毕业设计大气电除尘器设计.docx

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毕业设计大气电除尘器设计

电除尘器设计说明书

中文摘要：

本设计根据给定的烟气的含尘量、电场数和除尘效率设计出一个尺寸合理、性能稳定、经济实用的卧式电除尘器。

本文主要包括电除尘器的利用现状、设计意义和工作原理，通过分析进行选型、详细计算出所需要的各部分尺寸并作图。

Abstract：

Thisdesignaccordingtothegivengasdustcontent,electricfieldnumberandthedustremovalefficiencytodesignareasonablesize,stableperformance,economicandpracticalhorizontalelectricprecipitator.Thisarticlemainlyincludeselectricalprecipitatorutilizationsituation,designsignificanceandworkingprinciple,throughtheanalysistocalculatethetypeselection,detailedneededdimensionsandmapping.关键词：

电除尘器；设计；分析计算

Keywords：

Electricalprecipitator；Design；AnalyzeandCalculate

1.前言

1.1选题背景

1.1.1课题的来源

空气中的颗粒物是影响我国城乡空气质量的主要污染物之一。

据统计每人每天吸入的空气量远远超过每天的饮水量和进食量，在这些吸入的空气中经常携带着大量的颗粒物，对人体健康产生重大的影响。

研究发现，大气中的SO2、NOx和CO等污染物的含量与人类死亡率并没有紧密的联系，而可吸入颗粒物则成为导致人类死亡率上升的主要原因。

在我国各大城市的污染物检测中心发现，总悬浮颗粒物（TSP）70%以上的来源是燃烧过程，目前我国工业锅炉每年的烟尘排放量约6~8Mt，占全国烟尘总排放量的33%~35%，可见减少锅炉燃烧烟尘排放对改善大气质量有着举足轻重的作用。

电除尘器经过100年的发展，为大气污染控制做出了很大的贡献。

电除尘器由于效率高、能耗低、能处理大烟气量的高温烟气，是各种工业废气污染控制设备中最为优秀的一种。

为了实现节能减排、提高设备利用率，火电厂和水泥厂的市场设备均向大型化发展，钢铁、有色、化工等行业也有一定数量的增长，电除尘器设备将保持大型化的发展方向。

但是近年来由于受全球经济发展的影响，原材料（90%来自钢材）特别是钢材的价格大起大落，使电除尘器行业的健康发展也受到了严重影响。

同时，由于市场监管不利，无序竞争激烈，出现了机电不能和谐配合、一些设备运行不够理想的情况，也影响了电除尘行业的健康发展。

但应该指出，随着技术进步，随着工业设备的大型化，在较长的时间内，电除尘器仍然是主要的污染控制装备之一，应用前景还会更好。

本课题来源于某工业中产生的烟气，已知进口颗粒物浓度为42g/m3，电场数为4，除尘需达到的效率为98%。

1.1.2课题的目的

本课题主要为了进一步理解电除尘器的除尘原理、主要构造以及其发展现状和前景，加深对所学的知识的理解和巩固，并通过查阅资料自主设计出一个较合理、实用的符合条件的电除尘器，锻炼自己的思维和独立思考能力。

1.1.3课题的意义

通过设计整体掌握有关电除尘器的理论知识，在设计过程中发现问题然后解决问题，从而将所学知识应用到实践中，设计出一个较为理想的电除尘器，使其在工业中得到更好的利用，从而减少烟气对环境造成的污染。

1.1.4应解决的主要问题

要准确掌握电除尘器的工作原理和主要构造。

在设计过程中怎样进行电除尘器的选型、怎样选择参数以及应注意的问题和细节。

1.1.5技术要求

所设计的电除尘器首先性能要稳定，满足除尘效率的要求；第二，耗电少，经济实用；第三，机械性能高，噪声小；第四，外型美观等要求。

1.2国内外研究现状

从1955年以来,采用电除尘技术处理工业烟尘及空气净化的工程数量成倍增加,各国企业界、学术界对电除尘理论与技术进行了大量研究工作。

1980年Masuda等,1990年与川慎太郎等以及2001年王海宁等[1]分别进行了用高电压窄脉冲供电方法,对烟尘进行脉冲直流电场的同极性离子荷电凝聚,增大了烟尘荷电量及粒径,提高了烟尘的荷电凝聚性能,改善了电除尘器的反（逆）电晕问题,使捕集高比电阻烟尘的效率有所提高。

