静电除尘器

6静电除尘器静电除尘器是利用电力进行收尘的装置。国外称静电收尘器，实际上“静电收尘”这个名词并不确切，因为粉尘粒子荷电后和气体离子在电场力作用下，要产生微小的电流，并不是真正的静电。本书仍沿用国际通用的习惯称做静电除尘器。1907年，科特雷尔（Cottrell）首先将静电收尘技术用于净化工业烟气获得成功。如今，静电除尘器已经广泛应用于钢铁工业、有色冶金、建材工业、电力工业、化学工业、轻纺工业以及其他工业领域乃至民用领域。统计资料表明，自1955年至到现在，应用静电除尘器处理工业烟气量大致呈指数增长。随着对环境保护要求的日益严格，可以预计静电除尘器计数会得到更迅速的提高和发展。本章着重介绍静电除尘器的基本原理、静电收尘的基本理论、收尘过程中的离子风效应、影响静电除尘器性能的主要因素以及静电除尘的设计及应用。6.1静电除尘器的基本原理与分类静电除尘器是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，在两极间维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后产生的电子，阴离子与阳离子，附着在通过电场的粉尘上，使粉尘带电。荷电粉尘在电场力的作用下，便向极性相反的电极运动而沉降在电极上，从而使粉尘与气体分离。通过清灰过程把附着在电极上的粉尘振落，使其掉入灰斗中。图6.1是管式静电除尘器工作原理示意图。在金属丝的一端施加负极性高压直流电，该金属丝位于接地的金属圆筒的轴线上。当外加电压达到一定值时，在金属丝的表面上就会出现青蓝色辉光点，并发出嘶嘶声，这种现象称为电晕放电。因此常把放电极线称为电晕极。此时，若从金属圆筒极底部通入含尘气体，粉尘就会在电场中与负离子相碰撞而荷电，并在电场力作用下向圆筒极运动而沉降在圆筒的内壁上，于是粉尘被捕集。图6.1静电除尘器工作原理示意图6.1.1气体的电离在静电除尘器中，使尘粒带有足够大的电量是通过气体的电离实现的。空气通常状态下是不能导电的绝缘体，但是当气体分子获得足够的能量时就能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子，这些电子成为输送电流的媒介，气体就具有导电的本领了。使气体具有导电本领的过程称为气体的电离。设在空气中有一对电极，其中一极的曲率半径远小于另一极的曲率半径。如一根极线对一个极板，如图6.2所示。由于空气（大气）受到X光、紫外线或其他背景辐射作用产生为数很少的自由电子，这些电子不足以形成电流，因而空气是不导电的。但当施加在极板上的电压升至一定值时，就可使原来空气中存在的少量自由电子获得足够的能量而加速到很高的速度。高速电子与中性的空气分子相碰撞时，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，形成正离子和自由电子。这些电子又被加速，再轰击空气分子又产生更多的新电子和正离子。这个连锁过程发展的极快，使气体得以电离。自由电子快速形成的过程称为电子雪崩。这个过程伴有发光、发生现象，即所谓电晕放电现象。图6.2气体的电离出现电晕后，在电场内形成两个不同的区域，如图6.2所示。围绕放电极很小的范围内，约为1mm，称之为电晕区。在这一区内，场强极高使气体电离，产生电量的自由电子和离子。若极线上施加负电压时，产生负电晕，这时所产生的电子向接地极运动。而正离子向电晕极运动。当极线上施加正电压时，为正电晕放电，这时正离子向接地极运动，而电子向电晕极运动。在正电晕区狭小的范围内，电子雪崩现象起始于电晕区边缘，电极线表面场强最大，电子向内运动时，没有机会被空气分子吸收，因而不产生负离子。在电晕区以外称为电晕外区，它占有电极间的大部分空间，此区场强急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，电子碰撞到中性空气分子并附着其上形成负离子（负电晕放电情况）。