CN102648055B

CN102648055B - 气体清洁的方法和设备

Info

Publication number: CN102648055B
Application number: CN201080043971.4A
Authority: CN
Inventors: 阿里·莱廷伦; 考科·詹卡; 乔马·凯斯金伦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: CN102648055A; FI122485B; EP2482988A4; WO2011039422A1; US20120180659A1; EP2482988A1; US9028589B2; FI20096004A0

Abstract

一种用于从带粒气体（FG）分离粒子（P0、P1）的方法，包括：-通过对带粒气体（FG）的粒子（P0）充电而形成带电粒子（P1），-通过由流动引导结构（30）引导所述带粒气体（FG）来提供气体射流（JET1），-以及通过电场（E1）从所述气体射流（JET1）收集粒子（P1）到集电极（10），其中所述集电极（10）的有效收集区域（EFFZ）定位为所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的气体速度梯度（Δv/Δy）小于所述气体射流（JET1）中的最大气体速度（V_MAX）除以所述射流的高度尺寸（d1’）的10%。

Description

气体清洁的方法和设备

技术领域

本发明涉及从气体分离粒子。

背景技术

例如当燃烧木材、木材颗粒、泥炭或城市垃圾时，在燃烧过程中可能形成气溶胶粒子。气溶胶粒子还可能在工业过程中形成，例如热镀锌、焊接或者玻璃熔炼。所述气溶胶粒子通常对环境和健康有害。具体地，所谓的纳米粒子当被吸入时，因为可能会渗入人体肺部，所以它们可能导致健康问题。在工业过程中蒸发的有毒重金属也可能会浓缩并富集在纳米粒子中。术语纳米粒子在本文中是指直径小于或等于500nm的粒子。

已知气溶胶粒子可以通过利用过滤、或者通过利用静电滤尘器来与烟道气体分离。静电滤尘器通常特征在于低压降以及处理高粒子浓度的能力。

在常规静电滤尘器中，粒子通常借助电晕放电来充电，并且带电粒子借助电场移位到收集板。通常，充电和电移位设置为在相同体积内发生。在常规静电滤尘器中，目标在于将高电场与低电荷密度一起使用，因为与高电荷密度结合的强电场会增加能量消耗。在1-100μm状态的粒子的有效充电需要强电场。常规静电滤尘器通常被优化用于分离直径在1-100μm范围内的粒子。

另一方面，纳米粒子的有效充电需要在带粒气体中的高电荷密度。因此，当任务是分离纳米粒子时，常规静电滤尘器通常不是非常有效的和/或经济的。

清洁静电滤尘器的收集板的现有技术解决方案的问题在于，在清洁处理期间松散的粒子可能被捕获回气流。如果在清洁处理期间切断气流，那么这可以被避免。然而，这样会使得气体清洁系统变得更复杂。

粒子可以由电晕放电来充电以便充电与电移位分开地发生。然而，在那种情况下粒子会沉积在电晕电极附近的所有表面上，并且这样会使静电滤尘器的清洁更困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于气体清洁的设备。本发明的目的还在于提供用于气体清洁的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种气体清洁设备（500），包括：

-充电单元（150），其设置为通过对带粒气体（FG）的粒子（P0）充电而形成带电粒子（P1）；

-流动引导结构（30），其设置为通过引导所述带粒气体（FG）而提供气体射流（JET1）；以及

-集电极，其具有设置为通过电场（E1）从所述气体射流（JET1）收集粒子（P1）的有效收集区域（EFFZ），其中所述有效收集区域（EFFZ）定位成所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的气体速度梯度（Δv/Δy）小于或等于所述气体射流（JET1）的最大气体速度（V_MAX）除以所述射流的高度尺寸（d1’）的10%，所述高度尺寸（d1’）在所述流动引导结构（30）的位置处确定。

根据本发明的第二方面，提供了一种从带粒气体（FG）分离粒子（P0、P1）的方法，所述方法包括：

-通过对带粒气体（FG）的粒子（P0）充电来形成带电粒子（P1），

-通过由流动引导结构（30）引导所述带粒气体（FG）来提供气体射流（JET1），

-以及通过电场（E1）从所述气体射流（JET1）收集粒子（P1）到集电极（10）的有效收集区域（EFFZ），

其中所述有效收集区域（EFFZ）定位成所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的气体速度梯度（Δv/Δy）小于或等于所述气体射流（JET1）中的最大气体速度（V_MAX）除以所述射流的高度尺寸（d1’）的10%，所述高度尺寸（d1’）在所述流动引导结构（30）的位置处确定。

本发明的其他方面呈现在独立权利要求中。

根据本发明，首先对粒子充电，并且随后将带电粒子从气流分离到集电极，以便电极的有效收集区域基本上与气流分开。因此，在电极的清理处理期间，能够从电极去除粒子，以便它们不被捕获回到所述气流。结果，可以获得纳米粒子的高收集效率。

在一个实施例中，无粒子电离气体由离子源产生，并且粒子通过在混合区域中将电离气体与带粒气体混合来充电。结果，离子源不被污染，并且不需要清洁它。归功于将电离气体与带粒气体混合，停留时间可以变长，并且可以提高对纳米粒子充电的效率。

