專利名稱：在煙道中產(chǎn)生高數(shù)密度離子的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣體電子工程，大氣壓等離子體物理和流體力學等技術領域，涉及在煙道中產(chǎn)生高數(shù)密度離子的方法。
背景技術：
我國電除塵器的數(shù)量占國內(nèi)除塵設備市場總量的75％，中國已成為世界電除塵器生產(chǎn)、應用大國。2004年我國實施新的火電廠國家允許排放標準(50mg/Nm3)頒布，將使現(xiàn)有的新、老電除塵器中絕大多數(shù)難以達到新的煙塵允許排放標準，其主要原因是后級電場中微細煙塵捕集效率低的問題，這是對現(xiàn)有電除塵理論和技術的一種挑戰(zhàn)。要使電除塵器達到新的標準，就需要在電除塵理論和技術上加大研究力度，以便取得突破性進展，把電除塵器技術推向更高的水平上發(fā)展。我國在電除塵技術及設備制造上一直是處于以跟蹤研仿為主的階段。電除塵的理論與技術均涉及氣體電離放電物理學、高氣壓非平衡等離子體物理學及氣體動力學等學科，是一門多學科交叉和融合的學科。由于相關學科研究取得了進展，這就為我國電除塵技術及設備的發(fā)展，提供基礎理論及方法的支持。
由于采用電除塵技術處理工業(yè)煙塵及空氣凈化的工程數(shù)量成指數(shù)規(guī)律增加，引起學術界的關注，并進行有關電除塵理論與技術的研究工作。1980年Masuda，1990年與川慎太郎等人以及2001年王海寧等人分別進行了用高電壓窄脈沖供電方法，改善了電除塵器的反(逆)電暈問題，使捕集高比電阻煙塵的效率有所提高。1990年白希堯等人進行了直流電場的同極性煙塵荷電凝聚技術的研究工作，煙塵驅(qū)進速度可提高2～6倍，改善了電除塵器的收塵性能。1992年阪本清等人采用間歇供電方法改善了高比電阻煙塵的荷電性能，解決了燒結煙氣的除塵疑難問題。1995年Watababe等人和Hautanen等人，1997年許德玄以及2000年向曉東等人分別進行了離子荷電機理的試驗研究工作。對0.06～12μm煙塵的除塵效率提高了3％左右。從上述實驗研究表明，在直流、交變電場中的同極性、異極性離子對煙塵具有荷電凝聚作用。由于煙塵中的離子濃度低，導致煙塵荷電凝聚機率偏低。導致電除塵器捕集微細煙塵效率低，電除塵器體積龐大耗能高。為了提高煙塵的荷電凝聚率，又增設類似電除塵器的煙塵預荷電設置通常是靠增加幾個變形電場來實現(xiàn)的。
眾所周知，由于電暈電離電場強度存在著臨界擊穿電場強度的極限值(板線型，≤7.5kV/cm)，導致電除塵器中離子數(shù)密度存在一極限值，進而煙塵的荷電量、驅(qū)進速度也相應存在極限值。目前電收塵器均采用自動火花跟蹤臨界擊穿電場強度的供電方法，使電收塵器運行在現(xiàn)有技術的最佳臨界極限值上。可見，進一步提高電收塵器性能的可能性就很小了，這一問題引起了等離子體物理和氣體放電物理學者的關注，并著手尋求解決問題的理論基礎及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)在電除塵器中離子濃度低(在106/cm3左右)，粉塵荷電凝聚性能差，因而導致電除塵器捕集微細粉塵效率低，電除塵器體積龐大，能耗高等問題。
本發(fā)明的方法是利用煙道中氣體分子動量4×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s來解決電暈流光放電通道中本征電場對離子的束縛，將大幅度降低離子-電子、離子-離子的碰撞復合產(chǎn)生的損失率，可使煙道中離子濃度增加到108/cm3--1010/cm3，比電除塵器中離子數(shù)密度高出1-2個數(shù)量級，大大地提高了進入電除塵器的粉塵在煙道中預先充分荷電凝聚機率。此法有助于解決電除塵器中粉塵荷電凝聚率低的問題。
