CN111672630A - 一种静电烟雾处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电烟雾处理装置及方法，包括两级静电处理机构，两级静电处理机构设置在烟囱上方分别与高压电源连接；各级静电处理机构包括分别将多根线状的放电电极和收集电极沿圆周方向排列构成内、外圆筒状，各级静电处理机构中设置一个挡板；在两个挡板中贯穿一根与烟囱中心正对的热管。烟雾与环境空气在静电处理装置内发生热湿交换及化学反应，雾滴及颗粒物与电极的碰撞，电极捕获的导电雾滴喷射带电微粒，捕获的雾滴及颗粒物在重力及电极振动作用下迁移至收集容器；该装置能够避免发生火花放电、重量轻、流动阻力小，可协同捕获烟雾中各种蒸气与颗粒物。

Description

一种静电烟雾处理装置及方法

技术领域

本发明属于除尘、烟气处理领域。具体涉及能源化工等行业排放的烟气中的颗粒物、各种蒸气的脱除应用。

背景技术

火力发电、化工等行业会产生大量的烟气，这些烟气中含有大量的颗粒物、酸性气体与蒸气(如水蒸气)。颗粒物排入大气环境会形成雾霾天气，对人体健康带来威胁。饱和蒸气遇到大气环境中的冷空气会形成雾滴，促进颗粒物的生成、增长，影响颗粒物的扩散，间接加剧雾霾的形成。酸性气体溶解于雾滴中会形成酸雨，给环境带来破坏。此外，当前中国可用水资源欠缺，大量水蒸气排入大气环境会造成工业用水短缺。

当前工业过程中的烟气在排入烟囱之前往往会通过脱硝、除尘、脱硫、除雾等工艺进行处理，但是烟气中仍然含有微细颗粒物、酸性气体以及大量蒸气。随着环保标准的持续提升，进一步开发可以回收烟气中的蒸气并协同脱除颗粒物、酸性气体的烟气处理方法及配套装置对降低相关工业过程造成的环境污染具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电烟雾处理装置及方法，本发明装置能够回收烟气中的蒸气，并协同脱除其中的颗粒物，酸性气体的烟气处理。同时能够避免发生火花放电、重量轻、流动阻力小。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供一种静电烟雾处理装置，包括第一级静电处理机构和第二级静电处理机构，所述第一级静电处理机构和第二级静电处理机构依次设置在烟囱上方，且第一级静电处理机构和第二级静电处理机构分别与高压电源连接；

