湿式电除尘器的主要影响因素

1、2 2 维 纶通讯 2 0 0 9年 6月 湿式电除尘器的主要影响因素 高建兵 ( 中国石化集团四川维尼纶厂， 重庆4 0 1 2 5 4 ) 摘要 简要介绍了电除尘器的工作原理 ， 并结合该厂湿式电除尘器的实际运行情况， 分析了该类型 电除尘器的影响因素及改进措施。 关键词 电除尘器原理阴极丝阳极板影响因素 1 前 言 电除尘器是乔治 科特雷尔( F G C o t t r e l 1 ) 于 1 9 0 7年发明的； 它是含尘气体在通过高压 电场 电离， 使尘粒荷电， 并在电场力的作用下， 尘粒沉 积于电极上， 从而使尘粒与含尘气体分离的一种 除尘设备； 能有效回收气体中的粉尘， 以净化气

2、 体。目 前， 电除尘器在化工、 发电、 水泥、 冶金、 造 纸和电子等行业已得到广泛应用。 湿式 电除尘器与其他除尘器相 比， 具有 ： 不容 易产生二次飞扬 ， 除尘效率高； 设备 阻力小 ， 总的 能耗低； 适用范围广； 可处理气量大等特点。 我厂 7 5 0 0吨 年 乙炔炉配套开发 的电除尘 器采用板式 、 湿式 、 阴极电晕 的方式， 其设计处理 裂化气量为 l 2 0 0 N m h ， 进 口裂化气平均炭黑浓 度为 3 g N m ， 温 度 6 07 O o C； 出 口炭 黑 为 5 mg , N m ， 除尘效率达到 9 9 8 。所 以在 天然 气部分氧化制乙炔生产过程

3、中， 电除尘器运行的 好坏， 将直接影响装置的安全及长周期运行。 2 电除尘器的工作原理 J 实验表明： 将气体通人两平行金属板电极间， 并施 以电压 ， 形成均匀电场 ， 电场 内任意点 电场强 度均相等。气体中带电离子， 按电场方向正离子 向负极运动， 负离子向正极运动， 两极间形成极其 微弱的电流。此时 ， 电流强度和 电场强度成正 比， 服从欧姆定律。当电场强度达到某一定值时， 离 子定向运动速度很大， 以致气体产生的离子全部 被电场驱 向两极。这时 ， 再增加场强就没有较 多 的离子驱 向两极 ， 电路 中的电流也不再加大。此 时的电流称为饱和电流。 当电路中的电压继续增大时， 电场

4、强度增大， 并使电子和离子获得足够能量以致有可能产生新 的电子 、 离子和增大电流。当电压升到一定程度， 不仅活动性大的电子和部分阴离子能和中性气体 分子碰撞发生 电离作用 ， 而且活动性小的阳离子 也获得足够的能量与中性气体分子碰撞产生电离 作用， 致使电场中连续不断产生大量新离子。在 放电极周围产生 电离 的区域 内， 可明显地观察到 淡蓝色的光点或光环 ， 同时发 出轻微爆裂声。通 常把产生这种淡蓝色的光点或光环的现象称为电 晕现象。产生电晕现象的这一极称为电晕极。如 果电压再次升高 ， 电晕 区域增大 ， 电极问产生强烈 火花甚至有可能产生电弧 ， 电极间气体会发生电 收稿 日期 ：

5、2 0 0 80 8 0 7 作者简介 ： 高建兵 ， 男 ， 1 9 7 3年生 ， 2 0 0 1年硕士毕业 于石油 大 学( 北京) 化工学院化学工程与工艺专业， 工程师， 现任中国 石化集团四川维尼纶厂化工技术开发中心乙炔研究室主任， 主要从事天然气部分氧化制乙炔的技术开发工作。 2 0 0 9年第 2 9卷第 2期 高建兵 湿式电除尘器的主要影响因素 2 3 击穿现象 ， 形成短路。此时的电压称为击穿电压。 在电除尘器工作过程 中， 不允许产生击穿 电压。 为此， 一般情况下必须把高压直流电源的电压控 制在( 2 0 7 0)k V。由于平行金属平板产生的是 均匀电场 ， 所以只要其

