CN101049583A - 在烟道中产生高数密度离子的方法 - Google Patents

Abstract

在烟道中产生高数密度离子的方法属于气体电子工程、大气压非平衡等离子体物理和流体力学等技术领域。其特征在于采用直流、窄脉冲电晕流光放电电离具有动量为1×10^－22g·m/s－40×10^－22g·m/s的烟道中气体分子，离子输运项达到2×10⁹/cm³·s－2×10¹⁴/cm³·s，离子数密度为10⁷/cm³－10¹¹/cm³。本发明的效果和益处是在管道中高电压放电装置产生高密度的离子，比电除尘器本体高电压放电产生的离子数密度高出2.3个数量级，高数密度离子为粉尘进入电除器前预荷电凝聚提供了必需的基础条件，省去传统附加庞大高电压电离放电的设置，大幅度降低电除尘器体积和能耗。本发明可广泛应用于烟尘净化及等离子体源。

Description

在烟道中产生高数密度离子的方法

技术领域

本发明属于气体电子工程，大气压等离子体物理和流体力学等技术领域，涉及在烟道中产生高数密度离子的方法。

背景技术

我国电除尘器的数量占国内除尘设备市场总量的75％，中国已成为世界电除尘器生产、应用大国。2004年我国实施新的火电厂国家允许排放标准(50mg/Nm³)颁布，将使现有的新、老电除尘器中绝大多数难以达到新的烟尘允许排放标准，其主要原因是后级电场中微细烟尘捕集效率低的问题，这是对现有电除尘理论和技术的一种挑战。要使电除尘器达到新的标准，就需要在电除尘理论和技术上加大研究力度，以便取得突破性进展，把电除尘器技术推向更高的水平上发展。我国在电除尘技术及设备制造上一直是处于以跟踪研仿为主的阶段。电除尘的理论与技术均涉及气体电离放电物理学、高气压非平衡等离子体物理学及气体动力学等学科，是一门多学科交叉和融合的学科。由于相关学科研究取得了进展，这就为我国电除尘技术及设备的发展，提供基础理论及方法的支持。

由于采用电除尘技术处理工业烟尘及空气净化的工程数量成指数规律增加，引起学术界的关注，并进行有关电除尘理论与技术的研究工作。1980年Masuda，1990年与川慎太郎等人以及2001年王海宁等人分别进行了用高电压窄脉冲供电方法，改善了电除尘器的反(逆)电晕问题，使捕集高比电阻烟尘的效率有所提高。1990年白希尧等人进行了直流电场的同极性烟尘荷电凝聚技术的研究工作，烟尘驱进速度可提高2～6倍，改善了电除尘器的收尘性能。1992年阪本清等人采用间歇供电方法改善了高比电阻烟尘的荷电性能，解决了烧结烟气的除尘疑难问题。1995年Watababe等人和Hautanen等人，1997年许德玄以及2000年向晓东等人分别进行了离子荷电机理的试验研究工作。对0.06～12μm烟尘的除尘效率提高了3％左右。从上述实验研究表明，在直流、交变电场中的同极性、异极性离子对烟尘具有荷电凝聚作用。由于烟尘中的离子浓度低，导致烟尘荷电凝聚机率偏低。导致电除尘器捕集微细烟尘效率低，电除尘器体积庞大耗能高。为了提高烟尘的荷电凝聚率，又增设类似电除尘器的烟尘预荷电设置通常是靠增加几个变形电场来实现的。

众所周知，由于电晕电离电场强度存在着临界击穿电场强度的极限值(板线型，≤7.5kV/cm)，导致电除尘器中离子数密度存在一极限值，进而烟尘的荷电量、驱进速度也相应存在极限值。目前电收尘器均采用自动火花跟踪临界击穿电场强度的供电方法，使电收尘器运行在现有技术的最佳临界极限值上。可见，进一步提高电收尘器性能的可能性就很小了，这一问题引起了等离子体物理和气体放电物理学者的关注，并着手寻求解决问题的理论基础及方法。

