CN101124046B - 填充床洗涤器的刚性电极离子化 - Google Patents

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Abstract

提供一种离子化微粒洗涤器以将微粒从气态排放流中去除，所述洗涤器包括两部分：一充电部分和一收集部分。充电或离子化部分包括一个或多个圆柱形管状接地腔，每个管状接地腔具有从中延伸穿过的刚性螺杆电极。设置变压器/整流器(T/R)以将高电压DC能量提供给电极以使圆柱形管状接地腔用作接地端，从而使电晕形成在螺杆电极上。当气体流经过从电极向圆柱形管状接地腔壁流动的电流时，气体流中所含的微粒被静电充电。收集系统包括恒定地从上方冲洗的固定床或流化床填充部分。填充部和液体沉淀池中的接地螺杆允许将整个部分用作接地收集器以对微粒充电。气体流和充电微粒被立即从系统的充电部分送至收集部分，并且随后使干净气体通过夹带物分离部分以去除液滴。

Description

填充床洗涤器的刚性电极离子化
技术领域
本发明总地涉及从工业处理的排放流中提高微粒收集的系统和方法，更具体地涉及一种系统和方法，其中收集是通过对微粒充电并利用电场力增加填充床洗涤器系统中的收集而改善的。
背景技术
许多工业处理，尤其是例如废弃材料或诸如玻璃纤维的高温产生材料的焚烧会在它们的排放流中散发出小的或亚微米级微粒，这些微粒一般被环境保护机构认为是危险的并受到限制。因此，长期以来人们都在寻求在进入大气前将这类微粒从排放流中除去的系统和方法。
已经研发出各种对微粒进行静电充电的系统，例如在以Bologa等人名义公开于2004年7月22日的20040139853号美国专利申请“Apparatus for theelectrostatic cleaning of gases and method for the operation thereof”的描述中公开了一种设备，其包括三个管道部分：离子化和净化部分，其中包含在水饱和空气中的微粒被离子化并随后被引导通过具有接地壁的腔室，以使部分微粒沉积在这些壁上；包括接地软管的附加净化部分，气体通过所述接地软管而除去多余的充电微粒；以及过滤器部分，其中干性的剩余细粒从气体流中被除去。
应当理解，这些对微粒物质进行静电充电的系统在业内早已是公知的。例如，Lundgren等人于1995年5月7日获得授权的5395430号美国专利“Electro-static precipitator assembly”公开一种静电除尘器装置，它包括管状收集器和悬置于其中的电极，其中电极包括基本圆柱形的收集部分和具有杆和充电盘的充电部分，并且充电盘和收集器之间的间隙至少与电极的收集部分和收集器之间的间隙一样大。
静电净化系统的另外两个例子是1994年11月15日授予Cameron的5364457号美国专利“Electrostatic gas cleaning apparatus”和1994年2月1日授予Cameron的5282885号美国专利“Electrostatic gas cleaningprocess and apparatus”中有描述，它们均公开了用于收集微粒或液滴的方法和设备，其中组合有充电装置和凝聚设备以提供以低于传统设备的成本工作的净化设备。
另一个例子是1981年5月5日授权的、专利权人为Natarajan的4265641号美国专利“Method and apparatus for particle charging and particlecollecting”，该专利公开一种用于充电和收集亚微米级微粒的方法和设备，藉此微粒由针板离子化器充电，该针板离子化器具有与板形成间隔的偏移针行。经充电的微粒被收集在具有偏转电极和一对收集板的收集部分，其中偏转电极包括内嵌在介电常数大于1的介电材料中的导体，该介电材料抑制偏转电极和收集板之间电弧的形成。
在又一例子中，1980年9月16授予Argo等人的4222748号美国专利“Electrostatically augmented fiber bed and method of using”公开一种设备，该设备包括：填充至床体的、50-1000微米平均直径纤维的、接地的纤维滤床；位于纤维滤床的上游以将电荷施加于微粒的静电或离子化电场装置；以及用于纤维滤床的冲洗装置，和可选用的接地静电电极装置，用来将所收集的微粒从纤维滤床冲走和有选择地从接地电极冲走。在操作中，微粒在静电装置中被充电并且经充电的微粒收集在纤维滤床中，在那里电荷通过冲洗液/微粒混合物散发，由此在纤维滤床的纤维中不产生明显的空间电荷效应并避免微粒的再飞散。
