高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析
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因此研究反电晕现象机理ꎬ可以寻找有效的抑 制措施ꎬ提高电除尘器的除尘效率ꎮ 一般分析反电 晕现象是从高比电阻的粉尘荷电释放电荷速度方 面进行研究ꎬ但对荷电粉尘的动力学的研究也是十 分必要的ꎮ
１ 荷电粉尘运动的一般规律
一般来说ꎬ 气 载 粉 尘 颗 粒 的 粒 径 从 ０. ００１ －
５００ ｕｍꎬ大部分粒径为 ０. １ － １０ ｕｍꎮ 粒径小于 ０. １
荷电后的粉尘颗粒将向正电的收尘极板运动ꎬ
粉尘层的放电表达式为:
( ) Ｑ ＝ Ｑ０ｅｘｐ
－
ｔ ρｔ ε０ εｐ
(２)
式中 ε０ 为真空介电常数ꎬεｐ 介质相对介电常数ꎮＱ０
为第一层放电量ꎬρｔ 为粉尘比电阻ꎬρｔ
＝
ΔＩＶ ������
Ｓ δ
ꎬ
ΔＶ 为粉尘层电压降ꎬＩ 为通过粉尘层电流ꎬＳ 为粉尘
层表面积ꎬδ 粉尘层厚度ꎬ由式(２) 可以得出:
第 ３６ 卷 第 ５ 期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) ２０１８ 年 ０９ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
文章编号:１００８ － １４０２(２０１８)０５ － ０７１４ － ０４
图 ２ 位于平行导体壁之间无限薄电荷层模型
响荷电粉尘的行为ꎬ形成空间电荷效应ꎬ从而影响
后续荷电粉尘的行为ꎬ处在电场间隙中流动的荷电
粉尘束流大小决定于间隙间荷电粉尘的空间电荷
引起的等势面部分改变的情况ꎮ 下面先简单定性
分析由于空间电荷效应对电极间荷电粉尘行为的
影响ꎮ
① 收稿日期:２０１８ － ０８ － ０１ 作者简介:段大卫(１９８７ － ) ꎬ男ꎬ安徽淮北ꎬ助教ꎬ硕士ꎬ研究方向:电气工程、高电压技术ꎮ
１) 粉尘比电阻越大则放电时间越慢ꎻ
２) 式(１) 与(２) 相比ꎬ没有时间因子ꎬ因此可以
认为ꎬ粉尘荷电的速度非常快以致可以忽略荷电时
间ꎮ
同时ꎬ再假定在除尘器的电场空间里电荷( 荷
电粉尘) 的供给基本上是不受限制的ꎮ 由于粉尘
的荷电速度远大于放电速度ꎬ因此将形成粉尘堆积
ห้องสมุดไป่ตู้
从而形成堆积层势垒ꎬ很明显ꎬ势垒的形成将会影
ｕｍ 的尘粒其运动类似于分子ꎬ由于分子的相撞击
而产生很不规则的布朗运动ꎮ 当粉尘处在除尘器
的电场时ꎬ气体电离的电子与粉尘颗粒不断的碰
撞ꎬ粉尘被荷电ꎬ平衡电荷表达式为[２] ꎻ
[ ] Ｑｎ
＝ πε０
１
＋
２
æ
ç
ε
ｒ
－ １ö ÷
èεｒ ＋ ２ ø
Ｅｒ ｄ２Ｄ
(１)
式中 Ｑｎ 为平衡电荷ꎻＥｒ 为电场强度ꎻｄＤ 为粒子 直径ꎻε０ 为真空介电常数ꎻεｒ 为空气相对介电常数ꎮ
Ｖｏｌ. ３６ Ｎｏ. ５ Ｓｅｐ. ２０１８
高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析①
段大卫１ꎬ 冯德仁２
(１. 滁州学院ꎬ安徽 滁州 ２３９０００ꎻ２. 安徽工业大学ꎬ安徽 马鞍山 ２４３００２)
