CN104826434A - 纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法及其装置，用过饱和水蒸气以空气中雾霾微尘为凝结核形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除雾霾微尘。主要过程为，含雾霾微尘颗粒的气体和饱和水进入加热器加热，水蒸气达到过热蒸汽状态。过热水蒸气和气体组成的混合气体进入缩放喷管做近似等熵膨胀。进入膨胀管，混合气体中的水蒸气达到过饱和状态，水蒸气分子以微尘颗粒为凝结核心，在颗粒表面凝结，形成纳米团簇。纳米团簇在等离子体发生管中荷电偏转，同时溶解吸收等离子体放电产生的气体污染物，被污水收集极收集排出。最后气体进入冷凝器，将气体中多余的水蒸气凝结成液态水回收或排出，同时调节空气中的湿度。

Description

纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法及其装置

技术领域

本发明提出一种用过饱和水蒸气以空气中雾霾微尘为凝结核形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除的雾霾微尘脱除技术。

背景技术

近几年，随着燃油燃煤等工业发展、车辆增多等等因素，雾霾天气逐渐增多。雾霾天气对呼吸系统有较大的影响。雾霾微尘中有害健康的主要是直径小于10微米的气溶胶粒子，尤其是我们通常提到的PM2.5颗粒，会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支气管炎等病症，对于支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿等慢性呼吸系统疾病患者，雾霾可使病情急性发作或急性加重。一项来自美国、韩国和巴西等9个国家和地区的14个研究中心所提供的300万名新生婴儿的数据指出，随着可吸入颗粒物的水平增加，婴儿低出生比重的几率增加10％。雾霾已经严重影响人们的生活环境，影响了我国经济的发展。

常见的空气净化器技术在颗粒微尘脱除方面，主要为两种技术路线，其一使用HEPA高效滤芯对气体进行过滤；其二采用静电集尘技术，使微尘在静电场中荷电，并在电场中偏移从而被收集。

目前仅使用滤网的空气净化器包括：飞利浦AC4076、松下F-PDF35C-G、夏普KC-2380SW、霍尼韦尔PAC35M、三个爸爸系列等。HEPA滤网是目前较为成熟的技术，对微尘颗粒的过滤效果较好。其主要问题在于由于微尘颗粒在HEPA滤网上堆积，会导致滤网透气阻力增加，使空气净化器空气处理量迅速下降，同时堆积的灰尘会滋生细菌，产生异味。根据使用者提供的数据，2013年在北京使用一台HEPA滤网空气净化器，三个月时间滤网上灰尘颗粒已经饱和，并且产生类似汽车尾气的味道。尽管多数净化器厂商宣称其滤网可以使用两年时间，但事实上在雾霾严重的时候，高效滤网的使用寿命仅为两三个月。频繁更换滤网明显增加空气净化器使用成本，同时滤网上灰尘堆积不能及时清除，也会对室内环境产生二次污染。

仅使用静电集尘技术的空气净化器具有代表性的是贝昂空气净化器，该厂商所生产的空气净化器使用介质阻挡放电原理，通过高频高压电极产生等离子体场，微尘在等离子体场中荷电，并被收集极吸附，可以通过水清洗收集极洗去微尘。但是该方案中存在的主要问题为，一、大规模空气等离子体场会产生臭氧，臭氧本身可以用于水净化、除臭、消毒等方面，但是浓度较高时，人会有不适感，通常认为当人可以嗅到臭氧气味时，臭氧浓度已经过高。臭氧是空气等离子体过程中不可避免的产物，贝昂空气净化器的用户经常反应有臭氧气味产生；二、微尘颗粒过小时，不能高效吸附负电荷，因此对于较大颗粒该方法可以有效去除，但是颗粒较小时，如PM2.5微尘去除效率往往不高。

