（环境工程专业论文）静电增强过滤器前应用磁增强预荷电技术捕集微细颗粒的研究.pdf

a b s t r a c t ht h i sp 印e lt h ee x p e r i i n e m a lr e s e a r c h e so nt h ed i s c h a 增ec h a r a c t e r i s t i c so f 血e m a g n e t i c a le n h a n c e m e mc o r o n ad i s c h a 昭e sw e r ec a m e do u t ，a n dt h ed i s c h a r g em e c h a 血s m w a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h em a g n e t i c a le 1 1 h a n c e m e m 铀c t i 0 1 l sb 咖v e e np o s i t i v ea n d n e g a t i v e c o r o n ad i s c h a 瑶e sw e r ee x p e r i m e n t a l l yc o m p 盯e d t h em a g n e t i c a l 哑h a n c e m e m e 丘色c t si nd i 矗h e mi i l t e 卜e l e c t r o d er e 西o n sw 钉er e s e a r c h e d t h er e s e a r c h e sd e m o n s 打a t e dt h a t m a g n e t 矗e l dc a ne 衢c i e m l yi n c r e a s e 也ec o n c e n t r a t i o n so fi o n sa n d 丘e ee l e c 廿o n si na n n e g a t h ec o t o n ad i s c k 匹g e s t h ed o m i n a n tm e c h a n i s mo fm a g n e t 髓l l l a n c e m e n ti nc o r o n a d i s c h a 辖e si st h a t 也el a r m o rm o v e m e n t s o f 丘e ee l e c t r o n se 她c et h en o n - t h e r m a lp l a s m ai n i o n i z a t i o n r e g i o n n e a r d i s c h a r g e e l e c 怕d e ar e a s o n a b l ec o 碰i g u r a t i o nf o rm a g n e t 幽c e m e n tc a nb ef o r m e db yp e m a n e n tm a g i l e t sw i mal o c a ls n gm a g n e tf i e l dn e a r 也e d i s c m g ee l e c t r o d e am a g n e t i c “e n h a n c e m e mp r e - c h a r g e rw i mn e g a t i v e c o r o n ad i s c h a r g e s w a sa s r r l b i e di n 也ef r o n to fa ne t e c 拍s t a t i ce n h a n c e m e n t6 n e r t h eh d l u e r 忆eo f 也e p r e - c h a r g e ro nt h e 丘l t e rw a sm e a s l l r e da n dc o i n p a r e dw “ht h a to ft h et r a d i t i a lc o r o n a p r e - c h a r g e r t h ef b ee l e c t i d nc h a r g i n gm e c h a n i s mo ft h em a g n e t i c a le n h a n c e m e mc o r o n a p r e - c h a r g e rw a sp r e l i m i n a r i l ya n a l y z e d t h en e wp r e c h a r g i n gt e c h n o l o g yi sp r o m i s i n gf o r 也e c 印劬gf i n ep a 币c l e si ne l e c 仃o s t a t i ce r 山a n c e m e n tf i l t e r so re l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s t h e c h a r a c t d s t i c so ft h em a 印e t i c a le