JP2006500217A - 液体粒子を含む及び／又は凝縮する湿気を含んだガスに対する排気ガス浄化装置におけるイオン化装置及びその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体粒子を含む及び／又は凝縮する湿気を含んだガスに対する排気ガス浄化装置におけるイオン化装置に関する。このイオン化装置は、同心の断面領域に規則的にこの断面領域に亘って一様に分配された円形状ノズルの装置を有するフローチャネルの断面に亘って取り付けられた基準電位にある導電性のノズルプレートを有する。フロー方向において高電圧電極グリッドが続いており、電極グリッドは断面に亘って同心にフローチャネルに存在し、チャネル壁に電気的に絶縁されて固定されている。各電極ピンはその自由端部においてスター形に構成されており、ガスフローに対向配置されている。ノズルプレート及び高電圧電極グリッド、それぞれ所属の電極尖端部を有する電極ピンから成るモジュールはプロセス周囲環境に対して不活性な導電性材料から成る。ガスフローがイオン化装置において地球の引力とは逆方向に経過する。

Description

本発明は液体粒子を含む及び／又は凝縮する湿気を含んだガスに対する排ガス浄化装置におけるイオン化装置に関する。

イオン化装置はプロセスガスにおける液体及び固体粒子の帯電のために使用され、このイオン化装置に相応してウェット静電集塵フィルタ又はドライ静電集塵フィルタが問題となる。

ＤＥ１０１１３５８２にはガスの静電浄化のための装置、より詳しく言えば、ウェット静電集塵フィルタ装置が記述されている。この装置はガス流チャネル内に取り付けられ、このガス流チャネルにおいて浄化すべきガスが上から下へと貫流する。この装置が回転され、その結果、ガス流が下から上へと流れると、ウォーターフィルムが下部ノズル部分から上部ノズル部分へと高圧で押され、断面積が小さくなることが観察される。これによって、まだ十分にイオン化電流が流れるような値に高電圧が達する前に、フラッシュオーバが生じる。この効果はとりわけ約３ｍ／ｓ以上の速度で下から上へとノズルを通過する凝縮しかつ液体粒子を含むガスにおいて発生する。さらに、付加的に負に帯電された中間電極が実際に重みなく縁部で揺れるウォーターフィルムを隆起させて自分の方へと引き寄せ、フラッシュオーバを発生させることが観察される。

ＵＳ４４４９１５９には、円錐状のシリンダノズル、いわゆるベンチュリノズルが記述されており、このベンチュリノズルは水平に配向されており、このベンチュリノズルの中へと電極がスロートに至るまで深く浸されている。電極ピンはイオン化ディスクを支持しており、このイオン化ディスクの周囲ではコロナ電流がガスを介してアノードまで流れる。比較的厚い電極ピンが同時に集束電極として使用される。

ＵＳ４２４７３０７にはフロー方向に沿った管型ウェット静電集塵フィルタの垂直な放電ワイヤ（Spruehdraehte）に直列接続された放電ディスクが設けられている。これら放電ディスクは周囲においてノコギリ歯状に分割されている。さらに、ＵＳ５２５４１５５には六角形の断面の管の中央放電管に六叉リングが設けられている。これら六叉リングの尖端部は６角形状の管の角を指し示している。ＪＰ２００１１９８４８８には交互にディスク及び八叉のスターが中央放電ワイヤに貫通されることが記述されている。