发明内容

为了克服现有的空气净化器脱除颗粒物技术中存在的不足，本发明提出一种用过饱和水蒸气以空气中雾霾微尘为凝结核形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除的雾霾微尘脱除技术。利用本方法和装置，使水蒸气分子主动捕捉空气中的微尘颗粒形成纳米团簇，高效脱除微尘颗粒，同时纳米水团簇吸收等离子体场中的臭氧等气体废弃物。

本发明的技术方案为：纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法，采用缩放喷管和静电集尘法结合，使过热水蒸气和含雾霾微尘颗粒的气体组成的混合气体通过缩放喷管进行等熵膨胀达到过饱和状态，水分子主动以雾霾微尘颗粒为凝结核心，在颗粒表面凝结形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除雾霾微尘颗粒。

所述的纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法，具体步骤为：

第一步，含雾霾微尘颗粒的气体和饱和水进入加热器加热，使加热器出口处水蒸气达到当地温度的过热蒸汽状态；

第二步，过热水蒸气和含雾霾微尘颗粒的气体组成的混合气体进入缩放喷管做近似等熵膨胀，在缩放喷管中膨胀使混合气体温度和压力迅速下降，压力降至0.09MPa以下，使水蒸气达到过饱和状态；

第三步，混合气体在膨胀管中进一步膨胀，使水蒸气保持过饱和状态，此时水蒸气分子以微尘颗粒为凝结核心，形成纳米团簇，形成纳米团簇；

第四步，含有纳米团簇的气体通过等离子体发生管中荷电偏转，同时溶解吸收等离子体放电产生的气体污染物，通过污水收集极收集排出；

第五步，通过等离子体发生管后的气体进入冷凝器，将气体中多余的水蒸气凝结成液态水回收或排出，并调节空气中的湿度。

水蒸气通量和气体通量的质量比为1％～5％。

应用于所述的纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法方法中的装置，所述的装置由加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生器和冷凝器串联组成，所述的等离子体发生器主体为等离子体发生管，等离子发生管的上面设有电极，下面设有污水收集极。

所述的缩放喷管入口和喉部面积比大于5:1，喉部和出口面积比为1:1.2～2。

所述的加热器包括PTC加热器、电加热器、燃气热水器中的任一种。

所述的加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生管和冷凝器通过金属管或石英玻璃管连接并密封。

所述的冷凝器为水冷或者半导体制冷冷凝器。

所述的膨胀管为方形管道，通道截面积略大于缩放喷管出口截面积但是要小于出口截面积的2倍

有益效果：1、颗粒脱除效率极高。本发明提出的形成雾霾微尘纳米水团簇技术是主动捕捉微尘技术，该方法中颗粒直径越小，越容易形成团簇，其脱除效果越好，脱除效率极高。

3、空气净化量大。本发明中提出的核心技术中没有滤网带来气体阻力，同时该发明中喷管内蒸气速度要达到超音速，该速度值远远超过目前现有的所有空气净化器中气体流速，因此气体净化量远远超过同类产品，换言之，该方法非常适合大规模空气净化需求。

4、能耗低。本发明提出的水蒸气膨胀达到过饱和状态后，主动以霾微尘形为凝结核心形成团簇，该过程不额外耗能。捕捉时水分子利用率极高，仅需数个水分子就可以脱除一个微尘颗粒。因此该产品在脱除微尘原理上耗能非常小。

5、不需要额外耗材，不产生二次污染。本发明采用主动捕捉微尘颗粒方法，可以大幅提高微小颗粒的脱除效率。系统中没有采用HEPA滤网和活性炭，因此避免了更换滤网带来的额外费用，同时避免了滤网上微尘堆积产生二次污染的现象。直接使用纳米水团簇将等离子体产生的有害物质溶解脱除，避免了仅用等离子体带来的气体污染。

综上所述，本发明提出的纳米水团簇—等离子体雾霾微尘颗粒脱除方法具有极高脱除效率、具有明显竞争优势的治理方法。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图。其中1为加热器、2为缩放喷管、3为膨胀管、4为等离子体发生器、5为冷凝器，4-1为电极，4-2为污水收集极。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明作详细说明：

