磁场、雾化共同作用下电晕放电机理及对微小颗粒荷电与捕集的研究（可编辑）

磁场、雾化共同作用下电晕放电机理及对微小颗粒荷电与捕集的研究（可编辑） 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 ? 成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经 【, 发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研究成果,也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证 ? 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 日期:翌鱼垒?困阳 学位论文作者签名:撇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定,即:东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘,允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 指导教师签名: 学位论文作者签名:燃 日 日 期: 期:弘蝴曰 学位论文作者毕业后去向:电话: 邮编: ? ? ,,. ’磁场雾化电晕放电技术是一种新式的电晕放电技术,在粉尘去除方面有独特的优 势,不仅免清洗,而且效率高,在粘性粉尘去除方面有良好的应用前景。本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究了 磁场电晕放电、雾化电晕放电和磁场雾化电晕放电的放电特性以及荷电特性,为磁场雾 化电晕放电荷电器和磁场雾化电晕放电除尘器的实际应用奠定了理论基础。 本课题的主要研究内容和结论如下: 将磁场作用下的电晕放电和雾化电晕放电有效的结合在一起,设计了一种新式 的荷电器。这种荷电器不但可以避免粘性粉尘的粘附,而且通过其对粉尘荷电后,更有 利于静电捕集器捕捉细小的粉尘,为进一步设计更先进的去除粘性粉尘的装置提供了参 考。 研究了磁场作用下电晕放电的放电特性,指出了电流的变化规律。磁场负电晕 放电中,放电电流的增长可能是因为磁场使自由电子发生偏转或者拉莫运动,增加了自 由电子和空气分子的碰撞次数,但放电电流的增长仅仅是电晕区内电离过程的增强,和 极间非电晕区自由电子和负离子的偏转无关。放电电流的增长主要是由两个因素决定, 第一个是电晕区内自由电子和空气分子的碰撞次数,第二个是电晕区内电子的平均能 量。随着电场或磁场的变化碰撞次数和自由电子的平均能量向不同的两个方向变化,所 以放电电流的相对增长存在一个最大值。磁场影响下的电晕放电对静电除尘器而言,当 /时,使电晕区内的平均磁场强度在.左右,电晕放电 极间平均电场强度是 电流的相对增长最大,此时电除尘器的效率最高。 研究了磁场作用下电晕放电荷电机理。利用磁场电晕放电预荷电器和传统预荷 电器分别对细小粉尘进行荷电,然后利用静电捕集器进行捕集,结果表明磁场电晕放电 更适合用于对细小粉尘的荷电。我们推断磁场电晕放电荷电机理可能是磁场的应用增加 了荷电区负离子浓度。负离子浓度的提高对扩散荷电有利,从而有利于提高去除细小粉 尘的效率。因此,说明磁场电晕放电预荷电器对细小粉尘的荷电能力要高于传统的电晕 放电。 对接地极雾化正负电晕放电进行了比较。接地极雾化电晕放电中,正电晕放电 中存在电晕区扩大的现象,而负电晕放电中却不存在这种现象。原因是在接地极雾化负 电晕放电中,由于负电晕放电可以形成稳定的特里切利脉冲放电模式,在电压突增之后, 迅速的降低,这种放电模式限制了能量的连续输入,所以抑制了电晕区的扩展。而接地 极雾化正电晕放电的多锥射流与平行板间形成的放电类似传统针一板式正电晕放电,这 种放电容易形成稳定的辉光放电。在接地极雾化电晕放电中,由于电离得到 了一定程度 的提升,所以电晕区附近的空间电荷对电场的影响增强了。初步分析了接地极雾化电晕 放电的电场分布。另外,在接地极雾化电晕放电中,流量要适当。分析了流量对电流和 雾化液滴的影响。通过实验我们知道适当的流量有利于起晕电压的降低,流量过大则起晕电压随之增加。当流量恰当时,在接地极雾化电晕放电钟,液滴粒径分布以数十微米 的为主。 研究了磁场、雾化二者共同作用于电晕放电时的相互影响。磁场雾化电晕放电 电流增加的可能原因是磁场的应用使自由电子和空气分子以及水分子的碰撞次数增加, 而且水分子的电离能小于空气分子,所以更容易被电离;也有可能是磁场的应用使电晕 区的放电通道发生扭曲,使整个电晕区的密度更加均匀,导致电离碰撞的效率被提高。 另外,泰勒锥减小了两极之间的距离,并且泰勒锥尖端的曲率小于放电极曲率半径,所 以在磁场和雾化的作用下,放电电流得到了大幅度的提升,而起晕电压则因为空间电荷 的影响和放电极曲率的影响降低了。分析了固定磁场强度下,不同流量对放 电影响。初 步分析了磁场雾化电晕放电的电场分布,磁场雾化电晕放电的电场分布和传统电晕放电 电场的分布一致,只是在磁场雾化电晕放电中空间电荷的浓度更大,对外加电场的影响 增加了。 磁场雾化电晕放电荷电器作用下,静电捕集器的效率高于磁场、雾化单独作用 下荷电器的荷电效果。分析原因可能是磁场雾化的双重效果增加了极间电荷浓度,另外, 液滴可能对粉尘粒子的捕集起辅助作用。