ＵＳ４４４９１５９の水平ベンチュリノズルは液体粒子を含む湿ったガスには適していない。なぜなら、ウォーターフィルムは常にノズルの中に一緒に侵入するか乃至は比較的小さい速度で水がスロートにおいて上からイオン化装置ディスクに滴り、フラッシュオーバを引き起こすからである。ディスクは周囲に亘る一様な電流分布のために非常に精確に調整されなければならない。これは粗動作において実際には実現できない。電極ピンがノズルの中に浸されなければならないので、取り付けは面倒である。ＵＳ４２４７３０７の放電ディスクはイオン化をその周囲で強めるという任務を持つが、他方でイオン化はワイヤに沿って小さくなる。フロー方向に沿ってワイヤに並んで繋げられたディスクによって粒子分離は改善されるはずである。しかし、ディスクは、そこで高められるイオン化とともに、増大した乱流及び新たな横方向の混合をもたらし、これはとりわけ極めて微細な液体粒子の分離を改善しない。ディスクが周囲部でノコギリ状に多数のイオン化尖端部に分割される場合、付加的なイオン化効果はごく僅かである。というのも、短い距離で同じ極性に帯電されたゾーンは互いに反発しあうからである。その他に、ガスフロー方向に関してイオン化ゾーンの直列接続は効率的ではない。なぜなら、既に分離電極の壁の近傍に存在する粒子は乱流及び電気的な風によって新たに混合され、つまるところ、分離の確率は増大しないからである。ＵＳ５２５４１５５ではシリンダ状の管の代わりに六角形の断面の管が使用され、ガスフロー方向に沿って直列接続された六叉リングが使用されるが、これによっても同じ問題が生じる。ＪＰ２００１１９８４８８に記述されたものに対しても既に述べた議論が同様にあてはまり、この対象はただ交互にディスクが八叉のスター形になっている点で異なる。

テストによれば、同時に単一尖端の電極が複数倍の尖端部装置、例えば７スター電極に変更される場合に、同時に直径の拡大とノズル個数の減少が行われるとガス速度がノズルにおいて３ｍ／ｓより下の値にまで低減されることが示された。例えば時間あたり１．６００動作立方メートル、略してＢｍ^３／ｈの湿ったガスが２４ｍｍの直径を有する１６６個の円錐形シリンダノズルを通過する場合、ここから結果的には平均ノズルガス速度５．９ｍ／ｓ、電極における最大電圧９ｋＶ及び５ｍＡの総電流に相応してノズル毎に約３０μＡのイオン化装置電流に帰着する。Ｂｍ^３／ｈガス毎に、ほぼ０．０２８ワットのイオン化装置電力しかもたらされない。上昇するウォーターフィルムの上述の効果の結果として、約９ｋＶ以上でフラッシュオーバが生じ、このフラッシュオーバはイオン化を中断し、高電圧電源に大きな負荷をかける。

よって、本発明の課題は、ノズル内壁において上昇するウォーターフィルムを阻止することである。この結果、それゆえノズル直径が拡大される場合には、同時にニードル尖端部とノズル縁部との間の今やより大きい間隔によってより小さくなるイオン化装置電流が、より大きなイオン化すべきガスボリュームのために同様により大きくならなければならない。

上記課題は、請求項１の特徴部分記載の構成によるイオン化装置構造によって解決される。有利な実施形態は従属請求項２〜７に記述されている。請求項８は最後に特別なフィルタ装置におけるイオン化装置の使用を請求する：このイオン化装置は、ノズルプレートが下から流れを受け、ピン及びそれぞれスターを自由端部に有する高電圧電極はガス流においてこのノズルプレートの後ろに、すなわち、ノズルプレートの上に配置されるように構成される。これは暖炉の入口の前のボイラー、スクラバーカラム（Waschkolonne）、フィルタ等々からの排ガス流に大抵の場合使用できる。平行に下から上へと流れを受ける円形状のイオン化ノズルは、４ｍ／ｓより下に、有利には３ｍ／ｓより下にガス速度が留まるような直径を有する。イオン化ノズルの高さはノズルプレートの厚さよりもそれほど大きくないか又は単純化のためにノズルプレートの厚さとちょうど同じである。縁部斜角面又は縁部丸みの外には上部でも下部でもノズルはフロー方向においてプロフィールを持たない。電極はフロー方向から見てノズルの上に存在する。電極の最も下の位置はノズルの最上部よりもまだ上方に存在する。電極は下部端部においてスター形に分割されており、ノズル周囲の方向に向いたスター尖端部は端部において水平に又は一様に下へと斜めに向いている。尖端部の個数は１より多く、この個数は有利には奇数である。尖端部の個数は、安定したイオン化電圧において得られるイオン化電流がちょうどノズルを貫流する時間あたりの動作立方メートルガス毎に０．０１〜０．５ワット、有利には０．０５〜０．３ワットの電力が消費されるような大きさになるように、算出される。ノズル縁部までの尖端部の間隔は安定したイオン化電圧によって決定され、この安定したイオン化電圧はガス種類ならびに絶対圧力及び絶対温度から得られる（実施例の記述を参照、そこでは７５℃及び１０００ミリバール及び１３ｋＶにおいて約５０Ｖｏｌ％水蒸気を有する煙ガスにおいて間隔１５ｍｍである）。