所述第一级静电处理机构包括分别将多根线状的放电电极和收集电极沿圆周方向排列构成内、外圆筒状，所述内圆筒套接于外圆筒中，在内圆筒中设置一个第一挡板；

所述第二级静电处理机构包括分别将多根线状的排斥电极和收集电极沿圆周方向排列构成内、外圆筒状，所述内圆筒套接于外圆筒中，在外圆筒顶部设置一个第二挡板；

在所述第一挡板和第二挡板中贯穿一根热管，所述热管与烟囱中心正对。

上述技术方案中，贯穿第一挡板和第二挡板的热管与烟囱轴向一致。

上述技术方案中，所述放电电极、排斥电极和收集电极的上下两端通过电极托架固定；第一级静电处理机构底部设置收集容器。

上述技术方案中，所述放电电极与排斥电极连接高压电源高压端，收集电极高压电源连接接地端。

上述技术方案中，所述放电电极、排斥电极和收集电极采用不锈钢丝、铜或复合导电材料，所述收集电极采用不导电耐腐蚀材料制作。

上述技术方案中，所述放电电极、排斥电极和收集电极的直径在高度方向均匀或沿着高度方向上逐渐增大，直径大于0.1mm。

上述技术方案中，所述放电电极为小直径的柱体或锯齿形。

上述技术方案中，所述放电电极与收集电极、排斥电极与收集电极之间的间距d根据放电电极和排斥电极表面电势v决定；所述放电电极与排斥电极的表面电势大于5KV；

当放电电极和排斥电极表面电势为10KV时，放电电极和收集电极之间的间距离为10mm～100mm，排斥电极和收集电极之间的间距大于20mm。

上述技术方案中，所述放电电极与排斥电极的表面电势大于5KV。

上述技术方案中，第一级静电处理机构和第二级静电处理机构的高度随着排放烟雾的流速增大而增大，其外径随着烟囱半径和烟气出口温度的增大而增大。

本发明基于所述装置进行的静电烟雾处理方法，包括：

放电电极部分或全部表面发生电晕放电，排斥电极不发生电晕放电；

若放电电极与排斥电极表面电势设置为相同，则将排斥电极直径设置为大于放电电极直径，使得放电电极满足电晕放电的条件而排斥电极不发生放电；

若放电电极与排斥电极的直径相等，则在放电电极表面设置比排斥电极表面更高电势，使放电电极满足电晕放电条件。

本发明具有如下有益效果：

1)重量轻，风阻小。传统的静电装置采用金属板作为收集电极，重量大。本装置采用的线状电极可以保持脱除效率的前提下显著降低装置重量。规则排列的电极可以有效降低外界风流过装置时的阻力，保障装置的安全性。

2)开放式换热系统与静电捕获系统耦合。传统的烟气处理过程换热与静电捕获系统往往分离，系统复杂，烟气与环境大气相互隔离。本发明的装置耦合了换热与静电捕获功能，且烟气可直接与环境大气接触。

3)节能。雾滴的形成完全由环境大气提供冷量，不需要复杂的烟气冷却系统；烟气的流动不需要驱动装置，完全由烟气排放之后的惯性驱动。

4)颗粒物与蒸气的脱除效率高。现有的除尘方法对于粒径1微米左右的微细粉尘脱除效率较低，能耗较高。本方法利用蒸气在大气环境中的冷凝过程将微细粉尘汇聚至雾滴中，形成粒径10微米左右的雾滴，便于颗粒物脱除。蒸气在大气环境中冷凝成雾滴，这种方法比冷却塔等装置中的冷却效果彻底，蒸气的脱除效率更高。

附图说明

图1为静电烟雾处理装置结构示意图；

图2(a)为电极收集段示意图；图2(b)为电极荷电段示意图；

图3为静电烟雾处理装置原理示意图。

图中：1、烟囱；2、荷电段；3、收集段；4、收集电极；5、放电电极；6、排斥电极；7、电极托架；8、第一挡板；9、第二挡板；10、热管；11、电晕放电。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明实施例提供了一种静电烟雾处理装置，包括第一级静电处理机构和第二级静电处理机构，第一级静电处理机构和第二级静电处理机构依次设置在烟囱1上方，且第一级静电处理机构和第二级静电处理机构分别与高压电源端连接。

其中，将多根线状的放电电极5沿圆周方向排列成内圆筒状，将多根线状的收集电极4沿圆周方向排列成外圆筒状，内圆筒套接于外圆筒中，在内圆筒中设置一个第一挡板8，构成第一级静电处理机构，作为荷电段2；在第一级静电处理机构上方的第二级静电处理机构作为收集段3，包括将多根线状的排斥电极6沿圆周方向排列成相互套接的内圆筒状，将多根线状的收集电极4沿圆周方向排列成外圆筒状，内圆筒套接于外圆筒中，在第二级静电处理机构顶部设有一个覆盖外圆筒的第二挡板9，在两级静电处理机构的第一挡板6和第二挡板9中贯穿一根热管10，热管10与第一级静电处理机构下方的烟囱1中心正对。

如图1所示，静电烟雾处理装置的轴向与烟囱1的轴向一致。静电烟雾处理装置在轴向上划分成第一级静电处理机构即荷电段2与第二级静电处理机构收集段3，在荷电段2的中间高度和收集段3的顶部分别设置的第一挡板8和第二挡板9垂直于轴向的贯穿荷电段2和收集段3中心的热管10。荷电段2的电极包括放电电极5与收集电极4，收集段3的电极包括排斥电极6与收集电极4；电极的上下两端通过电极托架7固定，电极为均一直径或沿着长度方向变化；电极表面电场强度可为均一数值或沿着高度方向变化；放电电极可全部表面发生电晕放电或部分表面发生电晕放电。电极为不锈钢、铜等金属材料以及各种复合导电材料；收集电极可采用水均匀润湿的不导电耐腐蚀材料制备；放电电极形貌可为小直径的柱体或具有尖端放电特性的多种形貌，如锯齿形。其表面可做亲疏水处理或加工微结构，调控捕获的雾滴与颗粒物的迁移行为。其内部可填充蓄热介质，强化烟气换热。多根线状电极可以轴向平行布置或沿着烟雾弥散方向布置。

