CN1177651C - 凝聚粒子的方法和装置 - Google Patents

Abstract

气体流中灰尘的细微粒子和其它污染物被凝聚形成较大粒子，这些较大粒子很容易在下游的处理过程中被过滤掉。在一个实施例中，气体流的连续部分中的粒子被带上相反极性的电荷，并且气体流被引入一个喇叭口状部分(12)以使其降低流速。不同尺寸的粒子具有相差异的减速，因此通常在流动方向上混合，从而导致带相反极性电荷的粒子发生凝聚。在另外一个实施例中，气体流在各自平行的通道中被分成分流，并且相邻通道中的粒子被带上相反极性的电荷。通道下游端的导向板使相反极性粒子的分流混合，结果使带相反极性电荷的粒子发生凝聚。

Description

凝聚粒子的方法和装置

技术领域

本发明涉及凝聚粒子的方法和装置，尤其是指用于空气污染控制中的静电凝聚器。

发明背景

许多工业生产过程产生小的有害粒子散发到大气中，比如，由于煤炭中存在重金属和重有机材料成分，有毒的悬浮在空气中的煤炭燃烧的副产物往往聚集成散放的细小粒子部分。许多微量金属，比如砷、镉、镍、硒和它们的化合物在高燃烧温度下挥发，然后随着烟气的冷却均匀地集结成核或者主要凝结在扬尘粒子上。一些有毒的有机空气污染物也是这样。

通过均匀成核形成的有毒粒子是非常细小的亚微粒子。这些粒子能够进入人们的呼吸系统，因此它们对公共健康产生了很大的危害。毒性与呼吸舒适感之间的确定联系促使世界各国的政府通过立法以对直径小于10微米(PM10)，尤其是小于2.5微米(PM2.5)的微粒的排放进行更加严格的控制。控制粒子，尤其是尺寸在微米到亚微米之间的细微粒子的排放的政府规则随着这些粒子的排放所产生的有害影响逐渐被人们广泛了解在未来会变得更加严格。

大气排放物中的较小粒子也是形成空气污染的有害可见度影响的主要因素，比如，在煤炭燃烧装置中，烟道的不透明度主要由扬尘中的细微粒子部分决定，这是因为消光系数在光的波长附近达到最大，该波长介于0.1到1微米之间。

对细微粒子进行控制的重要性可以通过考虑到排放物中污染物粒子而不是污染物的数目得到理解。在典型的煤炭燃烧过程中产生的扬尘中，尺寸小于2微米的污染物粒子也许仅占整个污染物的7％，然而却占整个粒子数目的97％。去除所有大于2微米的粒子的工艺技术基于其能够去除93％的污染物的前提可能是有效的，然而97％的粒子，包括更多可吸入的有毒粒子仍然被保留了下来。

人们已经使用了各种各样的方法来去除来自于空气流中的灰尘和污染物粒子。虽然这些方法通常来说适合于去除空气流中的较大的粒子，然而它们总是在滤除较小的粒子，尤其是PM2.5的粒子方面效果非常低。

已经知道使用粒子凝聚技术来使较小粒子集结成较大粒子，然后可以非常容易和有效地把它们去除掉。已知的凝聚技术包括：(i)把化学制剂注入空气流中以增加细微粒子的凝聚作用；(ii)使用层流沉淀器来提高细微粒子的表面凝聚作用；(iii)声波扰动悬浮在气体中的灰尘粒子以增加粒子间的碰撞接触速度，从而增加凝聚作用；(iv)应用AC或DC电场扰动悬浮在气体中的带电灰尘粒子以增加粒子间的混合，从而增加凝聚作用；以及(v)使气体流中的粒子双极带电以用于静电吸引。

在美国专利5,707,428中可以发现已知的表面凝聚技术的例子，而在欧洲专利申请NO.0009857中可以看到AC电场扰动法的例子。

这些技术在大型装置中实施起来通常成本高，并且，化学制剂注入法会引起其它的健康问题。此外，这些所知的技术对于细小的灰尘粒子来说并不是特别有效。

最普通的凝聚技术是表面凝聚。在表面凝聚技术中，粒子必须和收集面或收集体接触以从气体流中去除掉。直径大于约10微米的大粒子能够被诸如碰撞、拦截和离心力等惯性作用装置相对容易地被捕获。在静电沉淀器中，大粒子由于能够带较多的电荷，因此它们就受到较大的电力，从而就非常容易地被收集起来。

