第六章 电除尘器1.ppt

第六章电除尘器ElectrostaticPrecipitators ESP 6 1概述 6 2电晕放电 6 3电场 6 4粉尘荷电 6 5粉尘的迁移和收集 6 6电除尘器的结构 6 7粉尘比电阻 6 8电除尘器的选择和设计 6 1概述 一 电除尘的性能特点气体除尘从广义上来说可以分为机械方法和电气方法两大类 机械的方法包括基本上依靠惯性力和机械力回收粒子的一切方法在内 如重力沉降法 离心分离法 气体洗涤法 介质过滤法等等 电气的方法就是电除尘 它与一切机械方法的区别在于作用在悬浮粒子上的使粒子与气体分离的力 特点 1 分离的作用力直接施于粒子本身 这种力是由电场中粉尘荷电引起的库仑力 而机械方法大多把作用力作用在整个气体 2 直接作用的结果使得电除尘器比其它除尘器所需功率最少 气流阻力最小 处理1000m3 h的气体 耗电0 1 0 8度 P 100 1000Pa 3 它既不象重力沉降法或惯性法那样只限于回收粗粒子 也不象介质过滤法或洗涤法那样受到气体运动阻力的限制 能回收微型范围的细小粒子 1 m左右的 4 除尘效率高 一般在95 99 处理量大 可应用于高温 高压 具有克服气体和粒子腐蚀的能力 连续操作并可自动化 故应用广泛 5 主要缺点是设备庞大 消耗钢材多 初投资大 要求安装和运行管理技术较高 二 电除尘发展简介早在公元前600年 希腊人就知道被摩擦过的琥珀对细粒子和纤维的静电吸引作用 库仑发现的平方反比定律成为静电学的科学基础 它也是电除尘理论的出发点 威廉描述到 电能吸引由熄灭的火花产生的烟 1745年 富兰克林 1706 1790 开始研究尖端放电 他似乎是首先研究我们现在所涉及到的电晕放电 最早有关烟尘电力吸引的文学叙述出自英国的宫廷内科医生威廉吉伯特 时间是1600年 1772年 贝卡利亚对于大量烟雾的气体中的放电 电风现象进行了试验以后 1824 1908年 一些人做了一些有关净化过程中烟雾 烟草中的烟等试验 1908年 柯特雷尔发表了他的第一个专利 并在赛尔拜冶炼厂电除尘成功地回收了过去很难处理的硫酸雾 后来在他的学生施密特协助下又进行了发展 为在冶金和水泥工业中迅速广泛地采用电除尘 控制空气污染奠定了基础 从上世纪二十年代到四十年代开始应用于其它工业 本杰明 富兰克林名言 懒惰象生锈一样 比操劳更能消耗身体 经常用的钥匙 总是亮闪闪的 切勿坐耗时光 须知每时每刻都有无穷的利息 日计不足 岁计有余 时间是一味能治百病的良药 勤勉 不浪费时间 每时每刻做些有用的事 戒掉一切不必要的行动 不劳苦 无所得 时间不可空过 惟用之于有益的工作 一切无益的行动 应该完全制止 读书是我惟一的娱乐 我不把时间浪费于酒店 赌博或任何一种恶劣的游戏 懒惰行走得那么慢 以至贫穷很快赶上了它 本杰明 富兰克林名言 续 没有任何动物比蚂蚁更勤奋 然而它却最沉默寡言 你热爱生命吗 那么别浪费时间 因为时间是构成生命的材料 如果有什么需要明天做的事 最好现在就开始 诚实和勤勉应该成为你永久的伴侣 绝望毁掉了一些人 而傲慢则毁掉了许多人 骄傲者憎恨他人骄傲 失足 你可能马上复站立 失信 你也许永难挽回 懿行美德远胜于貌美 要强迫自己工作 不要等到工作来强迫你 把别人对你的诋毁放在尘土中 而把别人对你的恩惠刻在大理石上 如果你懂得量入为出 那你就可以致富了 电除尘器 三 电除尘的除尘过程电除尘是何种装置呢 概括而言 电除尘是利用强电场使气体发生电离 气体中的粉尘荷电在电场力的作用下 使气体中的悬浮粒子分离出来的装置 用电除尘的方法分离气体中的悬浮离子 需四个步骤 气体电离 粉尘荷电 粉尘沉集 清灰 Dust collectionplate L High voltagewireforcoronadischarge Cleangas h Dirtygas Coronadischargealongthelengthofwire Collecteddustonplate Dustremovedfromplatestohoppers 2H 电除尘器的工作原理 电除尘器的工作原理 单区和双区电除尘器 双区电除尘器 单区电除尘器 四 除尘器的分类 按结构不同可作不同的分类 现从4个方面介绍 1 按集尘电极型式可分为管式和板式电除尘器管式 极线沿着垂直的管状集尘电极的中心悬挂 适用于气体量较小的情况 一般采用湿式清灰方式 板式 在互相平行的板式收尘电极的中间悬挂垂直的极线 板式可采用湿式清灰方式 