大气污染控制工程_除尘装置-电除尘器

第6章除尘装置-电除尘器§2电除尘器ElectrostaticPrecipitators(ESP)一、电除尘器的工作原理二、电晕放电三、粒子荷电四、荷电粒子的运动和捕集五、被捕集粉尘的清除六、电除尘器的结构七、粉尘比电阻八、电除尘器的选择和设计教学难点与重点•电除尘器的工作原理•荷电粒子的运动和捕集•电除尘器的结构•电除尘器的选择和设计§2电除尘器•旋风除尘器对于dp5μm的粒子处理效率低，必须借助外力（电场力等）捕集更小的粒子•利用高压电场使尘粒荷电，在电场力作用下使粉尘从气体中去除的装置•与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上•具有耗能小、气流阻力小的特点电除尘器外观图电除尘器Dust-collectionplateLHigh–voltagewireforcoronadischargeCleangashDirtygasCoronadischargealongthelengthofwireCollecteddustonplateDustremovedfromplatestohoppers2H集尘板烟气清洁气体电晕线长度收集在集尘板上的尘电除尘器•电除尘器的主要优点–压力损失小，一般为200～500Pa–处理烟气量大，可达105～106m3/h–能耗低，大约0.2～0.4kWh/1000m3–对细粉尘有很高的捕集效率，可高于99％–可在高温或强腐蚀性气体下操作缺点:1、一次性投资高2、安装精度要求高3、对粉尘比电阻有一定要求一、电除尘器的工作原理•三个基本过程–悬浮粒子荷电－高压直流电晕–带电粒子在电场内迁移和捕集－延续的电晕电场（单区电除尘器）或光滑的不放电的电极之间的纯静电场（双区电除尘器）–捕集物从集尘表面上清除－振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗一、电除尘器的工作原理静电极电晕放电粉尘荷电粉尘运动（气体电离）放电金属线电晕极含负离子区区电晕区金属管集尘极三步曲一、电除尘器的工作原理示意图：二、电晕放电•1.电晕放电机理•金属丝放出的电子迅速向正极移动，与气体分子撞击使之离子化•气体分子离子化的过程又产生大量电子－雪崩过程•远离金属丝，电场强度降低，气体离子化过程结束，电子被气体分子捕获•气体离子化区域－电晕区•自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源二、电晕放电（续）•2.起始电晕电压---开始产生电晕电流所施加的电压–管式电除尘器内任一点的电场强度–起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度（皮克经验公式）•一空气的相对密度•m－导线光滑修正系数，无因次，0.5m1.0•对于清洁的光滑圆线m=1•实际可取0.6～0.7)/ln()(abrVrE6c310(0.03/)Emar----距电晕线中心的距离a---电晕线半径b---管式电除尘器的半径V---施加于电晕线与集电极之间的电压二、电晕放电（续）–2.起始电晕电压---开始产生电晕电流所施加的电压–在r=a时（电晕电极表面上），起始电晕电压：abaTPPTTPPTamVcln03.010300006=T0P/TP0P0、T0为标况下的大气压（1atm）和温度（298K）；T、P为运行状况的温度和空气压力；可见，起始电晕电压可以通过调整电极的几何尺寸来实现。电晕线越细，起始电晕所需要的电压越小。2.起始电晕电压---开始产生电晕电流所施加的电压•板式电除尘器：•式中：c——两个电晕极之间的半径，m；•a——电晕极半径，m；•b——电晕极到集尘极的距离。时当；时当式中26.04ln2cbecdcbbdadaEVcbcc二、电晕放电（续）二、电晕放电（续）•正、负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离--电场击穿；相应的电压--击穿电压在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流，且击穿电压也高得多工业气体净化倾向于采用稳定性强，操作电压和电流高的负电晕极；空气调节系统采用正电晕极，好处在于其产生臭氧和氮氧化物的量低二、电晕放电（续）•3.影响电晕特性的因素–电极的形状、电极间距离–气体组成、压力、温度–不同气体对电子的亲合力、迁移率不同–气体温度和压力的不同影响电子平均自由程和加速电子及能产生碰撞电离所需要的电压–气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积–电压的波形三、粒子荷电•两种机理–电场荷电或碰撞荷电--离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电–扩散荷电--离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程；依赖于离子的热能，而不是依赖于电场•粒子的主要荷电过程取决于粒径–对于dР﹥0.5m的微粒，以电场荷电为主–对于dР﹤0.5m的微粒，以扩散荷电为主–对于粒径介于0.15～0.5m之间的粒子，则需要同时考虑这两种过程。1.电场荷电粒子荷电电荷累积粒子场强增加没有气体分子能够到达粒子表面，电荷饱和（1）荷电量的计算1.电场荷电（续）•粒子获得的饱和电荷（2）影响电场荷电的因素粒径dp和介电常数ε电场强度E0和离子密度N0一般粒子的荷电时间仅为0.1s，相当于气流在除尘器内流动10～20cm所需要的时间，一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷200p3()2qEd00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数200p3()2qEd00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数2.