（等离子体物理专业论文）高压静电除尘器电晕放电特性研究.pdf

摘要 摘要 本文首先简单介绍了静电除尘器和电晕放电的有关知识，然后针对如何进一步提高 静电除尘器效率的问题，对影响除尘效率的相关因素如收尘极间距、放电极间距、电场 结构、不同粉尘粒径分布以及电场风速等参数进行理论分析和实验研究。具体内容有如 下几方面： 首先是对电晕放电特性研究。通过实验对线板式和线筒式静电除尘器的放电特性进 行了分析，同时研究了不同放电极的静电除尘器的放电特性。针对煤粉的防爆要求，在 除尘器安全运行的情况下，测量使用不同收尘极和放电极产生的放电特性，从而获得了 最佳的静电除尘器的工作参数。 其次是粉尘对收尘效率影响的研究。通过对不同粉尘( 煤粉、水泥、粮食粉尘) 在电 晕电场中荷电和受电场力的运动情况的实验，结合不同粒径比较实验结果，提出根据现 场粉尘状况设计除尘器的论点。然后研究了不同粒径的粉尘在不同电压下对除尘效率的 影响，分析了除尘器收尘极板粉尘的沉降厚度和吸附长度，研究了不同放电极在收尘极 板附近产生的离子风速，为进一步优化静电除尘器的设计提供了一定的理论依据。 关键词：静电除尘器；放电特性；粉尘；除尘效率；离子风速 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e ri n t r o d u c i n gt h ef o u n d a t i o no fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e s p ) a n dc o r o n ad i s c h a r g e i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep a r a m e t e r st oi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo fe s ps u c ha st h ei n t e r v a lo f c o l l e c t i n ge l e c t r o d e s ，t h ei n t e r v a lo fd i s c h a r g ee l e c t r o d e s ，t h es t r u c t u r eo fe l e c t r i cf i l e d ，t h e v e l o c i t y o fi o n sw i n da n dt h ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o no fd u s th a v e b e e ni n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y , t h ed e t a i li n c l u d e s ： f o rt h ei n v e s t i g a t i o no fc o r o n ad i s c h a r g e ，t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e p l a t e a n dw i r e e y l i n d e re s pi sa n a l y z e de x p e r i m e n t a l l y t h ev o l t a g e - a m p e r ec u r v eo fe s pw i t h d i f f e r e n td i s c h a r g ee l e c t r o d e si sa n a l y z e da sw e l l w h e ne s pw o r k ss a f e l y , t h eo p t i m a l w o r k i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e nf o u n do u tt h r o u g hm e a s u r i n gt h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s p r o d u c e db yu s eo f v a r i o u sc o l l e c t i o ne l e c t r o d e sa n dd i s c h a r g ee l e c t r o d e s f o rt h ei n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c to fd u s tr e m o v a l ，i th a sb e e np r o p o s e dt h a tt h ee s pi n d i f f e r e n tf o r m ss h o u l db ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed u s ts i t u