直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置

摘要

本发明涉及一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。其技术方案是：静电凝并器(2)的出口端与静电除尘器(9)的进口端固定联接，静电凝并器(2)壳体内设有2~20个高压极栅状框架，壳体内设有的接地极栅状框架数比高压极栅状框架多1个。高压极栅状框架和接地极栅状框架分别通过金属吊杆(6)和绝缘子(7)吊挂在静电凝并器(2)壳体顶板的内壁，相互平行呈等距交替安装。高压极栅状框架中的高压极线(4)和接地极栅状框架中的接地极线(14)呈等距交替错开布置；直流高压高频脉冲电源(3)的高压端与高压极栅状框架连接，低压端与接地极栅状框架连接。本发明不仅结构简单和系统安全性好，且能进一步提高对微细颗粒的静电凝并效果和除尘效率。

说明书

技术领域

    本发明属于一种静电凝并装置，尤其是涉及一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。

背景技术

静电凝并除尘是先通过静电力作用将带电微细尘粒聚合成较大颗粒后再除尘的一种净化方法。静电凝并除尘被认为是目前控制PM2.5，乃至PM1的最有效的方法之一（杨林军.燃烧源细颗粒物污染控制技术，化学工业出版社，北京：2011）。静电凝并技术主要分三种：在恒电场中的静电凝并；在低频交变电场中的静电凝并；在高频交变电场中的静电凝并。

1、在恒电场中的静电凝并

为使粉尘发生静电凝并，必须先使粉尘带异极性电荷（以下简称双极荷电）。双极荷电粉尘在恒电场中的静电凝并研究始于上世纪80年代末（Eliasson B等. 烟道凝并器中双极荷电气溶胶粒子凝并.气溶胶科学杂志,1987,18(8): 869-872），双极荷电粉尘在恒电场中的静电凝并有明显的缺点：（1）因每股带电粒子流是单极性的，粒子间是互斥的，不利于凝并；（2）为使带正电粒子流和带负电粒子流能较充分地混合，凝并区较长。

2、在低频交变电场中的静电凝并

为增加双极荷电粉尘相互碰撞的概率，引入交变电场力是一种有效方法。低频交变电场静电凝并研究始于上世纪90年代中期，Kildes等人（Kildes J 等. 交变电场中气溶胶粒子凝并的实验研究. 气溶胶科学与技术. 1995, 23(7): 603-610）和Watanabe等人（Watanabe T等. 静电凝并器中亚微米粒子的凝并. 静电学杂志, 1995, 34(4): 367-383）在凝并区施加低频交流高压，荷电粒子在交变电场力作用下产生振动，促进了双极荷电微粒间的凝并。在低频交变电场中要实现双极静电凝并，至少需要3台高压电源：使粉尘荷异极性电荷需1台正高压直流电源和1台负高压直流电源，使粉尘凝并需要1台交流高压电源。使用的高压电源数量多，意味着成本高。

3、在高频交变电场中的静电凝并

显然，影响双极荷电粉尘静电凝并速度的关键因素是交变电场的频率。许多研究证实，当频率高于50Hz，静电凝并作用很快衰减（Y. Koizumi M 等. 双极荷电气溶胶粒子的凝并系数估计. .静电学杂志,2000,48(1): 93-101；向晓东, 陈宝智 Colbeck I. 双区凝并器凝并和收集双极荷电气溶胶. 环境科学杂志,2001,13(3): 276-279；刘栋等. 交变电场频率对荷电微细粉尘凝并影响的实验研究. 科技导报,2009,27(5):61-64）。原因是，粉尘粒子虽然很小，但总存在惯性作用，过高的频率产生的交变电场力会使粒子的振幅减小，甚至在原地不动。所以，低频交变电场中的静电凝并的频率一般在10Hz左右。

然而，当频率增加到数千伏以上，凝并作用会突然增强。美国CRS生产的Cosa/Tron静电凝并器装置所使用的交流电压频率却超过10万Hz（曹阳, 郎四维. 介绍一种新型空气自净系统.建筑科学,1998, 14 (1): 58-61）。实际工业应用的Cosa/Tron静电凝并器是由25kV的高压直流电和0.65kV的高频交流电加到电栅集组上形成频率高达15万Hz的复合电场。

这种“超高频”静电凝并机理很难用交变电场力的凝聚作用来解释（向晓东编著. 气溶胶科学技术基础. 北京:中国环境科学出版社, 2012）。定性地认为：双极荷电粉尘（带正电荷粉尘和带负电荷粉尘）在直流高压电场力作用下作相对运动，同时，高频交变电场作用力增强了双极荷电粉尘的无规则运动与振动碰撞效应，加快了粒子间的凝并。

