分类号：q441.1 文献标识码：a
文章编号：0258-8013 (2000) 03-0053-03
basic research on the emittance characteristics
of synthetic cathode
yang ya-ping huang hui-fen zhang hao-kang wei qi-dong
(thermoenergy engineering research institute southeast university，nanjing 210018，china)
abstract：the effect of various factors on the thermal emission current is observed,the thermal emission characteristics of the cathode are significantly dependent on temperature,pressure and voltage added between anode and cathode.the thermal emission current density from the emitter we developed is are least of two orders more than that of an usual esp which has been found so far.the emitter has excellent electron-emitting stability and can be used under high temperature & high pressure for a long time.
key words：corona; high temperature; high pressure; cathode; precipitator; emission current▲
1 引言
目前广泛使用的电晕式静电除尘器的电极产生放电时的工作电压必须在电晕电压和火花电压之间，电场强度为480kv/m左右［1］，在常温时，这样的电场强度是不难达到的，其电性能也是相当稳定的。而在高温情况下，气体密度变小，这时电弧电压和电晕电压之间的差值变得很小，工作范围变窄，以致无法保证电除尘器的稳定工作；高温场合下，电除尘器的电晕线断线和电击穿等问题变得尤为严重。
由我校首推的无电晕式静电除尘器［2，3］直接利用高温烟气的热能激发阴极材料中的电子，使粉尘荷电。在热发射过程中仅辅以较低的电极电压(3000v)即可获得比电晕放电方式高出许多的电流密度。这样不仅可较好地解决电除尘器中电晕线断线和电击穿以及高温下的电绝缘问题，而且由于发射电流密度的增加，可以大大减少发射极板的面积，使得电除尘器在体积上和钢材消耗上大幅度减小。这对解决电除尘器在高温条件下的应用难题提供了一条崭新的思路。
无电晕式高温静电除尘系统能否得到广泛应用，阴极材料在常规工程应用条件下的热发射特性和它的稳定性是所要控制的关键技术之一。我们经多年研制、反复筛选，取得了较好的突破。
2 工作原理和试验装置
无电晕式高温高压静电除尘原理是利用逸出功较低的材料，在高温条件下稳定发射电子，使粉尘荷电，然后使已荷电的粉尘在强电场下被捕集。根据分子热物理理论，任何物质在高温条件下都具有一定程度的热电离，但只有当温度达到临界发射温度时，才能大量发射电子。不同的物质具有不同的临界发射温度。可用作发射极的材料除了电离电位要低之外，还必须具有高温热性能好和价格低等优点。
为了测试所筛选的阴极材料在高温高压环境条件下的发射性能，我们设计和建造了高温高压静态试验台，如图1所示。
图1 发射极静态试验系统
fig.1 the schematic of static test
of set-up emitting electrode
试验台热性能设计参数为:最大工作压力为1.0mpa;炉膛最高温度为1000℃。炉温和炉压均能自动保持恒定。
试验台电性能设计参数为：电功率为4kw;自藕变压器提供的阴极发射电压为0～10000v；发射电流检测分为0～100μa,100μa～1ma,1ma～10ma共3个档级，可按需要进行切换。用于试验的电极板直径为11.1mm, 阳极板的尺寸为25×25mm2, 两极板间距离在20mm～30mm之间可调。
3 试验的结果与分析
在高温高压烟气环境下，阴极板如何稳定地发射电子是本除尘系统的关键技术之一。为此，我们在一系列不同的温度、压力和激发电压条件下，对所研制的阴极材料进行了大量的电发射性能试验研究。试验结果见图1～图4。
3.1 不同条件下的阴极的伏安特性
图2(a)～(d)分别给出了在给定压力、不同温度条件下，阴极发射电流密度与极间所施加的电压之间的关系。由图可见
