第八章電除塵器ElectrostaticPrecipitators(ESP)§8-1概述§8-2電暈放電§8-3電場§8-4粉塵荷電§8-5粉塵的遷移和收集§8-6電除塵器的結構§8-7粉塵比電阻§8-8電除塵器的供電§8-9電除塵器的選擇設計和應用§8-1概述一、電除塵的性能特點氣體除塵從廣義上來說可以分為機械方法和電氣方法兩大類。機械的方法包括基本上依靠慣性力和機械力回收粒子的一切方法在內，如重力沉降法、離心分離法、氣體洗滌法、介質過濾法等等。電氣的方法就是電除塵。它與一切機械方法的區別在于作用在懸浮粒子上的使粒子與氣體分離的力。特點：1．

分離的作用力直接施之于粒子本身，這種力是由電場中粉塵荷電引起的庫侖力，而機械方法大多把作用力作用在整個氣體。2．

直接作用的結果使得電除塵器比其它除塵器所需功率最少，氣流阻力最小。處理1000m3/h的氣體，耗電0.1-0.8度，ΔP=100～1000Pa。3．

它既不象重力沉降法或慣性法那樣只限于回收粗粒子，也不象介質過濾法或洗滌法那樣受到氣體運動阻力的限制，能回收微型范圍的細小粒子。（1μm左右的）4．

除塵效率高，一般在95-99%。處理氣量大，可應用于高溫、高壓，具有克服氣體和粒子腐蝕的能力。連續操作并可自動化，故廣泛應用于許多方面。5.主要缺點是設備龐大，消耗鋼材多，初投資大，要求安裝和運行管理技術較高。二、電除塵發展簡介早在公元前600年，希臘人就知道被摩擦過的琥珀對細粒子和纖維的靜電吸引作用，庫侖發現的平方反比定律稱為靜電學的科學基礎，它也是電除塵理論的出發點。威廉描述到：電能吸引由熄滅的火花產生的煙。1745年，富蘭克林開始研究尖端放電，他似乎是首先研究我們現在所涉及到的發電尖端的電暈放電。最早有關煙塵電力吸引的文學敘述出自英國的宮廷內科醫生威廉吉伯特，時間是1600年。1772年，貝卡利亞對于大量煙霧的氣體中的放電、電風現象進行了試驗以后，1824-1908年，一些人做了一些有關凈化過程中煙霧、煙草中的煙等試驗。1908年，柯特雷爾發表了他的第一個專利，并在賽爾拜冶煉廠電除塵成功地回收了過去很難處理的硫酸霧。后來在他的學生施密特協助下又進行了發展，為在冶金和水泥工業中迅速廣泛地采用電除塵，成功地控制空氣污染奠定了基礎，從本世紀二十年代到四十年代開始應用于其它工業。三、電除塵的除塵過程電除塵是何種裝置呢？概括而言，電除塵是利用強電場使氣體發生電離，氣體中的粉塵荷電在電場力的作用下，使氣體中的懸浮粒子分離出來的裝置。用電除塵的方法分離氣體中的懸浮離子，需四個步驟：氣體電離；粉塵荷電；粉塵沉集;清灰。Dust-collectionplateLHigh–voltagewireforcoronadischargeCleangashDirtygasCoronadischargealongthelengthofwireCollecteddustonplateDustremovedfromplatestohoppers2H四、除塵器的分類按結構不同可作不同的分類，現從4個方面介紹：（1）按集塵電極型式可分為管式和板式電除塵器管式：極線沿著垂直的管狀集塵電極的中心線懸掛，適用于氣體量較小的情況，一般采用濕式清灰方式。板式：在互相平行的板式收塵電極的中間懸掛垂直的極線。板式可采用濕式清灰方式，但絕大多數采用干式清灰方式。（2)

