專(zhuān)利名稱(chēng)：改進(jìn)的顆粒物質(zhì)控制設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顆粒材料的收集，并且特別地，本發(fā)明涉及用于收集夾帶于氣流中的顆粒的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
僅通過(guò)過(guò)濾控制細(xì)粒取決于使用三種可能的機(jī)制碰撞、截取或擴(kuò)散，捕獲顆粒，已知的用于亞微大小粒子的主要的收集機(jī)制是截取和擴(kuò)散。可設(shè)計(jì)并制造具有小孔徑大小的過(guò)濾器，使得以高效率收集亞微粒子。但是，當(dāng)顆粒收集在過(guò)濾器表面上時(shí)，這種過(guò)濾器對(duì)于流動(dòng)通過(guò)其中的氣體顯示顯著的壓降并伴隨背壓的快速增加?？蛇x地，可通過(guò)采用增加的孔徑大小獲得過(guò)濾器上壓降的降低，但是，這種更大孔徑大小的過(guò)濾器的收集效率是不可接受的。因此，孔徑大小、對(duì)于低壓降的需要與收集效率之間的平衡是對(duì)于依靠初級(jí)過(guò)濾收集機(jī)制的所有過(guò)濾器的理論限制。在克服上述限制的努力中，靜電機(jī)制已經(jīng)被開(kāi)發(fā)以將顆粒驅(qū)動(dòng)至收集表面，而不堵塞過(guò)濾器孔開(kāi)口。但是，常規(guī)的靜電收集器已經(jīng)受到顆粒必須行進(jìn)以到達(dá)接地表面(grounded surface)的長(zhǎng)距離限制。因此,可適用于高溫方法的將高顆粒收集效率、低過(guò)濾器壓降和再生可能結(jié)合的顆粒收集設(shè)備和方法是期望的。發(fā)明概述本發(fā)明公開(kāi)了具有與多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜結(jié)合的靜電沉降器的收集設(shè)備，任選地，多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜和靜電沉降器二者可被封裝為緊湊型單元。靜電沉降可用于預(yù)收集顆粒物質(zhì)并且將顆粒物質(zhì)驅(qū)動(dòng)至過(guò)濾膜表面?？刹捎妙A(yù)收集以有效地限制傳導(dǎo)性過(guò)濾膜上的壓降并隨著時(shí)間收集濾餅。傳導(dǎo)性過(guò)濾膜也可用作接地收集板并且作為多孔介質(zhì)過(guò)濾器在功能上加倍，從而限制固體和煙霧狀顆粒物質(zhì)的通過(guò)，同時(shí)允許氣流以低壓降穿過(guò)收集設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施方式中，顆粒物質(zhì)控制方法包括載有顆粒物質(zhì)的氣體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)高電壓電極。電極(一個(gè)或多個(gè))可具有非常尖的末端，當(dāng)以正極性或負(fù)極性的高電壓電源供電時(shí)，其可形成在流動(dòng)經(jīng)過(guò)電極(一個(gè)或多個(gè))的顆粒上引起電荷的局部等離子區(qū)。其后，可通過(guò)由電極產(chǎn)生的靜電場(chǎng)將帶電荷的顆粒驅(qū)動(dòng)至電接地的表面。電接地的表面可以是預(yù)收集表面、過(guò)濾單元外殼、過(guò)濾膜等。另外，過(guò)濾膜可包括具有平均直徑(mean diameter)可在大約I至1000微米范圍內(nèi)的孔的薄傳導(dǎo)膜。因此,薄傳導(dǎo)膜可擔(dān)當(dāng)過(guò)濾器，因?yàn)榭鬃柚诡w粒物質(zhì)滲透或通過(guò)膜。以此方式，提供高過(guò)濾速度，同時(shí)維持過(guò)濾膜上的低壓降和高收集效率。