（环境工程专业论文）线—网式电极的电晕放电特性及除雾性能的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 线网式电极的电晕放电特性及除雾性能的研究 专业：环境工程 硕士生：程小东 指导教师：黄学敏 摘要 自然界中的雾使能见度降低，对陆运、海运、空运有严重影响。目前用于人工消除自然 雾影响的方法虽然有很多种，但由于实地操作效果不佳以及成本过高等原因，并未能广泛投 入使用。一九八九年前后，h u c h i y a m a 和m j y t a n o n j i 尝试用静电方法消除自然雾的影响， 相应地研制出一种新的雾滴液化装置用于人工消雾。线一网式电极是这种雾滴液化装置的核 心，它采用一些相互平行的细金属线作为电晕极，采用小网孔的细金属丝网作为捕集极，捕 集极平行于电晕线所在的平面。工作时，携雾气流以垂直捕集极的方式穿过极间电场，雾滴 粒子在电晕电场中荷电，而后在静电力的作用下被捕集。 本文对线一网式电极的除雾行为进行了理论上的初步探讨，测定分析了电晕线径、电晕 线距、异极距、网孑l 尺寸对线一网式电极的伏安特性、极问电场分布以及除雾性能的影响， 并在此基础上对线网式除雾装置进行了经济分析。 研究表明：线一网式电极的伏安特性及极问电场分布规律与线板式电极较为致， 在异极距较大的情况下，丝网电极的网孔尺寸对伏安特性以及极间电场分布影响不大。线 一网式电极除雾效果较好且能耗很低。在雾的发生范围不是很大的地方，例如受河谷雾、海 洋雾影响的机场、高速公路以及其它的小区域雾多发地带，采用线一网式静电除雾装置来除 雾是可行的。 关键词：线网式电极伏安特性除雾性能 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d i e so nt h ec h a r a c t e ro fc o r o n a d i s c h a r g e a n dt h ep e r f o r m a n c e o f f o g - r e m o v a l a b o u tw i r e - m e s he l e c t r o d e s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g n a m e ： c h e n gx i a o d o n g i n s t r u c t o r ：h u a n g x u e m i n a b s - i r a c t n a t u r a l f o gm a k e sp o o rv i s i b i l i t y a n dc a u s e ss e r i o u st r o u b l et o 蛐cs e r v i c e ss u c ha s l a n d ，m a r i n ea n da i r t h e r ea r em a n yw a y sf o ra r t i f i c i a ld i s s i p a t i o no fr l a t u r ef o g ，b u th a v e n tb e e n u s e dw i d e l yb e c a u s eo ff i e l d o p e r a t i o ni n e f f e c t i v e n e s sa n dq u i t eh i g hc o s t i na b o u t 1 9 8 9 ， h u c h i y a m aa n dm j y u m o 坷it r i e dt or e m o v et h ei n f l u e n c eo fn a t u r a lf o gw i t he l e c t r i c i t y , a n d i n v e n t e dad e w f o gl i q u i f i e rf o r a r t i f i c i a ld i s s i p a t i o no f n a t u r a lf o g w i r e - m e s he l e c t r o d ei st h ec o r e o f t h i se q m p m e m ，w h i c hu s e ss o m e p a r a l l e lf i n em e t a lw i r e sa sd i s c h a r g ee l e c t r o d e ，a n dm e t a lw i r e m e s hw i t hf i n eg r i da sc o l l e c t i o ne l e c t r o d ep a r a l l e lw i t ht h ep l a n eo nw h i c ht h ec o r o n aw i r e sl i e d u r i n go p e r a t i o n , a i r f l o wc o n t a i n i n gf o gp a s s e s st h r o u g ht h ee c l e c t r i cf i e l db