CN101720255A - 用于除尘和气体净化的静电再循环方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有静电加强再循环的旋风器系统，包括一个具有直径D1和含尘气体(GS)入口的收集旋风器(Col)，位于一个再循环装置(Con)的上游，再循环装置具有直径D2和排出净化气体(GL)的中央通道，这些旋风器串联布置，并具有从集中器至收集器的再循环线路，使部分气流再循环。该系统特征在于，在再循环装置中，有施加高电压(AT)的装置，产生电离电场，驱使微粒离开中央排出通道，而在再循环装置的器壁上没有任何明显的微粒沉积。再循环装置中的电流密度低于0.1毫安/平方米，平均电场低于2×105伏/米。根据本发明的方法，在再循环装置中，微粒由于机械力和电力的联合作用而被驱离中央排出通道，后者由穿越电离场的微粒产生，使它们集中在再循环到收集旋风器的气流部分中，一部分微粒被捕获(P)。本发明用于除尘和干法气体净化、特别用于酸性气体，还用于捕获细菌。

Description

用于除尘和气体净化的静电再循环方法及装置
技术领域
本发明涉及具有静电加强再循环的旋风器系统，适合于气体除尘和净化装置。本发明还涉及对应于这种系统的方法。
背景技术
·旋风器和再循环
旋风器是用于许多行业的除尘器，它具有两个不同的目的：在释放到大气中之前，从由生产过程释放的气流中去除微粒(以控制空气污染或回收产物)，或者通过适当反应剂(吸收剂)的干注入，用作气体净化的反应器，在这后一种情况，通常随后是使用袋滤器，以回收反应产物和多余的吸收剂。
工业用旋风器具有不同的类型，但是使用最多的旋风器是所谓的逆流式。
理论上，增大进气速度，可提高旋流效率，但是实际上，存在速度极限，超过该速度极限，收集效率降低。这是由于跳跃现象(Licht，1980)，这种现象类似于沙丘由于过大的风而发生的滚沙现象。
为了减少乃至消除滚沙现象，有人提出利用气体和未捕获微粒的局部再循环(参看专利PT102392、WO0141934、US6733554、CA2394651和EP1272278)。这些系统使用再循环旋风器进行除尘和气体净化，它们由逆流式旋风器(收集器)和直流再循环旋风器(集中器)组成，其串联布置且进行再循环，其特征为收集器位于集中器的上游，再循环回路使部分被处理气体再循环，从集中器回到收集器，再循环通过文丘里管、吹风机或排出器进行(图1)。这些采用上述工作原理的系统已经应用于不同行业(Salcedo和Pinho，2002、2003；Salcedo和Sousa Mendes，2003；Salcedo等人，2004)，且能去除所有约10微米以上的微粒。
这些系统的总效率由下式给出：
η = η col 1 - η con + η con η col - - - [ 1 ]
其中，ηcol和ηcon分别是收集器和集中器的效率。
因此，事实证明，通过再循环，特别是使用在直流旋风器(集中器)的上游具有逆流式旋风器(收集器)的系统，可提高旋风器或多重旋风器(几个旋风器并联)的效率。
·电滤器
自上世纪初以来(White，1963)，存在一种除尘器称为静电除尘器(通常称ESP)，其利用与高压电源连接的导线的放电所产生的电力，所述电力一般是直流电，对称地位于一筒体(管式ESP)的轴线上，或位于平行极板(平行极板式ESP)的中间距离上。筒体和平行极板接地，产生的电场导致微粒带电，大多数微粒获得与放电导线极性相同的电荷。因此，这些微粒在整个静电除尘期间的路径中为筒体或其极性与放电导线相反的集电板所吸引，在那里被俘获，然后由气动锤或振动装置、乃至由适当的洗涤液除去(Oglesby和Nichols，1978；Parker，1997)，落在集尘箱中，随后从集尘箱清除掉。
因此，一个ESP需要：
-一个小曲率的放电电极(以获得10-20千伏的适当电压的气体电离，取决于废气的温度和成分)，其与设备的其余部分电绝缘，且连接于一个高压电源，一般为高达70千伏的直流电；
-一个大曲率的收集电极(圆柱体或平行极板)，其接地，因而与放电电极形成大的电位差；
-一个洗涤、振动或锤击收集电极、以通过重力去除沉积灰尘的系统；
-一个收集和从ESP箱清除灰尘的集尘箱系统。
如果是具有圆柱形或相似的几何形状的管式ESP(例如具有六边形横截面)，那么，灰尘通常用适当的液体进行涤除而从器壁上去除，以除去气流中夹带的微粒，因此，这些ESP总是竖直的，废气在底部进入，在顶部排出(White，1963；Oglesby和Nichols，1978；Parker，1997)。如果是平行极板式ESP，使用洗涤液去除微粒不大常见，但是，极板也始终是竖直的。