在磁场雾化负电晕放电中,在电晕区内空间电 荷积累的量大于其他几种放电方式,在荷电区内空间电荷形成的电场与原来电场方向相 反,降低了负离子和液滴的迁移速度,所以进一步的增加了荷电区内负离子和带电液滴 的浓度,因此,在四种荷电器中,磁场雾化电晕放电荷电器的荷电效率最高。 利用密立根油滴仪测量较小液滴的荷电量和粒径,并根据液滴带电量与粒径分 布的情况,初步分析了雾化电晕放电与磁场雾化电晕放电的荷电机理。 关键词:磁场电晕放电;雾化电晕放电;磁场雾化电晕放电:粉尘荷电 , .?., 、砘 . 、析 . :州 ,.? ? , . . ? ?.,., . , : ; . 、析 ., .、纠, . /. . . 一 、 ?. . . ,, ,., , ., . ., . . . , . . ‘ . ,. . .., , . .,..?. .、析 、?也 ,. 。曲 、, 一、 、砘... 、衍也 ? ~???????????????????????????????????????????????????????????????????? ?????,??????????????????????一 ,, , ., ? ?. . 、析 .; : : 、析也 、舫 ; 一 中文摘要? 英文摘要?。 目 录。??.. 第一章绪论 .弓言?. .电晕放电基本概念及产生原理?. ..静电除尘器的工作原理..电晕的发生? ..正、负电晕放电的放电机理 .带电粒子在气体中运动? ..带电粒子的热运动? ..带电粒子的扩散运动??. ..带电粒子的漂移运动??. .粒子的荷电与荷电粒子的运动? ..粒子的荷电. ..荷电粒子的运动?.. .静电除尘器粉尘的捕集. ..多依奇捕集效率方程??.. ..粉尘粒子在集尘极不同位置处的沉降量. .电除尘技术的研究现状一 ..有关电场分布的研究 ..宽间距电除尘器?.. ..窄脉冲放电在除尘领域的应用?.. ..静电雾化技术在除尘领域的应用? ..磁场对电晕放电的影响?.. ..磁场雾化共同作用下的电晕放电研究.本文的选题与研究内容. 第二章磁场电晕放电放电研究?. .引言.. .磁场电晕放电的实验装置??. .磁场安装位置对放电电流的影响??.: ..?.?...?.?...?.?....?......??....:.:; .??........??.??...??.?.??....:; 的最大值?...:;:.::; .?.?...?.?.......?...??...? ..磁场负电晕电场分布对起晕电压的影响. . 、;.. 第三章磁场电晕放电荷电机理的研究 .引言??.. .磁场电晕放电的荷电捕集装置. .荷电机理的分析. ..磁场负电晕放电中,磁场对极间电场及极间负离子浓度的影响??.. ..传统负电晕放电预荷电器和磁场负电晕放电预荷电器的比较.. .,、结.. 第四章雾化电晕放电的放电与荷电实验研究 .引言.. .雾化电晕放电的实验装置.雾化电晕放电的机理研究..接地极雾化对电晕 区的影响??. ..雾化液滴对空间电场的影响 .流量和放电极对雾化电晕放电的影响。 ..流量对放电电流的影响?. ..流量对起晕电压的影响?.. ..接地极雾化电晕放电的液滴粒径. .雾化电晕放电的荷电研究??.. ..雾化电晕放电对粉尘的荷电与捕集??. ..液滴荷电量与粒径的测量. .以、结? 第五章磁场与雾化共同作用下的电晕放电~?. . ? .引言一 ? .磁场雾化共同作用下电晕放电的实验装置? .电晕放电中磁场与接地极雾化的耦合关系? ..磁场对雾化电晕放电的影响??一 ?..雾化对磁场电晕放电的影响 ..磁场雾化负电晕放电的起晕电压? ..磁场对雾化电晕放电液滴粒径的影响?.. .磁场、雾化共同作用下电晕放电电场分布?.. .磁场、雾化共同作用下电晕放电机理研究? .,、结。 第六章磁场、雾化共同作用下电晕放电荷电研究. .引言??.. .实验装置。 .磁场、雾化共同作用下电晕放电预荷电器的荷电研究??. .磁场、雾化共同作用下电晕放电荷电机理? ./、结?.. 第七章研究结论、创新点及展望??. .研究结论. .仓新点??. .展望??..“ .. 参考文献 ? 后 记 .. 在学期间公开发表论文及著作情况 ? 一 东北师范大学博士学位论文 绪论 第一章 .引言 随着经济的发展,工业、饮食业粉尘污染物排放日益增多,粉尘的种类和性质也有 着很大的区别,所以对除尘设备的特性也有不同的要求。 粉尘粒子的一些特性则影响着收集方法的选择以及粒子的荷电方式。德林卡和哈奇 的粒状污染物分类方法最为常用,.这种方法是在区别固态、液态的基础上,按照颗粒粒 径的分布进行区分气溶胶颗粒的,并指出各种粒径粉尘的产生源,为工程中去除粉尘选 择方法提供了依据?。另外,气溶胶颗粒的粒径不但对净化设备的选择、净化性能的评 价,而且对粒子群的扩散与凝聚行为,以及对环境造成的污染影响等方面有重要的意义, 所以根据不同需要将颗粒的粒径分为斯托克斯径、长度径、平均径、表面径、体积径以 及投影周长径和面积径心。 迄今为止,根据除尘设备的不同净化机理,习惯上将粉尘去除装置分为四大类: 机械式除尘器:是利用质量力如离心力、重力等使气溶胶颗粒从气流中分离并 被捕集的装置。包括惯性除尘器、重力沉降室和旋风除尘器等; 过滤式除尘器:是通过过滤层使含尘气流进行过滤分离的装置,包括颗粒层除尘 器和袋式除尘器: 湿式洗涤器:利用液体与含尘气流之间的作用,使粉尘与气流分离的装置。