（环境工程专业论文）逆流荷电双区静电除尘器对高比电阻粉尘收集性能的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s t u d yo n t h e p r o p e r t yo f t h ec o u n t e r - c u r r e n t c h a r g ed u a l - - z o n ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r f o r t h ec o l l e c t i o nt ot h eh i g h - - r e s i s t i v i t yd u s t b yx i o n gh a o w a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rh a ow e n g e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 毛除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不 里括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 叮贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储繇触目乏 日 期：z 。p ( 7 争吲z 舌目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 苣：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磁盘，允许论文 芰查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 毒进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年一一年半口两年口 孝位敝作者虢锄l ；) 砂 基字日期： 刃扫荡陟i 确 导师签名： 签字日期： 矽口 ，、厶 文 ，纠 罗协圮 l j 东北大学硕士论文 摘要 逆流荷电双区静电除尘器对高比电阻粉尘收集性能的研究 摘要 静电除尘器是一种广泛应用于工业领域除尘净化的装置，但随着世界范围内烟 气净化的粉尘浓度排放标准日趋严格，目前多数静电除尘器的粉尘排放量难以达标， 电除尘器的应用面临严峻挑战。 电除尘器在处理高比电阻粉尘的过程中，反电晕现象严重降低了电除尘器的除 尘效率。针对高比电阻粉尘收集难的事实提出了逆流荷电双区静电除尘器的构想， 力求从根本上解决高比电阻粉尘净化效果偏低的难题，本课题研发出了新型电除尘 器，意在不降低粉尘荷电量的前提下，可以通过降低收尘电场的电流面密度来改善 电除尘器对高比电阻粉尘的除尘效果。 为了证实逆流荷电双区电除尘器确实能有效避免反电晕现象的发生，分别用实 验考察了新型电除尘器荷电区和收尘区的伏安特性，得出荷电区和板板结构的收尘 区没有发生明显的反电晕现象、但线板式结构的收尘区有明显的反电晕发生；为了 证明新型电除尘器的收尘效果优于传统电除尘器，实验分别考察了荷电区电压、收 尘区电压、收尘区结构的不同对收尘效率的影响，对实验结果的分析发现：荷电区 存在一个最优电压。对于同种比电阻的粉尘，板板式结构的收尘效率要高于线板式 结构的效率，这与所设想的完全一致。其次，为了研究收尘极板的表面特性对收尘 效率的影响，实验考察了新极板、涂层极板以及旧极板除尘器的收尘效率，得到涂 层极板能从一定程度上保障电除尘器的有效运行。最后，通过对不同粉尘分级效率 的研究，发现在新型电除尘器对粒径大的粉尘的收尘效率要优于粒径小的粉尘。 结合传统的电收尘理论和非稳态理论对实验结果进行分析，证明逆流荷电双区 静电除尘器成功地解决了传统静电除尘器在处理高比电阻粉尘过程中效率偏低的这 一难题，大大地拓宽了电除尘器的应用领域。 关键词：静电除尘器：逆流荷电；非稳态；驱进速度；收尘效率；双区 s t u d yo n t h ep r o p e r t yo ft h c h a r g e o s t a t i cp r e c i p i t a t o rf o rt h ec o l l e c t i o nt o t h e h i g h - r e s i s t i v i t yd u s t a bs t r a c t e 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 ) i so n eo ft h ei n d u s t r i a l d u s t p u r i f i c a t i o n d e v i c e s ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ea r e ao fd u s t - c l e a n a sp e