粒子的荷电主要在这一区进行。由上述讨论可知，只有在曲率半径很小的电极产生非均匀电场的情况下，才会产生电晕放电现象，均匀电场不发生电晕，但场强高到一定程度会使空气击穿。如果产生的大量电子不能吸附到气体分子上形成负离子，则这些电子将直接奔向接地极，这样就会出现火花击穿，不能产生稳定的电晕。例如惰性气体、氮等能吸收自由电子，难以实现负电晕运转。自由电子与硫的氧化物、氧气、水蒸气及二氧化碳有很好的亲和力。幸运的是在工业烟气中，这类气体都有足够的浓度来维持负电晕的运转。6.1.2离子迁移率受电场作用的离子在电场中运动时，沿途将与空气分子碰撞而受到阻碍，离子在电场中的运动速度ev与电场强度E成正比，即kEve（6.1）式中，比例系数k（m2/V·s）称离子迁移率。离子迁移率主要取决于电场中的温度和压力，朗温（Langvin）给出如下算式ppTSTSTTkk0000/1/1/（6.2）式中0T、0p——标准状态下绝对温度和压力；T、p——实际情况下的绝对温度和压力；0k——标准状态下某些气体的离子迁移率，见表6.1；S——萨瑟兰德（Surtherland）常数，见表6.2。如果在同一烟气中有两种气体，设其中一种气体的离子迁移率为1k，另一种为2k，各自浓度分别为1c、2c，则混合气体的离子迁移率由布朗克（Blanc）公式计算221121kckckkk（6.3）从表6.1看出负离子的迁移率要高于正离子的迁移率。迁移率越高，离子与粉尘的碰撞频率越大，对粉尘的荷电越有利，所形成的离子电流越大。实践表明，采用负电晕，起晕电压低而击穿电压高，这有利于静电除尘器的运行，因此，在工业静电除尘器中更多地采用负电晕工作。由于负电晕在电离过程中产生比正电晕多得多的臭氧（O3）和氮氧化合物，这些气体对人体是有害的，因此作为通风空调应采用正电晕。另外，在工业静电除尘器中，工作场强通常在4kV/cm左右，若为干空气，由式（6.1）可得离子运动速度约为84m/s，可见离子风速是很大的，但实际上，只有在电晕区内，离子才有很高的速度，而在电晕区外，变为离子的气体分子是少数，而大多数是未被离子化的气体分子，这些未被离子化的气体分子阻碍了离子的运动，使其速度迅速衰减。离子风又称电风，它既有积极的作用，也有消极的影响，故研究电风的大小对分析荷电粒子的运动行为和对静电除尘器性能影响具有重要意义。6.1.3静电除尘器的分类静电除尘器根据不同特点分成不同的类型。6.1.3.1根据收尘电极的形状分为管式和板式管式静电除尘器的收尘极是由一根或一组成圆形、六角形或方形的管子组成，管径通常为200～300mm，长2～5m。安装于管中心的电晕线通常呈圆形或星形。含尘气流自下而上从管内通过，如图6.1所示。图6.3板式静电除尘器板式静电除尘器的收尘极是由若干块平板组成，为减少二次扬尘和增强板极的刚度，板极一般要轧制成断面曲折的型板。电晕线安装在每两排收尘极板构成的通道中间，通道数可以是几个或几十个。极板的高度可以是几米或几十米。除尘器总长度根据除尘效率要求来确定，如图6.3所示。6.1.3.2根据气流运动方向分为立式和卧式立式静电除尘器内，含尘气流自下而上做垂直运动。立式静电除尘器常为管式，适用于小气流量，粉尘容易捕集和安装场地较狭窄的情况。立式静电除尘器的高度较高，净化后的气体可直接排入大气。气流在静电除尘器内沿水平方向运动的称卧式静电除尘器，如图6.3所示。卧式静电除尘器与立式静电除尘器相比有以下特点：1)沿气流方向可分为若干个电场，这样可根据除尘器内的工作情况，对各电场分别施加不同的电压，以提高除尘效率；2）根据所要求达到的除尘效率，较方便地增加电场长度；3）在处理烟气量较大时，卧式静电除尘器较容易实现流速在电场断面上的均匀分布；4）设备安装高度较立式静电除尘器低，设备操作维修比较方便；5）占地面积比立式静电除尘器大。根据上述特点，除特殊情况（如占地面积受限制），一般都应选用卧式静电除尘器。6.1.3.3根据粒子的荷电区及收集区的空间布局不同分单区和双区在单区静电除尘器中，粒子的荷电和捕集都在同一区内完成，如图6.4所示。