本發(fā)明的技術解決方案是在輸送煙氣的管道中放置1-5個直流或脈沖高電壓放電裝置，把管道中氣體電離成O2-、N2-或O2+、N2+等離子；利用煙道中氣體分子平均動量高達4×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s，將使更多離子克服本征電場的束縛，大大地提高了離子輸運項，通過設有高電壓放電裝置的煙道氣體中將含有高密度離子，足以使進入電除塵器中的粉塵飽和荷電，有望解決目前電除塵器存在的問題。
本發(fā)明的技術方案是在負電暈放電過程，外加穩(wěn)定電場作用到非均勻放電間隙上時，由于空間電荷的積累，會出現(xiàn)新的電場分布和電暈模式。逐漸增加放電電場強度達到一定時，將在電暈點上出現(xiàn)一個電暈電流相對穩(wěn)定的輝光放電。通常電除塵器就工作在輝光放電區(qū)域內(nèi)。最大電場將出現(xiàn)在放電電極電暈點附近，當雪崩頭部空間電荷形成的本征電場Er與外加電場E0的大小在同一數(shù)量級時，或者雪崩產(chǎn)生的電子數(shù)達到臨界值時，就會在電暈點上發(fā)生輝光放電(負電暈)。并在負電暈雪崩頭部形成了正電荷積累[29]，形成了本征電場，它加強了正電荷和放電極之間的電場強度，并減弱了指向接地極的電場強度。在電暈放電空間任意一點的總電場強度為E＝Eo+Er。當外加激勵電場強度Eo增大時，將會強化了電離放電過程。此時本征電場強度甚至可達100～400kV/cm，比電除塵器中的外加激勵電暈電場強度(～5kV/cm)高出20倍左右。本征電場強度將大大地強化了電離放電的強度，一個雪崩產(chǎn)生的電子總數(shù)、或者正離子總數(shù)將按指數(shù)規(guī)律增加。
由于湯生第一電離系數(shù)α是折合電場強度E/n(E為電離電場強度，n為氣體濃度，單位Td，1Td＝10-17V·cm2)的函數(shù)。所以在任何瞬間，任何電暈點上，電離強度將是折合電場強度的函數(shù)。由于電暈放電存在一個臨界擊穿電場強度，所以相應存在一個離子數(shù)密度極限值。從電離連續(xù)性方程可知，通過降低離子損失率，提高離子輸運項，可使離子數(shù)密度成數(shù)量級提高。
描述控制電離放電通道物理過程的電離連續(xù)性方式是∂N∂t=c-L(N)-▿·(NV)---(1)]]>式中c、L(N)分別為產(chǎn)生率、損失率，它們分別表示單位時間單位體積中由電離產(chǎn)生的離子-電子對，由復合而湮滅的比率，單位均是/cm3·s；·(NV)為輸運項，是通量(NV)的散度。表示單位時間單位體積內(nèi)由輸運過程引起帶電粒子濃度變化的遷移率。在平衡情況下∂N∂t=0,]]>則·(NV)＝c-L(N) (2)由于電暈放電存在一個臨界擊穿電場強度值，所以現(xiàn)在電暈電離放電的注入功率密度也就相應存在一極限值，因而產(chǎn)生率也相應存在一個極限值。當注入電離電場中能量密度為3.3mJ/cm3時，電離區(qū)域流光放電通道中的電子濃度可達到1.3×1014/cm3。如果不考慮電離區(qū)域內(nèi)的電子與離子、離子與離子復合反應，計算電除塵器電場的電離占空比約為1.8×10-5左右，此時除塵電場中離子濃度應為2.3×109/cm3左右。實際上，由于電場力作用，電子、離子被束縛在電離放電通道中進行復合反應，其損失率在2個數(shù)量級以上，所以目前電除塵器電場中平均離子濃度僅為106/cm3左右。從帶電粒子的運動規(guī)律可知，離子在輸運過程中，需要克服電離電場對帶電粒子的束縛力，方能解決除塵電場離子濃度低下的問題。從目前實驗研究結果也表明，可以通過提高帶電粒子動量的方法加以解決，目前，電除塵器的離子動量在1×10-22g·m/s左右，其輸運項約在106/cm3·s左右。當離子動量增加10×10-22g·m/s時，離子輸運項達到108/cm3·s左右?？梢?，當離子動量每增加1個數(shù)量級時，則相應的離子濃度及其輸運項也將相應的增加2個數(shù)量左右。這表明可以通過提高帶電粒子動量方法來解決電收塵器離子輸運項低下的問題，同樣也預示著能使目前的電除塵器的體積、能耗、投資及運行費用等將會相應的大幅度降低。
