静电除尘器的工作原理.docx

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静电除尘器的工作原理

一、静电除尘器的工作原理

一、静电除尘器的工作原理

1．气体电离和电晕放电

由于辐射摩擦等原因，空气中含有少量的自由离子，单靠这些自由离子是不可能使含尘空气中的尘粒充分荷电的。

因此，要利用静电使粉尘分离须具备两个基本条件，一是存在使粉尘荷电的电场；二是存在使荷电粉尘颗粒分离的电场。

一般的静电除尘器采用荷电电场和分离电场合一的方法，如图5-7-1所示的高压电场，放电极接高压直流电源的负极，集尘极接地为正极，集尘极可以采用平板，也可以采用圆管。

图5-7-1静电除尘器的工作原理

在电场作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电压愈高、电场强度愈高，离子的运动速度愈快。

由于离子的运动，极间形成了电流。

开始时，空气中的自由离子少，电流较少。

电压升高到一定数值后，放电极附近的离子获得了较高的能量和速度，它们撞击空气中的中性原子时，中性原子会分解成正、负离子，这种现象称为空气电离。

空气电离后，由于联锁反应，在极间运动的离子数大大增加，表现为极间的电流（称之为电晕电流）急剧增加，空气成了导体。

放电极周围的空气全部电离后，在放电极周围可以看见一圈淡蓝色的光环，这个光环称为电晕。

因此，这个放电的导线被称为电晕极。

在离电晕极较远的地方，电场强度小，离子的运动速度也较小，那里的空气还没有被电离。

如果进一步提高电压，空气电离（电晕）的范围逐渐扩大，最后极间空气全部电离，这种现象称为电场击穿。

电场击穿时，发生火花放电，电话短路，电除尘器停止工作。

为了保证电除尘器的正常运动，电晕的范围不宜过大，一般应局限于电晕极附近。

如果电场内各点的电场强度是不相等的，这个电场称为不均匀电场。

电场内各点的电场强度都是相等的电场称为均匀电场。

例如，用两块平板组成的电场就是均匀电场，在均匀电场内，只要某一点的空气被电离，极间空气便会部电离，电除尘器发生击穿。

因此电除尘器内必须设置非均匀电场。

开始产生电晕放电的电压称为起晕电压。

对于集尘极为圆管的管式电除尘器在放电极表面上的起晕电压按下式计算：

     V          （5-7-1）

式中 m——放电线表面粗糙度系数，对于光滑表面m=1，对于实际的放电线，表面较为粗糙，m=～；

R1——放电导线半径，m；

R2——集尘圆管的半径，m；

δ——相对空气密度。

T0、P——标准状态下气体的绝对温度和压力；

T、P——实际状态下气体的绝对温度和压力。

从公式（5-7-1）可以看出，起晕电压可以通过调整放电极的几何尺寸来实现。

电晕线越细，起晕电压越低。

电除尘器达到火花击穿的电压称为击穿电压。

击穿电压除与放电极的形式有关外，还取决于正、负电极间的距离和放电极的极性。

图（5-7-2）是在电晕极上分别施加正电压和负电压时的电晕电流—电压曲线。

从图（5-7-1）可以看出，由于负离子的运动速度要比正离子大，在同样的电压下，负电晕能产生较高的电晕电流，而且它的击穿电压也高得多。

因此，在工业气体净化用的电除尘器中，通常采用稳定性强、可以得到较高操作电压和电流的负电晕极。

用于通风空调进气净化的电除尘器，一般采用正电晕极。

其优点是，产生的臭氧和氮氧化物量较少。

图5-7-2正、负电极下电晕电流—电压曲线

2．尘粒的荷电

电除尘器的电晕范围（也称电晕区）通常局限于电晕线周围几毫米处，电晕区以外的空间称之为电晕外区。

电晕区内的空气电离后，正离子很快向负（电晕）极移动，只有负离子才会进入电晕外区，向阳极移动。

含尘空气通过电除尘器时，由于电晕区的范围很小，只有少量的尘粒在电晕区通过，获得正电荷，沉积在电晕极上。

大多数尘粒在电晕外区通过，获得负电荷，最后沉积在阳极板上，这就是阳极板称为集尘极的原因。

尘粒荷电是电除尘过程的第一步。

在电除器内存在两种不同的荷电机理。

一种是离子在静电力作用下做定向运动，与尘粒碰撞（点击观看flash模拟动画—碰撞作用荷电），使其荷电，称为电场荷电。

另一种是离子的扩散现象导致尘粒荷电，称为扩散荷电。

对dc>μm的尘粒，以电场荷电为主；对dc<μm的尘粒，则以扩散荷电为主；dc介于~μ的尘粒则两者兼而有之。

