CN1261226C - 静电过滤器 - Google Patents

Abstract

一种静电过滤器(1)，具有一腔室(11)，气体流引入该腔室中；电极组(20)形式的离子发生器(19)位于腔室(11)中，并产生一电离区，气体流通过该电离区；充电的出口(21)位于离子发生器(19)下游；当气体流通过电离区时，其中不需要的微粒被离子发生器(19)充电，并被驱动离开出口(21)；接近出口(21)的带电微粒也在该处受静电排斥，从而使得“清洁”气体通过出口被抽出。

Description

静电过滤器

技术领域

本发明涉及一种适用于分离气体流中(固体或液体)微粒的静电过滤器。本发明尤其适用于控制来自工业过程的空气污染，但不仅限于对该种微粒的应用。

例如，本发明也可用于过滤输送到空气调节或通风系统的空气中的微粒，以及去除真空清洁装置的空气流中的尘土微粒。本发明一般也可用作气体流进一步处理的先期设备，用于气体流中(固体或液体)微粒的分离，如水泥工艺中飞尘及其他细砂的分离。

发明背景

在有害大气污染物的散发中，管理机关施加了严格的控制，而这些控制有可能会随着污染等级的上升而变得更加严格。其中特别关注的是以小粒子形式存在的有毒微量金属及其化合物。由于燃烧过程中会形成微粒的特性，许多微量金属，如砷、钙、镍和有害的高沸点有机大气污染物，会集中在存在于燃烧气中的细微、亚细微大小的粒子中。

有多种已知类型的装置用来通过分离空气流中的污染微粒来净化污染空气流。已知装置类型包括“洗涤器(scrubbers)”、气旋分离器和静电过滤器。这些装置的例子可以在美国专利4352681、4478613、4853010、5591253和6017381中找到。一些装置可能会利用两种或两种以上的这些装置类型。

尽管已知的装置一般适用于去除空气流中的较大微粒，在过滤出更小粒子、尤其是亚细微粒子时它们通常不太有效。然而，正是这些更小的粒子才是最有问题的污染物。这些小粒子由于它们易于通过肺吸收而对健康有害。

小微子及亚微子颗粒在污染的大气中也具有更大的视觉影响。对于相同的总质量，小微粒一般会比大微粒在更大容积上扩散，从而增加污染区域的容量。而且，小微粒会引起光的“弯曲”或折射(defraction)，使污染空气更显而易见。

已知的污染控制装置倾向于为较大的装置，适合用于大工厂和燃烧设备。这就限制了它们只能用于大型装置。尽管一些小型静电/气旋过滤器也是已知的，但小型过滤器一般效率较低。

在静电过滤器中，气体流中的尘土微粒通过电晕放电或其他电离方法来充电，充电后的微粒从一个孔中被静电去除，通过该孔“清洁”的空气得到了清理。人们相信，导致已知静电过滤器相对效率较低的因素之一是在电离阶段微粒的“处理”时间较短。例如，如图3所示美国专利US 4 352 681的静电过滤器，电晕制造部分11是相对较短的轴向部分，空气流中的微粒在很短的时间内横穿过它。因此，微粒，尤其是较小的微粒没有足够的时间得到适当的充电，且在空气输出处的静电排斥对于这些微粒来说效率也更低了。

另一个认为造成静电过滤器相对低效率的因素尤其对亚微子颗粒而言是电离区与输出孔的接近，如图3美国专利US 4 478 613的实施例所示。人们相信，这种接近使得较小的粒子(充电较少)没有足够的行进时间以移动到足够远离输出孔处，以避免和“清洁”空气一起被吸走。

本发明的一个目的就是要提供一种改进的静电过滤器。

发明内容

本发明以一宽泛的形式提供了用于分离气体流中的微粒的装置，该装置包括：

外壳，其具有一在其内的腔室，以及用来将气体流引入腔室的入口，

离子发生器，其位于所述外壳中，用于形成腔室内的电离区，使用中的气体通过该电离区，气体流中的微粒在通过电离区时被充电，以及

一结构体，其位于所述外壳中，该结构体形成一个用于从腔室抽走气体的出口，该出口由该结构体中的一个或多个孔构成，该出口被可操作地充电成与充电微粒相同的极性，

其特征在于，出口位于电离区的下游，其中微粒在通过电离区时离开该出口移动。

离子发生器通常是一电极组，该电极组包括分布在气体流行进方向上的多排电极。电极连接到一高压电源上，并对一接地面产生离子流。该离子“风”运载或推动气体流中的微粒到达或朝向接地面，并离开出口。

