CN1312737A - 隔膜静电除尘器 - Google Patents

Abstract

一种用作为静电除尘器中的收集基体的隔膜(8)。可选用的材料包括织造垫形式的纤维、由不锈钢丝所制成的网屏、或者纤维增强聚合合成物隔膜。该隔膜具有在运行过程中所施加的拉伸偏压(14),并具有在除尘步骤中所施加的冲击拉伸力。通过将干式静电除尘器隔膜领域与湿膜清洁领域相结合,可通过减少湍流且消除因振击所引起的重新夹带损失来提高收集率。通过采用能抵抗有害于静电除尘器的环境的新型材料,本发明提高了采用适用于去除诸如氧化氮和氧化硫之类的分子的、诸如脉动电晕及其它的新型技术的可能性,这对于符合既定的PM2.5EPA发散标准是极为重要的。

Description

隔膜静电除尘器

参考相关申请

本申请要求1998年6月17日提交的60/089,640号美国临时申请的优先权。

发明的背景

发明的领域

本发明总的涉及用于通过静电荷来将来自废气的微粒物质沉积在收集基体(substrate)上的静电除尘器(ESP’s)，尤其涉及该收集基体(集电极)。

相关技术的描述

工业用静电除尘器(ESP’s)使用在烧煤的发电厂、水泥工业、矿石加工和许多其它的工业中，以便从气流中去除微粒物质。ESP’s尤其适用于从气流中高效地去除极细的微粒。特殊设计的ESP’s具有高达99.9％的微粒收集率。然而，传统的ESP收集率的最小值用于大小在0.1-1.0μm之间的细小微粒。另外，传统的ESP无法解决气体的发散和气体-微粒的转化问题。

1997年，环境保护局(EPA)制订了关于细小微粒物质的新的空气质量标准。该规章的焦点在于细小微粒、即直径小于2.5μm的微粒(PM2.5)的发散。这些微粒更易于进入人类的呼吸系统中。

在一种典型的传统ESP中，垂直线电极设置在形成于垂直平行的收集基体之间的通道的中部内。重型板、通常是钢板自锚接在外部框架上的支承结构悬垂下来。通常，十条单独的沉积通道构成单个区域。工业用除尘器具有三个或更多个串联的区域。第4,276,056、4,321,067、4,239,514、4,058,377和4,035,886号美国专利中揭示了这样一种结构的例子，在此援引这些专利以供参考。

在线电极(放电电极)与接地的基体收集板(集电极)之间施加大约50ky的直流电压，从而在两者之间形成电晕放电。从电线向板材迁移的一小部分离子附着到在板材之间流动的废气中的尘粒上。然后，在电场的作用下，迫使这些微粒向板材迁移，并聚集在板材上，在那儿形成灰尘层。

在干式ESP’s中，通过将冲击传递至板材边缘、通称为“振击”板材的锤子来周期性地从干式ESP中去除灰尘层。当ESP’s被振击时，灰尘层因板材与平行的灰尘层之间的剪切力而自板材会垂直掉落下来。然而，由于初始缺陷和面内压力的缘故，因此板材往往会在振击时起皱，如图5所示。在该所谓的常规振击方式中的压缩载荷沿着并横过板材快速地传播应力波，从而使板材在垂直于板材表面的方向上出现了较大的横向振幅(位移)。

该振击处理由此产生了几个复杂的问题。由于板材起皱，因而将力传递到板材上会使一部分灰尘脱离板材。于是，这些灰尘会重新夹带到气流中去而可或不可由下游的收集板所去除。由振击力所引起的灰尘层的断裂与板材起皱结合在一起往往会使灰尘层断裂成多个小片。较小的灰尘片比大片更易于重新夹带，大片的灰尘往往停留在收集板附近的气流的分界薄层中，然后向下滑落到收集料斗(hopper)内。

传统的收集板由沿着锤击力的方向排列的诸肋件增强刚度，以便减少板材起皱、应力和疲劳。这些肋件在振击时支承板材，以便减小会使灰尘散成灰尘云的板材振幅。然而，这些肋件会大大地降低气流流过通道时的平稳度。很希望流动在收集板之间的气流是均匀的。湍流会将收集率降低好几倍，并使层的厚度不均匀。湍流会使一部分灰尘散成灰尘云而继续随着气流向前，这些灰尘重新夹带到气流中去。

上游区域中因振击而重新夹带到气流中的灰尘可在下游区域中被重新沉积。然而，沉积在干式ESP的最下游区域上的灰尘则不享受此优惠，因此，在该区域所发生的重新夹带由此成为了决定干式ESP的总的收集率的一个关键因素。

对完整规模的干式除尘器的研究表明：因振击所引起的飞尘的重新夹带占冷侧单元的时间平均渗透的30％，而为热侧单元的60％之多。在近几十年中，因受需要质量收集率达到99.8％或更高的规章的驱使，除尘器的设计已朝着大得多的特殊收集面积和成本更高的装置方向发展。为此，控制振击时产生的重新夹带问题俨然成为了关键之所在。振击灰尘的总的目标应当是有效地去除沉积的灰尘，而只伴随最小的重新夹带。

靠振击来去除灰尘层的问题是很棘手的。灰尘层可厚达1cm，而且它将要以较低的重新夹带自以湍性气流为界(bound)的、通常有10m长的垂直板脱离而滑落到料斗内。为了成功地进行振击，灰尘层应当断裂成尽可能大的片。此外，这些灰尘片应当在掉落的同时始终尽可能近地靠近板材，在那儿，它们可“隐藏”在气流边界层内，该边界层中的气流流速是很缓慢的。然而，由于起皱和湍流的缘故，振击往往会引起重新夹带。

一般而言，干式ESP也难以满足涉及气体-微粒的转化的PM2.5标准。在气体-微粒的转化中，从SO₂、NO_X和其它的气态物质中所形成的0.1μm或更小的微粒由于在较小的位置上的凝结或成核作用而迅速成长。由于扩散作用被大大地减小，因此这些微粒缓慢地增长超过2μm。

