谈静电应用之静电除尘技术综述

杨灼成

【摘要】近年来，随着环保要求的日益提高，静电除尘技术在大气污染治理行业得到最普遍、最广泛地推广和应用。静电除尘器具有处理烟气量大、除尘效率高、适用范围广、设备阻力低、使用简单可靠、运行维护费用低且无二次污染等优点，电极作为静电除尘器的核心部件之一对除尘效率有重要影响:电极的几何形状、极距等因素影响电场及流场特性，电场特性(电晕场强、空间电荷密度等)则决定了粉尘颗粒的荷电和捕集能力，而粉尘颗粒的荷电和捕集能力正是衡量电除尘器效率高低的关键性因素。本文对近年来为提高静电除尘器的除尘效率而在极板上所做的研究工作，以及电极技术的研究进展等方面进行了概述，供同行参考。

【关键词】静电除尘技术；除尘效率；集尘极；电晕极

1、电除尘器电极结构改进

1.1电晕极结构改进

电晕极系统是产生电晕、建立电场的最主要构件，它包括电晕线、电晕线框架、框架吊杆及支撑套管、电晕极振打装置等部分。电晕极系统决定了放电的强弱，影响烟气中粉尘荷电的性能，直接关系着除尘效率。它的强度和可靠性也直接关系着整个ESP的安全运行。所以电晕极系统是ESP设计、制造和安装的关键部件，必须具有良好的线型，合理的结构和适宜的振打，安装时要保证严格的极间距，确保电晕极系统与除尘器其它部件的良好绝缘和足够的放电距离。研究表明，放电极的几何形状和尺寸对电场特性的影响仅次于电压。

芒刺状电晕电极是在电晕线的主干上焊上(或冲出)若干个的芒刺，当电晕工作时(通上高压直流电)，在芒刺点能产生强烈的电晕放电，其起晕电压比其他形式极线低，放电强度高。强烈的粒子流能破坏负空间电荷效应，避免出现电晕闭塞;同时强烈的离子流还能产生速度较大的电风，电风能促进带电粉尘向收尘极移动，大大地增加了粉尘的驱进速度，提高除尘效率，适用于含尘浓度高的场合。实验证明，只要芒刺电极的结构设计合理，使用过程不会产生刺尖结瘤，也不会出现电腐蚀，可以长期使用而不必更换。目前常见的芒刺电晕线主要包括芒刺形和锯齿形等(图1)。芒刺形又衍生出多种结构类型，如柱状芒刺、三角形芒刺、角钢芒刺、波形芒刺、管状芒刺、扁钢芒刺、角钢芒刺、锯齿形芒刺、条状芒刺和鱼骨线等。

1.2收尘极结构改进

收尘极系统是由若干排极板与电晕线相间排列共同组成的电场，是使粉尘沉积的重要部件，它直接影响ESP的效率。收尘极系统由阳极板排、极板的悬吊和极板振打装置三部分组成。它的功能是捕获荷电粉尘，并在振打力作用下使收尘极板表面附着的粉尘成片状脱离板面，落入灰斗中，达到除尘的目的。集尘电极要求易于尘粒沉积，避免尘粒二次扬尘，振打性能好，便于清灰，足够刚度强度，不易变形腐蚀，金属消耗量小，气流通过极板时阻力小，气流容易通过等。

2.电极技术的研究进展

为进一步提高传统ESP除尘效率和捕集更细微的颗粒物，同时为满足日益严格的环保排放标准，科研人员对ESP电极结构不断进行改进，发明了一些新型的高效ESP，并且将研制出的一些新材料应用到ESP领域，持续对其进行技术革新。

2.1新型静电除尘器

2.1.1宽间距芒刺型电除尘器

20世纪60年代后，随着高压供电技术的进步，德国、美国等提出宽间距(通道宽度＞300mm)ESP并很快得到了工程应用。极距加宽，外加电压提高，有利于粒子的荷电，离子风增强，加快了带电粉尘的驱进速度，进而提高了对微细粒子的除尘效率。而且，宽间距ESP也增强了对收集高比电阻粉尘的适应性。宽极距ESP因具有除尘效率高、处理烟气量大、阻力低、日常运行费用低、对收集高比电阻飞灰有明显的效果等优点得到了普遍承认。传统的静ESP板间距一般为250mm。当板间距大于350mm便称为宽极距静ESP。早在1977年，美国的cooperman就利用梯度关系式研究了宽极距对粉尘气流的影响，对宽极距有利于提高除尘效率作了充分的理论解释:宽极距设备由于浓度梯度小，因此湍流反混影响轻，因此对于浓度梯度大的普通静ESP而言，除尘效率比较高，同时宽极距阳极板的电流密度往往较低且均匀，这是它适应高比电阻粉尘，抑制反电晕的重要原因。

