大氣污染控制工程：第六章 顆粒污染物的凈化part2ESP

1、 6.5 靜電沉積 ESP Electrostatic Precipitation6.5.1 靜電沉積的原理6.5.2 電除塵器的類型和構(gòu)造6.5.3 電除塵器的選用和設(shè)計計算電除塵器電廠鍋爐除塵系統(tǒng)流程圖 最大特點與其他除塵器的根本區(qū)別在于，分離力直接作用在粒子上，而不是作用在整個氣流上電除塵器的主要優(yōu)點壓力損失小，一般為200500Pa處理煙氣量大，可達105106m3/h能耗低，大約0.20.4kWh/1000m3有很高的捕集效率，可高于99可在高溫或強腐蝕性氣體下操作缺點：造價高，技術(shù)要求高(影響到系統(tǒng)的可靠性）對顆粒物導電性有要求6.5.1 靜電沉積原理 四個基本過程電暈放電顆粒荷電

2、帶電顆粒在電場內(nèi)遷移和捕集被捕集顆粒從集塵表面上清除電除塵器的工作原理（1）電暈放電（1）電暈放電（續(xù)）起始電暈電壓開始產(chǎn)生電暈電流時所施加的電壓管式電除塵器內(nèi)任一點的電場強度起始電暈電壓與煙氣性質(zhì)和電極形狀、幾何尺寸等因素有關(guān)，起始電暈所需要電場強度（皮克經(jīng)驗公式）電壓電流特性 電暈放電電場的電壓與電流之間的關(guān)系，通常稱為電壓電流特性或簡稱為伏-安特性。 （1）電暈放電（續(xù)） 正、負電暈極在空氣中的電暈電流一電壓曲線 電暈區(qū)范圍逐漸擴大致使極間空氣全部電離電場擊穿；相應的電壓擊穿電壓在相同電壓下通常負電暈電極產(chǎn)生較高的電暈電流，且擊穿電壓也高得多 工業(yè)氣體凈化傾向于采用穩(wěn)定性強，操作電壓和電

3、流高的負電暈極；空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用正電暈極，好處在于其產(chǎn)生臭氧和氮氧化物的量低（1）電暈放電（續(xù)）影響電暈特性的因素 氣體組成、壓力、溫度不同氣體對電子的親合力、遷移率不同 氣體溫度和壓力的不同影響電子平均自由程和加速電子及能產(chǎn)生碰撞電離所需要的電壓 氣流中要捕集的粉塵的濃度、粒度、比電阻以及在電暈極和集塵極上的沉積 電極的形狀、電極間距離電壓的波形 （2）顆粒荷電 兩種機理電場荷電或碰撞荷電離子在靜電力作用下做定向運動，與粒子碰撞而使粒子荷電擴散荷電離子的擴散現(xiàn)象而導致的粒子荷電過程；依賴于離子的熱能，而不是依賴于電場 粒子的主要荷電過程取決于粒徑大于1 m的微粒，以電場荷電為主小于0.1 m

4、的微粒，以擴散荷電為主介于之間的粒子，需要同時考慮這兩種過程。（2）顆粒荷電 之 電場荷電顆粒荷電電荷累積顆粒場強增加沒有氣體分子能夠到達顆粒表面，電荷飽和（2）顆粒荷電 之 電場荷電顆粒獲得的飽和電荷 影響電場荷電的因素 粒徑dp和介電常數(shù)電場強度E0和離子密度N0 一般粒子的荷電時間僅為0.1s，相當于氣流在除塵器內(nèi)流動1020cm所需要的時間，一般可以認為粒子進入除塵器后立刻達到了飽和電荷（2）顆粒荷電 之 擴散荷電與電場電荷過程相反，不存在擴散荷電的最大極限值（根據(jù)分子運動理論，不存在離子動能上限） 荷電量取決于離子熱運動的動能、粒子大小和荷電時間 擴散荷電理論方程 玻耳茲曼常數(shù)（1.

