CN101869872A - 双极荷电强化微细颗粒物聚并装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，属于烟气净化技术领域，适用于亚微米超细颗粒除尘。电极系统置于锅炉出口的烟气通道内，矩形的阴极板和阳极板互相平行交替相间把烟气通道分隔成多个正电晕通道和负电晕通道的子通道，放电极即芒刺电晕极以正三角形分布垂直焊接在平面型的阳极板的正面和阴极板的正面，这样可以使整个通道内具有非常均匀的电场，保证颗粒、尤其是超细颗粒于该区域内短时间获得充分荷电。本发明的优化设计保证相邻正电晕通道和负电晕通道中的粉尘所荷异性荷电量相等，最大限度地提高聚并效果，降低了能耗。本发明不仅适合于大型锅炉，而且适用于中、小型锅炉和其它产生烟气的设备除尘。

Description

双极荷电强化微细颗粒物聚并装置

技术领域

本发明属于烟气净化技术领域，特别涉及一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置。

背景技术

现代工业的迅速发展给人类带来便利，同时也带来了严重的环境污染，大气气溶胶污染就是其中之一。中国的大气污染属于煤烟型污染，烟尘和酸雨(二氧化硫)污染危害最大，并呈发展趋势。2006年我国煤炭产量约23.2亿吨，其中动力用煤约占80％。在相当长的时间内，我国以煤为主的能源结构不会改变。燃煤产生的烟尘是可吸入颗粒物的最主要来源。监测结果表明，可吸入颗粒物是目前我国城市大气环境的首要污染物。许多工业过程造成对人体有危害的小颗粒物被排放入大气，这些较小的颗粒对由空气污染物造成的大气能见度降低负最主要的责任。大气的不透明度主要取决于排放物中细颗粒物的多少，因为消光系数在光线波长接近于0.1和1个微米之间附近时达到峰值。如果考虑到排放的污染物颗粒物数目，而不仅仅是污染物的质量的话，控制小颗粒物的重要性会更加突出。从一个典型的煤燃烧过程中产生的粉煤灰，污染物粒子中尺寸小于2.5微米的占总污染物的质量只有7％，但占颗粒物总数的97％。工业粉尘的去除主要用各种除尘设备来实现，静电除尘器因综合性能较高，得到了广泛的应用。然而，虽然静电除尘器对各种粒径粉尘总的去除效率可高达99.7％，但是对微细颗粒物的除尘效果并不理想，由于荷电机理的限制，特别是对粒径范围在0.1-1μm的亚微米颗粒，除尘效率低于85％。这些微细颗粒物对人体危害极大，同时又严重污染环境，并对气候造成影响。

澳大利亚Indigo公司在专利CN1390157A的发明专利中，采用了双极荷电烟尘凝并技术，其特点是采用独立的极线分别接在正负两台电源上；采用独立的非平面型板材将烟道分隔成许多小的通道，中间放置正、负电晕极线，正、负电晕极线均采用独立的电晕极线，正、负电晕的异极间距相同，且与常规电除尘极板、极线形式相同；投资大，能耗高。我国公布的发明专利申请“双极性电晕放电烟尘凝并电除尘方法及其设备”(申请号200410066936.0)中也采用双极荷电烟尘凝并技术，其特点是采用独立的极线分别接在一台电源正负极上，节省了投资；正、负电晕极线均采用独立的极线，且与常规电除尘极线形式相同；电极间距相同，放电电流相同，但由于正、负电晕极放电特性不同，将导致荷异性电荷量不等，造成聚并效果差，能耗高；由于实际烟道一般有弯头，烟气及其所携带的颗粒物在离心惯性力的作用下，由二次流形成双螺旋流动，因为没有烟气整流，烟气流速和流量以及颗粒物的浓度和粒径分布在烟道截面分布极不均匀，这种二次流形成的双螺旋流动将向下游延续50～75倍当量直径的长度，实际烟道不可能有这样长度的直管段，必将导致颗粒荷异性电荷量相差悬殊，聚并效果差，能耗高。因此需要提供一种荷电效率高，聚并效果好的能耗低，投资小的双极荷电强化微细颗粒物聚并装置。

