大气污染控制工程设计之电除尘器设计.pdf

青岛农业大学学生课程设计设计名称：大气污染控制工程设计_学生专业班级：_环境工程_学生姓名（学号）：指导教师：_ _年 月日目录1前言.错误！未 定 义 书 签。1.1 选题背景.错误！未定义书 签 o1.2 国内外研究现状.错误！未定义书签。1.3 课题主要研究内容.21.4 本设计的指导思想.31.5 选择卧式电除尘器.31.6 本文研究内容及创新点.42电除尘器设计数学模型.92.1引言.92.2电除尘器仿真设计模型.142.2.1相关烟气性质的确定.142.2.2烟气的预处理设计.错误！未定义书签。2.2.3计算所需集尘板面积.142.2.4初定电场断面.142.2.5电场高度.152.2.6电除尘器的通道数.162.2.7电场有效宽度.162.2.8实际电场断面.162.2.9每个电场的长度.162.2.10验证实际除尘面积.162.2.11进气箱进气口面积.172.2.12进气箱长度.172.2.13进气箱灰斗.182.2.14灰斗高.182.2.15单区供电面积.182.2.16供电分区数.182.2.17气流分布板层数.182.2.18气体分布板开孔率.192.2.19初定除尘率.192.2.20斗排灰量.192.2.21预除尘器相关设计.202.3 电除尘器参数.212.3.1.整体.212.3.2 进/出气口.212.3.3进气烟箱.212.3.4 电场.212.3.5进气烟箱灰斗.212.3.6电场灰斗.212.3.7电场数.212.3.8电场通道数.212.3.9每电场每通道电晕线数目.222.3.10驱进速度.222.3.11供电分区数.222.3.12气流分布板开孔率.222.4附图结论与展望.22参考文献.23致谢.25电除尘器仿真设计摘要：本设计是按照给定含尘量以及除尘效率设计出一个尺寸合理、性能稳定、经济 的电除尘器。本文从电除尘器主要结构的选型、尺寸计算等着手设计出了一个相对较合 理的卧式电除尘器。关键词：电除尘器；电晕线；集尘板；集灰斗1.前言1.1 选题背景课题的来源本课题来源于某锅炉中产生的煤烟气，已知其烟气量为48m3/s,除尘需达到的效率 为93%,含尘量为38g/m3。课题的目的本课题主要为了进一步理解电除尘器的除尘原理以及主要部分，利用所学的知识设 计出一个较合理、实用的电除尘器，从而达到所需要的除尘效率，是烟气得到净化。1.2 本课题在国内外发展概况我国的除尘设备自80年代以来得到很大发展，全国生产各类除尘设备的制造厂约 900多家，发展较快的是电除尘器和袋式除尘器。以电除尘器为例，70年代我们只有1-2 个厂生产电除尘器，而目前电除尘器的生产厂已达136个，其中年产值超千万元的20 多家。全行业产值近10亿元。到1992年为止已制造电除尘器2800余台，特别在电力 工业中1979年全国仅18台电除尘器，占火电厂锅炉容量的4.8%,而到1989年10年间 发展到165台，占29.96%,目前在200MW及以上的大型发电机组已经全部采用高效 电除尘器。国外发展状况：据美国R.W.Meilvaine报道，1992年全世界的电除尘器及袋式除 尘器的市场如表1-1所示。表1-1 1992年除尘器的市场（百万美元）美国欧洲/非洲亚洲总计电除尘器60060012002400袋式除尘器8007007002200合计1400130019004600这两类除尘器的销售总和为46亿美元。两者的市场相差不大。但是电除尘器在亚 洲的市场远远大于美国和欧洲，而袋式除尘器则在美国占首位。美国1993年粉尘控制设备的市场为1.53x109美元，略高于气体处理设备1.456x109 美元，其中的一个原因是电厂的烟气脱硫设备减少。在空气污染控制设备中，电站占第 一位，其次是化工，造纸占第3位，石油精炼占第4位，再其次是冶金、水泥、矿山等。1.3 课题主要研究内容课题的意义在设计的过程中对电除尘器有一个宏观的了解，从而将知识应用到实践中以及通过 设计出一个理想的电除尘器，使工业排出的烟气含量达标，从而净化大气，减少烟气对 环境的危害。应解决的主要问题掌握电除尘器的基本原理和主要结构的原理、选型以及有关参数的选择，从而使所 设计的电除尘器达到所需要的除尘效率，使烟气达标排放。