5、381023 ）溫度，K；離子平均速度，再次說明：電場荷電主要對大顆粒（大于1 m）起作用。 對于小顆粒（小于0.1 m ），擴散荷電起主要作用。 電場荷電和擴散荷電的綜合作用處于中間范圍 （0.11 m）的粒子，需同時考慮電場荷電和擴散荷電根據(jù)Robinson的研究，簡單地將電場荷電和擴散荷電的電荷相加，可近似地表示兩種過程綜合作用時的荷電量，與實驗值基本一致（3）荷電顆粒的運動和捕集 理論驅(qū)進速度 （3）荷電顆粒的運動和捕集（續(xù)）驅(qū)進速度與粒徑和場強的關(guān)系當顆粒直徑為250m時，vd與粒徑成正比（3）荷電顆粒的運動和捕集（續(xù)）捕集效率一（Deutsch)公式 德意希公式的假定:除塵器中氣流

6、為湍流狀態(tài)在垂直于集塵表面的任一橫斷面上粒子濃度和氣流分布是均勻的粒子進入除塵器后立即完成了荷電過程忽略電風、氣流分布不均勻、被捕集粒子重新進入氣流等影響 顆粒通過邊界層的時間顆粒沿軸向運動的距離為 荷電顆粒的運動和捕集（續(xù)）有效驅(qū)進速度當粒子的粒徑相同且驅(qū)進速度不超過氣流速度的1020時，德意希方程理論上才是成立的 作為除塵總效率的近似估算，vd應取某種形式的平均驅(qū)進速度有效驅(qū)進速度實際中常常根據(jù)在一定的除塵器結(jié)構(gòu)型式和運行條件下測得的總捕集效率值，代入德意希方程式中反算出的相應驅(qū)進速度值。荷電顆粒的運動和捕集（續(xù)）有效驅(qū)進速度粉塵種類驅(qū)進速度（m/s）粉塵種類驅(qū)進速度（m/s）煤粉爐飛灰0

7、.100.14沖天爐煙塵0.030.04紙漿及造紙塵0.08水泥塵（干法）0.060.07平爐煙塵0.06水泥塵（濕法）0.100.11硫酸霧0.060.08多層床焙燒爐煙塵0.08氧化鋅塵0.04紅磷塵0.03懸浮焙燒爐煙塵0.08石膏塵0.160.20催化劑粉塵0.08二級高爐煙塵0.125荷電顆粒的運動和捕集（續(xù)）凈化性能影響因素及相互關(guān)系氣氣煙氣濕度煙氣溫度煙氣成份煙氣壓力塵a.廢氣的成分 由于不同氣體分子與電子的親和能力不同，不同離子在電場中的遷移率不同，所以廢氣成分對電暈電場的伏安特性和閃絡(luò)電壓有影響。負電性氣體和離子遷移率低的氣體存在，可提高工作電壓，對改善除塵器工作性能有利。

8、b.氣體的溫度和壓強 電離過程中，電子必須加速到一定的速度，才能碰撞氣體分子供其電離。如果氣體密度增大，平均自由程縮短，可供電子加速的時間減少，只有提高電場強度，才能在較短的時間內(nèi)加速到能使氣體電離的速度。所以，氣體溫度降低和壓強升高，會使起暈電壓升高。氣體溫度和壓強的變化，也會影響離子遷移率，從而改變伏安特性。 帶電顆粒由于電場力的作用，在集塵極表面沉積，沉積的穩(wěn)定程度與顆粒物的導電性有很大關(guān)系。 導電性好（比電阻?。┑念w粒與集塵極表面一接觸，立即釋放電荷，并重新帶上與集塵極電性相同的電荷。重新荷電的顆粒在斥力的作用下重返氣流。（對于除塵一般很少出現(xiàn)） 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（

9、比電阻）導電性不好（比電阻大）的顆粒物沉積到集塵極表面，由于不能完全釋放電荷，就會在集塵極表面形成一層與集塵極電性相反的帶電積塵層。該層排斥后到的帶電顆粒，阻止其向集塵極沉積。另外，帶電沉積層如果出現(xiàn)裂縫，裂縫處會形成不均勻電場，產(chǎn)生局部電暈放電。這一電暈放電過程的離子運動與整個集塵裝置的離子運動方向相反，所以被稱為是反電暈。反電暈產(chǎn)生的離子與空間顆粒所帶電荷的電性相反，因此碰撞后中和。中和塵粒不會向集塵極作驅(qū)進運動。所以反電暈出現(xiàn)，會使電除塵器效率顯著下降。 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)高比電阻粉塵對電除塵器性能的影響 高比電阻粉塵會干擾電場條件，導致除塵效率下降低于10

10、10/cm時，比電阻幾乎對除塵器操作和性能沒有影響比電阻介于10101011/cm之間時，火花率增加，操作電壓降低高于1011/cm時，產(chǎn)生明顯反電暈凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)煙氣濕度和溫度對粉塵比電阻的影響a.飛灰 b.水泥窯粉塵凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)S含量對粉塵比電阻的影響Log10resistivity, cm凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)粉塵比電阻對除塵器伏安特性的影響 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)粉塵比電阻對有效驅(qū)進速度的影響 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)粉塵比電阻對場強分布的影