a t i o no nt h es p o ta c c e d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i so f m o v e m e n to f t h ec h a r g e dd u s tw i t hd i f f e r e n td i a m e t e rd i s t r i b u t i o ni n e l e c t r i cf i e l d t h ee f f e c to fd i f f e r e n td u s td i a m e t e r so nt h er e m o v a le f f i n e n c yi sa l s os t u d i e d t h et h i c k n e s sa n dl e n g t ho fd u s td e p o s i t e do nt h ec o l l e c t i n gd e c t r o d ei s a n a l y z e d t h e v e l o c i t yo fi o n sw i n dw h i c hi sp r o d u c e db yd i f f e r e n td i s c h a r g ee l e c t r o d e si ss t u d i e d t h e a b o v er e s u l t so f f e r st h e o r e t i c a li n t r o d u c t i o nt ot h ed e s i g no f e s r k e y w o r d ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s ；d u s t ；r e m o v a le f f i c i e n c y v e l o c i t yo f i o nw i n d 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名：立雌埠一日期：盟年月立日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方格内打“4 ”) 作者签名：堑1 整叠 ： 日期：乏竺! 年生月立日 导师签名： 4 日主幻笔日期：幺芝l 年月乒日 翮舌 u - 一 刖罱 在工业生产过程中，固体物质的破碎或机械加工：可燃物质的不完全燃烧和爆炸； 粉末状物质的混合、过筛、包装、搬运等均可产生粉尘。沉积于工作环境的降尘由于振 动或气流的影响，重又悬浮子空气中成为二次扬尘，也是粉尘的颗粒来源之一。 粉尘的危害是多方面的，当粉尘落到植物叶子上时，叶子被夺去很多水分，并使细 胞质受到伤害，多数情况下表现为表皮细胞与栅栏细胞的萎缩。对于水泥粉尘，在足够 高的空气湿度时形成硅酸三钙，在植物上形成一个粘附层，从而封闭换气用的气孔，阻 碍呼吸和光合作用。甚至一般的街道粉尘落到植物叶子上也会降低它的光合作用效率。 这样蒙上粉尘的叶子比未蒙上粉尘的叶子就增加了温度，妨碍新陈代谢和水分平衡。 小颗粒粉尘( 煤尘直径0 5 - 2 u m ) ，被人吸入肺中，容易引起尘肺，损害人体健康； 如果人体吸入含有铅、锰、砷等毒物的粉尘，可引起全身性的中毒反应。细小的飘尘( 直 径l o u m ) 在大气中漂浮，几小时甚至几年才落下来，危急子孙后代“。1 。 另外，粉尘的粒径对于起尘影响也是明显的。大于2 0 0 u r n 的尘粒，由于重力作用， 即使起尘也会很快沉降，几乎不对环境构成威胁。但是，对2 0 0 u m 以下粉尘颗粒，如果 排放到大气中，将会对动植物产生极大的影响，应加以控制。 随着我国国民经济的飞跃发展，煤炭用量急剧增长；同时水泥、钢铁、石化诸工业 大力发展，粉尘处理问题显得十分严峻。另一方面，随着人民生活水平的不断提高，环 境保护的要求也随之提高。作为一种高效率的环保手段，电除尘技术已被广泛应用于含 尘废气治理、气固分离、粉状物料回收等各个领域( 如冶金、有色金属、电力、化工、 建材行业) ，并取得了很多成果。 静电除尘器是电除尘技术的一个典型应用，烟气中的尘粒在电除尘器电场中荷电， 向收尘极运动，然后被收集。电场特性和极配型式对除尘效率有关键性的影响。如：平 均场强、极板附近场强、电晕线的型式、板间距和线间距等对电除尘器的性能都有一定 的影响。 在单一线板放电系统中，通过简单的电磁学知识可以计算出线板之间的电场分布。 丽在多极系统中，由于同极放电极之间的相互干扰，使整个放电系统在电特性上发生了 重大变化。在这种改变中受影响最大的是极间离子数量及离子运行速度的改变，这些改 河北大学理学硕士学位论文 变将使电场发生畸变。 签于此，课题以实际应用为根本，对多电极放电系统进行理论和实验分析。通过对 不同型式除尘器的放电特性的研究、粉尘对发电特性的影响以及收尘极板附近离子风的 测量，得到最佳的除尘器参数，从而达到指导生产的目的。这将对除尘器的设计产生推 动作用，使之设计更合理，运行更高效，投资更节省。