專利名稱：層流靜電除塵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以實(shí)現(xiàn)百分之百除去微粒的靜電除塵系統(tǒng)。具體地講，本發(fā)明涉及一種有層流除塵器的靜電除塵系統(tǒng)。為了獲得層流，除塵器被分成對氣流中攜帶的微粒充電的充電區(qū)，和一個(gè)具有一電極并用于吸附充電微粒的收集區(qū)，其中該電極帶有與充電微粒電位不同的電位。
傳統(tǒng)的工業(yè)靜電除塵器，在平行板，水平流動、負(fù)極性、和單級系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件下收集干燥的微粒。收集板間隔一般9至16英寸，板高可達(dá)50英尺。通過除塵器的氣流總是處于湍流狀態(tài)。由于這種湍流，除塵器的收集效率一般采用德意志模型預(yù)計(jì)，該模型假設(shè)湍流動使氣流的湍流中心的微粒完全混亂了，并且電作用力只在各層的分界面之間起作用。這種模型得出一個(gè)收集效率對微粒電遷移速率與除塵器特定收集面積乘積的指數(shù)等式關(guān)系。該等式的指數(shù)性質(zhì)表示出在高收集效率值，特定收集面積增加時(shí)，效率的增量反而縮小。因此，在湍流狀態(tài)下只能逐漸趨近100％收集效率值，而不能實(shí)現(xiàn)達(dá)到該值，無論使用者采用多大的除塵器也是如此。
本靜電除塵系統(tǒng)包括一個(gè)與管風(fēng)道有流體交換耦合關(guān)系的外殼。一個(gè)電源具有一個(gè)用于提供參考電位的第一輸出端，和至少一個(gè)用于提供相對于參考電位為負(fù)值的電位的第二輸出端。該系統(tǒng)包括一個(gè)用于對分布在外殼內(nèi)的微粒進(jìn)行靜電充電并且與有氣流流過其中的管風(fēng)道保持流體交換耦合的裝置。充電裝置與電源的第一和第二輸出端耦合，以賦予氣流中央雜微粒與參考電位相反的電荷。該系統(tǒng)還包括一個(gè)用于收集外殼內(nèi)且在充電裝置下流處的充電微粒的裝置。該收集裝置使通過的氣流呈層流狀態(tài)。


圖1是靜電除塵系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；圖2是靜電除塵系統(tǒng)第二實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；圖3是沿圖1的3-3線截得的靜電除塵系統(tǒng)收集區(qū)部分的截面圖；圖4是圖3所示收集區(qū)的替換實(shí)施例；圖5是表示充電與收集區(qū)及其電連接狀況的剖面圖；圖6是充電與收集區(qū)合一的剖面圖7是本發(fā)明一體化的充電與收集區(qū)的另一實(shí)施例；圖8是本發(fā)明一體化的充電與收集區(qū)的又一實(shí)施例；圖9是本發(fā)明另一實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；及圖10是圖9所示實(shí)施例的局部剖面圖。
參見圖1，其中表示了串聯(lián)耦合于夾雜在氣流中的微粒源10與向大氣釋放氣體的煙囪14之間的靜電除塵系統(tǒng)100。盡管微粒源10可以是任意種類的源，但其來源包括燃煤或燃油的加熱爐或鍋爐，各種類型焚化爐，以及各種能產(chǎn)生微粒物質(zhì)形式的有害空氣污染物質(zhì)的燃燒處理。例如對于燃煤的加熱爐而言，該源10有一個(gè)煙道管12，該管與層流除塵器的垂直外殼105的煙氣入口108相連。
