高比阻荷電粉塵反電暈現(xiàn)象的機(jī)理分析

，

(1.滁州學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

在工業(yè)除塵設(shè)備中，電除塵器都采用高壓直流供電，當(dāng)粉塵顆粒為高比電阻的粉塵進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)荷電后到達(dá)正電的收塵極板時(shí)，高比電阻很難釋放自身所帶負(fù)電荷[1]，隨著越來(lái)越多的粉塵到達(dá)收塵極板，使負(fù)電粉塵層吸附在收塵極板而不易被振打裝置清除，最終形成反電暈現(xiàn)象。反電暈現(xiàn)象會(huì)造成高壓供電電流不斷波動(dòng)、影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、降低除塵效率等危害。

因此研究反電暈現(xiàn)象機(jī)理，可以尋找有效的抑制措施，提高電除塵器的除塵效率。一般分析反電暈現(xiàn)象是從高比電阻的粉塵荷電釋放電荷速度方面進(jìn)行研究，但對(duì)荷電粉塵的動(dòng)力學(xué)的研究也是十分必要的。

1 荷電粉塵運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律

一般來(lái)說(shuō)，氣載粉塵顆粒的粒徑從0.001-500 um，大部分粒徑為0.1-10 um。粒徑小于0.1 um的塵粒其運(yùn)動(dòng)類似于分子，由于分子的相撞擊而產(chǎn)生很不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粉塵處在除塵器的電場(chǎng)時(shí)，氣體電離的電子與粉塵顆粒不斷的碰撞，粉塵被荷電，平衡電荷表達(dá)式為[2]；

(1)

式中Qn為平衡電荷；Er為電場(chǎng)強(qiáng)度；dD為粒子直徑；ε0為真空介電常數(shù)；εr為空氣相對(duì)介電常數(shù)。

荷電后的粉塵顆粒將向正電的收塵極板運(yùn)動(dòng)，粉塵層的放電表達(dá)式為：

(2)

1)粉塵比電阻越大則放電時(shí)間越慢；

2)式(1)與(2)相比，沒(méi)有時(shí)間因子，因此可以認(rèn)為，粉塵荷電的速度非?？煲灾驴梢院雎院呻姇r(shí)間。

同時(shí)，再假定在除塵器的電場(chǎng)空間里電荷(荷電粉塵)的供給基本上是不受限制的。由于粉塵的荷電速度遠(yuǎn)大于放電速度，因此將形成粉塵堆積從而形成堆積層勢(shì)壘，很明顯，勢(shì)壘的形成將會(huì)影響荷電粉塵的行為，形成空間電荷效應(yīng)，從而影響后續(xù)荷電粉塵的行為，處在電場(chǎng)間隙中流動(dòng)的荷電粉塵束流大小決定于間隙間荷電粉塵的空間電荷引起的等勢(shì)面部分改變的情況。下面先簡(jiǎn)單定性分析由于空間電荷效應(yīng)對(duì)電極間荷電粉塵行為的影響。

假設(shè)荷電粉塵均勻覆蓋整個(gè)收集板(陽(yáng)極)表面，間隙間電勢(shì)變化的演變過(guò)程如圖1所示[3]：

圖1 間隙間電勢(shì)變化的演變過(guò)程

圖中L為電極等效間距，K、A分別為除塵電極的陽(yáng)極和陰極。起初，間隙內(nèi)沒(méi)有荷電粉塵，陰極與陽(yáng)極間電勢(shì)變化與間隙的距離成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系(曲線1，φ0為工作電壓)，當(dāng)帶負(fù)電的荷電粉塵進(jìn)入間隙后，所有點(diǎn)的電位均被降低(曲線2)，當(dāng)間隙內(nèi)進(jìn)入荷電粉塵的數(shù)量持續(xù)增多時(shí)，陽(yáng)極(集塵極)表面外會(huì)形成一個(gè)電勢(shì)極小值φm(曲線3)，半陽(yáng)極表面聚集大量起始能量大于勢(shì)壘最大高度(由于荷電粉塵的性質(zhì)和熱分布)的荷電粉塵，最終形成的過(guò)程表現(xiàn)為：向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的荷電粉塵大部分電子均被勢(shì)壘(曲線4)反射到陰極附近，因而勢(shì)壘破壞，然后上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，間隙間粒子群聚現(xiàn)象由此產(chǎn)生。根據(jù)重復(fù)過(guò)程周期時(shí)間的長(zhǎng)短，宏觀電流表現(xiàn)為不同的特性。當(dāng)周期較短時(shí)，觀測(cè)到的宏觀電流表現(xiàn)為一定的平均束流(空間電荷限制的束流)，當(dāng)周期較長(zhǎng)時(shí)，特別地，當(dāng)電勢(shì)極小值(曲線4)持續(xù)的時(shí)間相對(duì)于中間電勢(shì)較長(zhǎng)時(shí)，則宏觀電流表現(xiàn)為間歇振蕩狀態(tài)，其在最大值與最小值滯留時(shí)間顯然是受到電壓以及荷電粉塵的性質(zhì)控制的。