课题对高压静电除尘技术的发展 起到补充和深化的作用，对高压静电除尘器的优化设计提供了一定的理论指导。 第1 章电晕放电 第1 章电晕放电 在论述电晕放电之前，我们首先简单介绍一下电除尘器的有关知识。 1 1 静电除尘器 1 1 1 静电除尘器简介 电除尘器的发展已经有近百年的历史了，如今已经被广泛应用于冶金、化工、建材 等多个领域，我国的除尘器发展是从上个世纪七十年代开始的。随着我国经济建设的快 速发展，工业设备的大型化和以煤为主要原料的能源结构，为我国电除尘器的发展提供 了广阔的应用空间。目前我国电除尘器主要应用于电力工业( 6 5 7 0 ) 和建材工业( 1 6 1 8 ) 。 静电除尘器一般由高压电源及控制部分、放电极与收尘极、引风送风管道、振打清 灰装置及其他辅助部分组成。结构如图1 - - 1 所示。除尘器内部的细金属丝的一端用绝 缘子( 一般是瓷制品或者用四氯化氟制成) 悬挂在接地的金属圆筒的轴心上，并在其上旋 加负直流高压。当电压达到一定值时，在金属线的表面会出现蓝紫色光点，同时伴有丝 丝声，这种现象称为电晕放电。若此时从除尘器底部通入含有粉尘的气流，绝大多数的 粉尘会吸附运动中的离子，从而荷电。荷电的粉尘粒子在电场的作用下向桶壁运动，并 吸附在上面。当桶壁上的粉尘达到一定厚度时，可以借助振打装置使粉尘从桶壁脱落， 并收集到灰斗中。净化后的空气从圆筒上部排出，进入大气“3 。 体 灰斗 图1 1 静电除尘器结构示意图 电除尘器的优点很多，除了阻力小之外，而且节能高效，不产生二次污染，适用于 3 河北大学理学硕士学位论文 多种烟尘的净化。 1 1 2 静电除尘器的工作原理 电除尘器是利用静电力( 库仑力) 实现粒子与气流分离一种除尘装置。其除尘过程大 致分为以下几个过程： ( 1 ) 气体电离 众所周知，物质的原子是由带正电荷的质子与不带电荷的中子组成的原子核以及在 核外高速运动的带负电的电子组成。电子比较容易受撞击或外力影响而脱离原子核的束 缚，成为带负电的“自由电子”。这些自由电子有些还会附着在其它颗粒或分子上， 成为带负电的质点，称为“负离子”。气体分子失去一个电子以后，就多出个正电荷， 呈现出带正电的性质，称为“正离子”。这种中性气体分子分离为正离子和负离子( 包括 自由电子) 的现象，称为气体的电离。 ( 2 ) 粉尘荷电 当在放电极和收尘极之间施加直流高电压，放电极周围的小区域内空气全部电离， 可以看到一圈蓝色的光环，此时为电晕放电( 下面将作详细介绍) 。放电极称为电晕极。 当外加电压进一步加大，空气电离的范围逐渐扩大，最后导致两极间的空气全部电离。 在放电极附近的所谓电晕区内正离子立即被放电极( 假定带负电) 中和，自由电子和随即 形成的负离子则因受电场力的驱使向收尘极移动，并充满到两极间的绝大部分空间。当 含尘气流通过电场空间时，气流内粉尘粒子与自由电子或负离子碰撞结合，便实现了粉 尘的荷电”3 。 ( 3 ) 粉尘沉降 荷电粉尘在库仑力的作用下向收尘极运动，经过一段时间后达到收尘极表面，然后 放出其所带电荷而沉积在收尘极上。 ( 4 ) 清灰 当收尘极表面上的粉尘达到一定的厚度时，用机械振打( 包括自动装置振打) 或者水 洗的方法等等将其除掉，使之落入到下部的灰斗中。放电极也会附着少量粉尘，隔一定 时间也需要进行清灰4 瑚7 。 电除尘四个物理过程可由下袁表述： 第1 章电晕放电 氢佳虫矗蕉提 电晕放电产生大量的正负离子 j r 猃尘蕴曳过程 电晕区内正离子立即被电晕极表面中和，自由离子、负离子在电场力作 用下向收尘极迁移。粉尘与负离子、自由离子碰撞结合成带负电的粉尘 ( 荷电) 、l 蝗燃 在电场力作用下，荷电粉尘运动到收尘极表面放出电荷沉积在表面，形 成粉尘薄层 上 l 遭燃 i 收尘极表面粉尘到一定厚度时需用外力如振打方法进行清楚 1 1 。3 静电除尘器特点 电除尘器可有效地收集煤尘中的微米级粒子，有效减少总悬浮微粒( t s p ) 使系统 的排放尘粒浓度小于1 2 0 m g n m 3 。电除尘器的除尘效率在9 9 以上。并具有一下特点： ( 1 ) 阻力小，耗能少一台处理烟气量为4 0 0 0 0 0 m 3 h 的电除尘器，电源最大功率 不超过6 0 k w 。由于烟气进入电除尘器后既不转弯，又不与其它物体碰撞，加之流速较 低，气体阻力很小，压力损失一般为2 0 0 p a ，串联4 个电场也不会超过3 0 0 p a a 与袋式 除尘器、旋风除尘器或文丘里洗涤器相比，电除尘器的阻力仅仅是它们的i 5 一l 8 。 因此大大节约电力消耗。 ( 2 ) 收尘效率高电除尘器的除尘效率，理论上可达到接近1 0 0 的任何效率。实际 上所需效率应根据具体情况确定。 ( 3 ) 适用范围广电除尘器甚至能捕集到0 1 u m 的细颗粒粉尘，粉尘浓度允许高达 每立方米数十克甚至上百克：能适应4 0 0 c 以下的高温烟气。 ( 4 ) 处理烟气量大随着大型工艺设备的日益增多，要求处理的烟气量也大为增加。 5 河北大学理学硕士学位论文 例如，高炉出铁场的烟气量可达t 0 0 0 0 0 0 m 3 h ，6 0 0 m w 发电机组排出的烟气量在 3 0 0 0 0 0 0 m 3 h 以上。