当分开执行粒子的充电和粒子的收集时，这样可以对选择气体清洁设备的操作参数提供相当大的自由。例如，可以使用高电场用于从气流移位带电粒子，而不会过分地增加气体清洁设备的电功耗。（当使用相同的电场来充电和收集时，较高的电场可能导致增大的电晕电流，并且随后也导致过分高的功耗）。

离子源内部的温度和气体组成可以基本上与带粒（烟道）气体的温度和气体组成偏离。这样可以允许例如在电极的使用寿命、电极的材料和/或功耗方面的最优化。

因为粒子的充电和粒子的收集分开执行，所以混合区域不需要包括会使离子远离混合区域偏转的电极对。结果，混合区域中的表面可以保持基本上清洁。因此，气体清洁设备可以是基本上免维护的。实际上，集电极可以是预期需要定期维护的唯一部件。

此外，离子在混合区域中可以具有延长的使用寿命，因为混合区域中的电场是非常小的。因此，与常规静电滤尘器中相比，更容易实现高电荷密度。因此，气体清洁设备可以以低功耗有效地操作。

因为粒子的充电和粒子的收集分开执行，所以沉积在集电极上的粒子不干扰离子源的操作。

因为粒子的充电和粒子的收集分开执行，所以集电极的表面上的电流密度可以是较低的。结果，沉积在集电极上的电绝缘粒子不显著地降低粒子偏转电场的强度。

因为粒子的充电和粒子的收集分开执行，所以粒子偏转电场的空间分布可以选择为带电粒子基本上仅撞击在集电极上。这样减少了清洁气体清洁设备内部的其他表面的需要，即不在集电极上的表面。

通过本文下面给出的描述和示例，并且还通过所附权利要求，本发明的实施例及其优点对本领域的技术人员来说将变得更清晰。

附图说明

在下面的示例中，将参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1a表示包括离子供应部、粒子充电区域、流动引导结构以及粒子集电极的气体清洁设备，

图1b表示图1a的气体清洁设备的尺寸，

图2以三维视图示出气体清洁设备，

图3表示集电极相对于气体射流的位置，

图4a表示引导气流以便它不撞击在集电极的有效粒子收集区域上，

图4b表示在气流中心的第一点和在流动限定孔的顶部的第二点，

图5表示替代的流动引导结构，

图6a举例表示集电极上方和气体清洁设备的进气导管中的气体速度分布，

图6b举例表示集电极上方的气体速度分布，

图6c举例表示在再循环旋涡的情况下的集电极上方的气体速度分布，

图7表示将集电极定位于气流导管的侧面上，

图8表示定位在气流导管上方的集电极，

图9a表示由撞击在电极室中的基本上竖直表面上的气流产生的再循环旋涡，

图9b表示设置为使再循环旋涡最小化的倾斜表面，

图10a表示基于电晕放电的离子源，

图10b表示基于电晕放电的离子源，

图11表示包括设置为变更气体射流中的气体速度分布的弯曲进气导管的气体清洁设备，

图12a以三维视图示出由在侧面上具有开口的导管形成的气体射流，以及

图12b以三维视图示出具有基本上矩形剖面的导管。

具体实施方式

参考图1，气体清洁设备500可以包括粒子充电单元150、流动引导结构30以及粒子集电极10。

带粒气体FG可以经由进气导管301引入气体清洁设备500。

粒子充电单元150设置为通过对带粒气流FG的中性粒子P0充电形成带电粒子P1。带粒气体FG可以例如是来自燃烧过程的烟道气体。

粒子P0可以例如是固体或液体粒子。粒子P0的直径可以例如是在5nm到500nm的范围内。

充电单元150可以包括离子源100和进气导管301。离子源100设置为提供电离气体IG流。电离气体IG包括离子J1，其如图1a的黑点所示。

电离气体IG可以经由喷嘴130引入进气导管301。基本上无粒子气体AG可以经由管140引导到离子供应部100。

电离气体可以与带粒气体FG混合以便于提供离子J1与带粒气体FG的混合物。

由于电离气体IG的单极离子J1互相排斥，所以离子J1可以通过静电力与带粒气体FG混合。

带粒气体FG和电离气体IG也可以例如通过由流经喷嘴130的电离气体IG流产生的湍流来混合。换句话说，喷嘴130可以设置为通过湍流加强混合。

电荷在粒子充电区域CHRZ中可以从离子J1转移到带粒气体FG的中性粒子P0。进气导管301的一部分内部体积可以用作充电区域CHRZ。

大部分中性粒子P0可以在充电区域CHRZ中转化为带电粒子P1。携带带电粒子P1的气体可以作为气体射流JET1喷射到粒子集电极10与相对电极20之间的空间中。

在粒子集电极10与相对电极20之间施加的电压可以产生电场E1，其使带电粒子P1偏转到集电极10。集电极10的极性选择为它吸引带电粒子P1。换句话说，电场E1使带电粒子P1远离气体射流JET1偏转并且使偏转的带电粒子P1移动到集电极10的表面。