然而，随着粒子尺寸的减小，粒子的质量与立方体的直径成比例的减小，并且惯性力把这些粒子带向收集面的效果很差。这些小的粒子也带有很少的电荷，因此它们就受到较小的静电力。对于小于0.1微米的粒子来说，扩散通常是粒子运送、带电和捕获的主要作用机理，然而，对于0.1到0.2微米之间的粒子来说，扩散、静电和惯性作用都不是很强，所知的应用这些作用原理的装置对于这些尺寸范围内的粒子的收集效率表现得最低。

扩散捕获的效果通过提供大的表面积和/或更多的用于发生扩散的时间可以得到提高，但是这就需要大大增加设备尺寸。通过提高粒子相对收集面的相对速度可以获得较大的惯性力，但是这要以较大的压差和能量输入给收集装置为代价，这就会导致成本很大地增加。因此，经济上的考虑限制了这些方法的应用。

其它的用于细微粒子排放控制的灰尘收集装置包括湿式静电沉淀器和湿式除尘器，这些通常都需要大的昂贵的设备，并且会产生污染废水的问题。纤维过滤网也曾用作灰尘收集器，但是它们通常对细微粒子来说是无效的收集器，因为这些小的且通常光滑的粒子往往能够流过使用在这种过滤网上的纤维织物。

本发明的目的是提供一个改进的用于粒子凝聚的方法和装置。

发明内容

在主要的形式上说，本发明提供了一种凝聚气体流中粒子的装置，包括：

一个离子发生器，用于使气体流中的粒子带上相反极性的电荷，和

一个置于离子发生器下游的结构体，用于物理改变气体流的流向以使带相反极性电荷的粒子混合，从而促进粒子的凝聚。

在另一个形式上说，本发明提供了一种促进气体流中的小粒子凝聚的方法，包括以下步骤；

使气体流中的粒子带上相反极性的电荷，和

物理改变气体流的流向以使带相反极性电荷的粒子混合，从而促进粒子的凝聚。

虽然已经知道使用电离器使气体流中的粒子带上电荷，但是已有技术主要依靠扩散作用使带电粒子相接近以使静电力有效。如上面提到的，这些技术通常是无效的。本发明包括物理改变气体流向以促进带相反电荷的粒子的混合。

本发明可以经济地实施，因为其应用了相对简单的在电离器下游的无源结构体以混合带相反电荷的粒子，并因此促进它们的凝聚。

在一个实施例中，AC电离器用于使气体流的连续部分中的粒子带上相反极性的电荷。该AC电离器可以包括一个横向穿过气体流定位的电极组，交替极性的电压脉冲连续施加在该电极组上。该电极组可以包括一系列间隔开的细长组件，在这些细长组件上有发生离子放电的尖端突起。

结构体可以是一个Evase部分或者类似结构，气体流的横截面在其中扩张开，因此降低了气体流的流速。要指出的是，Evase部分即喇叭口状部分，在本申请文件中，其用来指横截面积沿其长度变化的管道，通常，Evase部分为截头圆锥体或截头棱锥体形状，为管道的不同横截面之间提供渐进的均匀的过渡。由于气体流中的粒子在流向上的运动有差异，因此，来自于一部分气体流中的单一极性的粒子将与来自于前面或随后部分气体流中的相反极性的粒子混合。当带相反极性电荷的粒子非常接近时，它们很可能相互吸引，并因此凝聚在一起。

在另一个实施例中，离子发生器是一个双极的DC电离器，其使在气体流横向上的相邻部分中的粒子带上相反极性的电荷。该DC电离器可以包括许多个横向穿过气体流设置的电极组，每个电极组连接到一个DC电压上以使相邻的电极组的极性相反。

