环工0801张欣大气污染控制工程课程设计11.docx
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环工0801张欣大气污染控制工程课程设计11
环境工程专题课程设计
大气污染控制工程设计说明书
题目：
某厂燃煤锅炉烟气除尘处理工程方案设计
姓名：
张欣
班级：
环境工程0801
学号：
0813100123
指导教师：
李济吾
成绩：
浙江工商大学环境科学与工程学院
2011年11月
目录
前言………………………………………………………………………………………3
第一章工程概况…………………………………………………………………………3
1.1设计条件
1.2设计要求
第二章设计说明…………………………………………………………………………4
2.1设计依据
2.2设计原则
2.3设计范围
2.4设计规模
2.5设计参数与指标
第三章工艺选择…………………………………………………………………………6
3.1除尘技术简介
3.1.1机械除尘器
3.1.2袋式除尘器
3.1.3电除尘器
3.1.4湿式除尘器
3.2可供选择的除尘技术
3.3方案的技术比较
3.4方案确定
第四章处理流程…………………………………………………………………………9
4.1除尘系统
4.2除尘器系统
4.3输灰系统
4.4控制系统
4.5供电装置
第五章与其处理效果……………………………………………………………………10
第六章主要设施与设备设计选型………………………………………………………10
6.1主要设施设计计算
6.1.1烟气流量与净化效率计算
6.1.2除尘器的选择与设计计算
6.1.3管道的设计计算
6.1.4风机的选择计算
6.2主要设备型号及技术参数确定
第七章总图设计…………………………………………………………………………21
7.1除尘器平面与立面布置图
7.2除尘器的总图
7.3电场布置图
第八章技术经济分析……………………………………………………………………21
8.1综合技术经济指标
8.2人员编制
8.3工程概算
8.4运行费用分析
第九章参考文献………………………………………………………………………22
附图一除尘器平面与立面布置图
附图二除尘器总图
附图三电场布置图
前言
大气是人类赖以生存的最基本的环境因素，构成了环境系统的大气环境子系统。
一切生命过程，一切动物、植物和微生物都离不开大气。
大气为地球生命的繁衍，人类的发展，提供了理想的环境。
它的状态和变化，时时处处影响到人类的活动与生存。
造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是人为因素，如工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。
随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，也将大量的废气、烟尘物质排入大气，严重影响了大气的质量，特别是在人口稠密的城市和工业区域。
造成大气污染的物质主要有：
一氧化碳CO、二氧化硫SO2、一氧化氮NO、臭氧O3以及烟尘、盐粒、花粉、细菌、苞子等。
如何在经济快速发展、能源需求增加的同时遏制大气污染已成为一项巨大的科技挑战。
我国政府采用综合措施，控制大气污染水平，包括：
提高能源效率优化能源结构；改造和迁移污染工业；城市规划和绿化；机动车排污量控制；道路建设和管理等。
源头治理已成为大气污染控制中一项积极有效的措施，因而每个工厂中的除尘净化设施就显得尤为重要。
经济合理的除尘设备可将污染扼杀在“摇篮”中，还我们赖以生存的大气一片洁净。
第一章工程概况
1.1设计条件
已知某厂新建2台40t燃煤工业锅炉，其除尘系统管道布置如图1。
每台锅炉产生的烟气量估计为72300Nm3/h，烟尘浓度为30.0g/Nm3，其粒径<5μm占60%，烟气经降温至120℃进入除尘器，烟窗的直径3m，高度40m，局部阻力损失60Pa。
