《静电除尘器》word版.doc

静电除尘器 静电除尘器是利用电力进行收尘的装置。国外称静电收尘器，实际上“静电收尘”这个名词并不确切，因为粉尘粒子荷电后和气体离子在电场力作用下，要产生微小的电流，并不是真正的静电。本书仍沿用国际通用的习惯称做静电除尘器。1907年，科特雷尔（Cottrell）首先将静电收尘技术用于净化工业烟气获得成功。如今，静电除尘器已经广泛应用于钢铁工业、有色冶金、建材工业、电力工业、化学工业、轻纺工业以及其他工业领域乃至民用领域。统计资料表明，自1955年至到现在，应用静电除尘器处理工业烟气量大致呈指数增长。随着对环境保护要求的日益严格，可以预计静电除尘器计数会得到更迅速的提高和发展。本章着重介绍静电除尘器的基本原理、静电收尘的基本理论、收尘过程中的离子风效应、影响静电除尘器性能的主要因素以及静电除尘的设计及应用。6.1静电除尘器的基本原理与分类静电除尘器是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，在两极间维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后产生的电子，阴离子与阳离子，附着在通过电场的粉尘上，使粉尘带电。荷电粉尘在电场力的作用下，便向极性相反的电极运动而沉降在电极上，从而使粉尘与气体分离。通过清灰过程把附着在电极上的粉尘振落，使其掉入灰斗中。图6.1是管式静电除尘器工作原理示意图。在金属丝的一端施加负极性高压直流电，该金属丝位于接地的金属圆筒的轴线上。当外加电压达到一定值时，在金属丝的表面上就会出现青蓝色辉光点，并发出嘶嘶声，这种现象称为电晕放电。因此常把放电极线称为电晕极。此时，若从金属圆筒极底部通入含尘气体，粉尘就会在电场中与负离子相碰撞而荷电，并在电场力作用下向圆筒极运动而沉降在圆筒的内壁上，于是粉尘被捕集。图 6.1 静电除尘器工作原理示意图6.1.1气体的电离在静电除尘器中，使尘粒带有足够大的电量是通过气体的电离实现的。空气通常状态下是不能导电的绝缘体，但是当气体分子获得足够的能量时就能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子，这些电子成为输送电流的媒介，气体就具有导电的本领了。使气体具有导电本领的过程称为气体的电离。设在空气中有一对电极，其中一极的曲率半径远小于另一极的曲率半径。如一根极线对一个极板，如图6.2所示。由于空气（大气）受到X光、紫外线或其他背景辐射作用产生为数很少的自由电子，这些电子不足以形成电流，因而空气是不导电的。但当施加在极板上的电压升至一定值时，就可使原来空气中存在的少量自由电子获得足够的能量而加速到很高的速度。高速电子与中性的空气分子相碰撞时，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，形成正离子和自由电子。这些电子又被加速，再轰击空气分子又产生更多的新电子和正离子。这个连锁过程发展的极快，使气体得以电离。自由电子快速形成的过程称为电子雪崩。这个过程伴有发光、发生现象，即所谓电晕放电现象。图 6.2 气体的电离出现电晕后，在电场内形成两个不同的区域，如图6.2所示。围绕放电极很小的范围内，约为1mm，称之为电晕区。在这一区内，场强极高使气体电离，产生电量的自由电子和离子。若极线上施加负电压时，产生负电晕，这时所产生的电子向接地极运动。而正离子向电晕极运动。当极线上施加正电压时，为正电晕放电，这时正离子向接地极运动，而电子向电晕极运动。在正电晕区狭小的范围内，电子雪崩现象起始于电晕区边缘，电极线表面场强最大，电子向内运动时，没有机会被空气分子吸收，因而不产生负离子。在电晕区以外称为电晕外区，它占有电极间的大部分空间，此区场强急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，电子碰撞到中性空气分子并附着其上形成负离子（负电晕放电情况）。粒子的荷电主要在这一区进行。由上述讨论可知，只有在曲率半径很小的电极产生非均匀电场的情况下，才会产生电晕放电现象，均匀电场不发生电晕，但场强高到一定程度会使空气击穿。如果产生的大量电子不能吸附到气体分子上形成负离子，则这些电子将直接奔向接地极，这样就会出现火花击穿，不能产生稳定的电晕。例如惰性气体、氮等能吸收自由电子，难以实现负电晕运转。自由电子与硫的氧化物、氧气、水蒸气及二氧化碳有很好的亲和力。幸运的是在工业烟气中，这类气体都有足够的浓度来维持负电晕的运转。6.1.2离子迁移率受电场作用的离子在电场中运动时，沿途将与空气分子碰撞而受到阻碍，离子在电场中的运动速度与电场强度成正比，即 （6.1）式中，比例系数（m2/Vs）称离子迁移率。 离子迁移率主要取决于电场中的温度和压力，朗温（Langvin）给出如下算式 （6.2）式中 、标准状态下绝对温度和压力；、实际情况下的绝对温度和压力；标准状态下某些气体的离子迁移率，见表6.1；萨瑟兰德（Surtherland）常数，见表6.2。