高比阻荷电粉尘反电晕现象的机理分析

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(1.滁州学院，安徽 滁州 239000；2.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002)

0 引 言

在工业除尘设备中，电除尘器都采用高压直流供电，当粉尘颗粒为高比电阻的粉尘进入强电场荷电后到达正电的收尘极板时，高比电阻很难释放自身所带负电荷[1]，随着越来越多的粉尘到达收尘极板，使负电粉尘层吸附在收尘极板而不易被振打装置清除，最终形成反电晕现象。反电晕现象会造成高压供电电流不断波动、影响系统稳定运行、降低除尘效率等危害。

因此研究反电晕现象机理，可以寻找有效的抑制措施，提高电除尘器的除尘效率。一般分析反电晕现象是从高比电阻的粉尘荷电释放电荷速度方面进行研究，但对荷电粉尘的动力学的研究也是十分必要的。

1 荷电粉尘运动的一般规律

一般来说，气载粉尘颗粒的粒径从0.001-500 um，大部分粒径为0.1-10 um。粒径小于0.1 um的尘粒其运动类似于分子，由于分子的相撞击而产生很不规则的布朗运动。当粉尘处在除尘器的电场时，气体电离的电子与粉尘颗粒不断的碰撞，粉尘被荷电，平衡电荷表达式为[2]；

(1)

式中Qn为平衡电荷；Er为电场强度；dD为粒子直径；ε0为真空介电常数；εr为空气相对介电常数。

荷电后的粉尘颗粒将向正电的收尘极板运动，粉尘层的放电表达式为：

(2)

1)粉尘比电阻越大则放电时间越慢；

2)式(1)与(2)相比，没有时间因子，因此可以认为，粉尘荷电的速度非常快以致可以忽略荷电时间。

同时，再假定在除尘器的电场空间里电荷(荷电粉尘)的供给基本上是不受限制的。由于粉尘的荷电速度远大于放电速度，因此将形成粉尘堆积从而形成堆积层势垒，很明显，势垒的形成将会影响荷电粉尘的行为，形成空间电荷效应，从而影响后续荷电粉尘的行为，处在电场间隙中流动的荷电粉尘束流大小决定于间隙间荷电粉尘的空间电荷引起的等势面部分改变的情况。下面先简单定性分析由于空间电荷效应对电极间荷电粉尘行为的影响。

假设荷电粉尘均匀覆盖整个收集板(阳极)表面，间隙间电势变化的演变过程如图1所示[3]：

图1 间隙间电势变化的演变过程

图中L为电极等效间距，K、A分别为除尘电极的阳极和阴极。起初，间隙内没有荷电粉尘，阴极与阳极间电势变化与间隙的距离成简单的线性关系(曲线1，φ0为工作电压)，当带负电的荷电粉尘进入间隙后，所有点的电位均被降低(曲线2)，当间隙内进入荷电粉尘的数量持续增多时，阳极(集尘极)表面外会形成一个电势极小值φm(曲线3)，半阳极表面聚集大量起始能量大于势垒最大高度(由于荷电粉尘的性质和热分布)的荷电粉尘，最终形成的过程表现为：向阳极运动的荷电粉尘大部分电子均被势垒(曲线4)反射到阴极附近，因而势垒破坏，然后上述过程重复进行，间隙间粒子群聚现象由此产生。根据重复过程周期时间的长短，宏观电流表现为不同的特性。当周期较短时，观测到的宏观电流表现为一定的平均束流(空间电荷限制的束流)，当周期较长时，特别地，当电势极小值(曲线4)持续的时间相对于中间电势较长时，则宏观电流表现为间歇振荡状态，其在最大值与最小值滞留时间显然是受到电压以及荷电粉尘的性质控制的。

2 荷电粉尘运动方式

以上定性分析了电压以及荷电粉尘的性质引起间隙内粒子的群聚和间歇震荡。现假设有两个无穷大平行导体壁，它们之间存在一个密度为-ρ的无限薄半径为a的圆电荷层，如图2所示，不考虑重力对荷电粉尘的影响以及粉尘间热运动形成的碰撞，从而导出粒子群聚的时间行为。

假定荷电粉尘薄层电荷为-ρ，这样以电荷层为界，两个区域的电场可分别表示为

(3)

和

(4)

图2 位于平行导体壁之间无限薄电荷层模型

如果用M表示每单位面积的电荷层质量，考虑到a≥z的一维情况(即电荷层的面积足够大和仅沿Z轴运动)，则一处在z1≤z≤L荷电为ρ1电荷层非相对论性的运动方程为

(5)

利用初始条件和边界条件可解出方程的解为

(6)

式中V0为电荷层的初速度，ω由下式给出

(7)

