一、静电除尘器的工作原理
一、静电除尘器的工作原理
1．气体电离和电晕放电 由于辐射摩擦等原因，空气中含有少量的自由离子，单靠这些自由离子是不可能使含尘空气中的尘粒充分荷电的。因此，要利用静电使粉尘分离须具备两个基本条件，一是存在使粉尘荷电的电场；二是存在使荷电粉尘颗粒分离的电场。一般的静电除尘器采用荷电电场和分离电场合一的方法，如图5-7-1所示的高压电场，放电极接高压直流电源的负极，集尘极接地为正极，集尘极可以采用平板，也可以采用圆管。
图5-7-1静电除尘器的工作原理
在电场作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电压愈高、电场强度愈高，离子的运动速度愈快。由于离子的运动，极间形成了电流。开始时，空气中的自由离子少，电流较少。电压升高到一定数值后，放电极附近的离子获得了较高的能量和速度，它们撞击空气中的中性原子时，中性原子会分解成正、负离子，这种现象称为空气电离。空气电离后，由于联锁反应，在极间运动的离子数大大增加，表现为极间的电流（称之为电晕电流）急剧增加，空气成了导体。放电极周围的空气全部电离后，在放电极周围可以看见一圈淡蓝色的光环，这个光环称为电晕。因此，这个放电的导线被称为电晕极。
在离电晕极较远的地方，电场强度小，离子的运动速度也较小，那里的空气还没有被电离。如果进一步提高电压，空气电离（电晕）的范围逐渐扩大，最后极间空气全部电离，这种现象称为电场击穿。电场击穿时，发生火花放电，电话短路，电除尘器停止工作。为了保证电除尘器的正常运动，电晕的范围不宜过大，一般应局限于电晕极附近。
如果电场内各点的电场强度是不相等的，这个电场称为不均匀电场。电场内各点的电场强度都是相等的电场称为均匀电场。例如，用两块平板组成的电场就是均匀电场，在均匀电场内，只要某一点的空气被电离，极间空气便 会部电离，电除尘器发生击穿。因此电除尘器内必须设置非均匀电场。
开始产生电晕放电的电压称为起晕电压。对于集尘极为圆管的管式电除尘器在放电极表面上的起晕电压按下式计算：
V
（5-7-1）
式中 m——放电线表面粗糙度系数，对于光滑表面m=1，对于实际的放电线，表面较为粗糙，m=0.5～0.9；
R1——放电导线半径，m； R2——集尘圆管的半径，m； δ——相对空气密度。
T0、P——标准状态下气体的绝对温度和压力； T、P——实际状态下气体的绝对温度和压力。
从公式（5-7-1）可以看出，起晕电压可以通过调整放电极的几何尺寸来实现。电晕线越细，起晕电压越低。
电除尘器达到火花击穿的电压称为击穿电压。击穿电压除与放电极的形式有关外，还取决于正、负电极间的距离和放电极的极性。
图（5-7-2）是在电晕极上分别施加正电压和负电压时的电晕电流—电压曲线。从图（5-7-1）可以看出，由于负离子的运动速度要比正离子大，在同样的电压下，负电晕能产生较高的电晕电流，而且它的击穿电压也高得多。因此，在工业气体净化用的电
除尘器中，通常采用稳定性强、可以得到较高操作电压和电流的负电晕极。用于通风空调进气净化的电除尘器，一般采用正电晕极。其优点是，产生的臭氧和氮氧化物量较少。
图5-7-2 正、负电极下电晕电流—电压曲线
2．尘粒的荷电
电除尘器的电晕范围（也称电晕区）通常局限于电晕线周围几毫米处，电晕区以外的空间称之为电晕外区。电晕区内的空气电离后，正离子很快向负（电晕）极移动，只有负离子才会进入电晕外区，向阳极移动。含尘空气通过电除尘器时，由于电晕区的范围很小，只有少量的尘粒在电晕区通过，获得正电荷，沉积在电晕极上。大多数尘粒在电晕外区通过，获得负电荷，最后沉积在阳极板上，这就是阳极板称为集尘极的原因。
尘粒荷电是电除尘过程的第一步。在电除器内存在两种不同的荷电机理。一种是离子在静电力作用下做定向运动，与尘粒碰撞（点击观看flash模拟动画—碰撞作用荷电），使其荷电，称为电场荷电。另一种是离子的扩散现象导致尘粒荷电，称为扩散荷电。对dc>0.5μm的尘粒，以电场荷电为主；对dc<0.2μm的尘粒，则以扩散荷电为主；dc介于0.2~0.5μ的尘粒则两者兼而有之。在工业电除尘器中，通常以电场荷电为主。
