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【摘 要】 随着我国工业锅炉烟尘排放标准的逐渐严格以及对大气中可吸人颗粒物排放控制的日益重视，传统的旋风除尘器已无法适应烟尘排放控制的要求，所以，近年来，国内一些学者对静电旋风除尘机理和除尘器性能进行了研究，本文通过理论结合试验的方法，对此展开了相关的探析。
【关键词】 静电旋风除尘器；除尘；性能
引言：
如何提高旋风除尘器的除尘效率，一直是人们关注、研究的重点.以旋风除尘器外筒体作为集尘极，并在筒体内布置电晕极，由此在旋风除尘器中附加一个高压静电场，构成综合离心分离和静电分离作用的静电旋风除尘器，在对旋风除尘器结构不作大的改动前提下，可以显著改善其除尘性能.近年来，在除尘设备的研究领域中，出现了一些新型的除尘设备，如静电水滴湿式的除尘器、静电袋滤式的除尘器等，而静电旋风除尘器是试图将静电力与离心力结合，在旋风除尘器进行捕集粗大颗粒的基础上，更多地捕集细小的粉尘，因其结构简单、造价低廉，所以在我国目前的经济条件下，具有较高的实用价值，是一种很有发展前途的除尘设备。本文对静电旋风除尘器中，离心和静电分离的综合作用进行了分析研究，其结果对于静电旋风除尘器的设计与应用有着非常重要的指导意义。
一、理论分析
在静电旋风除尘器电晕极和外筒体（集尘极）之间施加足够髙的直流电压，电晕极表面附近的气体在电晕极和集尘极之间强大电场的作用下发生电离，出现电晕放电而产生大量的正离子和自由电子，大部分正离子在电晕极附近被其吸引而中和，而自由电子则在电场力的作用下向着集尘极方向运动，从而充满除尘器整个电场空间。当旋转含尘的气流进人该电场区域时，所携带的灰粒叶能与自由电子直接发生碰撞而荷电；而自由电子也可能被气体分子（如烟气中的氧气，二氧化碳二氧化硫和水蒸气等）所吸附，并使之电离而产生负离子，灰粒又与该类负离子发生碰撞而荷电（如上图）。所以，在静电旋风除尘器的电场区域中，灰粒随气流作旋转运动时，同时受到离心力、电场力、气体黏性的阻力以及重力的作用。灰粒在离心力和电场力的共同作用下，逐渐被甩向外筒体的内壁面，同时，在重力的作用下沿着壁面旋转下落进入灰斗。
参照离心除尘平衡轨道的理论，在静电旋风除尘器旋风筒电场的区域中，粒径大于某一临界粒径的灰粒所受的离心力和电场力的综合作用力是大于气体的黏性阻力的，所以，将向外运动，并撞击除尘器筒体内壁而落人灰斗，实现与气流的分离；而粒径小于该临界粒径的细微灰粒，则由于综合作用小而随着向内的涡旋气流进人内涡旋，通过排气管排出除尘器。对于那些粒径等于该临界粒径的灰粒，作用于其上的离心力、电场力以及黏性阻力达到一个平衡的状态，灰粒将会在静电旋风除尘器的电场区域的平衡轨道中圆周运动，这个平衡轨道往往被认为是排气管下端的，由烟气流的最大切向速度点连接起来的假想圆筒。
在相同的切向速度下，筒体直径愈小，离心力愈大，除尘效率愈高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降；
锥体适当加长，对提高除尘效率有利；
排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高；直径太小，压力降增加，一般取排出管直径de=（0.6～0.8）D；
特征长度（naturallength）-亚历山大公式：
排气管的下部至气流下降的最低点的距离
旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于5倍的筒体直径为宜。
（3）运行系统的密闭性，尤其是除尘器下部的严密性：特别重要，运行中要特别注意。