干式ESP’s不能有效地控制气体-微粒的转化存在两个原因。主要原因在于采用金属收集板的ESP不能有效地去除凝结形成硫酸盐和硝酸盐微粒的气态污物。其次，ESP本来就不能有效地去除范围在0.1-1.0mm的微粒，该范围处在用于来自气态物质的微粒的生长的可能的成核位置的大小范围之中。因此，干式ESP不能有效地减小自发电厂发散的大量小微粒的发散源，并且存在符合PM2.5要求的问题。

该区域中的电流作用提供了在ESP内部借助电子附着来将大量的SO₂转变成SO₃的可能性。在该过程中，在十亿分之一秒的脉动电晕中形成自由电子。线电极通常由直流负电压以快速振荡的方式充电。脉冲增强了电晕作用，使更多的气体离子化，从而产生了更多可有益地与NO₂或SO₂分子相互作用的自由电子。已提出了两种机理来说明该过程是如何去除SO₂的。一种是通过形成带电的SO₂分子的直接电子附着来直接收集。另一种是通过臭氧、O₃的形成来形成SO₃。SO₃通过反应 迅速形成H₂SO₄(硫酸)。该酸性环境导致钢板和管道系统的腐蚀情况更为严重。因此，电子虏获和脉动电晕技术将要求收集器由可抵抗硫酸的化学侵蚀的材料所制成。

采用水的一种不同类型的ESP称之为湿式ESP。在该系统中，垂直板材由从板材顶部流到底部的流动水膜所覆盖。该流动的水既用作为集电极，又用作为除尘机构。湿式静电除尘器具有重新夹带损失较低、能收集起反应的气体并消除振击的优点。然而，由于水的氧化作用，因而因所引起的腐蚀的缘故而不能使用金属板。如何处置带有尘埃的水也是一个问题。

除了与湿式ESP相关的腐蚀问题之外，用于输送水膜的基体材料必须要始终保持湿润的状态，以防形成对于湿式ESP中的钢板较为典型的“干燥点”。否则，尘埃会堆积在这些干燥点上，从而阻碍了进一步虏获收集表面的那些区域中的微粒物质和气体。

被期望能根据新的EPA要求来工作的任何ESP应当能在许多目前仍采用传统低效的ESP’s的工业场合中被更新。廉价地更新现有的干式ESP、以符合新的、日益迫切的微粒发散标准可为众多工业带来极大的利益。根据那些利益，EPRI的Chang和Altman最近针对小于2μm的微粒评价了细小微粒控制技术，并得出了用于提高现有的ESP的微粒控制效率的更新方法的详细的经济评价。

已评价了三种有前途的选择，所有这些选择均是在现有的ESP下游增设的装置。所有这些装置均具有在堆积物(stack)处将微粒发散减少至小于0.011b/Mbtu的潜能。七种组合的成本分析表明：可单独应用的湿式ESP的更新成本最高(2.5mills/kWh)，而在现有的干式ESP的最后一个区域中加入湿式ESP所需的更新成本则最低(1.2mills/kWh)。更新选择还给予干式ESP新的机会，与湿式部分相结合(混合型ESP)可用于开发两种最佳的特性。例如，混合型ESP通过利用干式部分来去除95％或更多的微粒、同时湿式部分促进脉动电晕技术、并消除了重新夹带损失，从而可使微粒收集最优化。清楚地是，混合型ESP可将来自湿式ESP的水污染降至最低。

因此，需要一种导电、能抵抗缘于水和/或酸性环境的腐蚀、并可润湿的轻质静电除尘收集基体。该收集器还应当易于更新现有的ESP系统。

发明概述

本发明是使用在静电除尘器中的薄膜收集基体。通过限定，且与板材相比，该隔膜(membrane)是不能抵抗弯曲、而只能承载拉伸的结构件。根据ESP的应用场合和环境，该隔膜可由多种材料制成。这些材料包括织物型织造纤维以及由嵌设在薄柔性基质内的导电纤维所制成的各种合成物。该隔膜被保持在拉伸状态中(拉伸偏压)，并且在干式ESP的振击过程中，周期性地受到瞬时增大的冲击拉伸力，以便清除所收集的微粒。

“拉伸”而不是“推动”收集表面的好处在于：灰尘层将剪切脱离板材，而不会产生将灰尘推回到气流中去的横向力。另外，采用隔膜可在ESP的运行中作出许多进步，包括水基去除灰尘层，和应用诸如脉动电晕气态污物控制之类的新型技术。

该隔膜还可应用在湿式ESP中，在此类ESP中，金属板会受到更为利害的腐蚀，而无法保持持续湿润的表面。由抗腐蚀的细纤维织造而成的隔膜具有良好的润湿特性，即，它能很好地吸收液体，从而便于应用一连续的水膜。

采用隔膜可带来许多好处。在干式除尘器中，通过在所谓的剪切-振击方式中施加拉伸力来除尘可将重新夹带的损失减至最小。另外，预伸展的隔膜倘若受到足够大的拉伸负载，则能消除初始缺陷。由于这个原因以及不设置加劲肋，可使线电极之间的间距更加均匀，从而将介于电线与基体之间的充电电极的短路(称之为火花放电)现象减至最少。在既没有初始缺陷、又没有现有ESP中褶皱型板收集器的情况下，灰尘层断裂成大片的灰尘，从而将重新夹带的损失降至最小。不设置加劲肋可减少湍流，从而增加了收集率，并能形成更为均匀的灰尘层和电场。另外，轻质隔膜会因其重量较轻而在较小作用力的情况下产生较大的加速度，从而更为有效地去除堆积的灰尘层。在斯坦佛大学的高温气体动力实验室中所作的研究(参见D.Choi等人的：“从实验室规模的静电除尘器的收集板中振击和重新夹带灰尘层的实验研究”，TR-100055研究方案533-01，备用于EPRI的最终报告，1991年9月)已表明：剪切振击只需较常规振击2-4分之一的加速度，这意味着只需施加较小的力。这意味着隔膜材料中所产生的更大的剪切变形还能促进更有效地除尘。最后，骤然减少的隔膜质量会减少安装、运输、维修保养所需的操作和成本，并降低更新和新型构造应用的总的成本。