白希尧等[2]进行了直流电场的同极性烟尘荷电凝聚技术的研究工作,提高了粉尘的荷电凝聚特性,烟尘驱进速度可提高2~6倍,改善了电除尘器的收尘性能。

阪本清等[3]采用间歇供电方法改善了高比电阻烟尘的荷电凝聚性能,解决了烧结烟气的除尘疑难问题。

Watababe等[4]和Hautanen等[5],许德玄[6]以及向晓东等[7]分别进行了离子荷电机理或荷电、凝聚、收尘的三段式电除尘器的试验研究工作。

在电除尘器前面设置了比电除尘器体积略小的荷电区（器）凝聚区（器），对0.06~12um烟尘的除尘效率提高了3%左右。

2001年刘功智等[8]以及2002年王连泽等[9]分别进行了静电荷电凝聚除尘研究,除尘效率均提高了3%。

2003年Coghe等[10]、2004年Zamankhan等[11]进行了离子荷电粉尘的流体动力学研究。

从上述实验研究表明,在直流、交变电场中的同极性、异极性离子对烟尘具有荷电凝聚作用。

目前应用于电除尘器的烟尘预荷电设置大多是电除尘器稍加改变而成,通常是靠增加几个变形电场来实现的,实质上是电除尘电场的延伸。

日立公司与国内公司合作，已经进行实际应用[12]。

中国在推广移动电极电除尘器，我国公司自主研发的该项技术也已进入工业性试验阶段，正在进一步改进和完善。

近几十年电除尘技术在工艺上有了改进[13,14]，在烟尘荷电凝聚机理及方法上也进行了不少探索性的研究。

1.3电除尘器存在的问题

（1）电离占空比、输运项低下

（2）电除尘器体积大、耗能高

（3）气流状态不良

（4）灰斗、外壳或烟道漏风或者烟道接头处烟尘堆积

（5）后级电场中微细灰尘的除尘效率低

（6）锅炉燃煤灰分的变化与设计值偏差较大，使得烟气含尘浓度增大，造成点晕封闭；有的燃用低硫煤，粉尘比电阻较高。

（7）振打效果差，有的阴极线尖端钝化而导致放电性能不好；有的长期受到拉弧放电的冲击等，造成阳极板和阴极线严重积灰，导致电压和电流下降。

（8）整流变压器的供电能力减弱。

（9）电除尘器运行未作调整，尤其是新建和改建机组较为普遍。

1.4本设计的指导思想

（1）工艺设计的主要标准和依据：

1.《大气污染物综合排放标准》GB16297－1996

2.《环境空气质量标准》GB3095－1996

（2）按照“高效、安全、可靠、方便、经济”的目标即除尘效率高、使用安全、运行可靠、操作方便、运行维护经济的原则进行优化设计。

2电除尘器设计方案论证

2.1电除尘器除尘机理[14]

电除尘器是在高压静电场的作用下，使两极（阴极和阳极）间的气体电离，产生大量的自由电子、正负离子，致使通过电场的烟气尘粒与所电离的粒子结合而荷电，随后荷电粒子在电场力的作用下分别向异极电极移动，从而使烟气中的尘粒与气体分离，净化了气体，而荷电尘粒沉积于极板表面，当极板上的粉尘越积越厚会使极板间距变小，这时启动振打装置将极板表面上的灰尘振落到积灰仓。

2.1.1工作过程

从电除尘器的工作原理可以看出电除尘器的工作过程为：

气体电离一尘粒荷电一荷电粒子在电场力的作用下向异极方向移动一荷电粒子沉积于极板／极线一清除极板灰尘。

（1）气体电离

在原子核外的自由电子较容易受外力影响而脱离原子核成为带负电的自由电子，气体分子在失去自由电子后成为带正电荷的正离子，飞出的自由电子附着到其他中性气体分子上就成为负离子。