但绝大多数采用干式清灰方式 2 按气流流动方式分为立式和卧式电除尘器在工业废气除尘中 卧式板式电除尘器是应用最广泛的一种 我国1972年提出的系列化设计SHWB型就属此类 3 按粉尘荷电区和分离区的空间布置不同分为单区和双区电除尘器单区 粉尘荷电和分离沉降都在同一空间区域内进行 双区 先有一组电极使粉尘荷电 然后另一组电极供给静电力 使带电粒子沉降 典型的双区除尘器多用于空调方面 国外有将它应用于工业废气净化方面的 4 按沉集粉尘的清灰方式可分为湿式和干式电除尘器 6 2电晕放电Coronadischarge 一 气体的导电二 电晕的形成 一 气体的导电电晕是气体中电传导的若干形式之一 因此 在介绍电晕放电时 需要先简单说一说关于气体导电的基本现象 问题 气体导电 液体导电 固体导电的区别 电击穿或气体放电当电极之间的电位差提高到某一点时 气体的电离和电导性就大大增加 于是从绝缘状态转变为传导状态 这种导电现象称为气体放电 电晕放电只是在放电极的一小段距离内气体有强烈的电击穿 放电时在电极周围的空气电离 火花放电是在放电极和集尘极之间有若干狭窄的电击穿 放电时电极间的空气电离 在电晕中产生离子的主要机制是由于气体中的自由电子从电场中获得能量 和气体分子激烈碰撞 使电子脱离气体分子 结果产生带阳电荷的气体离子并增加了自由电子 这种现象称为电离 要产生电离 碰撞电子必须具有一定的最小能量 成为电离能量 其数值根据被撞出的分子或原子来决定 电子除了有强大的电离能力外 还具有可以附着在许多中性分子和原子上形成阴离子的性质 显然 在任一距离内净剩的电子数是由电离所造成的电子数和因附着而损失的电子数之差 电子附着对保持稳定的阴电晕是很重要的 因为气体的迁移速度是自由电子的1 100 如没有电子附着而形成的大量阴离子 则迁移速度高的自由电子就会迅速流至阳极 这样便不能在电极之间形成稳定的空间电荷 差不多在达到电晕始发电压时就会发生火花放电 在没有电子附着的情况下 如某些气体N2 H2等 在很纯的情况下 完全不能由电子附着形成阴离子 就只能采用阳电晕 因为阳电晕中的电流载体是速度比较小的阳离子 气体放电可分为自持的和非自持的两类 自持的是指放电仅靠电位来维持 不需要外来的电离方法 电晕放电是自持的一种 非自持的则受外界电离剂的作用 二 电晕的形成如果在曲率很大的表面 如一尖端或一根细线 和一根管子或一块板之间有电位差 当电位差增大到一定值时 如达到一个临界值 则能形成非均匀电场而产生电晕放电 虽然交流电压也能产生电晕 但交流电晕使荷电粒子产生摆动运动 而直流电晕则产生把离子驱向收尘电极的稳定的力 所以电除尘通常都是单极放电 电除尘中所采用的单极性电晕是在放电电极和收尘电极间形成的稳定的自发发生的气体放电 电离过程局限在放电电极邻近的强电场中的辉光区或邻近辉光区的地方 如下图所示 电晕分类 根据电极极性的不同 电晕有阳电晕与阴电晕之分 当放电电极和高压直流电源的阴极连接时 就产生阴电晕 阳电晕或阴电晕的存在有两个主要条件 1 在电晕电极附近必须有充足的电离源 2 在电离区发射出的离子必须能在电晕外区生成有效的空间电荷 一 电晕形成机理1 阴电晕形成机理在电晕线周围 发生 电子雪崩 的积累过程 在强电场区域以外 电子逐渐减慢到小于碰撞电离所必需的速度 并附着在气体分子上形成气体离子 阴电晕 只是在很大的电子亲和力的气体或混和气体中有可能形成 外观 在放电电极周围有一连串光点或刷毛状辉光 2 阳电晕形成机制靠近阳极的放电极线的强电场空间内 自由电子和气体分子碰撞形成电子雪崩过程 这些电子向着极线运动 而气体阳离子则离开极线向强度逐步降低的电场运动 成为电晕外区空间内的全部电流 外观 比较光滑 均匀的蓝色的亮光包着整个放电电极表面 这种电离过程有扩散性质 二 电晕起始电压1 定义2 电晕起始电压计算公式3 影响因素 1 电晕起始电压随电极的几何形状而变化 2 气体组成的影响 3 温度和压力的影响 二 电晕起始电压1 定义 电晕起始电压指开始发生电晕放电时的电压 也称临界电压 与之相应的场强称为电晕起始场强或临界场强 在电除尘器中 影响电晕起始电压的各因素和电晕放电时的电压 电流关系具有重要的意义 而电除尘器的电压 电流关系取决于电极的几何形状 气体的组成和状态 已沉降的粉尘层厚度和性质及悬浮粉尘的浓度和粒径等 2 电晕起始电压计算公式现在推导管式电除尘器中电压与场强的数学关系 近似把电晕线看成无限长的均匀带电直线 电荷线密度为 库仑 米 