Cosa/Tron静电凝并器的高频静电凝并是一个具有里程碑意义的技术进步：Cosa/Tron静电凝并器只用1台直流高压电源实现尘粒的双极荷电，降低了系统成本；Cosa/Tron静电凝并器用的交流电源的电压只有0.65kV，提高了系统的安全性。

但Cosa/Tron静电凝并器的缺点是电极结构较复杂；Cosa/Tron静电凝并器所提供的交流脉冲电压很低，限制了双极荷电粉尘的振动凝并作用的进一步提高。

综上所述，传统的交变电场中的静电凝并技术存在的问题是：

（1）需要多台交、直流电源才能实现尘粒的荷电与双极静电凝并，故设备初始投资大，运行成本高；

（2）传统的交变电场中的静电凝并除尘系统复杂，需设置预荷电区，或采取交、直流复合电极，体积大，结构复杂；

（3）无论是低频交流高压电源还是高频交流高压电源，在应用中的主要问题是可靠性和安全性差。交流高压电源对设备的绝缘要求高，容易出故障。交流高压电源和直流高压电源相比具有较高的危险性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，任务是提供一种结构简单、系统安全性好、能进一步提高对粉尘、尤其是对微细粉尘（以下简称微尘）的静电凝并和除尘效率的直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。

为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：该装置由进气箱、静电凝并器、静电除尘器和出气箱组成，进气箱与静电凝并器的进口端固定联接，静电凝并器的出口端和静电除尘器的进口端固定联接，静电除尘器的出口端与出气箱固定联接。

静电凝并器的结构是：在静电凝并器壳体内设有高压极框架和接地极框架，高压极框架为2~20个，接地极框架的数量比静电凝并器壳体内所设有的高压极框架的数量多1个。高压极框架和接地极框架相互平行，高压极框架和接地极框架呈等距交替安装。

每个高压极框架内设有高压极线和高压极型板，高压极线和高压极型板相互交替设置，高压极线和高压极型板的总数为7个、或9个、或11个、或13个，每个高压极框架内的高压极线数量比高压极型板数量多1个，高压极线和高压极型板的上端与高压极框架的上边框联接，高压极线和高压极型板的下端与高压极框架的下边框联接，构成高压极栅状框架。

每个接地极框架内设有接地极型板和接地极线，接地极型板和接地极线相互交替设置，接地极型板和接地极线的总数为7个、或9个、或11个、或13个，每个接地极框架内的接地极型板数量比接地极线数量多1个，接地极型板和接地极线的上端与接地极框架的上边框联接，接地极型板和接地极线的下端与接地极框架的下边框联接，构成接地极栅状框架。

高压极栅状框架中的每根高压极线依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极型板，高压极栅状框架中的每块高压极型板依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极线，即静电凝并器内的高压极线和接地极线呈等距交替错开布置。直流高压高频脉冲电源的高压端与高压极栅状框架连接，直流高压高频脉冲电源的低压端与接地极栅状框架连接。

静电凝并器的结构或是：在静电凝并器壳体内设有高压极框架和接地极框架，高压极框架为2~20个，接地极框架的数量比静电凝并器壳体内所设有的高压极框架的数量多1个。高压极框架和接地极框架相互平行，高压极框架和接地极框架呈等距交替安装。

每个高压极框架内均匀地设有7-13根高压极线，每根高压极线的上端和下端分别与高压极框架的上边框和下边框对应联接，构成高压极栅状框架。每个接地极框架内均匀地设有接地极线，接地极框架内的接地极线数量比对应的高压极框架内的高压极线数量多1根，每根接地极线的上端和下端分别与高压极框架的上边框和下边框对应联接，构成接地极栅状框架。

高压极栅状框架中的每根高压极线依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极线的间隙，接地极栅状框架中的每根接地极线依次正对着高压极栅状框架中相应的高压极线的间隙，即静电凝并器内的高压极栅状框架中的高压极线和接地极栅状框架中的接地极线呈等距交替错开布置；直流高压高频脉冲电源的高压端与高压极栅状框架连接，直流高压高频脉冲电源的低压端与接地极栅状框架连接。

