东南大大气污染控制工程教案08电除尘器

大气污染控制工程教案PAGE67第页第11次课2学时上次课复习：1、重力沉降室和旋风除尘器的工作原理；2、影响旋风除尘器除尘效率的因素；3、旋风除尘器的压力损失、结构。本次课题（或教材章节题目）：第八章电除尘器电除尘器概述电除尘器的工作原理——电晕放电教学要求：1、理解并掌握电除尘器的工作过程及原理；2、掌握影响电除尘器电晕放电机理。重点：1.电除尘器的工作原理；2.电除尘器的分类；3.电晕放电难点：电除尘器工作原理教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：1.电除尘器概述2.电除尘器的工作原理——电晕放电讲课时间：2学时课后作业P2298.128.13参考资料第八章电除尘器第一节电除尘器概述一、电除尘器的性能特点气体除尘从广义上来说可以分为机械方法和电气方法两大类。机械的方法包括基本上依靠惯性力和机械力回收粒子的一切方法在内，如重力沉降法、离心分离法、气体洗涤法、介质过滤法等等。电气的方法就是电除尘。它与一切机械方法的区别在于作用在悬浮粒子上的使粒子与气体分离的力。特点：分离的作用力直接施之于粒子本身，这种力是由电场中粉尘荷电引起的库仑力，而机械方法大多把作用力作用在整个气体。直接作用的结果使得电除尘器比其它除尘器所需功率最少，气流阻力最小。处理1000m3/h的气体，耗电0.1-0.8度，ΔP=100～1000Pa。它既不象重力沉降法或惯性法那样只限于回收粗粒子，也不象介质过滤法或洗涤法那样受到气体运动阻力的限制，能回收微型范围的细小粒子。（1μm左右的）除尘效率高，一般在95-99%。处理气量大，可应用于高温、高压，具有克服气体和粒子腐蚀的能力。连续操作并可自动化，故广泛应用于许多方面。(国外)冶金领域：铜、铅、锌冶炼厂，贵金属回收（回收金）；钢铁工业方面；水泥生产方面；化学工业和工艺过程方面；燃料煤气的脱焦；煤烟的除尘；炭黑的回收；造纸厂中的应用；电力生产中的应用；电子工业的空气净化等等。由于除尘器的主要缺点是设备庞大，消耗钢材多，初投资大，要求安装和运行管理技术较高，故目前我国电除尘的应用还不太普遍。二、电除尘发展简介早在公元前600年，希腊人就知道被摩擦过的琥珀对细粒子和纤维的静电吸引作用，库仑发现的平方反比定律称为静电学的科学基础，它也是电除尘理论的出发点。威廉描述到：电能吸引由熄灭的火花产生的烟。1745年，富兰克林开始研究尖端放电，他似乎是首先研究我们现在所涉及到的发电尖端的电晕放电。最早有关烟尘电力吸引的文学叙述出自英国的宫廷内科医生威廉吉伯特，时间是1600年。1772年，贝卡利亚对于大量烟雾的气体中的放电、电风现象进行了试验以后，1824-1908年，一些人做了一些有关净化过程中烟雾、烟草中的烟等试验。1908年，柯特雷尔发表了他的第一个专利，并在赛尔拜冶炼厂电除尘成功地回收了过去很难处理的硫酸雾。后来在他的学生施密特协助下又进行了发展，为在冶金和水泥工业中迅速广泛地采用电除尘，成功地控制空气污染奠定了基础，从本世纪二十年代到四十年代开始应用于其它工业。三、电除尘的除尘过程电除尘是何种装置呢？概括而言，电除尘是利用强电场使气体发生电离，气体中的粉尘荷电在电场力的作用下，使气体中的悬浮粒子分离出来的装置。这种装置由许多不同的型式，但最基本的组成部分都是一对电极（高电位的放电电极和接地的收尘电极），简单模式见书P6-2。除尘过程大致就是这样一过程，两电极间加一电压。一对电极的电位差必须大得使放电极周围产生电晕（常常加直流），高电压使含尘气体通过这对电极之间时，形成气体离子（正离子、负离子）这些负离子迅速向集尘极运动，并且由于同粒子相撞而把电荷转移给它们粉尘荷电，然后与粒子上的电荷互相作用的电场就使它们向收尘电极漂移，并沉积在集尘电极上，形成灰尘层。