在湿式除尘器中，通过向在湿式和混合型静电除尘器中易于湿润的抗腐蚀隔膜喷洒水可将微粒的重新夹带降至最小。另外，在湿式除尘器中使用隔膜便于通过脉动电晕或类似的技术去除诸如SO₂和NO_X之类的气态污物。

由于较低的重新夹带、低成本、可在混合型系统中将湿式和干式除尘器组合在一起、以及通过低成本的更新来提高现有除尘器的轻便性和效率，因此这些由隔膜的使用所带来的进步结合在一起可带来一种为少数区域所需的小型除尘器。

与本发明一起使用在干式ESP中的隔膜材料必须具有足够的导电率，必须能承受高温，必须能抵抗疲劳，必须能在酸性环境中抵抗腐蚀，倘若应用在湿式和混合型ESP中则应当具有良好的润湿特性，应当轻质且廉价。根据应用场合，本发明可使用多种不同的材料，对于所有的环境，材料的选用是不同的。然而，可发现一种应用广泛的典型材料是采用由极细的纤维所制成的织物垫的形式的隔膜。这些纤维可由包括碳、聚合物、硅和陶瓷在内的各种材料所制成。其它的例子可为极轻的合成片材和由极细的抗腐蚀金属合金所制成的金属丝基密集屏。

由于隔膜材料必须要抗腐蚀，因此本发明开辟了在混合型ESP中将干式与湿式除尘相结合的可能性。混合型ESP由干式和湿式两部分组成，以便将它们的利益最优化。其中一个例子是一种具有所有的干式区域加上最后一个湿式区域的除尘器。此类装置能在干式基地上去除大部分的微粒，从而将最后阶段所需的水的回收减至最少。最后的湿式阶段将重新夹带损失减至最少，并能与用于去除气态污物的脉动电晕系统一起使用。

隔膜允许使用新型的清洁技术来去除灰尘层，与此同时，提高收集率并降低重新夹带。这样就产生了小型ESP或对于现有装置的更有效的更新。另外，在清洁期间，不象板材，隔膜会受到相对较小的力，因此无需加劲肋。气流是均匀的，而且集尘率应当提高。提高灰尘沉积的均匀度就能产生更为均匀的电场。

附图简介

图1是一种较佳的隔膜收集器的前视图；

图2是沿着图1中的线2-2剖切的侧剖视图；

图3是负载对时间的曲线图；

图4是本发明剪切机理的侧剖视图；

图5是传统的板材在振击过程中作横向运动的侧视图；

图6是负载对纵向变形的曲线图；

图7是一种湿式ESP的侧视图；

图8是应力对碳纤维隔膜的变形的曲线图；

图9是应力对不同材料的变形的曲线图；

图10是一种实验装置的侧视图；

图11是用于隔膜的另一连接结构的侧视图；

图12是用于隔膜的另一连接结构的侧视图；

图13是用于隔膜的另一连接结构的侧视图；

图14是包含有用于不具有塑料板的织物1150的实验结果的表格；

图15是包含有用于具有塑料板的织物1150的实验结果的表格；以及

图16是包含有用于织物3COWCA-7的实验结果的表格；

在描述图示的本发明较佳实施例时，为清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明并不会因这些选用的特定术语而受到限制，而且应理解每一个特定术语包含了以类似的方式来达到类似目的的所有的技术等效物。例如，通常使用连接词或类似的术语。它们并不仅限于直接连接，而是包括通过其它部件的连接，此类连接由本技术领域中的那些技术人员看来是等效的。

较佳实施例的描述

图1中示出了较佳的隔膜8。图中列举了一种导电碳纤维织物垫作为适用于隔膜8的材料的一例。当然，还可采用其它的材料和结构。

在使用期间，隔膜8在上构架件10与下构架件12之间保持绷紧。该上下构架件较佳地为具有构成图2所示沟槽的U型横截面的刚性玻璃纤维槽形梁。隔膜8的上下边缘插入到这些构架件的沟槽内，并被夹固在诸如横向放置的腿部18与20之间。

当然，还有无数种用于夹紧隔膜边缘、以使其保持绷紧的等效装置。例如，构架件10和12的另一种形式是一对圆柱体，隔膜8的相对边缘绕裹在圆柱体上，直到该隔膜由例如预编程的伺服电动机绷紧为止。然而，将隔膜绕裹在圆柱体上会因弯曲而使纤维断裂，因此，这种结构是不可取的。从本发明的叙述中，本技术领域中的普通技术人员容易理解的是，还有许多其它的、用于使隔膜保持绷紧的装置。

在其操作位置中，隔膜8较佳地与废气的流动方向相平行地安装在废气通道中，该位置与钢制收集器基板安装在传统的干式ESP中时所处的位置大致相同。充电线电极悬垂在隔膜对之间，这些隔膜是接地的。在充电线电极与隔膜之间存在着电场。

下构架件12安装在ESP的构架16上，而上构架件10则安装在例如伺服电动机或液压缸或气压缸之类的可变拉伸加载器14上。该拉伸加载器必须是可变的，这就意味着它必须能向隔膜施加至少两种不同幅值的力。这两种不同的幅值包括使隔膜绷紧所需的拉力(以下称作为拉伸偏压(bias))，和第二种更大幅值的力(以下称作为冲击力)。

当然，如果需要的话，也可向隔膜的整个四条边施加拉伸负载。这种多向伸展可使结构完整，并能防止可能断裂的纤维与其它环绕纤维相分离。当伸展时，水平纤维将传递负载，并从而起到象一基质(matrix)的作用。

由于有许多装置可用作为拉伸加载器，因此本文中所描述的拉伸加载器的类型应当是没有限制的。实质上，拉伸加载器14可为任何可向隔膜的一条边施加拉力的发力装置。这包括所有类型的原动机：液压缸和气压缸、马达(机电的、热机的、液压的、线性的、等等)。这些原动机可单独使用，或者与诸如杠杆等之类的其它机构一起使用。普通技术人员将意识到的是，较佳的拉伸加载器还有许多不能在此详细描述的其它形式。