在不漏风的情况下进行正常排灰
烟尘的物理性质
气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度
（5）操作变量
提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善；入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降；效率最高时的入口速度，一般在10～25m/s范围。
二、实验装置与测试方法
实验装置主体的切向折返式旋风器筒体采用2mm厚的钢板制成，外筒的直径为400mm，筒体的高为600mm，切向入口的高度为150mm，宽度为100mm。其中，排气管采用的是聚氯乙烯塑料管，筒体顶盖采用的是6mm厚的电木板，以提高绝缘性。电晕极用直径为1mm的钢丝制做，沿壁面布置六根，其布置方式及尺寸参见图1。
整个的测试系统以下三个部分组成：
1.发尘与排风系统。发尘所采用的是气溶胶振动离心式发尘器。所采用的是滑石粉，密度为2700kg/m3，介電常数为6.0；分散度用SA-CP2型的离心式粒度分布测定仪进行测定，其分散度见表1所示。
2.粉尘的荷电系统。采用筒体内悬挂的电晕线电晕放电来完成荷电。所用的直流高压电源由型号为CGD的尘源控制电源提供，该电源额定电压为100kV，额定电流10mA。
3.测试系统。采用Y-61型倾斜式压差计测定除尘器的阻力。通过测定入口管与出口管处的动压，推算出各管路中的风速。粉尘采样米用等速米样法测定，采样时间为5min，收尘效率采用滤膜称重法，采用TG328A型电光分析天平，分级效率根据进口及出口中的粉尘分布求得。
三、实验结果与分析
实验的目的是为了掌握此种静电旋风除尘器的除尘性能，确定决定其性能的主要操作因素，找出其最佳的工况参数。此种电晕线布置的伏安特性曲线如图2所示，其起晕电压为10kV，击穿电压为30kV。
1.总除尘效率与电场电压的关系
实验在保持发尘浓度和入口风速不变的情况下，逐渐将电压由0kV升至25kV，测得每种电压下的除尘效率。然后变换入口风速，重复四组数据。实验结果如图3、4所示。
上图实验的结果表明，在同一风速下，电压升得越高，其除尘的效率越高，这在低风速的情况下尤其明显，与前面的理论分析以及实验结论是一样的。电场电压的升高，会提高筒内的电场强度，使达到饱和荷电的粒子增多，也增大了饱和粒子受的电场力，这样由静电作用引起的分离速度越大。所以，提高电场的电压有利于提高除尘器的除尘效率。另外，我们还可以根据实验结果看出，当电压为5kV时，对于风速为3.4m/s的曲线，其效率的提高辐度很小。但当提高到10kV时，其有较大辐度提升。说明，当电压低于10kV的时候，电晕极不能起到晕放电或放电的程度太弱，因为粉尘的荷电量太小小，其所受的电场力也太小，导致静电力作用小。当电压大于10kV的时候，电晕放电才开始，粒子受到的电场力也开始增大，推动粉尘向筒壁移动，提高除尘效率。 2.除尘效率与入口风速的关系。在保持入口的浓度与施加电压不变的情况下，逐渐增大入口的风速，将调节的范围控制为2～15m/s，测得每一点的風速情况下的不同除尘效率。然后改变电压，重复试验5次。结果见下图。
由图可知，当不加高压的电场时，除尘效率的特性与一般的旋风器一样，但除尘的效率会随着风速的增大而增大，最后，趋于一个稳定的值；当施加高压之后，除尘的效率会随着风速的增大而有所下降，但下降辐度较小，在风速为16m/s时，除尘效率几乎与不加电压时一样。
3.除尘效率与粉尘入口的浓度的关系。实验结果如图6。由图可知，随着入口浓度的增大，除尘的效率只是稍有提高，因为浓度提高，粉尘的间接触、碰撞机会就会增多，加强了电场的凝并作用，将微小的粒子凝聚成了大粒径的粉尘，所以更容易捕集，从而提高了除尘效率。
