CN101045220A - 在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法 - Google Patents

Abstract

在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法属于气体电离放电、大气压等离子体物理及环境工程等技术领域。其特征在于粉尘的荷电凝聚反应过程是在电除器的入口烟道中进行的，使进入电除尘器的粉尘已达到饱和荷电及其粒径增大4倍～400倍，从而提高电除尘器的捕集微细粉尘的效率。本发明的效果和益处是可大幅度减少电除尘器体积，降低了钢材的用量，进而降低了电除尘器的一次投资成本；又能减少能耗，降低了电除尘器的运行成本。本发明可用于电除尘器除尘，还可用于布袋、漩涡、沉降等除尘器的粉尘荷电凝聚预处理上，进而提高了其捕集微细粉尘的效率。

Description

在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法

技术领域

本发明属于气体电离放电、等离子体物理、气体动力学及环境工程等技术领域，涉及在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法。

背景技术

中国以较高的经济增长速度进入21世纪，因而将消费更多的能源，再加上我国的建材钢铁、化工以有色金属等工业的高速发展，进而造成烟尘污染物将会大幅度地增加。对环境生态安全和居民健康造成了危害。与此同时，电除尘器(ESP)在火电厂以及钢铁厂、水泥厂等方面的应用会取得高速发展。目前电除尘器的数量占国内市场总量的75％，中国已成为世界上电除尘器生产、应用大国。2004年我国实施新的《火电厂国家允许排放标准》和《水泥工业大气污染物排放标准》，烟尘、粉尘排放标准都低于30～50mg/m³，将使现有的新、老电除尘器中绝大多数难以达到新的烟尘允许排放标准，这也是对现有电除尘器理论和技术的一种挑战。要使电除尘器达到新的标准，就需要在电除尘器理论和技术上加大研究力度，以便取得突破性进展，把电除尘器技术推广向更高的水平上发展。

由于电除尘(净化)器具有能处理高温(350℃)高湿[40％(v/v)]度的大烟气量；压力损失低(100Pa～300Pa)；可捕集微小粉尘；运行费用低等特点。因而，被世界公认为高效除尘设备。使离子附着在尘粒上，荷电的尘粒在电场力作用下被驱附在集尘极上，加以振打收集，实现了烟气除尘。从高气压(～0.1MPa)非平衡(非热、冷)等离子体物理观点来看，电除尘器是一个巨大的等离子体源和反应室的组合体。然而，2004年我国等离子体物理学科发展战略组研究报告指出“目前产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚”。“在高气压下等离子体的输运特性研究也刚刚起步，但是正在形成新的研究热点。”由于大气压(等离子体物理称为高气压)等离子体物理研究的滞后，制约了电除尘技术的机理研究。到目前为止，世界各国电除尘技术的理论尚不完备，止步不前，基本上还处在60年代水平上，属于经验工程的学科，所以电除尘器的优劣取决于设计的命中率、制造精度、安装质量、供电特性以及维护管理等。由于电除尘的基础理论研究的欠缺而造成电除尘器的一次投资高，体积庞大，钢材用量过多以及捕集微细烟尘效率低等问题。

50～60年代，我国从前苏联和东欧引进卧、立式电除尘器，80年代以来又分别从德国Ruthmuble和Lurgi，瑞典Flakt，美国的GE及Lodge-Cottrell，日本住友重机、新日铁和三菱等公司引进电除尘器设备及制造技术，部分已国产化。总之，我国在电除尘技术及设备制造上仍一直是处于技术跟踪研仿为主的阶段。

发明内容

本发明的目的是解决现在电除尘器捕集微细粉尘效率低及其体积庞大，能耗高等问题，提供在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法。该方法使粉尘在管道中的荷电装置中，与高数密度的负离子或正离子碰撞荷电；饱和荷电的粉尘又在凝聚装置中的交变电场中凝聚增粗。可使进入电除尘器的粉尘预先饱和荷电，同时粒径又数十、数百倍地增大，这将大大地提高电除尘器的捕集微细粉尘效率，同时又大幅度降低电除尘器体积，减少钢材用量，降低了一次投资成本；减少了能耗，降低运行成本。

本发明的技术方案是：在电除尘器的入口输送烟气管道中放置1-4套直流、窄脉冲高电压放电的粉尘荷电装置荷高电压交变电场的粉尘凝聚装置，使进入电除尘器的粉尘预先饱和荷电，并将粉尘粒径增大4倍～400倍。这将解决现在电除尘器的微细粉尘捕集效率低，体积庞大，能耗高等问题。

