静电除尘器工作原理及在工业中的应用

静电除尘器工作原理及在工业中的应用

静电除尘器

静电除尘器是利用电力进行收尘的装置。国外称静电收尘器，实际上“静电收尘”这个名词并不确切，因为粉尘粒子荷电后和气体离子在电场力作用下，要产生微小的电流，并不是真正的静电。本书仍沿用国际通用的习惯称做静电除尘器。

1907年，科特雷尔（Cottrell）首先将静电收尘技术用于净化工业烟气获得成功。如今，静电除尘器已经广泛应用于钢铁工业、有色冶金、建材工业、电力工业、化学工业、轻纺工业以及其他工业领域乃至民用领域。统计资料表明，自1955年至到现在，应用静电除尘器处理工业烟气量大致呈指数增长。随着对环境保护要求的日益严格，可以预计静电除尘器计数会得到更迅速的提高和发展。

本章着重介绍静电除尘器的基本原理、静电收尘的基本理论、收尘过程中的离子风效应、影响静电除尘器性能的主要因素以及静电除尘的设计及应用。

6.1静电除尘器的基本原理与分类

静电除尘器是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，在两极间维持一个足以使气体电离的静电场。气体电

离后产生的电子，阴离子与阳离子，附着在通过电场的粉尘上，使粉尘带电。荷电粉尘在电场力的作用下，便向极性相反的电极运动而沉降在电极上，从而使粉尘与气体分离。通过清灰过程把附着在电极上的粉尘振落，使其掉入灰斗中。图6.1是管式静电除尘器工作原理示意图。在金属丝的一端施加负极性高压直流电，该金属丝位于接地的金属圆筒的轴线上。当外加电压达到一定值时，在金属丝的表面上就会出现青蓝色辉光点，并发出嘶嘶声，这种现象称为电晕放电。因此常把放电极线称为电晕极。此时，若从金属圆筒极底部通入含尘气体，粉尘就会在电场中与负离子相碰撞而荷电，并在电场力作用下向圆筒极运动而沉降在圆筒的内壁上，于是粉尘被捕集。

图6.1 静电除尘器工作原理示意图

6.1.1气体的电离

在静电除尘器中，使尘粒带有足够大的电量是通过气体的电离实现的。空气通常状态下是不能导电的绝缘体，但是当气体分子获得足够的能量时就能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子，这些电子成为输送电流的媒介，气体就具有导电的本领了。使气体具有导电本领的过程称为气体的电离。

设在空气中有一对电极，其中一极的曲率半径远小于另一极的曲率半径。如一根极线对一个极板，如图6.2所示。由于空气（大气）受到X光、紫外线或其他背景辐射作用产生为数很少的自由电子，这些电子不足以形成电流，因而空气是不导电的。但当施加在极板上的电压升至一定值时，就可使原来空气中存在的少量自由电子获得足够的能量而加速到很高的速度。高速电子与中性的空气分子相碰撞时，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，形成正离子和自由电子。这些电子又被加速，再轰击空气分子又产生更多的新电子和正离子。这个连锁过程发展的极快，使气体得以电离。自由电子快速形成的过程称为电子雪崩。这个过程伴有发光、发生现象，即所谓电晕放电现象。

图6.2 气体的电离

出现电晕后，在电场内形成两个不同的区域，如图6.2所示。围绕放电极很小的范围内，约为1mm，称之为电晕区。在这一区内，场强极高使气体电离，产生电量的自由电子和离子。若极线上施加负电压时，产生负电晕，这时所产生的电子向接地极运动。而正离子向电晕极运动。当极线上施加正电压时，为正电晕放电，这时正离子向接地极运动，而电子向电晕极运动。在正电晕区狭小的范围内，电子雪崩现象起始于电晕区边缘，电极线表面场强最大，电子向内运动时，没有机会被空气分子吸收，因而不产生负离子。在电晕区以外称为电晕外区，它占有电极间的大部分空间，此区场强急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，电子碰撞到中性空气分子并附着其上形成负离子（负电晕放电情况）。粒子的荷电主要在这一区进行。

由上述讨论可知，只有在曲率半径很小的电极产生非均匀电场的情况下，才会产生电晕放电现象，均匀电场不发生电晕，但场强高到一定程度会使空气击穿。如果产生的大量电子不能吸附到气体分子上形成负离子，则这些电子将直接奔向接地极，这样就会出现火花击穿，

不能产生稳定的电晕。例如惰性气体、氮等能吸收自由电子，难以实现负电晕运转。自由电子与硫的氧化物、氧气、水蒸气及二氧化碳有很好的亲和力。幸运的是在工业烟气中，这类气体都有足够的浓度来维持负电晕的运转。

6.1.2离子迁移率

受电场作用的离子在电场中运动时，沿途将与空气分子碰撞而受到阻碍，离子在电场中的运动速度e v 与电场强度E 成正比，即

kE v e = （6.1）

式中，比例系数k （m 2/V ·s ）称离子迁移率。

离子迁移率主要取决于电场中的温度和压力，朗温（Langvin ）给出如下算式

p

p T S T S T T k k 0000/1/1/⎪⎭⎫ ⎝⎛++= （6.2） 式中 0T 、0p ——标准状态下绝对温度和压力；

T 、p ——实际情况下的绝对温度和压力；

0k ——标准状态下某些气体的离子迁移率，见表6.1；

S ——萨瑟兰德（Surtherland ）常数，见表6.2。

如果在同一烟气中有两种气体，设其中一种气体的离子迁移率为1k ，另一种为2k ，各自浓度分别为1c 、2c ，则混合气体的离子迁移率

由布朗克（Blanc ）公式计算

2

21121k c k c k k k += （6.3） 从表6.1看出负离子的迁移率要高于正离子的迁移率。迁移率越

高，离子与粉尘的碰撞频率越大，对粉尘的荷电越有利，所形成的离子电流越大。实践表明，采用负电晕，起晕电压低而击穿电压高，这有利于静电除尘器的运行，因此，在工业静电除尘器中更多地采用负电晕工作。由于负电晕在电离过程中产生比正电晕多得多的臭氧（O3）和氮氧化合物，这些气体对人体是有害的，因此作为通风空调应采用正电晕。

另外，在工业静电除尘器中，工作场强通常在4kV/cm左右，若为干空气，由式（6.1）可得离子运动速度约为84m/s，可见离子风速是很大的，但实际上，只有在电晕区内，离子才有很高的速度，而在电晕区外，变为离子的气体分子是少数，而大多数是未被离子化的气体分子，这些未被离子化的气体分子阻碍了离子的运动，使其速度迅速衰减。离子风又称电风，它既有积极的作用，也有消极的影响，故研究电风的大小对分析荷电粒子的运动行为和对静电除尘器性能影响具有重要意义。

6.1.3静电除尘器的分类

静电除尘器根据不同特点分成不同的类型。

6.1.3.1根据收尘电极的形状分为管式和板式

管式静电除尘器的收尘极是由一根或一组成圆形、六角形或方形的管子组成，管径通常为200～300mm，长2～5m。安装于管中心的电晕线通常呈圆形或星形。含尘气流自下而上从管内通过，如图6.1所示。