如图2(a)、图2(b)所示，电极的圈数及疏密程度可根据实际需求进行布置，图2(a)、图2(b)仅做示意，并不作为对本发明的限制。

高压电源引出两端：高压端与接地端。高压端连接放电电极5与排斥电极6，接地端连接收集电极4。放电电极5部分或全部表面发生电晕放电，排斥电极6不发生电晕放电。若放电电极5与排斥电极6表面电势设置为相同，则将排斥电极6直径设置为大于放电电极5直径，使得放电电极5满足电晕放电的条件而排斥电极6不发生放电。若放电电极5与排斥电极6的直径相等，则在放电电极5表面设置比排斥电极6表面更高的电势，使放电电极5满足电晕放电的条件。

电极采用不锈钢丝，直径在高度方向可以均匀或沿着高度方向增大，优选直径大于0.1mm，如2mm。电极托架7可采用内置加热功能的防结露、高压绝缘的材料。

放电电极5与收集电极4、排斥电极6与收集电极4之间的间距根据电极间的电势差设置，其间距应随着电极间电势差增大而增大；同种电极之间的间距可根据实际需求进行设置。在一个实施例中，放电电极与收集电极、排斥电极与收集电极之间的间距d根据放点电极和排斥电极表面电势v决定。放电电极5与排斥电极6的表面电势大于5KV。当放电电极和排斥电极表面的电势v确定时，放电电极和收集电极之间的距离d应使得放电电极能够发生电晕放电而又不发生火花放电，排斥电极和收集电极之间的距离应足够大以使得排斥电极表面不发生放电。

在一个实施例中，当放电电极和排斥电极表面电势为10KV时，放电电极和收集电极之间的间距离在10mm～100mm之内，排斥电极和收集电极之间的间距大于20mm。具体范围还取决于放电电极和排斥电极的尺寸和形状。

放电电极表面发生电晕放电而不发生火花放电，排斥电极表面不放电。静电烟雾处理装置的高度和半径取决于烟气的排放流速、排放温度以及排放口直径等因素。第一级静电处理机构和第二级静电处理机构的高度随着排放烟雾的流速增大而增大，其外径随着烟囱半径和烟气出口温度的增大而增大。

在一个实施例中，对于烟气排放流速10～30m/s、排放温度40～60℃、直径10m左右的烟囱而言，静电烟雾处理装置的高度(装置顶端至烟囱口的垂直距离)为2～50m，外直径小于40m。通过增大装置外径或沿着风向增大烟雾在装置内的停留时间来克服大气环境中风速的影响。整个静电烟雾处理装置可通过在烟囱顶部安装框架进行固定。

装置可安装在烟囱或冷却塔等烟雾排放口顶部，并允许环境空气进入；烟雾指含有各种蒸气(与环境空气混合后发生相变的气体，如水蒸气)或液滴、颗粒物的气流。烟雾与环境空气存在温度与湿度差。装置包含挡板与热管，强化烟气的热湿传递过程；装置由多根线状电极规则排列构成，电极之间存在电势差与电场；放电电极至少部分表面发生电晕放电，排斥电极电势高但不发生电晕放电，接地电极电势为零。电极之间的间距根据电极之间的电势差设置，避免发生火花放电；电极底部设置收集容器。

静电烟雾处理装置的运行原理如图3所示，烟雾从烟囱1排放口流出，烟气从烟囱口进入大气环境时，温度一般显著高于环境温度，相对湿度近似为100％，速度一般大于10m/s。因此，烟气进入大气环境之后会边流动边降温，形成较长的烟柱。含有一种或多种可凝性蒸气与颗粒物的烟气遇挡板8后向四周分散，卷吸环境空气进入静电烟雾处理装置，在在有限的空间装置内形成强烈湍流，卷吸环境空气进入装置，发生快速热湿交换及化学反应，产生大量雾滴与颗粒物。雾滴与颗粒物在静电装置内迁移的方向包括从高电势向低电势方向与从低电势向高电势方向，取决于雾滴与颗粒物的带电量与所受合力数值。

