大气污染控制工程6_2

§2电除尘器一、电除尘器的工作原理二、电晕放电三、粒子荷电四、荷电粒子的运动和捕集五、被捕集粉尘的清除六、电除尘器的结构七、粉尘比电阻八、电除尘器的选择和设计电除尘器外观图电除尘器电除尘器清洁气体电除尘器的发展简介1907年美国加利福尼亚大学化学教授科特雷尔（F.G.Cotrell）首次成功地使用电除尘器（以下简称ESP）捕集硫酸烟雾，几年后他再次把电除尘技术用于捕集水泥生产过程产生的粉尘。20世纪60年代ESP在发达国家得到了广泛应用。我国电除尘技术的起步始于20世纪60年代，并得到了迅速的发展，现在我国的电除尘器技术处于世界领先水平。电除尘器现在被广泛应用于燃煤电厂、水泥厂及化工、冶金等领域。其中燃煤电厂用量占72～75％，水泥厂占16～18％。目前我国燃煤电厂烟尘净化设备90％左右采用电除尘器（ESP）。电除尘器电除尘器的主要优点压力损失小，一般为200～500Pa处理烟气量大，可达105～106m3/h能耗低，大约0.2～0.4kWh/1000m3对细粉尘有很高的捕集效率，可高于99％可在高温或强腐蚀性气体下操作缺点:1、一次性投资高2、安装精度要求高3、对粉尘比电阻有一定要求一、电除尘器的工作原理利用电除尘器使粉尘分离的两个条件:1、存在粉尘荷电的电场；2、存在使荷电粉尘从烟气中分离的电场。一、电除尘器的工作原理通高压电→空气电离（电子雪崩）→极间电流→粉尘荷电→沉积→清灰电晕放电粉尘荷电粉尘运动（气体电离）放电金属线电晕极含负离子区区电晕区金属管集尘极三步曲单区和双区电除尘器双区电除尘器单区电除尘器粒子荷电和去除在同一个电场中进行二、电晕放电1.电晕放电机理二、电晕放电（续）2.起始电晕电压---开始产生电晕电流所施加的电压管式电除尘器内任一点的电场强度起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度（皮克经验公式）一空气的相对密度m－导线光滑修正系数，无因次，0.5m1.0对于清洁的光滑圆线m=1，实际可取0.6～0.7)/ln()(abrVrE6c310(0.03/)Emar----距电晕线中心的距离a---电晕线半径b---管式电除尘器的半径V---施加于电晕线与集电极之间的电压=T0P/TP0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；在r=a时（电晕电极表面上），起始电晕电压：abaTPPTTPPTamVcln03.010300006可见，起始电晕电压可以通过调整电极的几何尺寸来实现。二、电晕放电（续）二、电晕放电（续）3.影响电晕特性的因素1、电晕极的极性工业上多采用负极；空气调节系统采用正极，产生的臭氧和氮氧化物少。2、电压的波形3、电极的形状、电极间距离4、气体的组成、压力、温度不同气体对电子的亲和力不同，产生电离的难易不同，迁移率不同。5、粉尘的浓度、粒度、比电阻三、粒子荷电两种机理电场荷电（碰撞荷电）--离子在静电力作用下做定向运动，与粒子碰撞而使粒子荷电扩散荷电--离子的扩散现象而导致的粒子荷电过程；依赖于离子的热能，而不是依赖于电场粒子的主要荷电过程取决于粒径对于dР﹥0.5m的微粒，以电场荷电为主对于dР﹤0.15m的微粒，以扩散荷电为主对于介于0.15～0.5m之间粒径的粒子，则需要同时考虑这两种过程。1.电场荷电粒子荷电电荷累积粒子场强增加气体中离子不能够到达粒子表面，电荷饱和（1）荷电量的计算1.电场荷电（续）粒子获得的饱和电荷（2）影响电场荷电的因素粒径dp和介电常数ε电场强度E0和离子密度N0一般粒子的荷电时间仅为0.1s，相当于气流在除尘器内流动10～20cm所需要的时间，一般可以认为粒子进入除尘器后立刻达到了饱和电荷200p3()2qEd00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数200p3()2qEd00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数00E－真空介电常数，等于8.85×10-12一电场强度，V/m一粒子相对介电常数2.