用文式管增加气流速度在1978年8月29日授予Schwab等人的4110086号美国专利“Method for ionizing gases，electrostatically chargedparticles，and electrostatically charging particles or ionizing gasesfor removing contaminants from gas streams”中有记载，该专利公开了用文式管增加污染气体的速度并引导气体通过极度密集的、垂直于气流的高静电电场，并在位于中央并具有精确尺寸的盘形电极和文氏喉管表面之间沿径向向外延伸。在下游，通过湿净化处理或静电沉积器收集充电微粒。相同的装置公开于1978年6月6日授予Schwab等人的4093430号美国专利“Apparatus forionizing gases，electrostatically charging particles，andelectrostatically charging particles or ionizing gases for removingcontaminants from gas streams”。
同样，1978年2月7日授予Hanson等人的4072477号美国专利“Electrostatic precipitation processs”公开了一种静电沉积器，它根据充电微粒与接地壁的互斥原理来工作，其中载有固体微粒的气体流进入收集部分，在那里，以滴液、普通水形式出现的附加微粒以细喷液形式被注入载有固体微粒的气体流中，固体微粒和附加微粒或通过电晕或通过从电荷喷嘴喷注液滴被充以静电，并且当充电的微粒通过沉积器的接地部分时，通过由空间电荷产生的电场使一部分水微粒和固体被驱赶至接地壁。沉积的固体微粒被夹带在从壁流下并由沉积器抽干的结合水中。
在1970年代，Ceilcote APC研发出离子化湿式洗涤器(IWS)以将亚微米级微粒从气态排出流中去除。IWS系统在1976年5月25日授予Klugman等人的3958958号美国专利“Method for electrostatic removal of particulatefrom a gas stream”中有记载。该专利公开了一种包括填充的湿式洗涤器的方法，诸如水的洗涤液通过该洗涤器垂直流向下游并且要被净化的气体通过该洗涤器沿横贯于洗涤液流动方向的方向流动。要被处理的气体流在流过湿式洗涤器前被离子化以向气体流中的微粒提供给定极性的电荷，并且一旦气体流流过湿式洗涤器，在充电微粒、电中性填充元素和液体之间的引力作用下，气体流中经充电的微粒靠近并附于洗涤液和/或填充元素。在1975年4月1日授予Klugman等人的3874858号美国专利中公开了类似的装置。
结合有静电充电部分的IWS系统之后出现了填充床收集系统。该系统的运作非常复杂并且代价很高。已利用其它静电收集方法，然而它们在收集亚微米级尺寸范围内的微粒时无法达到要求。Tri-Mer研发出一种云状腔洗涤器(专利#5147423、5941465)，它利用微粒在网状电极中的离子化，然后在细微原子化的液滴上进行收集。
正如所理解的那样，现有技术无法专门地解决问题以及由申请人达成的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供相比现存气体污染控制技术具有明显的优点以及提供相比离子化湿式洗涤器技术的优点。
关于总体空气污染控制工业，本发明提供下列方面：
本发明的主要目的是，提供一种通过对微粒充电并利用电场力增加填充床洗涤器系统中的微粒收集而提高气态排放流中的微粒收集的系统和方法。
本发明的另一目的是，提供能够收集甚至是亚微米级大小的微粒的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供相比传统静电洗涤器装置而言可减少安装成本的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供这样一种系统和方法，其中充电部分与收集部分分离，从而当将填充床洗涤器作为收集部分时，允许同时收集微粒和例如酸性气体、可凝结和可溶VOC等的其它污物并使用相同设备。