假想两电极间没有电晕电流 即不存在空间电荷 由高斯定理可知 在管式电除尘器中距电晕线距离为r处的场强为 6 1 0为真空中的介电系数 0 8 85 10 12库仑2 牛顿 米2 而任一点的场强等于该点的电位梯度的负值 即 6 2 通过积分变换得 6 3 上式为任一点场强与电压的关系 式中 V 电压 r 半径 距电晕线中心的距离 a 电晕线半径 b 集尘管半径 6 3 式表明 在电晕开始发生之前 管式电除尘器中任一点的场强Er随极间电压V的升高而增大 随电晕线的距离的减小而增大 当r a在电晕线表面上时 Er达最大 电晕开始发生所需的场强取决于几何因素及气体的性质 皮克 peek 通过大量实验研究 提出了计算在空气中电晕起始场强的经验公式 V m 6 4 P0 T0为标况下的大气压 1atm 和温度 298K T P为运行状况的温度和空气压力 f为导线光滑修正系数 一般0 5 f 1 清洁的光滑导线f 1 实际中所遇到的导线可取f 0 6 0 7 式中正负号视电晕极性而定 正电晕取正号 负电晕取负号 当r a时 由 6 3 式得代入 6 4 得电晕起始电压计算式 线管式 6 5 板式电除尘器 式中 c 两个电晕极之间的半径 m a 电晕极半径 m b 电晕极到集尘极的距离 正 负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线 电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离 电场击穿 相应的电压 击穿电压 在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流 且击穿电压也高得多 工业气体净化倾向于采用稳定性强 操作电压和电流高的负电晕极 空气调节系统采用正电晕极 好处在于其产生臭氧和氮氧化物的量低 3 影响因素 1 电晕起始电压随电极的几何形状而变化 线愈细 电晕起始电压愈低 2 气体组成的影响气体组成决定着电荷载体的分子种类 不同的气体 电子附着形成负离子的过程是不同的 电负性气体 能吸附电子的气体 如O2 Cl2 SO2 若无电负性气体 则只能采用正电晕 气体组成对电压 电流特性的影响是由于混合气体中每种组分俘获电子的概率和迁移率不同而致 工业废气主要是混合气体 电子附着取决于每次碰撞的概率和各组分的浓度 混合气体对电子的亲合力总和可利用其中各组分碰撞次数来表示 同时可以利用混合气体各组分的迁移率来确定气体混合物的当量迁移率 在这里说明一下 离子活度 浓度 高 离子速度大 电晕电流也就较大 由于其它因素的抵消影响 这些关系并不直接成比例 虽然针对气体组成施加一些措施 如高电压等 对除尘器的性能改善有利 但在工业中很少采用改变气体组成的方法 而常用控制放电极尺寸或其它几何特性的方法改变电压 电流曲线 3 温度和压力的影响气体的温度和压力既能改变电晕起始电压 又能改变电压 电流关系 气体的温度和压力的第一种影响 改变气体密度 使电子平均自由程改变 也就改变为使电子加速到电离所需的速度时所必需的场强 实验表明 压力升高 温度降低 气体密度增加 电晕起始场强增高 电晕起始电压增高 第二种影响 改变电荷载体的有效迁移率 从而改变电压 电流特性 以下三种方式均可使有效迁移率增大 a 温度 场强不变 减小气体密度 b 气体密度 场强不变 提高温度 c 温度 气体密度不变 增大场强 6 3电场 电除尘器的电场是由于在一对电极间施加了高电压和在两电极的空间区域中存在由离子和荷电粒子构成的空间电荷而引起的 若没有电晕电流 则电场仅取决于供电压部分和除尘器的几何尺寸 电场影响着所要捕集的尘粒的荷电和作用在已荷电的尘粒上的力的大小 故在除尘过程中起重要作用 在上一节由理论推导出了管式电除尘器在任一点的场强 6 3式 该式是在假定电晕电流为0时推导出来的 有电晕电流时的场强计算任一点场强E r 的表达式 正负号视电晕极极性而定 正电晕取正 一般皆用负电晕 故取负 有电晕电流时的电压计算一般情况下 电除尘器的捕集效率随电晕电流的增大而提高 这主要是由于它影响场强的缘故 在粉尘荷电过程中起重要作用的电场是电晕外区空间中的平均场强E0 而集尘电极附近的场强 集尘电场强度Ep 影响着已荷电粒子的捕集效率 空间平均场强和集尘电场强度之积E0Ep在电晕线尺寸和集尘电极直径已定时 随电晕电流增大而增大 6 4粉尘荷电 电除尘过程的基本要求就是 相同条件下荷电速度快 荷电量大 在电除