第4章顆粒污染物控制(4)

第四章除塵裝置§5電除塵器ElectrostaticPrecipitators(ESP)一、電除塵器的工作原理二、電暈放電三、粒子荷電四、荷電粒子的運(yùn)動(dòng)和捕集五、被捕集粉塵的清除六、電除塵器的結(jié)構(gòu)七、粉塵比電阻八、電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)教學(xué)難點(diǎn)與重點(diǎn)電除塵器的工作原理荷電粒子的運(yùn)動(dòng)和捕集電除塵器的結(jié)構(gòu)電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)§5電除塵器電除塵器是含塵氣體通過高壓電場(chǎng)進(jìn)行電離的過程中，使塵粒荷電，并在電場(chǎng)力的作用下使塵粒沉積在集塵板上，將塵粒從含塵氣體中分離出來的一種除塵設(shè)備。利用高壓電場(chǎng)使塵粒荷電，在電場(chǎng)力作用下使粉塵從氣體中去除的裝置與其他除塵器的根本區(qū)別在于，分離力直接作用在粒子上，而不是作用在整個(gè)氣流上具有耗能小、氣流阻力小的特點(diǎn)

電除塵發(fā)展簡(jiǎn)介早在公元前600年，希臘人就知道被摩擦過的琥珀對(duì)細(xì)粒子和纖維的靜電吸引作用，庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)的平方反比定律稱為靜電學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)，它也是電除塵理論的出發(fā)點(diǎn)。威廉描述到：電能吸引由熄滅的火花產(chǎn)生的煙。1745年，富蘭克林開始研究尖端放電，他似乎是首先研究我們現(xiàn)在所涉及到的發(fā)電尖端的電暈放電。最早有關(guān)煙塵電力吸引的文學(xué)敘述出自英國(guó)的宮廷內(nèi)科醫(yī)生威廉吉伯特，時(shí)間是1600年。1772年，貝卡利亞對(duì)于大量煙霧的氣體中的放電、電風(fēng)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)以后，1824-1908年，一些人做了一些有關(guān)凈化過程中煙霧、煙草中的煙等試驗(yàn)。1908年，柯特雷爾發(fā)表了他的第一個(gè)專利，并在賽爾拜冶煉廠電除塵成功地回收了過去很難處理的硫酸霧。后來在他的學(xué)生施密特協(xié)助下又進(jìn)行了發(fā)展，為在冶金和水泥工業(yè)中迅速?gòu)V泛地采用電除塵，成功地控制空氣污染奠定了基礎(chǔ)，從本世紀(jì)二十年代到四十年代開始應(yīng)用于其它工業(yè)。

電除塵器外觀圖臥式立式電除塵器Dust-collectionplateLHigh–voltagewireforcoronadischargeCleangashDirtygasCoronadischargealongthelengthofwireCollecteddustonplateDustremovedfromplatestohoppers2H

集塵板煙氣清潔氣體電暈線長(zhǎng)度收集在集塵板上的塵電除塵器煙道氣煙道氣詳圖：嚴(yán)密的放電極收集的粉塵風(fēng)板的距離清潔氣體

電除塵器電除塵器的主要優(yōu)點(diǎn)壓力損失小，一般為200～500Pa處理煙氣量大，可達(dá)105～106m3/h能耗低，大約0.2～0.4kWh/1000m3對(duì)細(xì)粉塵有很高的捕集效率，可高于99％可在高溫或強(qiáng)腐蝕性氣體下操作缺點(diǎn):1、一次性投資高2、安裝精度要求高3、對(duì)粉塵比電阻有一定要求

一、電除塵器的工作原理

三個(gè)基本過程懸浮粒子荷電－高壓直流電暈帶電粒子在電場(chǎng)內(nèi)遷移和捕集－延續(xù)的電暈電場(chǎng)（單區(qū)電除塵器）或光滑的不放電的電極之間的純靜電場(chǎng)（雙區(qū)電除塵器）捕集物從集塵表面上清除－振打除去接地電極上的粉塵層并使其落入灰斗

