CH617363A5

CH617363A5 - Method and apparatus for the electrostatic precipitation of particles from a gaseous medium

Info

Publication number: CH617363A5
Application number: CH1121475A
Authority: CH
Inventors: Alan Charles Kolb; James Edgar Drummond
Original assignee: Maxwell Lab
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1980-05-30
Also published as: SE404659B; NL7510240A; DE2537931A1; FR2282943B1; FR2282943A1; IT1041549B; CA1070250A; GB1500154A; JPS5150068A; SE7509584L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Teilchen aus einem gasförmigen Medium, welches diese Teilchen trägt. The present invention relates to a method and a device for the electrostatic separation of particles from a gaseous medium which carries these particles.

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar zum Abscheiden von Partikeln von verschiedenen Grössen aus einem gasförmigen Medium, wobei diese Partikeln einen Durchmesser von weniger als 5 Mikron haben können. The present invention is applicable to the separation of particles of different sizes from a gaseous medium, which particles can have a diameter of less than 5 microns.

Die vergrösserte Betonung, welche der Senkung des Pegels von Verunreinigung von Luft zukommt, hat ihren Höhenpunkt in einem Reichtum von lokalen, staatlichen und federalen Gesetzgebungen gefunden, welche strenge Normen für Beseitigung von Partikeln aus industriellen und anderen gasförmigen Emissionen setzen. Da die Probleme der Luftverschmutzung einen grossen Teil der Öffentlichkeit betreffen, nämlich jene Leute, welche in den Städten wohnen, wo auch die Industrie konzentriert ist, kann man annehmen, dass die Normen in der Zukunft noch viel strenger sein können. Obwohl Verbesserungen sowohl in der Ausbildung als auch in der Effektivität von Einrichtungen zur Beseitigung von Partikeln fortgesetzt werden, darunter sich auch die elektrostatischen Abscheideeinrichtungen zu verstehen, haben die strengen und nun angenommenen Normen gezeigt, dass viele der vorhandenen Arten von Abscheidungsgeräten verhältnismässig uneffektiv in Entfernung von sehr kleinen Partikeln sind. Das ist mit dem derzeitigen Stand gebunden, wo die grösste Anzahl von Partikeln in industriellen, gasförmigen Exhalationen einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Mikron aufweisen und die kleinsten Partikeln bleiben in der Luft am längsten. Nach dem National Bureau of Standards Technical New Bulletin vom Dezember 1972 ergibt sich die grösste Gefahr für die Gesundheit aus dem Vorhandensein von Partikeln in Luft, welche den Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Mikron aufweisen. The increased emphasis placed on lowering the level of air pollution has culminated in a wealth of local, state, and federal laws that set strict standards for removing particles from industrial and other gaseous emissions. Since the problems of air pollution affect a large part of the public, namely the people who live in cities where industry is concentrated, it can be assumed that the standards can be much stricter in the future. Although improvements in both the training and effectiveness of particle removal devices continue to be understood, including electrostatic precipitators, the stringent and now adopted standards have shown that many of the existing types of separator devices are relatively ineffective at removing are very small particles. This is tied to the current situation, where the largest number of particles in industrial gaseous exhalations have a diameter in the range of approximately 0.1 to 10 microns and the smallest particles remain in the air the longest. According to the National Bureau of Standards Technical New Bulletin of December 1972, the greatest health hazard arises from the presence of particles in the air which have a diameter in the range of approximately 0.1 to 5 microns.

Alle elektrostatischen Niederschlagseinrichtungen verwenden zwei Ladungsmechanismen, um an einem Staubpartikel die Ladung zu bilden. Diese zwei Mechanismen sind die sogenannte Diffusionsladung und die sogenannte Feldladung. Während der Feldladung werden Ionen durch ein elektrisches Feld des Niederschlagsgerätes beschleunigt. Diese beschleunigten Ionen stossen mit einem Staubpartikel zusammen und verbinden sich mit ihm. Während das Staubpartikel diese Ladung sammelt, gibt es an diese eine Ladung als Ionen. Sobald die Staubpartikeln aufgeladen sind und die gleiche Ladung wie das Ion aufweisen, sind das Ion und das geladene Partikel bestrebt sich auseinander zu bewegen, was es für andere besonders schwierig macht, zusätzliche Ladungen zu diesem Partikel zuzuführen. Bei einer gegebenen Intensität des elektrischen Feldes und bei einer gegebenen Grösse des Staubpartikels gibt es eine Grenze, jenseits welcher die Partikeln keine zusätzliche Ladungen mehr durch Feldladung aufnehmen können. Bei kleinen Partikeln in gewöhnlichen Niederschlagsgeräten wird diese Grenze sehr schnell erreicht. Der andere Ladungsmechanismus, nämlich die Diffusionsladung, verwendet thermisch aktivierte Ionen, welche genügend Energie aufweisen, um das abstossende Feld durchzudringen und zusätzliche Ladungen dem Staubpartikel zu erteilen. Durch diesen Ladungsmechanismus werden zwar kleine Partikeln geladen, er geht jedoch ganz langsam vor sich im Vergleich mit dem Mechanismus der Feldladung. All electrostatic precipitators use two charging mechanisms to form the charge on a dust particle. These two mechanisms are the so-called diffusion charge and the so-called field charge. During field charging, ions are accelerated by an electric field from the precipitation device. These accelerated ions collide with a dust particle and combine with it. While the dust particle collects this charge, there is a charge on it as ions. Once the dust particles are charged and have the same charge as the ion, the ion and the charged particle tend to move apart, making it particularly difficult for others to add additional charges to that particle. For a given intensity of the electric field and for a given size of the dust particle, there is a limit beyond which the particles can no longer accept additional charges due to field charge. With small particles in ordinary precipitation devices, this limit is reached very quickly. The other charge mechanism, namely the diffusion charge, uses thermally activated ions, which have enough energy to penetrate the repelling field and to impart additional charges to the dust particle. This charge mechanism charges small particles, but it is very slow compared to the field charge mechanism.

Es ist allgemein bekannt, dass vorhandene, industrielle Niederschlagsgeräte bei der Beseitigung von Partikeln relativ unwirksam sind, falls die Partikeln eine Grösse von etwa 0,1 bis 3 Mikron aufweisen. Der Mangel der gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräte beruht darin, dass sie nicht im Stande sind, diese kleinen Partikeln so schnell wie die grossen Partikeln zu sammeln, weil der Diffusionsmechanismus ein Mechanismus ist, der zur Ablagerung elektrischer Ladungen am kleinen Partikel verwendet wird und dieser arbeitet allzu langsam für solche Partikeln. Ionen werden durch thermische It is well known that existing industrial precipitation devices are relatively ineffective in removing particles if the particles are about 0.1 to 3 microns in size. The shortcoming of ordinary electrostatic precipitators is that they are unable to collect these small particles as quickly as the large particles because the diffusion mechanism is a mechanism used to deposit electrical charges on the small particle and it works too slowly for such particles. Ions are generated by thermal

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Bewegung auf das Partikel getrieben, so dass das jeweilige Partikel jene sich langsamer bewegenden Ionen zurückstösst, welche weitere Ladungen an das Partikel bringen könnten, nachdem das Partikel beginnt Ladungen aufzunehmen. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden grosse Partikel durch den Ladungsmechanismus der Feldladung vorwiegend geladen, welche einer Grenze unterliegt, welche an der elektrostatischen Zurückstossung der geladenen Partikeln gegenüber den weiteren Ladungen beruht, die sich diesen Partikeln nähern. Diese Ladungen werden charakteristisch angetrieben durch ein elektrisches Feld, welches durch voneinander angeordnete Elektroden angelegt wird. Infolgedessen ist das Gleichgewicht zwischen den Anziehungs- und Zurückstossungskräften in den bekannten Einrichtungen und in der Einrichtung gemäss der Erfindung bestimmt durch die maximale Ladung, die gewonnen werden kann Ns Movement is driven onto the particle so that the respective particle repels those slower moving ions which could bring further charges to the particle after the particle begins to take up charges. In other words, large particles are predominantly charged by the charge mechanism of the field charge, which is subject to a limit which is due to the electrostatic repulsion of the charged particles with respect to the further charges which approach these particles. These charges are characteristically driven by an electric field, which is applied by electrodes arranged apart from one another. As a result, the balance between the attractive and repulsive forces in the known devices and in the device according to the invention is determined by the maximum charge that can be obtained Ns