试设计该除尘净化系统。
1.2设计要求
⑴排放烟气浓度要求达到《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3-1999）规定的二类区标准；
⑵设计计算选择除尘器（电除尘器\布袋除尘器\湿式）主要参数与画出主要部件示意图；
⑶确定该系统的管道断面尺寸和压力损失；
⑷计算选择风机；
⑸绘制所设计除尘器的总装配三视图与除尘工艺流程总图（可选择）；
⑹要求参数选择有根据、合理，设计步骤与计算正确。
图1除尘系统管道布置图
第二章设计说明
2.1设计依据
（1）《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3-1999）
（2）《全国通用通风管道计算手册》
（3）《除尘工程设计手册》
2.2设计原则
本设计遵循如下原则进行工艺路线的选择及工艺参数的确定：
（1）基础数据可靠，总体布局合理。
（2）避免二次污染，降低能耗，近期远期结合、满足安全要求。
（3）采用成熟、合理、先进的处理工艺，处理能力符合处理要求；
（4）投资少、能耗和运行成本低，操作管理简单，具有适当的安全系数，各工艺参数的选择略有富余，并确保处理后的尾气可以达标排放；
（5）在设计中采用耐腐蚀设备及材料，以延长设施的使用寿命；
（6）废气处理系统的设计考虑事故的排放、设备备用等保护措施；
（7）工程设计及设备安装的验收及资料应满足国家相关专业验收技术规范和标准。
2.3设计范围
该净化设施的烟气输送系统、除尘器系统、输灰系统、除尘工艺、总图布置、风机的选择、配套装置、供电系统、管道设计以及总图设计（包括平面与立体布置图、除尘器的总图）等。
2.4设计规模
根据图1可知该除尘净化系统设有两个锅炉。
因此标况下总的烟气处理量为：
120℃时
2.5设计参数与指标
9
设计指标
处理量
144600Nm3/h
烟尘浓度
30000mg/Nm3
允许排放浓度
200mg/Nm3
总压力损失
<3000～3500Pa
除尘效率
99.4%
运行费用
200万元
耗电费
150万元
其中运行费用与耗电费用两项具体见“8.4运行费用分析”
第三章工艺选择
3.1除尘技术简介
现在工厂中普遍采用的除尘设备包括机械除尘器、袋式除尘器、电除尘器和湿除尘器等。
但每种除尘净化系统总有其技术上的优点和缺点，应根据实际情况选择合适的除尘设施与工艺。
3.1.1机械除尘器
通常是指利用质量力（重力、惯性力和离心力等）的作用使颗粒物与气流分离的装置。
它包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。
机械除尘设备的优缺点：
优点：
⑴机械除尘利用的力比较单一，且除尘装置构造简单且没有运动部件。
所以除尘装置故障少，容易操作和管理，运行费用相对较低，投资费用也较少。
⑵机械除尘可以用作多级除尘的第一级分离，也可以单独使用。
当单独使用时一般用于对除尘效率要求不高，或者仅仅需要简单除尘的场合。
缺点：
⑴机械除尘分离细小粉尘的能力比较弱，它对粒径较大（大于50μm）的粉尘有较高的除尘效果，但对粒径较小（小于5μm）分离效果较差。
⑵机械除尘作用力单一，但设计计算复杂，而且设计计算数据容易受到多种因素影响，特别是外来气流（如漏风）对除尘效果影响特别大。
3.1.2袋式除尘器
是含尘气体从下部进入圆筒形滤袋，在通过滤料的孔隙时，粉尘被捕集于滤料上，透过滤料的清洁空气由排出口排出，沉积在滤料表面的粉尘，可以在机械振动的作用下从滤料表面脱落，最终落入灰斗中的一种除尘净化设施。
袋式除尘设备的优缺点：
优点：
⑴袋式除尘器可以捕集多种干性粉尘，特别是高比电阻粉尘；
⑵袋式除尘器可设计制造出适应不同气量的含尘气体的要求，除尘器的处理烟气量可从几m3/h到几百万m3/h；
