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CN114669171A - 一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作方法 - Google Patents

一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作方法 Download PDF

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CN114669171A CN202210356024.5A CN202210356024A CN114669171A CN 114669171 A CN114669171 A CN 114669171A CN 202210356024 A CN202210356024 A CN 202210356024A CN 114669171 A CN114669171 A CN 114669171A
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Abstract

本发明公开的一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作方法，属于烟气节水技术领域。包括壳体和壳体内沿进口至出口依次设置的烟气检测单元、荷电装置、冷凝装置和离子风生成装置，冷凝装置所处区域设有间歇垂直电场生成装置，离子风生成装置产生的离子风方向与烟气流动方向相反；壳体下部设有冷凝水收集口，冷凝水收集口连接有冷凝水收集装置；冷凝装置包括若干水平设置的换热管，换热管管壁中沿换热管轴线方向设有第一金属丝和第二金属丝，第一金属丝与第二金属丝内电流方向相反。本发明的结构紧凑、能耗低，通过外场引导雾滴高效收集、与仿生材料收水结构相比成本低结构简单坚固长效。

Description

一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作 方法
技术领域
本发明属于烟气节水技术领域，具体涉及一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作方法。
背景技术
工业产生大量污染烟气，烟气经过污染物处理流程会携带大量水分，这部分水分的排出一方面会对环境造成影响，另一方面也加剧水资源的浪费。烟气中水雾、液滴和颗粒物速度过快在除雾器处难以捕集，但是通过减速和长大进口烟气颗粒物从而更高效收集。
大颗粒物的表面蒸汽分压力要求更低，颗粒物荷电通过电荷-偶极矩效应来抵消表面张力在颗粒物表面凝结更多水分，颗粒物荷电机理可分为电场荷电和扩散荷电两种，颗粒物的电凝并主要有三种类型，分别是异极性荷电颗粒电凝并、交变电场中同极性荷电颗粒电凝并和交变电场中异极性荷电颗粒电凝并。水雾收集装置有传统网状收集装置、仿生材料水雾收集装置、外场驱动水雾收集装置。其中外场驱动包括机械振动、温度、电场、磁场。但是现有的收水装置，普遍存在工艺复杂成本高、寿命短、或回收效果欠佳等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置及其工作方法，结构紧凑、能耗低，能够高效回收烟气中的水分。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，包括壳体和壳体内沿进口至出口依次设置的烟气检测单元、荷电装置、冷凝装置和离子风生成装置，冷凝装置所处区域设有间歇垂直电场生成装置，离子风生成装置产生的离子风方向与烟气流动方向相反；壳体下部设有冷凝水收集口，冷凝水收集口连接有冷凝水收集装置；
冷凝装置包括若干水平设置的换热管，换热管管壁中沿换热管轴线方向设有第一金属丝和第二金属丝，第一金属丝与第二金属丝内电流方向相反。
优选地，所述荷电装置包括第一电源和荷电电极，第一电源与荷电电极连接，荷电电极设在壳体内部。
进一步优选地，第一电源为高频叠加脉冲电源；荷电电极为针式或感应圆环式。