XT 52 £ ED2 XT £ 52 ED2

NS = — NS = -

£ + 2 £ + 2

wo Ns die Sättigungsnummer von Elementarladungen ist, E ist das angelegte elektrische Feld in Kilovolt per Centimeter, D ist der Durchmesser der Partikel in Mikrometer und £ ist die dielektrische Konstante der Partikel. In gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsapparaten ist das mittlere und sammelnde Feld auf etwa 4 kV/mm beschränkt, weil es mit einem höheren Feld gebunden ist, welches eine Koronaentladung in der Nähe einer kleinen, feldsteigenden Elektrode unterstützt, und hohe Felder neigen dazu, Funkenentladungen im Gas zu bewirken. Für einen Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser beträgt das Maximum der Saturationsladung (für grosse e), welche durch das elektrische Feld in gewöhnlichem elektrostatischem Niederschlagsgerät erzeugt werden kann, etwa 20 Elektronenladungen. where Ns is the saturation number of elementary charges, E is the applied electric field in kilovolts per centimeter, D is the diameter of the particles in micrometers and £ is the dielectric constant of the particles. In ordinary electrostatic precipitators, the middle and collecting field is limited to about 4 kV / mm because it is bound to a higher field that supports corona discharge near a small field-rising electrode, and high fields tend to spark discharges in the gas cause. For a particle of 0.3 micron diameter, the maximum of the saturation charge (for large e), which can be generated by the electric field in an ordinary electrostatic precipitator, is about 20 electron charges.

In gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräten ist die Diffusionsladung die einzige effektive Ladungsweise zur Ladung von kleinen Partikeln, und zwar wegen des niedrigen elektrischen Feldes. Die Anzahl der hinzugefügten Ladungen ist durch die folgende Gleichung ungefähr gegeben: In ordinary electrostatic precipitators, diffusion charging is the only effective way to charge small particles because of the low electric field. The number of charges added is roughly given by the following equation:

N = 0,03 T T In (1 + 7,6 X 10^No D t/T1/2) N = 0.03 T T In (1 + 7.6 X 10 ^ No D t / T1 / 2)

wo T die ionische kinetische Temperatur in Graden Kelvin darstellt, N0 ist die Umgebungskonzentration von Ionen/cm3 und t ist die Zeit in Sekunden, nachdem die Feldladung beendet worden ist. Da die Ladung, welche nach einer lange Zeit andauernden Diffusion erreicht wird, dem Ausdruck DleD proportional ist, wird sie die Ladung für kleine Partikeln übertreffen, welche durch das Feld erzeugt wird. In typischen Cott-rell Niederschlagsgeräten beispielsweise beträgt die Ionendichte ein mehrfaches von 107/cm3. Bei dieser Ionendichte sind etwa 0,3 Sekunden erforderlich, um zwanzig Ladungen an einem Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser abzulagern, während 24 Sekunden erforderlich sein würden, um diese Ladung zu verdoppeln, und die Übergangszeit von Gas durch ein bekanntes Niederschlagsgerät lediglich etwa 8 Sekunden beträgt. where T is the ionic kinetic temperature in degrees Kelvin, N0 is the ambient concentration of ions / cm3 and t is the time in seconds after field charging has ended. Since the charge achieved after a long period of diffusion is proportional to the term DleD, it will outperform the charge for small particles generated by the field. In typical Cott-rell precipitation devices, for example, the ion density is a multiple of 107 / cm3. At this ion density, it takes about 0.3 seconds to deposit twenty charges on a 0.3 micron diameter particle, while 24 seconds would be required to double that charge, and the transition time of gas by a known precipitation device is only about 8 Seconds.

Mit anderen Worten ausgedrückt, die gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräte erzeugen Ionen beider Vorzeichen im Plasma einer Koronaentladung, und zwar in der Nähe einer kleinen Elektrode, um welche herum sich das elektrische Feld konzentriert. Die Stärke des Feldes ist ganz hoch in der Nähe der Elektrode und fällt rasch ab mit dem zunehmenden Abstand von der Elektrode, wodurch ein ungleich-mässiges Feld erzeugt wird. Ione einer Polarität (normalerweise negative Ionen) werden aus diesem Bereich herausgezogen, und während sie gegen die andere Elektrode getrieben werden, schliessen sie sich den Aerosolpartikeln in Exhalat an. Um die Feldvergrösserung zu erreichen, welche zur Koronaentladung an einer Elektrode erforderlich ist, und dabei keinen elektrischen Durchschlag zwischen den zwei Elektroden zu bewirken, verwenden die gewöhnlichen Niederschlagsgeräte oft eine koaxiale Anordnung mit einem Draht von kleinem Durchmesser wie die mittlere Elektrode und einem äusseren Zylinder von grossem Durchmesser. Das Treiben der Ionen ist bewirkt durch die Wirkung zwischen der Ladung an dem Ion und dem ungleichen, im allgemeinen schwachen elektrischen Feld. Während sich die Ionen bewegen, laden sie die Partikel auf und schliessen sich diesen an, wodurch sie bewirken, dass die Partikeln durch das elektrische Feld gegen die Kollektorelektrode sich bewegen und sich an diese anschliessen. In other words, ordinary electrostatic precipitators generate ions of both signs in the plasma of a corona discharge, near a small electrode around which the electric field is concentrated. The strength of the field is very close to the electrode and decreases rapidly with increasing distance from the electrode, which creates an uneven field. Ions of one polarity (usually negative ions) are pulled out of this area, and as they are driven against the other electrode, they join the aerosol particles in exhalate. In order to achieve the field enlargement required for corona discharge at one electrode without causing electrical breakdown between the two electrodes, common precipitation devices often use a coaxial arrangement with a wire of small diameter like the middle electrode and an outer cylinder of large diameter. The driving of the ions is caused by the action between the charge on the ion and the uneven, generally weak electric field. As the ions move, they charge and join the particles, causing the particles to move against and join the collector electrode through the electrical field.

Der Wirkungsgrad aller elektrostatischer Niederschlagsgeräte, d. h. sowohl der vorbekannten als auch des nach der vorliegenden Erfindung, ist durch drei Hauptfaktoren begrenzt, und zwar insbesondere für Aerosolpartikel, deren Durchmesser kleiner als 5 Mikron ist. Der erste rührt davon her, dass der Ladungswert der Aerosolpartikel rasch abnimmt, wenn der Durchmesser der Partikel abnimmt. Da die Grösse der Partikel abnimmt, wird auch die Partikelladung kleiner und die Bewegungsgeschwindigkeit, d. h. die Komponente der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Partikel, die gegen die Elektrode hin gerichtet ist, nimmt ab. Der zweite Faktor beruht darin, dass für eine gegebene Ladung die Bewegungsgeschwindigkeit abnimmt, und zwar so, wie die Intensität des elektrischen Feldes abnimmt. Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Partikels von gegebener Grösse nimmt ab, während es sich in Richtung gegen die Sammelelektrode bewegt, und zwar als Folge des abnehmenden Feldes in der Ausgestaltung der Sammelelektrode. Der dritte Faktor ist der Wirkungsgrad des Anschlusses der Kollektorelektrode, d. h. die Partikeln, welche sich gegen die Kollektorelektrode bewegen, können zurückspringen oder sie können durch Zusammenstösse mit anderen Partikeln vertrieben werden oder sie können durch den turbulenten Fluss des gasförmigen Ausflusses weggefegt werden, nachdem sie zunächst an der Kollektorelektrode gesammelt worden sind, und dies als Folge davon, dass die Ladung an den Partikeln und das elektrische Feld nicht genügend gross sind. The efficiency of all electrostatic precipitators, i.e. H. both the prior art and that of the present invention are limited by three main factors, particularly for aerosol particles whose diameter is less than 5 microns. The first stems from the fact that the charge value of the aerosol particles decreases rapidly as the diameter of the particles decreases. As the size of the particles decreases, the particle charge also becomes smaller and the speed of movement, i.e. H. the component of the average velocity of the particles, which is directed towards the electrode, decreases. The second factor is that for a given charge, the rate of motion decreases as the intensity of the electric field decreases. The speed of movement of a particle of a given size decreases as it moves towards the collecting electrode as a result of the decreasing field in the design of the collecting electrode. The third factor is the efficiency of the collector electrode connection, i. H. the particles moving against the collector electrode may spring back, or they may be driven off by collision with other particles, or they may be swept away by the turbulent flow of the gaseous effluent after first being collected on the collector electrode, as a result of this that the charge on the particles and the electric field are not large enough.

