静电除尘器极板粉尘层附着力理论研究

王烨

（辽宁省易派环保职业培训学校，沈阳 110033）

1 引言

静电除尘是利用静电力除去烟气中的粉尘，基本原理则是高压放电，使气体电离，粉尘荷电后向收尘极板移动，而后从气流中分离出来达到净化烟气的目的。静电除尘器的结构复杂，而振打清灰系统是其中一个重要的组成部分。影响振打清灰效果的主要因素之一是沉降粉尘层与收尘极板表面之间的附着力。分析附着力的主要成因及其与各影响因素之间的内在关系，探索进一步提高除尘器粉尘收集性能的技术措施具有重要意义。

2 极板粉尘层附着力相关研究概况

粒子吸附在某些固体的表面上，或者粒子之间相互吸附，这种现象叫作粘附。粘附的强度，也就是克服这种粘附所需的力（垂直用于粒子重心和外加力），称为附着力。附着力的形成是由多种性质不同的力而产生的，在一些特定条件下，一种力可能比其他力共同作用的力还要大，这些力使粉尘在极板上凝聚在了一起。从而可看出，静电除尘器在没有水的情况下，粉尘通过静电力、附着力以及其他作用在粉尘上的力粘附在极板上，经过一段时间后粉尘的厚度逐渐增加，其中一些脱离束缚直接落入灰斗中，而大部分粉尘则是通过振打系统产生的力敲打落入灰斗。一般粉尘比电阻在104～1011Ω·cm范围内时最适宜于静电收尘，电流通过粉尘产生的静电力可以使高比电阻粉尘（如有机玻璃粉）牢牢地附着在极板上，如果控制不好，更会在极板上出现反电晕现象，振打高比电阻粉尘需要更大的振打力。对于低比电阻粉尘（如炭黑）的附着力较小，不需要太大的振打力，当然也有可能粉尘不附着在极板上。粉尘的附着力总体来说不仅可使粉尘从空气中分离，也可以凝聚在一起有利于振打清灰，从而减少二次扬尘带来的危害。所以，提高对粉尘之间附着力的认识、理解其中的关系对提高静电除尘器的除尘效率有决定性的作用。

2.1 粉尘粒子的凝并

凝并是指气溶胶粒子由于相对运动引起了彼此之间的碰撞，部分粒子因为碰撞而合并成较大粒子的过程。如图1所示，凝并的过程是连续的，以致气溶胶粒子的粒径逐渐变大，最终结成小块，增加了粉尘的电荷量，静电除尘器的除尘效率也得到相应的提高。另外，研究凝并形成的原因也可以启发我们研究粉尘的附着力，从而进一步对电除尘器进行有效的改进[1]。

图1 交流凝并原理

2.2 收尘极板上带电粉尘层的荷电量与电场分布

进入静电除尘器内部的粉尘在电场力的作用下逐渐附着在极板上，产生电流。粉尘荷电，形成的粉尘层中的电荷将会出现一个与电场方向相反的电场。

根据公式推导，粉尘层可近似看成电荷面密度σ为“无限大”平板，其在大于x的空间任意点p处产生的附加场强EP[2]为：

2.3 粉尘层积累电荷

粉尘层在电场内如图2。

图2 粉尘层内电场分析

假设在粉尘收集过程中，粉尘层增长到不同厚度时，粉尘层外表面空间电场强度El0保持不变；由相界面电位连续性原则可知，粉尘层外表面内侧处的电场强度也不变；同时，假设在粉尘收集过程中电晕电流面密度j 0也保持不变。

粉尘层内强电场推动的电荷移动量大于空间电场电晕电流向粉尘层补偿的电荷，粉尘层在静电感应力作用下带上正电荷。当粉尘层比电阻值高时，受粉尘层的电阻作用，流入粉尘层的电荷向极板表面方向释速度较慢jlo>jdlo，导致Qdlo及Q值较大。尽管如此，除了粉尘层外表面内侧很薄的粉尘层外，其他厚度处的粉尘层电荷密度普遍较小，这是因为在空间电场和积累电荷电场的共同作用下，流经粉尘层中间的电荷被迅速和几乎无保留地推向收尘极板表面[3]。