在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明公開(kāi)了用于從氣流中收集和去除包括細(xì)粒物質(zhì)的顆粒物質(zhì)的設(shè)備和方法。該設(shè)備和方法提供了高收集效率、過(guò)濾器上的超低壓降和優(yōu)異清潔能力的結(jié)合。在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明公開(kāi)了利用同時(shí)的靜電沉降和膜過(guò)濾的設(shè)備和方法，其中靜電收集和過(guò)濾在薄傳導(dǎo)膜的同一表面上進(jìn)行。該設(shè)備和方法可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的清潔或再生機(jī)制，從而將設(shè)備的性能返回至暴露前的最初狀態(tài)。與先前可得的設(shè)備和方法相比，設(shè)備的再生可提供提高的清潔水平，因?yàn)槎嗫讉鲗?dǎo)性過(guò)濾器的本質(zhì)采用純表面過(guò)濾，并且因此，通常沒(méi)有深度過(guò)濾發(fā)生，并因此沒(méi)有固有的堵塞存在。除了上述之外，因?yàn)檫^(guò)濾器由金屬材料制造，所以該設(shè)備和方法可在小于負(fù)10° F(-12° C)至大約2000° F(1093° C)的溫度下操作，從而使得至少一個(gè)實(shí)施方式遠(yuǎn) 不及其它可用的技術(shù)易受熱限制?？稍谶_(dá)到最大濾餅負(fù)荷之后通過(guò)以下方法再生設(shè)備1)空氣的高壓反向脈沖，其驅(qū)動(dòng)積聚的濾餅離開(kāi)過(guò)濾膜表面；2)熱方法，例如施加高電流至傳導(dǎo)性過(guò)濾膜，從而將過(guò)濾器介質(zhì)加熱至收集的材料被熱破壞、分解等的溫度；3)催化氧化方法，其將碳?xì)浠衔锖推渌衔镛D(zhuǎn)化為氣體形式；4)機(jī)械作用，其包括從過(guò)濾膜表面刷掉或刮掉濾餅；和5)它們的結(jié)合。該設(shè)備和方法可進(jìn)一步包括多個(gè)具有各種組成、孔徑大小、形狀、幾何形狀等的膜收集表面。例如并且僅用于例證性的目的，本發(fā)明的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小可在所有階段中是不同的、類(lèi)似的或在連續(xù)階段中是越來(lái)越小的。同樣地，可以以各種構(gòu)造、以不同間距等布置高電壓放電電極和膜表面。附圖簡(jiǎn)述圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的示意性正視圖；圖2是圖I中顯示的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的示意性俯視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的示意性俯視圖；圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式的收集效率對(duì)電流的圖；圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式的收集效率對(duì)顆粒直徑的圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的俯視圖；圖7是圖6中顯示的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的側(cè)視圖；圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式的收集顆粒濃度對(duì)顆粒直徑的圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的顆粒質(zhì)量濃度對(duì)測(cè)試操作時(shí)間的圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的過(guò)濾器阻力的圖；圖IlA是現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)制的示意性圖解；和圖IlB是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的過(guò)濾機(jī)制的示意性圖解。