6、间任何一点发生电离 ， 两极 空间立刻充满带电离子， 整个空间气体即被击穿。 此时， 电流急剧增加 ， 形成火花放 电， 电压极不稳 定。因此 ， 电除尘器一般不采用均匀 电场 ， 而是一 极采用管形或板形 ， 另一极采用金属丝 ， 组成非均 匀电场 ， 以便既维持电晕放电现象 ， 又不产生击穿 现象。 电晕放 电所围绕 的电极称为 电晕极 或放 电 极 ， 另一电极称为收尘极或除尘极。根据电除尘 器的原理 ， 正、 负电极均可做电晕极。但是 ， 由于 在电场 中电子与阴离子的运动速度大于阳离子的 运动速度 ， 且易于附着在尘粒上 ， 以较快的速度到 达阳极 ， 所以阳极上收集的粉尘 多于阴极

7、上收集 的粉尘 ； 并且 由于负电晕极的击穿 电压 比正 电晕 极高 ， 因此， 通常情况下， 工业 电除尘器的极板接 正极 ， 极丝接负极。 3 电除尘器的除尘效率 电除尘效率可根据多依奇 一 安德森公式计算 ： = 1 一e ( 1 ) 式中： 卜 Q； 一 电场驱进速度 ； A 收尘面积 ： Q 裂化气量。 驱进速度的简化式为： = 0 1 I E Z P ( 2 ) 式 中： E 电场强度 ； J F ) 尘粒半径； 气体粘度。 电场强度： E ： 电场电压( V) c a 场异极距( m m ) 4 电除尘器的影响因素 影响电除尘器性能的因素主要有 ： 粉尘 的性 质、 设备状况和操

8、作条件 ， 这些因素影响到电除尘 器的电晕电流、 粉尘 比电阻、 电除尘器 内的粉尘收 集和二次飞扬等， 从而最终表现为除尘效率的高 低。若电除尘器的结构形式固定 ， 则 主要是含尘 气体在电除尘器内分布、 含尘气体性质、 工艺和操 作条件 等。 4 1 气体分布的影响 气体分布是影响电除尘器除尘效率的重要 因 素之一。除尘器设计效率越高， 气体分布对除尘 效率的影响越大。 电除尘器进 口处的气体流速 ， 一般为 1 01 5 m s ， 而进入电除尘器后仅为 0 5 2 m s ， 流速骤 然降低会使气流紊乱且分布不均 ， 在 电除尘器 内 形成旁路窜气 。实践证 明， 5的窜气量 ， 即会

9、使 除尘效率低于 9 5。所以， 在电除尘器中， 若不 采取必要的气体分布， 气体在电场内会很不均匀， 局部流速将大大超过设计指标， 使气体在电场 内 的停留时间大大缩短 ， 被捕集到的粉尘又被高速 气流带出电场形成二次扬尘。同时电晕线容易产 生程度不同的晃动 ， 引起供 电电压波动， 从而使除 尘效率降低； 严重时电除尘器不能正常操作。 由于我厂扩能电除尘器采用两管进气， 具有 初步 分 布 的 能 力； 同 时， 进 口流速 比较 低 ， 约 6 6 m s ， 并且除尘器顶部采用软水持续喷淋， 不 会产生二次扬尘， 以及考虑检修的方便， 所以只设 置了一个气体分 布板。从实际运行效果分析

10、 ， 可 以实现裂化气在电除尘器中的有效分布。 4 2 含尘气体性质的影响 4 2 1 气体 含 尘量的影 响 电除尘器对所净化的气体的含尘浓度有一定 的适应范围， 如果超过一定的范围， 除尘效果会降 低 ， 甚至终止除尘过程。由于炭黑尘粒的体积 、 质 量和荷电量均比离子大得多， 所以离子迁移速度 比荷电尘粒迁移速度大数百倍 气体离子平均速 度为( 6 01 0 0 )m s ， 尘粒速度在 6 0 c r n s以下 ， 因此 ， 荷 电尘 粒所形成 的 电流 只 占电晕 电流约 1 一 2 。随着气体含尘量增 加， 虽然荷 电尘粒 所形成的电晕电流不大， 但是其所具有的空间电 荷却很多，