n h a n c e m e n tc o r o n ad i s c h a r g e sa 1 1 dt h e i rf u n c t i o l l sf o r c h a r g i n gp a r t i c l e sa r ei n t f o d u c c d t h ee x p e 血e n t a lr e s l l l t sd e m o n s 打a t e dt h a tt h em a g n e tf i e l d c o u l do b v i o u s l yi n c r e a s et h ed i s c h a 唱ec l l r r e n ta n de 1 1 l a n c et h ep a r t i c l ed e n s i t yi nc o r o n a d i s c h 鹕e s 丁h ed e f l e c t i o no f 舶ee l e c 打o n sb e 柳e e n 也ed i s c h a 唱ea n dc o l l e c t i o ne l e c t r o d e s w a sm e a s u r e d t h e r e f b r ew ec a nd e d u c e 协a tt h ec o n c e n 廿a t i o no fb o t l lf k ee l e c n d n sa n di o n s a r ei n c r e a s e di nm em a g n e te n h a n c e m e n tc o r o n ad i s c l l a 增e s c o m p a r i n gw i 也t h eu n i f 0 瑚 m a g n e tf i e l d ，t h en o n - u n i f o mm a g n e tf i e l df o m e db yt h ep e r m a n e n tm a g n e tn e a r b yt 1 1 e d i s c h a 曙ee l e c t m d e sc a nm o r ee f 抬c t i v e l yi 小e n s i 旬c o r o n ad i s c h a 唱e s s o m er e s e a r c h e r so n t h em a g i l e t i c a ie r d l a n c e m e mc o r o n ad i s c h a r g e sa i l dm ef 妇c t i o nf o rc h a n g i n gp a 币c l e s 甜e d o n e i n0 1 1 rr e s e a r c h e s ，矗ee l e c 打o n sw e r ed e n e c t e di nam 8 9 n e t i cf i e l da 1 1 dt r a v e l i n gl e n 舀h s o ft h e 疗e ee l e c t r o n sw e r e 掣e a t l yi n c r e a s e d t h ed e n s i 哆o fb o t hm ee l e c t m n sa n dn e g a 廿v e i o n sw e r ei n c r e a s e d m o r e o v c r ，as i m p l ed ch vp o w e rs u p p l yw a se m p l o y e da 1 1 dt h e c 1 1 a r g i n gt i m e0 np a n i c l e sw a sc o i n i n u e d w 毫d e v e l o p e da 1 1a e r o s o ic h a 唱e ro ft h em a 髓e t e n h a i l c e m e n tc o r o n ad i s c h a r g e sw i t hp e m l a n e n tm a g n e t n l ee x p e r i m e n t st h a tt h ec h a 唱i n g c u 丌e n to fm a g n e te 1 1 1 1 a 1 1 c e m e n tc o r o n ad i s c h a 略ei s 铲e a t c rt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e b m e n h a n c e m e n to fc h a 瑁i n gc 埘e n t sn o ta l w a y si n d u c e st h ei n c r e a s eo f 也ee 伍c i e n c yf o r c h a 唱i n gp a n i c l e s i ns h o np u l s ec o r o n ad i s c h a 耀e s ，m en o n _ 也e 衄a lp l a s m ar e g i o na 1 