烟气与环境大气在换热装置内充分混合，发生热湿传递，热管可以利用环境大气与烟气的温差强化烟气的降温过程，部分烟气通过与热管10的换热实现降温，形成大量分散的雾滴。颗粒物作为雾滴的核心，酸性气体溶解于雾滴。由于雾滴均匀分散于混合气体中，可以最大限度汇聚微细颗粒物并溶解酸性气体。雾滴与颗粒物在装置荷电段2内通过放电电极5电晕放电11获得电荷，雾滴与颗粒物可通过电晕放电电极获得电荷，也可通过与电极表面喷射的微液滴碰撞获得电荷。之后在曳力、库仑力、布朗力等多种力的综合作用下与荷电段2及收集段3的电极表面碰撞，进而被电极捕获，被捕获的雾滴和颗粒在重力和电极振动的作用下迁移至收集装置。部分被放电电极5及排斥电极6捕获的雾滴会强化局部电场，导致捕获的雾滴形成锥体形貌，从锥体尖端喷射出带电微粒，增大气流中雾滴与颗粒物的荷电量。捕获的雾滴与/或颗粒物在重力及电极振动作用下迁移至收集容器；装置内的热管以及电极上被捕获的水在迁移过程中强化烟气与环境大气之间的换热。

调节荷电段2高度可调节雾滴与颗粒物的荷电量。收集段3存在电场但该段内的电极不发生电晕放电11。由荷电段2与收集段3组成的装置与全部采用荷电段2构成的装置相比，雾滴及颗粒物捕获性能相当，能耗显著下降，放电导致的臭氧释放量显著降低。

本发明考虑处理烟囱排放的含有可凝性蒸气与颗粒物的气流，气流从烟囱1口排放的速度为10m/s的量级。设计该静电烟雾处理装置，完全能够满足对含有可凝性蒸气与颗粒物的捕获，从而实现烟气与环境大气相互隔离。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种静电烟雾处理装置，其特征在于，包括第一级静电处理机构和第二级静电处理机构，所述第一级静电处理机构和第二级静电处理机构依次设置在烟囱上方，且第一级静电处理机构和第二级静电处理机构分别与高压电源连接；

所述第一级静电处理机构包括分别将多根线状的放电电极和收集电极沿圆周方向排列构成内、外圆筒状，在内圆筒中设置一个第一挡板；

所述第二级静电处理机构包括分别将多根线状的排斥电极和收集电极沿圆周方向排列构成内、外圆筒状，在外圆筒顶部设置一个第二挡板；

在所述第一挡板和第二挡板中贯穿一根热管，所述热管与烟囱中心正对。

2.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，贯穿第一挡板和第二挡板的热管与烟囱轴向一致。

3.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极、排斥电极和收集电极的上下两端通过电极托架固定；

第一级静电处理机构底部设置收集容器。

4.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极与排斥电极连接高压电源高压端，收集电极高压电源连接接地端。

5.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极、排斥电极和收集电极采用不锈钢丝、铜或复合导电材料，所述收集电极采用不导电耐腐蚀材料制作。

6.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极、排斥电极和收集电极的直径在高度方向均匀或沿着高度方向上逐渐增大，直径大于0.1mm。

7.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极为小直径的柱体或锯齿形。

8.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，所述放电电极与收集电极、排斥电极与收集电极之间的间距d根据放电电极和排斥电极表面电势v决定；所述放电电极与排斥电极的表面电势大于5KV；

当放电电极和排斥电极表面电势为10KV时，放电电极和收集电极之间的间距离为10mm～100mm，排斥电极和收集电极之间的间距大于20mm。

9.根据权利要求1所述的一种静电烟雾处理装置，其特征在于，第一级静电处理机构和第二级静电处理机构的高度随着排放烟雾的流速增大而增大，其外径随着烟囱半径和烟气出口温度的增大而增大。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的静电烟雾处理方法，其特征在于，包括：

放电电极部分或全部表面发生电晕放电，排斥电极不发生电晕放电；

若放电电极与排斥电极表面电势设置为相同，则将排斥电极直径设置为大于放电电极直径，使得放电电极满足电晕放电的条件而排斥电极不发生放电；

若放电电极与排斥电极的直径相等，则在放电电极表面设置比排斥电极表面更高电势，使放电电极满足电晕放电条件。

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