Im allgemeinen ist es erkannt worden, dass die verbesserte Arbeitsweise eines elektrostatischen Niederschlagsgerätes aus der Vergrösserung der Intensität des elektrischen Feldes sich ergibt, allerdings unter der Voraussetzung, dass elektrische Durchschläge oder Bögen aus der erhöhten Intensität des elektrischen Feldes sich nicht ergeben. Zum bisherigen Stand der Technik gehören Niederschlagsgeräte, welche Ionen und das elektrische Feld unabhängig voneinander erzeugen, diese Geräte sind jedoch derart, dass sie eine schmale drahtförmige mittlere Elektrode und eine äussere zylinderförmige Elektrode verwenden, um die Ionen und das elektrische Feld gleichzeitig zu bilden. Obwohl radioaktive Materialien und fotoionisierende Quellen, beispielsweise Lichtröhren wie Ultraviolettlampen, bereits beschrieben worden sind, um eine Quelle von Ionen unabhängig von der Erzeugung des elektrischen Feldes zu bilden, haben diese Ionenquellen praktische betriebliche und andersartige Nachteile, und wir nehmen an, dass kein solches auf dem Markt erhältliches Gerät entwickelt worden ist. Der Nachteil von radioaktiven Quellen beruht in der Schwierigkeit der Änderung der Energie und der Menge der Partikel, welche durch diese Quellen emittiert werden. Ferner, die psychologische Auswirkung der Verwendung einer radioaktiven lonenquelle in einem Niederschlagsgerät, insbesondere im Bereich einer Stadt, dürfte ganz negativ sein. Es würden sich ganz wesentliche Probleme der radioaktiven Verunreinigung der Atmosphäre ergeben, falls ein Bruch oder andersartige Beschädigung eines Teils eines solchen Gerätes sich ergeben würde. Niederschlagsgeräte, welche Ültraviolettlampen, andersartige Lampen verwenden, um Photonen zur Bildung der erforderlichen Ionisierung im Niederschlagsgerät zu verwenden, weisen auch viele praktische betriebliche Nachteile auf. Die In general, it has been recognized that the improved functioning of an electrostatic precipitator results from the increase in the intensity of the electric field, provided, however, that electrical breakdowns or arcs do not result from the increased intensity of the electric field. The prior art includes precipitation devices that generate ions and the electric field independently of one another, but these devices are such that they use a narrow wire-shaped central electrode and an outer cylindrical electrode to form the ions and the electric field simultaneously. Although radioactive materials and photo-ionizing sources, such as light tubes such as ultraviolet lamps, have been described to form a source of ions regardless of the generation of the electric field, these ion sources have practical operational and other drawbacks, and we assume that none device available on the market has been developed. The disadvantage of radioactive sources resides in the difficulty in changing the energy and the amount of particles emitted by these sources. Furthermore, the psychological impact of using a radioactive ion source in a precipitation device, particularly in a city area, is likely to be quite negative. There would be substantial problems with radioactive pollution of the atmosphere if there were to be a break or other damage to any part of such a device. Precipitation devices that use ultraviolet lamps, other types of lamps, to use photons to form the required ionization in the precipitation device also have many practical operational disadvantages. The

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Lampen werden verstaubt und eingenebelt durch die Partikeln in gasförmigem Medium oder Ausfluss und werden ganz schnell schmutzig. Dieses Verstauben kann ohne weiteres innerhalb einiger Sekunden erfolgen und der Wirkungsgrad der Arbeitsweise nimmt dabei wesentlich ab. Ferner die Photonenergie, welche durch solche Lampen erzeugt wird, kann nicht kontinuierlich und in gewöhnlicher Weise gesteuert sein. Lamps are dusted and fogged by the particles in a gaseous medium or outflow and get dirty very quickly. This dusting can easily take place within a few seconds and the efficiency of the method of operation decreases considerably. Furthermore, the photon energy generated by such lamps cannot be controlled continuously and in the usual way.

Die vorliegende Erfindung weist diese Nachteile der radioaktiven und photoionisierenden Quellen nicht auf und sie hat viele gewünschte Attribute, die es ermöglichen, Resultate zu erreichen, die bei den bekannten Quellen nicht erreichbar sind, wobei auch weitere bedeutsame Vorteile erreicht werden können. The present invention does not have these disadvantages of the radioactive and photoionizing sources and has many desired attributes which enable results to be achieved which cannot be achieved with the known sources, and other significant advantages can also be achieved.

Dies wird nach der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung erreicht, die in den Ansprüchen 1 bzw. 7 definiert sind. This is achieved according to the present invention with the aid of a method and a device which are defined in claims 1 and 7, respectively.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der er-findungsgemässen Einrichtung können aus einem gasförmigen Medium, wie z. B. aus einem gasförmigen Exhalat, extrem kleine Partikeln entfernt werden, z. B. jene Partikeln, deren Durchmesser zwischen etwa 0,1 und 5 Mikron liegt, und insbesondere jener, dessen Durchmesser kleiner als ein Mikron ist. With the help of the method according to the invention and the device according to the invention, a gaseous medium, such as, for. B. from a gaseous exhalate, extremely small particles are removed, for. B. those particles whose diameter is between about 0.1 and 5 microns, and especially those whose diameter is less than one micron.

Die genannte Einrichtung weist einen hohen Inhaltdurchsatz, einen hohen Wirkungsgrad und nur massige Ansprüche an die Energieversorgung auf. The device mentioned has a high content throughput, a high degree of efficiency and only moderate demands on the energy supply.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung an Beispielen näher erläutert. Es zeigt: The present invention is explained in more detail below with the aid of the accompanying drawing using examples. It shows:

Fig. 1 schematisch die Einrichtung zur Abscheidung von Teilchen, welche zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens angewendet werden kann, 1 schematically shows the device for separating particles, which can be used to carry out the present method,

Fig. 2 perspektivisch eine Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1, welche zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens angewendet werden kann, und FIG. 2 shows in perspective an embodiment of the device according to FIG. 1, which can be used to carry out the present method, and

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Einrichtung betreffen das Abscheiden oder Beseitigen von Partikeln aus einem Strom vom gasförmigen Ausfluss. Sie machen sich ein im Grunde genommen homogenes und starkes elektrisches Feld zu Nutze, um die Partikeln mit Ionen aufzuladen, wobei die Ionen unabhängig von der Quelle des elektrischen Feldes aus einem Plasma geliefert werden, welches durch hochenergetische Elektronen gebildet wird. Eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens enthält wenigstens eine positiv und eine negativ geladene Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes sowie eine Quelle von Ionen, welche die Partikeln aufladen. Die Partikeln, welche unter Anwesenheit des elektrischen Feldes geladen werden, werden daher aus dem gasförmigen Ausfluss abgeschieden oder beseitigt und sie werden an einer der Elektroden gesammelt. Hochenergetische Elektronen werden zugeführt, um ein Plasma in jenem Teil des gasförmigen Mediums zu erzeugen, der sich in der Nähe einer der Elektroden befindet, wobei die Partikeln, die sich innerhalb dieses neutralen Bereiches von Plasma befinden, keine positive oder negative Nutzladung aufweisen. Die Elektroden und das Plasma erzeugen einen geladenen, ersten Bereich zwischen dem Plasma und der Sammelelektrode, so dass die Partikeln, wenn sie einmal in diesem geladenen, ersten Bereich sind, eine Nutzladung erhalten, und sie werden zu der entgegengesetzt geladenen Kollektorelektrode angezogen. The present method and device relate to the separation or removal of particles from a stream from the gaseous effluent. They use a basically homogeneous and strong electric field to charge the particles with ions, the ions being delivered from a plasma, which is formed by high-energy electrons, regardless of the source of the electric field. A device for carrying out such a method contains at least one positively and one negatively charged electrode for generating the electrical field and a source of ions which charge the particles. The particles which are charged in the presence of the electric field are therefore separated or removed from the gaseous outflow and are collected on one of the electrodes. High energy electrons are applied to create a plasma in that portion of the gaseous medium that is near one of the electrodes, and the particles that are within this neutral region of plasma have no positive or negative useful charge. The electrodes and plasma create a charged first area between the plasma and the collection electrode so that once the particles are in this charged first area, they receive a useful charge and are attracted to the oppositely charged collector electrode.