一个管式ESP如果要顺利工作，按照传统方式，即作为一个微粒收集装置，必须同时具备以下条件：
1.必须有一个适当的高压直流电源，实际上相应于使用约60-70千伏的低电压(Parker，1997)；
2.放电电极必须具有小曲率半径，其就圆柱形导线而言，相当于使用1-3毫米直径的圆柱形导线。实际上，使用2-3毫米的导线(Parker，1997)。放电导线的直径越小，气体的电晕放电起始电压越低(White，1963；Parker，1997)，但是，收集电极附近的电场将减小，从而在某种程度上降低收集效率；
3.收集电极必须具有大曲率半径，其实际上相当于使用竖直布置的圆柱形或六边形腔室，气体在底部进入，在顶部排出；
4.在放电电极和收集电极之间必须有恰当的空隙，以产生高强度电场(≈5×105伏/米)和微粒朝收集电极的高迁移速度(对于0.1-10微米的粒径，≈0.1-1米/秒；Parker，1997)，在管式ESP中使用150-250毫米的常见空隙；
5.必须有足够的停留时间(收集电极的大长度，或者，待处理废气的低气体速度)，在实际当中，约为1.5-2.5米/秒的平均气体速度；
6.必须有去除器壁上沉积微粒的某些辅助方法，即通过振动、锤击或洗涤器壁去除沉积的微粒，微粒必须收集在圆柱形ESP的基部；
7.微粒必须具有适当的电性能，特别是其电阻率(收集电极上积尘层的电荷去除速率的一种测量)，它既不能太低(＜106欧姆·米)，以避免极快速的放电和废气中夹带微粒，又不能太高(＞109欧姆·米)，以避免积尘层中形成很大的电场(White，1963；Salcedo，1981)，因为这两种现象都将降低收集效率。
还有逆流式旋风器(无任何再循环系统)，其直接通电(Lim等人，2001；Shrimpton和Crane，2001；Lim等人，2004)，逆流式旋风器本身具有电场，其目的是提高其收集效率(在等式[1]中，其为η＝ηcol)。
这后一构思的例子在专利US6355178B1中述及。特别是，该专利的图4和5及相应的说明书示出用于气体除尘的逆流式旋风器，其中，一缓冲区域分开上部区域与底部区域。差动电压施加到这两个区域，其目的是使上部区域的微粒带电，在下部区域器壁上捕获它们。根据该专利的图11和15所示的两个不同的变型，在旋风收集器(逆流式旋风分离装置)的上游配有一个微粒预先带电器，全部废气通过其中。此外，目的是在逆流式旋风器的器壁上捕获微粒。在一个特定布置(示于所述专利的图13)中，涡旋管的上部部分用于使进入旋风器的微粒预先带电；在另一布置(示于所述专利的图12)中，预先带电器是纵向插入到输入管中的一放电电极。此外，目的是在逆流式旋风器的器壁上捕获微粒。最后，在第三种布置(示于所述专利的图14)中，放电电极(一导线)位于旋风器纵轴上。上述实施例和装置通常意味着使用辅助装置使旋风器振动(用机械、气动或电装置)，可选地，辅以使用声波或超声波振动装置，在两种情况下，使微粒从旋风器器壁上去除。这些辅助装置的例子示于所述专利的图16和17。除了必须借助于这些辅助振动装置的缺陷之外，因为微粒在旋风器的器壁上被捕获，所以事实上，采用专利US6355178中图13和14所示的实施例，微粒加电装置的效果应该很小，因为对于旋风器的通常尺寸而言，加电装置没有足够的长度以确保有效的微粒带电。在上述第三种配置的情况下，放电导线的裸露部分不能太接近旋风器的底部，因为在放电导线和旋风器壁之间将产生电弧。为了加大微粒带电，增加放电元件的长度(或高度)，将相应地使旋风器增大到非常累赘的尺寸，或导致一个远非高效旋风器的几何结构，从而实质上效率很低。此外，无人将这种装置应用于解决工业除尘问题(不仅仅在实验室规模或试验规模上)。
·聚结器
专利US4718923涉及静电聚结器，其用于使废气中的灰粒增大粒径(通过促进粒间的聚结作用)，使之随后用离心装置、例如旋风器予以去除。
在采用并联的静电管聚结器的配置中，全部气流首先通过静电聚结器，然后(还有全部气体流率)，通过离心收集器、例如并联的旋风器(可选地为逆流式)。旋风器并联布置，与聚结管一致，位于其下游。聚结管为双极，每个聚结管具有一个放电电极，其纵向定位，具有横向极板，连接于负极性，与具有正极性的管本身电绝缘。两电极之间形成大的电位差。虽然构成该装置操作基础的物理原理未在文献中述及，但是，首先由于在某一时期微粒沉积在管壁上，然后由于通过某种振动或等效的机械作用释放聚结微粒，因此可发生微粒聚结作用。无论如何，尺寸增大的粒间聚结作用是所需的效果，如所述专利的附图所示。