当集尘电极表面粉尘沉集到一定厚度后，用机械振打等方法将沉集的粉尘层清除掉落入灰斗中。用电除尘的方法分离气体中的悬浮离子，需四个步骤：气体电离；粉尘荷电；粉尘沉集；清灰。四、除尘器的分类按结构不同可作不同的分类，现从4个方面介绍：按集尘电极型式可分为管式和板式电除尘器管式：极线沿着垂直的管状集尘电极的中心线悬挂，适用于气体量较小的情况，一般采用湿式清灰方式。板式：在互相平行的板式收尘电极的中间悬挂垂直的极线。板式可采用湿式清灰方式，但绝大多数采用干式清灰方式。按气流流动方式分为立式和卧式电除尘器在工业废气除尘中，卧式板式电除尘器是应用最广泛的一种，我国1972年提出的系列化设计SHWB型就属此类。按粉尘荷电区和分离区的空间布置不同分为单区和双区电除尘单区：粉尘荷电和分离沉降都在同一空间区域内进行。双区：现有一组电极使粉尘荷电，然后另一组电极供给静电力，使带电粒子沉降。典型的双区除尘器多用于空调方面。国外有将它应用于工业废气净化方面的。按沉集粉尘的清灰方式可分为湿式和干式电除尘器第二节电除尘器的工作原理——电晕放电一、气体的导电电晕是气体中电传导的若干形式之一，因此，在介绍电晕放电时，需要先简单说一说关于气体导电的基本现象。在通常的空气或用除尘气处理的排气中，存在着因宇宙线或放射线等等而电离的电子和离子，如在这样的气体中设置电极，并保持低的或中等的电位差，则在电极之间只有不可能测定的微弱电流流动。对这种情况可以说在电极间存在的气体是绝缘状态。但当电极之间的电位差提高到某一点时，气体的电离和电导性就大大增加，于是从绝缘状态转变为传导状态，这种导电现象称为电击穿或气体放电。气体放电有不同的形式，如火花放电、电晕放电等。电晕实际上是一种不完全的电击穿。电晕放电和火花放电的不同之处在于前者只是在放电极的一小段距离内气体有强烈的电击穿，而后者则是在放电极和集尘极之间有若干狭窄的电击穿。前者放电时在电极周围的空气完全电离；后者放电时电极间的空气完全电离。在电晕中产生离子的主要机制是由于气体中的自由电子从电场中获得能量，和气体分子激烈碰撞，是电子脱离气体分子，结果产生带阳电荷的气体离子并增加了自由电子，这种现象称为电离。要产生电离，碰撞电子必须具有一定的最小能量，成为电离能量，其数值根据被撞出的分子或原子来决定。电子除了有强大的电离能力外，还具有可以附着在许多中分子和原子上形成阴离子的性质。对于元素周期表中右上方的那些原子、电子最能附着，因为这些元素（卤、氧、硫）的外电子层缺乏电子，有大的电子亲合势，它们称为阴电元素。当存在阴电性气体时，即使是少量的，也能大大减弱电子电离，抑制气体放电。显然，在任一距离内净剩的电子数是由电离所造成的电子数和因附着而损失的电子数之差。空气中阴电晕产生电子是这种情况的一个代表。在电晕极限的强电场区域内释放出来的电子又产生许多新的电子，这是新生的数量大，附着的数量少，但离开极线较远则电场较弱，电子附着占优势，于是电子数减少，最终由于都附着于气体分子形成阴离子而消失。电子附着对保持稳定的阴电晕是很重要的。因为气体的迁移速度是自由电子的1/100，如没有电子附着而形成的大量阴离子，则迁移速度高的自由电子就会迅速流至阳极，这样便不能在电极之间形成稳定的空间电荷。差不多在达到电晕始发电压时就会发生火花放电。在没有电子附着的情况下，如某些气体N2、H2等，在很纯的情况下，完全不能由电子附着形成阴离子，就只能采用阳电晕。因为阳电晕中的电流载体是速度比较小的阳离子。气体放电可分为自持的和非自持的两类。自持的是指放电仅靠电位来维持，不需要外来的电离方法。电晕放电是自持的一种。非自持的则受外界电离剂的作用。气体导电与固体或液体的导电有着本质上的区别。