按氣流流動方式分為立式和臥式電除塵器在工業廢氣除塵中，臥式板式電除塵器是應用最廣泛的一種，我國1972年提出的系列化設計SHWB型就屬此類。（3）按粉塵荷電區和分離區的空間布置不同分為單區和雙區電除塵單區：粉塵荷電和分離沉降都在同一空間區域內進行。雙區：現有一組電極使粉塵荷電，然后另一組電極供給靜電力，使帶電粒子沉降。典型的雙區除塵器多用于空調方面。國外有將它應用于工業廢氣凈化方面的。（4）

按沉集粉塵的清灰方式可分為濕式和干式電除塵器§8-2電暈放電

Coronadischarge一、氣體的導電二、電暈的形成§8-2Coronadischarge一、氣體的導電電暈是氣體中電傳導的若干形式之一，因此，在介紹電暈放電時，需要先簡單說一說關于氣體導電的基本現象。問題:氣體導電、液體導電、固體導電的區別?§8-2Coronadischarge電擊穿或氣體放電當電極之間的電位差提高到某一點時，氣體的電離和電導性就大大增加，于是從絕緣狀態轉變為傳導狀態，這種導電現象稱為氣體放電電暈放電只是在放電極的一小段距離內氣體有強烈的電擊穿,放電時在電極周圍的空氣完全電離；火花放電是在放電極和集塵極之間有若干狹窄的電擊穿,放電時電極間的空氣完全電離。§8-2Coronadischarge在電暈中產生離子的主要機制是由于氣體中的自由電子從電場中獲得能量，和氣體分子激烈碰撞，使電子脫離氣體分子，結果產生帶陽電荷的氣體離子并增加了自由電子，這種現象稱為電離。要產生電離，碰撞電子必須具有一定的最小能量，成為電離能量，其數值根據被撞出的分子或原子來決定。電子除了有強大的電離能力外，還具有可以附著在許多中分子和原子上形成陰離子的性質。顯然，在任一距離內凈剩的電子數是由電離所造成的電子數和因附著而損失的電子數之差。§8-2Coronadischarge電子附著對保持穩定的陰電暈是很重要的。因為氣體的遷移速度是自由電子的1/100，如沒有電子附著而形成的大量陰離子，則遷移速度高的自由電子就會迅速流至陽極，這樣便不能在電極之間形成穩定的空間電荷。差不多在達到電暈始發電壓時就會發生火花放電。在沒有電子附著的情況下，如某些氣體N2、H2等，在很純的情況下，完全不能由電子附著形成陰離子，就只能采用陽電暈。因為陽電暈中的電流載體是速度比較小的陽離子。氣體放電可分為自持的和非自持的兩類。自持的是指放電僅靠電位來維持，不需要外來的電離方法。電暈放電是自持的一種。非自持的則受外界電離劑的作用。§8-2Coronadischarge二、電暈的形成如果在曲率很大的表面（如一尖端或一根細線）和一根管子或一塊板之間有電位差，當電位差增大到一定值時，如達到一個臨界值,則能形成非均勻電場而產生電暈放電。雖然交流電壓也能產生電暈，但交流電暈使荷電粒子產生擺動運動，而直流電暈則產生把離子驅向收塵電極的穩定的力，所以電除塵通常都是單極放電。電除塵中所采用的單極性電暈是在放電電極和收塵電極間形成的穩定的自發發生的氣體放電，電離過程局限在放電電極鄰近的強電場中的輝光區或鄰近輝光區的地方，如下圖所示：§8-2Coronadischarge§8-2Coronadischarge電暈分類:

根據電極極性的不同，電暈有陽電暈與陰電暈之分。當放電電極和高壓直流電源的陰極連接時，就產生陰電暈。陽電暈或陰電暈的存在有兩個主要條件：1）在電暈電極附近必須有充足的電離源；