、m y s p m p a g a t e i nad c t i o na c m s sm ea i rs t r e 锄a i l dd i p o l a rc h a 晤n go fp a n i c l e so c c u r s t h e r e f o r e ，t h ec h a 娼i n ge 伍c i e n c yi s 伊e a t l yr e d u c e du n d e rm ei n t e n s i v es h o np u l s ec o r o n a d i s c h a r g e s a 且n e g a t i v ec o r o n am a 阱e t i c a le n h a n c e m e n tp r e c h a r g e r 啪sa s s 即1 b l e di nt h e 行o n to fa ne l e c t r o s t a t i ce i l l l a n c e m e n tf i l t e lt h ee x p e r i m e mc o l l l dc o n f i mt h ei n c r e a s eo f c h a 略i n ge 街c i e n c yf o r p a n i c l e si nt h ep r e c h a 增er ，w h i c hc a l lp r o “c ee 豌c t i v ei m p r o v e m e m o ft l l ef i l t r a t i o ne 伍c i e n c yi na ne l e c 廿o s t a t i ce n h a i l c e m e n tn l t e r t h e r e f o r e ，t 1 1 em a g n e t i c a l e i l l l 卸c e m e n tc o m i l ad i s c l l a | g c sc 0 1 l l ds e n r ea sa 1 1a d v a l l c e dc h a r g i n gt e c h l l i q u ea n dw o m db e p r o l i s i n g i nt h e 印p l i c a t i o n s f o re l e c t r o s t a t i ce n h a l l c e m e n tf l h e r so re l e c 们s t a t i c p r e c i p i t 砷m s k e yw o r d s ：m a 印e t i c a le n h a l l c e m e tc o m n ad i s c h a 唱e s p a r t i c a ld i s c h a r g ee l e c n d s 伽ce n h a l l c e m e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东北 师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名 日期 电话： 邮编： 第一章引言 一、我国目前的能源问题 我国自然资源总量居世界第七位石油的资源量为9 3 0 亿吨，天然气的资源量为3 8 万亿立方米，现己探明的石油和天然气储量只占资源量的约2 0 和约6 ，仅够开采几 十年( 全世界石油剩余可采储量仅为1 4 0 9 亿吨，储存比为4 1 。第1 5 届世界石油大会认 为上述石油资源的探明程度为7 9 ，固此，不可能再找到足够大的石油资源了，石油短 缺将不可避免地在下个世纪出现) ；煤层气资源量为3 5 万亿立方米，相当于4 5 0 亿吨标 准煤，排世界第三位，但尚未成规模开发利用。2 1 9 年。储量最大的国家依次为美国、 我国、澳大利弧、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比我国大一倍以上，除我 国外，其余6 国的储采比均在2 1 0 年以上，我国若保持原开采强度，储采比不足百年) 。 特别是最近几年国际原油价格不断攀升，油价一直在高位徘徊，对我国迅速发展的经济 构成了很大的威胁和影响，为此我们每年都要付出几百亿美金的代价，油价被少数国家 所操控，这也成了中国经济发展的很大的障碍，而中国的现实情况是家家庭汽车不断走 入人们的生活，汽油车的比例很高，我国的汽车工业发展的速度非常惊人汽车产量 增长率超过了3 0 ，按照目前的发展趋势，我国的汽车产量会超过法国和德国，成为世 界第三大汽车生产国，汽车产业的大力发展造成了对石油的大量需求，但由于柴油机的 污染问题使得这种从效率上还是经济上都很划算的柴油机车不能得到很好的发展。而汽 车工业非常发达的德国也开始把注意力集中到柴油车上面来，并计划到2 0 0 8 年实现柴 油机车的全面发展，而这一目标的实现就是要发展一种很好的柴油车尾气的过滤装置， 我们的目标也就是这样，把我们的技术用到这柴油机尾气的处理上来。机动车的保有量 的增长，全球机动车保有量的增长比人口增长快得多。