（机械工程专业论文）静电除尘器阳极振打系统的非线性分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 、 学位论文作者：1 刁钥移篡 日期：口p 年易月2 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：习与缸 同期：1 9f 。年6 月 乙同 摘要 摘要 现代化工业飞速发展，人类生存的环境受到越来越多的破坏，保护环境也 就显得同趋重要，防止大气污染便是其中一个重要方面。作为控制大气污染的 环保设备，电除尘器由于具有收尘效率高、阻力小、能耗低、能处理高温和大 烟气量的气体、运行费用低、坚固耐用、维护管理方便等特点，被广泛应用于 各工业部门炉、窑的烟尘净化。近年来，由于国家出台的越来越严格的排放标 准，对电除尘器的设计，质量以及效率提出了更高的要求。 电除尘器振打系统是电除尘器的重要部件，直接影响着电除尘器的除尘效 率。电除尘器的振打运动实质上就是冲击、振动与撞击等运动在电除尘器中的 应用。振动作为电除尘器清灰的主要手段，为除尘器的正常运行提供了强有力 的保证，但是当前由于振动所产生的故障也是电除尘器运行中存在的最主要的 故障，在振打锤的频繁打击下，被振打的极板极易引起疲劳损伤、结构联接件 容易发生松动、还有掉锤、卡轴等等故障，严重的影响了电除尘器的正常运行， 致使整个生产线遭到破坏，造成停产，损失巨大。 随着计算机的普遍应用，对电除尘器振打系统多采用动力学进行强度和刚 度分析。该方法可以反映电除尘器振打系统设计中存在的薄弱部位，大大提高 了计算的准确性，是比较理想的计算方法。因此，对电除尘器振打系统进行动 力学分析是必要的。 根据静电除尘器阳极板振打系统的结构特点，以除尘器阳极板振打系统作 为具体研究对象，建立了具有单自由度的静电除尘器阳极板振打非线性振动系 统的动力学模型，并用m a t l a b 方法对其进行了参数计算和仿真，得到了振打过 程中不同频率下的相图、p o i n c a r e 图和时域图。从所得仿真结果分析频率变化 对振打效果有很大的影响，为静电除尘器阳极板振打系统动态特性的分析提供 了简便有效的方法，对改进阳极板设计，提高该除尘器的作业效率，降低设备 故障率有重要的指导意义，而且为同类型除尘器的设计制造以及提高振打清灰 的效率提供一定的理论参考。 关键词：除尘器；极板；m a t l a b ；非线性：混沌 论文类型：应用研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e s ，t h e e n v i r o n m e n tf o rh u m a n s u r v i v a l ，m o r ea n dm o r ed a m a g e ，p r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n tw i l lb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti ti st op r e v e n ta i rp o l l u t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n ta s p e c t s 舡t h e e n v i r o n m e n t a la i r p o l l u t i o n c o n t r o l e q u i p m e n t ，e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rd u s t c o l l e c t i o nb e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , s m a l lr e s i s t a n c e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， h e a ta n do p i u mt od e a lw i t ht h eg a sv o l u m e ，l o wo p e r a t i n gc o s t ，s t u r d i n e s sa n d d u r a b i l i t y , e a s ym a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ta r ew i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a l s e c t o r so ft h es o o tp u r i f y i n gf u r n a c e s i nr e c e n ty e a r s ，t h en a t i o n a li n t r o d u c t i o no f t h e i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o