2)在電離區發射出的離子必須能在電暈外區生成有效的空間電荷(一)電暈形成機理1．

陰電暈形成機理在電暈線周圍,發生“電子雪崩”的積累過程,在強電場區域以外，電子逐漸減慢到小于碰撞電離所必需的速度，并附著在氣體分子上形成氣體離子。陰電暈：形成只是在很大的電子親和力的氣體或混和氣體中有可能。外觀：在放電電極周圍有一連串光點或刷毛狀輝光。2.陽電暈形成機制靠近陽極的放電極線的強電場空間內，自由電子和氣體分子碰撞形成電子雪崩過程。這些電子向著極線運動，而氣體陽離子則離開極線向強度逐步降低的電場運動，成為電暈外區空間內的全部電流。外觀：比較光滑，均勻的，藍色的亮光包著整個放電電極表面，這種電離過程有擴散性質。§8-2Coronadischarge(二)電暈起始電壓

1.定義

2.電暈起始電壓計算公式

3.影響因素

(1)電暈起始電壓隨電極的幾何形狀而變化

(2)氣體組成的影響

(3)溫度和壓力的影響(二)電暈起始電壓1.定義:

電暈起始電壓指開始發生電暈放電時的電壓，也稱臨界電壓，與之相應的場強稱為電暈起始場強或臨界場強。在電除塵器中，影響電暈起始電壓的各因素和電暈放電時的電壓—電流關系具有重要的意義，而電除塵器的電壓—電流關系取決于電極的幾何形狀、氣體的組成和狀態、已沉降的粉塵層厚度和性質及懸浮粉塵的濃度和粒徑等。2.電暈起始電壓計算公式現在推導管式電除塵器中電壓與場強的數學關系。近似把電暈線看成無數長的均勻帶電直線，電荷線密度為λ（庫侖/米），假想兩電極間沒有電暈電流，即不存在空間電荷，又高斯定理可知，在管式電除塵器中距電暈線距離為r處的場強為

ξ0為真空中的介電系數，ξ0=8.85×10-12庫侖2/牛頓·米2而任一點的場強等于該點的電位梯度的負值，即

----------（8-2）通過積分變換得：

---------（8-3）上式為任一點場強與電壓的關系式中：

V——電壓；r——半徑（距電暈線的距離r）；a——電暈線半徑；b——集塵管半徑。（8-3）式表明在電暈開始發生之前，管式電除塵器中任一點的場強Er隨極間電壓V的升高，據電暈線的距離的減小而增大。當r=a在電暈線表面上時，Er達最大。電暈開始發生所需的場強取決于幾何因素及氣體的性質。皮克（peek）通過大量實驗研究，提出了計算在空氣中電暈起始場強的經驗公式：

（V/m）（8-4）P0、T0為標況下的大氣壓（1atm）和溫度（298K）；

T、P為運行狀況的溫度和空氣壓力；f為導線光滑修正系數，一般0.5<f≤1，清潔的光滑導線f=1，實際中所遇到的導線可取f=0.6-0.7；式中正負號視電暈極性而定，正電暈取正號，負電暈取負號。當r=a時，由（8-3）式得代入（8-4）得電暈起始電壓計算式（線管式）：（伏）（8-5）板式電除塵器：式中：c——兩個電暈極之間的半徑，m；a——電暈極半徑，m；b——電暈極到集塵極的距離。3.影響因素(1)電暈起始電壓隨電極的幾何形狀而變化，線愈細，電暈起始電壓愈低。(2)氣體組成的影響氣體組成決定著電荷載體的分子種類。不同的氣體，電子附著形成負離子的過程是不同的。