所述静电凝并器的出口端和静电除尘器的进口端固定联接的方式有两种：一种是直接采用法兰固定联接；另一种是静电凝并器的出口端与静电除尘器的进口端通过管道固定联接。

所述高压极框架和所述接地极框架的形状相同，均为矩形框架结构，矩形框架的高度相同，均为静电凝并器壳体的内壁高度的0.80~0.95倍，矩形框架的长度为静电凝并器壳体的内壁长度的0.80~0.90倍，矩形框架的宽度均为20~40mm；高压极框架和接地极框架分别通过金属吊杆和绝缘子吊挂在静电凝并器壳体内壁的顶板。

所述的高压极线和接地极线为圆形线、RS型芒刺线、星形线、锯齿线和角钢芒刺线中的一种。

所述高压极型板和接地极型板为C型板或为Z型板。

由于采用上述技术方案，本发明采用了直流高压高频脉冲供电方式，将高压极栅状框架和接地极栅状框架错开布置。含尘气流进入高压极线和接地极线之间的电场后，靠近高压极线的粉尘被荷以负电，靠近接地极线的粉尘被荷以正电，在直流高压电场力作用下，荷负电和荷正电的粉尘作相对运动，在高压极栅状框架和接地极栅状框架之间的电场中部，荷电粉尘出现相对富集。在高频脉冲电场力的作用下，荷电粉尘快速振动碰撞凝并，凝并后的粉尘团被联接在凝并装置后的静电除尘器所捕集。

含尘气流通过进气箱进入静电凝并器内，粉尘在气流的输送下进入高压极线和接地极型板之间的电场，或者进入高压极型板和接地极线之间的电场。当直流高压高频脉冲电源供电时，若粉尘首先进入高压极线和接地极型板之间的电场，高压极线产生负电晕放电，释放负离子，粉尘被荷以负电。在电场力作用下被荷以负电的粉尘以振动方式向接地极型板运动，沉降在接地极型板的表面，最终落入静电凝并器下部的灰斗中。

未被捕集的荷负电粉尘被气流带入由高压极板型和接地极线间的电场，接地极线产生反电晕放电，释放正离子，粉尘被荷以正电。在电场力作用下被荷以正电的粉尘以振动方式向高压极型板运动，沉降在高压极型板的表面，最终落入静电凝并器下部的灰斗中。如果未被捕集的荷正电粉尘与刚进入该电场的荷负电粉尘相碰撞，会凝并成粉尘团（大颗粒）。未被捕集的凝并粉尘团随气流的运动进入联接在凝并装置后的静电除尘器中被捕集，净化后的气流从出气箱排出。

本发明与现有技术相比，具有如下积极效果：

（1）现有的静电凝并器采用交流高压电源，交流高压电源有较高危险性；而本发明采用直流高压高频脉冲电源，安全性高。

（2）现有的静电凝并器要实现尘粒的荷电与双极静电凝并，需要2台高压电源（如Cosa/Tron静电凝并器需要1台直流高压电源和1台交流高压电源），或需要3台高压电源（如Watanabe静电凝并器需要2台直流和1台交流高压电源）；而本发明只用一台直流高压高频脉冲电源能同时实现粉尘的荷电与双极静电凝并，大幅度降低了设备的初始投入成本。

（3）现有的静电凝并器结构复杂，如Cosa/Tron静电凝并器需要3个电极，在电晕栅高压极和电晕栅接地极之间需加交流电压辅助电极，如Watanabe静电凝并器需要直流高压预荷电区和交流高压凝并区；而本发明只需要高压极和接地极，静电凝并器的高压极和接地极的电极形式相同，用一台直流高压高频脉冲电源在一个电场中同时实现粉尘的荷电与凝并，故结构简单。

（4）现有的静电凝并器（Cosa/Tron静电凝并器）脉冲电压振幅小（650V）；而本发明所采用的直流高压高频脉冲电源输出的脉冲电压振幅可达1~5万伏，显著地增强了双极荷电粉尘的振动碰撞凝并作用，从而进一步提高了对微尘的静电凝并效果和除尘效率。

（5）实用性强。本发明采用现有静电除尘器常用的电晕线和型板，加工制作极为简便。

因此，本发明不仅结构简单和系统安全性好，且能进一步提高对微尘的静电凝并效果和除尘效率。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图3是本发明的另一种结构示意图；

图4是图3的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。如图1所示，该装置由进气箱1、静电凝并器2、静电除尘器9和出气箱10组成。进气箱1与静电凝并器2的进口端固定联接，静电凝并器2的出口端和静电除尘器9的进口端直接采用法兰8固定联接，静电除尘器9的出口端与出气箱10固定联接。