夾雜在煙氣中通過入口108進(jìn)入除塵器102的微粒首先必須被充電，之后可以通過靜電吸附予以去除，這是所有靜電除塵器的主要工作。這種充電可正可負(fù)，但充負(fù)電的更廣泛一些。除塵器102被具體設(shè)計(jì)成能使煙氣產(chǎn)生層流的結(jié)構(gòu)，目的是提高微粒的去除效率。當(dāng)微粒穿過一對或多對平行或同心電極之間的電暈放電區(qū)時(shí)，這些微粒將會被充電。對要被去除的微粒高效充以所需電荷所需的電暈放電，會產(chǎn)生一個(gè)＂電暈風(fēng)＂，這個(gè)＂電暈風(fēng)＂會在通過除塵器的氣流結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)湍流。所以，除塵器102被設(shè)計(jì)成除塵器充電區(qū)與其收集區(qū)或結(jié)團(tuán)區(qū)相分離的結(jié)構(gòu)，收集區(qū)或結(jié)團(tuán)區(qū)通過使煙氣以層流方式流過其間而提高了效率。
如圖1所示，除塵器102具有一個(gè)位于收集區(qū)106上游的充電區(qū)104，其中進(jìn)入入口108的煙氣穿過充電區(qū)104和收集區(qū)106，再穿過氣體出口110。在收集區(qū)106除去的微粒隨之送至微粒去除漏斗112中。收集區(qū)可以包括某些疏松工具，以機(jī)械地挪動收集到的微粒，使之落入漏斗中；或者采用濕法除塵，即，通過注水口101注水，以使之向下流過收集區(qū)106進(jìn)入漏斗112并帶走其中所收集到的微粒。
另一方面，收集區(qū)106可以做為系統(tǒng)100的結(jié)團(tuán)器，只是暫時(shí)收集微粒。微粒被吸附在電極表面，且與微粒彼此接觸時(shí)即結(jié)團(tuán)。這些結(jié)團(tuán)隨后又再次夾雜在煙氣流中，再由下游的除塵器或過濾器120去除。此方法同樣也由于煙氣以層流方式通過而提高了效率。
在需要99.9％至100％這樣很高的收集器效率，且除塵器干法工作的地方，可以設(shè)計(jì)一種微粒再攜帶的燃煤系統(tǒng)，并使收集器成為一個(gè)結(jié)團(tuán)器。對于這種系統(tǒng)而言，收集區(qū)要超過充電區(qū)有足夠長的距離，以使收集到的顆粒再摻入氣流中去。但是，這些收集到的顆粒在再摻入之前將會結(jié)團(tuán)。如果需要，煙氣可以用幾種已知的結(jié)團(tuán)促進(jìn)劑之一作為條件，以確保充分結(jié)團(tuán)，形成足夠大的顆粒，便于除去。這些已變得較大的顆粒將與氣流一起流向出口110，進(jìn)入管道122，輸送到用于去除這些大顆粒的第二過濾器120處。第二過濾器120可以是一個(gè)傳統(tǒng)的靜電除塵器，織物過濾器如濾袋式過濾器，或其他類型的顆粒去除裝置。從第二過濾器120流出的氣流將穿過管道124流至煙囪14的入口16，以便將其放入大氣中而不含微粒。在一個(gè)沒有在設(shè)計(jì)中特別加入再摻入顆粒的系統(tǒng)中，也可以選擇地配置過濾器120，以去除任何結(jié)團(tuán)的顆粒，它們會偶然混入氣流中。通過讓氣流在充電區(qū)的下游以預(yù)定速率，穿過有預(yù)定直徑基本相互平行的收集管，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)100的收集區(qū)106中的層流，以達(dá)到小于2000的雷諾數(shù)。雷諾數(shù)是一個(gè)由下式表示的無量綱的因數(shù)Re=DVU]]>其中D是管道直徑，V是平均速率，U是流體的動粘滯性。
要實(shí)現(xiàn)層流，必須要滿足Re＜2,000。所以，知道氣流平均速率和其粘滯性就可以選擇管道的直徑，使之滿足上述關(guān)系。
如圖3所示，收集區(qū)106由許多收集通道116組成，這些收集通道分別由管狀收集組件118構(gòu)成。在此具體實(shí)施例中，每個(gè)管狀組件118都有一個(gè)圓形的橫截面，但其他形狀只要能得到層流都可被采用。如圖4所示的另一實(shí)施例中，收集區(qū)106″包括許多收集通道116″，它們被布置在豎直的外殼105″內(nèi)。每個(gè)收集空間116″都由一個(gè)多邊形管狀收集組件118″構(gòu)成，以形成蜂窩狀的收集區(qū)結(jié)構(gòu)106″。
