第四章气溶胶净化设备的原理与研究进展

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,气溶胶净化设备的原理与研究进展,从气体中去除或捕集,固态,或,液态微粒,的设备总称。,根据除尘器的作用机理划分为：,新型除尘器：,机械式除尘器,静电除尘器,袋式除尘器,湿式除尘器等等,通量力,/,冷凝洗涤器,高梯度磁分离器,荷电袋式过滤器,荷电液滴洗涤器等等,第一节 （静）电除尘器,Electrostatic precipitator,（,ESP,）,（静）电除尘器,含尘,气体,在经过高压电场时,被电离,而产生,自由电子,，使,尘粒荷电,，并在,电场力,作用之下，,沉积,在集尘极，而从气体中分离出来的一种除尘设备。,尘粒荷电后和气体离子在电场力作用下，要产生微小电流，并不是真正意义上的静电，但习惯上将高电压、低电流的现象包括在静电范围内，故仍称为,静电除尘器,。,+,+,-,-,-,-,-,-,-,w,粉尘颗粒在静电场中被荷电以后，在静电力,F,E,的作用之下向正极运动，同时受到气流阻力,F,D,的作用。当二个力达到平衡时，粒子的运动速度,u,称作为,终末电力沉降速度,，习惯上称之为驱进速度，以,W,表示。,在,stokes,区域,：,工程上常以,cm/s,表示,a,粒子半径。,静电除尘器工作示意图,阳极板,阴极线,注意“滑动”区域的修正,特点：,分离力,（静电力）直接作用于,粒子,上，而不是整个气流；,运行时，,气体阻力损失小，能耗低,；,处理,烟气量大,，耐高温、耐腐蚀；,对亚微粒子,( ),能有效地捕集，属,高效除尘器,。,静电除尘器被广泛应用于火电厂、建材、钢铁、冶金等多个工业领域。,一、电除尘器的类型和结构,按清灰方式划分：,干式,ESP,在干燥条件下捕集粉尘，集尘板粉尘借助机械方式清除。,湿式,ESP,集尘板粉尘用水膜去除（减少二次飞扬，但造成泥浆污染）,半湿式,ESP,干、湿清灰分式结合。,按气体运动方向划分：,立式,气体由下而上做,垂直运动,。,卧式,气体沿,水平方向运动,。,按收尘极型式划分：,管式,收尘极为园形、方形或六角形管子（,处理气量小,）。,板式,收尘极为若干块平板构成（,处理气量大,）。,阴极线（电晕极）,阳极板（收尘极）,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,+,按集尘极和电晕极的不同配置划分：,单区,收尘极、电晕极在,同一区域,，荷电和捕集在,同一区域,。,双区,收尘极、电晕极在,不同区域,，荷电和捕集在,不同区域,。,单区,板式电除尘器,双区,板式电除尘器,工程应用比较多的是,：干式、卧式、板式、单区静电除尘器。,+,+,+,+,+,+,三电场板式电除尘器 平面、立面图,二、 静电除尘器的工作原理,静电除尘器的工作原理主要包括如下四个复杂而又相互有关的物理过程：,气体电离,悬浮尘粒荷电,荷电尘粒向电极运动,荷电尘粒在电极沉降,+,+,-,-,-,-,-,-,-,w,静电除尘器工作示意图,阳极板,阴极线,三、 电晕放电（气体电离）,气体电离的,种类,：,非自发性电离,在,外界能量,（,X,光、紫外线、辐射线等）作用下产生的电离，外界能量一旦停止，气体中电荷随之消失，气体仍为绝缘体。,自发性电离,在,高压电场,作用下产生的电离（无需外加能量）。这是,电除尘器工作的原理,。,1.,气体的电离和导电过程,气体导电的,种类,：,低电压导电,借放电极产生的电子或离子传递电流，,气体本身不传送电流,。,高电压导电,由气体电离产生的离子来传送电流。