每个电极组定位在气体流的流动方向上，并且可以包括一系列间隔开的具有尖端突起的细长组件。平板组件设置在电极组之间并且与电极组平行定位。该平板组件提供接地表面。

在第二个实施例中，结构体可以包括各自电极组下游的气体流向导向板，用于混合含有通过相邻电极组带上相反极性电荷的粒子的气体流的相邻部分。

带电粒子的混合效果可以通过电离器下游的声波扰动得到加强。

也可以通过向粒子喷洒一种化合物，诸如氨进行预处理来增强它们的“粘性”。

为了使本发明可以被更全面地理解并付诸于实践，现在将参考附图对本发明的实施例作出说明。

附图的简单说明

图1是根据本发明的一个实施例的粒子凝聚器的示意性透视图，采用一个AC电离器；

图2是图1中的AC电离器的正视图；

图3(a)到3(f)显示了用于图2中的电离器的可选择的带刺的电极线；

图4(a)到4(d)显示了施加在图2中的AC电离器上的电压波形；

图5是根据本发明的第二个实施例的粒子凝聚器的示意性平面图，采用一个DC双极电离器；

图6是图5中的双极电离器的平面图；

图7是图5中的双极电离器的正视图；

图8是图5中的双极电离器的一个电极组的局部透视图，显示了一个空气导向板；和

图9是显示空气流环绕空气导向板的示意性平面图。

优选实施例描述

图1-3显示了本发明的粒子凝聚装置的第一个实施例。在该实施例中，使空气流中不同大小的预先带电粒子具有相差异的速度以便提高粒子在运动的纵向方向上的混合。该提高的混合导致粒子的凝聚。

如图1所示，横截面基本不变的管道10连接到第二管道11上，该第二管道11的横截面基本不变且比管道10的横截面大很多，管道10是通过一个横截面逐渐增大的喇叭口状部分12(Evase部分)连接到管道11上的。管道10、11、12提供了一个用于气体流的风道。

一个AC电离器14设置在管道10内以使气体流中的粒子带电，该AC电离器14，在图1中用方块形式示意地显示，更加详细地显示在图2中。该AC电离器14包括一系列间隔开的架在顶端和底端母线16之间的电极15。顶端母线16通过绝缘体17由管道10的顶支承，而底端母线16通过绝缘体18连接到从管道的顶上垂挂下来的支承杆19上。电极15排列设置在一个垂直的平面组内，该平面组横向穿过管道10的通道固定。电极15通过合适的电压控制电路(未示出)连接到一个高压AC电源上，该AC电源最好是大于1KV，典型的是20KV到100KV。

电极15可以适合地是单股线或者多股线，或者是网状形式。最好是，电极15是带刺的线或带，该带刺的线或带沿其长度上有尖端、刺或者叉，圈3显示了这类电极的例子。

电极15可以由一侧或者双侧上设有V形刺的扁平带加工制造。这些刺可能与扁平带在同一个平面内，或者扭曲一个角度以提高离子的发生和分布。电极上的刺或者其它尖端可以扭曲或设成一定角度以在所希望的方向上引导离子，并且电极15的间距可以变化以调整离子发生电晕特征。离子发生的水平通常取决于沿电极上的刺或者其它尖端的数目。电极15的末端可以设置有弹簧，以便电极可以张紧固定在母线之间以保持平直。

施加在电极上的高电压环绕尖端、刺或者叉产生强电场，从而发生电晕放电。电板15的放电离子吸附经过的气体流中的粒子，从而使它们带上电荷。虽然普通的导线电极能够产生离子使粒子带电，但是使用这类带刺电极会产生更好的离子发生。

电极15的高压AC电源由采用微处理机的控制器控制，该控制器使用固态电源开关，诸如SCR或者IGBT来调整供给电极的电压。合适地调整该电压使离子发生最大化而不打火花或产生电弧。

在应用中，第一管道10接收一个含有灰尘和/或其它污染物粒子的相对高速的气体流。一个如图4(a)所示的AC电压被接通，从而相反极性的脉冲被连续地施加到电极15上，典型的施加到电极15上的电压脉冲波形显示在图3(b)和3(c)中。对于50Hz的AC来说，极性转换每10ms发生一次。如图3(d)所示，这个期间可以通过跳过周期来增加，从而减少极性转换的频率。换一种方法，可以改变AC电源的频率。