如果在同一烟气中有两种气体，设其中一种气体的离子迁移率为，另一种为，各自浓度分别为、，则混合气体的离子迁移率由布朗克（Blanc）公式计算 （6.3）从表6.1看出负离子的迁移率要高于正离子的迁移率。迁移率越高，离子与粉尘的碰撞频率越大，对粉尘的荷电越有利，所形成的离子电流越大。实践表明，采用负电晕，起晕电压低而击穿电压高，这有利于静电除尘器的运行，因此，在工业静电除尘器中更多地采用负电晕工作。由于负电晕在电离过程中产生比正电晕多得多的臭氧（O3）和氮氧化合物，这些气体对人体是有害的，因此作为通风空调应采用正电晕。另外，在工业静电除尘器中，工作场强通常在4kV/cm左右，若为干空气，由式（6.1）可得离子运动速度约为84m/s，可见离子风速是很大的，但实际上，只有在电晕区内，离子才有很高的速度，而在电晕区外，变为离子的气体分子是少数，而大多数是未被离子化的气体分子，这些未被离子化的气体分子阻碍了离子的运动，使其速度迅速衰减。离子风又称电风，它既有积极的作用，也有消极的影响，故研究电风的大小对分析荷电粒子的运动行为和对静电除尘器性能影响具有重要意义。6.1.3静电除尘器的分类静电除尘器根据不同特点分成不同的类型。6.1.3.1根据收尘电极的形状分为管式和板式管式静电除尘器的收尘极是由一根或一组成圆形、六角形或方形的管子组成，管径通常为200300mm，长25m。安装于管中心的电晕线通常呈圆形或星形。含尘气流自下而上从管内通过，如图6.1所示。图 6.3 板式静电除尘器板式静电除尘器的收尘极是由若干块平板组成，为减少二次扬尘和增强板极的刚度，板极一般要轧制成断面曲折的型板。电晕线安装在每两排收尘极板构成的通道中间，通道数可以是几个或几十个。极板的高度可以是几米或几十米。除尘器总长度根据除尘效率要求来确定，如图6.3所示。6.1.3.2根据气流运动方向分为立式和卧式立式静电除尘器内，含尘气流自下而上做垂直运动。立式静电除尘器常为管式，适用于小气流量，粉尘容易捕集和安装场地较狭窄的情况。立式静电除尘器的高度较高，净化后的气体可直接排入大气。气流在静电除尘器内沿水平方向运动的称卧式静电除尘器，如图6.3所示。卧式静电除尘器与立式静电除尘器相比有以下特点：1) 沿气流方向可分为若干个电场，这样可根据除尘器内的工作情况，对各电场分别施加不同的电压，以提高除尘效率；2）根据所要求达到的除尘效率，较方便地增加电场长度；3）在处理烟气量较大时，卧式静电除尘器较容易实现流速在电场断面上的均匀分布；4）设备安装高度较立式静电除尘器低，设备操作维修比较方便；5）占地面积比立式静电除尘器大。根据上述特点，除特殊情况（如占地面积受限制），一般都应选用卧式静电除尘器。6.1.3.3 根据粒子的荷电区及收集区的空间布局不同分单区和双区在单区静电除尘器中，粒子的荷电和捕集都在同一区内完成，如图6.4所示。单区静电除尘器在工业应用中较为广泛。图 6.4 单区和双区静电除尘器示意图双区静电除尘器的粒子荷电部分和收尘部分是分开的。前区安装电晕极，粉尘在此区荷电，后区安装收尘极，粉尘在此区内被捕集。如图6.4所示。近年来，在工业废气净化中采用双区静电除尘器逐渐增多。其优点是由于荷电区与收尘区分开后，在荷电区可以较灵活地调整电压，通过减小极间距，可以在较低的电压下能使粉尘较充分地荷电，运行也更安全。在收尘区，可大大地提高收尘电极地均匀性，有利于提高除尘效率。6.1.3.4 根据清灰方式不同分干式和湿式湿式静电除尘器是采用水喷淋或适当地方法在收尘极板表面形成水膜，使沉积在极板上地粉尘顺水一起流到除尘器的下部排出。湿式静电除尘器二次扬尘很少，除尘效率高，无需振打装置，但产生的大量泥浆，如不适当处理，将导致二次污染。虽然静电除尘器的类型很多，且新型静电除尘器还在不断出现，但大多数工业窑炉是采用干式、板式、单区卧式静电除尘器，因此本书对湿式和立式静电除尘器将不作讨论。6.2 静电除尘的基本理论 静电除尘的基本理论主要包括3方面的内容：电场分布数理模型、粒子荷电理论，带电粒子的收集理论。其中任何一个内容都是静电除尘研究的重要课题。6.2.1电场分布数理模型因为静电除尘是靠作用于荷电粒子上的电场力使颗粒物分离的，这个电场力是场强和粒子荷电量的乘积，同时，粒子荷电量与场强成正比，所以必须知道场强的大小。在工业电除尘器中，通常电场是不均匀的（只有板式双区静电除尘器的收尘区可近似认为是均匀的）。因此建立电场分布数理模型并给出其解（数值解或分析解）是至关重要的。6.2.1.1线管电极间的电场分布静电除尘器电场分布数理模型是一样的，区别在于电极结构（或称边界条件）不同。管式静电除尘器的电极结构最简单，因此能得到十分准确的电场分布分析解。图 6.5 管式静电除尘器电场分析图 对于如图6.5所示的管式静电除尘器，当在圆形电晕线上施加的电压升高而产生电晕放电时，线管电极间会有电流通过，这是因为极间存在电子、离子及带电粉尘等空间电荷。在有空间电荷影响下的电场，可用泊松（Possion）方程来描述 （6.4）式中 场强，V/m;空间电荷体密度，C/m3；真空介电常数，8.8510-12,C/(Vm)。对于柱坐标下的轴对称问题，泊松方程可简化为 （6.5）式中符号意义同上。