11、響 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)克服高比電阻影響的方法 保持電極表面盡可能清潔采用較好的供電系統(tǒng)煙氣調(diào)質(zhì)增加煙氣濕度，或向煙氣中加入SO3、NH3，及Na2CO3等化合物，使粒子導電性增加。最常用的化學調(diào)質(zhì)劑是SO3 改變煙氣溫度向煙氣中噴水，同時增加煙氣濕度和降低溫度發(fā)展新型電除塵器 凈化性能影響因素之c.顆粒物的導電性（比電阻）續(xù)凈化性能影響因素之d 捕集效率隨粒徑的變化e.顆粒物濃度進口氣體含顆粒物濃度不高的情況下，濃度提高，電除塵器效率會有所提高。但如果進口濃度過高，狀況反而惡化。原因：荷電顆粒的運動速度遠比氣體離子的運動速度小。進口含塵濃度高，電暈區(qū)產(chǎn)生的氣體離子

12、大量沉積到顆粒上，使電流減弱。當進口濃度提高到一定程度，由于電暈產(chǎn)生的氣體離子都沉積到顆粒上，電流幾乎減弱到零，電除塵器失效，這種現(xiàn)象被稱為電暈阻塞。為了防止電暈阻塞，對高濃度含塵氣體，應先進行預處理，使?jié)舛冉档竭m當程度，再進電除塵器。 凈化性能影響因素續(xù)f.電極的形狀和尺寸 電極的形狀和尺寸對電暈放電影響很大，放電極極細或帶有尖刺，起暈電壓低。 管式集塵極的直徑和板式極的間距、集塵極是否有尖銳部分（如銳邊或毛刺），都會影響閃絡(luò)電壓。集塵極形狀還會對二次揚塵產(chǎn)生影響。凈化性能影響因素續(xù)g.氣流情況氣流分布不均，電除塵器各通道中的氣體流速相差較大，使某些通道工況惡化，導致總效率降低。引起氣流分布

13、不均勻的原因大致有：進出口及通道形狀不利，管道或通道不均勻積灰，各部分溫度不均勻。氣流紊亂（射流、渦流或脈動等）引起顆粒重返氣流，使效率下降。電暈放電產(chǎn)生的電風，可增大顆粒的驅(qū)進速度，增加碰撞凝并，對捕集過程有利；但有時電風與氣流共同作用，引起某些部分顆粒重返氣流。 凈化性能影響因素續(xù)h.供電參數(shù)（推動力的體現(xiàn)） 供電參數(shù)對電除塵器性能影響很大，起主要作用的參數(shù)有功率、火花率（閃頻）和電壓波形等。 顆粒的有效驅(qū)進速度可近似表達為凈化性能影響因素續(xù)集塵效率隨電暈功率提高而提高。電除塵器在通常運轉(zhuǎn)條件下，電暈電流和功率隨電壓升高而急劇增加。所以當電暈電壓接近峰值時，即使是數(shù)值不大的變化，也會對效率

14、產(chǎn)生明顯影響。 火花率是單位時間電場出現(xiàn)火花放電的次數(shù)。隨著電場電壓升高，火花率增加。電壓高對除塵有利，所以要保持較高的除塵效率，就要有一定的火花率，大約在每分鐘幾百次；處理中比電阻塵，最佳火花率在每分鐘10100次。試驗表明，脈沖供電比平穩(wěn)直流供電更有利。峰值電壓有利于提高除塵效率，谷值電壓可減少火花放電和連續(xù)電弧的發(fā)生。 (4）被捕集粉塵的清除 電暈極和集塵極上都會有粉塵沉積 粉塵沉積在電暈極上會影響電暈電流的大小和均勻性，一般方法采取振打清灰方式清除 從集塵極清除已沉積的粉塵的主要目的是防止粉塵重新進入氣流在濕式電除塵器中，用水沖洗集塵極板在干式電除塵器中，一般用機械撞擊或電極振動產(chǎn)生的

15、振動力清灰（4）被捕集粉塵的清除（續(xù)）現(xiàn)代的電除塵器大都采用電磁振打或錘式振打清灰。振打系統(tǒng)要求既能產(chǎn)生高強度的振打力，又能調(diào)節(jié)振打強度和頻率常用的振打器有電磁型和撓臂錘型 Typical hammer/anvil rappers forcollection plates(Europe)Typical magnetic-impulse rappersfor collection plates ( USA) Typical electric-vibrator rappers used for wire discharge electrodesTumbling hammers for rigid