現(xiàn)參見圖2，其中表示了靜電除塵系統(tǒng)100′。如第一實(shí)施例中所示，微粒源10的出口被耦連到管道12，該管道將管道氣體和夾雜的微粒送到除塵器入口108′。管道氣體和夾雜的微粒先流過充電區(qū)104′，再流過層流除塵器102′的豎直外殼部分105′。豎直放置的外殼105′包納著用于除去夾雜在管道氣體中的微粒的收集區(qū)106′。沒有夾雜微粒的氣體從出口110通過管道122′流到煙囪14的入口16，以從中輸送到外界環(huán)境中。收集區(qū)106′包括許多平行的通道，如圖1實(shí)施例所示的，并且可選擇地連接一個(gè)使流體循環(huán)通過收集區(qū)的系統(tǒng)，以便從氣流中帶走要被去除的微粒。諸如水這樣的流體通過入口101′進(jìn)入除塵器102′的垂直部分105′，并流過如圖3或圖4所示的那些內(nèi)含的多個(gè)平行收集通道?；煊形⒘５乃皇占铰┒?12′內(nèi)，并通過管道114流到泵130處。泵130通過管道132將水排到過濾器140，在過濾器中把微粒從水中除去。然后清潔的水可再次循環(huán)，流過管道142返回注入口101′，或者作為廢水從管道141排出。其中，過濾后的水在通過廢水管141，而不再次循環(huán)的情況下，管道142應(yīng)耦接到新鮮水源上，以對入口101′連續(xù)地供水。如圖1實(shí)施例所示，除塵器102′可以是一個(gè)干式系統(tǒng)。作為干式系統(tǒng)，除塵器102′僅僅在充電區(qū)104′的取向方面不同于除塵器102，該充電區(qū)104′有一個(gè)水平流體通道。
如圖5所示，充電區(qū)104可以由一組平行電板126，128組成，兩者分別耦連到高壓電源150的參考電壓輸出線152和負(fù)電壓輸出線154上。電源150可以表示多個(gè)耦連到除塵器102，102′不同區(qū)段上的不同供電電源。參考電壓輸出線152連到接地端156，從而使加到輸出線154上的高電位與接地參考電位相比為負(fù)壓，從而使各電極126，128之間通過的微粒帶上適量的負(fù)電。如下文將要討論的，充電區(qū)104的其他結(jié)構(gòu)可以用層流除塵器102，102′中的。如前所述，收集區(qū)106由許多小的管狀收集組件118組成，每個(gè)組件有1至3英寸，最好為1.5至20英寸的直徑或橫向尺寸。每個(gè)管狀組件118限定一個(gè)相應(yīng)的讓氣體與充電微粒通過的收集通道116。每個(gè)管狀組件118由導(dǎo)體材料形成，并電連接到電源150的參考電壓輸出線152a上，該輸出線通過連到接地端面具有接地電位。由于導(dǎo)電的收集管與參考電位耦連，而且充電的微粒所充的是負(fù)電，所以微粒被吸到管118的內(nèi)壁表面。非放電電極125在每個(gè)收集通道116內(nèi)同心地延伸。每個(gè)電極125可以有預(yù)定直徑的圓柱形狀，且每一個(gè)都與電壓輸出線154a電連接。電極125可以是導(dǎo)線電極，或其他棒狀組件形式的，沒有可能會導(dǎo)致高電場密度的尖角或尖棱。電極125的直徑和其上所加電壓選擇成，在不產(chǎn)生火花或電暈放電的情況下每個(gè)空隙116內(nèi)有最大的電場。在收集區(qū)106用作結(jié)團(tuán)器的場合下，這一點(diǎn)尤為重要，它可通過區(qū)段106的層流在氣體流速2.0至7.0英尺/秒范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)參見圖6，其中表示了兩級層流除塵器的另一種結(jié)構(gòu)。圖6表示出了許多收集通道之一中的一個(gè)電極構(gòu)成，其中充電區(qū)104″與收集區(qū)106″是一體的，有一個(gè)公共電極118位于其間。柱狀電極128′與電源的負(fù)電壓輸出端154電連接。電極128′伸到收集通道116內(nèi)一段預(yù)定的距離，該電極與管件118保持同心地定位在通道116內(nèi)。管件118與電源輸出端線152電連接。電極128′伸入管件118內(nèi)的距離限定了充電區(qū)104″。電極118與128′間所加的電壓，兩者的間隔，及電極128′的直徑要進(jìn)行選擇，以在電極128′與管件118a的一部分之間產(chǎn)生電暈放電，來為氣流所夾帶的微粒充電。管件118的其余部分118b確定了收集區(qū)106″，充電的微粒被吸附到管件118下部118b的內(nèi)表面上。電極125同心地布置在通道116內(nèi)并與高壓輸出線154a電連接。電極125為圓柱形并提供一個(gè)作用在穿過通道116內(nèi)并與的帶電微粒上的強(qiáng)靜電場，而不降低電暈放電。
