阅读说明：本技术 电子发射体及其制法与包含该电子发射体的粉尘荷电装置 (Electron emitter, manufacturing method thereof and dust charging device comprising electron emitter ) 是由 顾中铸 席剑飞 蔡杰 陆洋 吴晶晶 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电子发射体,为圆锥体,电子发射体包括2～3wt％的三元稀土氧化物,余量为钨,三元稀土氧化物包括以下质量百分数的物质：CeO-(2) 15～20wt％,La-(2)O-(3) 15～25wt％,其余为Y-(2)O-(3)。本发明还公开了一种电子发射体的制备方法,包括以下步骤：将仲钨酸铵与硝酸铈、硝酸镧、硝酸钇的水溶液进行掺杂,烘干,大温度梯度还原后,制成钨粉,再经混料、压型、预烧结,垂熔烧结、塑性加工制成。本发明还公开了一种粉尘荷电装置,包括壳体,壳体接地,壳体内设置放电阴极,放电阴极为狼牙棒型。本发明在高温环境、常温和中低温环境下均能高效、稳定地工作,提高微细粉尘荷电量,提高静电聚并及电场捕集效率。(The invention discloses an electron emitter which is a cone, wherein the electron emitter comprises 2-3 wt% of ternary rare earth oxide, and the balance is tungsten, and the ternary rare earth oxide comprises the following substances in percentage by mass: CeO (CeO) 2 15～20wt％，La 2 O 3 15 to 25 wt%, and the balance Y 2 O 3 . The invention also discloses a preparation method of the electron emitter, which comprises the following steps: ammonium paratungstate is doped with aqueous solution of cerium nitrate, lanthanum nitrate and yttrium nitrate, the mixture is dried and reduced at a large temperature gradient to prepare tungsten powder, and the tungsten powder is prepared by mixing, pressing, pre-sintering, vertical sintering and plastic processing. The invention also discloses a dust charging device which comprises a shell, wherein the shell is grounded, and a discharge cathode is arranged in the shell and is of a wolf tooth rod shape. The invention is inThe device can work efficiently and stably in high-temperature environment, normal-temperature environment and medium-low temperature environment, improves the charge capacity of fine dust, and improves the electrostatic coalescence and electric field trapping efficiency.)

电子发射体及其制法与包含该电子发射体的粉尘荷电装置

技术领域

本发明涉及烟气净化装置及制法，具体为一种电子发射体及其制法与包含该电子发射体的粉尘荷电装置。

背景技术

作为电力、冶金、化工等领域的一个国际性课题，烟气净化愈来愈引起人们的高度关注，其中微细颗粒物的脱除是难点。静电除尘技术具有除尘效率高、阻力损失小、处理气体流量大、适应范围广等优点，所以在通风除尘及烟气净化等领域得到了广泛的应用，但由于工作电压与阴极放电强度所限，传统的静电除尘器尽管对比较大的颗粒有很好的除尘效果，但对于微细颗粒物，尤其是PM2.5的脱除效率较低。为了改善对微细粉尘的净化效果，一是强化静电除尘器阴极的放电性能，提高荷电区电流密度，从而增加微细粉尘的荷电量；二是使微细粉尘异极性荷电(部分荷以正电荷，其它荷以负电荷)，通过静电聚并变大。近年来，人们应用高压脉冲电源代替传统静电除尘器的工频或高频电源，由于脉冲电源在短时间内使用窄脉冲高压，脉冲放电可以产生高密度的低温等离子体，从而改善粉尘颗粒的荷电效果。

但现有的放电阴极是由普通金属或合金材料(如不锈钢或钛合金等)制成，由于其表面逸出功高(4ev以上)，内部自由电子难以克服表面束缚而发射出来，影响了阴极放电性能；为此，国内南京师范大学和北京工业大学曾运用粉末冶金技术制备添加稀土氧化物的钨基功能复合材料(稀土钨)，稀土钨的表面逸出功低(3ev左右)，在一定的外加电压下或加热到一定温度后，可以发射出自由电子，从而使粉尘荷电。