因为离心收集器对于分离较大的微粒(较大的块)更为有效，所以这种装置的基本目的是在使微粒经过离心收集器之前，通过聚结作用增大微粒的尺寸。进入离心收集器(例如逆流式旋风器)的全部气流预先由位于收集器上游的沉积电极处理。脱离离心收集器的净化气体全部排出，不经任何随后的局部再循环或完全再循环。
相同的原理应用于专利US5458850述及的装置的工作和设计。
专利US6004375也涉及微粒聚结器。没有再循环。在其它的聚结器中，问题在于聚结微粒如何增大其尺寸，以便以后更容易捕获。还为了根据聚结微粒的集中度及其结构，以及根据所获得的聚结微粒的尺寸，控制聚结微粒的特性。装置为双极，电极是与气流呈径向布置的成对的相对的针状体。在存在反向带电微粒的不完全结合的情况，应防止这种微粒可能沿所述径向方向偏移。
·擦洗器
公知的特定擦洗装置使用反应粉末的干注入，但是，与用作相同目的的反应器的旋风器(Fonseca等人，2001)相比，投资和生产成本高(Carminati等人，1986；Heap，1996)。
发明内容
本发明的目的是提供高效的气体-固体分离方法及装置，与文献WO0141934中述及的装置相比，效率大为提高，对于去除直径小于10微米的微粒，尤其如此。
还一个目的是为了使这种装置可有效地用于ESP所特有的微粒电阻率范围之外的微粒，即用欧姆·米表示的区间[106，109]之外的微粒，并且结构简单，通用性强，成本低，与ESP相比尤其如此，不需要ESP中存在的从收集器器壁去除微粒的装置。
另一个目的是使生产成本相同于乃至低于WO0141934中述及的再循环系统的生产成本。
另一个目的是对于相似的收集效率，投资费用(生产和组装)低于现有技术的投资费用，本发明的装置可用于高温气体的干法净化和/或处理，且体积适合典型的工业应用，与WO0141934中述及的装置的尺寸相当，与管式ESP相反，如果工业场地的布局有局限性，不会失去使集中器的布局从垂直改变到水平的可能性。
本发明还有一个目的，就是尤其在要从气流除去的微粒的容许电阻率范围内，提供应用广泛的高效除尘方法。
本发明的另一个目的是酸干气体净化且从废气去除微粒，且有效地从柴油机的废气中去除微粒。
其它目的将从说明书和权利要求书中体现。
聚结器的原理是增大粒径，提高微粒分离器(尤其是离心除尘器)随后的集尘能力，ESP(乃至带电逆流式旋风器)的原理是分离气流中的微粒，在非常带电的装置上予以捕获，与聚结器和ESP相反，本发明提出的装置类似于专利WO0141934的装置，但是其中，集中器设计成静电再循环装置。
事实证明，虽然装置的主要部件与现有技术中的装置基本上相同，即一个逆流式旋风器(收集器)布置在一个直流旋风器(集中器)的上游，但静电再循环显著地增大等式[1]中的项ηcon，将显著地提高总效率η，远远超过单独的机械再循环的总效率，静电再循环的目的既不是在再循环装置(直流集中器)中捕获微粒，也不是促进粒间的聚结作用，而是使再循环气流中的微粒返回到逆流式旋风器(唯一的收集器)。这种对直流旋风器(集中器)的增加，使之变成静电再循环装置，示意地示于图2。
虽然在该示意图上，静电再循环装置和常规的圆柱形ESP之间存在明显的相似性，但是，这种相似性完全是错觉。
实际上，再循环装置用作ESP完全达不到预期目的，因为器壁上的微粒捕获量最少，或者一点也没有，而在ESP中，微粒捕获量应该最大。采用静电再循环，唯一的目的是从位于再循环装置的轴线上的排出通道清除微粒，使之接近再循环装置的器壁(不在器壁上被捕获)，因此集中在切向出口，切向出口是到逆流式旋风器(收集器)的回路。
这样，在再循环装置(集中器)中提供一个直流电电场，可提高再循环效率，只要放电电极和收集电极用于防止再循环装置作为ESP工作，即防止或使微粒在器壁上的沉积最小化。
总之，可以说，如果将本发明的静电再循环装置用作ESP，则废气至逆流式旋风器(收集器)的(局部)再循环基本上无效。此外，装置将具有与上述ESP有关的缺陷，即，需要竖直布置(管式ESP)，需要配置复杂的去除微粒的辅助装置，根据微粒的电阻率(通常限于较小的范围)，易捕获微粒的类型有局限性。
另一方面，出于上述动机，如同专利US6355178，直接在收集器的旋风器上使用任何电场是有缺陷的。
根据本发明的创新方法，可获得由旋风器组成的除尘器，其比现有市场上存在的那些更为有效，投资和经营成本相似，且尺寸有限，可在很高的温度下使用，或者用于干法气体净化，符合所有严格的法定排放限制。
本发明的主要目的是采用再循环提高旋风器系统的收集效率，利用电力集中在再循环装置器壁附近从逆流式旋风器(收集器)排出的微粒，同时使微粒在器壁上的沉积最小化。微粒集中的气流从再循环装置切向排出，再循环气体部分(≈20至30％)被引回到收集器的旋风器。
