CN108787173B - 一种基于仿生学的阴极线结构、放电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生学的阴极线结构、放电系统及方法，包括支撑件，所述支撑件周向上布置有若干放电极，所述放电极包括与支撑件连接的底座，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端，所述底座中部垂直设置有中心放电尖端；中心放电尖端的长度大于底座周向上布置的放电尖端，所述中心放电尖端用于减小所述阴极线结构与阳极的距离，形成的电场强度使得烟尘荷电后的电场驱动力强，所述底座周向上布置的放电尖端用于增加电荷在空间分布的均匀性，使得空间中烟尘能更好的荷电。

Description

一种基于仿生学的阴极线结构、放电系统及方法

技术领域

本发明涉及电除尘器技术领域，特别是涉及一种基于仿生学的阴极线结构、放电系统及方法。

背景技术

湿式静电除尘方案是石灰石-石膏法、氨法等湿法脱硫后烟气烟尘实现超低排放的主要技术。提高除尘器内烟尘的趋近速度是减少除尘器装备高度、降低成本的关键方法。通常，提高烟尘趋近速度的重点在于增加烟尘向阳极运动的驱动力，其方法包括：(1)降低阴极线起晕电压，相同电压下阴极线电离出更多的电荷，用于附着在烟尘上；(2)增加阴、阳极之间的电压，在烟尘荷电相同的前提下其横向运动的驱动力增加；(3)提高阴极线放电电荷在空间分布的均匀性，使得烟尘在横向运动过程中能够荷电更多，从而提升烟尘运动的驱动力。

目前，电除尘器采用的阴极线型式包括RS芒刺线、鱼骨线、锯齿线等，大量的文献研究表明这些阴极线的起晕电压及放电能力均有所不同；阴极线的优化研究主要是基于以上固有形式、在局部上(例如：尖端尺寸、同极间距、芒刺几何尺寸等)的优化。这些优化结果仅在一定程度上降低阴极线的起晕电压、提高放电能力，并未从根本上解决或优化电荷在除尘空间中分布均匀性的难题，因而降本增效不明显。

发明内容

为了提高尖端放电后电荷在空间分布的均匀性，本发明提供了一种基于仿生学的阴极线结构，本发明结合自然界中诸多植物针状叶片分布及花瓣分布型式，使得阴极线结构电离出的电荷在空间分布上更加均匀，达到电除尘器除尘效率进一步提高的目的。

一种基于仿生学的阴极线结构，包括支撑件，所述支撑件周向上布置有若干放电极，所述放电极包括与支撑件连接的底座，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端，所述底座中部垂直设置有中心放电尖端；

所述中心放电尖端的长度大于底座周向上布置的放电尖端，所述中心放电尖端用于减小所述阴极线结构与阳极的距离，形成的电场强度使得烟尘荷电后的电场驱动力强，所述底座周向上布置的放电尖端用于增加电荷在空间分布的均匀性，使得空间中烟尘能更好的荷电。

进一步优选的技术方案，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端分为上下两层，其中一层放电尖端的长度小于另外一层放电尖端的长度，在空间上，轴向布置的放电尖端之间交错布置。

进一步优选的技术方案，在空间上，轴向布置的放电尖端之间交错布置，为长度相等的相邻放电尖端之间设置有一个或两个小于所述相邻放电尖端长度的放电尖端。

进一步优选的技术方案，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端分为上下两层，上层的放电尖端的长度小于下层放电尖端的长度，或上层的放电尖端的长度大于下层放电尖端的长度。

进一步优选的技术方案，所述周向上交错布置有长度不等的放电尖端中，其中较长的放电尖端与较短的放电尖端的尖端指向相同，均与中心放电尖端的指向垂直。

进一步优选的技术方案，所述周向上交错布置有长度不等的放电尖端中，其中较长的放电尖端与较短的放电尖端的尖端指向不相同，较长的放电尖端的尖端与中心放电尖端的指向垂直，较短的放电尖端指向与中心放电尖端的指向相同。

