基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置及方法与流程

本发明属于燃煤电厂等工业烟气净化领域，具体涉及一种基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置及方法。

背景技术：

随着工业的发展，我国目前面临的大气污染问题日益严重，其中颗粒物排放引起的雾霾现象引起了广泛重视，其浓度是重要的大气污染指标。燃煤电厂等工业排放源是我国细颗粒(pm2.5)的主要来源之一，pm2.5体积小、重量轻，会随着大气运动而不断扩散并长时间停留，对人类生活环境及身体健康造成持续影响，因此进一步加强燃煤电厂等工业源颗粒物尤其是细颗粒(pm2.5)脱除刻不容缓。

静电除尘器是大气颗粒物治理的常用方法之一，它在燃煤电厂应用中的除尘效率可达99.99％，然而由于亚微米级颗粒荷电量与流体曳力相当，在电场中的迁移速率低，对亚微米级的颗粒脱除效果却不够理想。颗粒在运动和碰撞的过程中会由于颗粒之间的粘性力(电场力、范德华力、液桥力等)作用而发生凝并和团聚，附着在大颗粒上的小颗粒迁移速率和脱除效果都会明显提高。因此，凝并后的小粒径颗粒数目浓度降低，颗粒平均粒径增大。布置在静电除尘设备上游的颗粒物凝并团聚装置，使亚微米级小颗粒产生团聚并附着在大颗粒上，可有效提高颗粒在颗粒捕集装置中的运动速率和脱除效果。

目前针对颗粒凝并团聚技术，有利用带不同电荷的颗粒之间吸引力碰撞产生的电凝并、利用不同尺寸颗粒在声波中震动碰撞产生的声凝并、以及利用化学团聚剂喷射于烟气中吸收颗粒并增加颗粒间粘性的化学团聚等方法，然而这些方法单独作用时效果不够理想。本发明在传统电凝并的基础上，结合相变凝结和喷雾增湿长大，同时利用电除尘器中离子风对流场的作用提高颗粒碰撞凝并概率，在同一设备中综合电场力、液桥力、范德华力等粘性力等多场作用强化颗粒凝并团聚效果，使颗粒平均粒径明显增大，是进一步提高除尘设备的脱除效果，降低烟气中颗粒物排放浓度的有效方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多场作用强化颗粒凝并团聚的装置和方法，该装置能够有效降低pm1.0(直径在1.0μm以下的颗粒)的数目浓度40～50％，提高颗粒平均直径30～45％以上，从而提升传统除尘设备的颗粒物脱除效率，实现多场凝并装置与除尘设备联用颗粒排放浓度降低至1mg/m³以下。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案为：

一种基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置，所述装置包括凝聚器，沿凝聚器进口至凝聚器出口方向，所述凝聚器内顺次设置有换热降温冷凝器、离子风协助的孔板式电凝并系统和凝并混合器，所述离子风协助的孔板式电凝并系统包括阳极、孔板式极板和阴极，所述阳极、孔板式极板和阴极均平行于烟气流向设置，阳极和阴极分别设置在两个相邻的孔板式极板之间，且阳极和阴极之间至少有一个孔板式极板，所述阳极与正电源相连，阴极与负电源相连；所述凝聚器内还设有喷雾增湿器，所述喷雾增湿器设置在离子风协助的孔板式电凝并系统之前或之后；所述喷雾增湿器包括若干喷嘴，所述喷嘴平行于烟气流向，且并排设置在凝聚器内，所述喷嘴与液滴发生装置相连通。

作为优选，沿垂直于烟气流向的方向，阳极、孔板式极板和阴极并排布置。

作为优选，所述孔板式极板开孔率为10％～20％。孔板开孔率20％以上会对不同通道间的放电及流场稳定性产生影响。

作为优选，凝并凝聚器出口与电除尘器进口相连通。

作为优选，凝并混合器采用30～60°对角倾斜式叶片，所述喷嘴采用双流体喷嘴。采用30～60°对角倾斜式叶片，使烟气产生旋流，促进不同通道颗粒的混合与碰撞；采用双流体喷嘴向烟气中喷射雾滴，在冷凝的基础上进一步增加烟气中的湿度，促进颗粒表面形成液膜，进一步提高颗粒荷电量，并可增加颗粒间毛细作用产生的液桥力，从而大大增加颗粒间粘性力，促进颗粒团聚。此外，通过控制喷嘴布置、流量控制，防止烟道中结垢。

