大氣污染控制工程6-2

§2電除塵器一、電除塵器的工作原理二、電暈放電三、粒子荷電四、荷電粒子的運(yùn)動(dòng)和捕集五、被捕集粉塵的清除六、電除塵器的結(jié)構(gòu)七、粉塵比電阻八、電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)

電除塵器外觀圖臥式立式

電除塵器電除塵器清潔氣體電除塵器的發(fā)展簡(jiǎn)介

1907年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)化學(xué)教授科特雷爾（F.G.Cotrell）首次成功地使用電除塵器（以下簡(jiǎn)稱ESP）捕集硫酸煙霧，幾年后他再次把電除塵技術(shù)用于捕集水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生的粉塵。

20世紀(jì)60年代ESP在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)電除塵技術(shù)的起步始于20世紀(jì)60年代，并得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)的電除塵器技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。電除塵器現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、水泥廠及化工、冶金等領(lǐng)域。其中燃煤電廠用量占72～75％，水泥廠占16～18％。目前我國(guó)燃煤電廠煙塵凈化設(shè)備90％左右采用電除塵器（ESP）。

電除塵器電除塵器的主要優(yōu)點(diǎn)壓力損失小，一般為200～500Pa處理煙氣量大，可達(dá)105～106m3/h能耗低，大約0.2～0.4kWh/1000m3對(duì)細(xì)粉塵有很高的捕集效率，可高于99％可在高溫或強(qiáng)腐蝕性氣體下操作缺點(diǎn):1、一次性投資高2、安裝精度要求高3、對(duì)粉塵比電阻有一定要求一、電除塵器的工作原理

利用電除塵器使粉塵分離的兩個(gè)條件:1、存在粉塵荷電的電場(chǎng)；2、存在使荷電粉塵從煙氣中分離的電場(chǎng)。一、電除塵器的工作原理

通高壓電→空氣電離（電子雪崩）→極間電流→粉塵荷電→沉積→清灰

電暈放電粉塵荷電粉塵運(yùn)動(dòng)

（氣體電離）放電金屬線電暈極

含負(fù)離子區(qū)區(qū)

電暈區(qū)

金屬管集塵極

三步曲單區(qū)和雙區(qū)電除塵器雙區(qū)電除塵器單區(qū)電除塵器粒子荷電和去除在同一個(gè)電場(chǎng)中進(jìn)行二、電暈放電1.電暈放電機(jī)理

二、電暈放電（續(xù)）2.起始電暈電壓---開始產(chǎn)生電暈電流所施加的電壓管式電除塵器內(nèi)任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度起始電暈電壓與煙氣性質(zhì)和電極形狀、幾何尺寸等因素有關(guān)，起始電暈所需要電場(chǎng)強(qiáng)度（皮克經(jīng)驗(yàn)公式）一空氣的相對(duì)密度m－導(dǎo)線光滑修正系數(shù)，無因次，0.5<m<1.0對(duì)于清潔的光滑圓線m=1，實(shí)際可取0.6～0.7r----距電暈線中心的距離a---電暈線半徑b---管式電除塵器的半徑V---施加于電暈線與集電極之間的電壓=T0P/TP0P0、T0為標(biāo)況下的大氣壓（1atm）和溫度（298K）；

T、P為運(yùn)行狀況的溫度和空氣壓力；在r=a時(shí)（電暈電極表面上），起始電暈電壓：

可見，起始電暈電壓可以通過調(diào)整電極的幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)。二、電暈放電（續(xù)）

二、

電暈放電（續(xù)）3.影響電暈特性的因素

1、電暈極的極性工業(yè)上多采用負(fù)極；空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用正極，產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物少。2、電壓的波形3、電極的形狀、電極間距離4、氣體的組成、壓力、溫度不同氣體對(duì)電子的親和力不同，產(chǎn)生電離的難易不同，遷移率不同。5、粉塵的濃度、粒度、比電阻

三、粒子荷電

兩種機(jī)理電場(chǎng)荷電（碰撞荷電）--離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，與粒子碰撞而使粒子荷電擴(kuò)散荷電--離子的擴(kuò)散現(xiàn)象而導(dǎo)致的粒子荷電過程；依賴于離子的熱能，而不是依賴于電場(chǎng)

粒子的主要荷電過程取決于粒徑對(duì)于dР﹥0.5m的微粒，以電場(chǎng)荷電為主對(duì)于dР﹤0.15m的微粒，以擴(kuò)散荷電為主對(duì)于介于0.15～0.5m之間粒徑的粒子，則需要同時(shí)考慮這兩種過程。

