电除尘器的工作原理

知识点：电收尘器

一、电除尘器的工作原理

电除尘器是利用高压直流电源产生的强电场使烟气中含电负性气体(如O?、SO?、Cl?、NH?、H?O等)电离，产生电晕放电，进而使悬浮在气体中的粉尘荷电，并在电场力作用下使荷电粉尘到达与其极性相反的电极上，定时打击阴极板、阳极板，使具有一定厚度的烟尘在自重和振动的双重作用下跌落在电除尘器结构下方的灰斗中，从而达到清除烟气中的烟尘、实现悬浮粉尘从气体中分离出来的目的。根据使用场合和目的的不同，电除尘器有许多种类，但它们都是由机械部分的本体和电气部分的高低压电源组成，都是按照相同的基本原理工作的。

二、电除尘器的分类

1.按电极清灰方式不同分类

按电极清灰方式的不同，电除尘器可分为干式电除尘器、湿式电除尘器、雾状粒子电捕集器和半湿式电除尘器等。

(1)干式电除尘器。

在干燥状态下捕集烟气中的粉尘，借助机械振打清除沉积在除尘板上的粉尘的除尘器称为干式电除尘器。这种电除尘器振打时，容易使粉尘产生二次飞扬，所以设计干式电除尘器时，应充分考虑粉尘二次飞扬问题。现大多数电除尘器都采用干式。

(2)湿式电除尘器。

收尘极捕集的粉尘，采用水喷淋或适当的方法在除尘极表面形成一层水膜，使沉积在除尘器上的粉尘和水一起流到除尘器的下部而排出，采用这种清灰方法的电除尘器称为湿式电除尘器。这种电除尘器不存在粉尘二次飞扬的问题，但是极板清灰排出水会造成二次污染。

(3)雾状粒子电捕集器。

这种电除尘器捕集像硫酸雾、焦油雾那样的液滴，然后使其呈液态流下并除去，它也属于湿式电除尘器的范畴。

(4)半湿式电除尘器。

吸取干式和湿式电除尘器的优点，在此基础上研究出了干、湿混合式电除尘器，也称半湿式电除尘器。它使高温烟气先经干式除尘室，再经湿式除尘室后经烟囱排出。湿式除尘室的洗涤水可以循环使用，排出的泥浆经浓缩池用泥浆泵送入干燥机烘干，烘干后的粉尘进入干式除尘室的灰斗排出。

2. 按气体在电除尘器内的运动方向分类

按气体在电除尘器内的运动方向，电除尘器可分为立式电除尘器和卧式电除尘器两类。

(1)立式电除尘器。

气体在电除尘器内自下而上做垂直运动的即为立式电除尘器。这种电除尘器适用于气体流量小、收尘效率要求不高且粉尘性质易于捕集和安装场地较狭窄的情况，如图所示。

(2)卧式电除尘器。

气体在电除尘器内沿水平方向运动的即为卧式电除尘，如图所示。

卧式电除尘器较之立式电除尘器有以下特点：

1)沿气流方向可分为若干个电场，这样可根据电除尘器内的工作状态，各个电场可分别施加不同的电压以便充分提高电除尘器的除尘效率；

2)根据所要求达到的除尘效率，可任意增加电场长度，而立式电除尘器的电场不宜太高，否则需要建造高的建筑物，而且设备安装也比较困难；

3)在处理较大的烟气量时，卧式电除尘器比较容易保证气流沿电场断面均匀分布；

4)设备安装高度较立式电除尘器低，设备的操作维修比较简单；

5)卧式电除尘器适用于负压操作，可延长排风机的使用寿命；

6)各个电场可以分别捕集不同粒度的粉尘；

7)占地面积比立式电除尘器大，所以旧厂扩建或收尘系统改造时，采用卧式电除尘器往往要受到场地的限制。

基于以上特点，目前许多大型火电厂都采用卧式电除尘器。

3.按除尘器的形式分类

按除尘器的形式，电除尘器可分为管式电除尘器和板式电除尘器两类。

(1)管式电除尘器。

这种电除尘器的除尘极由一根或一组呈圆形、六角形或方形的管子组成，管子直径一般为200~300mm，长度3~5m；截面是圆形或星形的电晕线安装在管子中心，含尘气体自上而下从管内通过，如图所示。