1 9 5 0 年，全世界只有5 0 0 0 万辆 汽车，到1 9 9 5 年，全球汽车总量已经达到6 5 亿辆，平均每1 0 0 人拥有1 0 辆汽车，据 估计，2 0 1 0 年全世界的机动车的数量可能达到8 2 亿辆。目前世界上大部分汽车集中在 发达国家和地区。 二、本技术在中国的应用前景 可以说我们中国几代人在柴油机尾气的处理上做出了艰苦卓绝的努力，目前在中国 和世界上看柴油机尾气的处理主要采取的方法有壁流陶瓷技术和金属催化氧化技术，柴 油机尾气处理主要包括两部分，去除碳烟的颗粒捕集器和去除氮氧化物的催化净化装 置，其中颗粒捕集更为关键，其不仅决定其炭烟去除是否能直接达标，而且也是后面催 化剂能否正常工作的重要条件，国外采取的壁流陶瓷技术优点就是去除效率很高但是风 阻比较大这势必会增加柴油机的能耗，而且陶瓷易碎，需要过滤的时候也容易由于受热 不均造成炸裂，现实中我们国家还没有制造这样的陶瓷的技术，只能从国外购买，没有 自己的技术势必不行，中国也在发展的金属催化的方法也正在实验中，由于炭的化学稳 定性很强，以及柴油机尾气的特殊性，也很难用单一的催化方达到一个满意的程度，机 动车排放的主要污染物为：一氧化碳，碳氢化合物，氮氧化物和颗粒物( p m 也叫炭烟) 而机动车目前大多数采用柴油机或者汽油机发动机，针对柴油机和汽油机排放的污染物 做以下比较。柴油发动机一氧化碳的排放量只有汽油机的1 3 左右柴油机尾气中的氮氧 化物的浓度约为汽油机的3 0 ，柴油发动机碳氢化合物的排放量只有汽油机的1 7 柴 油机的炭烟排放量要比汽油发动机高得多，约为汽油机的2 0 _ - 5 0 倍，柴油机和汽油机 的区别比较大，不易蒸发，且其自燃温度比汽油低，故四冲程柴油机的混合气形成和燃 烧方式都比汽油机有所不同，柴油机的燃烧过程主要分为四个时期。即着火后期，速燃 期、缓燃期和后燃期。着火落后期也称为滞燃期，指喷油开始到压力急剧升高之前的这 段时间。着火后期内，燃油要经历雾化蒸发与空气混合的物理过程，以及冷焰蓝焰热 焰的低温多阶段化学过程，最后形成多点同时自行着火。着火落后期一般为1 1 5 m s ， 着火落后期的长短对柴油机的排放和其他特性有着至关重要的影响。速然期是指着火后 压力急剧上升时期。由于在着火后期内作好燃烧准备的大量可燃混合气同时着火燃烧， 使缸内温度和压力急剧升高。在过量空气系数较小的高温缺氧区域产生大量的炭烟，在 空气系数较大的高温富氧区域产生大量的氮氧化物。此外在过急的压力井高还会导致过 高的噪声和振动。柴油机的最高爆发压力可以达到5 9 m p a ，增压柴油机的最高爆发 压力可以达到1 0 m p a 以上，比汽油机高出一倍多。由于在着火后期内作好期内由于柴 油机的压缩比高，并且是大面积多点同时着火，且此初期放热率、压力升高率以及最高 爆发压力都比汽油机高，加之是在空气富余的条件下燃烧，不完全燃烧产物少，这是柴 油机的热效率和燃油经济性明显好于汽油机的原因。但由于柴油机的扩散混合只能在极 短的时间内进行，混合气浓度分布极不均匀，因此易产生炭烟，而象汽油机那样的预热 燃烧温中一般不产生炭烟，这是柴油机产生炭烟的根本原因，要想降低炭烟对环境的影 响，方法主要有改进柴油机的性能，另外的方法就是在柴油机尾气出口处加装尾气的后 处理装置，目前由于对尾气的排放标准不断的提高，单纯依靠提高柴油机的性能已经不 能够满足排放标准的要求了，所以发展尾气的后处理装置也是十分必要的，所以说我们 的研究课题在中国和世界上的应用前景还是十分被看好的。 三、本实验在柴油机尾气处理上的应用 本论文着重介绍了一种全新的对微小颗粒粉尘荷电方法提高荷电效率，并且从理论 和实验上介绍它的机理和实际生活中的应用中的效果和应用前景，随着人们生活水平的 提高，汽车越来越走入人们的生活中，但随之而来的污染问题也越来越严重，特别是柴 油机尾气的污染问题一直困扰着我们，特别是柴油机尾气中的碳粒去除是非常必要的， 首先是它的视觉污染很严重，并且对人的健康威胁也是很大的，柴油机排气的有害成分 有c 0 、h c 、n o x 、硫化物以及颗粒物、臭味等柴油机在动力和机械效率上要比汽油 机强得多但是它的颗粒物排放量要高于汽油机很多，距有关数据显示它的颗粒物排放量 要比汽油机多几十倍以上，那么柴油机中的h c 的生成机理是什么呢? 由于柴油机的燃 烧是扩散燃烧，绝大部分的工况的过量空气系数远大于汽油机，而且混合气浓度剃度极 大，不同区域的空气系数可在o 因此也就严重影响了柴油机的普及和推广，本论文在对 柴油机的发展深入了解的情况下，进行了大量的理论研究，在此基础上提出了磁增强电 晕放电的理论，并进一步用实验的和手段进行了验证，我们将研究新型的放电形式 磁增强电晕放电对颗粒荷电的研究，该技术目前在国内外尚无应用，理论上磁增强电 晕放电技术将使得传统的放电的极间自由电子的能量和数量都会有很大的增加，气体分 子问的自由层较大，这将有利于保持电子的高浓度和高能量，实现对细微粉尘的荷电强 度的增加。初步试验已经证明采用此增强电晕放电的方法与传统放电方法比较在相同电 压作用下放电强度得到了比较大的提高，我们将在理论上分析放电增强的原因。这将对 我们后来的试验有很高的指导意义。