FI122485B

FI122485B - Menetelmä ja laitteisto kaasun puhdistamiseksi

Info

Publication number: FI122485B
Application number: FI20096004A
Authority: FI
Inventors: Jorma Keskinen; Kauko Janka; Ari Laitinen
Original assignee: Jorma Keskinen; Kauko Janka; Ari Laitinen
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2012-02-15
Also published as: FI20096004A0; CN102648055B; US9028589B2; US20120180659A1; CN102648055A; EP2482988A4; WO2011039422A1; EP2482988A1

Description

MENETELMÄ JA LAITTEISTO KAASUN PUHDISTAMISEKSI Keksinnön ala 5 Keksintö koskee hiukkasten erottamista kaasusta.

Taustaa

Aerosolihiukkasia voi muodostua palamisprosesseissa, esimerkiksi puun, 10 puupellettien, turpeen tai yhdyskuntajätteen polttamisen yhteydessä. Aerosolihiukkasia voi muodostua myös teollisissa prosesseissa, kuten kuuma-galvanoinnissa, hitsauksessa tai lasinsulatuksessa. Mainitut aerosolihiukkaset ovat usein haitallisia ympäristölle tai terveydelle haitallisia. Erityisesti ns. nanohiukkaset voivat hengitettyinä aiheuttaa terveysongelmia, 15 koska ne voivat tunkeutua ihmisen keuhkoihin. Teollisissa prosesseissa höyrystyneitä myrkyllisiä raskasmetalleja voi myös kondensoitua ja rikastua nanohiukkasiin. Termi nanohiukkanen tarkoittaa tässä yhteydessä hiukkasia, joiden halkaisija on pienempi tai yhtä suuri kuin 500 nm.

20 On tunnettua, että aerosolihiukkasia voidaan erottaa savukaasuista käyttämällä suodatusta tai sähköstaattisia suodattimia (engl. electrostatic precipitator). Sähköstaattisille suodattimille on yleensä tunnusomaista pieni painehäviö sekä kyky käsitellä suuria hiukkaspitoisuuksia.

25 Tavanomaisissa sähköstaattisissa suodattimissa hiukkaset yleensä varataan — koronapurkauksen avulla, ja varatut hiukkaset siirretään sähkökentän avulla ^ keräyslevyille. Yleensä varaaminen ja sähköinen poikkeutus on järjestetty ό tapahtumaan samassa tilavuudessa. Tavanomaisissa sähköstaattisissa co suodattimissa pyritään käyttämään voimakasta sähkökenttää sekä pientä

O

x 30 varaustiheyttä, koska voimakas sähkökenttä yhdistettynä suureen

CC

varaustiheyteen kasvattaisi energiankulutusta. 1-100 pm:n kokoisten hiuk- § kasten tehokas varaaminen vaatii voimakkaan sähkökentän. Tavanomaiset o <£ sähköstaattiset suodattimet on yleensä optimoitu erottamaan hiukkasia, o joiden halkaisijat ovat välillä 1 -100 pm.

35 2

Toisaalta nanohiukkasten tehokas varaaminen edellyttää hiukkasia sisältävän kaasun suurta varaustiheyttä. Näin ollen tavanomaiset sähköstaattiset suodattimet eivät yleensä ole kovinkaan tehokkaita ja/tai taloudellisia, kun tehtävänä on erottaa nanohiukkasia.

5 Sähköstaattisen suodattimen keräyslevyjen tekniikan tason mukaisissa puhdistusratkaisuissa on ongelmana se, että puhdistusprosessin aikana irronneita hiukkasia voi kulkeutua takaisin kaasuvirtaukseen. Tämä voidaan välttää, mikäli kaasuvirtaus katkaistaan puhdistusprosessin ajaksi. Tämä voi 10 kuitenkin tehdä kaasupuhdistusjärjestelmästä monimutkaisemman.

Hiukkasia voidaan varata koronapurkauksella siten, että varaaminen tapahtuu erillään sähköisestä poikkeuttamisesta. Tässä tapauksessa hiukkasia voi kuitenkin kerääntyä kaikille koronaelektrodin lähellä oleville pinnoille, ja tämä 15 voi vaikeuttaa sähköstaattisen suodattimen puhdistamista.

Julkaisussa US2004/0216607 A1 esitetään menetelmä epäpuhtauksien poistamiseksi kaasuvirtauksesta. Epäpuhtauksia sisältävään kaasuvirtaukseen järjestetään sähkökenttä valitun epäpuhtauden 20 ionisoimiseksi. lonisoimisen jälkeen epäpuhtaus poikkeutetaan kaasuvirtauksesta ja kaapataan sähköisesti varatulle metallisubstraatille.

Yhteenveto 25 r- Keksinnön tarkoituksena on esittää laite kaasun puhdistamiseksi. Keksinnön ^ tarkoituksena on myös esittää menetelmä kaasun puhdistamiseksi, ό οό Keksinnön ensimmäisen aspektin mukaan esitetään patenttivaatimuksen 1

O

x 30 mukainen laite.

CC

CL

§ Keksinnön toisen aspektin mukaan esitetään patenttivaatimuksen 9 o mukainen menetelmä.

o o

(M

35 Keksinnön muita piirteitä esitetään epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

3

Keksinnön mukaan aluksi varataan hiukkasia ja tämän jälkeen varatut hiukkaset erotetaan kaasuvirtauksesta keräyselektrodille siten, että elektodin tehollinen keräilyalue on oleellisesti erillään kaasuvirtauksesta. Tällöin hiukkasia voidaan poistaa elektrodin puhdistusprosessin aikana elektrodilta 5 siten, että ne eivät kulkeudu takaisin kaasuvirtaukseen. Näin voidaan saavuttaa suuri nanohiukkasten keräysteho.

Erään suoritusmuodon mukaan ionilähteen avulla muodostetaan ionisoitua kaasua, jossa ei ole hiukkasia, ja hiukkaset varataan sekoittamalla ionisoitua 10 kaasua ja hiukkasia sisältävää kaasua keskenään sekoitusvyöhykkeellä. Tällöin ionilähde ei kontaminoidu eikä sitä tarvitse puhdistaa. Koska ionisoitua kaasua ja hiukkasia sisältävää kaasua sekoitetaan keskenään, viipymäaika voi olla pitkä, ja nanohiukkasten varaamistehoa voidaan kasvattaa.

15

Koska hiukkasten varaaminen ja hiukkasten kerääminen ovat erillisiä, sekoitusvyöhykkeellä ei tarvitse olla elektrodipareja, jotka poikkeuttaisivat ioneja pois sekoitusvyöhykkeeltä. Tällöin sekoitusvyöhykkeellä olevat pinnat voivat pysyä oleellisesti puhtaina. Näin ollen kaasunpuhdistuslaitetta ei välttämättä 20 tarvitse huoltaa. Itse asiassa keräyselektrodi voi olla ainoa rakenneosa, jonka odotetaan vaativan säännöllistä huoltoa.

Lisäksi sekoitusvyöhykkeellä olevilla ioneilla voi olla pidempi elinikä, koska sekoitusvyöhykkeen sähkökenttä on hyvin heikko. Tämän vuoksi on 25 helpompi aikaansaada suuri varaustiheys kuin tavanomaisessa i- sähköstaattisessa suodattimessa. Näin ollen kaasunpuhdistuslaitetta voidaan ^ käyttää tehokkaasti alhaisella tehonkulutuksella.

i o oo Koska hiukkasten varaaminen ja hiukkasten kerääminen ovat erillisiä, o x 30 keräyselektrodille kertyneet hiukkaset eivät häiritse ionilähteen toimintaa.

tr

CL

S Koska hiukkasten varaaminen ja hiukkasten kerääminen ovat erillisiä, o keräyselektrodin pinnan sähkövirran tiheys on pieni. Näin ollen keräystä elektrodille kertyneet sähköä eristävät hiukkaset eivät oleellisesti pienennä 35 hiukkasia poikkeuttavan sähkökentän voimakkuutta.

4

Koska hiukkasten varaaminen ja hiukkasten kerääminen ovat erillisiä, hiukkasia poikkeuttavan sähkökentän spatiaalinen jakauma voidaan valita siten, että varatut hiukkaset osuvat oleellisesti vain keräyselektrodille. Tämä vähentää tarvetta puhdistaa muita kaasunpuhdistuslaitteen sisällä olevia 5 pintoja eli pintoja, jotka eivät ole keräyselektrodilla.

Keksinnön suoritusmuodot ja niiden edut selviävät alan ammattilaiselle paremmin jäljempänä seuraavista selityksestä ja esimerkeistä sekä oheisista patenttivaatimuksista.

