專利名稱：雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煙氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展給人類帶來便利，同時也帶來了嚴重的環(huán)境污染，大氣氣溶 膠污染就是其中之一。中國的大氣污染屬于煤煙型污染，煙塵和酸雨(二氧化硫)污染危害 最大，并呈發(fā)展趨勢。2006年我國煤炭產(chǎn)量約23. 2億噸，其中動力用煤約占80%。在相當(dāng) 長的時間內(nèi)，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會改變。燃煤產(chǎn)生的煙塵是可吸入顆粒物的最主 要來源。監(jiān)測結(jié)果表明，可吸入顆粒物是目前我國城市大氣環(huán)境的首要污染物。許多工業(yè) 過程造成對人體有危害的小顆粒物被排放入大氣，這些較小的顆粒對由空氣污染物造成的 大氣能見度降低負最主要的責(zé)任。大氣的不透明度主要取決于排放物中細顆粒物的多少， 因為消光系數(shù)在光線波長接近于0. 1和1個微米之間附近時達到峰值。如果考慮到排放的 污染物顆粒物數(shù)目，而不僅僅是污染物的質(zhì)量的話，控制小顆粒物的重要性會更加突出。從 一個典型的煤燃燒過程中產(chǎn)生的粉煤灰，污染物粒子中尺寸小于2. 5微米的占總污染物的 質(zhì)量只有7%，但占顆粒物總數(shù)的97%。工業(yè)粉塵的去除主要用各種除塵設(shè)備來實現(xiàn)，靜電 除塵器因綜合性能較高，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，雖然靜電除塵器對各種粒徑粉塵總的去 除效率可高達99. 7%，但是對微細顆粒物的除塵效果并不理想，由于荷電機理的限制，特別 是對粒徑范圍在0. 1-1 μ m的亞微米顆粒，除塵效率低于85%。這些微細顆粒物對人體危害 極大，同時又嚴重污染環(huán)境，并對氣候造成影響。
澳大利亞Indigo公司在專利CN1390157A的發(fā)明專利中，采用了雙極荷電煙塵 凝并技術(shù)，其特點是采用獨立的極線分別接在正負兩臺電源上；采用獨立的非平面型板 材將煙道分隔成許多小的通道，中間放置正、負電暈極線，正、負電暈極線均采用獨立的電 暈極線，正、負電暈的異極間距相同，且與常規(guī)電除塵極板、極線形式相同；投資大，能耗 高。我國公布的發(fā)明專利申請“雙極性電暈放電煙塵凝并電除塵方法及其設(shè)備”(申請?zhí)?200410066936. 0)中也采用雙極荷電煙塵凝并技術(shù)，其特點是采用獨立的極線分別接在一 臺電源正負極上，節(jié)省了投資；正、負電暈極線均采用獨立的極線，且與常規(guī)電除塵極線形 式相同；電極間距相同，放電電流相同，但由于正、負電暈極放電特性不同，將導(dǎo)致荷異性電 荷量不等，造成聚并效果差，能耗高；由于實際煙道一般有彎頭，煙氣及其所攜帶的顆粒物 在離心慣性力的作用下，由二次流形成雙螺旋流動，因為沒有煙氣整流，煙氣流速和流量以 及顆粒物的濃度和粒徑分布在煙道截面分布極不均勻，這種二次流形成的雙螺旋流動將向 下游延續(xù)50 75倍當(dāng)量直徑的長度，實際煙道不可能有這樣長度的直管段，必將導(dǎo)致顆粒 荷異性電荷量相差懸殊，聚并效果差，能耗高。