靜電除塵器工作原理

1.3.1靜電除塵器工作原理

（1）氣體的電離

氣體的電離過(guò)程一般可以分為5個(gè)階段，如圖1-8所示。

電離電流

圖1-8氣體電離過(guò)程

Fig.1-8 Gas ionization process

AB段：在最初階段，氣體主要借助少數(shù)存在于大氣中的離子和自由電子進(jìn)行非常微弱 的導(dǎo)電，此時(shí)氣體通?？梢钥醋鰹榻^緣狀態(tài)。

BC段：在此階段，隨著電壓的持續(xù)升高，電子獲得的動(dòng)能不斷增加，但受限于氣體分 子的平均自由行程2,與氣體中的分子進(jìn)行彈性碰撞，總運(yùn)動(dòng)速度無(wú)法得到有效的提高，電 流上升暫時(shí)中止。

CD段：當(dāng)電壓增加到一定程度，空氣中的電子獲得了足夠大的動(dòng)能，可以使得與其碰 撞的原子發(fā)生電離，

DE段：當(dāng)電壓達(dá)到起暈電壓D',進(jìn)入了電暈電離階段，在該階段中正離子開始參與 氣體電離。如圖1?9所示，此時(shí)在放電極與收塵極之間形成了兩個(gè)區(qū)域：電暈電離區(qū)和電暈 外區(qū)，電暈電離通常發(fā)生在距離放電極幾毫米區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生大量的正離子以及自由電子，由 于異性相吸，自由電子向收塵極移動(dòng)（接地極），正離子移向放電極。從電暈區(qū)之外至另一 個(gè)電極之間的空間稱為電暈外區(qū)，它占據(jù)電極之間的大部分區(qū)域，此區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度并不足以 使得氣體電離，但因電暈區(qū)產(chǎn)生的電子和離子與這一區(qū)域中的中性分子進(jìn)行碰撞，從而產(chǎn)生 了和放電極電壓極性相同的負(fù)離子（負(fù)電暈放電）或正離子（正電暈放電），其數(shù)目可達(dá)5

X 107個(gè)每立方厘米，粉塵的荷電主要發(fā)生在這一區(qū)域。

EF段：當(dāng)電流超過(guò)E點(diǎn)，電暈區(qū)迅猛擴(kuò)張，使得電極間產(chǎn)生火花放電，進(jìn)一步會(huì)出現(xiàn)

電弧現(xiàn)象，電流突增電壓下降，使得除塵效果減弱，若不加以控制則會(huì)對(duì)電極和電源產(chǎn)生破 壞。

（2）粉塵的荷電

粉塵主要通過(guò)兩種方式進(jìn)行荷電。一種是離子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下做定向運(yùn)動(dòng)，稱之為電 場(chǎng)荷電，也叫碰撞荷電，另一種是粉塵和空間中做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的離子進(jìn)行碰撞，稱為擴(kuò)散 荷電。而粉塵最終通過(guò)哪種方式荷電主要取決于粉塵的粒徑。粉塵粒徑與荷電機(jī)理的關(guān)系見

Tab. 1-1 Relationship between dust particle size and charged mechanism

由于碰撞荷電的方式與除塵器電場(chǎng)有關(guān)，故存在荷電飽和性，初始荷電較快，隨著荷電 量的增加，荷電速度開始減緩。擴(kuò)散荷電通過(guò)離子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，而熱運(yùn)動(dòng)速度不存在上 限，故擴(kuò)散荷電不存在飽和性的問(wèn)題，其電荷速度取決于顆粒物的粒徑、顆粒物在電場(chǎng)中運(yùn) 動(dòng)時(shí)間和離子熱能等。

電除塵器中，假設(shè)Qd為粉塵在電場(chǎng)荷電中的飽和荷電量，Q上為粉塵在擴(kuò)散荷電中的飽

式中：￡為粉塵的相對(duì)介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)；心為粉塵直徑；N為電場(chǎng)強(qiáng)度;

N。為離子密度；幺為玻爾茲曼常數(shù)；幺為電子電量；/為粉塵在電場(chǎng)中的停留時(shí)間；T為氣 體熱力學(xué)溫度；離子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度v = ^kt/mjr .

粒子特性包括介電常數(shù)￡和粒徑叭，以及電暈電場(chǎng)特性包括離子密度和電場(chǎng)強(qiáng)度，均會(huì) 對(duì)電場(chǎng)荷電產(chǎn)生影響。因?yàn)閿U(kuò)散荷電是通過(guò)電子和離子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的，所以理論上粉塵 通過(guò)擴(kuò)散荷電得到的電荷不存在上限，由于擴(kuò)散荷電的方式較為復(fù)雜，故通常用如下近似公 式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

Qk = 0.067d_p (1-3)