本发明的又一目的是，提供对使用刚性螺杆电极的充电部分采用同心管配置的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供用短外形充电部分以使对充电部分性能产生消极影响的微粒收集最小化。
本发明还有一个目的是，提供用减小所需覆盖面积的垂直逆流设计的系统和方法。
关于现存的离子化湿式洗涤器技术，本发明提供下列方面：
本发明的另一目的是，提供一种相比传统离子化湿式洗涤器技术而言可减少操作成本的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供相比传统离子化湿式洗涤器技术而言可减少设备覆盖面积的系统和方法。
本发明还有一个目的是，提供可减少与当前用于离子化湿式洗涤器和一些静电洗涤器技术中的多重板和线设计相关的连续维护。
本发明的另一目的是，提供这样一种系统和方法，其用圆柱形接地部分而不是冲洗板来消除板的永久冲洗以去除微粒，且保持充电部分干燥并允许将更稳定的高电压施加于离子化器部分。
本发明的又一目的是，将无需连续张紧的重螺杆电极代替在某些场合下容易断裂的线电极使用的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供采用自清洁流体床填充因而当从气体流收集微粒时不会发生堵塞的系统和方法。
本发明的又一目的是，提供允许汇聚的固体以浆料形式收集并由此使在操作过程中产生的液体废料最小化的系统和方法。
本发明的另一目的是，提供气体流体的高速离子化，使充电部分的停留时间最小化。这也使得在将要减少高电压输入的充电区域内的微粒收集最小化。
本发明的又一目的是，通过添加充电部分而允许现存填充床洗涤器的可以方便地改装，从而提高微粒的去除。
为了实现前面的目的和优点，本发明简单概况地说包括用于从气态排放流中去除微粒的离子化微粒洗涤器，所述洗涤器包括两部分：一充电部分和一收集部分。充电或离子化部分包括一个或多个短圆柱形管状接地腔，每个接地腔具有穿过其中心的刚性螺杆电极。变压器/整流器(T/R)被设置成可将高电压DC能量提供给电极以使圆柱壁作为地面，从而使电晕形成在螺杆电极上。较佳的是，变压器/整流器通过HV缆线或汇流线电气连接于刚性螺杆电极。随着气体流通过从电极流向圆柱壁的电流，气体流中所含的微粒被静电充电。气体流和充电微粒立刻从系统的充电部分被送至收集部分。收集系统包括采用液体再循环系统和整体的沉淀池的、从上方连续冲洗的或固定床或流化床填充部分。填充床提供通过化合机制进行微粒收集的延伸表面。一些较大的微粒是通过在填充表面上的惯性碰撞而收集的。较小的微粒是通过填充材料中性表面的库仑力和象力吸引而收集的。在填充和沉淀中的接地杆将填充和再循环液保持在中性，以将整个部分用作充电微粒的接地收集器。干净气体随后通过夹带物分离器部分以去除液滴。干净气体从系统被排放至大气或进行进一步处理。可构建在多级离子化后进行收集的结构以实现更高的微粒收集效果。
附图说明
图1是示出其两部分的本发明的离子化微粒洗涤器的示意图；
图2是本发明的离子化微粒洗涤器的离子化器部分的示意图；
图3是示出在本发明的离子化微粒洗涤器中的多重充电管的典型配置的横截面图；
较佳实施例的详细说明
参阅附图，尤其是图1，其中给出离子化微粒洗涤器并且总体以标号10表示。洗涤器10包括充电或离子化部分12和收集部分14。无需过份强调具有两个分离部分12、14的重要性，因为倘若所述收集部分14是一填充床洗涤器，则在使用相同设备的同时也能收集微粒和其它诸如气体、可水溶和可凝聚VOG等的污物。充电部分12包括离子化器壳体28，一个或多个圆柱形管状接地腔34的每个具有从中心穿过并延伸的刚性螺杆电极18。由于整个螺纹长度都是对微粒充电的实际离子放射体，因此螺杆电极18提供了极长的有效电极长度。
高压DC功率通过变压器/整流器20被提供给电极18，所述变压器/整流器20通过绝缘体24由HV缆线22连接于电极18。具有通量(through-put)套筒的绝缘体24被设置成可支承电极，电极在离子化器壳体28内延伸并通过管状接地腔34。在较佳实施例中，系统10利用高压DC变压器/整流器20来提供能量，并利用商用控制组件来控制高电压并发生反应以防止或使跳火最小化。
