電力除塵器

電除塵器（ElectrostaticPrecipitation)是利用靜電力實現(xiàn)粒子與氣體分離沉降的除塵設備。電除塵器主要用于電力工業(yè)、水泥工業(yè)和鋼鐵工業(yè)等部門，其中燃煤電廠是頭號用戶，目前占我國總需求量的70％。九五期間，電除塵器本體年均需求量達13萬噸，價值約12億元。5.1電除塵器的工作原理、分類和特點5.1電除塵器的工作原理、分類和特點

1．電除塵器的工作原理電除塵過程分為四個階段(1)電暈放電和空間電荷的形成;(2)粒子荷電；(3)荷電粒子沉降；(4)粒子清除。圖5－1電除塵器工作原理示意1－電暈極；2－電子；3－離子；4－粒子；5－集塵極；6－供電裝置；7－電暈區(qū)

（1）.按集塵極的型式分管式和板式2電除塵器的分類（2）按粒子荷電和沉降的空間位置不同可分為單區(qū)和雙區(qū)電除塵器；（3）按氣體流動方向可分立式和臥式電除塵器；（4）按清灰方式可分為干式和濕式電除塵器

電除塵過程與其他除塵過程的根本區(qū)別在于：分離力（主要是靜電力）直接作用在粒子上，而不是作用在整個氣流上。(1)壓力損失小，一般為200～500Pa；能耗低，0.2～0.4kWh/1000m3。3電除塵器的特點捕集效率高，特別是對亞微米的粒子有很大的優(yōu)勢

作用在粒子上的靜電力相對較大，其驅(qū)進速度較大。

以0.2μm的粒子為例，對旋風除塵器和電除塵器進行比較：150mm旋風除塵器中，取入口風速為25m/s，其離心沉降終末速度為2.0×10-4m/s，在電除塵器典型場強下，該粒子的終末沉降速度為5.0×10-2m/s。處理煙氣量大，可達105～106m3/h；可用于高溫、高壓和高濕的場合，能連續(xù)運行，并能完全實現(xiàn)自動化。設備龐大（氣速較低，1m/s左右），耗鋼量大，投資高（僅電除塵器本體就需7000元／1000m3/h)。除塵效率受粉塵比電阻影響較大，一般對比電阻小于104～105Ω·cm或大于1010～1011Ω·cm的粉塵，若不采用一定措施，除塵效率將受到影響。

5.2電暈放電

5.2.1電暈的發(fā)生和空間電荷的形成

1.電暈的發(fā)生分為三種方式：電暈放電：不完全電擊穿，只發(fā)生在非均勻電場中放電極表面附近的小距離區(qū)域內(nèi)?；鸹ǚ烹姡涸趦呻姌O之間有若干條狹窄的電擊穿，瞬間電流急劇增大，氣體壓力和溫度上升。弧光放電：兩極間整個空間被擊穿。電壓小大2.電子的附著和空間電荷的形成雪崩過程自由電子正離子負極二次電子附著電負性氣體氣體負離子形成空間電流

電子附著對保持穩(wěn)定的負電暈是很重要的。電除塵所遇到的氣體中，一般都存在著數(shù)量足夠的電負性氣體，如O2、Cl2、CCl4、HF、SO2等，因而有良好的電子附著性質(zhì)，也有良好的負電暈特性。為什么工業(yè)電除塵器一般都采用負電暈？通常負電暈產(chǎn)生的負離子的遷移率（即電場強度為1V/m時離子的遷移速度）比正電暈產(chǎn)生的正離子的高。高離子遷移率形成的離子電流也高；而且離子遷移率愈高，在電場中與粉塵碰撞的機會也愈多，對粉塵的荷電有利。負電暈的起始電暈電壓低而擊穿電壓高，因而負電暈的有效工作電壓范圍比正電暈寬，有利于電除塵器的運行。一般氣體中有足夠的電負性氣體分子以形成負離子，所以工業(yè)電除塵器一般都采用負電暈。為什么空氣調(diào)節(jié)中的微粒凈化裝置不采用負電暈而采用正電暈？但負電暈放電時，產(chǎn)生速度很高的自由電子和負離子，在碰撞電離過程中會產(chǎn)生比正電暈多得多的臭氧（O3）和氮氧化物（NOx），所以空氣調(diào)節(jié)中的微粒凈化裝置不采用負電暈而采用正電暈。3.離子遷移率