静电凝并器2的结构如图2所示：在静电凝并器2壳体内设有高压极框架11和接地极框架15，高压极框架11为2个，接地极框架15为3个。高压极框架11和接地极框架15相互平行，高压极框架11和接地极框架15呈等距交替安装。高压极框架11和接地极框架15分别通过金属吊杆6和绝缘子7吊挂在静电凝并器2壳体内壁的顶板。

每个高压极框架11内设有高压极线4和高压极型板5，高压极线4和高压极型板5相互交替设置，高压极线4和高压极型板5的总数为7个，每个高压极框架11内的高压极线4为4根，高压极型板5为3块，高压极线4和高压极型板5的上端与高压极框架11的上边框联接，高压极线4和高压极型板5的下端与高压极框架11的下边框联接，构成高压极栅状框架。

每个接地极框架15内设有接地极型板13和接地极线14，接地极型板13和接地极线14相互交替设置，接地极型板13和接地极线14的总数为7个，每个接地极框架15内的接地极型板13为4块，接地极线14为3根，接地极型板13和接地极线14的上端与接地极框架15的上边框联接，接地极型板13和接地极线14的下端与接地极框架15的下边框联接，构成接地极栅状框架。

高压极栅状框架中的每根高压极线4依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极型板13，高压极栅状框架中的每块高压极型板5依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极线14，即静电凝并器2内的高压极线4和接地极线14呈等距交替错开布置。直流高压高频脉冲电源3的高压端与高压极栅状框架连接，直流高压高频脉冲电源3的低压端与接地极栅状框架连接。

本实施例中：

所述高压极框架11和所述接地极框架15的形状相同，均为矩形框架结构，矩形框架的高度相同，均为静电凝并器2壳体的内壁高度的0.80~0.90倍，矩形框架的长度为静电凝并器2壳体的内壁长度的0.80~0.85倍，矩形框架的宽度均为20~30mm； 

所述的高压极线4和接地极线14为RS型芒刺线。

所述高压极型板5和接地极型板13为C型板。

实施例2

一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。该装置除下述结构和技术参数外，其余同实施例1。

静电凝并器2的出口端与静电除尘器9的进口端通过管道固定联接；

高压极框架11为3~10个，接地极框架的数量比静电凝并器2壳体内所设有的高压极框架的数量多1个；

高压极线4和高压极型板5的总数为9个、或11个、或13个，每个高压极框架11内的高压极线4数量比高压极型板5数量多1个； 

接地极型板13和接地极线14的总数为9个、或1个1、或13个；

高压极线4和接地极线14为星形线、锯齿线和角钢芒刺线中的一种。

实施例3

一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。如图3所示，该装置由进气箱1、静电凝并器2、静电除尘器9和出气箱10组成。进气箱1与静电凝并器2的进口端固定联接，静电凝并器2的出口端和静电除尘器9的进口端直接采用法兰8固定联接，静电除尘器9的出口端与出气箱10固定联接。

静电凝并器2的结构是：在静电凝并器2壳体内设有高压极框架和接地极框架，高压极框架为11~15个，接地极框架的数量比静电凝并器2壳体内所设有的高压极框架的数量多1个。高压极框架11和接地极框架15相互平行，高压极框架11和接地极框架15呈等距交替安装。高压极框架11和接地极框架15分别通过金属吊杆6和绝缘子7吊挂在静电凝并器2壳体内壁的顶板。

每个高压极框架11内均匀地设有7根高压极线4，每根高压极线4的上端和下端分别与高压极框架11的上边框和下边框对应联接，构成高压极栅状框架。每个接地极框架15内均匀地设有8根接地极线14，每根接地极线14的上端和下端分别与高压极框架11的上边框和下边框对应联接，构成接地极栅状框架。

高压极栅状框架中的每根高压极线4依次正对着接地极栅状框架中相应的接地极线14的间隙，接地极栅状框架中的每根接地极线14依次正对着高压极栅状框架中相应的高压极线4的间隙，即静电凝并器2内的高压极栅状框架中的高压极线4和接地极栅状框架中的接地极线14呈等距交替错开布置；直流高压高频脉冲电源3的高压端与高压极栅状框架连接，直流高压高频脉冲电源3的低压端与接地极栅状框架连接。

本实施例中，高压极框架11和所述接地极框架15的形状相同，均为矩形框架结构，矩形框架的高度相同，均为静电凝并器2壳体的内壁高度的0.90~0.95倍，矩形框架的长度为静电凝并器2壳体的内壁长度的0.85~0.90倍，矩形框架的宽度均为30~40mm。