电除尘器比较容易实现大型化，目前已出现单台处理1 2 0 0 0 0 0 m 3 h 烟气量的电除尘器。 ( 5 ) 自动化程度高，运行可靠电除尘器可以采用微机实现全盘自动化。由于其运 动零部件少，在正常情况下维修工作量较小，可以长期连续安全运行。 ( 6 ) 一次投资大与其它除尘设备相比，电除尘器结构较复杂，消耗钢材多、一次 性投资费用较高。电除尘器对制造、安装和维护管理水平要求较高。 ( 7 ) 应用范围受粉尘比电阻的限制电除尘器的收尘性能受粉尘比电阻的支配，粉 尘比电阻在1 0 6 1 0 1 1q c m 范围以外，则除尘效率显著下降。因此粉尘比电阻过高或 过低，采用电除尘器不仅不经济，有时甚至不可能。 1 1 4 静电除尘器的分类 根据静电除尘器的结构特点，可以作不同的分类，现仅从以下四方面作一简单介绍： ( 1 ) 按照收尘极的形式可分为管式和板式静电除尘器两类 管式电除尘器的结构如图1 1 所示，收尘极一般为圆形金属筒，筒的直径为1 5 0 - - 3 0 0 m m 左右，长度为2 5 m ，通常采用多个圆筒并列的结构。为充分利用空间和节省 钢材，有的采用端面呈六边形( 或称蜂窝形) 的，也有采用多圈同心筒的形式，在各圈圆 筒之间均布电晕线，管式电除尘器适用于气体量较小的情况，一般采用湿式清灰方式。 板式电除尘器一般采用压制成各种平面结构的平行钢板作为收尘电极，极板之间均 布电晕线。板式除尘器的结构布置较为灵活，可以组装成各种大小不同的规格。一般以 除尘器的端面面积表示，可以从几平方米到一百平方米以上。板式电除尘器也可以采用 湿式清灰方式，但绝大多数采用干式清灰方式。 ( 2 ) 按照气流流动方向可分为立式和卧式电除尘器两类 在立式除尘器中，气流通常是由下而上流动的。管式电除尘器都是立式的，板式电 除尘器也有采用立式的。立式电除尘器高度较高，气体通常从上部直接进入大气。在卧 式电除尘器中，气体水平流过电除尘器。根据结构和供电的要求，通常每隔3 米左右( 有 效电场) 分隔成单独的电场，根据所需除尘效率确定几个电场，常用的是二或三电场， 也有多到设四个电场。 在工业废气中，卧式的板式电除尘器是应用较为广泛的一种。 第1 苹电晕放电 ( 3 ) 按照粉尘荷电阶段和分离段的空间布置不同分为一段式和两段式电除尘器两类 粉尘的荷电和分离沉降均在同一空间内的电除尘器一般为一段式电除尘器；反之， 将分设在两个空间区域的称为两段式电除尘器。一段式电除尘器式目前在工业废气除尘 中应用最为广泛的一类。过去，两段式电除尘器主要用于空气调节系统的进气净化方面。 近年来，己开始应用于废气净化方面。据介绍，它也适用于高比电阻粉尘的除尘，可以 防止反电晕，并具有体形小、耗钢少、耗电少的特点。 ( 4 ) 按照沉积粉尘的清灰方式可以分为湿式和干式电除尘器两类 湿式电除尘器是用喷水或溢流水等方式使收尘极表面形成一层水膜，将沉积在极板 上的粉尘冲走，湿式清灰可以避免沉积粉尘的二次扬尘，达到很高的除尘效率。因无振 打装置，运行也较为稳定。但是，与其他湿式电除尘器样，存在着腐蚀、污泥和污水 的处理问题。所以，只是在气体含尘浓度较低、要求除尘效率较高时才采用。 干式电除尘器是最常用的一种形式，它是用机械振打等方法实现极板清灰。回收的 干粉尘便于处置和利用。但振打时存在二次扬尘问题，导致除尘效率降低嘲”。 1 2 电晕放电 1 2 1 电晕放电一般特性 1 2 1 1 汤生电子雪崩理论 一切电流通过气体的现象称为气体导电或气体放电。不同的工作条件将产生不同的 气体放电现象，并具有不同的放电性质。在研究气体放电现象时，通常把放电分成两大 类：一类是非自持放电，另一类是自持放电。放电从非自持过渡到自持的现象，称为气 体的击穿。 非自持放电是指存在外致电离源的条件下放电才能维持的现象。自持放电是指去掉 外致电离源的条件下放电仍能维持的现象。在外致电离源的作用下、当放电管两端电压 增加到某一足够值，管内电流突然增大。此时若移去电离源，放电电流仍足够大，即此 刻放电的形成与外致电离源的存在与否无关，这种状态称自持放电。放电从非自持放电 转变到自持放电的过程称为气体的击穿过程或着火过程，这种放电的现象与理论由科学 家汤生在本世纪初首先研究并建立，敌称为汤生放电。瑚7 。 在分析了大量实验情况后，汤生认为电子在均匀电场中运动，不断从电场获得能量， 电子碰撞气体原子引起电离，损失能量。在平衡态这两部分能量应该相等。新电离出来 7 河北大学理学硕士学位论文 的带电粒子被电场加速，也能引起电离。当一个初始电子从阴极跑向阳极并引起碰撞电 离，顺序发生第l ，2 ，3 ，4 次碰撞电离，新产生的电子也向阳极运动并产生碰撞电 离，相应的向阳极运动的电子数增加到2 ，4 ，8 ，1 6 个。电子愈走愈多，像雪崩式 增长，故称电子雪崩。雪崩理论适用于电子在电场作用下有向运动占优势，电子无规则 热运动占劣势的放电区域“”4 。 汤生电子雪崩理论的伏安特性曲线如图l 一2 所示，可分为t 。、t 。和t 2 三个部 图1 2 汤生电子雪崩理论伏安特性曲线 分。在t o 区，作用在电极间的电压很低，气体中流过的电流也很小，如图所示从零开始 上升，而后趋于饱和，这是剩余电离下的带电粒子在电场作用下作定向迁移的结果。