電集塵效率及其影響因素摘要：本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對電集塵器的運行機理及其相關(guān)理論、影響集塵效率的因素和典型提高集塵效率的案例三方面進行較為細致的總結(jié)，為系統(tǒng)的了解電集塵系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：電集塵效率；影響因素；案例CottrellefficiencyanditsinfluencingfactorsWUBang1StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)Abstract：Onthebasisofpreviousstudies,thispapermakesadetailedsummaryoftheoperatingmechanismandrelatedtheory,thefactorsaffectingthedustcollectionefficiencyandthetypicalcasesofimprovingthedustcollectionefficiency,whichlaysthefoundationfortheunderstandingoftheelectricdustcollectingsystem.Keywords：Electricdustcollectingefficiency;influentialfactors;Example1引言大氣污染問題是每個國家在工業(yè)化進程中必然會遇到的問題。由于它直接危害到生產(chǎn)和人們的日常生活，因此也是各國環(huán)境保護研究的主要問題之一[1]。近年來，隨著城鄉(xiāng)工業(yè)的迅速發(fā)展，我國的大氣污染問題也日益突出。特別是工業(yè)化生產(chǎn)以來，各尾氣的排放，煙塵的擴散，致使工業(yè)城市的空氣質(zhì)量下降。為了改善大氣污染，主要應(yīng)從減少排放廢氣的污染物入手。我國已制訂并公布了環(huán)境保護的有關(guān)法規(guī)，要求各地嚴格控制排塵量。經(jīng)過多年的努力，我國的大氣污染已有所改善，但仍需要作大量的工作。在這方面，安裝除塵設(shè)備來凈化含塵氣體是最重要的措施。其中，電除塵(ESP)就是重點研究對象之一。對電除塵技術(shù)的研究，人們已經(jīng)進行了幾十年，而本文就是在諸多前人的研究基礎(chǔ)上，對電除塵機理的相關(guān)理論及影響因素進行較為細致的總結(jié)，并介紹幾例提高集塵率的典型案例。2靜電除塵理論2.1靜電除塵器基本工作原理電除塵又叫靜電除塵。電除塵的工作原理是使含塵氣流中的粉塵微粒荷電，在電場力的作用下驅(qū)使帶電塵粒沉降在收塵極板的表面上，如圖2.1所示。電暈電極又稱陰極或放電電極，由不同形狀截面的金屬導(dǎo)線制成，接至高壓直流電源的負極。沉降電極又稱陽極板，由不同形狀的金屬板制成并接地。圖2.1電除塵器荷電機理Fig.2.1ChargemechanismofCottrell電除塵器的基本工作過程，通常分為五個階段：(1)通以高壓直流電，使電極系統(tǒng)的電壓超過臨界電壓值(亦稱門限電壓值)時就產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，即電子發(fā)射到電暈極表面臨近的氣體層內(nèi)；(2)電子被氣體分子所吸附，使電極間的氣體電離化，在電暈區(qū)以外的氣體中有電子和負離子；(3)氣體中的塵粒與負離子相碰撞和擴散使塵粒荷電；(4)在電場里的作用下帶負電荷的塵粒趨向沉降電極；(5)帶負電荷的塵粒與沉降電極接觸后失去電荷，成為中性而粘附于沉降電極表面，然后借助于振打裝置使電極抖動，將塵粒分離到電除塵器下面的集灰斗中。