本发明首次提出了利用缩放喷管和等离子体静电集尘技术结合的雾霾微尘脱除方法。众所周知，缩放喷管通常用于汽轮机叶片、火箭及飞机发动机等启动领域，而本发明创造性的将其应用于雾霾微尘脱除技术。本发明利用过热蒸汽通过缩放喷管会以颗粒物为凝结核心形成纳米团簇的性质，通过实验和理论分析，设计合理的喷管结构，和等离子体静电集尘技术结合，实现雾霾微尘脱除。

一种用过饱和水蒸气以空气中雾霾微尘为凝结核形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除的雾霾微尘脱除技术，步骤为：第一步，含雾霾微尘颗粒的气体和饱和水进入加热器加热，使加热器出口处水蒸气达到当地温度的过热蒸汽状态。过热蒸汽温度一般在40～120℃范围内，压力范围在0.15～0.2MPa范围内。根据入口空气含湿量，该出口参数可上下范围调节，通常水蒸气通量和气体通量质量比为1％～5％，过大的水蒸气通量会消耗较多的加热功率。入口处为了平衡气体和饱和水压力，可以选择泵提供压力。

第二步，过热水蒸气和含雾霾微尘颗粒的气体组成的混合气体进入缩放喷管膨胀，在喷管喉部达到当地音速做近似等熵膨胀，在喷管膨胀段继续膨胀使混合气体温度和压力迅速下降。该缩放喷管入口和喉部面积比必须大于5:1，喉部和出口面积比为1:1.2～1:2，使出口气体压力降到0.09MPa以下，此时气体中水蒸气达到过饱和状态。气体流速非常快，根据温度不同，该流速可以达到约300～500m/s。

第三步，混合气体在膨胀管中进一步膨胀，使混合气体中的水蒸气保持过饱和状态，此时水蒸气分子以微尘颗粒为凝结核心，在颗粒表面凝结，形成纳米团簇，水蒸气分子包裹微尘颗粒，形成纳米团簇。该过程中不额外消耗能量。膨胀管为方形管道，通道截面积略大于第二步中缩放喷管出口截面积，但不能超过后者2倍。

第四步，含有纳米团簇的气体通过等离子体发生管。在等离子体发生管中，采用较为成熟的高压静电除尘设备形成等离子体，放电电压为5kV～50kV、频率为10kHz～1MHz，纳米团簇中的水分子很容易吸附等离子体中的自由电子使团簇荷电，因此可以在电场中发生偏转，最终被污水收集极收集，并通过污水排出将气体中微尘颗粒物带走。同时水分子形成的团簇可以溶解放电过程中形成的臭氧等产物，污水排出的同时将等离子体放电产生的污染物同时溶解排出。为便于收集这些团簇，可以在等离子体放电电路中设计半波整流，使放电过程中空间电场方向始终不会指向污水收集极。

第五步，通过等离子体发生管后的气体进入冷凝器，将气体中多余的水蒸气凝结成液态水回收或排出，并调节空气中的湿度。

所述的纳米团簇—等离子体雾霾微尘脱除方法中使用的装置，所述的装置由加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生管和冷凝器串联组成。所述加热器设有进水口和气体进口，加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生管和冷凝器通过金属管或石英玻璃管等管件连接并密封，以维持膨胀过程中压力稳定。所述的加热器可以为PTC加热器、电加热器等形式加热装置。等离子体发生管为石英玻璃管或者陶瓷管，发生管两级加载高频高压交流电，形成等离子体。所述的冷凝器为通过水冷或者半导体制冷方式将气体中水分凝结的装置。

实施例

1、使用石英玻璃制作缩放喷管，进口、喉部、出口直径分别为：50mm、20mm和25mm，入口处空气中混合质量分数1％的水蒸气，入口气体温度为42℃，入口气体压力为0.18MPa，出口压力为0.09MPa。混合气体通过喷管达到出口处，气体温度下降至8℃，速度升高至380m/s，水蒸气质量比例降至1‰，多余的水蒸气已经开始形成纳米团簇。