发明内容

本发明的目的要解决现有技术双极荷电烟尘凝并技术的荷异性电荷量不等，聚并效果差，投资大，能耗高的问题，通过优化设计，采用正、负电晕极不同极板间距，使得荷异性电荷量相等，最大限度地提高聚并效果，降低能耗，提供一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，装置的电极系统3置于锅炉出口的烟气通道内，电极系统3由220V/380V交流电经调压变压器1调压，高压变压器和高压硅整流器2供给10kV～70kV高压直流电压，其特征在于，装置的电极系统由N块阴极板7、N块阳极板6和一块无芒刺阳极板8交替相间互相平行构成，并把烟气通道分隔成2N个子通道，即N个正电晕通道10和N个负电晕通道11，其中第N个负电晕通道11由第N块阴极板7和无芒刺阳极板8组成，阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7均为面积和形状相同的矩形电极板，其高度与烟气通道高度相同，阳极板6的正面和阴极板7的正面均按正三角形分布垂直焊接芒刺电晕极9，阳极板6的背面和阴极板7的背面均为光滑平面，无芒刺阳极板8的两面均为光滑平面，阳极板6带芒刺电晕极9的正面与阴极板7光滑的背面之间构成正电晕通道10，阴极板7带芒刺电晕极9的正面与阳极板6光滑的背面之间构成负电晕通道11，第N块阴极板7带芒刺电晕极9的正面与无芒刺阳极板8的光滑平面之间构成第N个负电晕通道11，正电晕通道10的极板间距大于负电晕通道11的极板间距，电极系统3中，全部阳极板6及无芒刺阳极板8并联与电源的正极连接，全部阴极板7并联通过串联的电流表5与电源的负极连接或接地，阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7与烟气通道内壁之间布置绝缘隔层绝缘。

所述正电晕通道10的极板间距的范围为70mm～350mm，负电晕通道11的极板间距的范围为60mm～300mm。

所述芒刺电晕极9为具有尖端的钢钉，其直径为3mm～5mm，长度范围为11mm～15mm，正三角形分布的间距范围为20mm～200mm。

所述阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7的材料为低碳钢或不锈钢。

所述整数N的范围为2～50。

双极荷电聚并实际上是在静电力作用下，通过增加微细颗粒的荷电能力，促进荷电微细颗粒以电泳方式到达荷异性电颗粒表面，从而增加颗粒间的聚并效应。电聚并的效果取决于粒子的浓度、粒径，电荷的分布以及外电场的强弱，不同粒子的不同运动速度和振幅导致了微粒间的碰撞和聚并。

在没有重力以外的外力的作用下，烟气中微米颗粒一般不发生明显的相互碰撞和聚并，其原因有三：颗粒在烟气中作无规则的布朗运动；颗粒外表面吸附了一层气体分子，形成气膜，阻碍颗粒之间的接触；颗粒不带电荷，或即使带电荷，电荷性质也是相同的，同性相斥使颗粒不易相互聚合而保持悬浮状态。其中后两个原因更为重要。

