靜電除塵器極板粉塵層附著力理論研究

王燁

（遼寧省易派環(huán)保職業(yè)培訓學校，沈陽 110033）

1 引言

靜電除塵是利用靜電力除去煙氣中的粉塵，基本原理則是高壓放電，使氣體電離，粉塵荷電后向收塵極板移動，而后從氣流中分離出來達到凈化煙氣的目的。靜電除塵器的結(jié)構(gòu)復雜，而振打清灰系統(tǒng)是其中一個重要的組成部分。影響振打清灰效果的主要因素之一是沉降粉塵層與收塵極板表面之間的附著力。分析附著力的主要成因及其與各影響因素之間的內(nèi)在關(guān)系，探索進一步提高除塵器粉塵收集性能的技術(shù)措施具有重要意義。

2 極板粉塵層附著力相關(guān)研究概況

粒子吸附在某些固體的表面上，或者粒子之間相互吸附，這種現(xiàn)象叫作粘附。粘附的強度，也就是克服這種粘附所需的力（垂直用于粒子重心和外加力），稱為附著力。附著力的形成是由多種性質(zhì)不同的力而產(chǎn)生的，在一些特定條件下，一種力可能比其他力共同作用的力還要大，這些力使粉塵在極板上凝聚在了一起。從而可看出，靜電除塵器在沒有水的情況下，粉塵通過靜電力、附著力以及其他作用在粉塵上的力粘附在極板上，經(jīng)過一段時間后粉塵的厚度逐漸增加，其中一些脫離束縛直接落入灰斗中，而大部分粉塵則是通過振打系統(tǒng)產(chǎn)生的力敲打落入灰斗。一般粉塵比電阻在104～1011Ω·cm范圍內(nèi)時最適宜于靜電收塵，電流通過粉塵產(chǎn)生的靜電力可以使高比電阻粉塵（如有機玻璃粉）牢牢地附著在極板上，如果控制不好，更會在極板上出現(xiàn)反電暈現(xiàn)象，振打高比電阻粉塵需要更大的振打力。對于低比電阻粉塵（如炭黑）的附著力較小，不需要太大的振打力，當然也有可能粉塵不附著在極板上。粉塵的附著力總體來說不僅可使粉塵從空氣中分離，也可以凝聚在一起有利于振打清灰，從而減少二次揚塵帶來的危害。所以，提高對粉塵之間附著力的認識、理解其中的關(guān)系對提高靜電除塵器的除塵效率有決定性的作用。

2.1 粉塵粒子的凝并

凝并是指氣溶膠粒子由于相對運動引起了彼此之間的碰撞，部分粒子因為碰撞而合并成較大粒子的過程。如圖1所示，凝并的過程是連續(xù)的，以致氣溶膠粒子的粒徑逐漸變大，最終結(jié)成小塊，增加了粉塵的電荷量，靜電除塵器的除塵效率也得到相應(yīng)的提高。另外，研究凝并形成的原因也可以啟發(fā)我們研究粉塵的附著力，從而進一步對電除塵器進行有效的改進[1]。

圖1 交流凝并原理

2.2 收塵極板上帶電粉塵層的荷電量與電場分布

進入靜電除塵器內(nèi)部的粉塵在電場力的作用下逐漸附著在極板上，產(chǎn)生電流。粉塵荷電，形成的粉塵層中的電荷將會出現(xiàn)一個與電場方向相反的電場。

根據(jù)公式推導，粉塵層可近似看成電荷面密度σ為“無限大”平板，其在大于x的空間任意點p處產(chǎn)生的附加場強EP[2]為：

2.3 粉塵層積累電荷

粉塵層在電場內(nèi)如圖2。

圖2 粉塵層內(nèi)電場分析

假設(shè)在粉塵收集過程中，粉塵層增長到不同厚度時，粉塵層外表面空間電場強度El0保持不變；由相界面電位連續(xù)性原則可知，粉塵層外表面內(nèi)側(cè)處的電場強度也不變；同時，假設(shè)在粉塵收集過程中電暈電流面密度j 0也保持不變。

粉塵層內(nèi)強電場推動的電荷移動量大于空間電場電暈電流向粉塵層補償?shù)碾姾桑蹓m層在靜電感應(yīng)力作用下帶上正電荷。當粉塵層比電阻值高時，受粉塵層的電阻作用，流入粉塵層的電荷向極板表面方向釋速度較慢jlo>jdlo，導致Qdlo及Q值較大。盡管如此，除了粉塵層外表面內(nèi)側(cè)很薄的粉塵層外，其他厚度處的粉塵層電荷密度普遍較小，這是因為在空間電場和積累電荷電場的共同作用下，流經(jīng)粉塵層中間的電荷被迅速和幾乎無保留地推向收塵極板表面[3]。