2、膨胀管直径为30mm，长度200mm，混合气体在膨胀管中继续膨胀，水蒸气进一步凝结，形成约10⁶水分子组成的团簇，气体中该尺寸团簇数量达到10¹⁷个/m³，当气体达到重度污染时，PM2.5的数密度通常在10¹²个/m³左右。因此水分子团簇仍然可以达到PM2.5颗粒的数万倍，这些纳米团簇主动捕捉灰尘颗粒，在灰尘颗粒表面凝结附着。

3、等离子体发生器采用成熟的高压静电集尘设备，电极间加高频电压8kV，频率20kHz，进行半波整流，使电极间的电场方向始终不变，含有灰尘颗粒的水分子团簇在等离子体场中荷电，并在电场中偏转，最终在污水收集极形成液态水排出。

4、该实施方案，可以实现空气处理量671m³/h，30m³空间内每小时灰尘颗粒脱除效率超过99.9％。

Claims (9)

1.纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法，其特征在于，采用缩放喷管和静电集尘法结合，使过热水蒸气和含雾霾微尘颗粒的气体组成的混合气体通过缩放喷管进行等熵膨胀达到过饱和状态，水分子主动以雾霾微尘颗粒为凝结核心，在颗粒表面凝结形成纳米团簇，经过等离子体场团簇荷电脱除雾霾微尘颗粒。

2.如权利要求1所述的纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法，其特征在于，步骤为：

第一步，含雾霾微尘颗粒的气体和饱和水进入加热器加热，使加热器出口处水蒸气达到当地温度的过热蒸汽状态；

第二步，过热水蒸气和含雾霾微尘颗粒的气体组成的混合气体进入缩放喷管做近似等熵膨胀，在缩放喷管中膨胀使混合气体温度和压力迅速下降，压力降至0.09MPa以下，使水蒸气达到过饱和状态；

第三步，混合气体在膨胀管中进一步膨胀，使水蒸气保持过饱和状态，此时水蒸气分子以微尘颗粒为凝结核心，形成纳米团簇，形成纳米团簇；

第四步，含有纳米团簇的气体通过等离子体发生管中荷电偏转，同时溶解吸收等离子体放电产生的气体污染物，通过污水收集极收集排出；

第五步，通过等离子体发生管后的气体进入冷凝器，将气体中多余的水蒸气凝结成液态水回收或排出，并调节空气中的湿度。

3.如权利要求2所述的纳米团簇—等离子体雾霾微尘脱除方法，其特征在于，水蒸气通量和气体通量的质量比为1%~5%。

4.应用于权利要求1-3任一所述的纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法方法中的装置，其特征在于，所述的装置由加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生器和冷凝器串联组成，所述的等离子体发生器主体为等离子体发生管，等离子发生管的上面设有电极，下面设有污水收集极。

5.如权利要求4所述的应用于纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法中的装置，其特征在于，所述的缩放喷管入口和喉部面积比大于5:1，喉部和出口面积比为1:1.2~2。

6.如权利要求4所述的应用于纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法中的装置，其特征在于，所述的加热器包括PTC加热器、电加热器、燃气热水器中的任一种。

7.如权利要求4所述的应用于纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法中的装置，其特征在于，所述的加热器、缩放喷管、膨胀管、等离子体发生管和冷凝器通过金属管或石英玻璃管连接并密封。

8.如权利要求4所述的应用于纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法中的装置，其特征在于，所述的冷凝器为水冷或者半导体制冷冷凝器。

9.如权利要求4所述的应用于纳米团簇-等离子体雾霾微尘脱除方法中的装置，其特征在于，所述的膨胀管为方形管道，通道截面积略大于缩放喷管出口截面积但是要小于出口截面积的2倍。