固体和液体的导电是由于自由电子或离子的存在，在外加电场的作用下，它们通过介质移动而形成电流，例如，在金属中携带电荷的载体是自由电子，它们通过金属的晶格结构，在移动中几乎不受到任何阻力。在半导体中，携带电荷的载体为电子和所谓的“空穴”。至于像水或盐的溶液，其电荷的载体为自由的电解离子。气体中的导电则不然，与固体和液体相反，气体中不存在自发的离子，它必须依靠外力，依靠电离过程才能产生离子。电晕放电的电晕区和电晕外区示意图二、电晕的形成如果在两块平行板之间建立电位差，则形成的是均匀电场。当电位差增大到一定值时，电场中任一点的场强也均增大到某一定值。如达到一个临界值，整个电场就都发生电击穿，在板之间产生火花放电。此时，虽然极板间通过的电流大，但只限于在狭条通道中产生气体离子，这种情况还能使尘粒有效地荷电，而且火花会扰动收尘电极上的灰尘层，从而减低收尘效率。如果在曲率很大的表面（如一尖端或一根细线）和一根管子或一块板之间有电位差，则能形成非均匀电场而产生电晕放电。虽然交流电压也能产生电晕，但交流电晕使荷电粒子产生摆动运动，而直流电晕则产生把离子驱向收尘电极的稳定的力，所以电除尘通常都是单极放电。电除尘中所采用的单极性电晕是在放电电极和收尘电极间形成的稳定的自发发生的气体放电，电离过程局限在放电电极邻近的强电场中的辉光区或邻近辉光区的地方，如下图所示：阳电晕或阴电晕的存在有两个主要条件：在电晕电极附近必须有充足的电离源；在电离区发射出的离子必须能在电晕外区生成有效的空间电荷。在密度很大的气体中采用细金属线（或其它具有锐边或尖点的材料）作为电晕电极就可满足第一条件。根据电极极性的不同，电晕有阳电晕与阴电晕之分。当放电电极和高压直流电源的阴极连接时，就产生阴电晕。阴电晕形成机理概括一下，由于自然界的放射性、宇宙线、紫外线等的作用，气体通常是包含一些被电离的分子和自由电子的。在达到一定电位差的非均匀电场中，靠近阴极线的强电场强区域内，自由电子从电场获得能量（足够），由于和气体分子碰撞而产生阳离子和新的电子，这些新电子又被加速而产生进一步的电离，于是形成被称为“电子雪崩”的积累过程。阳离子被加速引向阴极线，使阴极表面释放出维持放电所必需的二次电子，同时，来自电晕区域的紫外线光子也使极线释放电子或使周围气体光化电离。在强电场区域以外，电子逐渐减慢到小于碰撞电离所必需的速度，并附着在气体分子上形成气体离子。这些气体离子向集尘极运动，其速度和它们的电荷及电场强度成比例，这些离子构成电晕区以外整个空间的唯一电流。阴电晕：形成只是在很大的电子亲和力的气体或混和气体中有可能。外观：在放电电极周围有一连串光点或刷毛状辉光。阳电晕的形成机制与阴电晕显著不同，在阳电晕情况下，靠近阳极的放电极线的强电场空间内，自由电子和气体分子碰撞形成电子雪崩过程。这些电子向着极线运动，而气体阳离子则离开极线向强度逐步降低的电场运动，成为电晕外区空间内的全部电流。阳电晕：外观：比较光滑，均匀的，蓝色的亮光包着整个放电电极表面，这种电离过程有扩散性质。电晕起始电压电晕起始电压指开始发生电晕放电时的电压，也称临界电压，与之相应的场强称为电晕起始场强或临界场强。电晕起始电压电晕起始电压指开始发生电晕放电时的电压，也称临界电压，与之相应的场强称为电晕起始场强或临界场强。ξ0为真空中的介电系数，ξ0=8.85×10-12库仑2/牛顿·米2而任一点的场强等于该点的电位梯度的负值，即（8-2）通过积分变换（见书）得：（8-3）此时为任一点场强与电压的关系，式中：V——电压；r——半径（距电晕线的距离r）；a——电晕线半径；b——集尘管半径。（8-3）式表明在电晕开始发生之前，管式电除尘器中任一点的场强Er随极间电压V的升高，据电晕线的距离的减小而增大。当r=a在电晕线表面上时，Er达最大。电晕开始发生所需的场强取决于几何因素及气体的性质。