1、 1 2015届毕业生 毕业 设计说明书 题 目 : 某静电除尘系统控制器设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 副教授 年 月 日 2 目次 1 引言 . 3 1.1 电除尘器的发展 . 3 1.2 本课题的研究意义 . 4 1.3 本课题的主要工作 . 4 2 电除尘基本原理 . 6 2.1 气体的电离 . 7 2.2 电晕放电 . 7 2.3 粉尘粒荷电 . 8 2.4 振打清灰 . 8 2.5 电除尘基本过程 . 9 2.6 小结 . 9 3 高压供电设备 . 10 3.1 高压供电整流设备 . 10 3.2 自动调压控制器 .11 3.3 小结 .
2、 12 4 控制系统硬件设计 . 13 4.1 单片机介绍 . 13 4.2 单片机最小系统电路 . 14 4.3 GP2Y1010AU0F 灰尘传感器 . 15 4.4 A/D 转换电路 . 18 4.4 按键电路 . 19 4.5 显示电路 . 20 4.6 振打装置控制 . 20 4.7 报警电路设计 . 23 4.8 系统总体原理图设计 . 23 5 软件总体设计 . 25 5.1 系统的软件设计流程图 . 25 5.2 粉尘浓度采样设计流程图 . 25 结论 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 3 1 引言 随着国民经济的高速发展和工业生产规模的扩大，空气污染现象日趋严重。
3、空气污染物的主要排放源有电力、冶金、炼油、炼钢和化工等工业。这些排放的工业废气中含有大量粉尘颗粒物，一方面会造成空气污染、对人体健 康造成危害，另一方也造成了贵重金属的流失。在 21 世纪的今天，环保已经成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一，可持续发展显得尤为重要。因此，对工业废气排放出来的粉尘进行有效的控制与防治，是大气环境保护的重要内容之一。 据不完全统计全世界每年向大气中排放的污染物高达 6 亿吨，其中粉尘的含量达到了 16。煤炭加工、发电厂、电力部门、冶金行业、大型炼油厂、石油化工等工业都是粉尘的排放源。工业粉尘不仅会危及人类健康，而且会造成贵重金属的流失。目前，常用的除尘技术种类主
4、要有以下几类：旋风除尘、湿法除尘、静电除尘、过滤除尘 等，而高压静电除尘器（ ESP）在这些除尘技术中独树一帜，它以除尘高效、智能化、维护简单、操作方便等优点，而占据了广阔的市场。 静电除尘作为治理大气污染的重要手段，目前大多数企业采用的静电除尘装置是采用晶闸管调压的供电系统。随着国家环保要求的不断提高，对企业的废气排放要求也随之提高。当前，经济高速发展，人民的生活水平提高，对环境保护的要求也随之提高，作为控制大气污染的主要设备一一除尘设备，面临巨大的发展机遇。 1.1 电除尘器的发展 从 18 世纪开始，静电开始走入科学家们的视野，随后有人提出并使用了静 电除尘的概念，并指出电可使烟气中的粉
5、尘颗粒沉淀。 1906 年科特雷尔发明出工业用电除尘装置。第二年工业用静电除尘器就投入使用，成功地处理了流速为 95L/S 的含尘气体。随后电除尘技术走上了理论发掘，试验理论，应用技术这样循环的发展过程。 电除尘器的应用范围已经普及整个工业领域，其除尘方式可以是干式的，湿式洗涤式或者电除雾式的。 目前，电除尘技术的理论还处于发展阶段，还属于经验工程的学科，它涉及 范围广泛，电物理、电气工程及其自动化、电力电子、化学材料、机械工程及其自动化、空气动力学等都有衬出技术 的应用。电除尘器的效率取决于原件制造工艺、原件质量、供给电路以及维护管理等各方面。静电除尘器经历了百年的发展，已经4 成为防治大气
6、烟尘污染的重要利器。 今后，除尘器仍将是火力发电厂、冶炼金属厂、石油化工厂等的主要治污手段。静电除尘器在接下来应该从以下几个方面进行发展： (1)提高供电水平代替常规供电方式，不仅发展前景广阔，而且节约经济。 (2)优化本体设计，减少静电除尘器的体积，降低投资成本。 (3)对于亚微米级颗粒的高效静电除尘器投入并加快发展。 (4)结合其他有效除尘方法以提高除尘性能。 (5)开发静电除 尘器的其他应用。 以往的电除尘器通常面临着诸如高比电阻、粉尘粉尘浓度、高粘度等问题，而电除尘器性能的改造升级，主要取决于对静电力理论的研究突破以及在实践中总结出来的除尘经验，随着人们环保意识的提高，原有的电除尘器已
