- 相關(guān)推薦
靜電除塵器的除塵理論
2.1 靜電除塵器的結(jié)構(gòu)
靜電除塵器的除塵過程發(fā)生在電場里，電場由陽極和陰極組成。通常陽極為板狀，并且接地，陰極為線狀，有的其上有等距離分布的尖端放電點。高壓供電裝置為電場提供高壓直流電源，加在正、負(fù)電極之間。通常情況下，氣體中只含有極其微量的自由電子和離子，因此可視為絕緣體。發(fā)生電暈放電現(xiàn)象后，如加在非均勻電場的電壓繼續(xù)增加，則電暈區(qū)將隨之?dāng)U大，最終將致使電極間產(chǎn)生火花放電，此時可以看見耀眼的閃光及聽見爆裂聲。 根據(jù)電荷“異性相吸，同性相斥”的原理，在氣體電離后，大量的自由電子和正負(fù)離子會向異極運動。在運動過程中，它們與煙氣氣流中的塵粒相碰撞而吸附其上，使得塵粒帶電，這就是塵粒荷電。
從總體上來說，靜電除塵器通常包括本體和電源兩大部分。本體部分是個龐然大物，它讓處理對象通過并進(jìn)行懸浮粒子分離。靜電除塵器本體部分大致可分為內(nèi)件、支撐部件和輔助部件三大部分。內(nèi)件部分包括陽極系統(tǒng)、陽極振打、陰極系統(tǒng)、陰極振打四大部 件，這是靜電除塵器的核心部件，也就是靜電除塵網(wǎng)器的心臟部分。
從除塵的方式上來分，靜電除塵器可以分為：線板式靜電除塵器、濕式靜電除塵器、線管式靜電除塵器、電袋式除塵器等，但如果從結(jié)構(gòu)上來劃分的話，一般靜電除塵器都是由以下幾個部分組成：電暈電極部分、收塵極板、振打裝置、外殼體，灰塵輸出和高壓供電裝置等.
（1）電暈電極
在靜電除塵器中，電暈電極的作用是使氣體產(chǎn)生電暈放電，其結(jié)構(gòu)主要有電暈線、電暈線框架、電暈線框懸吊架以及支撐絕緣套管等組成。
電暈線有多種分類，常用的有如下幾種：星形、螺旋形、光圓形、芒刺形、麻花形以及鋸齒形等。其中截面是圓形和星形的這兩種電暈線的應(yīng)用較早。對電暈線的要求一般是： 起始電暈的電壓較低、但火花放電的電壓要高、機(jī)械強(qiáng)度要高，同時要耐腐蝕和能維持準(zhǔn)確的極距，并且容易清灰。
從實驗應(yīng)用的情況上來看，對于電暈線的選擇只是其中的一個方面。同時還要考慮電 暈線的固定方式。由于相鄰電暈線之間的距離直接對放電強(qiáng)度的影響很大，例如：如果極距較大，則會大大減弱放電的強(qiáng)度，如果極距過小，也會因為屏蔽作用而導(dǎo)致放電強(qiáng)度減弱。所以一般極距采用0.2 ~ 0.3m左右，具體數(shù)值應(yīng)該視收塵集板的型號和尺寸而定。
（2）收塵極板
收塵極板有很多種形式，總體上可以分為板式和管式兩大類。收集極板的結(jié)構(gòu)直接會影響靜電除塵器的除塵效率及制造成本，所以對收塵極板的要求較高。例如：要求極板表面上的電場強(qiáng)度應(yīng)該一致，電流分布應(yīng)該均勻，產(chǎn)生火花的電壓值應(yīng)該較高；并且要求有利于收塵極板上所收集的灰塵能順利的落入灰斗，不易產(chǎn)生二次揚塵；要求極板的形狀簡單容易制作，振打性能及鋼度較好，在運輸和安裝過程中不易變形。要求極板間距合適，因為極板間的距離對靜電除塵器除塵效率也有著直接的影響，如果間距太小，則電壓不容易升高，會影響除塵器效率，如果間距太大，電壓的升高又受到供電設(shè)備的容許電壓限制，所以，一般在采用 60~70KV 變壓器的時，除塵器收塵極板的間距一般取 0.2~0.35 米.
