CN1827223A - 场效应磁约束除尘器 - Google Patents

Abstract

本发明场效应磁约束除尘器主要是由壳体2、荷电负极3、荷电正极4、过滤电场阴极5、过滤电场阳极7、磁组10、荷电电源16和高压电源18构成。荷电负极与荷电正极和荷电电源16相接以形成荷电电场，过滤电场阴极和过滤电场阳极与高压电源相接以形成强阻挡电场，过滤电场阴极和过滤电场阳极可采用绝缘电极。磁组产生强约束磁场。当含尘气流经过荷电电场时，粉尘被荷电，荷电的粉尘经过强阻挡电场时受到电场力的阻挡，过滤电场阴极吸附带正电的粉尘，过滤电场阳极吸附带负电的粉尘。带电粉尘在强磁场中受洛伦兹力作用，作螺旋运动，被约束在磁场中。这样含尘气体中的带电粉尘经电场的阻挡和磁场的约束而被滤除，气体便得到净化。

Description

场效应磁约束除尘器

技术领域  本发明涉及一种环保除尘设备——场效应磁约束除尘器

技术背景  目前国内外用于治理粉尘污染的高压静电除尘器的除尘原理是将粉尘荷电，带电粉尘在电场力的作用下趋向集尘电极并沉积。袋式除尘器是使含粉尘的气体流经滤袋，气体通过滤袋，而粉尘却过滤在滤袋上。旋风除尘器是使气流旋转，靠离心力使粉尘与气流分离。

本发明试图提出一种采用电场及磁场对带电粉尘进行过滤的除尘器。

发明内容  本发明场效应磁约束除尘器的结构是由壳体，入风口，出风口，高压电源，荷电电源，限流元件，荷电正极、荷电负极、磁组、过滤电场阳极和过滤电场阴极组成的，其主要特征是在气流的通路上设置荷电正极与荷电负极以形成荷电电场，荷电电场使粉尘带电，设置过滤电场阳极和过滤电场阴极以形成强阻挡电场阻挡和扑集带电粉尘，设置磁组以形成强约束磁场把带电粉尘和带电粒子约束在磁场内，使粉尘粒子从气流中分离出来。

在一台除尘器中强阻挡电场和强约束磁场可都设置，也可只设置强阻挡电场或只设置强约束磁场。

在强阻挡电场和强约束磁场都设置时，磁场设置在电场中或电场设在磁场中，带电粒子同时受到洛伦兹力和电场力的共同作用。对于电中性的粉尘，在微观上是由电量相等的正电荷与负电荷组成的，两种电荷受到洛伦兹力和电场力的作用，正负电荷的重心发生偏移，宏观上粉尘呈电极性，由于在磁场中约束了大量的电子和正离子，因此呈现电极性的粉尘在约束磁场中易被荷电，荷电的粉尘立刻受到磁场的约束及电极的扑集。

荷电正极与荷电负极成行相间排列，或成列相间排列。成列相间排列时，相邻两列的荷电正极与荷电负极交错放置。这样就在每相邻两列电极之间形成阻挡电场。因此说荷电正极与荷电负极之间的荷电电场具有使粉尘荷电及阻挡某种带电粉尘的双重功能。荷电正极本身吸附带负电的粉尘，荷电负极吸附带正电的粉尘。

在荷电电场之后设置过滤电场阳极和过滤电场阴极，过滤电场阳极和过滤电场阴极互相平行且与气流方向垂直。在过滤电场阳极和过滤电场阴极上均匀密布着窄小的通道供气流通过。高压电源的正极接过滤电场阳极，负极接过滤电场阴极，在过滤电场阳极和过滤电场阴极之间形成强阻挡电场。高压电源可采用直流高压电源或采用频率为几十赫兹到几兆赫兹的带直流高压偏置的交流电源。

强约束磁场设在荷电电场之后，强约束磁场由磁组产生，磁组可采用电磁或永磁体，磁组可横向放置，也可纵向或斜向放置，磁极之间的气隙具有强磁场，当气流经过气隙时，气隙中的强磁场把带电粉尘及各种带电粒子约束在磁场里。