1.電場(chǎng)荷電粒子荷電電荷累積粒子場(chǎng)強(qiáng)增加氣體中離子不能夠到達(dá)粒子表面，電荷飽和（1）荷電量的計(jì)算

1.電場(chǎng)荷電（續(xù)）粒子獲得的飽和電荷

（2）影響電場(chǎng)荷電的因素

粒徑dp和介電常數(shù)ε電場(chǎng)強(qiáng)度E0和離子密度N0

一般粒子的荷電時(shí)間僅為0.1s，相當(dāng)于氣流在除塵器內(nèi)流動(dòng)10～20cm所需要的時(shí)間，一般可以認(rèn)為粒子進(jìn)入除塵器后立刻達(dá)到了飽和電荷

2.擴(kuò)散荷電與電場(chǎng)荷電過程相反，不存在擴(kuò)散荷電的最大極限值（根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，不存在離子動(dòng)能上限）

荷電量取決于離子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、粒子大小和荷電時(shí)間

擴(kuò)散荷電理論方程

3.電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電的綜合作用處于中間范圍

（0.15～0.5μm）的粒子，需同時(shí)考慮電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電根據(jù)羅賓遜的研究，簡(jiǎn)單地將電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電的電荷相加，可近似地表示兩種過程綜合作用時(shí)的荷電量，與實(shí)驗(yàn)值基本一致4.異常荷電現(xiàn)象

（1）沉積在集塵極表面的高比電阻粒子導(dǎo)致在低電壓下發(fā)生火花放電或在集塵極發(fā)生反電暈現(xiàn)象,

通常當(dāng)比電阻高于2×1010Ωcm時(shí)，較易發(fā)生火花放電或反電暈，破壞正常電暈過程（2）氣流中微小粒子的濃度高時(shí)，荷電塵粒所形成的電暈電流過小，嚴(yán)重抑制著電暈電流的產(chǎn)生，使塵粒不能獲得足夠的電荷，除塵效率下降。（3）當(dāng)含塵量大到某一數(shù)值時(shí)，電暈現(xiàn)象消失，塵粒在電場(chǎng)中根本得不到電荷，電暈電流幾乎減小到零，失去除塵作用，即電暈閉塞

四、荷電粒子的運(yùn)動(dòng)和捕集

1.驅(qū)進(jìn)速度

在所有的電除塵器中，e的指數(shù)項(xiàng)是一個(gè)很大的數(shù)值。例如，密度為1g/cm3、直徑為10μm的球狀粉塵粒子，在空氣中有若t>10－2s，完全可以忽略不計(jì)所以，驅(qū)進(jìn)速度（電場(chǎng)力與空氣阻力達(dá)到平衡）驅(qū)進(jìn)速度與粒徑和場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系當(dāng)顆粒直徑為2～50m時(shí)，與粒徑成正比

2.捕集效率一德意希公式德意希公式的假定:除塵器中氣流為湍流狀態(tài)在垂直于集塵表面的任一橫斷面上粒子濃度和氣流分布是均勻的粒子進(jìn)入除塵器后立即完成了荷電過程忽略電風(fēng)、氣流分布不均勻、被捕集粒子重新進(jìn)入氣流等影響

2.捕集效率一德意希公式當(dāng)粒子的粒徑相同且驅(qū)進(jìn)速度不超過氣流速度的10％～20％時(shí)，德意希方程理論上才是成立的。大顆粒比小顆粒容易被捕集，所以沿著氣流的方向，煙氣中的顆粒越來越小，顆粒的捕集也就越來越困難。為此，對(duì)德意希方程進(jìn)行修正

K—指數(shù)，一般取0.5德意希公式的假設(shè)條件，與實(shí)際工藝生產(chǎn)條件有所不同，使得根據(jù)公式計(jì)算得到的捕集效率比實(shí)際值高得多。為此實(shí)際中常常根據(jù)在一定的除塵器結(jié)構(gòu)型式和運(yùn)行條件下測(cè)得的總捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相應(yīng)驅(qū)進(jìn)速度值，稱為有效驅(qū)進(jìn)速度，以ωe表示。有效驅(qū)進(jìn)速度的用途：作為類似除塵器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并且可以利用有效驅(qū)進(jìn)速度表示工業(yè)電除塵器的性能。