荷電離子在電場中的運動速度vi與電場強度E成正比，即粒子遷移率Ki：單位場強下的離子運動速度。Ki與氣體溫度T（K）和壓力P(Pa)的關系為

Ki＝Ki0

，式中Ki0—標態(tài)（＝1.013×105Pa）時的離子遷移率。5.2.2起暈電壓和伏安特性1.起暈電壓Vc：開始發(fā)生電暈放電時的電壓；與之相應的電場強度稱為起暈場強Ec。2.管式電除塵器：Ec決定于氣體的性質(zhì)、電暈線的尺寸及其表面粗糙度。

對空氣中圓極線的負電暈，皮克（Peek）提出了計算起暈場強的經(jīng)驗公式，即

式中T，P—分別為運行工況下的空氣溫度和壓力；To＝293K，Po＝

1.013×105Pa；

m—電暈線表面的粗糙度系數(shù)，光潔電暈線m＝1，實際中所遇到的電暈線可取m＝0.6～0.7。管式電除塵器經(jīng)簡化的伏安特性（電壓－電流關系）式中：εo—真空介電常數(shù)，εo＝8.85×10-12C2/(N·m2)；

Ki—

離子遷移率［m2/(V·s)］；

i—電流線密度，即每米長電暈線發(fā)出的電流（A/m）；

r1—電暈極半徑（m）；

r2—集塵極半徑（m）

。板式電除塵器的伏安特性（電壓－電流關系）式中C—兩根極線中心距離的一半（m）；

j—集塵極板的平均電流密度（A/m2）；

Sx—兩塊平行極板之間距離的一半（m）；

α—參數(shù)（m）α值根據(jù)Sx/C確定：Sx/C≤0.6時，α＝4Sx/π；

Sx/C≥2.0時，α＝（C/π

）exp(πSx/2C);0.6<Sx/C<2.0時，由上圖確定。5.2.3影響電暈放電的因素

1.氣體的組成不同氣體分子形成氣體負離子的能力不同。不同種類氣體離子的遷移率是不同的。

圖5-6N2和SO2混合物的負電暈曲線(150mm圓管，2.7mm極線)1－100%N2,37kV、16mA時火花放電；2－100%CO2，火花放電；3-1.7%SO2，火花放電；4-5%SO2；5-40%SO2；6-100%SO2。2.氣體的溫度和壓力氣體壓力降低或溫度升高時，氣體密度減小，起暈電壓降低。溫度和壓力的變化也影響離子的遷移率，從而改變了伏安特性。

3.放電極的尺寸和形狀極線愈細，起暈電壓愈低。此外，管式電除塵器的圓管直徑，板式電除塵器的極板間距，電源電壓的波形和電極上的粉塵層等也對電暈放電產(chǎn)生一定的影響。圖5-8氣體溫度對伏安特性的影響5.3粒子荷電5.3.1電場荷電

粒徑大于1.0μm左右的較大粒子在電場中被極化，引起電場局部變形，電力線被粒子遮斷（a）。粒子荷電后形成的電場與外加電場方向相反，產(chǎn)生斥力，使粒子附近的電力線變形（b），這時粒子只能從電場的較小部分接受電荷，荷電速率相應減慢。粒子繼續(xù)荷電后，面向離子流來一側(cè)進入粒子的電力線繼續(xù)減少，最終荷電粒子本身產(chǎn)生的電場和外加的電場正好平衡，粒子上的電荷達到飽和狀態(tài)（c）。飽和荷電量與粒徑的平方成正比式中dp—粒徑（m）；