在圖7的實(shí)施例中，電極128″與負(fù)電壓輸出線154相連，并同心地伸入到管件118限定的通道116內(nèi)。電極128″的上部127比其下部129的直徑要小，因此指向充電區(qū)104″的參考電極部分118a的電力線是匯集的。電極128″的上部127其尺寸是要在所加電壓值的條件下減少管電極部分118a與電極部分127間的電暈放電。為了增大帶電微粒與收集電極部分118b之間的電場，負(fù)電極128″被設(shè)計(jì)成伸入收集區(qū)106″內(nèi)一個(gè)預(yù)定的距離。但是，如前所做的討論，電暈放電要產(chǎn)生湍流，它將會抑制層流通過收集區(qū)。因此，電極128″下部129的尺寸不同于其上部127的尺寸，應(yīng)該是增大129部分的表面積，以使電力線密度相對于上部127有所減少，防止出現(xiàn)電暈放電，和提高帶電微粒與管件部分118b間的電場。在此結(jié)構(gòu)中，管件118與參考電壓輸出線152(地線)電連接，以提高層流除塵器的充電區(qū)的參考電極118a和收集區(qū)的收集電極118b。
在圖8所示的實(shí)施例中，參考電極進(jìn)一步包括一個(gè)覆在管件118內(nèi)表面上的導(dǎo)電流體層168。于是，圖1和2實(shí)施例的收集區(qū)106，106′的每個(gè)管件118上端都有流體供給歧管160，以將導(dǎo)電流體分布到管件118的內(nèi)表面上。盡管可以使用任何一種導(dǎo)電流體，包括流化微粒如金屬粉末，但是用在這里最為經(jīng)濟(jì)的流體是水。示出的流體供給岐管160僅僅是一個(gè)例子，許多其他裝置也可以用來把流體分布到管件的內(nèi)表面上，只要不偏離本文所公開的發(fā)明構(gòu)思。水流入入口162，流遍整個(gè)環(huán)狀通道166，進(jìn)而向下流過環(huán)形孔165，而且流過通道的出口164到達(dá)其他岐管處。從環(huán)形孔165流出的水流遍管件118的內(nèi)表面。向下流過每個(gè)管件內(nèi)表面的水形成一個(gè)有參考電壓電位的導(dǎo)體膜168，從而將帶電微粒吸在其上，同時(shí)一起流過收集區(qū)106″。水膜168有兩個(gè)作用(1)水帶走吸附的微粒并防止再次進(jìn)入氣流中，(2)用作一個(gè)移動電極，以幫助形成氣流的層流。通過將氣體與水膜168向下引導(dǎo)，兩者可以按基本相同的近似為每秒5英尺的速率移動，以使兩者間的凈相對運(yùn)動為零。當(dāng)氣體與電極之間沒有相對運(yùn)動時(shí)，阻力被消除了，且因而獲得層流。
參見圖9，其中表示了本發(fā)明另一實(shí)施例的系統(tǒng)框圖。層流靜電除塵系統(tǒng)200被設(shè)置水平放置的外殼或管網(wǎng)205內(nèi)，其中氣體所攜帶的微粒經(jīng)過一端沿箭頭202所示的方向進(jìn)入，并水平流過其中而從相反的一端沿箭頭222所示的方向流出，成為清潔的氣體。靜電系統(tǒng)200包括一個(gè)能在其中產(chǎn)生電暈放電并對氣流中夾雜的微粒充電的充電區(qū)210。在流過充電區(qū)210之后，氣體和帶電微粒穿過結(jié)團(tuán)器區(qū)215，該區(qū)有許多無電暈放電且間隔很近的通道，在其中氣體實(shí)現(xiàn)層流或近似層流地通過其間。帶電微粒在結(jié)團(tuán)器區(qū)215中被吸附到側(cè)壁表面，并被收集于其上，與其他微粒結(jié)團(tuán)，成為隨后將要在收集區(qū)220中除去的較大的結(jié)團(tuán)顆粒而再次夾雜到氣體中。收集區(qū)220可以構(gòu)筑成前述的收集結(jié)構(gòu)，或者是傳統(tǒng)靜電除塵器的形式，或是織物型過濾器。