3.有效驅(qū)進(jìn)速度粉塵種類驅(qū)進(jìn)速度/m?s-1粉塵種類驅(qū)進(jìn)速度/m?s-1煤粉（飛灰）0.10～0.14沖天爐（鐵－焦比＝10）0.03～0.04紙漿及造紙0.08水泥生產(chǎn)（干法）0.06～0.07平爐0.06水泥生產(chǎn)（濕法）0.10～0.11酸霧（H2SO4）0.06～0.08多層床式焙燒爐0.08酸霧（TiO2）0.06～0.08紅磷0.03飄旋焙燒爐0.08石膏0.16～0.20催化劑粉塵0.08二級(jí)高爐（80％生鐵）0.125

五、被捕集粉塵的清除

電暈極和集塵極上都會(huì)有粉塵沉積

粉塵沉積在電暈極上會(huì)影響電暈電流的大小和均勻性，一般方法采取振打清灰方式清除

從集塵極清除已沉積的粉塵的主要目的是防止粉塵重新進(jìn)入氣流集塵極板清灰方式：在濕式電除塵器中，用水沖洗集塵極板在干式電除塵器中，一般用機(jī)械撞擊或電極振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)力清灰

電除塵器五、被捕集粉塵的清除現(xiàn)代的電除塵器大都采用電磁振打或錘式振打清灰。振打系統(tǒng)要求既能產(chǎn)生高強(qiáng)度的振打力，又能調(diào)節(jié)振打強(qiáng)度和頻率常用的振打器有電磁型和撓臂錘型

振打裝置示意圖本圖為搖臂錘振打示意圖每排收塵極板設(shè)置一搖臂錘，各錘錯(cuò)開振打力度影響除塵效果。請(qǐng)問：影響振打力度的主要因素有哪些。錘臂長(zhǎng)、捶重、材質(zhì)等

六、電除塵器結(jié)構(gòu)－除塵器類型

1.除塵器類型雙區(qū)電除塵器－通風(fēng)空氣的凈化和某些輕工業(yè)部門

優(yōu)點(diǎn):防止反電暈的產(chǎn)生雙區(qū)電除塵器

六、電除塵器結(jié)構(gòu)－除塵器類型

單區(qū)電除塵器－控制各種工業(yè)尾氣和燃燒煙氣污染單區(qū)電除塵器管式電除塵器用于氣體流量小，含霧滴氣體，或需要用水洗刷電極的場(chǎng)合板式電除塵器為工業(yè)上應(yīng)用的主要型式，氣體處理量一般為25～50m3/s以上2.電暈電極常用的有直徑3mm左右的圓形線、星形線及鋸齒線、芒刺線等

電暈線的一般要求：起暈電壓低、電暈電流大、機(jī)械強(qiáng)度高、能維持準(zhǔn)確的極距、易清灰等

a.圓形線

b.星形線

c.鋸齒線

d.芒刺線

電暈極示意圖

2.電暈電極電暈線固定方式重錘懸吊式管框繃線式

3.集塵極集塵極集塵極結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵的二次揚(yáng)起，及除塵器金屬消耗量

（約占總耗量的40％～50%）有很大影響性能良好的集塵極應(yīng)滿足下述基本要求振打時(shí)粉塵的二次揚(yáng)起少單位集塵面積消耗金屬量低極板高度較大時(shí)，應(yīng)有一定的剛性，不易變形振打時(shí)易于清灰，造價(jià)低3.集塵極常用板式電除塵器集塵極結(jié)構(gòu)寬間距電除塵器：現(xiàn)已公認(rèn)，在某些情況下板間距可比平常增加50％～100%，然而除塵器性能并未改變。其原理還沒有完全解釋清楚

4.高壓供電設(shè)備高壓供電設(shè)備提供粒子荷電和捕集所需要的高場(chǎng)強(qiáng)和電暈電流供電設(shè)備必須十分穩(wěn)定，希望工作壽命在二十年之上通常高壓供電設(shè)備的輸出峰值電壓為70～l000kV，電流為100～2000mA

5.氣流分布板電除塵器內(nèi)氣流分布對(duì)除塵效率具有較大影響為保證氣流分布均勻，在進(jìn)出口處應(yīng)設(shè)變徑管道，進(jìn)口變徑管內(nèi)應(yīng)設(shè)氣流分布板最常見的氣流分布板有百葉窗式、多孔板分布格子、槽形鋼式和欄桿型分布板

對(duì)氣流分布的具體要求是任何一點(diǎn)的流速不得超過該斷面平均流速的40%在任何一個(gè)測(cè)定斷面上，85%以上測(cè)點(diǎn)的流速與平均流速不得相差25%。氣流分布不均勻時(shí)，電除塵器通過率的校正系數(shù)FV