7、经落后。对电除尘器的设计，应该从极配形式设计，气流均布设计，振打设计等方面考虑，电除尘应开发适应性广、智能化、安全性好、可靠性高的新型控制系统。同时电除尘器就除尘效率、脱硫工艺、脱硝一体化技术等应给予足够的重视。 1.2 本课题的研究意义 当前，对于电除尘理论的研究还不完备，缺少很多在 实践中解决问题的知识 ,电除尘器的结构还不够合理，供电系统还不能够满足需求以及高比电阻的问题等问题都严重影响着除尘器的发展，但电除尘器的效率远远高于其他除尘方式的效率，使得电除尘方式不可被其他除尘方式所替代。我国的电除尘技术的发展历史交晚，但发展速度之快是令人难以想象的。从理论上认识电除尘器，发现电除尘器存在的
8、问题，虚心接受外国先进技术的指导，认识到我国电除尘器制造水平得不足。同时认真研究外国的先进生产工艺。在中高频开关电源方面还存在着不足，电除尘器的品种规格和性能，本体的有些元器件的加工工艺，产品外观等方面 还需进一步提高。 总之，电除尘器性能受到很多因素的影响，除供电系统需要优化外，电除尘器的设计、烟气中粉尘含量、粉尘的体积和管理维护等均对电除尘器有着非常重要的影响。但对于正在工作的电除尘器，对系统的供电控制方面采取适当措施，是提高除尘效率最有效、最便捷、最直接的手段。因此对于电除尘控制器的设计，对电除尘器的改进与发展等都有着非常重要的意义。 1.3 本课题的主要工作 本课题针对传统的静电除尘器
9、的缺点和不足对除尘控制系统进行改造。改造原则利用新的设计方法，针对当前除尘设备的问题进行改造，使改 造后的系统不仅除5 尘效率有较大提高，可靠性和安全性都有显著提高，同时更加的节能。本文主要完成的工作 : 1、熟悉静电除尘工作的过程。 2、熟悉现场参数的测量检测方法。 3、查阅相关文献，经分析论证后确定设计方案。 4、完成该系统的硬件电路设计和相关软件设计。 5、实现除尘系统的各种功能。 6、按照规范要求撰写毕业设计说明书。 8应具备的条件：个人计算机及相关资料和软件。 6 2 电除尘基本原理 电除尘器的基本原理是利用上万伏的直流高压，产生足够强大的电场，此时电场中的气体就会发生 电离，由于强
10、大的电场随之会出现电晕放电现象，进而悬浮尘粒荷电，悬浮的粉尘颗粒受到电场力的作用被捕集的除尘装置。电除尘器有许多种类，但机械本体和供电电源是任何除尘器都必不可少的，都是按照同样的基本原理设计的。如图 2.1 所示。与高压相连的相连的极板叫电晕极，接地的极板叫集尘极。在极板的中心是电晕极，在电晕极和集尘极之间施加足够高的直流高压，由于他们之间的曲率不均匀，两板之间便产生极不均匀的电场，电晕极附近的电场强度最高，所以它附近的气体首先电离，产生电晕放电。随着电压逐渐升高，放电现象越发强烈。气体电离产生大量 正离子和自由电子，由于自由电子动能的降低，不足以使气体发生碰撞电离而附着在气体分子上形成大量负
11、离子。当含尘气体从除尘器下部进气管引入电场后，电晕区的正离子和电晕区外的负离子与尘粒碰撞并被吸附上，此时尘粒带电。在电场力的作用下荷电粉尘向极性相反的电极运动，并被吸附到电极表面，当粉尘逐渐沉积达到一定的粉尘浓度时，通过振打装置将电极上的粉尘振打下来，在传送到收集装置，而净化后的气体继续排出，此时的烟气已经不再含有过多的污染物，并且得到了净化。 图 2.1 电除尘原理图 综上所述，除尘过程 (如图 2.2 所示 )可大概的概括为以下四个阶段； 气体的电离； 粉尘的荷电： 荷电粉尘的沉集与清灰。 7 图 2.2 静电除尘基本过程 2.1 气体的电离 使气体导电的过程就是气体的电离。气体的电离是电
12、除尘工作原理的一个重要组成部分。气体的电离规律，是理解静电除尘的前提。空气在一般情况下是绝缘体，但当气体分子获得足够的能量，譬如使气体带电，这时气体分子中的电子就可能脱离电子核的束缚而成为自由电子。这些自由电子成为输送电流的媒介，此时气体能够导电。使气体具有导电特性的过程为气体电离。在电场力的作用下，得到动能的电子与 气体分子发生碰撞，产生大量自由电子和正离子。 2.2 电晕放电 由于自然界存在许多放射线如宇宙射线、阿尔法射、伽马射线等作用，气体自身就会包含一些离子和自由电子。在阴阳两极之间施加一定电压时，这些带电粒子受到电场力的作用，运动到电极性相反的方向，此时就可能形成电流。此种导电为8