扩散荷电与电场荷电过程相反，不存在扩散荷电的最大极限值（根据分子运动理论，不存在离子动能上限）荷电量取决于离子热运动的动能、粒子大小和荷电时间扩散荷电理论方程k一玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/KT一气体温度，KN0－离子密度，个/m3e－电子电量，e＝1.6×10－6C一气体离子的平均热运动速度，m/s20pp0202πln(1)8kTdeudNtnekTuk一玻尔兹曼常数，1.38×10－23J/KT一气体温度，KN0－离子密度，个/m3e－电子电量，e＝1.6×10－6C一气体离子的平均热运动速度，m/s20pp0202πln(1)8kTdeudNtnekTu3.电场荷电和扩散荷电的综合作用处于中间范围（0.15～0.5μm）的粒子，需同时考虑电场荷电和扩散荷电根据罗宾逊的研究，简单地将电场荷电和扩散荷电的电荷相加，可近似地表示两种过程综合作用时的荷电量，与实验值基本一致4.异常荷电现象（1）沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象,通常当比电阻高于2×1010Ωcm时，较易发生火花放电或反电晕，破坏正常电晕过程（2）气流中微小粒子的浓度高时，荷电尘粒所形成的电晕电流过小，严重抑制着电晕电流的产生，使尘粒不能获得足够的电荷，除尘效率下降。（3）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，即电晕闭塞四、荷电粒子的运动和捕集1.驱进速度p3()pp(1)cm/s3πdtmqEed在所有的电除尘器中，e的指数项是一个很大的数值。例如，密度为1g/cm3、直径为10μm的球状粉尘粒子，在空气中有若t10－2s，完全可以忽略不计所以，驱进速度（电场力与空气阻力达到平衡）43ppp242p118181.8103π/3π/(π)3240610101＝（）dmdddp3π()edtmpp/(3π)＝qEd驱进速度与粒径和场强的关系当颗粒直径为2～50m时，与粒径成正比2.捕集效率一德意希公式德意希公式的假定:除尘器中气流为湍流状态在垂直于集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均匀的粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程忽略电风、气流分布不均匀、被捕集粒子重新进入气流等影响2.捕集效率一德意希公式2111exp()iiiiAQ当粒子的粒径相同且驱进速度不超过气流速度的10％～20％时，德意希方程理论上才是成立的。大颗粒比小颗粒容易被捕集，所以沿着气流的方向，烟气中的颗粒越来越小，颗粒的捕集也就越来越困难。为此，对德意希方程进行修正K—指数，一般取0.5kQA/exp1德意希公式的假设条件，与实际工艺生产条件有所不同，使得根据公式计算得到的捕集效率比实际值高得多。为此实际中常常根据在一定的除尘器结构型式和运行条件下测得的总捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相应驱进速度值，称为有效驱进速度，以ωe表示。有效驱进速度的用途：作为类似除尘器设计的基础，并且可以利用有效驱进速度表示工业电除尘器的性能。3.