本发明还提出一种提高气-固分离效率的方法，以及提高从工业废气进行干法气体净化的效率的方法。
根据本发明的方法，废气进入逆流式旋风器(收集器)，旋风器捕获一部分进入的微粒，然后，废气流向一个直流旋风集中器(再循环装置)，其具有一个中央通道，用于排出净化气体，气流中剩余的部分微粒进行集中和再循环，部分回流到收集旋风器。这种方法的特征在于，进入集中器的微粒通过机械(惯性)力和电力的组合而离开(偏离)中央排出通道，电力是微粒穿过电离的高压电场的结果，所述偏离致使流向逆流式旋风器的部分气流中的微粒集中，而不沉积在集中器壁上，其中部分微粒在旋风器中被收集。
因此，增加再循环回到逆流式旋风器(收集器)中的微粒部分，就会提高效率。这样，通过在再循环装置(集中器)中加入电力，通过增加ηcon而增加等式[1]中的η，电力的作用加到WO0141934描述装置的集中器中唯一存在的机械力上。但是，如果不是使用再循环装置(集中器)，而是使用ESP，那么，微粒会在这种ESP上捕获，这样，返回到逆流式旋风器的微粒部分会接近零。这意味着系统不再根据等式[1]起作用，而总效率将与ESP非常近似，无需具有一个逆流式旋风器和再循环回路。因此，将会有很多与ESP相关的缺陷。
因此，事实证明，根据本发明，使用除尘和干法气体净化的再循环旋风器即可达到所述目的，所述再循环旋风器包括一个逆流式收集旋风器和一个直流集中旋风器(再循环装置)，带有一个中央通道用于排出净化气体，其中，这些旋风器串联布置且采用再循环，收集器布置在集中器的上游，并且具有部分气流得到处理的再循环线路，从集中器回到收集器；其特征在于，在再循环装置中，具有施加高压的电装置，产生一个电离场，赋予穿过集中器朝器壁运动的微粒一个净速度分量，不会促使它们在该器壁上的沉积。
根据本发明，施加高压的电装置由一个或多个放电电极构成，放电电极沿集中器(再循环装置)的纵轴定位，穿过再循环装置的器壁，并通过已知方法与之电绝缘，器壁本身接地，以在该器壁和放电电极之间产生高的电压差。施加于放电导线的电压、放电电极的直径以及放电电极和集中器器壁之间的距离(其取决于集中器的标称直径(D2))进行组合，使得器壁处的电流密度小于0.1毫安/平方米。放电电极可呈导线的形状。
即使本发明的主要目的是使未捕获的微粒循环回到逆流式旋风器(收集器)，人们也希望由于靠近再循环装置器壁的较大的微粒集中，可能有必要甚至有益的是使较少的气体部分(20至30％，而用于纯机械再循环的是30-40％)再循环，因此，生产费用将较低，因为电力仅作用于微粒而不作用于气体。事实上，使50000立方米/小时的气流的30-40％进行再循环，需要约18-25千瓦的循环风机功率，使同样的气流的20％再循环，仅需12千瓦，这已包括了通过电离场建立静电再循环所需的电力。电力的节约高于35％，这是很可观的。
因此，看似矛盾的是，本发明在WO0141934描述的纯机械再循环系统中增加了高压电气部件，但总功率消耗实际上降低了。
附图说明
图1是全机械的旋风再循环系统的示意图。
图2是本发明的装置的示意图。
图3是图2系统的总效率(η)的图表。
图4是图1和2的集中器的分级效率图(分别为曲线1和2)。
图5和6示出本发明(实线)的静电集中器的不同的几何结构(源于电极间距)如何使之不同于常规的ESP(虚线)。
图7-8示出根据EP0972572的独立高效旋风器(0)、根据WO0141934的纯机械再循环的旋风器(1)和本发明的旋风器(2)之间的效率差异。
图9示出图7-8所示装置的不同的分割粒径。
图10示出本发明装置(2)的捕获效率的平均增量。
图11-13示出在试验规模的实验中针对三种不同类型微粒的效率提高。
图14示出独立逆流式旋风器(0)、纯机械再循环旋风装置(1)和本发明装置(2)之间的捕获空气传播细菌的比较结果。
具体实施方式
图1是采用纯机械再循环的旋风器系统的示意图，如同现有技术中描述的，其由一个称为收集器Col的逆流式旋风器、一个位于下游的称为集中器Con的直流旋风器以及一个具有吹风机、文丘里管或排出器的再循环系统组成。
图2是本发明装置的示意图，其包括一个逆流式旋风器、一个直流旋风器以及一个再循环系统，逆流式旋风器称为收集器Col，直流旋风器称为集中器或静电再循环装置Con，位于下游，由一个高压直流电源AT加电，再循环系统可以是一个吹风机、文丘里管或排出器。该图仅用作说明，是非限制性的，其示出含尘气体的进入GS、捕获的微粒的排出P以及净化气体的排出GL。
事实证明，本发明和如图1所示的现有技术中再循环(纯机械再循环)旋风器的主要区别在于集中器的带电。但是，施加于放电电极的电压AT、放电电极的直径及其与集中器器壁之间的距离都组合在一起，以产生低于约0.1毫安/平方米的电流密度，使该装置具有完全不同于常规ESP的特征。