4.粉尘比电阻对除尘效率的影响。为了验证这类静电旋风器对粉尘比电阻的适应能力，试验采用了两种粉尘进行试验。一种是滑石粉，真密度2700kg/m3，比电阻值为4.6x1011；另一种是铁矿石粉，真密度为3110kg/m3，其比电阻值为2.3x108。在0kV和25kV这两种条件下分别对其的除尘效率进行测定，实验结果见图8。
由图可知，不加电压的时候，这两种粉尘的除尘效率都是随着风速的提高而提高，但是，铁矿石粉的效率却明显高过滑石粉，因为铁矿石粉的密度较大，所受的离心作用也大，在25kV高压之后，两个的除尘效率都有明显提高，铁矿石粉甚至在低风速的时候，效率达95%以上。
四、结论
在保证足够停留时间的条件下，静电旋风除尘器能在不增加系统的阻力的情况下明显提高除尘效率，有很强的实用价值。这种静电旋风除尘器的模型在小于16m/s的风速范围内，都可以保持较高的除尘效率。并且风速越低，其除尘的效率就越高。同时，在气体负荷有变动的情况下，依然保持较高除尘效率，所以，非常适合工业窑炉以及民用锅炉等。
影响除尘效率的比较大的因素是入口风速以及施加的电压，其余的影响较小。从实验结果中可知，因为旋转的气流作用，筒壁基本不会积灰，且当入口的风速增加后，优势更加明显，还可以省去清灰的装置。
参考文献：
[1]陈明绍：《除尘技术的基本理论与应用》，中囯建筑工业出版社，1S1
[2]魏名山，马朝臣.利用静电旋风除尘器捕集亚微米粒子的研究[J].环境工程，1999，17（6）：36-38.
[3]郝吉明，马广大，俞珂等.大气污染控制工程1M1.北京：髙等教育出版社，1989，197-198.
[4]马其良，赵在三，杨祖毛.旋风除尘器内锥形扩口芯管对其性能的影响分析和实验研究m.上海理工大学学报，1998’20（1）：38-41.
[5]张吉光、叶龙：计算粒子在旋风除尘器内平均停留时间的新方法，《青岛建筑工学院学报》，1S90.3
【关键词】 静电旋风除尘器；除尘；性能
引言：
如何提高旋风除尘器的除尘效率，一直是人们关注、研究的重点.以旋风除尘器外筒体作为集尘极，并在筒体内布置电晕极，由此在旋风除尘器中附加一个高压静电场，构成综合离心分离和静电分离作用的静电旋风除尘器，在对旋风除尘器结构不作大的改动前提下，可以显著改善其除尘性能.近年来，在除尘设备的研究领域中，出现了一些新型的除尘设备，如静电水滴湿式的除尘器、静电袋滤式的除尘器等，而静电旋风除尘器是试图将静电力与离心力结合，在旋风除尘器进行捕集粗大颗粒的基础上，更多地捕集细小的粉尘，因其结构简单、造价低廉，所以在我国目前的经济条件下，具有较高的实用价值，是一种很有发展前途的除尘设备。本文对静电旋风除尘器中，离心和静电分离的综合作用进行了分析研究，其结果对于静电旋风除尘器的设计与应用有着非常重要的指导意义。
一、理论分析
在静电旋风除尘器电晕极和外筒体（集尘极）之间施加足够髙的直流电压，电晕极表面附近的气体在电晕极和集尘极之间强大电场的作用下发生电离，出现电晕放电而产生大量的正离子和自由电子，大部分正离子在电晕极附近被其吸引而中和，而自由电子则在电场力的作用下向着集尘极方向运动，从而充满除尘器整个电场空间。当旋转含尘的气流进人该电场区域时，所携带的灰粒叶能与自由电子直接发生碰撞而荷电；而自由电子也可能被气体分子（如烟气中的氧气，二氧化碳二氧化硫和水蒸气等）所吸附，并使之电离而产生负离子，灰粒又与该类负离子发生碰撞而荷电（如上图）。所以，在静电旋风除尘器的电场区域中，灰粒随气流作旋转运动时，同时受到离心力、电场力、气体黏性的阻力以及重力的作用。灰粒在离心力和电场力的共同作用下，逐渐被甩向外筒体的内壁面，同时，在重力的作用下沿着壁面旋转下落进入灰斗。