本发明采用双极荷电聚并方法，利用静电聚并原理使混合流体中的颗粒物通过外加电场产生的电晕放电带正电荷或负电荷而互相吸引、碰撞，在短时间内由细小颗粒聚并为能被现有除尘器系统收集的大颗粒。在阳极板6带芒刺电晕极9的正面与阴极板7光滑的背面之间构成的正电晕通道10内，流动的烟气中的颗粒通过芒刺电晕极9在外加电场作用下产生正电晕放电带正电荷。同理，在阴极板7带芒刺电晕极9的正面与阳极板6光滑的背面或无芒刺阳极板8的光滑平面之间构成的负电晕通道11内，流动的烟气中的颗粒通过芒刺电晕极9在外加电场作用下产生负电晕放电带负电荷。因此，含有大量超细颗粒物的锅炉出口烟气流入正电晕通道10和负电晕通道11组成的双极荷电区域，这类颗粒物在此区域的正电晕通道10或负电晕通道11内由于不同极性的电晕放电而分别带上正电荷或负电荷，通过双极荷电区域后因异电性相吸引，超细颗粒物之间随气流以电泳方式发生吸附和碰撞，破坏颗粒表面气膜，发生有效碰撞，变为粒径较大的颗粒物。小颗粒物可以互相聚并成大一些的颗粒物，小颗粒物也可以和流体中的大颗粒物聚并，大颗粒之间也可以聚并。聚并“长大”之后的颗粒物随后可以各种现有技术的除尘方法从气流中去除掉。而在各电晕通道内，因颗粒带同性电荷，而不易发生碰撞和产生聚并，在原设计烟气流速下，颗粒不会在电晕通道内沉积。为了提高超细颗粒物的双极荷电聚并效率，电晕放电中最大限度的使亚微米颗粒物带上尽量多的电荷，且经过正电晕通道的颗粒物与经过负电晕通道的颗粒物所带的电荷数相等，要求正电晕通道和负电晕通道上的击穿电压和电流体积密度相等。

在其它条件相同情况下，不管芒刺电晕极这样的尖电极的极性如何，它们的起晕电压基本相同，但击穿电压却差别很大。负极性的尖电极的击穿电压要比为正极性的尖电极击穿电压高得多。对于负极性尖电极，极尖附近的正空间电荷减弱了向极板方向的电场强度，而加强了朝向极尖的电场强度，因此，负电晕被压缩在负尖电极附近，使放电不易向前发展；对于正极性的尖电极，极尖附近的正空间电荷加强了朝向极板的电场强度，使高场强区移向极板，而朝向尖电极的电场强度则减弱了，正尖电极朝向极板方向场强高，易于电离，因而在相同的极板间距情况下，正极性击穿电压比负极性击穿电压低得多。由于这种正电晕极放电特性和负电晕极放电特性不同，只有正电晕通道10的极板间距大于负电晕通道11的极板间距，才有可能使产生正电晕的电晕通道10和负电晕的负电晕通道11的击穿电压和电流体积密度相等。为了使产生的电晕最大范围覆盖电晕通道，要通过计算和实验确定各电晕通道的极板间距和芒刺电晕极间距的参数配比。

正电晕极和负电晕极分别焊接在不同极性的极板上，一方面实现颗粒荷电，另一方面，还可以起到很好的烟气整流作用，使烟气流速和流量以及颗粒物的浓度和粒径分布在烟道截面分布趋于均匀，颗粒荷异性电荷量大致相当，提高聚并效果。

本发明用于强化超细颗粒物双极荷电聚并的基本流程是：(1)烟气以一定的流速从锅炉烟气出口进入烟气通道，正电晕通道和负电晕通道把烟气气流分成各自通道中的流体；(2)在正电晕通道内烟气流体由于芒刺电晕极产生的电晕而使烟气中的颗粒物带上正电荷，在负电晕通道内烟气流体由于芒刺电晕极产生的电晕而使烟气中的颗粒物带上负电荷；(3)荷电的颗粒物在飞出通道后与带异性电荷的其它颗粒发生碰撞黏附，从而增大其粒径。

本发明的最主要特点在于，放电极即芒刺电晕极以正三角形分布垂直固接在平面型金属电极板上，这样可以使整个通道内具有非常均匀的电场，保证颗粒、尤其是超细颗粒于该区域在短时间内获得充分荷电；同时该金属电极板将烟道分隔成许多小的平行通道，还可以起到烟气整流作用，平行通道阻力低，能耗小；正电晕通道和负电晕通道的极间距不同，通过优化设计保证相邻两个通道中的粉尘所荷电量相等，这样不仅使得荷异性电荷量相等，还最大限度地提高聚并效果，降低了能耗。

本发明的有益效果为，聚并过程所用时间短，在烟气产生到进入除尘器的流动过程中即可实现聚并。本发明具有聚并效率高，投资和运行费用低，设备简单，运行稳定，便于推广应用等特点。本发明不仅适合于大型锅炉除尘，而且适用于中、小型锅炉和其它产生烟气的设备除尘，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是双极荷电强化微细颗粒物聚并装置的电路图；

