專利名稱：在煙道中產(chǎn)生高數(shù)密度離子的方法
技術(shù)領(lǐng)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(xué)等技術(shù)領(lǐng)域，涉及在煙道中產(chǎn)生高數(shù)密度離子的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)電除塵器的數(shù)量占國(guó)內(nèi)除塵設(shè)備市場(chǎng)總量的75％，中國(guó)已成為世界電除塵器生產(chǎn)、應(yīng)用大國(guó)。2004年我國(guó)實(shí)施新的火電廠國(guó)家允許排放標(biāo)準(zhǔn)(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(dá)到新的煙塵允許排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因是后級(jí)電場(chǎng)中微細(xì)煙塵捕集效率低的問(wèn)題，這是對(duì)現(xiàn)有電除塵理論和技術(shù)的一種挑戰(zhàn)。要使電除塵器達(dá)到新的標(biāo)準(zhǔn)，就需要在電除塵理論和技術(shù)上加大研究力度，以便取得突破性進(jìn)展，把電除塵器技術(shù)推向更高的水平上發(fā)展。我國(guó)在電除塵技術(shù)及設(shè)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(shù)均涉及氣體電離放電物理學(xué)、高氣壓非平衡等離子體物理學(xué)及氣體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科，是一門(mén)多學(xué)科交叉和融合的學(xué)科。由于相關(guān)學(xué)科研究取得了進(jìn)展，這就為我國(guó)電除塵技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，提供基礎(chǔ)理論及方法的支持。
由于采用電除塵技術(shù)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(xué)術(shù)界的關(guān)注，并進(jìn)行有關(guān)電除塵理論與技術(shù)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(jìn)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(wèn)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(jìn)行了直流電場(chǎng)的同極性煙塵荷電凝聚技術(shù)的研究工作，煙塵驅(qū)進(jìn)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(jié)煙氣的除塵疑難問(wèn)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(jìn)行了離子荷電機(jī)理的試驗(yàn)研究工作。對(duì)0.06～12μm煙塵的除塵效率提高了3％左右。從上述實(shí)驗(yàn)研究表明，在直流、交變電場(chǎng)中的同極性、異極性離子對(duì)煙塵具有荷電凝聚作用。由于煙塵中的離子濃度低，導(dǎo)致煙塵荷電凝聚機(jī)率偏低。導(dǎo)致電除塵器捕集微細(xì)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(shè)類似電除塵器的煙塵預(yù)荷電設(shè)置通常是靠增加幾個(gè)變形電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
眾所周知，由于電暈電離電場(chǎng)強(qiáng)度存在著臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的極限值(板線型，≤7.5kV/cm)，導(dǎo)致電除塵器中離子數(shù)密度存在一極限值，進(jìn)而煙塵的荷電量、驅(qū)進(jìn)速度也相應(yīng)存在極限值。目前電收塵器均采用自動(dòng)火花跟蹤臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的供電方法，使電收塵器運(yùn)行在現(xiàn)有技術(shù)的最佳臨界極限值上?？梢?jiàn)，進(jìn)一步提高電收塵器性能的可能性就很小了，這一問(wèn)題引起了等離子體物理和氣體放電物理學(xué)者的關(guān)注，并著手尋求解決問(wèn)題的理論基礎(chǔ)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(dǎo)致電除塵器捕集微細(xì)粉塵效率低，電除塵器體積龐大，能耗高等問(wèn)題。
本發(fā)明的方法是利用煙道中氣體分子動(dòng)量4×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s來(lái)解決電暈流光放電通道中本征電場(chǎng)對(duì)離子的束縛，將大幅度降低離子-電子、離子-離子的碰撞復(fù)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(gè)數(shù)量級(jí)，大大地提高了進(jìn)入電除塵器的粉塵在煙道中預(yù)先充分荷電凝聚機(jī)率。此法有助于解決電除塵器中粉塵荷電凝聚率低的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在輸送煙氣的管道中放置1-5個(gè)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(dòng)量高達(dá)4×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s，將使更多離子克服本征電場(chǎng)的束縛，大大地提高了離子輸運(yùn)項(xiàng)，通過(guò)設(shè)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(jìn)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(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在負(fù)電暈放電過(guò)程，外加穩(wěn)定電場(chǎng)作用到非均勻放電間隙上時(shí)，由于空間電荷的積累，會(huì)出現(xiàn)新的電場(chǎng)分布和電暈?zāi)Ｊ?。逐漸增加放電電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí)，將在電暈點(diǎn)上出現(xiàn)一個(gè)電暈電流相對(duì)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(chǎng)將出現(xiàn)在放電電極電暈點(diǎn)附近，當(dāng)雪崩頭部空間電荷形成的本征電場(chǎng)Er與外加電場(chǎng)E0的大小在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，或者雪崩產(chǎn)生的電子數(shù)達(dá)到臨界值時(shí)，就會(huì)在電暈點(diǎn)上發(fā)生輝光放電(負(fù)電暈)。并在負(fù)電暈雪崩頭部形成了正電荷積累[29]，形成了本征電場(chǎng)，它加強(qiáng)了正電荷和放電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，并減弱了指向接地極的電場(chǎng)強(qiáng)度。在電暈放電空間任意一點(diǎn)的總電場(chǎng)強(qiáng)度為E＝Eo+Er。當(dāng)外加激勵(lì)電場(chǎng)強(qiáng)度Eo增大時(shí)，將會(huì)強(qiáng)化了電離放電過(guò)程。此時(shí)本征電場(chǎng)強(qiáng)度甚至可達(dá)100～400kV/cm，比電除塵器中的外加激勵(lì)電暈電場(chǎng)強(qiáng)度(～5kV/cm)高出20倍左右。本征電場(chǎng)強(qiáng)度將大大地強(qiáng)化了電離放電的強(qiáng)度，一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度E/n(E為電離電場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)上，電離強(qiáng)度將是折合電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。由于電暈放電存在一個(gè)臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，所以相應(yīng)存在一個(gè)離子數(shù)密度極限值。從電離連續(xù)性方程可知，通過(guò)降低離子損失率，提高離子輸運(yùn)項(xiàng)，可使離子數(shù)密度成數(shù)量級(jí)提高。