优选地，气体流中的微粒在电离区耗费至少0.2秒，典型地为0.2秒到2.0秒。

每个出口具有与其可操作地相连的静电区域，以便从出口处将带电微粒排斥开。典型地，形成所述出口的所述结构体与离子发生器的电极组一起与同一个高压电源相连。出口孔最好设置成距离接地面至少要和电极组距离接地面一样远。

尘土收集漏斗或容器适当地设置在接地面底下，用来收集尘土和其他微粒，这些微粒是从由出口吸走的气体流中去除的。

气体流可通过类似充气的空间输送到外壳，或从外壳吸入。优选地，出口定位成使微粒要穿过出口必须改变其方向。

该装置可包含一系列在气体流流动方向上间隔开的离子发生器，每个离子发生器之后有一个或多个出口。通过这种方式，气体流就逐渐地被“清洁”了。

另外一种形式，本发明提供了一种分离气体流中的微粒的方法，包括步骤：

使气体流通过电离区，在电离区内微粒由来自离子发生器的离子流充电至少一段最小预定时间，

然后使气体流至少穿过一个出口，该出口被可操作地充电成与充电微粒同一极性，以及

通过出口从气体流中抽出气体，

其特征在于，出口位于电离区的下游，且与其隔开；微粒在通过电离区时离开该出口移动。

由离子发生器产生的离子“风”推动微粒远离出口。与出口相连的电区域排斥充电微粒，这样“清洁”空气就通过出口抽出。

为了本发明可以更充分地得到理解并予以实施，现在将参照附图描述其优选实施例。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的静电过滤器的纵向截面示意图；

图2是根据本发明第二实施例的静电过滤器的纵向截面示意图；

图3和图4是根据本发明的静电过滤器又一些实施例的截面示意图。

优选实施例的描述

图1的静电过滤器包括一外壳1，它具有构成一腔11的圆柱型壁10。至少壁10的内表面是一导电接地面。外壳具有一入口12适用于接收包含尘土微粒和其它污染物的“脏”气体。外壳的底部逐渐变细以形成一收集漏斗14，该收集漏斗容纳如下所述、从入口气体中所去除的尘土微粒和其他污染物。漏斗14与用于释放所收集的尘土微粒和水的出口15相连，水是用来冲洗壁10的。过滤器也具有一用于“清洁”空气的出口13，在该出口，尘土微粒和污染物已被除掉。

壁10的横截面典型地为环形，入口12设置在外壳的切线方向上，这样入口气体能以漩涡动作进入腔室11。在入口处可使用水喷雾器8，以提高尘土的去除性并冷却进来的气体。

入口处的“脏”气体一般是来自燃烧或其他工业过程的燃烧气。入口气体另外还可以是汽车废气、需清洁的真空清洁器空气流、或在用于空气调节或其他通风系统之前需过滤的大气。入口气体一般包含尘土微粒和其他污染物，它们的直径可小到0.1微米(μm)。直径不大于0.5μm的细颗粒特别难于从气体流中去除，且由于其高潜在毒性和容易被呼吸，它们是主要的健康危害物。脏入口气体可包含尘土负载高达1000gms/m³，虽然最常见的水平是10gms/m³。

电绝缘管16如图中所示安装在腔室11内的中央轴线处。绝缘管16用于低温应用时适合由塑料或环氧化物材料制成，用于高温应用时由陶瓷材料制成。管16上端部与设置有用于清洁气体的出口13的管道17相通。

气体流分配器18适当地安装在管16上。分配器18是一具有部分圆锥上表面的类似折流板的放射盘。分配器18在尺寸上小于圆柱型壁10，这样在分配器18和壁10之间就设置了一环形间隙或间隔。一充气型腔形成在分配器18上方，脏入口空气从该充气型腔均匀地绕腔室11的外侧分散，依靠穿过环形间隙或间隔的小的压降，来将气体流分配成围绕静电腔的外侧，该静电腔形成在分配器下方(如图中箭头所示)。气体分配可借助于将入口12切线安装到圆柱型外壳1上所产生的气旋效应，尽管气旋作用并不是必需的，尤其对于小微粒分离来说。该气旋效应促使更重的尘土微粒朝向外壳1的外部圆柱型壁10。