一.解决电除尘器现存问题的技术路线

电除尘器对烟尘捕集主要是通过荷电的烟尘颗粒在电场作用下完成的。通常用多依奇除尘(计重)效率方程来表征电除尘器的除尘效率，公式为

$\mathrm{\η}=1-e(-\frac{A}{Q}\·\mathrm{\ω})---\left(1\right)$

式中A为电除尘器总集尘面积；Q为预处理的烟气量，ω为荷电尘粒驱向集尘极的驱进速度。在忽略了尘粒的惯性力条件下，荷电尘粒的驱进速度为

$\mathrm{\ω}=\frac{q{E}_0}{6\mathrm{\π}{d}_s\mathrm{\μ}}---\left(2\right)$

从公式中可知，在烟气的物理条件一定的情况下，荷电尘粒的驱进速度ω与尘粒的荷电量q、除尘区域的电场强度E₀成正比，与尘粒的斯托克斯粒径d_s成反比，式中μ为气体动力黏度。对于燃煤(粉)锅炉的烟尘中小于0.4μm颗粒约占烟尘重量1％以下；若以尘粒的颗粒数计算，这部分微细烟尘约占烟尘颗粒总数的40％以上。例如，某煤炭发电厂电除尘器的1、2、3电场收集尘粒的中位粒径分别为27.1μm、23.1μm、14.9μm。3个电场的除尘效率达到99％，出口烟尘浓度为412mg/Nm³，超过国家允许排放标准(50mg/Nm³)6倍多。余下烟尘的中位粒径位为4.7μm，孔隙率大于81％，只占烟尘总量的1％以下；而以尘粒数计算约在40％以上。为解决这部分孔隙率大的微细烟尘，又需增加一个第4电场。它的计重除尘效率仅从99％提高到99.88％，只增加了0.8％，方使外排烟尘浓度略低于国家允许排放标准。从这些数据可知，捕集微细烟尘难度多么大，这也将是目前电除尘技术急待解决的研究课题。

二.粉尘荷电凝聚方法

尘粒荷电是通过与带电粒子碰撞实现的，尘粒碰撞荷电主要有两种机制：一种是气体中带电粒子在电场力作用下与尘粒有规则碰撞荷电，称为电场荷电；另一种是带电粒子随气体无规则运动与尘粒碰撞荷电，称为扩散荷电。在电除尘过程中，此两种机制同时存在的。烟尘粒径是非均匀一的，通常电除尘器前部电场中烟尘(大于1μm)是以电场电荷为主；其后部电场中尘粒(0.4μm左右)是以扩散荷电为主的；在电除尘器中部电场中存在两种同时荷电机制。烟尘荷电量是

$q=q_d+q_k$

$=\frac{3{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0{\mathrm{\πd}}^2{E}_0}{\mathrm{\ϵ}+2}\·\frac{1}{1+\frac{{4\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{Nekt}}}+\frac{{2\mathrm{\π\ϵ}}_0\mathrm{dkT}}{e}\ln (1+\frac{d\stackrel{\‾}{u}{\mathrm{Ne}}^{2}t}{{8\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{kT}})---\left(3\right)$

式中q_d为尘粒的电场荷电量；q_k为尘粒的扩散荷电量；ε₀为真空介电常数；ε为尘粒的相对介电常数；d为尘粒直径；N为带电粒子个数；k为波兹曼常数；t为尘粒进入电场时间；T为气体热力学温度；离子的算术平均速度 u＝(8kT/mπ)^0.5。从公式(3)可知，烟尘的荷电量受N、d制约着，由于电凝聚作用，烟尘粒径也将受气体的带电粒子浓度制约着。随着荷电量增加，则粒径也在凝聚过程中增粗。可见，除尘电场的带电粒子浓度是影响烟尘荷电量的主要因素。

三.荷电粒子电凝聚的数学模型

从除尘效率方程和尘粒驱进速度公式可知，烟尘的荷电量、粒径大小决定了以除尘效率表征为主的电除尘性能。如能采用电凝聚方法将尘粒凝聚成大粒径的颗粒，并将得到更多的电量，不但它能提高电除尘器的除尘效率，同时又可解决电除尘器后级电场中微细烟尘除尘效率低下的问题，又利于捕集微细烟尘。近期研究表明亚微米粒子的电凝聚速率比中性粒子的热凝聚速率提高了10²至10⁴；对于1μm的尘粒的电凝聚系数K可达到10^-13～10^-14m³/s，这一研究结果引起从事烟尘净化科学界的广泛关注，也为研究解决电除尘器现存问题提供了一个有效的可供选择的解决方法。

确定凝聚速率近似解的关键是求电凝聚系数。可通过离子在库仑力作用下的扩散方程求出。

$K=\frac{q_1{q}_2}{\mathrm{kT}{\mathrm{\ϵ}}_0}(D_1+D_2){[\exp \frac{q_1{q}_2}{4\mathrm{\πkT}{\mathrm{\ϵ}}_0(a_1+a_2)}-1]}^{-1}---\left(4\right)$

式中q₁q₂分别是半径a₁、a₂的尘粒的带电量；D₁、D₂分别为半径a₁、a₂的尘粒扩散系数。根据凝聚前后质量守恒及单分散性粉尘的凝聚公式，来近似计算多分散性烟尘在t时的计数浓度 $n\left(t\right)=n_0{(1+\frac{1}{2}K{n}_{0}t)}^{-1},$ 式中n₀为凝聚前气体中烟尘的计数浓度；t为凝聚时间。根据凝聚前后质量可求得凝聚后粉尘的中位径d(t)是

