（环境工程专业论文）雾化电晕放电静电除尘的实验研究.pdf

a b s t r a c t n o w a 幽y s ，t h ep r e c i p i t a t o r smc o r m o n1 l s ea r em e c h a i l i c a lp r e c i p i t 砒0 l 丘l 仃 m o np r e c i p i t a t o r w e tp r e c i p i t a c o r ，趾de l e 础c a lp r e c i p i t a c o lt i l e r ca r ei 嘣t s 趾dd e f t si i la l lh r l d so f p r e c i p i 吼o r s t h e s ed a y se l 缸c a lp r e c i p i t a t o r sa r e 钮l p l o y e dm o s tw i d c l yt h es 印a r a l i n gf o r c e ( c l e c 订d s t a t i cf o r c ew a sm a i np a r t ) i ne l c c 仃i c a lp r e c i p i 协c o r sa c t e do nd i l s tp a r t i c l e sd i r e c t ly s oi t h a sm a l l ym e r i 乜：l l i g hp r e c i p i t a t i o ne 街c i e n c ya 1 1 dd i s p o s a lc a p a c i 劬s m a l lp r e s s u r cl o s s ，l o w c o n s u m p t i o no ne n e 培ya i l ds oo n t h i st h e s i sb 船e do nat c c h n o l o g w h i c hc o 证b m e d 、v e tp r e c i p i 枷o nt e c h n o l o g ya n d e l e c t r o s 诅t i cp r e c i p i 诅t i o nt e c l m o l o g ya 伊e a td e a lo fe x p e 曲e 1 1 t a ld a t aw a sg a i n e di nm e e ) 【p e r i l e r l t kt 1 1 i sp a p e r ，t h ec o r o mo n s e ts i t u a t i o n ，t 1 1 e 雎，d l a r a c t e r i s t i c s ，也ep r e d p i t a t i o n e 伍c i c n c yo fs p m y i n gc o r o n ad i s c h a r g e s 锄dd 1 了c o m n ad i s c h a 唱e sw e r cr e s e a r c h e da i l d c o m p a r e dw i t l le a c ho t h e la tt h es 锄ea m e ，t l l en e wd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa l l d p r e c i p i 诅t i o np r i n c i p l eo fs p r a y m gc o r o n ad i s c h a r g e sw e r ea n a l ) 吃e da n dd i s c u s s e d t h ed i 8 c h a 礓ee l e c t r o d ew a sg r o u n d e di n t h i se x p e r i m e n t ：e l e c t r o s t a t i cp r c c i p i t a t i o nw i t h s p r a y i n gc o m l l ad i s c h a r g e s 、v a sf o r i n e d w h e nm ep l a t ee l e c t r o d e sw e r ec o n n e c t e dt op o s i t i v e h v ，e g a t i v ec o r o n ad i s c h a 玛ew a sp r o d u c c dm d e r 协ed i s c h a 唱ee l e c 仃o d ei n d 删o ne 虢c t s ， 锄de l e c t r d s t a t j cp r e c j p i t a l j o n 谢t 1 1 s p 忸) ，i n gn e g a 廿v ec o r o n ad i s c h a r 寥sw a sf o n n e d c o n t 僦l y ，、v h e nm ep l a t ee l e c 廿o d e sw e r ec o n n e c t e dn e g a t i v eh v ，e l e c t m s t a