离子源100可以设置为操作以便所产生的离子J1是单极的。例如，离子源100可以设置为操作以便多于90%的所产生的离子是正的并且小于10%的所产生的离子是负的。替代地，离子源100可以设置为操作以便多于90%的所产生的离子是负的并且小于10%的所产生的离子是正的。结果，在充电区域CHRZ中充电的大部分粒子P1是正的或者是负的。

电压可以由高电压源225产生。电压可以经由穿过绝缘体221的导体222联接到集电极10。集电极10也可以由导体222和/或由绝缘体221机械地支撑。

为了使收集效率最大化，电压源225可以设置为操作以便联接在电极10、20之间的电压略小于电击穿极限值。由集电极E1产生的电场E1可以例如比在环境气体中产生电击穿的最小电场小5%-30%。电击穿极限值可以例如是7kV/cm。

流动引导结构30可以设置为引导气体射流JET1，以便所述气体射流JET1不吹走沉积在集电极10上的粒子DEP1。

流动引导结构30可以设置为引导气体射流JET1，以便所述气体射流JET1不显著地捕获沉积的粒子DEP1，其随后作为团聚物从集电极10释放。

集电极10可以设置在电极室302中。清洁的气体CG可以经由出气导管303引导离开。电极室302优选地是气密的，并且它与进气导管301和出气导管303流体连接。

沉积在电极10上的粒子DEP1由于重力而可能偶尔从电极10落到电极室302的底部。底部上的粒子沉积物DEP2可以例如经由盖80手动或自动地从室302去除。室302可以还包括用于将沉积物DEP2收集到更小底部区域中的漏斗70。

SX、SY以及SZ表示正交方向（还参见图2、图12a以及图12b）。气体引导结构30附近的气流的方向可以基本上与方向SX平行。SG表示重力方向。

图1b表示根据图1a的气体清洁设备500的尺寸。

气体引导结构30可以例如是气体进气导管301的一部分。

L1表示充电区域CHRZ的长度，即离子注入喷嘴130与气体引导装置30的端部之间的距离。

充电区域CHRZ的长度L1可以例如大于或等于50cm。喷嘴130与集电极10之间的（纵向）距离L1+L4可以例如大于或等于50cm。喷嘴130与电极10的有效粒子收集区域EFFZ之间的（纵向）距离L1+L4可以大于或等于50cm。

小于1.0μm的粒子主要由称为扩散充电的过程充电。在这种情况下充电效率取决于离子J1的浓度，取决于在充电区域CHRZ中的停留时间，并且取决于气体的温度。

在充电区域CHRZ中的停留时间可以通过增加长度L1来增加。增加的停留时间提高了电荷从离子J1转移到中性粒子P0的概率。然而，长度L1不应该太长，因为在这种情况下带电粒子P1可能在进气导管301的壁上被中和到显著程度。在充电区域CHRZ中的停留时间可以例如在0.05s到1s的范围，并且优选地在0.1s到0.2s的范围。如果停留时间太短，那么电荷不能有效地从离子J1转移到粒子P0。如果停留时间太长，那么大部分带电粒子P1会撞击在导管301的壁上，从而被中和。

气体射流JET1的初始剖面由设置在气体引导装置30的端部处的流动孔APE1限定。因此，气体引导装置30至少部分地限定流动孔APE1。

d1表示流动限定孔APE1的内部高度尺寸。尺寸d1沿着与在气体射流JET1中主导的电场E1的平均方向（即主方向）平行的方向确定。在图1a和图1b中，电场E1的主方向与方向SY平行。

尺寸d1可以与气体导管301在气体引导装置30的端部位置处的内部尺寸相等。在基本上圆形导管的情况下，尺寸d1可以与进气导管301的直径相等。

相当近似地，气体射流JET1的高度尺寸d1’可以考虑为基本上与孔APE1（参见图4a）的尺寸d1相等。气体射流JET1的高度尺寸d1’在气体引导结构30的位置处确定，即在孔APE1的位置处确定。气体射流JET1的高度尺寸d1’可以在气体引导结构30具有最小高度的位置处确定。

d2表示电极10的收集表面与气体引导结构30的端部之间的竖直距离。L2表示气体引导装置30与电极10的有效收集区域之间的最大距离。L3表示电极10的有效收集区域的长度。

d3表示集电极10与相对电极20之间的距离。相当近似地，电极10、20之间的电场E1与距离d3成反比。L4表示集电极10与周围导电结构之间的最小距离。通常，L4对最大电场E1设定极限值，其可以应用在电极10、20之间。

图2表示气体清洁设备500的三维视图。集电极10的剖面可以例如是圆形的，以促进沉积物DEP1远离电极10下落。

电极10也可以例如是基本上平面板（参见图7）。

为了避免在电极室302中的电晕放电，电极10可以构造为不具有尖锐边缘。

气体清洁设备500可以包括一个或多个相邻集电极10。

定位在电极室302中的气流导管304的一部分可以具有切口（开口）306，以允许带电粒子横向漂移出气流导管304。气流导管304可以与进气导管301和出气导管302一起形成基本上连续的导管（也参见图12a和图12b）。