本發(fā)明詳述術(shù)語(yǔ)為了方便，本文中術(shù)語(yǔ)“LoP過(guò)濾器”可用于指本公開(kāi)的設(shè)備和方法。從而意指本發(fā)明的非限制性。如本領(lǐng)域慣例可交換地使用術(shù)語(yǔ)“背壓”和“壓降”?！案倪M(jìn)混合顆粒收集器”(或AHPC)指在例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，938，818和6，544，317中公開(kāi)的能源與環(huán)境研究中心(EERC)的技術(shù)，兩篇專(zhuān)利通過(guò)引用以其整體并入本文。以一個(gè)參數(shù)量化壓降和速度的術(shù)語(yǔ)被稱(chēng)為“阻力”，其簡(jiǎn)單地是過(guò)濾器上的壓降除以過(guò)濾器流速，即通過(guò)過(guò)濾器的氣流的速度。顆粒收集本發(fā)明提供具有與過(guò)濾器結(jié)合的靜電沉降器的收集設(shè)備。因此，本發(fā)明具有作為過(guò)濾器的效用。在一些情況中，與過(guò)濾器結(jié)合的靜電沉降器以緊湊型單元封裝。靜電沉降器可使用靜電沉降預(yù)收集顆粒物質(zhì)并將顆粒物質(zhì)驅(qū)動(dòng)至多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜表面。采用預(yù)收集以有效地限制傳導(dǎo)膜上的壓降并減少隨著時(shí)間收集或積聚的濾餅。多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜可用作接地收集板，并且還可作為多孔介質(zhì)過(guò)濾器在功能上加倍。以此方式，固體和煙霧狀的顆粒物質(zhì)通過(guò)過(guò)濾膜的通道被限制并且氣體仍可流動(dòng)通過(guò)其中。還提供了用于控制顆粒物質(zhì)的方法。該方法包括將進(jìn)入的載有顆粒的氣體經(jīng)過(guò)并
且接近具有正或負(fù)極性的高電壓電極。電極可具有尖的或尖銳的末端，當(dāng)以高電壓電源供電時(shí)，其可形成局部電暈區(qū)域，其中據(jù)此電暈區(qū)域被限定為從氣體高度離子化的每個(gè)電極末端的尖端(sharp point)發(fā)源的空間區(qū)域。另外，由電暈區(qū)域發(fā)出的離子可附著至流過(guò)電極的顆粒以形成帶電的顆粒，然后通過(guò)電極和接地表面之間產(chǎn)生的靜電場(chǎng)將帶電顆粒驅(qū)動(dòng)至電接地的表面。應(yīng)當(dāng)理解，電接地的表面可以是預(yù)收集表面、過(guò)濾單元外殼、過(guò)濾膜等。可由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何材料——例證性地包括細(xì)金屬網(wǎng)(fine
metallic mesh)等-制造多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜。過(guò)濾膜可具有I至1000微米之間預(yù)定平