o p l eh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yt h ed e m a n d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t ，d u s te m i s s i o ns t a n d a r di nc h i n ah a v e b e e ni n c r e a s e d ，s oam a j o r i t yo fe s pi sd i f f i c u l tt o a c h i e v et h ed u s te m i s s i o n i nt h e p r o c e s so fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r i nt h et r e a t m e n tt oh i g hr e s i s t i v i t y d u s t ，a n t i c o r o n ac a nr e d u c et h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fe s p t ot h ef a c tt h a th i g h r e s i s t i v i t yd u s t i sd i f f i c u l tt ob ec o l l e c t e db ye s p ，ip u tf o r w a r dan e wc o n c e p to f c o u n t e r - c u r r e n td u a l z o n ec h a r g ee s p , s e e k i n gaf u n d a m e n t a ls o l u t i o nt ot h eh i g h r e s i s t i v i t yd u s t ，ii n v e n t e dt h ec o u n t e r - c u r r e n td u a l - z o n ee s p , i n t e n d i n gn o tt or e d u c et h e d u s t sc h a r g e ，r e d u c et h ec u r r e n td e n s i t yt oi m p r o v et h ee f f e c to fe s pt ot h eh i g h r e s i s t i v i t y d u s t i no r d e rt oc o n f i r mt h a tc o u n t e r - c u r r e n td u a l z o n e c h a r g ee s pw i l lb ea b l et o e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo ft h ep h e n o m e n o no fa n t i - c o r o n a ，t h ev o l t a m m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c si n c h a r g e - z o n e a n dc o l l e c t i o n z o n e a r es t u d i e d b ye x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y , t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e r ei sn os i g n i f i c a n ta n t i c o r o n ap h e n o m e n o ni n c h a r g i n g z o n ea n db o a r d b o a r ds t r u c t u r ec o l l e c t i o n z o n e h o w e v e r , i nt h el i n e b o a r d s t r u c t u r ec o l l e c t i o n 。