图2是本发明中电极系统的结构示意图；

图3是芒刺电晕极9在阳极板6和阴极板7的平面分布示意图；

图中，1--调压变压器，2--高压变压器和高压硅整流器，3--电极系统，4--电压表，5--电流表，6--阳极板，7--阴极板，8--无芒刺阳极板，9--芒刺电晕极，10--正电晕通道，11--负电晕通道。

具体实施方式

双极荷电强化微细颗粒物聚并装置的电路图如图1所示。双极荷电装置的供电系统由调压变压器1和高压变压器和高压硅整流器2组成，高压变压器和高压硅整流器2将220V/380V交流电变为高压直流电，用调压变压器1来改变电压大小至产生电晕放电使超细颗粒物荷电。高压直流电的可变压范围为10kV～70kV。电压表4与阳极板和阴极板并联，用于监测极间火花放电时的击穿电压，电流表5串联在并联的阴极板与地线之间，用于监测击穿电压时的电流，从而确定电流体积密度。

电极系统3置于锅炉出口的烟气通道内。如图2所示，电极系统3由2块阴极板7、2块阳极板6和1块无芒刺阳极板8交替相间互相平行构成，并把烟气通道分隔成4个子通道，即2个正电晕通道10和2个负电晕通道11，其中第2个负电晕通道11由第2块阴极板7和无芒刺阳极板8组成，阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7均为面积和形状相同的矩形电极板，其高度与通道高度相同，阳极板6的正面和阴极板7的正面均按正三角形分布垂直焊接芒刺电晕极9，阳极板6的背面和阴极板7的背面均为光滑平面，无芒刺阳极板8的两面均为光滑平面，阳极板6带芒刺电晕极9的正面与阴极板7光滑的背面之间构成正电晕通道10，阴极板7带芒刺电晕极9的正面与阳极板6光滑的背面之间构成负电晕通道11，第N块阴极板7带芒刺电晕极9的正面与无芒刺阳极板8的光滑平面之间构成第N个负电晕通道11，正电晕通道10的极板间距大于负电晕通道11的极板间距，电极系统中全部阳极板6及无芒刺阳极板8并联与电源的正极连接，全部阴极板7并联通过串联的电流表5接地，阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7与烟气通道内壁之间布置绝缘隔层绝缘。正电晕通道10的极板间距为70mm，负电晕通道11的极板间距为60mm。

芒刺电晕极9为具有尖端的钢钉，直径为3mm，长度为10mm，正三角形分布的间距为20mm，如图3所示。

阳极板6、无芒刺阳极板8和阴极板7的材料为低碳钢或不锈钢。

锅炉出口烟气以一定流速进入双极荷电聚并区域，每个子通道中电极板上的芒刺电晕极会产生正电晕或负电晕，这时烟气中的超细颗粒物便会分别荷上正电荷和负电荷，在电场作用下，颗粒会发生偶极化现象，极化的颗粒将形成“珍珠链”，从而使颗粒增大。另外，异极性荷电粉尘间的库仑力本身也会促进聚并。在两者的综合作用下，粉尘间的聚并效果将大大增强。从而，聚并得到的大颗粒粉尘能被除尘器所收集。

电极板用阳极-阴极-阳极-阴极-阳极的排布方式使电晕通道出口的颗粒物所带电性为正-负-正-负，这样颗粒在通过通道后由于异性相吸原理结合在一起，更有利于增加颗粒的粒径，提高除尘效率。

双极荷电装置的最优组合必须是荷负电颗粒与荷正电颗粒所携带的电量数大致相同，并且在单位场强密度大致相同的情况下，电流体积密度最大，因为在相同的场强下，电流越大，荷电量越高，带电颗粒越多，通过极板后荷异电荷的颗粒结合、碰撞的机会越大。这就对正电晕通道与负电晕通道的板间距和极板间产生火花放电的击穿电压大小的确定有很高要求。用以下公式计算在击穿电压下场强单位密度与电流体积密度：