单区静电除尘器在工业应用中较为广泛。图6.4单区和双区静电除尘器示意图双区静电除尘器的粒子荷电部分和收尘部分是分开的。前区安装电晕极，粉尘在此区荷电，后区安装收尘极，粉尘在此区内被捕集。如图6.4所示。近年来，在工业废气净化中采用双区静电除尘器逐渐增多。其优点是由于荷电区与收尘区分开后，在荷电区可以较灵活地调整电压，通过减小极间距，可以在较低的电压下能使粉尘较充分地荷电，运行也更安全。在收尘区，可大大地提高收尘电极地均匀性，有利于提高除尘效率。6.1.3.4根据清灰方式不同分干式和湿式湿式静电除尘器是采用水喷淋或适当地方法在收尘极板表面形成水膜，使沉积在极板上地粉尘顺水一起流到除尘器的下部排出。湿式静电除尘器二次扬尘很少，除尘效率高，无需振打装置，但产生的大量泥浆，如不适当处理，将导致二次污染。虽然静电除尘器的类型很多，且新型静电除尘器还在不断出现，但大多数工业窑炉是采用干式、板式、单区卧式静电除尘器，因此本书对湿式和立式静电除尘器将不作讨论。6.2静电除尘的基本理论静电除尘的基本理论主要包括3方面的内容：电场分布数理模型、粒子荷电理论，带电粒子的收集理论。其中任何一个内容都是静电除尘研究的重要课题。6.2.1电场分布数理模型因为静电除尘是靠作用于荷电粒子上的电场力使颗粒物分离的，这个电场力是场强和粒子荷电量的乘积，同时，粒子荷电量与场强成正比，所以必须知道场强的大小。在工业电除尘器中，通常电场是不均匀的（只有板式双区静电除尘器的收尘区可近似认为是均匀的）。因此建立电场分布数理模型并给出其解（数值解或分析解）是至关重要的。6.2.1.1线－管电极间的电场分布静电除尘器电场分布数理模型是一样的，区别在于电极结构（或称边界条件）不同。管式静电除尘器的电极结构最简单，因此能得到十分准确的电场分布分析解。图6.5管式静电除尘器电场分析图对于如图6.5所示的管式静电除尘器，当在圆形电晕线上施加的电压升高而产生电晕放电时，线－管电极间会有电流通过，这是因为极间存在电子、离子及带电粉尘等空间电荷。在有空间电荷影响下的电场，可用泊松（Possion）方程来描述0/eE（6.4）式中E——场强，V/m;e——空间电荷体密度，C/m3；0——真空介电常数，0＝8.85×10-12,C/(V·m)。对于柱坐标下的轴对称问题，泊松方程可简化为0/1erEdrdr（6.5）式中符号意义同上。注意到电流面密度j为eevj（6.6）式中j——电流面密度，A/m2；ev——离子运动速度，m/s。离子运动速度由式（6.1）确定，于是空间电荷密度可表示成kEje（6.7）式中k——离子迁移率，常温下负电晕，k＝2.1×10-4m2/V·s。在半径为r的圆柱面上的电流面密度j和电流线密度i的关系为rij2（6.8）式中i——电流线密度，A/m。于是空间电荷体密度还可以表示成rkEie2（6.9）将式（6.9）代入方程（6.5）有022022kiEdrdEr（6.10）解此微分方程得kirCE0222（6.11）式中，C为积分常数。设电晕线表面r＝0r的场强为0E，由式（6.11）可确定待定常数CkiErC02002（6.12）式中0E——电晕线表面场强，V/m；0r——电晕线半径，m。于是式（6.11）可写成22002202012rrkirErE（6.13）若取0E近似等于电晕区边缘场强，即起始电晕场强，由皮克（Peek）公式给出06/03.0103rfE（6.14）式中相对密度按下式计算00TppT（6.15）式中0T——标准状态下绝对温度，0T＝273K；0p——标准状态下气体压力，1.013×105Pa；T——实际情况下气体绝对温度，K；p——实际情况下气体压力，Pa。电晕线表面粗糙f小于或等于1。实际计算可取f＝0.6。因drdUE，代入式（6.13）并积分，得极间电位差2211ln211ln2/120002/12000000ErrkiErrkirrErUccc（6.16）式