⑶袋式除尘器对净化含微米或亚微米数量级的粉尘粒子的气体效率较高，一般可达99%，甚至可达99.99%以上；
⑷袋式除尘运行稳定可靠，没有污泥处理和腐蚀等问题，操作、维护简单。
缺点：
⑴袋式除尘器不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体，用布袋防尘器净化烟尘时的温度不能低于露点温度，否则将会产生结露，堵塞布袋滤料的孔隙；
⑵袋式除尘器的应用主要受滤料的耐温和耐腐蚀等性能所影响，且会出现烧袋糊袋现象；
⑶据统计，用袋式除尘器净化大于17000m3/h含尘烟气量所需的投资要比电除尘器高，而用其净化小于17000m3/h含尘烟气量时，投资费用比电除尘器省。
3.1.3电除尘器
是在通过高压电场进行分离的过程中，使尘粒荷电，并在电场力的作用下，使尘粒聚集在集尘板上将粉尘从含尘气体中分离出来的一种除尘设备。
电除尘设备的优缺点：
优点：
⑴电除尘器可以净化气量较大且温度较高的含尘烟气。
在工业上净化105～106m3/h的烟气，且用于净化350℃以下的烟气，可长期连续运行
⑵除尘效率高。
如果设计合理，安装施工质量高，电除尘器可以达到任何除尘效率的要求。
目前，工业上应用的电除尘器，多数的除尘效率已达到99%以上。
⑶电除尘器结构简单，气流速度低，压力损失小，干式电除尘器的压力损失大约为100～200Pa，湿式电除尘器的压力损失稍高些，通常只有200～300Pa。
⑷电除尘器能够除下的粒子粒径范围较宽，对于0.1μm的粉尘粒子仍有较高的除尘效率。
⑸电除尘器的能量消耗比其他类型除尘器低。
如以每小时净化1000m3烟气计算，电除尘器的电能消耗约为0.2～0.8kw·h。
缺点：
⑴电除尘器的除尘效率受粉尘物理性质影响很大，特别是粉尘比电阻的影响更为突出。
电除尘器最适宜捕集比电阻为104～5×1011
⑵袋式除尘器的应用主要受滤料的耐温和耐腐蚀等性能所影响，且会出现烧袋糊袋现象；
⑶电除尘器不适宜直接净化高浓度含尘气体。
⑷电除尘器对制造和安装质量要求很高，需要高压变电及整流控制设备，且占地面积大。
3.1.4湿式除尘器
是使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞或者化学作用捕集颗粒，使粉尘从含尘气体中分离出来的一种除尘设备。
湿式除尘设备的优缺点：
优点：
⑴湿式除尘器的除尘效率不仅能与布袋和电除尘器相当，而且还可适用这些除尘器所不能胜任的除尘条件。
表现在湿式除尘器对净化高温、高湿、高比阻、易燃、易爆的含尘气体具有较高的除尘效率。
⑵湿式除尘器在去除含尘气体中粉尘粒子的同时，还可去除气体中的水蒸气及某些有毒有害的气态污染物。
因此，湿式除尘器既可以用于除尘，又可以对气体起到冷却、净化的作用。
⑶设备投资少，构造比较简单：
在耗用相同能耗的情况下，湿式除尘器的除尘效率比干式除尘器的除尘效率高。
缺点：
⑴湿式除尘器的粉尘回收困难，且排出的沉渣需要处理。
⑵湿式除尘器不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体。
⑶净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水（或液体）将具有一定程度的腐蚀性。
因此，除尘系统的设备均应采取防腐措施。
⑷湿式除尘器因含水运行，在寒冷地区设备容易结冻，因此，要采用防冻措施。
3.2可供选择的除尘技术
通过以上的除尘设备简介，我们可以看到四种除尘设备的优缺点及适用条件。
鉴于设计的要求，可对可供选择的除尘设备加以分析，以确定经济高校的方法。
设计要求净化的是燃煤工业粉尘。
可能会含有腐蚀性的气态污染物，所以对设备的防腐性能要求较高，不适合采用湿式除尘器。
而且如果该工厂设在北方，天气寒冷，湿式除尘器设备内的洗涤水容易冻结。
如果加强它的防腐与防冻措施，则会加大投资，所以原则上不予考虑。