技术要求所设计的电除尘器首先性能要稳定，满足除尘效率的要求；第二，耗电少，经济；第三，机械性能高，噪声小；第四，外型应美观等要求。1.4 本设计的指导思想（1）依据招标书的要求及国家相关标准进行设计。（2）按照“高效、安全、可靠、方便、经济”的目标即除尘效率高、使用安全、运行可 靠、操作方便、运行维护经济的原则进行优化设计。1.5 选择卧式电除尘器1.5.1论证电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）的装置，如下图2-1。与其他除尘器的根本区别在于：除尘过程的分离力（主要是静电力）直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上，因此电除尘器具有分离粒子能耗低、气流阻力小的特点。由 于作用在粒子上的静电力相对较大，所以电除尘器也能有效地捕集亚微米级粒子。电除 尘器还具有处理气流量大，能连续操作，可在高温或腐蚀性条件下工作等优点。图2-1静电分离机理电除尘器除尘效率一般可大于99%,对微小尘粒也有足够的捕集效率。处理量大，能连续操作，可用于高温、高压，广泛应用于冶金、化工、能源、材料、纺织等工业部 门。但静电除尘器设备庞大，占地面积大，一次性投资费用高，应用范围受粉尘比电阻 限制，难以适应操作条件的变化，此外对制造、安装质量要求高。1.5.2静电除尘器的主要结构特点静电除尘器主要由放电电极和集尘电极组成。放电电极（电晕极）是一根曲率半径很小的纤细裸露电线，上端与直流电源的一极 相连，下端由吊锤固定位置，集尘电极是具有一定面积的管和板，它与电源的另一极相 连。若在两极施加高压，则在放电电极附近的电场强度很大，而在集尘电极附近的电场 强度相对很小，因此两极之间的电场是不均匀强电场。1.6 本文研究内容及创新点1.6.1 本设计采用的为卧式电除尘器电除尘器的主要工作原理。电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒荷电，并在电场力 的作用下使尘粒沉积在集尘板上，将尘粒从含尘气体中分离出来的一种除尘设备。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）施加高电压产生强场强使气体电离，即产生电晕放电；（2）悬浮尘粒的荷电；（3）荷电尘粒在电场中的运动及被捕集；（4）振打清灰。施加电压的作用：施加电压就可以建立强电场，它的作用是：（a）在高压放电极附近的场强很强，造成 气体的电离，产生大量离子，形成电晕放电的必要条件；（b）电场促使离子与尘粒碰撞，使尘粒荷电；驱动荷电尘粒向收尘极移动。气体的电离空气在通常扎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 本领了。使气体具有导电本领的过程称为气体的电离。由于气体电离所形成的电子和正 离子在电场作用下，朝相反的方向运动，于是形成电流，此时气体就导电了，从而失去 了绝缘性能。电晕放电在外加不均匀的强电场中，靠近曲率较大电极的强电场区域内（成为电晕区），自 由电子获得了足够的能量，它和气体分子碰撞而产生正离子和新的电子，而新的电子立 刻又参与到碰撞电离中去，使得电离过程加强，生成更多的正离子和电子。这样，由于 在电子的行程上新生成电子不断参加碰撞电离，结果气体中的电子像雪崩似的增长，形 成电子崩。这样，在电晕极附近的狭小区域就产生了放电条件，形成电晕，这就是电晕 形成的机理。电除尘器中能够形成电晕放电的基本条件是，在正负电极间的电位差，应保证形成 使气体电离发生电晕放电的非均匀电场。在放电极表面电场强度最大，距放电极愈远电 场强度愈小。电晕放电原理如图2-2所示。电子和阴离子是电场中粒子荷电的来源。实验证实电 场中离子的迁移速度与电场强度成正比，可用下式表示：4=砧式中Uo-离子的迁移速度，m/s；E电场强度，V/m；Ki-离子迁移率，m2/(V/m)o收尘极板汽由电子电晕线XSi图2-2电晕线放电原理尘粒荷电尘粒荷电荷电量的大小与尘粒粒径、电场强度及停留时间等因素有关，通常认为尘 粒荷电有两个主要机理：电场荷电和扩散荷电。