系統(tǒng)200可以在現(xiàn)有傳統(tǒng)的靜電除塵器中做改型，其中至少原除塵器的一部分構(gòu)成了系統(tǒng)200的充電區(qū)210。系統(tǒng)200的結(jié)團(tuán)區(qū)215用于暫時(shí)收集微粒并與充電區(qū)210的結(jié)構(gòu)很相似，但交錯(cuò)的電極將更為靠近且沒有放電電極或兩相鄰電極之間的其他物質(zhì)。結(jié)團(tuán)器區(qū)215可以由彼此靠近的平行平板構(gòu)成，電極相隔小于4″且適宜在2″量級。充電區(qū)和結(jié)團(tuán)區(qū)都應(yīng)該足夠的長，以使氣體滯留時(shí)間在0.5到2.0秒的范圍內(nèi)，優(yōu)選的滯留時(shí)間約為1.0秒。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)而參考圖10，充電與結(jié)團(tuán)器區(qū)的結(jié)構(gòu)可以看得更為清楚。布置在水平放置的管網(wǎng)205中的充電區(qū)210，由許多交錯(cuò)電極212和214構(gòu)成，它們與電源150相反的輸出線電連接。電極212與電源輸出線152電連接，即與接地參考點(diǎn)156連接。高電壓輸出線154可以提供負(fù)的直流高壓，負(fù)的脈動電壓，或其組合。輸出電壓線154與152之間的電壓幅值高到在不減小其間隔的情況下，可減少電極212與214之間的電暈放電。每個(gè)電極214都可以包括許多個(gè)連接在其上的電暈放電電極點(diǎn)216，以促使充電區(qū)210中產(chǎn)生電暈放電。結(jié)團(tuán)器區(qū)215包括許極電極218和219，它們分別與電源150a的電源輸出線152a和154a相連。每個(gè)電極板218，219相互都很靠近，如前所述，它們不產(chǎn)生包括結(jié)構(gòu)所致在內(nèi)的任何形式的電暈。電源150a的工作電壓與電源150的不同，它提供足夠高的電壓，以吸附氣體所帶的微粒并使之結(jié)團(tuán)，而不產(chǎn)生任何電暈放電。電源150a的輸出線154a，以連接著接地參考點(diǎn)156且與電源150輸出線152相連的輸出線152a為參考。氣體通過結(jié)團(tuán)器215而被再摻入團(tuán)粒后，流向收集區(qū)220，它可以是一個(gè)分離的和不同的除塵器或過濾器。按圖10所示的布置，系統(tǒng)200可以是用傳統(tǒng)的水平流動平行板靜電除塵器進(jìn)行改型處理的結(jié)果，它得益于氣體層流通過結(jié)團(tuán)器215，或?qū)恿魍ㄟ^結(jié)團(tuán)器215與收集器220。
盡管本發(fā)明已結(jié)合其實(shí)施例和具體構(gòu)造得到說明，但本發(fā)明適用于各種改型而不僅是前文所述的那些，只要沒有背離本發(fā)明的構(gòu)思或范圍。例如，等同的元件可以代換那些已具體示出和說明過的元件，某些特征可以與其他特征相互獨(dú)立的存在，且在某些情況下，元件的特殊位置可以顛倒或穿插，權(quán)利要求書所限定的全部內(nèi)容均未背離本發(fā)明的構(gòu)思或者范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用層流除去夾雜在氣流中亞微米量級微粒的靜電除塵系統(tǒng)，包括一個(gè)與管風(fēng)道有流體交換關(guān)系的外殼；一個(gè)電源，它具有提供參考電位的第一輸出端，和至少一個(gè)提供與所述參考電壓極性相反的電位的第二輸出端；一個(gè)為分布在外殼內(nèi)微粒進(jìn)行靜電充電并且與有氣流流過其中的管風(fēng)道保持流體交換耦連關(guān)系的裝置，所述充電裝置與所述電源的第一和第二輸出端相連接，以將預(yù)定極性的電荷賦予氣流所攜帶的微粒；以及設(shè)置在所述充電裝置下游用于收集所述帶電微粒的裝置，所述的收集裝置使流過其中的氣流形成層流，所述的收集裝置與所述第一電源相連接，以建立一個(gè)靜電場來吸附帶電微粒，所述的帶電微粒包括亞微米級的微粒。