16、frame discharge electrode6.5.2 電除塵器類型和構(gòu)造 電除塵器類型雙區(qū)電除塵器通風空氣的凈化和某些輕工業(yè)部門單區(qū)電除塵器控制各種工藝尾氣和燃燒煙氣污染單區(qū)和雙區(qū)電除塵器雙區(qū)電除塵器單區(qū)電除塵器管式電除塵器用于氣體流量小，含霧滴氣體，或需要用水洗刷電極的場合1污染氣體入口；2清潔氣體入口；3支承絕緣子；4蒸汽盤管；5電極吊架；6外殼；7放電極；8重錘；9排污口板式電除塵器為工業(yè)上應用的主要型式，氣體處理量一般為2550m3/s以上電除塵器結(jié)構(gòu)電暈電極電暈電極 常用的有直徑3mm左右的圓形線、星形線及鋸齒線、芒刺線等 電暈線的一般要求：起暈電壓低、電暈電流大、機械強度高

17、、能維持準確的極距、易清灰等 電除塵器結(jié)構(gòu)電暈電極電暈電極 電暈線固定方式重錘懸吊式框架式 電除塵器結(jié)構(gòu)集塵極集塵極集塵極結(jié)構(gòu)對粉塵的二次揚起，及除塵器金屬消耗量 （約占總耗量的4050%）有很大影響性能良好的集塵極應滿足下述基本要求振打時粉塵的二次揚起少單位集塵面積消耗金屬量低極板高度較大時，應有一定的剛性，不易變形振打時易于清灰，造價低電除塵器結(jié)構(gòu)集塵極常用板式電除塵器集塵極進展寬間距壓電除塵器：現(xiàn)已公認，在某些情況下板間距可比平常增加50100%，然而除塵器性能并未改變，其原理還沒有完全解釋清楚。電除塵器結(jié)構(gòu)氣流分布板電除塵器內(nèi)氣流分布對除塵效率具有較大影響 對氣流分布的具體要求是任何一

18、點的流速不得超過該斷面平均流速的 40%在任何一個測定斷面上，85%以上測點的流速與平均流速不得相差 25%。電除塵器結(jié)構(gòu)氣流分布板氣流分布不均勻時，電除塵器通過率的校正系數(shù)FV電除塵器結(jié)構(gòu)-貯灰出灰裝置從電極上振落的粉塵，貯存在除塵器底部的灰斗內(nèi)，并由排灰裝置排出。在負壓狀態(tài)下工作，排灰口必須保持氣密，以防止外部空氣漏入，使粉塵重新飛揚，并使電場的風速提高，影響除塵效率?；叶穬?nèi)裝擋板，防止含塵氣體不經(jīng)過電場，而由灰斗短路流出。 hopper電除塵器結(jié)構(gòu)-殼體殼體應盡量避免漏氣。漏氣不但影響運轉(zhuǎn)狀態(tài)，降低效率，而且還可能造成局部冷卻結(jié)露，引起腐蝕。防止泄漏的主要部位有門、孔口及各種構(gòu)件（特別是

19、運動構(gòu)件）穿過外殼的部位。電除塵器內(nèi)煙氣溫度應較其露點高20K以上，以防結(jié)露。因此，有些情況下要求外殼保溫。 電除塵器結(jié)構(gòu)高壓供電設(shè)備高壓供電設(shè)備提供粒子荷電和捕集所需要的高場強和電暈電流供電設(shè)備必須十分穩(wěn)定，希望工作壽命在二十年之上通常高壓供電設(shè)備的輸出峰值電壓為70l000kV，電流為1002000mA 增加供電機組的數(shù)目，減少每個機組供電的電暈線數(shù)，能改善電除塵器性能，但投資增加。必須考慮效率和投資兩方面因素6.5.3 電除塵器的選擇和設(shè)計 電除塵器的選擇和設(shè)計仍然主要采用經(jīng)驗公式類比方法 參數(shù)符號取值范圍板間距S2328cm驅(qū)進速度318cm/s比集塵極表面積A/Q3002400m2（