包括 水喷淋粉尘净化装置和文氏管洗涤器; 静电除尘器:是利用静电力对粉尘进行分离的方法,包括干式和湿式静电除尘器 盘】 可。 以上分类方法,也是几种基本的除尘机理。单独运用某一种机理往往很难达到理想 效果,所以在实际工程中,常常根据粉尘特性,除尘过程通常会运用两种以上的机理, 提高对粉尘的捕集效率。 在各种除尘器中,静电除尘器自年美国工程师..科特雷尔研制成功以来 作为一种常用的、高效的除尘设备,广泛应用于水泥、化工、冶金、建材、火力发电、 纺织等工业部门。然而,高压静电除尘器对业微米级颗粒难以捕获晦。另外,在去除 粘性粉尘的时候,传统静电除尘器并不能避免粘性粉尘对放电极的粘附,这 样工作一段 时间后粘性粉尘就会造成电除尘器的失效。因此,针对上述问题对高压静电除尘器进行 改进就十分必要。 .电晕放电基本概念及产生原理 ..静电除尘器的工作原理 静电除尘器的示意图如图,是由放电极和集尘极两个极性相反的电极组成的。东北师范大学博士学位论文 中,放电极是一个表面曲率很大的金属丝通常是负极,也称电晕极;集尘极是一 板状电极通常是正极。电除尘器工作时,利用直流高压电源使放电极和集尘极之 发生电晕放电,这样在放电极周围小范围内形成电晕区。电晕区内含有正负离子和大 的自由电子,其中负离子是气体分子吸附自由电子形成的。在电场力的作用下,正离 向放电极运动;负离子和自由电子向集尘极移动,充满到两极间的非电晕区空间。当 尘气流通过极间电场时,污染气体中的气溶胶粒子与负离子或非电晕区内少量的自由 子碰撞使气溶胶粒子带电,形成带负电的粒子。在静电场中由于作用在荷电粒子上的 电场力比重力大得多,一般为?倍,所以带负电的气溶胶粒子在电场力的用下向 集尘极运动,与集尘极相碰放出所带电荷而被捕集。当然,电晕区中的气溶胶粒子与正 离子碰撞后带正电,带正电的粒子向放电极运动,沉积到放电极上。但是由于正离子只 出现在电晕区内,又由于电晕区的体积很小,所以只能与少数气溶胶粒子相遇而使之带 电,而且电晕区是等离子区,气溶胶颗粒上的电荷很容易被异种电荷中和,而使之带电 量减少或不带电阻,,所以粉尘颗粒在放电极上的沉积并不多。当粉尘在集尘极上沉积到 一定厚度时,利用清灰装置进行清灰,使粉尘落入灰斗,随后排出。 图静电除尘器的工作原理 .电晕极.集尘极.粉尘层.荷电的粉尘颗粒 .未荷电的粉尘颗粒.电晕区 综上所述,电除尘器的工作过程可分为四个阶段:气体电离:粉尘荷电; 荷电粒子的运动与捕集;清灰。 ..电晕的发生 电晕放电是气体介质在不均匀电场中的一种自持放电。也就是不存在外界电离源的东北师范大学博士学位论文 情况下,仅依靠外加的不均匀电场而形成的电离气体的导流。电离气体中含 有电子、正 负离子和中性分子或原子。一般气体放电过程中会产生六种基本粒子:自由电子、光子、 激发态分子或原子、负离子和正离子以及基态分子或原子。 气体放电中粒子间的相互作用可以通过碰撞过程完成。通过碰撞粒子之间交换动 能、位能、电荷和动量,使粒子发生下列物理过程:电离、复合、光子发射和吸收等。 根据粒子间相互作用后,状态的变化,粒子间的碰撞可分为弹性碰撞和非弹性碰撞两大 类。 发生弹性碰撞时,碰撞前后各粒子的位能不发生变化。如自由电子和原子之间的弹 性碰撞,原子只得到自由电子的极少部分动能,碰撞后,二者的运动速度发生了变化, 并没有电离或激发产生。在低能粒子间的碰撞中以发生这类粒子的碰撞为主要。 发生非弹性碰撞时,碰撞前后各粒子的位能发生变化。当自由电子具有足够动能时, 与原子碰撞,自由电子交出动能使原子激发或电离。也就是通过碰撞增加了原子的位能。 这类碰撞使粒子体系位能增加称为第一类非弹性碰撞。这类非弹性碰撞过程 可以发生自 由电子与原子、离子与原子、离子与离子、原子与原子之间。 通过碰撞,具有一定位能的粒子也可以将自己的位能交出,这部份位能转化为被碰 撞粒子的动能。例如:自由电子与亚稳态的原子之间的碰撞,碰撞后原子释放能量回到 了基态,自由电子得到原子的激发能后动能增加。这类碰撞使粒子体系位能减少称为第 二类非弹性碰撞,或称为超弹性碰撞。 当能量较低时,粒子之间较容易发生弹性碰撞,其中自由电子和原子之间最容易发 生弹性碰撞,各种粒子间发生弹性碰撞时,粒子之间只有动量发生交换,位能不发生交 换,电荷也不能交换。 当具有较高能量的粒子发生碰撞的时候,就会发生电离或激发。有很多途径会导致 气体原子发生激发和电离:电子或离子对原子的非弹性碰撞;原子对其他原子的非弹性 碰撞;以及光子与原子之间的非弹性碰撞。上述非弹性碰撞过程属于第一类非弹性碰撞, 第一类非弹性碰撞是指把碰撞粒子的动能转换成被碰撞粒子的位能。显然,碰撞粒子的 动能必须大于或等于被碰撞粒子的电离能或激发能是产生电离或激发的必 要条件。 .自由电子碰撞导致气体原子激发和电离 自由电子导致原子的激发和电离可以用下面的简式表示: ? 十彳彳’? .. 彳一彳? . 彳为被碰撞原子,彳‘为激发态原子,为快电子,为慢电子,彳为离子,业碰 撞后自由电子、粒子或原子的动能。 .原子与原子之间的碰撞导致的激发和电离 原子与原子之间的碰撞导致的激发或电离过程可以用下面简式表达: . ?’?东北师范大学博士学位论文 。 曰彳专彳丝 其中,曰快原子,召表示原子,其他符号同上。 .离子与原子之间的碰撞导致的激发和电离 离子和原子之间碰撞导致的激发或电离的过程可以用下面简式表达: ? 