本实验从原理上已经作了充分的论证，并且在国际 和国内发表了高水平的文章，基础实验已经基本完成，并且已经证明了本技术在颗粒荷 电上效果上看还是十分理想的，本文仅仅从荷电的理论和效果上进行论述，实际的情况 是我们从颗粒荷电，颗粒物过滤和有害气体的催化处理同步进行的。但颗粒物荷电还是 最重要的! 四、实验的理论基础 近年来，越来越多的国家开始限制微细尘粒的排放，捕集颗粒的方法主要依靠静电 增强过滤器中静电场对尘粒的荷电作用，尘粒所带的电荷越多，受到的电场力就越大， 也就更容易被捕集。因此为了提高微细颗粒的捕集效率，增强对微细尘粒的荷电是尤为 重要的。 在负电晕放电中，增强微细颗粒荷电最有效的方法就是增强离子扩散荷电机制和自 由电子荷电机制。当电离区的自由电子密度增加了，整个电极间的电予和负离子浓度也 增加了。因此不仅自由电子的荷电机制增强了，而且离子扩散机制也增强了。 近年来，我们对磁增强电晕放电及其对颗粒荷电的效果作了一系列的研究。在我们 的研究中，自由电子运动轨迹在磁场中发生偏转，从而自由电子的运动路程相应的延长 了，因此自由电子和负离子的浓度增加了。 在以往的试验中，我们证明磁增强电晕放电的放电电流要比传统的电晕放电大的 多。但是放电电流的增加并不意味着对颗粒荷电的效率增大了。在短脉冲电晕放电中， 低温等离子区总是沿着放电力线的方向发展，因此荷电效率大大的降低了。试验中磁增 强预荷电器安置在静电增强过滤器的前端，试验证明这种磁增强预荷电器能提高对尘粒 荷电效果，从而能有效的提高传统静电增强过滤器的过滤效率。因此，磁增强电晕放电 和预荷电能够作为先进的荷电技术被应用于静电增强过滤器中。 五、柴油机尾气后处理技术的现状 3 柴油机排气净化后处理技术有过滤法和催化转化法。其中催化转化法与汽油动机 尾气处理中所应用的催化方法基本类似，主要分为氧化催化转化和氮氧化物，还原催化转 化器。柴油机排气中的大量微粒主要靠过滤器，收集器等装置来捕获，然后通过清扫或 者燃烧的办法去除，使颗粒捕集器再生使用。颗粒捕集氧化器和氧化型催化型催化器已 在部分上得到应用，而柴油机稀燃氮氧化物催化净化技术目前还处于研究开发阶段。最 近，国际上还提出了四效催化器的想法，既在同一催化反映器中同时实现炭氢化合物， 一氧化碳和氮氧化物和四种污染物的净化。 1 氧化催化剂 柴油机氧化催化剂能氧化排气排放颗粒物中的大部分有机物、气态的h c 和c o 、 臭味和其他的有毒有机物。因为不捕集固态的颗粒物，氧化催化剂不需要再生，可以长 期连续的使用。这类催化剂已经成功应用于轻型柴油车，并被看好可移植到重型柴油车 上。在不影响燃料消耗和氮氧化物，排放情况下净化挥发性c h 和c o 的效率可达到8 0 ， 对s o f 的去除效率也能达到7 0 左右，因此可以一定程度上减少柴油车颗粒物排放， 虽然柴油车不存在排气铅中毒问题，但是，低温时排气中的炭粒，焦油等附着催化剂的 表面，也会使其活性降低。为此为避免低负荷或改变工况下发动机燃烧恶化，也可以使 催化器尽量靠近排气管安装，以保证催化剂有足够的工作温度。氧化剂应用与重型柴油 机车的主要困难是尾气中二氧化硫会被氧化为硫酸盐，反而增加颗粒物的排放。并导 致催化剂的慢性中毒。所以使用低硫的柴油是十分必要的，根据测试，氧化型催化剂的 最佳工作温度范围是2 0 0 到3 0 0 摄氏度，与汽油机相似，柴油机活性成分也可以用p t 和p d ，虽然钯的活性不如铂，但产生的硫酸盐也要少得多，同时价格还比较便宜。另 外用氧化硅代替氧化铝为涂层的材料也可以减少硫酸的生成。为了提高氧化催化转化器 的机械稳定性能，柴油机上也要采用蜂窝状陶瓷结构作为载体材料。 2 颗粒捕集器 颗粒捕集器是高效净化柴油机排气颗粒物的种过滤技术，它利用一种内部孔隙 微小，能捕获微小颗粒物的过滤介质来捕获排气中的微小颗粒物，捕获到的绝大部分 是干的或者吸附着可溶性的有机成分的碳粒。然后采取不同的方法来燃烧消除过滤器中 收集的颗粒物，使颗粒物捕集器再生后循环使用。过滤效率随过滤介质的不同略有差异， 一般对碳烟的过滤效率可达到6 0 到9 0 ，从过滤效果，工作可靠性及再生情况考虑， 应用最广泛的过滤介质有泡沫陶瓷和壁流陶瓷两种，金属丝过滤材料也有少量的应用， 泡沫陶瓷属于体内过滤式，而蜂窝陶瓷属于表面过滤式。过滤过程中，颗粒被吸附在介 质表面，随后，最初沉积下来的微粒团本身也参与对后续颗粒的过滤捕集作用。 开发颗粒物补给器系统存在的主要问题是如何有效的去除捕集下来的的碳黑并使 过滤器再生。柴油机颗粒物包括固态的碳，外包裹一层分子量很大的碳氢化合物。这种 混合物中的燃点在5 0 0 到6 0 0 度，远大于柴油机排气的的正常温度范围。因此，需要设 计特殊的的方法来保证产生高温又可避免过滤器融化和断裂。颗粒捕集器开发的关键问 题是要在不损坏颗粒捕集器的前提下点火和再生。目前认为最有前途的再生方法有间歇 加热和再生是指颗粒捕集器每工作一段时间后，采用电加热的或者燃烧方式清除积存 4 的颗粒的方法。其中反吹式加热再生的方法和反吹再生法是利用压缩空气的先将过滤下 来的碳粒反吹下来，再进行加热处理，这样对过滤材料的耐高温的要求可大大降低了， 但过滤器结构设计就比较复杂了，再生方法对颗粒捕集器要求比较高，连续再生方法 对颗粒捕集器的系统要求就简单的多了，常见的有在过滤材料表面涂附催化剂的在燃油 中加入活性成分的，在不久的将来有望成为商业应用的柴油车颗粒高效净化技术。 