2.如權(quán)利要求1所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中所述的收集裝置包括許多彼此平行放置的縱向延伸的管件，以使通過其中的氣流形成層流，所述管件的每一個(gè)都是導(dǎo)電的并與所述電源相連接。
3.如權(quán)利要求2所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中每個(gè)所述的管件都有一個(gè)圓形橫截面。
4.如權(quán)利要求2所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中每個(gè)所述的管件都有一個(gè)多邊形橫截面。
5.如權(quán)利要求2所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中所述的充電裝置包括許多圓柱形電極，它們與所述電源的第二輸出端相連接，每個(gè)所述的圓柱形電極至少部分地放置在各個(gè)所述管件上游的預(yù)定部分內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中每個(gè)所述的圓柱形電極有一個(gè)第一直徑部分和一個(gè)第二直徑部分，所述的第一直徑部分放置在各管件所述的上游預(yù)定部分內(nèi)，并有一個(gè)預(yù)定的并能在其內(nèi)產(chǎn)生電暈放電的直徑，所述的第二直徑部分放置在所述管件的至少一個(gè)剩余部分內(nèi)，并有一個(gè)能抑制形成電暈放電同時(shí)增大所述管件內(nèi)電場的預(yù)定直徑。
7.如權(quán)利要求1所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中所述的外殼是豎直取向的，并在其上端有一個(gè)入口，而相反的下端有一個(gè)出口。
8.如權(quán)利要求7所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中所述外殼的出口與一個(gè)過濾器相耦連，以便除去通過其間的氣流中的結(jié)團(tuán)顆粒。
9.如權(quán)利要求1所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中進(jìn)一步包括一個(gè)介于所述充電裝置與所述收集裝置之間的結(jié)團(tuán)器，而且電源與所述結(jié)團(tuán)器相連接。
10.如權(quán)利要求9所述的靜電除塵系統(tǒng)，其中所述的結(jié)團(tuán)器包括許多基本平行相隔放置且縱向伸展的平板電極，以使通過其間的氣流基本形成層流。
全文摘要
一種靜電除塵系統(tǒng)100，為了更好地除去亞微米級的微粒而使夾雜微粒的氣體實(shí)現(xiàn)層流。該系統(tǒng)包括一個(gè)外殼105，氣體通過其間流到出口110。氣體可以是煙氣流，它經(jīng)過入口108進(jìn)入層流除塵器102，以穿過充電區(qū)104。氣流與帶電微粒再流向收集區(qū)106。收集起來的微粒緊接著被收入漏斗112中，或作為可由第二過濾器120除去的結(jié)團(tuán)再混入氣流中，之后氣流被送至煙囪14，無微粒的氣體從該煙囪排放到大氣中。
文檔編號B03C3/06GK1147981SQ9611325
公開日1997年4月23日 申請日期1996年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月7日
發(fā)明者保羅·L·費(fèi)爾德曼, 克里希納斯瓦米·S·庫馬爾 申請人:環(huán)境要素有限公司