荷电水雾除尘器的机理研究
摘要:荷电水雾除尘技术是一种新型的除尘技术。本文介绍了荷电水雾除尘器的工作原理，着重分析了其对静电除尘器及湿式除尘器缺点的克服，以及荷电水雾除尘器的性能特点与存在的不足之处。
1 引言
粉尘的粒径越小，越不容易沉降，且会长期漂浮在空气中，危害人体健康。一般情况下，粒径＞100μm的尘粒很快会在大气中沉降；粒径＞10μm的尘粒会滞留在呼吸道中；粒径为5～10μm的尘粒大部分会沉积在呼吸道中，被分泌的粘液吸附，可以随痰排出；粒径＜5μm的微粒能深入肺部，引起各种尘肺病。
粒径较大的粒尘可以采用沉降法去除，但粒径较小的粒尘则不易被去除。由于以往用的机械除尘器、湿式除尘器、电除尘器存在种种的弊端，因此荷电水雾除尘器应运而生。
2 荷电水雾除尘器的工作原理
荷电水雾除尘器是在克服静电除尘及喷水除尘弊端的基础上发展起来的。和普通除尘器一样，其工作原理涉及悬浮粒子荷电、带电粒子在电场里迁移和捕集，以及将捕集物从集尘器表面上清除三个基本过程。其工作过程是：先用雾化器将水雾化，使其充满除尘器本体（如图1a所示），然后通过电晕放电使水雾荷电，尘气进入荷电水雾区后，处于水雾粒子的包围之中（如图1b所示），尘粒只要接触水雾粒子的球形电场即被吸附并沉降至输送皮带表面上使物料表面湿润（如图1c所示）。荷电水雾除尘器的结构如图2所示。
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2.1 电晕放电
2.1.1 电晕放电机理
电晕电极为负极，从金属丝表面或附近放出的电子迅速地向接地极或正极运动，与气体粒子发生撞击并使之离子化，而后又产生大量电子。水雾为电负性气体，其俘获自由电子而产生负离子。
2.1.2 起始电晕电压
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其中：Vc—起始电晕电压；r—距电晕线中心的距离；a—电晕线半径；b—电晕线与集尘电极的距离；Ec—电场强度；m—导电光滑修正系数，无因次，一般0.5<m<1.0。对于清洁的光滑圆线，m＝1；实际可取0.6～0.7；δ—空气的相对密度，定义为 ，其中T0=298K,p0=1.0atm,T和p分别为操作温度和压力。
2.2 粒子荷电
离子在静电力作用下做定向运动，与尘粒碰撞而使粒子荷电。粒子获得的饱和电荷为：
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其中：q-粒子能够获得的饱和电荷；ε-离子相对介电常数；ε0-真空介电常数，等于8.85×10-12F/m； E0-电场强度，V/m。
粉尘粒子进入荷电区的时间为：
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其中
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t-粉尘粒子进入荷电区的时间，s；τ—荷电过程时间常数，s；N—荷电区离子溶度；e—电子电量； Ki—离子迁移率，m2/v·s。
2.3 主要技术参数
（1）高压供电系统参数
最大输入电压:220v±10%（50Hz）；最大输入电流:4A；最大输出电压（平均值）:120kV；最大输出电流:6mA；输出电压调整范围:0～120kV；最大电流调整范围:0～6mA。
（2）供水系统
供水压力:0.4～1.2MPa；耗水量:0～2.4L/h。
（3）效能参数
处理量:5000m3；允许处理浓度:40g/m3；除尘效率:99.5%～99.8%。
（4）结构特性
荷电水雾除尘器长度:7.5m；荷电水雾除尘器宽度:同导料槽等宽；荷电水雾除尘器高度:1.8～2m（不包括导料槽高）；电场间极距:250～300mm。
2.4 超高压宽极距
荷电水雾除尘器全部的电荷、收尘场均采用超高压宽极距设计（这种技术在国际范围内已被广泛使用）。随着电极间距的加宽，施加电压升高，粒子驱进速度迅速增长，电晕外区空间增大，加强了对微细粉尘的凝聚作用，增强了捕集能力，并使电场与电流分布更均匀、收尘面积得到更有效的利用，对克服电晕电极大量积尘也有一定的好处。在输煤系统产生的粉尘粒直径