摘 要: 在采用高压直流供电的工业电除尘器中ꎬ当粉尘颗粒为高比电阻的粉尘进入强场荷电 后到达正电的收尘极板时ꎬ易形成负电粉尘层吸附在收尘极板上ꎬ不易被振打装置清除形成的反 电晕现象ꎮ 分析了高比电阻的粉尘吸附在收尘极板上极板附近电位和附加反向电场的时间变化 趋势ꎬ建立了电极中荷电粉尘运动方程ꎬ进行了多粒子轨迹模拟ꎬ结果表明ꎬ由于附加反向电场的 存在ꎬ部分高比电阻的粉尘将无法到达集尘极ꎬ据此分析了反电晕现象的原因并且提出了一种解 决方案ꎮ 关键词: 反电晕ꎻ荷电粉尘ꎻ群聚ꎻ空间电荷效应 中图分类号: Ｘ７０１. ２ 文献标识码: Ａ
æ
ç
１
２ε è
＋
ｚ
ö÷
ｚ２ ＋ ａ２ ø
ｚ１ ≤ ｚ ≤ Ｌ
(４)
图 １ 间隙间电势变化的演变过程
图中 Ｌ 为电极等效间距ꎬＫ、Ａ 分别为除尘电 极的阳极和阴极ꎮ 起初ꎬ间隙内没有荷电粉尘ꎬ阴 极与阳极间电势变化与间隙的距离成简单的线性 关系(曲线 １ꎬ φ０ 为工作电压)ꎬ当带负电的荷电粉 尘进入间隙后ꎬ所有点的电位均被降低( 曲线 ２)ꎬ 当间隙内进 入 荷 电 粉 尘 的 数 量 持 续 增 多 时ꎬ 阳 极 (集尘极)表面外会形成一个电势极小值 φｍ ( 曲线 ３) ꎬ半阳极 表 面 聚 集 大 量 起 始 能 量 大 于 势 垒 最 大 高度( 由于荷电粉尘的性质和热分布) 的荷电粉 尘ꎬ最终形成的过程表现为:向阳极运动的荷电粉 尘大部分电子均被势垒(曲线 ４)反射到阴极附近ꎬ 因而势垒破坏ꎬ然后上述过程重复进行ꎬ间隙间粒 子群聚现象由此产生[４���６���] ꎮ 根据重复过程周期时间 的长短ꎬ宏观电流表现为不同的特性ꎮ 当周期较短 时ꎬ观测到的宏观电流表现为一定的平均束流( 空 间电荷限制的束流) ꎬ当周期较长时ꎬ特别地ꎬ当电 势极小值(曲线 ４) 持续的时间相对于中间电势较 长时ꎬ则宏观电流表现为间歇振荡状态ꎬ其在最大 值与最小值滞留时间显然是受到电压以及荷电粉 尘的性质控制的ꎮ
０ 引 言
在工业除尘设备中ꎬ电除尘器都采用高压直流 供电ꎬ当粉尘颗粒为高比电阻的粉尘进入强电场荷 电后到达正电的收尘极板时ꎬ高比电阻很难释放自 身所带负电荷[１] ꎬ随着越来越多的粉尘到达收尘 极板ꎬ使负电粉尘层吸附在收尘极板而不易被振打 装置清除ꎬ最终形成反电晕现象ꎮ 反电晕现象会造 成高压供电电流不断波动、影响系统稳定运行、降 低除尘效率等危害ꎮ
２ 荷电粉尘运动方式
以上定性分析了电压以及荷电粉尘的性质引 起间隙内粒子的群聚和间歇震荡ꎮ 现假设有两个 无穷大平行导体壁ꎬ它们之间存在一个密 度为 － ρ 的无限薄半径为 ａ 的圆电荷层ꎬ如图 ２ 所示ꎬ不考 虑重力对荷电粉尘的影响以及粉尘间热运动形成 的碰撞ꎬ从而导出粒子群聚的时间行为ꎮ
假定荷电粉尘薄层电荷为 － ρ ꎬ这样以电荷层 为界ꎬ两个区域的电场可分别表示为
第５ 期
段大卫ꎬ等:高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析
７１５
假设荷电粉尘均匀覆盖整个收集板( 阳极) 表 面ꎬ间隙间电势变化的演变过程如图 １ 所示[３] :
Ｅ������ ＝
���ｅｚ���ρ
æ
ç
１
２ε è
－
ｚ
ö÷