由 于宇宙射线和地壳中放射性元素的辐射作用，任何时刻、任何地点的任何气体中均具有 一定量的电子和离子，这种现象叫做剩余电离。在没有外场的情况下，这些带电粒子与 气体分子一样在空间作杂乱无章的运动。当放电管两端加上较低的电压时，电子和离子 在场的作用下作定向运动，于是电流从零开始逐渐增加，当极问电压足够大时，所有的 带电粒子都可到达电极，这时电流达到某一最大值。剩余电离产生的带电粒子密度一般 很弱，所以t 。区域中饱和电流值仍很小( 约l o - 1 2 a 量级) 。 汤生认为在t ，区域里的放电机理是：从阴极发射的电子在电场作用下获得足够的能 量，它们与气体分子碰撞并产生电离，导致带电粒子的增加，放电电流随之上升。而在 t ；区域里，电子与气体分子碰撞产生的正离子，从较高电场中获得的能量已足以在与气 体分子碰撞时使之电离，从而使放电电流进一步增大。这里，从阴极发射出的最原始的 电子是某种光电效应产生的，如果这种光电效应突然消失，那么汤生放电区域中的电流 会立刻中断，所以这种放电属于非自持放电。 当作用在电极问的电压大于某一临界值v 时，放电管的电流会突然迅速上升。这时 第1 章电晕放电 即使移去外界电离源，放电照旧维持，气体中出现了某种类型的自持放电，如辉光放电 或弧光放电。这时称气体产生了击穿或着火，其临界电压值v 就称为击穿电压或着火电 压。当然，此时产生的自持放电的性质还决定于放电通道和外电路的条件。”8 。 汤生放电理论就是根据上述的放电基本过程，引入三个系数口，和y 来描述电子和 正离子产生气体电离的机理。 汤生第一电离系数( 电子对气体的体积电离系数) g 表示一个电子沿着阴极到阳极 方向运动时，经过单位路程与气体原子发生碰撞电离所产生的自由电子的数目。这种电 离过程也称口过程。 汤生第二电离系数( 正离子的体积电离系数) 口表示一个正离子沿着阳极到阴极方 向运动，经过单位路程与气体原子发生碰撞的次数。这种过程也称卢过程。 汤生第三电离系数( 正离子的表面电离系数) ，表示一个正离子轰击阴极表面，使阴 极逸出的次级电子数。实际上，除了热发射和场致发射外，放电时所有在阴极表面发生 的基本过程所引起的电子发射过程均总称为y 过程。负电晕就是应用的这种过程“咖“。 1 。2 。1 2 电晕放电的一般特性 电晕放电( c o r o l l ad i s c h a r g e ) 是在大气压或高于大气压条件下，电极表面曲率半径很 小，放电空间电场分布不均匀，电极表面附近电场较强时，发生的放电现象。在电极附 近有一个发光的电晕层( 也h q 起晕层) ，层内电场很强，产生强烈的电离和激发。电晕层 外部，电场比较弱，不发生电离和激发，这个部分叫电晕放电的外围区，这个区域是不 发光的暗区，正负带电粒子在弱电场的作用下发生迁移运动，它们决定了这个空间的电 导，电晕层的强电场到外围区的弱电场的过渡不是突变的，而是逐渐变化的。因此，空 间电离和激发由强到弱的变化也是逐渐过渡的“”“。 在电晕放电中，一般来说，电极的几何构形起着重要作用。电场的不均匀性把主要 的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近或 大或小的薄层中，气体的发光也只发生在这个区域里，这个区域称为电离区域，或称之 为电晕层或起晕层。在这个区域之外，由于电场弱，不发生或很少发生电离，电流的传 导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被成为迁移区域或 外围区域。若两电极中仅有一个电极起晕，则放电的迁移区域中基本上只有一种符号的 9 河北大学理学硕士学位论文 鼍昙5 詈晕曼! 量鼍置篁曼量皇! ! 曼曼! 辜兰葛鲁邕曾_ 置詈皇! 曼= ! 墨曼詈皇田罡i 一 i , i ! 詈岂! ! 带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。 形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。在负电性气体中( 如气 压为1 0 5 p a 的空气) ，当电极为球平面几何构形，电极间隙为球半径时；可建立电 晕放电；与此相反，若充以非负电性气体，则不会产生电晕放电现象。 电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压的大小，电极的形状、极间距离、 气体的性质和密度。电晕放电是一种自持放电，它不需要外加电离源来引发和维持放电。 另外，电晕放电的电压降不取决与于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导； 在迁移区域内存在单极性的空间电荷时，它防碍着放电电流的通过，此时电晕放电的电 压降大部分落在迁移区域上。 电晕放电的产生，以及向其他放电形式的过渡：极间电压从零开始逐渐增高，起初 只发生非自持的暗放电，电流的大小由空间剩余的电离量决定，所以很微弱。当极间电 压增加到“起晕电压”( 稍后将作详细介绍) 后，非自持暗放电向电晕放电过渡，过渡满 足自持放电条件： d y e x p ( 【a a x ) 一1 】= 1 ( 1 1 ) 在电晕放电中，积分上限d 不是代表整个极间距离，而只是在曲率半径小的电极表面附 近的电晕层厚度。