在电场荷电时，通过离子与尘粒的碰撞使其荷电，随尘粒上电荷的增加，在尘粒周围形成一个与外加电场相反的电场，其场强越来越强，最后导致离子无法到达尘粒表面。此时，尘粒上的电荷已达到饱和。
在饱和状态下尘粒的荷电量按下式计算：
C （5-7-2）
-122
式中ε0——真空介电常数，ε0=8.85×10C/N·m； dc——粒径，m；
Ef——放电极周围的电场强度，V/m； εp——尘粒的相对介电常数。
εP与粉尘的导电性能有关。对导电材料εP=∞；绝缘材料εP=1；金属氧化物εP=12~18；石英εP=4.0。
从上式可以看出，影响尘粒荷电的主要因素是尘粒直径dc、相对介电数εP和电场强度。
二、静电除尘器的主要性能参数计算
对电除尘器内粒的运动和捕集进行理论分析，依赖于气体流动模型。最简单的情况是假设含尘气体在电除尘器内作层流运动。在这种情况下尘粒的移动根据经典力学和电学定律求得。
1．驱进速度
荷电后的尘粒在电场内由于受到静电力的作用将向集尘极运动（点击观看flash模拟动画——尘粒在电场内运动）。
荷电尘粒在电场内受到静电力
F=qEj N
（5-7-3）
式中 Ej——集尘极周围电场强度，V/m。
尘粒在电场内作横向运动时，要受到空气的阻力，当Rec≤1时， 空气阻力 P=3πμdc
ω N （5-7-4） 式中ω——尘粒与气流在横向的相对运动速度，m/s。
当静电力等于空气阻力时，作用在尘粒上的外力之和等于零，尘粒在横向作等速运动。这时尘粒的运动速度称为驱进速度。
驱进速度 （5-7-5）
把公式（5-7-2）代入上式，
m/s
m/s （5-7-6）
对dc≤5μm的尘粒，上式应进行修正：
m/s （5
-7-7）
式中 Kc——库宁汉滑动修系数。 为简化计算，可近似认为，
Ef=Ej=U/B=Ep V/m
式中 U——电除尘器工作电压，V；
B——电晕极至集尘极的间距，m；
EP——电晕尘器的平均电场强度，V/m。 因此，
m/s
（5-7-8）
从公式（5-7-8）可以看出，由除尘器的工作电压U愈高，电晕极至集尘极的距离B愈小，电场强度E愈大，尘粒的驱使进度ω也愈大。因此，在不发生发击穿的前提下，应尽量采用较高的工作电压。影响电除尘器工作的另一个因素是气体的动力粘度μ，μ值是随温度的增加而增加的，因此烟气温度增加时，尘粒的驱进速度和除尘效率都会下降。
公式（5-7-5）是在Rec≤1、尘粒的运动只受静电力的影响这两上假设下得出的。实际的电除尘器内都有不同程度的紊流存在，它们的影响有时要比静电力要大得多。另外还有许多其它的因素没有包括在公式（5-7-8）中，因此，仅作定性分析用。
2．除尘效率
要求出电除尘器的除尘效率需建立微分方程。但由于电除尘器的除尘效率与粉尘性质、电场强度、气流速度、气体性抟及除尘器结构等因素有关，要严格地从理论上推导除尘效率方程式是困难的，因此在推导过程中作以下假设：
①电除尘器横断面上有两上区域，集尘极附近的层流边界层和几乎占有整个断面的紊流区。
②尘粒运动受紊流的控制，整个断面上的浓度分布是均匀的。 ③在边界层尘粒具有垂直于避面的分速度ω。
④忽略电风、气流分布不均匀、二次扬尘等因素的影响。
图5-7-3 静电除尘器除尘效率分析模型图
建立微分方程首先需要抽象模型如图5-7-3所示。设气体和粉尘在水平方向的流速为υ（m/s）；除尘器内某一断面上气体含尘浓度为y（g/m3）；气流运动方向上每单位长度集尘面积为a（m2/m）；气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为l（m）；尘粒的驱进度为气流运动方向上除尘器的横断面积为F（m2）；电场长度为ｌ（m）；尘粒的驱进速度为ω（m/s）。
在dτ时间内，在dχ空间捕集的粉尘量
dm=α（dχ）ωdτy= -F（dx）
dy （5-7-9）
把dχ=υdτ代入上式，则 对上式两边进行积分，