优选地，烟气检测单元包括流量检测装置、温度检测装置和湿度检测装置。
优选地，所述间歇垂直电场生成装置包括上极板和下极板，上极板和下极板分别连接电源，上极板和下极板预埋在壳体内。
优选地，壳体下部为漏斗结构，冷凝水收集口设在最低点。
优选地，所述离子风生成装置包括平行设置的接地网栅和阴极放电网栅，阴极放电网栅连接有第三电源。
优选地，换热管为耐腐蚀材质，换热管外表面设有疏水层。
本发明公开的上述耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置的工作方法，包括：
烟气在荷电装置中荷电凝并烟气中颗粒物，颗粒物作为凝结核在冷凝装置中凝结水蒸汽，第一金属丝和第二金属丝通入相反的电流，整个冷凝装置形成与烟气流向相反的电场，带电的凝结液滴在烟气流动方向电场力作用下减速，液滴在热泳力和电场力共同作用在换热管表面被收集；离子风生成装置产生与烟气流动方向相反的离子风，使被电场力减速的液滴受力反方向流动再次经过接地网栅被收集；冷凝水经冷凝水收集口进入冷凝水收集装置；间歇垂直电场生成装置产生重力方向间歇电场，重力和电场力共同作用清理换热管表面的吸附荷电颗粒的液滴液膜。
优选地，周期性改变第一金属丝和第二金属丝内电流的流动方向，改变冷凝装置中电场力的方向，间歇垂直电场生成装置工作时冷凝装置的电场方向与烟气方向相同，排斥冷凝装置换热管表面带电液滴液膜，减小液滴液膜与管壁的摩擦力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，耦合了冷凝机理以及电场力作用，电场力和热泳力的协同作用可以在冷凝装置收集更多微小液滴，电场力和烟气曳力共同作用，减速液滴在接地网栅处很好的被收集。部分液滴通过接地网栅，在烟气出口处安装阴极放电网栅，阴极放电网栅与接地网栅间产生离子风，在离子风的作用下，流经接地网栅的带电液滴会折返，经过接地网栅被第二次收集。通过构造重力方向的间歇电场，电场力、重力协同作用以及耐腐蚀高分子材料本身的疏水性，强化烟气和冷凝装置的换热。本发明通过减小烟气中凝结液滴水雾速度并且对经过收水接地极板的水雾液滴在出口被电场减速的前提下给反方向离子风作用改变水雾液滴行进方向，二次经过接地网栅被收集。通过荷电烟气静电凝并颗粒物，凝并颗粒物的表面饱和蒸汽压更低凝结更多水分，换热管内平行金属丝构造电场力减速吸附荷电颗粒的凝结液滴和以荷电颗粒物为凝结核凝结的小液滴，电场力和热泳力协同作用在换热管壁上收集微小液滴。间歇构造重力方向电场，使电场力增强换热凝结烟气中更多水分。
本发明公开的上述耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置的工作方法，自动化程度高、能耗低，能够高效的去除烟气中的水分。
进一步地，周期性改变第一金属丝和第二金属丝内电流的流动方向，能够减小液滴液膜与管壁的摩擦力，同时结合间歇垂直电场，间歇清理换热管上凝结的液滴、液膜。
附图说明
图1为本发明的整体结构正视示意图；
图2为本发明的整体结构俯视示意图；
图3为冷凝管外壁布置金属丝的结构示意图；
图4为冷凝装置中整体电场的示意图。
图中：1为烟气检测单元，2为控制单元，3为第一电源，4为荷电电极，5为上极板，6为下极板，7为冷凝装置，8为第二电源，9为接地网栅，10为壳体，11为冷凝水收集装置，12为换热管，13为第一金属丝，14为第二金属丝，15为阴极放电网栅，16第三电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1和图2，本发明的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，包括壳体10和壳体10内沿进口至出口依次设置的烟气检测单元1、荷电装置、冷凝装置7和离子风生成装置，冷凝装置7所处区域设有间歇垂直电场生成装置，离子风生成装置产生的离子风方向与烟气流动方向相反；壳体10下部设有冷凝水收集口，冷凝水收集口连接有冷凝水收集装置11；
