【优秀毕业论文】湿式静电除尘器除尘机理的研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 湿式静电除尘器除尘机理的研究 姓名：陈鹏 申请学位级别：硕士 专业：采矿工程 指导教师：马云东 2002.11.20 辽宁工程技术人学硕士学位论文 摘要 本文深入探讨了静电除尘和水雾除尘的理论；在理论分析的基础 上，采用分步实验方法，研制设计出了一种圆柱芒刺电晕极，并对其 电晕放电效果和静电除尘效果进行了研究；采用正交实验的方法，重 点研究了静电除尘和水雾除尘相结合的复合型除尘方法，以及电压、 水量、粉尘浓度等各因素对圆柱芒刺电晕极除尘效率的影响；论文指 出，以圆柱芒刺电晕极为特征的静电水雾复合型除尘器具有很高的除 尘效率，同时还具有结构简单、安全、适应性强、易于推厂应用等优 点：论文最后对静电和水雾相结合的复合型除尘机制进行进一步深入 的理论探讨，同时对后继工作提出了建议。 关键词：电晕放0 圆柱芒磊电晕极静电永彝复合型除尘器 辽。弘f ：程技术人学硕士学位论文 + r e s e a r c h0 fw e 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 a b s t r a c t t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h et h e o r y0 fd u s tc o n t r 0 1o ne l e c t r o s t a t i c s a n dw a t e rs p r a yi nd e t a i 】s o nt h eb a s i s0 ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，u s i n g s t e p w i s et e s t s ，c y l i n dr i ct h o r n yc o r o n ae l e c t r o d eh a sb e e nd e s i g n e da n d f a b r i c a t e d ，w h o s ee f f e c t s 0 fc o r o n a d i s c h a r g e a n de l e c t r o s t a t i cd u s t e l i m i n a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d o r t h o d o xe x p e r i m e n tisa d o p t e dt os t u d y t h ed u s tc o n t r 0 1 l i n gm e t h o d ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t he l e c t r o s t a t i ca n d w a t e rs p r a y ，a n dt h ei n f l u e n t i a lf a c t o r s ，s u c h a s v o l t a g e 、w a t e rs p r a y ， w h i c hisc h a r a c t e r i z e db yt h ec y l i n d r i ct h o r n yc o r o n ae l e c t r o d e ，i sh i g h e f f i c i e n to nd us tc o n t r o l ，a n d h a s a d v a n t a g e s 0 fs i m p l es t r u c t u r e 、 s e c u r i t y 、h i g ha d a p t a b i l i t ya n di s e a s i l yb e e ne x t e n d e da n da p p l i c a t e d i nt h ee n do ft h et h e s is ，t h ec o m p l e xd u s tc o n t r o l l i n gm e t h o dc o m b i n e d w i t he l e c t r o s t a t i c s a n dw a t e r s p r a y h a sb e e nf u r t h e ri l l u s t r a t e d i n t h e o r y ，a n dt h ea d v i c e sh a v eb e e np r e s e n t e df o rf o l l o w i n gs t u d y k e yw o r d ：c o r o n ad i s c h a r g e c o m p l e xp r e c i p i t a t o r c y l i n d r i ct h o r n yc o r o n ae l e c t r o d e o ne l e c t r os t a t i c sa n dw a t e rs p r a y 辽宁l ：稃技术大学硕士学位论文l l i 低； 全： 可以 之一 规程 类的 病、 引言 粉尘的危害是多方面的，高浓度的悬浮粉尘使大气能见度降 某些悬浮粉尘在适宜条件下还会爆炸，威胁安全生产和人身安 工业区的大量排上可导致大范围内空气、土壤、水体的污染。 