荷電水霧除塵器的機(jī)理研究
摘要:荷電水霧除塵技術(shù)是一種新型的除塵技術(shù)。本文介紹了荷電水霧除塵器的工作原理，著重分析了其對(duì)靜電除塵器及濕式除塵器缺點(diǎn)的克服，以及荷電水霧除塵器的性能特點(diǎn)與存在的不足之處。
1 引言
粉塵的粒徑越小，越不容易沉降，且會(huì)長(zhǎng)期漂浮在空氣中，危害人體健康。一般情況下，粒徑＞100μm的塵粒很快會(huì)在大氣中沉降；粒徑＞10μm的塵粒會(huì)滯留在呼吸道中；粒徑為5～10μm的塵粒大部分會(huì)沉積在呼吸道中，被分泌的粘液吸附，可以隨痰排出；粒徑＜5μm的微粒能深入肺部，引起各種塵肺病。
粒徑較大的粒塵可以采用沉降法去除，但粒徑較小的粒塵則不易被去除。由于以往用的機(jī)械除塵器、濕式除塵器、電除塵器存在種種的弊端，因此荷電水霧除塵器應(yīng)運(yùn)而生。
2 荷電水霧除塵器的工作原理
荷電水霧除塵器是在克服靜電除塵及噴水除塵弊端的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。和普通除塵器一樣，其工作原理涉及懸浮粒子荷電、帶電粒子在電場(chǎng)里遷移和捕集，以及將捕集物從集塵器表面上清除三個(gè)基本過(guò)程。其工作過(guò)程是：先用霧化器將水霧化，使其充滿(mǎn)除塵器本體（如圖1a所示），然后通過(guò)電暈放電使水霧荷電，塵氣進(jìn)入荷電水霧區(qū)后，處于水霧粒子的包圍之中（如圖1b所示），塵粒只要接觸水霧粒子的球形電場(chǎng)即被吸附并沉降至輸送皮帶表面上使物料表面濕潤(rùn)（如圖1c所示）。荷電水霧除塵器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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2.1 電暈放電
2.1.1 電暈放電機(jī)理
電暈電極為負(fù)極，從金屬絲表面或附近放出的電子迅速地向接地極或正極運(yùn)動(dòng)，與氣體粒子發(fā)生撞擊并使之離子化，而后又產(chǎn)生大量電子。水霧為電負(fù)性氣體，其俘獲自由電子而產(chǎn)生負(fù)離子。
2.1.2 起始電暈電壓
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其中：Vc—起始電暈電壓；r—距電暈線(xiàn)中心的距離；a—電暈線(xiàn)半徑；b—電暈線(xiàn)與集塵電極的距離；Ec—電場(chǎng)強(qiáng)度；m—導(dǎo)電光滑修正系數(shù)，無(wú)因次，一般0.5<m<1.0。對(duì)于清潔的光滑圓線(xiàn)，m＝1；實(shí)際可取0.6～0.7；δ—空氣的相對(duì)密度，定義為 ，其中T0=298K,p0=1.0atm,T和p分別為操作溫度和壓力。
2.2 粒子荷電
離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，與塵粒碰撞而使粒子荷電。粒子獲得的飽和電荷為：
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其中：q-粒子能夠獲得的飽和電荷；ε-離子相對(duì)介電常數(shù)；ε0-真空介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/m； E0-電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m。
粉塵粒子進(jìn)入荷電區(qū)的時(shí)間為：
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其中
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t-粉塵粒子進(jìn)入荷電區(qū)的時(shí)間，s；τ—荷電過(guò)程時(shí)間常數(shù)，s；N—荷電區(qū)離子溶度；e—電子電量； Ki—離子遷移率，m2/v·s。