(2)板式电除尘器。

这种电除尘器的收尘板由若干块平板组成，为了减少粉尘的二次飞扬和增强极板的刚度，极板一般要轧制成各种不同的断面形状，电晕极安装在每排收尘极板构成的通道中间，如图所示。

4.按除尘板和电晕极的不同配置分类

按除尘板和电晕极的不同配置，电除尘器可分为单区电除尘器和双

(1)单区电除尘器。

这种电除尘器的收尘板和电晕极都安装在同一区域内，所以粉尘的荷电和捕集在同一区域内完成，单区电除尘器是被广泛采用的电除尘器装置，如图所示。

(2)双区电除尘器。

这种电除尘器的除尘系统和电晕系统分别装在两个不同的区域内，前区内安装电晕极和阳极板，粉尘在此区域内进行荷电，此区称为电离区；后区内安装收尘极和阴极板，粉尘在此区域内被捕集，此区称为收尘区。由于电离区和收尘区分开，因此称其为双区电除尘器，如图所示。

5. 按振打方式分类

按振打方式，电除尘器可分为侧部振打电除尘器和顶部振打电除尘器两类。

(1)侧部振打电除尘器。

这种电除尘器的振打装置设置于除尘器的阴极或阳极的侧部，称为侧部振打电除尘器。现用得较多的为挠臂锤振打，其在振打轴的360°上均匀布置各锤头，避免了因同时振打而引起的粉尘二次飞扬，如图所示。其振打力的传递与粉尘下落方向成一定夹角。

(2)顶部振打电除尘器。

这种电除尘器的振打装置设置于除尘器的阴极或阳极的顶部，称为顶部振打电除尘器。早期引进的美式电除尘器多为顶部锤式振打，由于其振打力不便调整，且普遍用于立式电除尘器，因此得不到广泛的应用。现应用较多的是顶部电磁振打，振打装置安装在除尘器顶部，振动的传递效果好，且运行安全可靠、检修维护方便。

综上所述，电除尘器的类型有很多，但是大多数火电厂都是利用干式、板式、单区卧式、侧部振动或顶部振打电除尘器。

三、电除尘基础理论

1. 气体电离和电晕放电

任何物质都是由原子构成的，在原子核的外面一定空间有电子，电子的数目等于原子核中质子的数目。电子围绕原子核沿一定的轨迹运行，不同的原子其形状和层数都是不同的。如果原子没有受到干扰，没有电子从原子核的周围空间移出，则整个原子呈电中性，也就是原子核的正电荷与电子的负电荷相加为零。如果移去一个或多个电子，剩余带正电荷的结构就称为正离子，获得一个或多个额外电子的原子称为负离子，失去或得到电子的过程称为电离。

当原子中的电子从外界获得能量时，可从低能级被激发到高能级，这种原子称为受激原子。当能量达到一定数值时，原子被电离成自由电子和正离子。当气体中大量原子被电离时，这时气体就成为电离气体。由于气体电离所形成的电子和正离子在电场的作用下朝相反方向运动，于是形成了电流，此时气体就导电了，从而失去了绝缘性。使气体具有导电能力的过程就称为气体的电离。