这是,电除尘器工作的原理,。,通常情况下，空气中存在着少量的,非自发性电离,产生的自由电子和离子。但产生的电流很微弱，因此，空气是,绝缘体,。,2.,电晕放电机理,电晕放电现象,-,在,高压非均匀电场,中，放电极周围的空气被,电离,，而,产生大量自由电子,的现象。,在一根细金属线（,电晕极,）和金属（管）（,收尘极,）之间施加,直流高压电,时（,60KV-100KV,），在两极之间产生,高压非均匀电场,，使得放电极周围的气体产生,电离,（气体中原有的自由电子被加速与中性气体分子撞击发生电离）。在黑暗中可观察到电离区内淡兰色的光点，并伴之噼啪的爆裂声，这就是,电晕放电现象,（类似于,尖端放电,）。,放电极,金属管收尘极,电晕区,(,放电极表面,2-3mm),电晕外区,含负离子区,电晕放电示意图,电子雪崩,当一个电子从放电极（阴极）向收尘极（阳极）运动时，若,电场强度足够大,，则电子被,加速,，在运动过程中,碰撞气体中性分子,，发生,碰撞电离,，产生,新的自由电子,，新的自由电子,继续发生碰撞电离,。由碰撞电离而使得空间电子数量象雪崩似的增加，这种现象称为,电子雪崩,。,在非均匀电场中，离放电极越远，电场强度衰减很快，电子运动速度也下降很快。因此，,电子雪崩,主要发生在,电晕区附近,，在电晕外区主要存在,负离子和极少量的自由电子,，负离子由,电负性气体,俘获电子而形成，是尘粒荷电的,电荷来源,。,+,+,+,+,+,+,+,+,SO,2,电子,负离子,电子雪崩过程,H,2,O,O,2,气体中性分子,荷电尘粒,+,放电极,收尘极,电子雪崩产生的正离子高速撞击放电极，产生新的电子，该过程是,维系电晕过程,持续进行的条件之一。,粒子荷电,一般尘粒通过电晕电场自由电子的,强烈轰击,，在,0.01,秒内可获得大量的电荷，如,的粒子可获得,30000,电子单位电荷。,电晕放电机理,可理解为在,高压非均匀电场,中，放电极附近气体被电离（,碰撞电离,）而产生大量自由电子的过程。,3.,电晕的形成,A,电流（,mA,）,B,C,D,E,B,C,D,E,电压（,KV,）,由气体导电过程的,V-A,特性曲线,分析,:,AB,段：,气体导电仅由少量的自由电子完成；,BC,段：,电流不再增加；,CD,段：,电压由,B,增加至,C,时，电子已获得足够的动能，使气体发生电离，产生新的离子。,C,电压称为,临界电离电压,气体开始电离的电压；,DE,段：,电压升至,D,时，发生电晕，形成,“电子雪崩”,。,D,电压,起始（临界）电晕电压,，开始产生电晕电流时的电压。,电压升至,E,时，电晕区扩大，气体全部电离,电场击穿,，气体成为导体使电极间短路。,E,电压,火花放电电压（击穿电压）,。,气体导电过程,操作电压区间,电晕形成对电极的要求：,能产生非均匀电场；,符合这种条件的电极是：导线和板状电极、导线和园桶形电极，在工程上应用的就是：,板式、管式电除尘器。,电晕极周围有最大的电场强度，距离电极越远，电场强度衰减很快。,4.,影响电晕特性的因素,惰性气体,：对电子没有亲和力。,H,2,、,N,2,、,Ar,。,气体组成（电子附着作用）,对电晕的影响机理：,负离子迁移速度低于电子，有利于与尘粒碰撞荷电；迁移速度慢的负离子降低了电极间电流，提高了电晕电压范围，避免产生火花放电和电场击穿。,电负性气体,：易捕获电子形成负离子。,O,2,、,SO,2,、,CO,2,、,H,2,O,。,气体的温度和压力,影响机理,：,温度和压力会改变气体密度，改变电子平均自由程，从而改变加速电子至气体碰撞电离所需要的,场强,。