六、本文的研究内容与目的 外力场可以提高颗粒层过滤的除尘效率。除重力场外，静电场、磁场或声场等等也 许可能提高细微尘粒的分级分离效率。尽管大多数情况下燃烧气体( 烟气或煤气1 中尘粒 都带微量的电荷，但在没有外加电场的情况下，颗粒层过滤过程的静电力捕集作用较小 【4 】。受静电除尘技术的启发，即预荷电电场和静电增强电场，分别使尘粒充分荷电，以 促进颗粒过滤层对细微尘粒的收集效率，本文就是从如何提高颗粒物荷电效果出发以便 提高荷电效果，从而最终达到去除颗粒物的污染问题。我们同时也在从理论上分析和验 证实验的结果，把我们的实验成果上升到理论高度，从而指导我们的实践活动。 第二章磁增强电晕放电的原理 一、电晕放电现象 在电极两端加上较高电压但还未达到击穿时，小曲率半径电极表面附近会产生很强 的局部电场，因而此电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象【2 引。 在电晕放电中，一般说来，电极的几何构形起着重要作用l3 0 】。电场的不均匀把电离 过程局限于局部电场很高的电极附近区域，这个区域称为电离区域，或称之电晕层或起 晕层。在这个区域之外，由于电场弱，不发生电离，电流的传导依靠正离子、负离子和 电子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被称为迁移区域或电晕外区。若两极中仅有 一个电极起晕，则放电的迁移区域中基本上只有一种符号的带电粒子。在此情况下，电 流是单极性的。 形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大的关系【3 1 ，在负电性的气体中 ( 如气压为1 0 5 p a 的空气) ，当电极为球平面几何构形，电极间隙为球半径时，可建 立电晕放电，与此相反，若充以非负电性气体，则不会产生电晕放电现象。 电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小、电极的形状、极间距离、气 体的性质和密度f 32 1 。电晕放电是一种自持放电，他不需要外加电离源来引发和维持放电。 另外，电晕放电的电压降不取决于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导；在 迁移区域内存在单极性的空间电荷时，它妨碍着放电电流的通过，此时电晕放电的压降 大部分落在迁移区域上。 当两电极间的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这时的电流很 微弱，其大小决定于剩余电离；当电压增加到一定数值时，电晕放电发生了，该电压称 为起晕电压，它的大小数值由电极间电流的突然增大( 从大约1 0 0 4 到1 0 。6 a ) 和在曲率 半径较小的电极处朦胧的辉光的出现表征。若继续增大电位差，则电流强度将增大，发 光层的大小及其亮度也同时增加。当外加电压比起晕电压高很多时，电晕放电会转变为 火花放电发生火花的击穿【3 3 j 。 电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极的极性。如果曲率半径小的电极带正 电位，则发生的电晕称为正电晕。反之则称为负电晕。此外，按提供的电压类型也可以 将电晕放电分为直流电晕，交流电晕和高频电晕。按电晕电极的数目来分类时，则有单 极电晕、双极电晕和多极电晕【3 ”。电晕放电现象的应用很广，例如除尘器、高速打印机、 漂白装置等。在某些场合，又不希望它发生，如高压传输线上的电晕会引起电能的损耗 和对广播电视的干扰。 6 二、电晕放电的阈值判据 ( 一) 、在曲率半径较小电极处的闽值场 电晕放电起始于单个电子雪崩，该雪崩由一个电子所激发；自持放电的汤生判据为： y 【e x pl ( 口一叩) 胡一1 】= 1 ( 1 ) 这里口和叩为汤生第一电离系数和吸附系数，y 为次级电离系数，他们都是有效局 部电场e 和气压p 比值的函数，其中有效局部电场e 是外加电场和由雪崩所产生的空间 电荷场的叠加【3 5 】。 在一个不均匀电场中，雪崩在电场为最大值的那些区域附近发展，即在电极曲率半 径最小的地方发展。为了产生电晕放电，雪崩需满足一定的条件。除了特殊情况以外， 当曲率半径小的电极处的电场与曲率半径较大电极处的电场的比值足够大时，电晕放电 才能发生。“足够大”取决于电极的几何结构，例如：在空气中，对两根半径为r 间距 为d 的平行导线，如果比值d r o 5u m 的微粒，以电场荷电为 主；对d d o 1 5u m 的微粒，以扩散荷电为主；对于粒径介于o 1 5 o 5u m 的粒子，则 需要同时考虑这两种过程 4 5 【4 6 1 。 ( 一) 、电场荷电 荷电量的计算对单极电晕电场条件下的电场荷电过程的研究，虽是针对于具体有均 匀离子浓度的均匀电场中的鼓励球型粒子进的。但对于大多数电除尘的过程，这些条件 是能够满足的。 将一个不带电的荷的粒子罨于正电晕电场中，由于气体离子的碰撞粒子而导致粒子 荷电，随着粒子上累计电荷的增加，这些电荷产生的电场也越来越强，最后导致再也没 有气体离子够到达粒子表面，此时粒子上已达到饱和。