专利名称：一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种促进不同类型颗粒物相互作用的装置及方法，特别是关于一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置及方法。
背景技术：
许多工业生产过程中，均会产生大量对人体有危害的颗粒物，并排放入大气。这些颗粒物中，最具危害的为亚微米颗粒物。由于亚微米颗粒物容易被人体吸入，且富集有毒化合物，因此，全球各国政府已经制定并不断更新严厉的法律标准，来控制直径少于十个微米的颗粒物(PMlO)的排放。同时，光化学烟雾、大气高不透明度等环境问题也是直接由颗粒物，特别是由超细颗粒物造成的，鉴于粒径越小的颗粒物入肺越深，所以，直径少于2. 5个微米(PM2.5)的颗粒物污染尤其成为各国政府关注的焦点问题。在工业中，各种不同的方法已经被用做从烟气中移除飞灰或其他颗粒污染物。但是一般来说，这些除尘装置或结构复杂，或操作繁复，因此，均具有相当大的局限性。如静电除尘器，很适合把较大的粒子从气流中移除，但对微细颗粒物的过滤效率相当低，特别是对于直径少于2.5个微米(PM2.5)的颗粒物；同时这种静电除尘器的能耗高，结构复杂、易坏损。又如布袋除尘器，其不仅增加了烟道阻力，还需定期清灰，并且对于湿度较高的烟气，极易糊袋。随着颗粒物污染排放标准越来越严格，原有除尘装置的除尘能力已接近极限，且已无太多潜力可挖。同时，工业中绝大多数设备在正常运行状态下，产生的粉粒体的浓度、粒径分布均是非稳态的，是随着时间不断变化的。而传统的粉粒体处理装置都无法根据工业中的实际工况设定工作状态，使其能耗、效率大打折扣。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有主动可控性，能够高效、无污染且低能耗的利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置及方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于它包括设置在通道内的荷电导流段、电晕棒预荷电段、混合导流段和混合段；所述荷电导流段包括Hl1行、Il1列荷电导流叶片，各所述荷电导流叶片均通过一连接轴设置在所述通道内，每一所述荷电导流叶片由若干钝体分支叶片连续排列组成；所述电晕棒预荷电段包括叫行正、负相间的棒状电极，所述棒状电极的两端分别通过连接件固定于所述通道内壁，相邻所述棒状电极分别连接高压静电电源的正、负两极；所述混合导流段包括Hi3行、n3列混合导流叶片，各所述混合导流叶片均通过一连接轴设置在所述通道中；所述混合段包括Hi4行、n4列产涡叶片，各所述产涡叶片均通过一连接轴设置在所述通道中。所述荷电导流段包括HI1行、II1列荷电导流叶片HI1 = 0. 5m2, H1≤3 ；所述电晕棒预荷电段包括m2行正、负相间的棒状电极，m2 ≥ 5 ；所述混合导流段包括叫行、n3列混合导流叶片，m3 = m2，n3 ( 3 ；所述混合段包括m4行、n4列产涡叶片，m4≥m3+l，n4≥4 ；所述荷电导流段与所述电晕棒预荷电段之间的距离I1 ^ 5倍所述荷电导流叶片的长度；相邻两行所述棒状电极之间的距离I2 ^ I1 ；所述电晕棒预荷电段与所述混合导流段之间的距离I3 ^ 3 倍所述混合导流叶片的长度；所述混合段与所述混合导流段之间的流向距离I4 ^ I3，相邻两行产涡叶片组之间的行间距I5 ^ 3*14。所述棒状电极采用铜丝，所述连接件采用不饱和聚酯树脂玻璃毡板。各所述荷电导流叶片的每一钝体分支叶片均具有呈流线形的导流面，其形状为三角形、瓦片形、楔形、棱形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形中的其中一种。所述混合段导流叶片均具有呈流线型的导流面，其形状为三角形、叶形、瓦片形、 楔形、棱形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形中的其中一种。各所述产涡叶片的形状为“C”字形、叶形、瓦片形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆形、具有外凸或内凹曲面的三角形、楔形和棱形中的其中一种，各所述产涡叶片一侧设置有若干凹槽。