（3）清灰裝置
要保證靜電除塵器以較高的效率運行，就要及時的清除電暈極和收塵極板上所收集的灰塵。這也是保證靜電除塵器能高效運行的很重要的環(huán)節(jié)之一，因為雖然電暈極上沉積的粉塵比較少，但是對除塵器的電暈放電卻影響很大，嚴(yán)重時可以使除塵器完全停止工作，如果收塵極板上灰塵沉積比較厚，將會導(dǎo)致產(chǎn)生火花的電壓值降低，電暈電流也會減小，此時塵粒的有效驅(qū)進(jìn)速度會明顯減小，除塵效率將大幅下降。因此，為了及時清除電暈極和收塵極板上的灰塵，一般都采用連續(xù)振打的方式，使收塵極板上的灰塵及時的被清除掉，常用的方
式有：電磁振打方式、提升脫鉤振打方式以及氣動振打方式等。
（4）供電裝置
靜電除塵器只有在有良好的供電環(huán)境下才可能獲得較高的除塵效率，隨著供電電壓的升高除塵器的功率和除塵效率也會持續(xù)增大，因此，為了讓靜電除塵器有較好的工作效率， 供電裝置必須提供能讓靜電除塵器較好工作的高壓和功率。較早的靜電除塵器采用的是機(jī)械整流供電以及自耦變壓器人工高壓方式，隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，目前廣泛應(yīng)用能夠火花跟蹤自動調(diào)壓和可控硅控制的高壓硅整流器。供電方式一般采用恒流高壓供電。
2.2 靜電除塵器的工作原理
靜電除塵器的基本工作原理是：使含有粉塵的氣流中的粉塵微粒荷電，在除塵器的高壓靜電場中電場力的作用下驅(qū)使已經(jīng)荷電的粉塵微粒沉降在收塵極板的表面上。電除塵器的電暈電極（又叫放電極線），是由不同截面不同形狀的金屬導(dǎo)線制作而成的，并接至高壓直流電源的負(fù)極。而收塵電極又叫陽極板，是由不同形狀的金屬板制作而成并且接地。本文是基于線板式靜電除塵器進(jìn)行的研究，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 1.1 所示
靜電除塵器的基本工作過程一般分為五個階段：
（1）首先接通高壓直流電，使靜電除塵器電極的電壓超過臨界電壓值（也稱為起暈電壓值）從而在電場中產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，導(dǎo)致在電暈區(qū)內(nèi)引發(fā)電子雪崩，此時會產(chǎn)生大量的正離子和自由電子，它們分別向電極線和收塵極板移動。
（2）在電暈區(qū)以外，電子和具有負(fù)電性的氣體分子相撞，電子被捕獲后附著在氣體分子上形成負(fù)離子。
（3）產(chǎn)生的負(fù)離子在靜電場的作用下或者不規(guī)則熱運動的情況下與氣流中的粉塵顆粒相碰撞從而使粉塵顆粒荷電。
（4）帶有負(fù)電荷的粉塵塵粒在高壓靜電場的作用下向收塵極板方向移動。
（5）帶有負(fù)電荷的粉塵塵粒與收塵極板接觸后則失去電荷成為中性后會粘附于收塵極板的表面，后借助于靜電除塵器的振打裝置，粉塵塵粒就會脫離極板而被回收到靜電除塵器的集灰斗中。
線板式靜電除塵器的工作示意圖如圖 2.2 所示：
2.3 靜電除塵器相關(guān)的理論模型