如图3，冷凝装置7包括若干水平设置的换热管12，换热管12管壁中沿换热管12轴线方向设有第一金属丝13和第二金属丝14，第一金属丝13与第二金属丝14内电流方向相反，第一金属丝13和第二金属丝14与第二电源8连接。
控制单元2控制第一电源3、第二电源8和第三电源16。
在本发明的一个较优的实施例中，所述荷电装置包括第一电源3和荷电电极4，第一电源3与荷电电极4连接，荷电电极4设在壳体10内部。优选地，第一电源3为高频叠加脉冲电源；荷电电极4为针式或感应圆环式。
在本发明的一个较优的实施例中，烟气检测单元1包括流量检测装置、温度检测装置和湿度检测装置。
在本发明的一个较优的实施例中，所述间歇垂直电场生成装置包括上极板5和下极板6，上极板5和下极板6分别连接电源，上极板5和下极板6预埋在壳体10内。
在本发明的一个较优的实施例中，壳体10下部为漏斗结构，冷凝水收集口设在最低点。
在本发明的一个较优的实施例中，所述离子风生成装置包括平行设置的接地网栅9和阴极放电网栅15，阴极放电网栅15连接有第三电源16。
在本发明的一个较优的实施例中，换热管12为耐腐蚀高分子材质，如氟塑料，换热管12外表面设有疏水层。
本发明涉及的主要原理如下：
冷凝装置7冷凝后液滴也带上电荷，带电液滴受换热管12内第一金属丝13和第二金属丝14间电场力和烟气曳力作用。受力分析：
Figure BDA0003582850370000051
其中，Fe为电场力；Fd为烟气曳力；μ为空气动力粘度；dp为雾滴的粒径；u0为入射流速；E0为电场强度。
重力方向液滴液膜受力：
Figure BDA0003582850370000052
其中，G为重力；m为液滴液膜质量；g为重力加速度。
冷凝部分热泳力作用下水雾、液滴和颗粒物被收集，烟气内部冷热分子与颗粒物碰撞时动量传递大小不一样，颗粒向温度降低方向移动，并且沉积在低温表面。出口处用接地网栅9收集被电场减速的小液滴。
亚微米液滴和颗粒物还受热泳力布朗力：F＝FT+Fbi
热泳力：
Figure BDA0003582850370000053
热泳效应用强弱用热泳系数描述：
Figure BDA0003582850370000061
Kn是表征颗粒物流动形态的努森数：
Figure BDA0003582850370000062
式中，Cm＝1.146；CS＝1.147；C1＝2.20；Dp是颗粒物粒径；
λ是气体分子自由程：
Figure BDA0003582850370000063
K是颗粒物的导热系数与气体导热系数的比值，称为导热比率：
Figure BDA0003582850370000064
Kp颗粒物的导热系数；Kg气体导热系数；
C库宁汉滑移修正系数C＝1.0+Kn(C1+C2exp(-C3/Kn))；
其中C1＝1.2；C2＝0.41；C3＝0.88；
布朗力：
Figure BDA0003582850370000065
Figure BDA0003582850370000066
Figure BDA0003582850370000067
其中，FT为热泳力；Fbi为布朗力；Cs、Ct和Cm分别取值为1.17、2.18和1.14。
冷凝装置7用耐腐蚀高分子材料制造，第一金属丝13和第二金属丝14包裹在耐腐蚀高分子材料换热管内与带电烟气和内部冷却介质没有接触，整体运行维护成本更低寿命更长。互相平行的第一金属丝13和第二金属丝14间通入方向反向的电流形成与烟气流向相反的电场，减速烟气中带电水雾、液滴。
荷电装置总荷电量用瑞利极限和烟气检测单元1监测颗粒物粒径分布计算：
Figure BDA0003582850370000068
其中，qRay为液滴所携带的最大电荷；r为水雾、液滴和颗粒物的的半径；ε0为真空介电常数；σ为表面张力。
半径越小的水雾、液滴和颗粒物的可以携带的电荷越小，烟气检测单元1监测烟气粒径分布计算整体烟气荷电量。
冷凝装置7当液滴为中性(电荷q为零)时，经典的Kevin方程揭示了液滴半径对于表面蒸汽分压的影响，由公式：
Figure BDA0003582850370000071
其中p∞是温度T下平面上的饱和水蒸气的分压力；vl是液体中单分子的体积；k是玻尔兹曼常数；ε0是真空介电常数；εl是液态水的介电常数；p是水的偶极矩；不同半径的水雾、液滴和颗粒物表面蒸汽凝结时的饱和水蒸气分压力不同。