说粉尘给人类带来的危害始终是环境保护中最为关心的问题 粉尘对人体危害最遍、最为严重的问题是：长期呼吸超过 规定的粉尘浓度的空气，会使人患慢性职业病一尘肺病。不 粉尘引起不同种类的尘肺病 矽尘一矽肺病，其中矽肺病 ：煤尘一煤肺病、石棉尘一石棉 是一种最常见、危害最大的尘肺 当空气中的粉尘含有游离二氧化矽( s i 02 ，) 时 就会形成酸胶毒物，它能将细胞杀死，并残留在 肺组织内形成纤维性病变肺结节，各个单独的肺 ，经人体呼 肺组织中， 安全 同种 尘肺 病。 吸，矽尘 逐渐地在 结节彼此连结，使肺 组织失去部分弹性，转而硬化，损害呼吸功能。采矿工业、水泥工业 的粉尘大多含有游离二氧化矽( s i 0 2 ) ，因此治理工业粉尘显得极为 重要，而进行这方面的除尘技术和除尘设备的研究更是迫在眉睫的任 务。 随着高压静电除尘技术的发展， 泛，如钢铁冶金、水泥生产、火力发 技术达到空气净化的目的已成现实。 所的大型除尘器已成定型产品生产， 应用静电除尘的工业场所越趋广 电、造纸厂等场所应用静电除尘 目前，用于冶炼厂、发电厂等场 但是这种大型除尘器在局部产尘 点的使用受到限制；同时大中型除尘器一次性投资规模大，一般企业 无力承担；再加之现有除尘器对微细粉尘尤其是呼吸性粉尘的除尘效 率偏低等缺陷，这些都相对地制约了防尘措施的实旌 本论文正是力求克服上还缺陷，并结合研究课题“黑岱沟露天矿 选煤厂粉尘综合治理技术方案研究”，通过现场调研，选煤车间不仅 空间狭小，而且粉尘浓度较高，实测结果显示在一台磨机作业的情况 下该车间中的粉尘浓度高达78 5 m g m 3 ，因此需要研制一种小型化、 辽宁工程技术大学硕士学位论文i v 高效率、易于拆卸检修、安全实用的除尘器通过翻阅大量的除尘器 资料，对各种除尘机理进行深入的比较分析，同时参考前人所做的工 作成果，我们认为单一的除尘机制无法满足以上要求，只有几种不同 机制的有机结合才能达到上述目标 为此，我们深入探讨了静电除尘和水雾除尘的理论；重点研究了 静电除尘和喷雾除尘想结合的复合型除尘方法，设计了一种“静电水 雾复合型除尘器”：对这种复合型除尘器，我们通过大量的实验对其 除尘性能进行检验，并对其静电和水雾相结合的除尘机理进行进一步 深入的探讨 堑主三堡垫查奎堂堡主兰垡堡苎 1 1 绪论 1 1 除尘器的分类与评价 环境污染是人类早已注意到的问题，但治理环境却仅仅是十九世 纪末才开始的，工业粉尘的治理是其中一项既古老又新兴的科学技 术。自从第一台除尘器问世至今已有百余年历史，除尘器、过滤器己 发展为许多类型，根据其除尘的原理，可将其分为机械除尘器和电除 尘器两大类【1 1 见图( 1 1 1 ) 。 1 1 1 机械式除尘器 机械式除尘器是利用机械作用方式( 如惯性或机械力的原理) 捕 捉粉尘的。在机械力中有重力、惯性力、离心力、冲击、粉尘与水滴 的碰撞等，过滤也是机械力作用的一种形式12 i 。根据在除尘过程中是 否采用液体进行除尘或清灰，又可分为干式除尘器和湿式除尘器。 除尘器 i4 机械式除尘器电除尘器 中十tt 干式除尘器湿式除尘器干式湿式 tt十t十t+t十t虹 惯离 过滤器 液 液 液 卧且 卧 止 重 上 性心滴 膜溅 式式 式 式 袋 颗 力 力力 粒 式式式电电 电 电 式 沉 层 除除 除 除除除除除除 除 降 除 尘 尘尘 尘 尘尘尘 ! b 室 器 器 器器器器器 器器 器 器 图( 1 1 1 ) 除尘器的分类 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 1 、重力除尘器 重力除尘器又叫重力 沉降室，是一种相当原始 的除尘设备，一般用于第 一级除尘。它是利用尘粒 能够靠自身重力在空气中 沉降的原理，把粉尘中较 大的颗粒从空气中分离出 来。粉尘靠重力沉降的过 程是：气体从水平方向进入 沉降室，在重力作用下，粉 尘粒子在运动中渐渐沉降， 而气体沿水平方向继续前 进，从而达到除尘目的，参 见图( 1 1 2 ) 。此除尘器特 是：当粉尘颗粒在3 1 0 0u 范围内，风速1 2 m s 时，除 效率可达4 0 一6 0 。倘若 度太低，则设备过于庞大，投 费用增高( 一般除尘器不超 1 0 米) 。 图( 1 1 2 ) i 一含尘气体入口 2 一净化气体出口 3 一尘粒4 一捧尘口 音 涪f y 捕集的粉尘 图( 1i 一3 b ) 薷视圈 2 、惯性除尘器 图1 1 4 惯性除尘器又r i l l 惰性除尘 1 - 捧气口2 - 进气口3 测压孔圆锥5 捧尘闽6 灰厢 器，它是使含尘气体与挡板撞击或急剧改变气流方向，利用惯性力分 离捕集粉尘的设施。见图( 1 1 - - 3 a ) 与图( 1 1 3 b ) 。