电场荷电是在电场中气体离子沿电力线 运动时与粉尘粒子碰撞使其荷电。对半径大于0.5/m的尘粒，电场荷电起主导作用。扩 散荷电是扩散荷电是由离子的热运动引起的。对半径小于0.2/m的尘粒，则为扩散荷电 起主导作用。而半径在0.2-0.5Vm之间的尘粒，两者均起作用。电场荷电电场荷电是离子在外电场作用下沿电力线有秩序的运动与尘粒想碰撞使其荷电。沿 电力线运动的离子与尘粒碰撞时把电荷传给尘粒，尘粒荷电后就会对后来的离子产生斥 力，因此，尘粒的荷电速率逐渐下降，最后荷电尘粒本身产生的电场与外加电场正好平 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。一般电场荷电所需要的时间小于O.lso这个时间相当于气流在除尘器内流动 10-20cm所需要的时间，所以对于一般的电除尘器，可以认为粒子进入除尘器后立刻达 到了饱和电荷。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，离子热运动引起它们通过气体 扩散，并与存在与气体中的粒子碰撞，使粒子荷电。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电力线而是任意的。所以，尘粒扩散荷电的理论 分析要遵守气体分子的运动理论。尘粒的运动和捕集尘粒所受的力及运动规律处于集尘板和电晕极之间的荷电尘粒，受到四种力的作用：重力、静电力、惯性力、介质的阻力。粒子的驱进速度为co=qEp/(37rp,dp)在一般电除尘器中，荷电电场强度E和集尘区电场强度Ep是近似相等的。荷电尘粒的捕集在电除尘器中，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、气流速度、温度和湿度以及集尘板的表面状态等。提高电除尘器捕集效率有许多途径，其典型例子为“德意希公式”,其做出的假定为：除尘器中气流为湍流状态：在垂直与集尘表面的任一横断面上粒子浓度和气流分布是均 匀的。粒子进入除尘器后立即完成了荷电过程：忽略电风、气流分布不均匀、被捕集粒 子重新进入气流等影响。次公式概括了分级除尘效率和集尘板面积气流流量和颗粒驱进速度之间的关系，指明了提高电除尘器捕集效率的途径，因而 在除尘器性能分析和设计中被广泛采用。振打清灰粉尘荷电后，在电场作用下，各自按其所带电荷的极性不同，向极性相反的电极运 动，并沉积于其上。从集尘板清除已沉积的粉尘的主要目的是防止粉尘重新进入气流。粉尘重新进入气流可能产生于气流把粉尘从集尘板表面直接吹起，振打电极使粉尘重新 弥散与气流，或者把捕集的粉尘从灰斗卷起。在干式电除尘器中一般使用电极振打的方式清灰。振打系统必须高度可靠。既能产 生高强度的振打力，又能调节振打强度和频率。两种主要的常用振打器是电磁型和挠臂 锤型。粉尘荷电后，在电场作用下，各自按其所带电荷的极性不同，向极性相反的电极 运动，并沉积于其上。2.电除尘器设计数学模型2.1 引言电除尘器的仿真设计模型电除尘器主要部件本设计的为卧式电除尘器，其主要部件为集尘板、电晕线、进气烟箱与出气烟箱、灰斗、气流均布板等。下面-对其作介绍。集尘板小型管式电除尘器的集尘极为直径为15cm、长3m左右的管，大型的直径可增大到 40cm,长6m。每个除尘器所含积尘管数目少则几个，多则可达100个以上，板式电除尘器的集尘板垂直安装，电晕极至于相邻的两板之间。集尘板长一般为 10-20m,高10-15电板间距0.2-0.4叫 处理气量lOOOirf/s以上。效率高达99.5%的大型 除尘器含有上百对极板。对极板的基本要求如下：（1）具有良好的电性能；（2）具有良好的电晕放电性能，没有锐边，也没有阿玛尼芒刺，不产生尖端放电；（3）具有良好的振打传递性能，振打加速度分布均匀；（4）具有良好的防止二次飞扬的性能；（5）制造方便，钢耗少，重量轻。集尘板结构型式很多，常见的几种型式如图。极板两侧通常设有沟槽和挡板，既能加强 板的刚性，又能防止气流直接冲刷板的表面，从而降低二次扬尘。