z o n e ，a n t i - c o r o n ao c c u r r e s i no r d e rt o v e r i f yt h ee f f e c to fn e w e s pi sb e t t e rt h a n t r a d i t i o n a le s p , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h ec h a r g ev o l t a g e ， c o l l e c t i n gv o l t a g ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo fc o l l e c t i o n z o n et ot h ee f f i c i e n c vo fd u s t c o l l e c t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t e ：t h e r ei sa o p t i m a iv o i t a g ei n c h a r g i n g z o n e ；f o rt h es a m es p e c i e sd u s t ，t h ee f f i c i e n c yi nt h eb o a r d b o a r ds t r u c t u r e c o l l e c t i o n 。z o n ei sh i g h e rt h a nl i n e b o a r d s t r u c t u r e ，w h i c hi se x a c t l yi d e n t i c a la sw e e n v i s a g e s e c o n d l y , i no r d e rt os t u d yt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fc o l l e c t i o nd l a t et ot h e c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fe s p , e x p e r i m e n t a ls t u d yt h e n e w p l a t e ，c o a t i n gp l a t e ，a n dt h e i i 东北大学硕士学位论文 o l dp l a t eo fe s p sc o l l e c t i n ge f f i c i e n c y a b s t r a c t t h er e s u l tp r o v e st h a tc o a t e dp l a t ec a ne n s u r e t h ee f f e c t i v eo p e r a t i o no fe s pi nc e r t a i ne x t e n t f i n a l l y , s t u d y i n gt h ec l a s s i f i c a t i o no f t h e d i f f e r e n td u s t ，f i n d i n gt h a tt h es m a l l e r s i z e ，h i g h e rr e s i s t a n c ed u s ti sd i f f i c u i tt ob e r e m o v e d t h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h ec o u n t e r c ll r r e n tc h a r g ed u a l z o n e e s ps u c c e s s f u l l yr e s o l v e st h ed i f f i c u l t p r o b l e mt h a tt h ec ol l e c t i o n e f f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a le s pt oh i g hr e s i s t i v i t yd u s ti st o ol o w , t h ef i e l do fe s p a p p l i c a t i o n si sg r e a t l y b r o a d e n e d k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；c u r r e n tc h a r g e ；n o n s t e a dy s t a t e ；d r i v es p e e d ； c o l l e c t i n ge f f i c i e n c y ；d u a l - z o n e i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 2 静电收尘理论的发展1 1 2 1 传统的电除尘理论1 1 2 2 非稳态理论的介绍2 1 3 静电收尘技术的发展5 1 4 高比电阻粉尘静电收集技术的发展8 l 。