离子发生器19安装在静电腔室中的中轴管16上，在分配器18下方。由于管16的绝缘特性，离子发生器19与出口管道17和外壳的其他部件是电绝缘的。离子发生器19是一空心金属管，在其外侧上有放射状电极20，电极末梢端具有尖锐的端点。每个电极20可为叉形或勾形，由小直径的单股线或多股线形成。电极20设置成分布在离子发生器19上方的轴向隔开的若干排。

离子发生器19的电极20和外壳10的外圆柱型壁之间的距离取决于静电过滤器的设计用途，典型地为100mm到1000mm。

在使用中，离子发生器19连接到高压电源。电压必须足够高以在电极端部产生电晕。电压通常具有最小值1kV，最常见的是20kV到50kV。(为了清楚起见，电压源以及将离子发生器连接到电压源的电线从图中省略。)

电极20尖端的高压在尖端周围产生一强电场，并依次在这些端点产生强电晕。在每个电极20的尖端处产生的强电晕制造出一集中离子流，该离子流从离子发生器19流到外壳1的接地壁10。这种使用围绕尖端的电场来产生电晕放电和离子流的方法在本领域是已知的，在本申请中就无需具体描述了。

离子发生器19因而产生了一离子区，其中离子或静电“风”从离子发生器19流到接地的圆柱型壁10，通常垂直于来自分配器18的气体流。该离子风将脏气体中的尘土微粒运载或推动到圆柱型外壳壁10的内表面。静电“风”中的离子传送电荷到其在气体流中遇到的尘土微粒，使尘土微粒充电成与离子发生器19的电极20相同的极性。施加到微粒的电荷会导致微粒从高压电极组20处被排斥开，并吸引到外壳的接地壁10。微粒因此受到运动力和电气力的合力作用而移向壁。

离子发生器19的轴向长度这样选择，从而让气体通过离子发生器所费时间(“处理时间”)足以使得尘土微粒被离子“风”移出圆柱型壁。在强劲的离子冲击下，尘土微粒快速地充电，并在几分之一秒内达到饱和电荷。然而，处理事件应该足够长以使得甚至是较小的微粒也得到充电，并移动出壁10。更好地，处理事件，即气体遭受来自电极组的离子“风”的时间，最少为0.2秒，最好是在0.2秒到2秒之间。取决于气体速度，这一般需要离子发生器19的电极组长度为0.2米到2米(轴向)，包括轴向间隔的5到10行的电极20。

离子发生器可构造成使其长度可以人工或自动调整，例如使用用于离子发生器的伸缩结构，以便使微粒耗费在电离区的时间段最优化。

附着在壁10上的空气中的尘土微粒被冲洗掉，并由气体流和重力作用带到尘土收集漏斗14中。对于较难与壁表面分离的高阻力尘土，还必须使用顶部水喷雾器来用水洗刷壁10。

一气体出口或排出端21设置在离子发生器19的下方。气体排出端21最好设置成距离接地壁10和电极组20距离壁10一样远。气体排出口21包含多个叠放的叶片22，在它们之间构成了环状空间(以下称为“叶片孔”)。叶片孔通过离子发生器19的空心内部和绝缘管16与出口管道17相通。

叶片22是与离子发生器19电连接的金属叶片，这样它们也能保持和离子发生器同样的高压。施加到叶片22的高压产生围绕在叶片外环形边缘的强电场。这些电场穿过叶片孔延伸，并且由于这种结构所形成的较大的静电力而排斥充电微粒。因此，叶片孔处的静电场会阻止已由经过离子“风”的通道带上电的微粒进入叶片孔中。

此外，正如图中所示，要进入叶片孔，微粒需要改变其运动方向，来穿过叶片孔并从叶片孔出来。除了上述静电排斥以外，微粒在朝下方向上的惯性，结合重力，也会有助于阻止尘土微粒与“清洁”空气一起穿过叶片孔排出。

从叶片孔处受到排斥的尘土微粒由于重力和整体向下的气体流的作用，坠入位于外壳底部的尘土收集漏斗14。收集的尘土再通过尘土出口吸管15被移走。这适合用文丘里吸水系统来实现，或通过使用尘土滑行或气动传送系统的干尘土抽出法来实现。可选择地，漏斗14是可拆卸的。