在ESP收集装置正运行的整个过程中，隔膜8由拉伸加载器14保持在最初的“拉伸偏压”上，以使该隔膜8保持绷紧。该偏压如图3所示。该拉伸偏压呈平直状，且基本消除了隔膜中的任何缺陷，并使隔膜与放电电极之间的距离保持不变。在预设的振击时间间隔的情况下，致动拉伸加载器，在一个“冲击力”的过程中，施加到隔膜上的拉力在一瞬间内迅速增大。该即刻增大的冲击力随后被释放，从而放松隔膜而使其回到拉伸偏压。在振击操作期间周期性地施加冲击力和放松回到拉伸偏压。使拉伸负载的强度和持续时间最优化。

冲击力的频率和持续时间取决于包括会随着隔膜在气流中的位置而变化的灰尘堆积速度在内的多种因素。例如，更下游的隔膜上堆积的灰尘要少于上游的隔膜，因而要求较低频率地施加冲击力。

周期性地施加冲击力可将灰尘层从隔膜上剪切下来。由于隔膜没有垂直于隔膜平面作大幅度的横向运动，因而灰尘层也没有大幅度地横向移动，由此也就不会因横向移动而重新夹带较多的微粒。另外，由于无须在隔膜上设置加劲肋，因而流过该隔膜及其周围的气流也就较均匀。从收集表面上分离的任何灰尘不会经历湍性气流。在没有初始缺陷和皱褶的情况下，灰尘层在几乎没有湍流的气流临界层中断裂成若干大片的灰尘。因此，以剪切方式所去除的灰尘片将沿着隔膜向下滑落到下方的料斗内，从而将重新夹带的损失减至最小。

隔膜的使用具有许多优于板材的好处。虽然织物隔膜与板材之间的差异是容易确定的，但由于织物垫相当于一种具有无穷多个无法传递弯矩的铰链的板材，因此隔膜与实心薄板之间的差异可能难以确定。隔膜被定性描述为：“向弯曲或面内挤压提供可忽略不计的阻力的片材”。相反，板材具有弯曲刚度，并以类似于梁弯曲的方式抵抗弯曲和面内挤压。这种弯曲阻力会使板材在其自身的重量下不会起皱。

当板材弯曲时，一部分的横截面受到拉伸，而位于中轴线的相对侧上的其余部分则受到挤压。隔膜中正好相反，整个横截面只受到拉伸。这种应力状态被称作为“隔膜应力”，而且是存在于诸如织物之类真正的隔膜以及橡胶薄片内仅有的应力。

因此，倘若诸如由细纤维或金属丝所制成的织物垫之类、垂直放置的“理想(ideal)”隔膜不受支撑的话，则它会因其自身的重量而起皱，而与其长度无关。因此，由于隔膜在其自身的重量下会起皱，而板材则不会，因而隔膜不同于板材。

由于具有这种柔软的、其刚度基本为零的隔膜，因此通过用拉伸偏压来预先加载隔膜，可消除会引起硬板内许多问题的所有初始缺陷。该拉伸偏压使隔膜平直，由此在相对于其它ESP部件具有预设且固定的位置的两侧上提供基本平面状的表面。施加拉伸冲击力即能使平面状隔膜发生变形，从而剪切掉下灰尘层。

易混淆地是，实心金属片根据其尺寸和材料特性既可看作为板材、或看作为隔膜。下列分析更为准确地描述了实心隔膜与板材之间的区别，以便定义术语“隔膜”。

夹固于其底端的垂直悬臂平面结构的垂直长度1只要超出由 $l_c=\sqrt[3]{\frac{{5\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{6q}}=0.88\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{Eh}}^2}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

所给出的临界值，则会在其自身的重量下起皱，式中：E是杨氏模量，I是横截面的惯性矩，h是厚度，而q则是每单位长度的具体重量。请参见由S.Timoshenko和J.Gere所撰写的《弹性稳定性理论》，McGraw-Hill纽约，1961年，第104页。

由于“理想”隔膜的刚度EI为零，因此临界起皱长度也就等于零。然而，给定厚度h和宽度b，倘若临界长度l_c与宽度b的关系符合l_c/b＜5、即l_c较小的话，则长度和宽度不再为同一数量级(order)。隔膜的几何定义须要长度和宽度为同一数量级，即任意两个相互垂直的方向内的面内尺寸(长度和宽度)为同一数量级，但第三尺寸(厚度)要至少为小于另两个尺寸的数量级。倘若长度和宽度不为同一数量级，那么结构就会象水平狭条而不是隔膜。因此，倘若临界长度l_c小得符合下列方程 $l_c=0.88\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{Eh}}^2}{\mathrm{\ρ}}}\≤\frac{b}{5}---\left(2\right)$

则实心片材的刚度可忽略不计。因此，在方程(2)的基础上，倘若片材厚度满足下列标准 $h\≤0.1078\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρb}}^3}{E}}---\left(3\right)$

或者极接近于该值，则该片材被定义为隔膜。

例如，方程(3)预示了一种平面状钢结构(E=210GPa,ρ=7.8g/cm³)，其宽度b为2、3或4m，倘若其厚度h分别小于0.19、0.34和0.52mm的话，则该结构将相当于一隔膜。因而，由于现有除尘器中实心板的厚度至少有几毫米，因此它们不能被看作是隔膜。由于铝合金的ρ/E比与钢的ρ/E比相同，因此该材料可获得与钢相同的各种厚度。倘若宽度相等的片材是由例如Kevlar 49(E/ρ=0.86×10⁶m)所制成的，则在其厚度小于0.33、0.60和0.93mm的情况下，该板材相当于一隔膜。

将隔膜用作为ESP中的收集基体有以下几个优点。伸展的隔膜收集器的除尘机理明显不同于带有振击板的现有ESP中的除尘机构。图4中概略地示出了隔膜的剪切机理。为了消除初始缺陷，对隔膜施加拉伸偏压。如上所述，向隔膜周期性地施加大得足以产生能通过剪切作用来去除灰尘堆积物的加速度的附加冲击力ΔP。该剪切机理可使隔膜相对于灰尘层迅速变形，该灰尘层的变形可忽略不计。该冲击力在相对于平行的灰尘层的隔膜平面内施加至隔膜边缘。拉伸力在隔膜与灰尘层之间产生剪切力。该剪切力使灰尘层与隔膜相分离，以使灰尘层向下滑落到料斗内。