注意到电流面密度为 （6.6）式中 电流面密度，A/m2； 离子运动速度，m/s。离子运动速度由式（6.1）确定，于是空间电荷密度可表示成 （6.7）式中 离子迁移率，常温下负电晕，2.110-4m2/Vs。在半径为的圆柱面上的电流面密度和电流线密度的关系为 （6.8）式中 电流线密度，A/m。于是空间电荷体密度还可以表示成 （6.9）将式（6.9）代入方程（6.5）有 （6.10）解此微分方程得 （6.11）式中，为积分常数。设电晕线表面的场强为，由式（6.11）可确定待定常数 （6.12）式中 电晕线表面场强，V/m；电晕线半径，m。于是式（6.11）可写成 （6.13）若取近似等于电晕区边缘场强，即起始电晕场强，由皮克（Peek）公式给出 （6.14）式中相对密度按下式计算 （6.15）式中 标准状态下绝对温度，273K；标准状态下气体压力，1.013105Pa；实际情况下气体绝对温度，K；实际情况下气体压力，Pa。电晕线表面粗糙小于或等于1。实际计算可取0.6。因，代入式（6.13）并积分，得极间电位差（6.16）式中 筒体的半径，m。在上式中，令0，得起始电晕电压 （6.17）式中 起始电晕电压，V。 考虑到在实际电除尘器中，电晕电流线密度很小，式（6.16）中将其对数项级数展开，取其首项，即 （6.18）于是式（6.16）可化为 （6.19） 式（6.19）是很有用的。如已知外加电压，便可由此式得度电流线密度，从而由式（6.13）确定电场分布。6.2.1.2线板电极间的电场分布线板电极之间的电场分布极为复杂，其等电位线和电力线如图6.6所示。虽然不少研究者曾讨论过光滑圆形电晕线与平板接地极间的电场分布，然而，要想从理论上严格推导电场分布的分析解是相当困难的。如Comperman用微挠理论得出的分析解，求场强竟比数值解更复杂。对于非圆形断面电晕线（如星形线）与平板接地极间的电场分布，至今还未找到合适的求解方法。以往的电场分析总是以电晕线表面作为边界条件，但由于电晕线表面粗糙度的影响，各电晕线间的相互作用和电极几何形状的不规则，导致极间电场的求解十分困难，在此，提出以接地极板作为边界条件，从而式问题大为简化。图 6.6 线板电极间的电场分布示意图图6.7是线板式电极极间电场分析示意图。根据图中电力线分布情况，可以知道电场场强随着的增大而减小，在轴线上取图6.7中所示微元体，由高斯定理可得： （6.20）式中 场强，V/m；电荷体密度，C/m3;真空介电常数，C/(Vm);图6.7中的坐标轴，m。图 6.7 线板式电极间电场分析 将线板式电场的电力线近似为等腰三角形分布，并假设在平行于接地极不同截面上电流面密度均匀分布，近似有 （6.21）式中 单根电晕线的电流，A；单根电晕线的长度，m；离子流外边界，m；电晕电流线密度，A/m；电晕线至接地收尘极板的距离，m；电晕线间距之半，m。由式（6.7）及式（6.21）得电荷体密度并代入式（6.20）中得 （6.22）对于线板式电极，在靠近极板处的场强近似为常数 （6.23）利用式（6.23）作为边界条件，解微分方程式（6.22），得 （6.24）为应用方便，电流线密度通常用极板上的平均电流面密度代替 （6.25）式中 通过吸尘极板上的平均电流面密度，A/m2;静电除尘器的总电晕电流，A;静电除尘器的总收尘面积，m2；于是，式（6.24）可写成 （6.26）上式即为在电晕线正对收尘极板平面上场强随的变化规律，但是场强同时也是（0）的函数。利用已有的数值解，假定在处，场强有如下线性关系 （6.27）显然式（6.27）应该满足， （6.28）将式（6.28）代入式（6.27）中，得: =,=0。故式（6.27）可写成 （6.29）另设场强在方向上有下式成立 （6.30）式中，、为待定变系数，它们是的函数，利用式（6.26）和式（6.29）可得； （6.31）于是线板式电除尘器极间电场分布式为 （6.32）现利用Oglesby等人已发表的线板式电场的数值解对式（6.32）做比较，条件是：510-4A/m3,=10cm,=5cm,由图6.8所示，式（6.32）的场强值与数值解是非常吻合的。这表明上述近似推导是可以接受的，同时式（6.32）用来计算线板式电场的场强分布十分简单，因为只需要确定电流面密度即可，而电流面密度又是一个很容易直接测得的物理量，故式（6.32）具有极强的适用性。6.2.1.3 芒刺板电极间的电场分布从表面上看，关于线板极间电场分布与电晕线的粗糙度无关。实际上表面越粗糙，总电晕电流面密度越大。式（6.32）是把电晕线的粗糙度影响因素转入到电晕电流面密度中去了。这正是其优越性所在，因为电晕电流面密度是一个非常容易测定的量。对于表面粗糙、甚至有尖角的电晕线，只要其芒刺的长度远小于异极距（20），就可用式（6.32）近似计算场强分布。这类电晕线包括针刺线、星形线和锯齿线。对于角钢芒刺、RS线和在高压极板上穿钢针等放电极，因其芒刺过长，用式（6.32）会产生一定的误差。现引用分析线板极距电场分布的思想，来分析高压平板上穿芒刺的放电极（称长芒刺）和平板接地极间的电场分布。