电极18和管状接地腔34共同作用，以当由变压器/整流器20提供DC能量时，在螺杆电极18上形成电晕，其中管状接地腔34用作地面。管状接地腔34通过接地接线片35连接于外部地面。
气体入口30或者形成于离子化器壳体28的一边，或者如图3所示设置在离子化器壳体的顶部。入口30被定位成允许包含微粒物质的气体流32流过管状接地腔34并通过刚性螺杆电极18。当气体流32通过从电极18向离子化器壳体28的离子化器部分33内的管状接地腔34流动的电流时，气体流32中所含的微粒被静电充电。在较佳实施例中，离子化部分33相对较短(在6英寸和12英寸之间)以使任何对离子化器部分33性能产生不利影响的充电微粒的收集最小化。
在较佳实施例中，气体入口30的内径根据气体流32的速度和体积改变。管状接地腔34的直径接近12英寸；虽然可以理解根据气体流32的速度和体积可使用更大和更小的直径。
一旦被充电，气体流32通过出口腔或过渡部36离开离子化器壳体28并流向管道38，管道38通向收集部分14的收集入口40。收集系统14包括恒定地从上方冲洗的固定的或流化床填充的部分42。洗涤液通过填充部分42向下流动并收集在液体沉淀池45中。提供再循环泵44和再生管43以连续冲洗填充部分42。
填充部分42和液体沉淀池45通过接地接线片46接地。这允许将整个填充部分和再循环液体用作气体流32中充电微粒的接地收集器。包含充电微粒的气体流32通过填充部分42，在那里藉由充电微粒对接地填充物48的惯性碰撞、库仑力和象力(image force)吸引将充电的微粒从气体流32中除去。所产生的干净气体50随后通过夹带物分离器部分52以去除液滴。干净气体通过收集排放口54从收集部分14排放出去，在收集排放口54的气体被排至大气中或被进一步处理。可在收集后通过将多个充电部分12和收集部分14串联而配置多个离子化级以实现更高的微粒收集效率。
在较佳实施例中，填充部分42使用能减少所需面积或覆盖面积的垂直逆流设计。另外在较佳实施例中，收集系统14的垂直定向给予设备更小的覆盖面积并提高了收集效率。系统10还允许高离子化速度和高收集速度，这进一步显著减少了系统的整体覆盖面积。较佳地使用流化床填充物48因为它是自我净化的并因此不会由于固体收集而产生堵塞。该填充物48还允许凝聚的固体收集成浆料形式，由此使在操作过程中产生的液体废料最小化。
对本领域内技术人员很明显的是，如这里提供的将充电部分12和收集部分14分离具有额外的优点。例如，可容易地将离子化部分12改装到现有的填充床收集系统，包括目前已经安装的Ceilcote IWS系统。这将减少系统的机械复杂度，提高性能并允许容量增加。垂直或水平流体填充床洗涤器的大安装底部还能将离子化部分附加至化学洗涤器系统以改善微粒收集。可根据垂直或水平流体定位离子化部分12以取得最佳位置条件优势。可基于应用要求改变速度。可基于应用改变圆柱形接地腔34的直径和长度来改变充电部分的停留时间。

Claims (19)

1.一种将微粒从气态排放流中去除的离子化微粒洗涤器，所述洗涤器包括：
充电部分，所述充电部分包括一个或多个圆柱形管状腔，所述圆柱形管状腔具有从中心延伸穿过的刚性螺杆电极，所述螺杆电极的整个螺纹长度都是对微粒充电的实际离子放射体，所述螺杆电极被提供以高电压DC能量以使电晕形成于其上，其中包含在离子化器壳体壁内的所述圆柱形管状腔用作接地端以形成所述电晕；以及
包含冲洗填充部分的收集部分。
2.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述圆柱形管状腔包括离子化部分，所述气态排放流中的所述微粒在所述离子化部分中被充电。
3.如权利要求2所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述离子化部分的长度在6-12英寸之间。
4.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述高电压DC能量由变压器/整流器提供。