e t w e e nb e t he l e c t r o d e s ， a n d f o gp a r t i c l e sc h a r g e i nt h ee l e c t r i cf i e l dt h u sa r ec o u e c t e d b y t h ef o r c e o f e l e c t r i c i t y t h i sa r t i c l em a k e sab r i e ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nt h ef o gr e m o v a lp e r f o r m a n c eo f m e s h - w i r e e l e c t r o d ea n da n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fc o r o n aw i r ed i a m e t e r , c o r o l l aw i r es p a c 吨，i n t e r - e l e c t r o d e s p a c i n g , m e s hg r i ds i z eo n t h e v o l t a g e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c , e c l e c l r i cf i e l dd i s l r i b u t i o nb e t w e e nb o t h e l e c t r o d e sa n df o gr e m o v a lp e r f o r m a n c eo fw i r e - m e s hf o gr e m o v i n ge q m p m e m m o r e o v e rt h i s a r t i c l em a k e sa ne c o n o m i c a n a l y s i so f t h i se q u i p m e n t t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ev o l t a g e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，e e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nb e t w e e n b o t he l e c t r o d e so f w i r e - m e s he l e c t r o d ea r ei na c c o r d a n c ew i t h t h o s eo f w i r e - p l a n ee l e c t r o d e u n d e r t h ec o n d i t i o no f l a r g ee l e c t r o d es p a c e ，t h eg r i ds i z eo fw i r e - m e s he l e c t r o d eh a st i t t l ee f f e c to nt h e v o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，e c l e c l r l cf i e l dd i s t r i b u t i o nb e t w e e nb o t l le l e c t r o d e s w i r e - m e s h e l e c t r o d ef o gr e m o v a li sq u i t ee f f i c i e n ta n dt h e e n e r g y c o s ti sr e l a t i v e l yl o w i ti sp r a c t i c a lt or e m o v e f o g w i t hw i r e - m e s he l e c t r i cf o g r e m o v i n ge q u i p m e n t i nt h ec a s e so f s m a u r a n g eo f f o gg e n e r a t i o na s a l r p o a , h i g h w a ya n do t h e rs m a l lr a n g eo ff o go c c u r r i n gc o n t i n u a l l yu n d e rt h ei n f l u e n c eo f b a y o u f o g , s e af o g k e yw o r d s ：w i r e m e s he l e c t r o d e v o l t a g e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c f o g r e m o v a l p e r f o r m