电除尘器工作原理及应用

实际中的电除尘器有很多类型与构造，但它们都是根据相同的原理设计的。电除尘器的工作原理主要包括电晕放电、粒子荷电、带电粒子的迁移和捕集、颗粒的清除等基本过程。

1.电晕放电

（1）电晕放电的原理。在电除尘器中，在电晕极和集尘极间施加一定电压时，两极之间就会产生一个不均匀的电场，靠近曲率较大电极处的强电场区域称为电晕区。在电晕区，由于电场强度大，气体中的自由电子被加速，足以通过碰撞将其他气体分子的外圈电子碰撞出来，而使其电离，形成正离子和新的自由电子。新的自由电子又会参与对其他气体分子的碰撞，使这种过程反复进行并以指数级数增加，因而被称为雪崩过程，此时在放电极周围的电离区内，可以看到淡蓝色的光点或光环，同时能够听见“嘶嘶”声和“噼啪”的爆裂声，这一现象称为电晕放电。

电晕放电需要很强的电场强度，为此通常采用非均匀电场，即在一圆线或其他曲率半径很小的电极上施加高压，而另一电极是一个平板或圆筒，这样可以使放电电极附近产生极高强度的电场。

（2）空间电荷的产生。电晕区一般只限于距放电极表面2～3 mm范围内，在电晕区以外直到另一电极的空间称为电晕外区。在电晕外区电场强度急剧下降，不会产生雪崩放电过程，只作为输送离子的孤立区，但电晕区内产生的大量电子及负离子在这一区域向集尘极运动，这些电子会被电负性强的气体分子（O2、H2O、SO2等）俘获并产生负离子，一同向正极运动。

（3）正、负电晕及其特点。当电晕电极是负极时，则由电离过程中产生的电子迅速由电晕线向接地的集尘极（正极）运动，产生负电晕；当电晕电极为正极时，则产生的正离子向接地的集尘极（负极）运动，产生正电晕。

正负电晕在表现形式上有所不同。负电晕在放电极上呈团状或小球状淡蓝色光点分布，而正电晕则沿电极形成淡蓝色的连续光芒。

正负电晕在除尘性能上也有不同。通常负离子的迁移率较正离子高，例如，在干空气下负离子的迁移率约2.1 cm2/（s·V），较正离子[1.36cm2/（s·V）]高出约35%，因而与分子及粉尘的碰撞机会较多，对粉尘荷电有利。

高的离子迁移率产生的电晕电流也高（见图4-21），同时负电晕的击穿电压也较高，这样除尘器的有效工作范围就较宽，有利于除尘器的运行。

由于以上原因，在实际应用中，工业电除尘中几乎都是采用负电晕工作。但负电晕会产生迁移率很高的负离子，在碰撞电离过程中会产生较多的O3和NOx，故在用于净化送风空气（如空调系统等）时，常采用正电晕除尘器。

图4-21　正负电晕离子电流

（4）起始电晕电压。在极线施加的电压未达到产生电晕之前，极间几乎没有电流通过。当气体电离后，产生大量的正、负离子，形成空间电荷，有电流产生。开始发生电晕放电的电压称为起始电晕电压，又称临界电压，与之相对应的电场强度称为临界场强。

Peek通过实验提出了计算临界场强的半经验公式。

对线管式电场

对线板式电场

式中，δ——相对空气密度，其中T0=298 K，p0=1.0atm；

m——导线光滑修正系数，0.5＜m＜1.0，对光滑圆线m=1，实际导线由于表面的不平整，可取m=0.6～0.7。

故r=a（电晕极表面）时，线—管电场的临界电压的计算公式为

当在电晕线上施加的电压超过Vc时，在电场中即可产生电流。

（5）影响电晕特性的因素。起晕电压与烟气性质、电极的形状、电极的几何尺寸等有关。电晕线越细，Vc越低。电极的形式不同，起晕电压也不相同。芒刺电极的起晕电压比圆线电极的要低一些。

