CN103341407A - 一次颗粒物扩散消除方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一次颗粒物扩散消除方法及其装置属于环境科学与工程技术领域，涉及注入单极性离子通过扩散荷电增粗使PM2.5荷电增粗而后捕集消除的方法及其装置。其特征在于它包括单极性离子产生部分、扩散荷电部分和电捕集部分，将PM2.5一次颗粒物和高浓度单极性离子一并注入高频高压交变电场，经扩散荷电凝聚增粗成粒径＞2μm一次颗粒物，后在静电电场作用力作用下被捕集，消除了PM2.5一次颗粒物污染，消除率达到85%～99.8%。本发明为消除PM2.5一次颗粒物大气污染提供一种有效的方法，也可用于除尘器的超微细粉尘扩散荷电凝聚预处理上，且具有捕集效率高、一次投资、运行成本、能耗等均大幅度的降低等优点。

Description

一次颗粒物扩散消除方法及其装置

技术领域

本发明属于环境科学与工程、气体放电物理、等离子体技术及大气净化工程等技术领域，涉及一种PM2.5一次颗粒物扩散消除方法及其装置。

背景技术

我国是正在崛起的经济大国，能源有三分之二来自煤炭，依赖度很高，仅2005年至2010年间煤炭消费量就增加44%，工业企业、发电厂燃煤、燃油锅炉燃烧过程产生超微细烟尘，即粒径≤0.1μm一次颗粒物PM0.1。由于其比表面积很大、活性强、吸附性强，致使PM0.1表面极易富集空气中重金属(As、Se、Pb、Cr等)和PAHs、VOCs等有机污染物；还易贴附SO₂、NOx及其副产物硫酸、硝酸、硫酸盐、硝酸盐等污染物，这些污染物多为致癌物质或基因毒性诱变物质。这些微量污染物可在其表面进一步迁移和富集，其危害性极大。治理PM0.1大气污染已成为我国刻不容缓的重大民生问题。

一次颗粒物荷电增粗通过气体电离后产生的单极性离子与其碰撞来实现，增粗机制分为两种，一种是电场荷电增粗，气体单极性离子在外加电场作用下沿电力线方向做有规则运动时与颗粒物碰撞荷电增粗；另一种扩散荷电增粗，气体做不规则运动时与颗粒物碰撞荷电增粗。一次颗粒物荷电增粗机制依其粒径不同而异。当粒径＞1μm时以电场荷电增粗为主导；当粒径＜0.1μm时则以扩散荷电增粗为主导。PM2.5一次颗粒物中粒径＜0.1μm的一次颗粒物为主体，所以消除PM2.5一次颗粒物应以扩散荷电增粗为主，电场荷电增粗为辅。

发明内容

本发明解决了现有消除PM2.5一次颗粒物大气污染存在的问题，提供一种PM2.5一次颗粒物扩散消除方法及其装置，包括单极性离子产生部分、扩散荷电部分和电捕集部分。将PM2.5一次颗粒物和制取的高浓度单极性离子一并注入高频高压交变电场，经扩散荷电凝聚增粗成粒径＞2μm一次颗粒物，后在静电电场作用力作用下被捕集，消除了PM2.5一次颗粒物污染，消除率达到85%～99.8%。为消除PM2.5一次颗粒物大气污染提供一种有效的方法，且具有捕集效率高、一次投资、运行成本、能耗等均大幅度的降低等优点。

通常解决PM2.5中粒径小于0.1μm的一次颗粒物的荷电增粗采用扩散荷电凝聚增粗方法，PM2.5一次颗粒物扩散荷电是作无规则热运动的离子与其碰撞而使之荷电。对于粒径＜0.1μm尘粒的扩散荷电与其大小、荷电量及离子热运动强度、碰撞几率、运动速度和在电场中停留时间等多种因素有关。尘粒荷电过程及荷电量计算式推导都遵循气体分子运动的有关理论。