In den Zeichnungen und besonders in Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung im Querschnitt gezeigt. In dieser Einrichtung, welche im allgemeinen mit Ziffer 10 bezeichnet ist, wird ein gasförmiges Medium oder ein gasförmiger Ausfluss von einem unteren Einlass 12 zum Auslass 14 derselben aufwärts geführt, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Seitenwände 16 und 18 führen den Gas-Strom durch die Einrichtung. Eine Quelle 20, welche Elektronen erzeugt, ist in einem Fenster in der Seitenwand 18 angeordnet und erzeugt hochenergetische Elektronen, welche durch Pfeile 22 angedeutet sind und welche ein dünnes Durchlassfenster 24 als auch eine positiv geladene Elektrode oder Anode 26 durchdringen, um in das gasförmige Medium zu gelangen. Eine negativ geladene Elektrode 28 ist angrenzend an die Seitenwand 16 angeordnet, so dass ein elektrisches Feld zwischen der Anode 26 und der Kathode 28 erzeugt wird, und zwar quer im wesentlichen zur gesamten Breite des Kanals, wie dargestellt. Die Anode 26 und die Kathode 28 sind aus einer Gleichstromquelle 30 gespeist, deren positive Klemme an die Anode 26 durch die Leitung 32 und deren negative Klemme an die Kathode 28 durch eine Leitung 34 angeschlossen sind. Wie durch gekrümmte Pfeile innerhalb des Kanals oder Innenraumes zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 der Einrichtung angedeutet ist, weist der Ausfluss einige Turbulenzen auf, so dass eine gründliche Mischung der Partikel erfolgt, wenn der Ausfluss durch die Einrichtung hindurchgeht. Wegen der Mischwirkung bleiben praktisch keine Partikeln lange in jenem zweiten Bereich, welcher Ionen beider Vorzeichen enthält und welcher sich nahe an der positiv geladenen Elektrode 26 befindet. Die Partikeln aus diesem zweiten Bereich gelangen somit in den zweiten Bereich zwischen den Elektroden 26 und 28 während des Durchganges derselben durch die Einrichtung. Die Elektroden 26 und 28 sind vorteilhaft im wesentlichen flache und planare Glieder mit gebogenen Kanten, welche durch die äussere Quelle 30 auf positives oder negatives Potential geladen werden. Die innere Oberfläche der Elektrode 26 ist dargestellt als im wesentlichen in einer Ebene liegend, welche mit der Ebene der Seitenwand 18 zusammenfällt, denn die flache Elektrode passt in eine Öffnung in der rechten Seitenwand. Die im wesentlichen flache Gestaltung und gekrümmten Kanten der Kathode und der Anode schaffen günstige Bedingungen für das Minimalisieren von Maximen des elektrischen Feldes, d. h. es ist gewünscht, dass die durchschnittliche Feldstärke sich dem Maximum der Feldstärke in der Einrichtung nähert. Mit anderen Worten ausgedrückt, es ist gewünscht, dass das elektrische Feld homogen ist, so dass es maximalisiert werden kann ohne Gefahr von elektrischen Durchschlägen oder Bögen. Die Elektrode 26 trennt den Strom des gasförmigen Mediums an ihrer linken Seite, wie in der Zeichnung dargestellt, von einem ru- " henden gasförmigen Medium an ihrer rechten Seite, welche mit Vorteil von der linken Seite abgedichtet ist, um zu verhindern, dass Staub zwischen der Elektrode 26 und dem Fenster 24 sich ansammelt. Die dünne Wand oder Fenster 24 trennt das ruhende Medium von einem Bereich eines sehr niedrigen Druckes, das ist soviel wie 3 x lO^tor. Das Fenster 24 kann aus einem Material sein, das Elektronen durchlässt und das ebenfalls den niedrigen Druck im Elektronengenerator 20 vom äusseren Druck trennen kann. Infolgedessen kann dieses Fenster 24 aus Titan, Aluminium, rostfreiem Stahl, Nylon usw. hergestellt sein. Die Anodenplatte 26 kann aus einer dünnen Schicht eines leitenden Materials hergestellt sein, wie z. B. aus Titan, Aluminium oder rostfreiem Stahl, wobei die kombinierte Dicke der Anode und des Fensters vorteilhaft kleiner als etwa 0,002 Zoll, d. h. 0,05 mm ist, um die Durchdringung von Elektronen dadurch zu erlauben. Falls das Fenster 24 aus einem leitenden Material ist, kann es ebenfalls so entworfen werden, dass es als die Anode 26 dient, allerdings und im Grundsätzlichen kann es vorteilhafter sein, eine besondere Anode 26 zu verwenden, um die Bedienung des Elektronenstrahl-Generators zu vereinfachen. Ferner, bei bestimmten Ausführungsformen, kann es von Vorteil sein, die Elektrode 26 aus einem gitterförmigen Material oder aus Stangen auszubilden. In der Zeichnung sind keine Mittel gezeigt, welche zur Verjüngung oder Erweiterung des Gasflusses dienen, um dessen Geschwindigkeit einzustellen und um die Mischwirkung A schematic representation of the device in cross section is shown in the drawings and in particular in FIG. 1. In this device, which is generally designated by the number 10, a gaseous medium or a gaseous outflow is conducted upwards from a lower inlet 12 to the outlet 14 thereof, as shown in FIG. 1. The side walls 16 and 18 guide the gas flow through the device. A source 20, which generates electrons, is arranged in a window in the side wall 18 and generates high-energy electrons, which are indicated by arrows 22 and which penetrate a thin transmission window 24 as well as a positively charged electrode or anode 26, into the gaseous medium to get. A negatively charged electrode 28 is disposed adjacent the side wall 16 so that an electric field is generated between the anode 26 and the cathode 28, across substantially the entire width of the channel, as shown. The anode 26 and the cathode 28 are fed from a direct current source 30, the positive terminal of which is connected to the anode 26 by the line 32 and the negative terminal of which is connected to the cathode 28 by a line 34. As indicated by curved arrows within the channel or interior between the inlet 12 and outlet 14 of the device, the outflow has some turbulence so that the particles mix thoroughly as the outflow passes through the device. Because of the mixing effect, practically no particles remain in the second region, which contains ions of both signs and which is close to the positively charged electrode 26. The particles from this second area thus pass into the second area between the electrodes 26 and 28 as they pass through the device. The electrodes 26 and 28 are advantageously essentially flat and planar members with curved edges, which are charged to a positive or negative potential by the external source 30. The inner surface of the electrode 26 is shown to be substantially in a plane that coincides with the plane of the side wall 18 because the flat electrode fits into an opening in the right side wall. The substantially flat design and curved edges of the cathode and anode create favorable conditions for minimizing maximizes of the electric field, i.e. H. it is desired that the average field strength approaches the maximum field strength in the facility. In other words, it is desirable that the electric field be homogeneous so that it can be maximized without the risk of electrical breakdowns or arcs. The electrode 26 separates the flow of the gaseous medium on its left side, as shown in the drawing, from a resting gaseous medium on its right side, which is advantageously sealed from the left side, to prevent dust from getting between the electrode 26 and the window 24. The thin wall or window 24 separates the quiescent medium from an area of very low pressure, which is as much as 3 x 10%. The window 24 can be made of a material that transmits electrons and which can also separate the low pressure from the external pressure in the electron generator 20. As a result, this window 24 can be made of titanium, aluminum, stainless steel, nylon, etc. The anode plate 26 can be made of a thin layer of conductive material, such as e.g. Made of titanium, aluminum or stainless steel, the combined thickness of the anode and the window advantageously being less than about 0.002 inches, ie 0.05 mm, to allow the penetration of electrons through it. If the window 24 is made of a conductive material, it can also be designed to serve as the anode 26, however, and in principle, it may be more advantageous to use a special anode 26 to simplify the operation of the electron beam generator . Furthermore, in certain embodiments, it may be advantageous to form the electrode 26 from a grid-shaped material or from rods. In the drawing, no means are shown which serve to taper or expand the gas flow in order to adjust its speed and the mixing effect

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oder die Turbulenz des Flusses zu steuern. Die Anode 26 ist vorteilhaft so geladen, dass sie eine möglichst hohe Feldstärke im Gasmedium erzeugt, im allgemeinen etwa 12 bis 18 Kilovolt per cm. Allerdings kann jedes Potential bis zur Durchschlagsfestigkeit des gasförmigen Mediums verwendet werden. Der Elektronenstrahlgenerator ist zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 angeordnet, derart, dass er das gasförmige Medium oder Ausfluss mit Elektronen bestrahlen kann, welche durch das Fenster 24 und die Anode 26 durchgehen; der Generator ist vorteilhaft so leistungsstark, dass er einen Elektronenstrahl erzeugen kann, der eine derartige Energiedichte aufweist, die ausreicht, um genügend Ionen zu erzeugen und um alle Partikeln im gasförmigen Medium bis nahe zur Saturation zu laden. or to control the turbulence of the river. The anode 26 is advantageously charged in such a way that it generates the highest possible field strength in the gas medium, generally approximately 12 to 18 kilovolts per cm. However, any potential up to the dielectric strength of the gaseous medium can be used. The electron beam generator is arranged between the inlet 12 and the outlet 14 such that it can irradiate the gaseous medium or outflow with electrons which pass through the window 24 and the anode 26; the generator is advantageously so powerful that it can generate an electron beam that has such an energy density that is sufficient to generate enough ions and to charge all particles in the gaseous medium to near saturation.