（5-7-1
0）
式中y1——除尘器进口处含尘浓度，g/m3；
y2——除尘器出口处含尘浓度，g/m3。 将Fυ=L、αι=A上式，则 式中 L——除尘器处理风量，m3/s；
A——集尘极总的集尘面积，m2。 则除尘效率为
（5-7-11）
表5-7-1 不同（
）值下的除尘效率 3.0 95 3.91 98 4.61 99 6.91 99.9 0 1.0 63.2 2.0 86.5 2.3 90 η（%） 0 公式（5-7-11）是在一系列假设的前提下得出的，和实际情况并不完全相符。但是它给我们提供了分析、估计和比较电除尘器效率的基础。从该式可以看出，在除尘效率一定的情况下，除尘器尺寸和尘粒驱进速度成反比，和处理风量成正比；在除尘器尺寸一定的情况下，除尘效率和气流速度成反比。
3．有效驱进速度
公式（5-7-11）在推导过程中忽略了气流分布不均匀、粉尘性质、振打清灰时的二次扬尘因素的影响，因此理论效率值要比实际值高。为了解决这一矛盾，提出有效驱进速度的概念。
所谓有效驱进速度就是根据某一除尘器实际测定的除尘效率和它的集尘极总面积A、气体流量L，利用公式（5-7-11）倒算出驱进速度。我们把这个速度称为有效驱进速度。在有效驱进速度中包含了粒径、气流速度、气体温度、粉尘比电组、粉尘层厚度、电极型式、振打清灰时的二次扬尘等因 素。因此有效驱时速度要通过大量的经验积累，它的数值与理论驱进速度相差较大。表5-7-2是某部门实测的有效驱进速度ωe值。
表5-7-2 某些粉尘的有效驱进速度ωe
粉尘种类 锅炉飞灰 水 泥 铁矿烧结粉尘 氧化亚铁 焦 油 平 炉 ωe（cm/s） 8-12.2 9.5 6-20 7-22 8-23 5.7 粉尘种类 镁 砂 氧化锌、氧化铅 石膏 氧化铝熟料 氧化铝 ωe（cm/s） 4.7 4 19.5 13 6.4 三、静电除尘器的主要结构部件与装置
图5-7-4为静电除尘器结构图。在工业电除尘器中，最广泛采用的是卧式的板式电除尘器，见图5-7-5。它是由本体和供电原源两部分组成。本体包括除尘器壳体、灰斗、放电极、集尘极、气流分布装置、振打清灰装置、绝缘子及保温箱等等。下面介绍除尘器的主要部件。
图5-7-4静电除尘器结构图 图5-7-5板式静电除尘器组成结构图
1．集尘极
（1）对集尘极板的基本要求 对集尘极板的基本要求是：
①板面场强分布和板面电流分布要尽可能均匀；
②防止二次场尘的性能好。在气流速度较高或振打清灰时产生的二次场尘少； ③振打性能好。在较小的振打力作用下，在板面各点能获得足够的振打加速度，且分布较均匀；
④机械强度好（主要是刚度）、耐高温和耐腐蚀。具有足够的刚度才能保证极板间距及极板与极线的间距的准确性；
⑤容纳粉尘量大，消耗钢材少，加工及安装精度高。 （2）集尘极板的结构形式
极板用厚度为1.2~2.0mm的钢板在专用轧机上轧制而成，为了增大容纳粉尘量大，通常将集尘极做成各种断面形状。，常用的断面形状如图5-7-6所示。
图5-7-6 集尘极板的结构形式
极板高度一般为2~15m。每个电场的有效电场长度一般为3~4.5m，由多块极板拼装而成。
常规电除尘器的集尘极板的间距通常采用300mm。国内、外研究结果表明，加大极板间间距，增大了绝缘距离，可以抑止电场火花放电；同时可以提高电除法器的工作电压，增大粉尘的驱进速度；另外还可使电极板面积也会相应减小。由于这种除尘器的工作电压比常规的高，故称为宽间距超高压电除尘器。宽间距电除尘器的极板间距一般为400~600mm。根据目前的试验研究，采用400mm为好，其工作电压为120~80kV。这种除尘器目前已在电站、水泥等行业应用。
2．电晕极（放电极） （1）对放电极的基本要求 对放电极的基本要求为：
①放电性能好（起晕电压低、击穿电压高、电晕电流强）； ②机械强度高、耐腐蚀、耐高温、不易断线；
③清灰性能好。振打时，粉尘易于脱落，不产生结瘤和肥大现象。 （2）电晕极的结构形式
放电极的形式很多，常见的形式如图5-7-7所示。
静电除尘器的工作原理