其特点是：能 捕集的粉尘粒径大于1 0 u m ，要求风速1 0 r a l s 以下，压力损失在2 0 0 1 0 0 0 p a 之间，除尘效率为5 0 7 0 ，并且不适合于清除粘结性粉 尘和纤维性粉尘。 辽宁一l ：程技术大学硕十学位论文 3 3 、旋风除尘器 旋风除尘器让含尘气体沿切线方向进入，由于离心力的作用，将 尘粒从气体中分离出来，从而达到除尘目的。旋风除尘器中的气流要 反复旋转许多圈，且气流旋转的线速度很大，因此旋转气流中粒子受 到的离心力比重力大得多。对于小直径、高阻力的旋风除尘器，离心 力比重力大2 5 0 0 倍；对于大直径、低阻力的旋风除尘器，离心力比 重力大5 倍以上，其原理见图( 1 1 4 ) 。其特点是：结构简单，制 造容易，造价低廉，对于大于1 0 u m 的粉尘有较高的分离效率等优点， 一般作为多级除尘系统的第一级除尘设备。 4 、袋式除尘器 袋式除尘器，如图( 1 1 5 ) ，是使含尘 气体通过织物过滤器，将粉尘收集下来的一 种设备。其特点是：净化效率高、性能稳定、 操作简便，适应性强、回收的粉尘易于利用、 适用捕集非纤维性粉尘：缺点是：耗用织物 多，且要定期更换，整个设备受织物耐温的 限制，难以用于高温场合；含尘气体湿度较 阳( 1 5 ) l 捧气口2 - 棚门打开 一门关闭 爿目i 竹出寿潍避争工作状志滤釜 瀚气口7 捧尘日 大时，滤料上会粘附粉尘，以至造成滤料堵塞，阻力增高，性能降低a 5 、颗粒层除尘器 颗粒层除尘器与袋式除尘器很类似，属于微 孔过滤器，它们之间的主要区别是过滤介质不 同。颗粒层是用一定粒度的砂砾或其他金属碎屑 作填料形成多孔过滤层l3 1 。除尘过程中大颗粒粉 尘主要借助于惯性力，小于0 s u m 的尘粒主要靠 砂砾及被过滤下来的尘粒表面拦截和附着作用 过滤下来，净化效率随颗粒层厚度增加而提高。 雷( i i 一6 ) - 卜囊粒屡2 捧气口 3 _ 麓风予4 一避气口5 _ 灰斗 因为孔隙率小，故能过滤细小粉尘，又由于采用砂砾作滤料，因而能 回收高温有腐蚀性及腐蚀性较大的粉尘见图( 1 1 - - 6 ) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 6 、多伊尔除尘器 多伊尔除尘器( 水浴除尘器) 是湿式除尘器的一种，也是一种惯 性除尘器，它的形态很多，这里仅 介绍一种，见图( 1 一1 7 ) 。它的主 要原理是：当含尘气体通过锥形体 时，由于截面积变小，使气体由低 速变为高速，粉尘颗粒速度也将增 高。当撞击到水面时，被捕集而达 到除尘目的。泡沫式除尘器也是上 述除尘器的一种变形，其基本原理 相似。 此类除尘器特点是：对于大颗粒粉尘 捕集效率较高，此外水位对除尘效率 的影响很大，风阻的变化范围较大。 1 1 2电除尘器 电除尘器是在静电场中利用静电 力将自身带电( 或经预荷电) 的粉尘 捕集沉降下来。它既能收集大颗粒又 能收集小颗粒粉尘，是一种应用很 广的除尘器，并且效率很高，耗能低， 设备阻力小，是二十世纪才开始应 用于工业的1 4 i 。 1 、管式静电除尘 静电除尘器最为原始的是管式 电除尘器( 图1 1 8 ) 。其原理是： 电晕线在高压下产生电晕放电，使 粉尘预荷电，在静电场力作用下 2 图( 11 7 ) 卜进气口2 排气口3 锥形体4 水 3 2 l - - q ：? 争气体出口2 一含尘气体进口3 一集灰斗 4 - 集尘棱5 一电晕撮6 一绝缘子7 一高压直流电源 = 雷( 1 1 9 ) 1 高压静电电源2 集尘极3 - 电晕极 4 电力线及粉尘运动轨迹 j 至i 型查盔堂堡主堂堡堡塞 ! 粉尘沉降于集尘极，原理如图( 1 1 9 ) 所示。此除尘器特点是：除 尘效率低，反电晕、二次扬尘等现象严重，一般已很少应用。 2 、板式静电除尘器 板式电除尘器分为卧式和立式两种，其原理与管式电除尘器相 似。此类除尘器一般规模大、投资高、占地广、结构复杂，为多级箱 口f il 一1 0 】 l _ i 啪粗 m 口3 哦叶l 尘 t 扭 料 驯降奎： 行。夺。 舒口柳够l 瞄嘭基瞄圜学陌形 豳( l l - - i i ) 己一q nn 飞 b 、o 、， o d n ，l “一 f 匕、1 0 圈( i 1 一1 2 ) - - c 形挺h _ 注暖形量c - z 堆氍d - 幔式槽形 e - 反c 形氍卜凸昂重g - 蘸直c 形柱 式结构，如图( i 1 一1 0 ) 。电晕极形态也多，如图( 1 1 一i1 ) ：收尘极 形态如图( 1 1 一i2 ) 。电晕极与收尘极均需要振打装置。 3 、荷电水雾除尘器 荷电水雾除尘器是近几十年来出现的，其原理是水雾荷上电，粉 尘荷上与之相反的电荷，在静电力的作用下，水雾与粉尘结合，经静 电场或除雾网达到除尘目的。如图( 1 1 13 ) ，为华盛顿大学早期的 水雾荷电除尘试验装置。其特点是：除尘效率高；但存在二次污染及 缺水地区的适应性问题等i s l 。 综上所述，无论是机械式除尘 器还是电除尘器，都存在着许多不 足之处。机械式除尘器，一般只适 用于一级除尘，能沉降的粉尘颗粒 要求较大，一般1 0 u r n 以上，且效率 低、风阻大，但设备简单易于维护。 