10

Piirustusten lyhyt kuvaus

Keksinnön suoritusmuotoja selostetaan seuraavissa esimerkeissä tarkemmin viittaamalla samalla oheisiin piirustuksiin, joissa 15 kuva 1a esittää kaasunpuhdistuslaitetta, joka käsittää ionilähteen, hiuk-kasvarausvyöhykkeen, virtausohjainrakenteen ja hiuk-kastenkeräyselektrodin, 20 kuva 1b esittää kuvan 1a mukaisen kaasunpuhdistuslaitteen mittoja, kuva 2 esittää kaasunpuhdistuslaitetta kolmiulottteisena kuvantona, kuva 3 esittää keräyselektrodin sijaintia kaasusuihkuun nähden, 25 kuva 4a esittää kaasuvirtauksen ohjausta siten, että se ei osu keräys-^ elektrodin teholliselle hiukkasia keräävälle alueelle, ö ή kuva 4b esittää kaasuvirtauksen keskellä olevaa ensimmäistä kohtaa ja o x 30 virtausta rajaavan aukon yläosassa olevaa toista kohtaa, tr

CL

§ kuva 5 esittää vaihtoehtoista virtausohjainrakennetta, o

CO

σ> o kuva 6a esittää esimerkinomaisesti kaasun nopeusjakaumia 35 keräyselektrodin yläpuolella ja kaasunpuhdistuslaitteen tulokanavassa, 5 kuva 6b esittää esimerkinomaisesti kaasun nopeusjakaumaa keräyselektrodin yläpuolella, 5 kuva 6c esittää esimerkinomaisesti kaasun nopeusjakaumaa keräyselektrodin yläpuolella resirkulaatiopyörteen tapauksessa, kuva 7 esittää keräyselektrodin sijoittamista kaasuvirtauskanavan sivulle, 10 kuva 8 esittää keräyselektrodia, joka on sijoitettu kaasuvirtauskanavan yläpuolelle, kuva 9a esittää resirkulaatiopyörrettä, jonka aiheuttaa 15 elektrodikammiossa oleellisesti pystysuoraan pintaan osuva kaasuvirtaus, kuva 9b esittää vinoa pintaa, joka on järjestetty minimoimaan resirkulaatiopyörrettä, 20 kuva 10a esittää koronapurkaukseen perustuvaa ionilähdettä, kuva 10b esittää koronapurkaukseen perustuvaa ionilähdettä, 25 kuva 11 esittää kaasunpuhdistuslaitetta, joka käsittää kaarevan tulo- kanavan, joka on järjestetty muuttamaan kaasusuihkun ^ kaasunnopeusjakaumaa, i o co kuva 12a esittää kolmiulotteisena kuvantona kaasusuihkua, joka

O

x 30 muodostetaan kanavalla, jonka sivulla on aukko, ja

CC

CL

§ kuva 12b esittää kolmiulotteisena kuvantona kanavaa, jolla on oleellisesti o g suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus.

o o

(M

6

Yksityiskohtainen kuvaus

Kuvaan 1 viitaten kaasunpuhdistuslaite 500 voi käsittää hiukkastenvaraamisyksikön 150, virtausohjainrakenteen 30 ja 5 hiukkastenkeräyselektrodin 10.

Hiukkasia sisältävää kaasua FG voidaan johtaa kaasunpuhdistuslaitteeseen 500 tulokanavan 301 kautta.

10 Varaamisyksikkö 150 on järjestetty muodostamaan varattuja hiukkasia P1 varaamalla hiukkasia sisältävän kaasuvirtauksen FG neutraaleja hiukkasia PO. Hiukkasia sisältävä kaasu FG voi olla esimerkiksi palamisprosessista peräisin olevaa savukaasua.

15 Hiukkaset PO voivat olla esimerkiksi kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia. Hiukkasten PO halkaisija voi olla esimerkiksi välillä 5 nm - 500 nm.

Varaava yksikkö 150 voi käsittää ionilähteen 100 ja tulokanavan 301. Ioni-lähde 100 on järjestetty muodostamaan ionisoidun kaasun IG virtaus, loni-20 soitu kaasu IG käsittää ioneja J1, jotka on esitetty kuvassa 1a mustina pisteinä.

Ionisoitu kaasu IG voidaan johtaa tulokanavaan 301 suuttimen 130 kautta, lonilähteeseen 100 voidaan johtaa oleellisesti hiukkasetonta kaasua AG put-25 ken 140 kautta.

^ Ionisoitu kaasu voidaan sekoittaa hiukkasia sisältävään kaasuun FG ioneja ö J1 ja hiukkasia sisältävän kaasun FG seoksen aikaansaamiseksi.

CO

o x 30 Koska ionisoidun kaasun IG unipolaariset ionit hylkivät toisiaan, ionit J1 voi-

CC

vat sekoittua hiukkasia sisältävään kaasuun FG sähköstaattisten voimien S avulla, o

CO

05 o Hiukkasia sisältävä kaasu FG ja ionisoitu kaasu IG voivat myös sekoittua

35 esimerkiksi turbulenssin avulla, joka saadaan aikaan ionisoidun kaasun IG

7 virtauksella suuttimen 130 kautta. Toisin sanoen suutin 130 voidaan järjestää edistämään sekoittumista turbulenssin avulla.

Varausta voidaan siirtää ioneista J1 hiukkasia sisältävän kaasun FG 5 neutraaleihin hiukkasiin PO hiukkasvarausvyöhykkeellä CHRZ. Osaa tulokanavan 301 sisätilavuudesta voidaan käyttää varausvyöhykkeenä CHRZ.

Merkittävä osa neutraaleista hiukkasista PO voi muuntua varatuiksi hiukka-10 siksi P1 varausvyöhykkeellä CHRZ. Varattuja hiukkasia P1 sisältävää kaasua voidaan johtaa kaasusuihkuna JET1 hiukkastenkeräyselektrodin 10 ja vastaelektrodin 20 välissä olevaan tilaan.

Hiukkastenkeräyselektrodin 10 ja vastaelektrodin 20 välille asetettu jännite 15 voi saada aikaan sähkökentän E1, joka poikkeuttaa varatut hiukkaset P1 keräyselektrodille 10. Keräyselektrodin 10 polaarisuus valitaan siten, että se vetää varattuja hiukkasia P1 puoleensa.

lonilähde 100 voi olla järjestetty toimimaan siten, että tuotetut ionit J1 ovat 20 unipolaarisia, lonilähde 100 voi esimerkiksi olla järjestetty toimimaan siten, että yli 90% tuotetuista ioneista on positiivisia ja alle 10% tuotetuista ioneista on negatiivisia. Vaihtoehtoisesti ionilähde 100 voi esimerkiksi olla järjestetty toimimaan siten, että yli 90 % tuotetuista ioneista on negatiivisia ja alle 10% tuotetuista ioneista on positiivisia. Näin ollen suurin osa varaus-25 vyöhykkeellä CHRZ varatuista hiukkasista P1 on joko positiivisia tai negatiivi- -r- siä.

δ

(M

ό Jännite voidaan saada aikaan suurijännitelähteellä 225. Jännite voidaan kyt- co keä keräyselektrodiin 10 johtimella 222, joka kulkee eristimen 221 läpi. Joll ei x 30 din 222 ja/tai eristin 221 voivat myös mekaanisesti tukea keräyselektrodia 10.

CC

CL

§ Keräystehon maksimoimiseksi jännitelähde 225 voi olla järjestetty toimimaan

O

siten, että elektrodien 10, 20 välille kytketty jännite on hieman pienempi kuin o sähköinen läpilyöntiraja. Keräyselektrodin muodostama 35 sähkökentänvoimakkuus E1 voi olla esim. 5%-30 % pienempi kuin pienin 8 sähkökentänvoimakkuus, joka saa aikaan sähköpurkauksen ympäröivässä kaasussa. Läpilyöntiraja voi olla esimerkiksi 7 kV/cm.

Virtausohjainrakenne 30 voi olla järjestetty suuntaamaan kaasusuihku JET1 5 siten, että mainittu kaasusuihku JET1 ei puhalla pois keräyselektrodille 10 kerääntyneitä hiukkasia DEP1.

Virtausohjainrakenne 30 voi olla järjestetty suuntaamaan kaasusuihku JET1 siten, että mainittu kaasusuihku JET1 ei merkitsevästi kaappaa kerääntyneitä 10 hiukkasia DEP1, jotka myöhemmin irtoavat keräyselektrodilta 10 agglomeraatteina.