t i cp r e c i p i t a t i o n w i 廿1s p r a y i n gp o s i t i v ec o r o n ad i s c h a 唱e s 、v a sf o m e d t h ee x p e r i m e n t ss h o w nt h a tt i l co n s e t v o l t a g cv a l u co fd r yn e g a t i v ec o r o i l ad i s c l l a r g ew a s12 5k v a n dt h ev a l u eo fs p r a y i n g n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g ew a s7h t h e0 1 1 s e tv o l t a g eo fs p m y i n gc o r o n ad i s c h a 曜ew a s m u c hl o 、v e rt 1 1 a i lt h a to fd r yc o r o n ad i s c h a r g e u n d e rt h ec o n d i t i o n so fm es 锄eh 跏v o l t a g e 趾dg a sn o w r a t e ，p r e c i p i t a t i o ne m c i e n c yo fs p r a y i n gn e g a t i v ec o m n ad i s c h a 唱e sr e a c h e dt o 2 8 l l i g h e r 廿1 趾血a to fd r yc o r o n ad i s c h a r g c ( f h n7 8 2 t o8 4 2 ) t h er e 韶o nw a st h a t e l e c 仰s t a t i ca g 西o m e r a t i o na n dd y l l 锄i ca g g l o m e m t i o no nd u s t 丘d mt h ec l l a r g e dd r o p l e t s w e r ea d d e di ns p m ) r i n gn e g 撕v cc o m n ad i s c h a 唱e t h ec o m p a r i n gb e t 、e e ns p r a y i n gn e g a t i v e a i l ds p m y i n gp o s i t i v ec o r o n ad i s c h a r g e ss h o w e dt h a tt l l ep r e c i p i t a t i o ne 伍c i e n c yo fs p r a y i n g p o s i t i v ec o m l l ad i s c h a 耀e 、a sl o h 惯t h a l lt 1 1 a to fs p r a y i n gn e g a t i v ec o r o n ad i s c h a 昭e ，b e c a u s e t h e r ew 锯也ep h e n o m e n o no fc o r o n ap l a s m ae x p 删m s p r a y i n gp o s i t i v ec o r o n ad i s c h 盯g e ， a i l ds p r a y i n gn e g a t i v cc o r o n ad i s c h a r g ei sm o r cs u i t a b l ef o rr e m o v a lo f p a n i c l ec o n t 眦i n a t i o n t h es p r e a d i n gc o m m p l a s m ao fs p r a y i n gp o s i t i v ec o m n ad i s c h a 唱e sp l a y sa i li m p o 栅t r 0 1 e f o rp 耐毋i r 塔t l l es p r a y i n gc i r c u l 撕n gw a t c l k e yw o r d s ：s p r a y i n gc o r o md i s c h a 喀e s ；e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o n ；n o m t l l e 衄a lp l a s m a i i 独创性声明 本人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。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：盗选幺 日 期：2 自强6 帕 电话： 邮编： 逍舢耋 一、除尘技术现状与发展 第一章、引言 目前常用的烟气除尘器可分为：机械除尘器、过滤式除尘器、湿式除尘器和电除尘 器等“。 