气体组成对电晕特性也有较大影响。不同的气体分子对电子的亲和力不同，H2、N2、Ar等无电子亲和性，不能捕获电子。O2、SO2等电负性气体对形成负离子起决定性作用。H2O、CO2与高速电子碰撞，能解离出氧原子，进而形成负离子。例如，对起晕电压在洁净空气中为35.5 kV的装置，同样条件下在N2中为38.1kV，在O2中为29.1 kV。

温度和压力既改变起始电晕电压又改变电压-电流关系。在电子的雪崩过程中，两次碰撞之间必须要有足够的时间使电子加速到一定程度。温度和压力导致气体密度改变，分子的平均自由程因而发生变化。气体密度高时，分子的平均自由程变短，需要的起晕电压也高。

2.粒子荷电

粒子荷电是电除尘过程中的重要阶段。荷电量的大小与尘粒的粒径、电场强度、停留时间等因素有关。通常认为粒子荷电的主要机理有两种：电场荷电和扩散荷电。依尘粒大小的不同，每种机理所起的作用有所不同。当粉尘粒径大于0.5μm时，以电场荷电为主，当粒径小于0.2μm时，扩散荷电起主要作用；而粒径为0.2～0.5μm时，两者均起作用。

（1）电场荷电。电场荷电是离子在电场力作用下，沿电场线做定向运动而与颗粒发生相撞，并附着于颗粒表面，使颗粒荷电。

电场荷电主要是较大粒径粒子的行为，如果粒子引入前外部电场是均匀的，假定粒子为球形，且尘粒的粒径远大于离子的平均自由程，粒子之间没有互相干扰，由此导出在t时间内粒子获得的电荷量为

式中，ε0——真空介电常数，ε0=8.55×10-12F/m；

p——常数其中ε为尘粒的相对介电常数，通常的粉尘p=1.5～2.0；

E0——电场强度，V/m

t0——荷电时间常数，，其中K为气体离子迁移率，m2/（s·V）。

当t→∞时，粉尘获得饱和电荷

式中，N0——离子密度，m-3；

e——电子电量，e=1.6×10-39C。

当荷电时间t=t0时，粉尘的荷电量qt=0.5qs，t=10t0时，粉尘的荷电量qt=0.91qs，在实际电除尘器中，t0一般在10-3～10-2s的范围内，因而粉尘在0.1～1 s内可获得极限电荷的99%。也就是说对于电场荷电，尘粉移动几个厘米，荷电就基本可以完成。故可认为在电除尘器的整个过程中，粉尘均带有极限电荷。

（2）扩散荷电。扩散荷电是离子由于无规则热运动而与尘粒碰撞，并黏附在颗粒表面使其荷电。外加电场虽然有利于扩散荷电，但并不是必需的。

离子的热运动（扩散）只服从于气体分子运动理论，与离子的热能、尘粒大小和停留时间有关。因离子的热运动能量在理论上不存在上限，故扩散荷电没有极限值。但同样的，随着粒子上积累的电荷的增加，荷电速率将越来越低。

根据分子运动论可导出扩散荷电的理论方程

式中，——气体离子的平均热运动速度，m/s；

T——气体温度，K；

R——玻尔兹曼常数，R=1.38×l0-23J/K。

上式表明，随着时间的增加，粉尘所能获得的电荷数也增加。但随着时间的增加，电荷数的增加速度将越来越慢。

Heinrieh建议采用以下近似公式

（3）电场荷电和扩散荷电的综合作用。对粒径处于中间范围（0.2～0.5μm）的粒子，需同时考虑两种荷电作用。描述这两种荷电过程的非线性微分方程无法求得解析解，有多种近似解法。