如果气流导管304或电极室302的顶部是导电的，那么它可以用作相对电极20。具体地，气流导管304和/或电极室302的顶部可以由金属制成。

相对电极20也可以是与电极室302电绝缘的，以便增加电场E1的强度（这个实施例未示出）。然而，在这种情况下，在电极室302的其他导电部分与相对电极20之间产生另外的电场。相对电极20的尺寸应该确定为该另外的电场不会无意地使带电粒子P1偏转到电极室302内的暴露于高气体速度的那些导电表面。

原理上，如果电极室302由电绝缘材料制成，那么地面（即，房屋的地或水管系统）也可以用作相对电极20。然而，在这种情况下电场E1会是相当弱的。

参考图3，气流导管304的开口306可以定位在集电极10的上方。因此，沉积在集电极10上的粒子DEP1不会由于重力而回落到气流导管304。作为替代，沉积在集电极10上的粒子DEP1可以落入到电极室302的底部，形成另一个沉积物DEP2。

所收集的粒子DEP1可以通过机械振动例如通过敲击或锤击从集电极去除。由于本发明，使得仅最少量的粒子释放回到气体射流JET1。

粒子也可以例如通过用液体尤其用水清洗而去除。

参考图4a，带粒气流FG由流动引导结构30引导到电极室302，从而形成气体射流JET1。流动引导结构30可以是进气导管301的一部分。

气体射流JET1可以在电极室302中发散。气体射流JET1具有边界BND1。边界BND1是指气体速度下降到射流JET1的中心处的最大气体速度的10%的值的极限值。

带电粒子P1可以由电场E1而远离气体射流JET1偏转到集电极10（图1）。收集在电极10上的粒子通常被中和，这意味着它们不再通过电场E1附着于电极10。

这样继而意味着沉积的粒子可以相当容易地由高速气体吹动离开电极10。中和粒子携带回到气体射流JET1可以急剧地降低收集效率。

电极10的有效粒子收集区域EFFZ优选地定位在气体射流JET1外部。

具体地，用于从气体FG分离粒子P0的设备500可以包括：

-用于形成气体射流JET1的部件（30），

-用于对所述粒子（P0）充电的部件，以及

-设置成通过利用电场（E1）来收集所述粒子（P0、P1）的至少一个集电极（10），

其中所述集电极（10）基本上与所述气体射流JET1分开。

电极10的有效粒子收集区域EFFZ优选地定位在气体射流JET1的边界BND1的外部，其中所述边界BND1的位置在不存在电极10时确定。具体地，电极10的有效粒子收集区域EFFZ可以定位在气体射流JET1的边界BND1下面，其中所述边界BND1的位置在不存在电极10时确定。因为根据流体动力学，气体速度在固态物体的表面处等于零，所以边界BND1的位置在不存在电极10时确定。

α1表示气体射流JET1的边界BND1与孔APE1的位置紧前方的气流的主方向之间的角度。在大电极室302的情况下，角度α1可以例如在10°到15°的范围内。

因此，流动引导结构30与有效收集区域EFFZ的边界之间的最大距离L2可以通过等式估算：

其中α1等于例如15度。

流动限定孔APE1可以例如由进气导管301的端部限定。如果电极室302具有带开口306（参见图2、图3、图12a以及图12b）的气流导管304，那么孔APE1的底侧可以由切口306的第一边缘限定。

根据流体动力学，进气导管301的内表面上的气体速度等于零。因此，理论上，气体射流JET1在流动限定孔APE1的位置处的高度尺寸d1’可以略小于孔APE1的高度尺寸d1。然而，相当近似地，气体射流JET1的高度尺寸d1’可以考虑为基本上等于孔APE1的高度尺寸d1。

孔APE1也可以由设置为稳定气流的相邻喷嘴的阵列（未示出）来限定。在这种情况下，尺寸d1是指喷嘴的组合高度尺寸，并且尺寸d1’是指所产生的气体射流JET1的组合高度尺寸。具体地，所述喷嘴可以是蜂巢式喷嘴。

参考图4b，CR1表示孔APE1的最顶点。气体清洁设备500的操作参数可以选择为在位置CR1附近行进的带电粒子P1能够偏转，从而它们撞击在有效收集区域EFFZ上。所述操作参数包括：

-有效收集区域EFFZ的长度L3（参见图1b），

-孔APE1与有效收集区域EFFZ的边界之间的距离L2，

-尺寸d1和d2的总和，

-在集电极10与相对电极20之间施加的电压，以及

-进气导管301中的气体速度。

带电粒子P1从点CR1到集电极10的行进时间τ_DRIFT可以通过等式估算：

其中v_DRIFT表示粒子P1由电场E1导致的横向（即竖直）漂移速度。行进时间τ_DRIFT也可以称为停留时间。

在时间τ_DRIFT期间由粒子P1行进的水平距离L_H可以通过等式估算：

其中v_G表示电极10、20之间的电极室302中的平均（水平）气体速度。

电极室中的平均（水平）气体速度可以例如在0.2到20m/s的范围内，并且优选地例如在0.5m/s到2m/s的范围内。

射流JET1的高度尺寸d1’可以例如在1到60cm的范围内，并且优选地在5cm到30cm的范围内。尺寸d2可以例如在尺寸d1’的30到70%的范围内。

孔APE1的高度尺寸d1可以例如在1到60cm的范围内，并且优选地在5cm到30cm的范围内。尺寸d2可以例如在尺寸d1的30到70%的范围内。

100nm粒子的漂移速度v_DRIFT可以例如在5cm/s到100cm/s的范围内。漂移速度v_DRIFT依赖于电场E1。漂移速度v_DRIFT通常在10cm/s-30cm/s的范围内。