＜5μm并占粉尘总量80％以上的情况下，采用该技术尤为有利。
2.5 电晕电极及水雾清尘方式
电晕电极的结构、设置对除尘器保持稳定运行具有重要作用。该除尘器处理的现场情况较为复杂，常有大煤块、杂铁、草绳等杂物通过，对电晕电极构成极大威胁。因此宜采用活动悬吊式方案，电晕电极遭到碰撞时可自行前后、左右自由摆动，同时还可调整高度。采用不锈钢材料做电晕极主干，可增加强度，电晕极不会产生刺尖结瘤。
3 荷电水雾除尘器对静电除尘器及湿式除尘器弊端的克服
3.1 对煤尘爆炸隐患的克服
在封闭空间里，可燃性悬浮物在爆炸极限内的燃烧会导致化学爆炸。在粉尘被捕集的过程中，虽有少量粉尘未接触水雾，但由于设备本体内充满水雾粒子，湿度较大，因而可避免煤尘爆炸。粉尘被荷电水雾吸附，且粉尘粒子在进入除尘器的过程中，由于摩擦等因素，使微量异性电荷相吸，进一步克服了环流现象和水滴表面张力大难以湿润粉尘的不利因素。
3.2 对高压电晕闭塞的克服
电除尘器内同时存在两种空间电荷，一种是气体离子的电荷，一种是带电尘粒的电荷。由于气体离子的运动速度远远高于带电尘粒的运动速度，所以通过除尘器的含尘气流的电晕电流要比清洁气体的小。如果气体含尘浓度很高，会使电除尘器的电晕电流急剧下降（严重时可能会趋近于零，发生电晕闭塞）。而在水雾荷电除尘器中，由于荷电水雾会吸附粉尘粒子，因此不易发生电晕闭塞。
3.3 对反电晕的克服
当粉尘的比电阻低于1010Ω·cm时，比电阻对除尘器的操作和性能几乎没有不良影响；当比电阻介于1010～1011Ω·cm之间时，火花率增加，操作电压降低；当比电阻高于1011Ω·cm时，集尘极粉尘层内出现电火花，即产生明显的反电晕。反电晕的产生会导致电晕电流密度大大降低，进而严重干扰粒子的荷电和捕集。荷电水雾除尘器采用荷电水雾吸附粉尘粒子，可使其比电阻大大降低，从而有效地遏制反电晕的发生。
3.4 对高压电绝缘易遭破坏的克服
荷电水雾除尘器的高压电源为小型化全封闭式，高压输出电缆插接引出，无高压接点暴露，可在高潮湿度、高尘埃的恶劣环境中连续运行，从而解决了高压电绝缘易遭破坏的问题。
4 荷电水雾除尘器的主要性能及特点
（1）导料槽采用最新Ω型体与荷电箱体配套合成，从而增大了粉尘飞扬空间，降低了粉尘的密度和流动速度，使尘粒易被电荷捕集。
（2）自动化程度高，无需专人操作。除尘器可随皮带机的运转，负载煤流的有无自动启动、停止、电流自动跟踪调节，使除尘器工作保持最佳状态。
（3）直接收尘。新收集到的粉尘直接回落到物料上，解决了一般除尘器粉尘净化后仍需二次处理的难题，提高了经济效益，减少了工人的劳动强度。
（4）采用了荷电水雾除尘，具有超高压、宽极距、准脉冲等综合性能技术措施，兼备水、电除尘的优越性。
（5）采用了火花放电、弧光放电及过流等保护措施，除尘器可安全可靠地工作。
（6）除尘器可针对不同煤质或季节采用不同的工作状态，既可以使荷电水雾全部投入，也可以做单独静电除尘使用，同时还设置了独特的水雾清尘方式。煤层打湿在30～40mm之间，通过几个转折点之后煤变潮湿，到煤仓间时不再会有起尘的可能
（7）除尘效率高。
5 存在的问题
（1）设备造价高；
（2）对制造、安装、运行技术要求高；
（3）由于使用了水雾，所以需注意设备及管道的防腐问题；
（4）不适合处理憎水性和水硬性气体；
（5）冬天设备可能会冻冰。
6 结论
荷电水雾除尘技术是一种新型的除尘技术，它既是电除尘技术和湿式除尘技术的结合又是其发展。荷电水雾除尘器克服了电除尘器及湿式除尘器的缺点，即消除了静电除尘器煤尘爆炸隐患、处理了高浓度粉尘可能出现的高压电晕闭塞，以及反电晕及高压电绝缘易遭破坏等问题；主要解决了湿式除尘器由于随机性及环流、水滴表面张力较大等因素造成的除尘效率低的问题；同时又兼具了水、电除尘技术的优越性，使除尘器更灵巧、更自动化、更安全、更经济、效率更高。但荷电水雾除尘器尚存在构造复杂、部件易腐蚀等缺点。
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