凝并混合器叶片可采用不锈钢或pvc材质，使其具有坚固耐磨防腐蚀性。颗粒在凝并混合器中进行充分混合后进一步电凝并、团聚长大，有利于进入静电除尘器后脱除效率的提高。

本发明喷雾增湿器可选择脱硫废水、化学添加剂等，利用液桥力及化学键的作用增加颗粒间粘性力，强化颗粒凝并团聚效果，且实现脱硫废水、so3等污染物协同脱除。

作为优选，所述正电源为基波叠加脉冲正电源或高频电源正电源，负电源为基波叠加脉冲负电源或高频电源负电源；阴极采用不锈钢材质，采用鱼骨线或芒刺线。

高压电源，用于连接在电凝并区域的高压电极，进行凝并通道电晕放电。高压电源可采用节能式高稳定性的高频电源，相邻的荷电通道分别采用正电源和负电源连接不同烟气通道，使颗粒极性异极性荷电，使不同荷电极性的颗粒碰撞凝并。此外，电源还可以采用新型高效基波叠加脉冲电源，可进一步增加离子浓度和电场强度，使颗粒荷电量增加。

高压放电极采用不锈钢材质，采用鱼骨线、芒刺线等多放电尖端线型，从而增强放电效果。不同放电通道之间采用孔板式极板分隔不同通道，利用电极周围产生的离子风推动颗粒向极板方向运动并穿过孔板实现带正、负电性颗粒预凝并。

一种基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化方法，采用上述装置，包括下述步骤：

(1)烟气从凝聚器进口进入凝聚器，首先经过换热降温冷凝器降温冷凝，烟气中的水分及so3在颗粒物表面冷凝聚集，使颗粒粒径增大，且介电常数增大，荷电能力增强；

(2)随后烟气经过喷雾增湿器，喷嘴喷射出的水雾，进一步与颗粒相互作用，增大烟气湿度，促进颗粒团聚；

(3)布置于喷雾增湿器后的离子风协助的孔板式电凝并系统为多通道设计，每个通道中间布置高压电极，电极连通高压电源进行电晕放电，颗粒进入电凝并系统荷电后，由于离子风的作用向孔板式极板运动，部分颗粒穿过通道之间的孔板式极板上的开孔与相邻通道的带相反电荷的颗粒碰撞，促进颗粒凝并长大；

(4)最后烟气进入凝并混合器，由于凝并混合器中的叶片作用产生旋流，不同通道之间的烟气充分扰动和混合，使带正、负电荷的颗粒充分混合和碰撞，促进颗粒凝并长大。

作为优选，所述装置布置于烟道中或除尘器进口处。用于烟气中颗粒物预荷电和凝并、团聚长大。

作为优选，所述经过换热降温冷凝器降低烟气温度至100℃～80℃之间。换热降温冷凝器用于回收烟气中的热量，使烟气中的水分及so3等成分凝结于颗粒表面，提高颗粒在静电场中的极化能力和介电常数，从而明显提高颗粒荷电量；此外，液滴冷凝于颗粒表面，在颗粒碰撞过程中可提高颗粒间粘性力，促进颗粒凝并团聚；而且，烟气降温后颗粒比电阻也会降低，减少除尘器中颗粒反电晕现象，更利于颗粒的脱除。

作为优选，所述孔板式极板开孔率为10％～20％，凝并混合器采用30～60°对角倾斜式叶片，所述喷嘴采用双流体喷嘴。

本发明结合电场(颗粒异极性荷电凝并)、温度场(烟气换热降温冷凝)、湿度场(so3、水分等凝结长大)、流场(利用离子风促进不同通道间颗粒碰撞凝并)、多相流作用(液滴、化学添加剂、颗粒的团聚长大)等多种作用，促进细颗粒物凝并长大的同时实现so3、脱硫废水等多种污染物的协同控制减排。