进一步优选的技术方案，所述支撑件包括但不限于金属圆管、金属方管或金属夹板。

进一步优选的技术方案，所述放电极为一体结构或分体结构。

进一步优选的技术方案，所述放电极与支撑件采用但不限制于焊接或热熔。

进一步优选的技术方案，所述放电极在纵向上间距在设定的范围内。

进一步优选的技术方案，周向较长放电尖端顶点与周向较短放电尖端顶点在同一平面内或不同的平面内且均与中心放电尖端顶点不在同一平面内。

本申请还公开了一种基于仿生学的放电系统，所述放电系统包括上述一种基于仿生学的阴极线结构，该阴极线结构与除尘器的阳极配合使用。

本申请还公开了一种基于仿生学的阴极线结构的制作方法，包括：

选择支撑件，所述为双相钢空心管；

制作放电极，所述放电极同一层位置处放电极呈对称布置，上下层位置处放电极呈交错布置；

将放电极周向布置在支撑件上；

利用电势方程计算空间中的电场及电场强度分布，利用电荷连续性方程计算空间中的电荷密度分布；

根据上述计算结构优化放电极中放电尖端的长度及指向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用的放电极是在理论计算的基础上结合仿生学理论设计的，通过合理布置不同类型尖端的型式及尺寸，较大程度上实现了放电极放电后电荷在整个空间内的均匀分布。

2)本发明通过在空间中合理配置尖端型式和尺寸，使得电荷实现在空间中较好的快速扩散并均匀的充满除尘空间，大大提高了烟尘的荷电能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于仿生学的阴极线装置；

图2(a)为周向短放点尖端23指向除尘器阳极第一方式；

图2(b)为周向短放点尖端23指向除尘器阳极第二方式；

图3本发明及金属RS管状芒刺阴极线在不同粒径烟尘下的除尘效率对比图；

图4(a)-图4(b)本发明及金属RS管状芒刺阴极线对应的收尘极板上电流密度分布对比图；

图5(a)RS四齿芒刺线放电后二维截面电场强度分布图；

图5(b)本发明阴极线放电后三维空间电场强度分布；

图中，1、支撑件，2、放电极，21、中心放电尖端，22、周向长放电尖端，23周向短放点尖端，24、放电尖端底座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现有技术，例如鱼骨状只能是单个尖端或者几个尖端放电(例如4齿芒刺只有4个尖端放电)，放电后电荷运动至阳极表面的电荷均匀性较差同时空间场强分布均匀性也不好，导致除尘效率较低，总之，现有技术中的阴极线结构即使再增加放电尖端也无法从根本上解决放电后电荷运动至阳极表面的电荷均匀性的问题。

本发明的一种典型的实施例子中，公开了一种基于仿生学的阴极线结构，如图1所示，包括支撑件1、放电极2；其中，如图2(a)-图2(b)所示，放电极2包括中心放电尖端21、周向长放电尖端22、周向短放点尖端23和放电尖端底座24。放电极的上述部件之间可一体成型或分体成型。一体成型时，利用激光切割出展开图，然后卷起来冲压成型，本发明的阴极线在支撑件管子上焊接带有尖端的芒刺。底座意义主要是这种仿生芒刺与管子焊接时好焊接。

具体在，在实施过程中，支撑件1采用但不限制于金属圆管、金属方管、金属夹板。放电极2采用但不限制于导线材料、表面覆导电膜的材料，包括但不限制于金属、通过模具成型的导电材料。放电极2与支撑件1采用但不限制于焊接、热熔。

放电极2之间可对称布置，例如为对称成对布置，也可沿周向呈120°布置。

具体的优选的尺寸及数量如下：放电极2纵向间距小于等于120mm。间距太大(例如大于120mm)，整个阴极线的除尘效率就会下降，通过合理设置这个间距可以使得阴极线放电除尘效果最佳，在该间距下放电的均匀性更好。周向长放电尖端22数量大于等于3个。周向短放电尖端23数量大于等于3个。具体的尺寸和数量所考虑的因素为除尘效率，根据实际情况可以调整。

中心放电尖端21长度小于等于100mm。周向长放电尖端22长度小于中心放电尖端21长度。周向短放电尖端23长度小于等于周向长放电尖端22长度。周向短放电尖端23采用但不限制于弯曲指向电除尘器阳极。周向长放电尖端22顶点位置高度可高于、等于、低于周向短放电尖端23顶点位置。周向长放电尖端22顶点位置及周向短放电尖端23顶点位置应低于中心放电尖端21顶点位置。