场强密度：E_b＝U_P/b

电流体积密度：I_V＝I_P/V

体积：V＝nAb

其中：U_P表示极板间产生火花放电的击穿电压，kV；b表示板间距，cm；E_b表示场强单位密度，kV/cm；I_P表示击穿电压时的电流，μA；V表示两极板间的空气体积，cm³；I_V表示电流体积密度，μA/cm³；n表示通道数；A表示极板面积，cm²。

根据上述公式以及结合实验数据，对能促进烟气混合流体中超细颗粒物的聚并的电极系统进行结构设计，其步骤为：

1.测定锅炉出口烟气流量和流速；

2.根据烟气流量和流速的数据，计算击穿电压下场强单位密度与电流体积密度，确定具有最优特性的极板间距和电源电压，使得荷负电颗粒与荷正电颗粒所携带的电量数大致相同；

3.设计能够具有第2步中所得到装置的最优尺寸数据，即通道数、极板面积、极板间距和极板长度等。具有最优特性的荷电装置尺寸的求解是一个反复试算或迭代过程。

当工业过程所产生的烟气混合流体通过双极荷电装置时，流体中颗粒物在电极板所组成的正电晕通道或负电晕通道中由于电晕放电变为带有不同电性的颗粒物，大大增加在通过正电晕通道或负电晕通道后各种尺寸的颗粒物间相互吸引碰撞的概率，使难以被传统除尘装置去除的亚微米颗粒物聚并长大为大颗粒而能被后续除尘系统所收集，以达到烟气净化目的。

Claims (5)

1.一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，装置的电极系统(3)置于锅炉出口的烟气通道内，电极系统(3)由220V/380V交流电经调压变压器(1)调压，高压变压器和高压硅整流器(2)供给10kV～70kV高压直流电压，其特征在于，装置的电极系统由N块阴极板(7)、N块阳极板(6)和一块无芒刺阳极板(8)交替相间互相平行构成，并把烟气通道分隔成2N个子通道，即N个正电晕通道(10)和N个负电晕通道(11)，其中第N个负电晕通道(11)由第N块阴极板(7)和无芒刺阳极板(8)组成，阳极板(6)、无芒刺阳极板(8)和阴极板(7)均为面积和形状相同的矩形电极板，其高度与烟气通道高度相同，阳极板(6)的正面和阴极板(7)的正面均按正三角形分布垂直焊接芒刺电晕极(9)，阳极板(6)的背面和阴极板(7)的背面均为光滑平面，无芒刺阳极板(8)的两面均为光滑平面，阳极板(6)带芒刺电晕极(9)的正面与阴极板(7)光滑的背面之间构成正电晕通道(10)，阴极板(7)带芒刺电晕极(9)的正面与阳极板(6)光滑的背面之间构成负电晕通道(11)，第N块阴极板(7)带芒刺电晕极(9)的正面与无芒刺阳极板(8)的光滑平面之间构成第N个负电晕通道(11)，正电晕通道(10)的极板间距大于负电晕通道(11)的极板间距，电极系统(3)中，全部阳极板(6)及无芒刺阳极板(8)并联与电源的正极连接，全部阴极板(7)并联通过串联的电流表(5)与电源的负极连接或接地，阳极板(6)、无芒刺阳极板(8)和阴极板(7)与烟气通道内壁之间布置绝缘隔层绝缘。

2.根据权利要求1所述的一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，其特征在于，所述正电晕通道(10)的极板间距的范围为70mm～350mm，负电晕通道(11)的极板间距的范围为60mm～300mm。

3.根据权利要求1所述的一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，其特征在于，所述芒刺电晕极(9)为具有尖端的钢钉，其直径范围为3mm～5mm，长度范围为11mm～15mm，正三角形分布的间距范围为20mm～200mm。

4.根据权利要求1所述的一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，其特征在于，所述阳极板(6)、无芒刺阳极板(8)和阴极板(7)的材料为低碳钢或不锈钢。

5.根据权利要求1所述的一种双极荷电强化微细颗粒物聚并装置，其特征在于，所述整数N的范围为2～50。

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