2.3 主要技術(shù)參數(shù)
（1）高壓供電系統(tǒng)參數(shù)
最大輸入電壓:220v±10%（50Hz）；最大輸入電流:4A；最大輸出電壓（平均值）:120kV；最大輸出電流:6mA；輸出電壓調(diào)整范圍:0～120kV；最大電流調(diào)整范圍:0～6mA。
（2）供水系統(tǒng)
供水壓力:0.4～1.2MPa；耗水量:0～2.4L/h。
（3）效能參數(shù)
處理量:5000m3；允許處理濃度:40g/m3；除塵效率:99.5%～99.8%。
（4）結(jié)構(gòu)特性
荷電水霧除塵器長(zhǎng)度:7.5m；荷電水霧除塵器寬度:同導(dǎo)料槽等寬；荷電水霧除塵器高度:1.8～2m（不包括導(dǎo)料槽高）；電場(chǎng)間極距:250～300mm。
2.4 超高壓寬極距
荷電水霧除塵器全部的電荷、收塵場(chǎng)均采用超高壓寬極距設(shè)計(jì)（這種技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)已被廣泛使用）。隨著電極間距的加寬，施加電壓升高，粒子驅(qū)進(jìn)速度迅速增長(zhǎng)，電暈外區(qū)空間增大，加強(qiáng)了對(duì)微細(xì)粉塵的凝聚作用，增強(qiáng)了捕集能力，并使電場(chǎng)與電流分布更均勻、收塵面積得到更有效的利用，對(duì)克服電暈電極大量積塵也有一定的好處。在輸煤系統(tǒng)產(chǎn)生的粉塵粒直徑
＜5μm并占粉塵總量80％以上的情況下，采用該技術(shù)尤為有利。
2.5 電暈電極及水霧清塵方式
電暈電極的結(jié)構(gòu)、設(shè)置對(duì)除塵器保持穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。該除塵器處理的現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜，常有大煤塊、雜鐵、草繩等雜物通過(guò)，對(duì)電暈電極構(gòu)成極大威脅。因此宜采用活動(dòng)懸吊式方案，電暈電極遭到碰撞時(shí)可自行前后、左右自由擺動(dòng)，同時(shí)還可調(diào)整高度。采用不銹鋼材料做電暈極主干，可增加強(qiáng)度，電暈極不會(huì)產(chǎn)生刺尖結(jié)瘤。
3 荷電水霧除塵器對(duì)靜電除塵器及濕式除塵器弊端的克服
3.1 對(duì)煤塵爆炸隱患的克服
在封閉空間里，可燃性懸浮物在爆炸極限內(nèi)的燃燒會(huì)導(dǎo)致化學(xué)爆炸。在粉塵被捕集的過(guò)程中，雖有少量粉塵未接觸水霧，但由于設(shè)備本體內(nèi)充滿(mǎn)水霧粒子，濕度較大，因而可避免煤塵爆炸。粉塵被荷電水霧吸附，且粉塵粒子在進(jìn)入除塵器的過(guò)程中，由于摩擦等因素，使微量異性電荷相吸，進(jìn)一步克服了環(huán)流現(xiàn)象和水滴表面張力大難以濕潤(rùn)粉塵的不利因素。
3.2 對(duì)高壓電暈閉塞的克服
電除塵器內(nèi)同時(shí)存在兩種空間電荷，一種是氣體離子的電荷，一種是帶電塵粒的電荷。由于氣體離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于帶電塵粒的運(yùn)動(dòng)速度，所以通過(guò)除塵器的含塵氣流的電暈電流要比清潔氣體的小。如果氣體含塵濃度很高，會(huì)使電除塵器的電暈電流急劇下降（嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)趨近于零，發(fā)生電暈閉塞）。而在水霧荷電除塵器中，由于荷電水霧會(huì)吸附粉塵粒子，因此不易發(fā)生電暈閉塞。
3.3 對(duì)反電暈的克服