用经典电学方法可以求得荷电 速率和电荷，这里仅给出上述计算结果粒子获得的饱和电荷： p g = 3 万( i ) 占o d ；e 占十上 式中：s 粒子相对介电常数 氏真空介电常数，等于8 8 5 1 0 - 1 2 f 所 e 电场强度，v m 影响电场荷电的因素：影响对于离子特性是颗粒的粒径d 和介电常数s ；对于电晕 电场则是电场强度磊和离子密度n 。对于大多数工业电除尘器，荷电压电场强度为3 6 k v c m 。对于大多数材料1 占1 0 0 ，对不同气体，离子的迁移率稍有不同，同一 种气体的正负离子迁移率也略有差别。实验表明在海平面处，大气中离子的迁移率为 9 2 1 0 。聊2 ( s y ) 。一般电场荷电所需要的时间小于o 1s 。这个时间相当于气流在除尘 器内流动1 0 _ _ 2 0 c m 所需要的时间，所以对于一般电除尘器，可以认为粒子进入除尘 器后立刻达到了饱和电荷。 ( 二) 、扩散荷电 离子热运动引起它们通过气体扩散，并与存在于气体中的粒子碰撞，使粒子荷电。 粒子上累积的电荷虽然会产生排斥电场，阻止其它离子接近荷电离子，但是，与电荷 过程相反，并不存在扩散荷电的最大极限值，因此根据分子运动理论，并不存在离子动 能的上限。粒子在这些条件下的荷电量取决于离子热运动动能、粒子的大小和荷电的 时间。 利用分子热运动理论可以导出扩散荷电的理论依据 九：三竺唾堕l n ! ：堕骂 p 2 、 8 占。耵7 式中：k 玻尔兹曼常数 t 气体温度，k e 电子电量，e = 1 6 1 0 一1 9 c 玎气体离子的平均热运动速度。耐s 电场荷电和扩散荷电综合作用对于粒径处于中间范围( 0 1 5 珈5 j 删) 的粒子， 同时考虑电场荷电和扩散荷电作用是必要的。描述这良种荷电过程同时能够的微分方程 不能用解析方法求解，必须借助于凝思解法或数值解法。 五、磁增强电晕放电原理 ( 1 ) 磁增强电晕放电的主要机理就是在放电极附近的电离区内自由电子的拉莫运动增 强了低温等离子体，荷电粒子在磁场中受到洛仑兹力的作用发生偏转，延长了荷电粒子 在荷电器内的停留时间，从而能更有效的进行荷电。本文采用永久性磁铁，对这种新型 的预荷电器和传统的预荷电器进行了比较，并分析了磁增强预荷电器的荷电机制。这种 新型的预荷电技术能有效的捕集微细尘粒。本文主要研究了磁增强电晕放电的放电特性 和放电机理，并在理论上分析了放电机制，比较了磁场对正、负电晕放电的影响。由于 负极性电晕放电比正极性电晕放电的起始电晕低，击穿电压高，降低了试验装置的技术 要求，所以本文采用负极性电晕放电进行研究。研究表明：在负电晕放电条件下，磁场 能有效的增加离子和自由电子的浓度。 ( 2 ) 等离子体的磁约束作用：我们都知道带电粒子在磁场中要受到与它速度垂直方向 一2 的洛论兹力的作用厂= g 馏 根据牛顿第二定律有厂= 卅口有：g 诏= 车 由此我 1 0 们得到r ：罢，公式表明了带电粒子在磁场中的回旋半径r 与磁感应强度b 成反比， g 占 磁场越强，半径越小，这样一来，在很强的磁场中，每个带电粒子的活动便被约束到个 一根磁感线附近很小的范围内。也就是说带电粒子回旋轨道的中心只能沿着磁感应线做 纵向的移动，而不能横越它，只有当粒子发生碰撞时，引导中心才能由一根磁感线跳到 另一根磁感线上，等离子体是由带电粒子组成的，正是由于上述的原因，磁场可以使带 电粒子横向输运过程受到了很大的限制。根据受控热核反映的原理，我们也正在改进我 们的磁约束方法，不仅要求引导中心受到横向的约束，也希望有纵向的约束。我们分析 这个，当一个带电粒子作圆周运动时，它等效于一个小线圈，设它的带电量为q ，回旋 频率为f ，回旋半径为r ，则等效线圈中的电流i = q f 面积 s ：斌z ，从而磁距肼：腰：趣肛z 。对于在磁场中的回旋运动，可知， ：墨竺， 2 刃竹 1， r ：竺，于是该离子的磁距为m ：至：掣，理论可以证明，在梯度不是 r = 三，于是该离子的磁距为m = 至= 学，理论可以证明，在梯度不是 太大的情况下，带电粒子的磁距m 是个不变的量，亦即，当带电粒子由较弱的磁场区 进入较强的磁场区的时候，它的横向动能! 擎也要安比例增加。然而由于洛仑兹力是不 做功的带电粒子的总动能罢 = 兰竺等监2 也不变，这样一来，纵向动能：孚和纵向 和平行方向的速度就要减少，若某个地区磁场变得足够强，平行方向还有可能变为零。 这时引导中心沿着磁感线的运动就被抑止，而后沿着反方向运动，带点粒子的这种运动 方式就象光线通过镜面发生反射一样，所以通常把这样的一种由弱到强的磁场位形，叫 做磁镜。 第三章试验部分 一、实验的目的 通过实验研究了磁增强预荷电除尘技术对颗粒层过滤除尘效率的影响，同时确定其 最佳磁电极结构和施加电压以及风压的大小。 二、实验的装置与材料 自制的小型净化器装置：由风机、烟道、预荷电器、过滤实体和出口烟道组成。风 机：2 5 0 m ，上海万科制造；进口烟道长：9 0 0 m m ，半径：3 0 m m ；出口烟道长：9 0 0 m m ， 半径：2 7 m m ；预荷电器：筒长1 2 0 m m ，半径：3 0 i i l i n 。