本实施例的高压极线4和接地极线14为圆形线；高压极型板5和接地极型板13为Z型板。

实施例4

一种直流高压高频脉冲双极电晕栅静电凝并除尘装置。该装置除下述结构和技术参数外，其余同实施例3。

静电凝并器2的出口端与静电除尘器9的进口端通过管道固定联接；

高压极框架11为16~20个，接地极框架的数量比静电凝并器2壳体内所设有的高压极框架的数量多1个；

每个高压极框架11内均匀地设有8~13根高压极线4，接地极框架15内的接地极线14的数量比对应的高压极框架11内的高压极线4的数量多1根；

高压极线4和接地极线14为星形线、锯齿线和角钢芒刺线中的一种。

本具体实施方式采用了直流高压高频脉冲供电方式，将高压极栅状框架和接地极栅状框架错开布置。含尘气流进入高压极线4和接地极线14之间的电场后，靠近高压极线4的粉尘被荷以负电，靠近接地极线14的粉尘被荷以正电，在直流高压电场力作用下，荷负电和荷正电的粉尘作相对运动，在高压极栅状框架和接地极栅状框架之间的电场中部，荷电粉尘出现相对富集。在高频脉冲电场力的作用下，荷电粉尘快速振动碰撞凝并，凝并后的粉尘团被联接在凝并装置后的静电除尘器9所捕集。

含尘气流通过进气箱1进入静电凝并器2内，粉尘在气流的输送下进入高压极线4和接地极板13之间的电场，或者进入高压极板5和接地极线14之间的电场。当直流高压高频脉冲电源3供电时，若粉尘首先进入高压极线4和接地极板13之间的电场，高压极线4产生负电晕放电，释放负离子，粉尘被荷以负电。在电场力作用下被荷以负电的粉尘以振动方式向接地极板13运动，沉降在接地极板13的表面，最终落入静电凝并器2下部的灰斗12中。

未被捕集的荷负电粉尘被气流带入由高压极板5和接地极线14间的电场，接地极线14产生反电晕放电，释放正离子，粉尘被荷以正电。在电场力作用下被荷以正电的粉尘以振动方式向高压极板5运动，沉降在高压极板5的表面，最终落入静电凝并器2下部的灰斗12中。如果未被捕集的荷正电粉尘与刚进入该电场的荷负电粉尘相碰撞，会凝并成粉尘团（大颗粒）。未被捕集的凝并粉尘团随气流的运动进入联接在凝并装置后的静电除尘器9中被捕集，净化后的气流从出气箱10排出。

本具体实施方式与现有技术相比，具有如下积极效果：

（1）现有的静电凝并器采用交流高压电源供电，交流高压电源有较高危险性；而本具体实施方式采用直流高压高频脉冲电源3供电，安全性高。

（2）现有的静电凝并器要实现尘粒的荷电与双极静电凝并，需要2台高压电源（如Cosa/Tron静电凝并器需要1台直流高压电源和1台交流高压电源），或需要3台高压电源（如Watanabe静电凝并器需要2台直流和1台交流高压电源）；而本具体实施方式只用一台直流高压高频脉冲电源3能同时实现粉尘的荷电与双极静电凝并，大幅度降低了设备的初始投入成本。

（3）现有的静电凝并器结构复杂，如Cosa/Tron静电凝并器需要3个电极，在电晕栅高压极和电晕栅接地极之间需加交流电压辅助电极，如Watanabe静电凝并器需要直流高压预荷电区和交流高压凝并区；而本具体实施方式只需要高压极和接地极，即只需高压极栅状框架和接地极栅状框架，用一台直流高压高频脉冲电源3在一个电场中能同时实现粉尘的荷电与凝并，故结构简单。

（4）现有的静电凝并器（Cosa/Tron静电凝并器）脉冲电压振幅小（650V）；而本具体实施方式所采用的直流高压高频脉冲电源3输出的脉冲电压振幅可达1~5万伏，显著地增强了双极荷电粉尘的振动碰撞凝并作用，从而进一步提高了对微尘的静电凝并效果和除尘效率。

（5）实用性强。本具体实施方式采用现有静电除尘器常用的电晕线和型板，加工制作极为简便。

因此，本具体实施方式不仅结构简单和系统安全性好，且能进一步提高对微尘的静电凝并效果和除尘效率。