隔膜材料必须具有足以防止撕裂及其它形式的破裂的抵抗力，以便经得起用于在灰尘层与隔膜之间产生剪切所必需的拉伸力。然而，隔膜还应当具有可产生较大的剪切变形的较低的刚度。

除隔膜的剪切机理的优点之外，还有因隔膜的较小质量所带来的其它优点。当然，较小的质量将便于收集表面的安装和新型构造的输送，以及降低更新或维修成本。然而，当施加用于清除所附着的灰尘层的相同冲击力时，隔膜的较小质量还将引起增大的加速度。事实上，如先前所述，将剪切振击方式与传统的标准振击方式相比较可知：前者是较优的，给定相同的质量，与标准振击方式相比，它仅需2-4分之一的加速度，并因此只须施加2-4分之一的力。显然，轻得多的隔膜与2-4分之一的加速度结合使用可使振击技术最优化，从而达到更佳的功效。

图6中示出了目前状况与本发明之间的比较。很明显，甚至施加到传统钢板上的高强度的力仅产生相对较小的剪切变形。倘若刚度很小且质量较小，则用小得多的力即可产生相同或更大的变形，由此隔膜可取代传统的板材。

下面将分析加速度的优点。例如，对于采用在x=0处所施加的、幅值为P的时间 u(t)的单位阶跃(脉冲)函数的形式的轴向力f(X,t)=Pδ(x) u(t)，一均匀杆的纵向振动为 $u(x,t)=\frac{1}{2}\frac{P}{\mathrm{mL}}{t}^2+\frac{P}{\mathrm{EAL}}[\frac{{(L-x)}^2}{2}-\frac{1}{6}{L}^2]-\frac{2\mathrm{PL}}{{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EA}}\underset{r=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{r^2}\cos \frac{\mathrm{r\πx}}{L}{\cos \mathrm{\ω}}_{r}t---\left(4\right)$

式中：m是单位质量，L是杆长，E是杨氏模量，A是横截面积，t是时间，而u(x,t)则是位移，同时 ${\mathrm{\ω}}_r=\frac{r}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{EA}}{{\mathrm{mL}}^2}}---\left(5\right)$ 是第r次振型中的固有频率。方程(4)中的第一项表示刚性体的运动，而第二项则可被看作是周围有振动发生的静态变形。

可从方程(5)中得到纵向变形ε(x,t)=αu/αx和加速度a(x,t)=α²u/αt²。在进行微分和仅仅保留主要项之后，其结果为 $\mathrm{\ϵ}\≅\frac{P}{\mathrm{EA}}\mathrm{\α}\≅\frac{P}{m}---\left(6\right)$

假定板材和隔膜具有相同的长度L和宽度w，并忽略板材加劲肋的湍流作用。倘若厚度为t_P和t_M，则所施加的力的强度为P_P、P_M，质量密度为ρ_P、ρ_M。下标P和M分别表示“板材”和“隔膜”。另外，假定上述针对杆的结果同样应用于板材和隔膜，为用于足够大的w是非常近似值。因此，隔膜和板材内的变形和加速度表示为： $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_M}{{\mathrm{\ϵ}}_P}=\frac{P_M}{P_P}\frac{E_P}{E_M}\frac{t_P}{t_M}---\left(7\right)$ $\frac{{\mathrm{\α}}_M}{{\mathrm{\α}}_P}=\frac{P_M}{P_P}\frac{P_P}{P_M}\frac{t_P}{t_M}---\left(8\right)$ 类似地，频率表示为： $\frac{{\mathrm{\ω}}_M}{{\mathrm{\ω}}_P}=\sqrt{\frac{E_M}{E_P}\frac{{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_M}\frac{t_M}{t_P}}---\left(9\right)$

例如，隔膜中所采用的钢板和碳纤维的密度比一般为ρ_P/ρ_M=4。假定选用碳纤维以致E_P/E_M≈1和t_P/t_M=4，我们可从方程(7)、(8)和(9)中得到 $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_M}{{\mathrm{\ϵ}}_P}=4\frac{P_M}{P_P},\frac{a_M}{a_P}=16\frac{P_M}{P_P},\frac{{\mathrm{\ω}}_M}{{\mathrm{\ω}}_P}=4---\left(10\right)$

此项分析表示出：倘若隔膜被施以与板材相同的力，同时隔膜中的固有频率始终大于板材中的固有频率，则隔膜中的纵向变形和加速度均急剧增加。这些恰好是高效除尘所需的那些特征。

因此，为了具有与板型ESP相同的变形和加速度，隔膜可被施以小得多的力。这意味着：用于产生所需变形和加速度的振击装置无须太过坚固，因而较传统的板材而言，可降低成本。

此外，由于上述分析中忽略了加劲肋的作用，因此该结论是极为保守的。倘若考虑加劲肋的作用，则该结论就更有利于隔膜了。例如，加劲板的总质量几乎为非加劲板的两倍之多。因此，加速度比接近于a_M/a_P=30P_M/P_P，几乎是上述方程(10)中所预示的两倍之多。由于倘若在上述分析中包括加劲肋，则板材的“等效”厚度、并由此其刚度将连同变形比一起急剧增加，因此对于变形而言可获得类似的结论。

有许多纤维基材料可用作隔膜。它们包括由极细的抗腐蚀纤维或纤维束所制成的织物垫，以及由抗蚀金属丝所制成的极细的柔性密集网屏或筛网。单根纤维、整束纤维、或者带有足够小孔的网屏金属丝可裸露或具有薄涂层。该涂层可用于保护纤维，使之与周围的腐蚀环境相隔离，从而提高纤维的导电率，或者使收集表面上没有小孔。