Keräyselektrodi 10 voi sijaita elektrodikammiossa 302. Puhdistettu kaasu CG voidaan ohjata pois poistokanavan 303 kautta. Elektrodikammio 302 on 15 sopivimmin kaasutiivis, ja se on virtausyhteydessä tulokanavan 301 ja poistokanavan 303 kanssa.

Elektrodille 10 kerääntyneitä hiukkasia DEP1 voi satunnaisesti pudota elektrodilta 10 elektrodikammion 302 pohjalle painovoiman vaikutuksesta. Poh-20 jalla oleva hiukkaskerrostuma DEP2 voidaan poistaa kammiosta 302 käsin tai automaattisesti esimerkiksi luukun 80 avulla. Kammio 302 voi lisäksi käsittää suppilon 70 kerrostuman DEP2 keräämiseksi pienemmälle pohja-alueelle.

25 Viitemerkinnöillä SX, SY ja SZ on merkitty ortogonaalisia suuntia (katso myös — kuvat 2, 12a ja 12b). Virtausohjainrakenteen 30 lähellä olevan kaasu- ^ virtauksen suunta voi olla oleellisesti yhdensuuntainen suunnan SX kanssa, ό SG tarkoittaa painovoiman suuntaa.

i 00 o x 30 Kuvassa 1b on esitetty kuvan 1a mukaisen kaasunpuhdistuslaitteen 500

CC

mittoja.

o o g Virtausohjainrakenne 30 voi olla esimerkiksi kaasun tulokanavan 301 osa.

o o

(M

35 L1 tarkoittaa varausvyöhykkeen CHRZ pituutta eli ioninsyöttösuuttimen 130 ja kaasunohjainrakenteen 30 pään välistä etäisyyttä.

9

Alle 1,0μιτι:η kokoisia hiukkasia varataan ensisijaisesti prosessilla, josta käytetään nimitystä diffuusiovaraaminen. Varausteho riippuu siinä tapauksessa ionien J1 pitoisuudesta, viipymäajasta varausvyöhykkeessä CHRZ ja 5 kaasun lämpötilasta.

Viipymäaikaa varausvyöhykkeellä CHRZ voidaan pidentää kasvattamalla etäisyyttä L1. Pitempi viipymäaika lisää todennäköisyyttä sille, että varaus siirtyy ionista J1 neutraaliin hiukkaseen PO. Etäisyyden L1 ei kuitenkaan 10 pitäisi olla liian pitkä, koska siinä tapauksessa varatut hiukkaset P1 voivat merkittävästi menettää varauksensa tulokanavan 301 seinämillä. Viipymäaika varausvyöhykkeellä CHRZ voi olla esimerkiksi välillä 0,05-1 s ja sopivimmin välillä 0,1-0,2 s. Jos viipymäaika on liian lyhyt, varaus ei siirry tehokkaasti ioneista J1 hiukkasiin PO. Jos viipymäaika on liian pitkä, 15 merkittävä osuus varatuista hiukkasista P1 voi osua kanavan 301 seinämiin, jolloin ne menettävät varauksensa.

Lähtevän kaasusuihkun JET1 poikkipinta-ala määräytyy kaasunohjain-rakenteen 30 päässä sijaitsevan virtausaukon APE1 mukaan. Tällöin kaa-20 sunohjainrakenne 30 rajaa virtausaukon APE1 ainakin osittain.

D1 tarkoittaa virtausaukon APE1 sisäkorkeusmittaa. Mitta d1 määritetään suunnassa, joka on yhdensuuntainen kaasusuihkussa JET1 vallitsevan sähkökentän E1 keskimääräisen suunnan (eli pääsuunnan) kanssa. Kuvissa 25 1a ja 1b sähkökentän E1 pääsuunta on yhdensuuntainen suunnan SY

kanssa.

δ

CM

ό Mitta d1 voi olla yhtä suuri kuin kaasukanavan 301 sisämitta kaasunohjain- οό rakenteen 30 pään kohdalla. Jos kanava on oleellisesti pyöreä, mitta d1 voi

O

x 30 olla yhtä suuri kuin tulokanavan 301 halkaisija.

CC

CL

§ Ensimmäisenä likiarvona kaasusuihkun JET1 korkeusmitan d1' voidaan kat- o soa olevan oleellisesti yhtä suuri kuin aukon APE mitta d1 (katso kuva 4a). o Kaasusuihkun JET1 korkeusmitta d1' määritetään virtausohjainrakenteen 30 35 kohdalla eli aukon APE1 kohdalla.

10 d2 tarkoittaa elektrodin 10 keräyspinnan ja kaasunohjainrakenteen 30 pään välistä korkeussuuntaista etäisyyttä. L2 tarkoittaa kaasunohjainrakenteen 30 ja elektrodin 10 tehollisen keräysalueen välistä maksimietäisyyttä. L3 tarkoittaa elektrodin 10 tehollisen keräysalueen pituutta.

5 d3 tarkoittaa keräyselektrodin 10 ja vastaelektrodin 20 välistä etäisyyttä. Ensimmäisenä likiarvona elektrodien 10, 20 välinen sähkökenttä E1 on kääntäen verrannollinen etäisyyteen d3. L4 tarkoittaa keräyselektrodin 10 ja ympärillä olevien sähköä johtavien rakenteiden minimietäisyyttä. Yleensä L4 10 asettaa rajan suurimmalle sähkökentänvoimakkuudelle E1, joka voidaan muodostaa elektrodien 10, 20 välille.

Kuva 2 esittää kaasunpuhdistuslaitetta 500 kolmiulotteisena kuvantona. Keräyselektrodin 10 poikkileikkaus voi olla esimerkiksi pyöreä, mikä 15 helpottaa kerrostumien DEP1 putoamista pois elektrodilta 10.

Elektrodi 10 voi olla myös esimerkiksi oleellisesti tasomainen levy (katso kuva 7).

20 Koronapurkauksien välttämiseksi elektrodikammiossa 302 elektrodi 10 voi olla järjestetty sellaiseksi, että siinä ei ole teräviä särmiä.

Kaasunpuhdistuslaite 500 voi käsittää yhden tai useampia vierekkäisiä keräyselektrodeja 10.

25

Elektrodikammioon 302 sijoitetussa kaasuvirtauskanavan osassa 304 voi olla ^ leikattu reikä (aukko) 306, jotta varattuja hiukkasia pääsee kulkeutumaan ό poikittaissuunnassa ulos kaasuvirtauskanavasta 304. Kaasuvirtauskanava ή 304 voi yhdessä tulokanavan 301 ja poistokanavan 303 kanssa muodostaa o x 30 oleellisesti yhtenäisenä jatkuvan putken (katso myös kuva 12a ja kuva 12b).

CC

CL

§ Jos kaasuvirtauskanava 304 tai elektrodikammion 302 yläosa on sähköä o g johtavaa, sitä voidaan käyttää vastaelektrodina 20. Kaasuvirtauskanava 304 o ja/tai elektrodikammion 302 yläosa voi erityisesti olla metallia.

35 11

Vastaelektrodi 20 voi myös olla sähköisesti eristetty elektrodikammiosta 302 sähkökentän E1 voimakkuuden kasvattamiseksi (tätä suoritusmuotoa ei ole esitetty kuvissa). Siinä tapauksessa elektrodikammion 302 muiden sähköä johtavien osien ja vastaelektrodin 20 väliin muodostuu lisäsähkökenttä. 5 Vastaelektrodi 20 tulisi mitoittaa siten, että toinen sähkökenttä ei tahattomasti poikkeuta varattuja hiukkasia P1 elektrodikammion 302 niille sähköä johtaville pinnoille, joihin kohdistuu suuria kaasun nopeuksia.

Periaatteessa myös maata (esimerkiksi maaperää tai rakennuksen vesi-10 johtojärjestelmää) voidaan käyttää vastaelektrodina 20, jos elektrodikammio 302 on valmistettu sähköä eristävästä materiaalista. Siinä tapauksessa sähkökenttä E1 voi kuitenkin olla suhteellisen heikko.

Kuvaan 3 viitaten kaasuvirtauskanavan 304 aukko 306 voidaan sijoittaa 15 keräyselektrodin 10 yläpuolelle. Tällöin keräyselektrodille 10 kerääntyneitä hiukkasia DEP1 ei pääse putoamaan painovoiman vaikutuksesta takaisin kaasuvirtauskanavaan 304. Sitä vastoin keräyselektrodille 10 kerääntyneet hiukkaset DEP1 voivat pudota elektrodikammion 302 pohjalle ja muodostaa toisen kerrostuman DEP2.