ｚ２ ＋ ａ２ ø
０ ≤ ｚ ≤ ｚ１
(３)
和
Ｅ������ ＝
－
���ｅｚ���ρ
１ 荷电粉尘运动的一般规律
一般来说ꎬ 气 载 粉 尘 颗 粒 的 粒 径 从 ０. ００１ －
５００ ｕｍꎬ大部分粒径为 ０. １ － １０ ｕｍꎮ 粒径小于 ０. １
荷电后的粉尘颗粒将向正电的收尘极板运动ꎬ
粉尘层的放电表达式为:
( ) Ｑ ＝ Ｑ０ｅｘｐ
－
ｔ ρｔ ε０ εｐ
(２)
式中 ε０ 为真空介电常数ꎬεｐ 介质相对介电常数ꎮＱ０
为第一层放电量ꎬρｔ 为粉尘比电阻ꎬρｔ
＝
ΔＩＶ ������
Ｓ δ
ꎬ
ΔＶ 为粉尘层电压降ꎬＩ 为通过粉尘层电流ꎬＳ 为粉尘
层表面积ꎬδ 粉尘层厚度ꎬ由式(２) 可以得出:
第 ３６ 卷 第 ５ 期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) ２０１８ 年 ０９ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
文章编号:１００８ － １４０２(２０１８)０５ － ０７１４ － ０４
图 ２ 位于平行导体壁之间无限薄电荷层模型
响荷电粉尘的行为ꎬ形成空间电荷效应ꎬ从而影响
后续荷电粉尘的行为ꎬ处在电场间隙中流动的荷电
粉尘束流大小决定于间隙间荷电粉尘的空间电荷
引起的等势面部分改变的情况ꎮ 下面先简单定性
分析由于空间电荷效应对电极间荷电粉尘行为的
影响ꎮ
① 收稿日期:２０１８ － ０８ － ０１ 作者简介:段大卫(１９８７ － ) ꎬ男ꎬ安徽淮北ꎬ助教ꎬ硕士ꎬ研究方向:电气工程、高电压技术ꎮ
１) 粉尘比电阻越大则放电时间越慢ꎻ
２) 式(１) 与(２) 相比ꎬ没有时间因子ꎬ因此可以
认为ꎬ粉尘荷电的速度非常快以致可以忽略荷电时
间ꎮ
同时ꎬ再假定在除尘器的电场空间里电荷( 荷
电粉尘) 的供给基本上是不受限制的ꎮ 由于粉尘
的荷电速度远大于放电速度ꎬ因此将形成粉尘堆积
ห้องสมุดไป่ตู้
从而形成堆积层势垒ꎬ很明显ꎬ势垒的形成将会影
ｕｍ 的尘粒其运动类似于分子ꎬ由于分子的相撞击
而产生很不规则的布朗运动ꎮ 当粉尘处在除尘器
的电场时ꎬ气体电离的电子与粉尘颗粒不断的碰
撞ꎬ粉尘被荷电ꎬ平衡电荷表达式为[２] ꎻ
[ ] Ｑｎ
＝ πε０
１
＋
２
æ
ç
ε
ｒ
－ １ö ÷
èεｒ ＋ ２ ø
Ｅｒ ｄ２Ｄ
(１)
式中 Ｑｎ 为平衡电荷ꎻＥｒ 为电场强度ꎻｄＤ 为粒子 直径ꎻε０ 为真空介电常数ꎻεｒ 为空气相对介电常数ꎮ
Ｖｏｌ. ３６ Ｎｏ. ５ Ｓｅｐ. ２０１８
高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析①
段大卫１ꎬ 冯德仁２
(１. 滁州学院ꎬ安徽 滁州 ２３９０００ꎻ２. 安徽工业大学ꎬ安徽 马鞍山 ２４３００２)
摘 要: 在采用高压直流供电的工业电除尘器中ꎬ当粉尘颗粒为高比电阻的粉尘进入强场荷电 后到达正电的收尘极板时ꎬ易形成负电粉尘层吸附在收尘极板上ꎬ不易被振打装置清除形成的反 电晕现象ꎮ 分析了高比电阻的粉尘吸附在收尘极板上极板附近电位和附加反向电场的时间变化 趋势ꎬ建立了电极中荷电粉尘运动方程ꎬ进行了多粒子轨迹模拟ꎬ结果表明ꎬ由于附加反向电场的 存在ꎬ部分高比电阻的粉尘将无法到达集尘极ꎬ据此分析了反电晕现象的原因并且提出了一种解 决方案ꎮ 关键词: 反电晕ꎻ荷电粉尘ꎻ群聚ꎻ空间电荷效应 中图分类号: Ｘ７０１. ２ 文献标识码: Ａ