本发明在传统电凝并的基础上，结合相变凝结和喷雾增湿长大，同时利用电除尘器中离子风对流场的作用提高颗粒碰撞凝并概率，在同一设备中综合电场力、液桥力、范德华力等粘性力等多场作用强化颗粒凝并团聚效果，使颗粒平均粒径明显增大，是进一步提高除尘设备的脱除效果，降低烟气中颗粒物排放浓度的有效方法。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置的结构示意图；

图2是本发明孔板式极板的结构示意图；

图3是本发明实施例3的基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。

实施例1

参照图1，图2，一种基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化装置，所述装置包括凝聚器1，沿凝聚器进口8至凝聚器出口6方向，所述凝聚器内顺次设置有换热降温冷凝器13、喷雾增湿器、离子风协助的孔板式电凝并系统和凝并混合器5，凝并凝聚器出口6与电除尘器7进口相连通。所述离子风协助的孔板式电凝并系统包括阳极3、孔板式极板4和阴极9，所述阳极3、孔板式极板4和阴极9均平行于烟气流向设置，阳极3和阴极9分别设置在两个相邻的孔板式极板之间，沿垂直于烟气流向的方向，阳极3、孔板式极板4和阴极9并排布置。所述阳极3与新型高效基波叠加脉冲正电源2相连，阴极9与新型高效基波叠加脉冲负电源10相连；所述喷雾增湿器包括若干喷嘴11，所述喷嘴平行于烟气流向，且并排设置在凝聚器内，所述喷嘴11与液滴发生装置12相连通。所述喷嘴11采用双流体喷嘴，采用双流体喷嘴向烟气中喷射雾滴，在冷凝的基础上进一步增加烟气中的湿度，促进颗粒表面形成液膜，进一步提高颗粒荷电量，并可增加颗粒间毛细作用产生的液桥力，从而大大增加颗粒间粘性力，促进颗粒团聚。此外，可以通过控制喷嘴布置、流量控制，防止烟道中结垢。

所述孔板式极板4上开设有若干通孔14，开孔率为15％，凝并混合器5采用45°对角倾斜式叶片，使烟气产生旋流，促进不同通道颗粒的混合与碰撞，凝并混合器叶片采用不锈钢材质。颗粒在凝并混合器中进行充分混合后进一步电凝并、团聚长大，有利于进入静电除尘器后脱除效率的提高。

本发明喷雾增湿器可选择脱硫废水、化学添加剂等，利用液桥力及化学键的作用增加颗粒间粘性力，强化颗粒凝并团聚效果，且实现脱硫废水、so3等污染物协同脱除。本发明高压放电极采用不锈钢材质，采用鱼骨线、芒刺线等多放电尖端线型，从而增强放电效果，不同放电通道之间采用孔板式极板分隔不同通道，利用电极周围产生的离子风推动颗粒向极板方向运动并穿过孔板实现带正、负电性颗粒预凝并。

本发明可以通过控制冷却水的流速和流量，以使得换热降温冷凝器13处的气体的温度接近并高于该气体的露点温度，以达到最佳的降温凝并效果，有利于后续的除尘步骤。烟气的露点温度与烟气的成分相关，可以经过计算或者实测得到。

本发明的工作原理为：本发明烟气经过换热降温冷凝器13，气体降温，烟气中的水分及so3等物质凝结于颗粒表面，提高颗粒在静电场中的极化能力和介电常数，从而明显提高颗粒荷电量及颗粒之间的电场力；再由液滴发生装置12产生雾滴，双流体喷嘴11喷入烟气中，给烟气加湿，使颗粒吸收水分形成液膜，可明显提高颗粒极化能力和荷电量，增加颗粒间毛细作用产生的液桥力，从而大大增加颗粒间粘性力，促进颗粒团聚；再经过阳极3和孔板式极板4之间的正电晕通道以及阴极9和孔板式极板4之间的负电晕通道，分别形成带正电粉尘和带负电粉尘，不同放电通道之间采用孔板式极板分隔不同通道，利用电极周围产生的离子风推动颗粒向极板方向运动并穿过孔板实现带正、负电性颗粒预凝并；带正电粉尘和带负电粉尘分别离开正电晕通道和负电晕通道后，进入凝并混合器5，相互混合，凝聚成较大颗粒粉尘。