13、非自发性电离导电过程。电晕放电如图 2.3 所示。 图 2.3 电晕放电原理图 2.3 粉尘粒荷电 粉尘粒荷电是电除尘过程中最基本的过程之一。粉尘荷电如图 2.4 所示。在电除尘器的空间电场中，尘粒的荷电量与电场强度、比电阻、和 滞留时间等因素有关。尘粒的荷电机理电场荷电、扩散荷电，而电场荷电是最主要的方式。 图 2.4 粉尘荷电图 图 2.5 粉尘收附图 在外电场力的作用下，粉尘荷电是离子沿电力线运动并且与尘粒相撞产生的结果。此时作为电场中的尘粒因带电被极化，从而改变原来外加电场的分布情况。尘粒表面与一部分电场线相交，带电的运动离子与烟气中的尘粒碰撞时，把电荷转移给了尘粒。尘粒带电之后，负电
14、荷就会逐渐积累集中在一级，尘粒在收尘板正极的吸引作用下吸附在收 尘板上。粉尘吸附如图 2.5 所示。 2.4 振打清灰 荷电粉尘吸附到正电极后，在静电力与吸附力的作用下，会在电极上形成粉尘层，因此工业电除尘器中必须设计振打装置，在已捕集的粉尘层中产生惯性力，用9 来克服粉尘在电极上的附着力，将粉尘层振打下来。 2.5 电除尘基本过程 排放的烟气进入高压电场，在进口封头处安装有气流分布装置，气流分布装置的作用：使烟气在电场中分布均匀，进而粉尘荷电，同时避免因流速产生的粉尘颗粒二次飞扬。烟气中的粉尘颗粒进入电场后，在高压电场的作用下气体电离进而粉尘被荷电，最终被极板捕捉 ，粉尘被电极吸附在极板上面
15、之后，通过振打被收入到灰斗中。当前振打方式主要有以下几种：顶部电磁体方式，顶部传动式，顶部脱钩锤式与侧向绕臂锤式等几种方式。 灰斗清灰有两种方式：定期清灰和连续清灰，定期排灰的优点是不需要不停地去清理极板上收集的灰尘，当灰斗里储存粉尘达到一定的量时，在进行清理。具有高效省时等优点。出灰方式主要有干出和湿出两种，干出灰时把最终的灰尘通过传送装置送至料仓或灰库，湿出时灰尘通过流水管道被最终冲到了水池里面。 2.6 小结 本章开篇分析电除尘的基本原理，就气体的电离、粉尘的荷电、 荷电粉尘的沉集与清灰等作了详细的分析，电除尘器的除尘基本原理，对设计更加合理更加高效的的除尘设备具有指导性的意义。因此对于
16、电除尘的基本原做了非常细致的赘述。 10 3 高压供电设备 除了电除尘器本体结构外，高压供电电源在电除尘器中的作用是极其重要的，同时我们要兼顾低压控制设备在电除尘器中所起到的作用。高压供电电源在刚开始设计制造的时候，由于饱和电抗器调压方式效率低下，应答信号特性产的速度比较缓慢，迅速调压在这种情况下还不能够满足现场的需求，可控硅调压方式具有自动控制特性，高压供电机组采用可 控硅调压可以更加的安全可靠。可控硅整流变压器能够自动快速升压和降压，并且他的供电装置能够跟随电场内烟气和粉尘含量变化，当电场一旦发生危险例如出现火花，由于可控硅整流器的自动控制特性能自动降压而避免发生危险，一段时间后当恢复正常
17、时，可以自动升高电压到正常工作状态，从而电除尘器能够提高收尘效率。 3.1 高压供电整流设备 （ 1） 机械整流器 机械整流器主要是由升压变压器和同步电动机带动的旋转机械整流器构成。机械整流器的缺点：机械镇流器中的波形并不能维持在一定的范围之内，电流波动比较大，旋转部件比较容易磨损 ，空气隙由于相当于一定的电阻，故会造成电压的损失，机械噪声大，且不具有自动控制特性，整流效率低等缺点。而空气隙火花放电时，使空气中的 N2 和 O2 分子结合成 N20 和 O3(臭氧 )，危害电器设备并且威胁人类健康。火花是一种放电现象，包含许多高次谐波，而高次谐波电流会向空中辐射，对周围无线电通信设备也会产生干
18、扰。 （ 2） 电子管整流器 电子管整流器机械部件由于并不旋转磨损，因此不存在空气隙的火花放电和无噪声，且有较高的整流效率。但是电子管存在不可避免的机械损耗，灯丝由于长时间的使用也会造成损耗，对于过电压和过电流 的承受是非常弱的，因此工业上不能得到广泛的应用。在电极施加交流电压时，输出的是脉动直流。电源的负极适合整流器的阴极是相连的。如进行全波整流，输入的电流极不稳定，而且铁心极易磁化当整流部分流过变压器，而一次侧的激磁电流会发生大的变化，因此我们可以采用双半波整流或桥式整流，从而减少脉动和变压器的直流磁化。 （ 3） 硒整流器 硒整流器具有和电子管整流器的优点外，很多硒原件的串联使得正向电阻变得异常的大，并且元件本身特性存在一定的杂散电容等，因此对火花放电时过电压影响非常的大。但是硒堆击穿后具有自恢复能力，也就 是说硒堆在承受过电压不能够承受的时候被击穿，当过电压消失后，硒堆能够进行自我修复。因此