皮克（peek）通过大量实验研究，提出了计算在空气中电晕起始场强的经验公式：（V/m）（8-4）P0、T0为标况下的大气压（1atm）和温度（298K）；T、P为运行状况的温度和空气压力；f为导线光滑修正系数，一般0.5<f≤1，清洁的光滑导线f=1，实际中所遇到的导线可取f=0.6-0.7；式中正负号视电晕极性而定，正电晕取正号，负电晕取负号。当r=a时，由（8-3）式得代入（8-4）得电晕起始电压计算式（线管式）：（伏）（8-5）电晕起始电压随电极的几何形状而变化，线愈细，电晕起始电压愈低。板式电除尘气：式中：c——两个电晕极之间的半径，m；a——电晕极半径，m；b——电晕极到集尘极的距离。气体组成的影响气体组成决定着电荷载体的分子种类。不同的气体，电子附着形成负离子的过程是不同的。前面已讲过，氢、氮和氩等对电子没有亲合力，不能使电子附着形成负离子，而在很多工业废气中存在的氧、二氧化硫等却能很快俘获电子，形成稳定的负离子。另外一些气体，最明显的是二氧化碳、水蒸汽对电子无亲合力，电子的附着决定于这种气体的分解。各种气体捕捉电子的能力是不一样的，因此其电压—电流特性也不一样，会显著地影响其阴电晕特性。书上图6-4给出了怀特绘出的二氧化硫和氮不同混合比时的电压—电流特性曲线，由图可以看出，气体组成不同，电压—电流特性曲线有明显不同。电压—电流特性曲线：正电晕：运行电压宽，Vc低，击穿电位高，除尘中应用广泛。负电晕：小型，空调用气体组成对电压—电流特性的影响时由于混合气体中每种组分俘获电子的概率和迁移率不同而至，也就是气体捕捉电子的能力不一样造成的。某一气体离子的迁移率Ki按下式定义：u0——该离子的平均运动速度，m/s；E——场强，V/m。纯净气体的正负离子迁移率及电子附着所需的碰撞次数分别在书P178-179表5-1，5-2中给出，工业废气主要是混合气体，电子附着取决于每次碰撞的概率合各组分的浓度，混合气体对电子的亲合力总和可利用其中各组分碰撞次数来表示。同时可以利用混合气体各组分的迁移率来确定气体混合物的当量迁移率。在这里说明一下，离子活度（浓度）高，离子速度大，电晕电流也就较大。由于其它因素的抵消影响，这些关系并不直接成比例，虽然可以针对气体组成施加一些措施（如高电压等）对除尘器的性能改善有利，但在工业中很少采用改变气体组成的方法，而常用控制放电极尺寸或其它几何特性的方法改变电压—电流曲线。温度和压力的影响气体的温度和压力既能改变电晕起始电压，又能改变电压—电流关系。气体的温度和压力的第一种影响：改变气体密度，使电子平均自由程改变，也就改变为使电子加速到电离所需的速度时所必需的场强。实验表明，压力升高，温度降低，气体密度增加，电晕起始场强增高，电晕起始电压增高。第二种影响：改变电荷载体的有效迁移率，从而改变电压—电流特性。以下三种方式均可使有效迁移率增大：温度，场强不变，减小气体密度；气体密度，场强不变，提高温度；温度，气体密度不变，增大场强。第12次课2学时上次课复习：1、电除尘器的特点2、电除尘器的分类3、电晕放电本次课题（或教材章节题目）：第八章电除尘器电除尘效率的影响因素教学要求：1、理解并掌握粒子荷电的工作原理；2、掌握电除尘器效率计算公式。重点：1.电场荷电2.扩散荷电3.多依奇效率计算方程难点：电场荷电和扩散荷电、荷电粉尘的运动和捕集教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：一、电场二、粒子荷电三、荷电粉尘的运动和捕集讲课时间：2学时课后作业P2298.15参考资料第三节电除尘效率的影响因素一、电场电除尘器的电场是由于在一对电极间施加了高电压和在两电极的空间区域中存在由离子和荷电粒子构成的空间电荷而引起的。