(1)在任何温度、压力下，阴极板的发射电流密度与所施加的电压成正相关系，这与电晕式静电除尘器的伏安特性完全一致。
(2)电压、温度恒定时，压力越大，发射电流密度越小。这说明环境压力增加，阴极板的电发射能力下降。
(3)电压、压力恒定时，温度越高，发射电流密度越大。在较低的温度(≤700℃)下，发射电流密度很低，此时其伏安特性与一般静电除尘器的伏安特性几乎没有区别；当温度达到850℃时，发射的电流密度急剧增加，表明此时阴极板发射出了大量的电子，亦即阴极板的热发射临界温度低于850℃。
(4)在较高的温度(850℃)下，只需施加较低的电压(<3000v)，即可获得较高的发射电流密度(>;20μa/cm2)。这个量级高出采用常规电晕放电方式的放电强度约两个数量级［4，5］。它为无电晕式静电除尘器在低电压水平下运行创造了条件，从而使得高温、高压环境下的电绝缘问题变得容易解决。
图2 不同条件下的阴极伏安特性曲线
fig.2 v-i characteristics for various
experimentar conditions
3.2 阴极发射电流密度随温度的变化规律
图3给出了不同电压、不同压力下，阴极板发射电流密度的变化曲线，由图看出
(1)在低温下，发射电流密度随温度的上升而增大的速率较慢；而当温度超过700℃时，温度增加，发射电流密度急剧上升，表明该阴极板的临界发射温度为700℃以上。
(2)与低压相比，高压环境下温度对发射电流密度的影响要小一些。
3.3 阴极发射电流密度随压力的变化规律
图4为不同的电压和温度条件下，发射电流密度随压力的变化规律，由图可见，在压力较低时，发射电流密度随压力增加而急速下降；而随着压力的增加，发射电流密度降低的速率越来越慢，这种现象在高温下尤为明显，充分表明环境压力对阴极发射电流的强度影响很大。
图3 发射电流密度随温度的变化规律
fig.3 influence of temperature on the emitting properties
图4 发射电流密度随压力的变化规律
fig.4 effect of pressure on the emission current density
3.4 阴极材料发射性能与时间的关系
图5反映了在850℃、0.6mpa的高温、高压环境下，阴极材料电发射性能随时间的变化情况。由图可见，使用初期，阴极板的发射电流密度随时间衰减很快，但经过一段时间以后，下降速率减少，直至趋于稳定。这主要是由于在高温高压气流中,材料会产生一定程度的老化，同时，阴极材料与气流中的某些成份在高温高压条件下难免会产生少量的化学反映，从而使其物理、化学性能有所变化，导致其发射电子的能力下降。
由图可见，由混合物组成的阴极材料在高温高压条件下经时效稳定之后，其阴极发射电流密度仍比常规电晕放电方式产生的电流密度高出两个数量级。
图5 发射电流密度随时间的变化曲线
fig.5 variance of the emitting property with time
4 结论
(1)环境温度、压力、激发电压对阴极发射电流密度有着不同程度的影响。温度和电压升高，都会使发射电流密度增加；而压力增加发射电流密度则降低。
(2)即使在0.6mpa环境压力、电极电压为3000v条件下，只要其温度超过它的临界发射温度，由阴极板材料热发射所获得的电流密度比通过常规电晕放电方式(电极电压为50kv)所得到的电流密度就会高出两个数量级。
(3)所开发的阴极材料可以保持稳定的发射电流密度(>;20μa/cm2)，预期可在高温高压环境中长期使用。
基金项目：国家自然科学基金资助(59776049)。
作者简介：杨亚平(1952-)，男，江苏六合人，副教授，从事热能工程科研工作，曾在《动力
工程》等刊物上先后发表论文14篇。
作者单位：杨亚平（东南大学 热能工程研究所，江苏省 南京市 210018）
黄蕙芬（东南大学 热能工程研究所，江苏省 南京市 210018）
张浩康（东南大学 热能工程研究所，江苏省 南京市 210018）
魏启东（东南大学 热能工程研究所，江苏省 南京市 210018）
参考文献：
［1］冶金部安全技术所等.sq型双区电除尘试验研究报告［r］.1980.9.
［2］魏启东，等.一种新型的静电除尘器［j］.东南大学学报，1992，22，(9)：112.
［3］chen aizhu,wei qidong，et al.the study of noncorna high temperature electrastic preciopitation［c］.第27th 磁流体发电国际年会论文集，1989.
［4］胡满银，等.电除尘器电晕线放电性能的研究［j］.现代静电技术，1988，10：74～78.
［5］高香林，等.电除尘器板电流密度分布的试验研究［j］.现代静电技术，1988，10：50～53.