11、 严重抑制电晕电流产生， 使尘粒不能获 得足够电荷， 导致电除尘器除尘效率显著降低， 尤 其是尘粒直径在 1 t x m左右的数量越多， 这种现象 越严重。当含尘量大到某一数值时， 电晕现象消 失 ， 尘粒在电场中根本得不到电荷 ， 电晕电流几乎 减小到零 ， 失去除尘作用， 即电晕闭塞。在生产实 践中， 为防止产生电晕闭塞， 应限制进入电除尘器 气体的含尘浓度。 对于常规 电除尘 器 ， 进 口含尘量 应 不超 过 2 4 维纶通讯 2 0 0 9年 6月 5 0 g m ( 标况) 。为降低气体含尘量， 可以在电除 尘器前面设置一到二级旋风除尘器 、 喷淋洗涤器、 或适当增加电场数， 以达

12、到预期的除尘效果。 我厂乙炔炉出来的裂化气先进人冷却塔的下 段， 采用大量的冲洗水对炭黑进行初步洗涤之后， 使进入电除尘器的裂化气中炭黑含量约2 g N m 。 4 2 2气体性质及组成的影响 气体离子在电场内的迁移速度， 随气体成分不 同而不同， 因此 ， 所产生 电晕电流也不同。若处理 气体含尘量少， 离子迁移速度大， 使电晕电流太大， 而操作电压太低 ， 因此， 必须采取加大供 电机组容 量 ， 改变电晕极形状、 调整 电极配置和改变气体流 动方式等措施以抑制电晕电流， 提高工作电压。 气体组成对负电晕放电特性影响很大， 气体成 分不同， 在电晕放电中电荷载体的迁移不同。在电 场中， 电

13、子与中性气体分子相碰撞而形成负离子的 概率在很大程度上取决于气体成分， 其差别是很大 的， 不同气体成分对电除尘器的伏安特性及火花放 电电压影响比较大， 尤其是在含有三氧化硫时 ， 气 体对电除尘器运行效果有很大的影响。 4 2 3粉 尘粒径 分布 的影响 实验证明， 带 电粉尘 向沉淀极的驱进速度 c c ， 与粉尘颗粒半径 r 成正 比， 粒径越大， 除尘效率越 高 ， 当粒径增至( 2 0 4 0 ) m阶段 ， 可能出现效率 的最大值； 再增大粒径， 由于大尘粒的非均匀性使 得其具有较大的导电性， 容易产生二次扬尘和外 携， 引起电除尘器的除尘效果下降； 当粒径在( 0 2 O 5 )

14、ix m， 由于细小半径尘粒表面积大 ， 空间 电 荷效应大， 会出现效率最低值。 由于裂化气炭黑的粒径在( O 0 1 0 5 ) ， 所 以只有通过优化操作来提高电除尘器的除尘效率。 4 2 4 粉 尘比 电阻的影响 粉尘 的比电阻是指在 l c m 圆面积上堆积 1 c m高的尘粒， 然后沿高度方向测得的电阻值。比 电阻值是粉尘导电性 能的标志 ， 对 电除尘器 除尘 性能影响较大。 一 般认为， 最适宜电除尘器工作的比电阻范围 为 1 0 ( 5 x1 0 m ) Q c m。当粉尘 比电阻太低 ， 低 于 1 0 Q c m( 如炭黑粉尘 ) ， 粉尘到达除尘极后 ， 很快释放出其上