设距尘粒相当远外，电场中单位体中的单极性离子数位N；紧靠尘粒周围的离子数为N₁，根据气体分子运动理论，可得两者关系的表示式：

N₁=N×exp（-eV/kT)    式1

式中：ｅ为离子的电荷量；V为尘粒所在之处的电位；k为波慈曼常数；Ｔ为气体温度；离子在单位时间内穿过尘粒单位外表面积的数目用Ｎ₂表示时，则

$N_2=N_1\sqrt{\frac{\mathrm{kT}}{2\mathrm{\πm}}}$     式2

式中：m为离子的质量。根据高斯定理知，位于尘粒外围区域电场强度为

$E_2=\frac{q_p}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{r}^2}$     式3

式中：q_p为一次颗粒物电荷量；E₂为尘粒外围荷电量为q_p时的电场场强；ε₀为真空介质常数；r为颗粒物外围荷电半径。将式3的微分形式对r积分，则得尘粒荷电后在半径r处的电位

$V=\frac{q_p}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}r}$     式4

将式4代入式1中，则

$N_1=N\×\exp (-\frac{e{q}_p}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{kTr}})$     式5

在尘粒外表面r=a处，单位体积中的离子数N_1a为

$N_{1a}=N\×\exp (-\frac{{\mathrm{eq}}_p}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{kTa}})$     式6

利用式6计算出颗粒物表面的荷电速率

$\frac{{\mathrm{dq}}_p}{\mathrm{dt}}=4\mathrm{\πe}{N}_{2a}{a}^2=4\mathrm{\πe}{a}^2{N}_{1a}\sqrt{\frac{\mathrm{kT}}{2\mathrm{\πm}}}$     式7

$=e\sqrt{\frac{8\mathrm{\πkT}}{m}}{a}^2\mathrm{Nexp}(-\frac{{\mathrm{eq}}_p}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{kTa}})$

式中m为离子的质量。以t=0、q_p=0的边界条件对式7进行积分则得PM0.1荷电量：

$q_p=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{d}_p\mathrm{kT}}{e}\ln (1+\frac{d_p{\mathrm{Ne}}^{2}t}{2{\mathrm{\ϵ}}_0\sqrt{2\mathrm{m\πkT}}})$     式8

如以离子平均速度

代入上式，上式则改写为

$q_p=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{d}_p\mathrm{kT}}{e}\ln (1+\frac{d_p{\stackrel{\‾}{u}\mathrm{Ne}}^{2}t}{8{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{kT}})$     式9

式中：d_p为PM0.1的直径；

为离子平均速度。上式适用于粒径d_p＜0.1μm一次颗粒物的扩散荷电量计算。从式中可见，只有增加单极性离子数N、气体温度T、离子平均速度和一次颗粒物荷电时间t方可增加PM0.1荷电量。由于气体温度T、一次颗粒物荷电时间t增加量很有限，而单极性粒子数N及其平均速度可成数量级式增加，可采用增加单极性粒子数N和单极性离子平均速度方法来增加PM0.1一次颗粒物的电荷量。

PM2.5一次颗粒物扩散消除装置如图1所示，包括三部分，单极性离子产生部分1、扩散荷电部分2和电捕集部分3。本发明消除PM2.5一次颗粒物分为以下步骤：

1.制取单极性离子：单极性离子产生部分包括高压极10、接地极11和直流高压电源14，其结构如图1中1所示。通过直流高压电源14给单极性离子产生部分1中的高压极10施加10kV～100kV的电压，高压极10与接地极11之间产生电晕火花放电，形成强电离放电电场，电场强度为1.2kV/cm～20kV/cm，折合电场强度E/n达80Td以上，电子具有平均能量达5eV左右，其中部分电子所具有的能量将O₂（电离能为12.5eV）、N₂（电离能为15.8eV）等电离、电离离解成离子。产生单极性离子浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³。