电场是带电粉尘的有效阻挡场，电中性的气体可从电场中通过。当电场的方向与气流方向相同时，电场对带负电的粉尘有强阻挡作用，当电场的电场方向与气流方向相反时，电场对带正电的粉尘有强阻挡作用。这种对带电粉尘有强阻挡效应的电场称为过滤电场，对带负电的粉尘有强阻挡效应的电场称为负过滤电场，对带正电的粉尘有强阻挡效应的电场称为正过滤电场

过滤电场阳极近旁的电场对带正电的粉尘通路起夹断作用，它阻止带正电的粉尘从过滤电场阳极上的气体通道上通过，过滤电场阳极的电位越高，夹断作用越强。过滤电场阳极对带负电的粉尘有吸附作用，过滤电场阳极的电位越高，吸附作用越强。同理，过滤电场阴极近旁的电场对带负电的粉尘通路起夹断作用，过滤电场阴极对带正电的粉尘有吸附作用。

过滤电场阳极和过滤电场阴极对粉尘有感应带电的作用，会使粉尘呈现电极性，对于电介质粉尘也会使其极化。被极化的粉尘会被高压电极吸附。

以负过滤电场为例分析带负电粉尘被电场过滤应满足的条件。设一带负电的粉尘质量为M，带电量的绝对值为Q，进入电场时的速度为v，过滤场两电极之间的电位差为U.则带电粉尘进入电场时所具有的动能为 带电粉尘从过滤电场阳极到过滤电场阴极克服电场力所做的功为QU.

当 $\frac{1}{2}{\mathrm{MV}}^2<\mathrm{QU},$ 即就是当 $U>\frac{1}{2}{\mathrm{MV}}^2/Q$ 时，此粉尘不能穿过负过滤电场，当其能量被耗尽时，它又在电场力的作用下返回过滤电场阳极。由不等式可看出，速度V越小，Q/M越大，过滤电场两电极之间的电位差U越高，滤尘效率越高。而Q/M为带电粉尘的荷质比，荷质比Q/M越大，粉尘滤除效果越好。粉尘质量M是粉尘所固有的，能够人为改变的参数有V、Q和U.带电粉尘粒子的动能与速度平方成正比，因此降低速度是提高电场滤尘效率的有效办法，而提高电位差U是增强过滤电场滤尘能力的简便途径，过滤电场对带电粉尘的滤除能力取决于电位差U的高低，而与过滤电场内的电场强度无关。提高荷质比Q/M使粉尘带更多的电荷是提高过滤电场滤尘效率的先决必要条件，增大荷电电极的距离以采用高压供电或采用脉冲电源供电可大大提高Q/M。

在提高电位差U时，为保证过滤电场的空间不被击穿短路，一个途径是增大过滤电场两电极之间的距离，另一途径是在过滤电场电极表面覆盖介质绝缘层，这种覆盖介质绝缘层的电极叫绝缘极。称采用绝缘极的除尘器为绝缘极场效应除尘器。对于比电阻低的粉尘，过滤电场两电极均可采用绝缘极，对于比电阻高的粉尘，正过滤电场的过滤电场阳极采用绝缘极，负过滤电场的过滤电场阴极采用绝缘极。若高压电源采用频率为几十赫兹到几兆赫兹的带直流高压偏置的交流电源，当电源电压足够高时，在过滤电场阳极和过滤电场阴极之间产生介质阻挡电晕放电，因此不仅对带电粉尘有阻挡作用，而且可使粉尘充分荷电，特别是解决了微细粉尘荷电难的问题。

对于带正电的粉尘，一旦进入负过滤电场，电场力就会对其做功，它就会穿过负过滤电场。因此当气体中既含有带负电的粉尘又含有带正电的粉尘时，正过滤电场和负过滤电场要相间放置。

磁场是带电粒子的有效约束场。当气流通过磁场时，气流中的带电粉尘受洛伦兹力的作用。带电粉尘的速度方向与磁感应强度的方向成一夹角时，带电粉尘绕磁感应线作螺旋线回旋运动。

