技术装备消烟装置初步设计

摘要:为最大限度消除技术装备工作时的废气烟尘，给装备隐蔽创造有利条件，本文采用静电消烟技术对技术装备的排烟颗粒进行捕集，以降低烟气颗粒物浓度。在分析消烟装置烟气净化效率的本体结构影响因素基础上，设计了相应的静电消烟装置。为提高烟气净化效率，本文设计的静电消烟装置主要有高压电场、雾化水分调质、烟气流分布、超声波清灰、振弦栅捕集等部分组成。

关键词: 静电；消烟；伪装；净化效率

在信息化联合作战条件下，各类侦察监视手段日益发展，对武器装备的战场生存威胁越来越大。在众多侦察手段长期、不间断、高强度的监视下，技术装备工作时的废气烟尘如不加以处理，极易为敌方光学侦察装备发现和识别，战时更将面临精确制导武器的直接威胁。为降低技术装备废气烟尘的光学暴露征候，采用静电除尘技术对烟气颗粒进行静电捕集，为提高装备排烟颗粒的捕集效率，本文在烟气净化效率影响因素分析的基础上，设计了相应的静电消烟装置。

静电消烟的基本原理

静电除尘技术因其高效稳定、工作可靠而成为有色金属、冶金、电力、建材、石油、化工等行业中粉尘捕集回收和气体净化的主要方法，特别是适宜处理大流量含尘气体和高温烟气[1]，因此技术装备的排烟伪装适宜采用静电消烟方法。

静电消烟就是利用静电的吸引力对烟气中颗粒物进行捕集，当烟气流进入电场时，由于在电晕极和集尘极间施加了高电压，电晕线附近空间电场强度首先达到电离的临界值，其周围的气体被电离后产生大量的离子和自由电子，这些粒子在电场力作用下被加速，具有极高的能量，与气流中的中性分子碰撞，继而形成新的电子和离子。这些离子、电子通过碰撞、扩散在电场中荷电，荷电后的烟气颗粒在电场力作用下集尘极运动并沉积，进而将颗粒物从烟气中分离出来。

烟气净化效率的影响因素分析

烟气净化效率是指单位时间内消烟装置所收集的粉尘重量除以同一时间内进入消烟装置的粉尘总重量的百分数[4]。为便于理解，我们建立如下模型：设烟气流方向为x方向，烟气流速为v（m/s），集尘极管半径为b（m），烟气浓度为c（kg/m3），趋进速度为（m/s），在管内沿x方向任取一小段体积微元，则dt时间内沉降的微粒质量为：

（1）

带入边界条件，可得烟气净化效率：

（2）

上式也可以表示为：

（3）

为收尘面积，为单位时间处理量。从式（3）可知，影响烟气净化效率的直接因素有烟气处理量，有效收尘面积及烟尘颗粒的驱进速度等。一般情况下，当消烟装置确定后，其收尘面积和烟尘处理量即为定值，因此烟气流的驱进速度是影响净化效率的关键。驱进速度是指荷电颗粒在电场力的作用下向集尘极表面运动的速度[2]，实践中发现，烟尘粒径大小、比电阻、烟气流速、电极结构形式等都能够影响烟气的驱进速度进而影响消烟装置的净化效率。由于不同粒径的粉尘颗粒荷电机理不同，因而粒径对颗粒的驱进速度有一定的影响，实验证明荷电颗粒的趋进速度与烟尘粒子的半径成正比。烟气颗粒的比电阻实际上是烟气颗粒荷电后的放电能力，在数值上等于单位面积的粉尘在单位厚度时的电阻值。实测表明，适宜静电捕集的比电阻为104~1011[2]，当比电阻大于1011时，荷电粉尘到达集尘极后不易释放电荷，会积聚一层带负电荷的粉尘层，由于同性相斥，将使随后到达的烟尘驱进速度不断下降，粉尘层表面会呈现负电性，造成反电晕；当比电阻小于104时，荷电烟尘到达极板后，将迅速释放电荷，依附不住。消烟装置内部气流分布不均匀时，则电场内存在高、低速度区，甚至某些部位存在涡流和死角，此时在流速低处所增加的效率远不足以弥补流速高处效率的降低，因而导致总的净化效率降低[3]。当烟气流速较电子大时，气流对集尘极表面有强烈的冲刷作用，被捕集的颗粒在气流冲刷作用下，又被带入电场中，形成二次扬尘[3]。

三、 静电消烟装置初步设计

在静电消烟装置结构设计时，需要考虑技术装备排放烟气的特点，针对技术装备排烟量大、流速高、颗粒粒径小、比电阻大等特点进行初步设计。技术装备消烟装置主要有雾化室、除尘电场、振弦栅等三部分构成，高温烟气源首先通过雾化室进行降温处理，烟气与雾滴充分混合后在电晕区进行荷电，而后由集尘极对烟尘颗粒捕集，最后在消烟装置口部利用振弦栅对细小颗粒及过量雾滴进行捕集。下面分别介绍消烟装置的主体部分：