(3)溫度和壓力的影響氣體組成不同，電壓—電流特性曲線有明顯不同。正電暈：運行電壓寬，Vc低，擊穿電位高，除塵中應用廣泛。負電暈：小型，空調用。

電壓—電流特性曲線氣體組成對電壓—電流特性的影響時由于混合氣體中每種組分俘獲電子的概率和遷移率不同而至。某一氣體離子的遷移率Ki按下式定義：u0——該離子的平均運動速度，m/s；E——場強，V/m。工業廢氣主要是混合氣體，電子附著取決于每次碰撞的概率合各組分的濃度，混合氣體對電子的親合力總和可利用其中各組分碰撞次數來表示。同時可以利用混合氣體各組分的遷移率來確定氣體混合物的當量遷移率。在這里說明一下，離子活度（濃度）高，離子速度大，電暈電流也就較大。由于其它因素的抵消影響，這些關系并不直接成比例，雖然可以針對氣體組成施加一些措施（如高電壓等）對除塵器的性能改善有利，但在工業中很少采用改變氣體組成的方法，而常用控制放電極尺寸或其它幾何特性的方法改變電壓—電流曲線。(3)溫度和壓力的影響氣體的溫度和壓力既能改變電暈起始電壓，又能改變電壓—電流關系。氣體的溫度和壓力的第一種影響：改變氣體密度，使電子平均自由程改變，也就改變為使電子加速到電離所需的速度時所必需的場強。實驗表明，壓力升高，溫度降低，氣體密度增加，電暈起始場強增高，電暈起始電壓增高。第二種影響：改變電荷載體的有效遷移率，從而改變電壓—電流特性。以下三種方式均可使有效遷移率增大：a.溫度，場強不變，減小氣體密度；b.氣體密度，場強不變，提高溫度；c.溫度，氣體密度不變，增大場強。§8-3電場電除塵器的電場是由于在一對電極間施加了高電壓和在兩電極的空間區域中存在由離子和荷電粒子構成的空間電荷而引起的。若沒有電暈電流，則電場僅取決于供電壓部分和除塵器的幾何尺寸。電場影響著所要捕集的塵粒的荷電荷作用在已荷電的塵粒上的力的大小，故在除塵過程中起重要作用。在上一節由理論推導出了管式電除塵器在任一點的場強（8-3式）：（該式在假定電暈電流為0時推導出來的）當供電電壓超過電暈起始電壓時，兩極間存在的空間電荷就會使電場分布改變。在集塵極附近的負電荷因空間電荷的斥力，加上靜電場的作用會被加速，使集塵極附近的電場增加。電暈極附近的負離子或電子會被空間電荷排斥回來，因而，在電暈極附近電場消失。有電暈電流時的場強計算A.任一點場強E(r)的表達式：

正負號視電暈極極性而定（正電暈取正）一般皆用負電暈。故取負。在集塵電極表面r=b時，有電暈電流時的電壓計算一般情況下，電除塵器的捕集效率隨電暈電流的增大而提高，這主要是由于它影響場強的緣故，在粉塵荷電過程中起重要作用的電場是電暈外區空間中的平均場強E0。而集塵電極附近的場強（集塵電場強度Ep）影響著已荷電粒子的捕集效率。空間平均場強和集塵電場強度之積E0Ep在電暈線尺寸和集塵電極直徑已定時，隨電暈電流增大而增大，與粉塵荷電有關的其它因素將在后面討論。§8-4粉塵荷電電除塵過程的基本要求就是：相同條件下荷電速度快，荷電量大。在電除塵器中粒子荷電是由于氣體離子和氣溶膠粒子碰撞，離子附著在粒子上而形成。有兩種作用機制：（1)

離子在電場作用下沿電力線作有規則運動，與粒子碰撞使粒子荷電，稱之為電場荷電。（2）由于離子的不規則熱運動而與粒子碰撞以致粒子荷電，稱之為擴散荷電。兩種荷電同時起作用，就大部分實用的電除塵器中處理的粒度范圍來看，電場荷電較重要。1．電場荷電

