说明书一种带电粒子消雾除霾的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种新型消雾除霾的方法和装置，具体涉及带电粒子消雾除霾的方法和相关的放电装置。
背景技术
近年来,随着社会的迅速发展,工业农业以及生活垃圾排放越来越多,这些污染物不仅包含固体污染物,还有大量的大气污染物,如炼钢厂火力发电站所排放出来的废气等.这些大气污染物对环境产生了很大的危害。这些大气污染物的主要成分有污染气体及污染悬浮颗粒等，尤其是悬浮颗粒，不仅影响大气环境，更给人们的正常生活带来不便，如最近各大城市的雾霾问题。目前雾霾影响已经引起各方重视，所以寻求一种除去空气中颗粒污染物方法技术已经越来越重要了。
目前我国的除尘技术已发展成熟，除尘设备按照除尘原理可分为五类：(1)机械力除尘设备；(2)洗涤式除尘设备；(3)过滤式除尘设备；(4)静电除尘设备；(5)磁力除尘设备。其中机械力除尘设备的除尘效率较低，且只能分离较大的颗粒(颗粒粒径大于10um)；洗涤式除尘设备体积较大，除尘能力低，且用水量多，多用于处理悬浮颗粒粒径较大且浓度较高的烟气。对含有细微悬浮污染物的气体处理效果较差；过滤式除尘设备的运行维护费用较高，需要经常更换滤袋；磁力除尘运行较稳定，但其缺点是只能除特定种类的粉尘。
静电除尘设备的工作原理是当含有污染颗粒物的气体通过接有 高压直流电源的阴极线与接地的阳极板之间的高压电场时，阴极电晕放电使得气体被电离，带上负电荷的气体离子在电场力作用下向阳极板运动，在运动过程中，这些带上负电荷的气体离子与污染物颗粒相碰，使这些颗粒带上负电荷，悬浮污染物荷电后在电场力作用下向阳极板运动，最终沉积于阳极板，达到净化气体的目的。静电除尘设备的净化效率较高，但设备较复杂，设备的安装及维护成本等较高，且除尘效果受气体温湿度影响较大。
如上所述，现有的大气除尘技术都存在类似的不足之处：或是除尘效率不高，无法消除几乎所有的污染物颗粒，或是需要较高的安装运行维护成本。这些因素都导致除尘装置无法做到高效率。简单化。低成本。使得除尘设备的普遍推广受到很大限制。大气除尘问题越来越严峻，急需寻求一种新型的除尘方法来解决该问题。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种能以较低的成本有效地除去空气中污染物颗粒的方法。其能够解决现有除尘设备效率低，成本高，推广难等问题。
电荷消雾除霾的原理：大气中自然的电离现象是普遍存在的。空气中分子由于辐射解离作用变成离子对，这些辐射主要来源于银河宇宙射线，氡同位素放射射线以及地表的伽玛射线。这些离子很少会独立存在于大气中，绝大多数都是以该离子为中心，周围聚集一些水分子。
成核过程是指两个或多个分子，其中一个为水分子，混合在一起 形成一个悬浮颗粒。目前已有证据表明宇宙射线电离效应可降低成核势垒，从而聚集形成微小的悬浮物。其中的一些悬浮物成为云中的凝结核。成核过程理论上有以下4种机理：
双分子成核：水分子与另一个分子反应成核。如铵根离子，盐酸分子，硝酸分子等。
三分子成核：水分子与另两个分子反应成核，可以是有机分子，也可以是无机分子。
离子诱导成核：水分子和另一个有机或无机分子及一个离子共同反应。
离子调节成核：水分子与另两个或更多的带电有机或无机分子发生反应，之所以被称为离子调节成核是由于这些成核分子是在反应前被离子带上电荷的。