纤维可由金属、陶瓷、聚合物、硅石、碳和许多其它的材料制成。由金属和合金所制成的纤维通称为金属丝。已制造出了用于多种应用场合的金属丝和金属丝网。此类金属丝和筛网可使用在干式除尘器中，其中的温度相当高，但腐蚀问题不算突出。由不锈钢所制成的网屏抵抗化学腐蚀和1400°F时的氧化。可从市场上买到每平方英寸具有600×600或更多金属丝、直径和小孔(小洞)的数量级为20μm，并且具体重量小于0.2kg/m²的筛网。这些均不同于传统的ESP中所采用的、其具体重量为15-30kg/m²的现有的加劲板(其厚度为1至2mm或更厚)，该加劲板的重量要大于隔膜的具体重量的一个数量级。

另外，在近十年中，已开发出了由非传统材料所制成的纤维。这些包括陶瓷纤维(例如，以商标NEXTEL,FP,SCS进行销售的纤维)、聚合纤维(例如，以商标KEVLAR和SPECTRA进行销售的纤维)、硅纤维和碳纤维。所有这些纤维均可织造成织物状材料，并用作为除尘器中的收集表面。例如，陶瓷纤维可使用在湿式除尘器中，其中用其它材料会产生严重的腐蚀问题。硅纤维可使用在1,000℃以上的高温场合中。

这些非传统隔膜的具体重量一般为0.5-1kg/m²或更小(不包括构架)。例如，宾夕法尼亚州Quakertown的织物发展有限公司(Fabric Development Inc.)制造了一种类似于图1所示织物垫的碳纤维织物垫，各纤维束中具有12,000根纤维(直径为7μm)。纤维束的厚度小于1mm，并且其具体重量仅为0.661kg/m²。这意味着：3×10m的隔膜将仅重大约20kg(不包括构架)。另一方面，相同尺寸的2mm厚的钢板却重达大约470kg(不包括构架和加劲肋)。而某些传统的ESP中的板材则厚达10mm。

然而，一般而言，不管选用何种材料，该隔膜材料必须要能抗腐蚀、阻燃、抵抗机械疲劳和热力疲劳，而且还必须具有令人满意的导电率。流动在除尘器中的电流极小，以至于即使是湿式静电除尘器中的水流就能提供令人满意的导电率。隔膜可由选自众多候选材料中的任何一种材料所制成。用于任何具体环境的最佳选择将依据环境的变化而变化。然而，目前用于大多数环境的最佳选择似乎是由具有涂层的硅、碳或陶瓷的纤维束织造而成的隔膜或者由不锈钢细丝制成的筛网。当然，本发明还可采用具有另人满意的特性的许多其它材料。

由于许多的ESP在适中的温度下工作，因此具有聚合基质、并以汽相生长的碳纤维为基础的合成物是优良的候选材料。它们具有高导热率和高强度，并可满足除尘器的导电率需求。采用由多种不同的方法制造而成的碳纤维可带来经济利益和功能优势。陶瓷纤维具有可使它们较佳地用于湿式ESP的特性。

由于碳纤维增强的硅树脂可在大约300°F的温度上持续使用，因此硅树脂可为一种优良的隔膜基质候选材料。硅树脂可具有伸长200％的延伸能力。因此，硅基聚合基质合成物可用于制造可伸展、以便有效地去除尘粒、同时又能在高温下工作的合成隔膜。显然，对于基质还可有其它的选择。

对于更高温度的应用场合，可以织物束的形式来单独使用纤维。由于灰尘层不会在层与隔膜的界面处断裂，因此收集器表面的粗糙度不会影响除尘率。例如，某些纤维、诸如硅纤维，可抵抗高达2,000°F的温度，并可使用在高度腐蚀的环境中。另外，碳纤维也可在高达2,000°F的温度下工作，但它们相当昂贵。

无论是裸露还是被涂覆、也不管是否具有基质，碳纤维具有许多其它的优良特性。它们的电阻率为10-100微欧-米。虽然钢的电阻率一般小于1微欧-米，但由于静电除尘器所需的电流非常得小，因此纤维的高电阻率是可接受的。在俄亥俄州立大学所作的实验已表明：碳纤维织物能够通过静电除尘作用来集尘。可以预料到，即使是一层水膜也能用作为湿式除尘器中的集电极。碳纤维以及陶瓷纤维基本上不会腐蚀，且能有力地抵抗化学侵蚀。另外，这些纤维具有优良的疲劳特性，具有比钢高得多的疲劳极限。

纤维基隔膜因其低密度ρ和高疲劳极限σ_e(被定义为最高容许应力，超出该应力，结构就不能在很大数量、一般为10⁶次的循环中的循环负载上安全地工作)而相对于其它可能的候选材料具有优良的抗疲劳特性，如以下分析所示。在振击处理过程中，典型加速度可达到200g’s，即，大约a=2000m/s²。因此，所施加的最大的力要达到值P_max=ma=lbhp(2000)，式中，l、b、h分别是隔膜的长度、宽度和厚度。由于最大应力必须不能超出疲劳极限σ_ε，因此最大容许负载为P_max==σ_eA=σ_ebh，式中，A是横截面积。因此，从最后两个方程中可得到σ_e≥2000lρ。接着可将疲劳安全因数定义为 $f=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{2000\mathrm{l\ρ}}\≥1---\left(11\right)$

钢、铝合金和碳的σ_e的典型值分别为5(10)⁸、1.3(10)⁸和1(10)⁹P_a，而它们的密度分别为7.8(10)³、2.6(10)³和2(10)³kg/m³。因此，钢和铝合金的疲劳安全因数f约为30/l和40/l，而碳纤维的疲劳安全因数则要高得多，约为250/l。对于典型长度l=10-15m，可看到，由钢或铝合金所制成的集电极工作在安全的边缘，而碳基收集器对于抗疲劳失败则要安全得多。

倘若隔膜由诸如碳基或硅基合成物之类、能抵抗硫酸的化学侵蚀的抗腐蚀材料所制成，则由该因数单独带来的利益是极大的。首先，可有利地将干式和湿式ESP除尘结合在一起。此项结合可使重新夹带损失基本降至零。另外，可执行上述用于防止气体-微粒的转化的“电子虏获”技术，该项技术对于燃烧富含硫的煤的发电厂而言是很重要的。由于具有了这些特性，采用本发明的新型ESP能够符合PM2.5标准。