本发明的原理示于图3和4。
图3示出图2系统的总效率η，系统的效率始终大于单独的收集器ηcol的效率，提高集中器的效率ηcon将提高系统效率η。
图4示出图1和2所示集中器的取决于微粒尺寸[直径φ]的分级效率(分别为曲线1和2)，示出静电再循环效率η比纯机械再循环效率η大很多，而微细颗粒在器壁上的微粒沉积η可忽略不计(曲线3)。该图是通过模拟生成的，使用在进行机械再循环的全尺寸设备上试验获得的结果，且运用适当的理论(Salcedo，1981)对静电再循环进行外推法。
由图4证实，使用本发明的静电式集中器(这里也称为静电再循环装置)，对于微细颗粒，器壁上的微粒沉积很少(曲线3)，其多为从收集旋风器漏出而进入集中器，回到逆流旋风器的再循环效率显著提高，静电再循环效率(曲线2)比纯机械再循环效率(曲线1)大得多，特别是对于亚微米微粒，从而增大等式[1]中的项ηcon。
图3示出在总效率η中增大项ηcon的有利效果。
即使使用一个在示意图中(图2)明显类似ESP的装置-静电再循环装置，所提出的静电再循环的构思与常规的ESP具有相当大的不同，这些不同由图4中的曲线3体现。其它的不同点在于：
1.管式ESP是竖直的，因此器壁上捕获的微粒可通过基部去除。所提出的再循环装置可定向在任何位置，包括水平位置，因为不是用作微粒收集器。
2.管式ESP具有一个用于振动、锤击或洗涤器壁、以去除沉积微粒的系统。这不是所提出的集中器的情况，因为它不需要任何灰层去除装置。
3.管式ESP具有集尘箱，收集从器壁去除的微粒。所提出的集中器不需要任何集尘箱，因为它不是一个收集器(这项任务留给位于集中器上游的逆流式旋风器)。
4.管式ESP以强电场(＞5×105伏/米)工作，因此，电流密度高(＞1毫安/平方米)，导致微粒朝向收集电极的大迁移速率w(对于0.1-10微米的粒径，≈0.1-1米/秒)和大收集效率(＞95％)。对于约60-70千伏的最高施加电压，使电极隔开约200毫米的距离(典型地为150-250毫米；Parker，1997)，即可达到上述结果。这不是所提出的再循环装置的情况，在再循环装置中，电极之间隔开的距离很大(≈450-600毫米)。最大的外加电压约50千伏，所产生的电场低(＜2×105伏/米)，具有低电流密度(＜0.1毫安/平方米)，导致微粒朝器壁的低迁移速率(对于0.1-10微米的粒径，≈0.01-0.05米/秒)，并且器壁上的微粒沉积很少(理想地，再循环装置器壁上的微粒沉积应为零)。
5.如果静电再循环装置的静电分量工作不正常，机械再循环仍然工作。反之，ESP中电场失效则完全危害这些装置的效率及其作为微粒去除器的使用。
下面的表I概括了这些不同点。
表I
管式ESP(Parker，1997)与
本发明的静电再循环装置之间的显著不同
Figure G2008800204976D00121
表I(续)
Figure G2008800204976D00122
(＊)-对于0.1-10微米的粒径
表I(续)
Figure G2008800204976D00131
(**)-对于生物燃料锅炉(废木)排出的颗粒尺寸分布
图5示出，对于静电式集中器，如果施加电压超过200千伏，那么，对于一个大的微粒直径φ范围，微粒朝器壁的迁移速度w的数值仅接近于由ESP得到的数值。
图6示出，对于静电式集中器，如果施加电压超过200千伏，则器壁上取决于尺寸[直径φ]的微粒滞留效率η(在本发明中应最小化)的数值仅接近由ESP得到的数值。
图5和6中，虚线表示ESP的典型值(Parker，1997)，连续曲线表示当以50千伏工作时本发明的装置，中断的曲线表示需要施加(模拟)到本发明装置的电压，其约为200千伏，以便分别在微粒迁移速度和器壁上的微粒收集效率方面，使其表现接近常规的ESP。
图5和6示出，要获得ESP的典型的迁移速度w和收集效率η(Parker，1997)，需要使本发明提出的再循环装置工作在大约200至300千伏。由于成本和安全原因，这种极端电压从未用于ESP。
另一方面，本发明的装置(其中再循环装置被加电)和现有技术中的电收集器(反向逆流式旋风器)之间的不同示于下面的表II，其示出旋风器直径和相应容积，需要一个放电电线长度，在涡旋管的下端和锥体的起点之间测得，为2.7米，视为用于工业应用的本发明的静电式集中器(再循环装置)中的一个典型值，且考虑一个具有0.6米的标称直径(D2)和1.13立方米的相应容积的静电式集中器。
表II
具有2.7米放电导线的三种类型的旋风器的标称直径和容积