通过叶片孔22抽出的“清洁”空气在从清洁气出口13离开之前，穿过由离子发生器19的中空管内部形成的类似充气的空间、绝缘管16以及出口管道17。

在使用中，“脏”气体引入到入口12。由于气体流分配器18的操作以及漩涡形入口流的气旋效应，入口气中较大的尘土微粒和其他污染物会朝向外壳的外侧圆柱型壁10移动。随着气体轴向朝下面的腔室11流动，穿过离子发生器19，离子“风”给气体流中的微粒充电，使它们受排斥，离开离子发生器19，并被吸引到接地外壁10上。清洁气体(一般就是空气)通过叶片孔抽出。气体中的充电微粒由于强电场产生的静电力而遭到叶片孔的排斥，该强电场是由施加到带孔的叶片边缘的高电压穿过孔而产生的。微粒在与空气离开方向相反或成角度的方向上的冲量，以及重力，是用作对抗微粒受吸引穿过叶片孔的附加力。因此，通过叶片孔吸走的气体是“清洁”气，尘土微粒和其他污染物大部分都已被去除。

尘土微粒和其他污染物是这样收集在漏斗14中，即通过使用沿圆柱型壁10的气体流来从壁上冲刷微粒，使用水喷雾器来向下冲洗壁10，和/或在叶片排出口下方的低流动区域利用重力及微粒的冲量。

尽管入口12的切线定位促进了气旋效应，但该效应并不是必需的，气体通过腔室的流动可以如其他实施例所示的主要为直线或轴向。

对于大量的气体流，可使用多个电极组，以及设置在它们中间的排出孔，如图2的实施例所示。如图2实施例中的静电过滤器，具有一外壳2，由大致为环形横截面的壁23形成，其直径在气体流动方向上(由箭头指出)逐渐增大。多个管状电极装置24位于由壁23形成的腔室内中央。气体出口或排出端25设置在各电极组24之间。每个气体排出端25是位于各电极组底部、一个或多个孔的形式。这些孔与电极组24的中空内部相通，接着再通过上面安装着电极组24的绝缘管27与出口26相通。

在如图2所示方向上流动的入口气由连续的电极组24依次处理，其中一部分“清洁”气通过连续的排出孔抽走。连续电极组的设计可以利用改变的气体条件而变化，例如，在连续电极组中，电极组的特性或电极与接地壁23之间的间隔可以随着气体的变干净而发生变化。

如图2所示，接地壁23可包括平行或等距于电极组的部分，以及与电极组成角度的部分，这样在电极与接地壁之间的距离就可发生变化。此外，接地壁23可由内壁或叶片28加厚，以更好地拦住由离子风推动径向朝外的尘土微粒，然后再将尘土微粒直接送到外壳2底座上的收集漏斗29中。

与图1实施例所示的管上的电极设置成与圆柱型外壁同轴不一样，此电极组和出口孔可设置在与接地平坦面相对的一平坦部件中，并通过构成入口气管道或通道的绝缘壁与其连接。

图3表示了本发明的第三实施例。图3中的静电过滤器具有一构成了气体流通道31的外壳30。通道通过绝缘部分34的中空内部与入口32相连。水喷雾器33适当地设置在入口32处。

静电过滤器3也具有一系列连续的离子发生器35，在各个离子发生器35后分别设置了空气排出孔36。每个离子发生器35包括在气体流行进方向上间隔开的一系列电极。孔36与出口38相通。

外壳30的底部设置了一个用于收集由空气流中抽取的尘土和其他微粒的漏斗。静电过滤器的高压部件与过滤器的其他部件通过适当的绝缘部分39，34电气绝缘。

在使用中，进入入口32的“脏”气体在其通过中空绝缘部分34上所形成的、类似充气的腔进入腔室31之前，先由水喷雾器33清洗。当气体流通过离子发生器35时，气体流中的微粒由从离子发生器向相对的接地壁移动的离子所充电。微粒因此由离子“风”携带到相对的壁上，而“清洁”气体则通过出口36抽出。

形成出口36的部件也被充上高压电。该高压电在孔36周围产生强电场，排斥充电的尘土微粒，使其离开该孔。

“清洁”气体从孔36穿过，到达出口38，同时在静电过滤器内被“拦住”的微粒向下运行到斜壁30，并收集在漏斗37中。

连续离子发生器35和孔36的设计可按照气体逐渐变得“更清洁”而发生变化。

在如图4所示的另一实施例中，静电过滤器4包括一个其中具有腔室41的正方形截面外壳40。腔室41通过一充气部分43接收来自入口42的“脏”气体。

腔室41具有一系列轴向隔开的电极44。也就是说，电极44沿气体运行的方向分布。电极44产生离子，这些离子横穿气体流，向对面的外壳40接地壁运行。气体流中的微粒由这些离子充电，并被携带或推动到外壳40的接地壁。