$d\left(t\right){=[1+\frac{1}{2}K{n}_{0}t]}^{1/3}{d}_0---\left(5\right)$

式中d₀为凝聚前尘粒中位径；n₀为初始尘粒计算浓度。从(4)式可见，烟尘的荷电量是电凝聚系数的主要参量，而电凝聚速率、凝聚后尘粒粒径均是电凝聚系数的函数。如果采用强电离放电、高气压非平衡等离子体物理等新成果，可大幅度增加等离子体浓度、尘粒荷电量，进而提高了烟尘的电凝聚速率、尘粒粒径，反过来又促使已增粗的尘粒荷电量大幅度的增加。可见，在除尘过程中电凝聚对除尘性能起着叠加倍增效果。

烟尘的荷电量是电凝聚系数的主要参量，而电凝聚速率、凝聚后尘粒粒径均是电凝聚系数的函数。通过增加带电粒子浓度、尘粒荷电量，可提高烟尘的电凝聚速率、尘粒粒径，反过来又促使已增粗的尘粒荷电大幅度的增加。可见，在除尘过程中电凝聚对除尘性能起着叠加倍增效果。

本发明的效果和益处是：粉尘在烟气输送管道中完成了粉尘饱和荷电及其粒径增粗数十倍～数百倍。这将大大地提高了电除尘器捕集微细粉尘的效率；同时又可大幅度减少电除尘器体积，降低了钢材的用量，进而降低了电除尘器的一次投资成本；又能减少能耗，降低了电除尘器的运行成本。本发明还能应用于布袋、漩涡、沉降等除尘器的粉尘预先荷电凝聚后成为了饱和荷电的大粒径粉尘，这将大幅度提高布袋、漩涡、沉降除尘器的净化效率。

附图说明

图1是装有管道荷电凝聚装置的电除尘器示意图。

图1中：1阴极振打传动，2防雨盖，3保护筒，4阴极大框架，5阳极振打机构，6灰斗，7钢支架，8阳极，9阴极，10阳极振打机构，11振打杆，12电除器进口烟气，13电除器出口烟气，14烟气输送管道，15粉尘荷电装置，16粉尘凝聚装置，17风斗。

图2是管道中粉尘荷电、凝聚装置结构示意图。

图2中：18接地极，19放电极，20高压电极，21烟气输入管道的出口烟气，22绝缘子，23直流或脉冲高压电源，24交流高压电源。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

步骤1.

在图1中的进口烟气12的烟气输送管道14中，设置粉尘荷电装置15和粉尘凝聚装置16，粉尘凝聚装置应放置在靠近电除尘器入口风斗17的前端，粉尘凝聚装置应放置在粉尘凝聚装置的前端。根据需要可在电除尘器进口的烟气输送管道中设置1～4套粉尘荷电、凝聚的处理装置。

步骤2.

在图2中预荷电装置15的放电极19是由金属的圆线形、星形、锯齿形或鱼骨形等电极组成；接地极18是由金属的窄板型，圆柱形、椭圆形或圆线形等电极组成。放电极与接地极相对应设置，接地极接到金属管道壁上，而放电极的直流、脉冲高电压是由高压电源23经过绝缘子22供电的。在放电极附近发生电晕流光放电，在放电通道中形成了含有高浓度的离子的烟气。为粉尘荷电提供充足高浓度的离子。

步骤3.

在图2的粉尘凝聚装置16是由高压电极20、接地极18、交流高压电源24组成的。高压电极、接地极是由金属加工成圆线形、窄板形、圆柱形或椭圆形。交流高压电源的交变高电压是通过绝缘子22加上高压电极上，接地极通过接到金属管道上而接地。在高压电板与接地极形成5Hz-40Hz的交变电场，促使荷电粉尘在电场中作与气流方向垂直的往返运动，大幅度提高了粉尘凝聚机率。

Claims (6)

1.一种在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于粉尘的荷电和凝聚反应过程是在电除尘器的入口烟道中进行的，使进入电除尘器的粉尘已达到饱和荷电及其粒径增大到4倍～400倍。

2.根据权利要求1所述的一种在输送烟气烟道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于变电场的粉尘凝聚装置设置在电除尘器入口端的烟道中，交变电场频率为5Hz-40Hz的交变电场，电场强度为5kV/cm～40kV/cm。

3.根据权利要求1所述的在一种输送烟气烟道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于直流或脉冲高电压电晕流光放电的粉尘荷电装置设置在电除器入口烟道中，并放置在粉尘凝聚装置的前端，放电电场强度为5kV/cm～40kV/cm。

4.根据权利要求1或2所述的一种在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于交变电场粉尘凝聚装置的高压电极、接地极的形状是圆线形、窄板形、圆柱形或椭圆形。

5.根据权利要求1或3所述的一种在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于粉尘荷电装置的放电极型状使圆线形、星形、锯齿形或鱼骨形；接地形状是窄板形、圆柱形、椭圆或圆线形。

6.根据权利要求2或3所述的一种在输送烟气管道中的粉尘荷电凝聚方法，其特征在于放置烟道中的粉尘荷电装置、凝聚装置为1～4套。

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