行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置和方法

摘要

本发明属于燃煤烟气治理技术领域，具体涉及一种行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置及方法。本发明的磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置中设有若干个磁场发生器，每个磁场发生器都包括一对励磁线圈，励磁线圈与多路直流稳流电源相连，通过调节多路直流稳流电源的电流强度和通电时间，能够实现控制烟气管道不同位置的磁场强弱和有无磁场，利用电磁吸引力、重力和气体拖曳力耦合作用驱动磁性多孔介质捕集、分离烟气中的PM？2.5-PM10颗粒。本发明的烟气净化装置和方法针对烟气中的PM？2.5-PM10颗粒具有分离效率高、环保节能的优点。

说明书

技术领域

本发明属于燃煤烟气治理技术领域，具体涉及一种行进磁场中磁性多孔介质捕集 PM2.5-PM10的烟气净化装置和方法。

背景技术

当前，全国大部分地区出现了不同程度的雾霾空气污染问题。而造成空气污染的主要原 因之一就是火电、供暖、钢铁等燃煤工业生产中产生大量的微细颗粒排向大气。而当前由于 缺乏对于烟气中PM2.5-PM10微细粉尘分级除尘效率的行业标准，并且现有的除尘技术对于 PM10以上的固相颗粒除尘效果较好，却对烟气中的微细颗粒除尘效率普遍不高，因此，对 于工业生产排放的烟气进行精细除尘是解决空气污染的主要途径之一，需要开发一种针对工 业燃煤烟气中的微细颗粒的高效除尘净化装置。

目前国内用于工业除尘主要有机械除尘、湿式除尘、静电除尘、布袋除尘和布袋静电联 合除尘技术等。机械除尘是利用重力、惯性力和离心力作用除尘的技术。但是机械除尘主要 针对的是颗粒较大的粉尘，一般只能除掉50μm以上的大颗粒。对于PM10的脱除效率只有 30％，所以对于机械除尘对于微细颗粒的净化有限，一般只是作为高效除尘装置的初级除尘 器。

湿式除尘是利用液滴洗涤含尘气流分离烟气中的微细颗粒。可以处理高温废气、黏性颗 粒和液滴。但是由于粒径小于2.5μm的微细颗粒和水滴都存在一层气膜，微细颗粒很难被湿 润，所以对于PM2.5的除尘效率只有70％，而且该技术能耗高，并产生二次污染，投资较高。

袋式除尘是利用多孔过滤材料来过滤捕集烟气中的颗粒。对于微细颗粒的捕集也有很高 的效率，对于PM10以上的除尘效率大于等于99％，但是含有极细小粉尘PM2.5的气体却大 部分穿过滤袋，而且由于滤料受到高温和腐蚀的问题，布袋易破损甚至烧穿，影响生产连续 性和烟气净化。此外由于烟气中的含尘浓度高，运行阻力不断增大，运行费用也较高。

静电除尘是对烟气中的粉尘颗粒荷电，在电场力的作用下使粉尘颗粒与烟气分离。该技 术可以处理低温、低压到高温、高压的烟气，而且处理烟气时压力损失小。这种方法对大颗 粒污染物的捕获率较高，但是对于尺寸小于2.5μm的粉尘，静电除尘器的效率就会急剧下降。 对于0.5～2.5μm的粉尘，最差时效率会低于50％。而且微细颗粒荷电困难，比电阻难以达到 要求；振打后会造成二次扬尘，并且对烟气量较大的冶金炉烟尘的捕集远远不能达到标准； 此外整个除尘装置需要高压变电及整流设备，投资和运行费用都较高。

布袋静电联合除尘技术是在静电除尘之后再加上布袋除尘，静电除尘过滤分离较大粉尘 颗粒，袋式除尘过滤分离微细颗粒。联合除尘技术除尘效率达到了99％，但是仍有约1％的 粉尘排入了大气中，此1％的粉尘中粒径小于2.5微米甚至亚微米级的超细颗粒占到逃逸的飞 灰总数的90％以上。此外静电除尘部分产生的臭氧可能对于后面的袋式除尘的布袋发生严重 的损害，而且袋式除尘技术的缺点仍然存在。所以以上几种除尘技术对于微细颗粒的除尘效 果都有待提高。