電暈區(qū)以內(nèi)帶正電荷塵粒沉積在截面很小的電暈極上，但為數(shù)很少(因為在電暈圈內(nèi)氣體正離子電暈運動的路程極短，只能與極少數(shù)的塵粒相遇，并使其帶正電)。其中塵粒的荷電是電收塵過程中最基本的過程。在電收塵器的電場中，塵粒的荷電量與塵粒粒徑、電場強度和停留時間等因素有關(guān)。塵粒荷電機理基本有兩種，一種是離子與粒子碰撞轉(zhuǎn)移電荷，主要針對的粒子體積較大，這種荷電機理通常稱為電場荷電或碰撞荷電；另一種是氣體離子隨氣體熱運動，依附在粒子上，主要針對的粒子體積較小，通常稱為擴散荷電。2.2靜電除塵器相關(guān)的各種理論模型靜電除塵器作為一種高效節(jié)能，運行費用低，適應(yīng)性強的凈化裝置得到廣泛的應(yīng)用。技術(shù)上有了很大進步，結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了重大改善，收集理論的研究也很活躍。[2]隨著人們對靜電收塵機理研究的加深，產(chǎn)生了許多數(shù)學(xué)物理模型，下面介紹一些典型模型。2.2.1層流理論如圖2.2所示，含均一粒度荷電粒子的氣流通過相距2b的平行板，流場是速度為v0的均一層流場。如果場強均一，則荷電粒子在電場中作直線運動，在X方向上的速度分量為vn，在Y方向上的速度分量為w，在高壓電極附近的粒子必須運動一距離2b到達接地電極才能被收集。粒子在的時間內(nèi)運動到收集極，而相應(yīng)的必須的極板長為：（2-1）于是對于剛進入電極的某粒子來說，它在離入口處x的位置上的透過率為（x<）（2-2）圖2.2層流理論分析圖Fig.2.2Laminarflowtheory上式表明收集效率線性增加到100％，當(dāng)，此時。然而因為在實際工業(yè)電除塵器中不存在層流，氣流的流動均為紊態(tài)。上式的計算結(jié)果大大高于實際結(jié)果，所以不能用來計算除塵器的收塵效率，只不過用來作為理論基礎(chǔ)。2.2.2紊流理論層流理論不符合實際情況。為了客觀地描述電場中粒子沉降機理，人們就必須對紊流情況下荷電粒子的沉降機理進行探討。1919年Anderson根據(jù)管式除塵器的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在紊流狀態(tài)下粒子濃度在流動方向上的衰減呈指數(shù)規(guī)律，得出粒子的收集效率公式為：（2-3）式中：A一極板面積：Q一兩收塵極間的流量之半。此公式推導(dǎo)的幾個主要假設(shè)基礎(chǔ)是：（1）在電收塵的任一截面上的粒子濃度是均一的。這意味著懸浮粒子通過電收塵器時得到了完全的連續(xù)的混合，這種混合的機理在于氣流的紊動。（2）除了電收塵管壁附近的邊界層以外，通過電收塵的氣流速度是均一的。（3）在收塵電極表面附近，所有粒子的驅(qū)迸速度都不變，而且比平均氣流速度小，這指的是小于10~20um的均一粒子和不變的收塵條件。（4）沒有其他干擾的影響，例如粒子的返流損失、反電暈、再吹揚和不穩(wěn)定的電暈等。對于大多數(shù)的現(xiàn)場電收塵來說，上述這些假設(shè)條件，即使不是全部至少也是大部分難以滿足的。這種簡單的一維數(shù)學(xué)模型沒有較精確地描述粒子在靜電場中的沉降機理。這種方法，在邏輯上不夠完善，計算所得的除塵效率普遍高于實際結(jié)果。2.2.3Cooperman理論八十年代，著名學(xué)者Cooperman提出：電除塵器電場中的粒子輸運的過程是外力場作用下的紊流傳質(zhì)的過程。