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CN102170958B - 用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置 - Google Patents

用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置 Download PDF

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Abstract

一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，包括用于释放自由基源物质的喷射装置以及用于产生电晕的电极装置，所述的喷射装置与电极装置分开设置，电极装置包括导电杆(1)和设置在导电杆(1)上下两侧的放电尖端(2)，喷射装置包括设置在电极装置两侧的喷管(3)，喷管(3)靠近电极装置的管壁上沿轴向设有两排喷孔(4)，喷孔(4)的轴心线方向指向与该喷孔(4)距离最短的放电尖端(2)。

Description

用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置
技术领域
本发明涉及废气治理技术领域，尤其是一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置。
背景技术
非热平衡等离子体烟气污染物同时脱除技术是目前最有前途的烟气综合治理技术之一，它利用气体放电产生具有高度反应活性的粒子与各种有机、无机污染物分子发生反应，从而使污染物分子分解氧化成无害物质或者容易处理的化合物，这一技术的最大特点是可以高效、便捷、无选择地对多种污染物进行破坏分解，使用的设备简单，占用的空间较小，并适合于多种工作环境。因而应用非热平衡等离子体技术对烟气中的多种污染物实现同时控制受到了国内外普遍的关注，开展了大量的基础理论研究和技术推广工作，相关技术已经达到了商业应用阶段。目前，运用较多的等离子体烟气治理技术是电子束法，脉冲电晕法和直流电晕法。
在电子束法污染物脱除过程中，N2、O2、CO2和水蒸气等，经过电子束照射后，吸收了大部分电子束能量，生成大量的反应活性极强的各种自由基如OH、O、HO2等，这些自由基可以氧化烟气中的SO2和NOx使之生成硫酸和硝酸，再与事先注入的氨进行中和反应生成硫铵及硝铵。电子束辐照烟气脱硫脱硝技术由日本荏原制作所与1970年着手研究，1972与日本原子能研究所合作，1974年荏原研究所处理中有燃烧废气，进行了1000Nm3/h规模的实验，探明了添加氨的辐射效果，稳定了脱硫脱硝的条件，成功捕集了副产品硫铵和硝铵，1977年，与钢铁业防治氮氧化物研究所合作，进行了烧结废气炉的10000Nm3/h规模的实验，从而肯定了该干法技术。但是电子束法生产的高能电子对烟气中主要气体分子均可破坏其化学键，同时烟气中含量较高的N2和CO2等气体分子也将被分解和电离，这就浪费了能量，造成该工艺的能耗过大，并且存在所采用的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，设备结构复杂，占地面积大，氨逃逸，X射线的屏蔽与防护等问题。
脉冲电晕法可在纳秒级的时间内快速将电子加速，使其获得较大能量，而用于质量较大的离子加速的能量较小，从而大大减少了加速离子引起的能量浪费；同时脉冲电晕可以达到较高的电压峰值，形成更强的放电强度，使高能电子能量达到5-20eV。脉冲电晕法的广泛研究开始于二十世纪八十年代。1986年，Masuda提出用几万伏以上的脉冲高压电源代替电子加速器产生等离子体的脉冲电晕放电法，并进行了大量的基础研究，实验表明，NO和SO2能有效地被脉冲电晕等离子体化学过程氧化成NO2和SO3。1996年，中国大连理工大学静电与特种电源研究所建造了3000Nm3/h的脱硫装置；2003年，Lee等人建造了大型脉冲等离子体技术同时脱硫脱氮的反应装置，处理量为42000Nm3/h，他们用氨自由基和丙烯自由基分别脱硫脱氮，在能耗为1.4Wh/m3条件下，脱硫和脱氮绿分别达到99％和70％。脉冲电晕法的能耗只有电子束法的50％，但仍能对烟气中的N2和CO2等气体分子起电离作用而浪费能量。此外由于采用电子束法或脉冲电晕法在实际应用过程中往往加入氨气作为吸收剂，氨气不能完全反应，造成氨气泄露，排放入大气会对周围环境产生污染。
直流电晕放电是在直流高压作用下，利用电极间电场分布不均匀性而产生的一种放电形式。其工作原理和脉冲电晕放电类似，其主要的优势在于放电电源比较简单，大功率的直流电源已经广泛应用于静电除尘领域，技术成熟可靠。Chang等人与2003年建立了直流电晕喷氨自由基簇射烟气脱硫脱硝1000-1500Nm3/h烟气净化示范工程，取得75％的NO和99％SO2脱除率，能耗分别为125gNO/kWh和9g SO2/kWh。