而静电除尘器，又对粉尘特性反应 敏感；对干干式静电除尘器，高比电 阻粉尘在集尘极上的堆积可造成反 电晕；低比电阻粉尘的二次飞扬； 图( 1 1 1 3 ) l 一进水口2 一糟尘发生嚣3 - 喷嘴4 感应环 5 一风机6 水雾7 - 捧风口8 - 除雾网 9 - 菏皂区1 d 捧污口“一粉尘烟雾遇滞室 辽宁i ：科技术大学硕士学位论文6 以及除尘温度都有一定的限制，严重时可造成静电除尘器效率明显下 降，甚至完全失效，以至损坏电极。在某些场合，如冶金工业设备、 锅炉等排除的有害气体s o2 、n 0 2 等与湿式静电、机械除尘器内的水 结合，可对这些设备产生严重腐蚀及高压绝缘性下降等现象。并且， 这里某些设备过于庞大，难于维修，一次性投资高、占地广，以及二 次污染严重等，所有这些都给除尘器的广泛应用及普及带来限制。 1 2 除尘器发展的新方向 除尘器发展至今，无论是静电式还是机械式都没有重大的突破， 其基本结构与以往相似。究其原因，主要是由于除尘理论所限。尽管 如此近几十年来，由于技术上、工艺上的提高，还是赋予了除尘器强 大的生命力。 l 、机械式除尘器 机械式除尘器以袋式为例。其滤料性能决定着除尘器的性能，滤 料材质的不断改进及编织方法的不同，在经表面定型处理或喷刷涂 料，使之更耐腐蚀、耐温、寿命延长等o ；其次在清灰方式与结构方 面，袋式除尘器清灰方式改进很多，原来的机械式振打，气体反吹等 都有重大改进，尤其以气体反吹清灰明显i l ，其分类见图( 1 2 1 ) 。 机械式除尘器中的旋风除尘器，由于投资少，运行费用低，广为 中小型锅炉所采用。但旋风于对微细粉尘的捕集效率很低，达不到国 家排放标准。因而，其生命力受到限制。近几年来，荷电水雾除尘与 圉( 1 2 1 ) 匿( 1 2 2 ) 1 一排气口2 一喷嘴3 一进气口 4 一水管5 一旋风子6 一排尘口 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 旋风除尘器的组合解决了这一问题，如图( 1 2 2 ) 。 2 、静电除尘器 静电除尘器是一种高效除尘器，应用面很广，发展余地很大。但 由于基本原理的不变，其发展主要体现在粉尘预荷电及电源改进之 上。以供电电源为例，早在十世纪四十年代，美国人h j w h i t e 和h h a l l 两人将雷达系统的毫微秒级高压、高能脉冲电源用于除尘设备上。它 的脉冲为方波，脉冲宽度1 5 u s ，电压峰值可达6 0 k v ，电流峰值 3 0 0 u a ，最大能量可达2 0 m w 。具体制成了一个15 k w 的商品装置。用 高压真空电子管充氢阀流管作为脉冲开关。许多深入的研究工作由于 没有可行的高能开关器件及资金等问题而耽误了。到了七十年代，由 于高速高能固态电子开关器件的不断发展，各国对脉冲荷电除尘技术 的研究又越来越多7 i ：各种电源线路系统研究应用于飞灰、蒸气的防 治，并建立起一些可靠的脉冲荷电系统。到八十年代末，世界各地已 出现数十种、数百个商用成套脉冲荷电除尘设备，而且应用范围也越 来越广泛。 脉冲荷电能产生均匀的电晕放电。在直流荷电情况下，仅在电晕 极尖端发生电晕放电；而脉冲荷电方式除了尖端放电之外，其他位置 也发生漫射式电晕放电，电晕分布非常均匀，见图( 1 2 3 ) 。并且 脉冲荷电可以大大地减少反向电晕的发生。它是改进对高比电阻粉尘 捕收的重要途径。因此，脉冲荷电也成为电除尘器研制的新方向。 在以往的静电除尘器中，粉尘、水雾的荷电方法无非是：接触法 电晕法、感应荷电法这三种。近几十年来，电子束照射装置已应用于 除尘器1 8 i ，这种荷电方 法，采用高密度电子流， 使亚微米级粉尘粒子的 荷电量大幅度增加。当用 9 0 k e v 能量的电子束照 直流荷电 脉冲荷电 囝( 1 2 3 ) 卜电撮 2 - 放电尖 3 一电晕及离子流4 - 集尘掇 堑室三矍垫查叁堂堡圭堂焦堡苎 ! 射时，可得五倍的荷电量，除尘效率达9 9 9 9 以上。见图( 1 2 4 ) 。 2 4 图( i 2 4 ) 卜电子柬照射装置2 0 l 气口 预荷电区 4 _ 收尘极争电晕撅( 已放大) 6 - 除尘嚣7 _ 排气口 用电子束照射的方 法，不仅可以提高除尘效 率，而且还可以用于烟尘 的脱硫、脱氮工艺过程 中，一般s 0 2 的脱硫效率 8 3 9 7 ；n o 、n 0 2 的脱 氮效率可达9 0 。见图( 1 2 5 ) 。 此外，用放射性物质( 放射性源) 作为荷电装置，也取得了显著 进展。此种方法不仅可使粉尘、水雾带正电，也可使粉尘带负电，达 到了节能及避免高电压带来的安全问题。只要设备防辐射做得好，就 干粉尘 圈( 1 2 5 ) 可以完全避免r 射线对人体的危害。 在水雾捕尘方面，自8 0 年代以来，国内外开始研制一种全新的 除尘技术一超声雾化抑尘技术 。这种除尘方法的特点是在局部密闭 的产尘点中，安装利用压缩空气驱 动的超声雾化器激发产生高密集的 亚微米级雾粒，水雾迅速捕集凝聚 微细粉尘，使粉尘特别是呼吸性粉 尘很快沉降在产尘点上，实现了就 地抑尘。