一种颗粒物荷电量测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及颗粒物荷电量测量装置及方法，所述装置包括顺次连接的气瓶、颗粒发生装置、荷电器、检测器和引风机，所述气瓶与颗粒发生装置之间设有第一流量计，检测器与引风机之间设有第二流量计；所述荷电器设置在检测器左端，检测器右端通过管道与引风机连通；所述荷电器通过第一导线与荷电器高压电源相连，检测器通过第二导线与检测器高压电源相连。本发明结构简单，设计合理，能够精准测量静电除尘器中各单一颗粒的荷电量，从而研究静电除尘器颗粒的荷电机理；有助于静电除尘系统进行设计和研究，从而提高静电除尘器除尘效率，有效地控制燃煤烟气颗粒物的排放。
【专利说明】 一种颗粒物荷电量测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种荷电量测量装置及方法，具体地说是涉及一种颗粒物荷电量测量装置及方法，属于环境保护领域。
【背景技术】
[0002]随着工业的发展，我国目前的大气污染问题日益严重，污染物日益增多，其中固体颗粒物含量占我国大气污染物的首位，其浓度是衡量大气污染程度的一个重要标志。我国大气颗粒物的主要来源为燃煤电厂排放的大量烟尘，且这些烟尘基本上都属于对人体健康危害极大的可吸入颗粒物PMlO及PM2.5，这一问题已引起全国各界的广泛关注。燃煤电厂是我国PM2.5的主要来源之一，我国燃煤电厂的烟尘排放量约占全国工业烟尘排放量的50%，大多燃煤电厂排放的烟尘中PM2.5的比例大于50%。
[0003]现有技术中，采用静电除尘器治理大气颗粒物是较为常用的一种方法，静电除尘器在燃煤电厂应用中的除尘效率可达99.99%，然而其对亚微米级的颗粒脱除效果却不够理想，总脱除效率不到50%。
[0004]颗粒在静电除尘器中荷电过程主要分为电场荷电和扩散荷电两种情况，电场荷电为负离子在电场力的作用下射入体积大得多的粉尘颗粒内使其荷电；扩散荷电为离子做不规则热运动而与粉尘颗粒碰撞使其荷电。颗粒的荷电量直接影响了其受力情况和收尘效果，因此，针对不同粒径颗粒荷电量进行准确的测量，有助于静电除尘系统进行设计和研究，从而提高静电除尘器除尘效率，有效地控制燃煤烟气颗粒物的排放。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于提供一种颗粒物荷电量测量装置及方法，该装置能够精准测量静电除尘器中各单一颗粒的荷电量，从而研究静电除尘器颗粒的荷电机理。
[0006]本发明采用的技术方案为:
一种颗粒物荷电量测量装置，所述装置包括顺次连接的气瓶、颗粒发生装置、荷电器、检测器和引风机，所述气瓶与颗粒发生装置之间设有第一流量计，检测器与引风机之间设有第二流量计；所述荷电器设置在检测器左端，检测器右端通过管道与引风机连通；所述荷电器通过第一导线与荷电器高压电源相连，检测器通过第二导线与检测器高压电源相连。
[0007]优选地，所述荷电器包括荷电器上端、由荷电器接地极构成的荷电器中部、荷电器下端、均流板和放电极，荷电器上端、由荷电器接地极构成的荷电器中部、荷电器下端之间通过螺纹连接形成荷电器本体；均流板布设在荷电器上端与荷电器接地极之间的凹槽中，放电极与均流板固定连接，放电极通过第一导线与荷电器高压电源相连；所述荷电器上端顶部设有气流进口，荷电器下端底部水平方向上设有气流出口。
[0008]优选地，所述检测器包括检测器本体、检测器上极板和检测器下极板，检测器上极板和检测器下极板分别与检测器本体内壁卡接；检测器上极板通过第二导线与检测器高压电源相连，检测器下极板通过导线接地。