20

Kerääntyneitä hiukkasia DEP1 voidaan poistaa keräyselektrodilta mekaanisen tärinän avulla esimerkiksi ravistamalla tai hakkaamalla. Keksinnön ansiosta kaasusuihkuun JET1 palautuu vain minimimäärä hiukkasia.

25 Hiukkaset voidaan myös poistaa esimerkiksi pesemällä nesteellä, erityisesti — vedellä, δ

(M

ό Kuvaan 4a viitaten virtausohjainrakenne 30 ohjaa elektrodikammioon 302 co hiukkasia sisältävän kaasuvirtauksen FG, jolloin muodostuu kaasusuihku

O

x 30 JET1. Virtausohjainrakenne 30 voi olla osa tulokanavaa 301.

CC

CL

§ Kaasusuihku JET1 voi hajaantua elektrodikammiossa 302. Kaasusuihkulla o JET1 on raja BND1. Raja BND1 tarkoittaa rajaa, jossa kaasun nopeus on o laskenut arvoon, joka on 10% kaasun maksiminopeudesta suihkun JET1 35 keskellä.

12

Varattuja hiukkasia P1 voidaan poikkeuttaa kaasusuihkusta JET1 keräys-elektrodille 10 sähkökentän E1 avulla (kuva 1). Elektrodille kerääntyneet hiukkaset yleensä neutraloituvat, mikä tarkoittaa sitä, että ne eivät enää kiinnity sähkökentän E1 vaikutuksesta elektrodiin 10.

5 Tämä puolestaan tarkoittaa sitä, että suurinopeuksinen kaasu saattaa suhteellisen helposti puhaltaa kerääntyneet hiukkaset pois elektrodilta 10. Neutraloituneiden hiukkasten kulkeutuminen takaisin kaasusuihkuun JET1 voi alentaa keräystehoa radikaalisti.

10

Elektrodin 10 tehollinen hiukkasia keräävä alue EFFZ on sopivimmin sijoitettu kaasusuihkun JET1 ulkopuolelle.

Laite 500 hiukkasten PO erottamiseksi kaasusta FG voi käsittää erityisesti: 15 -välineet (30) kaasusuihkun JET1 muodostamiseksi, -välineet mainittujen hiukkasten (PO) varaamiseksi ja - ainakin yhden keräyselektrodin (10), joka on järjestetty keräämään mainittuja hiukkasia (PO, P1) sähkökentän (E1) avulla, jolloin mainittu keräyselektrodi (10) on oleellisesti erillään mainitusta kaasu-20 suihkusta JET1.

Elektrodin 10 tehollinen hiukkasia keräävä alue EFFZ on sopivimmin sijoitettu kaasusuihkun JET1 rajan BND1 ulkopuolelle, jolloin mainitun rajan BND1 sijainti määritetään ilman elektrodin 10 läsnäoloa. Elektrodin 10 tehollinen 25 hiukkasia keräävä alue EFFZ voidaan erityisesti sijoittaa kaasusuihkun JET1 rajan BND1 alapuolelle, jolloin mainitun rajan BND1 sijainti määritetään ilman ° elektrodin 10 läsnäoloa. Rajan BND1 sijainti määritetään ilman elektrodin 10 ό läsnäoloa, koska virtausdynamiikan mukaan kaasun nopeus kiinteän kohteen co pinnalla on nolla.

x 30 cc ai tarkoittaa kaasusuihkun JET1 rajan BND1 ja kaasuvirtauksen o pääsuunnan välistä kulmaa välittömästi ennen aukon APE1 sijaintia. Jos

O

g elektrodikammio 302 on suuri, kulma a1 voi olla esimerkiksi välillä 10°-15°.

o o

CM

35 Tällöin virtausohjainrakenteen 30 ja tehollisen keräysalueen EFFZ rajan välinen maksimietäisyys voidaan laskea seuraavalla kaavalla: 13 L2 = ———, (1) tan (ori) jossa α1 on esimerkiksi 15 astetta.

5

Esimerkiksi tulokanavan 301 pää voi määrittää virtauksen määräävän aukon APE1. Jos elektrodikammiossa 302 on kaasuvirtauskanava 304, jossa on aukko 306 (katso kuvat 2, 3, 12a ja 12b), niin leikkausreiän 306 ensimmäinen reuna voi määrittää aukon APE1 pohjan.

10

Virtausdynamiikan mukaan kaasun nopeus tulokanavan 301 sisäpinnalla on nolla. Näin ollen kaasusuihkun JET1 korkeusmitta d1' virtausta rajaavan aukon APE1 kohdalla voi teoriassa olla hieman pienempi kuin aukon APE1 korkeusmitta d1. Ensimmäisenä likiarvona kaasusuihkun JET1 korkeusmitan 15 d1' voidaan kuitenkin katsoa olevan oleellisesti yhtä suuri kuin aukon APE mitta d1.

Aukko APE1 voidaan myös määrittää usealla kaasuvirtauksen tasaamiseksi vierekkäin järjestetyllä suuttimella (ei esitetty kuvissa). Siinä tapauksessa 20 mitta d1 tarkoittaa suuttimien yhteenlaskettua korkeusmittaa, ja mitta d1' tarkoittaa muodostuvan kaasusuihkun JET1 yhteenlaskettua korkeusmittaa. Suuttimet voivat erityisesti olla hunajakennosuuttimia.

Kuvaan 4b viitaten CR1 tarkoittaa aukon APE1 ylintä kohtaa. Kaa-^ 25 sunpuhdistuslaitteen 500 toimintaparametrit voidaan valita siten, että kohdan ° CR1 lähellä kulkevia varattuja hiukkasia P1 kyetään poikkeuttamaan siten, ° että ne osuvat teholliseen keräysalueeseen EFFZ. Mainittuja toimintapara- i g metrejä ovat: x - tehollisen keräysalueen EFFZ pituus L3 (katso kuva 1 b),

CC

30 - aukon APE1 ja tehollisen keräilyalueen EFFZ rajan välinen etäisyys L2, o - mittojen d1 ja d2 summa, - keräyselektrodien 10 ja vastaelektrodin 20 välille asetettu jännite, ja o o - kaasun nopeus tulokanavassa 301.

14

Varatun hiukkasen P1 kulkuaika xdrift kohdasta CR1 keräyselektrodille 10 voidaan estimoida yhtälöllä: _d\ + d2 /ox TDRIFT - > (2)

V DRIFT

5 jossa vdrift tarkoittaa sähkökentän E1 aikaansaamaa hiukkasen P1 kulku-nopeutta poikittaissuunnassa (eli pystysuunnassa). Kulkuajasta xdrift voidaan käyttää myös nimitystä viipymäaika.

10 Hiukkasen P1 ajassa xdrift kulkema vaakasuuntainen matka I_h voidaan estimoida yhtälöllä:

Lh = vgtdrift (3a) 15 jossa vG tarkoittaa kaasun keskimääräistä (vaakasuuntaista) nopeutta elekt-rodikammiossa 302 elektrodien 10, 20 välillä.

Kaasun keskimääräinen (vaakasuuntainen) nopeus elektrodikammiossa voi olla esim. välillä 0,2-20 m/s ja sopivimmin esimerkiksi välillä 0,5-2 m/s.

20

Suihkun JET1 korkeusmitta d1' voi olla esimerkiksi välillä 1-60 cm ja sopivimmin välillä 5-30 cm. Mitta d2 voi olla esimerkiksi välillä 30-70 % mitasta d1'.

^ 25 Aukon APE1 korkeusmitta d1 voi olla esimerkiksi välillä 1-60 cm ja o w sopivimmin välillä 5-30 cm. Mitta d2 voi olla esimerkiksi välillä 30-70 % ? mitasta d1.

i

CO

o x 100nm:n kokoisen hiukkasen kulkunopeus vdrift voi olla esim. välillä 5- 30 100 cm/s. Kulkunopeus vdrift riippuu sähkökentästä E1. Kulkunopeus vdrift st § on yleensä välillä 10-30 cm/s.