在工业电除尘器中，通常以电场荷电为主。

在电场荷电时，通过离子与尘粒的碰撞使其荷电，随尘粒上电荷的增加，在尘粒周围形成一个与外加电场相反的电场，其场强越来越强，最后导致离子无法到达尘粒表面。

此时，尘粒上的电荷已达到饱和。

在饱和状态下尘粒的荷电量按下式计算：

C                   （5-7-2）

式中ε0——真空介电常数，ε0=×10-12C/N·m2；

   dc——粒径，m；

   Ef——放电极周围的电场强度，V/m；

   εp——尘粒的相对介电常数。

εP与粉尘的导电性能有关。

对导电材料εP=∞；绝缘材料εP=1；金属氧化物εP=12~18；石英εP=。

从上式可以看出，影响尘粒荷电的主要因素是尘粒直径dc、相对介电数εP和电场强度。

二、静电除尘器的主要性能参数计算

对电除尘器内粒的运动和捕集进行理论分析，依赖于气体流动模型。

最简单的情况是假设含尘气体在电除尘器内作层流运动。

在这种情况下尘粒的移动根据经典力学和电学定律求得。

1．驱进速度

荷电后的尘粒在电场内由于受到静电力的作用将向集尘极运动（点击观看flash模拟动画——尘粒在电场内运动）。

荷电尘粒在电场内受到静电力

F=qEj   N                   （5-7-3）

式中 Ej——集尘极周围电场强度，V/m。

尘粒在电场内作横向运动时，要受到空气的阻力，当Rec≤1时，

空气阻力         P=3πμdcω     N                  （5-7-4）

式中ω——尘粒与气流在横向的相对运动速度，m/s。

当静电力等于空气阻力时，作用在尘粒上的外力之和等于零，尘粒在横向作等速运动。

这时尘粒的运动速度称为驱进速度。

驱进速度               

          m/s         （5-7-5）

把公式（5-7-2）代入上式，

        m/s        （5-7-6）

对dc≤5µm的尘粒，上式应进行修正：

       m/s       （5-7-7）

式中 Kc——库宁汉滑动修系数。

为简化计算，可近似认为，

                          Ef=Ej=U/B=Ep   V/m

式中U——电除尘器工作电压，V；

    B——电晕极至集尘极的间距，m；

    EP——电晕尘器的平均电场强度，V/m。

因此，

 m/s                     （5-7-8）

从公式（5-7-8）可以看出，由除尘器的工作电压U愈高，电晕极至集尘极的距离B愈小，电场强度E愈大，尘粒的驱使进度ω也愈大。

因此，在不发生发击穿的前提下，应尽量采用较高的工作电压。

影响电除尘器工作的另一个因素是气体的动力粘度μ，μ值是随温度的增加而增加的，因此烟气温度增加时，尘粒的驱进速度和除尘效率都会下降。

公式（5-7-5）是在Rec≤1、尘粒的运动只受静电力的影响这两上假设下得出的。

实际的电除尘器内都有不同程度的紊流存在，它们的影响有时要比静电力要大得多。

另外还有许多其它的因素没有包括在公式（5-7-8）中，因此，仅作定性分析用。

2．除尘效率

要求出电除尘器的除尘效率需建立微分方程。

但由于电除尘器的除尘效率与粉尘性质、电场强度、气流速度、气体性抟及除尘器结构等因素有关，要严格地从理论上推导除尘效率方程式是困难的，因此在推导过程中作以下假设：

①电除尘器横断面上有两上区域，集尘极附近的层流边界层和几乎占有整个断面的紊流区。

②尘粒运动受紊流的控制，整个断面上的浓度分布是均匀的。

③在边界层尘粒具有垂直于避面的分速度ω。

④忽略电风、气流分布不均匀、二次扬尘等因素的影响。

图5-7-3静电除尘器除尘效率分析模型图

建立微分方程首先需要抽象模型如图5-7-3所示。

设气体和粉尘在水平方向的流速为υ（m/s）；除尘器内某一断面上气体含尘浓度为y（g/m3）；气流运动方向上每单位长度集尘面积为a（m2/m）；气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为l（m）；尘粒的驱进度为气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为ｌ（m）；尘粒的驱进速度为ω（m/s）。

