第三讲颗粒物污染控制技术2

例题
某钢厂90m2烧结机机尾废气除尘器 的实测值为：入口含尘浓度26.8g/m3N,出 口为0.133g/m3N, 气体流量44.4m3/s。该除 尘器断面积40m2，集尘板总面积1982 m2。 试参考设计另一新建130m2的烧结机的尾 气的电除尘器，要求除尘效率99.8%，工 艺设计给出的总烟气量为70 m3/s。
电除尘器的工作原理
决 定 除 尘
电场强度E 粒径d 粒子荷电量q
效 率 的 因
处理气量Q 集尘板面积A 长度L
素
驱进速度
＝qEp /(3πdp)
驱进速度
i 11 2ii 1exp(Q Ai)
分级效率
捕集效率
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
第三讲颗粒物污染控制技术2
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第二节 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
m d
q E p 3π d p
dt
m
3π d p
ln (3π d p
qEp)
t
C
则
( 3π dp )(tC )
em
3π d p qE p
t＝0时，＝0，则
(3πdp )C
e m qEp
最终得
qEp
(3dp)t
(1e m )cm/s
3πdp
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
捕集效率推导
dt时间内在长度为dx的空间所捕集的粉尘量为
d n a ( d x )ii( d t) F d x d i
由dt＝dx/u
ai dx di
Fu
i
积分 A=aL Q=Fu
a i
dx
C2i
d
Fu
C 1 i
A Q
i
ln
2i 1i
最终得 德意希公式
i 11 2ii 1exp(Q Ai)
那么
q q s n e 1 . 7 9 1 0 4 d p 2 1 . 4 4 1 0 1 2 d p l n [ 1 8 . 1 6 1 0 1 0 t d p ]
粒子荷电量随时间和粒径的变化
异常荷电现象
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,破坏正常电晕过程
u一 气 体 离 子 的 平 均 热 运 动 速 度 ， m/s
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Robinson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
例题 利用下列数据，决定电场和扩散荷电 综合作用下粒子荷电量随时间的变化。 已知ε＝5，E0＝3×106V/m，T＝300K， N=2×1015离子/m3， u =467m/s，dp＝0.1， 0.5和1.0μm。
解：由电场荷电的饱和电荷方程得
q3 0E 0dp 2(2)
q s 3 E π 0 0 － 一 8 .8 真 电 5 1 空 场 0 介 强 1 2 电 度 3 常 ， 1 0 6 数 V /5 m ， 5 2 等 d 于 2 p 8 1 . . 7 8 9 5 1 × 0 1 4 d 0 p 2 -12
输灰系统：类型、能力、预防空气泄漏和粉尘反吹 壳体和灰斗的保温，电除尘器顶盖的防雨雪措施 便于电除尘器内部检查和维修的检修门
高强度框架的支撑体绝缘器：类型、数目、可靠性 气体入口和出口管道的排列 需要的建筑和地基
获得均匀的低湍流气流分布的措施
例题
设计一台电除 尘器，基本参 数为：处理气 量 20000m3/h， 除尘效率要求 90%，请确定 该除尘器长、 宽、高。
3 πd p /m 3 πd p /(1 6 π d p 3) 1 d 8 p 2 （ 1 1 8 0 1 1 .0 8 4 ） 1 2 0 4 1 ＝ 3 2 4 0
若t>10－2s，
( 3πdp )t
em
完全可以忽略不计
所以，驱进速度
＝qEp /(3πdp)
电除尘器的选择和设计思路
一 粒 子 相 对 介 电 常 数
由扩散荷电过程的荷电量随时间的变化方 程计算得
n2 π 8 .8 5 1 0 (1 .1 6 2 1 3 0 0 0 1 9 ） 1 2.3 8 1 0 2 3d p ln [18 ( 1 8 .6 .8 5 1 0 1 1 0 9 ） 1 2 2 4 3 6 0 7 0 2 1 . 3 1 8 0 1 5 1 d 0 p t2 3] ＝ 8 .9 9 1 0 6d pln [1 8 .1 6 1 0 1 0td p]
根据经验 与设计资 料确定驱 进速度
根据公式 确定集尘 板总面积
A
A/Q 1eln(1 1) 1eln(P 1)
根据相关 参数之间 的关系确 定尺寸
▪ 通道数：n=A/2hL, L2-4m,否则串联 ▪A截=2bhn，2b集尘板间距：200-300 ▪处理气量Q=A截气速=2bhn 气速 ▪处理时间t=L/气速，3-10s ▪工作电压：U=250.2b(kv), ▪工作电流=0.0005A(A)