①简单地将电场荷电的饱和电量和扩散荷电的电量相加，可粗略表示总电量，但这种计算方法误差较大。

②在一般计算中，由于细粉尘含量极少，可只考虑电场荷电。

③较精确的计算方法是将两种机理的荷电率相加，然后解出总电荷数。

3.带电粒子的迁移和捕集

（1）粒子的驱进速度。粉尘荷电后，在电场的作用下向集尘极方向运动，粉尘垂直于极板的运动速度称驱进速度。驱进速度和尘粒的荷电量、收尘的电场强度、气体的性质等有关。

在垂直于极板方向，作用于荷电粒子的力有库仑力和黏性阻力。

库仑力的计算公式为

设尘粒运动处于黏性流范围，服从Stokes定律，则黏性阻力

式中，q——微粒荷电量，C；

Ep——集尘集电场强度，V/m；

dp——微粒粒径，μm；

μ——流体黏度；

ω——粒子的驱进速度，m/s。

则惯性力为

解得

式中，称为运动时间常数。

当时间t＞5τm时，可以认为速度ω已经达到了粉尘运动的终末速度。取球形尘粒的密度为ρ=1×103kg/m3，空气的黏度μ=18.1 Pa·s时，计算得时间常数为

对50μm以下的粒子，因为τm比较小（在10-3s左右），其加速时间与整个停留时间相比是很短的。故可以忽略公式中的指数项，认为整个时间内ω为一常数

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一般在实际中为简化计算，经常忽略扩散荷电。

（2）捕集效率公式。多依奇（Deutsch）从理论上推导出了捕集效率公式。在推导过程中假定：

①粉尘一进入除尘器，立即完成荷电过程；

②紊流与扩散使任何断面上的粉尘浓度都均匀分布；

③通过除尘器的气流速度在各点上均匀分布；

④不考虑二次扬尘、冲刷、反电晕等。

如图4-22所示，按气流流动方向取长度坐标x，除尘器总长度为L，气流及粉尘在x方向流速为u，流量为Q。

图4-22　捕集效率方程式推导示意图

设a为x方向单位长度集尘板的面积（板式a=2H，筒式a=πD）；A为集尘板的总面积；L为电场长度；F为除尘器在气流方向上的横截面积（板式F=BH，筒式

在dt时间内，所有进入边界层δ区域内的粉尘都将被收下来。

而

在同一时间内，气流走过的路程为

被捕集的粉尘的质量为

在x～x+dx时间段内，粉尘浓度从C增加到C+dC，则被捕集的粉尘的质量为

得

整理后得

当x=0时，C=Ci；x=L时，C=C0。

积分得

而Fu=Q；a L=A，得

式（4-107）就是著名的多依奇（Deutsch）公式。该公式描述了效率η与集尘极面积A、气体流量Q和粒子驱进速度ω之间的关系，指明了提高捕集效率的途径，因而广泛应用于电除尘器的设计及性能分析中。

（3）捕集及效率公式的实际应用。多依奇公式中忽略了许多影响因素，尽管有许多对该公式修正后更为精确的效率计算公式，但应用起来不如Deutsch公式方便。

影响多依奇公式精确性的主要是关于驱进速度的计算，按前述理论计算的ω要比实际测得的大2～10倍。对多依奇公式的修正主要是修正有效驱进速度ωp。

传统的工程设计中都采用实测的驱进速度为依据，称为有效驱进速度ωp。

ωp的算法是根据同类型或相近类型除尘器对同类型生产工艺（同类粉尘）测定其η、A、Q，按多依奇公式反算出来的。因此ωp的物理意义不仅反映尘粒向极板的运动速度（理论驱进速度），同时包含诸如二次扬尘、气流不均、电风等影响因素。这种方法也是带有半经验性质的。

当已知所设计工艺的ωp时，就可以按多依奇公式形式推算除尘效率，并作为类似新除尘器的设计依据，或计算给定效率时除尘器收尘板面积等。

如果缺乏所设计的对象的有效驱进速度，又没有相应的除尘器可供测定，则应该进行小型实验，再放大使用。但小型实验结果往往偏高。

目前，较为先进的方法是建立电除尘器的数学模型，以多依奇公式为计算依据，同时包括电场的数值计数、粉尘荷电的计算以及二次扬尘、气流分布均匀性等因素的影响。借助于计算机辅助设计，摆脱纯经验的设计方法。