在图6.9所示的长芒刺和接地极板间的电场中，电力线近似为圆锥分布，在任意截面上的电流密度为 （6.33）式中 电晕电流面密度，A/m2;单根芒刺的电流，A;圆锥对称轴线至锥面垂直距离，m;芒刺尖至接地极板距离，m;两芒刺间距离之半，m;芒刺尘至接地极板方向的轴坐标。 将式（6.7）和式（6.33）代入微分方程式（6.20）中，并利用边界条件式（6.23），可得在轴上场强的分布为 （6.34）式中 通过收尘极板上的平均电流面密度，A/m2。用类似于线板电极的极间电场分析方法，假定在处，场强同样近似有式（6.27）成立。为确定式（6.27）中的常数和必须已知两个边界条件。通过分析长芒刺平板图 6.8 场强的计算值和Oglesby数值解的比较电极的极间电场可知 （6.35）式中 外加电压，V；高压极板至接地极板距离，m。将式（6.35）代入式（6.27）中，可得 （6.36）式中符号意义同前。图 6.9 长芒刺板式电晕极的极间电场将式（6.36）代入式（6.27）中得 （6.37）同样地设场强在方向上有如下分布函数 （6.38）式中，为待定变系数，利用式（6.34）及式（6.37），得故式（6.38）可写成 （6.39）式（6.39）即为芒刺静电除尘器在整个电场空间内场强得分布，对比式（6.32）和式（6.39），容易证明：。即长芒刺板式静电除尘器得场强高于线板式静电除尘器的场强。因此采用芒刺电极形式，将更有利于粉尘的收集。目前关于板式静电除尘器的场强分布只能用数值解法，其求解过程非常繁杂。上面所建立的场强分布表达式是对静电除尘理论的发展，尽管是近似解，但对定量分析荷电粒子在电场中的运动行为已有足够的精度，而且计算简便实用。6.2.2粒子的荷电和荷电粒子的运动6.2.2.1粒子的荷电粉尘带电量的确定对讨论粒子的运动与沉降行为是必不可少的。尘粒在电场中的荷电机理有两种：电场荷电和扩散荷电，其经典算式分别为： （6.40）式中 电场荷电量，C；粒子相对介电常数，见表2.5，对于一般粉尘，56；真空介电常数；荷电场强，V/m；时间常数，s。 （6.41）式中 扩散荷电量，C；玻耳兹曼常数，1.3810-23J/K；绝对温度，K；电子电荷量，1.610-19C,其他符号物理量同前。 在静电除尘器中，对于电场荷电，时间常数（为粒子在荷电电场中的停滞时间），通常假定粒子很快达到饱和荷电量 （6.42） 由式（6.41）看出扩散荷电量无上限，海因里奇（Heinrich）建议用下式近似计算 （6.43） Cochet考虑了气体分子平均自由程对粒子荷电作用的影响，导出电场荷电和扩散荷电联合作用的电量计算式 （6.44） 当粒径时，式（6.44）即为粒子电场荷电的饱和电量表达式。通常，当1时，用式（6.42）计算粒子的荷电量有很好的近似；1时，由式（6.44）计算有较高的精度。6.2.2.2荷电粒子的运动静电除尘器是一种高效除尘设备电场中气体流速较低（小于3m/s）微细粉尘的运动通常处于Stokes区，静电力作用是主要的，因此可以忽略重力作用，粒子在电场中粒子的运动速度（称驱进速度）为 （6.45）式中 收尘场强，V/m。若式中电量按电场饱和荷电量计算，有 （6.46）由此可见，粒子的驱进速度与粒径成正比，与场强的平方成正比。顺便指出，在双区静电除尘器中，收尘场强与荷电场强是不同的，在单区静电除尘器中，严格地说也是有差异的，但可以近似认为：。6.2.3粒子带电量的测定虽然利用经典的荷电量计算公式能估算在电场中电晕放电作用赋予粒子的带电量，但由于尘粒通常是非球形的，且由于气体及粉尘的物理化学性质的影响以及电场的复杂性，有时会导致理论值与实际带电量有很大偏差。因此有必要提出一种测量精度高、重现性好的粉尘带电量测试方法。目前已有许多测定方法，如达拉第筒法、静电感应法、激光测速仪测带电粒子运动反算电量法、以高倍显微镜测带电粒子在电场中沉降速度反算电量法等，但均有局限性。对于以气溶胶形式存在的呼吸性粉尘、特别是亚微米粉尘的带电量还缺少简便、有效的测定方法。为此，可用类似于Liu等人用EAA（电迁移率测定仪）测粒径的方法来反测荷电量，如图6.10所示的试验装置。如果能知道粒径大小，便可用EAA得到尘粒带电量，方法如下。根据图6.11中给出的参数可知，落在处的粉尘驱进速度为 （6.47）式中 驱进速度，m/s；尘粒下落时间，s；水平气流速度，m/s；、几何参数，如图6.10所示。图 6.10 测试装置示意图1粉尘；2风扇；3电晕线；4接地铜棒；5空气虑膜；6取样片；7高压极板；8接地极板；高压电源场强为 （6.48）式中 平均场强，V/m;高压板和接地电压，V；两极板间距，m。 将式（6.44）、式（6.48）两式代入式（6.45）中，得落在处粒子得带电量为： （6.49）式中 气流速度，m/s；外加电压，V。其他符号意义同前。因此，只要测出式（6.49）中的大小，便可较准确地得出荷电量。根据Liu等人的报道，用EAA可测得0.003的粉尘粒径。同理，用此法应能测出0.003粉尘的带电量。这完全满足对呼吸性粉尘电量测定的要求。6.2.4荷电粒子的收集研究荷电粒子的收集机理就是推导静电除尘器的分级效率。