一、電除塵器的工作原理（續(xù)）單區(qū)和雙區(qū)電除塵器雙區(qū)電除塵器單區(qū)電除塵器含塵氣體清潔氣體集塵板（+）電暈線(一)粒子荷電和放電在同一個(gè)電場(chǎng)中進(jìn)行荷電段集塵段電暈線集塵板（-）高壓板（+）電暈放電粉塵荷電粉塵運(yùn)動(dòng)

（氣體電離）放電金屬線電暈極

含負(fù)離子區(qū)區(qū)

電暈區(qū)

金屬管集塵極

三步曲一、電除塵器的工作原理示意圖：

二、電暈放電1.電暈放電機(jī)理金屬絲放出的電子迅速向正極移動(dòng)，與氣體分子撞擊使之離子化氣體分子離子化的過程又產(chǎn)生大量電子－雪崩過程遠(yuǎn)離金屬絲，電場(chǎng)強(qiáng)度降低，氣體離子化過程結(jié)束，電子被氣體分子捕獲氣體離子化區(qū)域－電暈區(qū)自由電子和氣體負(fù)離子是粒子荷電的電荷來源

二、電暈放電（續(xù)）2.起始電暈電壓---開始產(chǎn)生電暈電流所施加的電壓管式電除塵器內(nèi)任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度起始電暈電壓與煙氣性質(zhì)和電極形狀、幾何尺寸等因素有關(guān)，起始電暈所需要電場(chǎng)強(qiáng)度（皮克經(jīng)驗(yàn)公式）

一空氣的相對(duì)密度m－導(dǎo)線光滑修正系數(shù)，無因次，0.5<m<1.0對(duì)于清潔的光滑圓線m=1實(shí)際可取0.6～0.7r----距電暈線中心的距離a---電暈線半徑b---管式電除塵器的半徑V---施加于電暈線與集電極之間的電壓二、電暈放電（續(xù)）2.起始電暈電壓---開始產(chǎn)生電暈電流所施加的電壓在r=a時(shí)（電暈電極表面上），起始電暈電壓：

=T0P/TP0P0、T0為標(biāo)況下的大氣壓（1atm）和溫度（298K）；

T、P為運(yùn)行狀況的溫度和空氣壓力；可見，起始電暈電壓可以通過調(diào)整電極的幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)。電暈線越細(xì)，起始電暈所需要的電壓越小。

二、電暈放電（續(xù)）

正、負(fù)電暈極在空氣中的電暈電流一電壓曲線

電暈區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大致使極間空氣全部電離--電場(chǎng)擊穿；相應(yīng)的電壓--擊穿電壓在相同電壓下通常負(fù)電暈電極產(chǎn)生較高的電暈電流，且擊穿電壓也高得多工業(yè)氣體凈化傾向于采用穩(wěn)定性強(qiáng)，操作電壓和電流高的負(fù)電暈極；空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用正電暈極，好處在于其產(chǎn)生臭氧和氮氧化物的量低

三、粒子荷電

兩種機(jī)理電場(chǎng)荷電或碰撞荷電--離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，與粒子碰撞而使粒子荷電擴(kuò)散荷電--離子的擴(kuò)散現(xiàn)象而導(dǎo)致的粒子荷電過程；依賴于離子的熱能，而不是依賴于電場(chǎng)

粒子的主要荷電過程取決于粒徑對(duì)于dР﹥0.5m的微粒，以電場(chǎng)荷電為主對(duì)于dР﹤0.15m的微粒，以擴(kuò)散荷電為主對(duì)于粒徑介于0.15～0.5m之間的粒子，則需要同時(shí)考慮這兩種過程。