电场E1以及气体速度v_G可以选择为漂移速度v_DRIFT大于或等于气体速度v_G的10%。尤其是，漂移速度v_DRIFT可以大于或等于气体速度v_G的30%。

等式（3a）也可以代入由等式（2）获得的τ_DRIFT而以下面的形式表达：

有效收集区域EFFZ应该足够长以便于确保在位置CR1附近携带的带电粒子P1具有足够的时间漂移到有效收集区域EFFZ。为了收集基本上所有的带电粒子，有效收集区域EFFZ应该定位为：

换句话说，有效收集区域EFFZ的最远端的位置可以选择为

如果根据下面的等式来选择有效收集区域EFFZ的最远端的位置，那么可以收集在射流JET1的中心CNT1处携带的带电粒子P1：

电场E1、气体速度v_G以及尺寸d1和d2可以选择为100nm粒子的行进时间τ_DRIFT例如在0.05s到20s的范围内。尤其是，电场E1、气体速度v_G以及尺寸d1和d2可以选择为100nm粒子的行进时间τ_DRIFT优选地在0.5s到2s的范围内。期望这样来提供用于气体清洁设备500的最佳机械尺寸。

电场E1、气体速度v_G以及从射流JET1的中心CNT1到集电极10的横向距离0.5·d1+d2可以选择为，100nm粒子从气体射流JET1的中心CNT1到集电极10的行进时间τ_DRIFT在0.5s到2s的范围内。

电场E1、气体速度v_G以及尺寸d1’可以选择为，100nm粒子的行进时间τ_DRIFT优选地在0.5s到2s的范围内。

气体速度v_G可以例如近似等于漂移速度v_DRIFT的三倍，并且尺寸d1可以近似等于尺寸d1的50%。利用这些典型的参数，等式（4c）限定了L2≥3·d1。换句话说，气体引导装置30与电极10的有效收集区域（EFFZ）的最远端之间的最大距离L2可以大于或等于孔APE1的高度尺寸d1的三倍。

有效收集区域EFFZ的长度L3可以例如近似等于距离d2，并且射流JET1的高度尺寸d1’可以近似等于孔APE1的高度尺寸d1。因此，通过将典型的操作参数代入等式（4c），可以导出有效收集区域EFFZ的长度L3可以大于或等于射流JET1的高度尺寸d1’的三倍。

集电极10可以包括暴露于气体射流JET1的剩余区域UZ，即，剩余区域上的粒子可以相当容易地由气体射流JET1吹走。换句话说，剩余区域UZ不能有效地从气体射流JET1去除粒子。L5表示剩余区域UZ的长度。

参考图5，流动引导结构30也可以是流动引导板或叶片（即隔板），其定位在气流导管301中，以便所述隔板30控制气体射流JET1的方向并且将沉积在有效收集区域EFFZ上的粒子与气流屏蔽开。

流动引导结构30优选地处于与相对电极20相同的电势处，以使带电粒子P1在流动引导结构30上的中和最小化。换句话说，流动引导结构30可以与集电极10电绝缘。换句话说，流动引导结构30可以处于与集电极10不同的电势中。

图6a举例表示进气导管310和电极室302中的气体速度分布。

从竖直线LIN1画出的箭头的长度表示在进气导管301中不同竖直位置处的水平气体速度。

从竖直线LIN2画出的箭头的长度表示在电极室302中不同竖直位置处的水平气体速度。

LIN3表示流动引导结构30的端部位置，即孔APE1的位置。

图6b表示沿着方向SY的气体速度分布。y表示沿着方向SY的竖直位置坐标，并且v表示气体速度。

期待气体射流JET1的最大气体速度V_MAX在线LIN3上出现在孔APE1的位置处。在集电极10上方的线LIN2处的最大气体速度可以略低。集电极10上方的最大气体速度可以是例如最大速度V_MAX的85%。

y₀表示集电极10的上表面的位置。y₁表示集电极10的上表面上方的位置。v₁表示在高度y₁处的气体速度。位置y₁可以是在集电极的表面上方例如1cm。

集电极10的有效收集区域EFFZ可以定位为，有效收集区域EFFZ附近的速度梯度Δv/Δy的绝对值小于预定极限值，以使沉积粒子不以显著的程度由气流吹走。

有效收集区域EFFZ的每个点处的气体速度梯度Δv/Δy可以是例如小于气体射流JET1中的最大气体速度V_MAX除以所述射流的高度尺寸d1’的10%。

有效收集区域EFFZ的每个点处的气体速度梯度Δv/Δy可以是例如小于气体射流JET1中的最大气体速度V_MAX除以孔APE1的高度尺寸d1的10%。

气体射流JET1中的最大气体速度V_MAX可以保持为例如小于或等于10m/s。为了提供更高的粒子收集效率，气体射流JET1中的最大气体速度V_MAX可以保持为小于或等于1.0m/s。