靜電除塵器在現(xiàn)代高速發(fā)展的工業(yè)中，作為一種運行費用較低，高效節(jié)能和適應(yīng)性較強(qiáng)的空氣凈化裝置得到了廣泛的應(yīng)用，不但在技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步，也在結(jié)構(gòu)和收集理論方面取得了很大的進(jìn)展，隨著研究人員對高壓靜電收塵原理和粉塵微粒在高壓靜電場中運動規(guī)律的深入研究，特別是現(xiàn)代計算機(jī)硬件和計算軟件方面出現(xiàn)的較大的進(jìn)步和在現(xiàn)實中的應(yīng)用，產(chǎn)生了許多的數(shù)學(xué)物理模型：從簡單的數(shù)學(xué)分析式到復(fù)雜的數(shù)值計算和模擬。對于線板式靜電除塵器而言，研究人員早在 60 年代就提出了各種理論模型來解釋靜電除塵器在運
行中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和問題。例如從均一層流理論到紊流擴(kuò)散理論再到后來的Cooperman 提出的紊流擴(kuò)散模型，以及到最后的靜電傳輸與紊流摻混理論模型。此時的高壓靜電除塵理論已經(jīng)是得到了深入的研究和發(fā)展。研究人員已經(jīng)對靜電除塵機(jī)理的本質(zhì)問題有了較為深入的認(rèn)識，特別是后來的紊流摻混數(shù)學(xué)模型，它能夠很好的解釋一些靜電除塵器中的非多依奇現(xiàn)象以及靜電除塵器中一些微小塵粒難以捕捉的原因，這是對靜電除塵理論發(fā)展和研究的一大貢獻(xiàn)
.
2.3.1 層流理論
如上圖 2.4 所示，含濃度均勻、半徑相等的荷電粒子的氣流通過距離為 2d 的兩平行板， 此時流場的速度為 并且均勻，則荷電粒子在電場中的運動為直線運動，它們在 x 和 y 方向
上的速度分量分別是 和 w，在高壓電極附近的粒子到被接地電極收集，它的運行距離為b，此時在 t = b /w時刻粒子運行到收塵板極，而相應(yīng)的極板的長度為：
但是在實際的工業(yè)應(yīng)用中，靜電除塵器內(nèi)部根本不存在理想狀態(tài)的層流，所有的氣流均為紊流狀態(tài)，由于上式的計算得出的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際的結(jié)果，所以它們不能直接用來計
算靜電除塵器的收塵效率，而只能用來作為除塵理論研究的基礎(chǔ)。
2.3.2 紊流理論
由于在實際的工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)過除塵器的粉塵氣流均為紊流，粉塵顆粒的運動是由紊流狀態(tài)的氣流和驅(qū)進(jìn)速度共同作用的結(jié)果。此時的層流理論就不再符合條件，1919 年安德森 (Anderson)根據(jù)管式電除塵器的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)了在紊流狀態(tài)下粉塵粒子的濃度在氣流流動的方向上衰減是呈指數(shù)形式的，從而得出了粉塵粒子的收集效率公式為
上述式中 A ：極板的面積，w ：粉塵顆粒的驅(qū)進(jìn)速度，Q ：兩收塵極板間流量的一半 由于多依奇最先提出了類似的公式，所以公式 2.4 也被稱為多依奇-安德森公式。
但是此公式的推導(dǎo)是建立在如下幾個假設(shè)條件上的：
（1）流場中的粉塵顆粒是球形的，且剛一進(jìn)入收塵器就被認(rèn)為是完全荷電，而且要忽略塵粒之間的相互影響。
（2）在收塵極的任一截面上，紊流和擴(kuò)散使粉塵粒子濃度是均勻的。
（3）除了管壁附近的邊界層外，進(jìn)入靜電場的氣流速度是均勻，而且不能夠影響粉塵顆粒的驅(qū)進(jìn)速度。
（4）在收塵極板表面附近，所有的粉塵微粒的驅(qū)進(jìn)速度都恒定，而且要小于平均氣流的速度。