[0009]优选地，所述检测器下极板包括不锈钢外框和导电玻璃片，所述导电玻璃片依次并列布设于不锈钢框内形成长方形极板；所述长方形极板面积与检测器上极板面积相等，所述检测器上极板采用不锈钢材质，其形状呈长方形。为了通过光学显微镜检测收集到的颗粒物，特别使用拼接起来的导电玻璃板代替常规不锈钢板，不锈钢外框起到固定玻璃板和促进电流均匀的作用。
[0010]优选地，所述荷电器本体的主体结构为空心圆柱体，其荷电器上端顶部渐缩为内径小于主体结构的圆柱体作为气流进口 ；其荷电器下端顶部带有方形盖板，荷电器下端底部渐扩为水平布置的空心长方体作为气流出口，气流出口面积与主体结构空心腔圆面积相等。方形盖板上加工有法兰与检测器本体连接；水平布置的空心长方体作为气流出口，保持长方体气流出口面积与空心腔圆面积相等。
[0011]优选地，所述均流板上均匀布设有若干个均流圆孔，均流板中心位置设有用于固定放电极的中心圆孔；所述放电极上端加工外螺纹，通过螺母固定在均流板中央，下端悬空于荷电器接地极中央。
[0012]优选地，所述检测器本体呈长方形，其左端通过凸起的法兰与荷电器下端的方形盖板连接，检测器右端渐缩为内径小于检测器本体的圆柱体作为检测器出口，所述检测器出口通过管道与引风机相连；所述第二流量计设置在检测器出口与引风机之间的管道上。
[0013]优选地，所述颗粒发生装置为颗粒发生器、自动进样装置或鼓风式颗粒发生器；所述荷电器高压电源为压直流电源、脉冲电源、高频电源，所述检测器高压电源为负直流高压电源。
[0014]荷电器上端采用绝缘材料，如聚四氟乙烯、有机玻璃、陶瓷等绝缘材质。荷电器上端外部开孔用于穿过第一导线(高压电线)，内部开有固定均流板的凹槽，下部加工有内螺纹；荷电器接地极(荷电器中部)采用不锈钢材质，其上下两端加工有连接用的外螺纹；荷电器下端加工有内螺纹；荷电器接地极通过两端的外螺纹与荷电器上、下端的内螺纹配合连接。荷电器上端、荷电器接地极和荷电器下端三部分通过螺纹连接，连接后其内圆柱腔直径相同，形成主体结构为空心圆柱体的荷电器本体。主体结构的空心腔圆面积与荷电器下端水平方向上的气流出口面积相等，从而保证荷电器内气流流速不变。
[0015]所述的均流板采用聚四氟乙烯、有机玻璃、陶瓷等绝缘材质；所述的放电极采用不锈钢材质，为圆柱形结构，放电极上端加工外螺纹，通过螺母固定在均流板中央，下端悬空于接地极中央，同时放电极上端通过第一导线连接负高压直流电源，从而通过电晕放电使颗粒流荷电。荷电器下端的气流出口采用有机玻璃材质，其上部为有方形盖板的空心圆柱体，该空心圆柱体的上部中心位置加工有内螺纹与放电级连接，方形盖板上加工有法兰与检测器本体连接；下部渐扩为水平布置的空心长方体作为气流出口，保持气流出口面积与上部空心圆柱体的空心腔圆面积相等。
[0016]检测器本体采用有机玻璃材质，整体为长方形，用于引导检测器内气流流向；检测器上极板采用不锈钢材质，检测器本体上开设有孔用于穿过第二导线，检测器上极板通过第二导线连接检测器高压电源，用于与平行的检测器下极板一起产生匀强电场；检测器下极板采用不锈钢外框，框内部刻有固定槽，用以固定导电玻璃片；检测器下极板接地，不仅用于与检测器上极板产生匀强电场，同时还用于颗粒物的收集，以达到采用和检测的目的。检测器上极板和检测器下极板分别与检测器本体内壁卡接，便于检测器上、下极板的更换。
[0017]所述的引风机用以使检测器内产生均匀空气流，从而使荷电器内流出的颗粒流与空气流速保持一致，从而相对静止。
[0018]所述的气瓶可以为常用压缩气瓶，用于给出气流，气流与颗粒混合后进入荷电器中使颗粒荷电；可采用空气气瓶，其还可用于调节气氛及湿度等。
[0019]一种测量颗粒物荷电量的方法，包括下述步骤:
(1)气瓶输出的气流通过第一流量计控制流速后，在颗粒发生装置中与颗粒物混合并通过气流进口进入荷电器内；