这种方法不必把含尘空气 抽出后再则以处理，避免了使用干 翻( 1 2 5 l 喵气口2 超声雾化嚣3 控橱柜 4 一电控厢5 - 气水管6 一排气口t - 除雾器 辽寸11 ：程技术大学硕士学位论文 9 式、湿式除尘器带来的二次污染及其他问题。同时，由于其捕尖机理 与普通喷雾捕尘完全不同，在捕尘中耗水量极少，被称为“超声干雾 捕尘”，避免了普通喷雾耗水量大的弊病。见图( 1 2 6 ) 。 3 、除尘器设计的发展方向 在除尘器设计方面近几年来取得很大的发展，主要表现在：电晕 极设计、收尘极设计和除尘器体积小型化等方面【1 0 i 。 由于单根电晕极产生的电晕场在强度和分布方面都比不上多根 电极的电晕场好。设计中，电晕极向多极化发展；且同极间的距离向 宽间距发展，这些都有利于实现大面积、大风速收尘。在电晕极结构 设计上，试验表明：粗大芒刺电极有利于收尘。因为，粗大电极一方 面能产生很强的静电场，而芒刺又能产生很强的电晕场，使得粉尘易 于荷电凝结进而被捕集。 收尘极的设计型式多样，但都在向大面积、多室收尘方向发展。 在原始的单室收尘极中分隔出较小的多个收尘室，同时增加电晕极数 目。这样，不仅增加了有效收尘面积，也减小了电景极与收尘极间距， 从而降低工作电压，增大电晕场强度、静电场梯度，有利于收尘。 原有的静电除尘器大都是体积庞大、占地广，一次性投资及维修 保养费用高，而且维修不便，也不适用于局部产尘点的除尘。随着电 晕多极化、收尘多室化，。小型高效除尘器的研制成为可能。它不仅 适用于局部产尘点的除尘，也适用于大范围产尘面的降尘。 这些改进都使得除尘器的风阻、体积、重量、成本降低。几种除 尘机理的结合、对f 日有除尘设备的改造都颇见成效，使得机械除尘器 与电除尘器之间的界限已变得模糊了。这种复合除尘器是近几年来除 尘技术发展的一个新方向。另外，利用红外线、激光的光泳原理来除 尘也正在进行试验。 1 3研制复合型除尘器的必要性 除尘器按原理分为机械式与静电式，它们的除尘方式、机理均不 同。但发展至今，无论机械式还是静电式除尘器都没有重大突破，其 辽宁i ：程技术大学硕士学位论文 1 0 基本结构与以往相似。究其原因，主要是受除尘理论所限，难以实现 多种机理的有机接合，从而大大提高除尘效率。 机械式除尘器存在很多缺点及效率低下已成为人们的共识，特别 是对微米、亚微米级呼吸性粉尘更难以除去。因而机械式除尘器( 如 旋风除尘器) 一般做为多级除尘系统中的初级除尘设备；其中的布袋 式除尘器还存在织物耗用大、不适用于高温气流及粘性粉尘。 静电除尘器是目前发展应用最多的除尘设备，它对微米、亚微米 级粉尘捕集效率高，设备阻力小、能耗低。但静电除尘器目前还存在 不少问题有待解决。 干式静电除尘器是利用静电场和电晕场收集粉尘。它的工作电压 很高，一般十几万甚至几十万伏。而且，电晕极上易粘灰尘，阻碍电 晕放电。收尘极板上的粉尘积到一定厚度后，对于高t e 电阻粉尘，易 出现“反向电晕”现象，抵消电晕极电晕场；对于低比电阻粉尘，在 风流的作用下，又会出现“二次飞扬”。这些都可造成静电除尘器效 率明显下降、甚至完全失效，以至损坏电极l l 。因此，要求间断工 作、定时振打电晕极和收尘极。若是粘性粉尘廿还难以振打下，这又 易造成电极变形断裂，给维修带来不便。安装振打装置会增加除尘器 设计难度，重量、体积、成本都会增加。 湿式静电除尘，研究较多的是水雾 荷电除尘。如图( 1 3 一1 ) 为华盛顿大 学设计的实验室模型，采用二级电晕预 荷电、水雾不荷电的除尘方式。图( 1 3 2 ) 为我国某厂家利用荷电水雾改造旋 风除尘器的设备模型2 ，粉尘不荷电、 水雾直接荷电。图( 1 3 3 ) 是我国某 田( 1 3 - - i ) l 进术口2 鼬【& 糟尘迟糙t 预荷岖& 解同 矗喷7 捧污口 大学正在试验研究的水雾荷电除尘设备，粉尘和水雾均荷电后相互凝 并，在除雾网、风机的作用下达到降尘目的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 蟹( 1 3 2 ) 1 进风口2 风机3 旋风障尘嚣4 排尘口 5 进水口6 喷嘴7 高压静电潭8 出风口 9 捧水口 圈( 1 3 3 ) 1 进风口2 预荷电区3 喷嘴4 蘑应玮 5 进水口6 风机z 除雾同8 出风口 9 排水口 这些除尘器效率都比较高，不存在振打清灰问题，有些还获得应 用。但它们都存在一些共同缺点： 1 、在设计原理上，仅考虑了带电粉尘与水雾的相互吸引作用、 碰撞粘附作用、及水雾的洗涤作用，没有利用静电场和电晕场的捕尘 作用。也就是说没有很好地实现多种除尘机理的有机结合； 2 、结构复杂，除尘装置体积庞大，不利于实现除尘器的小型化。 这些缺点影响了此类除尘器的除尘效率，使得它们的除尘效率难 以达到理想的效果，限制了它们的使用范围，某一种除尘器不能广泛 应用于不同场合。目前，很有必要研究一种新型除尘器，实现多种除 尘机理的有机结合，从而达到高效除尘之目的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 2 复合式除尘器研制的理论分析 2 1 气体的放电原理3 1 我们知道，当原子中的电子从外界获得能量时，可以从低能级提高 到高能级，这种原子称为受激原子。