Eo—兩極間的平均場強（V/m）；

εp—粒子的相對介電系數(shù)（無因次）。

粒子的飽和荷電量主要決定于粒徑和場強的大小，尤以粒徑影響最大。

設qt為粒子經(jīng)時間t后的瞬時荷電量，qt/qs即為粒子的荷電率，它與荷電時間t的關系為式中to—電場荷電時間常數(shù)，即荷電率qt/qs=50%的荷電時間，由下式確定或理論上，達到飽和荷電量所需時間為無窮大，但習慣上將接近飽和荷電稱為飽和荷電。當荷電時間t≥10t0時，電場荷電量按飽和荷電量公式計算。5.3.2擴散荷電擴散荷電是離子做不規(guī)則熱運動和粒子相碰的結果。它是小于0.2μm左右粒子的主要荷電機制。懷特（White）導出不考慮電場影響的擴散荷電電量計算公式為式中k—波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；

T—氣體溫度（K）；

m—離子質(zhì)量（kg）；

t—時間（s）。粒子荷電后，將排斥后來的離子。但由于熱運動的不規(guī)則性，總會有些離子具有能夠克服排斥力的擴散速度，因而擴散荷電不存在理論上的飽和荷電。小于0.2μm左右的粒子可僅考慮擴散荷電；大于1.0μm的粒子可僅考慮電場荷電；對0.2～1.0μm的粒子，其總荷電量可近似取電場荷電量與擴散荷電量之和。

異常荷電：反電暈：比電阻過大引起；粒子作z字運動：比電阻過小引起；電暈閉塞：含塵濃度過大引起。5.4.1捕集效率方程基本假定紊流；粒子濃度和氣流分布均勻；瞬間達到飽和荷電；不存在二次飛揚

2.公式的推導5.4粒子的捕集式中A─集塵極面積（m2）；Q─氣流量（m3/s）；

w─粒子的驅(qū)進速度（m/s）。

對線管式電除塵器，當集塵圓管半徑為r2、管長為L、管內(nèi)氣速為v時，捕集效率方程為對線板式電除塵器，當電暈線與極板相距Sx、板極長度為L、通道氣速為v時，效率方程為5.4.2粒子驅(qū)進速度1.理論粒子驅(qū)進速度

電場中運動著的荷電粒子所受庫侖力Fe=qEp和斯托克斯阻力FD=3πμdpw達到平衡時，荷電粒子便達到了一個極限速度或終末沉降速度——驅(qū)進速度w，其值為

按上式計算的粒子驅(qū)進速度稱為理論驅(qū)進速度，它僅是粒子平均驅(qū)進速度的近似值。對較大粒子，以電場荷電為主，驅(qū)進速度為若粒子粒徑小于1.0μm，計算出的驅(qū)進速度應乘以肯寧漢修正系數(shù)Cu。

實測的驅(qū)進速度僅為按以上理論計算值的1/2~1/10，怎么辦？2.有效驅(qū)進速度根據(jù)在一定的除塵器結構形式和運行條件下測得的總捕集效率值，代入德意希方程反算出相應的驅(qū)進速度值，稱為有效驅(qū)進速度，用ωp表示。這里，ωp實際上已成為一個把集塵極總面積和氣體處理量以外的各種影響捕集效率的因素包括在內(nèi)的參數(shù)。

5.4.3影響捕集效率的因素1.粉塵比電阻電除塵器運行的最佳比電阻范圍一般為104～2×1010Ω·cm。粒子比電阻過低，粒子沿著極板表面跳動著前進，最后被氣流帶出除塵器。如石墨、炭黑和金屬粉末等。粒子比電阻很高，出現(xiàn)反電暈。

解決比電阻過高粉塵的電除塵辦法有：①調(diào)節(jié)煙氣溫度，使除塵器在適宜的比電阻范圍內(nèi)運行；②較低溫度運行時，在煙氣中添加比電阻調(diào)節(jié)劑，如SO3、NH3和水霧等。加SO3的量一般不超過20×10-6，特殊時達40×10-6；③設計比正常情況更大的電除塵器，以彌補比電阻過高對除塵效率的影響。此外，還可以開發(fā)新型電除塵器，如超高壓寬間距電除塵器、雙區(qū)脈沖電除塵器、冷壁面電除塵器等。也可采用濕式電除塵器解決過高、過低比電阻對效率的影響。