a n c e i i 声明 y 6 1 6 7 1 6 本人郑重声明我所呈交的论文是我个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过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：矸星小禾 日期：呼、石、2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 敝储签名：往怀导师签名黄墩嘲冲幺纽 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 线一网式电极 1 1 1 起源 1 概述 线一网式电极配置是一种用细金属圆线作为电晕极、金属丝网作为捕集极的新型电极配 置，它是日本的h u c h i y a m a 和m j y u m o n j i 等人在九十年代初期为研制种新的人工消雾装 置而提出的。自然界中的雾使能见度降低，无论对陆运、海运、空运来说都有严重影响。目 前用于人工消除自然雾影响的方法虽然有很多种，但由于实地操作效果不佳以及成本过高等 原因，并未能广泛投入使用。一九八九年前后，h u c h i y a m a 和m j y u m o n j i 尝试用静电方法 消除自然雾的影响，相应地研制出一种线一网式电除雾装置用于人工消雾，并于九十年代初 期成功地做了一些户外实验。线一网式电极是这种装置的核心，它采用一些相互平行的细金 属线作为电晕极，采用小网孔的细金属丝网作为捕集极，丝网捕集极平行于电晕极所在的平 面( 见图1 1 ) 。工作时，携雾气流以垂直丝网极的方式穿过电极。【啦】 1 1 2 机理 图l - 1 线一网式电极示意图 在工业应用中，用来去除液态颗粒污染物的装置有很多，其中包括主要用来去除工业酸 雾的丝网除雾装置和静电除雾装置。线一网式电除雾装置综合了二者的除雾机理。 ( 1 ) 丝网除雾装置除雾机理 3 】 西安建筑科技大学硕士学位论文 o c 抵方向 图1 - 2 丝网除雾装置示意图 图l 一2 是工业上通常使用的丝网除雾器的主体结构图。图中所示的丝网层的厚度一般在 l o o m m 到1 5 0 r a m 之间，丝网层水平布置。携雾气流通常是从下到上垂直通过网层，气流速 度一般在2 m s 到3 r n s 之间。雾滴随气流穿过丝网层时，会与圆柱形的网丝发生多种作用而 被捕获。这些作用在基本原理上可分为六种，分别是：l 囔性碰撞：直接拦截；布朗扩 散：静电吸引；重力沉降；气体吸收。 惯性碰撞作用 携雾气流在运动过程中遇到圆柱形网丝时，会发生绕流。气体中携带的较小雾滴可能仍 随气流运动而绕过网丝，但大的雾滴由于具有较大的惯性，很难随气体做曲线运动，仍会保 持原来的运动方向，结果是与网丝发生碰撞面被捕获。粒子质量越大，惯性就越大，被捕集 的可能性也越大。在通常的过滤速度下，这种捕集机制对于直径小于lui t i 的粒子的作用是 很小的。 直接拦截作用 雾滴沿气流流线随气流向圆柱形网丝运动，当气流流线与网丝表面的距离在雾滴半径范 围以内时，位于这些流线上的雾滴就会与网丝接触而被捕集。这种捕集机制称为直接拦截。 直接拦截作用对粒子捕集的影响可用拦截比d 徊。( 雾滴直径与捕集体亦即圆柱形网丝直径之 比) 来衡量。一般来说，拦截比越大，直接拦截作用越显著。 布朗扩散作用 由于亚微米尺寸范围的小雾滴通常会沿着围绕捕集体的气流流线运动，而且拦截比 d p ，d c 很小，故通过喷性碰撞和直接拦截作用被捕集的比例很小。悬浮于气体中的微小雾滴由 于受到气体分子热运动时所施予它的无规则的撞击，也会像气体分子一样作不规则运动，这 西安建筑科技大学硕士学位论文 种不规则运动称为布朗运动。布朗运动会使一些微小雾滴穿过气流流线撞击网丝表面而被捕 集。这种捕集机制称为布朗扩散。 静电吸引作用 在粒子的捕集过程中，粒子和捕集体可能会因某种原因带有静电。在没有外加电场作用 时，通常有三种基本情况：a 、粒子荷电，捕集体为中性。荷电粒子会使捕集体上感应镜像 电荷，从面在二者之间产生吸引力。b 、粒子为中性，捕集体荷电。这时粒子上会感应有镜 像电荷，二者之间会产生吸引力。c 、粒子与捕集体均荷电。这时粒子与捕集体之间存在库 仑力，若二者所荷电荷符号相反为吸引力，否则为排斥力。在丝网除雾中，这种静电荷一般 是由气流与网丝间的摩擦产生的，雾滴和网丝所荷电荷符号相反，它们之间的静电吸引力有 助于雾滴的捕集。 重力沉降作用 在雾滴粒子的重力终末沉降速度与气流速度相b 匕大得多的情况下，重力沉降能够成为有 效的捕集机制。当携雾气流以垂直向上的方式通过水平安装的丝网层时，气流中所含雾滴是 否会因重力而沉降取决于该雾滴自由落体速度v l 与气流操作速度也之差值。当v 。大于v 2 该 雾磕将产生重力沉降；v l 等于v 2 时该雾滴将悬浮在气流之中；v l 小于v 2 时该雾滴将被气流 带走。 气体吸收作用 雾滴直径接近分子大小时，雾滴就好像该液体的气态分子。这样的雾滴很容易被网丝表 面己捕获的液滴层吸收。 当含雾气流通过密集布置的网丝时，在以上捕集机制的作用下，微小雾滴就会被捕集在 网丝表面。液体表面张力聚合作用和毛细现象会使微小雾滴在网丝表面逐渐聚集长大成为大 颗粒的液滴，液滴因重力下降，从而达到除雾效果。 ( 2 ) 静电除雾装置除雾机理t 4 , 5 ，田 静电除雾装置的除雾机理是：通过电晕放电使雾滴荷电，然后在静电力的作用下将雾滴 捕集。工业上使用的静电除雾器的电极配置通常为线管式配置。静电除雾可以分为以下三 个基本过程：电晕放电，雾滴荷电，雾滴捕集。 电晕放电 电除雾过程中的电晕放电，可以看成是一种气体导电现象。气体导电与固体或液体的导 电有本质上的区别。匮i 体或液体的导电是由于固体或液体中有自由电子或离子存在，在外加 电场的作用下，它们能够通过这些介质的定向移动形成电流。在正常情况下，气体中并不存 在自发的自由电子或离子，气体是完全不导电的绝缘体，它必须借助外界因素使自身电离产 生电子和离子后才能导电。这些能使气体发生电离的外界因素被称为电离基因。 电晕放电中，气体电离的主要机理是电子的碰撞电离，电子是主要的电离基因。将足够 西安建筑科技大学硕士学位论文 高的电压施加于一对电极上，若其中一个电极的半径很小，则小半径电极附近区域的电场强 度将会很高( 这种小半径电极一般被称为电晕极) 。此区域内的自由电子在强电场的作用下 能被加速到很高的速度，当它们与气体分子发生碰撞时，其能量足以使气体分子释放出外层 电子而电离为正离子和自由电子。电离出的新自由电子接着又被加速到再次碰撞电离所需的 速度，又会进一步引起气体分子的碰撞电离。这一过程多次重复，以致在电晕极附近的空间 内产生大量的电子及正离子。这就是所谓的电子雪崩过程。电子雪崩过程中产生的电子和正 离子在极间电场的作用下分别向正极和负极移动而形成电流。 电晕放电依电晕极极性的正负分为阳电晕和阴电晕。与阳电晕相比，阴电晕具有放电稳 定、火花电压高等优点，故在工业电收尘中，通常采用的都是阴电晕。阴电晕晴况下，电晕 极为负极，电子和正离子分别在电场的作用下移向捕集极和电晕极。在朝向捕集极的运动过 程中，电子会继续与气体分子发生碰撞。电场强度在远离电晕极的方向上衰减很快，当电场 强度衰减到不足以使电子加速到产生碰撞电离所需的速度时，电子与气体分子的碰撞不会再 产生新的电子和正离子。如果这时空间中存在对电子具有亲和力的阴电性气体分子，电子将 会附着于这些气体分子上形成阴离子。阴电性气体分子的存在对于保持稳定的阴电晕来说是 必须的。若电场中没有阴电性气体分子，则电子在运动的过程中不会被捕获。由于电子的迁 移速率与离子相比大得多，所以不能形成有效的空间电荷去限制电子雪崩区的发展，电子雪 崩将会持续增长，直至产生火花。这种隋况对于除雾操作是不利的。 工业电除雾中的阴电晕一般被认为是由两个主要的区问组成( 参见图1 3 ) ，一个是在电 晕极周围形成的电晕区，其内含有阴离子、阳离子、自由电子、正常状态与激发状态的气体 分子等；另一个是在电晕区边界与捕集极之间形成的电晕外区，其内含有中性气体分子、阴 离子以及少量自由电子。电晕区是电子与气体分子发生碰撞电离从而使电子和正离子产生对 数增长的区间。在正常情况下，电晕区很小，而且实质上是没有静电荷的等离子区，它的作 用只是为电晕提供充足的电子源。电晕外区几乎占据了电极空间的全部容积，电除雾过程中 的粒子荷电与捕集主要发生在这一区域内。 产生电子和正离子的电子雪崩过程，主要受气体的电离电位和电晕极附近的电场强度的 支配。进行碰撞的电子的能量必须大于或等于它所碰撞的气体分子的电离能，才有可能产生 碰撞电离。 在碰撞电离过程中，电子在电场中移动一段距离后产生的电子增量可用下式来表达： d n = 口玎d x( 1 1 ) 式中，d h 电子增量； ，r 电子浓度； 出移动距离； d 汤森( t o w n s e n d ) 第一电离系数。 西安建筑科技大学硕士学位论文 电 曼 区 捕 集 极 图l - 3 线管式电极电晕放电示意图 汤森( t o w n s e n d ) 第一电离系数郇瘟气体种类而异，并且是电场强度和气体密度的函数。 电场强度越大、气体密度越小，a 越大。 将( 1 1 ) 式积分，得： n ：8 肛( 1 - 2 ) 式中，n o 表示x - - o 时的自由电子数。用电子电荷e 同乘( 1 2 ) 式两端，得到电流的表 示式： i = f 0 8 “ ( 1 _ 3 ) 若假设电晕区的半径为d ，则可以用下式来表示流出电晕区的电流强度： 屯：f o e 肛( 1 叫) 由上式可以看出电荤电流强度的大小主要受两个参量的影响：一个是电晕区的半径d ， 另一个是汤森( t o w n s e n d ) 第一电离系数。d 和a 均和电场强度有关，电晕极附近的电场 强度越大，电场强度在远离电晕极的方向上衰减越慢，d 和d 就越大，也即是电晕电流强度 越大。 雾滴荷电 通常认为，粒子荷电是在电晕区边界到捕集极之间的区域内进行的。在电晕放电过程中， 此区域内含有大量阴离子和少量的自由电子。当含尘气流通过此区域时，气流中的尘粒与离 子或电子发生碰撞而荷电。粒子荷电有两种机理，分别称为电场荷电和扩散荷电。雾滴荷电 时，两种荷电机理都起作用，但在一定粒度范围内，某一种作用会更显著些。当雾滴粒子半 西安建筑科技大学硕士学位论文 径大于约o ，5um 时，电场荷电机理是主要的；当雾滴粒子半径小于约0 2 m 时，扩散荷电 起主导作用：而当雾滴粒子半径介于二者之间时，两种机理都很重要。