悬浮微粒一旦形成，就会通过以下几种过程继续增长：
凝聚：液态的水分子附着聚集在悬浮微粒上从而微粒增长。
凝结：水分子由气态变为液态在悬浮微粒上凝结，并释放出热量。悬浮微粒水分子的凝结而增长，直径及质量都所有增加。值得注意的是，带电的悬浮微粒比不带电的悬浮微粒更易吸引水分子凝结，这是因为极性分子在带电体上更易凝结。仿真结果显示，带电颗粒的凝结增长率比不带电颗粒的要高至少两个量级。
吸收：当云中水滴与悬浮颗粒接触后，悬浮颗粒被水滴吸收，如果该悬浮微粒带电，那么这些电荷将转移至水滴上，这些带电的水滴将更容易吸引带电气溶胶。
静电吸引：当云中的一滴水滴接触到云和空气的边界时，该水滴一般情况下会蒸发，而水滴上的电荷将转移至该水滴的核和之前该水滴所吸收的分子上。这些电荷能够在其他水滴中引起镜像电荷从而使得该带电的核将更容易被水滴所吸收。即使该水滴所携带的电荷与核所携带的电荷极性相同，镜像电荷依然将大大的提高被吸收的概率。虽然在长距离上同电荷间有一定的斥力，但气体的自然流动将会推动直径在0。1um-1um之间的小颗粒靠近水滴，如此一来，该颗粒所携带的电荷与它在水滴上的镜像电荷间的相互吸引力将促使他们相聚集。
碰并：该机制适用于空气中的大水滴，在这些大水滴降落至地面的过程中，会于一些其他的水滴碰并。大水滴的降落速度比小水滴的要快。所以在大水滴的降落过程中会与小水滴碰撞。但是即使小水滴在大水滴的降落路径上，大水滴降落所导致的气压依然会导致小水滴绕过大水滴不发生碰撞。这就像大多数的小昆虫都不会撞上一辆大卡车一样，大卡车行进时推动空气所产生的气压将会把小昆虫给推开，使得这些小昆虫不会撞上卡车。值得一提的是，如果悬浮微粒带上50个基本电荷的话，那么悬浮颗粒与水滴间的碰撞效率将提高30倍。这可能是因为悬浮微粒带上足够的电荷后，它将会在降落的水滴上引起镜像电荷，从而更容易碰并。
相比中性不带电的分子簇，带电的分子簇更容易吸引周围的空气分子，并将以更快的速度增长至一定尺寸。这些带电分子簇来源于水分子的蒸发和凝聚，一旦成核，这些带电分子簇将更加稳定。仿真结 果表明，若电离率提高25％，则在成核8小时后，粒径大小在3-10nm范围内的颗粒的浓度将升高7-9％。
因此，银河宇宙射线电离可引起如下三个效应：1)增加悬浮微粒的凝结率，2)降低悬浮微粒的成核势垒，3)云中水滴吸收其他颗粒。银河宇宙射线降低了成核势垒，使得离子附着在小水分子簇上，形成”微离子”，从而促使带电颗粒增长。这些带电颗粒有很大的可能增长至100nm大小，这已经超过了云凝结核的标准了。也有研究表明带电悬浮微粒将更容易被云中水滴给吸收，这些水滴蒸发后所留下的微粒将更容易成为冰晶凝结核。
另外，银河宇宙射线所产生的离子正负电荷并不是等量的,而且由于正负离子的重新聚集会大大减少带电粒子的数量.而放射源电离所产生的离子正负是平衡的,绝大多数这种电离所产生的离子会因为离子间的重新结合而损失.
另一方面,电晕放电所产生的离子是单极性的,因此这些离子将相互排斥而不会结合.这就使得这些离子将都播撒到空气中,或是成核形成悬浮微粒,或是附着到已有的悬浮微粒上,使该微粒带电.
最后,电晕放电离子已被证明具有吸湿性,这一点将进一步促进离子与水滴形成带电悬浮颗粒.
总的来说，自然存在电离过程可引起如下效应:
a.降低成核势垒,凝聚形成大量的悬浮微粒.
b.使悬浮微粒更易增长.机理如上所述.
c.通过悬浮微粒与水滴的聚集达到净化空气的目的.