扩散荷电•与电场电荷过程相反，不存在扩散荷电的最大极限值（根据分子运动理论，不存在离子动能上限）•荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间•扩散荷电理论方程k一玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/KT一气体温度，KN0－离子密度，个/m3e－电子电量，e＝1.6×10－6C一气体离子的平均热运动速度，m/s20pp0202πln(1)8kTdeudNtnekTuk一玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/KT一气体温度，KN0－离子密度，个/m3e－电子电量，e＝1.6×10－6C一气体离子的平均热运动速度，m/s20pp0202πln(1)8kTdeudNtnekTu3.电场荷电和扩散荷电的综合作用•处于中间范围（0.15～0.5μm）的粒子，需同时考虑电场荷电和扩散荷电根据Robinson的研究，简单地将电场荷电和扩散荷电的电荷相加，可近似地表示两种过程综合作用时的荷电量，与实验值基本一致3.电场荷电和扩散荷电的综合作用•【例6-5】利用下列数据，决定电场和扩散荷电综合作用下粒子荷电量随时间的变化。已知ε＝5，E0＝3×106V/m，T＝300K，N=2×1015离子/m3，=467m/s，dp＝0.1，0.5和1.0μm。•解：由方程（6-31）得电场荷电的饱和电荷由方程（6-32）可以计算扩散荷电过程的荷电量随时间的变化那么126242spp53π8.85103101.791052qdd6122319215pp192122310pp2π8.85103001.3810(1.610467210ln[1](1.61088.85103001.38108.9910ln[18.1610]））＝ddtndtd421210sppp1.79101.4410ln[18.1610]qqneddtdu3.电场荷电和扩散荷电的综合作用•【例6-5】（续）•粒子荷电量随时间和粒径的变化4.异常荷电现象•（1）沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象,通常当高比电阻高于2×1010Ωm时，较易发生火花放电或反电晕，破坏正常电晕过程•（2）气流中微小粒子的浓度高时，荷电尘粒所形成的电晕电流不大，可是所形成的空间电荷却很大，严重抑制着电晕电流的产生，使尘粒不能获得足够的电荷•（3）当含尘量大到某一数值时，电晕现象消失，尘粒在电场中根本得不到电荷，电晕电流几乎减小到零，失去除尘作用，即电晕闭塞四、荷电粒子的运动和捕集•1.驱进速度–力平衡关系–t＝0时，＝0，则–最终得pppppppd3πddd3πln(3π)3πmqEdtmtqEdmdqEtCdp3π()()ppe3π则dtCmdqEp3π()pedCmqEp3()pp(1)cm/s3πdtmqEed1.驱进速度在所有的电除尘器中，e的指数项是一个很大的数值。例如，密度为1g/cm3、直径为10μm的球状粉尘粒子，在空气中有–若t10－2s，完全可以忽略不计–所以，驱进速度（电场力与空气阻力达到平衡）43ppp242p118181.8103π/3π/(π)3240610101＝（）dmdddp3π()edtmpp/(3π)＝qEd1.驱进速度•驱进速度与粒径和场强的关系•当颗粒直径为2～50m时，与粒径成正比2.捕集效率一德意希公式•德意希公式的假定:•除尘器中气流为湍流状态•在垂直于集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均匀的•粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程•忽略电风、气流分布不均匀、被捕集粒子重新进入气流等影响2.捕集效率一德意希公式•dt时间内在长度为dx的空间所捕集的粉尘量为•由dt＝dx/u•积分•最终得d(d)(d)ddiiinaxtFxddiiiaxFu2121ddlniiCiCiiiaxFuAQ2111exp()iiiiAQ3.有效驱进速度•当粒子的粒径相同且驱进速度不超过气流速度的10％～20％时，德意希方程理论上才是成立的•作为除尘总效率的近似估算，ω应取某种形式的平均驱进速度•有效驱进速度--实际中常常根据在一定的除尘器结构型式和运行条件下测得的总捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相应驱进速度值，以ωe表示ωe=0.2—2m/skQwA)/exp(1K—指数，一般取0.53.有效驱进速度粉尘种类驱进速度/m∙s-1粉尘种类驱进速度/m∙s-1煤粉（飞灰）0.10～0.14冲天炉（铁－焦比＝10）0.03～0.04纸浆及造纸0.08水泥生产（干法）0.06～0.07平炉0.06水泥生产（湿法）0.10～0.11酸雾（H2SO4）0.06～0.08多层床式焙烧炉0.08酸雾（TiO2）0.06～0.08红磷0.03飘旋焙烧炉0.08石膏0.16～0.20催化剂粉尘0.08二级高炉（80％生铁）0.125五、被捕集粉尘的清除•电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积•粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性，一般方法采取振打清灰方式清除•从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流–在湿式电除尘器中，用水冲洗集尘极板–在干式电除尘器中，一般用机械撞击或电极振动产生的振动力清灰五、被捕集粉尘的清除•现代的电除尘器大都采用电磁振打或锤式振打清灰。振打系统要求既能产生高强度的振打力，又能调节振打强度和频率常用的振打器有电磁型和挠臂锤型振打装置示意图本图为摇臂锤振打示意图每排收尘极板设置一摇臂锤，各锤错开振打力度影响除尘效果。请问：影响振打力度的主要因素有哪些。锤臂长、捶重、材质等六、电除尘器结构－除尘器类型•1.除尘器类型–双区电除尘器－通风空气的净化和某些轻工业部门–单区电除尘器－控制各种工艺尾气和燃烧烟气污染•管式电除尘器用于气体流量小，含雾滴气体，或需要用水洗刷电极的场合•板式电除尘器为工业上应用的主要型式，气体处理量一般为25～50m3/s以上2.电晕电极•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–电晕线的一般