有效驱进速度粉尘种类驱进速度/m∙s-1粉尘种类驱进速度/m∙s-1煤粉（飞灰）0.10～0.14冲天炉（铁－焦比＝10）0.03～0.04纸浆及造纸0.08水泥生产（干法）0.06～0.07平炉0.06水泥生产（湿法）0.10～0.11酸雾（H2SO4）0.06～0.08多层床式焙烧炉0.08酸雾（TiO2）0.06～0.08红磷0.03飘旋焙烧炉0.08石膏0.16～0.20催化剂粉尘0.08二级高炉（80％生铁）0.125五、被捕集粉尘的清除电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性，一般方法采取振打清灰方式清除从集尘极清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流集尘极板清灰方式：在湿式电除尘器中，用水冲洗集尘极板在干式电除尘器中，一般用机械撞击或电极振动产生的振动力清灰电除尘器五、被捕集粉尘的清除现代的电除尘器大都采用电磁振打或锤式振打清灰。振打系统要求既能产生高强度的振打力，又能调节振打强度和频率常用的振打器有电磁型和挠臂锤型振打装置示意图本图为摇臂锤振打示意图每排收尘极板设置一摇臂锤，各锤错开振打力度影响除尘效果。请问：影响振打力度的主要因素有哪些。锤臂长、捶重、材质等六、电除尘器结构－除尘器类型1.除尘器类型双区电除尘器－通风空气的净化和某些轻工业部门优点:防止反电晕的产生双区电除尘器六、电除尘器结构－除尘器类型单区电除尘器－控制各种工业尾气和燃烧烟气污染单区电除尘器管式电除尘器用于气体流量小，含雾滴气体，或需要用水洗刷电极的场合板式电除尘器为工业上应用的主要型式，气体处理量一般为25～50m3/s以上2.电晕电极常用的有直径3mm左右的圆形线、星形线及锯齿线、芒刺线等电晕线的一般要求：起晕电压低、电晕电流大、机械强度高、能维持准确的极距、易清灰等a.圆形线b.星形线c.锯齿线d.芒刺线电晕极示意图2.电晕电极电晕线固定方式重锤悬吊式管框绷线式3.集尘极集尘极集尘极结构对粉尘的二次扬起，及除尘器金属消耗量（约占总耗量的40％～50%）有很大影响性能良好的集尘极应满足下述基本要求振打时粉尘的二次扬起少单位集尘面积消耗金属量低极板高度较大时，应有一定的刚性，不易变形振打时易于清灰，造价低3.集尘极常用板式电除尘器集尘极结构宽间距电除尘器：现已公认，在某些情况下板间距可比平常增加50％～100%，然而除尘器性能并未改变。其原理还没有完全解释清楚4.高压供电设备高压供电设备提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流供电设备必须十分稳定，希望工作寿命在二十年之上通常高压供电设备的输出峰值电压为70～l000kV，电流为100～2000mA5.气流分布板电除尘器内气流分布对除尘效率具有较大影响为保证气流分布均匀，在进出口处应设变径管道，进口变径管内应设气流分布板最常见的气流分布板有百叶窗式、多孔板分布格子、槽形钢式和栏杆型分布板对气流分布的具体要求是任何一点的流速不得超过该断面平均流速的40%在任何一个测定断面上，85%以上测点的流速与平均流速不得相差25%。气流分布不均匀时，电除尘器通过率的校正系数FV0VPPF七、粉尘比电阻比电阻1.粉尘的导电性工业粉尘导电方式有两种:本体导电：在高温时（约大于200℃），导电主要通过粉尘本体内部的电子或离子进行。在本体导电占优势的温度范围内，粉尘比电阻称为容积比电阻。表面导电：在较低温度下（约低于100℃），气体中存在的水分或其它化学物质被尘粒表面吸附，因而导电主要是沿尘粒表面所吸附的水分和化学膜进行的，粉尘比电阻称为表面比电阻。烟气湿度和温度对粉尘比电阻的影响a.飞灰b.水泥窑粉尘比电阻过高或过低都会大大降低电除尘器的除尘效率，适宜的范围是从104Ω·cm--1010Ω·cm。高比电阻粉尘－比电阻大于104Ω·cm，通常称为高比电阻粉尘。影响粉尘层比电阻的因素除粒子温度和组成之外，还包括粒子大小和形状，粉尘层厚度和压缩程度等。在评价电除尘器的操作性能时应根据现场测得的粉尘比电阻数据。（1）比电阻过低如果灰尘的比电阻小于104Ω·cm，（1）比电阻过低如果灰尘的比电阻小于104Ω·cm，形成在集尘电极上跳跃的现象，最后可能被气流带出电除尘器。用电除尘器处理各种金属粉尘和石墨粉尘、炭黑粉尘都可以看到这一现象。2.高比电阻粉尘对电除尘器性能的影响高比电阻粉尘会干扰电场条件，导致除尘效率下降低于1010