上述装置的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的方法，其包括以下步骤1) 通道中携带颗粒物的流体首先经过荷电导流段，当流体以某个角度吹向荷电导流叶片时， 靠近壁面处流体会贴着荷电导流叶片表面流过，在荷电导流叶片每一级流线型的尾部，流线方向改变，大颗粒逐级由荷电导流叶片推向侧后方，而小颗粒则跟随流体向荷电导流叶片正后方流去，流体进入电晕棒荷电段；2)在电晕棒荷电段中，小颗粒和较大颗粒分别对应进入荷电导流叶片正后方的正极和负极电晕棒荷电区域或者负极和正极电晕棒荷电区域，小颗粒和较大颗粒被荷上正、负不同的电荷，进入混合导流段；3)在混合导流段中，流体贴着混合导流叶片表面流过，在混合导流叶片尾部，流线方向改变，大颗粒的运动与主体流动发生分离，改变含尘气流进入混合段的角度，使分别从正、负电晕棒荷电区域流出的气流导入混合段；4)在混合段中，当气流吹向产涡叶片时，气体主流将会略过产涡叶片外围， 在产涡叶片拐角处会产生小尺度涡，空气动力学直径较大的颗粒穿小尺度涡而过，细微颗粒被小尺度涡捕捉，大颗粒和细微颗粒碰撞，微细颗粒粘附在较大颗粒上，进入下游除尘设备，去除流体中的颗粒物。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明设置有荷电导流段，当流体经过荷电导流叶片时，大尺寸的颗粒会偏离流体运动方向，向导流叶片的侧向飞去，而小颗粒则跟随流体流向下一级的流线型分支叶片，因此，可以将大颗粒和小颗粒进行分离， 为颗粒荷正、负不同的电极奠定基础。2、本发明在荷电导流段后方设置有电晕棒荷电段， 通过电晕棒可将大小颗粒荷正、负不同的电极，促进大小颗粒高效的相互作用。3、本发明在电晕棒荷电段后方设置有混合导流段，混合导流叶片将大、小颗粒导入混合段。4、本发明在混合段中设置有产涡叶片，通过产涡叶片在流体中制造颗粒物尺度量级的湍流，以促进其中两种不同颗粒物能够高效的相互作用，无污染且低能耗的促使小颗粒物附着于较大颗粒上，使颗粒物更容易在其后过程中被过滤或以其他方式移除，该方法对于超细颗粒物 (PM2. 5)尤其有效。5、本发明通过调节荷电导流叶片、混合导流叶片及产涡叶片在烟道中的放置角度，以及调节荷电电压，使大小颗粒的相互作用具有主动可控性，更加契合工业中的实际需求。6、本发明使用棒状电极而不是电极板，不存在流场被电极板隔开的问题，大大降低了预荷电段阻力，同时配合使用荷电导流段，增强了颗粒在电晕区域内的流动距离，大幅提高了预荷电效率。本发明结构简单巧妙，操作方便，能够极为高效的去除超细颗粒物，解决原有除尘装置的弊病，降低运行成本、增加设备使用寿命，因此，可广泛用于粉粒体输运过程、搅拌过程的所有工业中，以及控制空气污染等方面。
图1是本发明装置的一种样例示意2是本发明装置的一种样例的立体结构示意3是本发明荷电导流段叶片的一种样例示意4是本发明混合导流段叶片的一种样例示意5是本发明混合段产涡叶片的一种样例示意6是本发明混合段产涡叶片的产涡示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明基于以下认识“颗粒物分级”具有不同空气动力学直径的颗粒物其惯性不同，因此它们被流体携带时，跟随流体运动的能力也不同。颗粒的惯性越大，就越难被流体携带，其运动的速度矢量与当地流体的速度矢量区别就越大，在此将颗粒的速度差定义为“滑移速度”。因此在含尘烟气运动的路径上，使用具有不同弧度、倾斜角的钝体，就能够使大小颗粒的运动产生分离。“电晕棒预荷电”:在棒状电极上连接高压直流电源，即可在电晕棒周围产生强电场，由此对流经电晕棒周围的空气进行电离，进而使其中的灰尘荷电。带有电荷的颗粒间的相互作用将会更加强烈。“空气动力学凝聚”在流动的流体中，具有不同质量或空气动力学特性的颗粒，对流体内具有确定大小的湍流涡有不同的反应。换句话说，不同尺度的流体结构对颗粒物的选择性不同。如果湍流涡的尺度不同，那么颗粒物被湍流涡所卷入的程度是不同的，因此颗粒将有不同的运动轨迹。所以，两种颗粒物碰撞或相互作用的可能性就增加了。为了增加流体中两种不同颗粒间碰撞的可能，促进小颗粒团聚或吸附到大颗粒上，本发明采用如下装置和方法。