最大气体速度V_MAX可以是例如10m/s，并且气体射流JET1的高度尺寸d1’可以是例如5cm。在该情况下，速度梯度Δv/Δy可以保持为例如小于或等于20s^-1（=10%·V_MAX/d1’）。

最大气体速度V_MAX可以是例如10m/s，并且孔APE1的高度尺寸d1可以是例如5cm。在该情况下，速度梯度Δv/Δy可以保持为例如小于或等于20s^-1（=10%·V_MAX/d1）。

速度梯度Δv/Δy可以甚至例如小于或等于2s^-1以便提供更高的收集效率。

在有效收集区域EFFZ的每个点处，即在整个有效收集区域EFFZ上，可以满足所述低速度梯度条件。

替代使用预定速度梯度作为“气体射流JET1外部”的标准，可以限定为预定高度处的气体速度小于或等于预定值。例如，在有效收集区域EFFZ上方1cm处的气体速度可以例如小于或等于最大速度V_MAX的10%和/或在有效收集区域EFFZ上方1cm处的气体速度可以例如小于或等于20cm/s。在该情况下，尺寸d1和d1’可以例如小于或等于30cm，优选地小于或等于10cm。

在有效收集区域EFFZ的每个点处，可以满足所述低速度条件。

具体地，气体清洁设备500可以包括：

-充电单元150，其设置为通过对带粒气体FG的粒子P0充电而形成带电粒子P1；

-流动引导结构30，其设置为通过引导所述带粒气体FG而提供气体射流JET1；以及

-集电极（10），其具有设置为通过电场E1从所述气体射流JET1收集粒子P1的有效收集区域EFFZ，

其中所述有效收集区域EFFZ定位为，在距所述有效收集区域EFFZ1cm的距离Δy处的气体速度小于或等于所述气体射流JET1的最大气体速度V_MAX的10%，所述距离Δy沿着所述电场E1的主方向。

可以注意到，当粒子直径为100μm时，当气体是空气时以及当温度为20℃时，单位密度球的临界沉降速度为25cm/s。这意味着

-当沉积的纳米粒子作为团聚物从集电极10下落时，

-当团聚物的直径大于100μm时，以及

-当脱离的团聚物不上升到高于集电极10的表面上方1cm，

然后可以估算在集电极表面上方1cm高度处的气体速度20cm/s尚未明显地将团聚粒子捕获回气体射流JET1。

较小的极限值，例如2cm/s可以提供甚至更好的收集效率。因此，在有效收集区域EFFZ的每个点处，有效收集区域EFFZ上方1cm处的气体速度可以例如小于或等于2cm/s。

气体清洁设备500可以连接到燃烧设施的烟道气体导管，或者连接到工业设施的排气导管。燃烧设施和气体清洁设备500的组合可以设置为，有效收集区域EFFZ上方1cm处的气体速度小于或等于20cm/s，或者甚至小于或等于2cm/s。

参考图6c，由于再循环旋涡，使得电极10附近的气体速度也可以是负的。即使电极10定位为远离主气体射流JET1，再循环旋涡也可能从电极10带走一些粒子。再循环旋涡的影响可以例如通过将电极定位为离气体射流JET1有足够的距离和/或通过选择电极室302的形状来最小化（参见图9a、图9b）。

集电极10的上侧可以基本上与进气导管301平行，但这不是必须的。集电极10的上侧也可以例如与边界BND1平行，以便长收集区域EFFZ可以保持在边界BND1下面。甚至很长的集电极10的整个上表面可以保持在边界BND1下面。

参考图7，集电极10也可以定位到气体导管304的一侧，即定位到气体射流JET1的一侧。并且在该情况下，从电极10释放的粒子可以落到底部，而不是被携带回到气体射流JET1中。

气体射流JET1也可以是基本上竖直的。例如，气体射流JET1可以是与方向SY（在附图中未示出）基本上平行的。

图8表示电极10定位在气体导管304上方的比较例。在该情况下从电极10下落的沉积粒子将被引导回到气体射流JET1，并且气体清洁设备500的效率将下降。

图9a表示由撞击在电极室302的基本上竖直返回壁50上的气体射流JET1产生的再循环旋涡VRTX。β1表示返回壁50与方向SX之间的角度。进气导管301可以与方向SX平行。

参考图9b，再循环旋涡VRTX的影响可以例如通过使用电极室的用于将气体射流JET1引导到出气导管303的倾斜返回壁50来降低或消除。角度β1可以是例如在5°到45°的范围内。