机械除尘器是利用重力、惯性力或离心力作用使颗粒物与气流分离的装置，对应的 除尘装置是重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器。机械除尘器具有结构简单、能量消 耗少、应用广泛、种类繁多等特点，但气流和粒子在机械除尘器中流动状态复杂，特别 是在旋风除尘器中，准确测定与控制其流动状态更为困难，再加上除尘效率不高，因此 机械除尘器一般用于要求较低的气体净化。 过滤式除尘器是使含尘气流通过过滤材料，将粉尘分离捕集的装置。滤层有采用滤 纸或玻璃纤维等制作的填充层，以及采用廉价的砂、砾或焦碳等制作的颗粒层。目前使 用最多的是采用纤维织物作滤料的袋式除尘器。袋式除尘器的除尘效率一般可达到9 9 以上。过滤式除尘器除尘效率高、操作方便，但清灰繁琐、滤袋寿命短，运行费用高。 湿式除尘器是使水与废气接触。粉尘颗粒被液滴捕获而沉积下来。湿式除尘器能去 除0 1 2 0 u m 的颗粒物，同时还能净化部分气体污染物。湿式除尘器结构简单、操作方 便，对温度适应性高，但此装置易被腐蚀，还造成二次污染，高效湿式除尘器能耗大。 目前常见的湿式除尘器有：喷雾塔洗涤器、旋风洗涤器和文丘里洗涤器。 电除尘器( e s p ) 是当前除尘效率最高的除尘装置，它利用高电压产生强电场，废 气中的颗粒通过此电场而荷电，在电场力的作用下，荷电颗粒沉积到集尘极板上，从而 尘粒得以被分离。电除尘与上述三种除尘技术在净化过程上有着很大的区别，在机械除 尘、过滤式除尘和湿式除尘中，净化过程都是分离力作用于整个气流，而电除尘中的分 离力( 主要是静电力) 直接作用在尘粒上，因此电除尘器有很高的除尘效率，对亚微米 级的粒子也能有效地捕集。另外电除尘器还有处理量大、压力损失小和能耗低等特点 皿“。电除尘器作为高效除尘设备得到了各国的广泛重视。我国从6 0 年代开始开展电除 尘器的研究，并结合了国外先进的电除尘技术，自主研发了多种电除尘设各，目前已大 量用于电力和化工等行业。 对除尘器的发展，国内外有着共同趋势。高效、处理量大和能耗低是除尘设备的主 要研发方向。由于各国排放标准日趋提高，特别是对微粒控制的要求越来越严格，促进 了高效除尘器的研究和开发，致使高效除尘设备得到迅速的发展，其中最为突出的是电 除尘器和袋式除尘器。如袋式除尘器的过滤袋滤材由原来的天然纤维、合成纤维、金属 纤维等发展到塑烧片式过滤材料、复合材料和摺式滤简等，真正突破了原来的“袋式” 概念，安装维护非常方便。电除尘( e s p ) 的发展也很迅速，主要表现在以下几个方面： 拓宽电除尘器对高浓度、高温、高比电阻烟尘和含有腐蚀性气体等的适应领域；发展配 套的监测仪器和装备；改进型材规格和品种，降低主体重量；完善计算机选型技术，开 发脉冲供电、微机控制、可变电压供电装置等。重点开发特殊环境使用的电除尘器，适 当发展用于各种炉窑的中小型电除尘器。 先进的数字电压控制、宽板间距、湿控预荷、烟气调质间歇供电与正电晕极热态 e f p 等技术的应用，使得电除尘设备的研制达到了一个新的高度1 4 1 。 另外，一些高新技术也进入烟气除尘领域，如：高梯度磁分离技术和高频声波助燃 技术等。高压脉冲除尘、顺气流喷吹及环形喷吹袋式除尘和带电袋式除尘等技术都是近 年发展起来的新型除尘技术【5 】。我们研发的雾化电晕放电静电除尘技术结合了湿式除尘 和静电电除尘技术优点，有着更高的除尘效率，而且不产生二次污染。 二、粉尘的性状与颗粒捕集理论 ( 一) 粉尘的物理性质 粉尘的物理性质包括粉尘密度、休止角与滑动角、含水率、导电性、粘附性和润湿 性等“3 。 1 、粉尘的密度是单位体积粉尘的质量，单位为k g m 3 。粉尘密度是研究颗粒运动、分 离和去除等的重要指标。 2 、粉尘的休止角也称动安息角，是指粉尘自然堆积时所形成的圆锥斜面与水平面的 夹角，一般为3 5 5 5 0 。它反映了颗粒摩擦力或颗粒群流动性的大小程度，休止角越小， 其粉尘流动性越好。 粉尘的滑动角也称静安息角，是指自然堆放在光滑平板上的粉尘随平板的倾斜作下 滑运动时，平板所需的最小夹角。 粉尘的休止角和滑动角都是评价粉尘流动性的重要指标，也是设计除尘器集灰斗的 锥度和各管道倾斜度的主要依据。粉尘粒径、含水率、颗粒形状、表面光滑度和粘性等 是影响粉尘的休止角和滑动角的主要因素f 7 】。 3 、粉尘中的水分含量，一般用含水率来表示，它是粉尘所含水分量与总量的比值。 粉尘含水率对粉尘的导电性、流动性和粘附性等都有影响。 4 、粉尘的导电性一般用比电阻p d 来表示： p d = v j a c m ) v ：通过粉尘的电压，v i 通过粉尘层的电流密度，a c m 2 a ：粉尘层的厚度，c m 粉尘的比电阻是设计电除尘器最重要指标之一，最适合电除尘器运行的比电阻是在 10 4 1 0 1 0 q c m 范围内f 8 】。 5 、粘附性 粉尘颗粒之间，或者颗粒与其他固体表面相互附着的现象称为粘附。粘附的强度， 2 即克服附着现象所需要的力( 垂直于颗粒重心) 称为粘附力。某些除尘器的捕集机制就 是利用粉尘颗粒在收集表面的粘附作用，但同时也要考虑到它可能造成管道和设备的堵 塞。粉尘的粘性分为四类：不粘性、微粘性、中等粘性和强粘性。粉尘的受潮或干燥将 会影响其粘附性。 6 、润湿性 粉尘颗粒与液体接触后能否相互附着或附着难易程度的性质称为粉尘的润湿性。如 果粉尘能与液体附着，则为润湿性粉尘，否则为非润湿性粉尘。