CO

CD

o oj Yhtälö (3a) voidaan ilmoittaa myös seuraavassa muodossa sijoittamalla yhtälöstä (2) saatu xdrift: 35 15 LH Jdl + d2»0 (3b)

^ DRIFT

Tehollisen keräysalueen EFFZ on oltava riittävän pitkä, jotta kohdan CR1 läheisyydessä liikkuvat varatut hiukkaset P1 ehtivät kulkeutua teholliselle 5 keräysalueelle EFFZ. Jotta kerättäisiin oleellisesti kaikki varatut hiukkaset, tulisi keräysalue EFFZ sijoittaa siten, että: L2 > Lh (4a) 10 Toisin sanoen tehollisen keräysalueen EFFZ kauimmaisen pään sijainti voidaan valita siten, että L2>(d \ + dl)vG (4b)

V DRIFT

15 Suihkun JET1 keskellä CNT1 kulkeutuvia varattuja hiukkasia P1 voidaan kerätä, mikäli tehollisen keräysalueen EFFZ kauimmaisen pään sijainti on valittu seuraavan yhtälön mukaan:

+ dl)vG

L2> —- (4c)

^ DRIFT

20 Sähkökenttä E1, kaasun nopeus vG ja mitat d1 ja d2 voidaan valita siten, että ^ 100nm:n kokoisen hiukkasen kulkuaika tdrift on esimerkiksi välillä 0,05- ™ 20 s. Erityisesti sähkökenttä E1, kaasun nopeus vG ja mitat d1 ja d2 voidaan o T valita siten, että 100 nm:n kokoisen hiukkasen kulkuaika tdrift on sopivimmin o 25 välillä 0,5-2 s. Tällä odotetaan saatavan kaasunpuhdistuslaitteelle 500 | optimaalinen mekaaninen koko.

§ Keräyselektrodi 10 voi käsittää residuaalialueen UZ, joka on alttiina o kaasusuihkulle JET1, eli kaasusuihku JET1 voi suhteellisen helposti puhaltaa o w 30 pois residuaalialueella olevia hiukkasia. Toisin sanoen residuaalialue UZ ei tehokkaasti poista hiukkasia kaasusuihkusta JET1. L5 tarkoittaa residuaalialueen UZ pituutta.

16

Kuvaan 5 viitaten virtausohjainrakenne 30 voi olla myös virtausohjainlevy tai -siipi (eli -ohjauslevy), joka on sijoitettu kaasuvirtauskanavaan 301 siten, että mainittu ohjauslevy 30 ohjaa kaasusuihkun JET1 suuntaa ja suojaa 5 teholliselle keräysalueelle EFFZ kerääntyneitä hiukkasia kaasuvirtaukselta.

Virtausohjainrakenne 30 on sopivimmin samassa potentiaalissa kuin vastaelektrodi 20, jotta minimoidaan varattujen hiukkasten P1 neutraloituminen virtausohjainrakenteen 30 kohdalla. Toisin sanoen virtausohjainrakenne 10 30 voi olla sähköisesti eristetty keräyselektrodista 10. Toisin sanoen virtausohjainrakenne 30 voi olla eri sähköpotentiaalissa kuin keräyselektrodi 10.

Kuvassa 6a on esitetty esimerkinomaisesti kaasun nopeusjakaumia 15 tulokanavassa 310 ja elektrodikammiossa 302.

Pystyviivasta LIN1 alkavien piirrettyjen nuolien pituudet osoittavat kaasun vaakasuuntaisia nopeuksia eri korkeusasemissa tulokanavassa 301.

20 Pystyviivasta LIN2 alkavien piirrettyjen nuolien pituudet osoittavat kaasun vaakasuuntaisia nopeuksia eri korkeusasemissa elektrodikammiossa 302.

LIN3 osoittaa virtausohjainrakenteen 30 pään sijaintia eli aukon APE1 sijaintia.

25 T- Kuvassa 6b on esitetty kaasun nopeusjakauma suunnassa SY. Kirjaimella y ^ on merkitty pystysuuntaista paikkakoordinaattia suunnassa SY, ja kirjaimella ö v on merkitty kaasun nopeutta.

CO

o x 30 Otaksutaan, että kaasusuihkun JET1 maksiminopeus VMax esiintyy aukon

CC

APE1 kohdalla viivalla LIN3. Kaasun maksiminopeus viivalla LIN2 keräys-o elektrodin 10 yläpuolella voi olla jonkin verran pienempi. Kaasun maksimi-

O

nopeus keräyselektrodin 10 yläpuolella voi olla esimerkiksi 85% maksimi-o nopeudesta VMax- 35 17 y0 tarkoittaa keräyselektrodin 10 yläpinnan sijaintia. y1 tarkoittaa sijaintia joka on keräyselektrodin 10 yläpinnan yläpuolella. v1 tarkoittaa kaasun nopeutta korkeudella y1. Kohta y1 voi olla esimerkiksi 1 cm keräyselektrodin pinnan yläpuolella.

5

Keräyselektrodin 10 tehollinen keräysalue EFFZ voi olla sijoitettu siten, että nopeusgradientin Δν/Ay itseisarvo tehollisen keräysalueen EFFZ läheisyydessä on ennalta määrättyä raja-arvoa pienempi, joten kaasuvirtaus ei puhalla kerääntyneitä hiukkasia pois merkittävässä määrin.

10

Kaasun nopeusgradientti Av/Ay tehollisen keräysalueen EFFZ kussakin kohdassa voi olla esimerkiksi alle 10 % kaasusuihkun JET1 kaasun maksiminopeudesta VMax jaettuna mainitun suihkun korkeusmitalla d1'.

15 Kaasun nopeusgradientti Av/Ay tehollisen keräysalueen EFFZ kussakin kohdassa voi olla esimerkiksi alle 10 % kaasusuihkun JET1 kaasun maksiminopeudesta VMax jaettuna aukon APE1 korkeusmitalla d1.

Kaasusuihkun JET1 kaasun maksiminopeus vMax voidaan pitää esimerkiksi 20 pienempänä tai yhtä suurena kuin 10m/s. Hiukkasten suuremman keräys-tehon aikaansaamiseksi kaasusuihkun JET1 kaasun maksiminopeus vMax voidaan pitää pienempänä tai yhtä suurena kuin 1,0 m/s.

Kaasun maksiminopeus vmax voi olla esimerkiksi 10 m/s, ja kaasusuihkun 25 JET1 korkeusmitta d1' voi olla esimerkiksi 5 cm. Tässä tapauksessa nopeus-gradientti Av/Ay voidaan pitää esimerkiksi pienempänä tai yhtä suurena kuin ° 20 s'1 (= 10 % vMAx/d1').

ö oo Kaasun maksiminopeus vMax voi olla esimerkiksi 10 m/s, ja aukon APE1 kor-

O

x 30 keusmitta d1 voi olla esimerkiksi 5 cm. Tässä tapauksessa nopeusgradientti

CC H

Av/Ay voidaan pitää esimerkiksi pienempänä tai yhtä suurena kuin 20 s § (= 10 % vMAX/d1).

o

CO

O) o Nopeusgradientti Av/Ay voi olla jopa pienempi tai yhtä suuri kuin 2 s'1 suu- 35 remman keräystehon aikaansaamiseksi.

18

Mainittu pienen nopeusgradientin ehto voi täyttyä tehollisen keräysalueen EFFZ kaikissa kohdissa eli koko tehollisella keräysalueella EFFZ.

Sen sijaan, että ’’kaasusuihkun JET1 ulkopuolen” kriteerinä käytettäisiin 5 ennalta määrättyä nopeusgradienttia, voidaan määritellä, että kaasun nopeus ennalta määrätyllä korkeudella on pienempi tai yhtä suuri kuin ennalta määrätty arvo. Esimerkiksi kaasun nopeus 1 cm tehollisen keräysalueen EFFZ yläpuolella voi olla esimerkiksi pienempi tai yhtä suuri kuin 10% maksiminopeudesta VMax, ja/tai kaasun nopeus 1 cm tehollisen keräysalueen EFFZ 10 yläpuolella voi olla esimerkiksi pienempi tai yhtä suuri kuin 20 cm/s. Tässä tapauksessa mitat d1 ja d1 ’ voivat olla esim. pienempiä tai yhtä suuria kuin 30 cm ja sopivimmin pienempiä tai yhtä suuria kuin 10 cm.

Mainittu pienen nopeuden ehto voi täyttyä tehollisen keräysalueen EFFZ 15 kussakin kohdassa.

Voidaan huomata, että ykköstiheyspallon (engl. unit density sphere) lopullinen putoamisnopeus on 25 cm/s, kun hiukkasen halkaisija on 100 pm, kaasuna on ilmaa ja lämpötila on 20°C. Tämä tarkoittaa sitä, että 20 - kun kerääntyneet nanohiukkaset putoavat agglomeraatteina keräyselektro- dilta 10, - kun agglomeraattien halkaisija on suurempi kuin 100 pm ja - kun irronneet agglomeraatit eivät nouse yli 1 cm:n korkeudelle keräyselekt-rodin 10 pinnasta, 25 niin voidaan arvioida, että 20 cm/s kaasun nopeus 1 cm:n korkeudella keräyselektrodin pinnan yläpuolella ei vielä merkitsevästi kaappaa ^ agglomeroituneita hiukkasia takaisin kaasusuihkuun JET1.