15、 的电荷 ， 成为中性， 易于从除尘极 上脱落， 重新进入气流， 产生二次扬尘， 降低除尘效 率。当粉尘比电阻太高 ， 高于 1 0 ”Q e m时 ， 粉尘 到达除尘极后 ， 粉尘电荷不易释放 ， 逐渐积沉在除 尘极表面的粉尘仍为负极性， 它排斥随后的粉尘新 附于其上 ， 当粉尘层达到一定厚度后 ， 在粉尘层内 部形成一定的电场， 粉尘层表面为负极 ， 除尘极为 正极。粉尘层增厚 ， 电场强度增加 ， 以致粉尘层内 的空气击穿 ， 从而产生反 向放 电( 称为反电晕) ， 即 从除尘极向除尘空间放出大量正离子， 使粉尘荷正 电进入除尘空间， 破坏正常的除尘工作。 对于 比电阻较低和较高的粉尘

16、 ， 在沉积 到除 尘极后 ， 都需要尽快的从除尘极上清除， 以免影响 除尘器的除尘效率 。针对我厂裂化气炭黑比电阻 比较低的特性 ， 采用软水进行持续 的喷淋 ， 一旦炭 黑在极板上释放出电荷 ， 则立 即被喷淋软水带走 ， 从而减轻 了二次扬尘。并且 ， 在 电除尘器运行一 定时间后， 采用较大量的定期冲洗水对极板和极 丝进行喷淋 ， 以除去其上附着的大量炭黑 ， 从而延 长电除尘器的运行周期 。 4 2 5气体 湿度 的 影响 电除尘器运行过程中， 其击穿电压与气体的 含湿量有关。在同样温度条件下， 气体所含水分 越大 ， 其 比电阻越小 ， 电场击穿 电压相应提高， 火 花放电较难出现

17、， 这种作用对电除尘器来说是有 适用价值的， 可 以使 电除尘器在较高 电压下稳定 运行， 而电场强度的增高会使电除尘器的除尘效 果显著改善。 在我厂湿式电除尘器中， 通过在电除尘器的 顶部设置常开的软水进行雾化喷淋， 使裂化气在 操作温度下被水蒸汽饱和 ， 有利于提高电除尘器 的除尘效率。 4 2 6气体 温度 的影响 气体温度能够改变粉尘的比电阻、 影响气体 的黏滞性。气体黏滞性随温度的上升而增大， 导 致其驱进速度下降； 如果可能， 在较低温度条件下 运行 比较好 ， 所 以通常在裂化气 进入 电除尘器之 前先要进行初步冷却 。但是 ， 对含湿量较高和有 三氧化硫之类成分 的气体 ， 其

18、温度一定要保持在 露点温度 2 O 一 3 0以上作为安全余量， 以避免发 生腐蚀 。由于我厂裂化气基本不含三氧化硫等气 体， 所以可以将温度控制在露点以下。 4 2 7气体压力的影响 经验公式表面 ， 当其他条件确定后 ， 起晕 电压 随气体密度而变化， 而气体的温度和压力是影响 2 0 0 9年第 2 9卷第 2期 高建兵 湿式电除尘器的主要影响因素 2 5 气体密度的主要因素。气体密度对电除尘器的放 电特性和除尘性能都有 一定影响 ， 如果只考虑气 体压力的影 响， 则放 电电压与气体压力成正 比关 系。在其他条件相 同的情况下， 净化高压气体 时 电除尘器的电压 比净化低压气体时要高，

19、 并且其 除尘效率也提高。 4 3 操作条件的影响 即使同一台湿式电除尘器， 处理同一种含尘气 体， 由于操作条件不同， 除尘性能也会出现很大差别。 4 3 1 气体 速度 的影响 气流速度对粉尘的驱进速度有一定的影 响， 其相互关系中有一个相应的最佳流速 ， 在该流速 下， 驱进速度最大。一般情况下， 粉尘从荷电到附 着在电极上仅需 0 52 s ， 而粉尘在电场的有 效 作用区间内的停留时间取6 1 2 s ， 电除尘器就能 得到很好的除尘效果 ， 这种情况的相应气体流速 为 1 01 5 m s 。 如果气体速度太快， 即使没有采用软水对极 板进行喷淋 ， 极板上被捕的粉尘也会 自动剥落

