專利名稱：在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法
技術領域：
本發明屬于氣體電離放電、等離子體物理、氣體動力學及環境工程等技術領域，涉及在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法。
背景技術：
中國以較高的經濟增長速度進入21世紀，因而將消費更多的能源，再加上我國的建材鋼鐵、化工以有色金屬等工業的高速發展，進而造成煙塵污染物將會大幅度地增加。對環境生態安全和居民健康造成了危害。與此同時，電除塵器(ESP)在火電廠以及鋼鐵廠、水泥廠等方面的應用會取得高速發展。目前電除塵器的數量占國內市場總量的75％，中國已成為世界上電除塵器生產、應用大國。2004年我國實施新的《火電廠國家允許排放標準》和《水泥工業大氣污染物排放標準》，煙塵、粉塵排放標準都低于30～50mg/m3，將使現有的新、老電除塵器中絕大多數難以達到新的煙塵允許排放標準，這也是對現有電除塵器理論和技術的一種挑戰。要使電除塵器達到新的標準，就需要在電除塵器理論和技術上加大研究力度，以便取得突破性進展，把電除塵器技術推廣向更高的水平上發展。
由于電除塵(凈化)器具有能處理高溫(350℃)高濕[40％(v/v)]度的大煙氣量；壓力損失低(100Pa～300Pa)；可捕集微小粉塵；運行費用低等特點。因而，被世界公認為高效除塵設備。使離子附著在塵粒上，荷電的塵粒在電場力作用下被驅附在集塵極上，加以振打收集，實現了煙氣除塵。從高氣壓(～0.1MPa)非平衡(非熱、冷)等離子體物理觀點來看，電除塵器是一個巨大的等離子體源和反應室的組合體。然而，2004年我國等離子體物理學科發展戰略組研究報告指出“目前產生大氣壓非平衡態等離子體的機理尚不清楚”。“在高氣壓下等離子體的輸運特性研究也剛剛起步，但是正在形成新的研究熱點。”由于大氣壓(等離子體物理稱為高氣壓)等離子體物理研究的滯后，制約了電除塵技術的機理研究。到目前為止，世界各國電除塵技術的理論尚不完備，止步不前，基本上還處在60年代水平上，屬于經驗工程的學科，所以電除塵器的優劣取決于設計的命中率、制造精度、安裝質量、供電特性以及維護管理等。由于電除塵的基礎理論研究的欠缺而造成電除塵器的一次投資高，體積龐大，鋼材用量過多以及捕集微細煙塵效率低等問題。
50～60年代，我國從前蘇聯和東歐引進臥、立式電除塵器，80年代以來又分別從德國Ruthmuble和Lurgi，瑞典Flakt，美國的GE及Lodge-Cottrell，日本住友重機、新日鐵和三菱等公司引進電除塵器設備及制造技術，部分已國產化。總之，我國在電除塵技術及設備制造上仍一直是處于技術跟蹤研仿為主的階段。

發明內容
本發明的目的是解決現在電除塵器捕集微細粉塵效率低及其體積龐大，能耗高等問題，提供在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法。該方法使粉塵在管道中的荷電裝置中，與高數密度的負離子或正離子碰撞荷電；飽和荷電的粉塵又在凝聚裝置中的交變電場中凝聚增粗。可使進入電除塵器的粉塵預先飽和荷電，同時粒徑又數十、數百倍地增大，這將大大地提高電除塵器的捕集微細粉塵效率，同時又大幅度降低電除塵器體積，減少鋼材用量，降低了一次投資成本；減少了能耗，降低運行成本。
本發明的技術方案是在電除塵器的入口輸送煙氣管道中放置1-4套直流、窄脈沖高電壓放電的粉塵荷電裝置荷高電壓交變電場的粉塵凝聚裝置，使進入電除塵器的粉塵預先飽和荷電，并將粉塵粒徑增大4倍～400倍。這將解決現在電除塵器的微細粉塵捕集效率低，體積龐大，能耗高等問題。
一.解決電除塵器現存問題的技術路線電除塵器對煙塵捕集主要是通過荷電的煙塵顆粒在電場作用下完成的。通常用多依奇除塵(計重)效率方程來表征電除塵器的除塵效率，公式為η=1-e(-AQ·ω)---(1)]]>式中A為電除塵器總集塵面積；Q為預處理的煙氣量，ω為荷電塵粒驅向集塵極的驅進速度。在忽略了塵粒的慣性力條件下，荷電塵粒的驅進速度為ω=qE06πdsμ---(2)]]>從公式中可知，在煙氣的物理條件一定的情況下，荷電塵粒的驅進速度ω與塵粒的荷電量q、除塵區域的電場強度E0成正比，與塵粒的斯托克斯粒徑ds成反比，式中μ為氣體動力黏度。對于燃煤(粉)鍋爐的煙塵中小于0.4μm顆粒約占煙塵重量1％以下；若以塵粒的顆粒數計算，這部分微細煙塵約占煙塵顆粒總數的40％以上。例如，某煤炭發電廠電除塵器的1、2、3電場收集塵粒的中位粒徑分別為27.1μm、23.1μm、14.9μm。3個電場的除塵效率達到99％，出口煙塵濃度為412mg/Nm3，超過國家允許排放標準(50mg/Nm3)6倍多。余下煙塵的中位粒徑位為4.7μm，孔隙率大于81％，只占煙塵總量的1％以下；而以塵粒數計算約在40％以上。為解決這部分孔隙率大的微細煙塵，又需增加一個第4電場。它的計重除塵效率僅從99％提高到99.88％，只增加了0.8％，方使外排煙塵濃度略低于國家允許排放標準。從這些數據可知，捕集微細煙塵難度多么大，這也將是目前電除塵技術急待解決的研究課題。