ノズルプレートにおける水堆積をさらに小さくするために、垂直の小排出管がそれぞれ３個のノズルの想定された重心においてノズルプレートの孔部に差し込まれる。この小管はノズルプレートの下側で下へと約１〜１０個分のプレート厚さを持っているように見える。ノズルプレートの上側でのこの小管の作用範囲は約５〜３０°の漏斗状の面取りによって拡張されている。この小管は有利には壁付着力を有する平滑なプラスチック材料、例えばポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥから成る。

この構造及びフロー方向から見ると下から上へまず最初にノズルプレート、次に電極にフローが当たることによって、比較的多くの水分量、いわゆる水滴群が上からイオン化装置段に落ち、短絡を引き起こすことが阻止される。重力に逆らうフロー方向によって、フローによって運ばれる比較的少ない水滴群だけがノズルプレートに到達しうる。またこの水滴群の大部分は既にノズルプレートにおいて分離され、下へ流れ落ちる。

上から下へのフローにおいてはｍｍ単位の大きさの液体粒子がノズルプレート上に落ちるが、正反対のフローの場合には０．５〜２ｍ／ｓの大抵の場合に存在するチャネル速度において最大約０．１〜０．３ｍｍの液体粒子サイズだけがノズルプレートに到達する。拡大されたノズルにおける低下したガス速度によってウォーターフィルムはノズルの内壁にもはや高圧で押しつけられず、せき止められ、内側へと引かれる。従来は、各ノズルにはイオン化尖端部を有するただ一つの電極だけが割り当てられていた。今やノズルにはスター形に縁部へと配向された複数の尖端部を有する中央電極が割り当てられる。これによって、ノズルを比較的高いガス流量ならびに重いイオン化可能なガス、例えば空気・水蒸気混合ガスに対して動作し、それにもかかわらず粒子帯電のために必要な電力がもたらされるようにすることが可能となる。中央電極の端部には電極スターが交換可能に固定される。変化した動作条件に対して、例えば別の温度、圧力及びガス組成に対して尖端部の個数が適合されなければならない場合には、単に電極スターを交換するだけで十分である。これまでは、たった一つの電極尖端部だけでも、ノズルの個数を変更することも必要であった。ノズルはもはや比較的厚いプレートからフライス盤で切削して作り出す必要はなく又はシリンダ状の別個に製造された部材によって組み立てる必要はなく、ノーマルに穿孔された又はウォータービームによって切断されたメタルプレートの容易に切り取られる又は丸められる縁部で十分である。

ノズルが縁部において隆起を持たないことによって、ノズルプレートの上側に集められた液体は簡単にノズルを通って下へと滴り落ちる。スター電極を有する中央電極は最も下の位置でもまだノズルプレートの上側エッジの上方約３〜６ｍｍのところにある。それゆえ、ノズルプレートは電極を保持するグリッドプレートの下から水平に引っ張りだされうる。これは組み込み及び取り外しを大いに容易にする。中央電極の中心の調整トレランスは拡大されたノズル直径によって相応により大きくなり、この結果、とりわけ大面積のノズルプレートにおいて実際的な利点が生じる。今やこのより大きなノズル直径のために相対的に見てノズル縁部における堆積が電流・電圧特性曲線のより小さな歪化を惹起する。それぞれ３個のノズルの間の中心のノズルプレートの孔部に差し込まれた小排出管によって、プレート上側に集められた液体がここから流れ落ちる。この場合、この小管の内径は、一方でいちじるしいガス量が短絡において通電されず、他方で集まった水が自由に流れ落ちることができるように選択される。この小管が突き出ているノズルプレートの下側では、ここに垂れ下がる滴が有利にはこの小管に集まり、この小管を伝って滴り落ちるという利点が得られる。