➢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 ➢大于0.5m的微粒，以电场荷电为主 ➢小于0.15m的微粒，以扩散荷电为主 ➢介于之间的粒子，需要同时考虑这两种 过程。
电场荷电
粒子获得的饱和电荷
q3 0E 0dp 2(2)
－ 真 空 介 电 常 数 ， 等 于 8.85× 10-12 0
正负电晕放电的比较
正、负电晕极在空气中的 电晕电流一电压曲线
电晕区范围逐渐扩大致使极间 空气全部电离－电场击穿；相 应的电压－击穿电压
在相同电压下通常负电晕电极 产生较高的电晕电流，且击穿 电压也高得多
工业气体净化倾向于采用稳定 性强，操作电压和电流高的负 电晕极；
空气调节系统采用正电晕极， 好处在于其产生臭氧和氮氧化 物的量低
讨论
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
作为除尘总效率的近似估算，ω应取某种 形式的平均驱进速度
有效驱进速度－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，以ωe表示
有效驱进速度
E 0一 电 场 强 度 ， V /m 一 粒 子 相 对 介 电 常 数
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
扩散荷电
与电场电荷过程相反，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）
➢ 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）
E c3 1 0 6m (0 .0 3/a)
•一空气的相对密度 •m－导线光滑修正系数， 无因次，0.5<m<1.0
➢在r=a时 （电晕电极表面上），起始电晕电压
E Vc3 1 0 6m (0 .0 3/a)a㏑b/a
气流中微小粒子的浓度高时，荷电尘粒 所形成的电晕电流不大，可是所形成的 空间电荷却很大，严重抑制着电晕电流 的产生
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
驱进速度推导
根据力平衡关系
m d
dt
q E p 3π d p
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电除尘器的选择和设计
电除尘器的选择和设计仍然主要采用经验公式类比方 法
参数 板间距 驱进速度 比集尘极表面积 气流速度 长高比 比电晕功率 电晕电流密度 平均气流速度 烟煤锅炉 褐煤锅炉
符号 S ω
A/Q v
L/H Pc/Q Ic/A
v v
取值范围 23～28cm 3～18cm/s 300～2400m2 （1000m3/min） 1～2m/s 0.5～1.5
1800～ 18000W/(1000m3/min)
0.05～1.0A/m2
1.1～1.6m/s 1.8～2.6m/s
电除尘器的选择和设计
电除尘器的辅助设计因素
电晕电极：支撑方式和方法 集尘电极：类型、尺寸、装配、机械性能和空气动力学性能
整流装置：额定功率、自动控制系统、总数、仪表和监测装置
电晕电极和集尘电极的振打机构：类型、尺寸、频率范围和强度调整、总数和排列 灰斗：几何形状、尺寸、容量、总数和位置
二级高炉（80％生铁）
驱进速度 /m∙s-1
0.03～0.04
0.06～0.07 0.10～0.11
0.08 0.03 0.16～0.20 0.125
电晕放电
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
E(r) V rln(b/ a)
r:距电晕线中心距离 a:电晕线半径 b:除尘器半径 V:电压
影响电晕特性的因素
➢电极的形状、电极间距离
➢气体组成、压力、温度
• 不同气体对电子的亲合力、迁移率不同
• 气体温度和压力的不同影响电子平均自 由程和加速电子及能产生碰撞电离所需 要的电压
➢气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电 阻以及在电晕极和集尘极上的沉积
➢电压的波形
粒子荷电
两种机理
➢电场荷电或碰撞荷电－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
粉尘种类
驱进速度/m∙s-1
粉尘种类
煤粉（飞灰）
纸浆及造纸 平炉
酸雾（H2SO4） 酸雾（TiO2）
飘旋焙烧炉 催化剂粉尘
0.10～0.14
0.08 0.06 0.06～0.08 0.06～0.08 0.08 0.08
冲天炉（铁－焦比＝ 10）
水泥生产（干法） 水泥生产（湿法）
多层床式焙烧炉 红磷 石膏
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 n2πe0k2Tdpln(1e28ud0kpN T0t)
k一 玻 尔 兹 曼 常 数 ， 1.38× 10－ 23J/K T一 气 体 温 度 ， K N0－ 离 子 密 度 ， 个 /m3 e－ 电 子 电 量 ， e＝ 1.6× 10－ 6C