因此，根据上述原理，本发明提供一种带电粒子消雾除霾的装置，包括气象数据站，操作室，控制系统，能量供应系统及带电粒子发生装置，
操作室与控制系统通过传输线相连，控制系统与能量供应系统通过传输线相连，能量供应系统与带电粒子发生装置通过高压电缆相连。
气象数据站实时收集当地的气象数据,可以是通过当地的气象站直接得到数据,或是由专门的卫星提供当地的气象数据.气象数据包括当地大气的温湿度,空气中颗粒物的浓度,实时的天气情况等.气象数据站会将得到的数据传输至操作室,操作室由专门的工作人员在内部分析所得到的气象数据,并由此计算出在该大气条件下,该如何操作带电粒子发生装置,决定是否使用已经如何使用该装置的功能.如大气情况较差,污染物颗粒浓度较高,则可以提高带电粒子发生装置的运行功率,使之更快速的净化大气污染。这一部分工作可在后期实现自动化及远程操控,节省人力成本.
由操作室分析后作出的操作指令传达至控制系统。控制系统的任务即依据该指令对装置及其供能系统进行操作,如打开或关闭能量供应系统,调节输出功率等；
能量供应系统则是给带电粒子发生装置提供高压电能的部分；
带电粒子发生装置是接受能量供应系统所提供的能量,并释放带电粒子的部分，且主要是电晕放电。该部分功能可通过多种方式实现,如高压直流电离法,电子束法等。
进一步地，能量供应系统为高压电源系统，在3kV-50kV内连续可调，且具备一定的自我保护功能,如电流过流保护等,保证装置能够持续稳定运行。
进一步地，带电粒子发生装置由绝缘的框架和导电的发射电极组成，发射电极依据框架绕制而成，发射电极通过高压电缆与能量供应系统连接。
进一步地，安装电极的框架可以为圆形或方形，框架上设有小孔或安装环，发射电极穿过框架上的小孔或安装圆环绕制在框架上。
进一步地，发射电极可以为钢丝，钢丝穿过框架上的小孔或安装环依次绕制成互相平行状，钢丝直径在0.3mm至1mm之间，钢丝间距在2.5cm至20cm之间，这是因为发射电极产生的电场会互相影响导致发射的电荷效率有所下降；如果距离太远，单位面积下的发射电荷功率降低，导致装置效果降低。
进一步地，可以用风机将带电粒子发生装置产生的带电粒子吹散至雾霾区域，这样能够加快带电粒子的扩散。带电粒子发生装置可以架于风机上方，风机从带电粒子发生装置的底部送风，将带电粒子向上吹送到雾霾区。
另外，本发明还提供一种带电粒子消雾除霾的方法，包括以下步骤：
步骤1：气象数据站实时收集雾霾地区的气象数据，并将得到的气象数据传输至操作室；
步骤2：操作室分析气象数据，计算出带电粒子发生装置所需的 运行功率，确定能量供应系统的输出功率，作出操作指令传达至控制系统；
步骤3：控制系统依据操作指令对能量供应系统的输出功率进行调节；
步骤4：能量供应系统为带电粒子发生装置提供能量；
步骤5：带电粒子发生装置接受能量，电晕放电，并释放出带电粒子；
步骤6：带电粒子在水平区域按公式扩散，在垂直区域按公式q(x,0,z)=2Qπ1/2Czux1-1/2nexp[-z2cz2x2-n-λϵt];]]>扩散，其中以所述带电粒子发生装置所在位置为原点建立坐标系，q(x,0,z)代表坐标系中任一点(x,0,z)的电荷密度，q(x,y,0)代表坐标系中(x,y,0)的电荷密度，Cz表示垂直方向的扩散系数，σx、σy为水平方向的扩散系数，Q为电荷释放速率，u是平均风速，n是变化指数(0<n<1)，u为平均风速；
步骤6：带电粒子进入雾霾区，进行消雾除霾。
本发明通过带电粒子发生装置，产生电晕放电，能够降低成核势垒,凝聚形成大量的悬浮微粒，使悬浮微粒更易增长，通过悬浮微粒与水滴的聚集达到净化空气的目的，而且电晕放电离子已被证明具有吸湿性,这将进一步促进离子与水滴形成带电悬浮颗粒。本发明相对于传统的除尘方式有更高的效率,因为带电粒子除尘并无选择性,可除去空气中各类污染物颗粒,且对各个粒径大小的颗粒均具有很好的除尘效果，能够有效地降雾除霾，详细实验数据及效果见实施例。