在脉冲和直流电晕放电污染物脱除系统中，若采用常规的放电电极结构，比如线筒式结构和线板式结构，烟气直流电晕放电的电晕区较小，仅限于线电极附近，放电电流也比较微弱，因此污染物脱除效果差。若采用多针一板式放电结构，虽然可以增加电晕放电区域，增大放电电流，但是其能耗较大。
针对以上不足，有人提出了采用喷嘴结构的放电电极，公开日为2005年3月30日、公开号为CN1600468A的中国专利文件公开了一种用于直流电晕放电烟气治理的放电喷嘴电极，它具有母管，母管一端开口，另一端封闭，在母管上设有多个对称分布的喷嘴，通入放电喷嘴电极的添加气在电晕区被电离，产生大量能与污染物反应的活性物质，从而可以达到脱除污染物的目的。另外由于不同的添加气能在电晕区分解产生不同的自由基，所以可以根据烟气中处理对象有针对性选择相应的添加气。采用这种电极设计使喷嘴内气流速度比反应器内烟气速度快很多，因此产生的自由基能够更好的传送，并且与污染物接触，进而对污染物进行氧化。这种电极的优点是添加的气体在喷嘴附近的电晕区内电离程度大，同时喷嘴口气体的流动能使电晕放电更加稳定，可产生跨越整个放电气隙的稳定流光电晕。但是由于添加气从喷嘴的端部喷出，气流电离区域的实验结果如图7所示，从图上可以看出，这种结构气流的电离区域13过于集中，电离产生的自由基14主要集中在电极2上的喷口与上下两侧的电极板11之间，通过烟气通道12的烟气容易从电极之间的空隙穿过而不与电晕区分解产生的自由基发生反应，从而影响处理效果，如果采用相对密集的电极布置，则将大大增加系统的能耗。另外，这种中空电极加工困难，成本很高，工程应用将明显增加设备的投资。
发明的公开
本发明的目的是为解决现有非热平衡等离子体技术中用于烟气治理的装置烟气处理效果差、能耗高、设备投资大的问题而提供一种烟气处理效果好、能耗低、设备投资少的一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置。
本发明为达到上述技术目的所采用的具体技术方案为：一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，设置在烟气通道内，包括用于释放自由基源物质的喷射装置及用于产生电晕的电极装置，所述的喷射装置与电极装置分开设置，电极装置包括导电杆及设于导电杆上下两侧的放电尖端，放电尖端的间距相等，喷射装置包括对称设于电极装置两侧的喷管，喷管靠近电极装置的管壁上沿轴向设有两排喷孔，喷孔的间距相等且与放电尖端的间距一致，喷孔的轴心线方向指向与该喷孔距离最短的放电尖端。将喷射装置与电极装置分开设置，喷射装置上的喷孔轴心线方向指向与该喷孔距离最短的放电尖端，这样，电极两侧绝缘结构的喷管上喷出的自由基源物质在电极附近交叉混合，有着较大的分布区域，其自由基源物质电离区域的实验结果如图8所示，从图上可以看出，与现有技术相比，自由基源物质电离区域范围大且分布相对均匀，虽然在电极放电端附近的自由基源物质电离度可能低于喷嘴结构的喷嘴尖端，但从整体上看，本发明的自由基喷射电离装置所产生的自由基与烟气有更广泛的接触，烟气中污染物的脱除效率更高，整体效果明显优于喷嘴结构放电电极。另外，在烟气处理效果相同的情况下，采用本发明结构能够显著减少电极数量，从而大大减少能源的消耗。此外，本发明的结构无需在电极两侧安装中空的喷嘴，结构非常简单，可以有效地降低生产成本，该方法不但适用于直流电晕放电，也适用于脉冲电晕法。
作为优选，导电杆上下两侧的放电尖端对称或交错设置，喷管上的上下两排喷孔对称或交错设置，且与导电杆上的放电尖端相适配。喷管上的喷孔与电极在数量上、位置上一一对应，即一个喷孔向一根电极尖端喷射自由基源物质，可以使自由基源物质的电离效果最好。
作为优选，喷孔上设有柔性导向管，柔性导向管的出口端设有沿径向均匀分布的隙缝。在喷孔的喷射方向上设置柔性导向管，柔性导向管在喷孔喷出的气流作用下会出现不规则飘动或抖动，在柔性导向管的出口端设置沿径向均匀分布的隙缝，可以进一步增强这种不规则飘动或抖动，在柔性导向管飘动或抖动的情况下，通过柔性导向管喷出的自由基源物质范围更大，自由基源物质电离后产生的自由基分布范围也更大，从而可以接触更多的烟气，提高烟气的处理效果。
作为优选，放电尖端呈锥形、柱形或锯齿形结构，放电尖端的间距与放电尖端长度之比为3比1至5比1，导电杆上每列放电尖端的数量为8至12个。
作为优选，放电尖端呈锯齿形，导电杆呈板状结构，锯齿形的放电尖端对称设于导电杆的上下两侧，锯齿结构的齿顶角角度为40度至50度，锯齿结构的放电尖端与导电杆为一体化的结构。锯齿形电极是目前静电除尘器中常用的一种电极，本发明可以利用这种现成结构的电极，这样可以进一步的降低成本，同时可以结合静电除尘器使用，实现除尘净化一体化。