(2)进入荷电器的颗粒物通过放电极与荷电器接地极之间的电晕放电进行荷电后，从气流出口水平运动进入检测器中；
(3)颗粒物进入检测器后，在检测器上极板与检测器下极板之间产生的匀强电场作用下进行定向运动，并降落在荷电器下极板的不同位置；其中，通过第二流量计调节引风机的风量，保持检测器中气流流速与荷电器气流出口流速相等；
(4)取出检测器下极板中的导电玻璃片，用光学显微镜观察颗粒所落下的位置和颗粒大小，并通过颗粒受力分析，得到颗粒水平运动距离，计算得到各个颗粒荷电量。
[0020]优选地，所述检测器外侧还设有PIV光学检测系统。可以对加测器内两个极板之间的颗粒运动进行拍摄，更加直观，对拍摄结果进行处理和分析也可直接得到颗粒流的平均荷电量等结果。
[0021 ] 本发明的颗粒物荷电量测量装置，颗粒物随正压气流从荷电器气流进口进入荷电器，在荷电器中部电晕区荷电，再通过荷电器下端的气流出口进入检测器的匀强电场中；颗粒物在匀强电场中进行匀速运动，并最终被检测器下极板收集；在检测过程中，通过调节引风机风量，使检测器中气流流速与荷电器气流出口流速相等，从而不影响颗粒在气流中的匀速运动。最后，通过取出检测器下极板中的导电玻璃片，用光学显微镜观察颗粒所落下的位置和颗粒大小，并通过颗粒受力分析，得到颗粒水平运动距离，计算得到各个颗粒荷电量。
[0022]本发明结构简单，设计合理，能够精准测量静电除尘器中各单一颗粒的荷电量，从而研究静电除尘器颗粒的荷电机理；有助于静电除尘系统进行设计和研究，从而提高静电除尘器除尘效率，有效地控制燃煤烟气颗粒物的排放。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明荷电器的结构示意图；
图3是本发明检测器下极板的结构示意图；
图4是本发明荷电器下端的结构示意图；
1.检测器本体2.检测器下极板3.检测器出口 4.引风机5.检测器上极板6.检测器高压电源7.荷电器高压电源8.荷电器上端9.均流板10.荷电器放电极11.荷电器接地极12.荷电器下端13.颗粒发生装置14.气瓶15.气流进口 16.气流出口 17.凹槽18.不锈钢外框19.导电玻璃片20.方形盖板21.第一导线22.第二导线23.有方形盖板的空心圆柱体24.第一流量计25.第二流量计。【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]实施例1
参照图1?4，一种颗粒物荷电量测量装置，包括顺次连接的气瓶14、颗粒发生装置13、荷电器、检测器和引风机4，所述气瓶14与颗粒发生装置13之间设有第一流量计24，检测器与引风机4之间设有第二流量计25 ;所述荷电器设置在检测器左端，检测器右端通过管道与引风机连通；所述荷电器通过第一导线21与荷电器高压电源7相连，检测器通过第二导线22与检测器高压电源6相连。
[0026]荷电器包括荷电器上端8、由荷电器接地极11构成的荷电器中部、荷电器下端12、均流板9和放电极10，荷电器上端8、由荷电器接地极11构成的荷电器中部、荷电器下端12之间通过螺纹连接形成荷电器本体；均流板9布设在荷电器上端8与荷电器接地极11之间的凹槽17中，放电极10与均流板9固定连接，放电极10通过第一导线21与荷电器高压电源7相连；所述荷电器上端8顶部设有气流进口 15，荷电器下端12底部水平方向上设有气流出口 16。
[0027]荷电器上端8采用聚四氟乙烯材料，荷电器上端8外部开孔用于穿过第一导线(高压电线)，内部开有固定均流板的凹槽17，下部加工有内螺纹；荷电器接地极11 (荷电器中部)采用不锈钢材质，其上下两端加工有连接用的外螺纹；荷电器下端12加工有内螺纹；荷电器接地极11通过两端的外螺纹与荷电器上、下端的内螺纹配合连接。荷电器上端8、荷电器接地极11和荷电器下端12三部分通过螺纹连接，连接后其内圆柱腔直径相同，形成主体结构为空心圆柱体的荷电器本体。