第一金属丝13和第二金属丝14间歇改变电流方向从而改变电场方向，排斥冷凝装置7表面带电液滴液膜；同时间歇垂直电场生成装置通电形成重力方向间歇电场结合耐腐蚀高分子材料的疏水性保证液滴更顺利流下，在重力和电场力协同作用下换热管表面液滴、液膜快速脱落换热管表面被间歇暴露在烟气中，增强换热回收更多烟气中水分。
烟气检测单元1监测烟气的温度、流速、相对湿度和粒径分布。通过测量进口烟气状态自动控制荷电装置的高频叠加脉冲高效电源的电压给烟气荷电，在高压脉冲电场中，可以分为脉冲放电期内和脉冲放电期外，在细颗粒物的粒径大时，电子荷电起主要作用，在细颗粒物的粒径小于时，离子荷电起主要作用。高压脉冲电场对细颗粒物荷电更容易，更省电。控制单元2控制换热管12内部第一金属丝13和第二金属丝14电流大小使得烟气中荷电液滴在电场力和烟气曳力作用下减速水雾、液滴和颗粒物。
第一金属丝13和第二金属丝14可以是直线，弧线，网状。完全包裹在耐腐蚀高分子换热管壁内部，不与外部烟气和内部冷却水接触。
如图4，冷凝装置7顺排换热管12前后有通方向相反电流的第一金属丝13和第二金属丝14形成烟气流动方向相反电场，带电小液滴受电场力更好被收集，减少烟气携带出装置的水雾、液滴。第一金属丝13和第二金属丝14呈网格状或平行丝状避开换热管开孔，被包裹在壳体10内部。
热泳力作用下管道内颗粒沉降速度Vth：
Figure BDA0003582850370000081
其中，T是流体温度；Kth是热泳系数。
离子风生成装置放出离子风，通过加入离子风给液滴的力进一步减速液滴。受力分析：
Figure BDA0003582850370000082
Fe＝E0q
Figure BDA0003582850370000083
Figure BDA0003582850370000084
I＝k(V-V0)2
Fd＝3πμdPu0
其中，μ为空气动力粘度；dp为雾滴的粒径；u0为入射流速；E0为电场强度。
计算实际收水量和理论收水量的比：
Figure BDA0003582850370000085
Figure BDA0003582850370000086
其中，Nj为进出口温度求得理论收水量；Ns为桶中的实际收集的水；两者之比为收水效率。
计算收水效率：
Figure BDA0003582850370000087
Figure BDA0003582850370000091
Nin为入口烟气含水量；Ns实际收水量。
用公式计算收水效率，通过进出口温度求得理论收水量Nj，桶中的实际收集的水为Ns，两者之比就是收水效率，可以和原有的相变凝聚系统进行比较。
本发明换热管12内和壳体10内埋入通电金属丝形成电场，水平方向电场力减速烟气携带的水雾、液滴和颗粒物减少烟气携带出装置的水分。被接地网栅9收集过一次的烟气在离子风作用下折返二次经过接地网栅9被收集，在烟气曳力作用下部分水雾三次接地网栅9或在冷凝装置7处被热泳力影响吸附在液膜上被收集。
在冷凝装置7前进行颗粒物的静电凝并，通过增大颗粒物粒径使得颗粒物表面蒸汽压要求更小在冷凝装置处更容易作为凝结核凝结烟气中的水分。
冷凝装置7上下壳体间形成重力方向间歇电场，同时改变水平电场方向减少液滴液膜向下流动时管壁给液滴液膜的摩擦力，快速收集换热,12表面积累液滴、液膜，烟气与换热管12直接接触增强换热能力，冷凝回收烟气中更多的水。
热泳力和电场力协同作用小颗粒和小液滴在冷凝部分被收集，热泳力和电场力协同作用大于布朗运动，小液滴和颗粒物向温度更低同时也是电场力方向的管壁聚集。
采用耐腐蚀高分子材料制作壳体10耐用寿命更长，耐腐蚀高分子材料可以将管径做的更小有更大的表面积换热效率更高，将金属丝在制造耐腐蚀高分子材料时埋在换热管12中，耐腐蚀高分子材料换热管12内部的平行金属丝间通入方向相反的电流可以在换热部分形成水平电场，减速烟气中的颗粒物和凝结吸附荷电颗粒物的液滴，减速的颗粒物在冷凝装置7有更长时间作为凝结核凝结液滴，减速的液滴在接地网栅9充分收集。