过滤实体：外壁为有机玻璃筒， 有机玻璃筒的内壁附一片薄铜板，作为静电增强电场的收集极；有机玻璃筒的中心轴处 有一根金属管，作为静电增强电场的电晕极。滤料填加在电晕极和收集极之间，过滤层 厚度为2 2 0 n u n ，滤料采用石英砂，平均粒径为2 m m ，滤料的孔隙率为o 4 7 。 1 风压机2 预荷电3 过滤器4 前管道 5 r e a rp i p e6 迸尘口7 初始灰尘浓 度测量8 风压测量9 过滤后粉尘浓度测量1 0 风速仪 1 1 控制台1 2 高压荷电电源1 3 高压过滤电源 1 2 实验装置装配图 1 滤板2 。外壳( 1 )3 。小垫块4 。大垫块5 。螺柱( 4 ) 6 。螺帽( 4 ) 7 。夹 板( 2 )8 。绝缘垫块( 1 ) 9 。垫圈( 4 ) 1 0 。磁块 1 l 。网筒1 2 。绝缘架( 1 )1 3 。铁 杆( 】) 1 4 。前锥体( ” 】5 。螺帽( 】6 ) 1 6 。螺柱( 】6 )】7 。绝缘螺帽( 2 )1 8 。垫圈 ( 2 ) 1 9 。高压电缆( 1 )2 0 。后锥体( 1 ) 2 1 。绝缘垫扳( 1 )2 2 后通道2 3 。前通道 2 4 。垫圈( 8 )2 5 。反吹管2 6 排灰阎2 7 绝缘垫块2 8 发尘段2 9 堵板3 0 垫块 1 天平：t g 3 2 8 b 型，上海精密科学仪器有限公司生产。 2 空气采样器：g s 3 型交直流两用大气采样机。 3 风速仪：g d f 3 型热球式风速计。 4 u 型管压力计 5 实验粉尘采用取自汽车厂热电厂静电除尘器后段的粉尘，粉尘比电阻约为：3 6 1 0 8 0 实验进灰采用自制的进灰装置：在一个密闭的广口瓶的瓶盖上，钻两个孔，插入两 个导气管，一根接空压机，另一根导气管用胶管连入进口烟道。空压机控制一定的压力。 瓶中装入粉尘后，开启空压机，粉尘在瓶内即会沸腾，这样就可以保证另一根导气管向 实验装置输入的粉尘是均匀的。 三、实验的方法与步骤 ( 一) 实验计算方法及参数设定 计算公式： q = 万r 3 1 0 3 v x 6 0 = 6 9 8 1 3 v 1 0 3( 6 ) q 采样器流量( l 面n ) r 采样头半径( m m ) v 一采样点风速( n 1 s ) 仁旦1 0 3 ( 7 ) g c 烟尘浓度( g ，m 3 ) 一采样时间( m i n ) m 一t 时间后采得的烟尘质量( g ) m 可n 2 - m l ( 8 ) m l ，m 2 采样前、后的滤筒质量( g ) q = 刀( r ) 3 1 0 x v 6 0 ；1 6 9 5 6 v ( 9 ) r 迸、出口管道半径( m m )v 管道内风速( 1 1 1 s ) 订：! ! 垡二垒垡。l o 似：! ! ! 竺! 二! ! ! ：! 垫。1 0 0 ( 1 0 ) 。 q q 9 0 0 卵去除效率( ) c l ，c 2 分别为净化器进口、出口处烟尘浓度( g ，m 3 ) 纠，g 分别为净化器进口、出口烟气流量( l ，m i n ) 实验参数：处理器前风速v l ：2 o m s ，则处理器后风速v 2 测得：2 0 5 i n s ( 处理器的气密 性一定) ：采样头的半径r ：1 9 m m ；则可计算得：处理器前的采样管流量q l ：1 4 0 l m i n ， 处理器后的采样管流量q 2 ：1 4 3 l m i n ；进口管道半径吖：3 0 m m ；出口管道半径：2 7 m m ； 采样时间t ：3 m i n ( 二) 实验步骤 1 采样滤筒在使用前先用软毛刷将滤筒外部灰尘和纤维屑弹去，编号后放在2 0 0 烘箱 内，烘6 0 m i n 。烘好后的滤筒放在干燥器内，冷却6 0 m i n ，然后，放在万分之一的分析 天平上称重，记下重量m l 。 2 粉尘放入1 0 0 的烘箱中，烘3 0 m i n ， 3 开启风机，热线式风速仪调满度和调零后，测量进口管道风速，调节风量调节阀， 使进口风速保持2 o 州s 。由于处理器的气密性一定，故出口管道风速为2 0 5 州s 保持不 变。此时记录下u 型管的风压差值。 4 在进灰瓶中装入烘好的粉尘。开启风机，空压机进灰，同时打开空气采样泵，调节 流量，进口1 4 l m i n ，出口1 4 3 l l m i n 。开始计时，采样时间3 m i n 。 5 采样结束后，同时关闭采样器、空压机和风机。将滤筒从采样器中轻轻的取出，放 入1 0 0 烘箱内烘3 0 m i n ，然后放到干燥器内冷却3 0 m i n 称重，记下质量m 2 。 6 当有加电的情况时，在采样前，开启风机后，加电，调节电压，其他步骤同上。 7 实验加电的不同状态有：无预荷电，无静电增强；有预荷电( 电压分别为1 0 k v ， 1 5 k v 、1 7 5 k v 转化成平均场强分别为2 6 3 k v 咖、3 9 5 k v c m 、4 6 1 k v c m ) ，无静电增 强；无预荷电，有静电增强( 电压分别为1 0k v 、1 5k v 、2 0k v 转化成平均场强为 1 2 5 k v c m 、1 8 7 5 k v c m 、2 5 k v ，c m ) ：有预荷电( 电压为1 5k v 即平均场