附图说明
图1为本发明带电粒子除雾霾流程示意图；
图2为本发明带电粒子除雾霾装置的一种实施例；
图3为本发明实施例中带电粒子发生装置的俯视图；
图4为本发明发射电极与框架间的一种安装实施例；
图5为本发明发射电极与框架间的另一种安装实施例；
图6为本发明实施例的实验效果图。
附图中，1为操作室；2为工作电源；3为高压电源系统；4为高压电缆；5为带电粒子发生装置；6为风道；7为风机；8为支架。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
如图2所示，当需要进行除雾霾操作时，气象数据站实时收集雾霾地区的气象数据(未列出，可以由当地气象部门提供)，并将得到的气象数据传输至操作室1，操作室1接受来自气象数据站的气象数据，可由操作人员在此接受气象数据并进行分析后进行操作，也可 以配置自动分析操作系统；高压电源系统3包括控制系统和高压电源，当操作室1计算出带电粒子发生装置所需的运行功率，确定高压电源的输出功率后，作出操作指令并传达至控制系统，控制系统接收到操作台1的指令后，高压电源将高压直流电通过高压电缆4传导至带电粒子发生装置5处，带电粒子发生装置5开始电晕放电，即释放带电粒子进行除雾霾过程。
带电粒子发生装置5被架于风道6(由绝缘材料制成)的出口处，风道6的下端为风机7，风机7的作用是向上吹风，经过风道使得带电粒子扩散至大气中，风机7由支架8支撑，风机7由工作电源2供电。
高压电源系统3应保证电压在3kV-50kV内连续可调。且具备一定的自我保护功能，如电流过流保护等，保证装置能够持续稳定运行，能量供应系统可以由市电提供电能。
带电粒子发生装置5中绝缘部分为框架，框架结构可以是圆形或其他形状，本例以圆形框架为例，框架可选用材料为环氧板或其他绝缘性能较好的材料；导电部分为发射电极，可以采用细钢丝，钢丝材质为304钢，钢丝直径在0.3mm-1mm之间。在钢丝上通高压直流后，由于电晕效应，钢丝周围大气被电离，产生带电粒子。如图3所示，钢丝在圆形框架上平行往返绕制，装配固定完成后，钢丝间距在2.5-20cm之间，相互之间均相互导通，高压电缆4直接与钢丝相连。
如图4所示绝缘框架上打固定小孔，发射电极通过穿过固定小孔进行装配和固定。
如图5所示绝缘框架上安装固定圆环，发射电极通过穿过固定圆环进行装配和固定。
如图6，使用本装置在污染环境下工作30分钟，对装置周围的大气环境进行PM2.5的检测，可以发现，在装置开启前，大气PM2.5值高达近400，开启装置后，PM2.5迅速下降，30分钟后，PM2.5已降至100左右，由此可见本装置具有非常良好的除尘效果。
带电粒子在空中的扩散状态：
根据sutton扩散模型，计算一个地面装置在垂直剖面作用范围。考虑到电荷复合损失：Sutton扩散模型修正公式为：q(x,0,z)=2Qπ1/2Czux1-1/2nexp[-z2cz2x2-n-λϵt];]]>以带电粒子发生装置所在的位置为原点，建立坐标系，其中q(x,0,z)代表坐标中任一点(x,0,z)的电荷密度，Cz表示垂直方向的扩散系数，常数Q为电荷释放速率，u是平均风速，n是变化指数(0<n<1)。取一个地面装置的额定放电功率为10Kw，垂直上升气流为0.1m/s，经计算，地面装置垂直方向1km处电荷密度可达到105/cm3,所以该地面装置释放电荷作用高度超过1km。
根据高斯扩散模型计算地面装置的水平剖面作用范围，计算电荷复合损失，高斯扩散模型修正公式为：以带电粒子发生装置所在的位置为原点，建立坐标系，其中q(x,y,0)代表坐标中(x,y,0)的电荷密度，Q为电荷施放速率，σx、σy为扩散系数，u为平均风速。取一个地面装置的额定放电功率为10Kw，水平 平均气流为3.7m/s，径向采用Briggs扩散系数，经计算，地面装置顺风方向20km处电荷密度可达到105/cm3，径向3.6km处电荷密度可达到105/cm3，作用范围成椭圆形状。