ns t a n d a r d s ，o nt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rd e s i g n ， q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fah i g h e rd e m a n d r a p p i n ge s pe s ps y s t e mi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n t ，ad i r e c t i m p a c to nt h e e f f i c i e n c yo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rd u s t i ne s s e n c e ，i st h ei m p a c to fv i b r a t i o n ， v i b r a t i o na n di m p a c ti nt h e a p p l i c a t i o no fe s ev i b r a t i o nc l e a n i n ge l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ra st h ep r i n c i p a lm e a n sf o r t h en o r m a lo p e r a t i o no fd u s tc o l l e c t o rp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e ，b u tt h ec u r r e n tf a i l u r ed u et ov i b r a t i o ng e n e r a t e db yt h eo p e r a t i o n o fe l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ri s t h ee x i s t e n c eo ft h em a i nf a u l t ，i nt h ev i b r a t i o n f r e q u e n c yo ft h eh a m m e ru n d e rt h ea t t a c kb yt h ev i b r a t i o no ft h ep l a t ec a ne a s i l y c a u s ef a t i g u ed a m a g e ，t h es t r u c t u r eo fc o n n e c t e dp a r t sp r o n et o l o o s e n i n g ，a sw e l la s d r o ph a m m e r s ，a x e s ，e t c c a r df a i l u r e ，s e v e r e l ya f f e c t e dt h en o r m a lo p e r a t i o no f e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , r e s u l t i n gi nt h ed e s t r u c t i o no ft h ee n t i r ep r o d u c t i o nl i n e ， r e s u l t i n gi np r o d u c t i o nl o s so ft h eg r e a t w i t ht h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fv i b r a t i o no nt h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r s y s t e mf o rt h eu s eo fk i n e t i ca n a l y s i so ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s t h em e t h o dc a n r e f l e c tt h ee s p s y s t e md e s i g nr a p p i n gt h ew e a kp a r t s ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ea c c u r a c y o ft h ec a l c u l a t i o n ，i sam o r es a t i s f a c t o r ym e t h o do fc a l c u l a t i o nt h e r e f o r e ，t h ee s p s y s t e md y n a m i c sv i b r a t i o na n a l y s i si sn e c e s s a r y i i a b s t r a c r a c c o r d i n gt ou n i q u ef e a t u r eo ft h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o rp o s i t i v ep l a t e s t r o k e ns y s t e m ，n o n 。