(a)(b)自由電場（c）部分電荷（d）電荷飽和§8-7粉塵比電阻一、比電阻各種物質的電阻與其長度成正比，與其橫截面積成反比，并和溫度有關：

Rs——比電阻；L——長度；A——橫截面積。定義：一種物質的比電阻是其長度和橫截面積各為一單位時的電阻，比電阻的倒數稱為電阻率。二、粉塵層的導電機制工業粉塵導電方式有兩種:本體導電：取決于粉塵和氣體的溫度及組成。在高溫時（約大于200℃），導電主要通過粉塵本體內部的電子或離子進行。在本體導電占優勢的溫度范圍內，粉塵比電阻稱為容積比電阻。表面導電：在較低溫度下，氣體中存在的水分或其它化學調節劑被塵粒表面吸附，因而導電主要是沿塵粒表面所吸附的水分和化學膜進行的，在導電沿塵粒表面進行的溫度范圍內，粉塵比電阻稱為表面比電阻。。三、比電阻對電除塵器運行的影響沉積在集塵電極上的灰塵的比電阻對電除塵器能否有效地運行有顯著的影響，比電阻過高或過低都會大大降低電除塵器的除塵效率，適宜的范圍是從103～104Ω·cm～2×1010Ω·cm。1．比電阻過低如果灰塵的比電阻小于103～104Ω·cm，形成在集塵電極上跳躍的現象，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象。解決途徑：采取在電除塵氣后面串聯旋風除塵器的辦法來解決。２．

比電阻過高當灰塵的比電阻超過1010Ω·cm，電除塵器的性能就隨著比電阻的增加而下降。主要是由于比電阻過高，容易形成反電暈現象，使電除塵器的效率降低。j-+V

比電阻過高時模擬電路圖四．改變粉塵比電阻的方法當粉塵比電阻較高時，可選用的解決方法：①

設計成比正常情況更大的除塵器，以適應較低的沉降率或改變供電方式（包括脈沖電壓、較高的高強電場分組、快速打火熄火回路）。②

采用新型除塵器結構。③

對煙氣進行調節，降低比電阻，盡可能使電極保持清潔。§8-8電除塵器的供電電除塵器只有在良好的供電情況下，才能獲得較高的除塵效率。供電裝置輸出電壓的高低、電壓的波形和穩定性及供電分組等都是影響效率的因素。重要的電參數：電暈電流密度、有效電暈功率、電壓水平。一、供電電壓、電流和功率的影響供電電壓、電流和功率對電除塵器效率的影響可以歸結為對粉塵驅進速度ω的影響對管式用直流供電的電除塵器：ω和電暈電流的關系：

i—電暈電流線密度，即單位長度電暈線上的電暈電流；

μ—氣體粘度；K—離子遷移率；dp—塵粒粒徑；

c—常數。當i較大時，2i/K>>c，i越大，驅進速度越大，除塵效率越高。對板式電除塵器：電流i加一修正系數α，當供電不是直流時，i可取電流的時間平均值iav。粉塵驅進速度ω與供電的關系可表示為粉塵驅進速度ω與供電電壓的函數關系：

β——常數；

Vp——電壓峰值；

Vai——電壓平均值。此式表明，要得到高的除塵效率，可以提高峰值電壓和平均電壓。如采用脈沖等。

決定電壓波形的因素

粉塵比電阻、粉塵濃度、除塵器大小、高壓供電分組數目、線路的穩定性。一、電暈電流密度和電暈功率1．

電暈電流密度電暈電流密度應維持高的水平以達到最大的驅進速度，影響電流電暈電流密度的因素：①

氣體的組成（溫度、壓力）②

粉塵比電阻③

顆粒的空間電荷效應④

集塵面積⑤

高壓裝置的類型和設計及控制⑥

振打效率⑦

電極對中的準確性

大部分電除塵器，電暈電流密度在0.05-1.0mA/m2。２．

電暈功率電暈功率

Vp為最高電壓；Vm為最低電壓。比電暈功率：每分鐘處理1000英尺3實際狀態氣體所耗的功率（W）。變壓：50-500W(1000英尺3分)-1§8-9電除塵器的選擇設計和應用一、電除塵器的選擇和設計1．

電除塵的選擇①

煙塵和煙氣的來源和生產過程；②

煙塵粒度大小的分布；③

煙塵濃度；④

煙塵成分和結構；⑤

現場實際的煙塵比電阻；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．電除塵的設計

（1）收集資料（2）確定有效驅進速度（3）集塵極板面積（4）其它輔助設計內容（1）收集資料根據以上各節的討論，可以歸納選擇和設計除塵器時的主要參數。①

要求的除塵效率或除塵的進出口含塵濃度，；②

煙氣和煙塵的性質及回收價值③

設備材料的供應情況及價格（2）確定有效驅進速度影響有效驅進速度的因素如下：