20、1000m3/min）氣流速度v12m/s長高比L/H0.51.5比電暈功率Pc/Q180018000W/(1000m3/min)電暈電流密度Ic/A0.051.0A/m2平均氣流速度 煙煤鍋爐v1.11.6m/s 褐煤鍋爐v1.82.6m/s6.5.3電除塵器的選擇和設(shè)計（續(xù)）比集塵表面積的確定 根據(jù)運行和設(shè)計經(jīng)驗，確定有效驅(qū)進速度e按德意希方程求得比集塵表面積A/Q長高比的確定集塵板有效長度與高度之比，直接影響振打清灰時二次揚塵的多少要求除塵效率大于99%時，除塵器的長高比至少要1.01.5。氣流速度的確定通常由處理煙氣量和電除塵器過氣斷面積，計算煙氣的平均流速平均流速高于某一臨界速度時，

21、作用在粒子上的空氣動力學阻力會迅速增加，粉塵的重新進入量亦迅速增加氣體的含塵濃度如果氣體含塵濃度很高，電場內(nèi)塵粒的空間電荷很高，易發(fā)生電暈閉塞應對措施提高工作電壓，采用放電強烈的芒剌型電暈極，電除塵器前增設(shè)預凈化設(shè)備等.6.5.3電除塵器的選擇和設(shè)計（續(xù)）6.5.3 電除塵器的選擇和設(shè)計（續(xù)）電除塵器的輔助設(shè)計因素 電暈電極：支撐方式和方法集塵電極：類型、尺寸、裝配、機械性能和空氣動力學性能整流裝置：額定功率、自動控制系統(tǒng)、總數(shù)、儀表和監(jiān)測裝置電暈電極和集塵電極的振打機構(gòu)：類型、尺寸、頻率范圍和強度調(diào)整、總數(shù)和排列灰斗：幾何形狀、尺寸、容量、總數(shù)和位置輸灰系統(tǒng)：類型、能力、預防空氣泄漏和粉塵反

22、吹殼體和灰斗的保溫，電除塵器頂蓋的防雨雪措施便于電除塵器內(nèi)部檢查和維修的檢修門高強度框架的支撐體絕緣器：類型、數(shù)目、可靠性氣體入口和出口管道的排列需要的建筑和地基獲得均勻的低湍流氣流分布的措施6.5.3 電除塵器的選擇和設(shè)計（續(xù)）電除塵器可能出現(xiàn)的問題 設(shè)計或選型問題； 制造和安裝問題； 運轉(zhuǎn)問題。 設(shè)計問題a.顆粒物性質(zhì)：比電阻超過電除塵的有效適用范圍，引起反電暈或再飛揚；顆粒物有粘性，積塵難以清除。b.氣流：氣流速度過高或分布不均勻。c.電極：集塵極面積不夠，長高比過?。环烹姌O數(shù)量不夠。d.振打機構(gòu)：振打加速度和頻率過低或過高，振打不協(xié)調(diào)。e.電源：整流設(shè)備容量不夠，或性能不穩(wěn)定。運轉(zhuǎn)問題

23、a.絕緣不好或短路：進線絕緣子積灰、受潮；脫落的零件或異物存在，引起極間短路。b.電極損壞：集塵極腐蝕；電暈線斷裂；有效電暈減少；電極移位或變形。c.積塵：放電極積塵過多（稱電暈肥大）；入口、出口管或氣流分布板積塵；灰斗積灰過滿。d.過載：含塵氣體流量過大，使電場氣速過高；含塵濃度過高，造成電暈阻塞。e.電源未達到預定工作狀態(tài)。f.污染源變化引起工況改變：煙氣成分和濕度、顆粒物比電阻和粒度發(fā)生變化。以下供拓展學習參考*電除塵器的改進（拓展） 電除塵器改進的主要目的是提高性能（尤其是對高比電阻塵的適應性）、減小尺寸和成本、擴大功能，主要措施是改進結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、改變供電參數(shù)。 *電除塵器的改進改進結(jié)構(gòu)和供電參數(shù)a.寬間距（超高壓）電除塵器 常規(guī)電除塵器極板間距在250300mm，相應的工作電壓在4560kv。近年來發(fā)展的寬間距電除塵器極板間距擴大到6001200mm，工作電壓提高到120200kv。寬間距電除塵器的比電阻適用范圍擴大到1051015。由于極板間距加寬，安裝誤差的影響減小，并便于安裝和檢修。 *電除塵器的改進b.雙區(qū)電除塵器 將荷電和集塵分別在兩個區(qū)域內(nèi)進行，結(jié)合電極改進，可提高除塵效果，縮短除塵器長度。c.增加