大气污染控制工程08第八章电除尘器课件

第八章电除尘器ElectrostaticPrecipitators(ESP)§8-1概述§8-2电晕放电§8-3电场§8-4粉尘荷电§8-5粉尘的迁移和收集§8-6电除尘器的结构§8-7粉尘比电阻§8-8电除尘器的供电§8-9电除尘器的选择设计和应用§8-1概述一、电除尘的性能特点气体除尘从广义上来说可以分为机械方法和电气方法两大类。机械的方法包括基本上依靠惯性力和机械力回收粒子的一切方法在内，如重力沉降法、离心分离法、气体洗涤法、介质过滤法等等。电气的方法就是电除尘。它与一切机械方法的区别在于作用在悬浮粒子上的使粒子与气体分离的力。特点：1．分离的作用力直接施之于粒子本身，这种力是由电场中粉尘荷电引起的库仑力，而机械方法大多把作用力作用在整个气体。2．直接作用的结果使得电除尘器比其它除尘器所需功率最少，气流阻力最小。处理1000m3/h的气体，耗电0.1-0.8度，ΔP=100～1000Pa。3．它既不象重力沉降法或惯性法那样只限于回收粗粒子，也不象介质过滤法或洗涤法那样受到气体运动阻力的限制，能回收微型范围的细小粒子。（1μm左右的）4．除尘效率高，一般在95-99%。处理气量大，可应用于高温、高压，具有克服气体和粒子腐蚀的能力。连续操作并可自动化，故广泛应用于许多方面。5.主要缺点是设备庞大，消耗钢材多，初投资大，要求安装和运行管理技术较高。二、电除尘发展简介早在公元前600年，希腊人就知道被摩擦过的琥珀对细粒子和纤维的静电吸引作用，库仑发现的平方反比定律称为静电学的科学基础，它也是电除尘理论的出发点。威廉描述到：电能吸引由熄灭的火花产生的烟。1745年，富兰克林开始研究尖端放电，他似乎是首先研究我们现在所涉及到的发电尖端的电晕放电。最早有关烟尘电力吸引的文学叙述出自英国的宫廷内科医生威廉吉伯特，时间是1600年。1772年，贝卡利亚对于大量烟雾的气体中的放电、电风现象进行了试验以后，1824-1908年，一些人做了一些有关净化过程中烟雾、烟草中的烟等试验。1908年，柯特雷尔发表了他的第一个专利，并在赛尔拜冶炼厂电除尘成功地回收了过去很难处理的硫酸雾。后来在他的学生施密特协助下又进行了发展，为在冶金和水泥工业中迅速广泛地采用电除尘，成功地控制空气污染奠定了基础，从本世纪二十年代到四十年代开始应用于其它工业。三、电除尘的除尘过程电除尘是何种装置呢？概括而言，电除尘是利用强电场使气体发生电离，气体中的粉尘荷电在电场力的作用下，使气体中的悬浮粒子分离出来的装置。用电除尘的方法分离气体中的悬浮离子，需四个步骤：气体电离；粉尘荷电；粉尘沉集;清灰。Dust-collectionplateLHigh–voltagewireforcoronadischargeCleangashDirtygasCoronadischargealongthelengthofwireCollecteddustonplateDustremovedfromplatestohoppers2H四、除尘器的分类按结构不同可作不同的分类，现从4个方面介绍：（1）按集尘电极型式可分为管式和板式电除尘器管式：极线沿着垂直的管状集尘电极的中心线悬挂，适用于气体量较小的情况，一般采用湿式清灰方式。板式：在互相平行的板式收尘电极的中间悬挂垂直的极线。板式可采用湿式清灰方式，但绝大多数采用干式清灰方式。（2)按气流流动方式分为立式和卧式电除尘器在工业废气除尘中，卧式板式电除尘器是应用最广泛的一种，我国1972年提出的系列化设计SHWB型就属此类。（3）按粉尘荷电区和分离区的空间布置不同分为单区和双区电除尘单区：粉尘荷电和分离沉降都在同一空间区域内进行。双区：现有一组电极使粉尘荷电，然后另一组电极供给静电力，使带电粒子沉降。典型的双区除尘器多用于空调方面。国外有将它应用于工业废气净化方面的。