当这种能量大到一定数值时，原 子被电离成自由电子和正离子。如果许多原子都被电离，这时气体就 成为电离气体，从而失去了绝缘性能。能使原子或分子电离的方式很 多，原子和电子之间的碰撞；原子和原予之间的碰撞；光或x 射线对 原子的作用等，都可以产生电离。 本课题涉及的电晕放电现象就是使气体电离的的过程，当电极表面 电场非常强时，会使气体离子化，也会使电极表面释放出电子等，我 们把这种过程称为“场强发射”或“场致发射”。 2 1 1 场致发射 场致发射是属于表面发射的一种形式，是电晕放电的基础。在金 属中，一些处在导带中的电子，可在晶格之间自由运动，但它们不能 离开金属表面，要从外部给这些电子足够的能量，才能使它们越过表 面的势垒而脱离金属表面。这属于热发射和光电发射的内容。而场至 发射与其机理不同，它是由于外电场的存在，使金属表面势垒变形。 这时有部分导带的电子“透过”势垒而脱离金属表面，形成场致发射。 在我们试验设备中的电晕极放电尖端，它的表面电场强度很高，可以 达到每厘米几十兆伏，以致引起场致发射。 2 1 2 碰撞电离 我们在此仍然采用半经典的方法来处理所讨论的问题。当一个速 度为v 的电子碰撞一个气体原子时，电子的动能m v 2 2 有一部分就传 给了原予。如果这种碰撞不引起原子内部的变化，即激励或电离，这 种碰撞称为“弹性碰撞”。因为原子的质量比电子大得多，所以电子 传给原子的能量少，原来静止的原子几乎不动，只是电子改变了运动 方向。如果电子的能量足够大，它的动能可使原子电离或激励，这种 碰撞称为“非弹性碰撞”。 辽宁_ 1 ：程技术大学硕士学位论文 11 电子和原子等碰撞有许多不同的情况。图( 2 1 1 ) 表示电子和原子 碰撞之后，原子a 被电离，变成离子a + 。除原来的一个电子外，又 产生一个后的电子速度变小。静止的原子可以获得的最大势能为： + ，= 熹芋( 2 一) m 一电子质量； m 一原子质量； v 是入射电子 的速度。 一一 因为m m ， 所以三m v 2 一一4 k较一争 图( 2 1 一i ) 电子的全部动能几乎都传给了原子。因此，当电子的动能虿1 m v 2 彬时 就可以使原子电离。w i 是原子的电离能。非弹性碰撞之后，电子速 度下降为： ，竹m 仉2 m + m ”4 m p 如果电子动能比原子电离能大许多，那么在非弹性碰撞之后，除了电 子传给原子一部分能量之外，仍保留一部分动能，它以较低的速度继 续运动。如果此电子的动能比原予的电离能小，但仍比原子激励能大， 电子和原子碰撞时，可以使原子a 激励成a ，见图( 2 1 2 ) 。 原子和原子碰撞也能 使原子电离见图 一 一e ( 2 1 3 ) ，这时公式 ( 2 1 ) 、( 2 2 ) 仍能 圈( z l 一2 ) 适用，其中m 、v 是入射原子a 1 的质量和速度。由此可见，传递给静 止原子a z 的最大势能为：= 三m v 2 里! ! ：矍垫查盔堂堡主堂垡堡塞 ! ! 因为这时m m ，所以只有入射原子动能的二分之一可以转为原子a2 的势能，这和电子与原子碰撞不同。为了电离静止的原子a ：，入射 原子a l 的动能必须是原子a 2 的电离能的两倍，才能使a2 电离。碰 撞之后原子a 1 的速度按公式( 2 2 ) 下降为： v ，= j 1v ，原子a 2 除了 电离为离子a + ：外，还获得动能，以速度心= 言v 运动。 由于电离的结果，放电区域中电子、离子和激励的原子并存、 如图( 2 1 2 ) 所示当电子和激励的原子a + 碰撞时，电子的动能有 可能给原子，把已经提高了能级的原子再提高，而使它电离。但也可 a 1a 2 一一 i 卑 能是激励的原子回复到基态，把 激励能传给入射电子。于是碰撞 后的电子反而速度增加，见图 ( 2 l 一4 ) ，这样，它可以电离其 他中性原子。另一种情形见图 ( 2 l 一5 ) ，两个激励态的原予 相互作用后，可能一个原子回到 图( 2 1 - - 4 )基态，把激励能传给了另一个原 子，使后者电离。这类有激励原 子参加的碰撞( 图( 2 1 4 ) 、图( 2 1 5 ) ，由于它的势能而引起的 电离，这种过程称为“第二次碰撞电离”。图( 2 1 一1 ) 、图( 2 1 2 ) 、 图( 2 1 3 ) 所示仅为动能引起的电离，称为“第一次碰撞电离”。 粒子间的交换有一定的几率。即使一个电子的动能已达到原子 ( 或分子) 或电离能， 次碰撞都能 的激励或电 的激励能 也不是每 引起原子 离。二一一芝 ： 渤譬 辽宁i ：程技术大学硕士学位论文 1 5 例如，能量等于气体原子电离能的单能电子束注入到气体里的时候， 电子束中只有少数电子可以电离气体原子( 或分子) 。 单能电子束的能量虽然低于气体的电离能，有时也可使气体电 离，其中亚稳态起很大作用。例如汞的电离能是1 0 4 3e v ，但是电子 的动能达到4 8 9 e v 时，有的汞就丌始电离了。因为4 8 9 e v 是汞的第 一个基态能级，它是亚稳态。因此，当它还没有回到基态、放出光子 之前，又有其他电子和它碰撞，这时电子的能量再传给亚稳态的汞原 子，就可以使它电离。