2 荷電粉塵運(yùn)動(dòng)方式

以上定性分析了電壓以及荷電粉塵的性質(zhì)引起間隙內(nèi)粒子的群聚和間歇震蕩?，F(xiàn)假設(shè)有兩個(gè)無(wú)窮大平行導(dǎo)體壁，它們之間存在一個(gè)密度為-ρ的無(wú)限薄半徑為a的圓電荷層，如圖2所示，不考慮重力對(duì)荷電粉塵的影響以及粉塵間熱運(yùn)動(dòng)形成的碰撞，從而導(dǎo)出粒子群聚的時(shí)間行為。

假定荷電粉塵薄層電荷為-ρ，這樣以電荷層為界，兩個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)可分別表示為

(3)

和

(4)

圖2 位于平行導(dǎo)體壁之間無(wú)限薄電荷層模型

如果用M表示每單位面積的電荷層質(zhì)量，考慮到a≥z的一維情況(即電荷層的面積足夠大和僅沿Z軸運(yùn)動(dòng))，則一處在z1≤z≤L荷電為ρ1電荷層非相對(duì)論性的運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

利用初始條件和邊界條件可解出方程的解為

(6)

式中V0為電荷層的初速度，ω由下式給出

(7)

可以看出，薄電荷層的運(yùn)動(dòng)特性與ω相關(guān)，而ω與荷電粉塵的質(zhì)量、電荷數(shù)量等有關(guān)。同時(shí)，從式(6)可知，當(dāng)V0/ω=L/2時(shí)，即使t趨近無(wú)窮大，電荷層的運(yùn)動(dòng)軌跡Z存在一個(gè)不為零的極限值L/2，說(shuō)明此時(shí)電荷層出現(xiàn)反射，荷電粉塵無(wú)法達(dá)到陽(yáng)極，電荷層這種行為可以看成是由于空間電荷效應(yīng)導(dǎo)致的電流振蕩現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，以上僅僅以單電荷層討論其運(yùn)動(dòng)行為，實(shí)際上在電極間隙中，這種由于荷電粉塵群聚而成的電荷層有多個(gè)，電荷層之間的相干性會(huì)導(dǎo)致ω的值動(dòng)態(tài)變化，電流的振蕩由此產(chǎn)生。對(duì)于荷電粉塵群聚而成的電荷層的時(shí)間行為異常復(fù)雜，即使是最簡(jiǎn)單的電荷層模型都不可能給出解析結(jié)果，但多粒子數(shù)值模擬顯示，當(dāng)入射束流超過(guò)空間電荷極限時(shí)，其產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)的振蕩行為[7]。

3 反電暈現(xiàn)象的形成

荷電粉塵的性質(zhì)主要是表現(xiàn)在粉塵的比電阻，它主要由容積比電阻和表面比電阻并聯(lián)；粉塵的比電阻表達(dá)式為：

(8)

其等效圖如圖3，電場(chǎng)等效電容為Cg；電場(chǎng)等效電阻Rg；粉塵層等效的電容為Cd；粉塵層等效電阻Rd?？傮w等效成電容C和電阻R的并聯(lián)[8]。