因此需要提供一種荷電效率高，聚并效果好 的能耗低，投資小的雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的要解決現(xiàn)有技術(shù)雙極荷電煙塵凝并技術(shù)的荷異性電荷量不等，聚并效果差，投資大，能耗高的問題，通過優(yōu)化設(shè)計，采用正、負電暈極不同極板間距，使得荷異 性電荷量相等，最大限度地提高聚并效果，降低能耗，提供一種雙極荷電強化微細顆粒物聚 并裝置，裝置的電極系統(tǒng)3置于鍋爐出口的煙氣通道內(nèi)，電極系統(tǒng)3由220V/380V交流電經(jīng) 調(diào)壓變壓器1調(diào)壓，高壓變壓器和高壓硅整流器2供給IOkV 70kV高壓直流電壓，其特征 在于，裝置的電極系統(tǒng)由N塊陰極板7、N塊陽極板6和一塊無芒刺陽極板8交替相間互相 平行構(gòu)成，并把煙氣通道分隔成2N個子通道，即N個正電暈通道10和N個負電暈通道11， 其中第N個負電暈通道11由第N塊陰極板7和無芒刺陽極板8組成，陽極板6、無芒刺陽極 板8和陰極板7均為面積和形狀相同的矩形電極板，其高度與煙氣通道高度相同，陽極板6 的正面和陰極板7的正面均按正三角形分布垂直焊接芒刺電暈極9，陽極板6的背面和陰極 板7的背面均為光滑平面，無芒刺陽極板8的兩面均為光滑平面，陽極板6帶芒刺電暈極9 的正面與陰極板7光滑的背面之間構(gòu)成正電暈通道10，陰極板7帶芒刺電暈極9的正面與 陽極板6光滑的背面之間構(gòu)成負電暈通道11，第N塊陰極板7帶芒刺電暈極9的正面與無 芒刺陽極板8的光滑平面之間構(gòu)成第N個負電暈通道11，正電暈通道10的極板間距大于負 電暈通道11的極板間距，電極系統(tǒng)3中，全部陽極板6及無芒刺陽極板8并聯(lián)與電源的正 極連接，全部陰極板7并聯(lián)通過串聯(lián)的電流表5與電源的負極連接或接地，陽極板6、無芒刺 陽極板8和陰極板7與煙氣通道內(nèi)壁之間布置絕緣隔層絕緣。所述正電暈通道10的極板間距的范圍為70mm 350mm，負電暈通道11的極板間 距的范圍為60mm 300mm。所述芒刺電暈極9為具有尖端的鋼釘，其直徑為3mm 5mm，長度范圍為Ilmm 15謹，正三角形分布的間距范圍為20謹 200mm。所述陽極板6、無芒刺陽極板8和陰極板7的材料為低碳鋼或不銹鋼。
所述整數(shù)N的范圍為2 50。雙極荷電聚并實際上是在靜電力作用下，通過增加微細顆粒的荷電能力，促進荷 電微細顆粒以電泳方式到達荷異性電顆粒表面，從而增加顆粒間的聚并效應(yīng)。電聚并的效 果取決于粒子的濃度、粒徑，電荷的分布以及外電場的強弱，不同粒子的不同運動速度和振 幅導(dǎo)致了微粒間的碰撞和聚并。在沒有重力以外的外力的作用下，煙氣中微米顆粒一般不發(fā)生明顯的相互碰撞和 聚并，其原因有三顆粒在煙氣中作無規(guī)則的布朗運動；顆粒外表面吸附了一層氣體分子， 形成氣膜，阻礙顆粒之間的接觸；顆粒不帶電荷，或即使帶電荷，電荷性質(zhì)也是相同的，同性 相斥使顆粒不易相互聚合而保持懸浮狀態(tài)。其中后兩個原因更為重要。本發(fā)明采用雙極荷電聚并方法，利用靜電聚并原理使混合流體中的顆粒物通過外 加電場產(chǎn)生的電暈放電帶正電荷或負電荷而互相吸引、碰撞，在短時間內(nèi)由細小顆粒聚并 為能被現(xiàn)有除塵器系統(tǒng)收集的大顆粒。在陽極板6帶芒刺電暈極9的正面與陰極板7光滑 的背面之間構(gòu)成的正電暈通道10內(nèi)，流動的煙氣中的顆粒通過芒刺電暈極9在外加電場作 用下產(chǎn)生正電暈放電帶正電荷。