ö cö Pienemmällä raja-arvolla, esimerkiksi 2 cm/s, voidaan saada vieläkin o x 30 parempi keräysteho. Tällöin kaasun nopeus 1 cm tehollisen keräysalueen

CC

EFFZ yläpuolella voi olla esimerkiksi pienempi tai yhtä suuri kuin 2 cm/s o tehollisen keräysalueen EFFZ kussakin kohdassa, o

CO

05 o Kaasunpuhdistuslaite 500 voidaan liittää polttolaitoksen savukaasukanavaan 35 tai teollisuuslaitoksen poistokaasukanavaan. Polttolaitoksen ja kaasunpuhdistuslaitteen 500 yhdistelmä voidaan järjestää siten, että kaasun 19 nopeus 1 cm:n korkeudella tehollisen keräysalueen EFFZ yläpuolella on pienempi tai yhtä suuri kuin 20 cm/s tai jopa sitäkin pienempi.

Kuvaan 6c viitaten kaasun nopeudet elektrodin 10 läheisyydessä voivat olla 5 resirkulaatiopyörteestä johtuen myös negatiivisia. Vaikka elektrodi 10 sijaitsee kaukana pääkaasusuihkusta JET1, resirkulaatiopyörre voisi irrottaa joitakin hiukkasia elektrodilta 10. Resirkulaatiopyörteen vaikutus voidaan minimoida esimerkiksi sijoittamalla elektrodi riittävän kauas kaasusuihkusta JET1 ja/tai elektrodikammion 302 muotoa valitsemalla (katso kuvat 9a, 9b).

10

Keräyselektrodin 10 yläpuoli voi olla oleellisesti yhdensuuntainen tulokana-van 301 kanssa, mutta sen ei tarvitse olla. Keräyselektrodin 10 yläpuoli voi myös olla esimerkiksi yhdensuuntainen rajan BND1 kanssa siten, että pitkä keräysalue EFFZ voidaan pitää rajan BND1 alapuolella. Jopa hyvin pitkän 15 keräyselektrodin 10 koko yläpinta voidaan pitää rajan BND1 alapuolella.

Kuvaan 7 viitaten keräyselektrodi 10 voidaan myös sijoittaa kaasukanavan 304 sivulle eli kaasusuihkun JET1 sivulle. Tässäkin tapauksessa elektrodilta 10 irronneet hiukkaset voivat pudota pohjalle sen sijaan, että ne kulkeutuisi-20 vat takaisin kaasusuihkuun JET1.

Kaasusuihku JET1 voi myös olla oleellisesti pystysuuntainen. Kaasusuihku JET1 voi esimerkiksi olla oleellisesti yhdensuuntainen suunnan SY kanssa (ei esitetty kuvissa).

25

Kuvassa 8 on esitetty vertailuesimerkki, jossa elektrodi 10 on sijoitettu kaa-^ sukanavan 304 yläpuolelle. Tuossa tapauksessa elektrodilta 10 putoavia ό kerääntyneitä hiukkasia joutuisi takaisin kaasusuihkuun JET1 ja kaasun- oo puhdistuslaitteen 500 teho alenisi, x 30

CC

Kuvassa 9a on esitetty resirkulaatiopyörre VRTZ, jonka aiheuttaa kaasu- § suihku JET1, joka osuu elektrodikammion 302 oleellisesti pystysuuntaiseen o takaseinämään 50. β1 tarkoittaa takaseinämän 50 ja suunnan SX välistä o kulmaa. Tulokanava 301 voi olla yhdensuuntainen suunnan SX kanssa.

35 20

Kuvaan 9b viitaten resirkulaatiopyörteen VRTX vaikutusta voidaan pienentää tai poistaa esimerkiksi käyttämällä elektrodikammion vinoa takaseinämää 500 kaasusuihkun JET1 ohjaamiseksi poistokanavaan 303. Kulma β1 voi olla esimerkiksi välillä 5°- 45°.

5

Kuvassa 10a on esitetty ionilähde 100. lonilähde 100 voi käsittää korona-elektrodin 110, vastaelektrodin 120, kaasun tuloyhteen 123 ja kaasun poisto-yhteen 124.

10 Koronaelektrodin 110 ja vastaelektrodin 120 välille voidaan johtaa jännite koronapurkauksen aikaansaamiseksi. Jännite voidaan saada jännitelähteestä 125. Jännite voi olla esimerkiksi välillä 0,1 kV - 20 kV. Jännite voidaan kytkeä koronaelektrodiin johtimen 121 välityksellä. Koronaelektrodi 110 voi olla sauva. Koronaelektrodissa voi myös olla terävä kärki, eli 15 koronaelektrodi 110 voi olla neula. Vastaelektrodi 120 voi olla esimerkiksi putkimainen.

Vastaelektrodi 120 voi olla esimerkiksi osa metalliputkea, joka on tuettu toisella tukirakenteella 128. Eriste 122 voi tukea koronaelektrodia 110 ja pitää 20 sitä erillään vastaelektrodista. Elektrodit 110, 120 voivat olla aksiaalisuun-nassa symmetrisiä. Elektrodit 110, 120 voi olla järjestetty oleellisesti koaksiaalisesti.

Tuloyhteeseen 123 voidaan johtaa oleellisesti hiukkasetonta kaasua AG esi- 25 merkiksi putken 140 kautta. Ainakin osa hiukkasettomasta kaasusta AG voi- r- daan johtaa koronaelektrodin 110 lähellä olevalle purkausalueelle. Purkaus- ^ alue voi sijaita elektrodin 110 kärjen läheisyydessä. Ainakin osa kaasun ό molekyyleistä (ja/tai atomeista) ionisoituu koronapurkauksessa. Tällöin ioni- oo lähteen 100 poistoyhteestä 124 voidaan saada ionisoidun kaasun IG virtaus, x 30 joka käsittää ioneja J1. Ionien J1 polaarisuus voidaan valita valitsemalla * koronaelektrodin 110 polaarisuus.

o o g Kaasu AG voi olla esimerkiksi ilmaa, vesihöyryä, hiilidioksidia tai typpeä, o Kaasu AG voi olla oleellisesti hiukkasetonta, mikä tarkoittaa sitä, että hiuk-

CVJ

35 kaspitoisuus on niin pieni, että kerääntyneet hiukkaset eivät aiheuta ioni-lähteen 100 sisäosien merkittävää kontaminoitumista. Kaasu AG voidaan 21 syöttää esimerkiksi pumpulla (ei esitetty). Kaasun AG virtausnopeutta voidaan säätää säätöyksiköllä (ei esitetty).

lonientuottonopeutta voidaan kasvattaa jonkin verran nostamalla korona-5 jännitettä, mutta tämä myös voimistaa elektrodien 110, 120 välistä sähkövirtaa. Tämä voi kasvattaa huomattavasti ionilähteen 100 tehonkulutusta.

On havaittu, että ionientuottonopeutta voidaan kasvattaa myös kasvattamalla kaasun nopeutta purkausalueella, lonilähde 100 voi käsittää ensimmäisen 10 virtausohjainrakenteen 126, joka on järjestetty kasvattamaan kaasun nopeutta koronaelektrodin 110 läheisyydessä ionientuottonopeuden kasvattamiseksi. Ensimmäinen virtausohjainrakenne 126 voi erityisesti olla kavennus.

15 lonilähde 100 voi käsittää toisen virtausohjainrakenteen 127, joka on järjestetty estämään hiukkasia sisältävän ulkoisen kaasun pääsy elektrodien 110, 120 väliin. Toinen virtausohjainrakenne 127 voi toisin sanoen olla järjestetty estämään elektrodien 110, 120 kontaminoitumista. Toinen virtausohjainrakenne 127 voi erityisesti olla kavennus.

20

Toinen virtausohjainrakenne 127 voi toimia myös suuttimena 130, eli toinen virtausohjainrakenne 127 voi olla järjestetty suihkuttamaan hiukkasia sisältävään kaasuun ionisoitua kaasua IG.

25 Kuvaan 10b viitaten hiukkaseton kaasu AG voidaan myös johtaa ionilähtee-,- seen 100 oleellisesti suoraviivaista reittiä. Ensimmäinen tuki 122 voi kanna- ^ telia koronaelektrodia 110. lonilähde 100 voi lisäksi käsittää toisen tuen 128, ö joka kannattelee vastaelektrodia 120 ja ensimmäistä tukea 122. Ainakin oo jommankumman ensimmäisestä tuesta 122 ja toisesta tuesta 128 tulisi olla x 30 sähköä eristävä.

tr

CL

S Osa toista tukea 122 voi toimia suuttimena 130 ionisoidun kaasun IG suih- o kuttamiseksi hiukkasia sisältävään kaasuun FG. Tässäkin tapauksessa ioni-§ lähde 100 voi käsittää ensimmäisen virtausohjainrakenteen (ei esitetty) 35 kaasun nopeuden kasvattamiseksi koronaelektrodin 110 läheisyydessä ja/tai 22 toisen virtausohjainrakenteen (ei esitetty), joka on järjestetty estämään hiukkasia sisältävän kaasun kiertokulkua elektrodeille 110,120.