图10a表示离子源100。离子源100可以包括电晕电极110、相对电极120、气体输入部123和气体输出部124。

可以在电晕电极110与相对电极120之间施加电压以便于产生电晕放电。电压可以由电源125提供。电压可以是例如在0.1kV到20kV的范围内。电压可以经由导体121联接到电晕电极。电晕电极110可以是棒。电晕电极也可以具有尖点，即，电晕电极110可以是针。相对电极120可以是例如管状的。

相对电极120可以是例如金属管的一部分，其由第二支撑结构128支撑。绝缘体122可以支撑电晕电极110并且将其保持与相对电极分开。电极110、120可以是轴向对称的。电极110、120可以是基本上共轴设置的。

基本上无粒子的气体AG可以例如经由管140被引导到输入部123。无粒子的气体AG的至少一部分可以被引导到电晕电极110附近的放电区域。

放电区域可以位于电极110的端部附近。气体的分子（和/或原子）的至少一部分由电晕放电电离。因此，离子源100的输出部124可以提供电离气体IG的流，其包括离子J1。离子J1的极性可以通过选择电晕电极110的极性来选择。

气体AG可以是例如空气、水蒸气、二氧化碳或氮气。气体AG可以是基本上无粒子的，这意味着粒子浓度低得使沉积粒子不导致离子源100的内部部件的显著污染。气体AG可以例如由泵（未示出）提供。气体AG的流速可以由调节单元（未示出）调节。

在某种程度上，离子生产率可以通过增加电晕电压来提高，但这样也增加了电极110、120之间的电流。这样可能会显著增加离子源100的功耗。

已经注意到，离子生产率也可以通过增加放电区域中的气体速度来提高。离子源100可以包括设置为增加电晕电极110附近的气体速度的第一流动引导元件126，以便增加离子生产率。特别地，第一流动引导元件126可以是缩窄部。

离子源100可以包括设置为防止外部带粒气体进入电极110、120之间的空间的第二流动引导元件127。换句话说，第二流动引导元件127可以设置为防止电极110、120的污染。特别地，第二流动引导元件127可以是缩窄部。

第二流动引导元件127也可以用作喷嘴130，即，第二流动引导元件127可以设置为对带粒气体注入电离气体IG。

参考图10b，无粒子的气体AG也可以沿着基本上线性路径引入到离子源100。第一支撑件122可以保持电晕电极110。离子源100可以还包括用于保持相对电极120和第一支撑件122的第二支撑件128。第一支撑件122和第二支撑件128的至少一个应该是电绝缘的。

第二支撑件122的一部分可以用作用于对带粒气体FG注入电离气体IG的喷嘴130。并且在该情况下，离子源100可以包括用于增加电晕电极110附近的气体速度的第一流动引导元件（未示出）、和/或设置为防止带粒气体循环到电极110、120的第二流动引导元件（未示出）。

参考图11，进气导管301的弯曲部分可以设置为变更气体射流JET1的速度分布。

如果进气导管301弯曲，那么电离气体IG也可以沿着基本上线性的路径引入到进气导管301中。

图11还示出电离气体IG可以与带粒烟道气体FG在若干个连续位置处混合，以便增加粒子在充电区域CHRZ中的停留时间。设备500可以包括两个或更多的离子源100。期待这样进一步地减少由气体携带的中性粒子P0的数量，即进一步提高收集效率。

参考图12a，进气导管301和出气导管303可以连接到具有开口306的气体导管304。具体地，部件301、303以及304可以是同一个管的部分。进气导管301可以用作形成气体射流JET1的流动引导结构30。

在该情况下，仅气体射流JET1的下部是基本上自由的。气体射流JET1的上部限制于导管304。

参考图12b，进气导管301可以具有基本上矩形的剖面。d1表示流动限定孔APE1沿着方向SY的高度尺寸。w1表示流动限定孔APE1沿着方向SZ的宽度。气体清洁设备500可以还包括将气体引导到出气导管303中的倾斜表面50（还参见图9b）。

气体清洁设备500的操作参数和尺寸可以选择为使分离例如10nm粒子的效率最大化。在这个方面，分离效率是指预定大小的被分离粒子的数量与所述预定尺寸的粒子的总数量的比。

气体清洁设备500可以设置为从气体FG分离例如40-90%的纳米粒子。因此，清洁气体CG中的纳米粒子的浓度可以分别例如在带粒气体FG中的纳米粒子的浓度的10%-60%。因此，可以显著地减少有害粒子发射到大气中。

气体清洁设备500可以设置为从来源于例如燃烧过程、内燃机、化学过程、焊接过程、玻璃加热过程或电镀过程的烟道气体去除粒子。

粒子可以已经例如从气相经由浓缩形成。

带粒气体FG和电离气体IG可以通过由流经喷嘴130的电离气体IG的流产生的湍流来混合。换句话说，喷嘴130可以设置为通过湍流增强混合。当与带粒气体FG的速度相比时，从离子源100射出的电离气体IG的速度是较高的，这样可以自然地产生湍流。

