环保设备教案-第三章-除尘器的设计与应用(二)

第三章除尘器的设计与应用(二)【课时安排】§3.1电除尘器概述0.5学时§3.2电除尘器的设计与计算2学时§3.3电除尘器的应用与发展1.5学时总计4学时【掌握内容】1电除尘器的设计与计算2电除尘器的应用【熟悉内容】1影响电除尘器除尘的主要因素2电除尘器发展前景【教学难点】电除尘器的设计与计算【教学重点】电除尘器的设计与计算【教学目标】掌握常用电除尘装置的结构、除尘机理和设计计算【教学内容】§3.1电除尘器概述【授课时间】0.5学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一定义利用静电力将气体中的悬浮粒子（粉尘或液滴）分离出来的一种除尘装置二电除尘器的工作原理及特点1.工作原理:含尘气体在通过非均匀高压电场进行电离的过程中,是粒子荷电,并在电场力的作用下是粒子沉积在集尘极上,粒子从气流中分离出来的一种除尘装置2.特点:①与其他除尘器的根本区别在于:分离力直接作用在粒子上，而不是整个气流上②具有耗能小、气流阻力小（一般为200～500Pa）的特点③处理烟气量大，可达105～106m3/h④能耗低，大约0.2～0.4kWh/1000m3⑤对细粉尘有很高的捕集效率，可高于99％⑥可在高温或强腐蚀性气体下操作三电除尘器的除尘过程需四个步骤：电晕放电和气体电离；粉尘荷电；荷电粒子的运动和捕集；清灰。以管式电除尘器为例:1．电晕放电电晕放电过程：a金属丝放出的电子迅速向正极移动，与气体分子撞击使之离子化b气体分子离子化的过程又产生大量电子－雪崩过程c远离金属丝，电场强度降低，气体离子化过程结束，电子被气体分子捕获d气体离子化区域－电晕区e自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源（1）起始电晕电压－开始产生电晕电流所施加的电压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）d一空气的相对密度m－导线光滑修正系数，无因次，0.5<m<1.0在r=a时（电晕电极表面上），起始电晕电压（2）击穿电压a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b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c工业气体净化倾向于采用稳定性强，操作电压和电流高的负电晕极；d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（3）影响电晕特性的因素电极的形状、电极间距离;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;2．粒子荷电自由电子、离子与颗粒碰撞，附在粒子上完成的荷电的两种机理：a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b扩散荷电－气体离子做不规则热运动，与粉尘粒子碰撞，使其荷电粒子的主要荷电过程取决于粒径dp>0.5μm的微粒，以电场荷电为主dp<0.15μm的微粒，以扩散荷电为主0.15μm<dp<0.5μm的粒子，需要同时考虑这两种过程。（1）电场荷电a粒子获得的饱和电荷：（库仑）式中：ε0——真空介电常数，ε0=8.85×10-12库仑2/牛顿·米2；ε——粉尘的相对介电场数，无因次；dp——尘粒直径，m；E0——两电极间的平均场强，V/m。b影响电场荷电的因素粒径dp和介电常数ε电场强度E0和离子密度N0c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10～20cm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）扩散荷电a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）b荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间c处于中间范围（0.15～0.5μm）的粒子，需同时考虑电场荷电和扩散荷电扩散荷电理论方程:（3）异常荷电现象a沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象,破坏正常电晕过程b气流中微小粒子的浓度高时，荷电尘粒所形成的电晕电流不大，可是所形成的空间电荷却很大，严重抑制着电晕电流的产生c当含尘量大到某一数值时，电晕现象消失，尘粒在电场中根本得不到电荷，电晕电流几乎减小到零，失去除尘作用，即电晕闭塞3．荷电粒子的运动和捕集（1）驱进速度在电场中粉尘的运动主要受静电力和流体阻力支配。静电力阻力按斯托克斯公式计算：静电力和流体阻力平衡得：（2）捕集效率一德意希公式假定：•除尘器中气流为湍流状态•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理论分级效率为：（3）有效驱进速度a当粒子的粒径相同且驱进速度不超过气流速度的10％～20％时，德意希方程理论上才是成立的；b作为除尘总效率的近似估算，ω应取某种形式的平均驱进速度；c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，以ωe表示；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振动力清灰•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四电除尘器结构1．