发明内容

本发明的目的是解决现在电除尘器中离子浓度低(在10⁶/cm³左右)，粉尘荷电凝聚性能差，因而导致电除尘器捕集微细粉尘效率低，电除尘器体积庞大，能耗高等问题。

本发明的方法是利用烟道中气体分子动量4×10^-22g·m/s-40×10^-22g·m/s来解决电晕流光放电通道中本征电场对离子的束缚，将大幅度降低离子-电子、离子-离子的碰撞复合产生的损失率，可使烟道中离子浓度增加到10⁸/cm³--10¹⁰/cm³，比电除尘器中离子数密度高出1-2个数量级，大大地提高了进入电除尘器的粉尘在烟道中预先充分荷电凝聚机率。此法有助于解决电除尘器中粉尘荷电凝聚率低的问题。

本发明的技术解决方案：是在输送烟气的管道中放置1-5个直流或脉冲高电压放电装置，把管道中气体电离成O₂ ^-、N₂ ^-或O₂ ⁺、N₂ ⁺等离子；利用烟道中气体分子平均动量高达4×10^-22g·m/s-40×10^-22g·m/s，将使更多离子克服本征电场的束缚，大大地提高了离子输运项，通过设有高电压放电装置的烟道气体中将含有高密度离子，足以使进入电除尘器中的粉尘饱和荷电，有望解决目前电除尘器存在的问题。

本发明的技术方案是：在负电晕放电过程，外加稳定电场作用到非均匀放电间隙上时，由于空间电荷的积累，会出现新的电场分布和电晕模式。逐渐增加放电电场强度达到一定时，将在电晕点上出现一个电晕电流相对稳定的辉光放电。通常电除尘器就工作在辉光放电区域内。最大电场将出现在放电电极电晕点附近，当雪崩头部空间电荷形成的本征电场E_r与外加电场E₀的大小在同一数量级时，或者雪崩产生的电子数达到临界值时，就会在电晕点上发生辉光放电(负电晕)。并在负电晕雪崩头部形成了正电荷积累^[29]，形成了本征电场，它加强了正电荷和放电极之间的电场强度，并减弱了指向接地极的电场强度。在电晕放电空间任意一点的总电场强度为E＝E_o+E_r。当外加激励电场强度E_o增大时，将会强化了电离放电过程。此时本征电场强度甚至可达100～400kV/cm，比电除尘器中的外加激励电晕电场强度(～5kV/cm)高出20倍左右。本征电场强度将大大地强化了电离放电的强度，一个雪崩产生的电子总数、或者正离子总数将按指数规律增加。

由于汤生第一电离系数α是折合电场强度E/n(E为电离电场强度，n为气体浓度，单位Td，1Td＝10^-17V·cm²)的函数。所以在任何瞬间，任何电晕点上，电离强度将是折合电场强度的函数。由于电晕放电存在一个临界击穿电场强度，所以相应存在一个离子数密度极限值。从电离连续性方程可知，通过降低离子损失率，提高离子输运项，可使离子数密度成数量级提高。

描述控制电离放电通道物理过程的电离连续性方式是

$\frac{\∂N}{\∂t}=c-L\left(N\right)-\▿\·\left(\mathrm{NV}\right)---\left(1\right)$

式中c、L(N)分别为产生率、损失率，它们分别表示单位时间单位体积中由电离产生的离子-电子对，由复合而湮灭的比率，单位均是/cm³·s；·(NV)为输运项，是通量(NV)的散度。表示单位时间单位体积内由输运过程引起带电粒子浓度变化的迁移率。在平衡情况下 $\frac{\∂N}{\∂t}=0,$ 则

            ·(NV)＝c-L(N)                                 (2)