静电除尘器的分级效率与很多因素有关，现有的静电除尘效率公式很多，其中应用较多的是多依奇（Deutsch）公式。该公式的推导基于以下几个假设：1）静电除尘器中的气流为紊流，并由于紊流、扩散、电风作用，使通过除尘器任意断面的粉尘质量浓度均匀分布；2）通过除尘器的气流速度是均匀分布且不影响粒子的驱进速度（沉降速度）；3）进入电场中的粒子很快达到饱和荷电；4）忽略二次扬尘、反电晕、粒子凝聚等因素的影响。对于板式静电除尘器，多依奇（Deutsch）公式的推导方法和紊流状态下重力沉降室的分级效率方法完全相同，只是在式（3.17）中把沉降速度用驱进速度代替，并把沉降高度用异极距代替。即 （6.50）式中 收尘极板面积，m2；含尘气体流量，m3/s。 式（6.50）便是有名的多依奇公式。对于管式静电除尘器，怀特（White）曾用概率论的方法证明了多依奇公式的正确性。证明过程较繁难，在此我们给出了另一种推导方法。 在图6.11所示的微元体中，粉尘的减少量等于在边层中的捕集量，根据浓度比与面积比关系，有：式中 气流含尘质量浓度，kg/m3；圆管半径，m。在上式右端，忽略高阶小量，因：,上式改写成式中 流量，m3/s。积分得解得式中 圆管总长度，m；圆管总收尘面积，m2。由效率定义得管式静电除尘器的分级效率为 （6.51）可见管式和板式静电除尘器的效率表达式相同。由于上述4条假设在实际静电除尘器中是难以实现的，不满足这4条假设则称为非多依奇现象。导致多依奇公式的计算值高于实际结果。于是有很多研究者提出了一些新的模型或修正式，笔者在静电除尘器收尘效率理论的现状与展望一文中作了综述。如果只考虑浓度不均匀分布的影响，应用紊流扩散理论建立静电除尘器收尘效率的数学模型是较为合理的。1977年柯普曼（Cooperman）首先应用紊流扩散概念建立一维情况下静电除尘器收尘效率计算式，随后费德曼（Feldman）提出静电除尘器收尘效率二维扩散模型德数值解。1980年莱纳德（Leonard）给出了非吸收壁情况下静电除尘器收尘效率二维扩散模型的分析解，但其求解过程和表达式较复杂，而且某些参数较难确定。下面我们应用第2章关于气溶胶在管道中的扩散模型介绍建立静电除尘器收尘效率计算式的一般方法。板式静电除尘器电场如图6.12所示。忽略重力作用，上、下两平面（）无收尘作用。故扩散模型变为二维问题。对于如图6.12所示所取的坐标和几何参数，扩散方程的解为 （6.52）式中 、待定常数，由边界条件确定。其中 在静电除尘器中，电晕线所在平面的两侧的浓度分布是对称的。静电除尘器的收尘极板不能采用“吸收壁”假设，因为粒子浓度随增加，即越靠近收尘极板，浓度越高，扩散作用与沉降作用方向相反。注意到在宽度为的极板上粒子的沉降量等于微元体内粒子的减少量。于是由浓度分布均匀性和传质情况得如下2个边界条件：由这2个边界条件可确定式（6.52）中的常数和。将第一个边界条件代入式（6.52），得。将第二个边界条件代入式（6.52），得由此式求得值。 式（6.52）表明，在静电除尘器入口和出口得质量浓度布均匀，在推导除尘效率时，除尘器入口质量浓度和出口质量浓度取平均效果。由除尘效率得定义 （6.53）在式（6.53）中，系数，。于是，只要得到扩散系数，便可计算由扩散理论得出的静电除尘器的除尘效率。对于管式静电除尘器，应用扩散理论导出的除尘效率公式与式（6.53）相同，只是系数的计算式不同： （6.54）式中 系数。式（6.53）或式（6.54）是在流速均匀、无二次扬尘假设条件下，仅考虑浓度变化（浓度不均匀）情况下的静电除尘器效率扩散模型，这仍是一种理想状态。实际上，流速不均匀和二次扬尘对静电除尘器效率有很大影响，因此式（6.53）的结果离实际仍相差甚远，上述推导过程的主要目的是说明如何用紊流理论建立具有非多依奇现象的静电除尘器分级除尘效率计算式的分析方法。后来的研究发现，对于实际静电除尘器效率，无论影响因素如何，都可以对多依奇公式指数部分乘一个小于1的修正系数。值的范围通常在0.51。显然，多依奇公式是1的情况。实际上，由于非多依奇现象的存在，总小于1。于是，对于非多依奇现象，其静电除尘器的效率所反映的规律仍然与多依奇公式一致，只有根据运行条件对多依奇加以修正，这正是多依奇公式沿用至今的原因。于是，关于收集效率的研究归结为确定修正系数的大小，这也是静电收集理论研究的重要课题之一。6.3影响静电除尘器性能的主要因素尽管静电除尘器是一种高效除尘器，但绝非在任何条件下都能达到最高的除尘效率，而是受许多因素的制约。因此必须弄清影响静电除尘器效率的主要因素，并加以调整，才能获得满意的净化效果。影响静电除尘器性能的因素很多，大致可分4个方面：（1）粉尘特性，主要包括粉尘的粒径分布、黏附性和比电阻等。（2）烟气性质，主要包括烟气温度、压力、湿度和含尘质量浓度等。（3）结构因素，主要有静电除尘器的极配、收尘板的面积、电场长度、电场数、气流分布装置与供电方式等。（4）操作因素，包括伏安特性、漏风率、气流短路、二次扬尘、收尘极板积灰和电晕线肥大。6.3.1粉尘特性的影响6.3.1.1 粉尘的粒径分布 粉尘的粒径分布对电除尘器的除尘效率有很大影响。