4 1 电除尘器对高比电阻粉尘收集效率偏低的原因8 1 4 2 改善高比电阻粉尘静电收集效果的技术1 0 1 4 3 普通双区e s p 的结构和工作机制1 3 1 4 4 逆流荷电双区e s p 构想的提出和主要研究内容1 5 2 1 电场电压、电流和电场强度1 7 2 2 粉尘粒子的荷电1 8 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 荷电粒子理论驱进速度2 1 2 4d e u t s c h 除尘效率公式2 2 2 5 非稳态除尘过程理论2 3 2 5 1 粉尘层积累电荷2 3 2 5 2 有效收尘电场强度2 4 2 5 3 荷电粒子有效驱进速度2 6 2 5 4 粉尘层反电晕2 6 2 6 小结：2 7 3 1 实验装置2 9 3 2 实验方法3 0 3 2 1 电场风速测定3 0 3 2 2 含尘浓度的测定3 1 3 2 3 除尘效率测定计算3 2 3 2 4 比电阻的测定3 2 3 2 5 粉尘粒径质量分布测定3 3 3 3 实验的具体内容3 4 第4 章实验结果及分析一3 5 4 1 伏安特性及反电晕3 5 4 1 1 传统e s p 伏安特性及反电晕3 5 4 1 2 逆流荷电双区e s p 荷电区伏安特性3 7 4 1 3 逆流荷电双区e s p 收尘区伏安特性3 9 4 2 逆流荷电双区e s p 收尘效率4 4 4 2 1 荷电区电压对收尘效率的影响4 5 4 2 2 收尘区电压对收尘效率的影响4 9 4 3 收尘极板上的涂层对收尘效率的影响5 3 4 4 粉尘分级效率的研究5 5 4 5 j 、结5 5 第5 章结论与展望5 7 5 1 结论5 7 5 2 展望5 7 参考文献5 9 致谢6 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着全球环境的恶化，特别是工业化生产以来，各种尾气的排放、烟尘的扩 散，致使气环境质量下降，人们对环境的保护越来越重视，为此人们采取了各种 净化方法。静电除尘器( e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ，简称e s p ) 由于其具有除尘效 率高、能耗低、能处理高温大气量的气体、结实耐用、管理方便等特点，是最常 用的净化设备之一，在电力、水泥、冶金、有色、化工、轻工、电子、机械等工 业部门获得广泛应用，在大气污染控制、改善大气环境质量方面发挥了重要作用 【1 1 。随着世界环境质量标准的提高，国家相应出台了更加严格的排放标准【2 】。目 前，国家环保局将燃煤电厂执行的排放标准提高至5 0 m g n m 3 ，大大低于以前的 2 0 0 m g n m 3 ，其他行业受制于粉尘排放总量控制的要求，实际执行的粉尘允许排 放浓度也都大幅度降低【2 】。电除尘器由于对烟尘特性的敏感性，传统的电除尘器 对高比电阻粉尘的收集比较困难而不能达标排放，以致在许多领域的运用受到限 制【3 】。因此对影响高比电阻粉尘收集机理进行深入地研究、探索改善电除尘器对 高比电阻粉尘收集效果的途径是电除尘技术研究邻域一项急待解决的课题。 1 2 静电收尘理论的发展 1 2 。1 传统的电除尘理论 自1 9 0 7 年美国加利福尼亚大学的科特雷尔( f g c o t r e l l ) 教授发明第一台电 除尘器并且首次成功地使用其捕集水泥生产过程产生的粉尘以来，电除尘器的发 展已经历了上百年的风雨【2 j 。电除尘器也迅速地得到推广和应用，到2 0 世纪6 0 年代已遍及各工业领域【4 】。自静电除尘器诞生百年来，关于除尘机理理论的研究 从未间断。电除尘器的除尘理论发展殊多受益于其它相关学科的研究。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。 电除尘的理论研究于1 9 11 年由美国人斯特朗( w w s t r o n g ) 率先开始，他对诸 如尘粒荷电、电场形态、收尘效率等方面的问题作了大量的分析，他的不少理论 直到今天还是正确的，为电收尘理论奠定了初步的基础。1 9 2 2 年多依奇( d e u t c h ) 在安德森( a n d e r s o n ) 关于电除尘指数定律的基础上推导出除尘效率的理论公式， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 尽管多依奇公式是在理想的条件下导出的，但到如今仍然是耳王收尘计算最基本的 公式，成为当今电除尘的理论的根基【5 1 。然而多依奇计算公式与实际的偏差较大， 因而在应用时，不得不把公式中的驱进速度以有效驱进速度，：替【3 1 。1 9 3 2 年波德 尼尔( p a u t h e n i e r ) 和莫罗一哈诺特( m o r e a u h a n o t ) 发表了粒予碰撞荷电和扩散荷 电的方程式。1 9 5 1 年怀特导出了更加精确的扩散荷电方程式。：9 4 8 年怀特和1 9 6 1 年波德尼尔报导了收集高比电阻粉尘时反电晕影响的研究当i 果。1 9 6 0 年彭尼 ( p e n n e g ) 和克雷格( c r a i g ) 对火花放电进行了研究【4 】。c o o p ：r m a n 在1 9 7 0 年提 出紊流扩散模型，明确收尘空间存在三个浓度梯度，根据扩散迁移理论，粉尘粒 子由高浓度向低浓度区域迁移，与粒子的收集过程相反。