电场荷电时，离子在 外加电场的影响下，作有秩序的运动，并与悬浮于气流中的雾滴相碰撞。扩散荷电则是由于 离子作不规则热运动时与气流中雾滴碰撞所致。雾滴附上离子后就成为荷电粒子。在电场荷 电过程中，离子持续地碰撞雾滴粒子，使粒子上的电荷不断增加，直到积累的电荷在其附近 建立起足够强的电场并开始明显地排斥后来的离子为止，故电场荷电存在一饱和荷电量。扩 散荷电过程中不存在饱和荷电，因为离子的热运动速度没有上限。要找到一个带有给定速度 的离子，其概率表达式是- - l o e 单调的递减函数，但此概率分布并不趋近于o 。因此，不管雾 滴粒子具有什么样的电位，要找到一个具有足够能量来克服这个电位的离子，并与尘粒碰撞， 其概率不会是0 。不过，随着- n f g 粒子的电位增加，碰撞的概率减少，扩散荷电率会大大降 低。 在电场荷电中，粒子进入电场t 秒时的荷电量可由下式来表示： 一岛l , o e o d ( 南 c h ， 式中，s 旷真空介电常数2 。粒子相对介电常数； 棚子在t 秒时的荷电量； 醯荷电场强； 卜啦子荷电时间； d 卜粒子直径； f o _ 一时间常数， 屯= 焉去，其中为离子浓度，口为电子电荷，k n ；g - ? k 2 n , g 。 t o 值相当小，一般为1 0 3 秒数量级。当t = - 1 0 t o 时，粒子荷电量可达到饱和荷电量的9 0 以上。i 司此通常隋况下均可以近似地认为，粒子一进入电场就达到了饱和荷电量。 粒子的饱和荷电量的表达式如下： q ；= 3 z m ，2 s o e o ( 1 l 6 ) 从( 1 6 ) 式中可以看出q ，o cd 。2 ，说明电场荷电的饱和荷电量是随着粒子直径的增大 而增大的。所以说，粒子尺度越大，电场荷电效应越明显。另外，饱和荷电量还和荷电场强 昂有关。岛越大，粒子的饱和荷电量越大。 粒子进入电场t 秒时的扩散荷电量可由下式表示： a 2 ：r r 7 9 0 k t d pi n ( - + 磊e 2 而n o d v t c - - 7 2 r i m k t ， 8 。2 、7 【 西安建筑科技大学硕士学位论文 式中，卜温度，k ； ，r 离子质量； 七波尔兹曼常数。 由( 1 7 ) 式可知，扩散荷电量随离子浓度的增大而增大。离子浓度和电场内部的电流 密度有关，电流密度越大，电场空间内的离子浓度越大。另外，扩散荷电量也是随粒子尺度 的增大而增大的，只不过粒子尺度对扩散荷电的影响远不如粒子尺度对电场荷电的影响那么 明显。 雾滴捕集 在电除雾过程中，悬浮于气体中的荷电粒子主要受到三种力的作用： a 、重力 名= m g 式中，种子质量。 b 、静电力 c = q e 。 式中，瑚子所荷电量； 点广收尘场强。 c 、流体阻力 f d = c 笔 式中，a p - 粒子在运动方向的投影面积； p g _ 流体密度； 神子运动速度； c 厂流体阻力系数， 流体阻力系数c d 是粒子雷诺数r e v 的函数： r e 。：堡型 式中，靠粒子直径； 气体粘度： p 厂硫体密度。 对于大小介于斯托克斯定律作用范围内的球形粒子 c 。2 若2 忡2 4 y _ ， 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 粒子所受流体阻力为 a 。：堕 d = 卷车譬= s 脚 ( 1 - 8 ) 悬浮于气体中的荷电粒子在重力、静电力以及流体阻力的综合作用下运动，其运动服从 动力学定律。气体中粒子所受的重力与静电力和流体阻力相比，一般都非常小，可以忽略不 记。根据动力学定律，粒子运动的微分方程可用下式表示： 肌i d w = 蚂一3 叫，w ( 1 呻) 肌i 2 牡p 一3 删p w 1 呻 式中，w 粒子向捕集极运动的速度，通常称为驱进速度。 积分( 1 - 9 ) 式，得： w ：磐( 1 _ e - 3 蚂) ( 1 - - 1 0 ) 3 霹d 。、 。 因为粒子达到速度终值所需要的时间与粒子在电除尘器中的停留时间相比要小很多，故 ( 1 一1 0 ) 式中的指数项可以略而不记。如此简化后，( 1 1 0 ) 式变为如下形式： w 2 丽q e p ( 1 ，1 ) 3 删。 、 对于自然界中的雾滴粒子而言，粒子直径一般介于4 3 0 l a m 之间，故粒子荷电的主要 机制是电场荷电，荷电量q 可用( 1 6 ) 式来表达，于是( 1 1 1 ) 式可化为如下形式： w ：d p e o e o e p ( 1 1 2 )w = ( 1 1 7 ) 1 9 1 9 年，安德森( a n d e r s o n ) 根据管式电除尘器的实验结果，发现了除尘效率的指数规 律。t 9 2 2 年多依奇( d e u t s c h ) 从理论上证明了这一规律，即著名的安德森多依奇公式： 叩- 1 一e x p ( 一号w ) ( 1 1 3 ) 式中，刁一收尘效率； 小吨尘面积： 雌体流量。 将( 1 1 2 ) 式代入( 1 1 3 ) 式，得到下式： 叩= ，一e x p 一警 ( 1 - - 1 4 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 如果由上式来分析电除雾装置的除雾性能的话，可以看出除雾效率口是随e 岛的增大 而增大的。