2.扩散荷电增粗：扩散荷电部分2是由高压极10、接地极11和高频高压电源15组成，其结构如图1中2所示。通过高频高压交变电源15输出频率为0.1kHz～80kHz、电压幅值为0.1kV～100kV的高频高压施加到高压极10上，高压极10与接地极11之间形成高频高压交变电场，电场强度为0.8kV/cm～40kV/cm。将单极性离子产生部分1制取的浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³的单极性离子6（负离子或正离子）和含PM2.5气体4一并注入0.1m～4m长的高频高压交变电场中，即每1cm³气体中单极性离子达到10¹⁰～10¹⁴个。单极性离子6在高频高压交变电场中平均运动速度高达2km/s，并以2km/s的速度在高压极10与接地极11之间的间隙作10³～10⁴次上下往复运动，每个PM2.5一次颗粒物5每秒钟与单极性离子6碰撞荷电增粗机遇为10⁴～10⁵次。PM2.5一次颗粒物通过高频高压交变电场扩散荷电增粗后，其粒径增大10～10³倍，饱和荷电凝聚成粒径＞2μm一次颗粒物7，其荷电量增加10⁴～10⁵倍。

3.电捕集颗粒物：经扩散荷电增粗的颗粒物粒径达到2μm～5μm，并带有大量电荷。电捕集部分是由电晕极12、接地极11和直流高压电源14组成，其结构如图1中3所示。通过直流高压交变电源14输出电压施加到电晕极12上，电晕极12与接地极11之间形成静电电场，静电电场强度为1kV/cm～2kV/cm，饱和荷电的粒径＞2μm一次颗粒物7在静电电场作用力作用下被捕集到接地极11上，不含PM2.5一次颗粒物气体9排出PM2.5一次颗粒物扩散消除装置。

接地极10、高压极11均采用304不锈薄钢板加工而成的长方形极板，外侧涂覆绝缘材料薄层13。直流高压电源参数10kV～100kV；高频高压交变电源15频率范围为0.1kHz～80kHz，输出电压幅值范围为0.1kV～100kV。

本发明通过PM2.5一次颗粒物扩散消除装置将PM2.5一次颗粒物和制取的高浓度单极性离子一并注入高频高压交变电场，经扩散荷电凝聚增粗成粒径＞2μm一次颗粒物，后在静电电场作用力作用下被捕集，消除了PM2.5一次颗粒物污染，消除率达到85%～99.8%。这解决了PM2.5一次颗粒物捕集净化难题。为消除PM2.5一次颗粒物污染提供一种可行、有效的新方法，并大幅度提高了PM2.5一次颗粒物捕集效率。同时又可大幅度缩小除尘器体积，降低钢材用量，进而降低了一次投资和运行成本，又减少了能耗。也可以应用于电除尘器、布袋、沉降等除尘器的预处理中，经预先荷电凝聚成大粒径的一次颗粒物，将大幅度提高电除尘器、布袋、沉降等除尘器的净化效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是强电离放电电场强度对粒径0.1μm一次颗粒物质量占有率影响曲线图。

图3是高频高压交变电场频率对粒径0.1μm一次颗粒物质量占有率影响曲线图。

图中：1单极性离子产生部分；2扩散荷电部分；3电捕集部分；4含PM2.5气体；5PM2.5一次颗粒物；6单极性离子；7粒径＞2μm一次颗粒物；8被电捕集后粒径＞2μm一次颗粒物；9不含PM2.5一次颗粒物气体；10高压极；11接地极；12电晕极；13绝缘材料薄层；14直流高压电源；15高频高压电源。

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实施例：

PM2.5一次颗粒物扩散消除装置如图1所示。

通过直流高压电源14给单极性离子产生部分1中的高压极10施加10kV～100kV的电压，高压极10与接地极11之间产生电晕火花放电，形成强电离放电电场，电场强度为1.2kV/cm～20kV/cm，折合电场强度E/n达80Td以上，电子具有平均能量达5eV左右，部分电子具有的能量将O₂、N₂等电离、离解成离子。产生单极性离子浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³。

高频高压交变电源15输出频率为0.1kHz～80kHz、电压幅值为0.1kV～100kV的高频高压施加到扩散荷电部分2中的高压极10上，高压极10与接地极11之间形成高频高压交变电场，电场强度为0.8kV～40kV。将单极性离子产生部分制取的浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³的单极性离子6（负离子或正离子）和含PM2.5气体4一并注入0.1m～4m长的高频高压交变电场中，即每1cm³气体中单极性离子达到10¹⁰～10¹⁴个。单极性离子6在高频高压交变电场中以2km/s的速度在高压极10与接地极11之间的间隙作10³～10⁴次上下往复运动，每个PM2.5一次颗粒物5每秒钟与单极性离子6碰撞荷电增粗10⁴～10⁵次。PM2.5一次颗粒物通过高频高压交变电场扩散荷电增粗后，其粒径增大10～10³倍，饱和荷电凝聚成粒径＞2μm一次颗粒物7，其荷电量增加10⁴～10⁵倍。