c o o t e r m a n 认为对于某 些非多依奇现象可以用小于1 的系数厂来概括，f 是横向扩散所产生的离开收尘极 的的粒子输运率与静电力使粒子向收尘极驱进的输运之比【6 】。】9 8 0 年l e o n a r d 等 人提出了静电传输紊流扩散模型，几年后我国环保工作者提台j 了静电传输紊流 掺混模型，该理论的提出使电除尘效率的计算更为精确和接近实际，后来又做了 一些简化，但计算和边界条件的处理仍然复杂【7 j 。总之，电除尘的理论研究仍滞 后于实际，问题还未解决。 2 0 世纪5 0 年代以前，国内外虽有为数众多的专家学者对其理论研究和实践应 用作了大量工作，但受当时条件( 供电机组和绝缘材料的可靠程度、技术经验积 累) 限制，在较长时间内进展缓慢。1 9 8 0 年以后，国内外学者开始关注电场离子 流引起的次生流场( 电风) 对荷电粒子迁移的影响，中国学者亢燕铭、叶龙研究 了电除尘器内二次流的典型特征【7 1 。y a m a m o t o 考虑了电场和流场的相互作用，引 入静电流体动力雷诺数r e h d 概念，并建立了与气体流动雷诺数奇l 关系【8 】ol e o n a r d 用无量纲数n e n d 解释了r e h d 与r e 2 _ n q 的关系【9 】o 基于上述研究周l 果，中国学者张 国权提出了较完整的静电传输与紊流掺混荷电粒子输运模型，推导出电风影响条 件下纵向与横向紊流掺混系数【l o 1 2 1 。近年来，随着数值计算方汔j 的普及，关于电 场空间气流速度场、电场和浓度场数值模拟方面的研究更是层不穷，为全面理 解粉尘收集过程提供了新途径【l 引。 1 2 2 非稳态理论的介绍 传统静电收尘理论均是从粒子在静电场中的传输过程研究的，没有考虑一些 其他因素，有许多不足之处，并且认为收尘过程是稳态的，粉尘院子运动速度的 大小与时间无关，将粉尘收集过程简化为极板保持清洁状态，沉洚在极板上的粉 东北大学硕士学位论文第1 章绪论尘层对后续粉尘收集不产生影响。而在实际的静电收尘过程中，随收尘时间的增长，极板上沉降的粉尘层逐渐增厚，粉尘层积累电荷量是变化的，将对收尘空间中粉尘粒子的运动造成影响，静电收尘过程是非稳态的p 。在传统的静电收尘理论中，认为电除尘器在收尘过程中，极板表面一直处于稳定状态，即极板表面沉降的粉尘对电除尘器收尘不构成影响。用这种理论计算得到的理论收尘效率与实际有很大的误差【3 1 。静电除尘器在实际运行过程中，由于极板上沉积粉尘层导电性差，产生积累电荷，积累电荷的存在产生了与原有电场方向相反的附加电场，改变了电场的原有特性，使电除尘器收尘过程趋向非稳态过程，影响了静电除尘效果。通过理论与实验研究揭示静电收尘非稳态过程，可以把收集效率与粉尘比电阻、工作电压等多种因素有效结合起来。非稳态收集理论能够更加全面准确的指导静电除尘器的设计以及工作参数的选取。( 1 ) 非稳态静电收尘理论产生的背景现有静电收尘理论均是从粒子在静电场中的传输过程研究的，没有考虑一些其他因素，有许多不足之处，与实际静电收尘效率的计算仍有一定差距。大量的实验研究发现了许多与现有理论相矛盾的实验现象：随收尘时间的增长，收尘效率下降；随工作电压的升高，收尘效率增大，工作电压达到一定值后，收尘效率随工作电压的升高而降低【1 3 】。东北大学张国权教授根据紊流传质原理建立了粉尘粒子传输方程，抛弃了c o o p e n l l a n 和l e o n a r d 理论的不合理边界条件的假设，确定新的粒子收集效率公式。对影响粒子沉降的紊流扩散系数做了精确分析，成功地解析了非d e u t s c h 现象；同时指出极板沉积粉尘层对静电收尘会产生一定的负面影响，提出了非稳态静电收集理论【1 4 1 。在此之后，东北大学郝文阁在试论电除尘技术所面临的新课题一文指出电除尘技术的三个新发展方向，首先讨论了静电收集理论的研究方向，指出当前收集理论的不合理之处，同时指出了上述实验现象产生的原因，随粉尘层的增厚，粉尘层表面积累电荷越不易泄漏，从而造成反电场，使粉尘粒子的驱进速度降低，工作电压越高，这种影响越严重，极板上粉尘层的变化是时间的函数，因此电除尘器的收尘性能的变化是一个非稳态过程，彻底认识电除尘器的收尘性能，有赖于非稳态收集理论的建立。但是当时没有定量推导出粉尘层积累电荷量，只是定性的指出了粉尘层积累电荷对静电收尘的影响。文章指出非稳态收集理论的建立能够使电除尘器的最优工作电压、最优振打清灰周期、合理的几何参数得到确定，同时能够对各种条件下电除尘器的收尘效率进行精确计算p j 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 自非稳态静电收集理论的提出以来，许多电除尘技术的研究者都致力于这方 面的研究，东北大学王利民在硕士论文中针对沉积粉尘层电荷积累和泄露过程提 出了新的见解，根据粉尘层积累电荷的放电规律与电容器的意! 电规律相似的原理 推导出了粉尘层积累电荷对粒子荷电量和粉尘层电场分布影i ；1 的表达式，结果表 明粒子积累电荷量与收尘时间有关，从而导出了粉尘层积累哇。