靜電除塵器工作原理

1.3.1靜電除塵器工作原理

（1）氣體的電離

氣體的電離過程一般可以分為5個階段，如圖1-8所示。

電離電流

圖1-8氣體電離過程

Fig.1-8 Gas ionization process

AB段：在最初階段，氣體主要借助少數存在于大氣中的離子和自由電子進行非常微弱 的導電，此時氣體通常可以看做為絕緣狀態(tài)。

BC段：在此階段，隨著電壓的持續(xù)升高，電子獲得的動能不斷增加，但受限于氣體分 子的平均自由行程2,與氣體中的分子進行彈性碰撞，總運動速度無法得到有效的提高，電 流上升暫時中止。

CD段：當電壓增加到一定程度，空氣中的電子獲得了足夠大的動能，可以使得與其碰 撞的原子發(fā)生電離，

DE段：當電壓達到起暈電壓D',進入了電暈電離階段，在該階段中正離子開始參與 氣體電離。如圖1?9所示，此時在放電極與收塵極之間形成了兩個區(qū)域：電暈電離區(qū)和電暈 外區(qū)，電暈電離通常發(fā)生在距離放電極幾毫米區(qū)域內，產生大量的正離子以及自由電子，由 于異性相吸，自由電子向收塵極移動（接地極），正離子移向放電極。從電暈區(qū)之外至另一 個電極之間的空間稱為電暈外區(qū)，它占據電極之間的大部分區(qū)域，此區(qū)域電場強度并不足以 使得氣體電離，但因電暈區(qū)產生的電子和離子與這一區(qū)域中的中性分子進行碰撞，從而產生 了和放電極電壓極性相同的負離子（負電暈放電）或正離子（正電暈放電），其數目可達5

X 107個每立方厘米，粉塵的荷電主要發(fā)生在這一區(qū)域。

EF段：當電流超過E點，電暈區(qū)迅猛擴張，使得電極間產生火花放電，進一步會出現

電弧現象，電流突增電壓下降，使得除塵效果減弱，若不加以控制則會對電極和電源產生破 壞。

（2）粉塵的荷電

粉塵主要通過兩種方式進行荷電。一種是離子在電場力的驅動下做定向運動，稱之為電 場荷電，也叫碰撞荷電，另一種是粉塵和空間中做不規(guī)則熱運動的離子進行碰撞，稱為擴散 荷電。而粉塵最終通過哪種方式荷電主要取決于粉塵的粒徑。粉塵粒徑與荷電機理的關系見

Tab. 1-1 Relationship between dust particle size and charged mechanism

由于碰撞荷電的方式與除塵器電場有關，故存在荷電飽和性，初始荷電較快，隨著荷電 量的增加，荷電速度開始減緩。擴散荷電通過離子的不規(guī)則熱運動，而熱運動速度不存在上 限，故擴散荷電不存在飽和性的問題，其電荷速度取決于顆粒物的粒徑、顆粒物在電場中運 動時間和離子熱能等。

電除塵器中，假設Qd為粉塵在電場荷電中的飽和荷電量，Q上為粉塵在擴散荷電中的飽

式中：￡為粉塵的相對介電常數；為真空介電常數；心為粉塵直徑；N為電場強度;

N。為離子密度；幺為玻爾茲曼常數；幺為電子電量；/為粉塵在電場中的停留時間；T為氣 體熱力學溫度；離子的平均熱運動速度v = ^kt/mjr .