由电极15产生的离子的极性随时间交变。由于离子使经过的气体流中的粒子带上电荷，因此越过AC电离器的气体流将包含有连续的带相反极性电荷粒子的横截面，它们在运动方向上间隔开。

电离器下游的管道结构体改变了气体流的流动特征，即，当气体流进入喇叭口状部分12时，它的体积将增大，因此将会使气体流动的平均速度相应下降。因为进入气体流中的粒子尺寸不同，因此它们具有不同的动能和动量，从而，较大的粒子将不会与较小的粒子一样很快地减速。由于它们相差异的速度，不同尺寸的粒子将在气体运动的总的方向上相混合，也就是说，在气体流的一个横截面上的一个极性的一些粒子将和其它截面上不同极性的粒子混合。因为相反极性的带电粒子相互靠得很近，固此它们将会相互吸引并且凝聚成较大尺寸的粒子。

然后，气体流被送入其它灰尘收集装置，诸如静电沉淀器或者纤维过滤网，在这里，粒子增大了的尺寸使这些装置能够更加有效地收集灰尘。凝聚作用也可以通过使灰尘粒子增大并因此几乎不可能把它们吸入人的呼吸系统来降低健康危害。

气体流填充喇叭口状部分12的增大截面而使其横向扩张，这种横向扩张也促进了气体流中不同尺寸的粒子的混合，较小的粒子很可能横向穿过相反极性带电的较大粒子的运动路径。

通过预处理粒子凝聚作用可以得到加强。适合的预处理方法包括用氨或氨基化合物喷洒气体流，氨或氨基化合物会提高灰尘粒子的“粘着性”或者粘度，因此会提高凝聚的粒子之间的结合强度。

粒子在喇叭口状部分12中的混合通过声波扰动，或者通过能够在气体流中产生扰动的诸如隔板、带翼涡流发生器或者其它偏转板的物理装置或者构造体可以得到进一步加强，声波扰动采用一系列固定在喇叭口状部分12上的喇叭或者振动器13。

为了增强粒子带电和减少粒子聚集在管道壁上，在高速管道10和喇叭口状部分12的内面使用电绝缘涂层，这将防止离子消耗在接地金属管道上，从而增加气体流中粒子的密度。电隔离高速管道10和喇叭口状部分12的腔室也可以防止带电灰尘粒子被电吸引到并且粘附在接地的钢管道系统上。

AC电离器可以包括穿过管道通道固定的额外的电极15的平板组。在使用几个间隔开的电极组15的情况下，施加在电极组上的AC电压脉冲的周期和形状被控制到使粒子最优程度地带上电荷并且避免与随后的电极组发生电荷抵消。

本发明的第二个实施例显示在图5到图9中。在该实施例中，包含有灰尘粒子和其它污染物的气体流被分成了一系列平行的分流，这些分流穿过一个双极充电器，从而使相邻分流中的粒子带上相反极性的电荷。然后使分流偏转以使相邻分流合并和/或交叉，由此提高了粒子的混合，并且增强了凝聚，也就是说，当分流合并或交叉时，相反极性的带电粒子将紧紧接近并且相互吸引。因此，它们凝聚成较大的粒子，应用所知技术，这些较大的粒子随后可以被非常容易地从气体流中过滤掉。

如图5所示，管道21接收一个如图中所示箭头方向的含有灰尘粒子和其它污染物的高速气体流。管道21可以通过一个喇叭口状部分连接到一个较大的管道22上，目的是降低气体流速以便进行随后的过滤或放电。双极电离器和凝聚器24置于管道21内，更具体的情况显示在图6到图9中。

双极电离器24包括一系列平行的平板电极组25，该电极组25与气流方向成一直线，并且横过管道21间隔开。在图示实施例中，电极组25是垂直的，但是它们可以按照需要是水平的或成一定角度。每个电极组25包括一系列间隔开的在顶端和底端母线26之间延伸的金属线或扁平带，该顶端和底端母线26用作金属线或带的支承座。电极组可以如上所述根据图2和图3构造。电极组可以是网状、多股线或其它合适的构造而不是显示在上面的图2和图3中的带刺的线或带来提高离子发生。