同理，在陰極板7帶芒刺電暈極9的正面與陽極板6光滑的 背面或無芒刺陽極板8的光滑平面之間構(gòu)成的負電暈通道11內(nèi)，流動的煙氣中的顆粒通過 芒刺電暈極9在外加電場作用下產(chǎn)生負電暈放電帶負電荷。因此，含有大量超細顆粒物的 鍋爐出口煙氣流入正電暈通道10和負電暈通道11組成的雙極荷電區(qū)域，這類顆粒物在此 區(qū)域的正電暈通道10或負電暈通道11內(nèi)由于不同極性的電暈放電而分別帶上正電荷或負電荷，通過雙極荷電區(qū)域后因異電性相吸引，超細顆粒物之間隨氣流以電泳方式發(fā)生吸附 和碰撞，破壞顆粒表面氣膜，發(fā)生有效碰撞，變?yōu)榱捷^大的顆粒物。小顆粒物可以互相聚 并成大一些的顆粒物，小顆粒物也可以和流體中的大顆粒物聚并，大顆粒之間也可以聚并。 聚并“長大”之后的顆粒物隨后可以各種現(xiàn)有技術(shù)的除塵方法從氣流中去除掉。而在各電 暈通道內(nèi)，因顆粒帶同性電荷，而不易發(fā)生碰撞和產(chǎn)生聚并，在原設(shè)計煙氣流速下，顆粒不 會在電暈通道內(nèi)沉積。為了提高超細顆粒物的雙極荷電聚并效率，電暈放電中最大限度的 使亞微米顆粒物帶上盡量多的電荷，且經(jīng)過正電暈通道的顆粒物與經(jīng)過負電暈通道的顆粒 物所帶的電荷數(shù)相等，要求正電暈通道和負電暈通道上的擊穿電壓和電流體積密度相等。
在其它條件相同情況下，不管芒刺電暈極這樣的尖電極的極性如何，它們的起暈 電壓基本相同，但擊穿電壓卻差別很大。負極性的尖電極的擊穿電壓要比為正極性的尖電 極擊穿電壓高得多。對于負極性尖電極，極尖附近的正空間電荷減弱了向極板方向的電場 強度，而加強了朝向極尖的電場強度，因此，負電暈被壓縮在負尖電極附近，使放電不易向 前發(fā)展；對于正極性的尖電極，極尖附近的正空間電荷加強了朝向極板的電場強度，使高場 強區(qū)移向極板，而朝向尖電極的電場強度則減弱了，正尖電極朝向極板方向場強高，易于電 離，因而在相同的極板間距情況下，正極性擊穿電壓比負極性擊穿電壓低得多。由于這種正 電暈極放電特性和負電暈極放電特性不同，只有正電暈通道10的極板間距大于負電暈通 道11的極板間距，才有可能使產(chǎn)生正電暈的電暈通道10和負電暈的負電暈通道11的擊穿 電壓和電流體積密度相等。為了使產(chǎn)生的電暈最大范圍覆蓋電暈通道，要通過計算和實驗 確定各電暈通道的極板間距和芒刺電暈極間距的參數(shù)配比。正電暈極和負電暈極分別焊接在不同極性的極板上，一方面實現(xiàn)顆粒荷電，另一 方面，還可以起到很好的煙氣整流作用，使煙氣流速和流量以及顆粒物的濃度和粒徑分布 在煙道截面分布趨于均勻，顆粒荷異性電荷量大致相當(dāng)，提高聚并效果。本發(fā)明用于強化超細顆粒物雙極荷電聚并的基本流程是(1)煙氣以一定的流速 從鍋爐煙氣出口進入煙氣通道，正電暈通道和負電暈通道把煙氣氣流分成各自通道中的流 體；(2)在正電暈通道內(nèi)煙氣流體由于芒刺電暈極產(chǎn)生的電暈而使煙氣中的顆粒物帶上正 電荷，在負電暈通道內(nèi)煙氣流體由于芒刺電暈極產(chǎn)生的電暈而使煙氣中的顆粒物帶上負電 荷；(3)荷電的顆粒物在飛出通道后與帶異性電荷的其它顆粒發(fā)生碰撞黏附，從而增大其 粒徑。本發(fā)明的最主要特點在于，放電極即芒刺電暈極以正三角形分布垂直固接在平面 型金屬電極板上，這樣可以使整個通道內(nèi)具有非常均勻的電場，保證顆粒、尤其是超細顆粒 于該區(qū)域在短時間內(nèi)獲得充分荷電；同時該金屬電極板將煙道分隔成許多小的平行通道， 還可以起到煙氣整流作用，平行通道阻力低，能耗?。