イオン化装置はフィルタ装置のフローチャネルにおいて管束分離器と共に使用され、すなわち、イオン化装置が管束分離器にフロー方向において前置接続されているように使用される。イオン化装置において電気的に帯電された浄化すべきガス／空気は通り抜けた後で管束分離器の円錐状に内側へ湾曲された又は外側へ湾曲された流入スター（Anstroemstirn）へと流れ込む。よって、この管束分離器は空間的にイオン化装置の上方に存在し、それゆえ円錐状に凹形の又は凸形の流入スターを有する。これは、分離器の中で下に落ちる水がこのスター面において壁へと又は中心へと流れてそこから離れ、イオン化装置の上に滴り落ちないためである。なぜなら、さもなければ、このイオン化装置の電気的特性が動作に支障を起こすように損なわれるか乃至は破棄されてしまうかもしれないからである。

イオン化装置は、乾燥プロセスからの湿気を含んだ空気／ガスの浄化及び燃焼プロセスからの排ガスの浄化のほかに、さらに液体粒子群と自然に又は強制的に混合された湿気を含んだガスの浄化を行う。すなわち、浄化すべきガスは浄化装置に入る前に既にその前の利用プロセスのために液体粒子群と混合されているか又はフローチャネルの中に突出しているノズルを介する噴霧によって強制的にこれと混合される。従って、このように構成されたフィルタ装置はＨＣｌ、ＳＯ_２、ＳＯ_３、ＮＯＸのようなガス状の有害物質と混合されたガス／空気をも浄化／洗浄する。

実施例を次に図面に基づいて記述する。図面は図１〜図３から成り、
図１は３つの直ぐ隣接するノズルの正面図を示し、
図２はこれらのノズルの側面図を示し、
図３はフローチャネルにおけるイオン化装置の場所を示す。

イオン化装置の組み込みは機械的にかつ絶縁技術的にＤＥ１０１３２５８２のものと同じ構造において図示され記述される。

電極の材料は処理すべきガス及びそこに含まれる構成成分及びそれらの化学的反応特性に従う。材料はそれぞれ保護金属によってコーティングされた例えば銅又は真鍮、もしくは特殊鋼又はチタン又はチタン合金でもよい。

垂直に経過するガスチャネルの中に水平に導電性プレート４が組み込まれている。孔部３、すなわちノズルは規則的に配置されており、ここでは３つの直ぐ隣接する孔部がそれらの中心点によって正三角形の角を形成するように配置されている。三角形の重心を小排出管６の軸が貫通しており、この小排出管６はフロー８に対向してプレートから突き出しておりかつノズルプレート４のフローとは正反対の側にはここでは３０°の漏斗状の斜角面７を有する（図２参照）。ガスフロー８はこのノズルプレート４に向かって下から流れてきて、ノズル３を貫流する。孔部は有利には互いに一様な間隔を有し、乃至は、一様な分布パターンで配置されている。フロー方向において後置接続されかつプレート４の上方にほぼこの孔部直径の１／２倍〜５倍の間隔で電極グリッド５が存在する。ここではガス透過性かつ導電性の電極保持プレート５である。電極保持プレート５は絶縁装置を介してガスチャネルにおいて水平に固定されており、プレート４に対して負の高電圧に接続されている（ＤＥ１０１３２５８２）。投影において精確にプレート４の孔部の中心に電極保持プレート５は中央電極又は電極ピン１を支持し、この中央電極又は電極ピン１は下へとフロー方向に対向して所属のノズル３の中心点に配向されている。中央電極１の下側端部はプレート４の上方にノズル孔部直径の０．０５倍〜０．２倍の間隔をもって終わっている。それぞれの中央電極１の下側端部は先端が尖っているか又はスター形に広がっており、個々の端部は所属の電極ピン１の長手方向軸から６０°〜９０°の角度をもって離れている。スターとして広げられた端部を記述する円直径はほぼノズル孔部直径の０．１倍〜０．９倍である。この尖端部の個数はｍｍ単位の孔部周囲長さをほぼ１０〜５０ｍｍで除算した数であり、この結果、端数を切り上げて又は端数を切り下げて整数が形成される。有利には、奇数である。高電圧電極１、２、５の結合技術はこの場合取り外し可能な結合技術であり、電極ピン１はその一方の端部によって電極プレートにネジで留められており、スター２はもう一方の自由端部にネジで留められている。寸法はこの場合例示的に以下のとおりである：
孔部直径 ４８ｍｍ
プレート厚 ５ｍｍ
スター直径 ２０ｍｍ
プレートとスターとの間の間隔 ３ｍｍ
尖端部の個数 ７
ガス速度 ２．９ｍ／ｓ
温度 ７５℃
ガス湿気 ５０Ｖｏｌ％
高電圧 １３ｋＶ
電流 １２０μＡ
電力 １．６ワット
固有電力（spez. Leistung） ０．０８５Ｗｈ／ｍ^３
上の例によれば１６００Ｂｍ^３／ｈの湿ったガスが４８ｍｍの直径を有する８５個のフラットノズルを通って送られるならば、ここから結果的に平均ノズルガス速度２．９ｍ／ｓが得られ、２０ｍｍの尖端部直径を有する７スター電極の場合にはノズル毎に１３ｋＶの最大電圧及び総電流１０ｍＡに相応して約１２０μＡイオン化電流が得られる。Ｂｍ^３／ｈガス毎に今や０．８１ワットがもたらされる。比較僅かなガス速度によってウォーターフィルムはノズル縁部に高圧で押しつけらず、フラッシュオーバを起こすことなしに高電圧はイオン化に必要な値にまで高められる。