20、 ， 引 起粉尘的二次飞扬， 从而被高速气流带出电场， 引 起电除尘器的除尘效率降低。 4 3 2电极和 绝缘件积 灰 实践表明， 电极表面略有粗糙 ， 比光滑表面的 临界电压可以提高 1 5左右。 由于电晕极周围有少量尘粒获得正电荷 ， 电 荷量与荷负电尘粒电荷量基本相等 ， 且与电晕极 同极离子中和时间比荷负电荷尘粒长得多。在所 谓梯度压力作用下被吸引到电场强的电晕极并牢 牢地黏 附着 ， 且很快增厚 ， 形成 电晕极线积灰 肥 大， 即电晕极线半径 r 增大 ， 以至电晕 效果降低 ， 电晕电流减小。严重 时不起电晕作用， 造成 电晕 闭塞， 使操作状况恶化。因此， 必须采用喷淋水对 电

21、晕极进行连续冲洗， 以即时清除积尘。 绝缘件积尘后 ， 其绝缘性能下降 ， 严重时发生 爬电、 击穿、 降低工作电压， 甚至无法送电， 从而影 响电除尘器的除尘性能。所 以保持绝缘件清洁十 分重要。在湿式电除尘器中， 为使绝缘件不致积 尘， 采用加热天然气吹扫电晕极的支撑绝缘件。 4 3 3 外加电压的影响 当电除尘器的外 加电压达到一定数值 时， 电 场内就会产生火花放电。 影响火花放电次数的因素很 多， 不 同工艺过 程和不同类型供电设备， 其火花次数不一样。板 式电除尘器因受相邻电晕极线干扰， 火花放 电的 始发电压随电晕极线数 目增多而增加。实验表 明， 在每分钟 内火花放电 2 08

22、 0次的范 围内 存 在着最佳除尘效率。 4 3 4 伏 安特性 曲线 电除尘器在运行过程 中， 从始发 电晕( 起晕 ) 到电场终结( 击穿) 电压与电流的关系曲线称为伏 安特性曲线。它不拘泥于欧姆定律 ， 是许多变量 的函数。 冷态空载伏安特性曲线 ， 可检验设备制作和 安装质量 ， 曲线闪络击穿点越接近设定电压 电流 值， 说明该电除尘器质量越好 。 送人含尘气体后测 得 电压 与电流的关系 曲 线 ， 则称为负载伏安特性 曲线 ， 主要受电极几何形 状、 电极配置形式与参数、 气体成分、 含尘浓度 、 操 作温度和压力、 粉尘性质等因素影响。 在正常情况下， 负载电压比空载电压降低 l

23、 5 k V 左右 ； 负载电流是空载电流的7 5左右。 4 4 设备安装质量的影响 如果电极线 的粗细不均 ， 则在细线上发生电 晕时， 粗线上还不能产生电晕； 为了使粗线发生电 晕而提高电压， 又可能导致细线发生击穿。如果 极板或极线的安装没有对好中心 ， 则在极板 极线 之间即使有一个地方过近 ， 都容易发生击穿 。 扩能电除尘器投运一段时间后， 发现电压开 始降低， 电流始终达不到运行要求。拆开绝缘瓷 瓶套筒后发现 ， 安装过程 中未将 套筒 内部毛刺打 磨光滑， 并且铁屑等渣滓比较多。将其打磨光滑， 并彻底清理后， 运行效果 比较理想 。所 以电除尘 器本体的制造、 安装质量也是影响

24、其除尘效率， 甚 至运行稳定性的关键 因素之一。 5 结 论 湿式电除尘器用于脱除天然气制乙炔裂化气 中的炭黑 ， 可以基本消除炭黑粉尘 的二次飞扬 ； 同 时， 可以减小裂化气 中一氧化碳 、 乙炔 、 氢气等易 爆气体的爆炸危险性。通过优化设计和优化操作 条件， 扩能电除尘器 的除尘效率达到 9 9 8 5 以 上 ， 出E l 裂化气中的炭黑含量低于 5 m g m 。 实际运行情况表明 ： 湿式电除尘器技术适合 ( 下转第 3 0页) 3 0 维纶通讯 2 0 0 9年 6月 4 结 论 通过对各种工艺条件下醋酸甲酯水解催化反 应精馏过程的模拟计算得出： 在相同的回流进料 比和醋酸 甲