下面以带正电的粉尘进入强磁场为例说明对一些参数的要求。设粉尘的质量为m，带电量为q，速度为v，磁感应强度为B，v与B之间的夹角为θ.则带电粉尘粒子垂直于磁场方向的速度分量为mv sinθ，平行于磁场方向的速度分量为mv cosθ.带电粉尘粒子绕磁感应线作圆周运动的回旋半径为

$R=\frac{\mathrm{mv}\sin \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{qB}}$

由上式可见v越小，sinθ越小，B越大，m/q越小，则回旋半径R越小。

对一个带电粉尘粒子而言，θ越大回旋半径R越大，当θ为90°时，回旋半径R为最大，此时的回旋半径用R_max表示

$R_{\max }=\frac{\mathrm{mv}}{\mathrm{qB}}$

为保证带电粉尘粒子在磁场中作回旋运动，磁场的范围应远远大于2R_max，这样垂直于磁场入射的带电粉尘绕磁感应线回旋，其轨迹不能超越磁场的边界。以小于90°的θ角入射的带电粉尘的运动轨迹更不能超越磁场。

平行于磁场方向的速度分量为mv cosθ，带电粉尘以该速度分量沿磁场方向运动。当运动到磁极时，被磁靴吸附。

带电粉尘粒子还受重力的作用，在重力的作用下，带电粉尘粒子作向下的运动，这种向下的运动就是粉尘的沉降。

带电粉尘粒子在磁场中作回旋运动时会受到其他粒子或气体分子的碰撞，碰撞后速度会发生变化，带电粉尘粒子将以新的速度绕新的磁感应线作回旋运动，大多数带电粉尘经碰撞后不会逃逸磁场，只有磁场边缘的带电粉尘粒子受碰撞时脱离磁场。当各个磁组的磁场并列相通或串联相通时，带电粉尘粒子从一个磁场逃逸，必然进入另一个相邻磁场，在相邻的磁场中继续作回旋运动直到它静止为止。

附图说明

附图1为场效应永磁除尘器结构示意图。

附图2为场效应电磁除尘器结构示意图。

附图3为电场效应除尘器结构示意图

附图4为磁回旋除尘器结构示意图

附图5几种过滤电场阳极或阴极结构示意图。

在附图1中，1为入风口、2为壳体、3为荷电负极、4为荷电正极、5为过滤电场阳极、6为绝缘板、7为过滤电场阴极、8为横向磁组、9为气隙、10为纵向磁组、11为磁靴、12为磁体、13为挡板、14为导流板、15为出风口、16为荷电电源、17为限流元件、18为高压电源。

在附图2中，14为导流板、19为串联磁场激磁线圈，20为并联磁场电磁铁、21为引导板，22为铁芯，其他机构与附图1相同。

在附图3中，3为荷电负极、4为荷电正极、5为过滤电场阳极、6为绝缘板、7为过滤电场阴极。

在附图4中，1为入风口、2为壳体、12为永磁体、15为出风口、19为串联磁场激磁线圈、23为电晕线、24为环形磁靴、25为灰斗。

在附图5中，26为横向栅状电极、27为斜向百叶窗电极、28为纵向梳状电极、29为并列管式电极、30为金属纤维滤布电极、31为绝缘并列线电极。

在附图1中，在壳体2内部设置了荷电负极3与荷电正极4，荷电负极3与壳体2绝缘，荷电正极4与壳体2相接，壳体2接地。荷电电源16的负极通过限流元件17与荷电负极3相接，荷电电源16的正极与壳体2相接并接地。荷电电源16可采用直流电源或脉冲电源

每隔一定数量的荷电负极3与荷电正极4，横向放置一道过滤电场阳极5和一道过滤电场阴极7。沿气流方向，当过滤电场阳极5在前，过滤电场阴极7在后，则形成负过滤电场；当过滤电场阴极在前，过滤电场阳极在后，则形成正过滤电场。在过滤电场阳极和过滤电场阴极上均匀密布着供气流通过的狭小通道。过滤电场阳极和过滤电场阴极相互平行且与气流入射方向垂直。绝缘板6设置在负过滤电场阴极7与壳体2之间，过滤电场阴极7与壳体2绝缘。高压电源18的负极接过滤电场阴极7，高压电源18的正极接过滤电场阳极5并接地。过滤电场阳极和过滤电场阴极可采用板式，网状、线状、并列管式和金属滤布等形式的电极，可选用附图5所示的任何一种形式的电极。