當(dāng)粉塵的比電阻低于1010Ω·cm時(shí)，比電阻對(duì)除塵器的操作和性能幾乎沒(méi)有不良影響；當(dāng)比電阻介于1010～1011Ω·cm之間時(shí)，火花率增加，操作電壓降低；當(dāng)比電阻高于1011Ω·cm時(shí)，集塵極粉塵層內(nèi)出現(xiàn)電火花，即產(chǎn)生明顯的反電暈。反電暈的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致電暈電流密度大大降低，進(jìn)而嚴(yán)重干擾粒子的荷電和捕集。荷電水霧除塵器采用荷電水霧吸附粉塵粒子，可使其比電阻大大降低，從而有效地遏制反電暈的發(fā)生。
3.4 對(duì)高壓電絕緣易遭破壞的克服
荷電水霧除塵器的高壓電源為小型化全封閉式，高壓輸出電纜插接引出，無(wú)高壓接點(diǎn)暴露，可在高潮濕度、高塵埃的惡劣環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，從而解決了高壓電絕緣易遭破壞的問(wèn)題。
4 荷電水霧除塵器的主要性能及特點(diǎn)
（1）導(dǎo)料槽采用最新Ω型體與荷電箱體配套合成，從而增大了粉塵飛揚(yáng)空間，降低了粉塵的密度和流動(dòng)速度，使塵粒易被電荷捕集。
（2）自動(dòng)化程度高，無(wú)需專(zhuān)人操作。除塵器可隨皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載煤流的有無(wú)自動(dòng)啟動(dòng)、停止、電流自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，使除塵器工作保持最佳狀態(tài)。
（3）直接收塵。新收集到的粉塵直接回落到物料上，解決了一般除塵器粉塵凈化后仍需二次處理的難題，提高了經(jīng)濟(jì)效益，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（4）采用了荷電水霧除塵，具有超高壓、寬極距、準(zhǔn)脈沖等綜合性能技術(shù)措施，兼?zhèn)渌㈦姵龎m的優(yōu)越性。
（5）采用了火花放電、弧光放電及過(guò)流等保護(hù)措施，除塵器可安全可靠地工作。
（6）除塵器可針對(duì)不同煤質(zhì)或季節(jié)采用不同的工作狀態(tài)，既可以使荷電水霧全部投入，也可以做單獨(dú)靜電除塵使用，同時(shí)還設(shè)置了獨(dú)特的水霧清塵方式。煤層打濕在30～40mm之間，通過(guò)幾個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后煤變潮濕，到煤倉(cāng)間時(shí)不再會(huì)有起塵的可能
（7）除塵效率高。
5 存在的問(wèn)題
（1）設(shè)備造價(jià)高；
（2）對(duì)制造、安裝、運(yùn)行技術(shù)要求高；
（3）由于使用了水霧，所以需注意設(shè)備及管道的防腐問(wèn)題；
（4）不適合處理憎水性和水硬性氣體；
（5）冬天設(shè)備可能會(huì)凍冰。
6 結(jié)論
荷電水霧除塵技術(shù)是一種新型的除塵技術(shù)，它既是電除塵技術(shù)和濕式除塵技術(shù)的結(jié)合又是其發(fā)展。荷電水霧除塵器克服了電除塵器及濕式除塵器的缺點(diǎn)，即消除了靜電除塵器煤塵爆炸隱患、處理了高濃度粉塵可能出現(xiàn)的高壓電暈閉塞，以及反電暈及高壓電絕緣易遭破壞等問(wèn)題；主要解決了濕式除塵器由于隨機(jī)性及環(huán)流、水滴表面張力較大等因素造成的除塵效率低的問(wèn)題；同時(shí)又兼具了水、電除塵技術(shù)的優(yōu)越性，使除塵器更靈巧、更自動(dòng)化、更安全、更經(jīng)濟(jì)、效率更高。但荷電水霧除塵器尚存在構(gòu)造復(fù)雜、部件易腐蝕等缺點(diǎn)。
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