粉尘的润湿性与粉尘的 种类、粒径、形状、组分、温度、含水率、表面粗糙度和荷电性有关。粉尘的润湿性是 选用湿式除尘器的主要依据。对于润湿性好的亲水性粉尘，才可选用湿式除尘器净化。 此外，粉尘的物理性质还包括粉尘的自燃性、爆炸性和比表面积等。 ( 二) 颗粒捕集理论 颗粒捕集就是对颗粒施加外力使颗粒相对气流产生一定位移并从气流中分离出来。 颗粒捕集过程中需要考虑的作用力有外力、流体阻力、颗粒间相互作用力等。其中外力 包括重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等。颗粒间相互作用力在颗粒 浓度不高时可以忽略1 9 。与本研究有关的几种颗粒捕集理论简述如下： 1 、流体阻力是形状阻力与摩擦阻力之和，阻力的方向和速度向量方向相反，大小可以 由下面公式计算： = 圭c d 爿，( n ) c d = ，( r ) 。d p p ” 代气2 郇1 ( 层流) 时c d 2 薏衔o s t o k e s 公式：昂= 3 掣以甜 ( n ) 上式就是著名的斯托克斯阻力定律。 2 、重力沉降 静止流体中的单个球行颗粒，在重力作用下沉降时，所受到作用力由重力f g ，流体 浮力f b ，和流体阻力f d ，这三力平衡关系为： ：民一民：芝( 尸，一p ) g u 经推算可以得到斯托克斯直径： d 。= 3 、惯性沉降和扩散沉降 碰撞和拦截是惯性沉降中最重要的两种除尘机制。对于大颗粒的捕集，布朗扩散的 作用很小，主要靠惯性碰撞作用：而对于很小的颗粒，惯性碰撞的作用就微乎其微，主 要是靠扩散沉降【1 0 】。 4 、静电沉降 在强电场中，如果忽略重力和惯性力的作用，荷电颗粒所受的作用力主要是静电力 和气流阻力。力平衡式为： = 吒= 们 静电沉降的末端速度习惯上称为驱进速度，用( 单位：“s ) 表示，对于s t o k e s 粒子： 甜 ： 垡垒 c 37 c d p 5 、湿式捕集： 湿式捕集除尘的机理较为复杂，主要包括：惯性碰撞、扩散、粘附和凝聚等。 粉尘和液滴之间的惯性碰撞是湿式捕集中最基本的除尘作用。气流在运动过程中如 果遇到液滴会改变气流方向，绕过物体进行流动。运动轨迹由直线变为曲线，其中细小 的尘粒随气流一起绕流，粒径较大( 大于o 3 岫) 和重度较大的尘粒具有较大的惯性，便 脱离气流的流线保持直线运动，从而与液滴相撞。 根据s t o k e s 公式，再考虑滑动修正系数的影响后，可得： 甲= c v r p o 18 h d s 甲为颗粒与液滴发生碰撞的几率，其值越大，除尘效率越高。由上式可知v 与v ， ( 气体与液滴的相对速度) 成正比而与d ：( 液滴的直径) 成反比，因此提高气流和液滴 的相对速度、减小液滴直径是提高除尘效率的主要途径。此外，尘粒的密度，粒径越大， 与含尘气体的接触面积越多，效率也越高，而气体粘度越大则效率越低。 ( 三) 本文的研究目的、内容和意义 本实验的研究目的就是采用模拟除尘装置，比较雾化电晕放电和干式电晕放电的电 晕起始状态、伏安特性和除尘效率，从而分析雾化电晕放电中新的放电特性和除尘机 制。得出何种电晕放电更适合应用于烟气中颗粒污染物的去除。 电晕放电分为雾化电晕放电和干式电晕放电，而这两种电晕放电又各自分为正电晕 放电和负电晕放电。因此我们要研究的内容包括： 雾化电晕放电和干式电晕放电的电晕起始状态 电晕放电的卜特性 4 雾化正负电晕放电的除尘效率 雾化正电晕放电和雾化负电晕放电的比较 雾化电晕放电对除尘电极的持续清洁功能 雾化电晕放电静电除尘技术将传统的静电除尘器中的高压放电极变成了接地放电 极，并向放电极持续少量供水实现接地放电极雾化，从而彻底解决了粉尘熄灭电晕放电 的难题。同时在静电除尘机制之外又增加了水雾的静电凝并和动力凝并、水滴的自由电 子荷电及水雾电晕等离子体对气体净化等机制“，使此项新技术具有很高的烟气净化效 率。因此研究此技术对电除尘器的发展有着重要的实际意义。 第二章、技术原理 一、电晕放电 ( 一) 电晕放电基础知识 在气隙上加上电场，当外加电场尚不能使气隙中产生撞击游离时，气隙中的电流是 由气体中的电子和离子所形成的“。这些电子和离子是空气在宇宙线或放射线作用下发 生电离所产生的，每1 立方厘米含有2 1 0 2 1 0 3 个左右的电子和正离子”，其数量极 微，故气隙中的电流也非常弱。在电压升高以后，外界因素所造成的电子和离子几乎全 部被吸向电极时，再增高电压，并不能使电流随之增大，此时电流已趋向饱和。饱和电 流的值仍很微小，只能看作是微小的泄露。但随着气隙中场强的增大，电子和离子在与 气体分子相临两次碰撞间所积累的动能也增大。场强高达到某一定值，使这种能量的积 累达到撞击游离所需的最小值时，气体中即发生撞击游离。游离出来的电子又参加到撞 击游离的过程中去。于是游离就像雪崩似地增长起来，成电子崩，电流也有较大增长。 但场强小于某临界值e 。，时，这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下 去。这种放电称为非自持放电。当场强达到或超过e 。，值时，这种电子崩可在电场的作 用下自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了，这种性质的放电称为自持放电。 