今や、予定より早くフラッシュオーバが生じてしまうことなしに、約０．３ミリメートルまでの最大液体粒子直径を有する約２．０００ｍｇ／ｍ^３までのガス内の比較的大きな液体粒子濃度がイオン化装置段を下から上へと通過できるので、図３による液体粒子分離段は後置接続されている。

図３は図１及び２による垂直なチャネル区間１８に収容されたイオン化装置段を示す。フロー方向において後置接続されかつイオン化装置段の上方にチャネル区間１９が設けられており、このチャネル区間１９は内側へと湾曲された、円錐状又はピラミッド状の支持グリッド（１２は断面図、１３は平面図）を含み、この支持グリッドの上には管束にまとめられた分離管１６がある。支持グリッド１２、１３の下部の壁近傍の周囲は緩い勾配による（ここでは右側へ）排出溝１４によって囲まれている。これは管から下へと流れ落ちる水滴を集める。この水滴は支持グリッドによって捉えられ、重力の作用によってチャネル壁１９へと導びかれる。排出溝１４から水滴は排出パイプ１５に流れ、固体粒子及び吸収されたガス及び蒸気を含んでいた水滴がそこから取り出される。ピラミッド又は円錐角度αは有利には９０°より小さい。支持グリッド１２、１３のグリッド分割は有利には正方形状又は矩形状であり、個々のグリッド支え柱は水平ではなくて有利には水平及び垂直面に対して４５°の角度で延在している。８．１によってイオン化装置段を通過した後のまだ強く部分的に帯電されている液体粒子を含むガスが示されている。８．２によって液体粒子及び有害ガスを十分に除去された清浄ガスが示されている。サスペンド装置１０に固定された電極グリッド５の電気的に絶縁されかつ処理すべきガスから隔離された固定部は１１によって示されており、別の箇所で記述されている。ガスの高い液体粒子濃度は自然に存在するものの他にイオン化装置段の前でのフロー方向における清浄水供給によって得られる。清浄水は例えばＨＣｌ又はＮＯｘの場合のように有害ガス及び蒸気を物理的に吸収することができる。清浄水に可溶性の又は不可溶性の塩基性の試薬を混ぜると、多くの他の酸性の有害ガス、例えばＳＯ_２、も化学吸着されうる。