通常导致气体电离的原因有原子和电子之间的碰撞、原子和原子之间的碰撞、光或X射线对原子的作用等。除了气体中可以产生电子和电离外，在固体表面上也可以产生电离，如不均匀电场中的电极也能释放出电子。由固体表面释放出电子的过程称为“电子发射”。这种由固体表面释放出电子的形式有光照射，固体表面引起电子释放的现象称为“光电发射”。当电极表面电场非常强时，也会有表面释放出电子，这种过程称为“强场发射”或“场致发射”。在正常情况下，气体中并不存在电子或离子，此时气体几乎是完全不导电的绝缘体。对固体表面而言，只有在强场强作用下才会产生释放电子或离子的现象。电除尘器中释放电子的过程就是“强场发射”或“场致发射”引起的。实际上电除尘器中是通过在放电极和收尘极之间施加高压直流电压，使其建立一个足以使流经电场的气体产生电离的电场，气体电离后就产生电子和正、负离子等带电粒子。这些带电粒子便吸附在粉尘颗粒表面上，使粉尘颗粒荷电。其中吸附负电荷的粉尘颗粒在电场力作用下向收尘极板运动，而吸附正电荷的粉尘颗粒在电场力作用下向放电极线运动，并沉积在收尘极板和放电极线上，从而完成了气灰分离过程，如图19-9所示。

2. 气体电离和导电过程

当对电除尘器的电极施加足够高的电压时，气体将发生电离和导电现象，当施加的电压高到足以使电流在瞬间增大、使气体从绝缘状态发展到导电状态时，电子数目将雪崩似地增加，这种现象称为“电子崩”或“雪崩电离”，到一定程度后气体就产生了击穿，这时也被称作气体击穿或气体放电。

气体导电过程曲线如图所示。

在AB阶段，气体中仅有少量的自由电子导电，在较低的外加电压作用下，自由电子做定向运动，形成很小的电流；随着外施电压的不断升高，向两极运动的离子增加，速度加快，而复合成中性分子的离子减少，电流逐渐增大。在BC阶段，由于电场内自由电子的总数未变，虽然电压有所升高，电流不会升高，但气体中游离电子获得动量，开始冲击气体的中性分子。电压继续升高超过C’点时，由于自由电子在电场中加速后超过了临界速度，气体中出现高速电子击打气体分子所产生的碰撞电离，电流开始明显增加。

在CD阶段，电子与气体中的中性分子碰撞，形成阳离子，结合形成阴离子，由于阴离子迁移率大于阳离子迁移率的102倍，因此在CD阶段使气体发生碰撞电离的离子只是阴离子。所以将电子与中性分子碰撞而产生新离子的现象，称为二次电离或碰撞电离。它的放电现象不产生声响，因此也称为无声自发性放电。

在DE阶段，随着电压的升高，不仅迁移率大的阴离子与中性气体碰撞产生电离，迁移率较小的阳离子也因获得能量与中性分子碰撞使之电离，因此电场中连续不断地生成大量新离子和电子，电场中1cm’的空间就要存在上亿个离子。随着外施电压的不断升高，放电极周围电晕区的范围不断增大，电离如雪崩似地进行。此时阳离子也因获得能量与中性分子碰撞使之电离，因此电场中连续不断地生成新离子和电子。此时，在放电极周围可以在黑暗中观察到蓝色的光点，同时还可以听到较大的咝咝之声和噼啪的爆裂声。这些蓝色的光点或光环称为电晕，因此也将这一段的放电称为电晕放电或电晕电离过程，将开始发生电晕时的电压(即D39;点的电压)称为临界电晕电压，如图所示。

电极间的电压升到E39;点时，由于电晕区扩大致使电极间可能产生电火花，甚至产生电弧。此时，电极间的气体介质全部产生电击穿现象。E39;点的电压称为火花放电电压。火花放电的特性是使电压急剧下降，同时在极短暂的时间内通过大量的电流。