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•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•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25～50m3/s以上2．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、能维持准确的极距、易清灰等电晕线固定方式：•重锤悬吊式•管框绷线式3．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40％～50%）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4．高压供电设备5．气流分布板五粉尘比电阻•通常所需要的粉尘的最小导电率是10－10（Ω/cm）－1•高比电阻粉尘－导电率低于大约10－10（Ω/cm）－1，即电阻率大于1010Ω/cm的粉尘•影响粉尘层比电阻除粒子温度和组成之外，还包括粒子大小和形状，粉尘层厚度和压缩程度，施加于粉尘层的电场强度等•在评价电除尘器的操作性能时应根据现场测得的粉尘比电阻数据注意：1．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1010Ω/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1010～1011Ω/cm之间时，火花率增加，操作电压降低•高于1011Ω/cm时，产生明显反电晕2．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§3.2电除尘器的设计与计算【授课时间】2学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一电除尘器的选择和设计1．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ωe按德意希方程求得比集尘表面积A/Q2．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1.0～1.5。3．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，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4．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二设计举例（一）平板式电除尘器根据求出Ac，然后根据选定的集尘极的间距2b，高度h及长度L确定所需通道数n，再计算其它各项。通道数：通道横截面积：处理气量：处理停留时间：于是平板型除尘器的效率公式为：（二）管式电除尘器设除尘器圆筒个数为n，圆筒半径为R，长度为L，则有：圆筒个数：通道横截面积：处理气量：处理时间：效率：三电除尘器的供电电除尘器只有在良好的供电情况下，才能获得较高的除尘效率。供电装置的容易、输出电压的高低、电压的波形和稳定性及供电分组等都是影响效率的因素。重要的电参数：电晕电流密度、有效电晕功率、电压水平。供电电压、电流和功率的影响供电电压、电流和功率对电除尘器效率的影响可以归结为对粉尘驱进速度ω的影响。对管式用直流供电的电除尘器：ω和电晕电流的关系：i——电晕电流线密度，即单位长度电晕线上的电晕电流；μ——气体粘度；K——离子迁移率；dp——尘粒粒径；c——常数。当I较大时，2i/K>>c，i越大，驱进速度越大，除尘效率越高。对板式电除尘器：电流i加一修正系数α，当供电不是直流时，i可取电流的时间平均值iav。§3.3电除尘器的应用与发展【授课时间】1.5学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一电除尘的选择电除尘选择的技术问题基本上是使电除尘的设计与所需的除尘效率和规范相符合的问题。正确选择电除尘要求了解的烟尘和烟气的基本性质包括：烟尘和烟气的来源和生产过程；烟尘粒度大小的分布；烟尘浓度；现场实际的烟尘比电阻；总烟量；烟气的压力、温度和成分；烟气和烟尘的腐蚀性。这些性质可用已知的技术和有效的装置进行调试。传统上对于这些性质大都根据其产生的来源和生产过程来假定的。最简单的有的值提出它处理的烟量、除尘效率。二收集资料根据以上各节的讨论，可以归纳选择和设计除尘器时的主要参数。要求的除尘效率或除尘的进出口含尘浓度，；烟气和烟尘的性质及回收价值设备材料的供应情况及价格（2）确定有效驱进速度是衡量电除尘效率和根据现有设备的已知性能进行新除尘器设计的重要参数。在设计时实际应用的值，一般都是根据中间试验和现场测定结果得到的有效值，影响有效驱进速度的因素有以下：a．粒径dp：在除尘效率一定时，粒径较大，则所需单位集尘极板面积（A/V）减小，有效驱进速度可取高点；反之可取小点。b．除尘效率：除尘效率降低则有效驱进速度增加；除尘效率增加则有效驱进速度降低。c．比电阻：比电阻降低则有效驱进速度增加；比电阻增加则有效驱进速度降低。测允许的电晕电流密度值减小，尘粒的荷电量减小，荷电时间增大，故可取小的驱进速度。d．