1.電場(chǎng)荷電粒子荷電電荷累積粒子場(chǎng)強(qiáng)增加沒有氣體分子能夠到達(dá)粒子表面，電荷飽和（1）荷電量的計(jì)算

1.電場(chǎng)荷電（續(xù)）粒子獲得的飽和電荷

（2）影響電場(chǎng)荷電的因素

粒徑dp和介電常數(shù)ε電場(chǎng)強(qiáng)度E0和離子密度N0

一般粒子的荷電時(shí)間僅為0.1s，相當(dāng)于氣流在除塵器內(nèi)流動(dòng)10～20cm所需要的時(shí)間，一般可以認(rèn)為粒子進(jìn)入除塵器后立刻達(dá)到了飽和電荷

2.擴(kuò)散荷電與電場(chǎng)電荷過程相反，不存在擴(kuò)散荷電的最大極限值（根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，不存在離子動(dòng)能上限）

荷電量取決于離子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、粒子大小和荷電時(shí)間

擴(kuò)散荷電理論方程

四、荷電粒子的運(yùn)動(dòng)和捕集

1.驅(qū)進(jìn)速度

力平衡關(guān)系t＝0時(shí)，

＝0，則最終得

1.驅(qū)進(jìn)速度

在所有的電除塵器中，e的指數(shù)項(xiàng)是一個(gè)很大的數(shù)值。例如，密度為1g/cm3、直徑為10μm的球狀粉塵粒子，在空氣中有若t>10－2s，完全可以忽略不計(jì)所以，驅(qū)進(jìn)速度（電場(chǎng)力與空氣阻力達(dá)到平衡）

2.捕集效率一德意希公式德意希公式的假定:除塵器中氣流為湍流狀態(tài)在垂直于集塵表面的任一橫斷面上粒子濃度和氣流分布是均勻的粒子進(jìn)入除塵器后立即完成了荷電過程忽略電風(fēng)、氣流分布不均勻、被捕集粒子重新進(jìn)入氣流等影響

3.有效驅(qū)進(jìn)速度當(dāng)粒子的粒徑相同且驅(qū)進(jìn)速度不超過氣流速度的10％～20％時(shí)，德意希方程理論上才是成立的

作為除塵總效率的近似估算，ω應(yīng)取某種形式的平均驅(qū)進(jìn)速度有效驅(qū)進(jìn)速度--實(shí)際中常常根據(jù)在一定的除塵器結(jié)構(gòu)型式和運(yùn)行條件下測(cè)得的總捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相應(yīng)驅(qū)進(jìn)速度值，以ωe表示

ωe=0.2—2m/sK—指數(shù)，一般取0.5

3.有效驅(qū)進(jìn)速度粉塵種類驅(qū)進(jìn)速度/m?s-1粉塵種類驅(qū)進(jìn)速度/m?s-1煤粉（飛灰）0.10～0.14沖天爐（鐵－焦比＝10）0.03～0.04紙漿及造紙0.08水泥生產(chǎn)（干法）0.06～0.07平爐0.06水泥生產(chǎn)（濕法）0.10～0.11酸霧（H2SO4）0.06～0.08多層床式焙燒爐0.08酸霧（TiO2）0.06～0.08紅磷0.03飄旋焙燒爐0.08石膏0.16～0.20催化劑粉塵0.08二級(jí)高爐（80％生鐵）0.125

五、被捕集粉塵的清除

電暈極和集塵極上都會(huì)有粉塵沉積

粉塵沉積在電暈極上會(huì)影響電暈電流的大小和均勻性，一般方法采取振打清灰方式清除

從集塵極清除已沉積的粉塵的主要目的是防止粉塵重新進(jìn)入氣流在濕式電除塵器中，用水沖洗集塵極板在干式電除塵器中，一般用機(jī)械撞擊或電極振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)力清灰

五、被捕集粉塵的清除現(xiàn)代的電除塵器大都采用電磁振打或錘式振打清灰。振打系統(tǒng)要求既能產(chǎn)生高強(qiáng)度的振打力，又能調(diào)節(jié)振打強(qiáng)度和頻率常用的振打器有電磁型和撓臂錘型