七、粉塵比電阻比電阻1.粉塵的導(dǎo)電性工業(yè)粉塵導(dǎo)電方式有兩種:本體導(dǎo)電：在高溫時(shí)（約大于200℃），導(dǎo)電主要通過粉塵本體內(nèi)部的電子或離子進(jìn)行。在本體導(dǎo)電占優(yōu)勢(shì)的溫度范圍內(nèi)，粉塵比電阻稱為容積比電阻。表面導(dǎo)電：在較低溫度下（約低于100℃），氣體中存在的水分或其它化學(xué)物質(zhì)被塵粒表面吸附，因而導(dǎo)電主要是沿塵粒表面所吸附的水分和化學(xué)膜進(jìn)行的，粉塵比電阻稱為表面比電阻。煙氣濕度和溫度對(duì)粉塵比電阻的影響a.飛灰b.水泥窯粉塵比電阻過高或過低都會(huì)大大降低電除塵器的除塵效率，適宜的范圍是從104Ω·cm--1010Ω·cm。高比電阻粉塵－比電阻大于104Ω·cm，通常稱為高比電阻粉塵。影響粉塵層比電阻的因素除粒子溫度和組成之外，還包括粒子大小和形狀，粉塵層厚度和壓縮程度等。

在評(píng)價(jià)電除塵器的操作性能時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的粉塵比電阻數(shù)據(jù)。

（1）比電阻過低如果灰塵的比電阻小于104Ω·cm，

（1）比電阻過低如果灰塵的比電阻小于104Ω·cm，形成在集塵電極上跳躍的現(xiàn)象，最后可能被氣流帶出電除塵器。用電除塵器處理各種金屬粉塵和石墨粉塵、炭黑粉塵都可以看到這一現(xiàn)象。2.高比電阻粉塵對(duì)電除塵器性能的影響高比電阻粉塵會(huì)干擾電場(chǎng)條件，導(dǎo)致除塵效率下降低于1010Ω/cm時(shí)，比電阻幾乎對(duì)除塵器操作和性能沒有影響比電阻介于1010～1011Ω/cm之間時(shí)，火花率增加，操作電壓降低高于1011Ω/cm時(shí)，產(chǎn)生明顯反電暈2.高比電阻粉塵對(duì)電除塵器性能的影響粉塵比電阻對(duì)除塵器伏安特性的影響

2.高比電阻粉塵對(duì)電除塵器性能的影響粉塵比電阻對(duì)有效驅(qū)進(jìn)速度的影響

3.克服高比電阻影響的方法

保持電極表面盡可能清潔

煙氣調(diào)質(zhì)增加煙氣濕度，或向煙氣中加入SO3、NH3，及Na2CO3等化合物，使粒子導(dǎo)電性增加。最常用的化學(xué)調(diào)質(zhì)劑是SO3

改變煙氣溫度向煙氣中噴水，同時(shí)增加煙氣濕度和降低溫度發(fā)展新型電除塵器

4.影響ESP除塵效率的因素

（1）二次揚(yáng)塵。在隨氣流離開電除塵器的粉塵中，有30％是被收塵極板收集后又返回到氣流中的。產(chǎn)生二次揚(yáng)塵的原因？4.影響ESP除塵效率的因素

（1）二次揚(yáng)塵。在隨氣流離開電除塵器的粉塵中，有30％是被收塵極板收集后又返回到氣流中的。產(chǎn)生二次揚(yáng)塵的原因主要有粉塵的比電阻過小、氣流的擾動(dòng)及振打清灰的影響等。4.影響ESP除塵效率的因素

濕式電除塵器可以有效避免二次揚(yáng)塵問題，但收塵極板上容易形成局部粉塵干塊，導(dǎo)致結(jié)垢，影響除塵效率，且濕式電除塵器存在腐蝕等問題。

（2）反電暈。它的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致除塵效率迅速下降，產(chǎn)生反電暈的主要原因是粉塵的比電阻過大。（3）對(duì)直徑在0.1～3微米粉塵的去除效率低，對(duì)于直徑0.1～1.0微米粉塵的去除效率最低，通常低于85％，主要原因是由于此粒徑范圍的粉塵，其內(nèi)部荷電機(jī)理存在局限性，在電除塵器內(nèi)很難被荷電，導(dǎo)致了對(duì)其去除效率較低。此外，電場(chǎng)、電壓、電極結(jié)構(gòu)和形狀、粉塵粒徑分布及鍋爐運(yùn)行情況等也是影響除塵效率的因素。4.電除塵器的選擇與設(shè)計(jì)1．