2.4 有效驅(qū)進速度

對于斯托克斯區(qū)域的顆粒，當靜電力和阻力達到平衡時，顆粒便達到了一個靜電沉降的末端速度，習慣上稱之為顆粒的驅(qū)進速度。作用在荷電粒子上的靜電沉降力為F=nE，根據(jù)推導可以得到：

但是，靜電除塵器實驗研究及對靜電除塵器現(xiàn)場運行的測試數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果顯示計算出的數(shù)據(jù)都比按實際數(shù)據(jù)計算出的有效驅(qū)進速度大很多。

3 影響收塵極板上粉塵的力

從圖3可看出，粉塵在極板上所受的力主要是范德華力、表面附著力和靜電力。

圖3 極板上粉塵的受力分析

采用圓盤離心甩脫法計算附著力的方法[4]：已知收塵極板上粉塵所受的力，但如果計算附著力就要增加另外的作用力，假設(shè)，一個鋼板隨電機一同旋轉(zhuǎn)，上面鋪好粉塵，這樣粉塵就受到了剝離力F的作用，可知F=mω2r，當剝離力剛好大于粉塵的附著力時，粉塵就會從鋼板上飛出。此時，測定電機的轉(zhuǎn)速和飛出粉塵在水平鋼板上的位置，通過受力分析就可測出粉塵層的粘結(jié)力大小。

粉塵在旋轉(zhuǎn)圓盤上受到的力主要有重力（mg）、支持力（N）、摩擦力（F摩）、剝離力（Fb）、粉塵間的粘結(jié)力（Ff），如圖4所示。

圖4 圓盤極板上粉塵的受力分析

根據(jù)圖4可得出，在豎直方向上力的平衡等式為：

式中：

N—極板表面對粉塵層的支撐力，N/m2；

Fe—粉塵層受到的電場力，N/m2。

根據(jù)推導得出：

式中：

μ—粉塵層最大靜摩擦系數(shù)；

Ff2— 粉塵層對鋼板的附著力。

從式中可看出，主要指導粉塵的質(zhì)量、電機轉(zhuǎn)速以及粉塵距過轉(zhuǎn)軸中心的距離就可以測出粉塵的最大臨界附著力大小。臨界附著力包括粉塵對鋼板的粘附力與受粉塵層重力和電場力影響的摩擦力，從而計算出臨界附著力。

4 影響粉塵層附著力的主要因素

影響粉塵附著的因素很多，例如，粉塵的粒徑、形狀、表面粗糙程度、含水率高低、帶電量大小不同產(chǎn)生附著現(xiàn)象的程度都會有不同，粉塵比電阻也會影響附著力的大小。圖5反映了靜電除塵器極板上粉塵層附著力會受到幾個重要因素的影響及其之間的關(guān)系。

圖5 影響附著力的主要因素及相互關(guān)系

從比電阻的角度看，一般粉塵比電阻在104～1011Ω·m之間時，靜電除塵器的除塵效率較高，而超出這個范圍則相反。如粉塵的比電阻小于104時，就是電阻越小，它的導電性能越好，粉塵比電阻對粉塵層附著力就會越小，附著在極板上后可能又重新回到電場中，這時就有兩個可能，第一粉塵反復在極板與電場中穿梭，增加靜電除塵器的耗電量，而粉塵還極有可能不被極板吸附，第二重回電場的粉塵直接被氣流帶出除塵器，引起二次揚塵，從而影響靜電除塵器的除塵效率。

另外，粉塵比電阻大小也會受到外界因素的影響，其中主要有粉塵的成分、溫度、濕度等。一般來說，隨著煙氣濕度的增加，粉塵比電阻會越來越小，并且就算是同一種粉塵，在不同的環(huán)境下，比電阻也會有所不同。

總結(jié)而言，APP是由團隊開發(fā)的，在功能性、安全性、用戶體驗方面都有保證，且獨立存在，自由度高，不受第三方軟件限制；同時APP開發(fā)的劣勢是應(yīng)用較重，開發(fā)成本高。而微信公眾平臺輕巧靈活，接口逐步開放，功能多，依托于騰訊，其維護成本、維護流程都簡單得多，且有天然營銷入口，容易推廣。

5 極板粉塵層附著力相關(guān)研究

5.1 粉塵層附著力對極板表面振打加速度的研究

極板表面粉塵層的清灰，通常是通過振打，在極板表面形成的加速度導致在慣性力的作用下，克服附著力而實現(xiàn)從極板表面脫落的。振打的加速度一般依據(jù)粉塵層的剝落率確定。剝落率的表達式為：