l i n e a rd y n a m i c a lm o d e lo fs i n g l e d e g r e ef r e e d o mo nv e r t i c a l v 1 b r a t i o ns y s t e mo ft h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rp o s i t i v ep l a t es t r o k e ns y s t e mh a s b e e ne s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e rc o m p u t a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i sw a sd r a w no u t b ym a t l a bs o f t w a r ea n dt h e nt h ep h a s ed i a g r a m s ，p o i n c a r ed i a g r a m sa n dt i m ed o m a i n d i a g r a m su n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c yd u r i n gt h es t r i k i n gp r o c e s sw e r eo b t a i n e d i t s h o w st h a tf r e q u e n c yh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h em a c h i n i n gs t a b i l i t y a ns i m p l ea n d e f f e c t i v em e t h o di sf o u n di na n a l y z i n gt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o rp o s i t i v ep l a t es t r o k e ns y s t e m k e y w o r d s ：p r e c i p i t a t o r ；p l a t e ；m a t l a b ；n o n 1 i n e a r ；c h a o s t y p eo f t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 目录 目录 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 静电除尘器同i 极板振打系统研究的现状2 1 2 21 卜线性应h j 丁除尘器现状3 1 3 课题的研究意义4 1 4 本课题的主要研究内容4 2 静电除尘器振打理论概述5 2 1 静电除尘器的结构和特点5 2 2 静电除尘器的工作原理6 2 3 静电除尘器阳极板的结构7 2 3 1 极板的形式7 2 3 2 极板与上悬j 幸梁、。卜振打杆的连接方式8 2 4 阳极板振打清灰装置9 2 4 1 日l 极板振打清灰装置的i ：作原理9 2 4 2 清灰方式一侧向挠臂锤振打清灰1 0 2 4 3 侧向挠臂锤振打传动系统的组成1 0 2 5 本章小结1 l 3 静电除尘器阳极板振打的动力学分析1 2 3 1 侧向挠臂锤的运动分析1 2 3 2 侧向挠臂锤撞击砧板的运动过程分析1 4 3 3 侧向挠臂锤撞击砧板的振打力的分析1 6 3 3 1 积聚在极扳上的粉尘受到的作用力的分析1 6 3 3 1 振打力的分析1 7 3 4 阳极板振动特性的分析1 7 3 5 本章小结1 8 4 静电除尘器阳极板振打加速度的测试1 9 4 1 清灰的要求和特征1 9 i v 5 6 7 参 致 个人简历、在 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 保护我们共同的地球，是人类共同关心的问题，特别是保护人类赖以生存的 大气空间环境，已为举世瞩目。作为大气污染控制的主要设备之一的电除尘器， 由于具有收尘效率高、阻力小、能耗低、能处理高温和大烟气量的气体、运行费 用低、坚固耐用、维护管理方便等特点，在电力、水泥、冶金、有色、化工、轻 工、电子和机械工业等工业部门获得广泛应用。 