由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强e 。相应的电压称为临界电压u 。游 离放电再进一步发展最后转变为气隙击穿。 一般说来形成自持放电的条件为： ，e x p 口一占x l 1 其中口为电离区域的汤生第一电离系数，为汤生第三电离系数，占为电离区域内 电子附着系数，x 为距阴极距离。 在不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至当外加电压及其平均场强还 较低时，电极曲率半径较少处附近空间的局部场强已达到甚至超过临界场强e 。，即发 生自持放电。在这局部场强中产生强烈的游离，但由于距离电极稍远处场强己大为减弱， 所以，此游离区不可能扩展到很大，只能局限在电极附近很小的范围内，伴随着游离而 存在的复合和反激励发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝 色的晕光，这就是电晕。这个晕光层叫电晕层或起晕层。在层外，电场已很弱，不发生 撞击游离，这个范围叫做电晕放电的外围区域“4 “1 。 当电压再提高时，如果电极间距离不大，则可能从电晕放电直接转变成整个间隙的 火花击穿；若电极问较大，则从电晕放电到击穿之间还有刷形放电的过渡阶段，此时放 电集中成为个别的光束，从一个电极出发，向另一电极方向延伸，但达不到另一个电极， 这种刷形放电在空间还不断变更位置。刷形放电是气隙的不完全击穿。当电压再增高时， 刷形放电增长到达对面的电极，就转变为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿迅 速转变为电弧“。 ( 二) 电晕放电的类型和特点 电晕放电有明显的极性效应，一般分为正电晕放电和负电晕放电。电晕放电的极性 取决于具有小曲率半径电极的极性。如果曲率半径小的电极带正电位，则发生的电晕称 为正电晕。反之则称为负电晕。正电晕有膜状( 辉光) 电晕、刷状电晕、尘尾状电晕之 分。负电晕有无脉冲电晕和脉冲电晕之分。此外，按提供的电压类型也可以将电晕放电 分为直流电晕，交流电晕和脉冲电晕。按电晕电极的数目来分类时，则有单极电晕、双 极电晕和多极电晕“。 l 、正电晕( 存在空间电荷时的情况) 正电晕是发生于阳极处气体中的局部放电。极曲率半径很小的放电极为阳极，阴极 为一平面。 当所加电压的时间周期“无限”长时，所产生的带电粒子在场中到处漂荡，最终会 积累起来，形成瞬态的或稳定的空间电荷。如果在某种条件下空间电荷变得稳定了，那 么原始电场的畸变将导致一个完全不同的电离形式“。 若阳极取为球形或半球形，它的半径r 将支配场的分布和场在阳极表面处的大小； 阴极为一平面，它离开阳极的最近距离为d ，此时阳极为2 c m 直径的一个半球，如果d 保持不变而逐渐地提高电压，便可探测到电离现象和传导电流。最初的电离是一个瞬时 的发光现象，它的形状是分枝状的，和在脉冲电压下得到的径迹完全相同，此即流光。 在稳定场下，流光以变化的频率发展，流光的电流大小与它的长度成正比，当流光偶然 地很短时( 由于自然的统计涨落) ，常被称为“瞬爆脉冲”，事实上瞬爆脉冲也是一个发 展不完整的流光。最初观察到的电晕模式也是一个未充分发展的流光，它倾向于在横向 扩展。 当电压进一步增加时，流光的发生更为频繁，倾向于自持，直至全部瞬态的活动停 止下来，并在靠近阳极表面处出现一个稳定的薄辉光层，这个辉光导致一个连续但涨落 不定的电流。当电压较高时，电流上升，发亮的辉光区域在大小和强度两方面都增加。 另一种瞬态放电的形式是突然发生的，这种放电形式有流光的特征，但它更为强有 力。这些流光很亮，而且产生一个很明显的噪音，他们与在极靠近阳极处的辉光同时发 展，若进一步提高电压，最终将形成一个火花，从而发生完全的击穿。 可以得出结论，存在两种正电晕的基本模式，断线的流光和稳定的辉光，流光可在 不同的环境中发展，由此产生的流光可分为起始流光和击穿流光。 电晕放电的平均电流和隙间电压的关系：一般说来，在较低电压下，电流的数量级 约为1 0 1 3 a ，这些电流是由外界电离源产生的电子和粒子引起的。当增加电压时，电流 开始缓慢地增加，这标志着电离的起始，在此之后是电流的突然和迅速的增加，这时电 子碰撞所引起的电离雪崩使电荷载流子数目指数式增长而导致了稳定非自持放电电流 的增加。 而后，断线的流光脉冲使可测量的平均电流增加到1 0 1 a 。这些脉冲的频率可从起始 时为每秒5 到1 0 次增加到辉光过度时每秒几千次的最大值。单个脉冲的电流服从统计 分布，幅值变化很大，最大值可达0 3 i i l a ，具体数值取决于电极曲率、气体种类、气体 纯度以及气压大小等几个参数。 当放电从流光向稳定辉光过度时，电流会逐渐增加，当击穿流光发生时，电流会继 续增加咖。 2 、负电晕( 空间存在电荷的情况) 曲率半径小的放电极为阴极，阳极为一平面。当外加稳定电场作用到非均匀间隙上 时，由于空间电荷的积累，与正电晕一样，会出现新的电场分布和新的放电模式。 当加在针一平面间隙两端的电压逐渐增加时，开始可测得数量级为1 0 。1 钮的电流， 此为宇宙线或放射线电离而产生的，电流是饱和电流。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，这些电流脉冲被 称为毛发状脉冲。 