如图1、图2所示，本发明装置包括设置在烟气通道或者其他通道中的荷电导流段 1、电晕棒预荷电段2、混合导流段3和混合段4。如图1、图2所示，荷电导流段1包括Hi1行、Ii1列荷电导流叶片11，一般情况下，Hi1 =0. 5m2，H1 ( 3，各荷电导流叶片11均通过一连接轴设置在通道内。如图3所示，每一荷电导流叶片11由多个钝体分支叶片连续排列组成，每一钝体分支叶片可以具有不同大小， 不同倾斜角度或者不同弧度，且每一钝体分支叶片均具有呈流线形的导流面，其形状可以为三角形、瓦片形、楔形、棱形、“ S”字形、“Z”字形、椭圆及不规则椭圆形等，且上述形状的三维扭曲形状也可做为本发明中的叶片。如图1、图2所示，电晕棒预荷电段2包括m2行正、负相间的棒状电极21，m2与实际烟道尺寸相关，一般情况下，m2 ^ 5。棒状电极21可采用铜丝，棒状电极21的两端分别通过连接件固定于烟道内壁，固定处采用高性能不饱和聚酯树脂玻璃毡板作为受力连接材料，连接件之间采用绝缘铆钉固定。相邻棒状电极21分别接于高压静电电源的正、负两极。 通过控制高压静电电源的电压，即可达到控制荷电效率的目的。当高压源电压高于起晕电压、低于击穿电压时，正、负棒状电极21将分别形成圆柱形电晕电场，从而生成大量正、负离子，因此使通过电晕区的颗粒带电。相邻两行棒状电极21之间的电压、距离I2及电晕电场的覆盖面积均根据实际烟气中的灰尘浓度、灰尘比电阻等性质计算得到，且相邻两行棒状电极21之间的电压是可变的。荷电导流段1与电晕棒预荷电段2之间的距离I1和含尘来流的流动性质和颗粒分布特性相关，一般情况下，I1 < 5倍荷电导流叶片11的长度。相邻两行棒状电极21之间的距离I2^l10如图1、图2所示，混合导流段3包括m3行、n3列混合导流叶片31，一般情况下，m3 =m2，n3 ^ 3。电晕棒预荷电段2与混合导流段3之间的距离I3和含尘来流的流动性质和颗粒分布特性相关，一般情况下，I3 ^ 3倍混合导流叶片31的长度。如图4所示，各混合导流叶片31均具有呈流线型的导流面，其形状可以为三角形，混合导流叶片31的一侧设置有一连接轴32，混合导流叶片31通过连接轴32设置在烟气通道中。混合段导流叶片31的形状也可以为叶形、瓦片形、楔形、棱形、“ S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形等，且上述叶片的三维扭曲形状也可做为本发明中的叶片。如图1、图2所示，混合段4包括m4行、n4列产涡叶片41，混合段4与混合导流段 3之间的流向距离为I4彡I3，相邻两行产涡叶片41组之间的行间距为15。一般情况下， m4彡m3+l,n4彡4，I5彡3*14。每一产涡叶片41的横截面可以呈“C”字形(如图5所示)、 叶形、瓦片形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆形、具有外凸或内凹曲面的三角形、楔形和棱形中的一种。每一产涡叶片41的一侧设置有一连接轴42，通过连接轴42将产涡叶片41连接在烟气通道中，每一产涡叶片41的另一侧设置有若干凹槽。上述实施例中，可以通过调节连接轴，调节荷电导流叶片11、混合导流叶片31及产涡叶片41在烟气通道烟道中的放置角度。如图1、图2所示，本发明方法包括以下步骤1)通道中携带颗粒物的流体首先经过荷电导流段1，当流体以某个角度吹向荷电导流叶片11时，靠近壁面处流体会贴着荷电导流叶片11表面流过，在荷电导流叶片11每一级流线型的尾部，流线方向(如图3中实线所示)有较大改变，流体中大尺寸的颗粒惯性大，对流体的跟随性差，因此大颗粒的运动(如图3中虚线所示)会偏离流体运动方向，向荷电导流叶片11的侧向飞去，大颗粒的运动与主体流动发生了分离。而小颗粒则跟随流体流向下一级的流线型分支叶片。大颗粒逐级由荷电导流叶片11推向侧后方，而小颗粒则跟随流体向荷电导流叶片正后方流去，流体进入电晕棒荷电段2。根据流体来流的方向、荷电导流叶片11的形状以及尺寸，被分离出的大颗粒的尺寸是可以确定的；因此，对于运行中的设备，改变叶片的放置角度，可以选择被分离出的大颗粒的尺寸。2)在电晕棒荷电段2中，由于较大颗粒和小颗粒的运动路径不同，因此，小颗粒进入荷电导流叶片11正后方的正极(或负极)电晕棒荷电区域，较大颗粒流过荷电导流叶片 11侧后方的负极(或正极)电晕棒荷电区域。