在dτ时间内，在dχ空间捕集的粉尘量

dm=α（dχ）ωdτy=-F（dx）dy               （5-7-9）

把dχ=υdτ代入上式，则

对上式两边进行积分，

           （5-7-10）

式中y1——除尘器进口处含尘浓度，g/m3；

y2——除尘器出口处含尘浓度，g/m3。

将Fυ=L、αι=A上式，则

式中L——除尘器处理风量，m3/s；

    A——集尘极总的集尘面积，m2。

则除尘效率为            

               （5-7-11）

表5-7-1    不同（

）值下的除尘效率

0

η（%）

0

90

95

98

99

公式（5-7-11）是在一系列假设的前提下得出的，和实际情况并不完全相符。

但是它给我们提供了分析、估计和比较电除尘器效率的基础。

从该式可以看出，在除尘效率一定的情况下，除尘器尺寸和尘粒驱进速度成反比，和处理风量成正比；在除尘器尺寸一定的情况下，除尘效率和气流速度成反比。

3．有效驱进速度

公式（5-7-11）在推导过程中忽略了气流分布不均匀、粉尘性质、振打清灰时的二次扬尘因素的影响，因此理论效率值要比实际值高。

为了解决这一矛盾，提出有效驱进速度的概念。

所谓有效驱进速度就是根据某一除尘器实际测定的除尘效率和它的集尘极总面积A、气体流量L，利用公式（5-7-11）倒算出驱进速度。

我们把这个速度称为有效驱进速度。

在有效驱进速度中包含了粒径、气流速度、气体温度、粉尘比电组、粉尘层厚度、电极型式、振打清灰时的二次扬尘等因素。

因此有效驱时速度要通过大量的经验积累，它的数值与理论驱进速度相差较大。

表5-7-2是某部门实测的有效驱进速度ωe值。

表5-7-2     某些粉尘的有效驱进速度ωe

粉尘种类

ωe（cm/s）

粉尘种类

ωe（cm/s）

锅炉飞灰

水  泥

铁矿烧结粉尘

氧化亚铁

焦  油

平  炉

6-20

7-22

8-23

镁  砂

氧化锌、氧化铅

石膏

氧化铝熟料

氧化铝

4

13

三、静电除尘器的主要结构部件与装置

图5-7-4为静电除尘器结构图。

在工业电除尘器中，最广泛采用的是卧式的板式电除尘器，见图5-7-5。

它是由本体和供电原源两部分组成。

本体包括除尘器壳体、灰斗、放电极、集尘极、气流分布装置、振打清灰装置、绝缘子及保温箱等等。

下面介绍除尘器的主要部件。

图5-7-4静电除尘器结构图

图5-7-5板式静电除尘器组成结构图

1．集尘极

（1）对集尘极板的基本要求

对集尘极板的基本要求是：

①板面场强分布和板面电流分布要尽可能均匀；

②防止二次场尘的性能好。

在气流速度较高或振打清灰时产生的二次场尘少；

③振打性能好。

在较小的振打力作用下，在板面各点能获得足够的振打加速度，且分布较均匀；

④机械强度好（主要是刚度）、耐高温和耐腐蚀。

具有足够的刚度才能保证极板间距及极板与极线的间距的准确性；

⑤容纳粉尘量大，消耗钢材少，加工及安装精度高。

（2）集尘极板的结构形式

极板用厚度为~2.0mm的钢板在专用轧机上轧制而成，为了增大容纳粉尘量大，通常将集尘极做成各种断面形状。

，常用的断面形状如图5-7-6所示。

图5-7-6集尘极板的结构形式

极板高度一般为2~15m。

每个电场的有效电场长度一般为3~4.5m，由多块极板拼装而成。

常规电除尘器的集尘极板的间距通常采用300mm。

国内、外研究结果表明，加大极板间间距，增大了绝缘距离，可以抑止电场火花放电；同时可以提高电除法器的工作电压，增大粉尘的驱进速度；另外还可使电极板面积也会相应减小。