在相同的条件下，起始的电压大小与正流光的起始电压接近，在相当大的范围内， 提高电压并不改变电晕的模式。在此之后，出现了一个新的电晕模式，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 有一个宽的过度区域。在过度区域上，稳定的辉光电晕继续存在，直至火花击穿发生。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，它与其他形式的放电有本质 区别，这区别就在于电晕放电的电流强度并不取决于电源电路中的阻抗，而决定于电极 外气体空间的电导，这就取决于外加电压，电极形状，极间距离，气体的性质和密度等。 只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕放电才可能发 生；若比值小于此值，则气隙将直接发生火花击穿，击穿前不会出现稳定的电晕。 3 、电晕放电还伴随有下列几种效应： 伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，表现为发出 “丝丝”的声音、蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。 在尖端或电极的某些突出部位，电子和离子在局部强场的驱动下高速运动，与 气体分子交换动量，形成“电风”。当电极固定强度不够时，气体对电风的反作 用力会使电晕极发生振动”。 电晕放电会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，这会造成对无线 电的干扰。 电晕放电还会以不同的反应速率产生许多化学反应，如： a ) 在空气中产生o 。； b ) 在空气中产生n 0 和n o 。； c ) 在h 2 和n ：的混合气中形成n 乩； d ) 将甲烷气( c h 。) 化合成乙炔( c 。h 。) ； e ) 将c o 和h 。化合成乙炔( c 。心) ； f ) 将氮分子n ：分解成氮原子n ； r ( 三) 雾化电晕放电 所有的静电除尘都以电晕放电为基础。在直流电晕放电中，正负电极间可分为三个 区域，即电晕区，近电晕区和远电晕区。几乎所有的极间空间都被近电晕区和远电晕区 所占据，粉尘的荷电、电场作用下的迁移以及从烟气中的分离均发生在此区域”“。虽然 近电晕区比远电晕区小，但其电场强度和离子浓度却很高。另外，在负电晕放电中，此 区域还存在高浓度的自由电子，这些自由电子对增强颗粒荷电有重要影响”。在传统 的荷电水雾技术中，水雾由机械雾化器产生并由电场外部喷入。事实上，由于放电极附 近强离子风的作用，水雾很难进入近电晕区。因而传统的荷电水雾技术的除尘效率是有 限的。 传统静电除尘是把放电极接高压直流电，收尘极接地，维持一个足以使气体电离的 静电场。气体电离产生大量自由电予和离子，当含尘气体通过两极间非均匀电场时，这 些电子和离子使粉尘粒子荷电，荷电后的粒子在电场力的作用下向收尘极运动并在上面 沉积，从而达到粉尘和气体的分离目的”。当收尘极上粉尘达到一定厚度时，借助振打 或水使粉尘落入下部灰斗。因此，传统静电除尘涉及悬浮粒子荷电、带电粒子在电场内 迁移和捕集、将捕集物从收尘极上清除等三个基本过程。 雾化电晕放电静电除尘技术与传统静电除尘有所不同，它采用了不同的电极结构： 收尘极接高压，放电极接地。向放电极持续少量供水实现接地放电极雾化，雾化水滴在 电晕区和近电晕区被自由电子和离子高度荷电，大量的荷电水滴在电场作用下高速飞向 高压极板1 。在雾化电晕放电中，除了传统静电除尘颗粒捕集过程外，还增加了静电凝 并和动力凝并。高速雾化水滴对极板的冲击避免了收尘极上高比电阻粉尘的反电离和细 小粉尘的再飞扬，还可避免高粘性粉尘对电晕线和收尘极板的粘挂。而且在传统湿式静 电除尘技术中，收尘极接地，放电极接高压，同时放电极被持续供水，这就造成了高压 绝缘困难。而在雾化电晕放电静电除尘中，收尘极悬挂并接高压，放电极接地，这就迫 使水雾经过近电晕区并解决了高压绝缘问题“”1 。 在雾化电晕放电中，当导电水层沿着垂直设置的金属线电极表面下淌的时候，如果 此附水线电极附近没有外加的强电场，水层不会产生雾化。当在附水线电极对面的极板 上外加正高电压时，线一板极间会形成非均匀电场”“。因附水线电极的曲率半径远小于 平面极板，故在附水线电极表面附近会产生很强的电场。同时也提高了水面的电荷密度 和水分子的极化程度，从而减弱了水面的表面张力”。电场对带电水面有一垂直于水面 向外的静电作用力，此力随着电场的增强而加大。从而导致水面的不稳定性也随着电场 的增强而加大，形成所谓的泰勒锥。起初水面凸凹不平，后来凸起部分在静电力和重力 作用下向外且向下伸展形成细水丝。电场足够强时，细水丝增多且在其端部产生电流体 动力学雾化现象。产生了粒径为2 0 微米以上的较大液滴”。当电压高于电晕放电起晕 电压时，除上述电流体动力学雾化机制外，还产生了溅射雾化”“。此时电晕放电产生的 正离子轰击液面，使放电点的液面产生雾化。 雾化电晕放电过程中还产生低温等离子体，它对烟气中的有害气体和循环水起着净 化作用。电晕放电产生的雾化水滴可随时清洗放电极和收尘极板，高压电源的高电压可 q 方便地用于循环水的静电油水分离。