区电除尘器管式电除尘器用于气体流量小，含雾滴气体，或需要用水洗刷电极的场合1污染气体入口；2清洁气体入口；3支承绝缘子；4蒸汽盘管；5电极吊架；6外壳；7放电极；8重锤；9排污口板式电除尘器为工业上应用的主要型式，气体处理量一般为2550m3/s以上电除尘器结构电晕电极电晕电极 常用的有直径3mm左右的圆形线、星形线及锯齿线、芒刺线等 电晕线的一般要求：起晕电压低、电晕电流大、机械强度高

17、、能维持准确的极距、易清灰等 电除尘器结构电晕电极电晕电极 电晕线固定方式重锤悬吊式框架式 电除尘器结构集尘极集尘极集尘极结构对粉尘的二次扬起，及除尘器金属消耗量 （约占总耗量的4050%）有很大影响性能良好的集尘极应满足下述基本要求振打时粉尘的二次扬起少单位集尘面积消耗金属量低极板高度较大时，应有一定的刚性，不易变形振打时易于清灰，造价低电除尘器结构集尘极常用板式电除尘器集尘极进展宽间距压电除尘器：现已公认，在某些情况下板间距可比平常增加50100%，然而除尘器性能并未改变，其原理还没有完全解释清楚。电除尘器结构气流分布板电除尘器内气流分布对除尘效率具有较大影响 对气流分布的具体要求是任何一

18、点的流速不得超过该断面平均流速的 40%在任何一个测定断面上，85%以上测点的流速与平均流速不得相差 25%。电除尘器结构气流分布板气流分布不均匀时，电除尘器通过率的校正系数FV电除尘器结构-贮灰出灰装置从电极上振落的粉尘，贮存在除尘器底部的灰斗内，并由排灰装置排出。在负压状态下工作，排灰口必须保持气密，以防止外部空气漏入，使粉尘重新飞扬，并使电场的风速提高，影响除尘效率。灰斗内装挡板，防止含尘气体不经过电场，而由灰斗短路流出。 hopper电除尘器结构-壳体壳体应尽量避免漏气。漏气不但影响运转状态，降低效率，而且还可能造成局部冷却结露，引起腐蚀。防止泄漏的主要部位有门、孔口及各种构件（特别是

19、运动构件）穿过外壳的部位。电除尘器内烟气温度应较其露点高20K以上，以防结露。因此，有些情况下要求外壳保温。 电除尘器结构高压供电设备高压供电设备提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流供电设备必须十分稳定，希望工作寿命在二十年之上通常高压供电设备的输出峰值电压为70l000kV，电流为1002000mA 增加供电机组的数目，减少每个机组供电的电晕线数，能改善电除尘器性能，但投资增加。必须考虑效率和投资两方面因素6.5.3 电除尘器的选择和设计 电除尘器的选择和设计仍然主要采用经验公式类比方法 参数符号取值范围板间距S2328cm驱进速度318cm/s比集尘极表面积A/Q3002400m2（

20、1000m3/min）气流速度v12m/s长高比L/H0.51.5比电晕功率Pc/Q180018000W/(1000m3/min)电晕电流密度Ic/A0.051.0A/m2平均气流速度 烟煤锅炉v1.11.6m/s 褐煤锅炉v1.82.6m/s6.5.3电除尘器的选择和设计（续）比集尘表面积的确定 根据运行和设计经验，确定有效驱进速度e按德意希方程求得比集尘表面积A/Q长高比的确定集尘板有效长度与高度之比，直接影响振打清灰时二次扬尘的多少要求除尘效率大于99%时，除尘器的长高比至少要1.01.5。气流速度的确定通常由处理烟气量和电除尘器过气断面积，计算烟气的平均流速平均流速高于某一临界速度时，

21、作用在粒子上的空气动力学阻力会迅速增加，粉尘的重新进入量亦迅速增加气体的含尘浓度如果气体含尘浓度很高，电场内尘粒的空间电荷很高，易发生电晕闭塞应对措施提高工作电压，采用放电强烈的芒剌型电晕极，电除尘器前增设预净化设备等.6.5.3电除尘器的选择和设计（续）6.5.3 电除尘器的选择和设计（续）电除尘器的辅助设计因素 电晕电极：支撑方式和方法集尘电极：类型、尺寸、装配、机械性能和空气动力学性能整流装置：额定功率、自动控制系统、总数、仪表和监测装置电晕电极和集尘电极的振打机构：类型、尺寸、频率范围和强度调整、总数和排列灰斗：几何形状、尺寸、容量、总数和位置输灰系统：类型、能力、预防空气泄漏和粉尘反

22、吹壳体和灰斗的保温，电除尘器顶盖的防雨雪措施便于电除尘器内部检查和维修的检修门高强度框架的支撑体绝缘器：类型、数目、可靠性气体入口和出口管道的排列需要的建筑和地基获得均匀的低湍流气流分布的措施6.5.3 电除尘器的选择和设计（续）电除尘器可能出现的问题 设计或选型问题； 制造和安装问题； 运转问题。 设计问题a.颗粒物性质：比电阻超过电除尘的有效适用范围，引起反电晕或再飞扬；颗粒物有粘性，积尘难以清除。b.气流：气流速度过高或分布不均匀。c.电极：集尘极面积不够，长高比过小；放电极数量不够。d.振打机构：振打加速度和频率过低或过高，振打不协调。e.电源：整流设备容量不够，或性能不稳定。运转问题

23、a.绝缘不好或短路：进线绝缘子积灰、受潮；脱落的零件或异物存在，引起极间短路。b.电极损坏：集尘极腐蚀；电晕线断裂；有效电晕减少；电极移位或变形。c.积尘：放电极积尘过多（称电晕肥大）；入口、出口管或气流分布板积尘；灰斗积灰过满。d.过载：含尘气体流量过大，使电场气速过高；含尘浓度过高，造成电晕阻塞。e.电源未达到预定工作状态。f.污染源变化引起工况改变：烟气成分和湿度、颗粒物比电阻和粒度发生变化。以下供拓展学习参考*电除尘器的改进（拓展） 电除尘器改进的主要目的是提高性能（尤其是对高比电阻尘的适应性）、减小尺寸和成本、扩大功能，主要措施是改进结构和材质、改变供电参数。 *电除尘器的改进改进结构和供电参数a.宽间距（超高压）电除尘器 常规电除尘器极板间距在250300mm，相应的工作电压在4560kv。近年来发展的宽间距电除尘器极板间距扩大到6001200mm，工作电压提高到120200kv。宽间距电除尘器的比电阻适用范围扩大到1051015。由于极板间距加宽，安装误差的影响减小，并便于安装和检修。 *电除尘器的改进b.双区电除尘器 将荷电和集尘分别在两个区域内进行，结合电极改进，可提高除尘效果，缩短除尘器长度。c.增加