（4）按沉集粉尘的清灰方式可分为湿式和干式电除尘器§8-2电晕放电Coronadischarge一、气体的导电二、电晕的形成§8-2Coronadischarge一、气体的导电电晕是气体中电传导的若干形式之一，因此，在介绍电晕放电时，需要先简单说一说关于气体导电的基本现象。问题:气体导电、液体导电、固体导电的区别?§8-2Coronadischarge电击穿或气体放电当电极之间的电位差提高到某一点时，气体的电离和电导性就大大增加，于是从绝缘状态转变为传导状态，这种导电现象称为气体放电电晕放电只是在放电极的一小段距离内气体有强烈的电击穿,放电时在电极周围的空气完全电离；火花放电是在放电极和集尘极之间有若干狭窄的电击穿,放电时电极间的空气完全电离。§8-2Coronadischarge在电晕中产生离子的主要机制是由于气体中的自由电子从电场中获得能量，和气体分子激烈碰撞，使电子脱离气体分子，结果产生带阳电荷的气体离子并增加了自由电子，这种现象称为电离。要产生电离，碰撞电子必须具有一定的最小能量，成为电离能量，其数值根据被撞出的分子或原子来决定。电子除了有强大的电离能力外，还具有可以附着在许多中分子和原子上形成阴离子的性质。显然，在任一距离内净剩的电子数是由电离所造成的电子数和因附着而损失的电子数之差。§8-2Coronadischarge电子附着对保持稳定的阴电晕是很重要的。因为气体的迁移速度是自由电子的1/100，如没有电子附着而形成的大量阴离子，则迁移速度高的自由电子就会迅速流至阳极，这样便不能在电极之间形成稳定的空间电荷。差不多在达到电晕始发电压时就会发生火花放电。在没有电子附着的情况下，如某些气体N2、H2等，在很纯的情况下，完全不能由电子附着形成阴离子，就只能采用阳电晕。因为阳电晕中的电流载体是速度比较小的阳离子。气体放电可分为自持的和非自持的两类。自持的是指放电仅靠电位来维持，不需要外来的电离方法。电晕放电是自持的一种。非自持的则受外界电离剂的作用。§8-2Coronadischarge二、电晕的形成如果在曲率很大的表面（如一尖端或一根细线）和一根管子或一块板之间有电位差，当电位差增大到一定值时，如达到一个临界值,则能形成非均匀电场而产生电晕放电。虽然交流电压也能产生电晕，但交流电晕使荷电粒子产生摆动运动，而直流电晕则产生把离子驱向收尘电极的稳定的力，所以电除尘通常都是单极放电。电除尘中所采用的单极性电晕是在放电电极和收尘电极间形成的稳定的自发发生的气体放电，电离过程局限在放电电极邻近的强电场中的辉光区或邻近辉光区的地方，如下图所示：§8-2Coronadischarge阴离子空间电荷区管电晕线电晕辉光§8-2Coronadischarge电晕分类:根据电极极性的不同，电晕有阳电晕与阴电晕之分。当放电电极和高压直流电源的阴极连接时，就产生阴电晕。阳电晕或阴电晕的存在有两个主要条件：1）在电晕电极附近必须有充足的电离源；2)在电离区发射出的离子必须能在电晕外区生成有效的空间电荷(一)电晕形成机理1．阴电晕形成机理在电晕线周围,发生“电子雪崩”的积累过程,在强电场区域以外，电子逐渐减慢到小于碰撞电离所必需的速度，并附着在气体分子上形成气体离子。阴电晕：形成只是在很大的电子亲和力的气体或混和气体中有可能。外观：在放电电极周围有一连串光点或刷毛状辉光。2.阳电晕形成机制靠近阳极的放电极线的强电场空间内，自由电子和气体分子碰撞形成电子雪崩过程。这些电子向着极线运动，而气体阳离子则离开极线向强度逐步降低的电场运动，成为电晕外区空间内的全部电流。外观：比较光滑，均匀的，蓝色的亮光包着整个放电电极表面，这种电离过程有扩散性质。§8-2Coronadischarge(二)电晕起始电压1.定义2.电晕起始电压计算公式3.