本发明的另一种典型的实施例子中，本发明的一种基于仿生学的阴极线结构包括支撑件1、放电极2。支撑件1材质为2205双相钢空心管。放电极2材质为2205双相钢。放电极2间距为80mm；同一层位置处放电极2呈对称布置，上下层位置处放电极2呈交错布置。如图2(a)所示，周向长放电尖端22和周向短放电尖端23数量均为8个；中心放电尖端21长度为44mm；周向长放电尖端22长度25mm；周向短放电尖端23长度13mm；周向短放电尖端23呈弯曲状指向电除尘器阳极，如图2(a)所示；周向长放电尖端22顶点位置高度低于周向短放电尖端23顶点位置。

通过实验发现，周向短放电尖端指向阳极时放电效果更好，除尘效率更高。只要周向短放电尖端指向阳极即可，指向与中心放电尖端指向一致。

本发明的再一种典型的实施例子中，综合考虑仿生放电极的加工和除尘效率，一种基于仿生学的阴极线结构的周向短放电尖端23呈倾斜状指向电除尘器阳极，其余设置与上述实施例子一致，如图2(b)所示。

仿真结果表明：倾斜的位置判据主要是使得周向短放电尖端23在空间孔处于中心放电尖端21和周向长放电尖端22的中心处。

本申请还公开了一种基于仿生学的放电系统，放电系统包括上述一种基于仿生学的阴极线结构，该阴极线结构与除尘器的阳极配合使用。

本申请还公开了一种基于仿生学的阴极线结构的制作方法，包括：

选择支撑件，所述为防腐型不锈钢空心管；

制作放电极，所述放电极同一层位置处放电极呈对称布置，上下层位置处放电极呈交错布置；

将放电极周向布置在支撑件上；

利用电势方程计算空间中的电场及电场强度分布，利用电荷连续性方程计算空间中的电荷密度分布；

根据上述计算结构优化放电极中放电尖端的长度及指向。

为了更好的证明本申请在效果上具有显著的进步，进行了相应的仿真对比试验：图3给出了烟气环境霞试验得到的，极间距、电源电压、烟气流速及除尘器位置等条件相同的条件下，本发明及金属RS管状芒刺阴极线在分级粒径烟尘的除尘效率对比结果。本发明对烟尘除尘效率的提升具有显著效果。

图4(a)-图4(b)给出了空气环境下试验得到的，本发明及金属RS管状芒刺阴极线对应的收尘极板表面上电流密度分布情况，本发明显示的电流密度结果亮度更强、区域更广，表明本发明使得电流密度在阳极表面分布更均匀。

一种基于仿生学的阴极线结构及RS四齿芒刺阴极线电场强度数值仿真，本申请所采用的阴极线芒刺放电数值仿真数学模型：

上式中为空间电势，E_i为空间中x_i方向电场强度，ρ_ion为电场中空间电荷密度。E_i越大、图5中亮白色区域越大，表明该仿生阴极线在空间中形成的电场强度越强，放电能力越强，驱动带电微尘运动至阳极的驱动力越大，除尘效果越佳。通过调整中心放电尖端21，周向长放电尖端22，周向短放点尖端23的结构方式，可获得E_i强度和分布最佳的放电极型式。

如图5(a)所示的RS四齿芒刺线放电后二维截面电场强度分布，亮度越大、区域越广表明阴极线放电效果越好，如图5(b)所示的本发明阴极线放电后三维空间电场强度分布。

从图5(a)中可以看出，呈180°对称布置RS四齿芒刺电场强度最强位于尖端附近(白色亮度大)、呈半球状向空间中辐射，电场强度在空间中呈椭圆形分布；从图5(b)中可以看出，单层呈180°对称布置、上下层呈交错布置的仿生型阴极线尖端在整个空间中的电场强度均较强(白色的亮度大)，能够在空间内较强的放电，电荷在空间中的分布更加均匀，有利于空间中的烟尘颗粒更好的荷电。

本发明的技术构思的来源为：由于采用基于仿生学(很多植物生长后呈放射状，例如花瓣或者蕨类植物)的尖端放电后，分布更加均匀(如图4(a)-图4(b)所示)、除尘效率增加明显(如图3所示)，能够有效降低阴极线的长度。

本发明在工作时，阴极线尖端放电后，电荷向空间扩散。可以简单的类比理解为每个尖端可以喷雾，尖端数量及空间分布合理，在整个空间上的雾化效果最好。本专利基于以上思想及生物学中的仿生学原理，通过在空间中合理地配置放电尖端型式，并通过理论仿真计算分配尖端在空间中的位置，保证了放电电荷在空间中分布的均匀性。