随着多孔材料的发展，许多人开始考虑利用多孔介质来过滤分离烟气。已经有人利用多 孔陶瓷和多孔金属作为过滤层用于除尘净化，除尘总效率可以达到99％以上。但是目前无法 将多孔介质过滤层应用于烟气微细颗粒脱除环节，主要是由于对于多孔介质过滤材料来说， 孔隙性能与服役性能之间相互制约，存在一对矛盾，即孔径越小，孔隙率越高，越有利于捕 集超微细颗粒，过滤精度越高；但随之而来的是流体透过量就越小，越容易造成高的压力降 甚至堵塞。多孔材料固定方式过滤虽然能够利用在精细除尘中，但是由于孔隙吸附极易饱和， 需要对多孔材料滤料频繁更换，不适用于处理工业燃煤产生的大量烟气。

综上所示，急需开发一种压力损失小、投资和运行费用低，适应于静电除尘或袋式除尘 之后的精细除尘的高效净化装置，直接从源头上解决与人民群众健康息息相关的排烟中 PM2.5-PM10造成的大气污染问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10 的烟气净化装置和方法，目的是通过发挥具有高梯度磁分离器和多孔介质的精细除尘装置过 滤的优势，低阻力、高通量地高效精细除尘，且多孔介质可以回收利用，并且对粉尘的温度、 比电阻等没有要求。

实现本发明目的的行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置，包括一 条烟气管道，在所述的烟气管道前端设置有磁性多孔介质进料口，末端设有过滤网，烟气管 道的前端和末端之间设置若干个磁场发生器，所述的每个磁场发生器包括一个腔体，烟气管 道从腔体中间穿过，被磁场发生器划分为有磁场段和无磁场段，磁场发生器的腔体两端缠绕 励磁线圈，励磁线圈与相应的多路输出稳流直流电源相连，腔体两端还设有冷却风机。

采用上述行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置捕集PM2.5-PM10 的烟气净化方法按照以下步骤进行：

开启多路输出稳流直流电源，向烟气管道磁性多孔介质进料口中加入磁性多孔介质，将 经过静电除尘或袋式除尘之后的烟气引入烟气管道，调节多路输出稳流直流电源的输出电流 和通电时间，得到沿烟气管道方向的行进磁场或脉冲磁场，磁场具有横向和纵向的磁场梯度， 磁性多孔介质与烟气中的PM2.5-PM10颗粒同时运动，发生惯性碰撞、多孔隙截留和布朗扩 散拦截，磁性多孔介质动态捕集烟气中的PM2.5-PM10颗粒，经过有磁场段和无磁场段最终 到达烟气管道末端时经过滤网拦截，实现分离洁净气体，将捕集PM2.5-PM10颗粒后的磁性 多孔介质超声波水洗、酸洗、再次水洗、干燥后，得到脱附的磁性多孔介质，再次装入烟气 管道中，实现循环使用。

其中，所述的磁性多孔介质是经电化学处理的多孔铁或多孔镍，其粒度直径＜1mm，所 述的过滤网孔径小于磁性多孔介质的直径。

所述的通电电流的调节范围为5A～30A，所述的通电时间为1s～3600s。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置中设有若干个磁场 发生器，每个磁场发生器都包括一对励磁线圈，励磁线圈与多路直流稳流电源相连，通过调 节多路直流稳流电源的电流强度和通电时间，能够实现控制烟气管道不同位置的磁场强弱和 有无磁场，能够得到沿着水平方向的行进磁场或脉冲磁场，磁场能够产生横向或纵向的高磁 场梯度，在磁场发生器的上下都设置有风扇，对励磁线圈进行风冷。本发明装置还在烟气管 道前端设置有磁性多孔介质进口，管道末端设有滤网，用来拦截已经负载PM2.5-PM10颗粒 的磁性多孔介质。