Der Elektronengenerator ist derart angeordnet, dass er nur jenes Volumen bestrahlt, das an der Anodenoberfläche unmittelbar anliegt. Dies ist dadurch erreicht, dass man Elektronen verwendet, welche nur eine kleine Entfernung in das gasförmige Medium eindringen können. Der Elektronengenerator 20 hat während seines Betriebes eine genügende Spannung, um Ionisierung durchzuführen, und genügend Strom, um eine Menge von Ionen zu produzieren, die imstande sind, die Partikeln im Gasstrom zu laden. In dieser Beziehung arbeitet der Elektronengenerator derart, dass er Elektronen erzeugt, welche in das gasförmige Medium mit einer Energie von zwischen 1 bis 12 KeV per cm des Plattenabstandes eintreten bei einem Strompegel von etwa ein Mikroampère per m des Elektrodenabstandes senkrecht zum Gasfluss. Bei einer Anordnung, welche ein Fenster aus Titan von etwa 0,5 mil, das ist 0,0127 mm Dicke aufweist, wo das Fenster ebenfalls als die Anode wirkt und in welcher die Distanz zwischen der Anode und der Kathode etwa 10 cm beträgt, arbeitet die Einrichtung befriedigend mit Elektronen von zwischen 100 und 150 KeV, welche in das Fenster eintreten. The electron generator is arranged in such a way that it only irradiates the volume that is directly adjacent to the anode surface. This is achieved by using electrons that can only penetrate the gaseous medium a short distance. The electron generator 20, during its operation, has sufficient voltage to perform ionization and sufficient current to produce an amount of ions that are capable of charging the particles in the gas stream. In this regard, the electron generator works in such a way that it generates electrons which enter the gaseous medium with an energy of between 1 and 12 KeV per cm of the plate spacing at a current level of approximately one microampere per m of the electrode spacing perpendicular to the gas flow. An arrangement which has a titanium window of about 0.5 mil, that is 0.0127 mm thick, where the window also acts as the anode and in which the distance between the anode and the cathode is about 10 cm works the device satisfactory with electrons of between 100 and 150 KeV entering the window.

Falls das Fenster 24 des Elektronenstrahl-Generators ebenfalls als Elektrode 26 wirkt, so ist es selbstreinigend, wenn es den Partikeln des beladenen gasförmigen Mediums ausgesetzt ist. Falls eine besondere Elektrode 26 verwendet wird, wirkt der Elektronenstrahl aus dem Generator derart, dass er verhindert, dass sich Partikeln an der Anode 26 anhäufen. Obwohl sich irgendwelche Partikeln auf der Oberfläche der beiden Ausführungen jederzeit befinden können, sammeln sie sich hier nicht, und zwar dank dem Selbstreinigungsvorgang. Die freiliegende Oberfläche kann keine Anhäufung von kleinen Partikeln erfahren, weil diese früher abgestossen werden, bevor sie die Oberfläche überhaupt erreichen. Da die kleinen Partikeln durch Elektronen bombardiert werden, die durch den Elektronengenerator erzeugt worden sind, gehen die Elektronen vollständig durch diese und dadurch bewirken sie eine sekundäre Emission, die kleinen Partikeln werden positiv geladen und sie werden durch die positive Ladung der Oberfläche von dieser abgestossen. Infolgedessen können kleine Partikel niemals die Oberfläche erreichen und können sich daher auch nicht darauf ansammeln. If the window 24 of the electron beam generator also acts as an electrode 26, it is self-cleaning if it is exposed to the particles of the gaseous medium loaded. If a special electrode 26 is used, the electron beam from the generator acts to prevent particles from accumulating on the anode 26. Although there may be any particles on the surface of the two versions at any time, they do not collect here thanks to the self-cleaning process. The exposed surface cannot experience the accumulation of small particles because they are repelled earlier before they even reach the surface. Since the small particles are bombarded by electrons generated by the electron generator, the electrons pass completely through them and thereby cause secondary emission, the small particles are positively charged and they are repelled by the surface due to the positive charge. As a result, small particles can never reach the surface and therefore cannot accumulate on it.

Was die grösseren Partikeln anbelangt, so fliegen die Elektronen, welche die Partikeln bombardieren, nicht durch diese Partikeln und der Effekt der sekundären Emission wird keine Bedeutung haben im Vergleich mit der Anhäufung der Elektronen in den Partikeln. Infolgedessen bildet sich im Inneren der Partikel eine Spannung und diese Partikeln werden dadurch negativ. Falls eines der Partikel mit der Oberfläche in Berührung steht, entladet sie sich im Punkt der Berührung zwischen den Partikeln und der Oberfläche. Diese Entladung erzeugt eine Entladungsstrecke, welche ihrer Form nach mit einem Baum vergleichbar ist, d. h. die Entladungsstrecke geht von den Ästen und verbindet sich zu einer breiten, stammför-migen Partie, wo sie die Oberfläche berührt. Die genannten Strecken sind Löcher in den Partikeln, welche durch Verdampfen des festen Anteiles der Partikel zum Gas bewirkt sind. Der Verdampfungsvorgang bewirkt einen tausendfachen Volumenzuwachs, welcher durch die Entladestrecken entweicht. Dieser Verdampfungsprozess erzeugt eine grosse Kraft, welche die Partikeln von der Oberfläche bläst oder die Partikeln vernichtet, wobei beides bewirkt, dass die Oberfläche der Partikel befreit wird. Ferner, die Kraft eines entfernten Partikels wird einige andere auch entfernen. As for the larger particles, the electrons that bombard the particles do not fly through these particles and the effect of the secondary emission will have no meaning compared to the accumulation of electrons in the particles. As a result, a tension builds up inside the particles and these particles become negative. If one of the particles is in contact with the surface, it discharges at the point of contact between the particles and the surface. This discharge creates a discharge path which is comparable in shape to a tree, i. H. the discharge path starts from the branches and connects to a broad, trunk-shaped section, where it touches the surface. The distances mentioned are holes in the particles, which are caused by evaporation of the solid portion of the particles to the gas. The evaporation process causes a thousandfold increase in volume, which escapes through the discharge sections. This evaporation process generates a large force that blows the particles off the surface or destroys the particles, both of which have the effect that the surface of the particles is freed. Furthermore, the force of a removed particle will also remove some others.

Diese Reinigungswirkung kann grösser gemacht werden, indem die Betriebsspannung des Elektronengenerators ver-grössert wird. Es leuchtet ein, dass die Betriebsspannung variiert werden kann, allerdings periodisch, um die Reinigungswirkung zu steuern. Es kann ein optimaler Arbeitszyklus gefunden werden, der eine entsprechende Reinigung bewirken würde und wobei die erforderliche Leistung für die allgemeine Arbeit des Gerätes minimalisiert werden könnte. This cleaning effect can be made greater by increasing the operating voltage of the electron generator. It is obvious that the operating voltage can be varied, but periodically to control the cleaning effect. An optimal working cycle can be found which would result in a corresponding cleaning and the power required for the general work of the device could be minimized.