而机械除尘分离细小粉尘的能力比较弱，它对粒径较大（大于50μm）的粉尘有较高的除尘效果，但对粒径较小（小于5μm）分离效果较差。
在设计要求中燃煤锅炉烟气粒径<5μm的占了60%，如果采用机械除尘器则效率低下，烟气不能达标排放。
所以设计要求的除尘净化系统可供选择的除尘技术有袋式除尘技术和电除尘技术两种。
3.3方案的技术比较
目前，国内外用于水泥窑尾除尘都是电、袋两大类收尘器。
国内生产的袋除尘器、电除尘器每小时能处理几十到一百多万立方米风量的含尘废气，进口浓度允许超过100g／Nm3。
排放浓度热力设备可控制在50mg／Nm3以下，通风设备可控制在30mg／Nm3以下。
但随着《锅炉大气污染物排放标准》的出台，袋除尘器应用愈来愈多，国内外均出现“电改袋”的现象。
但袋、电除尘器由于除尘机理不同，应用情况，除尘效果也不尽相同[7]。
3.3.1原理
电除尘器的收尘，主要是在高压电场中使气体电离，进入电场中的尘粒得以荷电，并在电场库仑力的作用下，荷电尘粒趋向收尘极，达到了收尘的目的。
由于能量是直接作用在尘粒上，故能耗根低，且电除尘器由于除了缓慢转动的振打部件外，没有其他运动的部件，维护工作量小，运行费用较低，所以在各种除尘技术中具有显著的优越性。
且净化效率高，处理量变动范围大：
根据条件和要求，可以设计能达到任意净化度（99％～99．9％）和处理量（从几个m3／h到几百万m3／h）的电除尘器，在设计中可以通过不同的操作参数，来满足所要求的净化效率[8]。
袋除尘器是以织物纤维滤料采用过滤技术将空气中的固体颗粒进行分离的设备。
目前主要有纤维过滤，膜过滤（表面覆膜）和粉尘层过滤，具体表现为：
筛分，惯性碰撞；扩散，重力沉降等综合作用。
目前，国内外滤料表面覆膜过滤技术的应用，使袋除尘器的过滤机理都有所改变。
这种技术对微细粉尘有更高的捕集率，将粉尘阻留在滤料表面，更容易剥离。
国内生产的袋除尘器可达到99．99%的除尘效率，已趋近“零排放”。
3.3.2存在的问题
他们各自亦存在着相应的问题。
电除尘器在实际运行中是一个极为复杂的过程，会受到诸多因素影响，从理论计算的除尘效率与实际运行数据相差较大，这些因素包括物理、电力、流体力学等，而最强干扰作用，是烟气和粉尘的性质，如粉尘的比电阻，电收尘器对粉尘的比电阻有严格的要求，当比电阻在105～1011Ω·cm收尘效果最好，比电阻低于104Ω·cm时（低阻型）粉尘导电良好,当粉尘比电阻在1011以上时（高阻型）（也有把p>5×1010Ω·cm定为高比电阻粉尘，会出现反电晕现象，在集尘极和物料层中形成大量阳离子，中和了迎面而来的阴离子，使电能消耗增加，净化操作恶化，甚至无法操作[9]，故对粉尘有一定的选择性，不能使所有粉尘都获得很高的净化效率。
并且受气体的温度和湿度等条件影响较大，同一种粉尘如在不同温度、湿度下操作，所达到的除尘效果不同[10]。
另外，化学成分、尘粒分布、压力、气体流速等等也会对除尘效率产生影响。
同时电除尘器对微细粒子处理能力有限。
ESP对人体健康危害最大的O．1～2μm的尘粒的除尘效率较差[11]。
电除尘器的存在的另一个问题是，电除尘器虽然除尘效率高但设备比较复杂，造价高，对运行、安装以及维护管理水平要求较高。
对一些中小企业来说是无法负担的，所以其使用范围局限于一些大型企业。
而袋除尘器则存在运行阻力问题。
袋除尘器运行阻力较高，（1000～1700Pa）超负荷通过能力较差，运行时阻力能耗比电除尘器大。
对不同工况变化，袋除尘器入口及本体易产生正压现象。
压力损失大（～1500Pa），且波动较大。
袋除尘器的除尘效率很大程度上取决于滤袋。
普通滤袋耐低温能力差（只能处理小于230℃的气体[12]），而耐高温滤料价钱又过高，使成本增加。
而且，滤袋由于容易破损，寿命不长，更换周期一般较短，一般为一年。
另外，滤袋受烟气湿度影响大，烟气湿度的高低改变露点，露点越高越易引起结露、糊袋，影响除尘器过滤性能，增加阻力。
在维护费用方面，电除尘器的使用寿命一般在l0年以上，在正常工况使用下，每年的维护费用约为一次性投资的5％，甚至更低。