4.影响电除尘器性能的主要因素

影响电除尘器除尘效率的因素有很多，主要有粉尘性质、烟气性质、电气参数、供电装置及其构件等。

（1）粉尘的浓度和密度。粉尘的浓度和粒度对电除尘器的影响主要表现在对粉尘的荷电上。当入口含尘浓度很高时，会严重影响电晕放电。在一定条件下甚至会形成电晕闭塞，即电晕现象消失，尘粒在电场中根本得不到电荷，电晕电流几乎为零，失去除尘作用。

在这方面起决定性作用的是粉尘的计数浓度（单位体积中尘粒的个数）。因此，越细小的尘粒，即使质量浓度不高也可能造成电晕闭塞。相反，对于粗颗粒粉尘可以允许入口含尘浓度较高一些。为了防止电晕闭塞，入口含尘浓度通常不应超过40g/m3。

近年来发展的芒刺放电极对防止电晕闭塞有较好的效果。芒刺电极的放电强度高，可强化尘粒的荷电，消除电晕闭塞。因此，当电除尘器入口含尘浓度高时，可在前面的电场，如第一电场、第二电场设芒刺电极。

尘粒直径为0.2～0.4μm的粉尘是电除尘器最难捕集的，这是由于电场荷电到扩散荷电的过渡阶段中，二者的效率都比较低。

（2）根据粉尘比电阻的不同，粉尘的比电阻可分成以下三类：

①低比电阻粉尘（ρ＜104Ω·cm）；

②中等比电阻粉尘（104Ω·cm＜ρ＜5×104Ω·cm）；

③高比电阻粉尘（ρ＞5×104Ω·cm）。

电除尘器最适宜捕集的粉尘为中等比电阻粉尘。

对炭黑、未完全燃烧的炭粒子等低比电阻粉尘，在电除尘器中，当其荷电后到达集尘极板表面上时，由于其导电性良好而很快将其所带的电荷传给极板，而失去电性或者带上与集尘电极相同的电荷，因而易于重新返回气流，造成二次扬尘。此外，低比电阻粉尘附着在绝缘子上后，会降低其绝缘能力，而使电压不能升高，影响除尘器的效率。

高比电阻粉尘则相反，当其荷电附着在收尘极表面上，由于电阻高而不易放出电荷，粉尘在收尘极上积累越来越多，可以形成很强的电场。由于粉尘层表面呈现负电性，它将排斥随后来的带负电性的尘粒，除尘效率因而降低。另一方面在粉尘层内部形成的电场强度达到粉尘层内的击穿电场强度，就会发生击穿，产生与原来放电极放电的方向相反的反向放电，称之为反电晕。反电晕放电产生大量正离子进入极间的空间，使原来带有负电的粉尘中和，破坏了电除尘器的正常工作，使除尘效率急剧恶化。

解决高比电阻粉尘的捕集问题，可采用以下措施：

①对烟气进行调质，以降低比电阻值；

②改善除尘器的电极结构，如采用宽间距电除尘器、横向电极电除尘器、双区电除尘器、带辅助电极的电除尘器等；

③改变供电设备，如采用脉冲供电等。

（3）烟气性质。对电除尘器工作有重要影响的烟气性质有温度、湿度、密度及其化学成分。其中包括有些含量很低，但影响显著的某些化学成分（如SO2、SO3）。对燃煤锅炉烟气，煤中的含硫量愈高，烟气中含有的SO2也愈高，从而会导致粉尘的比电阻降低。

