静电除尘器本体结构设计

1 前言

1.1静电除尘器发展历史及现状

随着工业的迅速发展，工业设备向大气中排放的烟气量逐年增加，大气污染越来越引起人们的重视。为防治大气污染，创造清新的生活环境，各种形式的除尘器应运而生。静电除尘器是利用高压直流不均匀电场使烟气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，在电场力作用下使荷电粉尘向极板移动，进而达到除尘的效果。电除尘在工业中的应用却晚得多，1885年Lodge在炼铅厂建造了第一台电除尘器，然而由于对铅烟尘了解不足以及整流供电设备的局限，该设备未能成功地运行。直到1907年Cottrell才成功地将电除尘技术用于工业气体净化。随着工业的发展，特别是整流供电设备的发展，电除尘技术也得到相应的发展，在工业中的应用也日益广泛。目前电除尘器已经成为高效除尘的主要设备之一，在处理高温大烟气量的场合，更显示出突出的优越性，因而在建材、冶金、水泥、电站锅炉以及化工、轻工等行业中得到了广泛应用。

静电除尘器是一种高效除尘器。静电除尘器在我国的应用始于20世纪30年代，随着工业水平的提高和电除尘技术的发展，国内一些环保企业引进了具有国际先进水平的电收尘器技术和袋收尘器技术。现在研究的新型静电除尘器可以分成三类：

（1）电除尘器结构形式的改变。新型结构的电除尘器：

①超高压宽间距电除尘器 这种除尘器与传统的结构相类似，不同的是将板间距加宽，达400～1000mm，电压提高到80～200kV以上。在超高压宽间距电除尘器中，荷电尘粒除了受库仑力外，更多的是受高电压下产生的电风的作用。超高压宽间距电除尘器在电晕极附近产生的电风速度比传统的电除尘器高，而在收尘极附近的电风速度比传统的低。前者可以提高尘粒的有效驱进速度，减轻反电晕造成的影响，后者可以减少二次扬尘，使除尘效率得到提高。

②横向极板电除尘器 通常的电除尘器，气流流向与收尘极板的设置是平行的，而横向极板电除尘器采用与气流方向垂直的极板布置方式，试验表明比常规电除尘器的除尘效率高。还有一种横向极板除尘器，在除尘器内连续设多孔板。各板间隔地施加高压和接地，板与板间造成静电场。由于这种静电除尘器采用了涡流增强静电沉降和静电截留机理，故能有效捕集普通电除尘器未能捕集的粉尘。

③原式电除尘器 这是日本提出的一种新型结构电除尘器。收尘极为一系列圆管排列组成，放电极为鱼骨形，同时在放电极轴线上设辅助电极，由3～5根圆管组成。鱼骨的刺不是垂直于收尘极，而是在放电极平面内。对辅助电极施加与电晕极极性相同的电压，可以产生高电场强度和低电流密度，这样既有利于防止反电晕，又可捕集由于反电晕而产生的荷正电的粉尘，从而提高对高比电阻粉尘的收集效率。 ④双区电除尘器 一般（单区）电除尘器，粉尘的荷电与沉积是在同一电场中进行，而双区电除尘器，则是在两个区段中进行，即粉尘的荷电区荷电后，在沉积区内被捕集。双区电除尘器具有以下特点：①电晕极采用正电晕；②荷电区电压是沉积区的2倍；③在供电电压低于火花放电电压时，没有电晕电流。

⑤三极预荷电器 这种预荷电器是在简单的线-板式电极基础上，增设多孔屏极，屏极与极板平行。电晕极放电时产生的电流一部分流至屏极，一部分流至极板，电流大小依各电极的相对电位而定。对三极预荷电器的试验研究表明，即使粉尘比电阻在1012～1013Ω·cm范围内，尘粒仍能达到良好的荷电。一般是与下游的以高电场强度和低电流密度运行的电除尘器结合使用。

（2）与其它除尘机理联合，即将电的作用加到其他除尘器中，以提高其效率或降低阻力。电袋一体化除尘器是将电除尘与布袋结合使用，即在布袋前加多级电场使粉尘荷电，大颗粒粉尘被电场吸附，未吸附的粉尘进入布袋除尘器。高比电阻粉尘及未被电场吸附的粉尘经高压电场改变粉尘特性后，更有利于布袋的过滤及清灰。还有用静电强化的颗粒层除尘器，静电强化的湿式除尘器，静电强化的旋风除尘器。

（3）改变供电方式：脉冲供电和微机控制供电。

目前我国建设的火力发电厂中，高效除尘装置的选择以静电除尘器和布袋除尘器为主。静电除尘器在国内的应用较早，20世纪70年代就已经应用于火力发电厂，如吉林热电厂、保定发电厂。经过多年的开发应用，静电除尘器技术成熟，除尘效率较高，目前已被广泛应用于电力、冶金、化工、建材等行业。国内已建600MW火电机组全部选用了高效静电除尘器。