这种气体分子被分离为正负离子和自由电子的过程称为气体电离。

对于电除尘器这种特殊设备，在试验和实际运用中总结出其气体电离的过程，即U-I特性曲线（见图1）。

①OA段：

电压由0上升到U，在此过程U上升时，向两极移动的离子增加，且速度也被加快，使相互间复合成中性分子的离子减少，因而I上升，电离离子的浓度增加了。

②AB段：

电压由Ua增加到Ub，U增加，自由电子的速度增加，但此速度还未达到去撞击中性气体分子使其分离出自由电子，因此在电场中自由电子的数量未增加，所以电流I基本不变，称为饱和电流。

③BC段：

Ub

此阶段只能看到电晕极周围有光芒但无声响。

④CD段：

UcUc后，不仅自由电子、负离子的碰撞加剧，而且气体中原来活动性较小的正离子获得足够能量后也去轰击中性分子，而形成中性分子被碰撞电离，因此使电流增加的更快。

此阶段有浅蓝色光焰和丝丝声或噼啪声或爆炸声。

所产生的自由电子、正负离子象雪崩似的按等比级数增加。

I比U增加的更快。

⑤过D段：

U>Ud，当U由Ud继续增加，电晕发光层的大小及声音越来越大，使两极间的整个空间被击穿，绝缘的气体层迅速变成电流通路，在两极问形成电弧，称为弧光放电。

弧光放电使气体介质局部被击穿，电场阻抗突然减小，通过电场的电流急剧增加，而电场电压迅速下降，使气体电离过程中止。

弧光放电还会烧坏设备、极线受损、可控硅击穿、电场内发生爆炸等。

通过对气体电离过程的分析可知：

（1）CD段界于临界电晕电压Uc与火花放电电压Ud之间，是电晕放电区，也是电除尘器的电压工作区。

当CD段宽度越宽，允许电压活动范围也越大，此时电除尘器的工作也就越稳定。

（2）此曲线是空载静态时的曲线，动态负载时曲线有所变化。

（3）通过比较原始的U-I曲线和现在使用时的U—I曲线，可以发现此电除尘器电场的劣化倾向，也可为检修提供依据。

（2）尘粒荷电

尘粒荷电有以下两种形式：

①电场荷电：

离子在外加电场的作用下沿电力线的方向有序移动，与悬浮在气流中的尘粒碰撞，使粒子粘附在尘粒上而得电。

当尘粒半径rp>0.5um时，主要是电场荷电。

②扩散荷电：

离子的无规则运动与气体扩散的粒子碰撞而使尘粒荷电的过程。

此过程尽管电场存在，但电场不是必须的，主要取决于热能、粒子大小及停留时间。

因此，当粒子半径rp<0.2um时，以扩散荷电为主；当粒子半径0.2um

（3）尘粒移动

通常带电粒子在电场力作用下的运行轨迹如图2所示。

经过统计和计算得出：

当rp<0.4um时，尘粒浮在空中而不下降，尘粒的运动方程是：

Fe-Fd=mdw/dt（Fe为电场力，Fd为外界动力），w与粉尘电电量及扑尘极板电场强度成正比、与尘粒半径成反比，它是每台电除尘器设计的一个重要参数，一般是通过现场的生产状况测定电除尘器的效率，再由Deutsch公式反推出的一个经验数字。

（4）尘粒沉积

电场力的作用使尘粒附着于极板表面形成沉积层，当沉积层达到一定厚度后启动振打装置进行振打清灰，这样既易于沉积层从极板脱落，又能最小减少粉尘二次飞扬。

（5）极板清灰

沉积层达到一定厚度后必须予以清除，积得太厚会使电场的二次电压降低，影响扑尘效果。

清灰要求振打力足够大，能使粉尘从极板、极线上脱落，而后靠重力作用下沉。

但过大的振打力会使自极板上脱落的粉尘块被击碎而粉尘飞扬（二次扬尘）。

清灰时的难点主要为振打锤击在振打粘上有个振打加速度，这个振打加速度要在极板、极线上均匀分布。

2.2静电除尘器分类

按气流方向分为立式电除尘器和卧式电除尘器；按清灰方式分为干式除尘器、湿式除尘器和电除雾器；按集尘电极的结构形式分为管式除尘器和板式除尘器；按电极在除尘器内的布置形式分为单区电除尘器和双区电除尘器