这时在这个厚度d 内，建立了一个足以产生碰撞电离和激发的电场， 激发粒子的自发辐射跃迁是这个层发光的原因。电晕放电的电流范围，通常在微安至毫 安量级。当电压增加时，电晕层的厚度扩展，发光亮度也随之增加，电晕电流强度也增 大。一直到收尘极间电压增加到这样一个值，扩展的电晕层和相对电极的电晕层相接， 或者与相对的电极相接，即两个电晕层厚度之和d 1 + d 2 - - 2 b ( 2 b 是极间距离) ；或者一个 电晕层的厚度d _ 2 b 。这时放电空间的电晕层外围区已不复存在。由于放电空间低电场 区的消失，放电回路的电流就可能大大增加，最后受到回路电阻和电源功率的限制。如 果回路电阻小、电源功率有限，电晕放电将过渡到火花放电；如果电源能提供直流大电 流，电晕放电将过渡到弧光放电o ”。 研究电晕放电的目的：一方面是研究它对人们有害的方面。例如高压传输电路和高 电压设备中出现的电晕现象，造成能量损失，严重时损坏设备；它对无线电和电视广播 有干扰，对遥测和遥控有干扰。这就是为什么要建立耗资颇巨的实验基地，对电晕现象 进行大规模研究的原因。二是研究如何利用电晕放电现象来造福人类。例如应用直流高 第1 章电晕放电 压负电晕建造高压静电除尘器，在防止环境污染和改善生活环境方面有重要意义“”。 1 2 1 3 起晕电压 起晕电压是指开始发生电晕放电时的电压，也称临界电压。与之相对应的电场强度 成为起晕场强或临界场强。 影响起晕电压的各种因素和电晕放电的伏安特性对电除尘器具有重要的实际意义。 电除尘器的伏安特性取决于电极的形状、电压波形和极性、气体的组成和状态、电极上 集尘的厚度和性质以及悬浮粉尘的浓度和粒径等因素。板式静电除尘器的伏安特性较为 复杂，我们以管式静电除尘器的结构加以说明。 未发生电晕时，两极间不存在空间电荷，电除尘器内各点场强和电压的数学表达式 比较简单。对于管式电除尘器，将电晕线近似的看成无限长均匀带电直线，有高斯定理 可以得到距电晕线距离为r 处的场强与电晕线和圆筒间电压v 的关系式： 矿 e r2 j ( 1 2 ) ，m a 其中： b 为圆筒半径 a 为电晕线半径 由上式可以看出：在电晕开始发生之前，管式电除尘器中任一点的场强随极间电压的升 高雨增大；随该点距电晕线的距离r 的减小而增大。在电晕线表面( r = a ) 上，场强达到了 最大值：在收尘极表面( r = b ) 上，场强最小。 电晕开始发生所需的场强取决于几何因素及气体的性质。皮克f p e e k ) 通过大量的实 验研究，就圆形电晕线在空气中产生负电晕所需起始场强提出一个经验计算公式： e = 3 1 0 6 m ( a 一0 0 3 4 - 历) ( v m ) ( 1 3 ) 式中： 艿为空气的相对密度 a 为电晕线半径 m 导线光滑修正系数，一般在0 5 1 之间，对清洁的光滑导线1 1 0 _ = 1 ，对实际中遇 到的导线可取o 6 一o 7 。 河北大学理学硕士学位论文 由式( 1 2 ) ，f a 时，圪= e a l n ( b a ) 代入式0 3 ) 后，求得起始电晕电压公式： 匕= 3 1 0 6 a m ( 6 一o 0 3 4 出) h a ( b a ) ( v )( 1 4 ) 起始电晕电压随电极的几何形状而改变，电晕线越细，电晕起始电压愈低。当两极 间的电压增高到大于起始电晕电压时，由于电晕过程产生的离子数增加，则极间电流相 应增大“。 1 。2 。2 电晕放电机理 电晕放电包括正电晕、负电晕和双极电晕。由于在本论文涉及的所有实验中，运用 的都是负电晕放电原理，所以只对负电晕作详细介绍，正电晕和双极电晕作简单介绍。 1 。2 2 1 正电晕 如果把曲率半径小的电极做阳极，那么围绕着阳极细放电极产生的电晕叫做正电 晕。电晕层的外围一直到阴极并不呈现光辐射，阴极表面也观察不到类似辉光放电那样 的阴极区结构，因此可以断言，正电晕和负电晕在放电过程中有着原则上的区别。 有人应用l b l o e b 的流光理论来解释正电晕的物理过程。当正电压加到曲率半径 较小的阳极上时，最初的可观察到的电离具有丝状分枝的性质，如图l 一3 所示，这就 是流光僦。这里产生的流光和在均匀场中产生的相似，不同的只是在均匀场中的分枝 数目要少。一旦产生电晕放电，进入电晕层的电子是靠电晕层内强电 k 醅 ( c )【i ) 图1 - - 3 小曲率阳极的流光示意图 场中激发粒子的光辐射产生的，光致电离所形成的电子在电晕层中引起雪崩放电， 产生大量的激发和电离，最后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，进入弱电场的外围 1 2 一 一 u n 一i f v 第1 苹电晕放电 区向阳极作迁移运动。外围区中只有正离子，因此叫做正单极电晕放电。事实上也的确 在很多气体和蒸汽中的正电晕层观察n t 不连续的发光细丝( 流光) 。而且在以尖端金属 作阳极，以大地为阴极产生的正电晕中，可以证明电晕层中的电子雪崩来源，绝对不可 能是大地的正离子次级电子发射“”“。 