在气流的通道上设置了横向磁组8及纵向磁组10，相邻磁组磁极之间的间隙为气隙9，在气隙9中有强磁场。磁组8与磁组10是由磁靴11、磁体12组成的。磁靴11接地。在磁组10与壳体2之间设挡板13。

在磁组的前面和后面有各设一排过滤电场阴极7，磁组的磁靴11与其前面的过滤场电阴极7构成一个正过滤电场，磁组的磁靴与其后面的过滤电场阴极7构成一个负过滤电场。

入风口1与除尘管道相连，出风口与引风机相连(图中未标出)。

在附图2中，串联磁场激磁线圈19和并联磁场电磁铁20采用直流供电，导流板14倾斜放置，引导板21接直流电源的正极或负极，其他机构与附图1相同。

在附图3中，荷电负极3与荷电正极4横向成列相间放置，每隔一定数量的荷电电极放置一列过滤电场阳极5和一列过滤电场阴极7，、过滤电场阳极5与荷电负极3相邻，过滤电场阴极7与荷电正极4相邻。。

在附图4中，壳体2为圆形管柱，管柱内壁设置永磁体12，永磁体12的两极装有环形磁靴24，在管柱外壁套装串联磁场激磁线圈19，在管柱的轴线上设置一条电晕线23，在管柱的下方设有灰斗25，入风口1设在壳体2的侧面。

具体实施方式

实施例1，场效应永磁除尘器结构示意图如附图1所示，其工作过程为：在引风机作用下，含尘气体从入风口1进入壳体2。首先进入荷电负极3与荷电正极4之间的荷电电场，气流中的粉尘便带了负电或正电。荷电负极3吸附带正电的粉尘，荷电正极4吸附带负电的粉尘。当气流进入到过滤场阳极5和前面一列荷电负极3之间的电场时，带正电的粉尘受到电场力的阻挡，带正电的粉尘被荷电负极3扑集，带负电的粉尘被过滤电场阳极5吸附。当气流进入到过滤电场阳极5和过滤电场阴极7之间的负过滤电场时，带负电的粉尘受到强阻挡，带负电的粉尘沉积在过滤场阳极5上，当气流进入到过滤场阴极7和后面一列荷电正极4之间的电场时，带正电的粉尘受到电场力的阻挡，带正电的粉尘沉积在过滤场阴极7上，带负电的粉尘被荷电正极4吸附。此后，气流进入到下一个荷电电场，粉尘被荷电。当气流进入到过滤场阴极7与磁靴11之间的正过滤电场时，带正电的粉尘受到电场力的阻挡并被过滤场阴极7吸附。当气流进入横向磁组8的气隙9时，在气隙9中强磁场的作用下，带电粉尘粒子在磁场中作回旋运动。当带负电的粉尘接近磁靴11时，被磁靴11扑获。当气流进入到磁靴11与其后的过滤场阴极7构成的负过滤电场时，带电粉尘粒子进一步被滤除。之后，气流进入下一个荷电电场，紧接着被导流板14导入纵向磁组10的气隙9中，挡板13防止气流旁路以使气流从气隙9中流过。纵向磁组的磁场并联相通连成一片，带电粉尘被约束在磁场中作回旋运动直到静止为止。

若设置多个荷电区和多道阻挡电场和约束磁场，则气体中的粉尘经多次过滤后，气体得到高度净化，被净化的气体从出风口15排出。

实施例2场效应电磁除尘器结构示意图如附图2所示，在附图2中，各串联磁场激磁线圈19为空心线圈，各线圈的磁场串联相通，各并联电磁铁20产生的磁场并联相通。工作过程与实施例1相同。所不同的是设置了引导板21，引导板21接电源的正极或负极以吸引及扑集带电粉尘。