在干式电除尘器中，烟气的温度和湿度对粉尘比电阻有着明显的影响，从而也影响到除尘效率。

一般工业炉窑的烟气温度，往往正好处在比电阻极限值的范围内，因而给电除尘带来一定的困难。为防止高比电阻产生，可以对烟气进行降温（如喷雾）以降低比电阻值，或使电除尘器设于烟气的高温段，例如设于锅炉的省煤器之前，此时温度可达300℃以上，比电阻也下降。这种除尘器，习惯上称为高温电除尘器，其温度上限受钢材耐温性能的限制。

在低温段，粉尘的表面除了吸附水分外，还可吸附气体中的一些化学物质，如SO3、NH3等。特别是当烟气温度接近于露点温度时，这种吸附能力更强。吸附这些化学物质，会增强尘粒表面的导电能力，从而降低比电阻，是提高除尘效率的必要措施之一。

（4）气流速度。气流速度是影响电除尘器工作的主要因素之一。如图4-23所示，当气流速度增大时，除尘效率随之降低。气流速度与电除尘器的有效长度密切相关，二者共同决定了粉尘在电除尘器中的停留时间。

图4-23　气流速度对除尘效率的影响

由多依奇公式可以得出

可见，为保证必需的除尘效率，气流速度υ的增加，可用相应增加电场长度L来补偿，即应保证必需的气流停留时间。实际上，气流速度增加到一定值后，电除尘器的有效长度再增加，除尘效率也不可能再提高很多。其中的原因之一是气流速度的增加会引起二次扬尘量的大大增加。例如，在卧式电除尘器中，当气流速度小于l m/s时，二次扬尘量较小，当气流速度由1.5 m/s增加到3 m/s时，由于气流的冲刷及振打而引起的二次扬尘量会增加7～9倍。因此，对于平板式、棒帏式收尘电极，由于其防止扬尘的性能不好，其气流速度不大于l m/s；而对于形板式收尘极板（C形、Z形、CS形等）气流速度可以提高到1.5～1.7m/s。

由于气流速度是影响除尘器效率的主要因素，因此气流速度在除尘器断面上的分布均匀程度极为重要。局部地区气流速度超过平均速度20%～30%，将使除尘效率急剧降低。尽管在气流速度降低处的除尘效率会稍有提高，但不可能补偿在流速高处的除尘效率的降低值。为使气流速度在除尘器断面上能均匀分布，在除尘器入口渐扩管段内要设置一块或数块气流分布板。

目前，评定气流分布均匀性的方法很多。我国常用的有速度场不均匀系数法（M值法）和均方根差法。下面用介绍均方根差法评价气流分布的均匀性。

设除尘器横断面在横向和纵向分别取n及m点，构成网格。则气流分布均匀性可由均方根差σ表示

式中，υij——各测点的风速；

——断面上的平均风速。

气流完全均匀时，σ=0，而实际上为10%～50%。工业电除尘器的σ＜10%时，认为气流分布很好；σ为15%时较好；σ为25%时可以；大于25%是不允许的。

（5）电气参数影响。电除尘器工作的主要电气参数有电晕电极在线施加的电压和电晕电流强度，这些决定了电除尘器中的电场强度和输入功率。

由前边的推导可知，电场强度对驱进速度起主导作用，驱进速度与荷电场强、收尘场强的乘积成正比。为了保持电除尘器的高效率，应使施加在电除尘器上的电压尽可能高。该电压的高低除与放电电极与收尘电极之间的距离有关外，还与电除尘器的制造和安装质量、含尘气流的性质、供电设备的性能等有关。因此为了使供电电压保持在较高的水平工作，供电装置要设置自动调压装置，使施加在电极上的最高工作电压接近于火花击穿电压。

在常规电除尘器中，收尘极板之间的间距为300mm时，施加在电晕在线的电压可达60kV，此时平均电场强度为4kV/cm。但在实际运行中，由于结构及工艺等条件的影响，工作电压可能降低，有时能达到45kV左右。因此在设计中可以取电除尘器的平均电场强度为3～4kV/cm。对极间距为600mm的宽间距电除尘器，工作电压要求达90～120kV。