他認為：在收塵電場中存在三維的濃度分布；在忽略重力場作用時，粒子受到來自縱向的平均氣流和橫向的靜電場力以及紊流脈動產(chǎn)生的波動力：紊流波動力將使粒子由靠近收塵極板濃度高的區(qū)域向離收塵極板較遠的濃度低的區(qū)域遷移；這個波動力使靜電力產(chǎn)生的粒子趨進速度減少為，其中f為經(jīng)驗值，所以Cooperman公式只是半經(jīng)驗的理論公式。2.2.4靜電傳輸與紊流摻混理論鑒于Cooperman理論的缺陷，80年代末出現(xiàn)了一種新的電收塵理論，即靜電傳輸與紊流摻混的收塵理論。該理論認為，在電除塵器的收塵電場中，在橫向上主要受到粒子的擴散影響，紊流摻混的作用不一定使粒子的趨進速度減少：在縱向上，由于氣流分布不均勻造成了紊流擴散的影響。因此，該理論克服了Cooperman理論的氣流均勻的假設(shè)，比Cooperman理論更接近實際。該理論不但考慮了諸多因素的影響，而且還成功解釋了非Deutsch現(xiàn)象，較其他理論更接近予實際。2.3集塵效率定義集塵效率是電集塵器性能的主要標志，也是設(shè)計計算、分析比較電集塵器的重要依據(jù)。所謂集塵效率就是指單位時間進入集塵室的粉塵和煙霧與被集塵器捕集的粉塵和煙霧之間的比率：（2-4）式中—電集塵器的效率，%；—單位時間內(nèi)流入電集塵器進口處的粉塵質(zhì)量，kg/h；—單位時間流出電集塵器進口處的粉塵質(zhì)量，kg/h；—電集塵器進口處的含塵濃度，kg/m3—電集塵器出口處的含塵濃度，kg/m33影響集塵效率的因素3.1電極幾何因素影響板式電收塵器電氣性能的幾何因素包括極板間距、電暈線間距、電暈線半徑和電暈線的粗糙度等，因為這些均會對電暈電流密度，電場強度和空間電荷密度的空間分布有影響，所以下面分別進行分析。3.1.1電暈線半徑增大電暈線的半徑，會導(dǎo)致在開始產(chǎn)生電暈時，使電暈始發(fā)電壓升高，而使電暈線表面的電場強度降低。若給定的電壓超過電暈始發(fā)電壓，則電暈電流會隨電暈線半徑的加大而減少。若極板上的平均電流相同，則在電暈線附近的空間電荷密度會隨電暈線半徑的增大而減小。當(dāng)電暈直徑增大時，極板上之所以能保持平均電暈電流密度，是因為要產(chǎn)生電離，就必須升高其作用電壓。由于電壓較高，導(dǎo)致電離外區(qū)的電場強度增大，加速了離子向極板的漂移。如圖3.1所示表明，當(dāng)電暈線半徑增大時，若作用電壓相同，則電暈始發(fā)電壓升高和電暈電流減小。電暈線半徑增大，伏—安特性曲線向右移，但是曲線的形狀沒有大的變化。圖3.1電暈線半徑對伏—安特性曲線的影響Fig.3.1TheinfluenceofthecoronawireradiusonV-ICharacteristics3.1.2極板間距在工作電壓、電暈線的半徑和間距都相同時，加大極板間距會影響電暈線臨近區(qū)所產(chǎn)生離子電流的分布，以及增大表面上的電位差，這將導(dǎo)致電暈外區(qū)的電暈電流密度、電場強度和空間電荷密度的降低。如圖3.2所示，增大極板間距后，僅對提高始發(fā)電壓稍有影響，但是超過始發(fā)電壓后，當(dāng)作用電壓相同時，則導(dǎo)致電暈電流大幅度下降。隨著極板間距加大，伏—安特性曲線逐漸向右彎曲，即曲線的斜率變小。但是寬通道除塵器的收塵效率卻比窄通道電除塵器的好。圖3.2極板間距對伏—安特性的影響Fig.3.2TheinfluenceoftheelectrodedistanceonV-ICharacteristics3.1.3電暈線的間距在作用電壓、電暈線半徑和極板間距都相同時，增大電暈線的間距所產(chǎn)生的影響是增大電暈電流密度和電場強度分布的不均勻性。