参照离心除尘平衡轨道的理论，在静电旋风除尘器旋风筒电场的区域中，粒径大于某一临界粒径的灰粒所受的离心力和电场力的综合作用力是大于气体的黏性阻力的，所以，将向外运动，并撞击除尘器筒体内壁而落人灰斗，实现与气流的分离；而粒径小于该临界粒径的细微灰粒，则由于综合作用小而随着向内的涡旋气流进人内涡旋，通过排气管排出除尘器。对于那些粒径等于该临界粒径的灰粒，作用于其上的离心力、电场力以及黏性阻力达到一个平衡的状态，灰粒将会在静电旋风除尘器的电场区域的平衡轨道中圆周运动，这个平衡轨道往往被认为是排气管下端的，由烟气流的最大切向速度点连接起来的假想圆筒。
在相同的切向速度下，筒体直径愈小，离心力愈大，除尘效率愈高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降；
锥体适当加长，对提高除尘效率有利；
排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高；直径太小，压力降增加，一般取排出管直径de=（0.6～0.8）D；
特征长度（naturallength）-亚历山大公式：
排气管的下部至气流下降的最低点的距离
旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于5倍的筒体直径为宜。
（3）运行系统的密闭性，尤其是除尘器下部的严密性：特别重要，运行中要特别注意。
在不漏风的情况下进行正常排灰
烟尘的物理性质
气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度
（5）操作变量
提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善；入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降；效率最高时的入口速度，一般在10～25m/s范围。
二、实验装置与测试方法
实验装置主体的切向折返式旋风器筒体采用2mm厚的钢板制成，外筒的直径为400mm，筒体的高为600mm，切向入口的高度为150mm，宽度为100mm。其中，排气管采用的是聚氯乙烯塑料管，筒体顶盖采用的是6mm厚的电木板，以提高绝缘性。电晕极用直径为1mm的钢丝制做，沿壁面布置六根，其布置方式及尺寸参见图1。
整个的测试系统以下三个部分组成：
1.发尘与排风系统。发尘所采用的是气溶胶振动离心式发尘器。所采用的是滑石粉，密度为2700kg/m3，介電常数为6.0；分散度用SA-CP2型的离心式粒度分布测定仪进行测定，其分散度见表1所示。
2.粉尘的荷电系统。采用筒体内悬挂的电晕线电晕放电来完成荷电。所用的直流高压电源由型号为CGD的尘源控制电源提供，该电源额定电压为100kV，额定电流10mA。
3.测试系统。采用Y-61型倾斜式压差计测定除尘器的阻力。通过测定入口管与出口管处的动压，推算出各管路中的风速。粉尘采样米用等速米样法测定，采样时间为5min，收尘效率采用滤膜称重法，采用TG328A型电光分析天平，分级效率根据进口及出口中的粉尘分布求得。
三、实验结果与分析
实验的目的是为了掌握此种静电旋风除尘器的除尘性能，确定决定其性能的主要操作因素，找出其最佳的工况参数。此种电晕线布置的伏安特性曲线如图2所示，其起晕电压为10kV，击穿电压为30kV。
1.总除尘效率与电场电压的关系