若没有电晕电流，则电场仅取决于供电压部分和除尘器的几何尺寸。电场影响着所要捕集的尘粒的荷电荷作用在已荷电的尘粒上的力的大小，故在除尘过程中起重要作用。在上一节由理论推导出了管式电除尘器在任一点的场强（8-3式）：（该式在假定电晕电流为0时推导出来的）由于空间电荷引起电晕电流的存在，总影响使电场改变，绘制成图（场强与距离的关系）就得出如图所示的曲线A、B。当供电电压超过电晕起始电压时，两极间存在的空间电荷就会使电场分布改变。在集尘极附近的负电荷因空间电荷的斥力，加上静电场的作用会被加速，使集尘极附近的电场增加。电晕极附近的负离子或电子会被空间电荷排斥回来，因而，在电晕极附近电场消失。下面我们推导一下有电晕电流时的场强及电压计算：在数学上电场的分布用泊松方程式描述。对管式电除尘器，以距电晕线的径向距离为r的场强E(r)表示的泊松方程式：(柱坐标)①由于管式电除尘器空间电荷的对称性，距电晕线的距离为r处每米长柱面上的电流密度为：i为电流的线密度即每米长电晕线上的电流（A/m）②空间电荷的密度用电荷载体的数密度及迁移率来表示，电流的面密度：③式中：ρi、ρp——空间中离子荷和电粒子的体电荷密度，库仑/m3；Ki、Kp——粒子和荷电粒子的迁移率，m2/s·V；E——极间任一点的场强，V/m。废气中存在电负性气体，几乎所有自由电子都很快附着在气体分子上形成负离子，所以可以忽略自由电子形成的空间电荷，式③括号中的两项用一包含所有空间电荷的所谓当量迁移率K表示：j=ρKEρ=ρi+ρp代入②得：代入①得：积分得：c为常数。当电晕区边界r=r0时，电晕起始场强为Ec：代入上式得到任一点场强E(r)的表达是：正负号式电晕极极性而定（正电晕取正），一般皆用负电晕。故取负。在集尘电极表面r=b时，管式电除尘器，从电晕线表面（r=a）到集尘极表面（r=b）积分得：r0近似于a，故用a代替上式中的r0，并利用边界条件积分则得到电流较小时的电压（电晕电压）：中等，高电流时（对数项较小去掉）：一般情况下，电除尘器的捕集效率随电晕电流的增大而提高，这主要是由于它影响场强的缘故，在粉尘荷电过程中起重要作用的电场是电晕外区空间中的平均场强E0。而集尘电极附近的场强（集尘电场强度Ep）影响着已荷电粒子的捕集效率。空间平均场强和集尘电场强度之积E0Ep在电晕线尺寸和集尘电极直径已定时，随电晕电流增大而增大，与粉尘荷电有关的其它因素将在后面讨论。二、粉尘荷电电除尘过程的基本要求就是：相同条件下荷电速度快，荷电量大。虽然由许多方法能使粒子荷电，但是大部分方法产生的电荷量不高，因为在电除尘器中作用于粒子的主要是库仑力（粒子直径不同，作用于其上的库仑力不同）f=qE，若电荷加倍，分离力也要加倍。其它因素相同，除尘器的尺寸就可以减半。所以，从经济上考虑应使粒子的电荷尽可能的大。长期理论和实践证明：单极高压电晕放电为优越，可使粒子荷电达到很高程度，广泛应用。在电除尘器中粒子荷电是由于气体离子和气溶胶粒子碰撞，离子附着在粒子上而形成。有两种作用机制：离子在电场作用下沿电力线作有规则运动，与粒子碰撞使粒子荷电，称之为电场荷电。由于离子的不规则热运动而与粒子碰撞以致粒子荷电，称之为扩散荷电。两种荷电同时起作用，就大部分实用的电除尘器中处理的粒度范围来看，电场荷电较重要，现分别讨论。1．电场荷电(a)(b)自由电场（c）部分电荷（d）电荷饱和荷电发生的主要机理随粒子大小不同而异。粒子的电场荷电过程大体上是这样的：当一个粒子进入静电场后，就使电力线集中在其附近而增加粒子表面的电场强度（a）。如果粒子是导电的，电场就会变大；如果粒子是介电的，则随着介电常数一起减小。图中的点划线代表通过球形粒子的电场极限，沿着放电电极和收尘电极之间的电力线运动的气体离子，如果是在这些极限之内就会和未荷电的粒子碰撞，被粒子俘获，使粉尘荷电。