徽姇炌ǖ篮拓撾姇炌ǖ赖臉O間距不 同，通過優(yōu)化設(shè)計保證相鄰兩個通道中的粉塵所荷電量相等，這樣不僅使得荷異性電荷量 相等，還最大限度地提高聚并效果，降低了能耗。本發(fā)明的有益效果為，聚并過程所用時間短，在煙氣產(chǎn)生到進入除塵器的流動過 程中即可實現(xiàn)聚并。本發(fā)明具有聚并效率高，投資和運行費用低，設(shè)備簡單，運行穩(wěn)定，便于 推廣應(yīng)用等特點。本發(fā)明不僅適合于大型鍋爐除塵，而且適用于中、小型鍋爐和其它產(chǎn)生煙 氣的設(shè)備除塵，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置的電路圖；圖2是本發(fā)明中電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是芒刺電暈極9在陽極板6和陰極板7的平面分布示意圖；圖中，1—調(diào)壓變壓器，2—高壓變壓器和高壓硅整流器，3—電極系統(tǒng)，4—電壓 表，5-電流表，6-陽極板，7-陰極板，8—無芒刺陽極板，9-芒刺電暈極，10-正電暈通 道，11--負電暈通道。
具體實施例方式雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置的電路圖如圖1所示。雙極荷電裝置的供電系 統(tǒng)由調(diào)壓變壓器1和高壓變壓器和高壓硅整流器2組成，高壓變壓器和高壓硅整流器2將 220V/380V交流電變?yōu)楦邏褐绷麟?，用調(diào)壓變壓器1來改變電壓大小至產(chǎn)生電暈放電使超 細顆粒物荷電。高壓直流電的可變壓范圍為IOkV 70kV。電壓表4與陽極板和陰極板并 聯(lián)，用于監(jiān)測極間火花放電時的擊穿電壓，電流表5串聯(lián)在并聯(lián)的陰極板與地線之間，用于 監(jiān)測擊穿電壓時的電流，從而確定電流體積密度。電極系統(tǒng)3置于鍋爐出口的煙氣通道內(nèi)。如圖2所示，電極系統(tǒng)3由2塊陰極板 7、2塊陽極板6和1塊無芒刺陽極板8交替相間互相平行構(gòu)成，并把煙氣通道分隔成4個 子通道，即2個正電暈通道10和2個負電暈通道11，其中第2個負電暈通道11由第2塊 陰極板7和無芒刺陽極板8組成，陽極板6、無芒刺陽極板8和陰極板7均為面積和形狀相 同的矩形電極板，其高度與通道高度相同，陽極板6的正面和陰極板7的正面均按正三角形 分布垂直焊接芒刺電暈極9，陽極板6的背面和陰極板7的背面均為光滑平面，無芒刺陽極 板8的兩面均為光滑平面，陽極板6帶芒刺電暈極9的正面與陰極板7光滑的背面之間構(gòu) 成正電暈通道10，陰極板7帶芒刺電暈極9的正面與陽極板6光滑的背面之間構(gòu)成負電暈 通道11，第N塊陰極板7帶芒刺電暈極9的正面與無芒刺陽極板8的光滑平面之間構(gòu)成第 N個負電暈通道11，正電暈通道10的極板間距大于負電暈通道11的極板間距，電極系統(tǒng)中 全部陽極板6及無芒刺陽極板8并聯(lián)與電源的正極連接，全部陰極板7并聯(lián)通過串聯(lián)的電 流表5接地，陽極板6、無芒刺陽極板8和陰極板7與煙氣通道內(nèi)壁之間布置絕緣隔層絕緣。 正電暈通道10的極板間距為70mm，負電暈通道11的極板間距為60mm。芒刺電暈極9為具有尖端的鋼釘，直徑為3mm，長度為10mm，正三角形分布的間距 為20mm，如圖3所示。陽極板6、無芒刺陽極板8和陰極板7的材料為低碳鋼或不銹鋼。