在湿式ESP中，水的外层自隔膜顶部、诸如图7所示的隔膜30的顶部往下流，并且在其流动的同时收集灰尘微粒。水从隔膜30的顶部附近的施加器32引入到隔膜上，并向下流入到隔膜30的底部附近的收集器34内。由于诸如那些通常直径小于10微米之类极细的碳或硅纤维具有卓越的润湿特性，因此干式、湿式和混合型ESP中可使用同一种隔膜。

在湿式ESP中，水是导电收集表面，因此，基体无须是一种导电材料。另外，由于基体不必被绷紧以去除微粒物质，因而其无须是一种隔膜。水的流动即能去除微粒物质。然而，由碳、硅或其它细纤维所制成的较佳的织物垫可同时使用在湿式或干式应用场合中的能力因其卓越的润湿性、抗腐蚀性和能被绷紧的能力而实为一附加的优点。因此，一种实施例为多个干式ESP区域(field)加上单个湿式ESP区域，以便降低重新夹带。所有的收集基体均由较佳的隔膜材料所制成，但只须要向干式区域周期性地施加冲击拉伸负载。

俄亥俄州立大学的工程技术拉斯(Russ)学院对由不同材料所制成的隔膜作了许多实验。

在其它的材料中，测试了两种不同的碳基织物垫：由宾夕法尼亚州Quakertown的织物发展有限公司制造的织物1150(厚度为0.3mm，质量为207g/m²)，和由伊利诺斯州芝加哥的Amoco性能制品有限公司(Performance Products Inc.)制造的织物3COWCA-7(厚度为0.36mm，质量为204g/m²)。在许多方面，碳纤维基隔膜可被看作是由各种纤维所制成的多种织物隔膜的典型代表。为此，下面将给出这两种材料的一部分基本实验结果。

用于确定电阻率/导电率的实验已表明：碳基织物垫相当于半导体，而且它们室温下的电阻率为10^-04欧姆-米的数量级。虽然通过在纤维/纤维束/隔膜上涂上导电性能更佳的材料可提高导电率，但集尘率的实验表明：该较低的导电率仍然足以为ESP所用。在高温下所作的实验已表明：在ESP运行温度(150-200摄氏度)下，电阻减小大约10％。

在抵抗硫酸的实验中，将两种隔膜材料浸没到含有带10mol/l的浓度的200ml硫酸的试管中(即，放入到比真实的ESP更为恶劣的环境中去)，该实验已表明：碳基隔膜具有优良的特性，并且不会有任何重量损失。

润湿特性的实验已表明：这两种碳基隔膜能极佳地吸收液体，并且在隔膜浸入到水中之后，其重量相对增加55-70％。该结果表明：其它的纤维基织物材料也很可能都具有良好的润湿特性。

在阻燃实验中，将这两种材料固定在高温炉中至少几星期。这些实验表明：织物1150可抵抗高达450°F的温度，而织物3COWCA-7可抵抗高达550°F的温度。

在隔膜弹性变形的实验中，已利用Tinius-Olsen测试机对单根纤维束和标准尺寸(7英寸×1英寸)的碳纤维隔膜样品进行了静载荷响应的测试。图8中示出了对织物1150的实验结果，这些结果与图9中所示的、对织物3COWCA-7和SAE4340钢的实验结果作比较。

初步实验结果表明：隔膜作为一结构，其表现不同于制成该隔膜的碳纤维束，它要软得多。另外，由碳纤维所构成的纤维束和由那些纤维束所制成的隔膜在可比较的载荷上的变形均要比相应的钢样品大得多，如图9所示。在真实的ESP中需要较大的变形，这是因为较大的变形在灰尘层的振击处理中能产生较大的剪切作用。虽然只是对碳纤维基隔膜进行了实验，但要明白的是，诸如硅之类的其它的纤维基织物材料将表现出类似的特性。

为了测定是否能在ESP中用碳基织物集尘，作了许多实验来确定由碳纤维所制成的两种织物的集尘率。这些实验是在图10所示的小型实验除尘器中进行的。

如图10所示，该除尘器由圆形截面的平壁风道所组成。由压缩空气充入的外界空气和灰尘籍被风扇吸入到风道内，约为1-2m/s的气流速度由入口阀来控制。介于垂直管形放电电极与垂直隔膜之间的电源装置施加高电压，其中该管形电极具有负极，而隔膜则接地。增湿器通过使压缩气泡进入到水中来增加湿度，以便将相对湿度保持在50％以上。

风道长为60英寸，其直径为12英寸。隔膜长为7英寸，宽为61/4英寸。管形电极由直径为0.375英寸的黄铜管制成。直径为0.10英寸、长为1英寸的十个销钉分两排连接在垂直管上，以便产生强电场。这些销钉之间的距离为1.25英寸。管形电极和隔膜安装在塑料构架上。电极与隔膜之间的距离为8英寸。

对其进行实验的隔膜样品的尺寸为7英寸×6.25英寸。这些实验是在20-30℃的室温下进行的，其中室内湿度的范围为45-55％。收集时间为25分钟。

对这两种材料粗略地进行了三十次实验。由于因气流所引起的振动会影响除尘，因而实验了三种不同的连接方式，即：用棉线将隔膜缝合在背侧上的不导电的塑料板上，如图11所示；将其胶合在塑料板上，如图12所示；以及不设板，如图13所示。

对于碳织物1150，测试了不设塑料板和用棉线将织物缝合在塑料板上这两种收集状态。对于碳织物3COWCA-7，只测试了将织物胶合在塑料板上这一种收集方式。

图14中示出了不设塑料板的织物1150的实验结果。由于该织物因由气流所引起的振动而振动，有部分灰尘会从隔膜上脱落。为了测定这些灰尘是否又重新进入到气流中，在下方采用一特殊的盘子来集尘。该盘子具有与气流相平行的若干条槽，各槽的宽度为10mm。虽然隔膜并未完全绷紧，但其振动不会将灰尘推回到主气流之中，显然，所有脱落的灰尘保留在第一槽内(最接近隔膜的那条槽)。因振动而脱落的灰尘的平均百分数约为22％。