在电离电极44的下游设置了多个孔45。这些孔适当地设置在类似叶片物的后面，这样气体流中的微粒要通过孔离开必须改变方向。清洁气体通过孔45抽走，并送到出口46。从气体中抽出的微粒收集在漏斗47中。和前面的实施例一样，具有孔45的结构可进行充电以产生穿过孔的电场，以排斥充电微粒。

由单个过滤器抽走的“清洁”气体仍会包含一些污染物微粒。因此多个静电过滤器可设置成串联形式，以连续处理气体，使得从一个静电过滤器中抽出的“清洁”气体再送入下一个连续的过滤器的入口。串联的静电过滤器可以具有不同的内部结构，利用气体在各连续级变得越来越干净这一实际情况，从而设计成能够提高细小微粒的去除程度。例如，在第一或早期级的过滤器中，出口孔不直接对着入口气体流，以产生离心力，电极组与接地面的距离较大，以更好地收集较大尘土微粒，然而在第二或后期级的过滤器中，出口孔可直接对着入口气体流，以获得非紊流，且在电极组和接地面之间的距离可以减小，因为电极火花放电或电弧放电的倾向由于较大微粒的先期去除而减小了。

可选择地，“脏”气体流可进行分流，送入到并联连接的几个静电过滤器中。

前面所述只是本发明的几个实施例，本领域普通技术人员可以不脱离本发明下面权利要求所述的保护范围来对其进行显而易见的修改。

例如，穿过孔的流动可通过改变出口孔的尺寸、位置和/或方向来进行调整。

进一步，或可选择地，在图2的实施例中，可在孔25中设置旋转阀以便穿过各孔的气体流能得到调整。

尽管图1和2示意了电极组和空气排出端安装在位于大致为圆柱形的外壳内部中央的管上，其结构还可以相反。也就是说，电极和气体出口可以设置在外壁上，同时接地面设置了一位于外壳内部的轴向杆或管。在这一实施例中，气体流分配器适当地修改成使气体流直接沿接地杆或管流动。

然而根据具体的应用场合，如待处理尘土微粒的类型和尺寸，分配器还可成型和/或构造成将气体流分配到电机组邻近处。

尽管图示实施例表示的是大致为环形横截面形状的外壳壁，也可使用其他对于本领域普通技术人员来说显而易见的适当的形状和结构。

Claims (10)

1.用于分离气体流中的微粒的装置，该装置包括：

外壳，其内具有一腔室，以及用来将气体流引入该腔室的入口，

离子发生器，其位于所述外壳中，用来形成一在所述腔室内的电离区，使用中的气体流通过该电离区，气体流中的微粒在通过该电离区时被带上电荷，以及

一结构体，其位于所述外壳中，该结构体具有用于从所述腔室抽走气体的出口，该出口包括多个在该结构体中的孔，该结构体被可操作地充电成与带电微粒相同的极性，从而强电场延伸越过所述孔，接近孔的带电微粒被该充电的结构体自该孔排斥开，

其中，所述出口位于所述电离区的下游；微粒在通过电离区时离开该出口移动。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述离子发生器是一电极组，该电极组具有分布在气体流运动方向上的多排电极，这些电极可操作地连接到一高压电源上。

3.如权利要求1所述的装置，其中，在使用时，气体流中的微粒在电离区中耗费至少0.2秒。

4.如权利要求3所述的装置，其中，在使用时，气体流中的微粒在电离区中耗费0.2秒到2.0秒。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述出口的孔定位成使得气体流中的微粒要穿过该孔必须完全地改变其方向。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述外壳在所述入口和所述腔室之间具有一充气室。

7.如权利要求1所述的装置，其具有一系列在气体流的流动方向上间隔开的所述离子发生器，每个离子发生器之后有一所述出口。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述出口是可调节孔尺寸的。

9.一种用于过滤气体流的装置，该装置包括多级，每一级都具有如权利要求1所述的装置。

10.一种分离气体流中微粒的方法，包括步骤：

使气体流通过电离区，在电离区内微粒由来自离子发生器的离子流充电至少一段最小预定时间，

然后使气体流穿过结构体中的至少一个出口，其中该结构体被可操作地充电成与充电微粒同一极性，该出口包括多个在所述结构体中的孔，从而强电场延伸越过所述孔，接近孔的带电微粒被该充电的结构体自该孔排斥开，以及

通过出口从气体流中抽出气体，

其中，所述出口位于电离区的下游，且与其隔开；微粒在通过电离区时离开该出口移动。

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