在实际除尘过程中，e o 和晶是难以严格区分的，由于粒子的荷电和捕集均是发 生在电晕外区，所以可以用电晕外区的平均场强来衡量e o 和e d 的大小。 ( 1 1 3 ) 式是作了一些假设后得到的，由于电除雾器运行情况的复杂性和多变性，由 ( 1 1 3 ) 式计算得到的理论效率与实际运行时的真实效率相比一般都有一定差距。在实际 应用中，经常根据目的实测值由( 1 1 3 ) 式反推驱进速度，由此得到的驱进速度通常被称 为有效趋进速度，用佻表示。这样电除尘装置的除尘效率就可以用下面的形式来表示： 刁= l p ( - 苦心) ( 1 1 5 ) 有效趋进速度w e 具有速度的量纲。它是衡量电除尘器在特定运行条件下的工作性能的 一个总体指标，综合了以( 1 1 5 ) 式表示的除a q 外影响电除尘过程的所有因素。业已发 现的影响w e 的直接和间接因素有数十个，其中极间电场强度是影响w c 的一个重要因素。 静电除雾过程中，携雾气流穿过电晕极与捕集极之间的电场，雾滴粒子通过与阴离子以 及电子的碰撞而荷电，荷电粒子在静电力的作用下向捕集极运动而被捕集。一般可以用粒子 的有效驱进速度w c 来衡量特定运行条件下电除雾装置的工作性能。恍越大，电除雾装置的 工作性能越好。 当携雾 甑流以垂直于丝网极的方式穿过线一网式电极时，雾滴在丝网除雾与静电除雾 的综合作用下被捕集。聚集在丝网电极上的雾滴不断富集，最终由于重力的作用沿网丝流下， 从而达到消雾目的。由于线一网式电极的丝网极只是薄薄的一层丝网，故丝网除雾机理对于 雾滴的捕集去除贡献很小。研究表明，当电极间未加电压时，线一网式电极的除雾效率仅为 2 0 左右口j 。所以线网式电极的主要除雾机理是静电除雾，前面所提到的由线一网式电极 作为结构核心的静电除自然雾装置本质上属于一种静电除雾装置。线网式电极的研究可以 利用电除尘以及板线匹配的部分研究成果。 1 2 电除尘技术的发展及电极匹配研究的概况h 舻嘲 用静电去除微粒的方法起源很早，有记录表明，英国早在1 6 0 0 年就进行过用电吸引浮 游在气体中的微粒的实验。电除尘器最早应用于工业生产是在1 9 0 7 年，加里福尼亚大学化 学教授柯特雷尔( c o t t r e l l ) 尝试用静电方法捕集硫酸厂排出的酸雾并获得成功。此后，电除 尘器因效率高、能耗低，可处理大气量、高温烟气等特长，在冶金、化工、电力、建材等行 业得到了广泛应用。 电除尘的技术发展诸多受益于其它相关科学的研究。这些科学所研究的现象涉及到电除 尘原理，其成果构成了电除尘技术历史背景的一部分。特别值得提出的是气体中的高压放电 西安建筑科技大学硕士学位论文 和导电、悬浮尘粒的荷电以及荷电尘粒在捕集极表面上的沉积等方面的研究。早期对电晕放 电的一些研究，是由汤森( t o w n s e n d ) 和汤姆森( j j ，t h o r n s o n ) 在二十世纪初进行的。洛布 ( l o e b ) 及其在伯克利加里福尼亚大学的同事们进一步揭示了电晕现象的基础，他们的工作 大约开始于1 9 3 0 年并持续n - - 十世纪七十年代。二十世纪三十年代米尔多( m i e r d e l ) 和西 利格( s e e l i g e r ) 进一步研究了电场和荷电尘粒对伏安特性的影响。库柏曼( c o o p e r m a n ) 于 1 9 5 2 年研究了电子附着的概率和气体成分对伏安特性的影响。1 9 2 3 年罗曼( r o l m a a n ) 发表 了有关尘粒荷电现象的初始基础研究结果，确立了电场荷电的原理。1 9 2 6 年阿伦德特( a r e n d t ) 和卡尔曼( k a l l m a n n ) 对扩散荷电首次加以论述。1 9 5 1 年怀特( w 1 1 j t e ) 导出了更加精确的 扩散荷电方程式。1 9 2 2 年多依奇( d e u t s c h ) 对细粒子在带电板面上的沉积理论进行了开拓 性的研究，为几年前安德森( a n d e r s o n ) 通过试验研究所得到的收尘关系式奠定了理论基础。 1 9 7 0 年前后库柏曼( c o o p e r m a n ) 进一步研究了收尘的基本理论和扩散的作用。这些研究有 助于人们从原理上深入认识电除尘行为，并为电除尘器的应用设计奠定了理论基础。 今天的电除尘器与早期相比，无论是在本体结构、供电设备、控制手段还是在电极型式 上都有重大改进。最早应用于工业生产的电除尘器是管式结构，后来随着电除尘装置应用场 合的扩大以及处理气量的急增又发展出了板式结构。近些年来，电除尘器本体结构的研究取 得一些新进展，出现了一些新型的电除尘器，例如旋风电除尘器、屋顶电除尘器、透镜式电 除尘器等。电除尘器供电最早采用机械整流，供电水平很低，电压和电流的控制须由人工来 完成。随着电子技术的发展，现在的硅整流供电，采用模拟控制或数字控制，供电可靠性大 大增加。近年来电除尘器供电技术新进展主要体现在脉冲供电、恒流供电、中高频电源等方 面。早期电除尘器的电晕电极是由半导体纤维材料做成的绒毛电极。1 9 1 2 年施密特( s c h m i d t ) 采用细金属线作为电晕电极，克n t 原始的绒毛电极的固有局限性，使得高压供电设备的全 部优点得以发挥，促进了电除尘的发展。