静电除尘器的除尘机理

如图1所示，静电除尘器的负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极(又称电晕极或阴极)。正极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极(又称集尘极或阳极、除尘极等)。电除尘器的放电极和收尘极接于高压直流电源，维持一个足以使气体电离的静电场。电除尘器工作原理涉及电晕放电、气体电离、粒子荷电、荷电粒子的迁移和捕集、清灰等过程，粒子荷电、荷电粒子的迁移和捕集、清灰是其中的三个基本过程。 

 (1)电晕放电和气体电离

气体中通常只含有极其微量的自由电子和离子，可视为绝缘体。而当气体进入到非均匀场强的电场中时，则会发生改变。

非均匀电场距离放电极表面越近，电场强度越大。当非均匀电场的电位差增大到一定值时，气体中的自由电子有了足够的能量，与气体中性分子发生碰撞并使之离子化，结果又产生了大量电子和正离子，失去能量的电子与其他中性气体分子结合成负离子，这就是气体电离。因该过程在极短的时间内即可产生大量的自由电子和正负离子，通常也称其为雪崩过程，此时可以看见淡蓝色的光点或光环，也能听见轻微的气体爆裂声，这一现象称为电晕放电现象，开始发生电晕放电时的电压称为起晕电压。电晕放电现象首先发生在放电极，所以放电极也称为电晕极。出现电晕后，在电场内形成两个不同的区域，围绕放电极约2～3mm的小区域称为电晕区，而电场内其他广大区域称为电晕外区。

发生电晕放电现象后，如果非均匀电场的电位差继续增加，电晕区将随之扩大，最终将致使电极间产生火花放电及电弧放电，即电场中气体全部被击穿，造成短路，电极间电压降急剧下降。电除尘器运行时，应经常保持电场内气体处于不完全被击穿的电晕放电状态，尽量避免发生短路现象。

放电极为正极或负极时产生电晕放电的特性有所不同。图2是正、负电晕极在空气中的电流-电压曲线，可以看出，负电晕的起晕电压较低而击穿电压较高，运行电压范围大，在相同电压下，负电晕电流大，因此在工业除尘中负电晕应用较广泛。对于空气调节系统常采用正电晕，因为其产生O3和NOx较少。

气体电离时，产生的大量自由电子和正负离子向异极移动，因此在电晕外区空间内充满了自由电子和负离子。

(2)粒子荷电

粒子荷电是电除尘过程的第一步，粒子的荷电量越大越容易被捕集。粒子荷电是通过自由电子、离子与粉尘粒子碰撞，并附着于粉尘粒子之上而完成的。粒子获得的电荷大小随粒子大小而异，一般而言，直径1μm的粒子大约获得30000个电子的电量。

在除尘器电晕电场中存在两种截然不同的粉尘荷电机理。一种是气体离子在静电力作用下做定向运动，与粉尘碰撞而使粉尘荷电，称为电场荷电或碰撞荷电；另一种是由气体离子做不规则热运动时与粉尘离子碰撞而导致的粉尘荷电过程，称之为扩散荷电。

影响电场荷电的重要因素，对于粒子特性是粒径和介电常数；对于电晕电场则为电场强度和离子密度；一般电场荷电所需要的时间小于0.1s，这个时间相当于气流在除尘器内流动10～20cm所需的时间，所以对于一般的电除尘器，可以认为粉尘进入除尘器后立刻达到了饱和。但是，与电场荷电过程相反，扩散荷电并不存在最大极限值，因为根据分子运动理论，并不存在气体离子动能的上限，在这些条件下的荷电量取决于离子热运动的动能、离子大小和荷电时间。

此外，对于粒径处于中间范围(0.15～0.5μm)的粒子，有必要同时考虑电场荷电的和扩散荷电的作用。描述这两种荷电过程同时作用的微分方程不能用解析方法求解，必须借助于近似解法或数值解法。根据Robinson的研究，简单地将电场荷电的饱和电荷和扩散荷电的电荷相加，能近似地表示两种过程综合作用时的荷电量，且与实验值基本一致。

(3)带电粉尘在电场内的迁移和捕集

在电除尘器内粉尘捕集的理论取决于气体流动的模型，最简单的情况是含尘气体在除尘器内作层流运动，在这种情况下粉尘向集尘极移动的速度可以根据经典力学和电学定律求得。荷电粒子(电晕区外)在电场力和空气阻力的共同作用下，向集尘极板运动，其所达到的终末电力沉降速度称为粒子驱进速度。

荷电粉尘的捕集是使其通过延续的电晕电场或光滑的不放电电极之间的纯静电场而实现。前者称单区电除尘器，后者因粉尘荷电和捕集在不同区域完成而被称为双区电除尘器。

(4)清灰

电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积，粉尘层厚度为几mm，甚至几十mm。粉尘沉积在电晕极上会影响电晕放电，集尘极上粉尘过多会影响荷电离子的驱进速度，对于高比电阻的粉尘还会引起反电晕。集尘极表面上的粉尘沉积到一定厚度后，用机械振打等方法将其清除掉，使之落入下部灰斗中。电晕极也会附着少量粉尘，隔一定时间也需进行清灰。当粒子为液态时，比如硫酸雾或焦油，被捕集粒子会发生凝聚并滴入下部容器内。

2.电除尘器的性能特点

(1)除尘性能优异

电除尘器几乎可以捕集一切细微粉尘及雾状液滴，除尘效率高(最高可达99%以上)，能分离粒径lμm左右的细小粒子。但从经济方面考虑，一般控制除尘效率为95％～99％。另外，设备磨损小，只要设计合理、制造安装正确、维护保养及时，电除尘器一般都能长期高效运行，可以做到10年一大修。

(2)压力损失小，能源消耗低

电除尘器是利用库仑力捕集粉尘，风机仅负担烟气的运载，因而气流阻力小，约200～500Pa。另外，虽然除尘器本身的运行电压很高，但电流却非常小，因此除尘器所消耗的电功率很小。

(3)适用范围广

电除尘器可以在低温低压至高温高压的较宽范围内使用，尤其能耐高达500℃的温度。处理烟气量大，可达1×105～1×106 m3/h。当烟气中的各项指标在一定范围内变化时，除尘器的除尘性能基本保持不变。

(4)维护保养简单

如果电除尘器种类规格选用得当，设备的安装质量良好，运行过程严格执行操作规程，日常的维护保养工作几乎很少。最新研制的控制装置能在计算机控制下智能化地自动选择最佳运行方式，实现了电除尘器的自动化控制和远距离操作运行。

与其他除尘设备相比，电除尘器也存在如下主要缺点：设备结构复杂、钢材消耗多、占地面积大、每个电场需要配置一套高压电源及控制装置，因此一次性投资费用高。除尘器受粉尘比电阻等物理性质的限制，不宜直接净化高浓度含尘气体。但是用于处理大流量的烟气(60000m3/h以上)或长时间使用电除尘设备时，运行费用比其他除尘器要低，就能够发挥其经济性。