召彳一彳。? ?? 曰彳专彳? . 其中,快粒子,召离子,其他符号同上。 根据以往的一些实验研究,重粒子与重粒子发生碰撞的时候,被电离和激发的效率 较小,可能原因是原子或正离子的非弹性碰撞过程与自由电子的非弹性碰撞过程截然不 同。当自由电子和重粒子动能相同时,自由电子质量远小于重粒子的质量,所以自由电 子的速度是重粒子大许多倍。根据上面的表达式,快速电子碰撞后能量转移,并迅速的 离开,得到这部分能量后中性原子的状态必然产生变化。对于原子或正离子,他们的速 度要小很多,所以当它们与中性原子碰撞时,相互作用时间较长,在这段时间内,最初, 被碰撞原子因为得到能量而被激发或电离,然后碰撞粒子离开的过程中,由于作用的时 间较长,被碰撞原子释放出得到的能量,使其电子轨道系统又回复到正常状态,最初得 到的位能转变为碰撞粒子的动能,所以,自由电子碰撞引发电离的几率要比重粒子之间 激发或电离的几率小些。 另外,在光能或热能的作用下,原子和分子也可以发生光致激发、电离和热激发、 电离。 粒子激发态是一种不稳定状态,某一激发态消失的可能原因是粒子被进一步激发到 更高状态或者气体粒子从激发态回到较低状态。气体粒子的这种过程称之为激发转移。 电离气体中的敏化荧光、潘宁效应以及辐射猝灭等都属于这种过程。 电离气体中带电粒子消失的现象被称为电离气体的消电离,维持放电的条件与电离 气体的消电离现象直接相关。消电离现象包括带电粒子的复合、负离子的形成、带电粒 子的电荷转移以及带电粒子的扩散等。 气体放电等离子体中必然会存在负粒子,除了自由电子,就是负离子,负离子可分 为分子态负离子和原子态负离子。形成负离子的方式主要有下面几种: 自由电子被中性原子俘获形成负离子,简式如下: 彳哼彳一 ,为光子的能量。负离子保持形成稳定的条件就是要求负离子本身的能量低于中性 原子的能量。所以负离子的这部分能量以光子的能量释放出去。这个过程被 称为辐射吸 附,逆过程被称为光致脱附。 三体碰撞简式如下: ?? 寸一 东北师范大学博士学位论文 自由电子被原子吸附形成负离子,不再以光子的形式释放能量,则是转化为 第三个 粒子的动能。 气体分子的分解吸附,简式如下: . 朋一朋。一一 其中,代表一个气体分子,、】,代表组成分子的两个元素。 自由电子撞击空气分子,分子被激发,形成不稳定的激发态的离子,很快分解 为一 个负离子和一个中性原子。 自由电子与气体分子碰撞产生离子对,简式如下: . 七‘一七 重粒子间的碰撞后电荷转移形成离子对,简式如下: ??? 彳一彳一 除了上述几种形成负离子的方式,还有其他一些途径,一般情况下都是可逆的。 气体复合是气体电离的一个逆向过程。当电离气体的电离源被移开,这时电离气体 迅速趋向中性化,这个过程就是气体复合的过程。 正负离子复合和正离子与自由电子的复合是带电粒子复合的主要形式。由于电子具 有很高的荷质比,所以上述两个过程差异性很大。 正离子和自由电子间的复合 自由电子与重粒子相比其热运动速度大,所以当它与正离子发生作用时,作用时间 极短,所以复合不容易发生。但当有第三者参与作用时,例如:当自由电子碰撞放电器 侧壁后,损失了部分能量而降低了运动速度,正离子与这种速度减慢的自由电子碰撞时 就有产生复合的可能:或者是一个中性原子吸附自由电子形成?个负离子,然后这个负 离子与正离子相碰而发生复合。中性原子吸附自由电子的几率与其种类有关,实验表明 :、。和惰性气体等气体不会通过吸附自由电子而形成负离子,但像:、:、:等气体 分子在极短的时间内就可以吸附自由电子而形成负离子,吸附所需要的时间 一般为。 ?‘。 正离子与负离子间的复合 与上面自由电子和正离子复合不同,正离子与负离子的复合比较容易,在相同温度 下,正负离子的运动速度与自由电子的运动速度相比/多,负离子质量和正离子的质 量是较为相似的,它们的电荷量和运动速度也比较相似,所以相互之间有比较长的作用 时间,所以正负离子的复台几率很高。 正负离子彳’,可以通过下面三种途径中性化: 。专.糟枷 辐射复合 一】,专】, 电荷砭换 三体复合 一一.糟 在电晕放电中,不均匀电场可以形成一个局部的电离区域,在这个区域内,自由电 东北师范大学博士学位论文 子和空气分子发生碰撞,整个过程非常复杂。包括电离、激发、复合、吸附等过程。当 自由电子的能量大于空气分子的电离能时,他们就发生第一类非弹性碰撞,使空气分子 发生电离,这种情况下,自由电子和空气分子质量相差悬殊,自由电子几乎可以将自身 的全部动能交给空气分子,变为空气分子的位能,即自由电子在电离和激发时的效率很 高。当非弹性碰撞发生在重粒子之间的时候,例如:空气分子和空气离子发生碰撞。这 时候重粒子最大可以交换出动能的一半来激发或电离重粒子,所以和电子电离效率比, 重粒子的电离激发效率较低。 静电除尘器与荷电器是以电晕放电技术为理论基础的粉尘去除装置。为了使形成的 电晕放电稳定,一个非均匀电场是必不可少的,放电结构最常见的有线一筒式、线一板 式呻、芒刺式放电装置妇。在管式电除尘器与荷电器中,不均匀电场的两个电极由同轴 布置的细导线和圆管构成。在板式除尘器与荷电器中不均匀电场的两个电极则是由一对 平行平板和处于平板间的细导线构成。线一筒式和板式电除尘器电场分布情况由图卜所 示。当两极之间应用的电压达到某一值时,也就是超过起晕电压时,线电极周 围小范围 内的气体击穿,一般击穿的区域为线电极周围一个半径为卜的等离子区,被称为电 晕区;两极间除了电晕区以外的部分就是荷电区。 ’ 图静电除尘器的电场分布 管式静电除尘嚣中的不均匀电场 板式静电除尘器中的不均匀电场 ..正、负电晕放电的放电机理 正电晕放电机理 ?在无空间电荷的情况下 在正脉冲电压作用下放电的情况,所施加的电压是脉冲电压,在个微秒内幅值就 能下降到脉冲电压一半的时候,离子的迁移和积累便可以忽略。在针形阳极和平面阴极 东北师范大学博士学位论文 的放电结构中,当针状电极接正电压脉冲时,可以探测到最初阶段的电离有丝状分支的 特性,这就是流光。 五 图针形阳极的激光发展示意图 假设一个自由电子沿着放电轴的方向在处向阳极运动,这个自由电子在到达 阳极 的过程中引起一个电子雪崩,如图所示。阶段、阶段、阶段和阶段示意了 电子雪崩发展的整个过程。由于自由电子的质量较轻,所以其运动速度很快,这样自由 电子集中在雪崩的球状体的头部,正离子的运动速度远低于自由电子,留在了雪崩球状 体的后部,当自由电子运动到阳极被吸收后,极间留下了阳离子。 . . ?在有空间电荷的情况下 所施加的电压具有‘无限’长周期的情况下,在电场中.电子雪崩所产生的带电粒子 四处飘荡,空间电荷会积累起来形成一个瞬间的或者稳定的空间电荷电场。若空间电荷 形成一个稳定的电场,这个电场和原来电场叠加形成一个畸变电场,那么在这种情况下 会产生一个完全不同的电离形式。在半球形阳极和平面阴极的放电结构中,当两极间距 保持不变的情况,最初能观测到的电离是稍有分歧的丝状线,即流光。流光的尺寸决定 流光电流的大小且成正比。最初观测到的是一个倾向于横向发展的未完全发展的流光。 随着电压的增加,流光更加频繁的出现,倾向于自持放电,直至这些瞬间状态全部停止 下来,而且一个稳定的辉光层形成在阳极表面,即电晕区们。 负电晕放电机理 当阴极和阳极分别是球状的针电极和金属板平面时,即阴极的曲率半径很小,阳极 几乎不起作用的情况下。 ?不存在空、日电荷的情况下 在针状电极上加个脉冲电压,这个电离过程不受任何空间电荷的影响,在平行于针 状电极的位置观测放电径迹,形状为羽毛状,强度从阴极到阳极逐渐减弱,并没有清晰 的边界。与正流光相比,羽毛状径迹的产生要在更高的电压下才起始,在相同电压下, 负电晕的放电径迹范围较小,与正流光相比羽毛放电径迹通道更宽些,但是放电的数目 东北师范大学博士学位论文 较少,不超过到个,而正流光可以达到?个分支。与正流光放电电离传播 相比,羽毛状放电的平面电极更早的参与放电。图卜描述了从羽毛状电晕放电到火花 放电的过程。 ?存在空间电荷的情况下 在外加稳定电压的情况下,两极间积累了空间电荷,和正电晕放电一样,会形成一 个畸变电场。当电极间电压逐渐增加的时候,可以测量到一个数量级为。的电流, 即饱和电流。当电流突然增加的时候,预示电离的形成,产生一个规则的电流脉冲,这 些电流脉冲被称为毛发状脉冲。 图击穿发展示意图 一个雪崩产生一个羽毛,雪崩中发射和吸收光子,并产生一些光电子 光电子在正向前运动的原始雪崩头部前面产生了一个雪崩 光电子产生一族新的雪崩的同时,老的雪崩继续前进 一个羽毛的顶端逼近了阳极平面,在那儿两个正流光都向着针阴极发射出来 图表明在不同的电晕放电中,起晕电压和电极间距的函数关系。最下面的曲线 是产生毛发状脉冲的起晕电压。它随着极日】距的变化并不明显,提高电压过程中,在相 当大的电压范围内电压的增加并不改变电晕的模式,当电压增加到一定程度的时候才出 现一个新的电晕模式,在这个模式下,有着稳定的电流,并且阴极处可以出现辉光。辉 东北师范大学博士学位论文 死丽百瓦百压并不固定,是一个变化的区域,辉光后出现火花放电训。 火花 ./ / ./ 霹光 、, 罗 ‖/ ?? 畜 翘 % 睬中 ‘ 勿 , ‖ 暗区 电离 , 一 一 间隙距离×~ 图主要阴极电晕模式和它们的区域 .带电粒子在气体中运动 ..带电粒子的热运动 在无电场的情况下,带电粒子的热运动与中性粒子的热运动一样并没有区别,带电 粒子在空气中的运动可以用平均自由程这个特征常数来描述。它们之间弹性碰撞频繁的 发生,带电粒子的自由程在相继两次碰幢之间变化非常大。所以我们选择平均自由程反 映着粒子间碰撞的几率。根据相关文献们,自由程的分布函数如下: ? 刀/为 刀为入射粒子在距离碰撞的粒子数,‰入射粒子数,入射粒子运动的距离,万粒 子的平均自由程。 根据式得到粒子按自由程分布如图所示。根据图只有占粒子数%的 粒子自由程大于平均自由程,非常少比例的粒子自由程大于倍平均自由程,可以忽略 自由程大于倍平均自由程的粒子数。 东北师范大学博士学位论文 图粒子按自由程的分布 ..带电粒子的扩散运动 空间浓度不均匀的情况下,浓度梯度的作用下,气体分子靠杂乱无章热运动 而导致 的扩散,叫扩散运动。带电粒子在气体中也存在这样的扩散运动。 表标准状况下一些离子的扩散系数 一/ 气体 正离子扩散系数 负离子扩散系数一 叫/ 叫/ . . . 空气 . . . . 氮 . . . 二氧化碳 . . . 氢 . . . 氧 实验研究表明:在相同条件下离子的扩散系数比中性粒子的扩散系数小得 多。表 给出了标准状况下一些离子的扩散系数。可见,上述几种气体的负离子的扩 散系数大于 正离子的扩散系数。 带电粒子的漂移运动 电离气体受到电场影响时,带电粒子的运动是电场力作用下的定向运动和无规则热 运动的叠加,与无规则的热运动有所不同。