实验在保持发尘浓度和入口风速不变的情况下，逐渐将电压由0kV升至25kV，测得每种电压下的除尘效率。然后变换入口风速，重复四组数据。实验结果如图3、4所示。
上图实验的结果表明，在同一风速下，电压升得越高，其除尘的效率越高，这在低风速的情况下尤其明显，与前面的理论分析以及实验结论是一样的。电场电压的升高，会提高筒内的电场强度，使达到饱和荷电的粒子增多，也增大了饱和粒子受的电场力，这样由静电作用引起的分离速度越大。所以，提高电场的电压有利于提高除尘器的除尘效率。另外，我们还可以根据实验结果看出，当电压为5kV时，对于风速为3.4m/s的曲线，其效率的提高辐度很小。但当提高到10kV时，其有较大辐度提升。说明，当电压低于10kV的时候，电晕极不能起到晕放电或放电的程度太弱，因为粉尘的荷电量太小小，其所受的电场力也太小，导致静电力作用小。当电压大于10kV的时候，电晕放电才开始，粒子受到的电场力也开始增大，推动粉尘向筒壁移动，提高除尘效率。 2.除尘效率与入口风速的关系。在保持入口的浓度与施加电压不变的情况下，逐渐增大入口的风速，将调节的范围控制为2～15m/s，测得每一点的風速情况下的不同除尘效率。然后改变电压，重复试验5次。结果见下图。
由图可知，当不加高压的电场时，除尘效率的特性与一般的旋风器一样，但除尘的效率会随着风速的增大而增大，最后，趋于一个稳定的值；当施加高压之后，除尘的效率会随着风速的增大而有所下降，但下降辐度较小，在风速为16m/s时，除尘效率几乎与不加电压时一样。
3.除尘效率与粉尘入口的浓度的关系。实验结果如图6。由图可知，随着入口浓度的增大，除尘的效率只是稍有提高，因为浓度提高，粉尘的间接触、碰撞机会就会增多，加强了电场的凝并作用，将微小的粒子凝聚成了大粒径的粉尘，所以更容易捕集，从而提高了除尘效率。
4.粉尘比电阻对除尘效率的影响。为了验证这类静电旋风器对粉尘比电阻的适应能力，试验采用了两种粉尘进行试验。一种是滑石粉，真密度2700kg/m3，比电阻值为4.6x1011；另一种是铁矿石粉，真密度为3110kg/m3，其比电阻值为2.3x108。在0kV和25kV这两种条件下分别对其的除尘效率进行测定，实验结果见图8。
由图可知，不加电压的时候，这两种粉尘的除尘效率都是随着风速的提高而提高，但是，铁矿石粉的效率却明显高过滑石粉，因为铁矿石粉的密度较大，所受的离心作用也大，在25kV高压之后，两个的除尘效率都有明显提高，铁矿石粉甚至在低风速的时候，效率达95%以上。
四、结论
在保证足够停留时间的条件下，静电旋风除尘器能在不增加系统的阻力的情况下明显提高除尘效率，有很强的实用价值。这种静电旋风除尘器的模型在小于16m/s的风速范围内，都可以保持较高的除尘效率。并且风速越低，其除尘的效率就越高。同时，在气体负荷有变动的情况下，依然保持较高除尘效率，所以，非常适合工业窑炉以及民用锅炉等。
影响除尘效率的比较大的因素是入口风速以及施加的电压，其余的影响较小。从实验结果中可知，因为旋转的气流作用，筒壁基本不会积灰，且当入口的风速增加后，优势更加明显，还可以省去清灰的装置。
参考文献：
[1]陈明绍：《除尘技术的基本理论与应用》，中囯建筑工业出版社，1S1
[2]魏名山，马朝臣.利用静电旋风除尘器捕集亚微米粒子的研究[J].环境工程，1999，17（6）：36-38.
[3]郝吉明，马广大，俞珂等.大气污染控制工程1M1.北京：髙等教育出版社，1989，197-198.
[4]马其良，赵在三，杨祖毛.旋风除尘器内锥形扩口芯管对其性能的影响分析和实验研究m.上海理工大学学报，1998’20（1）：38-41.
[5]张吉光、叶龙：计算粒子在旋风除尘器内平均停留时间的新方法，《青岛建筑工学院学报》，1S90.3