近年来，由于国家出台的越来越严格的排放标准，对电除尘器设计，质量以 及效率提出了更高的要求。电除尘器就其机理来说是优秀的，但电除尘本身对烟 气性质和粉尘特性又十分敏感，在过去排放标准不是太高的情况下，不会影响整 体效率。现在要求排放到大气中的烟气含尘浓度5 0 m g n m 。，而且将来还会更高。 这就需要在各个环节如烟尘性质、参数选择、设备选型、气流分布、振打装置、 供电参数的设备选择以及配套设备的合理选用等等都要严格要求。 电除尘技术是一个综合性的学科，它涉及到机械、通风、电器以及力学等各 个方面。特别是冲击、振动与测试技术在电除尘技术中也起到了重大的作用，对 这些学科的正确运用不仅能提高除尘效率而且可以保障设备的高效稳定运行。 电除尘界所讲的振打实质上就是冲击、振动与撞击在电除尘器中的应用。 电除尘器振打系统是电除尘器的重要部件，直接影响着电除尘器的除尘效率。振 打装置的作用是把集中捕集于极板的粉尘清除落入狄斗，它既要使板面的粉尘层 脱落，又不至于引起过多的二次扬尘。振打装置应有适当的振打力和振打频率， 设计不好，不仅不能让沉积的粉尘脱落，引起二次电压下降，导致电除尘器效率 下降，而且还可能引起系统变形及清除下来的粉尘又引起再次飞扬，同样导致除 尘效率下降。 目前电除尘器最佳的清灰方法是振打清灰，这种清狄方式是以一个小物体 ( 振打锤) 去瞬时打击一个大物体( 阳极板) ，使其产生冲击振动，在瞬间阳极 板上产生很大的加速度，使附着其上的粉尘层足够与其分离，待其衰减，脱离的 粉尘层已靠自重而沉降。这种方法优点是花费能量少，而可以获得很高的清灰效 果。但其难点是必须对振打清灰装置及被振打的阳极板悬挂系统均有很高的设计 制造要求。 振打传动系统是电除尘器中唯一运动部件，而且在瞬时间需要承受高达数千 公斤的振打力，因此对振打传动系统必须精心设计，才能使其既稳定可靠运行， 1 绪论 而又能达到很好的清灰要求。目前国内最常用的侧向振打清灰电除尘器，其振打 传动系统在设计上存在不少问题，致使清狄效果不好，阳极板积灰严重，还有掉 锤、卡轴等故障，影响了电除尘器的正常运行，其存在的主要原因为振打系统的 设计参数不合理。以往对静电除尘器阳极摇臂锤振打系统的分析，只考虑静电除 尘器阳极板振打系统的线性振动，即所建立振打系统模型中的刚度和阻尼是不随 时间变化，因此，分析结果与实际情况往往出入大，无实际指导意义。 本文结合某水泥公司2 0 2 m 2 静电除尘器的实际情况，根据静电除尘器阳极板 振打系统的结构特点，建立了具有单自由度的静电除尘器阳极板振打非线性振 动系统的动力学模型他1 ，并用m a t l a b 方法对其进行了参数计算和仿真b 1 ，主要针 对振打频率变化对振打效果的影响进行分析，有助于静电除尘器阳极板振打系统 的深入研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 电除尘器阳极板振打系统研究的现状 目前电除尘器的振打清灰丰要有两大流派，一个是侧向挠臂锤振打清灰另 一个是顶部电磁锤振打清灰。因前者耗能小，有能获得较大的瞬时加速度，特别 在设计、制造、安装均较好的情况下，能使阳极板表面各处均获得足够大的振打 加速度的优点，因此电除尘器大多采用这种振打方式。 静电除尘器阳极板振打系统是电除尘器中唯一的运动部件，而且在瞬时承受 高达数千公斤的振打力。因此对振打系统必须精心设计，才能使其既稳定可靠运 行，并能达到很好的清灰效果。对这类挠臂锤振打装置，西欧的一些著名的电除 尘器厂商，如西德l u r g i 公司、瑞士e l e x 公司、瑞典f l a b k t 公司、英国b e a b o d y 公司都是不惜花费昂贵代价进行了研究。 在这方面的研究国外起步较早，我国于7 0 年代初中期，开始研究这类振打装 置。有以下几个方面：1 ) 针对被振打的阳极板悬挂系统的规模( 阳极板形式、板 高、极板组宽、板厚) 确定振打锤的结构形式和设计参数。根据进行过的大量电 除尘器振打加速度分布测试，同时在组织调研、分析，初步制定振打锤设计参数 选取准则。2 ) 根据过去已有大量现场故障诊断与检测实例，分析研究制定各电 场不同振打锤的锤重比例。3 ) 由于振打锤锤形复杂，计算工作量大，丌发出振 打锤撞击中心计算软件，对每一个振打锤通过计算机进行撞击中心计算，减少了 工作量，尽可能保证准确计算结果。 这些新型的振打传动系统经大量的试验研究与现场实测，证实了振打锤的 形式，当在相同振打力矩条件下，以线接触( 如柱面形振打锤打击平面形砧板) 2 1 绪论 形式比点接触式有更好的振打效果；同样在相同的振打力矩条件下，重锤振扣比 轻锤振打效果好。但当锤的形式选定后，其臂长又必须符合撞击中心的要求：对 不同的粉尘性质、不同的捕尘极板组结构形式，即使在同一台电除尘器，捕尘极 板所处的电场位置都应选取不同的振打锤的重量：以及两次振打间隔时间的合 理选取：还有振打装置与捕尘极板组的制造安装都有严格的要求，必须使振打 锤与砧板间的相对位置安装得合适，才能获得较大的振打力且整排极板的加速 度比较均匀等。在经历了近十年的努力后，基本上已使我国生产的采用挠臂锤振 打清灰装置的电除尘器取得了较好的清狄效果。 