经扩散荷电增粗的颗粒物粒径达到2μm～5μm，并带有大量电荷。通过直流高压交变电源14输出电压施加到电捕集部分3中的电晕极12上，电晕极12与接地极11之间形成静电电场，静电电场强度为1kV/cm～2kV/cm，饱和荷电的粒径＞2μm一次颗粒物7在静电电场作用力作用下被捕集到接地极11上，不含PM2.5一次颗粒物气体9排出PM2.5一次颗粒物扩散消除装置。

本发明实施结果如图2、3所示。从图2强电离放电电场强度对粒径0.1μm一次颗粒物质量占有率影响曲线可知，在高频高压交变电场频率为11kHz条件下，当强电离放电电场强度为5kV/cm时，PM2.5一次颗粒物质量占有率约为14%，即86%的PM2.5一次颗粒物荷电增粗了。从图3高频高压交变电场频率对粒径0.1μm一次颗粒物质量占有率影响曲线可见，在强电离放电电场强度为5kV/cm下，当交变电场频率为10kHz时，PM2.5一次颗粒物质量占有率约为14%，即86%的PM2.5一次颗粒物荷电增粗，可见凝聚增粗效果明显。

Claims (6)

1.一次颗粒物扩散消除方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，制取单极性离子：利用电晕火花放电，形成强电离放电电场，电场强度为1.2kV/cm～20kV/cm，折合电场强度E/n达80Td以上，电子具有平均能量达5eV左右，部分电子具有的能量将O₂、N₂等电离、离解成离子；产生单极性离子浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³；

第二步：扩散荷电增粗：通过电场强度为0.8kV～40kV的高频高压交变电场，将第一步得到的浓度高达10¹⁰/cm³～10¹⁴/cm³的单极性离子和含PM2.5气体一并注入0.1m～4m长的高频高压交变电场中，PM2.5一次颗粒物通过高频高压交变电场扩散荷电增粗后，其粒径增大10～10³倍，饱和荷电凝聚成粒径＞2μm一次颗粒物，其荷电量增加10⁴～10⁵倍；

第三步，电捕集颗粒物：饱和荷电的粒径＞2μm的一次颗粒物在静电电场作用力作用下被捕集在接地极上，不含PM2.5一次颗粒物气体排出PM2.5一次颗粒物扩散消除装置。

2.用于权利要求1所述的一次颗粒物扩散消除方法的装置，该装置包括括单极性离子产生部分、扩散荷电部分和电捕集部分，其特征在于，所述的单极性离子产生部分（1）由高压极（10）、接地极（11）和直流高压电源（14）组成；通过直流高压电源（14）给高压极（10）施加电压，高压极（10）与接地极（11）之间形成强电离放电电场；直流高压电源参数10kV～100kV。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的扩散荷电部分（2）是由高压极（10）、接地极（11）和高频高压电源（15）组成；通过高频高压交变电源（15）将高频高压施加到高压极（10）上，高压极（10）与接地极（11）之间形成高频高压交变电场；高频高压交变电源输出频率为0.1kHz～80kHz、电压幅值为0.1kV～100kV。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述的电捕集部分（3）是由电晕极（12）、接地极（11）和直流高压电源（14）组成；通过直流高压交变电源（14）输出电压施加到电晕极（12）上，电晕极（12）与接地极（11）之间形成静电电场，静电电场强度为1kV/cm～2kV/cm；饱和荷电增粗成粒径＞2μm一次颗粒物（7）被捕集到接地极（11）上。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，接地极（10）、高压极（11）均采用304不锈薄钢板加工而成的长方形极板，外侧涂覆绝缘材料薄层（13）。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，接地极（10）、高压极（11）均采用304不锈薄钢板加工而成的长方形极板，外侧涂覆绝缘材料薄层（13）。

Images