在电晕棒荷电段中，小颗粒和较大颗粒将被荷上正、负不同的电荷。经过电晕棒荷电段2的流体进入混合导流段3。3)在混合导流段3中，三角形叶片可作为混合导流叶片31。当流体以某个角度吹向具有确定尺寸、形状的混合导流叶片31时，流体会贴着混合导流叶片31表面流过。在混合导流叶片31尾部，流线方向有较大改变，使大颗粒的运动与主体流动发生分离，改变含尘气流进入混合段3的角度，将分别从正、负电晕棒荷电区域流出的气流导入同一行产涡叶片41组所在的区域。由于经过混合导流段3后，气流混合运动的尺度仍然较大，因此，颗粒间的碰撞机会依然很小。在混合导流段3后方，携带灰尘粒子的气流被导入混合段4。根据流体来流的方向、混合导流叶片31的形状以及尺寸，被分离出的大颗粒的尺寸是可以确定的，其与荷电导流段1的荷电导流叶片11相似；对于不同运行环境下的产涡设备，根据其含尘来流的分布特性设置设计叶片的形状及尺寸，即可选择被分离出的大颗粒的尺寸范围4)在混合段4中，当气流吹向产涡叶片41时(例如“C”字型叶片)，气体主流将会略过产涡叶片41外围，在产涡叶片41拐角处会产生小尺度涡，延长颗粒物在小尺度涡区域内的停留时间，即流体运动对颗粒物进行了选择。空气动力学直径较大的颗粒惯性较大，不能够被小尺度涡捕捉，其运动将穿小尺度涡而过(大、小颗粒运动轨迹如图6中箭头所示)， 因此大颗粒和小颗粒的碰撞机会被大大增加了。在整个烟道中按照一定的规律放置产涡叶片41，即可实现低压阻条件下对颗粒物相互作用的促进，使微细灰尘颗粒牢牢粘附在较大灰尘颗粒上，使之更加适应下游除尘设备的工作条件，从而高效去除烟气中的颗粒物，特别是PM2. 5的超细颗粒物。根据流体来流的方向、产涡叶片41的形状以及尺寸，旋涡的尺寸是可以确定的， 能够被其卷吸、夹带的颗粒大小也是确定的。因此，对于运行中的产涡设备，改变产涡叶片 41的放置角度(即改变气体来流的方向)，可以选择选择被延长停留时间的颗粒的尺寸；对于不同运行环境下的产涡设备，根据其含尘来流的分布特性确定产涡叶片的形状及尺寸， 即可选择被延长停留时间的颗粒的尺寸。本发明方法具有主动可控性，其通过两种方式实现一是改变荷电导流叶片11、 混合段导流叶片31和产涡叶片41的放置角度，二是控制电晕棒的电压。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于它包括设置在通道内的荷电导流段、电晕棒预荷电段、混合导流段和混合段；所述荷电导流段包括Hl1行、H1列荷电导流叶片，各所述荷电导流叶片均通过一连接轴设置在所述通道内，每一所述荷电导流叶片由若干钝体分支叶片连续排列组成；所述电晕棒预荷电段包括Hl2行正、负相间的棒状电极，所述棒状电极的两端分别通过连接件固定于所述通道内壁，相邻所述棒状电极分别连接高压静电电源的正、负两极；所述混合导流段包括Hl3行、n3列混合导流叶片，各所述混合导流叶片均通过一连接轴设置在所述通道中；所述混合段包括m4行、n4列产涡叶片，各所述产涡叶片均通过一连接轴设置在所述通道中。
2.如权利要求1所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述荷电导流段包括Hi1行、II1列荷电导流叶片HI1 = 0. 5m2, H1<=3 ；所述电晕棒预荷电段包括叫行正、负相间的棒状电极，m2 ^ 5 ；所述混合导流段包括叫行、n3列混合导流叶片，m3 =m2，n3 ( 3 ；所述混合段包括m4行、n4列产涡叶片，m4<=m3+l，n4<=4 ；所述荷电导流段与所述电晕棒预荷电段之间的距离I1 ^ 5倍所述荷电导流叶片的长度；相邻两行所述棒状电极之间的距离I2 ^ I1 ；所述电晕棒预荷电段与所述混合导流段之间的距离I3 ^ 3倍所述混合导流叶片的长度；所述混合段与所述混合导流段之间的流向距离I4 ^ 13，相邻两行产涡叶片组之间的行间距I5<=3*14。
3.如权利要求1所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述棒状电极采用铜丝，所述连接件采用不饱和聚酯树脂玻璃毡板。