这是因为分级除尘效率随驱进速度的增加而增大，而驱进速度与粒径的大小成正比。总除尘效率随粉尘中位径的增大而增加，随几何标准偏差的增加而减少，因此在进行静电除尘器设计或选型计算时，测定粉尘的粒径分布是极其重要的，它是所计算排出的浓度不至于超过排放标准的基本依据。6.3.1.2 粉尘的黏附性粉尘的黏附性对静电除尘器的运行有很大的影响。如果粉尘的黏附性较强，沉积在收尘极板上的粉尘不易振打下来，使收尘极的导电性大为削弱，导致电晕电流（二次电流）减少。如果黏附在电晕极线上，会使电晕线肥大，降低电晕放电效果，粉尘难以充分荷电，导致效率降低。粉尘的黏附性不仅与烟气和粉尘的组成成分有关，而且与粉尘的粒径有关，粒径愈小，黏附性愈强。粉尘的黏附性主要包括分子引力、毛细管黏着力及静电库仑引力。关于这些力的理论计算较复杂，其结果还缺乏可靠性。为此可采用粉尘层的黏附强度作为评定粉尘黏附性的指标。根据粉尘层的黏附强度将粉尘分为4类。见表6.3。表中分类是有条件的，粉尘受潮、烟气湿度较大时，会增加粉尘的黏附力。6.3.1.3 粉尘的比电阻静电除尘器的性能，很大程度上取决于粉尘的比电阻。图6.13所示为比电阻与静电除尘器效率的关系。与正常除尘效率相对应的比电阻范围大致在10451010。当比电阻小于104时，荷电粉尘一旦到达收尘极表面，便很快失去电荷，并由于静电感应而很快获得与收尘板极性相同的正电荷，若带正电荷的粒子与收尘板之间的排斥力大得足以克服粒子对极板的附着力，尘粒就会从极板上跳回气流中，重返气流中的粉尘再次荷电后被捕集，又再次跳出去，最终可能被气流带出静电除尘器，导致效率降低。相反，如果粉尘的比电阻过高（大于51010），沉积在极板上的尘粒释放电荷的速度缓慢，形成很大的电附着力，这样不仅清灰困难，而且随着粉尘层的增厚，造成电荷积累加大，使粉尘层的表面电位增加，当粉尘层的场强大于其临界值时，就在粉尘层的孔隙间产生局部击穿，产生与电晕极极性相反的正离子，所产生的正离子向电晕极运动，中和了带负电荷的粉尘，同时也抵消了大量的电晕电流，使粉尘不能充分荷电，甚至完全不能荷电，这种现象称为反电晕。在反电晕情况下，导致粉尘二次扬尘严重、除尘性能恶化。研究解决高比电阻粉尘对静电除尘器性能影响的可行办法，一直是静电除尘技术领域的一大研究课题。目前降低粉尘比电阻的方法主要有：升温调质，即采用高温静电除尘器，当温度高于150左右，比电阻随温度升高而下降；增湿调质，增湿可提高粉尘的表面导电性，但应保证烟气温度高于露点温度；化学调质，即在烟气中混入适量的SO2、NH3等化学物质，以增强粉尘表面与离子的亲和能力，降低比电阻；采用脉冲高压电源，脉冲供电系统可通过改变脉冲频率使静电除尘器的电晕电流在很宽的范围内调节，可将电晕电流调整到反电晕的极限，而不降低电压，所以对高比电阻粉尘的收集非常有利。脉冲频率调节范围一般在每秒50400个脉冲，脉冲宽度为60120。在静电除尘器的设计或选型时，明确所收集粉尘是否在最有利的比电阻范围内是重要的。为此将主要工业窑炉粉尘在100200时的比电阻范围列于表6.4中供参考。对于温度小于100的工业粉尘比电阻还可参考第2章表2.6。6.3.2烟气性质的影响6.3.2.1 烟气温度烟气的温度不仅对粉尘比电阻有影响，而且对电晕始发电压（起晕电压）、火花放电电压、烟气量等有影响。图6.14表明，随温度的上升，起晕电压减小、火花电压降低。烟气温度上升会导致烟气处理量增大，电场风速提高，引起除尘效率下降。当烟气温度超过300时，就需要采用耐高温材料并且要考虑降低除尘器的热膨胀变形问题。电除尘器通常使用的温度范围是100250。6.3.2.2 烟气湿度原料和燃料中含有水分、参与燃烧的空气也含有水分。因此，燃料燃烧的产物及烟气中含有的水蒸气，对静电除尘器的运行是有利的。在正常工况下，烟气中的水蒸气不会引起极板的腐蚀。但在有孔、门等漏风的地方，由于在这里烟气温度降至露点以下，就会造成酸腐蚀。增湿可以降低比电阻，提高除尘效率。为了防止烟气腐蚀，静电除尘器外壳应加保温层，使烟气温度都保持在和湿度相对应的露点温度以上。6.3.2.3 含尘质量浓度静电除尘器对烟尘入口质量浓度有一定的适宜范围，在入口质量浓度过高的情况下需要在静电除尘器前增设前级除尘器（常见为多管旋风除尘器）。在负电晕情况下，在电场空间的含尘气流中主要有3种粒子：即电子、负气体离子和带负离子的尘粒。所以，电晕电流一部分由电子和负离子运动形成，一部分是由荷电粉尘形成。但由于粉尘的大小和质量远大于气体离子，其运动速度要比气体离子小得多（气体离子平均速度约为100m/s带电粉尘驱进速度一般小于0.60m/s），因此，带电粉尘数量增多，虽然所形成的电晕电流不大，但形成的空间电荷却很大。如果假设单位体积总带电粒子数不变，带电尘粒的增多，气体离子相应减少，导致总电晕电流减少。当含尘质量浓度达到某一极限值，通过电场的电流趋于零，这种现象称为电晕闭塞，除尘效率等于零。通常烟气含尘质量浓度（标态）大于200g/m3，就会发生电晕闭塞。一般静电除尘器入口含尘质量浓度小于40 g/m3，适宜范围为730 g/m3。