Kuvaan 11 viitaten tulokanavan 301 kaareva osuus voidaan järjestää muut-5 tamaan kaasusuihkun JET1 nopeusjakaumaa.

Jos tulokanava 301 on taivutettu, myös ionisoitu kaasu IG voidaan johtaa tulokanavaan 301 oleellisesti suoraviivaista reittiä.

10 Kuvassa 11 on myös esitetty, että ionisoitua kaasua IG voidaan sekoittaa hiukkasia sisältävään savukaasuun FG useissa peräkkäisissä kohdissa hiukkasten viipymäajan kasvattamiseksi varausvyöhykkeellä CHRZ. Laite 500 voi käsittää kaksi tai useampia ionilähteitä 100. On odotettavissa että tämä edelleen alentaa kaasun kuljettamien neutraalien hiukkasten PO 15 lukumäärää eli edelleen kasvattaa keräystehoa.

Kuvaan 12a viitaten tulokanava 301 ja poistokanava 303 voi olla liitetty kaa-sukanavaan 304, jossa on aukko 306. Osat 301, 303 ja 304 voivat erityisesti olla saman putken osia. Tulokanava 301 voi toimia kaasusuihkun JET1 20 muodostavana virtausohjainrakenteena 30.

Tässä tapauksessa vain kaasusuihkun JET1 alaosa on oleellisesti vapaa. Suihkun JET1 yläosan rajaa kanava 304.

25 Kuvaan 12b viitaten tulokanavan 301 poikkileikkaus voi olla oleellisesti suorakaiteen muotoinen. d1 tarkoittaa virtausta rajaavan aukon APE1 ^ korkeusmittaa suunnassa SY. w1 tarkoittaa virtausta rajaavan aukon APE1 ό leveyttä suunnassa SZ. Kaasunpuhdistuslaite 500 voi lisäksi käsittää vinon oo pinnan 50 kaasun ohjaamiseksi poistokanavaan 303 (katso myös kuva 9b).

O

X 30

Kaasunpuhdistuslaitteen 500 toimintaparametrit ja mitat voidaan valita siten, § että erotusteho maksimoidaan esim. 100nm:n kokoisten hiukkasten erotta-

O

miseksi. Tässä yhteydessä erotusteho tarkoittaa ennalta määrättyä kokoa o olevien erotettujen hiukkasten lukumäärää mainittua ennalta määrättyä 35 kokoa olevien hiukkasten kokonaislukumäärään nähden.

23

Kaasunpuhdistuslaite 500 voidaan järjestää erottamaan esim. 40-90 % nanohiukkasista kaasusta FG. Näin ollen puhdistetun kaasun CG nanohiuk-kaspitoisuus voi olla esim. vastaavasti 10-60 % hiukkasia sisältävän kaasun FG nanohiukkaspitoisuudesta. Tällöin voidaan huomattavasti vähentää hai-5 tallisten hiukkasten päästöjä ilmakehään.

Kaasunpuhdistuslaite 500 voidaan järjestää poistamaan hiukkasia savukaasusta, joka on peräisin esimerkiksi palamisprosessista, polttomoottorista, kemiallisesta prosessista, hitsausprosessista, lasinkuumennusprosessista tai 10 galvanointiprosessista.

Hiukkaset ovat voineet muodostua esimerkiksi kaasufaasista tiivistymällä.

Keksinnön lukuisia eri aspekteja käy ilmi seuraavista esimerkeistä: 15

Esimerkki 1. Kaasunpuhdistuslaite (500), joka käsittää: - varaamisyksikön (150), joka on järjestetty muodostamaan varattuja hiukkasia (P1) varaamalla hiukkasia sisältävän kaasun (FG) hiukkasia (PO), - virtausohjainrakenteen (30), joka on järjestetty muodostamaan kaasusuihku 20 (JET1) ohjaamalla mainittua hiukkasia sisältävää kaasua (FG), ja - keräyselektrodin (10), jossa on tehollinen keräysalue (EFFZ), joka on järjestetty keräämään hiukkasia (P1) mainitusta kaasusuihkusta (JET1) sähkökentän (E1) avulla, jolloin mainittu tehollinen keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun nopeusgradientti (Δν/Ay) mainitun tehollisen keräysalueen 25 (EFFZ) kussakin kohdassa on pienempi tai yhtä suuri kuin 10% mainitun r- kaasusuihkun (JET1) kaasun maksiminopeudesta (VMax) jaettuna mainitun ° suihkun korkeusmitalla (d1'), jolloin mainittu korkeusmitta (d1') määritetään ό mainitun virtausohjainrakenteen (30) kohdalla.

CO

o x 30 Esimerkki 2. Kaasunpuhdistuslaite (500), joka käsittää: cc - varaamisyksikön (150), joka on järjestetty muodostamaan varattuja o hiukkasia (P1) varaamalla hiukkasia sisältävän kaasun (FG) hiukkasia (PO), o g - virtausohjainrakenteen (30), joka on järjestetty muodostamaan kaasusuihku o (JET1) ohjaamalla mainittua hiukkasia sisältävää kaasua (FG), ja 24 - keräyselektrodin (10), jossa on tehollinen keräysalue (EFFZ), joka on järjestetty keräämään hiukkasia (P1) mainitusta kaasusuihkusta (JET1) sähkökentän (E1) avulla, jolloin mainittu tehollinen keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun 5 nopeus 1 cm:n etäisyydellä (Ay) mainitusta tehollisesta keräysalueesta (EFFZ) on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 % mainitun kaasusuihkun (JET1) kaasun maksiminopeudesta (VMax), jolloin mainittu etäisyys (Ay) on mainitun sähkökentän (E1) pääsuunnassa.

10 Esimerkki 3. Esimerkin 1 tai 2 mukainen laite (500), jossa mainittu varaamisyksikkö (150) käsittää ionilähteen (100), joka on järjestetty tuottamaan ionisoitua kaasua (IG) ionisoimalla oleellisesti hiukkasetonta kaasua (AG).

15 Esimerkki 4. Esimerkin 3 mukainen laite, jolloin mainittu ionilähde (100) on järjestetty muodostamaan ioneja (J1) koronapurkauksen avulla.

Esimerkki 5. Esimerkin 4 mukainen laite (500), jossa mainittu ionilähde käsittää koronaelektrodin (110) ja vastaelektrodin (120), ja jossa mainittujen 20 hiukkasten (PO, P1) pääsy koronaelektrodin (110) ja vastaelektrodin (120) väliseen tilaan on oleellisesti estetty.

Esimerkki 6. Jonkin esimerkin 3-5 mukainen laite (500), jossa mainittu varaamisyksikkö (150) on järjestetty sekoittamaan ionisoitua kaasua (IG) 25 mainittuun hiukkasia sisältävään kaasuun (FG) tulokanavassa (301).

^ Esimerkki 7. Esimerkin 6 mukainen laite (500), jossa mainittua ionisoitua ö kaasua (IG) johdetaan tulokanavaan (301) suuttimen (130) kautta, ja mainiot tun suuttimen (130) ja mainitun keräyselektrodin (10) välinen etäisyys (L1) on o x 30 suurempi tai yhtä suuri kuin 50 cm.

tr

CL

§ Esimerkki 8. Jonkin esimerkin 1-7 mukainen laite (500), jossa mainitun § tehollisen keräysalueen (EFFZ) pituus (L3) on suurempi tai yhtä suuri kuin o kolme kertaa mainitun suihkun (JET1) korkeusmitta (d1').

35 25

Esimerkki 9. Jonkin esimerkin 1-8 mukainen laite (500), jossa mainittu virtausohjainrakenne (30) on eri sähköpotentiaalissa kuin mainittu keräyselektrodi (10).

5 Alan ammattilaiselle on selvää, että nyt esillä olevan keksinnön mukaisten laitteiden muunnelmat ja variaatiot ovat mahdollisia. Kuvat ovat kaaviomaisia. Ne nimenomaiset suoritusmuodot, joita on kuvattu edellä viittaamalla oheisiin piirustuksiin, ovat vain havainnollistavia, eikä niiden tarkoituksena ole rajata keksinnön suojapiiriä, joka on määritelty oheisissa patenttivaatimuksissa.