如今，静电除尘器本体结构的研究得到了国内外重视。但是我国许多厂家为满足用户的需要，盲目参考引进设备，以多依奇方程为理论基础参照相同或相近工况条件下己投入运行的静电除尘器的相关参数为经验依据,确定驱进速度,比收尘面积等参数,而难以考虑多种因素的综合影响,不免带有一定的经验性和盲目性。没有合理的计算依据，不进行科学的设计计算，往往只从安全的角度出发，造成材料极大浪费。

1.2静电除尘器本体结构设计内容及要求

设计要求：

某热电厂50吨循环硫化床锅炉所配静电除尘器：

(1)、处理含尘气体性质：

①处理烟气量：1.12×105m3/h

②炉气温度：150

③粉尘入口浓度：30～36g/m3

④炉气粘度：2.05×10-5pa.s

⑤粉尘成份

表3.1 粉尘成份及百分数

粉尘成份 S02 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 其它

百分含量(%) 41.68 26.63 4.18 3.85 1.03 0.25

25.38

⑥粉尘粒度分布

表3.2 粉尘粒度分布及百分数

粒径(um) <5 >5-10 >10-20 >20-40 >40

百分含量(%) 25 17 23 17 18

⑦粉尘比电阻：6.4×1010～9.6×1011Ω·cm,媒质含硫量：0.4%～1.45%

⑧要求除尘效率：99.5%

3.3设计是相关数据

进口压力 －1.52×103pa 当地气象条件

出口压力 －1.67×103pa 年最高气温：40 最低气温：－15

漏风率 <5% 大气压：9.95×104pa

设计内容：

静电除尘器的运行受多种因素影响,静电除尘器的设计是一项复杂的系统工程,烟气条件、粉尘的物理性质、电气条件、除尘器结构参数、非理想因素等对除尘效率都会产生影响。静电除尘器的常规设计都是以多依奇方程为理论基础参照相同或相近工况条件下己投入运行的静电除尘器的相关参数为经验依据,确定驱进速度,比收尘面积等参数,而难以考虑多种因素的综合影响,不免带有一定的经验性和盲目性。

该设计根据电除尘器本体结构的特点,利用现代化的设计方法，采用板、梁混合单元的办法对本体结构进行进行结构优化设计，以重量为目标，以强度、刚度、稳定性等为约束，获得合理的结构参数，如刚材型号的选择、梁、柱截面尺寸参数的确定，以减少钢耗量，节约能源。

2 静电除尘器原理

2.1气体电离和电晕放电

静电除尘器的原理是利用高压直流不均匀电场使烟气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，在电场力的作用下向两极移动，在移动过程中碰到气流中的粉尘颗粒使其荷电，荷电粉尘在电场力作用下与气流分离向极性相反的极板或极线运动，荷电粉尘到达极板或极线时由静电力吸附在极板或极线上，通过振打装置使粉尘落入灰斗从而使含尘空气净化。

由于辐射摩擦等原因，空气中含有少量的自由离子，只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，要利用静电现象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二者合一的方法，如图1所示的高压电场，放电极接高压直流电源的负极，集尘极接地作为正极，集尘极一般采用平板，也可以采用圆管。

图2.1 静电除尘器的工作原理

在电场力作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电压越高、电场强度越高，离子的运动速度越快。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，电流较小。电压升高到一定数值后，放电极附近的离子获得了较高的速度和能量，它们撞击空气中的中性原子后，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，这时极间的电流（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，放电电极又被称为电晕极。

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，最后极间气体全部电离，这种现象称为电场击穿。电场击穿时，发生火花放电，电路短路，静电除尘器停止工作。为了保证静电除尘器的正常运行，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。如果电场内各点的电场强度是相等的，这个电场称为均匀电场。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，极间空气便会全部被电离，静电除尘器发生击穿。因此静电除尘器内必须设置非均匀电场。

静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2.2 电晕电流—电压曲线

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静电除尘器中，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静电除尘器，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。 2.2 粉尘荷电

静电除尘器的电晕范围（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，最后沉积在静电除尘器阳极板上，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，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。

图2.3 尘粒移动示意图

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。

2.3 粉尘沉积及清灰

气体电离后，产生大量自由电子和正负离子向异向极运动。以负电晕为例，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。含尘气体通过电除尘器时，由于电晕区的范围很小，只有少量的尘粒在电晕区通过而获得正电荷，沉积于电晕极上。大多数尘粒在电晕外区通过而获得负电荷，在电场力的驱动下向阳极板运动，到达极板失去电荷后，最后沉积在阳极板上，这也就是阳极板称为集