目前稀土钨阴极仅被应用于高温直流电源静电除尘技术，但在常温或中低温环境下，由于现有相关技术使用的是直流电源，加之阴极采用稀土钨圆杆结构，不仅气体起始放电电压高，而且难以维持稳定、高强度的放电过程，无法实现对PM2.5的高效捕集。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种逸出功显著降低、气体放电性能好的电子发射体，本发明的另一目的是提供一种简单方便的电子发射体的制备方法，本发明的再一目的是提供一种能够促进微细粉尘异极性荷电的粉尘荷电装置。

技术方案：本发明所述一种电子发射体，为圆锥体，电子发射体包括2～3wt％的三元稀土氧化物，余量为钨，三元稀土氧化物包括以下质量百分数的物质：CeO₂ 15～20wt％，La₂O₃ 15～25wt％，其余为Y₂O₃。电子发射体的逸出功降至2.74ev，比现行电晕式静电除尘器的普通金属阴极，如不锈钢、钛合金等，芒刺线、锯齿线和针刺线等下降30％以上，比现有热电子发射式颗粒物荷电装置中的稀土钨阴极降低10％左右，从而显著增强了阴极的电子发射和气体放电性能。三元稀土钨材料不仅逸出功低，而且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性能，在含尘烟气环境下不易被损坏。

上述电子发射体的制备方法，包括以下步骤：将仲钨酸铵与硝酸铈、硝酸镧、硝酸钇的水溶液进行掺杂，烘干，大温度梯度还原后，制成钨粉，再经混料、压型、预烧结、垂熔烧结、塑性加工，制成电子发射体。

进一步地，大温度梯度为240℃～960℃。垂熔烧结的温度为1150℃～1950℃。

一种粉尘荷电装置，包括壳体，壳体接地，作为放电区的阳极，从而在放电阴极与阳极间形成一个外加高压脉冲电场，壳体内设置放电阴极，放电阴极为狼牙棒型，通过绝缘陶瓷套管与高压脉冲电源相连，解决了高压电绝缘问题，放电阴极包括电子发射体和金属支撑杆，电子发射体为圆锥体。

进一步地，电子发射体沿金属支撑杆间隔均匀排布。电子发射体的锥度为1:2～4:5，锥尖距为15～25mm。以便产生局部高场强，使发射极放出的源电子进一步获得更高的能量，提高烟气放电的强度；烟气纵向流经放电区，从而使其中的粉尘充分荷电。

进一步地，电子发射体包括2～3wt％的三元稀土氧化物，余量为钨。三元稀土氧化物包括以下质量百分数的物质：CeO₂ 15～20wt％，La₂O₃ 15～25wt％，其余为Y₂O₃。

进一步地，壳体上设置烟气进口和烟气出口。

工作原理：将该三元稀土钨复合材料做成圆锥体形的电子发射体，均匀镶嵌在一个金属支撑杆上，构建狼牙棒型放电阴极。在外加高压脉冲电场的作用下，该狼牙棒型放电阴极能够稳定、高密度地发射出源电子，这些源电子具有较高的初始动能，再通过外加脉冲电场获得更多的能量而加速撞击烟气分子使其强烈放电，形成类似“弥散放电”现象，产生大面积均匀的低温等离子体，从而在整个电场通道内具有高密度的自由电子、负离子和正离子，有利于微细粉尘颗粒充分、均匀的异极性荷电。粉尘随烟气纵向流过放电区，其中一部分与自由电子和负离子碰撞并捕捉它们而变成带负电荷的粒子，其它粉尘与正离子碰撞并捕捉它们而变成带正电荷的粒子，导致烟气颗粒群产生异极性荷电，可显著提高微细粉尘的异极性荷电量，提高其静电聚并及电场的捕集效率。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、既适用于高温环境，又能在常温和中低温环境下高效、稳定地工作，通过形成类似“弥散放电”现象，产生大面积均匀的低温等离子体，从而在整个电场通道内具有高密度的自由电子、负离子和正离子，能同时使粉尘颗粒群产生异极性荷电，部分荷以正电荷，其它荷以负电荷，显著提高微细粉尘的荷电量，提高静电聚并及电场的捕集效率；