实验研究表明，宽间距技术既可以降低钢耗，又能提高除尘效率，使相对误差降低，安装精度提高，电晕线积灰减缓，提高粉尘被吹向电晕极的可能性，抑制反电晕与二次飞扬的产生。同时，它对捕集高比电阻以及低比电阻的飞灰具有明显的优越性，这是因为当荷电粉尘驱向集尘极时，会在空间形成负电荷离子区，由于宽极距空间大，所以负离子浓度相对降低，对驱进速度影响不大，此时极距宽在大多数情况下取400～600mm。

2.1.2旋风式电除尘器

旋风式ESP是在旋风除尘器内加入电极以引入高压静电场，是离心除尘机理和静电除尘机理相结合的除尘设备，离心力的优势表现在大入口风速和大粒径灰粒上，电场力的优势表现在低风速下的小粒径灰粒上。旋风除尘器具有结构简单、造价低等特点，但除尘效率不高；ESP除尘效率高，但耗钢材多、造价高。因此旋风除尘机理和静电除尘机理在静电旋风除尘器内表现为互补的除尘机理，其除尘效率是旋风除尘和静电除尘综合的表现。这种方式的除尘器对低风速下亚微米级灰粒的分级效率的提高最为显著，可广泛应用于建材、冶金、轻工、电力和化工等各个领域的含尘废气处理、气固分离和粉状物料回收等。旋风式ESP目前在实验室条件下除尘性能优越，具有广阔应用前景。

2.1.3移动电极式ESP(MEEP－ESP)

日立公司早在20世纪80年代就开发出了这种静ESP，移动电极式ESP和常规ESP的工作原理基本相同，只是清灰方式不同，常规的ESP采用振打、声波等方式来达到清灰目的，而无论采用何种振打清灰方式，都必然引起二次扬尘，且难以有效克服反电晕和极板粘灰所造成的除尘效率损失。此种技术采用可移动的收尘极板、固定的放电极、旋转的清灰刷共同组成的移动电极电场由电场区域和非电场区域构成。由于清灰是在无烟气流通的灰斗内进行，因而消除了粉尘的二次飞等问题。

旋转电极技术既弥补了常规静ESP对高比电阻、超细粉尘、高粘度粉尘难收难清、振打容易产生二次扬尘等不足，又弥补了袋式除尘器的设备阻力大、运行费用高、日常维护工作量大、难以处理高温、高湿烟气以及布袋的后处理等方面的缺陷。具备节省空间、节能，耐高温(可经受短时350℃)、耐高湿、抗腐蚀性强，适用收集的粉尘范围广泛，粉尘二次飞扬几乎为零，设备布置不受场地限制等特点，特别适合于老机组ESP改造，在很多场合，只需将末电场改成旋转电极电场，不需另占场地。与布袋除尘器相比，阻力损失小，维护费用低，对烟气温度和烟气性质不敏感，并且有着较好的性价比。在保证相同除尘性能的前提下，与常规ESP相比，一次投资略高、运行费用较低、维护成本几乎相当，但可实现ESP的小型化。改型ESP的主要缺点是对设备设计、制造、安装工艺要求较高，有转动部件，增加了故障机率。