荷对静电收尘性能 影响的理论表达式【l5 1 。然而，此文没有将极板沉积粉尘层积累电荷量于一些其他 因素，诸如比电阻等因素联系起来，因此仍有许多不完备之她。 关于极板沉积粉尘层内部电场及电荷密度分布，b l a n c e d 曾利用接触理论等 推导出粉尘粒子之间的静电引力【1 6 l 。在此基础上，唐敏康等人利用电晕理论和固 体接触理论深入研究粉尘粒子在电场中及在收尘极板上的力学行为。研究表明： 库仑力、范德华力、交联力、静电引力及粉尘层间的电场力对盼尘粒子的力学行 为有明显的影响，而粉尘粒子的比电阻在其中起了很重要的作用【5 1 。收尘极板上 粉尘粒子所受的静电力是时间的函数。同时，若假定粉尘粒子的介电常数变化不 大，则粉尘比电阻的高低就将明显的影响到静电力的大小。对低比电阻粉尘而言， 由于其具有较好的导电性，所携带的负电荷很快就通过收尘极板泄漏掉，并由静 电感应而带上与收尘极相同的正电荷，此时，粉尘粒子所受静电力的方向与原先 相反，是斥力。该力试图使粉尘脱离收尘极板而返回气流。对i 二高比电阻粉尘， 也存在上述现象，只不过这种现象出现的更晚些，因为其静电前i 泄漏速度较低比 电阻粉尘慢。向晓东等人应用静电学理论导出极板沉积粉尘层f i j 电场分布与带电 粉尘层厚度平方成正比【1 引。 研究非稳态过程的关键是有关粉尘层表面电荷积累过程的研究，东北大学的 郝文阁后来进一步定量地推导出了粉尘表面积累电荷量与工作哇压、粉尘比电阻 和粉尘层厚度之间的关系式。但电除尘器非稳态收集理论的研究仍有待进一步发 展，期望能够建立精确的电除尘器收尘效率计算式，同时能够磺定电除尘器合理 的供电电压、振打清灰周期和几何参数。 ( 2 ) 非稳态静电收尘理论的主要内容 对于非稳态理论，东北大学的侯亚平在其硕士论文中已经详细地做了推导和 阐述。首先，根据静电学基本原理，研究极板粉尘层电荷导入、积累、释放的过 程，推导出随粉尘层厚度增长而改变的动态收尘电场强度计算公式，由此计算出 非稳态静电收尘荷电粒子驱进速度，据此建立完整的非稳态静电收集理论。依据 极板沉积粉尘层内部电荷密度分布及电场分布公式，研究粉尘层，曼电晕的产生机 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 理。再就是对非稳态静电收尘理论进行实验验证，主要包括：不同比电阻粉尘收 尘效率与工作电压的关系；最佳工作电压的确定；比电阻与收尘效率的关系；粉 尘层厚度与收尘效率的关系等。在实验研究的基础上，对理论计算结果与实验结 果进行对比。最后在非稳态静电收尘理论的基础上，进一步研究电除尘器供电电 压的优化控制与振打清灰周期的确定，为进一步提高电除尘器的收尘效率提供理 论依据。 1 3 静电收尘技术的发展 电除尘器是利用电场力将粉尘从气流中分离出来的设备。电除尘器除尘技术 的比较复杂，但主要包括电晕放电、粉尘荷电、荷电粉尘粒子的捕集及清灰四个 复杂而又互相关联的物理过程【4 】。粉尘在电场中充分荷上电，然后再利用电场力 将荷电粉尘从电场中分离出来，以达到除尘的目的。具体说来，电除尘器是通过 高压整流变压器得到的直流电压在放电极与收集极之间建立起一个电场，在某一 电压下放电极与收集极问的气体发生电晕放电，使得放电极附近产生大量载流子 ( 自由电子，正负离子) ，在电场的作用下，带负电的载流子向收集极移动，由于带电 载流子的附着性，处于放电极与收集极间的灰尘微粒也带上了负电，烟气通过电 除尘器主体结构前的烟道时，使其烟尘带负电荷，然后烟气进入设置多层阳极板 的电除尘器通道。由于带负电荷烟尘与阳极电板的相互吸附作用，使烟气中的颗 粒烟尘吸附在阳极上，定时打击阳极板，使具有一定厚度的烟尘在自重和振动的 双重作用下跌落在电除尘器结构下方的灰斗中，从而达到清除烟气中的烟尘的目 的1 1 9 1 。具体如图1 1 所示【2 0 】： 1 一电晕极；2 一电子；3 一离子；4 一尘粒； 5 一集尘极；6 供电装置；7 一电晕区 图1 1 电除尘器工作原理图 f i g 1 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可见，为保证电除尘器在高效率下运行，必须使上述四八过程进行得十分有 效。 电除尘技术随着电收尘理论的发展而发展，从最原始的茸l 区电除尘器，发展 到单区多段电除尘器，到后来发现单区电除尘器对于高比电鞋【粉尘收集难，人们 发明了双区电除尘器，电除尘技术得到迅速发展。表征电除尘器技术上的进步， 1 9 8 0 年h h o e g h p e t e r s o n 提出的宽间距、预荷电、脉冲供电三相技术具有里程碑 的意义 2 1 1 ，此三项技术曾对提高电除尘器收尘效率起到了一定的作用。与传统理 论相悖，实践表明适当增加极间距可以提高电除尘器的除尘效率，尤其对高比电 阻粉尘除尘效果改善明显。目前对于这一事实已有较为清晰的理论解释，宽间距 电除尘器得到普遍的采用。预荷电技术的应用尚不广泛，而脉冲电源技术受成本 和技术约束，只在小范围内进行了尝试。