由于这种除尘器的工作电压比常规的高，故称为宽间距超高压电除尘器。

宽间距电除尘器的极板间距一般为400~600mm。

根据目前的试验研究，采用400mm为好，其工作电压为120~80kV。

这种除尘器目前已在电站、水泥等行业应用。

2．电晕极（放电极）

（1）对放电极的基本要求

对放电极的基本要求为：

①放电性能好（起晕电压低、击穿电压高、电晕电流强）；

②机械强度高、耐腐蚀、耐高温、不易断线；

③清灰性能好。

振打时，粉尘易于脱落，不产生结瘤和肥大现象。

（2）电晕极的结构形式

放电极的形式很多，常见的形式如图5-7-7所示。

图5-7-7 常见的电晕极结构形式

①圆形

采用直径~2.5mm的高度镍铬合金制作，上部悬挂在框架上，下部用重锤保持其垂直位置。

圆线也可作成螺旋弹簧形，上、下部都固定在框架上（如图5-7-8所示），由于导线保持一定的张力，放电线处于绷紧状态。

图5-7-8圆形电晕极固定方式

②星形

它是用4~6mm的圆钢冷拉成星形断面的导线。

它利用极线全长的四个尖角放电，放电效果比光线式好。

星形线容易粘灰，适用于含尘浓度低的烟气。

③锯齿形

用薄钢条（厚约1.5mm）制作，在其两侧冲出锯齿，形成锯齿形电极。

锯齿形的放电强度高，是应用较多的一种放电极。

④芒刺式

芒刺型电晕线是依靠芒刺的尖端进行放电。

形成芒刺的方式很多，R—S是目前采用较多的一种（见图5-7-9），它是以直径为20mm的圆管作支撑，两侧伸出交叉的芒刺。

这种线的机械强度高，放电强。

芒刺式采用点放电代替极线全长的放电，试验表明，在同样的工作电压下，芒刺式的电晕电流要比星形线大，有利于捕集高浓度的微小尘粒。

芒刺式电晕极的刺尖会产生强烈的离子流，增大了电除尘器的电风（由于离子流对气体分子的作用，气体向集尘极的运动称为电风），有利于减少电晕闭塞。

芒刺式电晕极适用于含尘浓度高的烟气，因此，有的电除尘器在第一、二电场采用芒刺式，在第三电场采用光线或星形线。

芒刺式电晕极尖端应避免积尘，以免影响放电。

极线间距通常取~倍的通道宽度，对常规电除尘器可取160~200mm。

芒刺式的间距一般为50~100mm。

集尘极和电晕极的制作、安装质量对电除尘器的性能有很大影响，安装前极板和极线必须调直，安装时要严格控制极距，偏差不得大于5mm。

如果个别地点极距偏小，会首先发生击穿。

图5-7-9 R—S芒刺式电晕极

3．振打清灰装置

沉积在电晕极和集尘极上的粉尘必须通过振打及时清除，电晕极上积灰过多，会影响放电。

集尘极上积灰过多，会影响尘粒的驱进速度，对于高比电阻粉尘还会引起反电晕。

及时清灰是防止电晕的措施之一。

常用的振打方式是锤击振打（如图5-7-10所示）。

振打频率和振打强度必须在运行过程中调整。

振打频率高、强度大，积聚在极板上的粉尘层薄，振打后粉尘会以粉末状下落，容易产生二次飞扬。

振打频率低、强度弱，极板上积聚的粉尘层较厚，大块粉尖会因自重高速下落，也会造成二次飞扬。

振打强度还与粉尘的比电阻有关，高比电阻粉尘应采用较高的振打强度。

为了防止比电阻小的粉尘产生二次飞扬，有的电除尘器专门在集尘极的表面淋水，形成一层水膜，用水膜把粉尘带走，这种电除尘器自然称为湿式电除尘器。

用湿法清灰虽解决了粉尘的二次飞扬问题，但是也带来了泥浆和废水的处理问题，因此目前应用较少。

图5-7-10 锤击振打方式

4．气流分布装置

电除尘器中气流分布的均匀性对除尘效率有较大影响。

除尘效率与气流速度成反比，当气流速度分布不均匀时，流速低处增加的除尘效率远不足以弥补流速高处效率的下降，因而总的效率是下降的。