  旋风器类型   直径(米)   容积(立方米)
  Lapple(低效率)   1.964   12
  Stairmand_HE(高效率)   2.700   31
  EP0972572(很高效率)   5.050   154
当从低效率旋风器改变到高效率和很高效率的旋风器时，保持静电效应所需的容积急剧增加。在逆流式旋风器中，纯机械捕获和机械-电混合捕获之间的结合在工业上不实用，因为旋风器必须巨大，或者机械效率低，从而使之类似于纯ESP。
如前所述，本发明的集中器(静电再循环装置)在其长度上由一个电极或放电电极系统部分地或完全地穿过，所述电极或放电电极系统连接于一个高压电源，且适当地进行电绝缘。放电仅发生在集中器(再循环装置)，其器壁以及逆流式收集旋风器和连接管路应适当接地。
三个部件的连接如下：待处理或净化的气体进入逆流式旋风器，一部分微粒在此被捕获。逃脱收集的微粒与全部气流一起进入集中旋风器(静电再循环装置)，一小部分气体与大部分的未收集微粒一起通过吹风机、文丘里管或排出器再循环回到逆流式旋风器。与纯机械再循环不同，通过在集中器中施加电离电场，所述大部分的未收集微粒被更有效地集中。集中器应工作在一个施加的电压，该电压允许放电电极与其壁之间有一定的电流，但是微粒在再循环装置壁上的沉积应最小化。对于约0.1毫安/平方米或以下的电流密度，可达到这种效果。
为了更好地理解这些现象，所提出的系统使用基于Mothes和Loffler的有限扩散理论(1988)的计算机程序来建立模型，对于逆流式旋风器中的微粒捕获的模拟，该有限扩散理论是现有的最好的理论(在诊断级别)。因为该模型需要关于微粒涡流弥散系数的知识，使用适当的关联来获得(Salcedo和Coelho，1999)。图4示出，对于工业规模的系统，在与全机械再循环装置比较时，所提出系统的预测分级效率曲线(效率取决于微粒尺寸)，两者涉及相同的气体流率和微粒，对于大多数较小的微粒，得到再循环效率的显著提高。这使得系统总效率大为提高。例如，使用图4的数据，仅采用机械再循环，总效率η预计约为83.2％，而采用静电再循环，应为约94.7％，就是说，导致68％的排放降低。
因为再循环装置中的静电效应受益于长的微粒带电时间，最好使系统以低的气体速度工作，这样，与全机械再循环系统相比，总的压降和生产费用降低。使用文丘里管进行再循环，只要气体流率不太高，就允许在很高的温度下使用系统。对于较高的气体流率，可使用适当的排出器或次级风机。这些系统也可用于酸性气体的经济地干法净化，因为它们将使部分转变为固体产物的固体反应物部分地再循环回到逆流式旋风器。
废气的除尘和/或气态组分的干法净化，特别是对于酸性气体、例如氯化氢、氟化氢、二氧化硫和氧化氮，是通过使这种气流穿过具有串联旋风器的一个旋风器系统，其中，收集器在加电集中器之前，并且有一个从集中器回到收集器的再循环回路，在干法气体净化的情况下，在收集器的上游，或者在循环风机、文丘里管或排出器的上游，有适当的固体吸附剂(例如以细分割的形式)的注入(图中未示出)。
如前所述，本发明的系统的效率始终大于其再循环装置不加电的现有技术装置的效率(图3和4)。下面给出的实例将确保效率的提高(图7至9)。
本发明的系统也可用于代替目前使用的用于酸性气体干法净化的反应器(例如喷雾干燥器或文丘里反应器)，由于有效的再循环回路，使得可以设计极其紧凑和高效率的装置，既可用于酸性气体去除，也可用于未反应的吸附剂的使用。
本发明的系统还具有以下的优点：
-静电再循环装置可在任何方向上使用，甚至在水平方向；
-不需要复杂的系统从壁上去除微粒，因为特别由于电极间的大间距，沉积实质上被最小化，这是本发明装置的一个特征；
-再循环装置中不需要集尘箱，因为收集器是逆流式旋风器；
-使用通常用于ESP的电压电平，甚至更低；
-不存在与低或高的灰尘电阻率相关的问题；
-能够通过吹风机、文丘里管或排出器进行再循环；
-能够从废气去除微粒和/或进行酸性气体的干法净化；
-通过使用文丘里管或排出器进行再循环，能够在很高的温度下工作；
-在再循环由文丘里管或排出器提供的情况下，没有运动部件；以及
-在出现高压故障(例如放电电极破裂)时，作为全机械再循环旋风器系统进行工作。
实际实施例
建立一个试验规模的装置，通过使用促使机械再循环的一个吹风机和促使静电再循环的一个高压电源，来演示系统的静电再循环的能力。
图7-8根据微粒直径[直径φ]示出分别在试验规模上获得的独立旋风器的效率η(曲线0)、全机械再循环的效率η(曲线1)、以及静电再循环的效率η(曲线2)，均在两种极端条件下进行：旋风器中极低的压降(400帕)(图7)和旋风器中的典型压降(1620帕)(图8)。