電除塵器選擇的依據(jù)①

煙塵和煙氣的來源和生產(chǎn)過程；②

煙塵粒度大小的分布；③

煙塵濃度；④

煙塵成分和結(jié)構(gòu)；⑤

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的煙塵比電阻；⑥

總煙量；⑦

煙氣的壓力、溫度和成分；⑧

煙氣和煙塵的腐蝕性。2．電除塵器設(shè)計(jì)的步驟（1）確定除塵效率（2）確定有效驅(qū)進(jìn)速度（3）集塵極板面積及長(zhǎng)高比

（4）確定氣流速度（5）其它輔助設(shè)計(jì)內(nèi)容電除塵器的選擇和設(shè)計(jì)仍然主要采用經(jīng)驗(yàn)公式類比方法1.除塵效率的確定根據(jù)入口含塵濃度及排放要求確定。2.有效驅(qū)進(jìn)速度的確定根據(jù)類似電除塵器實(shí)驗(yàn)得到的除塵效率反求出的有效驅(qū)進(jìn)速度。3.比集塵表面積的確定

根據(jù)運(yùn)行和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定有效驅(qū)進(jìn)速度ωe按德意希方程求得比集塵表面積A/Q4.長(zhǎng)高比的確定集塵板有效長(zhǎng)度與高度之比，直接影響振打清灰時(shí)二次揚(yáng)塵的多少要求除塵效率大于99%時(shí)，除塵器的長(zhǎng)高比介于1.0～1.5。5.氣流速度的確定通常由處理煙氣量和電除塵器過氣斷面積，計(jì)算煙氣的平均流速平均流速高于某一臨界速度時(shí)，作用在粒子上的空氣動(dòng)力學(xué)阻力會(huì)迅速增加，粉塵的重新進(jìn)入量亦迅速增加6.氣體含塵濃度的影響如果氣體含塵濃度很高，易發(fā)生電暈閉塞應(yīng)對(duì)措施－提高工作電壓，采用放電強(qiáng)烈的芒剌型電暈極，電除塵器前增設(shè)預(yù)凈化設(shè)備等7電除塵器的輔助設(shè)計(jì)因素

電暈電極：支撐方式和方法集塵電極：類型、尺寸、裝配、機(jī)械性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能整流裝置：額定功率、自動(dòng)控制系統(tǒng)、總數(shù)、儀表和監(jiān)測(cè)裝置電暈電極和集塵電極的振打機(jī)構(gòu)：類型、尺寸、頻率范圍和強(qiáng)度調(diào)整、總數(shù)和排列灰斗：幾何形狀、尺寸、容量、總數(shù)和位置輸灰系統(tǒng)：類型、能力、預(yù)防空氣泄漏和粉塵反吹殼體和灰斗的保溫，電除塵器頂蓋的防雨雪措施便于電除塵器內(nèi)部檢查和維修的檢修門高強(qiáng)度框架的支撐體絕緣器：類型、數(shù)目、可靠性氣體入口和出口管道的排列需要的建筑和地基獲得均勻的低湍流氣流分布的措施新型電除塵器

1電植絨收塵極ESP

通過直流高壓電場(chǎng)可以使細(xì)孔金屬網(wǎng)的表面植入尼龍絨。用這種特殊處理過的細(xì)孔金屬網(wǎng)作為收塵極的ESP就是電植絨收塵極ESP。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）防止二次揚(yáng)塵這種新式ESP工作時(shí)，會(huì)在尼龍絨絨毛的尖端產(chǎn)生電力線的聚集，使絨毛頂端存在梯度場(chǎng)強(qiáng)，粉塵在電場(chǎng)力的作用下緊緊吸引在絨毛的頂端，防止了二次揚(yáng)塵的發(fā)生。同時(shí)，由于收塵極表面的尼龍絨摩擦力比較大，降低了電場(chǎng)中離子風(fēng)的速度，有效抑制了二次揚(yáng)塵。（2）提高了對(duì)超細(xì)粉塵的去除率尼龍絨的存在增大了收塵極的收塵面積，因此它提高了對(duì)超細(xì)粉塵的去除率。在對(duì)直徑0.1～0.3微米粉塵的除塵試驗(yàn)中，電植絨收塵極ESP的除塵效率可達(dá)97％，而在相同條件下，普通ESP的除塵效率僅為82％。

電植絨收塵極ESP不僅可以有效防止二次揚(yáng)塵的發(fā)生，提高除塵效率，而且大大提高了對(duì)超細(xì)粉塵的去除效率。2膜電除塵器（MESP）MESP是由美國(guó)俄亥俄大學(xué)研制的，它利用炭纖維或硅纖維編織膜作為收塵