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湿电除尘的集尘原理

日期:2020-09-19 15:41 人气:

湿电除尘技术是利用高压静电吸附的原理,高效去除空气中的微粒污染物,如灰尘、煤烟、花粉、香烟味和厨房油烟等;同时还可有效吸附空气中的气态污染物及滤除空气中的致病微生物,对TVOC没有去除效果。该技术不需更换耗材,且流阻很小,被广泛应用于室内空气净化器上。目前使用该技术的品牌有霍尼威尔、贝昂、富士通、净美仕等为经典,国内品牌远大在其高端产品上也使用到此技术。该技术也有一定的缺点,容易产生臭氧,因此在湿电集尘器后面都加装有用于去除臭氧的催化装置。

1 除尘原理

湿电除尘是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上,通过高压直流电,维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后所生成的电子,阴离子和阳离子,吸附在通过电场的粉尘上,而使粉尘获得荷电。荷电粉尘在电场力的作用下,便向电极性相反的电极运动而沉积在电极上,从而达到粉尘和气体分离的目的。尽管电除尘的类型和结构很多,但都是按照同样的基本原理设计出来的,用电除尘的方法分离气体中的悬浮尘粒,主要包括以下四个复杂而又相互有关的物理过程:

(1)气体的电离。

(2)悬浮尘粒的荷电。

(3)荷电尘粒向电极运动。

(4)荷电尘粒沉积在电极上。

(1)气体的电离

空气在正常状态下几乎是不能导电的绝缘体,但是当气体分子获得能量时就可能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子,这些电子成为输送电流的媒介、气体就具有导电的能力了。

使气体具有导电能力的过程就称之为气体的电离。任何物质都是由原子构成的。而原子又是由带负电荷的电子,带正电荷的质子以及中性的中子三类亚原子粒子组成的。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,剩下来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。

气体分子捕获电子的概率,用电子附着成功所需要的碰撞次数(平均值)β 表示。实验表明卤族元素与分子结构中有氧原子的气体大多数都有良好的电子附着性。负电性气体得到电子后就成为在工业湿电除尘中起主要作用的荷电粒子——负离子,负电性气体是粉尘荷电的中间媒介。

(2)气体的电离和导电过程

在电场中,由于自由电子获得能量而传递的电流是微不足道的。所以,它不能使粉尘荷电而沉积在收尘极上。当电压差再继续增大时,气体中通过的电流可以超过饱和值,从而发生辉光放电,电晕放电和火花放电现象,气体导电过程用下图来表示。

气体导电过程的曲线

在图中AB段,气体导电仅借助于大气中所存在的少量自由电子。在BC 段,电流已不再增加,而电压自B’增加至C’,使部分电子获得足够的动能,足以使与之碰撞的气体中性分子发生电离,结果在气体中开始产生新的电子和离子,并开始由气体离子传递电流,所以C’点电压是气体开始电离的电压,通常称为始发临界电压,或临界电离电压。

CD段,电子与气体中性分子碰撞,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 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,也称为无声自发性放电。

DE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的新离子和电子,这就是所谓气体电离中“电子雪崩”现象。为满足电除尘的需要,电场中1cm3的空间就要存在有上亿个的离子。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,也将这一段的放电称为电晕放电,亦称为电晕电离过程。我们将开始发生电晕时电压(即D’点的电压),称为临界电晕电压。

电极间的电压升到E’点,由于电晕区扩大致使电极间可能产生火花,甚至产生电孤。此时,电极间的气体介质全部产生电击穿现象。E’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具有临界电离,二次电离、电晕电离、火花放电,它随着电压的变化,其特性也随着变化,湿电除尘就是利用两极间的电晕电离这段面工作的,而火花放电是应限制的。电晕电离主要是电子雪崩的结果。

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,在运动路经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除尘极,由于碰撞电离、电子数将雪崩似的增加,这种现象称为电子雪崩。

(3)灰尘荷电

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,不能满足电除尘净化大量含尘气体的要求。因为在电除尘中使尘粒分离的力主要是库伦力,而库伦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,则库伦力会加倍。若其它因素相同,这意味着湿电除尘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,是由其它标准所决定的。工业气体净化的湿电除尘,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

在湿电除尘的电场中,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。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,通常这种荷电过程为扩散荷电。哪种荷电机理是主要的,这要取决尘粒的粒经。对于尘粒大于0.5微米的尘粒,电场荷电是主要的。对于粒径小于0.2微米的尘粒,扩散荷电是主要的。而粒径在0.2~0.5微米之间的尘粒,二者均起作用。

电场荷电:将一球形尘粒置于电场中,这一尘粒与其它尘粒的距离,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大于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。

扩散荷电:尘粒的扩散荷电是由于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。

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集尘极之间的区域内含有大量负离子和少量的自由电子。尘粒主要在此区域荷电。哪种荷电机理是主要的,这要取决尘粒的粒经。

(4)尘粒向电极运动

粉尘荷电后,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: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。在湿电除尘中作用在悬浮尘粒上的力只剩下电力,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收尘器中停留的时间相比是很小的,也就意味着荷电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,并向集尘极作等速运动,尘粒驱进速度与集尘区的电场强度和粒径成正比,而与气体的粘滞系数成反比。

(5)荷电尘粉的捕集

在湿电除尘中,荷电极性不同的尘粉在电场力的作用下,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,所以数量也小。而电晕外区的尘粒,绝大部分带有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,使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是表达出来是不可能的,因此尘粒在湿电除尘的捕集过程中,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,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,尘粒才有可能被捕集。这时通过电除尘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,很有可能直接通过湿电除尘而未进入边界层。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。

在计算和选择湿电除尘时,我们经常使用多依奇(Deutsch)公式作为估算除尘效率的公式,推导此式作了如下假设:

a 气流的紊流和扩散使粉尘得以完全混合,因而在任何断面上的粉尘浓度都是均匀的。

b 通过除尘器的气流速度除除尘器壁边界层外都是均匀的,同时不影响尘粒的驱进速度。

c 粉尘一进入除尘器内就认为已经完全荷电。

d 除尘极表面附近尘粒的驱进速度,对于所有粉尘都为一常数,与气流速度相比是很小的。

e 不考虑冲刷二次扬尘,反电晕和粉尘凝聚等因素影响。

经推导的除尘效率公式是: 

从式中可以看出,当收尘效率一定时,除尘器的大小和尘粒驱进速度ω成反比,和处理烟气量Q成正比。由于多依奇在推导公式中作了与实际运行条件出入较大的假设,因此公式不能完全作为实际设计使用的公式,但它是分析、评价和比较湿电除尘的理论基础。