4.如权利要求2所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述棒状电极采用铜丝，所述连接件采用不饱和聚酯树脂玻璃毡板。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置， 其特征在于各所述荷电导流叶片的每一钝体分支叶片均具有呈流线形的导流面，其形状为三角形、瓦片形、楔形、棱形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形中的其中一种。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置， 其特征在于所述混合段导流叶片均具有呈流线型的导流面，其形状为三角形、叶形、瓦片形、楔形、棱形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形中的其中一种。
7.如权利要求5所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述混合段导流叶片均具有呈流线型的导流面，其形状为三角形、叶形、瓦片形、楔形、棱形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆及不规则椭圆形中的其中一种。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于各所述产涡叶片的形状为“C”字形、叶形、瓦片形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆形、具有外凸或内凹曲面的三角形、楔形和棱形中的其中一种，各所述产涡叶片一侧设置有若干凹槽。
9.如权利要求5或6所述的一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置，其特征在于各所述产涡叶片的形状为“C”字形、叶形、瓦片形、“S”字形、“ζ”字形、椭圆形、具有外凸或内凹曲面的三角形、楔形和棱形中的其中一种，各所述产涡叶片一侧设置有若干凹槽。
10.一种如权利要求1 9任一项所述装置的利用电极荷电促进颗粒物相互作用的方法，其包括以下步骤1)通道中携带颗粒物的流体首先经过荷电导流段，当流体以某个角度吹向荷电导流叶片时，靠近壁面处流体会贴着荷电导流叶片表面流过，在荷电导流叶片每一级流线型的尾部，流线方向改变，大颗粒逐级由荷电导流叶片推向侧后方，而小颗粒则跟随流体向荷电导流叶片正后方流去，流体进入电晕棒荷电段；2)在电晕棒荷电段中，小颗粒和较大颗粒分别对应进入荷电导流叶片正后方的正极和负极电晕棒荷电区域或者负极和正极电晕棒荷电区域，小颗粒和较大颗粒被荷上正、负不同的电荷，进入混合导流段；3)在混合导流段中，流体贴着混合导流叶片表面流过，在混合导流叶片尾部，流线方向改变，大颗粒的运动与主体流动发生分离，改变含尘气流进入混合段的角度，使分别从正、 负电晕棒荷电区域流出的气流导入混合段；4)在混合段中，当气流吹向产涡叶片时，气体主流将会略过产涡叶片外围，在产涡叶片拐角处会产生小尺度涡，空气动力学直径较大的颗粒穿小尺度涡而过，细微颗粒被小尺度涡捕捉，大颗粒和细微颗粒碰撞，微细颗粒粘附在较大颗粒上，进入下游除尘设备，去除流体中的颗粒物。
全文摘要
本发明涉及一种利用电极荷电促进颗粒物相互作用的装置及方法，其特征在于它包括设置在通道内的荷电导流段、电晕棒预荷电段、混合导流段和混合段；荷电导流段包括m1行、n1列荷电导流叶片，各荷电导流叶片均通过一连接轴设置在通道内，每一荷电导流叶片由若干钝体分支叶片连续排列组成；电晕棒预荷电段包括m2行正、负相间的棒状电极，棒状电极的两端分别通过连接件固定于通道内壁，相邻棒状电极分别连接高压静电电源的正、负两极；混合导流段包括m3行、n3列混合导流叶片，各混合导流叶片均通过一连接轴设置在通道中；混合段包括m4行、n4列产涡叶片，各产涡叶片均通过一连接轴设置在通道中。本发明能够高效去除超细颗粒物，可广泛用于控制空气污染等方面。
文档编号B01D51/02GK102553389SQ20121005689
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者杜诚, 米建春 申请人:北京大学