可以看出，薄电荷层的运动特性与ω相关，而ω与荷电粉尘的质量、电荷数量等有关。同时，从式(6)可知，当V0/ω=L/2时，即使t趋近无穷大，电荷层的运动轨迹Z存在一个不为零的极限值L/2，说明此时电荷层出现反射，荷电粉尘无法达到阳极，电荷层这种行为可以看成是由于空间电荷效应导致的电流振荡现象。需要说明的是，以上仅仅以单电荷层讨论其运动行为，实际上在电极间隙中，这种由于荷电粉尘群聚而成的电荷层有多个，电荷层之间的相干性会导致ω的值动态变化，电流的振荡由此产生。对于荷电粉尘群聚而成的电荷层的时间行为异常复杂，即使是最简单的电荷层模型都不可能给出解析结果，但多粒子数值模拟显示，当入射束流超过空间电荷极限时，其产生时间相关的振荡行为[7]。

3 反电晕现象的形成

荷电粉尘的性质主要是表现在粉尘的比电阻，它主要由容积比电阻和表面比电阻并联；粉尘的比电阻表达式为：

(8)

其等效图如图3，电场等效电容为Cg；电场等效电阻Rg；粉尘层等效的电容为Cd；粉尘层等效电阻Rd。总体等效成电容C和电阻R的并联[8]。

图3 电除尘器物理等效图

由图3可知，附着在收尘极上的粉尘存在一个等效的RC放电回路，其放电时间取决于由RC决定的时间常数。粉尘比电阻的大小会直接影响到除尘的效果，高比电阻的导电率低，不容易在收尘极释放电荷，其对除尘效果的影响较低比电阻更为普遍、突出[9]。当第一层的高比电阻还没有将电荷释放时，按之前的分析可见，由于空间电荷效应，第一层对收尘极的阻挡使下一层的高比电阻很难将电荷释放，并且被堆积和反射形成间歇振荡。可知粉尘的比电阻越高，极板上粉尘层的电压降就会很大，间歇振荡形成的粉尘表面电位就越高，出现在除尘电场中的粉尘层的附加电场强度就越高，除尘电场将因此被减弱甚至被屏蔽。最终，当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，粉尘层局部被绝缘击穿，大量的正离子朝着电晕的电极被释放，从而产生反电晕的放电现象，造成反电晕的危害。反电晕发生需要满足以下公式的条件[10]：

E=ρL·J≥Ecr

(9)

式中E为粉尘层的场强；ρt为粉尘的比电阻；J为粉尘层的电流密度；Ecr为粉尘层气隙的击穿电场强度。

常规的除尘设备供电电流密度约为J=0.10.5mA/m2，粉尘层的击穿电场强度约为812kV/cm，将数据带入由(9)的公式可得到

(10)

如果当粉尘的比电阻为ρt=2×1011Ω·cm，粉尘层的放电时间常数为Td≈0.054s=54ms，现有的供电电源除尘器的直流都是在工频网电下升压经硅整流变压器整流的，其供电电源的充电时间大约为10ms，小于粉尘层的时间常数，致使粉尘层表面的电荷在下一次供电电源充电时只有很少的一部分被泄放，这样粉尘层表面泄放不掉的电荷随着供电电源的反复充电下，电位不断的升高，最终达到了粉尘击穿的电场强度，发生反电晕的现象，实际中当ρt>5×1010cm时，就可观测这种现象的发生了。

综上所述，要消除反电晕现象只有使得供电电源的充电周期要小于Td，同时粉尘层表面的电荷要有放电的回路和充分的时间放电，也就是供电电源的波形占空比较小，粉尘层上就不会有很多电荷积累，抑制了反电晕的产生。脉冲电源可以通过调节脉冲宽度调节脉冲电源的充电周期，使之远小于粉尘层的时间常数，这样荷电粉尘可以有充裕的时间通过如图3所示的回路放电。所以，当粉尘的比电阻为高比电阻时，脉冲电源能够很好的抑制反电晕。针对通常已经投入使用的静电除尘装置，由于同时存在不同阻比的粉尘，在兼顾高阻比粉尘除尘的时候，同时低阻比粉尘也应该被去除，因此，在原高压直流基础上叠加一个幅值及脉宽都可调的脉冲，从而起到二者兼顾的作用。

4 结 语

由式(6)可知，荷电粉尘由于空间电荷效应，在电场中的会发生群聚现象，从而发生堆积、反射和振荡行为，这种情况在高阻比荷电粉尘时更严重，造成反电晕现象，导致粉尘层的击穿，降低除尘效率，脉冲电源由于占空比较小，这样粉尘层上就不会有很多电荷积累，抑制了反电晕的产生，有效提高除尘效率。