鍋爐出口煙氣以一定流速進入雙極荷電聚并區(qū)域，每個子通道中電極板上的芒刺 電暈極會產(chǎn)生正電暈或負電暈，這時煙氣中的超細顆粒物便會分別荷上正電荷和負電荷， 在電場作用下，顆粒會發(fā)生偶極化現(xiàn)象，極化的顆粒將形成“珍珠鏈”，從而使顆粒增大。另 夕卜，異極性荷電粉塵間的庫侖力本身也會促進聚并。在兩者的綜合作用下，粉塵間的聚并效 果將大大增強。從而，聚并得到的大顆粒粉塵能被除塵器所收集。電極板用陽極_陰極-陽極_陰極-陽極的排布方式使電暈通道出口的顆粒物所 帶電性為正_負-正_負，這樣顆粒在通過通道后由于異性相吸原理結(jié)合在一起，更有利于 增加顆粒的粒徑，提高除塵效率。
雙極荷電裝置的最優(yōu)組合必須是荷負電顆粒與荷正電顆粒所攜帶的電量數(shù)大致 相同，并且在單位場強密度大致相同的情況下，電流體積密度最大，因為在相同的場強下， 電流越大，荷電量越高，帶電顆粒越多，通過極板后荷異電荷的顆粒結(jié)合、碰撞的機會越大。 這就對正電暈通道與負電暈通道的板間距和極板間產(chǎn)生火花放電的擊穿電壓大小的確定 有很高要求。用以下公式計算在擊穿電壓下場強單位密度與電流體積密度場強密度Eb= Up/b電流體積密度IV = Ip/V體積V= nAb其中UP表示極板間產(chǎn)生火花放電的擊穿電壓，kV ；b表示板間距，cm ;Eb表示場強 單位密度，kV/cm ；IP表示擊穿電壓時的電流，UA;V表示兩極板間的空氣體積，cm3 ；Iv表示 電流體積密度，P A/cm3 ；n表示通道數(shù)；A表示極板面積，cm2。根據(jù)上述公式以及結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，對能促進煙氣混合流體中超細顆粒物的聚并的 電極系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其步驟為1.測定鍋爐出口煙氣流量和流速；2.根據(jù)煙氣流量和流速的數(shù)據(jù)，計算擊穿電壓下場強單位密度與電流體積密度， 確定具有最優(yōu)特性的極板間距和電源電壓，使得荷負電顆粒與荷正電顆粒所攜帶的電量數(shù) 大致相同；3.設(shè)計能夠具有第2步中所得到裝置的最優(yōu)尺寸數(shù)據(jù)，即通道數(shù)、極板面積、極板 間距和極板長度等。具有最優(yōu)特性的荷電裝置尺寸的求解是一個反復(fù)試算或迭代過程。當(dāng)工業(yè)過程所產(chǎn)生的煙氣混合流體通過雙極荷電裝置時，流體中顆粒物在電極板 所組成的正電暈通道或負電暈通道中由于電暈放電變?yōu)閹в胁煌娦缘念w粒物，大大增加 在通過正電暈通道或負電暈通道后各種尺寸的顆粒物間相互吸引碰撞的概率，使難以被傳 統(tǒng)除塵裝置去除的亞微米顆粒物聚并長大為大顆粒而能被后續(xù)除塵系統(tǒng)所收集，以達到煙 氣凈化目的。
權(quán)利要求
一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，裝置的電極系統(tǒng)(3)置于鍋爐出口的煙氣通道內(nèi)，電極系統(tǒng)(3)由220V/380V交流電經(jīng)調(diào)壓變壓器(1)調(diào)壓，高壓變壓器和高壓硅整流器(2)供給10kV～70kV高壓直流電壓，其特征在于，裝置的電極系統(tǒng)由N塊陰極板(7)、N塊陽極板(6)和一塊無芒刺陽極板(8)交替相間互相平行構(gòu)成，并把煙氣通道分隔成2N個子通道，即N個正電暈通道(10