本发明放弃了传统除尘方式和固定多孔介质过滤方式对于气体中颗粒物的捕集方式，如 直接拦截、搭桥拦截、聚并和重力沉降，创造性地提供一种利用电磁吸引力、重力和气体拖 曳力耦合作用来驱动磁性多孔介质捕集、分离烟气中的PM2.5-PM10颗粒的装置和方法，磁 性多孔介质与被捕集颗粒在烟气支撑下同时运动，通过惯性碰撞、截留、和布朗扩散拦截实 现动态捕集的方式。这是由于气体黏度极小，分子迁移速率高，极大提高了颗粒的碰撞机会， 使得惯性碰撞成为气体过滤中固体粒子捕集的基本方式，另一方面，布朗运动增加了细颗粒 被多孔材料捕集的机会，通过分子碰撞对细颗粒(0.1～0.3μm)的捕集最为有效，因此布朗扩 散拦截主要发生于气体过滤中。

传统的过滤机理或微细颗粒聚并机理由于烟气中的细颗粒物不一定具有磁性，添加电磁 场不会显著增大聚并机率，仅靠聚并作用捕集细颗粒物，其效果有限，与传统过滤方式相比， 本发明中烟气气流没有被迫通过滤材(多孔介质)，而是磁性多孔介质在电磁场驱动下在烟气 中运动，在捕集细颗粒物的同时降低流体阻力和多孔介质的负载，通过增加磁性多孔介质的 浓度，控制磁性多孔介质在磁场中的停留时间，实现多孔介质的长行程可控运动，不仅能够 大大增加捕集效率，同时由于易于回收负载微细颗粒的多孔介质，脱附后可循环使用，不会 降低其经济可行性。

本发明方法中被送入烟气管道的磁性多孔介质颗粒在磁场作用下，形成帘状，用于动态 捕集PM2.5-PM10颗粒，烟气气流扶持的磁性多孔介质在随气流运动的过程中，受到行进磁 场的电磁力和重力浮力耦合作用而不发生明显沉降，甚至能够通过调节磁场参数，实现磁性 多孔介质在烟道内垂直于气流方向往复运动，增大其可控行程并大大提高其与气流中PM 2.5-PM10颗粒的碰撞几率，实现磁性多孔介质对于PM2.5-PM10颗粒的动态高效捕集，烟道 末端具有滤网，能够拦截磁性多孔介质，实现磁性多孔介质与洁净气体的分离，最后将磁性 多孔介质经过超声波水洗、酸洗、再次水洗、干燥后，得到脱附的多孔磁性介质，实现循环 使用。

附图说明

图1是本发明实施例中的行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置的 结构示意图；

图2是图1的A-A截面图；

图3是图1的B-B截面图；

其中：1：含尘烟气；2：烟气管道；3：三路输出稳流直流电源；4：磁性多孔介质进料 口；5：磁场发生器；6：冷却风机；7：洁净气体；8：过滤网；9：励磁线圈；a：有磁场段； b：无磁场段；

图4是本发明实施例中的磁性多孔介质在烟气管道中的行程路线示意图。

具体实施方式

本发明实施例以具有三个磁场发生器的行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟 气净化装置为例进行说明，其结构如图1～图3所示，包括一条烟气管道2，在所述的烟气管 道2前端设置有磁性多孔介质进料口4，末端设有过滤网8，烟气管道2的前端和末端之间设 置3个磁场发生器5，所述的每个磁场发生器5包括一个腔体，烟气管道2从腔体中间穿过， 烟气管道2被磁场发生器划分为有磁场段a和无磁场段b，腔体两端缠绕励磁线圈9，励磁线 圈9与三路输出稳流直流电源3相连，腔体两端还设有冷却风机7。