本装置在实验室中进行测试，测试结果表明，烟气经过本装置，pm1.0的数目浓度减少了50％，颗粒的中值粒径提高了45％，与除尘设备联用排放浓度降低至1mg/m³以下。

实施例2

参照图1，图2，一种基于多场促进的颗粒物凝并团聚强化方法，采用实施例1装置，包括下述步骤：

(1)烟气从凝聚器进口8进入凝聚器1，首先经过换热降温冷凝器13降温冷凝，烟气中的水分及so3在颗粒物表面冷凝聚集，使颗粒粒径增大，且介电常数增大，荷电能力增强；

所述经过换热降温冷凝器13降低烟气温度至100℃～80℃之间，换热降温冷凝器用于回收烟气中的热量，使烟气中的水分及so3等成分凝结于颗粒表面，提高颗粒在静电场中的极化能力和介电常数，从而明显提高颗粒荷电量；此外，液滴冷凝于颗粒表面，在颗粒碰撞过程中可提高颗粒间粘性力，促进颗粒凝并团聚；而且，烟气降温后颗粒比电阻也会降低，减少除尘器中颗粒反电晕现象，更利于颗粒的脱除；

(2)随后烟气经过喷雾增湿器，双流体喷嘴11喷射出的水雾，进一步与颗粒相互作用，增大烟气湿度，促进颗粒团聚；

(3)布置于喷雾增湿器后的离子风协助的孔板式电凝并系统为多通道设计，每个通道中间布置高压电极，电极连通高压电源进行电晕放电，颗粒进入电凝并系统荷电后，由于离子风的作用向孔板式极板运动，部分颗粒穿过通道之间的孔板式极板上的通孔14与相邻通道的带相反电荷的颗粒碰撞，促进颗粒凝并长大；

(4)最后烟气进入凝并混合器5，由于凝并混合器中的叶片作用产生旋流，不同通道之间的烟气充分扰动和混合，使带正、负电荷的颗粒充分混合和碰撞，促进颗粒凝并长大。在凝并过程中，凝结与吸附在颗粒表面的液滴可以强化颗粒荷电，提高颗粒之间的库仑力，另外由于液桥力的作用，碰撞后的颗粒之间的粘性力也明显增大，使颗粒碰撞后不易分离，明显增加凝并效果。

为了保证更好的电凝并效果，可以根据需要来调节新型高效基波叠加脉冲正电源2与新型高效基波叠加脉冲负电源10的电压，以改变电场中的电离程度。当除尘效果低于预定标准时，升高高压电源的电压，当除尘效果高于预定标准时，降低高压电源的电压。

本发明用于烟气中颗粒物预荷电和凝并、团聚长大。本发明结合电场(颗粒异极性荷电凝并)、温度场(烟气换热降温冷凝)、湿度场(so3、水分等凝结长大)、流场(利用离子风促进不同通道间颗粒碰撞凝并)、多相流作用(液滴、化学添加剂、颗粒的团聚长大)等多种作用，促进细颗粒物凝并长大的同时实现so3、脱硫废水等多种污染物的协同控制减排。本发明各部分互相配合、协调作用，共同保证凝并团聚效果。

实施例3

参照图3，将喷雾增湿器5设置在离子风协助的孔板式电凝并系统之后，其他参照实施例1。

本装置在实验室中进行测试(测试条件如实施例1)，测试结果表明，烟气经过本装置，pm1.0的数目浓度减少了42％，颗粒的中值粒径提高了35％，与除尘设备联用排放浓度降低至8mg/m³以下。

实施例4

孔板式极板开孔率为20％，凝并混合器采用60°对角倾斜式叶片，其他参照实施例1。

本装置在实验室中进行测试(测试条件如实施例1)，测试结果表明，烟气经过本装置，pm1.0的数目浓度减少了40％，颗粒的中值粒径提高了30％，与除尘设备联用排放浓度降低至10mg/m³以下。

实施例4

孔板式极板开孔率为10％，凝并混合器采用30°对角倾斜式叶片，其他参照实施例1。

本装置在实验室中进行测试(测试条件如实施例1)，测试结果表明，烟气经过本装置，pm1.0的数目浓度减少了45％，颗粒的中值粒径提高了40％，与除尘设备联用排放浓度降低至5mg/m³以下。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。