,温度和压力变化会改变离子迁移率，从而改变,伏,安特性曲线,。,粉尘浓度和比电阻,反电晕,集尘板上产生的,电晕放电现象,。对于,高比电阻,粉尘 ，到达收尘极后,释放电荷缓慢,，当沉积粉尘层变厚以后，在粉尘层与极板之间造成很大的电压降，使尘粒空隙间的气体发生,电离,，发生电晕放电。,+,+,V,E,+,+,+,+,+,荷电尘粒,反电晕产生的正离子,反电晕电场,电晕极,阳极板,反电晕产生的正离子向电晕极移动，削弱了荷电电场强度，中和、减少了空间电荷数量，降低了捕集效率。,电晕闭塞,由于含尘粒子,浓度太高,，电晕极周围包围一层粉尘层，电晕电流难以发出，电场中,空间电荷骤减，电晕现象消失,，从而失去除尘功能。,+,+,荷电尘粒,电晕极,电除尘器内存在二种空间电荷：,气体离子电荷,，移动速度,60-100m/s,；,荷电尘粒,，移动速度,6cm/s,。含尘浓度高，尘粒空间电荷高，电晕电流下降，严重时，导致无电晕电流发生，形成电晕闭塞。,电晕闭塞现象,低比电阻粉尘对 的影响,ESP,运行的,最佳比电阻,范围：,荷电粒子到达收尘极后，立即放电并感应正电荷，静电力大于粘附力时，重新返回气流，又被荷电。,周而复始,，粒子在极板表面“,跳跃前进,”，最后随气流排出除尘器而逃逸。,对于,低比电阻粉尘,：,+,+,+,四、粒子荷电,尘粒荷电,是电除尘过程中非常重要的阶段，荷电量大小取决于,尘粒粒径,d,P,、,荷电电场强度,E,、在电场的停留时间,。荷电量的大小直接影响尘粒在电场中受到的,静电力,，从而影响到,除尘效率,的高低。,一般认为尘粒荷电有二个主要机理：,1.,电场（碰撞）荷电,负离子与尘粒碰撞荷电。对 粒子而言。,2.,扩散荷电,负离子扩散而导致尘粒荷电。对 粒子而言。,对于 的粒子，二种荷电机理同时存在。,电场荷电量的计算：,1923,年,Rohmann,导出了电场荷电的理论计算公式,t,0,-,荷电时间常数（粒子荷电率 时所需的时间），实际运行中，当,t=10t,0,时（约,0.1-1,秒）， 。,尘粒,饱和电荷量,：,时间,t,内尘粒获得的电荷量：,荷电时间常数：,上述式中：,粒子相对介电常数,真空介电常数,电场强度,离子迁移率,离子密度,电子电量,扩散荷电量的计算,1926,年,Arendt,首先提出了扩散荷电计算公式,1951,年,White,重新推导了扩散荷电理论方程,分子热运动理论,波尔兹曼常数,气体温度,气体离子的算术平均速度,电子电量,粒子总荷电量,=,电场荷电,+,扩散荷电,电场荷电和扩散荷电的综合作用,在讨论电场荷电时忽略了扩散荷电的作用；同样在讨论扩散荷电时，忽略了电场荷电的作用。事实上，这二种荷电机理同时存在。,电场荷电,解此微分方程，可得总荷电量。但此微分方程是,非线性的,，无解析解，只能求取,近似解,。,描述二种荷电机理同时作用的微分方程：,扩散荷电,五、荷电尘粒的运动和捕集,1.,驱进速度,荷电尘粒在电场中向收尘极做静电沉降运动时的速度。是设计静电除尘器,重要参数,。,荷电尘粒在电场中的尘降运动,含尘气体,u,w,+,+,+,放电极,受尘极,在静电力作用下的加速运动：,驱进速度,假设在,Stokes,区域：,在电场中，荷电尘粒的,驱进速度,：,非常小，可忽略不计。,集尘区域电场强度,在,“,滑动,”,区域，要进行修正。,实际运行的电除尘器，影响因素非常复杂，很难由理论计算得到驱进速度。,2.,粒子的捕集效率,Deutsch,公式,影响静电除尘器捕集效率的机理非常复杂，严格地从理论上推导非常困难，需要做一定的假设。,1919,年，,安德森（,Anderson,）,通过现场试验分析，发现其规律。