Die obere Grenze der elektrischen Feldstärke ist durch die dielektrische Festigkeit des gasförmigen Mediums beim Betriebsdruck bestimmt. Für einen Trennabstand zwischen der Kathode und der Anode, der 10 cm beträgt, wobei dieser Trennabstand bei einer der Ausführungen der vorliegenden Einrichtung verwendet wird, beträgt die Durchschlagsfestigkeit der Luft bei homogenem Feld und normaler Dichte etwa 26 kV/cm. Da die absolute Temperatur in einem typischen gasförmigen Ausfluss sich in einem Bereich von etwa 400 bis 600 Grad K beläuft, wird die Gasdichte um einen Faktor von etwa 2 niedriger als die normale atmosphärische Dichte, und die begrenzende Feldstärke würde etwa bei 13 KV/cm liegen. Jedoch es können Elektronen bindende Gase, wie z. B. Schwefeldioxyd, oft in einem gasförmigen Ausfluss enthalten sein, und die Anwesenheit dieser Gase kann den Betrieb bei einem elektrischen Feld ermöglichen, dessen Wert grösser als die beschriebenen 13 kV/cm ist. The upper limit of the electric field strength is determined by the dielectric strength of the gaseous medium at the operating pressure. For a separation distance between the cathode and the anode which is 10 cm, this separation distance being used in one of the embodiments of the present device, the dielectric strength of the air in a homogeneous field and normal density is approximately 26 kV / cm. Since the absolute temperature in a typical gaseous effluent is in the range of about 400 to 600 degrees K, the gas density becomes a factor of about 2 lower than the normal atmospheric density, and the limiting field strength would be around 13 KV / cm . However, electron-binding gases such as e.g. B. sulfur dioxide, often contained in a gaseous effluent, and the presence of these gases can allow operation in an electrical field, the value of which is greater than the 13 kV / cm described.

Der Elektronengenerator kann einen einzigen breiten und gleichmässigen Strahl oder einen oder mehrere schmale Strahle erzeugen und kann auch derart ausgeführt sein, dass er den Bereich in der Einrichtung gemäss einem vorgegebenen Muster abtastet. Beispielsweise gemäss einem solchen Muster folgt der Strahl einem sich bewegenden gasförmigen Medium durch ein Volumen während einer durchschnittlichen Haltezeit der Partikel in diesem Volumen, dann behandelt er andere Volumina schrittweise in gleicher Weise und dann, nachdem eine durchschnittliche Diffusionszeit abgelaufen ist, welche für die Wiederauffüllung des ersten Bereiches mit Partikeln erforderlich ist, kehrt er in das erste Volumen zurück. The electron generator can generate a single wide and uniform beam or one or more narrow beams and can also be designed such that it scans the area in the device in accordance with a predetermined pattern. For example, according to such a pattern, the jet follows a moving gaseous medium through a volume during an average hold time of the particles in that volume, then treats other volumes step by step in the same way and then after an average diffusion time has elapsed which is necessary for the refilling of the first area with particles is required, it returns to the first volume.

Die restliche, umfliessend mischende Wirkung oder Turbulenz des Flusses vom gasförmigen Medium durch die Einrichtung trägt das gasförmige Medium mit beladenen Partikeln in eine Entfernung, welche die Grenzunterschicht der laminären Strömung der geladenen Elektroden definiert. Innerhalb eines Bereiches von einer Dicke, welche mit dem Bereich der Elektronen im Medium vergleichbar ist, ist die Ladung an den Staubpartikeln beinahe neutralisiert, und zwar wegen der Anwesenheit der Ionen beider Vorzeichen. Im restlichen Volumen sind allerdings ihre Ladungsanteile nicht mehr neutralisiert und wachsen schnell an, so dass nach einer gewissen Zeit die Wirbelbewegung den Gasfluss gegen die Kathode 28 hin und dann von dieser weg trägt; die Staubpartikeln, welche positive Ladung haben, jedoch bleiben, und zwar wegen einer elektrischen Kraft, welche auf die Ladungen ausgeübt wird. Die Partikeln können zusätzliche Ladungen durch Zusammen-stösse mit Gasionen gewinnen, während sie an der Kathode haften. Dies würde die Haltekraft vergrössern, so dass sie nicht geneigt wären, sich entfernen zu lassen. Allerdings, falls der Staub einen sehr hohen Widerstand aufweist, kann eine überschüssige, lokale Feldstärke aus diesem Anwachsen von Ladung resultieren und kann einen schädlichen, lokalen Durchschlag bewirken. Ein örtlicher Durchschlag kann verhindert The remaining, flowing mixing effect or turbulence of the flow from the gaseous medium through the device carries the gaseous medium with loaded particles to a distance which defines the boundary underlayer of the laminar flow of the charged electrodes. Within a range of a thickness comparable to the range of electrons in the medium, the charge on the dust particles is almost neutralized due to the presence of the ions of both signs. In the remaining volume, however, their charge components are no longer neutralized and grow rapidly, so that after a certain time the vortex movement carries the gas flow towards and then away from the cathode 28; however, the dust particles that have positive charge remain because of an electrical force that is applied to the charges. The particles can gain additional charges from collisions with gas ions while adhering to the cathode. This would increase the holding force so that they would not be inclined to be removed. However, if the dust has a very high resistance, an excess local field strength can result from this increase in charge and can cause a harmful local breakdown. Local breakdown can be prevented

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werden, indem die Dichte der Ionen im Strom des gasförmigen Mediums niedrig gehalten wird, mit der Ausnahme des Bereiches der anfänglichen Ladung der Partikel. Partikeln aller Grössen sammeln sich schnell an der Kathode 28, weil das elektrische Feld, welches nicht mehr auf den Wert von 4 kV/cm in der Masse des Gases durch die Bedingungen von Koronaentstehung an der Kante begrenzt ist, bis zwischen 13 bis 18 kV/cm anwachsen kann. Bei dieser bevorzugten Arbeitsweise deckt das hohe Feld tatsächlich alle Distanzen zwischen den Elektroden. Während die'vorstehende Beschreibung sich mit ziehenden positiven Ionen aus dem Bereich des neutralen Plasmas befasst, dürfte es einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auch auf Ionen von negativer Polarität anwendbar ist. Allerdings, die Verwendung von positiven Ionen hat den Vorteil, dass Elektronen und negative Ionen zurückgezogen werden, und zwar gegen die Anoden und die Dicke des Bereiches von neutralem Plasma wird minimalisiert, wie dies gewünscht ist. Wie früher bereits erwähnt worden ist, unterliegt die Sättigungsladung durch den gewöhnlichen Mechanismus der Feldladung einer Begrenzung, welche durch die elektrostatische Abstossung zwischen den Partikeln, welche eine Ladung gewonnen haben, und zusätzlichen Ladungen, die sich dazu nähern, bewirkt ist. by keeping the density of the ions in the flow of the gaseous medium low, with the exception of the area of the initial charge of the particles. Particles of all sizes quickly collect at the cathode 28 because the electric field, which is no longer limited to the value of 4 kV / cm in the mass of the gas due to the conditions of corona formation at the edge, between 13 and 18 kV / cm can grow. In this preferred mode of operation, the high field actually covers all distances between the electrodes. While the foregoing description deals with pulling positive ions from the neutral plasma region, it should be understood that the present invention is also applicable to ions of negative polarity. However, the use of positive ions has the advantage that electrons and negative ions are withdrawn against the anodes and the thickness of the neutral plasma region is minimized as desired. As previously mentioned, the saturation charge is limited by the usual field charge mechanism, which is caused by the electrostatic repulsion between the particles that have gained a charge and additional charges that are approaching.