每个电极组25通过绝缘体27固定在管道21的壁上。奇数顺序的电极组被导电条28导电连接，而偶数顺序的电极组被导电条29共同导电连接。在使用中，导电条28、29分别连接到高压DC电源的正、负极输出端，因此，相邻的电极组带相反极性的电。

DC电源最好是大于1KV，典型的是20KV到100KV。该DC电源由采用微处理机的控制器合适地控制，该控制器使用固态电源开关。施加在双极电离器24上的正、负电压独立控制以确保最大化的均衡离子发生而不打火花。

接地平面组件诸如接地屏栅或接地板30可以选择地置于电极组25之间，如图6所示。因此，进入双极电离器的气体流将被分成位于接地板30之间(或接地板30与接地管道壁21之间)的平行的分流。电极组25悬挂在每个通道的中央。每个分流沿着电极组的两侧流动，通过电极组在纵向上被有效地分开。

由电极组25产生的粒子朝向接地表面运动并吸引到经过的悬浮在分流中的灰尘粒子上，由此使这些粒子带上电荷。奇数顺序通道中的电极组25具有与偶数顺序通道中的电离化电极相反的极性，因此，相邻通道中的灰尘粒子具有相反的极性。

接地板30之间确定的通道典型的宽度为200mm到300mm之间，且该通道在流向上足够长以确使灰尘粒子穿过通道时被带上电荷。在一个典型装置中，一个4m宽的管道内形成有10个平行的通道，每个通道400mm宽，8m长。

一个V形的导向板31设置在每个电极组25的端部，在图8中可以更清楚地看到这一点。该导向板在双极电离器的下游端产生紊流以增强带电粒子的混合。相接近的极性相反的带电粒子相互吸引并粘着在一起，导致粒子的凝聚。尤其是，V形导向板使分流发生偏转，从而使带有相反极性电荷粒子的相邻分流的相邻部分相合并或交叉，如图9所示。这种导向结构提高了相反极性带电粒子的混合，由此增强了凝聚作用。

虽然只显示了一种V形导向板，但是任何能够使相反极性带电粒子有效混合的形状都可以使用，诸如能够增强下游紊流、因此增强混合作用的扁平横向板。

双极电离器24下游的紊流混合通过声波扰动可以得到进一步加强，该声波扰动采用一系列固定在管道21(图4)上的喇叭或者振动器32。也可以采用其它合适的粒子扰动装置。

当气体穿过喇叭口状部分23(Evase部分)时，随着体积的扩大其流速降低。不同尺寸的粒子以不同的比率降低速度，从而使气体流向上的带电粒子进一步混合并凝聚。

如上述关于图1-3中的实施例，可以在管道21和喇叭口状部分23的内面使用电绝缘涂层以防止离子消耗在接地面上，从而增加气体中粒子的密度。也可以在双极电离器24内的电离化通道的下面设置灰尘收集仓以收集从通道壁上落下来的灰尘。

如同第一个实施例，送入管道21的气体可以用氨或其它化学物质预处理以增强粒子的粘度。

前面仅仅描述了本发明的一些实施例，可以对本发明做出对于本技术领域的人来说显而易见的变化，而不会超出如下述权利要求所限定的本发明的范围。比如，V形导向板31可以固定在接地板30的尾端上而不是电极组25的端部上。导向板可以水平定位而不是图示的垂直定位。

虽然在图中描述了V形导向板，但是其它的形状或构造也可以用作导向板，包括能够产生混合涡流的水平隔栅、异形板和带翼装置。

带翼装置可以是三角形并且与气流的流向成一定角度以使在三角翼的尾端产生涡流。

可以把几排导向板设置成交错结构以对分流产生连续导向和混合作用，从而产生粒子的全面混合和粒子凝聚的更多机会。

进一步，可以间歇地而不是连续地给电极组25通电。

更进一步，可以在双极电离器中使用管状或蜂窝状组来代替平行的通道，高密度的电离器可以产生双极离子使粒子带电。

整个说明书和权利要求中，只要上下文允许，单词“包括”应在含有本身的意义上解释为包括被描述的整体，并不必然排除其它情况。

Claims (21)