[0028]均流板9采用聚四氟乙烯材质，所述均流板上均匀布设有若干个均流圆孔，均流板中心位置设有用于固定放电极的中心圆孔；所述的放电极10采用不锈钢材质，为圆柱形结构，放电极10上端加工外螺纹，通过螺母固定在均流板9的中心圆孔中，下端悬空于荷电器接地极11中央，同时放电极10上端通过第一导线21连接负高压直流电源，从而通过电晕放电使颗粒流荷电。荷电器下端12的气流出口 16采用有机玻璃材质，其上部为有方形盖板20的空心圆柱体23，该空心圆柱体23的上部中心位置加工有内螺纹与放电级10连接，方形盖板20上加工有法兰与检测器本体I连接；下部渐扩为水平布置的空心长方体作为气流出口 16，保持气流出口 16面积与上部空心圆柱体的空心腔圆面积相等，从而保证荷电器内气流流速不变。
[0029]检测器包括检测器本体1、检测器上极板5和检测器下极板2，检测器上极板5和检测器下极板2分别与检测器本体I内壁卡接；检测器上极板5通过第二导线22与检测器高压电源6相连，检测器下极板2通过导线接地。
[0030]检测器下极板2包括不锈钢外框18和导电玻璃片19，所述导电玻璃片19依次并列布设于不锈钢外框18内形成长方形极板；所述长方形极板面积与检测器上极板5面积相
坐寸ο
[0031]检测器本体I采用有机玻璃材质，整体为长方形，用于引导检测器内气流流向；检测器上极板5采用不锈钢材质，检测器本体I上开设有孔用于穿过第二导线22，检测器上极板5通过第二导线连接检测器高压电源6，用于与平行的检测器下极板一起产生匀强电场；检测器下极板2采用不锈钢外框18，框内部刻有固定槽，用以固定导电玻璃片19 ;检测器下极板2接地，不仅用于与检测器上极板5产生匀强电场，同时还用于颗粒物的收集，以达到采用和检测的目的。检测器上极板5和检测器下极板2分别与检测器本体I内壁卡接，便于检测器上、下极板的更换。
[0032]检测器本体I左端通过凸起的法兰与荷电器的方形盖板20连接，检测器本体I右端渐缩为内径小于检测器本体的圆柱体作为检测器出口 3，所述检测器出口 3通过管道与引风机4相连；所述第二流量计25设置在检测器出口 3与引风机4之间的管道上。
[0033]颗粒发生装置为鼓风式颗粒发生器；所述荷电器高压电源为高压直流电源，所述检测器高压电源为负直流高压电源。引风机用以使检测器内产生均匀空气流，从而使荷电器内流出的颗粒流与空气流速保持一致，从而相对静止。气瓶可以为常用压缩气瓶，用于给出气流，气流与颗粒混合后进入荷电器中使颗粒荷电；也可采用空气气瓶，除用于给出气流还可用于调节气氛及湿度等。
[0034]气流从气瓶14给出，通过流量计控制流速后在颗粒发生装置13中与细颗粒混合并进入荷电器，荷电器连接高压直流电源7，通过放电极10和荷电器接地极11之间的电晕放电进行荷电，然后从荷电器下端12水平方向的气流出口 16水平运动进入检测器中。检测器上极板5连接负直流电源6，检测器上极板5与检测器下极板2形成匀强电场。颗粒进入匀强电场后定向运动，大小不同或带电量不同的颗粒运动轨迹不同，从而颗粒分离并降落在荷电器下极板2的不同位置。通过显微镜观察颗粒所在位置和颗粒大小，得到颗粒水平运动距离，从而计算得到颗粒荷电量。在检测过程中，检测器通过调节引风机4的风量，使检测器中气流流速与荷电器气流出口流速相等，从而不影响颗粒在气流中的匀速运动。