6.3.3 结构因素的影响6.3.3.1电极几何因素的影响影响静电除尘器伏安特性的几何因素包括电晕线形状、电极间距和收尘极板间距。电晕线的形式主要有：圆形、星形、带形、芒刺形等等。从物理上讲，曲率半径越小的电晕线，放电效果越好。但在实际运用中，应使电晕线有一定的起晕电压和足够的机械强度。芒刺形电晕极是比较理想的放电极形式，从而得到较广泛的应用。图6.15所示是不同形式电晕极线的伏安特性比较。电晕线间距对电晕电流的大小有一定的影响，当线距太近时，电晕线之间会由于电场抑制作用使导线的电流值减少。线距过大，虽然单根电晕线的电流值较大，但减少了电场中的电晕线根数，使电晕电流面密度降低。因此存在一最佳线距。怀特（White）试验表明，在如图6.16中所示的几何条件下，当电晕线为5根时，电晕电流最大。在这种情况下，可得线距和板距的关系式为： （6.55）由于实际电晕线表面可能较粗糙或因拉紧变形粗细不等或由于其断面形状为非圆形以及安装偏差等原因，电晕电流会比表面光滑的圆形线大得多，线距和板距比的取值应小些。一般取线距为通道宽的0.60.7倍为宜。例如星形电晕线，当板距（通道宽）为250300mm时，电晕线间距取160200mm；对于芒刺电晕极，由于其强烈的放电方向性，其间距可小些，一般取100150mm。极板间距也是影响静电除尘器伏安特性的一个重要的几何因素。如图6.17所示，随板间距的增大，对起晕电压稍有提高，但在相同外加电压之下，电晕电流大为降低。板间距加宽，增大了绝缘距离，抑制电场的火花放电，从而可提高外加工作电压，粉尘的驱进速度也相应提高，使得在处理烟气量相同和同样除尘效率的情况下，收尘极板面积减少、电晕线长度也相应减少，从而降低了钢材耗量。当然，极板间距不是无限制的加宽。太宽，由于起晕电流的减少，粉尘难以充分荷电，影响除尘效果。另外，板距加宽还受到高压供电装置的限制。国内生产的供电装置输出电压一般小于90kV，若按电场内工作场强4kV/cm计算，则线板距不超过225mm，即板极距为450mm。目前国内有些厂家可生产100 kV以上的高压电源，从而为宽间距静电除尘器的应用创造了条件。传统的静电除尘器板间距一般为250mm。当板间距大于350 mm称为宽极距静电除尘器。最佳极距的选取与粉尘及烟气的性质有关，通常选取范围在2b350500 mm之间。目前宽极距静电除尘器的应用有日益增长的趋势，原因是：极距增大，反电晕影响变小，从而提高了对粉尘比电阻的适应范围（比电阻范围由10451010扩大到1031012）；电晕线肥大影响较小，因极距加宽，运行电压提高，电晕离子流导致的电风增大，荷电粉尘被吹向收尘极的可能性增加，从而使电晕线的积灰减缓；极距加宽，安装精度提高，相对误差减少，火花放电可能性减小，所以运行稳定性提高；极距加宽，耗材少、重量减轻、总设备费降低；极距加宽，维护保养方便。维修工作量减少。6.3.3.2 气流速度分布的影响除尘器断面气流速度分布的均匀性，对除尘效率有很大影响。如果气流速度分布不均匀，则在流速较低的区域，存在局部气流的停滞，造成收尘极局部积灰严重，使运行电压降低。在速度较高的区域，又造成二次扬尘严重。因此，静电除尘器断面上的气流速度分布越不均匀，除尘效率越低。提高气流速度分布均匀性的方法是在除尘器入口处和出口处设置气流分布板。6.3.4 操作因素的影响6.3.4.1 操作电压和电流静电除尘器的效率，主要取决于尘粒的驱进速度，而驱进速度是随着荷电场强和收尘场强的提高而增大的（对于单区静电除尘器，）。为实现更高的除尘效率，就要尽可能提高电场强度。由前面关于场强分布的讨论，场强与电晕电流有关，而电晕电流与操作电压成正比。电压和电流的关系称伏安特性。伏安特性曲线之所以重要，是因为一旦知道在某一操作电压下的电晕电流（电晕电流线密度或电晕电流面密度）就可以计算场强。从而理论估算静电除尘器的效率。评估静电除尘器是否处在正常的电气运行范围可参考标6.5。6.3.4.2 漏风静电除尘器一般多为负压运行，如果壳体的连接处密闭不严，漏入的冷风会使电场中的风速增大，烟气温度下降而出现结露，引起电晕极肥大、极板清灰困难、电极腐蚀等后果，最终导致除尘效率下降。如果从灰斗或排灰装置漏入空气，将会造成已沉积的粉尘二次扬尘，使除尘效果恶化。因此，静电除尘器的设计要保证有良好的密闭性，壳体各连接处都应连续焊接，以避免漏风现象。6.3.4.3 气流旁路气流旁路是指静电除尘器内的气流不通过收尘电场，而是从收尘极板的顶部、底部和左右最外侧极板与壳体内壁之间的间隙中通过。防止气流旁路的一般措施是采用阻流板迫使气流通过收尘电场。如果不设阻流板，只要有5的气体旁路，除尘效率就不会大于95。旁路流还会在灰斗上部和内部产生涡流，会使已沉积于灰斗中和振打时下落的粉尘重返气流中。因此，关于气流旁路的问题需给予高度重视。6.3.4.4 二次扬尘所谓二次扬尘是指在干式静电除尘器中，沉积在收尘板上的粉尘再次被气流带走。产生粉尘二次飞扬的原因主要有以下几个方面：1）粉尘的比电阻过低或过高。比电阻过低，会产生反复跳跃现象，比电阻过高，容易产生反电晕，使粉尘二次飞扬；2）振打清灰过频。