然而，湍流通常对于粒子的充电不是必需的。从离子源（100）射出的离子J1的空间电荷可以有效地将离子J1分布在带粒气体FG内。空间电荷可以在进气导管301的基本上整个剖面面积上分布离子J1。在该情况下，进气导管301中的流动可以是基本上层流的，甚至在离子源100的喷嘴130之后。气体清洁设备500的尺寸、从离子源100射出的电离气体的速度以及带粒气体FG的速度可以选择为气体射流JET1可以是基本上层流的。基本上层流的气体射流JET1可以促进提供高程度的粒子分离。在该情况下，偏转粒子由于湍流而不重新携带回到所述流动中。

对于本领域的技术人员来说，将会清楚根据本发明的设备的变更和变形是可理解的。附图是示意性的。上面参考附图描述的具体实施例仅为例示性的，而不是意在限制本发明的范围，其由所附权利要求限定。

Claims

1.一种气体清洁设备（500），包括：

-集电极（10），其具有设置为通过电场（E1）从所述气体射流（JET1）收集粒子（P1）的有效收集区域（EFFZ），其中所述有效收集区域（EFFZ）定位成所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的气体速度梯度（Δv/Δy）小于或等于所述气体射流（JET1）的最大气体速度（V_MAX）除以所述气体射流的高度尺寸（d1’）的10%，所述高度尺寸（d1’）在所述流动引导结构（30）的位置处确定。

2.根据权利要求1所述的设备（500），其中所述充电单元（150）包括设置为通过电离基本上无粒子气体（AG）提供电离气体（IG）的离子源（100）。

3.根据权利要求2所述的设备（500），其中所述离子源（100）设置为通过电晕放电产生离子（J1）。

4.根据权利要求3所述的设备（500），其中所述离子源包括电晕电极（110）和相对电极（120），并且其中基本上阻止所述粒子（P0、P1）进入到所述电晕电极（110）与所述相对电极（120）之间的空间。

5.根据权利要求2到4任意一项所述的设备（500），其中所述充电单元（150）设置为将电离气体（IG）与所述带粒气体（FG）在进气导管（301）中混合。

6.根据权利要求5所述的设备（500），其中所述电离气体（IG）经由喷嘴（130）引入到所述进气导管（301），并且所述喷嘴（130）与所述集电极（10）之间的距离（L1+L4）大于或等于50cm。

7.根据权利要求1到4任意一项所述的设备（500），其中所述有效收集区域（EFFZ）的长度（L3）大于或等于所述气体射流（JET1）的高度尺寸（d1’）的三倍。

8.根据权利要求1到4任意一项所述的设备（500），其中所述流动引导结构（30）设置为处于与所述集电极（10）不同的电势中。

9.一种从带粒气体（FG）分离粒子（P0、P1）的方法，所述方法包括：

其中所述有效收集区域（EFFZ）定位成所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的气体速度梯度（Δv/Δy）小于或等于所述气体射流（JET1）中的最大气体速度（V_MAX）除以所述气体射流的高度尺寸（d1’）的10%，所述高度尺寸（d1’）在所述流动引导结构（30）的位置处确定。

10.根据权利要求9所述的方法，其中当所述带电粒子（P1）的直径为100nm时，所述有效收集区域（EFFZ）的最远点定位成，在所述气体射流（JET1）的中心（CNT1）处行进的带电粒子（P1）撞击在所述有效收集区域（EFFZ）上。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中电场（E1）、气体速度（v_G）、以及从气体射流（JET1）的中心（CNT1）到集电极（10）的横向距离已经选择为，100nm粒子从气体射流（JET1）的中心（CNT1）到集电极（10）的行进时间（τ_DRIFT）在0.5到2s的范围内。

12.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中所述带粒气体（FG）的流速保持在预定极限值以下，以便当所述带电粒子（P1）的直径为100nm时在所述气体射流（JET1）的中心（CNT1）处行进的带电粒子（P1）撞击在所述有效收集区域（EFFZ）上。

13.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中所述充电包括将所述带粒气体（FG）与通过电离基本上无粒子气体（AG）而产生的电离气体（IG）混合。

14.根据权利要求13所述的方法，该方法包括通过电晕放电产生离子（J1）。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过电晕放电产生离子的源包括电晕电极（110）和相对电极（120），并且其中基本上阻止所述粒子（P0、P1）进入到电晕电极（110）与相对电极（120）之间的空间。

16.根据权利要求13所述的方法，该方法包括在进气导管（301）中将电离气体（IG）与所述带粒气体（FG）混合。

17.根据权利要求13所述的方法，该方法包括将所述电离气体（IG）经由喷嘴（130）引入到进气导管（301），以便所述喷嘴（130）与所述集电极（10）之间的距离（L1+L4）大于或等于50cm。

18.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中在所述有效收集区域（EFFZ）的每个点上方1cm（Δy）的气体速度（Δv）小于或等于20cm/s。

19.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中在所述有效收集区域（EFFZ）的每个点处的速度梯度（Δv/Δy）小于或等于20s^-1。

20.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中所述有效收集区域（EFFZ）的长度（L3）大于或等于所述气体射流（JET1）的高度尺寸（d1’）的三倍。

21.根据权利要求9到10任意一项所述的方法，其中所述流动引导结构（30）处于与所述集电极（10）不同的电势中。