1.用于凝聚气体流中粒子的装置，包括：

一个离子发生器，用于使气体流中的粒子带上相反极性的电荷；和

一个位于离子发生器下游处的结构体，用于物理改变气体流的流向以使相反极性带电的粒子混合并由此提高粒子的凝聚，

其中，离子发生器是一个使气体流的连续部分中的粒子带上相反极性电荷的AC电离器。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该AC电离器包括至少一个横向穿过气体流定位设置的电极组，和一个用于向该电极组施加交变极性电压脉冲的电路。

3.如权利要求2所述的装置，其中，电极组包括一系列间隔开的在其上具有尖端突起的细长组件。

4.如权利要求1所述的装置，其中，结构体是一个喇叭口状部分，气体流的横截面面积在该喇叭口状部分中扩大，由此降低气体流的流速。

5.如权利要求4所述的装置，进一步包括至少一个声波扰动装置，用于搅动在喇叭口状部分中的气体流中的粒子。

6.如权利要求4所述的装置，在喇叭口状部分中进一步包括一个或多个物理构造体以产生紊流来增强粒子的混合。

7.用于凝聚气体流中粒子的装置，包括：

一个离子发生器，用于使气体流中的粒子带上相反极性的电荷；和

一个位于离子发生器下游处的结构体，用于物理改变气体流的流向以使相反极性带电的粒子混合并由此提高粒子的凝聚，

其中，离子发生器是一个双极DC电离器，用于使气体流横向上的相邻部分中的粒子带上相反极性的电荷。

8.如权利要求7所述的装置，其中，该DC电离器包括许多间隔开的横向穿过气体流排列设置的电极组，在使用中，每个电极组连接到一个DC电压上，相邻电极组的极性相反。

9.如权利要求8所述的装置，其中，每个电极组定位设置在气体流的流动方向上，该每个电极组包括一系列间隔开的在其上具有尖端突起的细长组件。

10.如权利要求8所述的装置，进一步包括位于电极组之间并与电极组平行定位设置的平板组件，该平板组件提供接地表面。

11.如权利要求7所述的装置，其中，结构体包括至少一个用于使相邻部分混合的气体流动导向板。

12.如权利要求8所述的装置，其中，结构体包括一个或多个固定在各自电极组的下游端的V形气体流动导向板，用于混合含有被相邻电极组充上相反极性电荷的粒子的气体流的相邻部分。

13.如权利要求7所述的装置，进一步包括至少一个声波扰动装置，用于搅动从DC电离器向下游来的气体流中的粒子。

14.如权利要求7所述的装置，进一步包括一个或多个位于电离器下游的物理装置，用于在气体流中产生紊流。

15.一种提高气体流中的小粒子凝聚的方法，包括下述步骤：

使气体流中的粒子带上相反极性的电荷；

物理改变气体流的流向以使带相反极性电荷的粒子混合并由此提高粒子的凝聚，

其中，气体流的连续部分中的粒子被一个AC电离器充上相反极性的电荷。

16.一种如权利要求15所述的方法，其中，所述物理改变气体流的流向的步骤包括使气体流通过一个喇叭口状部分，其中，气体流的横截面面积在该喇叭口状部分中扩大，由此降低气体流的流速。

17.一种如权利要求15所述的方法，进一步包括声波扰动气体流中的带电粒子的步骤。

18.一种如权利要求15所述的方法，进一步包括在使粒子带电步骤之前用化合物向气体流中的粒子喷洒以增强粒子的粘度的步骤。

19.一种如权利要求18所述的方法，其中，化合物是氨或氨基化合物。

20.一种提高气体流中的小粒子凝聚的方法，包括下述步骤：

使气体流中的粒子带上相反极性的电荷；

物理改变气体流的流向以使带相反极性电荷的粒子混合并由此提高粒子的凝聚，

其中，气体流横向上的相邻部分中的粒子被一个双极DC电离器充上相反极性的电荷。

21.一种如权利要求20所述的方法，其中，气体流的流动被导向板改变，该导向板使相邻部分混合。

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