2.4 有效驱进速度

对于斯托克斯区域的颗粒，当静电力和阻力达到平衡时，颗粒便达到了一个静电沉降的末端速度，习惯上称之为颗粒的驱进速度。作用在荷电粒子上的静电沉降力为F=nE，根据推导可以得到：

但是，静电除尘器实验研究及对静电除尘器现场运行的测试数据对比分析，结果显示计算出的数据都比按实际数据计算出的有效驱进速度大很多。

3 影响收尘极板上粉尘的力

从图3可看出，粉尘在极板上所受的力主要是范德华力、表面附着力和静电力。

图3 极板上粉尘的受力分析

采用圆盘离心甩脱法计算附着力的方法[4]：已知收尘极板上粉尘所受的力，但如果计算附着力就要增加另外的作用力，假设，一个钢板随电机一同旋转，上面铺好粉尘，这样粉尘就受到了剥离力F的作用，可知F=mω2r，当剥离力刚好大于粉尘的附着力时，粉尘就会从钢板上飞出。此时，测定电机的转速和飞出粉尘在水平钢板上的位置，通过受力分析就可测出粉尘层的粘结力大小。

粉尘在旋转圆盘上受到的力主要有重力（mg）、支持力（N）、摩擦力（F摩）、剥离力（Fb）、粉尘间的粘结力（Ff），如图4所示。

图4 圆盘极板上粉尘的受力分析

根据图4可得出，在竖直方向上力的平衡等式为：

式中：

N—极板表面对粉尘层的支撑力，N/m2；

Fe—粉尘层受到的电场力，N/m2。

根据推导得出：

式中：

μ—粉尘层最大静摩擦系数；

Ff2— 粉尘层对钢板的附着力。

从式中可看出，主要指导粉尘的质量、电机转速以及粉尘距过转轴中心的距离就可以测出粉尘的最大临界附着力大小。临界附着力包括粉尘对钢板的粘附力与受粉尘层重力和电场力影响的摩擦力，从而计算出临界附着力。

4 影响粉尘层附着力的主要因素

影响粉尘附着的因素很多，例如，粉尘的粒径、形状、表面粗糙程度、含水率高低、带电量大小不同产生附着现象的程度都会有不同，粉尘比电阻也会影响附着力的大小。图5反映了静电除尘器极板上粉尘层附着力会受到几个重要因素的影响及其之间的关系。

图5 影响附着力的主要因素及相互关系

从比电阻的角度看，一般粉尘比电阻在104～1011Ω·m之间时，静电除尘器的除尘效率较高，而超出这个范围则相反。如粉尘的比电阻小于104时，就是电阻越小，它的导电性能越好，粉尘比电阻对粉尘层附着力就会越小，附着在极板上后可能又重新回到电场中，这时就有两个可能，第一粉尘反复在极板与电场中穿梭，增加静电除尘器的耗电量，而粉尘还极有可能不被极板吸附，第二重回电场的粉尘直接被气流带出除尘器，引起二次扬尘，从而影响静电除尘器的除尘效率。

另外，粉尘比电阻大小也会受到外界因素的影响，其中主要有粉尘的成分、温度、湿度等。一般来说，随着烟气湿度的增加，粉尘比电阻会越来越小，并且就算是同一种粉尘，在不同的环境下，比电阻也会有所不同。

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5 极板粉尘层附着力相关研究

5.1 粉尘层附着力对极板表面振打加速度的研究

极板表面粉尘层的清灰，通常是通过振打，在极板表面形成的加速度导致在惯性力的作用下，克服附着力而实现从极板表面脱落的。振打的加速度一般依据粉尘层的剥落率确定。剥落率的表达式为：