粒子特性包括介電常數￡和粒徑叭，以及電暈電場特性包括離子密度和電場強度，均會 對電場荷電產生影響。因為擴散荷電是通過電子和離子的熱運動來進行的，所以理論上粉塵 通過擴散荷電得到的電荷不存在上限，由于擴散荷電的方式較為復雜，故通常用如下近似公 式來進行計算：

Qk = 0.067d_p (1-3)

1. 荷電粉塵的捕集

粉塵在除塵器電場內會受到慣性力、重力、介質阻力和電場力等的共同影響。荷電后的 粉塵在電場力的作用下被收塵極板吸引捕集并釋放掉大部分的電荷，殘留下的一部分電荷可 以使得粉塵顆粒繼續(xù)粘附在收塵極板上，從而在收塵極板表面形成粉塵層。

1. 荷電粉塵的捕集

收塵極板上粉塵層過厚會導致反電暈進而影響除塵器的收塵性能，所以需要進行清灰處 理，清灰的方式有很多種，包括振打、聲波、濕式等，但目前工業(yè)中最常見的還是通過振打 的方式。而選擇振打的力度非常的重要，力度太小無法進行有效的清灰，力度太大則會產生 二次揚塵，甚至使極板和電極發(fā)生形變。在粉塵層厚度為10mm左右時進行振打較為合適。

1 ■ 3. 2影響靜電除塵器效率的因素

粉塵在靜電除塵器電場內主要受到氣體阻力和電場力等多個力的共同作用，從而實現氣

粒分離。常規(guī)直通道靜電除塵器除塵效率符合經典的多依奇公式：

A

G)

?7 = (l-e 7 )x100% (1-4)

式中：

77——除塵效率，%;

A 收塵極板面積，m²；

V——煙氣量，m³/s；

co 驅進速度，m/so

由公式1?4可知，提高靜電除塵器除塵效率的途徑有三種，降低除塵器處理的煙氣量， 增加收塵極板的面積，提升粉塵在電場內的驅進速度。那么在工藝流程不變的情況下，前兩 種方法不僅會增加初始投資，還會增加除塵器占地面積。

所以提升粉塵在電場內的驅進速度是提高靜電除塵器除塵效率的重要方法，驅進速度是 指荷電粒子向電極運動的速度，計算公式為：

co -

^pEcEp a

(1-5)

式中:

co 驅進速度，m/s；

P——與粉塵的介電常數有關的數值；

E_c 荷電電場強度，v/m；

E_p——收塵極電場強度，v/m；

a 粉塵半徑，m；

“ 氣體粘度，Pa" So

由公式1-5可知，粉塵在靜電除塵器電場內能否被收塵極板有效捕集主要取決于粉塵所 受到的電場力強度，而影響電場力的首要因素就是粉塵的荷電性能，粉塵單顆粒荷電量越大, 就越容易被收塵極板所捕集，除塵器的效率也就越高。

但多依奇公式是在一系列假設的基礎上推出的，這些假設主要包括：粉塵在電場中完全 荷電；氣流不會對粉塵的驅進速度產生影響；粉塵在電場內任意截面分布均勻；粉塵沉降速 度保持不變；忽略帶電粉塵相互間的排斥作用；忽略二次揚塵、反電暈以及氣流分布不均等 問題。但是在實際的工況除塵過程中這種理想條件很難得到實現，除塵效果往往會受到技術 條件、運行條件和工況條件的影響，使得理論除塵效率往往高于實測值。

所以通常將實際測量得到的效率帶入到多依奇公式中反推得到粉塵在電場中的有效驅 進速度，在除塵器的設計中往往用有效驅進速度來代表靜電除塵器的對粉塵的脫除性能，如 前所述，由于不同粒徑段顆粒物荷電方式不同，靜電除塵器對粒徑在lpim以下顆粒物的去 除效率與理論值相差較大,所以瑞典專家Sigvard Matts在1964年對多依奇公式進行了修正:

?7 = l-e^l / 丿 (1-6)

式中k為常數，當k=l時，畋與⑵相同，表明除塵器設計合理，除塵效率符合多依奇 公式，當k=0.5時，畋近似于常數，此時便無法通過增加電場強度來提高靜電除塵器的除塵 效率。所以增加微細顆粒物的有效驅進速度，是解決1呵 甚至是0.1呵 以下顆粒物捕集困 難問題的重要途徑。