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第二节 电除尘器
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第二节 电除尘器

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  1. 第二节 电除尘器 • 旋风除尘器对于dp < 5μm的粒子效率低,必须借助外力(电场力等)捕集更小的粒子 • 使尘粒荷电并在电场力的作用下沉积在集尘极上 • 与其他除尘器的根本区别在于,分离力直接作用在粒子上,而不是作用在整个气流上 • 具有耗能小、气流阻力小的特点

  2. 电除尘器 • 电除尘器的主要优点 • 压力损失小,一般为200~500Pa;能耗低,大约0.2~0.4kWh/1000m3 • 捕集粒径范围大,0.01~100μm; • 处理烟气量大,可达105~106m3/h • 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 • 烟气含尘浓度适应性高,C=7~30g/m3

  3. 电除尘器的工作原理 • 三个基本过程 • 悬浮粒子荷电-高压直流电晕 • 带电粒子在电场内迁移和捕集-延续的电晕电场(单区电除尘器)或光滑的不放电的电极之间的纯静电场(双区电除尘器) • 捕集物从集尘表面上清除-振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗

  4. 电除尘器的工作原理 Source: www.state.ia.us

  5. 电除尘器的工作原理

  6. 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 • 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) • 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

  7. 电晕放电 • 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

  8. 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 • 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0.5m的微粒,以电场荷电为主 • 小于0.15m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。

  9. 电场荷电 • 粒子获得的饱和电荷 • 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

  10. 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) • 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

  11. 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

  12. 异常荷电现象 • 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,甚至发生反电晕现象,破坏正常电晕过程; • 粉尘浓度很高时,尘粒不能获得足够的电荷,使除尘效率急剧降低; • 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

  13. 荷电粒子的运动和捕集 • 驱进速度 • 力平衡关系 • t=0时,=0,则 • 最终得

  14. 驱进速度 • 驱进速度 • 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 • 若t>10-2s, 完全可以忽略不计 • 所以,驱进速度

  15. 驱进速度 • 驱进速度与粒径和场强的关系 • 当颗粒直径为2~50m时,与粒径成正比

  16. 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

  17. 捕集效率 • dt时间内在长度为dx的空间所捕集的粉尘量为 • 由dt=dx/u • 积分 • 最终得

  18. 有效驱进速度 • 当粒子的粒径相同;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

  19. 粉尘种类 驱进速度/m∙s-1 粉尘种类 驱进速度/m∙s-1 煤粉(飞灰) 0.10~0.14 冲天炉(铁-焦比=10) 0.03~0.04 纸浆及造纸 0.08 水泥生产(干法) 0.06~0.07 平炉 0.06 水泥生产(湿法) 0.10~0.11 酸雾(H2SO4) 0.06~0.08 多层床式焙烧炉 0.08 酸雾(TiO2) 0.06~0.08 红磷 0.03 飘旋焙烧炉 0.08 石膏 0.16~0.20 催化剂粉尘 0.08 二级高炉(80%生铁) 0.125 有效驱进速度

  20. 被捕集粉尘的清除 • 电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积 • 粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性,一般方法采取振打清灰方式清除 • 从集尘极清除已沉积的粉尘:防止粉尘重新进入气流 • 在湿式电除尘器中,水冲洗集尘极板 • 在干式电除尘器中,振动清灰

  21. 被捕集粉尘的清除 • 现代的电除尘器大都采用电磁振打或锤式振打清灰。振打系统要求既能产生高强度的振打力,又能调节振打强度和频率 • 常用的振打器有电磁型和挠臂锤型

  22. 电除尘器结构-除尘器类型 • 除尘器类型 • 双区电除尘器-通风空气的净化和某些轻工业部门 • 单区电除尘器-控制各种工艺尾气和燃烧烟气污染 • 管式电除尘器用于气体流量小,含雾滴气体,或需要用水洗刷电极的场合 • 板式电除尘器为工业上应用的主要型式,气体处理量一般为25~50m3/s以上

  23. a.圆形线 b.星形线c.锯齿线d.芒刺线 电除尘器结构-电晕电极 • 电晕电极 • 常用的有直径3mm左右的圆形线、星形线及锯齿线、芒刺线等 • 电晕线的一般要求:起晕电压低、电晕电流大、机械强度高、能维持准确的极距、易清灰等