本实施例中烟气管道的内径为180mm、外径为200mm，长度为2m，每个磁场发生器水 平方向的长度为240mm，三路输出稳流直流电源为市购，型号为：3-KDP4800，以多孔镍为 磁性多孔介质，多孔介质的孔隙率为ε＝50％。

采用实施例的行进磁场中磁性多孔介质捕集PM2.5-PM10的烟气净化装置进行捕集PM 2.5-PM10的烟气净化方法按照以下步骤进行：

开启三路输出稳流直流电源3，向烟气管道磁性多孔介质进料口4中加入磁性多孔介质， 将经过静电除尘或袋式除尘之后的含尘烟气1引入烟气管道2，调节三路输出稳流直流电源 的输出电流和通电时间，本实施例中设置输出电流强度I＝20A，此时烟气管道2在有磁场段 的中心磁场强度B＝1222Gs，在垂直方向上，磁场梯度是以水平中心线为基准上下对称的，并 且向上以4Gs/cm的幅度增加，水平方向上，梯度以垂直中心线为基准左右对称的，并且向两 边以27.5Gs/cm的幅度减小；

磁性多孔介质进入第一个磁场发生器5产生的第一段磁场中，磁性多孔介质受到重力和 磁场力的共同耦合作用下在磁场中运动，含尘烟气通过磁性多孔介质所在区域，利用磁性多 孔介质的高孔隙率、比表面积大的优点捕集含尘气体中的PM2.5-PM10颗粒；在磁场作用下， 磁性多孔介质与烟气中的PM2.5-PM10颗粒同时运动，发生惯性碰撞、多孔隙截留和布朗扩 散拦截，磁性多孔介质动态捕集烟气中的PM2.5-PM10颗粒；

本实施例中给定第一段磁场运行时间为1s，第二段磁场运行时间为2s，第三段磁场运行 时间为3s，总运行时间为6s，给定磁性多孔镍的初始速度v＝0.3m/s，其在烟气管道中的运 动轨迹如图4所示；

实施例中调节磁场的电流强度和运行时间控制磁性多孔镍的运动，使磁性多孔镍在第一 段磁场的运动行程更长，更长时间的停留在第一磁场段，与含尘气体的接触更加充分，从而 在第一段磁场中进行第一阶段的捕集；

磁性多孔镍从第一段磁场出来后在烟气管道2内经历第一段无磁场行程，磁性多孔镍受 到重力的作用向前做抛物线运动进入第二段磁场行程，通过调节磁场强度和梯度使得向下运 动的磁性多孔镍在磁力作用下向上运动或者向前运动，从而使多孔介质最大程度地覆盖烟气 管道2的大部分区域，增加停留时间，继续捕集含尘气体中的微细颗粒；

磁性多孔镍从第二段磁场出来后进入第二段无磁场段，磁性多孔镍在无磁场段继续向前 做抛物线运动进入行进磁场的第三段磁场中，通过调节磁场强度和梯度使得磁性多孔镍的运 动轨迹再次覆盖烟气管道2的绝大部分区域且运动时间更长，磁性多孔镍与PM2.5-PM10颗 粒的接触几率和捕集效果进一步提高；

经过最后一段无磁场段最终到达烟气管道2末端时，负载PM2.5-PM10颗粒的磁性多孔 镍被过滤网8拦截，实现分离洁净气体，将捕集PM2.5-PM10颗粒后的磁性多孔镍超声波水 洗、酸洗、再次水洗、干燥后，得到脱附的磁性多孔镍，再次装入烟气管道中2，实现循环 使用。

以磁性多孔镍的捕集PM2.5-PM10颗粒后的增重与通入的烟气中PM2.5-PM10的总重量 比表征总除尘效率，最终本发明的动态捕集烟气中PM2.5-PM10颗粒的精细除尘装置收尘效 率达到80％以上；

以清洗多孔镍后含尘溶液湿法激光粒度仪器测量分级除尘效率，实际验证分级除尘效率 更高，更易吸附微PM2.5。