当袋除尘器采用进口覆膜滤料时，其使用寿命一般为3-4年，在袋除尘器的总投资中，滤袋的费用约占设备总投资的65％～70％，每年滤袋的换袋维护费用约为设备总投资的20％～25％。
仅袋除尘器滤袋的换袋费用，就是电除尘器维护费用的3倍左右。
[13]
3.3.3方案比选
综上所述，袋、电除尘器各自存在着其优点及不足，在此，在综合考虑本项目设计各项指标的基础上，对这两种方案进行比选，力求达到最优化设计。
下表对电、袋除尘的主要优缺点、性能、及总体经济投资做了比较。
电除尘器和袋除尘器的主要优缺点比较
电除尘器
袋除尘器
优点
1.可以处理较高温度的烟气（～400℃）
2.压力损失较小（约200～250Pa）
3.维护费用低，较耐用
1.操作简单
2.较低的爆炸危险
3.受烟气性质变化影响小，对粉尘的性质适应性广
4.出口排放浓度随入口含尘浓度的变化不大
缺点
1.存在爆炸的危险
2.故障排放较频繁
3.受烟气性质变化影响大，对粉尘的适应性差
1.用于烟气温度较低的场合（小于230℃）
2.压力损失大（～1500Pa），且波动较大
3.投资和操作维护费用高
4.对湿度大的粉尘易堵塞
电、袋除尘器性能比较表
项目
电除尘器
袋除尘器
处理风量
能处理大规模的工业废气
相对电除尘器偏小
排放情况
一般5Omg/Nm3排放情况，可以达到30mg/Nm3
一般30mg／Nm3，可达到10mg／Nm3
阻力
较小，≤300Pa
偏大，≤1700Pa
对废气温度要求
≤400℃
≤250℃
对粉尘特性的要求
比较严格，要求控制烟气粉尘比电阻为104～1011Ω
一般，对粉尘比电阻没有要求
设备维护
简单
较高
一次性投资
一般
较高
运行成本
一般
较高
维护成本
一般
较高
3.4方案确定
由于本设计按要求达200mg／Nm3，电、袋两种除尘方式均可做到达标排放。
而通过以上经济技术指标的对比，同时借鉴以往烟气处理经验（通常对于烟气量小于1O0000m3／h以下时，布袋除尘器比ESP效果较好。
但是当烟气量大于100000m3／h时，两者就会有较大差距并随着烟气量的加，袋式除尘器的总投资会明显提高），在本项目烟气处理量144600m3／Nh的情况下，电除尘有着较明显的优势。
当排放浓度（标准状况）要求为不大于30mg／m3时，从低浓度排放和设备达标运行稳定性方面出发，在沸腾炉床尾选用袋收尘器为宜。
而本设计只要求达到200mg／m3，电除尘器已能满足其要求。
另外，考虑到电晕封闭——烟气含尘浓度增大，电场电流会减小，当含尘浓度大于临界值时，电场电流趋向于零，除尘作用失败。
而本项目烟气粉尘含量不大于30g／Nm3，在电收尘允许范围（不大于100g／Nm3）内，适合于使用电收尘。
综上所述，本设计在综合考虑各方因素的情况下，本设计拟采用电除尘。
第四章处理流程
4.1除尘系统
包括：
气体输送管道、除尘器系统、输灰系统、控制系统、风机等。
4.2除尘器系统
包括：
壳体、电晕极、集尘极、振打清灰装置、电路系统、工作维修台等。
4.3输灰系统
包括：
管道系统、粉尘外运系统等
4.4控制系统
采用自动控制系统。
包括：
电源控制系统、输灰控制系统、清灰控制系统、流量控制系统等。
4.5供电装置
供电装置包括三部分：
⑴升压变压器
它是将工频380V或220V交流电压升到除尘器所须的高电压，通常工作电压为50～60kv。
增大极板间距，要求的电压也相应增高。
⑵整流器
它将高压交流电变为直流电，目前都采用半导体硅整流器。
⑶控制装置
电除尘器中烟气的温度、湿度、烟气量、烟气成分及含尘浓度等工况条件是经常变化的，这些变化直接影响到电压、电流的稳定性。
因而要求供电装置随着烟气工况的改变而自动调整电压的高、低（称之为自动调压），使工作电压始终在接近于击穿电压下工作，从而保证除尘器的高效稳定运行。
目前采用的自动调压的方式有：
火花频率控制，火花积分值控制，平均电压控制，定电流控制等。