(1)本发明采用的尖端放电理论中的经典数学模型，包括电势方程和电荷连续性方程；其中电势方程用于计算空间中的电场及电场强度分布，电荷连续性方程计算空间中的电荷密度分布；

(2)大量的数值计算结果表明，本发明较长的中心放电尖端主要是减小与阳极的距离，形成较大的电场强度，烟尘荷电后的电场驱动力强；周向尖端主要是增加电荷在空间分布的均匀性，使得空间中烟尘能更好的荷电。此外，理论计算结果表明周向上设置两层放电尖端，且一层长、一层短，一层高、一层矮，该种型式能够获得更高的电场强度和更均匀的阳极表面电流密度分布。

(3)本发明基于理论研究结果设计制造了一种仿生型阴极线(如图5(b)所示)，本发明的电场强度及电荷较RS四齿芒刺线在空间中的分布更均匀。

(4)针对仿生型阴极线和RS四齿芒刺线，开展了阳极表面电流密度均匀性的试验，如图4所示。RS四齿芒刺线尖端对应的阳极表面会有较强的电流密度(如图4右图(四齿管状芒刺)所示，尖端对应的区域呈现较量的区域，分布均匀性不好；采用本发明设计方案，在较大的区域内都呈现亮白色(如图4左图所示))，均匀性较好；这表明实际试验结果与理论结果吻合程度较好。

(5)针对仿生型阴极线和RS四齿芒刺线，开展了真实烟气环境下的除尘效率试验，如图3所示，本发明较RS四齿芒刺线对不同粒径的烟尘都能达到非常高的除尘效率。从而本发明能够降低除尘装备的高度，同时降低成本。

(6)根据除尘效率可增加或减少周向放电尖端层数及单层尖端的数量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，包括支撑件，所述支撑件周向上布置有若干放电极，所述放电极包括与支撑件连接的底座，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端，所述底座中部垂直设置有中心放电尖端；

所述中心放电尖端的长度大于底座周向上布置的放电尖端，所述中心放电尖端用于减小所述阴极线结构与阳极的距离，形成的电场强度使得烟尘荷电后的电场驱动力强，所述底座周向上布置的放电尖端用于增加电荷在空间分布的均匀性，使得空间中烟尘能更好的荷电；

所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端分为上下两层，其中一层放电尖端的长度小于另外一层放电尖端的长度，在空间上，轴向布置的放电尖端之间交错布置；

所述支撑件包括但不限于金属圆管、金属方管或金属夹板。

2.如权利要求1所述的一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，在空间上，轴向布置的放电尖端之间交错布置，为长度相等的相邻放电尖端之间设置有一个或两个小于所述相邻放电尖端长度的放电尖端。

3.如权利要求1所述的一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，所述底座周向上交错布置有长度不等的放电尖端分为上下两层，上层的放电尖端的长度小于下层放电尖端的长度，或上层的放电尖端的长度大于下层放电尖端的长度。

4.如权利要求1所述的一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，所述周向上交错布置有长度不等的放电尖端中，其中较长的放电尖端与较短的放电尖端的尖端指向相同，均与中心放电尖端的指向垂直；或

所述周向上交错布置有长度不等的放电尖端中，其中较长的放电尖端与较短的放电尖端的尖端指向不相同，较长的放电尖端的尖端与中心放电尖端的指向垂直，较短的放电尖端指向与中心放电尖端的指向相同。

5.如权利要求1所述的一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，所述放电极为一体结构或分体结构；

所述放电极与支撑件采用但不限制于焊接或热熔。

6.如权利要求4所述的一种基于仿生学的阴极线结构，其特征是，周向较长放电尖端顶点与周向较短放电尖端顶点在同一平面内或不同的平面内且均与中心放电尖端顶点不在同一平面内。

7.一种基于仿生学的放电系统，所述放电系统包括上述权利要求1-6任一所述的一种基于仿生学的阴极线结构，该阴极线结构与除尘器的阳极配合使用。

8.一种基于仿生学的阴极线结构的制作方法，包括：

选择支撑件，所述支撑件为双相钢空心管；

制作放电极，所述放电极同一层位置处放电极呈对称布置，上下层位置处放电极呈交错布置；

将放电极周向布置在支撑件上；

利用电势方程计算空间中的电场及电场强度分布，利用电荷连续性方程计算空间中的电荷密度分布；

根据上述计算结构优化放电极中放电尖端的长度及指向。