Die Sättigungsladung an allen Partikeln ist viel grösser, The saturation charge on all particles is much larger,

weil die mittlere, elektrische Feldstärke um etwa einen Faktor zwischen etwa 3 bis 5 vergrössert werden kann. Infolgedessen würde ein Maximum von zwischen etwa 60 und 80 Ladungen an einem Partikel von 0,3 Mikron in einem Feld von 18 kV/cm abgelagert, da nur etwa 20 bis 30 Ladungen typisch abgelagert werden, und zwar während des Überganges eines solchen Partikels durch einen gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsapparat. In Anbetracht der Feldladung ist der anfängliche Ladungsbetrag durch folgende Gleichung gegeben dN/dt = 4,7 x 10~5 E Np£ D2 e + 2 because the average electric field strength can be increased by a factor of between about 3 to 5. As a result, a maximum of between about 60 and 80 charges would be deposited on a 0.3 micron particle in an 18 kV / cm field since only about 20 to 30 charges would typically be deposited during the passage of such a particle by one ordinary electrostatic precipitator. In view of the field charge, the initial charge amount is given by the following equation dN / dt = 4.7 x 10 ~ 5 E Np £ D2 e + 2

wo D den Partikeldurchmesser in Mikron angibt, E ist die elektrische Feldstärke in Kilovolt per cm, t. ist die dielektrische Konstante der Partikel und N0 ist die räumliche Ionenkonzentration, gegeben durch die Anzahl von Einheiten per cm3. Die Werte für N0 betragen etwa 3 x 107 per cm3 in gewöhnlichen Niederschlagsapparaten. Im vorliegenden Fall ist N0 von der Feldstärke E gesteuert, während diese zwei Werte in gewöhnlichen Niederschlagsgeräten miteinander verkettet sind. Die Feldstärke kann unabhängig von N„ gesteuert werden, um besondere Vorteile zu erreichen, d. h. die Feldstärke kann vermindert werden, um den Leistungsverbrauch zu minimalisieren, oder sie kann vergrössert werden, um den Ladungswert zu ma-ximalisieren. Beispielsweise beläuft sich dN/dt in einem Feld von 18 kV/cm mit Nc von 3 X 107 cm3 zwischen etwa 800 und 2200 pro Sekunde für ein Partikel von 0,3 Mikron, so dass das Partikel seine Sättigungsladung von etwa 60 bis 80 sehr schnell ansteuert. Falls es aus anderen Gründen notwendig ist, das Feld zu vermindern, kann der Ladungswert durch Vergrösserung von N0 aufrechterhalten werden. Aus dem vorstehenden dürfte ersichtlich sein, dass eine grosse Abnahme der Ladungszeit sowie eine grosse Zunahme der Gesamtladung für ein Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser sich ergibt, wenn dieses Partikel in grossen elektrischen Feldern geladen wird, welche in einem Kanal vorhanden sein können, wo Ionen durch Wirkung von hochenergetischen Elektronen aus einem Elektronengenerator erzeugt werden, dies im Vergleich mit kleinen Gesamtfeldern, welche für die gewöhnlichen Niederschlagsapparate kennzeichnend sind. Infolgedessen können Ladungen, welche durch den Elektronenstrahl erzeugt werden, jene Ladungen übertreffen, welche in den bisherigen Niederschlagsapparaten normalerweise verwendet werden, wobei diese erzeugten Ladungen sowohl hinsichtlich des Wertes, aber auch hinsichtlich des Maximums der Ladung innerhalb von annehmbaren Haltezeiten von Partikeln im Niederschlagsgerät erreichbar sind, und diese kann auch weniger Leistung während des Betriebes benötigen. Das elektrische Feld, welches auf diese Ladungen einwirkt, ist grösser um einen Faktor von etwa 4 und besorgt eine durchschnittliche Niederschlagsgeschwindigkeit, welche etwa 12mal grösser als jene ist, welche bei Partikeln von 0,3 Mikron in bisher gewöhnlichen Niederschlagsgeräten erreicht werden konnten. Allerdings solange nur eine der zwei Oberflächen diese Partikeln sammelt, vergrössert sich der effektive Sammelwert pro Einheitsbereich nur um einen Faktor von etwa 6. Eine alternative Ausführung, bei welcher zwei Elektronenkanonen an einander gegenüberliegenden Seiten einer zentralen Sammelkathode angeordnet sind, würde den Sammelwert um einen Faktor von etwa 12 vergrössern. Oder ein Elektronenstrahl kann durch die Mitte des Niederschlagsapparats geführt werden, um Plasma zu erzeugen. Jede Elektrode würde dann die zu ihr entgegengesetzt geladenen Partikeln anziehen und diese würden aus dem gasförmigen Medium ausgefällt. Bezugnehmend auf Fig. 1 dürfte einleuchtend sein, dass das dünne gekrümmte Fenster 24 für den Elektronenstrahl vorteilhaft mit einer dünnen metallenen Anode 26 gedeckt ist, um das belastete Fenster 24 vor angreifenden Gasen und grossen Partikeln im gasförmigen Medium oder Ausfluss zu schützen. Die dünne flache und eine Abdeckung bildende Anode 26 bildet ebenfalls eine ruhigere Verteilung des elektrischen Feldes und dadurch erlaubt sie eine höhere mittlere Feldstärke. where D is the particle diameter in microns, E is the electric field strength in kilovolts per cm, t. is the dielectric constant of the particles and N0 is the spatial ion concentration, given by the number of units per cm3. The values for N0 are about 3 x 107 per cm3 in ordinary precipitation apparatus. In the present case, N0 is controlled by the field strength E, while these two values are chained together in ordinary precipitation devices. The field strength can be controlled independently of N "in order to achieve special advantages, i. H. the field strength can be reduced to minimize power consumption or increased to maximize the charge value. For example, in a field of 18 kV / cm with Nc of 3 X 107 cm3, dN / dt is between about 800 and 2200 per second for a particle of 0.3 micron, so that the particle saturates from about 60 to 80 very quickly controls. If it is necessary to reduce the field for other reasons, the charge value can be maintained by increasing N0. From the foregoing it should be apparent that there is a large decrease in charge time as well as a large increase in total charge for a 0.3 micron diameter particle when this particle is charged in large electrical fields which may be present in a channel where Ions are generated by the action of high-energy electrons from an electron generator, in comparison with small total fields, which are characteristic of the usual precipitation apparatus. As a result, charges generated by the electron beam can outperform the charges normally used in the previous precipitation apparatus, and these generated charges are achievable with respect to both the value and the maximum charge within acceptable holding times of particles in the precipitation device , and this can also require less power during operation. The electric field that acts on these charges is greater by a factor of about 4 and provides an average rate of precipitation which is about 12 times greater than that which could be achieved with particles of 0.3 microns in previously conventional precipitation devices. However, as long as only one of the two surfaces collects these particles, the effective collection value per unit area increases only by a factor of about 6. An alternative embodiment, in which two electron guns are arranged on opposite sides of a central collecting cathode, would increase the collection value by a factor zoom in from about 12. Or an electron beam can be passed through the center of the precipitation apparatus to generate plasma. Each electrode would then attract the oppositely charged particles and these would precipitate out of the gaseous medium. 1, it should be clear that the thin curved window 24 for the electron beam is advantageously covered with a thin metal anode 26 in order to protect the loaded window 24 from attacking gases and large particles in the gaseous medium or outflow. The thin flat anode 26 forming a cover also forms a quieter distribution of the electric field and thereby allows a higher average field strength.

Bezugnehmend auf Fig. 2, welche eine Ausführungsform der Einrichtung darstellt, die zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens verwendbar ist, besitzt die Einrichtung 40 einen Einlass 42 bei ihrem unteren Ende und einen Auslass 44 an ihrem oberen Ende, wobei das gasförmige Medium oder Ausfluss vertikal aufwärts, wie durch Pfeile gezeigt ist, fliesst. Der gasförmige Staub enthaltende Ausfluss fliesst vorteilhaft im Niederschlagskanal mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 10 Meter pro Sekunde. Ein Elektronen-Generator 48 ist angeordnet, um den Ausfluss zu bestrahlen, während sich dieser im Kanal 46 befindet. Es ist eine Kathode vorgesehen, welche, wie dargestellt, die Form eines flexiblen, rostfreien Stahlgürtels 50 hat, welcher über obere und untere Rollen 52 und 54 geführt ist, wobei eine der unteren Rollen durch einen Motor 56 angetrieben wird. Der Gurt hat eine Frontseite, welche dem gasförmigen Medium oder Ausfluss ausgesetzt ist, welche Staub von hohem Widerstand enthalten, welcher Gurt durch den Kanal geht; der Gürtel hat eine hintere Seite, die sich ausserhalb des Kanals befindet und ermöglicht, dass die Partikeln vom Gürtel entfernt werden können, bevor der Gürtel in den Kanal Wiedereintritt und erneut dem Ausfluss ausgesetzt wird. Einer der Vorteile des in Fig. 2 dargestellten Gerätes beruht darin, dass dieses verhältnismässig niedriger ist im Vergleich mit den weniger effektiven bekannten Niederschlagsgeräten mit vergleichbarem Durchsatzwert. Referring to FIG. 2, which illustrates one embodiment of the device that can be used to perform the present method, device 40 has an inlet 42 at its lower end and an outlet 44 at its upper end, with the gaseous medium or effluent vertically upward flows as shown by arrows. The outflow containing gaseous dust advantageously flows in the precipitation channel at a speed of 5 to 10 meters per second. An electron generator 48 is arranged to irradiate the outflow while it is in the channel 46. A cathode is provided which, as shown, is in the form of a flexible stainless steel belt 50 which is guided over upper and lower rollers 52 and 54, one of the lower rollers being driven by a motor 56. The belt has a front which is exposed to the gaseous medium or discharge, which contains dust of high resistance, which belt goes through the channel; the belt has a rear side which is outside the channel and allows the particles to be removed from the belt before the belt re-enters the channel and is again exposed to the outflow. One of the advantages of the device shown in FIG. 2 is that it is relatively lower in comparison with the less effective known precipitation devices with a comparable throughput value.