气流分布的均匀程度与除尘器进出口的管道形式及气流分布装置的结构有密切关系。

在电除尘器的安装位置不受限制时，气流经渐扩管进入除尘器，然后再经1~2块平行的气流分布板进入除尘器电场。

在这种情况下，气流分布的均匀程度取决于扩散角和分布板结构。

除尘器安装位置受到限制，需要采用直角入口时，可在气流转弯处加设导流叶片，然后再经分布板进入除尘器。

气流分布板有多种型式，常用的是圆孔形气流分布板，采用3~5mm钢板制作，孔径约为40~60mm，开孔率为50%~65%。

5．电除尘器的供电装置

供电装置包括三部分：

（1）升压变压器

如图5-7-11所示，它是将工频380V或220V交流电压升到除尘器所需的高电压，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。

（2）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。

（3）控制装置

如图5-7-12所示，电除尘器中烟气的温度、湿度、烟气量、烟气成份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。

图5-7-11静电除尘器升压变压器

图5-7-12静电除尘器控制装置

四、影响静电除尘器除尘效果的因素

主要影响因素有：

粉尘比电阻、气体含尘浓度、气流速度等。

1．粉尘的比电阻

如图5-7-13所示，比电阻在104～1011Ω·cm之间的粉尘，电除尘效果好。

当粉尘比电阻小于104Ω·cm时，由于粉尘导电性能好，到达集尘极后，释放负电荷的时间快，容易感应出与集尘极同性的正电荷，由于同性相斥而使"粉尘形成沿极板表面跳动前进"，降低除尘效率。

当粉尘比电阻大于1011Ω·cm时，粉尘释放负电荷慢，粉尘层内形成较强的电场强度而使粉尘空隙中的空气电离，出现反电晕现象。

正离子向负极运动过程中与负离子中和，而使除尘效率下降。

比电阻低于104Ω·cm称为低阻型。

这类粉尘有较好的导电能力，荷电尘粒到达集尘极后，会很快放出所带的负电荷，同时由于静电感应获得与集尘极同性的正电荷。

如果正电荷形成的斥力大于粉尘的粘附力，沉积的尘粒将离开集尘重返气流。

尘粒在空间受到负离子碰撞后又重新获得负电荷，再向集尘极移动。

这样很多粉尘沿极板表面跳动前进，最后被气流带出除尘器。

用电除尘器处理金属粉尘、炭墨粉尘，石墨粉尘都可以看到这一现象。

粉尘比电阻位于104~1011Ω·cm的称为正常型。

这类粉尘到达集尘极后，会以正常速度放出电荷。

对这类粉尘（如锅炉飞灰、水泥尘、平炉粉尘、石灰石粉尘等）电除尘器一般都能获得较好的效果。

粉尘比电阻超过1011~1012Ω·cm的称为高阻型。

高比电阻粉尘到达集尘极后，电荷释放很慢，这样集尘极表面逐渐积聚了一层荷负电的粉尘层。

由于同性相斥，使随后尘粒的驱进速度减慢。

另外随粉尘层厚度的增加，在粉尘层和极板之间形成了很大的电压降ΔU。

在粉尘层内部包含着许多松散的空隙，形成了许多微电场。

随ΔU的增大，局部地点微电场击穿，空隙中的空气被电离，产生正、负离子。

ΔU继续增高，这种现象会从粉尘层内部空隙发展到粉尘层表面，大量正离子被排斥，穿透粉层流向电晕极。

在电场内它们与负离子或荷负电的尘粒接触，产生电生中和。

大量中性尘粒由气流带出除尘器，使除尘器效果急剧恶化，这种现象称为反电晕。

克服高比电阻影响的方法有：

加强振打，使极板表面可能保持清洁；改进供电系统，包括采用脉冲供电和有效的自控系统；增加烟气湿度，或向烟气中加入SO3、NH3及Na2CO3等化合物，使尘粒导电性增加，这种方法称为烟气调质。