1 2 2 2 负电晕 负电晕是电晕层出现在曲率半径小的阴极的放电形式。因为阴极是尖针状的或者是 细丝状的，而阳极是圆筒或平板，在这样的阳极附近电场比较弱，不会出现电晕。这里 以针状电极为例。 l 不存在空间电荷时的情况 当一个负的电压脉冲加到针形电极上时，所产生的电离过程不受任何空间电荷积累 的影响。 若在平行于针电极轴的位置上观察放电径迹的照片，可以看到羽毛状的放电径迹， 其强度逐渐地下降，且它们的边界是模糊不清的。 与正流光相比，负羽毛状的电晕要在更高的电压下才起始，其径迹在径向和轴向的 传播相对都较慢，因此在同样的电压下，与正流光相比，其传播的范围要小的多。羽毛 状的放电的通道比正流光的要宽，但放电的数目一般不超过8 到l o 个，而正流光可达 到多至3 0 0 到4 0 0 个单独分枝。 当羽毛状的放电通道逼近阳极时，它的速度会增加；而当正流光进入放电间隙的低 场区域时，其传播速度是下降的。行为上的这个差别是基于如下事实：与正流光传播下 的负极平面相比较，负羽毛状放电传播时的正平面更早更强地参与了放电过程。 图1 4 描述了从羽毛状电晕放电过渡到火花放电的顺序。这个顺序是由电子雪崩 开始的，电子的数目为e x pr 础；这里，电子向外运动，进入电场下降的区域，即进 i 入口值下降的区域，而且电子沿着电力线运动，并相互发散开来，而在正电晕中，电子 在运动中却是相互会聚的。 通常，有几个雪崩同时发展起来，如果它们靠得足够近并且相互汇合起来，就可形 成一个发光的区域。 在空气中，电子的发射和吸收会使雪崩前部的电子产生分离，这些光电子受到正在 前进的雪崩空间电荷所加强的电场的作用。将再次获得足够的能量，从而能在仍继续前 河北大学理学硕士学位论文 竺! ! 掌! ! 詈| 詈! ! ! ! 岂! ! ! ! j 鲁舞i i l j 皇j _ 墨! ! ! 詈! 墨墨曼晕鼻篁墨墨_ 墨世皇皇量量暑! 詈墨暑烹墨曼曼詈苎寡蛸皇墨 c a ) ( 6 ) ( c ) ( d ) 图l 一4 击穿示意图 ( a ) 一个雪崩产生一个羽毛，雪崩中发射和吸收光子，并产生一些光予 ( b ) 光电子在正向前运动的原始雪崩头部前面产生一个雪崩 ( c ) 光电子产生一簇新的雪崩的同时，老的雪崩继续前进 ( d ) 一个羽毛的顶端逼近了阳极平面，在那儿两个正流光都向着阴极发射出来 进的原始雪崩的头部前面产生新的雪崩，如图l 一4 ( b ) 所示。这些雪崩倾向于相互排斥， 引起弯曲和类似羽毛状的径迹。与此同时，原始雪崩在长度上进一步增加，雪崩的第二 代留下了一个楔形的正离子空间电荷，这个电荷场增加了在原始雪崩头部的电场，因此 使原始雪崩在电离加强的条件下进一步向前运动。在此期间，新的光电子又将在第二代 雪崩前面产生，整个过程将经过多次类似的发展，如图1 4 ( c ) 所示。 最后，当所加电场在远离针电极处变得太小以至不能维持电离时，整个过程将被瓦 解，可以记录到图1 4 ( d ) 中所示的众多的电离径迹。 图1 - - 4 ( d ) 说明了从正平面电极后退正流光的缠身，当负的羽毛状电晕非常接近阳 极平面，从而产生局部高电场时，就会发生后退的正流光，其原因时在局部高电场区内 1 4 第1 章电晕放电 光电子能引发等同于在针阳极情况下的正流光。一旦引发后，这些流光并不需要高的电 场而向着迎面而来的羽毛传播，当两个电离波相碰时，一个电离的通道沟通了两个电极。 如果导电率( 带电粒子的浓度) 足够高的话，一个不稳定的状态将发展，积聚在电极上的 电荷将会放电。形成一个高温的等离子体通道火花。 2 存在空间电荷的情况 当外加稳定电压作用到非均匀间隙上时，由于空间电荷的积累，会出现新的电场分 布和新的电晕模式。 当加在针一板间隙间的电压逐渐增加时，开始可测得数量级为1 0 “4 a 的电流，此 时未发生电离，电流时饱和电流。在某一电压处，一个突然的电流的增加预示了一个电 离形式的发展，此电离形式产生规则的电流脉冲，这些电流脉冲称之为毛发状脉冲。 图i 一5 给出了不同电晕的起始电压和电极间距的函数关系，最下边的蓝线给 s 岂 x 幽 删 火花 辉瓷 矽 勿 乞 ，毛发捩棘；中 钐 i 电建皤区 ， 闻豫距离d ( xl o o m ) 图1 - 5 主要阴极电晕模式和它们的区域 出了毛发状脉冲的起始电压。在相同条件下，该起始的电压大小与正流光的起始电压接 近，在相当大的电压范围内，提高电压并不改变电晕的模式。因此，毛发状脉冲存在的 区域比较大。在此之后，出现一个新的电晕模式，在这个模式中流动着稳定的电流，在 阴极处可以观察到辉光。此辉光的起始电压的数值并非固定，而是有一个宽的过渡区域。 在过渡区以上，稳定的辉光电晕继续存在，直至火花击穿发生。洲“”。 河北大学理学硕士学位论文 1 2 2 3 双极电晕 如果阴极和阳极的曲率半径都很小( 如尖端对尖端、导线对导线) ，两电极附近的电 场都比中间区域强的多，则正电晕与负电晕可以同时出现，这成为双极电晕。此时，通 过电晕层外围区的电流已经不再是单极性的，而是同时有正负带电粒子。 因为有异号带电粒子通过电晕层外围区，使限制电流的空间电荷作用显著减弱，所 以在相近条件下，双极电晕比单极电晕的起晕电压要低，而放电电流要大“”“”。 - 1 6 - 第2 章粉尘特性分析 第2 章粉尘特性分析 2 1 粉尘粒径 粉尘大小是粉尘的基本特性之，如果粉尘粒子的大小不同，对除尘器的除尘效率 和性能影响会比较大。 如果粉尘的粒子是大小均匀的球体，则可用其直径作为粒子的代表性尺寸，称为粒 径。但在实际中，不仅粉尘粒子的大小不同，形状也不规则，所以需要按一定的方法确 定一个表示粒子大小的最佳的代表性尺寸，作为粒子的粒径。一般是将粒子分为代表单 个粒子大小的单一粒径和代表各种不同大小的粒子组成的粒子群的平均粒径呻，。 2 1 1 单一粒径 粉尘粒子的几何形状一般是不规则的，粒径的测定方法不同所得粒径值也不同。单 一粒径的测定方法主要可分为两类：一是按粒子的几何性质来直接测定和定义，如显微 镜法和筛选法。另一类是按粒子的某种物理性质间接测定和定义，如沉降粒径、球等值 粒径和分割粒径等。本文所做实验应用的是筛选法。 2 1 2 平均粒径 对于一个由粒子大小和形状都不同的粒子组成的粒子群，以及一个由均一的球形 ( 或立方体) 粒子组成的假想粒子群，如果两者具有相同的某一物理性质，则称此球形粒 子的直径为实际粒子群的平均粒径，利用它可以简明的表示粒子群的某些特性“。 2 2 粉尘粒径的测量 煤尘品种繁多。本课题主要对实验室现有的山末和榆林混合粉进行分析。 2 2 。1 粉尘粒径的测量方法 粉尘粒径的测量方法通常有以下几种：筛选法、显微镜法、库尔特计数器法、气体 沉降法以及液体沉降法等。此处采用筛选法。筛选法是一种常用的方法。一定量的尘样 通过一套分选筛精心筛分，按不同孔组上的残留率进行计算，找出占总质量的百分数。 我国采用泰勒标准筛，最小孔径4 0 u r n ( 3 6 0 目) 。筛选法可有手工法和振打机筛选分法， 要求任何一筛分都要达到每分钟通过每只筛子的尘量不超过0 0 5 克或筛上尘量的0 1 为止 1 6 】。 河北大学理学硕士学位论文 2 2 2 测量步骤 ( 1 ) 校对电子秤。将电子秤( 型号：a c s 一3 h ) 清零，精确度为1 克。 ( 2 ) 选取样品。秤取十份山末，每份2 0 0 克，同时记录下秤取时的环境和温度。 ( 3 ) 记录每个分样筛的重量( 包括底盘) 。取一份样品放入分样筛中，分样筛规格从 上往下依次为4 0 目、1 5 0 目、2 0 0 目、3 5 0 目、4 0 0 目和底盘。 ( 4 ) 分筛。盖好筛盖，采用手工分筛，理论上要求任一筛分都要达到每分钟通过每 只筛子的尘量不超过0 0 5 克或筛上尘量的0 1 为止。手工振荡3 5 0 次。 ( 5 ) 记录数据。分别称出每个分样筛中样品的质量，将数据记录到表格，包括温度 和适度。并将样品放入塑料袋中密封。( 若由于分样筛中样品太少而无法称量， 可将5 次或者l o 次同一目的样品一起称量) ( 6 ) 为了减少误差，依次重复2 5 步，直至该十份样品全部做完。 ( 7 ) 将若干份2 0 0 克的山末样品烘干进行2 6 步。 ( 8 ) 将山末换成榆林混重复上述2 - - 7 步。( 每份榆林混的质量和塑料袋总重2 0 0 克， 塑料袋为0 9 5 克，故每份样品为1 9 9 0 5 克) ( 9 ) 计算所得样品质量与总质量的百分比。 2 2 3 测量结果 测量结果如表2 一i 所示，并计算出样品中各粒径范围内粉尘质量所占总质量百分 数的平均值( 即十次的平均值) 。 2 3 结果分析 根据表2 一l 。我们可以得到以下结论： ( 1 ) 小于0 5 m m 的粉尘含量约为1 5 一2 0 ，是需要用除尘器来处理的。因为其符 合 0 5样品质量g 1 7 0 31 4 5 2 51 6 5 91 3 9 3 8 百分数 8 5 1 5 8 2 1 5 8 3 3 4 7 8 0 4 0 1 一o 5 样品质量g 2 4 8 52 3 7 52 9 53 2 6 3 百分数 1 2 4 3 1 3 4 3 1 4 8 2 1 8 2 7 0 0 7 6 0 1样品质量g4 2 5 2 4 41 92 8 8 百分数2 1 3 1 3 8 0 9 5 1 6 1 0 0 5 0 0 7 6样品质量g o 21 3 11 1 1 1 9 百分数 0 ，1 o 7 4 0 5 5 0 6 7 0 0 5 8 - 0 0 5样品质量g o 32o 42 5 百分数 0 1 5 1 ，l 勰0 2 0 1 4 0 0 0 3 8 样品质量g 0 12 0 ，2 5 百分数0 0 5 l - 1 3 0 1 2 无 ( 4 ) 山末和榆林混中水分含量分别约为1 1 6 和1 0 3 。 经过对山末和榆林混粉尘粒径分布的特征进行了分析，从而了解了煤粉的粒径分布 的大致情况，证明用静电除尘器对其进行除尘是可行的。本论文旨在通过一系列的实验， 来研究静电除尘器的各种工作参数：如同极间距、放电极间距、工作电压、工作电流、 极配型式等等。 河北大学理学硕士学位论文 第3 章高压静电除尘器放电特性研究 本章以线板型的静电除尘器为主，以其他极配型式的静电除尘器为辅，研究了高压 静电除尘器的放电特性。 3 1 线板型高压静电除尘器放电特性的分析 3 1 1 线板型除尘器放电特性的理论分析 3 。1 1 1 多依奇