Bezugnehmend auf die in Fig. 3 im Schnitt dargestellte Einrichtung, welche im allgemeinen mit 60 bezeichnet ist, bewegt sich ein gasförmiges Medium oder Ausfluss in Richtung gegen den Leser. Wie dies mit Hilfe von gekrümmten Pfeilen in der Einrichtung dargestellt ist, erhält der Ausfluss vorteilhaft ein bisschen Turbulenz, so dass eine beträchtliche Mischung der Partikel erfolgt, wenn sie durch die Einrichtung durchgehen. Als Folge der Mischwirkung treiben die Partikeln herum und gelangen in die Nähe der negativ geladenen Kathoden 62 als auch der positiv geladenen Anode 64 während ihres Durchganges. Die Turbulenzwirkung beseitigt Partikel aus dem Bereich der neutralen Ladungsdichte in der Nähe des Fensters des Elektronenstrahls und bringt sie durch den Bereich der positiv geladenen Dichte bis in das Innere des nahen s Referring to the device shown in section in FIG. 3, generally designated 60, a gaseous medium or spout moves toward the reader. As shown by means of curved arrows in the device, the outflow advantageously receives a little turbulence so that there is a considerable mixing of the particles as they pass through the device. As a result of the mixing action, the particles float around and come close to the negatively charged cathodes 62 and the positively charged anode 64 during their passage. The turbulence effect removes particles from the area of the neutral charge density near the window of the electron beam and brings them through the area of the positively charged density into the interior of the near s

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Bereiches der Kathoden. Dies erlaubt sämtliche Partikel an die Kathoden anzuziehen, so dass sie der Ausfällung aus dem gasförmigen Medium unterworfen werden können, bevor dieses aus dem Auslass herausgeführt wird. Obwohl die schematische Darstellung in Fig. 3 weder die seitlichen noch die anschlies- s senden Wände der Einrichtung zeigt, dürfte es einleuchten, Area of the cathodes. This allows all the particles to be attracted to the cathodes so that they can be subjected to the precipitation from the gaseous medium before it is led out of the outlet. Although the schematic representation in FIG. 3 shows neither the lateral nor the adjoining walls of the device, it should be clear that

dass die Elektroden 62 und 64 innerhalb der äusseren Seitenwände angeordnet sind, welche den Fluss des Ausflusses durch die Einrichtung führen. Die Elektronen-Generatoren enthalten eine Anzahl von dünnen Drähten oder aufgerauhten Stan- io gen 66, welche in evakuierten Röhren 68 in der Oberfläche der Anode 64 eingeschlossen sind. Diese Drähte sind klein und auf ein genügend grosses negatives Potential geladen, derart, dass sie dadurch Feldemissionelektronen emittieren können. Oder die Drähte 66 können geheizt werden und dabei 15 Elektronen thermisch emittieren. Diese Elektronen werden zu den Röhren 68 der dünnen Anodenwand angezogen, und da es eine grosse Spannungsdifferenz gibt, haben sie genügend Energie, um die dünne Metallanode 64 durchzusetzen. Anodenträger (nicht dargestellt) bestehen aus Verstärkungsrahmen aus Metall, welche in gleichen Abständen in den Röhren 68 angeordnet sind. Die Arbeitsweise ist im wesentlichen ähnlich jener, welche im Zusammenhang mit der Einrichtung aus Fig. 1 bereits beschrieben worden ist. Der Vorteil der Ausführung gemäss Fig. 3 beruht darin, dass, falls die Vacuumdicht-heit in der Nähe der Drähte 66 verschlechtert wird, die Spannung von dem beschädigten Draht 66 entfernt werden kann, ohne dabei die Arbeitsweise der Einrichtung wesentlich zu beeinträchtigen. that electrodes 62 and 64 are located within the outer sidewalls that direct the flow of the effluent through the device. The electron generators contain a number of thin wires or roughened stubs 66 which are enclosed in evacuated tubes 68 in the surface of the anode 64. These wires are small and are charged to a sufficiently large negative potential such that they can thereby emit field emission electrons. Or the wires 66 can be heated and thermally emit 15 electrons. These electrons are attracted to the tubes 68 of the thin anode wall, and since there is a large voltage difference, they have enough energy to penetrate the thin metal anode 64. Anode supports (not shown) consist of metal reinforcement frames, which are arranged at equal intervals in the tubes 68. The method of operation is essentially similar to that which has already been described in connection with the device from FIG. 1. The advantage of the embodiment according to FIG. 3 is that if the vacuum tightness in the vicinity of the wires 66 deteriorates, the tension can be removed from the damaged wire 66 without significantly impairing the functioning of the device.

Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte ersichtlich sein, dass das Verfahren und die Einrichtung für elektrostatische Abscheidung von Partikeln aus einem Partikel tragenden gasförmigen Medium viel wirksamer als die bisherigen Ausführungen sind und dass sie wirksamer in der Beseitigung von besonders kleinen Partikeln sind, sogar von so kleinen Partikeln, deren Durchmesser etwa 0,1 Mikron beträgt. Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung eine schnelle Ladung und schnelle Abscheidung von so kleinen, aber auch von grossen Partikeln und sie ermöglicht einen schnellen Durchsatz des gasförmigen Mediums oder Ausflusses. From the foregoing description, it should be apparent that the method and apparatus for electrostatically separating particles from a particle-bearing gaseous medium are much more effective than the previous statements and that they are more effective in removing particularly small particles, even such small particles whose diameter is about 0.1 micron. In addition, the present invention enables rapid loading and separation of such small as well as large particles and enables rapid throughput of the gaseous medium or outflow.

20 20th

s s

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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2nd

PATENT CLAIMS

1. A method for the electrostatic separation of particles from a gaseous medium which carries these particles, characterized in that the medium is guided into a separation station (10), where the particles enter a first region which contains ions of only one sign, that electrons are supplied to the medium from an electron beam generator (20) in order to generate ions of both signs in a second region, this second region being in the vicinity of the generator (20), that the ions with only one sign in the first area from this second area, the medium is exposed to the action of a substantially uniform electric field to carry the ions of the one sign down to the particles, and the electric field causes the charged Particles are attracted by one or more electrodes (28), which have a charge of opposed to the charged particles polarity to separate the particles from the medium.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electrons have an energy between 1 KeV and 12 Kev per cm electrode spacing and that the electrons have a current level of 1 microampere per m of the electrode width perpendicular to the gas flow direction.

3. The method according to claim 1, characterized in that the second region adjoins one or more electrodes (26).

4. The method according to claim 1, characterized in that the station has at least one negatively charged electrode (28) and that this electrode attracts the inversely charged particles.

5. The method according to claim 1, characterized in that the volume of the second region is small compared to the volume of the first region.

6. The method according to claim 5, characterized in that the volume of the second region is less than about 10% of the volume of the first region.

7. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized by an inlet (12) for the receptacle and an outlet (14) for the escape of the medium, through a middle section between the inlet and the outlet for guiding the medium through the device, by at least one positive electrode (26) arranged in the middle section, by at least one negative electrode (28) arranged in the middle section to attract those particles of the medium which have a positive useful charge, by means of Applying a voltage difference to the electrodes to create an electric field in the central part of the device and by an electron beam generator to generate positive ions which bombard the particles and cause them to be attracted to the negatively charged electrode.

8. Device according to claim 7, characterized in that the electrons have an energy between 1 and 12 KeV per cm of the electron spacing and that the electrons have a current level of 1 microampere per m of the electrode width perpendicular to the gas flow.

9. Device according to claim 8, characterized in that the electron beam generator generates the ions in the vicinity of the positively charged electrode.

10. The device according to claim 8, characterized in that the electrodes (26, 28) are substantially planar and parallel to each other and that they have curved edges in order to generate a substantially uniform electric field therebetween.