气体的电离和导电过程包括临界电离、二次电离、电晕电离、火花放电，随着电压的变化，其特性也随之变化。电除尘器就是利用两极间的电晕电离这一阶段而工作的，而火花放电是应被限制的。电晕电离主要是电子雪崩的结果，也即当一个电子从放电极(阴极)向收尘极(阳极)运动时，若电场强度足够大，则电子被加速，在运动路径上碰撞气体原子会发生碰撞电离。和气体原子第一次碰撞引起电离后，就多了一个自由电子，这两个自由电子向收尘极运动时，又与气体原子碰撞使之电离，每一原子又多产生一个自由电子，于是第二次碰撞后，就变成四个自由电子，这四个自由原子又与气体原子碰撞使之电离，产生更多的自由原子。所以一个电子从放电极到收尘极，由于碰撞电离又继续撞击下一个分子，从而产生新的离子，如此循环往复，便为粉尘荷电提供了带电粒子，如图所示。

3.烟气尘粒的荷电

尘粒荷电是电除尘过程中最基本的过程。虽然有许多与物理和化学现象有关的荷电方式可以使尘粒荷电，但是大多数方式产生的电荷量不大，不能满足电除尘器净化大量含尘气体的要求。因为在电除尘器中使尘粒分离的力主要是库仑力，而库仑力与尘粒所带的电荷量和除尘区电场强度的乘积成比例。所以，要尽量使尘粒多荷电，如果荷电量加倍，则库仑力会加倍。若其他因素相同，则意味着电除尘器的尺寸可以缩小一半。根据理论和实践证明，单极性高压电晕放电使尘粒荷电效果更好，能使尘粒荷电达到很高的程度，所以电除尘都是采用单极性荷电。就本质而言，阳性电荷与阴性电荷并无区别，都能达到同样的荷电程度。而实践中对电性的选择，是由其他标准所决定的。工业气体净化的电除尘器，选择阴性是由于它具有较高的稳定性，并且能获得较高的操作电压和较大的电流。在电除尘器的电场中，尘粒的荷电量与尘粒的粒径、电场强度和停留时间等因素有关。而尘粒的荷电机理基本有两种：一种是电场中离子的依附荷电，这种荷电机理通常称为电场荷电或碰撞荷电；另一种则是由于离子扩散现象产生的荷电过程，通常这种荷电过程称为扩散荷电。哪种荷电机理是主要的，这主要取决尘粒的粒径。对于尘粒大于0.5μm的尘粒，电场荷电是主要的；对于粒径小于0.2μm的尘粒，扩散荷电是主要的；而粒径在0.2～0.5μm之间的尘粒，二者均起作用。但是，就大多数实际应用的工业电除尘器所捕集的尘粒范围而言，电场荷电更为重要。

4. 电场荷电

 将一球形尘粒置于电场中，这一尘粒与其他尘粒的距离，比尘粒的半径要大得多，并且尘粒附近各点的离子密度和电场强度均相等。因为尘粒的相对介电常数εr>1，所以尘粒周围的电力线发生变化，与球体表面相交。

沿电力线运动的离子与尘粒碰撞将电荷传给尘粒，尘粒荷电后，就会对后来的离子产生斥力，因此尘粒的荷电率逐渐下降，最终荷电尘粒本身产生的电场与外加电场平衡时，荷电便停止。这时尘粒的荷电达到饱和状态，这种荷电过程就是电场荷电。

5. 扩散荷电

尘粒的扩散荷电是由离子无规则的热运动造成的。离子的热运动使得离子通过气体而扩散，扩散时与气体中所含的尘粒相碰撞，这样离子一般都能吸附在尘粒上，这是由于离子接近尘粒时，有吸引它的电磁力在起作用。粒子的扩散荷电取决于离子的热能、尘粒的大小和尘粒在电场中停留的时间等。在扩散荷电过程中，离子的运动并不是沿着电力线而是任意的。

烟气中含有大量氧、二氧化碳、水蒸气之类的负电性气体，当电子与负电性气体分子相碰撞后，电子被捕获并附着在分子上而形成负离子，因此在电晕区边界到收尘极之间的区域内含有大量负离子和少量的自由电子。烟气中所带的尘粒主要在此区域荷电。