10 δ

(M

o oo o

X

en

CL

O

o

CD

O) o o

(M

Claims

26

1. Kaasu n puhdistuslaite (500), joka käsittää: - varaamisyksikön (150), joka on järjestetty muodostamaan kaasussa (FG) 5 olevista hiukkasista (PO) varattuja hiukkasia (P1), - virtausohjainrakenteen (30), joka on järjestetty muodostamaan kaasusuihku (JET1) ohjaamalla mainittua hiukkasia sisältävää kaasua (FG), ja - keräyselektrodin (10), jossa on tehollinen keräysalue (EFFZ), joka on järjestetty keräämään hiukkasia (P1) mainitusta kaasusuihkusta (JET1) sähkö- 10 kentän (E1) avulla, tunnettu siitä, että mainittu kaasunpuhdistuslaite (500) lisäksi käsittää ionilähteen (100), joka on järjestetty tuottamaan ionisoitua kaasua (IG) ionisoimalla oleellisesti hiukkasetonta kaasua (AG), jolloin mainittu varaamisyksikkö (150) on järjestetty muodostamaan varattuja hiukkasia (P1) 15 siirtämällä varausta mainitun ionisoidun kaasun (IG) ioneista (J1) hiukkasia sisältävän kaasun (FG) hiukkasiin (PO), ja mainittu tehollinen keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun nopeusgradientti (Av/Ay) mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) kussakin kohdassa on pienempi tai yhtä suuri kuin 10% mainitun kaasusuihkun (JET1) kaasun maksiminopeudesta 20 (Vmax) jaettuna mainitun suihkun korkeusmitalla (d1'), jolloin mainittu korkeusmitta (dV) määritetään mainitun virtausohjainrakenteen (30) kohdalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite (500), jossa mainittu tehollinen keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun nopeus 1 cm:n etäisyydellä 25 (Ay) mainitusta tehollisesta keräysalueesta (EFFZ) on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 % mainitun kaasusuihkun (JET1) kaasun maksiminopeudesta (VMAX), ^ jolloin mainittu etäisyys (Ay) on määritetty mainitun sähkökentän (E1) ö pääsuunnassa. CO o x 30

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, jolloin mainittu ionilähde (100) on järjestetty muodostamaan ioneja (J1) koronapurkauksen avulla. o o

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite (500), jossa mainittu ionilähde o käsittää koronaelektrodin (110) ja vastaelektrodin (120), ja jossa mainittujen 35 hiukkasten (PO, P1) pääsy koronaelektrodin (110) ja vastaelektrodin (120) väliseen tilaan on oleellisesti estetty. 27

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen laite (500), jossa mainittu varaamisyksikkö (150) on järjestetty sekoittamaan ionisoitua kaasua (IG) mainittuun hiukkasia sisältävään kaasuun (FG) tulokanavassa (301). 5

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite (500), jossa mainittua ionisoitua kaasua (IG) johdetaan tulokanavaan (301) suuttimen (130) kautta, ja mainitun suuttimen (130) ja mainitun keräyselektrodin (10) välinen etäisyys (L1) on suurempi tai yhtä suuri kuin 50 cm. 10

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen laite (500), jossa mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) pituus (L3) on suurempi tai yhtä suuri kuin kolme kertaa mainitun suihkun (JET1) korkeusmitta (d1').

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen laite (500), jossa mainittu virtausohjainrakenne (30) on eri sähköpotentiaalissa kuin mainittu keräyselektrodi (10).

9. Menetelmä hiukkasten (PO, P1) erottamiseksi hiukkasia sisältävästä kaa-20 susta (FG), jossa menetelmässä: - muodostetaan kaasussa (FG) olevista hiukkasista (PO) varattuja hiukkasia (P1). - muodostetaan kaasusuihku (JET1) ohjaamalla mainittua hiukkasia sisältävää kaasua (FG) virtausohjausrakenteen (30) avulla, ja 25. kerätään varattuja hiukkasia (P1) mainitusta kaasusuihkusta (JET1) r- keräyselektrodin (10) teholliselle keräysalueelle (EFFZ) sähkökentän (E1) ^ avulla, ό tunnettu siitä, että mainitussa menetelmässä lisäksi muodostetaan ionisoitua oo kaasua (IG) ionisoimalla oleellisesti hiukkasetonta kaasua (AG), ja siirretään o x 30 varausta mainitun ionisoidun kaasun (IG) ioneista (J1) hiukkasia sisältävän kaasun (FG) hiukkasiin (PO) varattujen hiukkasten (P1) muodostamiseksi, S jolloin mainittu tehollinen keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun o nopeusgradientti (Δν/Ay) mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) jokaisessa o kohdassa on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 % kaasun maksiminopeudesta 35 (VMax) mainitussa kaasusuihkussa (JET1) jaettuna mainitun suihkun kor- 28 keusmitalla (d1'), jolloin mainittu korkeusmitta määritetään mainitun virtausohjainrakenteen (30) kohdalla.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, jossa mainittu tehollinen 5 keräysalue (EFFZ) on sijoitettu siten, että kaasun nopeus 1 cm:n etäisyydellä (Ay) mainitusta tehollisesta keräysalueesta (EFFZ) on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 % mainitun kaasusuihkun (JET1) kaasun maksiminopeudesta (VMax), jolloin mainittu etäisyys (Ay) määritetään mainitun sähkökentän (E1) pääsuunnassa. 10

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen menetelmä, jossa mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) kauimmaisin kohta sijaitsee siten, että varattu hiukkanen (P1), joka kulkee mainitun kaasusuihkun (JET1) keskellä (CNT1), osuu mainittuun teholliseen keräysalueeseen (EFFZ), kun mainitun 15 varatun hiukkasen (P1) halkaisija on 100 nm.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen menetelmä, jossa mainitun hiukkasia sisältävän kaasun (FG) virtausnopeus pidetään ennalta määrätyn raja-arvon alapuolella siten, että varattu hiukkanen (P1), joka kulkee mainitun 20 kaasusuihkun (JET1) keskellä (CNT1), osuu mainittuun teholliseen keräys-alueeseen (EFFZ), kun mainitun varatun hiukkasen (P1) halkaisija on 100 nm.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 9-12 mukainen menetelmä, jossa mainittu 25 varaaminen käsittää mainitun hiukkasia sisältävän kaasun (FG) sekoittami- sen mainittuun ionisoituun kaasuun (IG). δ (M ό

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, joka käsittää ionien (J1) co muodostamisen koronapurkauksen avulla. O X 30 CC

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, jossa mainittu ionisoitu S kaasu (IG) tuotetaan ionilähteellä, joka käsittää koronaelektrodin (110) ja o vastaelektrodin (120), ja jossa mainittujen hiukkasten (PO, P1) pääsy o koronaelektrodin (110) ja vastaelektrodin (120) väliseen tilaan on oleellisesti 35 estetty. 29

16. Jonkin patenttivaatimuksen 13-15 mukainen menetelmä, joka käsittää ionisoidun kaasun (IG) sekoittamisen mainittuun hiukkasia sisältävään kaasuun (FG) tulokanavassa (301).

17. Jonkin patenttivaatimuksen 13-16 mukainen menetelmä, joka käsittää mainitun ionisoidun kaasun (IG) johtamisen tulokanavaan (301) suuttimen (130) kautta siten, että mainitun suuttimen (130) ja mainitun keräyselektrodin (10) välinen etäisyys (L1) on suurempi tai yhtä suuri kuin 50 cm.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 9-17 mukainen menetelmä, jossa kaasun nopeus (Δν) 1 cm:n etäisyydellä (Ay) mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) kunkin kohdan yläpuolella on pienempi tai yhtä suuri kuin 20 cm/s.

19. Jonkin patenttivaatimuksen 9-18 mukainen menetelmä, jossa kaasun 15 nopeusgradientti (Δν/Ay) mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) kussakin kohdassa on pienempi tai yhtä suuri kuin 20 s"1.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 9-19 mukainen menetelmä, jossa mainitun tehollisen keräysalueen (EFFZ) pituus (L3) on suurempi tai yhtä suuri kuin 20 kolme kertaa mainitun suihkun (JET1) korkeusmitta (d1 ')·

21. Jonkin patenttivaatimuksen 9-20 mukainen menetelmä, jossa mainittu virtausohjainrakenne (30) on eri sähköpotentiaalissa kuin mainittu keräyselektrodi (10). 25 δ CM O CO O X cc CL O o CD 05 O O CM 30