荷电尘粒产生的电场如图（b）所示，这一电场叠加在外加电场上产生了如图（c）所示的合成电场。此时粒子所带的电荷使附近的电力线变形，从而减小了荷电率。图(c)可以看出，粒子只从电场的较小部分接受电荷，荷电率相应减小。粒子继续荷电后，在面向流过来的离子的一侧进入粒子的电力线继续减少，最终荷电粒子本身产生的电场与外加电场正好平衡，这是粒子上的电荷达饱和状态（称饱和电荷、极限电荷、最大电荷），荷电即告终止。以上荷电方式称为电场荷电。电场荷电成饱和电荷或极限电荷的大小，在假定粒子是球形，相邻粒子的电场间不相互作用，电场强度是常数时，可以估算出每个粒子所获得的饱和电荷值为：（库仑）式中：ξ0——真空介电常数，ξ0=8.85×10-12库仑2/牛顿·米2；ξp——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。补充一下各物质的ξp值：空气H2S石膏石英金属氧化金属纯水ξp为1.01.04.255-1012-18∞81.5饱和电荷的值主要取决于粉尘粒径和随粉尘的介电系数而变化的场强的大小。公式中，饱和电荷值与粒径平方成正比，所以粉尘大小是影响粉尘电荷值的主要因素。图5-11显示了不同场强下电除尘器内可能出现的各种粒径的粉尘饱和电荷值。由图看出电场强度和粉尘粒径的增加都会使饱和电荷值增加。使粉尘达到饱和电荷所需的时间随荷电发生区域中的离子密度而变化。在离子的数密度（每立方米空间中的自由粒子个数）为N0的电场，一颗尘粒的荷电量：式中Ki——离子迁移率，m2/V·s；t——荷电时间（尘粒在荷电区中的停留时间），m；e——电子的电量，1.60×10-19库仑；τ——时间常数(尘粒达饱和电荷值的50%时所需的时间。影响荷电时间的因素：电晕电流增加则荷电时间变短；电场随时间的变化：由于是经整流的不平滑变电压（未达稳定）故在部分周期内荷电间断，粉尘上的电荷过剩，增长了荷电时间，降低了除尘效率。2．扩散荷电离子的粒度变小，电场荷电作用就减少，扩散荷电作用就增加，气体中的离子和气体分子一样也有热运动。除了沿电力线定向运动的离子碰撞的电场荷电方式外，不规则热运动引起离子附着而使粒子荷电，这种方式称为扩散荷电。影响扩散荷电的因素：离子的热能、粒子的粒（密）度、有效作用时间、气体的性能。扩散荷电中不存在理论上的饱和电荷或极限电荷。怀特给出了计算扩散荷电量的公式见（8-20），P168，8.13，8.14。3．场电荷和扩散电荷的综合作用大多数工业粉尘含有各种粒径范围，场荷电、扩散荷电都很重要。大粒子（>1μm）以场荷电为主，而扩散荷电相对较小可以忽略。很小的粒子（<0.2μm）场荷电的电荷值很小，只需考虑扩散荷电。中间粒子（0.2～10μm）两者都需考虑。荷电量为两者总和。当场荷电达饱和后，只有扩散荷电。由于粒子的电荷和荷电速率相互关联，所以在两种荷电都重要时计算就比较复杂。见书P16,例2，例3。三、粉尘的迁移和收集（一）驱进速度在电场中粉尘的运动主要受静电力和空气动力支配。静电力Ep——粒子所处位置的集尘电场强度，V/m空气动力主要是由于粉尘和气体之间的相对运动所引起的阻力按斯托克斯公式计算：二力相等时，即F1=F2时，尘粒就达到一个极限速度或终末速度：ω称为尘粒的驱进速度。从式中可看出，驱进速度ω与尘粒的荷电量、粒径、电场强度及气体的粘性有关，其方向与电场方向一致，垂直于集尘电极表面。因尘粒的荷电量取决于两种荷电机制，故可根据粒径大小确定以哪种荷电方式为主，可得以下驱进速度公式：较大尘粒：（场荷电的饱和电荷值代入即得）小于0.2μm的尘粒以扩散荷电方式为主，按怀特公式计算掂量，但这时的空气阻力Fa因分子减产生滑移而减小，需用肯宁输—斯托克斯修正系数c加以修正，得下式：按此式计算的驱进速度仅是尘粒的平均驱进速度的近似值，因为电场中各点的场强并不相同，荷电量的计算值是近似的，此外，气流、粉尘特性等的影响也未考虑进去。