静电除尘器工作原理

1.3.1静电除尘器工作原理

(1)气体的电离

气体的电离过程一般可以分为5个阶段,如图1-8所示。

电离电流

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图1-8气体电离过程

Fig.1-8 Gas ionization process

AB段:在最初阶段,气体主要借助少数存在于大气中的离子和自由电子进行非常微弱 的导电,此时气体通常可以看做为绝缘状态。

BC段:在此阶段,随着电压的持续升高,电子获得的动能不断增加,但受限于气体分 子的平均自由行程2,与气体中的分子进行弹性碰撞,总运动速度无法得到有效的提高,电 流上升暂时中止。

CD段:当电压增加到一定程度,空气中的电子获得了足够大的动能,可以使得与其碰 撞的原子发生电离,

DE段:当电压达到起晕电压D’,进入了电晕电离阶段,在该阶段中正离子开始参与 气体电离。如图1・9所示,此时在放电极与收尘极之间形成了两个区域:电晕电离区和电晕 外区,电晕电离通常发生在距离放电极几毫米区域内,产生大量的正离子以及自由电子,由 于异性相吸,自由电子向收尘极移动(接地极),正离子移向放电极。从电晕区之外至另一 个电极之间的空间称为电晕外区,它占据电极之间的大部分区域,此区域电场强度并不足以 使得气体电离,但因电晕区产生的电子和离子与这一区域中的中性分子进行碰撞,从而产生 了和放电极电压极性相同的负离子(负电晕放电)或正离子(正电晕放电),其数目可达5

X 107个每立方厘米,粉尘荷电主要发生在这一区域。

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EF段:当电流超过E点,电晕区迅猛扩张,使得电极间产生火花放电,进一步会出现

电弧现象,电流突增电压下降,使得除尘效果减弱,若不加以控制则会对电极和电源产生破 坏。

(2)粉尘的荷电

粉尘主要通过两种方式进行荷电。一种是离子在电场力的驱动下做定向运动,称之为电 场荷电,也叫碰撞荷电,另一种是粉尘和空间中做不规则热运动的离子进行碰撞,称为扩散 荷电。而粉尘最终通过哪种方式荷电主要取决于粉尘的粒径。粉尘粒径与荷电机理的关系见

表 l-lo 表1・1粉尘粒径与荷电机理的关系

Tab. 1-1 Relationship between dust particle size and charged mechanism

粒径(pim) 荷电机理
<0.1

0.1 〜1

>1

扩散荷电为主 扩散荷电和电场荷电都重要

电场荷电为主

由于碰撞荷电的方式与除尘器电场有关,故存在荷电饱和性,初始荷电较快,随着荷电 量的增加,荷电速度开始减缓。扩散荷电通过离子的不规则热运动,而热运动速度不存在上 限,故扩散荷电不存在饱和性的问题,其电荷速度取决于颗粒物的粒径、颗粒物在电场中运 动时间和离子热能等。

电除尘器中,假设Qd为粉尘在电场荷电中的饱和荷电量,Q上为粉尘在扩散荷电中的饱

和荷电量,即可表不为: Q厂聲;警 (1-D

Q严 2買%(] +兽) (1.2)

式中:£为粉尘的相对介电常数;为真空介电常数;心为粉尘直径;N为电场强度;

N。为离子密度;幺为玻尔兹曼常数;幺为电子电量;/为粉尘在电场中的停留时间;T为气 体热力学温度;离子的平均热运动速度v = ^kt/mjr .

粒子特性包括介电常数£和粒径叭,以及电晕电场特性包括离子密度和电场强度,均会 对电场荷电产生影响。因为扩散荷电是通过电子和离子的热运动来进行的,所以理论上粉尘 通过扩散荷电得到的电荷不存在上限,由于扩散荷电的方式较为复杂,故通常用如下近似公 式来进行计算:

Qk = 0.067dp (1-3)

  1. 荷电粉尘的捕集

粉尘在除尘器电场内会受到惯性力、重力、介质阻力和电场力等的共同影响。荷电后的 粉尘在电场力的作用下被收尘极板吸引捕集并释放掉大部分的电荷,残留下的一部分电荷可 以使得粉尘颗粒继续粘附在收尘极板上,从而在收尘极板表面形成粉尘层。

  1. 荷电粉尘的捕集

收尘极板上粉尘层过厚会导致反电晕进而影响除尘器的收尘性能,所以需要进行清灰处 理,清灰的方式有很多种,包括振打、声波、湿式等,但目前工业中最常见的还是通过振打 的方式。而选择振打的力度非常的重要,力度太小无法进行有效的清灰,力度太大则会产生 二次扬尘,甚至使极板和电极发生形变。在粉尘层厚度为10mm左右时进行振打较为合适。

1 ■ 3. 2影响静电除尘器效率的因素

粉尘在静电除尘器电场内主要受到气体阻力和电场力等多个力的共同作用,从而实现气

粒分离。常规直通道静电除尘器除尘效率符合经典的多依奇公式:

A

G)

?7 = (l-e 7 )x100% (1-4)

式中:

77——除尘效率,%;

A 收尘极板面积,m2

V——烟气量,m3/s;

co 驱进速度,m/so

由公式1・4可知,提高静电除尘器除尘效率的途径有三种,降低除尘器处理的烟气量, 增加收尘极板的面积,提升粉尘在电场内的驱进速度。那么在工艺流程不变的情况下,前两 种方法不仅会增加初始投资,还会增加除尘器占地面积。

所以提升粉尘在电场内的驱进速度是提高静电除尘器除尘效率的重要方法,驱进速度是 指荷电粒子向电极运动的速度,计算公式为:

co –

pEcEp a

(1-5)

式中:

co 驱进速度,m/s;

P——与粉尘的介电常数有关的数值;

Ec 荷电电场强度,v/m;

Ep——收尘极电场强度,v/m;

a 粉尘半径,m;

“ 气体粘度,Pa” So

由公式1-5可知,粉尘在静电除尘器电场内能否被收尘极板有效捕集主要取决于粉尘所 受到的电场力强度,而影响电场力的首要因素就是粉尘的荷电性能,粉尘单颗粒荷电量越大, 就越容易被收尘极板所捕集,除尘器的效率也就越高。

但多依奇公式是在一系列假设的基础上推出的,这些假设主要包括:粉尘在电场中完全 荷电;气流不会对粉尘的驱进速度产生影响;粉尘在电场内任意截面分布均匀;粉尘沉降速 度保持不变;忽略带电粉尘相互间的排斥作用;忽略二次扬尘、反电晕以及气流分布不均等 问题。但是在实际的工况除尘过程中这种理想条件很难得到实现,除尘效果往往会受到技术 条件、运行条件和工况条件的影响,使得理论除尘效率往往高于实测值。

所以通常将实际测量得到的效率带入到多依奇公式中反推得到粉尘在电场中的有效驱 进速度,在除尘器的设计中往往用有效驱进速度来代表静电除尘器的对粉尘的脱除性能,如 前所述,由于不同粒径段颗粒物荷电方式不同,静电除尘器对粒径在lpim以下颗粒物的去 除效率与理论值相差较大,所以瑞典专家Sigvard Matts在1964年对多依奇公式进行了修正:

?7 = l-el / 丿 (1-6)

式中k为常数,当k=l时,畋与⑵相同,表明除尘器设计合理,除尘效率符合多依奇 公式,当k=0.5时,畋近似于常数,此时便无法通过增加电场强度来提高静电除尘器的除尘 效率。所以增加微细颗粒物的有效驱进速度,是解决1呵 甚至是0.1呵 以下颗粒物捕集困 难问题的重要途径。

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