（5）不能受如沖刷、粒子的反流損失、反電暈、二次揚塵等因素的干擾。
對于大部分實際應(yīng)用的靜電除塵器來說，上述的這些假設(shè)條件，是不能可全部滿足的，至少是大部分都不可能滿足的。因為這種數(shù)學(xué)模型簡單的一維的，所以不能夠準(zhǔn)確的描述粉塵顆粒在靜電場中的沉降機(jī)理，利用這種方法，同于在主流方向上的擴(kuò)散速度為零，所以公式 2.4 所得出的除塵效率和實際的結(jié)果相比是普遍較高的。
如下圖 2.5 所示，設(shè)沿x方向上氣流的速度為v，粉塵粒子的濃度為C ，在氣流的流動方向上單位長度收塵集板的面積為a，橫截面積為 f ，荷電粒子的驅(qū)進(jìn)速度為ω ，在單位時間dt 和單位距離dx內(nèi)捕捉到的粉塵粒子的數(shù)量為adx ? ωCdt，在微元體積內(nèi)粉塵粒子的數(shù)量變化為 ? fdxdC，由于是在理想狀態(tài)下，二者相等，即：：adx ? ωCdt= ? fdxdC 又有dx = vdt，則有： ，這個方程可以描述粉塵粒子在氣流方向上濃度的變化規(guī)律，如果靜電除塵器進(jìn)口的濃度為 ，出口的濃度為 ，靜電除塵器的長度為 l ，則上述微分方程的解為：
上圖靜電除塵器的示意圖中，出口處粉塵濃度 ,所以靜電除塵器的除塵效率公式可表示為 ,中 A 代表收塵極板的面積，Q 代表氣體的流量，上述公式就是著稱的多依奇(Deutsch)除塵效率公式，它表示靜電除塵器的除塵效率是隨著極板的面積和粉塵粒子的驅(qū)進(jìn)速度的增大而增大，隨處理氣體流量的增加而降低。
但是，通過把大量的實測數(shù)據(jù)與此公式的理論計算所得出的結(jié)果進(jìn)行比較，就不難發(fā)現(xiàn)用此公式得出的計算結(jié)果比實際的結(jié)果普遍要高。這也就說明了此公式并沒有概括實際 中大量存在的非多依奇現(xiàn)象。
2.3.3 Cooperman 理論模型
Copperman 理論是由著名學(xué)者 Cooperman 在八十年代提出來的，內(nèi)容就是：靜電除塵器電場中的粉塵粒子輸運的過程是在外加力場作用下的紊流傳輸?shù)倪^程。他認(rèn)為：在靜電除塵器的收塵電場中，粉塵粒子存在著三維的濃度分布；在不計重力場的影響下，粉塵粒子受到來自垂直方向上的均勻氣流和水平方向上的靜電場力以及紊流脈動所產(chǎn)生的波動力的影響；這種影響將會使粒子由收塵極板附近濃度較高的區(qū)域向離收塵極板比較遠(yuǎn)的濃度較低的區(qū)域移動；粒子擴(kuò)散示意圖如圖 2.6；
這種力使靜電力產(chǎn)生的驅(qū)進(jìn)速度減少為 w( 1 ? f)，Copperman 就是基于以上這種物理現(xiàn)提出了以下收塵效率公式:
為沿氣流方向的粉塵粒子的擴(kuò)散系數(shù) f 為粉塵粒子從收塵極板離開的速度與反向的驅(qū)進(jìn)速度的比值；
從式 2.5 可以看出，Cooperman 所推導(dǎo)出的公式計算出的粉塵粒子實際的驅(qū)進(jìn)速度只是靜電力所產(chǎn)生驅(qū)進(jìn)速度的(1 ? f)部分，所以，它比多依奇公式更接近現(xiàn)實中的應(yīng)用的實際值。由于 Copperman 公式引入了兩個未知的參數(shù) 和 f ，而這兩個未知參數(shù)的取值是根據(jù)經(jīng)驗得來，所以，Copperman 公式只是一個半經(jīng)驗的理論公式.