描述控制電離放電通道物理過(guò)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(shí)間單位體積中由電離產(chǎn)生的離子-電子對(duì)，由復(fù)合而湮滅的比率，單位均是/cm3·s；·(NV)為輸運(yùn)項(xiàng)，是通量(NV)的散度。表示單位時(shí)間單位體積內(nèi)由輸運(yùn)過(guò)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(gè)臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度值，所以現(xiàn)在電暈電離放電的注入功率密度也就相應(yīng)存在一極限值，因而產(chǎn)生率也相應(yīng)存在一個(gè)極限值。當(dāng)注入電離電場(chǎng)中能量密度為3.3mJ/cm3時(shí)，電離區(qū)域流光放電通道中的電子濃度可達(dá)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(fù)合反應(yīng)，計(jì)算電除塵器電場(chǎng)的電離占空比約為1.8×10-5左右，此時(shí)除塵電場(chǎng)中離子濃度應(yīng)為2.3×109/cm3左右。實(shí)際上，由于電場(chǎng)力作用，電子、離子被束縛在電離放電通道中進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)，其損失率在2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以目前電除塵器電場(chǎng)中平均離子濃度僅為106/cm3左右。從帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，離子在輸運(yùn)過(guò)程中，需要克服電離電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的束縛力，方能解決除塵電場(chǎng)離子濃度低下的問(wèn)題。從目前實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明，可以通過(guò)提高帶電粒子動(dòng)量的方法加以解決，目前，電除塵器的離子動(dòng)量在1×10-22g·m/s左右，其輸運(yùn)項(xiàng)約在106/cm3·s左右。當(dāng)離子動(dòng)量增加10×10-22g·m/s時(shí)，離子輸運(yùn)項(xiàng)達(dá)到108/cm3·s左右?？梢?jiàn)，當(dāng)離子動(dòng)量每增加1個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，則相應(yīng)的離子濃度及其輸運(yùn)項(xiàng)也將相應(yīng)的增加2個(gè)數(shù)量左右。這表明可以通過(guò)提高帶電粒子動(dòng)量方法來(lái)解決電收塵器離子輸運(yùn)項(xiàng)低下的問(wèn)題，同樣也預(yù)示著能使目前的電除塵器的體積、能耗、投資及運(yùn)行費(fèi)用等將會(huì)相應(yīng)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(dòng)量達(dá)到4×10-22g·m/s--40×10-22g·m/s，使設(shè)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(gè)數(shù)量級(jí)，為進(jìn)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(shè)置，又有效利用管道中的氣體分子的動(dòng)量。達(dá)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(jìn)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(fēng)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(yùn)項(xiàng)與氣體分子動(dòng)量關(guān)系曲線圖。
圖2中9在E/n＝38.5Td時(shí)離子輸運(yùn)項(xiàng)與動(dòng)量關(guān)系曲線，10在E/n＝18.4Td時(shí)離子輸運(yùn)項(xiàng)與動(dòng)量關(guān)系曲線，11正離子，12負(fù)離子。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)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(shè)置在電除塵器的進(jìn)氣煙道2中，在煙氣分子動(dòng)量為1×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s，離子輸運(yùn)項(xiàng)達(dá)到107/cm3·s-1012/cm3·s，離子數(shù)密度達(dá)到107/cm3-1011/cm3，為了進(jìn)入電除塵器的煙氣中粉塵，在煙道中預(yù)先荷電凝聚提供必需條件。
步驟2.
在圖2中，當(dāng)模擬電除塵器中的氣體平均動(dòng)量為1×10-22g·m/s、E/n為18.4Td時(shí)，煙氣中離子輸運(yùn)項(xiàng)達(dá)到1.1×108/cm3·s，此時(shí)離子數(shù)密度僅達(dá)到4.9×106cm3；當(dāng)模擬煙道中的氣體平均動(dòng)量為12×10-22g·m/s，E/n為38.5Td時(shí)，則煙氣中離子輸運(yùn)項(xiàng)提高到8×1010/cm3·s，離子數(shù)密度也相應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)，足以使進(jìn)入電除塵器的煙塵預(yù)先達(dá)到飽和荷電。
權(quán)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(dòng)量為1×10-22g·m/s-40×10-22g·m/s的煙道中氣體分子，離子輸運(yùn)項(xiàng)達(dá)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(quán)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(guò)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(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于采用直流、窄脈沖電暈流光放電電離具有動(dòng)量為1×10
文檔編號(hào)F23J15/00GK101049583SQ20071001025
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年1月28日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:大連海事大學(xué)