换热管12内金属丝间歇通入反向电流构造烟气流动方向电场减小液滴液膜与管壁的摩擦力，同时冷凝部分壳体10上下金属网(板)通电形成重力方向的电场，间歇清理换热管上凝结的液滴、液膜，结合耐腐蚀高分子材料的疏水性达到滴状凝结的效果。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (10)

1.一种耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，包括壳体(10)和壳体(10)内沿进口至出口依次设置的烟气检测单元(1)、荷电装置、冷凝装置(7)和离子风生成装置，冷凝装置(7)所处区域设有间歇垂直电场生成装置，离子风生成装置产生的离子风方向与烟气流动方向相反；壳体(10)下部设有冷凝水收集口，冷凝水收集口连接有冷凝水收集装置(11)；
冷凝装置(7)包括若干水平设置的换热管(12)，换热管(12)管壁中沿换热管(12)轴线方向设有第一金属丝(13)和第二金属丝(14)，第一金属丝(13)与第二金属丝(14)内电流方向相反。
2.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，所述荷电装置包括第一电源(3)和荷电电极(4)，第一电源(3)与荷电电极(4)连接，荷电电极(4)设在壳体(10)内部。
3.根据权利要求2所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，第一电源(3)为高频叠加脉冲电源；荷电电极(4)为针式或感应圆环式。
4.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，烟气检测单元(1)包括流量检测装置、温度检测装置和湿度检测装置。
5.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，所述间歇垂直电场生成装置包括上极板(5)和下极板(6)，上极板(5)和下极板(6)分别连接电源，上极板(5)和下极板(6)预埋在壳体(10)内。
6.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，壳体(10)下部为漏斗结构，冷凝水收集口设在最低点。
7.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，所述离子风生成装置包括平行设置的接地网栅(9)和阴极放电网栅(15)，阴极放电网栅(15)连接有第三电源(16)。
8.根据权利要求1所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置，其特征在于，换热管(12)为耐腐蚀材质，换热管(12)外表面设有疏水层。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置的工作方法，其特征在于，包括：
烟气在荷电装置中荷电凝并烟气中颗粒物，颗粒物作为凝结核在冷凝装置(7)中凝结水蒸汽，第一金属丝(13)和第二金属丝(14)通入相反的电流，整个冷凝装置(7)形成与烟气流向相反的电场，带电的凝结液滴在烟气流动方向电场力作用下减速，液滴在热泳力和电场力共同作用在换热管(12)表面被收集；离子风生成装置产生与烟气流动方向相反的离子风，使被电场力减速的液滴受力反方向流动再次经过接地网栅(9)被收集；冷凝水经冷凝水收集口进入冷凝水收集装置(11)；间歇垂直电场生成装置产生重力方向间歇电场，重力和电场力共同作用清理换热管(12)表面的吸附荷电颗粒的液滴液膜。
10.根据权利要求9所述的耦合冷凝机理和电场力的烟气水分收集装置的工作方法，其特征在于，周期性改变第一金属丝(13)和第二金属丝(14)内电流的流动方向，改变冷凝装置(7)中电场力的方向，间歇垂直电场生成装置工作时冷凝装置(7)的电场方向与烟气方向相同，排斥冷凝装置(7)换热管(12)表面带电液滴液膜，减小液滴液膜与管壁的摩擦力。
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