  24. 电除尘器结构-电晕电极 • 电晕电极 • 电晕线固定方式 • 重锤悬吊式 • 管框绷线式

  25. 电除尘器结构-集尘极 • 集尘极 • 集尘极结构对粉尘的二次扬起,及除尘器金属消耗量(约占总耗量的40%~50%)有很大影响 • 性能良好的集尘极应满足下述基本要求 • 振打时粉尘的二次扬起少 • 单位集尘面积消耗金属量低 • 极板高度较大时,应有一定的刚性,不易变形 • 振打时易于清灰,造价低

  26. 电除尘器结构-集尘极 • 常用板式电除尘器集尘极 • 进展-宽间距压电除尘器:现已公认,在某些情况下板间距可比平常增加50%~100%,然而除尘器性能并未改变。其原理还没有完全解释清楚

  27. 粉尘比电阻 • 高比电阻粉尘对电除尘器性能的影响 • 高比电阻粉尘会干扰电场条件,导致除尘效率下降 • 低于1010Ω/cm时,比电阻几乎对除尘器操作和性能没有影响 • 比电阻介于1010~1011Ω/cm之间时,火花率增加,操作电压降低 • 高于1011Ω/cm时,产生明显反电晕

  28. 粉尘比电阻 • 克服高比电阻影响的方法 • 保持电极表面尽可能清洁 • 采用较好的供电系统 • 烟气调质 • 增加烟气湿度,或向烟气中加入SO3、NH3,及Na2CO3等化合物,使粒子导电性增加。最常用的化学调质剂是SO3 • 改变烟气温度 • 向烟气中喷水,同时增加烟气湿度和降低温度 • 发展新型电除尘器

  29. 参数 符号 取值范围 板间距 S 23~28cm 驱进速度 ω 3~18cm/s 比集尘极表面积 A/Q 300~2400m2(1000m3/min) 气流速度 v 1~2m/s 长高比 L/H 0.5~1.5 比电晕功率 Pc/Q 1800~18000W/(1000m3/min) 电晕电流密度 Ic/A 0.05~1.0A/m2 平均气流速度 烟煤锅炉 v 1.1~1.6m/s 褐煤锅炉 v 1.8~2.6m/s 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

  30. 电除尘器的选择和设计 • 比集尘表面积的确定 • 根据运行和设计经验,确定有效驱进速度ωe按德意希方程求得比集尘表面积A/Q • 长高比的确定 • 集尘板有效长度与高度之比,直接影响振打清灰时二次扬尘的多少 • 要求除尘效率大于99%时,除尘器的长高比至少要1.0~1.5。

  31. 电除尘器的选择和设计 • 气流速度的确定 • 通常由处理烟气量和电除尘器过气断面积,计算烟气的平均流速 • 平均流速高于某一临界速度时,作用在粒子上的空气动力学阻力会迅速增加,粉尘的重新进入量亦迅速增加 • 气体的含尘浓度 • 如果气体含尘浓度很高,电场内尘粒的空间电荷很高,易发生电晕闭塞 • 应对措施-提高工作电压,采用放电强烈的芒剌型电晕极,电除尘器前增设预净化设备等

  32. 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 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 电除尘器的选择和设计 • 电除尘器的辅助设计因素

  33. 例题 • 某钢铁厂烧结机尾气电除尘器的实测结果如下:除尘器入口含尘浓度C1=26.80mg/m3,出口含尘浓度c2=0.133g/m3,处理风量Q=16×104m3/h。该除尘器采用Z型极板和星型电晕线,横断面积F=40m2,集尘极总集尘面积A=1982m2,参考上述数据,设计一台新建烧结机尾气电除尘器,要求η=99.8%,工艺提供的烟气量为70m3/s。

  34. • 据实测数据,原除尘器效率 η’=1-c2/c1=1-0.133/26.8=99.5% 又 ∴粉尘的有效驱进速度

  35. • 故选我国设计的SHWB-60型卧式电除尘器,查表得其集尘面积为3743m2, 除尘器得有效断面积F=63.3m2,电场风速为1.0~1.3m/s。(见《供暖通风设计手册》,陆耀庆主编,建工出版社,1987年,p950)。 较核电场风速:v=Q/F=70/63.3=1.1(m/s),符合要求。