1 2 2 非线性应用于除尘器的研究现状 为了解决电除尘器振打系统振打时出现的问题，国内外学者运用动力学对 其进行了不少研究，但以往对电除尘器振打系统的分析，大多是在只考虑振打系 统的线性振动，即所建立振打系统模型中的刚度和阻尼是不随时问变化，因此， 分析结果与实际情况往往出入比较大。 8 0 年代初，复旦大学环境力学研究室陈康元教授等对电除尘器的振打清灰 进行了研究，在国内首创了除尘设备振打清狄机理和测试技术。在实验室对模型 极板进行研究。采用了有限元计算以及试验的方法，取得了系统在线性状态下的 振动形态。并在现场对电除尘器进行逐点振打加速度时问历程记录、而后进行颇 谱分析。 北京钟高琦声学技术研究所钟高琦对于静电除尘器极板的振动进行了有限 元计算，在计算某种条件时，其它基本参数尽可能与矩形悬臂钢板相同。有限元数 值计算得出了不同条件下，极板的特性振动模式数据。 非线性理论运用到电除尘器中的时间并不长，而且多偏重于钢结构支架承载 性能等方面的分析。清华大学张一舟b 1 根据某大型电厂3 0 0m 1 】l 机组除尘器本体 及钢结构支架的特点，利用a n s y s 建立有限元模型，对结构进行了静力、特征值 屈曲和非线性屈曲分析。计算了在设计荷载作用下结构的变形、内力和截面应力 以及结构的前四阶屈曲模态及相应的特征值屈曲荷载，给出了完善结构和有缺陷 结构的荷载位移曲线及极限承载力。 清华大学王元清嫡1 运用有限元软件a n s y s ，对某大型电厂3 0 0 m w 机组电除尘 器壳体钢结构纵向大梁( 仅有弯矩作用下及较大轴力、弯矩共同作用下) 建立有 限元模型，对整体结构进行静力分析、特征值屈曲分析及极限承载力分析。以分 析结果为依据对仅有弯矩作用下的纵梁提出优化方案建议。同时又对壳体钢结构 的立柱及相关构件建立有限元模型，分析了墙板作用下立柱的稳定性能以及喇叭 负压作用下立柱的受力性能。结果表明：墙板及加强肋可以较好地避免立柱发生 3 1 绪论 弱轴方向的整体失稳；负压作用对喇叭的应力变形影响较大，而对连接喇叭的立 柱影响较小。 近年来，随着许多非线性振动机理研究的不断深入h 1 ，许多学者除了对钢结 构支架承载性能给予研究外，还对振打系统的振动建模及分析方面进行了研究。 将整个电除尘器作为个系统来研究，建立了以分析振打系统对整个电除尘器结 构的影响为目的的动力学模型，提出了振动模态对整个电除尘器结构的影响指 标，并通过有限元频率及振型特性分析，合理建立了电除尘器动态分析模型。 1 3 课题的研究意义 电除尘器振打系统是电除尘器的重要部件，直接影响着电除尘器的除尘效 率。振打装置是把集中捕集于极板的粉尘清除落入狄斗，是以一个小物体( 振打 锤) 去瞬时打击一个大物体( 极板) ，使其产生冲击振动，在瞬问极板上产生很 大的加速度，使附着其上的粉尘层足够与其分离，待其衰减，脱离的粉尘层已靠 自重而沉降。这种方法优点是花费能量少，而可以获得很高的清狄效果。但其难 点是必须对振打系统的设计均有很高的要求。 随着计算机的普遍应用，对电除尘器振打系统多采用动力学进行强度和阿0 度 分析。该方法可以反映电除尘器振打系统设计中存在的薄弱部位，大大提高了计 算的准确性，是比较理想的计算方法。而设计者们在设计极板时常常以这样的观 点来考虑：在极板一定重量的条件下获得最大的刚度系数，即获得最佳结构，合 理地利用会属材料。因此，对电除尘器振打系统进行动力学分析是必要的。 1 4 本课题的主要研究内容 1 ) 建立静电除尘器阳极振打系统非线性振动模型，用m a t l a b 进行对其进行 分析，主要包括以下两个方面： ( 1 ) 确定阳极板的振动特性，对阳极板的设计进行改进； ( 2 ) 根据阳极板的振动特性，建立合理的振打制度，来提高除尘器的振打 效率，降低设备故障率。 2 ) 根据除尘器阳极振打系统振打过程中固有频率的变化，分析其非线性特 性。 4 2 静电除尘器振打理论概述 2 1 静电除尘器结构及特点 静电除尘器由除尘器本体和供电装置两大部分组成。 静电除尘器的本体是实现烟尘净化的场所，通常为钢结构件。目前应用最f 泛的是板卧式静电除尘器，其一般结构如图2 1 a 、b 所示，主要部件有壳体、收 尘电极、放电电极、振打装置和气流分柿装置等。 图2 1 a 图2 1 b 静电除尘器结构简图 2 静t u 除尘器振打理论概述 静电除尘器的高压供电装置是根据烟气和粉尘的性质，随时调整供给电除尘 器的最高电压，使之能够保持平均电压稍低于即将发生火花放电的电压下运行。 国内通常采用的可控硅自动控制高压硅整流机组，由高压硅整流机器、电抗器和 可控硅自动控制系统组成，它可将工频交流电变换成高压直流电并进行火化频率 控制。 静电除尘器与其他种类除尘器的根本区别，在于电除尘器能够实现粒子与烟 气分离所需的力是直接作用在荷电粒子上的库仑力，这些力使尘粒从烟气中分离 出来并被捕集，中间无能量转换，故能耗也最低。同其他种类的除尘器相比，具 有以下特点。 ( 1 ) 阻力小，耗能少。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，整机压力损失不会超过3 0 0 p a ，因此也 大大节约了电力消耗。 ( 2 ) 收尘效率高。理论上可接近1 0 0 ，从经济上考虑，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 11 1m 的细颗粒粉尘；粉尘浓度 允许高达每立方米数十克至上百克；能适应4 0 0 以下的高温烟气 ( 4 ) 处理烟气量大。 ( 5 ) 自动化程度高、运行可靠。电除尘器采用微机可以实现全盘自动化。 由于电除尘的主要构件基本上都是静止的，振打机构也是在较低的速度下运行， 所以在正常情况下维修工作量较小，可以长期连续安全运行。 2 2 静电除尘器的工作原理 电除尘器属于物理研究范畴，确切地说，属于电物理学。因其工作在高电压 ( 以千伏计) ，低电流( 以毫安计) 状态下，所以也称其为静电除尘器。 电除尘器的设计及研究涉及到了许多学科，如机械工程学、空气动力学、电 气工程学、电子学、电化学、气溶胶工艺学、化学工程学、振动力学和公用工程 等。 电除尘器的功能是从工业废气中收集粉尘污染物，它的基本原理是电晕放 电，电除尘器收集粉尘主要是靠静电力，也就是库伦力，其次是扩散附着力、惯 性力和重力等。 静电除尘器是利用电力收尘。严格的讲，“静电两字并不确切，因为粉尘 粒子荷电后，和气体离子在电场力的作用下，产生微小的电流( ua 或m a 级) ， 并不是真正的静电。但习惯上总是把高电压低电流的现象，都包括在静电范围内， 6 2 静l 乜除尘器振打理论概述 所以称之为静电除尘器。 电除尘器的除尘过程可分为五个阶段： ( 1 ) 气体的电离； ( 2 ) 粉尘获得离子而荷电； ( 3 ) 荷电粉尘向电极移动； ( 4 ) 荷电尘粒沉积于电极表面； ( 5 ) 将电极上的粉尘清除到灰斗中去。 第一阶段是形成高压电场，将空气电离，悬浮于烟气中的粉尘受到发射离子 的作用而带电。第二、第三和第四阶段是粉尘颗粒荷电并在电场力作用下，向相 反的电极表面移动并聚集在电极上，是电除尘器两个最基本的作用过程。第五阶 段是被吸附在电极表面上的粉尘通过周期性或连续性的振打或冲刷从电极表面 脱落，同时在自身重力的作用下落入狄斗。电除尘器的电极清洁与否直接影响电 除尘器的除尘效率，因此，通过振打装置使捕集的粉尘落入灰斗并及时排出，是 保证电除尘器有效工作的重要条件，振打装置的任务就是随时清除粘附在电极上 的粉尘，以保证电除尘器正常运行。 2 3 静电除尘器阳极板的结构 阳极板是电除尘器的主要部件之一，是收集荷电粉尘的核心部件。阳极板又 称收尘极或沉淀极。其作用是通过通道的烟气在电场力作用下吸附到阳极板的板 面上，冲击振打时，极板表面附着的粉尘成片状或团状脱离极板板面落入下部灰 斗，达到除尘的目的。 2 3 1 极板的形式 每台电除尘器根据设计要求，有若干排等问距的收尘极排组成，而每排收尘 极又由若干块极板组成。阳极板的板型不仅对电场分布、捕集效率有很大的关系， 对振打清灰的效果也有很大的影响。对阳极板性能的基本要求是： ( 1 ) 振打性能。当极板从下部被振打时，沿极板高度方向板面的振打加速 度分布基本上要均匀，因而要求在较小的振打力下使板面各点都能获得足够的振 打强度，而且要尽可能比较均匀。 ( 2 ) 机械强度。主要表现在刚度、耐高温和耐腐蚀方面。因为极板往往是 细长的，要有一定的刚度才能不扭曲，以保证极板问的距离不变，因而极板设计 成槽形，既可以防止高温变形也具有良好的机械性能。 ( 3 ) 防止二次扬尘。极板两端设计有防风沟，当气流通过时，紧贴表面处 7 形成一层 打时的二 ( 4 ) 之间不易 ( 5 ) 但在 板上粉尘 放电。极 1 2 - - 一2 m m 图2 2 弭l 极极结构简图 2 3 2 极板与上悬挂梁、下振打杆的连接方式 每一极板排由极板悬挂装置、极板、振打杆及其它连接件等组成。极板通过 悬挂装置吊挂在壳体顶部的大梁上，底部振打杆坐落在壳体的导轨上。振打杆的 一端设有砧铁，受锤头的捶击振打，达到清灰的目的。 极板与上悬挂梁之间最常用的吊挂方式有紧固型和自由悬挂型，不同的连接 方法，其版面的振打加速度值也不同。 自由悬挂型的极板振打时位移较大，振打力一定时，其传递振打力较小，固 有频率较低。紧固型吊挂见图2 2 ，极板上、下端均用螺栓加以固定。借助垂直 于极板表面的法向振打加速度使粉尘层与极板分离。这种悬吊方式，极板振打位 移小，极板振打加速度大，固有频率高，振打力从振打杆到极板的传递性能好， 8 2 静i u 除尘器振打理论概述 能获得较高的板面振打加速度。目前，国内多采用这种悬挂方式。 紧固连接型阳极板悬挂装置，其极板与振打杆之间采用螺栓紧固连接，德 国l u r g i 公司通过大量的实验证明凸凹锥套比直锥套连接更有利于振打力传递。 2 4 阳极板振打清灰装置 2 4 1 阳极板振打清灰装置的工作原理 在电除尘器中，为了清除阳极板板面上的粉尘，一般都是通过振打装置进行 周期性的振打，使板面产生一定值的振打加速度，将极板上沉积的粉尘振落到灰 斗中，这一过程称为清灰。 实践表明，当极板上的粉尘达到一定厚度时，电气条件要恶化，从而影响除 尘器的除尘效率。