从而可同时进行高效的烟气除尘和净化，特别适用 于油烟等粘性粉尘烟气的高效除尘和净化。此技术采用以水作放电极的无声放电方式， 使放电产生的臭氧和其他活性粒子直接作用于被放电雾化的待处理水，可增加水中臭氧 的浓度，简化臭氧产生和净化的程序。初步实验经碘量法测定，处理后水中臭氧的质量 浓度可达o 5 8 m l ，调整放电间隙及电极尺寸均可使水中臭氧质量浓度增高。”。 二、雾化电晕放电颗粒荷电和颗粒凝并 ( 一) 传统静电技术中的颗粒荷电 粒子荷电是静电除尘中至关重要的环节。其中存在有两种截然不同的荷电机理。 一种是离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电，称为电场荷电 或碰撞荷电。影响电场荷电的重要因素，对于粒子特性是粒径d d 和介电常数e ；对于 电晕电场则是电场强度e o 和离子密度n o 。对于大多数工业电除尘器，荷电压电场强度 为3 “k v c m ，某些特殊设计有可能超过1 0k v c m 。一般电场荷电所需要的时间小于 0 1 s ”。这个时间相当于气流在除尘器内流动1 0 2 0 c m 所需要的时间，所以对于一般的 电除尘器，可以认为颗粒进入除尘器后立刻达到了饱和电荷。 另一种是由离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程，称之为扩散荷电3 。这种过程 依赖于粒子的热能，而不依赖于电能。离子热运动引起它们通过气体扩散，并与存在于 气体中的粒子碰撞，使粒子荷电“。粒子上累积的电荷虽然会产生排斥电场，阻止其他 离子接近荷电粒子，但是因为根据分子运动理论，并不存在离子动能的上限。粒子在这 些条件下的荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间。 粒子的主要荷电过程取决于粒径，对于d n o 5u m 的微粒，阻电场荷电为主；对 d d o 1 5u m 的微粒，以扩散荷电为主；对于粒径介于0 1 5 0 5u m 的粒子，则需要同 时考虑这两种过程“2 。“，。 ( 二) 雾化电晕放电技术中的颗粒荷电和颗粒凝并 在雾化电晕放电中，集尘极板与高压电源相连，而电晕线接地并附着水膜。当附水 放电极产生雾化时，其表面积聚了大量电荷，雾滴离开水面后必然带走电荷形成荷电液 滴。它们能在电晕放电的近电离区被进一步荷电。电晕放电的近电离区不仅电场强度很 强，而且自由电子和离子浓度均很高。液滴在这里依照电场荷电和扩散荷电机制被进一 步荷电。特别是极间大量的自由电子只有在近电离区存在“。它们比气体分子、离子有 更高的能量。因而不仅能对液滴高效率荷电，而且对那些在离子荷电中很易饱和的微小 液滴也能继续荷电“5 。4 。 这些荷电液滴之所以能捕集尘粒，主要是靠惯性碰撞、拦截、重力、静电吸引、扩 散等多种机理的综合作用”。液滴荷电后，它们对带相反极性电荷的粉尘具有静电引力 ( 库仑力) ，对不带电粉尘具有镜象力( i m a g e f o r c e ) “。荷电液滴对粉尘的捕获效率 随液滴荷质比( 带电量与水质量的比值) 的提高而上升。高度荷电液滴具有很高的荷质 比，在电场作用下驱进速度高达3 0 米秒。它们对烟气中需被去除的尘粒和液滴具有高 效的静电凝并和动力凝并功能“。雾化负电晕放电在传统的静电除尘过程中增加了静电 凝并和动力凝并除尘机理，因而有很高的除尘效率。 第三章、实验部分 一、实验设备与材料 l 、自制除尘器装置 实验装置总图如图1 所示。除尘器6 为线一板式电极结构，采用放电极接地的供电 方式，形成雾化电晕放电静电除尘。当极板被施加正高压时，电晕线感应产生负电晕放 电，形成雾化负电晕放电静电除尘。反之，当极板被施加负高压时，形成雾化正电晕放 电静电除尘。线板间距为3 0m m ，电晕线放电点曲率半径为0 2m m 。除尘器极板的高压 由高压电源1 0 经高压电缆提供。其高压值由高压探头9 测出。控制台“可调节除尘器 的高压值，并由电表显示雾化电晕放电的电流值和放电所施加的高压值。风机l 将室内 空气引入。发尘气泵4 和粉尘容器3 将粉尘喷散到引入的空气中，形成模拟烟气。采用 等速采样技术，通过称重法由前测孔2 测出除尘器进口烟尘浓度，除尘后的气体由后测 孔7 测出其浓度，并由此计算其除尘效率。测口8 可测出烟道风速，从而计算除尘电场 风速。闸门1 2 可用以调节该除尘实验的风量，改变烟道和除尘段风速。 除尘器内部结构如图2 所示。除尘器内高压极板4 由高压绝缘子5 悬挂，并用绝缘 支架4 支撑。水箱1 2 预先注入水，由水泵儿泵入分水器l o ，水被分水器分配到各供水 管8 ，再沿电晕线3 下淌。当极板接通高压时，电晕线表面下淌的水被雾化喷射到高压 极板上，再流回到水箱，如此循环。 