[0035]如图2、图4所示，荷电器上端8、荷电器接地极11和荷电器下端12三部分通过螺纹连接，连接后其内圆柱腔直径相同，且空腔截面积与荷电器下端气流出口长方形面积相等，从而保证荷电器内气流流速不变。荷电器接地极11与荷电器上端8的内圆柱腔中留有略大于圆柱腔的空隙形成凹槽17，用于放置和固定均流板9。
[0036]如图3所示，检测器下极板2由不锈钢外框和导电玻璃片组成。为了通过光学显微镜检测收集到的灰颗粒，特别使用拼接起来的导电玻璃板代替常规不锈钢板；不锈钢外框起到固定玻璃板和促进电流均匀的作用。
[0037]此外，在实际使用中还可增加PIV光学检测系统观察颗粒在检测器内的运动轨迹。可以对加测器内两个极板之间的颗粒运动进行拍摄，更加直观，对拍摄结果进行处理和分析也可直接得到颗粒流的平均荷电量等结果。
[0038]实施例2
参照图1?4，一种测量颗粒物荷电量的方法，包括下述步骤:
(1)气瓶14输出的气流通过第一流量计24控制流速后，在颗粒发生装置13中与颗粒物混合并通过气流进口 15进入荷电器内；
(2)进入荷电器的颗粒物通过放电极10与荷电器接地极11之间的电晕放电进行荷电后，从气流出口 16水平运动进入检测器中；其中，气流出口面积与荷电器主体结构空心腔圆面积相等；
(3)颗粒物进入检测器后，在检测器上极板5与检测器下极板2之间产生的匀强电场作用下进行定向运动，并降落在荷电器下极板2的不同位置；其中，通过第二流量计25调节引风机4的风量，保持检测器中气流流速与荷电器气流出口流速相等；
(4)取出检测器下极板2中的导电玻璃片19，用光学显微镜观察颗粒所落下的位置和颗粒大小，并通过颗粒受力分析，得到颗粒水平运动距离，计算得到各个颗粒荷电量。
[0039]电场力:FE=Eq=Uq/h；
粘性力:Fη=6 dp μ ω /Cm ;
当检测极两极板与地面垂直布置时，颗粒在检测器中受力平衡:Fe= Fn ；
则驱进速度ω =Eq/ (3 d μ )；
通过实验可得到，颗粒运动时间:t=L/V0=h/co ；
则，ω =h*V0/L ；
所以，可以得到颗粒荷电量的计算公式为:q=3 dph2y/(UL)。
[0040]上述公式中，E为电场强度，q为颗粒荷电量，h为检测极板间距，μ为动力粘度，dp为颗粒粒径，Cm为常数，以I计，L为颗粒水平方向运动距离，VO为颗粒水平方向流速，即主气流流速，U为检测极电压。
[0041]若两检测极板与地面水平布置时，颗粒受:力平衡为FE+mg= F11,需考虑重力作用。
[0042]所述检测器外侧还设有PIV光学检测系统。可以对加测器内两个极板之间的颗粒运动进行拍摄，对拍摄结果进行处理和分析也`可直接得到颗粒流的平均荷电量等结果。
[0043]所述气瓶为压缩气瓶，可为空气气瓶，也可通过配气来调节气氛及湿度等，其输出的气流与颗粒混合后进入荷电器中使颗粒荷电。颗粒发生装置为自动进样装置；所述荷电器高压电源可为脉冲电源、直流电源或高频电源，所述检测器高压电源为负直流高压电源。引风机用以使检测器内产生均匀空气流，从而使荷电器内流出的颗粒流与空气流速保持一致，从而相对静止。
【权利要求】
1.一种颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述装置包括顺次连接的气瓶、颗粒发生装置、荷电器、检测器和引风机，所述气瓶与颗粒发生装置之间设有第一流量计，检测器与引风机之间设有第二流量计；所述荷电器设置在检测器左端，检测器右端通过管道与引风机连通；所述荷电器通过第一导线与荷电器高压电源相连，检测器通过第二导线与检测器高压电源相连。
2.根据权利要求1所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述荷电器包括荷电器上端、由荷电器接地极构成的荷电器中部、荷电器下端、均流板和放电极，荷电器上端、由荷电器接地极构成的荷电器中部、荷电器下端之间通过螺纹连接形成荷电器本体；均流板布设在荷电器上端与荷电器接地极之间的凹槽中，放电极与均流板固定连接，放电极通过第一导线与荷电器高压电源相连；所述荷电器上端顶部设有气流进口，荷电器下端底部水平方向上设有气流出口。