式中：

M — 為沉積塵的質(zhì)量，kg；

m — 為振打后粉塵在極板上的殘留質(zhì)量，kg。

W.T.Sproull通過實驗得出了不同種類粉塵層的振打加速度與剝落率關(guān)系的試驗結(jié)果（見圖6）。

圖6 粉塵層振打加速度和剝落率的關(guān)系

從圖6中可看出，隨振打加速度提高，剝落率提高。在振打加速度一定的情況下，剝落率不變。因此，對較厚的沉積塵，雖然振打清灰時粉塵的剝落量較大，但在極板上殘留的粉塵量也較大，而且無論如何極板上也會殘留一定量的粉塵。所以，要使粉塵層脫落，需施加外力造成一層破裂面，破裂面距離極板平面越近，所需力越大，即加速度越大。假設(shè)存在某一加速度，至少可以使距離極板表面大于某一粉塵直徑以外的粉塵層振打下來，于是粉塵在極板上的殘留質(zhì)量[5]為：

式中：

—— 為粉塵的堆積密度，kg/m3；

根據(jù)牛頓第二定律，由上式可得振打加速度為：

該振打速度計算的方式可以滿足各種靜電除塵器的要求。

5.2 粉塵層附著力對極板清灰效果的研究

很多靜電除塵理論都是在假設(shè)不發(fā)生二次揚塵的條件下進行研究的，但實際運行過程中，由于振打清灰，或者粉塵比電阻受環(huán)境的影響不在正常范圍內(nèi)等情況都會影響靜電除塵器的除塵效率。

極板清灰的主要方式就是振打，振打力的大小對收塵效果也有著決定性的作用，振打力太小，粉塵無法從極板順利脫離落入灰斗，而振打力過大，就會引起二次揚塵。當然，振打周期和頻率也是十分重要的，振打周期主要取決于粉塵層在極板上沉積的厚度，如果粉塵層太厚，導電性就會降低，粉塵不易荷電。如果粉塵層太薄，粉塵又不能相互凝結(jié)成塊狀，利用重力落入灰斗，也會造成二次揚塵。根據(jù)一些實驗數(shù)據(jù)可知，一般粉塵層厚度在3～10mm時，振打效果最好。找到一個合適的振打周期、振打力度，不僅對除塵效果有很大提高，對靜電除塵器本身也是一種保護。

5.3 極板表面涂層對清灰效果的研究

為了調(diào)整粉塵層與極板表面之間的附著力，有學者提出在極板表面涂裝防腐導電涂層的技術(shù)措施。涂層是一種聚合物，在極板上增加這種涂層后，對于正常比電阻范圍內(nèi)的粉塵影響效果有限，但對于低比電阻粉塵和高比電阻粉塵來說，卻有非常重要的意義。低比電阻粉塵沉積在涂有涂層的極板上時，粉塵積累的電荷量就增多，這也導致粉塵與極板、粉塵之間的附著力增加，這樣就不易脫離極板，減少二次揚塵的發(fā)生。對于高比電阻粉塵，涂層會弱化它的附著力，減低反電暈現(xiàn)象，振打時更容易從極板脫落。同時，在極板上增加涂層也提高了靜電除塵器的防腐蝕性，抗污問題也得到了很好的解決[6、7]。

6 結(jié)語

通過對靜電除塵器極板粉塵層附著力的研究，揭示了影響粉塵層和極板表面之間附著力的主要因素及各影響因素與附著力之間的關(guān)系，探討了粉塵附著力對電除塵器的影響，并進一步研究了靜電收塵理論，以解決電除塵器除塵效率存在的問題。隨著時間的推移，改善或重新設(shè)計靜電除塵器是業(yè)內(nèi)面臨的重要問題。

[1] 唐敏康，支學藝，劉祖文，張永亮，丁元春.收塵極板上沉降粉塵粘結(jié)性能研究[J].遼寧工程技術(shù)大學學報，2004，23（5）.

[2] XIE Guangrun（解廣潤）. High potential electrostatic field（高壓靜電場）[M]. Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1987：217.

[3] 向曉東，鄒霖.電收塵極板上沉積塵的附著力與振打加速度[J].安全與環(huán)境學報，2006，1（6）：114.

[4] 唐敏康，支學藝，劉祖文，張永亮，丁元春.收塵極板上沉降粉塵粘結(jié)性能研究[J].遼寧工程技術(shù)大學學報，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] 方偉.低比電阻粉塵的靜電收集[D].沈陽：東北大學，1997.

[7] 趙會良，吳維韓，王幽林，等.反電暈及其抑制措施[J].高電壓技術(shù)，1995，2（15）：20-23.