实施例3电场效应除尘器结构示意图如附图3所示，这是纯电场阻挡效应的除尘器。荷电负极3与荷电正极4按列相间放置，列距要足够宽，同列上的电极间距要足够小，这样两列之间的电场方向与气流方向平行，因此电场既是荷电电场又是阻挡电场，。当荷电负极3在前，荷电正极4在后时，电场为正过滤电场。当荷电正极4在前，荷电负极3在后时，电场为负过滤电场。当气流经过这些电场时，气流中的粉尘被荷以正电或负电，带负电的粉尘被负过滤电场阻挡，带正电的粉尘被正过滤电场阻挡，带负电的粉尘被荷电正极4吸附，带正电的粉尘被荷电负极3吸附。

过滤场阳极5和过滤场阴极7相互平行且与气流入射方向垂直。过滤场阳极5接高压电源的正极，过滤场阴极7接高压电源的负极，形成强过滤电场，当过滤场阴极7在前，过滤场阳极5在后，电场为正过滤电场，当过滤场阳极5在前，过滤场阴极7在后，电场为负过滤电场。当气流经过强过滤电场时，气流中的带电粉尘被滤除，过滤场阳极5吸附带负电的粉尘，过滤场阴极7吸附带正电的粉尘。

为简化设备，荷电电源和高压电源可共用一个电源。当荷电正极与荷电负极相间成列相间设置时，适当增加荷电电极的表面积，可不设置强过滤场，此时，荷电电极采用高压电源供电。

实施例4磁回旋除尘器如附图4所示，其原理及工作过程是：圆柱壳体2的内壁设置永磁组12，永磁组的磁极上设有环形磁靴24，环形磁靴在壳体内部沿轴线方向形成磁场。圆柱壳体2的外壁套装串联磁场激磁线圈19，激磁线圈产生磁场，该磁场与永磁体的磁场同向互相叠加，使壳体内的磁场更强。电晕线23接电源的负极，壳体2接电源的正极并接地。在电晕线23和环形磁靴24之间形成荷电电场。当气流从入风口1进入到壳体时，气流中的粉尘被荷电，带电粉尘被约束在磁场中作回旋运动，被环形磁靴和电晕线扑获，有的较重粉尘向下沉降。被扑集的粉尘储在灰斗25中，净化的气体从出风口15排出。

本实施例可单独采用永磁体或单独采用电磁形成约束磁场。

Claims (6)

1 本发明场效应磁约束除尘器是由入风口1、壳体2、荷电负极3、荷电正极4、过滤电场阳极5、绝缘板6、过滤电场阴极7、横向磁组8、气隙9、纵向磁组10、磁靴11、磁体12、挡板13、导流板14、出风口15、荷电电源16、限流元件17、高压电源18组成的。其特征在于在过滤电场阳极5和过滤电场阴极7之间形成强阻挡电场，横向磁组8或纵向磁组10的气隙9中形成强约束磁场。

2 根据权利要求1所述的场效应磁约束除尘器其特征在于所说的荷电负极3与荷电正极4可成列相间排列或成行相间排列，通过限流元件17与荷电电源16相接以形成荷电电场。

3 根据权利要求1所述的场效应磁约束除尘器其特征在于所说的过滤电场阳极5和过滤电场阴极7设置方向与气流方向垂直，设有供气流通过的狭窄通道。可采用横向栅状电极、斜向百叶窗电极、纵向梳状电极、网状电极、并列管式电极、金属纤维滤布电极和介质覆盖绝缘电极

4 根据权利要求1所述的场效应磁约束除尘器其特征在于所说的磁组采用永磁体和电磁铁或激磁线圈，磁组按横向、纵向或斜方向放置，形成并联或串联相通的强约束磁场。

5 根据权利要求1所述的场效应磁约束除尘器其特征在于所说的荷电电源16采用脉冲电源或直流电源，高压电源18采用高压直流电源或采用频率为几十赫兹到几兆赫兹的高压直流偏置的交流电源。

6 根据权利要求1所述的场效应磁约束除尘器其特征在于所说的强阻挡电场和强约束磁场在一台除尘器中可同时设置，磁场设在电场中或电场设在磁场中。也可只设置强阻挡电场，或只设置强约束磁场。当荷电电极按列相间排列时，可不另设强阻挡电场，此时荷电电极采用高压电源供电。

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