我们把这电场力作用下带电粒子的运动叫带 电粒子的漂移运动。在放电空间中,存在正带电粒子和负带电粒子,带正电的粒子和带 负电的粒子在电场力的作用下分别向负极移动和正极移动。这个过程中,电场中各种粒 子与带电粒子发生碰撞,会改变带电粒子的运动方向,也会使带电粒子损失能量,也就 是说带电粒子的运动速度会损失一部分。这个漂移速度是指电场方向上带电粒子的移动 速度,因为碰撞的影响,所以电场强度和气体介质的浓度决定着带电粒子的漂移速度。 东北师范大学博士学位论文 所以粒子的运动状态可以用单位电场强度作用下带电粒子的漂移速度来表征,即迁移率 ‖。单位为朋 ? 么 ,为真空中电场作用下带电粒子的速度,单位为;为电场强度,单位为。 在气体放电中存在正离子、负离子和自由电子,相同条件下,自由电子的迁移率是 离子迁移率的~倍。离子在均匀电场中的运动示意图如图卜所示。 图离子在均匀电场中的运动 根据图卜;我们知道离子与气体分子发生碰撞,两次碰撞之间,离子运动轨迹为 抛物线,很明显是无规则热运动和电场力叠加的结果。 离子迁移率是个常数,漂移速度与电场力成正比,与气压成反比。 由于电子本身的特性,电子漂移和离子漂移差别很大。首先,离子和电子的质量差 别导致电子的平均热运动速度要比离子和原子大很多。当自由电子与离子或原子等重粒 子发生碰撞时,每次碰撞以后自由电子只损失很小一部分能量,剩余能量很大。另外, 从电场中自由电子获得的能量远大于其热运动的能量,所以在电场中自由电子可以将运 动的能量积累起来。这样自由电子的漂移速度远大于离子的漂移速度,更远大于热运动 速度。另外,自由电子漂移时与周围粒子发生的碰撞,不能象离子那样把碰撞看成是刚 性球体之间的作用,所以自由电子的漂移相当复杂。 上面描述的离子漂移运动中,当气压不变时,电场强度与离子的漂移运动成 线形关 系,所以离子的漂移运动可以用迁移率这个常数来描述,但是对于自由电子来说,自由 电子的漂移速度只有电场强度很小的情况下才和电场强度成简单的线性关系。所以严格 来说电子的漂移运动并不能用迁移率来描述。,两种荷电形式则需要同时考虑‘砒?。 要形式;当粒子的粒径介于.. 另外,当电场强度很高时,便不能忽视自由电子的荷电,当速度极高的自由电子通 过电场时,在其通过的路径上一定会与极间的粉尘粒子碰撞而使粉尘带电,这便是电子 俘获荷电。电子俘获荷电与电子的分布和数目以及悬浮尘粒被电子击中的概率有关。而 且有些研究比较了自由电子和离子的荷电能力,指出自由电子的荷电能力更高?。 在上述荷电理论的基础上,形成了荷电方式判定公式: 卜 形。口/灯 在这里形为静电参数,。为所应用电场强度,。是气溶胶颗粒半径,电子电量, 是玻尔兹曼常数,为空气温度。当形远小于时,为扩散荷电,当形远大于时, 为电场荷科捌。公式也表明了荷电和粉尘粒径、温度、离子浓度以及电场强 度之间的关 系。 在不同的荷电方式的基础上,也形成了扩散荷电荷电量和电场荷电荷电量的 计算公 式胁如下: . 卜 / 壶‘南’ ,为电场荷电量,;占为粒子相对介电常数,一般粉尘占~;气为真空介电常 数; 为电场强度,/:口为时间常数,;为粒子在荷电场中的停留时间,:为 。 粉尘直径, 在静电除尘器中,通常粒子在电场中的停留时间远大于时间常数口,所以通 常假 东北师范大学博士学位论文 定粒子荷电很快就达到饱和荷电量,用下式表达饱和荷电量: 卜 . 死囊 扩散荷电荷电量的表达式如下:晶彤。』 ?嚣 。/;为绝对温度,; 吼为扩散荷电荷电量,;波尔兹曼常数,. 为电子电量,. 。。;成空间电荷体密度,/;“旋转气流的切向速度,/。 根据公式,可以看出来扩散荷电荷电量没有上限,海因里奇建议 用下式计算: 卜 ? 也有的学者给出了荷电量计算的经验公式: 卜 旨/ / 其余参数同上。 口为荷电量,。为离子浓度, ..荷电粒子的运动 在静电除尘器中,极间电场中的气流一般不大于/,微细粉尘通常处在区, 荷电粒子所受到的静电力是主要作用力,因此可以忽略重力作用和空气的浮 力作用,粒 子在电场中的运动速度称为趋进速度为: ? 彩/ 国为趋近速度,/:.为收尘电场强度,;为肯宁汉修正系数。 假如按饱和荷电量计算表达式如下: ‘ 卜 一 国? . 国一。 。 ’ 占 由此可见,粒子的趋进速度与粒子的粒径和电场场强的平方成正比,在单区静电除 尘器中,和。虽然有差异但是可以认为近似相等。 上述理论为不同结构的荷电装置或除尘器的荷电研究提供了理论基础‘删,并形成 了相应的荷电模型口吨们,这对电除尘器及荷电装置的改进与应用‘一提供了荷电理论依 据和参考价值。 .静电除尘器粉尘的捕集 在电场力的作用下尘粒荷电后向集尘极运动,到达集尘极表而后,在集尘极上交出 所带电荷并沉积下来,从而被捕集。除尘器的捕集效率是除尘器捕集的尘粒和进入除尘 器尘粒的比值,也称除尘效率。静电除尘器的捕集效率与电场强度、粒子性质、气体性 质、气流速度及除尘器的结构等因素有关。在进行除尘效率分析时往往要作 一系列的假东北师范大学博士学位论文 设,因为求取静电除尘器的捕集效率很难用严格的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 分析方法来求取,尽管这样会使 实际结果与分析的结果有较大的差异,但这在定性分析方面对静电除尘器的设计和改进 具有指导意义。 ..多依奇捕集效率方程 荷电粉尘的沉集决定了电除尘器的效率。