但是，也應(yīng)注意到電暈線的間距有一個會產(chǎn)生最大電暈電流的最佳值。若使電暈線間距小于這一最佳值，會導(dǎo)致由于電暈線附近電場的相互屏蔽作用而使電暈電流減少。在圖3.3中，電暈線間距在較大范圍內(nèi)變化時，對伏安特性沒有什么影響。隨著電暈線的間距加大，盡管電暈線間距不同的曲線會相交，但伏安特性曲線普遍地向左偏移。然而，當(dāng)線距太近時，電暈線會由于電屏蔽作用(負電場抑制作用)使導(dǎo)線的單位電流值降低。隨著電暈線線距的增大，每根電暈線的電暈電流值也隨之增大，當(dāng)線距等于幾倍于通道寬度時，電暈電流趨于定值。此時每根電暈線上的電流值與單獨～根電暈線上的電流值基本相同；當(dāng)線距過于小時，由于電屏蔽作用，電暈電流可降低到零。但是電暈線的線距也不宜過大，距離過大會減少電收塵器內(nèi)電暈線根數(shù)，使空間的電流密度降低，也即收塵極板的板電流密度降低，從而影響電收塵器的收塵效率。圖3.3電暈線間距對伏—安特性的影響Fig.3.3TheinfluenceofthecoronawiredistanceonV-ICharacteristics3.1.4電暈線表面粗糙程度電暈線表面的粗糙度是影響電收塵器電氣性能的又一幾何因素。粗糙度系數(shù)用于表示圓形電暈線的粗糙度。電暈線粗糙度對電氣性能的影響是由于對電暈始發(fā)電壓、電暈始發(fā)時電暈線表面的電場強度以及電暈線附近空間電荷密度有影響。電暈線表面不光滑，可能局部出現(xiàn)曲率半徑比電暈線小的情況，在整個電暈線未達到起暈電壓時，曲率半徑小的地方在電壓較低時就產(chǎn)生電暈，其結(jié)果是降低電暈始發(fā)電壓、降低電暈線表面在始發(fā)電暈時電場強度和電暈線附近的空間電荷密度以及極板上的平均電暈電流密度。3.2氣體因素3.2.1氣體種類圖3.4是對于各種氣體在實驗裝置上獲得的電流一電壓曲線。氣體狀態(tài)是常溫,干燥而不含灰塵。在這里,電流說明了氣體離子的移動速度。在同一電壓下,氮氣的電流大約為空氣的三倍。[3]圖3.4對于各種氣體的電流-電壓曲線Fig.3.4theI-VCharacteristicsofvariousgases3.2.2氣體溫度氣體溫度對電集塵器工作的印象主要有以下幾方面.溫度對氣體粘度的影響氣體的粘度與液體不同，它隨著溫度的上升而增加。這是因為溫度上升時氣體的分子熱運動加劇，分子層之間的內(nèi)摩擦加大，從而使氣體的粘度增加。因此，氣溫越高，氣體的粘度越大，粉塵的驅(qū)進速度越低，集塵效率也降低。溫度對氣體擊穿電壓的影響氣體壓力不變時，氣體的密度與氣體的絕對溫度成反比，而氣體擊穿電壓隨氣體密度的減少而降低，因此降低氣體溫度有利于提高集塵效率，所以有的集塵器還裝有氣體冷卻裝置以降低收塵氣體的溫度，并可使廢氣余熱得到利用。但是氣體溫度又不能太低，否則會使氣體中的水汽及三氧化硫冷凝結(jié)露，從而使收集的粉塵易于粘在電極上，反而使收塵效果惡化。這是因為收塵設(shè)備遇上冷凝結(jié)露會使鋼材容易銹爛，絕緣套管表面結(jié)露則會增加泄露乃至發(fā)生閃絡(luò)。因此，為了防止收塵室中發(fā)生局部地方出現(xiàn)冷凝，對進入收集室的廢氣還需要把它的溫度控制在一定范圍內(nèi)。3.2.3氣體分布電收塵器內(nèi)氣流分布不均勻?qū)﹄娛諌m器總收塵效率的影響，不亞于電場內(nèi)作用于粉塵粒子的靜電力對收塵效率的影響。氣流分布不均勻?qū)κ諌m效率的降低，是由于以下幾方面的原因：(1)在氣流速度不同的區(qū)域內(nèi)所捕集的粉塵量不一樣。