二次扬尘（3）集尘极板面积按多依奇方程式计算。注意：板式除尘的有效集尘面积是指点晕放电空间的收尘电极的净当量面积。（4）其它辅助设计内容气流速度v：指总的气体流量和通道截面积计算而得的平均气速。降低气速，效率可以提高，但低到一定程度，有效驱进速度却随之下降。因此，应在满足所需的效率下选取有效驱进速度高的风速，才是较经济的。一般取0.4-4.5m/s。三粉尘层的导电机制工业粉尘导电方式有两种，取决于粉尘和气体的温度及组成。在高温时（约大于200℃），导电主要通过粉尘本体内部的电子或离子进行。在本体导电占优势的温度范围内，粉尘比电阻称为容积比电阻；在较低温度下，气体中存在的水分或其它化学调节剂被尘粒表面吸附，因而导电主要是沿尘粒表面所吸附的水分和化学膜进行的，在导电沿尘粒表面进行的温度范围内，粉尘比电阻称为表面比电阻。书P22，图6-18为一典型的温度—比电阻曲线，表明了容积比电阻、表面比电阻占优势的范围。一般在高温范围内，粉尘比电阻取决于物质的化学组成。在低温范围内，比电阻与烟气中存在的水蒸汽或其它化学调节剂有关，是一种离子迁移现象。燃烧锅炉飞灰的比电阻主要与烟气中的SO3和水蒸汽含量成反比关系，高硫煤产生的飞灰比电阻比低硫煤的低。烟气温度低时SO3的吸附率较高，因此可通过改变烟气温度的方法是飞灰比电阻控制在某一范围。对于其它工业生产过程，如水泥窑和冶金炉烟尘，在烟气含水量较高和温度较低时，粉尘的比电阻较低。四比电阻对电除尘器运行的影响沉积在集尘电极上的灰尘的比电阻对电除尘器能否有效地运行有显著的影响，比电阻过高或过低都会大大降低电除尘器的除尘效率，适宜的范围是从103～104Ω·cm～2×1010Ω·cm。比电阻过低前已述及，沉积在集尘电极上的灰尘因为相互粘附凝集成集合体，所以振打电极后，它们能在重力作用下自由降落到灰斗中去，不致被气流带走，但是，如果灰尘的比电阻小于103～104Ω·cm，则当它到达集尘表面后不仅立即丧失电荷，而且立即如图A那样由静电感应获得和收尘电极同极性的阳电荷（图中A）。如果阳电荷形成的排斥力大得足以克服灰尘的粘附力，则沉积的灰沉降离开收尘电极而重返气流。可是因为在空间受到离子碰撞，又会重新获得与放电极同极性的阴电荷而向集尘电极运动（图中B），结果就像图a那样形成在集尘电极上跳跃的现象，最后可能被气流带出电除尘器。用电除尘器处理各种金属粉尘和石墨粉尘、炭黑粉尘都可以看到这一现象。对这种情况往往可以采取在电除尘气后面串联旋风除尘器的办法来解决。因为携带不同电荷的粒子经过频繁的碰撞可能集成大的颗粒，能过在旋风除尘器中分离下来。例如炭黑就可以用高速电除尘器后面串联旋风除尘器的办法来捕集。另外，会不会出现跳跃现象与粒子的粘附性是有关的。象重油锅炉的炭黑灰尘，其表面附着SO3和焦油，虽然比电阻小，也能在集尘电极上粘附堆积，故一般可以有效的捕集。比电阻过高当灰尘的比电阻超过1010Ω·cm后，电除尘器的性能就随着比电阻的增加而下降，比电阻超过1010Ω·cm，通常设计的电除尘器就难以达到合理的效率。如果比电阻更高超过1012Ω·cm，则电除尘器的效率就会降低到大部分场和不能应用的程度。为了帮助理解高比电阻灰尘的影响，可以作这样的分析：设下图中电路内的外电阻器代表有电阻的灰尘层，其单位面积电阻（R）：Rs为比电阻；L为灰尘层厚度。因为由电晕离子构成的电极之间的电流必通过集尘电极上的灰尘层，据欧姆定律，电流通过具有一定电阻的灰尘层的压降Δj——灰尘层中的电晕电流密度，V为：j——灰尘层中的电晕电流密度，作用在电极之间的空间的电压Vg为，V为外加于电除尘器的电压。上式表明，如果比电阻不太高的话，捕集的灰尘层对空间的电压Vg的影响可忽略不计，但随着比电阻的增加，达到一定程度，其影响就不能忽略，因为这是可能开始发生一个重大的异常现象，即反电晕（或叫逆电离）。反电晕就是在集尘电极上产生电晕放电的现象，主要是由于粉尘的比电阻很高时，到达集尘电极的粉尘释放电荷很慢，并残留部分电荷，这不但会排斥随后而至的带有同性电荷的粉尘，影响其沉降，而且随着粉尘层变厚，两电极间造成一个很大的电压降，以致引起粉尘层空隙中的气体被电离，发生电晕放电。它与放电电极发生的现象类似，也可以见到亮光，也产生成对的离子和电子。正离子穿过极间区域朝着放电极流动，结果使集尘极附近电场强减弱，粉尘所带的负电荷部分被正离子中和，使粉尘的电荷减少，因而削弱了粉尘的沉降，除尘效率显著下降。若灰尘层的电压降继续增加，最终将使灰尘层的绝缘破坏，沉积粉尘层中的场强超过气体的击穿电场，粉尘层空隙中的气体的电击穿便发生了。书上P215图5-31显示了3种粉尘比电阻情况下的电压—电流特性。曲线A代表极板上没有粉尘层存在的情况，除尘器中的直流电压随着电晕电流的增大而增大，直到两极间气体被击穿，这种击穿使负电晕除尘器的阳极表面开始形成火花放电，并波及到电晕电流，它有着确定的最大电晕电流和电压，决定于具体的电极形状、间距和气体的组成。曲线B表示存在着中等比电阻粉尘的沉积，它位于清洁极板的曲线右侧，由于通过粉尘层有电压降，在粉尘层发生电击穿之前，电压亦随电流增大而增大，当粉尘层中发生电击穿时，击穿点周围局部面积上的电阻减小，就会使通过粉尘层的电压即刻施加到粉尘层表面和电晕线之间的空间中，由于这一附加电压的作用，使极间气体的击穿电压变高，电晕电流变小。曲线C表示粉尘比电阻很高的状况，这是当粉尘层中发生电击穿时，供电压不足以使火花蔓延地穿过极间区域，若电极间没有火花放电，则导致粉尘层不断被击穿，不断产生反电晕，火花闪络频繁，高压直流电流不断波动，电流值显著下降，致使除尘效率显著下