5.如权利要求4所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述变压器/整流器提供高电压DC能量。
6.如权利要求5所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述变压器/整流器通过HV缆线或汇流线电气连接于所述刚性螺杆电极。
7.如权利要求6所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述HV缆线用通量绝缘器连接于所述刚性螺杆电极。
8.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述圆柱形管状腔包括气体入口和气体出口，所述气体出口位于与所述腔的气体入口相对的一端。
9.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，还包括从所述充电部分向所述收集部分延伸的管道。
10.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述填充部分是从由固定床和流化床构成的组中选择的。
11.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述收集部分还包括再循环泵。
12.如权利要求11所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述收集部分包括冲洗填充床和液体沉淀池，还包括连接于所述冲洗填充床和所述液体沉淀池的接地杆。
13.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述收集部分还包括夹带物分离器。
14.如权利要求13所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述收集部分还包括用于将干净气体排放出去的收集排放口。
15.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述冲洗填充部分是垂直设置或水平设置的。
16.如权利要求1所述的离子化微粒洗涤器，其特征在于，所述冲洗填充部分使用垂直的逆流设计。
17.一种将微粒从气态排放流除去的离子化微粒洗涤器，所述洗涤器包括：
能够产生高电压DC能量的高电压变压器/整流器；
充电部分，所述充电部分包括一个或多个圆柱形管状腔，所述圆柱形管状腔具有从中心延伸穿过的刚性螺杆电极，所述螺杆电极的整个螺纹长度都是对微粒充电的实际离子放射体，所述螺杆电极由HV缆线和绝缘体电气连接于所述变压器/整流器，并且电极被提供以所述高电压DC能量以使电晕形成于其上，其中所述圆柱形管状腔包括用作接地端以形成所述电晕的内圆柱壁，所述管状腔包括离子化部分，所述气态排放流中的所述微粒在所述离子化部分中被充电，所述管状腔还包括气体入口和气体出口，气体出口位于与所述腔的气体入口相对的一端；
收集部分，所述收集部分包括冲洗固定床或流化床填充部分、夹带物分离器、沉淀池泵和收集排放口，用来将任何液滴从所述气态排放流中去除；以及
从所述充电部分向所述收集部分延伸的管道。
18.一种将微粒从气态排放流中除去的方法，所述方法包括下列步骤：
提供离子化微粒洗涤器，包括：
充电部分，所述充电部分包括一个或多个圆柱形管状腔，所述圆柱形管状腔具有从中心延伸穿过的刚性螺杆电极，所述螺杆电极的整个螺纹长度都是对微粒充电的实际离子放射体，所述螺杆电极被提供以高电压DC能量以使电晕形成于其上，其中所述圆柱形管状腔包括用作接地端以形成所述电晕的内圆柱壁；以及
包含冲洗填充部分的收集部分；
对所述电极充电以形成所述电晕；
使含有所述微粒的气体流通过所述管状腔，通过所述电极以由此对所述微粒进行静电充电；
使所述气体流从所述充电部分流向所述收集部分；
使含有所述充电微粒的所述气体流通过所述冲洗填充部分以由此去除所述微粒；以及
将不带有所述微粒的所述气体流从所述收集部分中排出。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括使所述气体流流过多个充电部分和收集部分的步骤。
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