这些图示出通过向旋风器供给很细小气载微粒(1.8至2.3微米的质量中值)而得到的数据，其示出采用静电再循环的系统的总效率(曲线2)始终显著地大于采用全机械再循环的系统的效率，但是，尤其是对于旋风器中的低压降，即对应于长滞留时间的低速度。换句话说，在全机械再循环不太有效的情况下，静电再循环基本上都优于全机械再循环。
图9示出旋风器的分割粒径d50，其取决于进入旋风器的平均气流速度U，其示出三种情况：实心圆点(曲线0)表示独立收集旋风器；空心圆点(曲线1)表示机械再循环；方块(曲线2)表示附加的静电再循环。
该图示出，对于相同的微粒，应用机械再循环(1)或静电再循环(2)时旋风器的分割粒径(旋风器效率为50％的微粒直径)的差异。显然，静电再循环更为有利，对于相同的气体进入旋风器的速度，具有较小的分割粒径。
图10示出应用全机械再循环(曲线1)或静电再循环(曲线2)时，在试验规模上获得的取决于微粒尺寸[直径φ]的微粒捕获效率的平均增量Δη。
该图示出一系列运行的平均效率增量，其在独立收集旋风器之上。再一次，静电再循环(2)表明了超过全机械再循环(1)的显著的效率提高。由燃烧废木和软木的锅炉产生的工业飞灰进行的实验证实了由气载微粒得到的结果。
图11示出对于废气的不同速度U，采用全机械再循环(空心圆点，1)和静电再循环(实心圆点，2)处理具有6.2微米的中等容积直径的磷酸二钙微粒的效率η。
图12示出对于废气的不同速度U，采用全机械再循环(空心圆点，1)和静电再循环(实心圆点，2)处理具有7.5微米的中等容积直径的铁矿石高炉微粒的效率η。
图13示出对于废气的不同速度U，采用全机械再循环(空心圆点，1)和静电再循环(实心圆点，2)处理具有13.2微米的中等容积直径的磷钙土微粒的效率η。
因此，事实证明，当与逆流式旋风器、或在收集器的上游或下游具有集中器的其它再循环系统相比，所提出的系统可显著地减少微粒排放。采用收集器的效率很高的设计方案(即所述专利EP0972572中的设计方案)，使所提出的系统在效率方面与成本较高的设备(擦洗器、文丘里管、袋滤器和ESP)相比具有竞争力，即使是对于约0.5微米以下的微粒尺寸，还具有在很高温度下工作的额外优越性，并且通过适当的干吸附剂注入、特别是粉末，可用于酸气的干法净化。
使用简单且低成本的技术，开发其效率显著超过现有的旋风器或再循环旋风器系统的、主要用于直径2-3微米以下的微粒尺寸的除尘器，在工业应用上具有很大的潜力。多种工业(木材、金属、水泥、化学、固体燃料锅炉和生物燃料锅炉)可受益于低成本的装置，具有足够的效率，以避免需要使用较昂贵的除尘器、例如袋滤器和ESP。同样，汽车工业在力求净化柴油机的排放方面可受益于这里所提出的装置，其可在高温下使用，且没有任何运动部件。
所提出的系统也可用于代替目前使用的用于酸性气体、如氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、二氧化硫(SO2)和氧化氮(NOx)的干法净化的反应器，具有很大的优越性，由于静电再循环回路，可设计非常紧凑的装置，且在去除酸性气体方面，以及未耗尽吸附剂的再利用方面都具有高收集效率。
最后，如图14所示，本发明的装置和方法在捕获微粒方面如此有效，以致可用于例如捕获空气传播的细菌。
实际上，图14非常示意地示出捕获气载细菌的比较结果，其基于在二日(d＝2)和六日(d＝6)后的菌落形成单元的计数，将根据本发明(2)的以50千伏工作的试验性静电再循环系统、全机械再循环系统(1)和独立旋风器(0)与进入系统的新鲜空气样品进行比较。附图所示的菌落形成单元数由数值n给出，一个数是一个菌落形成单元。
事实证明，具有大约90％的(细菌)捕获效率，事实是：
-在2日的培养之后，有8个菌落进入系统(新鲜空气)，仅一个菌落排出(采用静电再循环)，结果是η＝87.5％，以及
-在6日的培养之后，多于50个菌落进入系统，仅4个菌落排出，结果是η＞92.0％，表明90％的(大约)平均效率值。
本发明的另一个实施例未在图中示出，其特征在于，与具有用于提供电离高电压AT的电装置的直流旋风集中器(再循环装置Con)并行，还具有其它的具有用于提供电离高电压的电装置的直流集中旋风器(再循环装置)，限定一个平行的多静电再循环装置的布置，所有的再循环装置由置于该布置上游的相同的逆流式旋风器Col供给，且使微粒集中的各自气流的一部分再循环回到该旋风收集器。这种再循环装置的平行布置降低了每个再循环装置中的速度，提供了微粒的增加的滞留时间和增加的加电(图11-13；实心圆2)。