作为优选，喷管直径小于电极装置的总高度，喷管上上下两排喷孔轴心线之间的夹角为110度至140度。喷管直径及上下两排喷孔轴心线之间的夹角与喷管和电极的相对位置有关，通常喷管与电极的距离过近或过远都会影响自由基源物质的电离效果，采用喷管直径小于电极装置的总高度，喷管上上下两排喷孔轴心线之间的夹角为110度至140度是比较合理的选择。
作为优选，喷管的一端为封闭端，封闭端通过连接杆连接振动装置，喷管的另一端通过软管连接自由基气源。喷管的一端连接振动装置的作用与喷管的喷孔上设置柔性导向管的作用类似，但是振动装置可以通过控制喷管的振动幅度、振荡方向或振动频率来改变自由基源物质的喷射方向或喷射范围，从而使整个烟气处理装置达到最佳处理效果。
本发明的有益效果是：它有效地解决了现有非热平衡等离子体技术中用于烟气治理的装置烟气处理效果差、能耗高、设备投资大的问题，本发明结构简单、烟气处理效果好、能耗低，可以结合静电除尘器使用，实现除尘净化一体化。
附图说明
图1是本发明自由基喷射电离装置的一种局部结构剖视图；
图2是本发明自由基喷射电离装置电极装置的一种结构示意图；
图3是本发明自由基喷射电离装置喷管的一种结构示意图；
图4是本发明自由基喷射电离装置的另一种局部结构剖视图；
图5是本发明自由基喷射电离装置的一种整体结构示意图；
图6是本发明自由基喷射电离装置电极装置的另一种结构示意图；
图7是现有技术电离装置电离区域的实验结果示意图；
图8是本发明自由基喷射电离装置电离区域的实验结果示意图。
实施本发明的最佳方法
下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。
实施例1
在如图1所示的实施例1中，一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，设置在烟气通道内，烟气通道内的上下两侧设有电极板，自由基喷射电离装置包括用于释放自由基源物质的喷射装置及用于产生电晕的电极装置，所述的喷射装置与电极装置分开设置，电极装置包括导电杆1及对称设于导电杆上下两侧的放电尖端2，放电尖端呈锥形结构，放电尖端的间距相等，放电尖端的间距与放电尖端长度之比为3比1，导电杆上每列放电尖端的数量为8个(见图2)。喷射装置包括对称设于电极装置两侧且连接自由基气源的喷管3，喷管的直径小于电极装置的总高度，喷管靠近电极装置的管壁上沿轴向设有两排喷孔4，上下两排喷孔对称设置(见图3)，喷管上上下两排喷孔轴心线之间的夹角为110度，喷孔的间距相等且与放电尖端的间距一致，喷孔的轴心线方向指向与该喷孔距离最短的放电尖端，喷孔的轴心线与该喷孔距离最短的放电尖端的轴心线在同一平面上，喷孔的数量与电极的数量一致。
实施例2
实施例2的放电尖端呈圆柱状结构(见图4)，放电尖端的间距与放电尖端长度之比为5比1，每列放电尖端的数量为12个，喷孔上设有柔性导向管5，柔性导向管的出口端设有沿径向均匀分布的隙缝6，其余和实施例1相同。
实施例3
实施例3的导电杆上下两侧的放电尖端交错设置(见图5)，喷管上上下两排喷孔交错设置，且与导电杆上的放电尖端位置相适配，喷管的一端为封闭端7，封闭端通过连接杆8连接振动装置9，喷管的另一端通过软管10连接自由基气源，其余和实施例1相同。
实施例4
实施例4的放电尖端呈锯齿形，导电杆呈板状结构，锯齿形的放电尖端对称设于导电杆的上下两侧，锯齿结构的齿顶角角度为45度，锯齿结构的放电尖端与导电杆为一体化的结构(见图6)，其余和实施例1相同。
用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置工作时，烟气从烟气通道12通过，设于烟气通道中的电极装置与烟气通道上下两侧的电极板之间施加直流或脉冲高压，电极与电极板之间发生电晕放电，设于电极装置两侧的喷管通过其喷孔向电极喷出自由基源物质，自由基源物质在电晕的作用下产生具有高度反应活性的自由基，它们与烟气中的各种有机、无机污染物分子发生反应，从而使污染物分子分解氧化成无害物质或者容易处理的化合物，达到烟气处理的目的。在喷孔的喷射方向上设置柔性导向管，柔性导向管在喷孔喷出的气流作用下会出现不规则飘动或抖动，在柔性导向管的出口端设置沿径向均匀分布的隙缝，可以进一步增强这种不规则飘动或抖动，在柔性导向管飘动或抖动的情况下，通过柔性导向管喷出的自由基源物质范围更大，自由基源物质电离后产生的自由基分布范围也更大，从而可以接触更多的烟气，提高烟气的处理效果。另外，将喷管连接振动装置，振动装置振动带动喷管一起振动，也可以达到上述目的，与喷孔上设置柔性导向管相比，振动装置可以通过控制喷管的振动幅度、振荡方向或振动频率来改变自由基源物质的喷射方向或喷射范围，从而使整个烟气处理装置达到最佳处理效果。