从极板振动脱落的粉尘是靠重力落入灰斗，如果振动频率过高，则从极板上落下的粉尘不能形成较大的片状或块状，而是呈分散的小尘粒凝聚团或单个粒子，很容易被气流重新带出静电除尘器；3）收尘电场流速分布不均或流速过高。紊流和涡流作用将导致粉尘的二次返混。因此要求风速不超过3m/s，并尽可能使气流均匀分布。6.4 静电除尘器的设计与选型 6.4.1 设计静电除尘器所需原始数据 一般设计1台静电除尘器需要下列数据： 1) 工作状况下需净化的烟气量； 2）烟气的温度和湿度； 3）烟气的成分，即各种气体的体积分数； 4）烟气的含尘质量浓度； 5）粉尘的性质，包括粉尘的粒度分布、化学组成、密度、堆积角、比电阻、黏性等； 6）静电除尘器出口烟气允许的含尘质量浓度； 7）静电除尘器工作时壳体承受的压力； 8）车间平面图。 6.4.2 静电除尘器的总体设计 静电除尘器的总体设计包括：确定各主要部件的结构型式；确定驱进速度；由设计效率、驱进速度和烟气处理量计算收尘极板总面积；根据已确定的参数确定通道数、电场长度；然后计算除尘器各部分的尺寸并绘制出静电除尘器的外形图；计算供电装置所需的电流值和电压值，选择供电装置的型号等。6.4.2.1 确定各主要部件的结构型式静电除尘器的主要部件是电晕极线和收尘极板。电晕极形式很多，常见的电晕线如图6.18所示。芒刺电晕放电效果好，它不仅能产生较强的电晕电流，而且芒刺尖产生的强烈的离子流壳形成每秒数米的电风，促使尘粒向收尘极运动，增大了粒子的驱进速度。另外，芒刺电晕极在浓度较高的情况下，不易出现电晕闭塞，因此在浓度较高的第一、第二电场可选用芒刺电晕极（线）。而在浓度较低的第三、第四电场可选用圆形或星形电晕线，以提高操作电压，加速带电细尘的运动。但在实际静电除尘器中，多采用一种电晕极形式，以方便设备的设计、制造及维护。工业静电除尘器的收尘极板常为型板。卧式静电除尘器目前多采用Z形或打C形极板，如图6.19所示。Z形板具有较好的电性能（板电晕电流面密度较均匀），防风（阻流）沟有利于减轻二次扬尘，振打加速度分布较均匀，重量较轻等。但由于两端防风沟朝向相反，极板在悬吊后易出现扭曲变形。大C形板保持了Z形板的良好性能，并克服了Z形板易扭曲的缺点。6.4.2.2 确定驱进速度确定粒子的驱进速度通常有3种方法：理论计算法、经验法和类比法。（1）对于粒径1，可由式（6.42）计算饱和荷电；对于1，可由式（6.44）计算场荷电和扩散荷电量之和；对于粒径0.5，可只用式（6.43）求扩散荷电量。再由式（6.45）计算理论驱进速度。然而，由于在实际条件下，粉尘的形状及其物理化学性质，气体的物理化学性质及流态、静电除尘器本身的型式等对驱进速度有影响，理论计算值与实测值有较大的差异。如果把这些因素考虑到式（6.53）或式（6.54）的修正系数中去，一旦值确定，则可根据设计总除尘效率和分级效率的关系，进行静电除尘器的设计。这种理论方法在国内已用于实际辅助设计，称为计算机模拟设计。（2）经验法由于实际情况的影响因素很多，理论确定驱进速度较困难，目前通常根据现有电除尘器的总除尘效率，代入多依奇公式，反求驱进速度这个驱进速度称为有效驱进速度。显然，把一个分级效率公式（多依奇公式）当总效率来利用是不严格的，这种方法属于经验方法，表6.6列举了一些粉尘的有效驱进速度。 （3）类比法 类比法也可称相似方法，这是一种比较可靠的方法。主要有以下3钟形式。一是调查同一行业处理同一类烟气静电除尘器的运行情况来进行本企业的静电除尘器设计或选型。二是中间试验法，即先使用一台与实际静电除尘器相似的小型静电除尘器，得出一系列运行数据，然后根据这些运行参数设计制造满足烟气处理量要求的电除尘器，这种方法比较可靠，但需花费一定的资金进行中间试验，三是旧有静电除尘器的改造，改造原因可能是因为生产规模的增大，或是除尘效率难以满足实际要求。这时，可利用旧有静电除尘器的运行参数（如可利用其有效驱进速度）来进行旧有静电除尘器的重新改造设计。下面介绍根据经验法进行静电除尘器的设计。6.4.2.3 计算收尘极板总面积由多依奇公式可知，当已知烟气处理量、有效驱进速度和设计所要求的除尘效率，便可确定所需的收尘极板面积 （6.56）式中的设计效率由下式计算 （6.57）式中 入口含尘质量浓度，kg/m3； 出口含尘质量浓度，kg/m3。通常出口含尘质量浓度是按标准状态下排放标准确定的 （6.58）式中 绝对温度，K，273K；烟气实际温度，K；标准大气压，101.325kPa；烟气实际压力，Pa。6.4.2.4 确定通道数、电场长度初定电场断面积 （6.59）其中电场风速的取值范围通常在0.71.5m/s。当80m2，极板高度为： （6.60）当80m2，应采取用双出口，每个进口断面应接近正方形，其电场高度为： （6.61）电场高度（极板高度）需圆整。当8m，以0.5m为一级，当8m，以1m为一级。电除尘器的通道数由下式计算 （6.62）式中，为收尘极板的阻流宽度，由选定的收尘板的型式确定，如对于大C形板，45mm。通道数需圆整，当选用双进风口时，应为偶数。电除尘器有效宽度为 （6.63）实际有断面积为 （6.64）电除尘器的有效电场长度为 （6.65）单一电场长度通常选34m，应按