静电除尘环境中高压电晕放电特性及其优化设计

发布时间：2020-05-30 17:31

【摘要】：随着工业化进程的不断发展,大气污染日益严重,已成为不容忽视的社会问题。静电除尘设备作为一种除尘效率高、适用范围广的电晕放电应用类除尘装置,以其独特的优势占据着市场上除尘设备应用的主要份额。其内部粉尘粒子的荷电、输运、沉降过程是其工作核心过程,电晕放电气体电离为其工作基础,电源为其工作时唯一能量来源,因此,围绕以上问题开展研究工作,对改进电除尘设备,提高除尘效率,有着重要的指导意义。本文围绕静电除尘设备中高压电晕放电基础物理问题开展研究工作,主要包括以下几部分:首先,从微观粒子运动角度,建立静电除尘设备中粉尘粒子状态及动力学方程,分析粉尘粒子在高压负电晕放电中的荷电、输运及沉降过程。结果表明,根据粉尘粒子粒径不同,放电区中存在电场荷电机制和扩散荷电机制。无论在哪种荷电机制作用下,粉尘粒子荷电量均存在饱和值。电场荷电机制作用下粒子荷电量与放电间隙电场强度以及尘粒粒径成正比,扩散荷电机制作用下粒子荷电量与放电区温度及尘粒粒径成正比;从理论上给出电场中荷电粉尘颗粒的输运方程及其边界条件,从受力角度分析了荷电粒子在放电区的受力状况;给出了粉尘沉降厚度和粉尘层电压降理论关系表达式,叠加后放电区内场强理论表达式,为提高静电除尘设备工作效率提供了一定的理论指导。其次,针对静电除尘设备典型负电晕放电结构,研究针-板与线-板负电晕放电特性及模式。以Trichel脉冲为基元研究针-板负电晕放电特性。利用统计学方法对脉冲各参数进行概率分布分析,发现在电压上升过程中,Trichel脉冲放电存在大小幅值脉冲模式转变现象,根据气体放电基本原理,分析转变原因为随着电压的升高,放电过程中主导因素发生转变,在大幅值脉冲放电时段,主导因素为放电通道的建立,在小幅值脉冲放电时段,主导因素为放电区中负离子云团的累积与消散。将线-板负电晕放电等效为针-板负电晕放电的拓展,研究线-板负电晕放电特性,通过对比两种放电结构下电流脉冲各参数概率分布特征,提出线-板负电晕放电可视为多个不同模式下针板负电晕放电的叠加,从理论上对线-板负电晕放电脉冲随机性、脉冲各参数概率分布等特征做出合理解释,对未来线-板负电晕放电的研究具有一定的意义。第三,基于静电除尘设备的应用环境多样性,通过实验研究放电环境因素对高压负电晕放电的影响,包括温度场、湿度场、气体流场和粉尘粒子,并对放电区负离子密度与分布建模分析,给出放电环境对脉冲影响的理论解释。研究结果表明,随着温度的升高,起晕电压降低,同一电压下放电平均电流值、脉冲幅值和脉冲频率增大。随着湿度增大,起晕电压降低,同一电压下平均电流值和脉冲频率降低,脉冲幅值增大。不同气流方向对脉冲放电强度影响不同,垂直于电场方向的气流对放电强度几乎无影响,但是增大了脉冲幅值和脉冲间隔时间;与电场方向同向的气流减弱了放电强度,增大脉冲幅值和脉冲间隔时间;逆向于电场方向的气流增强了放电强度,增大脉冲幅值和脉冲频率。随着粉尘粒子浓度的提高,起晕电压降低,同一电压下放电平均电流值、脉冲幅值和脉冲频率下降。通过COMSOL软件对不同条件下放电间隙负离子分布进行仿真分析,研究结果表明,温度、湿度和粉尘粒子通过影响负离子密度及负离子云团运动速度,气流通过影响负离子运动轨迹及负离子云团分布进而影响负电晕放电特性。第四,综合分析静电除尘设备各影响因素耦合关系,提出通过优化高频高压电源控制系统来提高静电除尘设备除尘效率及稳定性的方法。结合针-板与线-板放电特性设计静电除尘高频高压电源,提出基于高频高压变压器分布参数的谐振电路设计方法以及将输入分流、输出均压分组的优化设计方法,解决静电除尘电源高频高压变压器中存在的发热和绝缘问题。基于静电除尘设备工作过程分析,提出了以放电区域内单位时间火花放电次数为基准的电压加载控制方法,开发静电除尘用高频高压电源样机,额定功率30k W,最高输出电压-75k V,最大输出电流400m A,通过对比其它类型电源,结果显示本文所设计电源显著提高了静电除尘效率,为未来静电除尘优化提供了一定的参考。
【图文】：

工作设备,静电除尘

界经济的突飞猛进，人类工业化程度越来越高，大气污3 年 11 月，，国际癌症所出版的《空气污染与癌症》中明与肺癌患病率成正比关系[1]。2015 年环保部公布的《质量状况》显示，我国 338 个地级以上城市空气中，P.054mg/m3、SO2平均浓度达到 0.028mg/m3、NO2平均3、PM10平均浓度达到 0.096mg/m3[2]。大气污染严重危制约着社会经济的发展，加强烟、粉尘污染物排放的管效的提高空气质量，必须在粉尘排放时对其进行有效收含量，由此各种粉尘收集技术和设备应运而生。其中，尘效率高、阻力损失小、处理烟气量大、能捕集腐蚀性维护费用低等优点被广泛应用于各工业领域中[3-5]，图电除尘工作设备。同时，静电除尘设备也作为一种小型院、办公室、居家等生活环境的空气清洁中[6-9]。

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图 1-2 工频电源原理示意图Fig.1-2 The schematic of power frequency power supply随着空气质量要求日益提高，工频电源存在的问题与缺陷也越来越突出。主要表现为：未对输入电信号调频，电源输出电压信号纹波较大，由于输入为50Hz 工频电，因此升压整流后输出通常是 100Hz 的波动直流，对高浓度，高比电阻粉尘等工况适应性较差；对火花放电处理即时性不够；为减小火花放电对电源的冲击，其变压器内阻设计较大，一般为总阻抗的 30%~35%，因此电源效率不高，理论上最高仅能达到总输入功率的 65%~70%；体积和重量较大，原材料消耗多，成本较高；工频电源大多数采用单相交流电输入，容易导致电网用电不平衡[72-75]。高压脉冲电源是近些年逐渐兴起的静电作尘设备新型供电方式，其基本原理是利用脉冲形成网络产生高压脉冲信号，并将该信号叠加在原有的高压直流上[76-77]。高压脉冲电源主要由三个部分组成：前端高压直流电源作为脉冲电源的充电部分，中间为大容量电容或电感作为能量存储部分，最后为脉冲形成网络产生高压脉冲信号，一般采用磁压缩开关（Magnetic pulse compressor）或布鲁莱茵传输线（Blumlein pulse formed net）等方式。由于脉冲信号的特殊性，
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X701.2

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