图5-7-13粉尘比电阻与除尘效率之间的关系

烟气的温度和湿度是影响粉法比电阻的两个重要因素。

图5-7-14是不同温度和含湿量下，烧结机铅烟的比电阻。

从该图可以看出，温度较低时，粉尘的比电阻是随温度升高而增加的，比电阻达到某一最大值后，又随温度的增加而下降。

这是因为在低温的范围内，粉尘的导电是在表面进行的，电子沿尘粒表面的吸附层（如水蒸汽或其它吸附层）传送。

温度低，尘粒表面吸附的水蒸汽多，因此，表面导电性好，比电阻低。

随着温度的升高，尘粒表面吸附的水蒸汽因受热蒸发，比电阻逐渐增加。

在低温的范围内，如果在烟气中加入SO3、NH3等，它们也会吸附在尘粒表面，使比电阻下降，这些物质称为比电阻调节剂。

温度较高时，粉尘的导电是在内部进行的，随温度升高，尘粒内部会发生电子热激发作用，使比电阻下降。

从图5-7-14还可以看出，在低温的范围内，粉尘的比电阻是随烟气含湿量的增加而下降的，温度较高时，烟气的含湿量对比电阻基本上没有影响。

从以上的分析可以看出，可以通过一下途径降低粉尘比电阻：

①选择适当的操作温度；

②增加烟气的含湿量；

③在烟气中加入调节剂（SO2、NH3等）。

图5-7-14烟尘比电阻与温度的关系

2．气体含尘浓度

粉尘浓度过高，粉尘阻挡离子运动，电晕电流降低，严重时为零，出现电晕闭塞，除尘效果急剧恶化。

电除尘器内同时存在着两种电荷，一种是离子的电荷，一种是带电尘粒的电荷。

离子的运动速度较高，约为60~100m/s，而带电尘粒的运动速度却是较低的，一般在60cm/s以下。

因此含尘气体通过电除尘器时，单位时间转移的电荷量要比通过清洁空气时少，即这时的电晕电流小。

如果气体的含尘浓度很高，电场内悬浮大量的微小尘粒，会使电除尘器担忧晕电流急剧下降，严重时可能会趋近于零，这种情况称为电晕闭塞。

为了防止电晕闭塞的产生，处理含尘浓度较高的气体时，必须采取措施，如提高工作电压，采用放电强烈的电晕极，增设预净化设备等。

气体的含尘浓度超过30g/m3时，必须设预净化设备。

3．气流速度

随气流速度的增大，除尘效率降低，其原因是，风速增大，粉尘在除尘器内停留的时间缩短，荷电的机会降低。

同时，风速增大二次扬尘量也增大。

电场风速的大小对除尘效率有较大影响，风速过大，容易产生二次扬尘，除尘效率下降。

但是风速过低，电除尘器体积大，投资增加。

根据经验，电场风速最高不宜超过~2.0m/s，除尘效率要求高的除尘器不宜超过~1.5m/s。

五、静电除尘器的类型及应用

1．静电除尘器的类型

静电除尘器按集尘极形式不同，通常分为板式静电除尘器（如图5-7-15）和管式静电除尘器（如图5-7-16）。

图5-7-15板式静电除尘器

图5-7-16管式静电除尘器

   按内部荷电区和分离区布置分单区电除尘器（荷电与分离在同一区内完成）和双压电除尘器（荷电与分离分别在两个区完成）。

   按气流流动分卧式电除尘器（气流水平运动）和立式电除尘器（气流垂直运动）。

   按清灰方式分干式电除尘器（振打清灰）和湿式电除尘器（集尘极上的粉尘靠水流排出）。

   根据电除尘器的结构形式和电压，可分为常规电除尘器和新型电除尘器。

常规电除尘器的基本结构形式为线板式或线管式，极间距为200～300mm，电压为50～60KV。

而新型电除尘器在结构形式和供电方式方面都有所改变。

较具有代表性的新型电除尘器类型有