圖3 電除塵器物理等效圖

由圖3可知，附著在收塵極上的粉塵存在一個(gè)等效的RC放電回路，其放電時(shí)間取決于由RC決定的時(shí)間常數(shù)。粉塵比電阻的大小會(huì)直接影響到除塵的效果，高比電阻的導(dǎo)電率低，不容易在收塵極釋放電荷，其對(duì)除塵效果的影響較低比電阻更為普遍、突出[9]。當(dāng)?shù)谝粚拥母弑入娮柽€沒(méi)有將電荷釋放時(shí)，按之前的分析可見(jiàn)，由于空間電荷效應(yīng)，第一層對(duì)收塵極的阻擋使下一層的高比電阻很難將電荷釋放，并且被堆積和反射形成間歇振蕩?？芍蹓m的比電阻越高，極板上粉塵層的電壓降就會(huì)很大，間歇振蕩形成的粉塵表面電位就越高，出現(xiàn)在除塵電場(chǎng)中的粉塵層的附加電場(chǎng)強(qiáng)度就越高，除塵電場(chǎng)將因此被減弱甚至被屏蔽。最終，當(dāng)粉塵層中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于其臨界值時(shí)，粉塵層局部被絕緣擊穿，大量的正離子朝著電暈的電極被釋放，從而產(chǎn)生反電暈的放電現(xiàn)象，造成反電暈的危害。反電暈發(fā)生需要滿足以下公式的條件[10]：

E=ρL·J≥Ecr

(9)

式中E為粉塵層的場(chǎng)強(qiáng)；ρt為粉塵的比電阻；J為粉塵層的電流密度；Ecr為粉塵層氣隙的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。

常規(guī)的除塵設(shè)備供電電流密度約為J=0.10.5mA/m2，粉塵層的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為812kV/cm，將數(shù)據(jù)帶入由(9)的公式可得到

(10)

如果當(dāng)粉塵的比電阻為ρt=2×1011Ω·cm，粉塵層的放電時(shí)間常數(shù)為T(mén)d≈0.054s=54ms，現(xiàn)有的供電電源除塵器的直流都是在工頻網(wǎng)電下升壓經(jīng)硅整流變壓器整流的，其供電電源的充電時(shí)間大約為10ms，小于粉塵層的時(shí)間常數(shù)，致使粉塵層表面的電荷在下一次供電電源充電時(shí)只有很少的一部分被泄放，這樣粉塵層表面泄放不掉的電荷隨著供電電源的反復(fù)充電下，電位不斷的升高，最終達(dá)到了粉塵擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)生反電暈的現(xiàn)象，實(shí)際中當(dāng)ρt>5×1010cm時(shí)，就可觀測(cè)這種現(xiàn)象的發(fā)生了。

綜上所述，要消除反電暈現(xiàn)象只有使得供電電源的充電周期要小于Td，同時(shí)粉塵層表面的電荷要有放電的回路和充分的時(shí)間放電，也就是供電電源的波形占空比較小，粉塵層上就不會(huì)有很多電荷積累，抑制了反電暈的產(chǎn)生。脈沖電源可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)脈沖電源的充電周期，使之遠(yuǎn)小于粉塵層的時(shí)間常數(shù)，這樣荷電粉塵可以有充裕的時(shí)間通過(guò)如圖3所示的回路放電。所以，當(dāng)粉塵的比電阻為高比電阻時(shí)，脈沖電源能夠很好的抑制反電暈。針對(duì)通常已經(jīng)投入使用的靜電除塵裝置，由于同時(shí)存在不同阻比的粉塵，在兼顧高阻比粉塵除塵的時(shí)候，同時(shí)低阻比粉塵也應(yīng)該被去除，因此，在原高壓直流基礎(chǔ)上疊加一個(gè)幅值及脈寬都可調(diào)的脈沖，從而起到二者兼顧的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

由式(6)可知，荷電粉塵由于空間電荷效應(yīng)，在電場(chǎng)中的會(huì)發(fā)生群聚現(xiàn)象，從而發(fā)生堆積、反射和振蕩行為，這種情況在高阻比荷電粉塵時(shí)更嚴(yán)重，造成反電暈現(xiàn)象，導(dǎo)致粉塵層的擊穿，降低除塵效率，脈沖電源由于占空比較小，這樣粉塵層上就不會(huì)有很多電荷積累，抑制了反電暈的產(chǎn)生，有效提高除塵效率。