1. 荷電粉塵的捕集

粉塵在除塵器電場(chǎng)內(nèi)會(huì)受到慣性力、重力、介質(zhì)阻力和電場(chǎng)力等的共同影響。荷電后的 粉塵在電場(chǎng)力的作用下被收塵極板吸引捕集并釋放掉大部分的電荷，殘留下的一部分電荷可 以使得粉塵顆粒繼續(xù)粘附在收塵極板上，從而在收塵極板表面形成粉塵層。

1. 荷電粉塵的捕集

收塵極板上粉塵層過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致反電暈進(jìn)而影響除塵器的收塵性能，所以需要進(jìn)行清灰處 理，清灰的方式有很多種，包括振打、聲波、濕式等，但目前工業(yè)中最常見的還是通過(guò)振打 的方式。而選擇振打的力度非常的重要，力度太小無(wú)法進(jìn)行有效的清灰，力度太大則會(huì)產(chǎn)生 二次揚(yáng)塵，甚至使極板和電極發(fā)生形變。在粉塵層厚度為10mm左右時(shí)進(jìn)行振打較為合適。

1 ■ 3. 2影響靜電除塵器效率的因素

粉塵在靜電除塵器電場(chǎng)內(nèi)主要受到氣體阻力和電場(chǎng)力等多個(gè)力的共同作用，從而實(shí)現(xiàn)氣

粒分離。常規(guī)直通道靜電除塵器除塵效率符合經(jīng)典的多依奇公式：

A

G)

?7 = (l-e 7 )x100% (1-4)

式中：

77——除塵效率，%;

A 收塵極板面積，m²；

V——煙氣量，m³/s；

co 驅(qū)進(jìn)速度，m/so

由公式1?4可知，提高靜電除塵器除塵效率的途徑有三種，降低除塵器處理的煙氣量， 增加收塵極板的面積，提升粉塵在電場(chǎng)內(nèi)的驅(qū)進(jìn)速度。那么在工藝流程不變的情況下，前兩 種方法不僅會(huì)增加初始投資，還會(huì)增加除塵器占地面積。

所以提升粉塵在電場(chǎng)內(nèi)的驅(qū)進(jìn)速度是提高靜電除塵器除塵效率的重要方法，驅(qū)進(jìn)速度是 指荷電粒子向電極運(yùn)動(dòng)的速度，計(jì)算公式為：

co -

^pEcEp a

(1-5)

式中:

co 驅(qū)進(jìn)速度，m/s；

P——與粉塵的介電常數(shù)有關(guān)的數(shù)值；

E_c 荷電電場(chǎng)強(qiáng)度，v/m；

E_p——收塵極電場(chǎng)強(qiáng)度，v/m；

a 粉塵半徑，m；

“ 氣體粘度，Pa" So

由公式1-5可知，粉塵在靜電除塵器電場(chǎng)內(nèi)能否被收塵極板有效捕集主要取決于粉塵所 受到的電場(chǎng)力強(qiáng)度，而影響電場(chǎng)力的首要因素就是粉塵的荷電性能，粉塵單顆粒荷電量越大, 就越容易被收塵極板所捕集，除塵器的效率也就越高。

但多依奇公式是在一系列假設(shè)的基礎(chǔ)上推出的，這些假設(shè)主要包括：粉塵在電場(chǎng)中完全 荷電；氣流不會(huì)對(duì)粉塵的驅(qū)進(jìn)速度產(chǎn)生影響；粉塵在電場(chǎng)內(nèi)任意截面分布均勻；粉塵沉降速 度保持不變；忽略帶電粉塵相互間的排斥作用；忽略二次揚(yáng)塵、反電暈以及氣流分布不均等 問(wèn)題。但是在實(shí)際的工況除塵過(guò)程中這種理想條件很難得到實(shí)現(xiàn)，除塵效果往往會(huì)受到技術(shù) 條件、運(yùn)行條件和工況條件的影響，使得理論除塵效率往往高于實(shí)測(cè)值。

所以通常將實(shí)際測(cè)量得到的效率帶入到多依奇公式中反推得到粉塵在電場(chǎng)中的有效驅(qū) 進(jìn)速度，在除塵器的設(shè)計(jì)中往往用有效驅(qū)進(jìn)速度來(lái)代表靜電除塵器的對(duì)粉塵的脫除性能，如 前所述，由于不同粒徑段顆粒物荷電方式不同，靜電除塵器對(duì)粒徑在lpim以下顆粒物的去 除效率與理論值相差較大,所以瑞典專家Sigvard Matts在1964年對(duì)多依奇公式進(jìn)行了修正:

?7 = l-e^l / 丿 (1-6)

式中k為常數(shù)，當(dāng)k=l時(shí)，畋與⑵相同，表明除塵器設(shè)計(jì)合理，除塵效率符合多依奇 公式，當(dāng)k=0.5時(shí)，畋近似于常數(shù)，此時(shí)便無(wú)法通過(guò)增加電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)提高靜電除塵器的除塵 效率。所以增加微細(xì)顆粒物的有效驅(qū)進(jìn)速度，是解決1呵 甚至是0.1呵 以下顆粒物捕集困 難問(wèn)題的重要途徑。