荷电凝并技术目前正或为国内外着力推 广的重点技术。近些年来，中国学者向晓东提出了利用正负离子电风作用强化粉 尘收集的新型电除尘器结构1 2 2 】。 在最近二三十年，随着世界工业化水平的不断提高，以及人们对净化空气、 保护环境和回收有价金属粉尘以及充分利用矿物资源有了进一步认识、理解和重 视，特别是高压供电设备问世和生产工艺确立，电除尘技术有关学术活动不断增 多，以及实践经验不断丰富等，电除尘理论也随之迅速发展。 特别从1 9 5 5 年以来，采用电除尘技术处理工业烟尘及空气差 化的工程数量成 倍增加，各国企业界、学术界对电除尘理论与技术进行了大量砂：究工作。1 9 8 0 年 m a s u d a 等、1 9 9 0 年与川慎太郎等以及2 0 0 1 年王海宁等分别进行：了用高电压窄脉 冲供电方法，对烟尘进行脉冲直流电场的同极性离子荷电凝聚，增大了烟尘荷电 量及粒径，提高了烟尘的荷电凝聚性能【2 3 1 。这种方法在一定程度上改善了电除尘 器的反电晕问题，使捕集高比电阻烟尘的效率有所提高 2 4 o1 9 e 0 年白希尧进行 了直流电场的同极性烟尘荷电凝聚技术的研究工作，提高了粉尘的荷电凝聚特性， 烟尘驱进速度可提高2 6 倍，改善了电除尘器的收尘性能1 2 5 j ；9 9 2 年阪本清采 用间歇供电方法改善了高比电阻烟尘的荷电凝聚性能，解决了烧结烟气的除尘疑 难问题【2 6 1 。1 9 9 5 年w a t a b a b e 和h a u t a n e n 等、1 9 9 7 年许德玄、甸晓东等分别进 行了离子荷电机理或荷电、凝聚、收尘的三段式电除尘器的试验研究工作【2 川。在 电除尘器前面设置了比电除尘器体积略小的荷电区( 器) 凝聚区( 器l ，对粒径在1 2 um 以下的烟尘的除尘效率提高了3 左右；2 0 0 1 年刘功智以及2 3 0 2 年王连泽分 别进行了静电荷电凝聚除尘研究，除尘效率均提高了3 2 7 1 ；2 0 0 3 ：事c o g h e 、2 0 0 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 年z a m a n k h a n 等进行了离子荷电粉尘的流体动力学研究【1 4 】。从实验研究表明，在 直流、交变电场中的同极性、异极性离子对烟尘具有荷电凝聚作用。目前应用于 电除尘器的烟尘预荷电设置大多是电除尘器稍加改变而成，通常是靠增加几个变 形电场来实现的，实质上是电除尘电场的延伸，近几十年电除尘技术在工艺上有 了改进，并在烟尘荷电凝聚机理及方法上也进行了不少探索性的研究【5 j 。 根据非稳态理论可知静电除尘器的收尘效率随工作电压的升高而逐渐升高， 当到达某一工作电压时，收尘效率达到最高，此后再提高工作电压收尘效率反而 下降 3 1 。如何保证电除尘器始终在最佳工作状态下工作是电除尘领域的一个重要 问题。针对此问题有人曾提出了采用智能电源控制系统，以电除尘器极间最佳火 花放电率作为反馈信号自动调整供电电压。检测器把火花闪络信号取出，送到火 花偏差检测器与最佳火花放电率比较，并把比较结果送入调压控制器，当出现偏 差时，由调压控制器发出信号对电压下降幅值或电压上升速度进行调节【2 8 】。目前 电除尘技术开发的热点主要表现在： ( 1 ) 结合其它除尘机理以提高除尘性能的联合除尘方法有很大的优势，它能 克服其中单一除尘器运行时的不利因素，扬长避短，优势互补。最常见的是电除 尘器与其它除尘方式组合成的复合e s p ，其中电袋是最有效的一种。电布袋又可 分为串联式电袋和嵌入式电袋。 ( 2 ) 机电双区复式电除尘技术的开发应用，在电力工程实践中证明其效果十 分良好【2 9 j 。 ( 3 ) 电凝并e s p 虽然e s p 是处理大量气量最常用的收尘设备，但对于微细粉尘的收集效率比 袋除尘器还低，这是因为微细粉尘不单荷电困难，而且在电场内受到的迁移粘滞 阻力也大，驱进速度很低。如能利用微尘的凝聚特性将其聚结成较大的粉尘团， 便可间接有效的收集微米级和亚微米级粉尘。 粉尘的凝并机理主要有热凝并、紊流扩散凝并、声凝并和电凝并等。相比之 下，电凝并是提高粉尘凝并速率的实用有效方法。进入上世纪9 0 年代，电凝并研 究有了突破性进展，1 9 9 1 年w a t a n a b e 研制出用以收集亚微米烟尘的电凝并e s p 。 实验证明异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并是电凝并速率最高的方法，其原理 是，在粉尘预荷电区荷以异极性电荷后， 尘粒在交变电场力作用下产生往复振动， 引入到加有高压电场的凝并区中，荷电 由于颗粒间的相对运动或速度差，以及 异极性电荷的相互吸力，使得粒子相互碰撞、吸收、凝并，最后在收尘区被捕集 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 下来【2 2 】。 ( 4 ) 以透镜式电除尘器为基础，开发的磁力控制的新型电除尘器，试验证明 效果显著，拟进一步拓展，以实现设备大型化和商品化【3 0 l 。 ( 5 ) 开发的多极型的新型电除尘器，应用效果良好，泛比电阻新型电除尘器， 实验证明也很有成效。 ( 6 ) 引进和开发移动电极电除尘器，其小型样机研制正在进行中。 ( 7 ) 湿膜电除尘器的开发，也在进行中【4 1 。 ( 8 ) 开发大功率高频开关电源和三相大功率硅整流电源，是电除尘供电技术 的创新。但与电除尘器的匹配及适应性开发，尚需在使用中不断完善。 ( 9 ) 双区电除尘器的研究和应用。 影响电除尘性能的因素很多，有设计、安装和运行等多方面的原因。就每个方 面而言，影响除尘效率的原因也很多，仅仅运行工况对电除尘性能的影响，大致可 归纳为四个方面，即烟气性质、粉尘特性、结构因素和运行因秀；等等，要提高电除 尘效率就成为一项系统工程【3 1 1 。虽然近些年来，电除尘技术得到了很大的发展， 但是在处理高比电阻粉尘的领域，电除尘技术仍然非常有限，难以达到国家排放 标准【3 2 】。 1 4 高比电阻粉尘静电收集技术的发展 1 4 1 电除尘器对高比电阻粉尘收集效率偏低的原因 工业粉尘的比电阻值往往差别很大，根据粉尘比电阻划分，盼尘可分成三类： 低比电阻粉尘( p 5 x 1 0 1 0q c m ) 3 3 o 粉尘比电阻小，导电。睦：好，荷电粉尘释 放电荷快；比电阻大，导电性差，荷电粉尘释放电荷慢。 沉积在集尘电极上的灰尘的比电阻对电除尘器能否有效地运行有显著的影 响，在一般情况下，电除尘器所处理的粉尘比电阻最适宜范围为1 0 4 5 x1 0 1 0 q c m ，比电阻过高或过低都会大大降低电除尘器的除尘效率【34 i 。比电阻过小的 粉尘( 例如炭黑粉尘) 到达收尘极后，很快释放出负电荷而成为中性，失去吸力， 因而易于从收尘极上脱落，重返气流，使除尘效率降1 氐t 2 j 。 一8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 9 8 9 6 9 4 9 2 冰 料9 0 校 基8 8 8 6 8 4 8 2 9l o1 11 21 3 比电n l gp d f 卜c m 图1 2 粉尘的比电阻和收尘效率的关系 f i 9 1 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o l l e c t i n ge f f i c i e n c ya n dt h er e s i s t a n c eo f d u s t 从图1 2 t 3 3 】可以看出，当灰尘的比电阻超过1 0 1 0 q c m 后，电除尘器的性能就随 着比电阻的增加而下降，比电阻超过1 0 1 1q c m ，通常设计的电除尘器就难以达到 合理的效率。如果比电阻更高超过1 0 他q e m ，则电除尘器的效率就会降低到大部 分场和不能应用的程度。因为在静电收尘过程中，如果粉尘比电阻很高，首先， 在有效的荷电时间内，高比电阻粉尘很难充分荷上电，电晕电流通过粉尘层就会 受到限制，这将影响到粉尘粒子的荷电量、荷电率和电场强度等，最终将导致收 尘效率大幅度下降刚。其次是粉尘的比电阻对粉尘的粘附力有较大的影响，高比 电阻导致粉尘的粘附力相当大，以至清除电极上的粉尘层要增大振打强度，这将 导致比正常情况下的二次扬尘大。再者，比电阻过大的粉尘到达收尘极后，由于 其体积电阻或表面传导电阻较大，使其所带电荷不能顺利地释放而残留在粉尘上， 带负电荷逐渐积存于收尘极上，随着时间的推移，更多的荷电粉尘到达收尘极板， 粉尘层愈积愈厚，其中的负电荷也愈聚愈多，这就可能产生两种结果：一是由于 粉尘仍保持其负极性，它排斥随后向收尘极运动的粉尘粘附在其上，使除尘效率 下降；二是使粉尘层与收尘极之间形成电位差，粉尘层越厚，电位差越大。如果 粉尘层中有裂缝，空气存在于裂缝中，粉尘层与收尘极之间就会形成一个高压电 场( 粉尘层表面为负极，收尘极为正极) ，使粉尘层内的空气电离( 击穿) ，产生反 向放电。由于它的极性与原电晕极相反，故称为反电晕。反电晕时发出的正离子 向原电晕极方向运动，在运动过程中与带负电荷的粉尘相遇而产生电性中和，从 而阻碍了粉尘向收尘极运动，降低了荷电粉尘的驱进速度，其中一部分来不及到 达收尘极板而被气流带出电场【3 引。所以，如果发生反电晕，除尘效率就会大大降 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 低。也就是说，反电晕的发生是影响电除尘器对高比电阻粉尘收集效率偏低的主 要原副3 6 1 。 1 4 2 改善高比电阻粉尘静电收集效果的技术 在工业中经常遇到高于5 1 0 1 0 q c m 的所谓高比电阻粉尘，为了扩大电除尘 器的应用范围，就必须解决其对高比电阻粉尘的收集难的问题日钔。目前国内外 在处理高比电阻粉尘领域常用的方法有： ( 1 ) 宽间距电除尘器 宽间距电除尘器是集尘电极的间距超3 0 0 m m 的板式电除尘器，是一种正在研究 和发展的新型电除尘器。它一方面可保持电除尘器的良好性能，另一方面又降低 了造价便于维护。