)和N個負電暈通道(11)，其中第N個負電暈通道(11)由第N塊陰極板(7)和無芒刺陽極板(8)組成，陽極板(6)、無芒刺陽極板(8)和陰極板(7)均為面積和形狀相同的矩形電極板，其高度與煙氣通道高度相同，陽極板(6)的正面和陰極板(7)的正面均按正三角形分布垂直焊接芒刺電暈極(9)，陽極板(6)的背面和陰極板(7)的背面均為光滑平面，無芒刺陽極板(8)的兩面均為光滑平面，陽極板(6)帶芒刺電暈極(9)的正面與陰極板(7)光滑的背面之間構(gòu)成正電暈通道(10)，陰極板(7)帶芒刺電暈極(9)的正面與陽極板(6)光滑的背面之間構(gòu)成負電暈通道(11)，第N塊陰極板(7)帶芒刺電暈極(9)的正面與無芒刺陽極板(8)的光滑平面之間構(gòu)成第N個負電暈通道(11)，正電暈通道(10)的極板間距大于負電暈通道(11)的極板間距，電極系統(tǒng)(3)中，全部陽極板(6)及無芒刺陽極板(8)并聯(lián)與電源的正極連接，全部陰極板(7)并聯(lián)通過串聯(lián)的電流表(5)與電源的負極連接或接地，陽極板(6)、無芒刺陽極板(8)和陰極板(7)與煙氣通道內(nèi)壁之間布置絕緣隔層絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，其特征在于，所述 正電暈通道(10)的極板間距的范圍為70mm 350mm，負電暈通道(11)的極板間距的范圍 為 60mm 300mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，其特征在于，所述 芒刺電暈極(9)為具有尖端的鋼釘，其直徑范圍為3mm 5mm，長度范圍為11mm 15mm，正 三角形分布的間距范圍為20mm 200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，其特征在于，所述 陽極板(6)、無芒刺陽極板(8)和陰極板(7)的材料為低碳鋼或不銹鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，其特征在于，所述 整數(shù)N的范圍為2 50。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙極荷電強化微細顆粒物聚并裝置，屬于煙氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，適用于亞微米超細顆粒除塵。電極系統(tǒng)置于鍋爐出口的煙氣通道內(nèi)，矩形的陰極板和陽極板互相平行交替相間把煙氣通道分隔成多個正電暈通道和負電暈通道的子通道，放電極即芒刺電暈極以正三角形分布垂直焊接在平面型的陽極板的正面和陰極板的正面，這樣可以使整個通道內(nèi)具有非常均勻的電場，保證顆粒、尤其是超細顆粒于該區(qū)域內(nèi)短時間獲得充分荷電。本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計保證相鄰正電暈通道和負電暈通道中的粉塵所荷異性荷電量相等，最大限度地提高聚并效果，降低了能耗。本發(fā)明不僅適合于大型鍋爐，而且適用于中、小型鍋爐和其它產(chǎn)生煙氣的設(shè)備除塵。
文檔編號B03C3/40GK101869872SQ201010174799
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者僥研子, 劉忠, 劉斌, 胡志光, 胡滿銀, 趙莉 申請人:華北電力大學(xué)