图15中示出了带有塑料衬板的织物1150的实验结果。由于不存在振动，因而也就不会有灰尘掉落到槽内。在25分钟内收集的灰尘的总的平均值为29.41g,比在不设塑料背衬、即存在振动的松弛的隔膜上所收集的灰尘要多大约20％。

最后，获得了碳织物3COWCA-7的仅仅一种状态、即将该织物胶合到塑料板上的实验结果。图16中示出了该实验结果。

虽然碳纤维属于半导体，但实验已清楚地认定，由这些纤维所制成的隔膜能充分地集尘。

这两种隔膜均由具有极相似的特性的碳纤维所制成。但用织物3COWCA-7的集尘量比用织物1150的集尘量要多得多，即使织物1150牢牢地固定在塑料衬板(不会振动)的情况下亦是如此。这两种织物的主要区别在于织造密度。织物3COWCA-7要密得多，而且似乎这个因素对于其较佳的集尘率而言起了一个主要作用，即，不仅是电流强度、而且其密度(隔膜的每单位面积上的电流)似乎起了极为重要的作用。

ESP中不同的研究包括伴随着脉动电晕浇注氨水，以便从废气中去除NOX。这种处理因当氨水与燃烧含有硫的煤时所产生的气态硫相互作用形成了硫酸铵(NH₄)₂(SO₄)而复杂化。

硫酸铵在ESP的运行温度上具有极大的粘性，这样就会完全阻塞通道，从而干扰了机械装置的运行，并“胶住(gum-up)”工件。因此，只有在极其恶劣的环境下才在ESP内增加氨水。目前，这通常发生在灰尘电阻率(ash resistivity)过低而致使ESP无法集尘的情况下。氨水用于增加微粒的粘性，由此增强了团聚作用。

目前还没有用于从含有金属部件的、运行着的ESP中去除硫酸铵的较好的方法。在硫酸盐进入到溶液中的情况下，清洁板材会引起严重的腐蚀。此外，由于注水(在线)通常是不可能的，因此还须要使工作着的装置停止运行。这不是用于湿式除尘器的情况。然而，假如浇注氨水的话，则金属基的湿式ESP将会受到过度的腐蚀。

俄亥俄州立大学测试了一种由织物1150所制成的织物隔膜，以便观察是否能清楚积聚的硫酸铵。这些实验是在7英寸×7英寸的隔膜上进行的。该隔膜由液态的硫酸(98％摩尔)处理后，再由滴落的液态氢氧化氨(ammonia hydroxide)(30％摩尔)进行处理，接着在温度为200°F左右的炉子内干燥并加热10分钟。最后，用水从该隔膜的顶部低速冲洗约5分钟。

曾考虑到，即使水溶解了硫酸盐结晶，纤维织物仍会保持硫酸铵，而不将其释放。然而，实验表明：碳纤维织物易于去除几乎100％的硫酸铵。这些实验还表明：碳隔膜可完全抵抗酸性环境。

虽然已详细描述了本发明的某些较佳实施例，但要理解的是，在不脱离本发明精神实质或下列权利要求的范围的情况下，还可有多种变化。

Claims (29)

1．一种具有基体的静电除尘器，在运行过程中，来自流体的微粒物质沉积在所述基体上，所述除尘器包括：

(a)导电隔膜；以及

(b)与所述隔膜相连接的可变拉伸加载器，所述加载器用于向隔膜施加拉伸偏压，并向隔膜施加更大幅值的冲击拉伸力，以便从隔膜上去除微粒物质。

2．如权利要求1所述的除尘器，其特征在于，所述隔膜包括实心片材。

3．如权利要求1所述的除尘器，其特征在于，所述隔膜包括大量相互盘绕的纤维。

4．如权利要求3所述的除尘器，其特征在于，还包括所述纤维上的涂层。

5．如权利要求3所述的除尘器，其特征在于，所述纤维任意取向。

6．如权利要求3所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是被织造的。

7．如权利要求6所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是陶瓷的。

8．如权利要求6所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是金属的。

9．如权利要求6所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是金属合金的。

10．如权利要求6所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是聚合物的。

11．如权利要求6所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是碳的。

12．如权利要求11所述的除尘器，其特征在于，还包括硅树脂基质。

13．如权利要求1所述的除尘器，其特征在于，还包括紧夹在所述隔膜的第一边缘上的第一构架件和紧夹在隔膜的第二边缘上的第二构架件，并且所述可变拉伸加载器连接在所述构架件的其中之一上。

14．如权利要求13所述的除尘器，其特征在于，所述隔膜还包括由大量的织造金属丝所制成的网屏。

15．一种用于将来自流体的微粒物质沉积在基体上的方法，所述方法包括：

(a)将导电隔膜安装在流体内；

(b)向所述隔膜施加拉伸偏压；

(c)向隔膜施加更大幅值的冲击拉伸力，以便从隔膜上去除微粒物质；以及，接着

(d)中断所述冲击力。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在一定时间内施加冲击力。

17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括以预定的频率重复步骤(c)和(d)。

18．一种具有基体的静电除尘器，在运行过程中，来自流体的微粒物质沉积在所述基体上，所述除尘器包括：

(a)可润湿的隔膜；

(b)位于所述隔膜顶部附近、用于向隔膜施加水的施加器；以及

(c)位于隔膜底部附近、用于收集来自隔膜的水的收集器。

19．如权利要求18所述的除尘器，其特征在于，所述隔膜包括实心片材。

20．如权利要求18所述的除尘器，其特征在于，所述隔膜包括大量相互盘绕的纤维。

21．如权利要求20所述的除尘器，其特征在于，所述纤维任意取向。

22．如权利要求20所述的除尘器，其特征在于，还包括所述纤维上的涂层。

23．如权利要求20所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是被织造的。

24．如权利要求23所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是陶瓷的。

25．如权利要求23所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是金属的。

26．如权利要求23所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是金属合金的。

27．如权利要求23所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是聚合物的。

28．如权利要求23所述的除尘器，其特征在于，所述纤维是碳的。

29．如权利要求28所述的除尘器，其特征在于，还包括硅树脂基质。

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