即氣流速度低的地方可能收塵效率高，捕集粉塵量也會多；氣流速度高的地方，收塵效率低，可能捕集的粉塵量就少。但因風(fēng)速降低而增大粉塵捕集量并不能彌補由于風(fēng)速過高而減少的粉塵捕集量。(2)局部氣流速度高的地方會出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，將已經(jīng)沉積在收塵極板上和灰斗內(nèi)的粉塵再次大量揚起。(3)可能收塵器進口的含塵濃度就不均勻，導(dǎo)致收塵器內(nèi)某些部位堆積過多的粉塵。若在管道、彎頭、導(dǎo)向板和分布板等處存積大量粉塵，反過來又進一步破壞氣流的均勻性。電收塵器內(nèi)氣流分布不均與導(dǎo)向板的形狀和安裝位置、氣流分布板的形式和安裝位置、管道設(shè)計以及收塵器與風(fēng)機的聯(lián)結(jié)形式等因素有關(guān)。這些因素綜合起來往往會使收塵器的效率降低20~30％。3.2.4氣體濕度氣體濕度的大小直接影響到電場電壓的高低、粉塵比電阻的大小及收塵效率的好壞，一般來說，濕度越大收塵效果較好。1）濕度能提高擊穿電壓濕度使氣體的電離減弱、電暈電流減少，使空氣間隙的耐壓強度增加，擊穿電壓升高，較難出現(xiàn)火花放電。它使電集塵器能夠在提高電壓的情況下，穩(wěn)定運行，改善收塵效果。圖3.5是氣體濕度對電集塵器伏安特性的影響。圖3.5氣體濕度對電集塵器伏安特性的影響Fig.3.5TheinfluenceofthegashumidityonV-ICharacteristics2）濕度能調(diào)整粉塵比電阻粉塵比電阻過大時，增加濕度可以使其降低，從而使反電暈不易產(chǎn)生。比電阻過小時，增加濕度可使水分子粘附在導(dǎo)電性良好的粉塵上，從而提高收塵率實踐證明，在干式水泥窯中，當(dāng)煙氣濕含量大于7%~10%時（水氣與煙氣的質(zhì)量比），由于粉塵導(dǎo)電不良而產(chǎn)生的反電暈現(xiàn)象基本消失。而在較低濕度、濕含量在5%左右時反電暈不一定產(chǎn)生，但當(dāng)濕含量小于4%時，就很難消除干式窯的反電暈。3.3粉塵因素3.3.1粉塵粒徑與含塵量通常工業(yè)上粉塵粒徑和含塵量的變化是相互有關(guān)的。即在含塵量增加的條件下,粒徑分布也增大。含塵量小時,粒徑分布也減小。但是對于實際使用的集塵器,分別去討論粒徑分布和含塵量是很難獲得有效的成果。其中最為明顯的現(xiàn)象就是對于粒徑小的酸霧但含量比較大時,會出現(xiàn)所謂的“電暈抑制現(xiàn)象”，也即電暈封閉現(xiàn)象。這會使除霧器在電氣上非常不穩(wěn)定,電暈放電開始電壓和火花放電開始電壓是幾乎一致的,穩(wěn)定的電暈放電區(qū)域非常小。在這樣的情況下,火花放電屢次發(fā)生,但是電流幾乎沒有。在總結(jié)前人的研究中，總結(jié)的一些出現(xiàn)電暈封閉現(xiàn)象的幾個原因如下：1、粉塵濃度過大，或煙塵顆粒數(shù)量過大；2、氣流速度提高太多，使進入集塵室的粉塵含量大大增大；3、電場電壓過低，使荷電粉塵運動速度太慢。因此，在實際使用過程中一定要注意調(diào)節(jié)施加的電壓和進入集塵室的煙氣速度。3.3.2粉塵在電極上附著在集塵極和放電極上附著灰塵時,即使灰塵的電阻不大,但是電極間距離和放電極的大小改變了,而且電場的形狀也發(fā)生了變化。另外,附著灰塵的電極表面一定是不光滑的,形成凸凹狀,這樣容易造成火花放電。關(guān)于灰塵在集塵板上的附著,在下面將敘述粉塵比電阻及其影響。3.3.3粉塵比電阻的影響粉塵比電阻就是以歐姆厘米表示的附著在集塵極上灰塵層的電阻。