6. 荷电尘粒的运动

尘粒荷电后，在电场的作用下，带有不同极性电荷的尘粒，则分别向极性相反的电极运动，并沉积在电极上，工业电除尘器多采用负电晕，在电晕区内少量带正电荷的尘粒沉积到电晕极上，而电晕外区的大量尘粒带负电荷，因而向收尘极运动。

驱进速度，即荷电悬浮尘粒在电场力作用下向收尘极板表面运动的速度。在电除尘器中作用在悬浮尘粒上的力只剩下电场力、惯性力和介质阻力。在正常情况下，尘粒到达其终速度所需时间与尘粒在除尘器中停留的时间相比是很小的，也就意味着荷电尘粒在电场力作用下向收尘极运动时，电场力和介质阻力很快就达到平衡，并向收尘极做等速运动，相当于忽略惯性力，并且认为荷电区的电场强度Eo和收尘区的场强Ep相等，都为E，因此已荷电的尘粒在电场中主要受式(1)、式(2)所示的两种力作用，即：

F?（电力场）=qE    (1)

式中：q为尘粒所带荷电量；E为尘粒所在处电场强度。

F?（介质阻力）=6πρ?  (2)

通过公式推导(推导略)，荷电尘粒的驱进速度可用式(3)

式中：α为尘粒半径；μ为黏滞系数；ω为驱进速度。

从理论推导出的公式中可以看出，荷电尘粒的驱进速度ω与粉尘粒径成正比，与电场强度的平方成正比，与介质的黏度成反比。粉尘粒径大、荷电量大，驱进速度大是不言而喻的。由于作用在尘粒上的力，除电场力外，还有电场在空间位置上发生变化时出现的所谓梯度力。梯度力具有沿电力线方向驱动尘粒的作用，而且在电场梯度显著的放电线附近特别大。当放电电压低，由电晕放电产生的收尘作用减弱时，尘粒就被吸附在放电极上，使放电线变粗，这样就使电晕电流减少而使收尘效果明显恶化，因此要防止这种现象，放电极就需施加较高的电压，并且要经常振打放电线，使粉尘脱落。由于介质的黏度是比较复杂的因素，实际驱进速度与计算相差尚较大，约小1/2，所以在设计时还常参考试验或实践经验值。

7. 荷电尘粉的捕集

在电除尘器中，荷电极性不同的尘粒在电场力的作用下，分别向不同极性的电极运动。在电晕区和靠近电晕区很近的一部分荷电尘粒与电晕极的极性相反，于是就沉积在电晕极上。但因为电晕区的范围小，所以数量也少。而电晕外区的尘粒，绝大部分带有与电晕极极性相同的电荷，所以当这些荷电尘粒接近收尘极表面时，便沉积在极板上而被捕集。尘粒的捕集与许多因素有关，如尘粒的比电阻、介电常数和密度，气体的流速、温度和湿度，电场的伏-安特性，以及收尘极的表面状态等。要从理论上对每一个因素的影响都表达出来是不可能的，因此尘粒在电除尘器的捕集过程中，需要根据试验或实践经验来确定各因素的影响。

尘粒在电场中的运动轨迹主要取决于气流状态和电场的综合影响，气流的状态和性质是确定尘粒被捕集的基础。气流的状态原则上可以是层流或紊流。层流的模式只能在实验室实现，而工业上用的电除尘器，都是以不同程度的紊流进行的。层流条件下的尘粒运行轨迹可视为气流速度与驱进速度的矢量和，紊流条件下电场中尘粒运动的途径几乎完全受紊流的支配，只有当尘粒偶然进入库仑力能够起作用的层流边界区内时，尘粒才有可能被捕集。这时通过电除尘器的尘粒既不可能选择它的运动途径，也不可能选择它进入边界区的地点，很有可能直接通过电除尘器而未进入边界层。在这种情况下，显然尘粒不能被收尘极捕集。因此，尘粒能否被捕集应该说是一个概率问题。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范