当粉尘沉积到极板上后，由于电力、极板表面与尘粒之问的粘 附力及机械力的作用，使粉尘粘附在极板上。由于分子力的作用，尘粒要从周围 中吸收分子，吸收的量取决于压力、温度及其周围的相对湿度，因此，尘粒之问 的内聚力对振打清灰通常是有利的，它可以使粉尘聚成团块，减少振打清灰时的 二次扬尘。电力的一部分是粉尘表面形成的负电荷而产生的电力分节( 排斥力) ， 另一部分是粉尘层内的电场强度所造成。机械力主要是由于尘粒的黏结及尘粒问 的摩擦所造成。 由于粉尘层从阳极板脱落下的颗粒大小是与振打力的大小有关，振打力越 大，从阳极板脱落下的粉尘颗粒就越细，此时其下降速度也越慢，易引起被振打 下的粉尘二次飞扬。 因此，对振打清灰的要求，既要求有足够大的振打力，能使积附在阳极板的 粉尘脱落，以确保良好的电气性能，保持高的捕集效率；但是振打力又不能太大， 过大不仅会引起阳极板系统变形和疲劳破坏，还会使经振打后降落的粉尘颗粒又 会被粉碎再次引起粉尘的飞扬，甚至改变阳极板每排之间的问距，破坏j 下常的除 尘过程。 振打装置设计的基本要求有：一是能使阳极板获得足够大的加速度，在整排 阳极板上的加速度都能够得到充分的传递；二是能够按照粉尘的性质和浓度的不 同，设计合理的振打制度、振打时间和振打周期；三是工作可靠，运行稳定，维 修方便， 振打清灰的性能不仅与加速度有关，而且还取决于振动频率和振动位移。试 验表明：在加速度几乎相同的情况下，低频( 1 0 0 h z ) 时，尘块破碎很严重，而 高频( 5 0 0 h z ) 时，尘块破碎很少，能保持成块状下落。当位移较大时，粉尘脱 落过程中，板面与尘块多次碰撞，可使尘块破碎成细小的尘粒，易于引起二次飞 9 2 静电除尘器振打理论概述 扬。 振打的方向( 相对于极板的) 对振打效果有重要的影响。振打力相同时横向 振打( 垂直于极板方向) 传递给粉尘层的加速度要比切向振打( 于极板板面方向 平行) 的大。切向振打时能量大部分消耗在极板的变形上，转化为加速度的部分 很少。目前由于结构的原因，仍主要采用切向振打。 2 4 2 清灰方式侧向挠臂锤振打清灰 为了使极板产生振打加速度达到清灰的目的，无非有两种方法：振动清灰和 振打清灰。振动清灰是指在极板悬挂装置上设置振动器，让其连续运动，使极板 获得加速度，这种方法耗费能量低，但由于其振动频率不高，因此振动加速度不 会很大，清灰效果不好；振打清灰以一个小物体( 振打锤) 去瞬时打击一个大物 体( 阳极板) ，使其产生冲击振动，在瞬间阳极板上产生很大的加速度，使附着 其上的粉尘层足够与其分离，待其衰减，脱离的粉尘层已靠自重而沉降。这种方 法优点是花费能量少，而可以获得很高的清灰效果。 振打清灰是电除尘器工作过程中的一个重要环节。目前有各种方式的振打清 灰装置，如欧洲的侧向挠臂锤振打清狄，美国的顶部振打清狄等各有特点。侧向 挠臂锤振打清厌以其振打耗能小，瞬时振打加速度大等特点被广泛的采纳。 目f ； 国际与国内电除尘器的阳极板振打通用的最多的是振打侧向挠臂锤振 打装置，因此在此着重分析这种装置。静电除尘器阳极板振打侧向挠臂锤振打系 统，阳极板振打装置安装在极板的下冲击杆旁，其结构见图2 3 ， 图2 3 阳极板振打装置结构简图 2 4 3 侧向挠臂锤振打传动系统的组成 侧向挠臂锤振打传动系统由电动机、减速机、传动轴、托架、尘中轴承与挠 臂锤所组成，每一排阳极板相应一个挠臂锤，每一排的振打锤均装在根轴上。 1 0 2 静电除尘器振打理论概述 为了减少振打时粉尘的二次飞扬，相邻的振打锤相互错丌一定角度( 一般错开 1 5 0 。) 。振打轴支撑在滑动轴承上。当电动机带动传动轴转动时，阳极板依次 受到振打，可以通过改变锤重，锤的结构形式和回转速度来改变振打强度和振打 周期。 电动机通过减速机带动传动轴转动，带动安装于传动轴上的挠臂锤并提升挠 臂锤，使轴上的锤头提升到最高位置时回转下落，此时锤头具有最大位能，当传 动轴再稍微转过一些时，锤头就自由落下，直到撞击到阳极板排下端的振打杆的 砧板，其振打传动装置传动简图见图2 4 。 传动装置 振打锤传动轴 图2 4 侧向挠臂锤振打装苴传动简图 振打轴的运转制度决定于阳极板的振打周期，当阳极板板面积狄过厚时，将 降低带电粉尘在阳极板上的导电性能，大大降低除尘效率，所以阳极板被振打的 时间间隔不应过长，但是阳极板的振打周期也不能过短，否则阳极板上的粉尘会 成为碎粉落下，引起粉尘的二次飞扬。阳极板的振打周期的选择应使极板上积聚 的粉尘到一定的厚度，当被振打时，能散碎成尽可能大的块体落下。 2 5 本章小结 1 通过简图，介绍了静电除尘器结构和特点及工作原理。 2 介绍了阳极板及振打装置的结构，针对侧向挠臂锤振打装置，阐述了阳 极板振打清灰的工作原理，着重介绍了侧向挠臂锤振打装置，为以后章节起了铺 垫作用。 3 电除尘器刚极板振打系统的动力学分析 3 电除尘器阳极板振打系统的动力学分析 静电除尘器阳极板受到振打锤的瞬念激励，其位移、速度或加速度发生突然 变化，这种现象属于冲击振动( 整个撞击过程时间极短，极板因此获得很大的瞬 时加速度。) 。冲击振动的特点是：冲击作用时，系统之间传递动能的时间远较 系统振动的周期短。