由于电晕放电存在一个临界击穿电场强度值，所以现在电晕电离放电的注入功率密度也就相应存在一极限值，因而产生率也相应存在一个极限值。当注入电离电场中能量密度为3.3mJ/cm³时，电离区域流光放电通道中的电子浓度可达到1.3×10¹⁴/cm³。如果不考虑电离区域内的电子与离子、离子与离子复合反应，计算电除尘器电场的电离占空比约为1.8×10^-5左右，此时除尘电场中离子浓度应为2.3×10⁹/cm³左右。实际上，由于电场力作用，电子、离子被束缚在电离放电通道中进行复合反应，其损失率在2个数量级以上，所以目前电除尘器电场中平均离子浓度仅为10⁶/cm³左右。从带电粒子的运动规律可知，离子在输运过程中，需要克服电离电场对带电粒子的束缚力，方能解决除尘电场离子浓度低下的问题。从目前实验研究结果也表明，可以通过提高带电粒子动量的方法加以解决，目前，电除尘器的离子动量在1×10^-22g·m/s左右，其输运项约在10⁶/cm³·s左右。当离子动量增加10×10^-22g·m/s时，离子输运项达到10⁸/cm³·s左右。可见，当离子动量每增加1个数量级时，则相应的离子浓度及其输运项也将相应的增加2个数量左右。这表明可以通过提高带电粒子动量方法来解决电收尘器离子输运项低下的问题，同样也预示着能使目前的电除尘器的体积、能耗、投资及运行费用等将会相应的大幅度降低。

本发明的效果和益处是：利用电除尘器的输送烟气管道本身及其气体分子动量达到4×10^-22g·m/s--40×10^-22g·m/s，使设置在管道中高电压放电装置产生高密度的离子，比电除尘器本体高电压放电产生的离子数密度高出2.3个数量级，为进入电除尘器中的烟尘荷电凝聚提供充足的离子，为其荷电凝聚提供十分有利条件。省去传统附加庞大高电压电离放电的设置，又有效利用管道中的气体分子的动量。达到了大幅度降低电除尘器体积和能耗的目的。

附图说明

图1是在烟道中产生高密度离子的流程示意图。

图1中：1进口烟气，2电除尘器的烟气入口烟道，3高电压电离放电装置，4风斗，5电除尘器主体，6烟尘料斗，7电除尘器烟气出口烟道，8出口烟气。

图2是离子输运项与气体分子动量关系曲线图。

图2中：9在E/n＝38.5Td时离子输运项与动量关系曲线，10在E/n＝18.4Td时离子输运项与动量关系曲线，11正离子，12负离子。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

步骤1.

在图1中高电压气体电离放电发生装置3设置在电除尘器的进气烟道2中，在烟气分子动量为1×10^-22g·m/s-40×10^-22g·m/s，离子输运项达到10⁷/cm³·s-10¹²/cm³·s，离子数密度达到10⁷/cm³-10¹¹/cm³，为了进入电除尘器的烟气中粉尘，在烟道中预先荷电凝聚提供必需条件。

步骤2.

在图2中，当模拟电除尘器中的气体平均动量为1×10^-22g·m/s、E/n为18.4Td时，烟气中离子输运项达到1.1×10⁸/cm³·s，此时离子数密度仅达到4.9×10⁶cm³；当模拟烟道中的气体平均动量为12×10^-22g·m/s，E/n为38.5Td时，则烟气中离子输运项提高到8×10¹⁰/cm³·s，离子数密度也相应提高到2.2×10⁸/cm³。均比电除尘器中烟气的离子数密度高出2个数量级，足以使进入电除尘器的烟尘预先达到饱和荷电。

Claims (2)

1.一种在烟道中生产高数密度离子的方法，其特征在于采用直流、窄脉冲电晕流光放电电离具有动量为1×10^-22g·m/s-40×10^-22g·m/s的烟道中气体分子，离子输运项达到2×10⁹/cm³·s-2×10¹⁴/cm³·s，离子数密度为10⁷/cm³-10¹¹/cm³。

2.根据权利要求1所述的一种在烟道中产生高浓度数密度离子的方法，其特征在于高电压电离放电过程是烟道中发生的。