2.3方案选择

2.3.1在选择除尘器过程中，应全面考虑一下因素：

（1）除尘器的除尘效率；

（2）选用的除尘器是否满足排放标准规定的排放浓度；

（3）注意粉尘的物理特性（例如黏性、比电阻、润湿性等）对除尘器性能有较大的影响。

另外，不同粒径粉尘的除尘器除尘效率有很大的不同；

（4）气体的含尘浓度较高时，在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的出净化设备，去除粗大粉尘，以使设备更好地发挥作用；

（5）气体温度和其他性质也是选择除尘设备时必须考虑的因素；

（6）所捕集粉尘的处理问题；

（7）设备位置，可利用的空间、环境条件等因素；

（8）设备的一次性投资（设备、安装和施工等）以及操作和维修费用等经济因素。

2.3.2确定电除尘器类型

综合考虑各项因素，本设计使用卧式的板式电除尘器。

卧式静电除尘器之气体在静电除尘器内沿水平方向运动，与立式静电除尘器相比有以下特点：

（1）各个电场可以施加相同电压，也可以分别施加不同的电压,分别施加不同的电压以便充分提高除尘效率。

沿气流方向可分别为若干电场；

（2）根据所要求的除尘效率，可任意增加电场长度，但太长会增加费用，而效果却不十分理想；

（3）在处理较大的烟气量时，能保证气流沿电场断面均匀分布，清灰比较方便；

（4）各个电场可以分别捕集不同粒度的粉尘，这有利于粉尘的捕集回收；

（5）静电除尘器的电场强度不够均匀。

另外板式电除尘器是每一供电段（电场）内设置多排平行极板组成集尘极的电除尘器。

电晕极均匀地安装在两排集尘极构成的通道中间，气流在除尘器内沿水平方向流动的称为卧式电除尘器。

为了提高除尘效率，沿气流方向分为若干个电场，各电场配备独立的供电装置。

可分别施加不同的电压。

可用于处理很大的烟气量。

3电除尘器的结构设计

3.1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

3.1.1电晕线的一般要求：

（1）牢固可靠、机械强度大、不断线

（2）电气性好（起晕电压低、电晕功率大、对含尘浓度高，粉尘粒度细以及高比电阻粉尘有强适应性）

（3）振打力传递均匀，有良好的清灰效果

（4）结构简单、成本低、易制造维护

3.1.2电晕线固定方式：

重锤悬吊式和管框绷线式

3.1.3电晕电极的振打装置

为了避免电晕闭塞，需设置电晕极的振打装置。

电晕极振打装置的形式有水平转轴挠臂锤击装置、摆线针传动机构、凸轮提升振打机构。

其中使用较多的是水平转轴挠臂锤击装置和提升振打装置。

3.2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。

3.2.1性能良好的集尘极应满足下述基本要求：

（1）有良好的电晕放电性能（无锐边、毛刺、不产生局部放电）

（2）振打时粉尘的二次扬起少

（3）单位集尘面积消耗金属量低

（4）极板高度较大时，应有一定的刚性，不易变形，振打加速度分布均匀

（5）制造方便、钢耗少、重量轻、造价低

3.2.2注意问题：

（1）受钢板规格的限制

（2）安装不方便

（3）平板容易扭曲变形

（4）平板表面光滑容易二次扬尘

3.2.3常用板式电除尘器集尘极：

V型板和折流板

3.3高压供电设备

（1）高压供电设备提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流

（2）供电设备必须十分稳定，希望工作寿命在二十年之上

（3）通常高压供电设备的输出峰值电压为70～l000kV，电流为100～2000mA

（4）增加供电机组的数目，减少每个机组供电的电晕线数，能改善电除尘器性能，但投资增加。

必须考虑效率和投资两方面因素

3.4气流分布装置

3.4.1气流分布板的设计

电除尘器内气流分布对除尘效率具有较大影响；为保证气流分布均匀，在进出口处应设变径管道，进口变径管内应设气流分布板；最常见的气流分布板有百叶窗式、多孔板分布格子、槽形钢式和栏杆型分布板；对气流分布的具体要求是：