（二）捕集效率方程式（多依奇方程式）电除尘器捕集效率与粉尘性质、场强、气流速度、气体性质及除尘器结构等因素有关，所以严格地从理论上推导捕集效率方程式是困难的，必须作一定的假设。关于捕集效率方程式由许多专家从理论上进行了研究，并推导出了计算式，下面我们介绍两个：多依奇（Deutsch）方程式：于1922年提出，他在推导过程中作了一系列假设，主要有：电除尘器中的气流为紊流状态，通过除尘器任一横断面的粉尘浓度是均匀分布的；进入除尘器的粉尘立刻达到了饱和荷电；忽略电风、气流分布不均匀、二次扬尘等的影响。在此介绍一下紊流状态：在工业生产中应用的电除尘器皆处于紊流区域内。在紊流状态下，较小尘粒运动主要取决于空气动力特性。它们的运动轨道无法准确预计，但在集尘极板附近的边界层中，由于摩擦使紊流减弱了，每一尘粒都有一垂直于集尘极板的速度分量ω，其大小与气流速度v具有相同的数量集，因而在时间间隔t内，在离极板为ωt的气流层内的粉尘皆能尘降到长度为L的集尘极表面上。推导过程如下：设气体流向为x，气体和粒子的流速皆为v（m/s），气体流量Q(m3/s)，粒子浓度为c(g/m3)，流动方向上每单位长度的集尘板面积a(m2/m)，总集尘极板面积Ac（m2），极板长度为L(m)，流动方向上的横截面积为A（m2），粒子驱进速度为ω（m/s），则在dt时间内于dx空间捕集的粒子质量为：由于vdt=dx，代入上式得：将其从除尘器入口（浓度为Ci）到出口（浓度为C0）进行积分，并考虑Fv=Q,对上式积分，则得到理论捕集方程式：因为Fv=Q，aL=A，代入上式得：多依奇方程式：线板式电除尘器：L——电场长度；S——电晕线与集尘板距离；V——气流速度。对半径为b的圆管式电除尘器：多依奇方程式概括地描述了效率与集尘极板表面积，气体流量和粉尘驱进速度之间的关系，指明了提高电除尘器捕集效率的途径，因而被广泛应用在电除尘器的性能分析和设计中安德逊方程式1919年根据大量实验提出了紊流状况下的除尘效率的经验方程式：t——粉尘在除尘器的停留时间；Kt——经验系数，取决于具体除尘器内的运动情况。（三）影响粉尘捕集的理论因素有效驱进速度由于各种因素的影响，使得按理论多依奇方程式计算的效率比实际值大得多。实际中根据在一定的除尘器结构形式和运行条件下测得的捕集效率代入多依奇方程式中反算出的驱进速度值称为有效驱进速度。据估计，理论驱进速度比实测有效驱进速度大2-10倍，所以常以有效驱进速度来描述除尘器的性能，并作为确定除尘器设计的基础。计算时，将按有效驱进速度来表达，称为安德逊—多依奇方程式。书中图5-15给出这一方程的线算图，应用很方便。除尘效率的影响因素（1）粉尘粒径dp（见书P21，图6-9）不同粒径的粉尘荷电方式不同，所以有效驱进速度与粉尘粒径有关：①dp>1μm粒径增加，驱进速度增加，效率增加，以场荷电为主；②dp<0.2μm粒径增加，驱进速度降低，效率降低，以扩散荷电为主；③0.2μm<dp<1μm粒径影响很小，两种荷电都重要。（2）气流速度v在粒径分布不变时，气流速度增加，则效率降低，见图5-17。速度的选择要考虑到粉尘性质、除尘器结构、经济性等。一般建议为0.5-2.5m/s；板式电除尘器的气流速度为1.0-1.5m/s。第13次课2学时上次课复习：1、电场荷电2、扩散荷电3、多依奇效率计算方程4、影响除尘效率的因素本次课题（或教材章节题目）：第八章电除尘器1电除尘器的结构2.粉尘比电阻3.电除尘器的供电4.电除尘器的选择和设计教学要求：1、了解并掌握电除尘器结构特征；2、掌握粉尘比电阻最佳运行范围，过高过低对电除尘器的影响3、学会初步进行电除尘器的选择和设计重点：1.