Claims (7)

1.一种用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，设置在烟气通道内，包括用于释放自由基源物质的喷射装置及用于产生电晕的电极装置，其特征在于所述的喷射装置与电极装置分开设置，电极装置包括导电杆(1)及设于导电杆上下两侧的放电尖端(2)，放电尖端的间距相等，喷射装置包括对称设于电极装置两侧的喷管(3)，喷管靠近电极装置的管壁上沿轴向设有两排喷孔(4)，喷孔的间距相等且与放电尖端的间距一致，喷孔的轴心线方向指向与该喷孔距离最短的放电尖端。
2.根据权利要求1所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于所述导电杆上下两侧的放电尖端对称或交错设置，喷管上的上下两排喷孔对称或交错设置，且与导电杆上的放电尖端相适配。
3.根据权利要求1所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于所述的喷孔上设有柔性导向管(5)，柔性导向管的出口端设有沿径向均匀分布的隙缝(6)。
4.根据权利要求1所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于所述的放电尖端呈锥形、柱形或锯齿形结构，放电尖端的间距与放电电极长度之比为3比1至5比1，导电杆上每列放电电极的数量为8至12个。
5.根据权利要求4所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于所述的放电尖端呈锯齿形，导电杆呈板状结构，锯齿形的放电尖端对称或交错设于导电杆的上下两侧，锯齿结构的齿顶角角度为40度至50度，锯齿结构的放电尖端与导电杆为一体化的结构。 
6.根据权利要求1所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于所述的喷管直径小于电极装置的总高度，喷管上上下两排喷孔轴心线之间的夹角为110度至140度。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的用于电晕放电烟气治理的自由基喷射电离装置，其特征在于喷管的一端为封闭端(7)，封闭端通过连接杆(8)连接振动装置(9)，喷管的另一端通过软管(10)连接自由基气源。 
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