式中：

M — 为沉积尘的质量，kg；

m — 为振打后粉尘在极板上的残留质量，kg。

W.T.Sproull通过实验得出了不同种类粉尘层的振打加速度与剥落率关系的试验结果（见图6）。

图6 粉尘层振打加速度和剥落率的关系

从图6中可看出，随振打加速度提高，剥落率提高。在振打加速度一定的情况下，剥落率不变。因此，对较厚的沉积尘，虽然振打清灰时粉尘的剥落量较大，但在极板上残留的粉尘量也较大，而且无论如何极板上也会残留一定量的粉尘。所以，要使粉尘层脱落，需施加外力造成一层破裂面，破裂面距离极板平面越近，所需力越大，即加速度越大。假设存在某一加速度，至少可以使距离极板表面大于某一粉尘直径以外的粉尘层振打下来，于是粉尘在极板上的残留质量[5]为：

式中：

—— 为粉尘的堆积密度，kg/m3；

根据牛顿第二定律，由上式可得振打加速度为：

该振打速度计算的方式可以满足各种静电除尘器的要求。

5.2 粉尘层附着力对极板清灰效果的研究

很多静电除尘理论都是在假设不发生二次扬尘的条件下进行研究的，但实际运行过程中，由于振打清灰，或者粉尘比电阻受环境的影响不在正常范围内等情况都会影响静电除尘器的除尘效率。

极板清灰的主要方式就是振打，振打力的大小对收尘效果也有着决定性的作用，振打力太小，粉尘无法从极板顺利脱离落入灰斗，而振打力过大，就会引起二次扬尘。当然，振打周期和频率也是十分重要的，振打周期主要取决于粉尘层在极板上沉积的厚度，如果粉尘层太厚，导电性就会降低，粉尘不易荷电。如果粉尘层太薄，粉尘又不能相互凝结成块状，利用重力落入灰斗，也会造成二次扬尘。根据一些实验数据可知，一般粉尘层厚度在3～10mm时，振打效果最好。找到一个合适的振打周期、振打力度，不仅对除尘效果有很大提高，对静电除尘器本身也是一种保护。

5.3 极板表面涂层对清灰效果的研究

为了调整粉尘层与极板表面之间的附着力，有学者提出在极板表面涂装防腐导电涂层的技术措施。涂层是一种聚合物，在极板上增加这种涂层后，对于正常比电阻范围内的粉尘影响效果有限，但对于低比电阻粉尘和高比电阻粉尘来说，却有非常重要的意义。低比电阻粉尘沉积在涂有涂层的极板上时，粉尘积累的电荷量就增多，这也导致粉尘与极板、粉尘之间的附着力增加，这样就不易脱离极板，减少二次扬尘的发生。对于高比电阻粉尘，涂层会弱化它的附着力，减低反电晕现象，振打时更容易从极板脱落。同时，在极板上增加涂层也提高了静电除尘器的防腐蚀性，抗污问题也得到了很好的解决[6、7]。

6 结语

通过对静电除尘器极板粉尘层附着力的研究，揭示了影响粉尘层和极板表面之间附着力的主要因素及各影响因素与附着力之间的关系，探讨了粉尘附着力对电除尘器的影响，并进一步研究了静电收尘理论，以解决电除尘器除尘效率存在的问题。随着时间的推移，改善或重新设计静电除尘器是业内面临的重要问题。

[1] 唐敏康，支学艺，刘祖文，张永亮，丁元春.收尘极板上沉降粉尘粘结性能研究[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（5）.

[2] XIE Guangrun（解广润）. High potential electrostatic field（高压静电场）[M]. Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1987：217.

[3] 向晓东，邹霖.电收尘极板上沉积尘的附着力与振打加速度[J].安全与环境学报，2006，1（6）：114.

[4] 唐敏康，支学艺，刘祖文，张永亮，丁元春.收尘极板上沉降粉尘粘结性能研究[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（5）.

[5] SPROULLW T.Fundamentals of electrode rapping in industrial electr- cal precipitators[J].J Air Polluti on Control Associati on,1965,15(2): 122-128.

[6] 方伟.低比电阻粉尘的静电收集[D].沈阳：东北大学，1997.

[7] 赵会良，吴维韩，王幽林，等.反电晕及其抑制措施[J].高电压技术，1995，2（15）：20-23.