第五章预期处理效果
烟气的排放温度t<120℃
烟气的排放浓度C<200mg/Nm3
第六章主要设施与设备设计选型
6.1主要设施设计计算
6.1.1烟气流量与净化效率计算
已知条件：
每台锅炉产生的烟气量估计为72300Nm3/h，烟气浓度为30g/Nm3,其粒径<5μm占60%，烟气经降温至120℃进入除尘器，烟窗直径3m，高度40m，局部阻力损失60Pa。
120℃时烟气流量：
根据《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3-1999）规定，二类区标准为200mg/Nm3
所以净化效率：
6.1.2除尘器的选择与设计计算
（1）集尘极面积计算
已知：
A－集尘极面积，m2；
η－集尘效率,为99.4%；
Q－处理气量，57.82m3/s；
ωp－粉尘的有效驱进速度，对于不同的粉尘，ωp＝0.05～0.35选取，如飞灰ωp＝0.1～0.14m/s，水泥干粉尘ωp＝0.06～0.07m/s。
设计中的粉尘为飞灰，所以选ωp＝0.12m/s;
则
（2）电场断面面积
对于一定结构形式的电除尘器，当气体流速增加时，除尘效率降低。
因此气体流速不宜过大，但流速过小，除尘器体积增大，造价增加。
目前一般采用v=1.0m/s左右。
已知：
Q－处理气量，57.82m3/s；
则电场断面面积：
电场断面形状与现场条件有关，通常希望断面形状接近正方形，这样可使气体在电场内的分布比较均匀，故电场长宽均为8m。
（3）集尘极与放电极的间距和排数
集尘极与放电极的间距对电除尘器的电气性能及除尘效率有很大影响。
间距太小，则由于振打引起的位移、加工安装的误差和积尘等对工作电压影响大；间距太大，则要求工作电压高，往往受变压器、整流设备、绝缘材料允许等的限制。
目前，一般集尘极的间距（2b）采用200～300mm。
即放电极与集尘极之间的间距（b）为100～150mm。
也可采用400～600的宽间距，常采用450mm。
在设计中采用450mm。
放电极与放电极之间的距离对放电强度也影响很大。
间距太小，会减弱放电强度；但电晕极太密，也会因屏蔽作用而使其放电强度降低。
考虑与集尘极的间距相对应，放电极间距一般也采用200～300mm。
已知：
B—电场断面宽度，8m；
—集尘极板间距，m（△B=2b=450mm）；
则集尘排数
通道数（每两块集尘极之间为一个通道）为n-1，则为
实际间距为
（4）电场长度
根据集尘极总面积、集尘排数和电场高度算出必要的电场长度。
在计算集尘极板面积时，靠除尘器壳体壁面的集尘极，其集尘面积只能按单面计算，其余集尘极按双面计算。
已知：
H—电场高度，8m
A—集尘极面积,2465.06m2；
n—集尘极排数，19；
则电场长度
由于每个电场的长度为2.7～5.4m左右，根据收尘效率的要求，采取二电场，每个电场长度为4.3m。
⑸电晕极系统设计
①放电极型式选取
为了使电除尘器长期高效、可靠地运行，对放电极的基本要求是：
牢固可靠，不断线；电气性能良好；粘附粉尘少。
放电极的类型大致有三种：
点放电，如芒刺线；线放电，如星型线；目前有多种型式的放电极，可根据烟气性质、粉尘性质等来选定。
本设计选用芒刺线。
②放电极长度计算
由比电晕电流（指单位收尘极板上所得电晕电流）计算。
比电晕电流根据电极型式查有关手册确定。
选芒刺形，比电晕电流在0.18-0.5mA/m2选取。
设计中选比电晕电流0.5mA/m2
则
芒刺形电晕线单位长度的电流值i0＝0.25～0.35mA/m,选取i0＝0.3mA/m。
则电晕线总长度
除尘器一共有18个通道，每条电晕线长8m，则
每道中的电晕线数量为
则每道中电晕线之间的实际距离为
放电极与放电极之间的距离对放电强度影响很大.间距太小，会减弱放电的强度；但电
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