这种类型的电离称为“分级电离”。 以上只表述了几种电离形式。另外，还有其他的碰撞电离形式， 例如激励的原子和未激励的原子碰撞后也可能引起后者电离，只要满 足前者激励能大于后者电离能即可。这种情况很复杂，在此不在表述。 1 、平均自由程 气体分子运动时，一个粒子碰撞一个分子后，在经过一段距离， 又碰撞上另一个分子，这段距离称为“自由行程”。显然，这自由行 程是无规则的( 或随机的) ，它的平均值称为平均自由程九。在下面 的讨论中，假设分子、原子是刚性球体。 平均自由程不但和气体本身无关( 如气体粒子的大小等) ，也和 它所处的环境条件有关，如气体的压力等。气体的压力大，气体的分 子比较密积，平均自由程将比气体压力小的要短些。 当一个粒子在一个气体中运动速度比气体分子的热运动速度大 许多时，可以认为气体分子是不动的。 墨( ：1 6 、 辽宁。 程技术大学硕士学位论文1 6 图( 2 1 6 ) 中气体分子用2 表示，它的半径为y ，。运动的粒子 1 的半径为n 。在粒子l 通过粒子2 附近时，如果两个球心的距离等 于或者小于 + y ：= r ，则粒子l 将和分子2 相撞。所以，以粒子l 所 走的折线a ，b ，c ，d 为中心线，以r 2 = ( n + y ：) 2 为分子2 的碰撞 次数。以z 表示粒子l 进行一单位长度1 ( c m ) 距离时的碰撞次数， 截面作成圆柱体，所有落在这个圆柱体中的分子2 的个数就等于粒子 1 和分子n 表示分子2 的密度( 分子数c m 3 ) ，于是 z = ( n + y 2 ) 2 n ( 次c m ) ( 2 3 ) 它的倒数，即两次相继碰撞之间的平均距离，就是平均自由程 五= 而i厅( ，l + ，2 ) 。 ( 2 4 ) 如果入射粒子1 与2 是l 司一气体分于，n 2 y 2 。y ，公瓦【z 4 ) 父 为： 万m = 去叫， 如果入射的粒子1 是电子，粒子2 是原子或分子，则 y ：，公式 ( 2 4 ) 成为： 石= 去鲡】( 2 6 ) 以上假设气体分子2 的速度比粒子l 小的多。如果速度y l 及v ：可以比 拟，则它们之间的相对速度y = f 可。这时仍可以把粒子2 看作不 动，而粒子1 豹速度不是用h 而是用v z 表示，于是平均自由程 五：旦；一( 2 7 ) 厅( ，i + y 2 ) 2 y j + i ，； r 在同一气体内，因为y 。= v 2 、 = 如，推出平均自由程 万：上： 万( 2 - - 8 ) 以2 刁西两2 万、 7 辽宁i ：程技术大学硕十学位论文1 7 由于电子比较小，它的平均自由程万。比气体的平均自由程_ 暑大，两者 关系为： 2 c = 5 5 6 2 p 因为气体分子的密度n 和压强p 及温度t 有如下关系： p = n k t 其中k 为波尔兹曼常数。由上式及公式( 2 8 ) 得： 万。2 而k 历t 2 、自由行程的分配 粒子在一群气体分子中运动时，由于它的自由行程长短不一，有 时经过较长距离后才和分子相碰，有时经过较短距离就和分子相碰。 设粒子在x = 0 处，单位面积、单位时间注入的数目为，它们由左 向右运动。在这一过程中，有些粒子和气体分子2 相碰而受阻，不再 沿x 方向前进。因此离零点越远，未经碰撞的粒子数目将越少。现在 来讨论x 处剩下的粒子l 的数目n 。以 及，2 分别代表粒子1 及2 的 半径。当一个粒子1 在距离x 处通过厚度为d x 的气体层时，如果落 在x ( r ，+ y ：) 2 的范围内，它将和粒子2 相碰而被阻挡。在单位面积上， 这总的阻挡面积将是n z r ( y 。+ ，：) 2 出，n 是气体分子2 的密度，于是在 d x 气体中，粒子1 减少数目为： d n = - n n j r ( y i + ，2 ) 2 d x ( 2 1 0 ) 积分后得： n = 珂。b 一“f ，j + n ( 2 11 ) 式中 n t r ( y 1 + y 2 ) 2 = 毒 式( 2 1 1 ) 表示：在x = 0 处有n 。个粒子进入气体，经过距离x 后， 剩下来未经碰撞的粒子数n 将随距离的增加而指数下降。 3 、碰撞截面 前面已经提到在x ( r ，+ ，：) 2 的截面内，运动粒子1 将和粒子2 碰撞， 堑! ! ；矍丝查叁堂婴主堂堡垒塞 ： ! ! 以盯表示碰撞截面，于是口= z ( y ，+ ，：) 2 根据公式( 2 4 ) ，可以看出平 均自由程碰撞截面的关系为： a = 匕：1 _ ， 2 12 ) 7 r n ( r l + y 2 ) 2 c r n 一 。 把r 1 看作零，分子2 的面积看作刀( + y ：) 2 ，碰撞截面盯就可以看作是 一个允子的“靶面积”，或“总的碰撞面积”，它和气体的压强及温度 有关，因为n 是气体的粒子密度。把公式( 2 1 2 ) 写成： 。_ ：三 五 旯的倒数是单位长度上的碰撞次数，所以a - 也表示单位长度上的碰撞 次数。 4 、电子碰撞 前面都是把粒子( 分子、原予、电子等) 看作球形，实际上，当 这些粒子在很近的距相互作用时，粒子的电场就要起作用。