æ
ç
１
２ε è
＋
ｚ
ö÷
ｚ２ ＋ ａ２ ø
ｚ１ ≤ ｚ ≤ Ｌ
(４)
图 １ 间隙间电势变化的演变过程
图中 Ｌ 为电极等效间距ꎬＫ、Ａ 分别为除尘电 极的阳极和阴极ꎮ 起初ꎬ间隙内没有荷电粉尘ꎬ阴 极与阳极间电势变化与间隙的距离成简单的线性 关系(曲线 １ꎬ φ０ 为工作电压)ꎬ当带负电的荷电粉 尘进入间隙后ꎬ所有点的电位均被降低( 曲线 ２)ꎬ 当间隙内进 入 荷 电 粉 尘 的 数 量 持 续 增 多 时ꎬ 阳 极 (集尘极)表面外会形成一个电势极小值 φｍ ( 曲线 ３) ꎬ半阳极 表 面 聚 集 大 量 起 始 能 量 大 于 势 垒 最 大 高度( 由于荷电粉尘的性质和热分布) 的荷电粉 尘ꎬ最终形成的过程表现为:向阳极运动的荷电粉 尘大部分电子均被势垒(曲线 ４)反射到阴极附近ꎬ 因而势垒破坏ꎬ然后上述过程重复进行ꎬ间隙间粒 子群聚现象由此产生[４���６���] ꎮ 根据重复过程周期时间 的长短ꎬ宏观电流表现为不同的特性ꎮ 当周期较短 时ꎬ观测到的宏观电流表现为一定的平均束流( 空 间电荷限制的束流) ꎬ当周期较长时ꎬ特别地ꎬ当电 势极小值(曲线 ４) 持续的时间相对于中间电势较 长时ꎬ则宏观电流表现为间歇振荡状态ꎬ其在最大 值与最小值滞留时间显然是受到电压以及荷电粉 尘的性质控制的ꎮ
０ 引 言
在工业除尘设备中ꎬ电除尘器都采用高压直流 供电ꎬ当粉尘颗粒为高比电阻的粉尘进入强电场荷 电后到达正电的收尘极板时ꎬ高比电阻很难释放自 身所带负电荷[１] ꎬ随着越来越多的粉尘到达收尘 极板ꎬ使负电粉尘层吸附在收尘极板而不易被振打 装置清除ꎬ最终形成反电晕现象ꎮ 反电晕现象会造 成高压供电电流不断波动、影响系统稳定运行、降 低除尘效率等危害ꎮ
２ 荷电粉尘运动方式
以上定性分析了电压以及荷电粉尘的性质引 起间隙内粒子的群聚和间歇震荡ꎮ 现假设有两个 无穷大平行导体壁ꎬ它们之间存在一个密 度为 － ρ 的无限薄半径为 ａ 的圆电荷层ꎬ如图 ２ 所示ꎬ不考 虑重力对荷电粉尘的影响以及粉尘间热运动形成 的碰撞ꎬ从而导出粒子群聚的时间行为ꎮ
假定荷电粉尘薄层电荷为 － ρ ꎬ这样以电荷层 为界ꎬ两个区域的电场可分别表示为
第５ 期
段大卫ꎬ等:高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析
７１５
假设荷电粉尘均匀覆盖整个收集板( 阳极) 表 面ꎬ间隙间电势变化的演变过程如图 １ 所示[３] :
Ｅ������ ＝
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２ε è
－
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ｚ２ ＋ ａ２ ø
０ ≤ ｚ ≤ ｚ１
(３)
和
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