本發(fā)明的效果和益處是利用電除塵器的輸送煙氣管道本身及其氣體分子動量達到4×10-22g·m/s--40×10-22g·m/s，使設置在管道中高電壓放電裝置產(chǎn)生高密度的離子，比電除塵器本體高電壓放電產(chǎn)生的離子數(shù)密度高出2.3個數(shù)量級，為進入電除塵器中的煙塵荷電凝聚提供充足的離子，為其荷電凝聚提供十分有利條件。省去傳統(tǒng)附加龐大高電壓電離放電的設置，又有效利用管道中的氣體分子的動量。達到了大幅度降低電除塵器體積和能耗的目的。


圖1是在煙道中產(chǎn)生高密度離子的流程示意圖。
圖1中1進口煙氣，2電除塵器的煙氣入口煙道，3高電壓電離放電裝置，4風斗，5電除塵器主體，6煙塵料斗，7電除塵器煙氣出口煙道，8出口煙氣。
圖2是離子輸運項與氣體分子動量關系曲線圖。
圖2中9在E/n＝38.5Td時離子輸運項與動量關系曲線，10在E/n＝18.4Td時離子輸運項與動量關系曲線，11正離子，12負離子。
具體實施例方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
步驟1.
在圖1中高電壓氣體電離放電發(fā)生裝置3設置在電除塵器的進氣煙道2中，在煙氣分子動量為1×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s，離子輸運項達到107/cm3·s-1012/cm3·s，離子數(shù)密度達到107/cm3-1011/cm3，為了進入電除塵器的煙氣中粉塵，在煙道中預先荷電凝聚提供必需條件。
步驟2.
在圖2中，當模擬電除塵器中的氣體平均動量為1×10-22g·m/s、E/n為18.4Td時，煙氣中離子輸運項達到1.1×108/cm3·s，此時離子數(shù)密度僅達到4.9×106cm3；當模擬煙道中的氣體平均動量為12×10-22g·m/s，E/n為38.5Td時，則煙氣中離子輸運項提高到8×1010/cm3·s，離子數(shù)密度也相應提高到2.2×108/cm3。均比電除塵器中煙氣的離子數(shù)密度高出2個數(shù)量級，足以使進入電除塵器的煙塵預先達到飽和荷電。
權利要求
1.一種在煙道中生產(chǎn)高數(shù)密度離子的方法，其特征在于采用直流、窄脈沖電暈流光放電電離具有動量為1×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s的煙道中氣體分子，離子輸運項達到2×109/cm3·s-2×1014/cm3·s，離子數(shù)密度為107/cm3-1011/cm3。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種在煙道中產(chǎn)生高濃度數(shù)密度離子的方法，其特征在于高電壓電離放電過程是煙道中發(fā)生的。
全文摘要
在煙道中產(chǎn)生高數(shù)密度離子的方法屬于氣體電子工程、大氣壓非平衡等離子體物理和流體力學等技術領域。其特征在于采用直流、窄脈沖電暈流光放電電離具有動量為1×10
文檔編號F23J15/00GK101049583SQ20071001025
公開日2007年10月10日 申請日期2007年1月28日 優(yōu)先權日2007年1月28日
發(fā)明者張芝濤, 白敏菂, 白敏冬, 依成武, 楊波, 白希堯 申請人:大連海事大學