挠臂锤回转振打砧板的撞击过程是一个能量和动量的传递过 程， 振打传动装置传动简图见图2 3 。下面对其整个运动过程的各个部件的运动 进行详细的分析。 3 1 侧向挠臂锤的运动分析 侧向挠臂锤的运动过程是：外界做功( 电动机通过减速机带动传动轴转动) ， 带动挠臂旋转，并提升挠臂锤，使锤头提升到最高位置2 h ( h 为臂长) 时( 见 图3 1 ( c ) ) ，此时锤头具有最大位能2 m g h ( m 为锤头质量) ，这时当传动轴 再稍微转过一角度时，锤头和连杆向下转动，锤头自由落下，撞击到阳极板排下 端的振打杆的砧板，完成一个振打周期。 阳极板被击振动时所需的能量取决于阳极板的质量( 每排阳极板的块数、极 板的长度、极板的厚度) ，在振打装置设计时，必须保证锤头和撞击杆在连杆的 转动中心的冲量为零，这样才使振打装置的转轴在工作时不承受冲击。 根据碰撞理论，转动刚体的角速度在碰撞时间内的变化等于外碰撞冲量对转 轴之矩的代数和除以刚体对转轴的转动惯量。 麓转方向 弋 1 2 质点 上述 般取锤头的质量为5 - - , 1 2 k g ，振打杆长度为15 0 2 2 5 m m 在振打锤接触砧板前，锤头的动能、位能分别为 由能量守恒定理 r = 云1 ，l v 。2 y ；o ( 3 5 ) 丁+ y = 瓦+ y o ( 3 6 ) 其中r o 是锤头在最高点时的动能，瓦= 0 ；v o 是锤头在最高点时的位能， 1 3 3 电除尘器冈i 极极振打系统的动力学分析 zm g 2 h 将其和( 3 5 ) 式代入( 3 6 ) 式得： 朋g 2 h ；三朋v 2 v o ；2 5 h 。 其中为锤振打砧板自订的初始速度 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 即当锤自由下落时全部位能转化成动能，使锤头获得初速度去振打砧板。 3 2 侧向挠臂锤撞击砧板的运动过程分析 由上所述，振打锤自由下落时全部位能转化成动能，使锤头获得初速度去振 打砧板，这时振打锤回转振打砧板的撞击过程是一个能量传递过程，振打锤与砧 板之间的撞击由于时间短，因而他们之间的相互作用力( 振打力) 很大，在这短 暂的时问内振打锤与砧板不仅有位移而且还产生变形，图3 2 是振打锤撞击砧板 时所产生的位移与变形过程。 ( a ) 初始时刻t = 0 ( b ) 变形阶段t 由0 一t 2 ( c ) 恢复阶段t 由t 2 一t ( d ) 分离t 死) ( 3 1 4 ) 式中：瓦为冲击力的峰值，、 r 的确定：由图3 2 的运动过程可知，通过冲量定理，锤撞击砧板时作用于 砧板上的冲量等于动量的变化，即 r o f ( t ) d t ；，竹v 。一，竹 ，一m ( 1 + 七) v 。 ( 3 1 5 ) 以( 2 ) 式代入( 3 ) 式有 加灿= 如；n 2 等【_ c o s 村2 抽砂0 ( 3 可得： f o = 册( 1 + k ) , g h 瓦 ( 3 1 7 ) 振打力的峰值r 与锤重成正比，与锤臂平方根成讵比，与撞击时问成反比， 由公式( 3 1 7 ) 知道了约在0 2 m s 左右，振打力峰值可达1 0 0 0 0 k g 。 3 4 阳极板振动特性的分析 电除尘器的整个阳极板系统受到挠臂锤的振打后，使阳极板产生两种运动： 一种是平面内运动( 平行于阳极板的平面) ，另一种是平面外运动( 垂直于阳极 板面的法向运动) ，这些运动在极板上各部位产生的响应也是各不相同的。粘附 在阳极板板面上的粉尘脱离阳极板而落下也正是这两种运动合成的结果。 阳极板排受到撞击后，它的每个部位所获得的振打加速度是在每个简谐激振 力作用下所得的加速度响应之和。即使阳极板排的重量相等，阳极板排所受到冲 击力也相等，但由于阳极板所设计的型式不同，整个系统的固定方式不同，它的 振动特性( 固有频率、固有振型和阻尼) 并不相同，因而阳极板上各部位所获得 的振打加速度也有显著的不同，使粉尘从极板脱落而所需最小振打加速度也不一 1 7 3 电除尘器内i 极极振打系统的动力学分析 样，亦即板面上的振打加速度与振打清灰所需最佳振打加速度均与极板的振动特 性有密切关系。 因此，对于使粉尘从极板脱落而所需最小振打加速度应由各种因素综合确 定，一般对于用于水泥厂粉尘收尘的电除尘器，阳极板系统为紧固型连接，第二、 三电场的最小振打加速度需要1 8 0 - - - - 2 0 0 9 ，第一电场的最小振打加速度可减少 3 0 一- - 5 0 ( 1 0 0 - - - 1 2 0 9 ) ，第四电场的最小振打加速度可增加3 0 - - , 5 0 ( 2 4 0 , - 一2 7 0 9 ) 。 振打锤击打振打砧时，使阳极板板面上的粉尘层获得一定的惯性力后，脱离 阳极板面并靠自重落下，但是在下落过程中粉尘块还受到电场力的作用要向板面 方向运动，因而下落的粉尘块相对于阳极板是作抛物线运动，而阳极板本身的振 动却在作衰减振动，这就可能使下落的粉尘层与作衰减振动的极板碰撞，使粉尘 层被粉碎而引起二次飞扬，这又与极板振动的频率与运动位移有关。 由上可见：振打清灰的效果不仅取决于要取得一定的振打加速度，最重要的 应该是由振打加速度，