均直徑的小孔。在一些情況中，孔可具有3至100微米之間的直徑。因此，在一些情況中，過(guò)濾膜可通過(guò)防止顆粒物質(zhì)滲透和/或通過(guò)其中而用作傳統(tǒng)過(guò)濾器。不被理論限制，將具有期望孔徑大小的多孔傳導(dǎo)膜放入電場(chǎng)內(nèi)提供了這樣的帶電顆粒一其不得不只在孔徑大小直徑的距離一半內(nèi)出現(xiàn)以到達(dá)收集區(qū)域，即孔的邊緣。帶電顆粒上的初始驅(qū)動(dòng)力是朝向接地金屬膜孔的邊緣的靜電沉降。換句話說(shuō)，電場(chǎng)線可引導(dǎo)帶電顆粒沉積在接地金屬膜孔的邊緣上，以使LoP過(guò)濾器不僅僅依靠橋接現(xiàn)象(bridgingphenomenon)用于高收集效率。但是，應(yīng)當(dāng)理解，可通過(guò)補(bǔ)充機(jī)制如截取、擴(kuò)散和碰撞協(xié)助顆粒的收集。與多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜結(jié)合的靜電沉降的使用可提供過(guò)濾膜上的低壓降和O. 0002至O. I英寸水/ft/min范圍內(nèi)的低過(guò)濾器阻力，如以下更詳細(xì)討論的。另外，由于對(duì)過(guò)濾器橋接效應(yīng)(bridging effect)的依賴(lài)，電場(chǎng)的存在可在清潔過(guò)程期間阻止瞬間的顆粒物質(zhì)發(fā)射尖峰(emission spike)，已經(jīng)在常規(guī)的織物過(guò)濾器顆?？刂蒲b置中觀察到這種發(fā)射尖峰。LoP過(guò)濾器因此，LoP過(guò)濾器可提供過(guò)濾器上的低壓降并且仍將氣體中的顆粒物質(zhì)降低至期望的低水平。應(yīng)當(dāng)理解，LoP過(guò)濾器和AHPC技術(shù)采用靜電收集和表面過(guò)濾；但是，LoP過(guò)濾器可提供比AHPC技術(shù)低得多的壓降。AHPC技術(shù)采用膜織物過(guò)濾器，而LoP過(guò)濾器利用具有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜，其以低壓降達(dá)到優(yōu)異過(guò)濾性能。LoP過(guò)濾器還可在比以前技術(shù)更低的壓降下以更高的過(guò)濾速度實(shí)現(xiàn)高水平的顆粒物質(zhì)控制。應(yīng)當(dāng)理解，顆粒收集裝置的低壓降是期望的，因?yàn)樾枰^少能量推動(dòng)氣流通過(guò)過(guò)濾器。在高流速下實(shí)現(xiàn)高水平的顆粒收集效率也是非常期望的，因?yàn)檩^高速度的過(guò)濾器需要較小的收集區(qū)域，其又使得過(guò)濾器更經(jīng)濟(jì)地制造并且更緊湊。在一些情況中，LoP過(guò)濾器通過(guò)采用具有適合大小和形狀的開(kāi)口膜結(jié)構(gòu)的多孔傳導(dǎo)過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)低阻力，以使‘潔凈過(guò)濾器’阻力充分低。另外，電場(chǎng)的存在使得帶電顆粒在孔開(kāi)口的邊緣結(jié)構(gòu)上首先收集，并且然后朝向高電壓電暈放電電極沿著電場(chǎng)力線(electriclines of force)收集或積累，而不是跨孔開(kāi)口橋接。比較而言，一旦灰塵在過(guò)濾器上收集，常規(guī)過(guò)濾器介質(zhì)就在孔開(kāi)口上形成顆粒的連續(xù)層，從而導(dǎo)致顯著的壓降，因?yàn)橥ㄟ^(guò)顆粒的連續(xù)層的流動(dòng)阻力比最初潔凈過(guò)濾器介質(zhì)的流動(dòng)阻力大得多。應(yīng)當(dāng)理解，如果在使孔開(kāi)口與顆粒橋接后過(guò)濾繼續(xù)，還可獲得LoP過(guò)濾器上的大壓降。但是，可在過(guò)濾膜孔開(kāi)口的完全橋接發(fā)生之前通過(guò)清潔LoP過(guò)濾器維持低阻力操作。施加的電場(chǎng)還可“實(shí)質(zhì)上”減小LoP過(guò)濾器的膜孔徑大小，以使膜比沒(méi)有施加電場(chǎng)的過(guò)濾器的常規(guī)操作能夠捕獲更細(xì)的顆粒。以此方式，與沒(méi)有電場(chǎng)的操作相比，可收集更多 并且更細(xì)/更小的顆粒，而不存在孔的橋接。因此，電場(chǎng)提供了允許以非常低阻力操作和達(dá)到非常高的顆粒收集效率的雙重益處。