粉尘比电阻最佳运行范围，过高过低对电除尘器的影响2.电除尘器的选择和设计难点：电除尘器的选择和设计教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：1.电除尘器的结构2.粉尘比电阻3.电除尘器的选择和设计讲课时间：2学时课后作业P2298.15参考资料第四节电除尘器的结构主要部分见书p190～p194，自学。第五节粉尘比电阻比电阻各种物质的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比，并和温度有关：Rs——比电阻；L——长度；A——横截面积。定义：由此可知，一种物质的比电阻是其长度和横截面积各为一单位时的电阻，比电阻的倒数称为电阻率。粒子尘积在电除尘器的收尘极表面上，必须具有一些导电性才能传导从电晕放电到大地的离子流。据理论和实践得知，需要的最小电导率为10-10（Ω·cm）-1。和普通金属相比，这只是微弱的电导率，但它比良好绝缘体的电导率要大得多，电导率小于临界值10-10的粒子称为高比电阻粒子。在工业电除尘器中处理的灰尘比电阻有低达10-3（Ω·cm）的炭黑，也有高达1014（Ω·cm）的95℃干石灰岩粉尘。比电阻不同，除尘效率也不同。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P195图6-28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。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降，当发生严重的反电晕现象时，由于集尘极电晕电流增大，造成高压电流复又急剧上升，且比较稳定，结果是粉尘重返气流的现象严重，而且大量沉积在放电电极上，除尘效率严重下降。图5-32表示粉尘比电阻与除尘效率的关系，当比电阻在104Ω·cm以下的A区时，粉尘导电性太好，到达集尘极后放电太快，而被推回到气流，捕集效率很低；比电阻为105～1010Ω·cm的B区内，粉尘到达集尘极时，电荷的中和进行得适当，是电除尘器运行最理想的区域，捕集效率较高；比电阻为1011Ω·cm左右的C区内，开始发生反电晕现象，捕极效率下降；比电阻在1012Ω·cm以上的D区内，呈现了完全的反电晕现象，高压直流急剧上升，捕极效率大幅度下降。改变粉尘比电阻的方法当粉尘比电阻较高时，可选用的解决方法：设计成比正常情况更大的除尘器，以适应较低的沉降率或改变供电方式（包括脉冲电压、较高的高强电场分组、快速打火熄火回路）。采用新型除尘器结构。对烟气进行调节，降低比电阻，尽可能使电极保持清洁。这里介绍一下烟气调节的有关方法：（大家先看一下粉尘温度与比电阻的关系，图6-11P24）A．调节烟气温度前面已经谈到，大部分工业都有两种导电机制，温度大约高于170～200℃时以内部导电为主，低于大约170～150℃时以表面导电为主，在此两者之间的表面温度下粒子比电阻达最大。当气体很干时没有表面导电，比电阻随着温度的下降直线上升，因此，调节除尘器中的气体温度是减少离子比电阻的一个重要方法。B．对烟气进行调理尘粒从气体中吸附了水分和化学物质后其电导率即增加，即比电阻减小。因此，对含尘气体进行加湿调理和化学调理是控制灰尘比电阻的一种有效措施。采取的措施：喷水、喷蒸汽、原料加湿来增加水分；化学调理：加入很少量的化学调理剂来改变比电阻。常用的化学调理剂是SO3和NH3等。如电厂的煤中加入少量的钠足以有效的调节。第六节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。粉尘驱进速度ω与供电的关系可表示为粉尘驱进速度ω与供电电压的函数