任何一点的流速不得超过该断面平均流速的+40%；在任何一个测定断面上，85%以上测点的流速与平均流速不得相差+25%。

（1）分布板层数的确定

根据实验，多孔板的层数可由工作室截面积Fk与进风管面积F0的比值近似的确定：

当

≤6时，n=1

6＜

≤20，n=2

20＜

＜50,n=3

（2）分布板的开孔率f

为保证气体流速分布均匀，常需使多孔板有合适的阻力系数，即

ξ=N0（

）

-1

ξ=[0.707（1-f）1/2+1-f]2*f-2

式中ξ——阻力系数

N0——气流在入口处按气流动量计算的速度场系数，对于直管或带有导向板的弯头N0=1.2

（3）相邻两层多孔板的距离

L2≥0.2Dr

式中Dr——Fk断面上的水力直径，Dr=

；

nk——Fk断面上的周长

（4）进气管出口到第一层多孔板的距离

Hp≥0.8Dr′

式中Dr′——进气管的水力直径。

多孔板的孔径为40-50mm的圆孔，多孔板可由3mm厚的钢板弯成槽型制成。

弯边为20-25mm。

孔板宽400mm左右，长度按进气箱确定。

上、下焊以联接板，上部用螺栓悬吊于上部梁上，下部与撞击杆相连，板与板之间，可用扁钢和螺栓固定。

3.4.2槽型板的设计

为提高电除尘器对微细粉尘的（小于5µm）的收集，在除尘器的出气箱前平行安装两排槽型板。

槽型板可用3mm厚的钢板制成。

3.5壳体结构与几何尺寸

电除尘器的壳体结构主要由箱体、灰斗、进风口风箱及框架等组成。

为了保证电除尘器正常运行，壳体要有足够的刚度、强度、稳定性和密封性。

箱体的构造形式和使用材料要根据被处理烟气性质和实际情况确定。

一般多采用钢结构。

3.5.1电除尘器箱体横断面各部分尺寸

（1）箱体断面积F′的确定

F′=

式中Q——被处理的烟气量，m3/s

v——电场风速，m/s

（2）极板高度h

当F′≤80m2

h≈

当F′＞80m2

h≈

即当F′＞80m2时，电除尘器要设双进风口，计算后的h值应进行调整。

（3）电除尘器的通道数N

N=F′/2Sh

（4）电除尘器的内壁宽B

B=2SN

（5）过流断面积F

F=Bh

3.5.2箱体沿气流方向的内壁有关尺寸

（1）电场总长度L

L=vt

式中t——气体在电场内的停留时间，s

t值可以在3-10s范围内选择，净化效率要求高时，停留时间可选的长些。

（2）Le1、Le2、C的取值

电晕极吊杆至进气箱大端面距离为

Le1=400-500mm

集尘极一侧距电晕极吊杆的距离为

Le2=450-500mm

两电极框架吊杆间距为

C≥380-440mm

（3）除尘器壳体内壁长度为

Lh=n（L+2Le2+C）+2Le1-C

3.5.3进出气箱的形状及尺寸

（1）水平进气箱进气口尺寸：

进气箱的进气方式有水平进气和上进气两种，一般情况下多采用水平进气式。

F0=Q/v0

式中F0——进气口的面积，m2

v0——进气口处的风速，m/s。

该值越小对电除尘越有利，v0一般取13-15m/s。

（2）进气箱长度Lz

Lz=（0.55～0.56）（a1-a2）+250

式中a1、a2——分别为Fk及F0处的最大边长，m

Fk——进气箱大端面积，m2

进气箱内有导流装置时，式中系数可降到0.35。

（3）进气箱有灰斗时的上沿宽度

LE=（0.6～0.65）Lz

前端灰口下口长LM，一般取400mm

（4）出气箱有关尺寸：

出气箱的大端尺寸一般设计成比进气箱的大端小，以降低粉尘的二次飞扬。

出气箱小端面积：

F0′=F0

出气箱长度：

Lw≥0.8Lz

3.6电除尘器灰斗的有关尺寸

四棱台灰斗：

电除尘器每一个区下面设置一个灰斗，灰斗的斜壁与水平夹角大于60°。

灰斗下料口尺寸大小，参照表3-1确定，最小不小于300×300mm。