图1 雾化电晕放电静电除尘实验装置总图 l - 鼓风机2 前测口3 粉尘容器4 发尘气泵5 渐扩( 缩) 管6 除尘器7 后测口8 风速 测口9 l 型连接管1 0 缓冲箱1 1 u 型连接管1 2 闸门1 3 电缆1 4 高压电源1 5 控制台 1 6 高压测量电阻 图2 雾化电晕放电静电除尘实验除尘器内部结构图 1 进气管2 前测口3 电晕线4 高压极板5 高压绝缘子6 电缆7 后测口8 风速 测口9 供水管1 0 分水器1 1 水泵1 2 水箱1 3 软管1 4 挡板1 5 出气管1 6 绝缘支架 2 、高压电源、变压器 3 、电流表、电压表及自制开关控制盒 4 、发尘气泵 5 、t g 3 2 8 b 型分析天平 6 、g s 一3 型空气采样器 7 、g d f 一3 型热球式风速仪 8 、玻璃纤维滤筒 9 、实验粉尘采用取自热电厂静电除尘器后段的粉尘，粉尘比电阻约为：3 6 1 0 s 0 1 0 、风机：2 5 0 m 3 h ，上海万科 1 1 、烘箱 二、实验方法 ( 一) 粉尘采样 粉尘在实验前须在烘箱中烘2 0 一3 0 分钟，以消除水分对除尘效率的影响。使用分 析天平称出两个滤筒的质量，记为m 、m 。，再将它们分别放入两个滤筒容器中，滤筒容 器两端经软胶管连接到前( 后) 测口和空气采样器的两个采样口上。确定电压和管道风 速后，同时开启鼓风机、发尘气泵和采样器。采样3 分钟后，取出两个滤简，再次称出 它们质量，记为m 。、地7 。 ( 二) 采样口内径 本实验管道中采用了1 m s 、1 5 m s 、2 m s 三种风速，为达到等速采样的目的，在不 同风速下，须改变采样口内径或采样器流量。计算公式如下： q = 4 7 1 x 1 0 吨d 2 v q ：采样器流量( l i n ) d ：采样口内径( m ) v ：管道内风速( m s ) ( 三) 除尘段风速 除尘段呈长方体形，通风除尘时其风速与管道风速不同，利用公式 v = q s ( v ：除尘段风速，q ：流量，s ：除尘段截面积) 可得，当管道内风速为1 州s 、1 5 耐s 、2 州s 时，换算成除尘段风速为0 2 2 4m s 、 o 3 3 6m s 、0 4 4 8m s 。 ( 四) 除尘效率 除尘效率等于除尘器去除的粉尘量与净化前粉尘量的百分比，公式表达如下： r l = ( m 。一乩) 一( m ：一m 2 ) ( m 。一m 。) x 1 0 0 同种状态下，平行实验三次，然后计算其平均值。 第四章、实验结果与讨论 一、雾化负电晕放电的电晕起始状态 在图l 所示线一板式静电除尘器中，电晕线垂直向下且接地。当线板间距定为3 0 珊 时，分别测量向电晕线供水( 雾化电晕放电) 和不供水( 干式电晕放电) 情况下的电晕 起始电压。实验表明，干式负电晕放电起始电压为1 1 5k v ，而雾化负电晕放电的电晕 起始电压为7k v 。雾化电晕放电的起始电压远低于干式电晕放电起始电压。 在极板上的正高压加到足够高时，接地供水电晕线附近的局部强电场使电晕线外水 层的表面不稳定性增强而形成泰勒锥”“。和水平水面的泰勒锥不同，由于重力方向垂直 于电场力方向，这些在竖直水面上形成的泰勒锥在静电场力的作用下，突出水面的高度 更高，且锥尖指向斜下方。随着电压的升高，这些泰勒锥伸展形成指向斜下方的圆锥射 流。因而在水面会产生数量众多而位置不定的向斜下方延伸的射流尖端。从而使原来的 线板间距缩短且放电极半径减小。表示电晕起始场强e c 的p e e k 公式为： 上式中6 为气体相对密度，r 为放电极的曲率半径，k = 3 0 8 x 1 0 4 ( m “2 ) ，f 为放电 极表面粗糙系数。在较低的外加电压条件下，由电晕线向斜下方延伸的r 很小的射流尖 端附近，即能产生很强的电场，形成电子雪崩和气体电离。因而雾化电晕放电的电晕起 始电压明显低于干式电晕放电。 二、雾化负电晕放电的v _ l 特性 雾化负电晕放电与干式负电晕放电v i 特性实验数据见表1 ，其特性曲线如图3 所示。 表l 雾化负电晕放电与干式负电晕放电v i 特性比较 弋电压) 淡 7891 0l l1 1 51 21 2 51 31 3 51 4 状态( 衅) 干式 o00o07 2 91 0 41 5 62 7 15 11 0 8 3 湿式 6 39 41 5 64 3 86 6 71 0 4 21 2 51 8 7 52 2 9 23 0 2 13 4 3 8 图3 雾化负电晕放电和干式负电晕放电伏一安特性 实验表明，相同电压条件下，雾化电晕放电电流远高于于式负电晕放电电流。 当雾化负电晕放电电压高于起晕电压达到正常工作状态时，随着电晕线附近电场强 度的增强，敷水电晕线水面形成的圆锥射流雾化模式发展成多射流雾化模式”。此时， 不仅水面产生的数十微米粗的多射流使电晕放电增强，而且由电晕线雾化而产生的，大 量粒径约数十微米且高度荷电的雾化液滴，在飞越电极间时也增强了极间的运载电流。 从而雾化电晕放电的电流明显高于干式电晕放电。 三、雾化负电晕放电的除尘效率 当雾化和干式负电晕放电的负高压为1 2 k v ( 平均场强4 0 0 0 v c m ) 时，测量其在几 种不同电场风速情况下的除尘效率，实验结果见表2 和表3 ，比较效果如图4 所示。在 比较接近实际应用的除尘电场风速条件下( o 4 4 8 m s ) ，干式负电晕放电的除尘效率为 7 8 2 ，而雾化负电晕放电的除尘效率为8 4 2 。雾化负电晕放电比干式电晕放电除尘效 率实际提高了2 8 。 表2 雾化负电晕放电在不同风速下的除尘效率 风速( m s )电流( 心) 除尘效率( )平均除尘效率( ) 2 2 09 5 9 1 2 1 0 9 1 4 9 4 4 2 2 09 6 2 0 08 4 8 1 52 1