如果入射 粒子是一个电子，当它和一个原子( 或分子) “碰撞”时，它的电场 将和原子内电子的电场相互作用。所以要用量子力学来处理。用经典 力学来处理时，有些现象是不好解释的。例如碰撞截面盯随入射粒子 的速度而改变。也就是说并不是电子的速度越大，激励或电离的气体 原子将越多，而是有一定的极值，超过极值即电子的速度越大，则激 励或电离的气体原子将减少。 5 、离子碰撞 重粒子的碰撞一般不如电子碰撞重要，也包括离子碰撞，它们与 电子碰撞相比较可忽略不计。因为原子是中性的，不能在电场中加速； 离子问碰撞也是多种多样的，那些不产生带电粒子的过程，在这里是 不重要的。 2 i 3 碰撞效率 辽宁1 ：程技术大学硕士学位论文 前面列举了一些弹性 碰撞、激励碰撞、电离碰撞 等6 属于不同的过程，有不 是享j 、 同的碰撞截面：盯盯。，口， 。4 等。如果一个粒子在单位长 度上经历了o n 次碰撞，其 中有的是弹性碰撞，有的是 引起激励或电离，见图 图( 2 1 7 ) ( 2 1 7 ) 。我们可以把总的 碰撞次数分解为： o n = 仃“n + 盯“+ 仃f - 。t _ _ - ( 2 - - 13 ) c r , t n 、c rn 、及o i n 不只是相应的碰撞次数，也是碰撞截面。为了便 于说明，假设在曲折的行程里，电子在总长度上作了五次碰撞，于是： 页= j 1 吣o = 5 m - i 】 其中弹性碰撞一次，激励碰撞和电离碰撞各两次，如图( 2 1 7 ) ： 盯。n = o i n = 2 m 。】 盯d n = 1 e r a 。】 于是：万。= l m j ， 无= 1 f 研】 单位长度上总碰撞次数按式( 2 一l3 ) 将是5 【m “】。一般也可写成： o n = o j n ( 2 1 4 ) 盯2 乃 j j 表示碰撞的类型。 在碰撞过程中，只有一部分引起电离，这一几率用“电离几率”弓表 示为： 一 望! 三塑塾查奎堂堡主堂堡笙塞 ! ! 鼻= 筹= 詈 在上述例子中，c r n 是5 次，而电离碰撞是2 次，所以 只：2 ，：4 0 ， 电离几率也可用平均自由程表示。利用五= 击的关系 只：兰 因为c l r n 是粒子行程上单位长度的电离次数，也有用它来表示“电离 效率”r h 的。由公式( 2 一l 6 ) 得： 仇= c r i n = p ，o - n = 譬 叩j 值常常是p = i t o o r 】，t = 2 7 3 k j 条件下的值。 “碰撞频率”是单位时间内粒子经历的碰撞次数。不同的碰撞形 式可以有相应的碰撞频率： 电离碰撞频率： = v n c r f s e c 。】( 2 1 9 ) 激励碰撞频率：几= v n c r 。e s e c 。1 】 总的碰撞频率：，= v n # s e c 由公式( 2 1 4 ) 、( 2 19 ) 、( 2 2 0 ) ( 2 2 0 ) y = y d + y 靠+ ，f + a = e r - - ( 2 2 1 ) 其中j 表示各种碰撞频率。 综上所述，电晕放电过程是由两部分构成的：一是场至发射的过程： 二是气体离子化的导通过程。场至发射与电晕极周围的电场强度有 关，场强越高，场至发射越强烈。气体的离子化过程与气体的温度( 表 现在分子热运动速度上) 、密度( 表现在分子平均自由程上) 等因素 关系密切。在电晕放电中，气体本身因素改变范围狭小，因此我们只 辽宁j ：程技术大学硕士学位论文2 1 能在场至发射方面多做研究：改进电晕极结构、提高电晕电压、及加 热电晕极温度等措施，使金属表面“势垒”变薄，易于表面发射的进 行。 2 1 4水对电极放电的影响 以上论述表明，电极表面的场致发射电子是气体电离放电的基 础。增强电极的场致发射是改善电极或气体放电的有效途径。 要形成场致发射，金属电极中的自由电子必须获得足够的能量， 才能克服电离能而越过表面势垒成为发射电子。因此，要使电极放电， 可从两方面做研究：一、怎样让自由电子获得足够的能量；二、尽可 能降低表面势垒或使表面势垒变形。前者属于热发射和光电发射的内 容。本实验只研究后者：怎样改变、降低表面势垒，降低电离能。 在改变金属表面势垒方面，有效途径是设计合理形状的电极，增 大表面电场强度，使金属表面势垒变形。如尖端放电属于此原理。在 放电尖端，表面势垒变形弯曲，而表面场强大幅提高。自由电子易从 尖端越过势垒成为发射电子。 在降低表面势垒方面的方法很多。本试验中，让电极表面带水是 降低表面势垒的一种有效措施。水覆盖金属表面后，将原来的“金属 一空气”界面分割成“金属水”界面和“水一空气”界面，后两种 界面的势垒比前一种界面的势垒低很多。这样，金属表面带水后，将 原来的高势垒分解为两种低势垒，大大削弱表面势垒对自由电子的阻 碍作用。使电子易于发射。另外，水中的多种杂质离子在电场作用下， 也易越过表面势垒而成为发射离子。这些都改变了电极放电效果，使 之能在低电压下发生电晕放电。 2 2 水雾形成的原理i l 4j 水雾是湿式除尘的一个重要手段，也是复合式除尘器设计的个 关键组成部分，水雾形成的方式很多，本论文只涉及离心式水雾雾化 装置。 ! 至：坚堡垫查盔堂堡堂