影响因素(1)电晕起始电压随电极的几何形状而变化(2)气体组成的影响(3)温度和压力的影响(二)电晕起始电压1.定义:电晕起始电压指开始发生电晕放电时的电压，也称临界电压，与之相应的场强称为电晕起始场强或临界场强。在电除尘器中，影响电晕起始电压的各因素和电晕放电时的电压—电流关系具有重要的意义，而电除尘器的电压—电流关系取决于电极的几何形状、气体的组成和状态、已沉降的粉尘层厚度和性质及悬浮粉尘的浓度和粒径等。2.电晕起始电压计算公式现在推导管式电除尘器中电压与场强的数学关系。近似把电晕线看成无数长的均匀带电直线，电荷线密度为λ（库仑/米），假想两电极间没有电晕电流，即不存在空间电荷，又高斯定理可知，在管式电除尘器中距电晕线距离为r处的场强为ξ0为真空中的介电系数，ξ0=8.85×10-12库仑2/牛顿·米2rEr02而任一点的场强等于该点的电位梯度的负值，即----------（8-2）通过积分变换得：---------（8-3）上式为任一点场强与电压的关系式中：V——电压；r——半径（距电晕线的距离r）；a——电晕线半径；b——集尘管半径。（8-3）式表明在电晕开始发生之前，管式电除尘器中任一点的场强Er随极间电压V的升高，据电晕线的距离的减小而增大。当r=a在电晕线表面上时，Er达最大。drdVErabrVErln电晕开始发生所需的场强取决于几何因素及气体的性质。皮克（peek）通过大量实验研究，提出了计算在空气中电晕起始场强的经验公式：（V/m）（8-4）P0、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；f为导线光滑修正系数，一般0.5f≤1，清洁的光滑导线f=1，实际中所遇到的导线可取f=0.6-0.7；式中正负号视电晕极性而定，正电晕取正号，负电晕取负号。aTPPTTPPTfEr0000603.0103当r=a时，由（8-3）式得代入（8-4）得电晕起始电压计算式（线管式）：（伏）（8-5）abaTPPTaTPPTfaVnnnncln03.01036abaEVccln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3.影响因素(1)电晕起始电压随电极的几何形状而变化，线愈细，电晕起始电压愈低。(2)气体组成的影响气体组成决定着电荷载体的分子种类。不同的气体，电子附着形成负离子的过程是不同的。(3)温度和压力的影响气体组成不同，电压—电流特性曲线有明显不同。正电晕：运行电压宽，Vc低，击穿电位高，除尘中应用广泛。负电晕：小型，空调用。电晕电压Vsp电晕电流I0负正电压—电流特性曲线气体组成对电压—电流特性的影响时由于混合气体中每种组分俘获电子的概率和迁移率不同而至。某一气体离子的迁移率Ki按下式定义：u0——该离子的平均运动速度，m/s；E——场强，V/m。工业废气主要是混合气体，电子附着取决于每次碰撞的概率合各组分的浓度，混合气体对电子的亲合力总和可利用其中各组分碰撞次数来表示。同时可以利用混合气体各组分的迁移率来确定气体混合物的当量迁移率。在这里说明一下，离子活度（浓度）高，离子速度大，电晕电流也就较大。由于其它因素的抵消影响，这些关系并不直接成比例，虽然可以针对气体组成施加一些措施（如高电压等）对除尘器的性能改善有利，但在工业中很少采用改变气体组成的方法，而常用控制放电极尺寸或其它几何特性的方法改变电压—电流曲线。EKui0(3)温度和压力的影响气体的温度和压力既能改变电晕起始电压，又能改变电压—电流关系。气体的温度和压力的第一种影响：改变气体密度，使电子平均自由程改变，也就改变为使电子加速到电离所需的速度时所必需的场强。实验表明，压力升高，温度降低，气体密度增加，电晕起始场强增高，电晕起始电压增高。第二种影响：改变电荷载体的有效迁移率，从而改变电压—电流特性。以下三种方式均可使有效迁