由于荷电粉尘在静电除尘器中运动的复杂 性,所以粉尘粒子的沉集也十分复杂,而一般通过数学分析得到的静电除尘器的效率表 达式是在层流情况下得到的。 在线一筒式电除尘器中,忽略二次扬尘和电风等的影响,假设尘粒是球形的并在垂 直于气流的断面上粉尘密度处处相等,而且其粒径只有一种。参看图卜,在方向上 气流的运动速度为,,通道截面积为厂,单位长度集尘极面积为,彩为荷电粒子的驱 进速度,在距离粉尘入口处为的横截面上尘粒的密度为?。。则在微元距离上在 时间内在集尘极上沉降的尘粒重量为,而粉尘粒子质量在微元体积中的变化 为一,二者相等,所以得到下面的表达式 ? 又因为,.西,所以有 卜 .一上厶 竺出一坐/三 一傲一? .夕 ?, 图卜粉尘密度的计算 设电除尘器进口、出处的粉尘密度分别为和,除尘器的长度为,,则将式 积分后可得 争一黯 因此,。和?的关系为 东北币范大学博士学位论文 』置 卜 ? 所以距离电除尘器入口为处的粉尘密度为: 』约 卜 虬 最后,整理得到了除尘效率,的表达式: ? ?, 玎:业:.一号”:.一弓” 玎?二??二一”一。 。 ? 这就是著名的多依奇捕集效率公式,是年,德国人多依奇推导出来的,公式 表明电除尘器的效率随驱进速度和集尘面积的增大而提高。 ..粉尘粒子在集尘极不同位置处的沉降量 粉尘浓度沿轴线方向的分布符合式,所以集尘极上不同位置处粉尘粒子的 累计沉降量为: ? ?了 ??, , 则相对累计沉降量.在处的表达式如下: 竺 ?一二 .????????上一 ‘ 在除尘器出口,时,相对累计沉降量的表达式如下: 』约 卜 尸户 式与多依奇效率公式一致,也就是说在,处,相对累计沉降量为静电除尘 器的捕集效率。 根据式,可以得到粉尘相对沉降量在集尘极不同位置处的表达式如下: ? 朋:盟:竺予 融 务 不同风速下,电除尘器相对沉降量沿集尘极的分布曲线如图卜所示。 根据图,可见相对沉降量随集尘极坐标的增加而减小,同时可以看出静电 除尘器内风速较大的时候,相对沉降量随集尘极坐标的增加减小的较慢。东 北师范大学博士学位论文 ’ 一 蠢 ?. / 、; ., ?/ 一卜 ?,.啪 \ ? ? ~. \.? ?、 、~ ??竺’. 善《姗 图粉尘粒子相对沉降量随集尘极坐标分布曲线 .电除尘技术的研究现状 自年,科尔雷特在净化工业烟尘中使用静电收尘技术获得成功以 来,在钢铁?、水泥?‘、电厂以及小锅炉除尘等行业得到广泛应用与研究。学者 们已经在静电学、流体动力学、荷电机制和粒子动力学方面对其进行了研究?哪,逐渐 形成了现在电除尘的基本理论:电场分布、粒子的荷电与运动、粒子荷电量的测定、荷 电粒子的收集】。其中,粒子荷电、电场分布是研究内容的核心和重点。 ..有关电场分布的研究 有关电场分布的研究主要以理论研究为主,针对不同结构的电除尘器都有相关的理 论模型,其中,以线一筒式、线一板式和芒刺一板电极结构最具有代表性。 图线一簿式电除尘器的电场分析图 、 线一筒式电除尘器的电极结构最简单,所以可以得到非常精确的电场分布分析解。 图卜是线一筒式电除尘器分析图。在电晕放电的过程中,线一筒式电除尘器的极间存在 正负离子、自由电子、带电粉尘粒子等空间电荷。在有空间电荷影响下的电 场,利用泊 松方程来描述电场分布,经过整理后得到,电场强度的表达式如下:式中为电场强度,/;占。为真空介电常数,占. /.;为线电 极半径,;,.为极间某点到线电极中心线的距离,;为离子迁移率,常温下负电晕放 电中.父。/.;近似等于电晕区边缘强度,/;其表达式如下: 卜 . 撬 式中相对密度万按下式计算: 万:鲨 卜 珑 式中瓦为标准状态下绝对温度,;为标准状态下气体压力, .×尸口;为实际情况下气体绝对温度,;尸为实际情况下气体压力,尸口。 实际中电晕线表面粗糙度厂?.。 一等也匾.电晕缓 收:投 一卫一一 卜?一‘一’ 图 线一板式电除尘器的电场分析图 相对于线一筒式电除尘器,线一板式电除尘器的电场略复杂些,线一板式电除尘器的 电场分析图如图所示。 根据图中电力线的分布情况,可以知道在靠近收尘极的附近电场分布较均匀, 电晕线附近电场强度最高。沿着轴方向取图中所示的微元体。 根据高斯定理,最后推导出线一板式电除尘器电场强度的表达式如下: ? :,少:三坐【匕一上鱼三】冗 . 占。肋 其中,厶为通过集尘极板上的平均电流面密度,/;为极间距离,;是图 中的横坐标轴;是图中的纵坐标轴;为电晕线距离的一半,; 、占。与式 中符号含义一致。 东北师范大学博士学位论文 图线一板式电除尘器极间电场分析图 从上面的推导公式来看,线一板电除尘器极间电场分布与线电极的粗糙度无关。实 际上放电极表面的粗糙程度越高,电晕放电电流面密度越大。式卜中,电晕放电电流 面密度中包含了电晕线粗糙度的影响,这正是这个公式的优越性所在,因为电晕放电电 流面密度是一个非常容易测定的量。对于放电极表面粗糙、甚至有尖角的电晕线,只要 异极距大于芒刺的长度?的倍以上。就可用式卜近似计算电场强度的分 布。星形线、针刺线和锯齿线等都适用于式卜。 由 一 图长芒刺一板式电晕放电极间电场分析图 而对于角钢芒刺线和在高压极板上穿钢针等放电极。因为芒刺过长,用式卜会产 生一定的误差。根据分析线一板式电除尘器极间电场分析的思想,米分析长芒刺高压 平板上穿芒刺的放电极和平板接地极之间的电场强度分布,在图卜所示的长芒刺和 东北师范大学博士学位论文 接地极板间的电场中,电力线近似为圆锥分布,仿照线一板式电除尘器的分析方法,最 终得到长芒刺一板式电除尘器电场强度表达式如下: ? ,,.:卜夸生錾一享】三三鼻皇皇一一二 氕 然 比较式和,很容易证明长芒刺一板式静电除尘器的电场强度高于线一板式静 电除尘器的电场强度。