2.1.4泛比电阻电除尘器

三电极ESP是在两个相邻的放电极之间增加了一块或一组与之等电位的辅助电极。其中，1977年日本大同特殊钢株式会社提出的原式(Harrar)ESP是较有影响的一种三电极ESP。三电极ESP有以下作用:能产生一个较均匀且较高的收尘电场，有助于提高除尘效率;抑制放电极的电晕电流，减缓粉尘层的电荷积累，对高比电阻粉尘的反电晕有一定的抑制作用。注意到上述特点，黄三明提出结构更为合理的三电极ESP结构形式，即泛比电阻除尘器。其创新点是阳极采用轻型极板且在垂直于气流方向上交错布置，板面平行于气流，形成可以调节的单双区复合式ESP。收尘极板相互错开布置减小了收尘区电晕极与收尘极的间距，在相同电压下，提高了收尘区的平均场强，从而提高了粉尘的有效驱进速度和收尘区的收尘效率。同时，交错布置的收尘极板有效地抑制了二次扬尘，提高了对低比电阻粉尘的适应性。高压辅助电极的存在提高了收尘区的场强，而且其自身也捕集带正电的粉尘，不仅增大了收尘面积，又减少了电晕极对带正电粉尘的吸附量，有效防止了电晕闭塞，使ESP更适应对高含尘浓度烟气的处理，而且有利于提高除尘效率。同时，辅助电极对电晕极的放电有抑制作用，使反电晕的产生得到了有效控制，提高了对高比电阻粉尘的适应性。试验结果表明，泛比电阻ESP收集高比电阻粉尘的收尘效率比传统ESP高10%以上。

2.2新材料在静电除尘器电极上的应用

从ESP一个多世纪的发展历程来看，由于具有经济性、较耐腐蚀等难以替代的优势，钢材仍然是电极的首选材料。但为了增强防腐性能，提高电极寿命和除尘效率，对电极材料进行改进仍有很大空间，如利用非金属材料、炭纤维或硅纤维编织膜、柔性绝缘疏水纤维织物、微纳米材料等。一些典型材料在ESP电极方面的应用总结如下:

2.2.1导电防腐涂料在ESP极板方面的应用

用导电防腐涂料涂敷ESP极板可以改善ESP极板防腐性能、增加极板的抗污性能和提高极板清灰效果。所用的涂料必须具有良好的防腐性、耐高温和憎污性能，是可以导电的固体，以适应处理烟气属性和满足ESP工况要求。理论研究结果表明，添加涂层后，极板上低比电阻粉尘层放电时间常数增大，粉尘层积累电荷量增多，粉尘层与极板间静电附着力增大，有效减弱了粉尘的二次飞扬现象。实验结果显示，添加涂层后低比电阻粉尘的收集效率有显著提高，中高比电阻粉尘的收集效率变化不大，极板粉尘剥离率较不加涂层时有很大提高。该技术可以有效延长了极板的使用寿命，在保证除尘效率的前提下提高了极板的清灰效果，适应处理烟气的复杂工况，是一项创新，但在工业中的实际应用还有待进一步研究。目前，导电防腐涂料使用较多的材料是树脂。

2.2.2逸出功率较低的材料在ESP极板方面的应用

用逸出功率较低的材料作为发射极的无电晕式高压ESP，能在高温条件下稳定地发射电子，使周围空气中的粉尘荷电，然后在较强的电场中将粉尘颗粒捕获。其工作原理是利用了分子热物理理论:任何物质在温度达到临界发射温度后，都能大量地发射电子。在高温高压环境下，采用电晕所获得的电流密度相对较小，使得相应的除尘器体积较大，成本也相应提高，但无电晕式的高压ESP体积相对较小、成本也较低，与常规电晕放电相比，只需较低的电极电压(3kV)即可获得高出几个数量级的电流密度。因此，无电晕式静电除尘技术的高温低压运行条件使得电晕式ESP在高温条件下遇到的电击穿、电晕线断线和电绝缘等问题得以容易解决，适合用于火电、冶金、建材、化工等工业中。

2.2.3纳米材料在ESP极板方面的应用

由于纳米晶带材具有良好的机械性能、耐腐蚀性能和电磁性能等。有学者作了一些将纳米晶带材料作为集尘板材料的研究探索。理论分析表明，用纳米晶作为电极材料可以提高除尘效率，解决以铁、钢材料为主的电除尘设备的易腐蚀、易磨损、短寿命、低效率等问题。但是该项研究由于缺乏经济性，且对除尘效率提升不显著而不具备明显的实用价值，只能用在条件苛刻，小规模，要求高的某些特定场合。

3、结束语

综上所述，随着环保要求的越来越高，对ESP市场需求也将越来越大，可以预示未来必将占据大部分市场份额，成为最为重要的除尘设备之一，在环境保护领域中发挥重要作用。通过对ESP电极结构进行持续改进，研制开发ESP的新结构形式，并将新型材料技术应用到ESP电极等，可以使ESP各项性能获得大幅度提升，解决了当前除尘技术中实际难题，并具有非常广阔的工业化应用前景。

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