图1-3集尘极板的结构形式图本次设计中采用的为C型板，其具有如下特点：(1)防止气流直接吹到极板表面；(2)导电性能好，有足够的强度；(3)板面的振打分布均匀，粉尘二次飞扬少；(4)通常采用普通的碳素钢，通常为L2-L5mm；(5)重量轻，耗钢少。常规电除尘器的集尘极板的间距通常采用300mm。国内、外研究结果表明，加大 极板间间距，增大了绝缘距离，可以抑止电场火花放电；同时可以提高电除法器的工作 电压，增大粉尘的驱进速度；另外还可使电极板面积也会相应减小。由于这种除尘器的 工作电压比常规的高，故称为宽间距超高压电除尘器。宽间距电除尘器的极板间距一般 为400600mtn。根据目前的试验研究，采用400mm为好，其工作电压为120-80kVo这 种除尘器目前已在电站、水泥等行业应用。卧式电除尘器的集尘极目前多采用板式电极，且多采用Z型或C型断面的长条形板，名义宽度为400mm或500mm。在本设计中采用的是C型断面的长条形板。电晕线电晕集型式很多，目前常用的有直径3mm左右的圆形线、星形线及锯齿线、芒刺 线等，其形状见图。电晕线固定方式有两种。一种为重锤式，重锤重量为5-10kg。另一 种为管框绷线式。RIW形：（b）席形：用第图1-4电晕线形式对电晕线的一般要求是：起晕电压低、电晕电流大、机械强度高、能维持准确的极距以及易清灰。本次设计采用的电晕线为芒刺线电晕线，其优点为：起晕电压低、强度好、不易变 型，对烟气的适应性强，成本低、安装方便。因此，其性能很好。集尘极与电晕极的配置目前电厂多采用集尘极高度大于电晕极，而电晕极的宽度略大于集尘极这种形式，这种配置形式的电晕极多制成框架式，电晕极的振打可以设置在框架中部，有较好的清 灰效果，其缺点是：除尘器的长度较大。本设计中就是采用此配置，其具体的配置见附图。集尘极及电晕线的振打集尘极板表面上的粉尘清除，以及电晕线上的粉尘清除，靠对其进行周期性振打，并使其产生一定的振打加速度实现。振打周期、频率和强度与含尘气体、粉尘性质、电 除尘器的结构形式等很多因素很多。集尘极一般采用间歇振打，振打频率为每分钟4-8 次，振打周期随气体含尘浓度而定。集尘板的振打结构有捶打机构、电磁振打等结构形式。电磁振打装置由于结构复杂，目前工业上很少使用。而绕臂锤击结构简单，运转可靠的优点，被国内外的电除尘器广 泛使用。本设计中气流分布板、集成板以及电晕线的振打装置都采用的绕臂锤击振打装置，其中气流分布板与集尘板采用下部振打，电晕线采用中部振打。但在使用过程中锤头与 连杆的联接柱销因长时间磨损而引起掉锤故障，因而许多设计者将锤头和连杆制成以整 体锤。本设计采用的即是此种装置。进气烟箱和出气烟箱电除尘器的进出气烟箱常做成喇叭形，当进口烟气含尘浓度较高时，进气箱下部需 设置灰斗，以避免由于分布板分离出的大量粉尘在进气箱底板堆积或大量流入第一电场 前的振打装置。本设计中采用水平进气方式。由于含尘浓度较高，本设计采用双进风口装置且在进 气烟箱下部设置灰斗。出气烟箱断面面积与进气烟箱相同。在出气烟箱设一槽形板以减 小气流的回旋涡流作用。气流分布板电除尘器内气流分布对除尘器效率具有较大影响，为了减少涡流，保证气流分布均 匀，在进出口处应设变径通道，进口变径管内应设气流分布板。最常见的气流分布板有 百叶窗式、多孔板分布格子、槽型钢式和栏杆型分布板等，而以多孔板使用最为广泛。通常采用厚度为3-3.5mm的钢板。孔径为30-50mm,分布板层数为2-3层。开孔率需要 通过试验确定。空隙率一般在30%-40%之间。本设计采用的为厚度为3mm,孔径为50mm,采用的为常用的多孔板，共两层。灰斗壳体下部灰斗有四棱台状和棱柱状两种，根据排灰方式的不同，可采用不同的形式,灰斗的出灰口需装设密封性良好的排灰阀。本设计中采用的是四棱台状的，根据烟尘量以及电场的大小设置了 6个灰斗。壳体壳体多采用箱形的钢结构，仅仅在处理高压烟气时才做成圆柱形。壳体的顶盖有户 内式和户外式两种，规格在lOn?以上的电除尘器一般均设计成户外式。本设计采用的是箱形顶盖为户外式的壳体。高压供电设备高压供电设备提供离子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流。为满足现场需要，供电设备操作必须十分稳定，希望工作寿命在20年以上。