此后，电除尘工作者根据不同电除尘环境的实际需 要，设计出各种各样的电晕极以及捕集极，例如用来作为电晕极的芒刺线、锯刺线、鱼骨线、 星形线、宝塔线以及用来作为捕集极的波形板、工字形板等等，并用它们组成各种各样的电 极配置应用于不同的电除尘场合中。 电晕电极与捕集电极的匹配型式是影响电除尘器工作性能的重要因素，历来是电除尘工 作者着重研究的课题之一。几十年来，国外很多学者通过试验研究或计算机模拟，研究了不 同的电晕极与不同的捕集极匹配时对放电的影响，提出了各种各样的电极设计，有的在工业 中得到了推广应用。自八十年代中期以来，国内对电极匹配型式的研究也较为活跃。电极匹 配的研究还曾被列为国家“七五”重点科技项目“高效除尘技术”的一个专题。 电极匹配的研究通常集中在以下两个方面： ( 1 ) 伏安特性，主要是指外加电压与电晕电流的关系，另外还包括电晕放电的起晕电 压以及火花放电电压。伏安特性是衡量电极配置优劣的重要指标。对于一种好的电极配置， 珏安建筑科技大学硕士学位论文 般要求其起晕电压低、火花电压高以及在相同的外加电压下有较大的电晕电流。 ( 2 ) 极间电流密度和电场强度的分布。电除尘器运行时，电流密度和电场强度在电极问 的空间分布特性是影响除尘效率的重要参量。电流密度和电场强度空间分布均匀的电场，可 在不发生反电晕的情况f ，保持比分布不均匀的电场更高的平均电流密度和平均电场强度，从 而使除尘效率更高。从另一方面来说，电流密度和电场强度的空间分布越均匀，除尘空间的 利用效率也就越高，从而可以在保持同样除尘效率的情况下使能量消耗更低。 1 3自然雾的人工影响2 7 。训 自然雾是近地面层空气中水汽达到饱和，水汽分子在凝结核上凝结而形成的。自然雾对 能见度的影响主要与雾滴对光的散射有关。依据雾对能见度影响程度的不同，可以将雾分为 重雾和轻雾。水平能见度低于l k m 时称为重雾，水平能见度在l k m 到l o k m 之间时称为轻雾。 雾滴直径一般为4 3 0 u1 1 1 。空气中的雾滴数一般为1 1 0 0 个h 3 ，含水量一般小于0 1 9 m 3 。 浓雾中雾滴浓度高达5 0 0 + c m 3 ，含水量可达l g m 3 。 在日常生活中，比较常见的自然雾是辐射雾和平流雾。辐射雾是空气因辐射冷却达到过 饱和而形成的。辐射雾的垂直尺度为几十米到几百米，水平范围不大，常零星分布，在平原 上也可连成一片。平流雾是当温暖潮湿的空气流经冷的海面或陆面时，空气的低层因接触冷 却达至0 过饱和而形成的。平流雾的垂直厚度可从几十米至两千米，水平范围可达数百千米以 上。与辐射雾相比，平流雾的强度大，持续时间也较长。 浓雾给夕0 门的生活和生产活动带来不便，有时甚至造成生命和财产的损失。因此，人工 影响雾、减低雾的危害目益显得重要。但从经济效益的角度、可行性以及实际情况来看，人 工影响的对象基本上都是城市雾，例如机场雾、港口雾和高速公路雾。目前用于人工消雾的 方法主要有播撒催化剂、扰动空气混合以及在雾区加热等几种。播撒催化剂指的是向雾区播 撒盐、尿素等吸湿质粒作催化剂，藉此产生大量凝结核，使水汽在凝结核上凝结长成大水滴， 雾滴便会蒸发并在大水滴上凝结，直至消失；或者将于冰、液化丙烷等催化剂播撒到雾中， 产生大量冰晶，它们通过贝吉龙冰水转化过程，夺取原雾滴的水分，雾滴便蒸发而冰晶不断 长大降落地面，以至雾消失。扰动空气混合指的是利用人工方法扰动雾区空气，使雾顶以上 干燥空气与雾中空气混合，雾滴便会蒸发消失。雾区加热指的是对小范围雾区如机场跑道等， 借助人工手段加热空气使雾滴蒸发消失。以上几种人工消雾方法对于消除局部区域( 例如机 场) 辐射雾的影响来说可以达到一定效果，但对于受平流雾影响的场合来说除雾效果难如人 意，而且从除雾成本上来看，花费也显得偏高。 静电除雾的设想是在局部区域内合适的地点上设置道由静电除雾装置构筑的“防雾 墙”，当有雾发生时，这堵“墙”就会象过滤器一样将来流空气中的雾滴过滤掉。与上面提 西安建筑科技大学硕士学位论文 到的几种人工消雾方法相比，静电除雾至少在理论上提供了一种高效、持久消雾的可能性。 19 9 1 年，h u c h i y a m a 和m j y m n o n j i 在海拔4 7 0 m 的a k a g i - k o u g e n 服务区的边角上，沿着 k a n e t s u 高速公路做了实地实验。这个地区通常一整年都是浓雾笼罩，特别是在6 、7 月雨季。 实验装置如图l 一5 所示，高4 m ，长1 6 m ，共有8 块线一网式电极基本单元，分2 行排列。每 一块电极基本单元都是6 0 m m 厚，1 5 m 高，4 m 长，两面覆盖了网孔为2 m m 的金属丝网作 为捕集极，在两捕集极之间以2 0 m m 的间隔布置直径为o 5 m m 的不锈钢细金属丝作为电晕极， 在电极间施加超过1 0 k v 的电压。装置顶部设有l m 宽的垂直侧筛眼和帽檐，用于防止由于 边缘效应而造成的雾衍射。此外，为了防止对人、畜的伤害，在装置下端加了高1 m 的简易 木栏。实验条件为东风，几乎与丝网极垂直，迎风侧风速为2 或3 m s ，逆风侧1 或2 m s 。实 验效果较为理想。 