3.根据权利要求2所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述检测器包括检测器本体、检测器上极板和检测器下极板，检测器上极板和检测器下极板分别与检测器本体内壁卡接；检测器上极板通过第二导线与检测器高压电源相连，检测器下极板通过导线接地。
4.根据权利要求3所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述检测器下极板包括不锈钢外框和导电玻璃片，所述导电玻璃片依次并列布设于不锈钢外框内形成长方形极板；所述长方形极板面积与检测器上极板面积相等，所述检测器上极板采用不锈钢材质，其形状呈长方形。
5.根据权利要求3所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述荷电器本体的主体结构为空心圆柱体，其荷电器上端顶部渐缩为内径小于主体结构的圆柱体作为气流进口 ；其荷电器下端顶部带有方形盖板，荷电器下端底部渐扩为水平布置的空心长方体作为气流出口，气流出口面积与主体结构空心腔圆面积相等。
6.根据权利要求3所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述均流板上均匀布设有若干个均流圆孔，均流板中心位置设有用于固定放电极的中心圆孔；所述放电极上端加工外螺纹，通过螺母固定在均流板中央，下端悬空于荷电器接地极中央。
7.根据权利要求5所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述检测器本体呈长方形，其左端通过凸起的法兰与荷电器下端的方形盖板连接，检测器右端渐缩为内径小于检测器本体的圆柱体作为检测器出口，所述检测器出口通过管道与引风机相连；所述第二流量计设置在检测器出口与引风机之间的管道上。
8.根据权利要求1所述的颗粒物荷电量测量装置，其特征在于:所述颗粒发生装置为颗粒发生器、自动进样装置或鼓风式颗粒发生器；所述荷电器高压电源为压直流电源、脉冲电源、高频电源，所述检测器高压电源为负直流高压电源。
9.一种权利要求1至8之一所述装置测量颗粒物 荷电量的方法，其特征在于包括下述步骤: (1)气瓶输出的气流通过第一流量计控制流速后，在颗粒发生装置中与颗粒物混合并通过气流进口进入荷电器内； (2)进入荷电器的颗粒物通过放电极与荷电器接地极之间的电晕放电进行荷电后，从气流出口水平运动进入检测器中；(3)颗粒物进入检测器后，在检测器上极板与检测器下极板之间产生的匀强电场作用下进行定向运动，并降落在荷电器下极板的不同位置；其中，通过第二流量计调节引风机的风量，保持检测器中气流流速与荷电器气流出口流速相等； (4)取出检测器下极板中的导电玻璃片，用光学显微镜观察颗粒所落下的位置和颗粒大小，并通过颗粒受力分析，得到颗粒水平运动距离，计算得到各个颗粒荷电量。
10.根据权利要求9所述的测量颗粒物荷电量的方法，其特征在于:所述检测器外侧还设有PIV光学检测系 统。
【文档编号】G01R29/24GK103752410SQ201310734045
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】高翔, 郑成航, 骆仲泱, 岑可法, 倪明江, 张涌新, 施正伦, 王毅, 周劲松, 方梦祥, 程乐鸣, 王勤辉, 王树荣, 余春江 申请人:浙江大学