二.粉塵荷電凝聚方法塵粒荷電是通過與帶電粒子碰撞實現的，塵粒碰撞荷電主要有兩種機制一種是氣體中帶電粒子在電場力作用下與塵粒有規則碰撞荷電，稱為電場荷電；另一種是帶電粒子隨氣體無規則運動與塵粒碰撞荷電，稱為擴散荷電。在電除塵過程中，此兩種機制同時存在的。煙塵粒徑是非均勻一的，通常電除塵器前部電場中煙塵(大于1μm)是以電場電荷為主；其后部電場中塵粒(0.4μm左右)是以擴散荷電為主的；在電除塵器中部電場中存在兩種同時荷電機制。煙塵荷電量是q=qd+qk]]>=3ϵϵ0πd2E0ϵ+2·11+4ϵ0Nekt+2πϵ0dkTeln(1+du‾Ne2t8ϵ0kT)---(3)]]>式中qd為塵粒的電場荷電量；qk為塵粒的擴散荷電量；ε0為真空介電常數；ε為塵粒的相對介電常數；d為塵粒直徑；N為帶電粒子個數；k為波茲曼常數；t為塵粒進入電場時間；T為氣體熱力學溫度；離子的算術平均速度u＝(8kT/mπ)0.5。從公式(3)可知，煙塵的荷電量受N、d制約著，由于電凝聚作用，煙塵粒徑也將受氣體的帶電粒子濃度制約著。隨著荷電量增加，則粒徑也在凝聚過程中增粗。可見，除塵電場的帶電粒子濃度是影響煙塵荷電量的主要因素。
三.荷電粒子電凝聚的數學模型從除塵效率方程和塵粒驅進速度公式可知，煙塵的荷電量、粒徑大小決定了以除塵效率表征為主的電除塵性能。如能采用電凝聚方法將塵粒凝聚成大粒徑的顆粒，并將得到更多的電量，不但它能提高電除塵器的除塵效率，同時又可解決電除塵器后級電場中微細煙塵除塵效率低下的問題，又利于捕集微細煙塵。近期研究表明亞微米粒子的電凝聚速率比中性粒子的熱凝聚速率提高了102至104；對于1μm的塵粒的電凝聚系數K可達到10-13～10-14m3/s，這一研究結果引起從事煙塵凈化科學界的廣泛關注，也為研究解決電除塵器現存問題提供了一個有效的可供選擇的解決方法。
確定凝聚速率近似解的關鍵是求電凝聚系數。可通過離子在庫侖力作用下的擴散方程求出。
K=q1q2kTϵ0(D1+D2)[expq1q24πkTϵ0(a1+a2)-1]-1---(4)]]>式中q1q2分別是半徑a1、a2的塵粒的帶電量；D1、D2分別為半徑a1、a2的塵粒擴散系數。根據凝聚前后質量守恒及單分散性粉塵的凝聚公式，來近似計算多分散性煙塵在t時的計數濃度n(t)=n0(1+12Kn0t)-1,]]>式中n0為凝聚前氣體中煙塵的計數濃度；t為凝聚時間。根據凝聚前后質量可求得凝聚后粉塵的中位徑d(t)是d(t)=[1+12Kn0t]1/3d0---(5)]]>式中d0為凝聚前塵粒中位徑；n0為初始塵粒計算濃度。從(4)式可見，煙塵的荷電量是電凝聚系數的主要參量，而電凝聚速率、凝聚后塵粒粒徑均是電凝聚系數的函數。如果采用強電離放電、高氣壓非平衡等離子體物理等新成果，可大幅度增加等離子體濃度、塵粒荷電量，進而提高了煙塵的電凝聚速率、塵粒粒徑，反過來又促使已增粗的塵粒荷電量大幅度的增加。可見，在除塵過程中電凝聚對除塵性能起著疊加倍增效果。
煙塵的荷電量是電凝聚系數的主要參量，而電凝聚速率、凝聚后塵粒粒徑均是電凝聚系數的函數。通過增加帶電粒子濃度、塵粒荷電量，可提高煙塵的電凝聚速率、塵粒粒徑，反過來又促使已增粗的塵粒荷電大幅度的增加。可見，在除塵過程中電凝聚對除塵性能起著疊加倍增效果。
本發明的效果和益處是粉塵在煙氣輸送管道中完成了粉塵飽和荷電及其粒徑增粗數十倍～數百倍。這將大大地提高了電除塵器捕集微細粉塵的效率；同時又可大幅度減少電除塵器體積，降低了鋼材的用量，進而降低了電除塵器的一次投資成本；又能減少能耗，降低了電除塵器的運行成本。本發明還能應用于布袋、漩渦、沉降等除塵器的粉塵預先荷電凝聚后成為了飽和荷電的大粒徑粉塵，這將大幅度提高布袋、漩渦、沉降除塵器的凈化效率。


圖1是裝有管道荷電凝聚裝置的電除塵器示意圖。
圖1中1陰極振打傳動，2防雨蓋，3保護筒，4陰極大框架，5陽極振打機構，6灰斗，7鋼支架，8陽極，9陰極，10陽極振打機構，11振打桿，12電除器進口煙氣，13電除器出口煙氣，14煙氣輸送管道，15粉塵荷電裝置，16粉塵凝聚裝置，17風斗。
圖2是管道中粉塵荷電、凝聚裝置結構示意圖。
圖2中18接地極，19放電極，20高壓電極，21煙氣輸入管道的出口煙氣，22絕緣子，23直流或脈沖高壓電源，24交流高壓電源。
具體實施例方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。
步驟1.