本发明的另一个实施例也未在图中示出，其特征在于，与具有用于提供电离高电压AT的电装置的直流集中旋风器(再循环装置Con)串联，还有其它的具有用于提供电离高电压的电装置的直流集中旋风器(再循环装置)，限定一个串联的多静电再循环装置的布置，所有的再循环装置由置于该布置上游的相同的逆流式旋风器Col供给，每个集中器使微粒集中的气流的一部分再循环回到该收集旋风器。这种再循环装置的串联布置提供了微粒的增加的滞留时间和增加的加电(图11-13；实心圆2)。
在本文中，当规定本发明涉及的范围的极限值时，“大约”一词的使用必须视为所述极限包括10％的变化，使得范围变宽。
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Claims (13)

1.用于除尘和干法气体净化的静电再循环旋风器，它包括一个逆流式收集旋风器(Col)，其位于一个直流集中旋风器(Con)的上游，后者具有一个中央通道，用于净化气体的排出(GL)，这些旋风器串联布置，并具有从集中器至收集器的循环线路，用于一部分的待处理气体，其特征在于，在再循环装置中，具有电装置，用于施加高电压(AT)，以形成一个电离电场，使再循环装置内的微粒带电，使它们离开中央排出通道，但在再循环装置的器壁上没有任何明显的微粒沉积。
2.根据权利要求1所述的静电再循环旋风器，其特征在于，用于施加高电压(AT)的电装置由放电电极组成，放电电极沿再循环装置的纵轴布置，与再循环装置的器壁电绝缘，器壁接地，以致在器壁和所述放电电极之间建立大的电位差，施加于放电电极的电压、放电电极的形状和直径以及电极和集中器(Con)器壁之间的间距进行组合，以产生低于约0.1毫安/平方米的电流密度。
3.根据权利要求1或2所述的静电再循环旋风器，其特征在于，施加高电压(AT)的装置在再循环装置(Con)中形成电离电场，平均值低于约2×105伏/米。
4.根据权利要求1至3所述的静电再循环旋风器，其特征在于，废气的再循环通过吹风机、排出器或文丘里管进行。
5.根据权利要求1所述的静电再循环旋风器，其特征在于，与具有用于提供电离高电压(AT)的电装置的直流集中旋风器(再循环装置Con)并行，还有其它的具有用于提供电离高电压的电装置的直流集中旋风器(再循环装置)，限定一个平行的多静电再循环装置的布置，其中，所有的再循环装置由置于该布置上游的相同的逆流式收集旋风器(Col)供给，且使带有集中微粒的各自气流的一部分再循环回到所述收集旋风器。
6.气流的除尘方法，其中，该气流首先进入一个逆流式旋风收集器(Col)，该气流的部分微粒在其中被捕获(F)，然后，进入一个直流集中旋风器(再循环装置Con)，其具有一个中央通道，用于排出净化气体(GL)，气流中剩余的部分微粒被集中，且与部分气体一起再循环回到所述收集旋风器，其特征在于，再循环装置(Con)中的微粒在机械(惯性)力和电力的联合作用下离开中央排出通道，其中的后者由穿越高压电离电场的微粒产生，从而使再循环回到旋风收集器的气体中的微粒集中，而微粒在集中器的壁上没有任何明显的沉积，部分的再循环微粒被捕获。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，再循环装置(Con)中的电场强度低于约0.1毫安/平方米。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，再循环装置(Con)中的(平均)电流密度低于约2×105伏/米。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，从集中器(Con)到收集器(Col)的再循环气体的部分约为进入收集器的全部气体的20-30％。
10.根据权利要求7至10中任一项所述的除尘和干法气体净化方法，其特征在于，在收集器(Col)的上游，或在再循环风机、文丘里管或排出器的上游，具有固体吸附剂的注入，用于干法气体净化。
11.用途，其特征在于，使用权利要求1所述的装置和权利要求6所述的方法，用于酸性气体的除尘和干法气体净化，所述酸性气体包括氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)、二氧化硫(SO2)和氧化氮(NOX)。
12.用途，其特征在于，使用权利要求1所述的装置和权利要求6所述的方法，用于柴油发动机废气的除尘。
13.用途，其特征在于，使用权利要求1所述的装置和权利要求6所述的方法，用于从气流捕获细菌。
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