六、電除塵器結(jié)構(gòu)－除塵器類型

1.除塵器類型雙區(qū)電除塵器－通風(fēng)空氣的凈化和某些輕工業(yè)部門單區(qū)電除塵器－控制各種工藝尾氣和燃燒煙氣污染單區(qū)電除塵器的兩種主要形式為管式和板式。管式電除塵器用于氣體流量小，含霧滴氣體，或需要用水洗刷電極的場(chǎng)合板式電除塵器為工業(yè)上應(yīng)用的主要型式，氣體處理量一般為25～50m3/s以上

2.電暈電極電暈電極

常用的有直徑3mm左右的圓形線、星形線及鋸齒線、芒刺線等

電暈線的一般要求：起暈電壓低、電暈電流大、機(jī)械強(qiáng)度高、能維持準(zhǔn)確的極距、易清灰等

a.圓形線

b.星形線

c.鋸齒線

d.芒刺線電暈極示意圖

3.集塵極集塵極集塵極結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵的二次揚(yáng)起，及除塵器金屬消耗量

（約占總耗量的40％～50%）有很大影響性能良好的集塵極應(yīng)滿足下述基本要求振打時(shí)粉塵的二次揚(yáng)起少單位集塵面積消耗金屬量低極板高度較大時(shí)，應(yīng)有一定的剛性，不易變形振打時(shí)易于清灰，造價(jià)低

集塵極形式

核心部件圖

4.高壓供電設(shè)備高壓供電設(shè)備提供粒子荷電和捕集所需要的高場(chǎng)強(qiáng)和電暈電流供電設(shè)備必須十分穩(wěn)定，希望工作壽命在二十年之上通常高壓供電設(shè)備的輸出峰值電壓為70～l000kV，電流為100～2000mA增加供電機(jī)組的數(shù)目，減少每個(gè)機(jī)組供電的電暈線數(shù)，能改善電除塵器性能，但投資增加。必須考慮效率和投資兩方面因素

5.氣流分布板電除塵器內(nèi)氣流分布對(duì)除塵效率具有較大影響為保證氣流分布均勻，在進(jìn)出口處應(yīng)設(shè)變徑管道，進(jìn)口變徑管內(nèi)應(yīng)設(shè)氣流分布板最常見的氣流分布板有百葉窗式、多孔板分布格子、槽形鋼式和欄桿型分布板對(duì)氣流分布的具體要求是任何一點(diǎn)的流速不得超過該斷面平均流速的40%在任何一個(gè)測(cè)定斷面上，85%以上測(cè)點(diǎn)的流速與平均流速不得相差25%。

4.電除塵器分類按清灰方式分類干式、濕式、半干式按氣流運(yùn)動(dòng)方向分類立式、臥式按集塵極形式分類管式、板式按兩極配置方式分類單區(qū)、雙區(qū)按電除塵原理的應(yīng)用不同進(jìn)行分類靜電復(fù)合式電除塵器敞開式電除塵器

八、電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)

電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)仍然主要采用經(jīng)驗(yàn)公式類比方法

參數(shù)符號(hào)取值范圍板間距S23～28cm驅(qū)進(jìn)速度ω3～18cm/s比集塵極表面積A/Q300～2400m2（1000m3/min）氣流速度v1～2m/s長(zhǎng)高比L/H0.5～1.5比電暈功率Pc/Q1800～18000W/(1000m3/min)電暈電流密度Ic/A0.05～1.0A/m2平均氣流速度

煙煤鍋爐v1.1～1.6m/s褐煤鍋爐v1.8～2.6m/s、八、電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)1.比集塵表面積的確定

根據(jù)運(yùn)行和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定有效驅(qū)進(jìn)速度ωe按德意希方程求得比集塵表面積A/Q2.長(zhǎng)高比的確定集塵板有效長(zhǎng)度與高度之比，直接影響振打清灰時(shí)二次揚(yáng)塵的多少要求除