在圖1中的進口煙氣12的煙氣輸送管道14中，設置粉塵荷電裝置15和粉塵凝聚裝置16，粉塵凝聚裝置應放置在靠近電除塵器入口風斗17的前端，粉塵凝聚裝置應放置在粉塵凝聚裝置的前端。根據需要可在電除塵器進口的煙氣輸送管道中設置1～4套粉塵荷電、凝聚的處理裝置。
步驟2.
在圖2中預荷電裝置15的放電極19是由金屬的圓線形、星形、鋸齒形或魚骨形等電極組成；接地極18是由金屬的窄板型，圓柱形、橢圓形或圓線形等電極組成。放電極與接地極相對應設置，接地極接到金屬管道壁上，而放電極的直流、脈沖高電壓是由高壓電源23經過絕緣子22供電的。在放電極附近發生電暈流光放電，在放電通道中形成了含有高濃度的離子的煙氣。為粉塵荷電提供充足高濃度的離子。
步驟3.
在圖2的粉塵凝聚裝置16是由高壓電極20、接地極18、交流高壓電源24組成的。高壓電極、接地極是由金屬加工成圓線形、窄板形、圓柱形或橢圓形。交流高壓電源的交變高電壓是通過絕緣子22加上高壓電極上，接地極通過接到金屬管道上而接地。在高壓電板與接地極形成5Hz-40Hz的交變電場，促使荷電粉塵在電場中作與氣流方向垂直的往返運動，大幅度提高了粉塵凝聚機率。
權利要求
1.一種在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于粉塵的荷電和凝聚反應過程是在電除塵器的入口煙道中進行的，使進入電除塵器的粉塵已達到飽和荷電及其粒徑增大到4倍～400倍。
2.根據權利要求1所述的一種在輸送煙氣煙道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于變電場的粉塵凝聚裝置設置在電除塵器入口端的煙道中，交變電場頻率為5Hz-40Hz的交變電場，電場強度為5kV/cm～40kV/cm。
3.根據權利要求1所述的在一種輸送煙氣煙道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于直流或脈沖高電壓電暈流光放電的粉塵荷電裝置設置在電除器入口煙道中，并放置在粉塵凝聚裝置的前端，放電電場強度為5kV/cm～40kV/cm。
4.根據權利要求1或2所述的一種在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于交變電場粉塵凝聚裝置的高壓電極、接地極的形狀是圓線形、窄板形、圓柱形或橢圓形。
5.根據權利要求1或3所述的一種在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于粉塵荷電裝置的放電極型狀使圓線形、星形、鋸齒形或魚骨形；接地形狀是窄板形、圓柱形、橢圓或圓線形。
6.根據權利要求2或3所述的一種在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法，其特征在于放置煙道中的粉塵荷電裝置、凝聚裝置為1～4套。
全文摘要
在輸送煙氣管道中的粉塵荷電凝聚方法屬于氣體電離放電、大氣壓等離子體物理及環境工程等技術領域。其特征在于粉塵的荷電凝聚反應過程是在電除器的入口煙道中進行的，使進入電除塵器的粉塵已達到飽和荷電及其粒徑增大4倍～400倍，從而提高電除塵器的捕集微細粉塵的效率。本發明的效果和益處是可大幅度減少電除塵器體積，降低了鋼材的用量，進而降低了電除塵器的一次投資成本；又能減少能耗，降低了電除塵器的運行成本。本發明可用于電除塵器除塵，還可用于布袋、漩渦、沉降等除塵器的粉塵荷電凝聚預處理上，進而提高了其捕集微細粉塵的效率。
文檔編號B03C3/40GK101045220SQ200710010258
公開日2007年10月3日 申請日期2007年1月28日 優先權日2007年1月28日
發明者白敏菂, 張芝濤, 白敏冬, 楊波, 薛曉紅, 白希堯 申請人:大連海事大學