通常高压供电设备的输出峰 值电压为70-100kv,电流为100-2000mA。为使电除尘器能在高凡下操作，避免过大的火花损失、高压电源不能太大，必须分 组供电。大型电除尘器常常采用6个或更多的供电机组。但是增加供电机组数和增加电 场分组数，必然增加投资。因此电场分组数的确定必须考虑保证效率和减少投资两方面 因素。由于此次设计的电除尘器规格不是很大，故采用了 2个供电机组，另外，采用的供 电系统为高压硅整流器供电系统。根据设计要求电除尘器设计成双室两电场,选取电场风速L2m/s,板间距取400mmo2.2仿真数学模型的设计2.2.1 相关烟气性质的确定驱进速度3的确定查阅相关资料，并规定此设计所涉及的烟气驱进速度为（o=0.13m/so烟尘量为qvMSn/s。2.2.2 烟气的预处理设计由于本设计烟气的烟尘浓度大于30g/m3,达到38 g/m3o为了保证后续电除尘器的正 常运转，必须对烟气进行预处理（或称前期处理或一级处理）。在烟气进入电除尘器之 前，先设置一道惯性除尘装置，使烟气预处理后进入电除尘器。设计惯性除尘器除尘效 率：不小于25%2.2.3 计算所需集尘板面积A=分 In（1一T）xk/co式中3-驱进速度，nVsA-总除尘面积，后k储备系数，1.01.3取1.2qv-烟气量，m3/sn-除尘效率，%A=-qLn(l-n)k31178.3-1180m22.2.4初定电场断面F，=办/V式中F-初定电场断面，yyiV-电场风速，m/s此处假设电场风速v=1.2 m/sF,=48/1.2=40/2.2.5电场高度h当 Fv=80 病 h=VF当 F/O h=7F72式中h-电场高度，m 要对于极板高度h进行调整H=V40=6.32m 6.4m2.2.6 电除尘器的通道数N=F7(2s)h式中2s-一一相邻两极板中心距，0.4m。将N调整为整数，当选用双进风口时，N值应取偶数。N=40/0.4/6.4-15.63此处约整为16o2.2.7 电场有效宽度B有效=2sNB 有效=0.4x16=6.4m2.2.8 实际电场断面F=hxB有效F=6.4x6.4=40.9 6m2 大于初定电场断面，此值可取。2.2.9 每个电场的长度L=A/2hNn式中n-电场数量，取2L=1180/(2x6.4x 16x2 尸 2.88m2.2.10 验证实际除尘面积4实际及实际效率实际A 实际=2xhxLxnxN一心W实际=1e或A实际=2x6.4x2x2.88x16=1180m2等于初设面积，采用。n=1_e-1180/48*0.13=9 6%经验算，当实际除尘效率为93%或96%时，对电除尘器整体外形影响不大，故接受 上述数学计算。2.2.11 进气箱进气口面积Fq进气箱的进气方式采用水平进气，进气箱的尺寸按下式计算：Fo=Q/Vo m2式中F0-进气口面积，Vo-进气口处的流速，m/s,在电场的电除尘器设计中，进气风速可取8m/s 左右。Fo=48/8=6 n?2212进气箱长度Lz=(0.55 0.56)(aict2)+250式中cq,a2-是Fk及Fo处最大边长，mFk进气箱大端的面积，m2Lz=2.5m 2213进气箱灰斗由于进气烟尘浓度较高，在进气箱末端须设置贮灰斗。设计安息角为70。2214灰斗高hi=1.732(B/mBi)/2式中m-沿除尘器方向的斗数，取2Bi-灰斗下灰口尺寸，mm取400mm%7=1.732(6.4/20.4)/2=243 m2.2.15单区供电面积4=/实际Ni=2La HZ/M=2LHZ7Mm式中Ni供电分区数 取2电场数取2M-电除尘器室数取2A=1180/2=590 m22.2.16 供电分区数NiArAJNv NT 2217气流分布板层数n当6,化学工业.年2月13赵继俊，马化海，余双成，温荣胜.大型电除尘器主体的优化设计，煤矿机械，201012张良，白明华.电除尘器喇叭口气流分布方阵分析.安全与环境学报.2008年10月11孙国良，邢克江，葛学禹.静电除尘器选型设计计算探讨.北方环境.2003年10谢福会，周本军，李继深.立筒式静电除尘器的设计应用。2001年9 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