,1922,年，,多依奇（,Deutsch,）,推导了捕集效率方程。,假设：,尘粒一进入电除尘器，立即完成荷电；,除尘器中气流为紊流状态，气流流速不影响趋进速度；,在任何断面尘粒浓度和气流分布是均匀的；,忽略冲刷、二次扬尘、气流分布不均引起的干扰。,Deutsch,公式的推导,:,取,dX,长度集尘板，对于粒径为,d,Pi,的粉尘，在,dt,时间内在,dX,长度集尘板上收下的粉尘量：,C1i,C2i,Ci,Ci+dCi,Wi,Wi,dX,X+dX,X,0,L,dX,=,Vdt,集尘极,X,向单位长度,集尘板面积 ；,进入,X,断面,d,Pi,粉尘的浓度。,X+dX,断面，尘粒量的变化：,F,气流流动截面积,收下的粉尘量,粉尘的减少量,将：,代入：,由进口（,C1i,）到出口（,C2i,）,从,0-L,积分，有：,总集尘板面积,气体流量,理论分级效率：,Deutsch,方程，,同样适用于总除尘效率。,3.,影响捕集效率的因素,有效驱进速度,在,Stokes,区域，,理论驱进速度,：,Deutsch,方程是在一定的,假设理想条件,下获得的，在,实际工况,操作中，影响驱进速度、除尘效率的机理和因素,非常复杂,。,根据,Deutsch,方程，当,A,、,Q,一定时，除尘效率与驱进速度有着直接关系。,Deutsch,方程：,为了能够使用,Deutsch,方程进行方便地计算，引入有效,驱进速度,We,的概念。,有效驱进速度,We:,根据在一定的除尘器,结构型式,和,运行条件,下测得的,实际总捕集效率值,，代入,Deutsch,方程,反算,出来的,相应的驱进速度值,。,利用有效驱进速度,We,，可,设计类似的新的电除尘器,：,Deutsch,Anderson,方程,不同的影响因素，,We,值不同。,W,比,We,值大,2-10,倍。,六、 提高捕集效率的途径,改进电场性能,（供电电压、电流、电源）,.,降低起晕电压,Ec,；,.,维持、提高火花（击穿）电压；,.,提高电流密度；,.,高压供电设备的自动化稳定程度（控制火花率、自动控制电压、电流）、脉冲供电。,改善气流及粉尘性质,.,改善气流均布条件，减少涡流造成的,二次扬尘,；,.,进行,烟气调质,，向烟气中加入,SO,3,、,NH,3,及,Na,2,CO,3,，增加湿度，使粒子导电性增加。,烟气调质改善比电阻（克服高比电阻）,.,改变烟气温度，采用,“,高温电除尘器,”,。烟气温度高于,200,时，粉尘以体积导电为主，比电阻能有效降低。常用烟气温度为,300-400,，缺点是烟气量增大约,1,倍。,.,用水分调质。采用喷淋器给烟气增加水分。,.,用,SO,3,、,NH,3,、,Na,2,CO,3,或硫酸雾进行烟气调质。粉尘表面吸附这些物质能使比电阻有效降低。,改善除尘器本体结构型式,.,改善,气流均布装置,，设置气流均布板；,.,改善,阴、阳极结构型式,，有利于电晕形成；,.,改善,振打、清灰装置,。,电除尘器内的,气流分布,对除尘效率影响较大，要求,任何一点,的流速不得超过该断面平均流速的,40%,；,气流通过的任意一个断面上，,85%,以上测点的流速与平均流速不得相差,25%,。,七、 静电除尘器研究进展,静电除尘器的研究分为理论和结构二个方面,1.,理论方面,.,电除尘器效率理论公式,Leonard,模型、,Cooperman,模型。,2.,结构方面,.,高电压、宽极距电除尘器,.,电旋风、电布袋,.,泛比电阻电除尘技术,.,移动电极电除尘技术,.,薄膜电极电除尘技术,.,层流电凝聚技术、声波清灰技术,