2.3.4 靜電傳輸與紊流擴(kuò)散模型
由于 Copperman 推導(dǎo)出的理論公式存在著一些不足，在 1977 年，F(xiàn)eldman 等人利用微元法，結(jié)合紊流傳輸理論建立了二維的粉塵粒子輸送數(shù)學(xué)模型。并給出了相應(yīng)邊界條件的數(shù)值解，在 1979 年，O.E.Stock 和 E.J.Eschbach 兩人也得出了類似的數(shù)學(xué)模型，但是他們由于邊界條件設(shè)置不正確，導(dǎo)致了其計算結(jié)果也明顯偏高于多依奇公式。不過到了 1980年，Leonard 利用邊界條件： 得到了更為完整的紊流擴(kuò)散模型：
他們對荷電粒子輸送模型的理論分析方法是正確的，不過由于他們都是假設(shè)收塵電場中氣流的速度是均勻的，而且邊界條件假設(shè)的不是太合理，所以他們所推導(dǎo)出的理論公式所計算出的結(jié)果都比多依奇公式所計算出的結(jié)果要高。這樣也就與實際應(yīng)用的結(jié)果相差較大了。
2.3.5 靜電傳輸與紊流摻混模型
因為 Copperman 理論模型和靜電傳輸與紊流擴(kuò)散模型存在一定的缺陷，在 80 年代末期出現(xiàn)了靜電傳輸與紊流摻混的收塵理論模型，這種理論認(rèn)為：在靜電除塵器的收塵電場中，由于在水平方向上主要是受到粉塵粒子的擴(kuò)散影響，紊流摻混的作用不一定會使粒子的驅(qū)進(jìn)速度減少；在垂直方向上，由于氣流的分布是不均勻的，所以造成了紊流擴(kuò)散的影響。因此，該理論不但克服了前面幾種理論模型的氣流均勻的假設(shè)，使計算結(jié)果更加接近實際應(yīng)用，而且還解釋了非多依奇現(xiàn)象。和其它的理論模型相比，靜電傳輸與紊流摻混理論模型更接近于實際應(yīng)用。
在此理論模型的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了兩種有代表性的模型：
用分離變量法進(jìn)行求解，可是得到通道中任一斷面粒子的濃度表達(dá)式：
得到的收塵效率公式為：
雖然該理論模型推導(dǎo)出了靜電除塵器的橫向和縱向的紊流摻混系數(shù)和收塵效率公式中的參數(shù) F 以及粉塵粒子的有效驅(qū)進(jìn)速度，也解釋了靜電除塵器中的一些非多依奇現(xiàn)象，但是該理論模型的邊界條件假設(shè)還是存在不合理的地方，導(dǎo)致計算出的粉塵濃度值跟實際值還是有一定的偏差。
模型二：
采用分離變量法進(jìn)行求解，可是得到如下解的形式：
得到的收塵效率公式為：
該模型建立了非穩(wěn)定狀態(tài)收塵效率模型，分析了紊流產(chǎn)生的機(jī)理和作用規(guī)律，并且導(dǎo)出了驅(qū)進(jìn)速度的修正式。同時也很好地解釋了 Cooperman、Leonard 和多依奇公式計算結(jié)果高于實際值的原因。但是，該模型因為少了垂直方向的紊流摻混項，所采用的邊界條件和第一種模型是一樣子的，所以也該模型也存在著不合理之處。
隨著靜電除塵器在工業(yè)中大量的應(yīng)用以及研究人員不斷地改進(jìn)研究手段和方法，電除 塵中的粉塵粒子的運動規(guī)律也正不斷地被揭曉出來。本論文仔細(xì)地分析前人的理論和研究成果，就是力圖建立一種更加合理的靜電除塵器數(shù)學(xué)模型，并通過計算機(jī)編程的方式進(jìn)行對其除塵過程進(jìn)行仿真并對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確的求解，希望能更好地解釋靜電除塵器中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。
【靜電除塵器的除塵理論】相關(guān)文章：
布袋除塵器原理及廠房除塵淺談04-25
陶瓷水膜除塵器04-27
布袋式除塵器的應(yīng)用05-02
離線回轉(zhuǎn)脈沖除塵器04-26
礦用旋流除塵器用子午加速除塵風(fēng)機(jī)的研制04-30
扁袋除塵器在木工車間通風(fēng)除塵中的應(yīng)用04-29
旋風(fēng)除塵器壓力損失的試驗研究04-27