３つの直ぐ隣接するノズルの正面図を示す。 ３つのノズルの側面図を示す。 フローチャネルにおけるイオン化装置の場所を示す。

符号の説明

１ 電極ピン
２ スター
３ ノズル
４ ノズルプレート
５ 電極グリッド
６ 小排出管
７ 漏斗状の斜角面
８ ガスフロー
８．１ 帯電された液体粒子を含むガス
８．２ 清浄ガス
１０ サスペンド装置
１１ 電極グリッド５の固定部
１２、１３ 円錐又はピラミッド状の支持グリッド
１４ 排出溝
１５ 排出パイプ
１６ 分離管
１８ 垂直チャネル区間
１９ チャネル壁

Claims (8)

1. 液体粒子を含む及び／又は凝縮する湿気を含んだガスに対する排気ガス浄化装置におけるイオン化装置において、
   該イオン化装置は、次のものを有する、すなわち、
   同心の断面領域にこの断面領域に亘って規則的な一様に分配された円形状ノズル（３）の装置を有するフローチャネルの断面に亘って取り付けられた基準電位にある導電性のノズルプレート（４）を有し、前記ノズル（３）に向かって粗ガス（８）が流れ、
   フロー方向（８）において続いて高電圧電極グリッド（５）を有し、該電極グリッド（５）は断面に亘って同心にフローチャネル内に存在し、チャネル壁に電気的に絶縁されて固定されており、前記電極グリッド（５）からフロー方向（８）に向かって互いに平行に配向された電極ピン（１）がノズル配置のパターンでそれぞれ割り当てられたノズル（３）の方向に垂直に及び同心的に突き出しており、
   及び、
   所属のノズル（３）の方向に向いた各電極ピン（１）の自由端部においてスター形に１つより多くの尖端部（２）を有する前記各電極ピン（１）を有し、前記尖端部（２）は同じ長さでかつ電極ピンの軸の周りに一様に分配されて最大ではこの軸に対して垂直に電気的絶縁間隔を保持して張り出しており、各電極ピン（１）の電極尖端部（２）は割り当てられたノズル（３）の最も近傍にあるノズル縁部の方向に向けられており、
   前記ノズルプレート（４）、及び、前記高電圧電極グリッド（５）、それぞれ所属の電極尖端部（２）を有する前記電極ピン（１）から成るモジュールは、プロセス周囲環境に対して不活性な導電性材料から成る、液体粒子を含む及び／又は凝縮する湿気を含んだガスに対する排気ガス浄化装置におけるイオン化装置。
2. ガスのフロー（８）が地球の引力とは逆方向に経過するようにイオン化装置が浄化装置に配置されていることを特徴とする、請求項１記載のイオン化装置。
3. ノズル（３）の内径はそれぞれノズル（３）において結果的に得られるガスの平均フロー速度が４ｍ／ｓ、有利には３ｍ／ｓより下に留まるほどの大きさであることを特徴とする、請求項２記載のイオン化装置。
4. 各ノズル（３）はその入口側及び出口側で面取りされていることを特徴とする、請求項３記載のイオン化装置。
5. ノズルプレート（４）においてそれぞれ３つの直ぐ隣接するノズルの中心に小さな壁付着力を有する誘電体材料からなる小さな管（６）が存在し、該小さな管（６）はフローの反対側からはめ込まれ、フローの側で最大でプレート厚の１０倍の長さまでフロー（８）の中に突き出ることを特徴とする、請求項４記載のイオン化装置。
6. 小さな管（６）への入口領域は、フローの反対側において３０°までの角度を有する斜角面（７）を有することを特徴とする、請求項５記載のイオン化装置。
7. 高電圧電極グリッド（５）、それぞれ所属の電極尖端部（２）を有する電極ピン（１）から成るモジュールは取り外し可能な又は取り外し不可能な結合技術又はこれらを混合した結合技術において製造されていることを特徴とする、請求項６記載のイオン化装置。
8. イオン化装置はフィルタ装置のフローチャネルにおいて円錐状の内側に湾曲した又は外側に湾曲した流入スターを有する管束分離器に前置接続されており、
   これによって乾燥プロセスからの湿気を含んだ空気及び燃焼プロセスからの排ガスの他に液体粒子群と自然に又は強制的に混合された湿気を含んだガスも処理されることを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載のイオン化装置の使用。

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