2.粒徑粒徑不同時，粒子荷電的機制（電場荷電和擴散荷電）和荷電量不同，理論驅(qū)進速度顯著不同，因而在相同條件下的除塵效率也不一樣。dp>1.0μm以后，效率隨粒徑迅速增加，因此，當含塵濃度不是太高時，不希望在電除塵器前設置機械除塵裝置以除去粗塵。

dp<1.0μm的粒子，由于荷電量隨粒徑減小，w降低；同時由于肯寧漢修正系數(shù)隨粒徑減少迅速增大，使驅(qū)進速度有所增加。綜合作用的結果，隨粒徑的減少效率變化不大。

3.粉塵濃度進口濃度過高，會發(fā)生電暈阻塞。為防止電暈阻塞，對濃度很高的含塵氣體，應使含塵濃度降到30g/m3以下再進入電除塵器。4.供電參數(shù)除塵效率與電暈功率Pc的關系為效率隨電暈功率而增加。5.5電除塵器的基本結構和選擇設計5.5.1電除塵器的基本結構電除塵器一般由放電極、集塵極、清灰裝置、氣流分布裝置、殼體、輸灰裝置和供電裝置。圖5－12板式電除塵器示意1－低壓電源控制柜；2－高壓電源控制柜；3－電源變壓器；4－電除塵器本體；5－下灰斗；6－螺旋除灰機；7－放電極；8－集塵極；9－集塵極振打清灰裝置；10－放電極振打清灰裝置；11－進氣氣流分布板；12－出氣氣流分布板1.放電極對放電極的要求是：①起暈電壓低，放電強度高，電暈電流大；②機械強度高，鋼性好，不易變形，能維持準確的極間距；③易清灰。

常見的電暈線型式有光圓線、星形線、螺旋形線、芒刺線、鋸齒線、麻花線和蒺藜絲線等電暈線的固定方式有重錘懸吊式(a)、管框繃繞式(b)2.集塵極要求：有利于微粒物沉積，減少再飛揚，便于清灰，對氣流阻力小，足夠的剛度，節(jié)省材料，便于制造。

型板在捕集效率、鋼耗、振打清灰等方面性能優(yōu)良，使用最多。平板式清灰時二次揚塵嚴重，剛度較差。在通常60～72kV供電壓時，板間距一般取200～350mm。

3.清灰裝置濕式清灰

干式電除塵器清灰的方法是振打電極，通常振打方式有捶擊振打、跌落振打和電磁振動三種。4.氣流分布裝置一般是在氣流進入除塵器電場之前設置1～3塊氣流分布板。氣流分布板有圓孔板、方孔板和格柵式分布板等。5.殼體電除塵器的殼體應盡量避免漏氣。在處理高濕和含SO3的煙氣時，電除塵器內(nèi)的煙氣溫度應高于露點20℃以上。必要時要求外殼保溫，以防凝結腐蝕和粉塵粘結。

在發(fā)生火花放電的一瞬間，正、負極間電壓下降，火花放電的擾動使極板上產(chǎn)生二次揚塵。6.供電設備應盡可能在較高電壓下運行，因為電壓升高，有效驅(qū)進速度和除塵效率都大幅提高。但火花放電會對除塵效率有一定影響，故存在一最佳火花率。電除塵器所用電源為脈動直流電源，一般其輸出的峰值電壓為70～100kV。5.5.2電除塵器的選擇設計1.電除塵器的設計步驟：（1）確定或計算有效驅(qū)進速度；（2）計算集塵極面積；（3）計算電場斷面面積：管式電除塵器取0.5～2.5m/s，板式電除塵器取1～1.5m/s。根據(jù)小試或相似工業(yè)裝置數(shù)據(jù)根據(jù)有關資料和影響因素（4）通道數(shù)或集塵極與放電極的間距和排