25、酯进料量条件下 ， 随着水酯 比的增 大 水解率显著增大。水酯比的大小是决定醋酸甲酯 分解率的重要因素。 在回流进料比较小时， 增大回流进料 比对醋 酸甲酯的分解率影响较大， 当回流进料 比增 大到 一 定程度时 ， 再增大 回流进料 比，对提高醋酸 甲 酯的分解率影响不大。 水酯 比2 O一 4 0 、 回流进料 比2 0 4 0时转 化率均可达7 0左右， 与贵州水晶、 山西三维、 皖 维等企业的生产运行数据基本相符。 参考文献 1 S mi t h L A，J r Hu d d l e s t o n MNNe w MT B E d e s i g n n o w c o m m e r

26、 c i al J H y d r oca r b o n P r oc e s s i n g ，1 9 8 2 ， 6 1 ( 3 ) ：1 2 1 1 2 3 2 S u n d ma c h e r K， Ho ff ma n n U Ac ti v i t y e v a l u a ti o n o f e a t aly t - i c d i s fi U a ti o n p a c k i n g f o r MT B E p r o d u c t i o n J C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n

27、o l o g y ， 1 9 9 3 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 7 9 2 8 9 3 L a n d e r E P，Hu b b a r d J N，S mi t h L AR e fi n i n g p r o fi t s w i t h c a t al y t i c d i s t i l l a ti o n J C h e m E n g ，1 9 8 3 ， 9 0( 8 ) ： 3 6 3 9 4 Ci r i e A R， Mi a o P S t e a d ys t a t e mu l t i p l i c i ti e s i n an e t h

28、y h n e g l y c o l r e a c ti o n d i s ti ll a t i o n c o l u m n J I n d u s t r i a l and E n gi n e e ri n g C h e mis t r y R e a s e a r e h ， 1 9 9 4 ， 3 3( 1 1 ) ： 2 7 3 82 7 4 8 5 S h o e ma k e r J D，J o n e s EM C u me n e b y c a t aly t i c d i s ti l - l a t i o n J H y d r o c a r b

29、 o n p r o c e s s i n g ，1 9 8 7 ， 6 6 ( 6 ) ： 5 7 58 6 F u j i g a m i Y H y d r o l y s i s o f Me t h y l A c e t a t e i n D i s ti l l a t i o n C o l u mn P a c k e d wi t h R e a c t i v e P a c k i n g o f I o n Ex c h a n g e R e s i n J c h e m E n g ， 1 9 9 0 ， 2 3 ( 3 ) ： 3 5 4 7 肖剑， 刘家

30、祺 ， 江兴华等催化精馏水解醋酸甲酯研究 J 化学工程， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 4 ) ： 7 57 8 8 王成习， 沈庆扬 树脂环催化剂在乙酸甲酯催化水解精 馏中的应用 J 化学反应工程与工艺， 2 0 0 0 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 3 6 9 孙莉君 醋酸甲酯水解催化反应精馏技术的研究 D 河北工业大学硕士论文， 天津， 2 0 0 4 1 0 肖珍平 乙酸甲酯催化精馏水解过程的模拟计算分析 J 石油技术与应用， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 4 ) ： 2 8 4 2 8 7 1 1 焦子华 ， 周传光， 赵文 稳态反应精馏 程的数学模型 及算法研究进展 J 化学工业与工程， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 4 ) ： 3 0 83 1 3 1 2 漆志文 ， 张瑞生， 于尊宏 非均相催化精馏过程模拟 J 华东理工大学学报， 1 9 9 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 2 7 9 2 8 5 1 3 旷戈， 赵之山， 王良恩等 醋酸甲酯催化精馏水解塔的 模拟 J 福州大学学报， 1 9 9 8 ， 2 6 ( 2 ) ： 9 1 9