這個數(shù)值被認為是電集塵器的操作在電氣上是否穩(wěn)定的尺度。因此,可以說它表示了在電集塵器內(nèi)灰塵捕集的難易程度。一般可以認為粉塵比電阻包括粉塵顆粒內(nèi)部的體積電阻、粉塵顆粒本身及顆粒之間的表面?zhèn)鲗?dǎo)電阻。所以高溫下，粉塵顆粒電阻以體積電阻為主，低溫下以表面電阻為主。而測定粉塵電阻率一般方法有圓盤電極法，如圖3.6所示，將堆積的被測粉塵放在兩個圓盤電極之間，在電極間施加直流高壓，然后測量其電壓和電流，算出粉塵電阻率：（3-1）式中—粉塵電阻率，；U—施加的直流電壓，V；I—流過的電流，A；S—圓盤電極的面積,cm2;L—粉塵厚度，cm。圖3.6圓盤電極法Fig.3.6Discelectrodemethod實際上粉塵的比電阻變化范圍很大，其值過大或過小都會影響電集塵器的正常運行。比電阻過小，即顆粒的導(dǎo)電性較好時，會造成粉塵在極板表面跳動而不能牢固的附著，最后被氣流帶出集塵器。比電阻過大，即粉塵的導(dǎo)電性特別差時，會在集塵極表面的粉塵附著區(qū)產(chǎn)生“反電暈”放電現(xiàn)象，從而使集塵極向空間放出正電荷。后者與負電荷中和使收塵率降低，出現(xiàn)反電暈會使集塵室內(nèi)頻繁發(fā)生火花放電，從而不得不降低電壓、減少電流、大大降低收塵率。而根據(jù)經(jīng)驗得到數(shù)據(jù)如下:

（1）歐姆厘米以上的灰塵捕集困難。

（2）歐姆厘米的灰塵捕集容易。

（3）歐姆厘米以下的灰塵捕集困難。4典型應(yīng)用4.1轉(zhuǎn)輪式電集塵裝置圖4.1轉(zhuǎn)輪式結(jié)構(gòu)圖Fig.4.1Runnerstructurediagram如圖所示,在含塵氣體前進方向相平行的方向上,設(shè)置一定數(shù)量的圓形迥轉(zhuǎn)集塵板,通過各極板間中央的點,安置數(shù)條大致向心的放電極線,把集塵極作為正極,放電極線作為負極,在正負極上連接直流高壓電源,使圓形集塵板按圖示方向緩慢迥轉(zhuǎn)。從入口進來的含塵氣流,和迥轉(zhuǎn)板的迥轉(zhuǎn)方向同方向流動,當(dāng)氣體順著有利于流動的形通道向出口方向流動時,由于電暈放電作用,氣體中的微粒子在形管內(nèi)附著在緩慢連續(xù)迥轉(zhuǎn)的集塵板上,通過的氣體即變?yōu)闊o塵氣體排出。迥轉(zhuǎn)板的集塵部分在迥轉(zhuǎn)中通過下部時,即由連續(xù)洗滌裝置除去微粒子,被洗滌后的集塵板無任何堆積層,再次開始集塵。[4]4.2引入磁場的預(yù)荷電集塵空氣凈化裝置該裝置荷電集塵過程如圖1所示,粒子在荷電區(qū)荷電后,在對流風(fēng)扇作用下進入集塵區(qū)。具有初速的荷電粒子在電場力作用下被集塵板吸附,軌跡成拋物線狀,部分粒子由于初速過大可能從集塵區(qū)逸出。如圖1所示,在集塵區(qū)加入方向與電場平行的磁場后,被荷電的粒子還受到洛倫茲力作用,使粒子有圓周運動的趨勢,圓周平面與紙面垂直,圓周運動半徑(r為圓周運動半徑;m為粒子質(zhì)量;θ為粒子初速方向與磁感應(yīng)強度方向的夾角);電場力與洛倫茲力共同作用使粒子做螺旋運動,螺旋軸平行于圖1所示的磁感應(yīng)強度B的方向,螺旋面垂直于紙面,從而延長了粒子在集塵區(qū)停留的時間,有效地抑制了粒子從集塵區(qū)的逸出,凈化效率得以提高。[5]圖4.2預(yù)荷電集塵示意圖Fig.4.2Schematicdiagramofprechargeddustcollection5結(jié)論本文首先從電集塵器的運行機理的角度分析了它的基本運行過程，然后從層流理論、紊流理論、Cooperman理論和靜電傳輸與紊流摻混理論四