1.高压电场的设计

消烟装置的电晕场采用直径0.3cm的针状电极作为电晕线，集尘极以管状有机塑料作为支撑，外侧配以集尘圈作为收尘电极，这种结构可以在集尘管内形成稳定高压电场。利用高温烟气的热压，使烟气通过电晕场。采用这种针尖放电方式，在距离放电极3～5mm的范围内将形成电晕区，使烟气颗粒及雾滴荷电，在电晕区域外荷电后颗粒在电场力作用下迅速被集尘极捕集。

2.气流均布装置

为了使进入消烟装置的烟气流速降低、流向均匀、不形成涡流和死角[3]，在消烟装置内设置百叶窗型导流板和可旋转X型气流分布板。沿气流方向设置两层X形分布板，两板采用不同的开孔率，在分布板间加导流板，这样处理后，增加的阻力能够使烟气流速迅速降低，将分布板前面大规模的紊流分割开来，在短距离内使烟气流向均匀。另一方面当烟气通过导流板和分布板时，气流将产生转折，烟尘颗粒在这个过程中相互碰撞、凝聚，在重力和惯性力作用下一部分粉尘颗粒将会沉降，减少电场负荷。

3.烟气调质

烟气调质就是通过一些外加手段改变烟气自身的某些特性。技术装备烟气特性中，颗粒物比电阻对烟气净化效率影响最大，比电阻随着烟气温度降低、含湿量升高呈降低趋势，因此通过控制温度及烟气的湿度可以将比电阻降低到适合的范围。技术装备的排烟中含水分较少而温度又较高，因此适宜采用水分调质[4]方法对比电阻进行调整。但是常用的喷水装置结构复杂、耗水量大、因此本文采用超声波雾化方法[5]进行烟气调质。在消烟装置前级设置雾化室，雾化室内超声波震荡片置于雾化室水面下一定距离，水分子利用超声波高频振荡获得足够的动能溢出水面，产生细小的冷雾滴颗粒[6]。高温烟气与雾滴颗粒混合后，雾滴汽化吸热使烟气温度降低，同时增加了烟气的含湿量。

4.超声波清灰

静电消烟装置在投入使用后，初期净化效率较高，但是随着时间的推移，净化效率有所降低，电极积灰增多导致供电功率下降是效率降低的主要因素[7]。因此，为保持电极的“清洁”，采用超声波对电极清灰。超声波清灰是以压缩空气作为声波的能源，高强度的钦金属膜片在压缩空气源作用下产生自激振荡，把压缩空气的势能转换为低频声能，对灰层起到“声致疲劳”作用[7]，由于声波振荡的反复作用，施加于灰层的挤压循环变化的载荷使灰层的结构会因疲劳而破坏，然后利用重力将粉尘从电极表面清除。

5.振弦栅捕集

振弦栅捕集是将细丝绕制成较密的几排，形成振弦栅。当含尘气流通过振弦栅时，气流带动栅丝振动[8]，阻止气流中的粉尘通过，从而将粉尘捕捉。由于高温烟气在前阶段经过雾化降温及大部分烟气颗粒的捕集后，烟气中有少量的水合烟尘粒子及部分荷电雾滴，被振弦栅捕集后，采用超声波技术对其进行处理，声波技术在这里主要有两方面应用，一是通过声波的作用增强粉尘与水雾间的碰撞、截留作用，提高烟气净化效率。二是将凝结在振弦栅上的雾滴、烟尘颗粒等通过声波传递的能量加强振弦栅震荡使其清除。下图为消烟装置结构示意图。

图1 消烟装置结构示意图

结 语

目前，静电除尘技术广泛应用于煤矿、水泥等行业，实践证明其除尘效果非常明显，也在使用中积累了许多经验和规律。本文根据静电除尘技术在工业上的应用规律，结合技术装备排烟伪装的现实特点，初步设计了适用于技术装备排烟伪装的消烟装置。实验表明，采用本文设计的消烟装置可以有效减少柴油机烟气颗粒物的排放，降低柴油机排烟的暴露征候，光学伪装效果比较明显，具有较高的理论研究价值及良好的应用前景。

参考文献：

[1]洛成元.影响静电除尘器工作效率的主要因素和关键部件[J].石油化工应用,2008,21,(4):96-98.

[2]黎在时.电除尘器的选型安装与运行管理[M].第1版.北京:中国电力出版社,2005.

[3]黎在时.提高电除尘效率的辅助措施[J].电力设备,2005,6,(9):22-24.

[4]王艳琴.影响高压静电除尘器除尘效率的因素[J].电子科技,2008,21,(12):86-88.

[5]余松林,许卫东.采用冷雾蒸发实现地下工程排烟口红外伪装的可行性探讨[J].防护工程,2009,31,(5):56-58.

[6]许卫东,余松林.采用细水雾蒸发对烟气降温的数值模拟及实验研究[J].工兵装备研究,2010,29,(4):37-40.

[7]杨春荣.提高电除尘器效率的措施[J].资源环保,2010,(1):76-79.

[8]冯森林.振弦栅除尘器在煤矿中的应用[J].矿业安全与环保,2002,(1):28-30.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。