2 1 图l - 5 静电除雾装置户外实验装置图( 装置高4 m 、长t 6 m ) 课题主要研究内容如下： 线网式电极除雾行为的理论研究。对线一网式电极的除雾行为进行理论上的初步 探讨。 线一网式电极的伏安特性。测定分析电晕线径、电晕线距、异极距、网孔尺寸对 线一网式电极伏安特性的影响规律。 线一网式电极的极间电场分布。测定分析电晕线径、电晕线距、异极距、网孔尺寸 对线一网式电极极间电场分布的影响规律。 线一网式电极的除雾性能。测定分析电晕线径、电晕线距、异极距、网孔尺寸对线 一网式电极除雾性能的影响规律。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 线网式电除雾装置除雾行为的理论探讨 线一网式电除雾装置与工业上常用的线管式、线板式电除尘( 雾) 装置在去除粒子 的方式上的不同之处在于：线管式、线板式电除尘( 雾) 装置工作时，含粒子气流以平 行于捕集极的方式穿越极问电场，粒子在随气流前进的过程中由于受电场力的作用而逐步靠 近捕集极，最终得到捕集。而在线一网式电除雾装置工作时，含雾气流是以垂直于捕集极的 方式通过极问电场的，粒子在垂直于捕集极而指向电晕极的方向上随气流有一初速度。雾滴 粒子在电场中的运动主要受静电力以及离子风的影响。随气流向电晕极运动的过程中，雾滴 粒子在静电力以及离子风的作用下产生一反向加速度，其运动速度会逐步衰减。要想将雾滴 粒子捕集，必须在其穿过前半个电场之前，使其指向电晕极的运动速度衰减到0 。雾滴粒子 一旦随气流穿过前半个电场，就会在后半个电场的作用下加速向另一捕集极运动。在这种情 况下，不能保证粒子完全被丝网状的捕集极捕集。事实上，在静电力和离子风( 尤其是离子 风) 的作用下会有大部分雾滴粒子穿透丝网捕集极而使捕集失效。准确地说，线一网式电极 对雾滴粒子的去除效应不能完全称之为捕集，因为丝网状的捕集极并不能将靠近自己的雾滴 粒子全部捕集，很大一部分粒子是被离子风阻隔在电场外。将线一网式电极的除雾效应称为 截留好象更为准确一些。因为线一网式电除雾装置在粒子的去除方式上区别于工业应用上通 常型式的电除尘( 雾) 装置，所以以线管式、线板式电除尘( 雾) 环境为基础描述电除 尘( 雾) 行为的理论与公式不能完全适用于线一网式电除雾装置的除雾情况。线一网式电除 雾装置的除雾行为需要理论上的重新认识。 2 1 线一网式电除雾装置除雾行为的简化数学模型 与其它形式的电除尘( 雾) 装置的除尘( 雾) 行为一样，线一网式电除雾装置的除雾行 为也是十分复杂的。为使问题的研究不过于复杂化，需要作一些必要的假设以抽象出一个简 化的数学模型： ( 1 ) 雾滴粒子进入电场后即荷电完毕且相同粒径的雾滴粒子具有相同的荷电量； ( 2 ) 忽略粒子问的相互影响； ( 3 ) 忽略离子风对气流流型以及粒子运动的影响； ( 4 ) 气流速度在电场中是均匀的且气流流型为层流； ( 5 ) 电场强度在气流运动方向上是均匀分布的； ( 6 ) 如果粒子在穿透前半个电场之前指向电晕极的速度已经衰减到0 ，即认为该粒子被截 留。 西安建筑科技大学硕士学位论文 在以上几点假设的基础上对粒子的受力及运动情况进行分析。图2 1 是雾滴粒子在电场 中的运动及受力示意图。当雾滴粒子随气流以初速度u 0 进入线一网式电极极间电场后，忽略 粒子所受的重力，粒子在电场中主要受到两种力的作用。 电 星 线 流体阻力 粒子运动方向 电场强度 图2 - 1 雾滴粒子运动及受力示意图 丝 阿 电 极 ( 1 ) 电场力： 只= q e 。 式中，g 粒子所荷电量； e 。一收尘场强。 ( 2 ) 流体阻力： f d ：c 。4 华 式中，c 。流体阻力系数； a p 粒子在运动放向的投影面积； & 流体密度； “粒子运动速度。 自然界中的雾滴粒子直径一般介于4 3 0 m 之间，能够满足斯托克斯定律，故流体阻 力可用下式表示： = 3 巧耐。“ 式中，u 气体粘度。 射一 子 电 粒 一 鞘么i !，：，至耋壅丝型茎奎耋堡圭耋堡垒圣 根据动力学定律，雾滴粒子在电场中运动的微分方程可用下式表示： 肌_ d u = 3 ，r p d p ( u 。一“) 一q e p (卜1)dt 积分( 2 1 ) 式，得： 一l n ( a b u l = b t + c ( 2 - 2 ) 上式中，a 、b 均为常数，c 为待定系数， 彳：3 死p d p u o - q e p ，b ：3 e p d 丑。 以边界条件t - - o 时，萨蜘代入( 2 2 ) 式，得： c = 一l n ( 彳一b u 。) 于是( 2 _ _ 2 ) 式化为： 一l n ( a b u ) = b t l n ( a b u o ) ( 2 3 ) 则雾滴粒子在电场中的运动速度为： “= 纠丢砘卜 c h ， bib”j 由( 2 _ q ) 式可知：“= 0 时， 毛2 吉【l n o 一砜) - h 爿】 ( 2 _ 5 ) 初速度为u o 的雾滴粒子被截留前在电场中运动的距离为： = o u d t = f 。b 一( 知 e 斗 c h ， 将( 2 6 ) 式积分，得： = 暑( b 一妙去( 知卜+ 知 c h ， 雾滴粒子指向电晕极的速度衰减到0 时的运动时间幻和运动长度l 可以用来作为衡量线 一网式电除雾装置工作性能的指标。