2、所制备的三元稀土钨复合材料的电子发射体逸出功降至2.74ev，比现行电晕式静电除尘器的普通金属，如不锈钢、钛合金等，阴极下降30％以上，比现行热电子发射式静电除尘器的稀土钨阴极降低10％左右，从而显著增强了阴极的电子发射和气体放电性能；

3、结构简单，而且能耗低，比直流电晕放电降低50％以上。

附图说明

图1是本发明放电阴极1的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1，放电阴极1为狼牙棒型，包括若干电子发射体11和一个金属支撑杆12，电子发射体11沿金属支撑杆12间隔均匀排布。电子发射体11为圆锥体，锥度为1：2～4：5，锥尖距为15～25mm。金属支撑杆12由不锈钢材料制成。电子发射体11包括2～3wt％的三元稀土氧化物，余量为钨。三元稀土氧化物包括以下质量百分数的物质：CeO₂15～20wt％，La₂O₃ 15～25wt％，其余为Y₂O₃。电子发射体11的逸出功降至2.74ev，比现行电晕式静电除尘器的普通金属阴极，如不锈钢、钛合金等，芒刺线、锯齿线和针刺线等下降30％以上，比现有热电子发射式颗粒物荷电装置中的稀土钨阴极降低10％左右，从而显著增强了阴极的电子发射和气体放电性能。三元稀土钨材料不仅逸出功低，而且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性能，在含尘烟气环境下不易被损坏。

电子发射体11的制备方法，包括以下步骤：将仲钨酸铵与硝酸铈、硝酸镧、硝酸钇的水溶液进行掺杂，烘干，240℃～960℃两阶段大温度梯度还原后，制成钨粉，再经混料、压型、预烧结、1150℃～1950℃垂熔烧结、塑性加工，制得电子发射体11。如果还原温度不在240℃～960℃范围，难以形成稀土氧化物细颗粒及其均匀弥散；垂熔烧结温度不在1150℃～1950℃区间，将导致坯条密度低及其内部稀土元素分布不均匀。上述情况均会造成电子发射体11的电子发射能力下降。

如图2，粉尘荷电装置的壳体2接地。壳体2内设有图1所示的放电阴极1，通过绝缘陶瓷套管3与高压脉冲电源4相连。圆锥体形的电子发射体11均匀镶嵌在金属支撑杆12上制成狼牙棒型放电阴极1，狼牙棒型放电阴极1连接到高压脉冲电源4的负极。壳体2上还有烟气进口5和烟气出口6，分别位于壳体2的下部和上部。

将用于发射电子的圆锥状低逸出功三元稀土钨功能复合材料镶嵌在普通金属(如不锈钢)支撑杆上，做成狼牙棒型放电阴极1，其目的：一是尽可能的节约昂贵的三元稀土钨功能复合材料；二是充分发挥低逸出功三元稀土钨功能复合材料的场致电子发射性能；三是强化在电子发射与外加高压脉冲电场的耦合作用下，烟气的放电性能，形成类似“弥散放电”，产生大面积均匀的低温等离子体，促进微细粉尘的异极性荷电。

性能测试

按照下表1的工艺参数值，设置十组装置，分别对其峰值电流密度进行测试，可以看出：脉冲电源参数(如上升沿、脉冲频率、峰值电压)以及放电阴极1结构(如电子发射体11锥度、锥间距)对粉尘荷电性能有影响。当高压脉冲电源4的上升沿、脉冲频率、峰值电压分别为800ns、50Hz、60.8KV以及放电阴极1的电子发射体11锥度、锥间距分布是4：5和20mm时，放电电流密度最大(达3.24mA/cm²)，粉尘荷电效果最佳。

表1不同锥度、锥尖距的电子发射体11的性能测试