因此,这也是长芒刺一板式静电除尘器的捕集效率高于线一板式静 电除尘器的捕集效率的原因。 在上述电场分布基本理论和研究方法的基础上,学者们不断完善传统电除尘器电场 分布理论,同时针对新出现的有关电除尘器的一些改进技术,分析了这些新技术的电场 分布情况,充实了电除尘器的基本理论,为电除尘器的进一步应用奠定了理论基础和增 加了应用实例。 孙飚等人的研究表明宽间距电除尘器电场强度和板处电流分布较均匀,对高比电阻 粉尘的净化有利,这是宽间距电除尘器的一个优势所在侧。陈旺生等人通过对泛比电阻 电除尘器极间电场的数理分析,导出了电场强度计算式。结果表明,泛比电阻电除尘器与 普通线一板式电除尘器相比,极间电场强度更高,且更均匀,所以适合用于收集泛比电阻 粉尘,尤其是高比电阻的粉尘,为泛比电阻电除尘器的优化设计和工业应用提供了理论 依据晦?。孙健等人的研究表明:理论上可以成数量级的提高电除尘器的电离占空比,这 预示着恰当的研究可以大幅度减少电除尘器重量、能耗及缩小其体积?。向晓东的研究 指出在线一板式电除尘器中,电场分布服从正态分布,并指出在非圆形断面电晕线和收 尘极板间,场强分布应服从高斯分布陆引。一些学者的研究指出了电除尘器 电场分布的计 算方法,主要利用泊松定理,电荷连续方程等基本公式的演变及结合放电极结构对电场 的分布做出定性以及定量的分析,主要涉及矢量场散度和标量场梯度的计算及高斯变换 等‘醐。电场的分布不仅涉及到气溶胶颗粒的趋进速度,而且涉及到气溶胶颗粒的荷电 方式,所以电场分布和除尘效率密切相关,分析电场分布就十分重要?。 目前,关于板式静电除尘器的电场强度分布只能用数值解法,而且求解过程也十分 繁杂。上面关于的电场强度分布的表达式是对静电除尘器理论的发展,对电除尘器的应 用和改进是十分有益的。尽管根据表达式得到的是近似解,但计算简便实用,而且在定 量分析电场中荷电粒子的运动的时候,其精度已经足够了。 ..宽间距电除尘器 针对各种实际需要,一些学者对电除尘进行了改进,研发出了多种新型的电除尘器 和预荷电器,例如:静电旋风除尘器汹耐, 电袋除尘器嘞喇,膜电除尘器?铂,静电水膜 除尘器等几种除尘技术相结合的除尘器他们的放电与荷电特性和传统静电除尘器是一 致的。 而宽间距电除尘器在改变电场分布的同时,更加注重在放电与荷电机制方面的改 进。年,德国人.研究宽间距电除尘器发现与传统板间距姗的电除尘器 东北师范大学博士学位论文 相比,板间距电除尘器除尘效率更高。此后,针对板间距大于时的电除尘器, 不少研究者进行了长期的研究工作。年,第二届国际电除尘器会议在日本京都召开, 经过各国学者讨论,最后,宽间距电除尘器的极板间距被定为旧。年,我国 宽间距电除尘器的研究才真正开始,此后,宽间距电除尘器在国内得到了广泛的应用 阳喵。宽间距电除尘器的机理有两方面:是随板间距的增大电除尘器近板处的场强和 粉尘驱进的速度增大;是随板间距的增大粉尘返流损失减小阿。贺克斌教授和郝吉 明院士的研究表明在极间平均场强一定的条件下,随板间距的增加平均空间电荷密度基 本保持不变,随板间距的增加平均自由离子密度增大,在宽间距情况下粉尘荷电状况明 显改善。另外,在宽间距电除尘器中近板电场强度和平均电场强度较高,所以电场荷电 方式得到了加强。在宽间距的基础上,一些学者对长芒刺宽间距静电除尘技 术进行了研 究,研究表明使用长芒刺放电极线,可以提高放电强度,强化粉尘粒子的荷电过程旧, 也有些学者对宽间距长芒刺电除尘器进行了优化陋以及电场分布口刊研究,为长芒刺 宽间距电除尘器应用上的改进提供理论基础。 ..窄脉冲放电在除尘领域的应用 宽间距电除尘器是通过增强电场强度,提高对粉尘的荷电,而窄脉冲电除尘器的荷 电主要以电子俘获荷电和扩散荷电为主扣,而且脉冲放电除尘器比传统静电除尘器更节 台匕 日匕 、 ? ?? 。 : 广 一 图正脉冲高压电源的电路原理示意图 图是正脉冲高压电源的电路原理示意图,是由直流高压电源、电容、谐振线 圈、二极管、旋转火花隙和电晕放电反应器等组成的电路。如图卜所示,当 旋转火 花隙:导通时,,断开,电容:向电晕放电反应器放电。当火花隙旋转到下一 个周期时,。导通时,:断开,此时电容。通过由二极管和谐振线圈给电容 :充电。然后继续重复上一个过程,使电晕放电反应器发生脉冲电晕放电。用负直流高 压电源代替正直流高压电源,并将二极管反向时,图卜就变为负脉冲高压电源的 电路原理示意图。东北师范大学博士学位论文 脉冲放电技术在脱硫哪、脱硝喁卜、粉尘荷电中都有应用。蔡灏兢等人通过建立 脉冲电晕放电场中颗粒的荷电速率模型的研究表明:粉尘在窄脉冲放电中荷电很快,接 近饱和荷电量所需的时间很短,且荷电量是直流电晕放电荷电量的倍呻。姜雨泽等人 的研究表明:在脉冲放电期内,电子运动速度快,具有的能量远大于离子,所以荷电为 电子俘获荷电,而离子基本不动,仍保持热平衡状态,离子荷电可以不考虑;脉冲期过 后,数量上正离子多于负离子,负离子被迅速复合,这时候正离子荷电成为主导哺。翟 景升、许德玄等人研究表明:脉冲流注电晕放电会造成脱硫段电晕极肥大,但在一定程 度上由于电晕极肥大而引起的除尘和脱硫效率的下降也可以因其得到改善 嘲。宁成等人 的研究指出在不击穿的情况下,为增大脉冲电压