表3-1灰斗规格表

排灰斗下口宽

300

300

350

350

400

400

500

500

排灰量（t/h）

20

35

50

100

3.7排灰装置

电除尘器的排灰装置根据灰斗的形式和卸灰方式而异。

但都要求密闭性能好，工作可靠，满足排灰能力。

常用的有螺旋输送机、仓式泵、回转下料器、链式输送机等。

4、电除尘器的仿真设计数学模型

4.1了解进口浓度Ci以及出口浓度Co

η=

由η=98%，Ci=42g/cm3

得Co=0.84g/cm3

4.2确定有效驱进速度ωp

通过查找资料，煤粉ωp一般在0.10～0.14m/s的范围内，同时还与除尘效率有关，本设计通过内插法计算ωp=0.107m/s

4.3集尘板面积A

由η=1-exp（-

·ωp）

得

A=（Q/ωp）·ln[1/（1-η）]=

*ln

=7312.2m2≈7500m2

式中η——除尘效率

A——集尘板面积，m2

Q——烟气总量，m3/s

4.4电除尘器箱体横断面各部分尺寸

4.4.1电场断面积F′

F′=

=

=133.33m2≈135m2

v-电场风速，考虑灰的比电阻高，灰分质量轻、粒度小等因素，选取电场风速为1.5m/s。

4.4.2电场高度h

由于F′>80m2

h=

=

=8.22m≈9m

电除尘器要设置双进风口。

4.4.3电除尘器通道数N

N=F′/（2S）h=

=37.5≈38

故取通道数为38。

S-板间距，考虑到宽极距能有效减少高比电阻粉尘产生的反电晕，能减少由于安装的误差、运行中的热变形等对除尘器性能的影响，提高运行的稳定性，另外也可以减轻设备质量、降低造价、易于维护和保养。

选取板间距2S=400mm。

4.4.4电场有效宽度B

B=（2S）·N=0.4*38=15.2≈16m

4.4.5过流断面面积F

F=B·h=16*9=144m2

4.5箱体沿气流方向的内壁有关尺寸

4.5.1电场长度L

单电场长度l=

=

=2.74m≈3m

给定电场数为n=4，故电场长度L=3*4=12m

4.5.2验证实际效率η1

η1=1-exp（-

·ωp）=1-exp（-

*0.107）=98.19%>98%

因此符合设计标准。

4.5.3电晕极吊杆至进气箱大端面距离为

Le1=500mm

集尘极一侧距电晕极吊杆的距离为

Le2=500mm

两电极框架吊杆间距为

C=380mm

4.5.4除尘器壳体内壁长度

Lh=n（L+2Le2+C）+2Le1-C=4×（3+2×0.5+0.38）+2×0.5-0.38=18.14m≈19m

4.5.5检验实际除尘面积A′

A′=hL（N/2+1）×2×2=9×12×（38/2+1）×2×2=8640m2＞7500m2

4.5.6每个电场电晕线的有效长度

L1=

=

=5130m

4.6进出气箱的形状及尺寸

4.6.1水平进气箱进气口尺寸：

采用水平进气方式

进气口小端面积

F0=

=

=7.69m2≈8m2

-进气口处得风速，一般取13-15m/s，本设计取13m/s。

因此小端面积为8m2，取长4m，宽2m。

进气口大端面积

Fk=（h-0.35-0.6）×B=（9-0.35-0.6）×16/2=64.4m2

因此，a1=10m，a2=4m，

4.6.2进气箱长度Lz

Lz=0.35（a1-a2）+0.25=0.35×（10-4）+0.25=2.35m

4.6.3进气箱有灰斗时的上沿宽度

LE=0.6Lz=0.6×2.35=1.41m

前端灰口下口长LM，一般取400mm

4.6.4出气箱有关尺寸：

出气箱采用水平出气方式，并设置槽型极板。

出气箱的大端尺寸一般设计成比进气箱的大端小，以降低粉尘的二次飞扬。

出气箱小