應(yīng)當(dāng)理解，顆粒必須行進(jìn)以到達(dá)接地表面的長(zhǎng)距離限制了常規(guī)靜電收集器。比較而言，LoP過(guò)濾器將具有大約I至1000微米平均直徑的孔徑大小的多孔傳導(dǎo)膜放入電場(chǎng)內(nèi)。因此，帶電顆粒行進(jìn)一半孔徑大小直徑的最大距離到達(dá)收集區(qū)域。因此，通過(guò)顯著減小帶電顆粒必須行進(jìn)至最近接地收集表面的距離，顯著提高了高的顆粒收集效率。有效孔徑大小LoP過(guò)濾器具有小于過(guò)濾器的實(shí)際物理孔徑大小的“有效孔徑大小”。為了本發(fā)明的目的，“有效孔徑大小”被定義為在靜電場(chǎng)的存在下實(shí)際的孔徑大小，其與沒(méi)有靜電場(chǎng)的情況下幾何學(xué)測(cè)量的孔徑大小具有相同的顆粒收集效率。應(yīng)當(dāng)理解，常規(guī)過(guò)濾器的孔徑大小影響顆粒捕獲效率，更小孔徑大小導(dǎo)致更高的顆粒收集。例如，一些PTFE過(guò)濾膜具有標(biāo)稱(chēng)O. 5微米孔徑大小以確保高效率的顆粒捕獲。但是，小的孔徑大小導(dǎo)致大的壓降，如上所述。比較而言，通過(guò)將靜電場(chǎng)施加至本發(fā)明的傳導(dǎo)膜介質(zhì)，與孔的實(shí)際物理尺寸相比，顯著地減小了顆?？赏ㄟ^(guò)的靜電增強(qiáng)的有效孔徑大小。除了相對(duì)小的有效孔徑大小以外，本文公開(kāi)的設(shè)備和方法可實(shí)現(xiàn)O. 0002至O. I英寸水/ft/min范圍的過(guò)濾器阻力。傳統(tǒng)的深度過(guò)濾將以參照?qǐng)DIlA示意性地圖解的方式捕獲顆粒。以幾乎隨機(jī)的模式截取單個(gè)顆粒，相對(duì)于過(guò)濾器表面以任何隨機(jī)的角度一個(gè)顆粒將其自身附著至另一個(gè)。當(dāng)足夠的顆粒附著以完全地橫越孔幾何形狀時(shí)，認(rèn)為孔被橋接。事實(shí)上，為了合適的顆粒收集效率，傳統(tǒng)的過(guò)濾器依靠這種橋接。一旦孔橋接開(kāi)始，過(guò)濾器介質(zhì)上的壓降幾乎指數(shù)地上升。比較而言，本文所述的至少一個(gè)實(shí)施方式中的方法和設(shè)備中利用的靜電機(jī)制使得顆粒以幾乎與過(guò)濾器表面正交的樹(shù)枝狀模式收集，如參照?qǐng)DIlB顯示的，從而大大減緩了完全孔橋接的過(guò)程。雖然傳統(tǒng)過(guò)濾器可在時(shí)間的98%橋接情況中操作，LoP過(guò)濾器避免完全的橋接情況以實(shí)現(xiàn)它預(yù)期的優(yōu)勢(shì)。換句話說(shuō)，LoP過(guò)濾器不依靠完全的橋接實(shí)現(xiàn)最佳的顆粒收集效率。事實(shí)上，它依靠完全橋接的缺乏以大大降低過(guò)濾器阻力并且最大化靜電勢(shì)。最后，收集的顆粒可使過(guò)濾膜中孔完全橋接，從而導(dǎo)致壓降快速增長(zhǎng)。為了阻止這個(gè)情況，某些實(shí)施方式可具有在存在壓降顯著增長(zhǎng)之前從發(fā)明的過(guò)濾器中去除積聚的顆粒的特征。通過(guò)說(shuō)明并且非限制性地，附聚的濾餅可通過(guò)反向的空氣噴射或空氣的高空氣壓力反沖(high-air-pressure back-pulse)從過(guò)濾器中去除。應(yīng)當(dāng)理解，用于去除積聚的顆粒的這種技術(shù)可需要灰塵收集儲(chǔ)器，其需要定期地清空。同樣地，包括但不限于搖動(dòng)、振動(dòng)、刷或刮的機(jī)械方法可用于去除積聚的顆粒。無(wú)論如何，表面過(guò)濾的性質(zhì)和Lo-P過(guò)濾器的開(kāi)孔通路提供可相對(duì)容易地清潔的過(guò)濾器。清潔LoP過(guò)濾器的第三種方法可包括通過(guò)采用氧化催化劑或通過(guò)熱分解“燒掉”收集材料。另外，可操作LoP過(guò)濾器，以使收集材料的“燒掉”是連續(xù)的并且在收集后立即氧化顆粒。應(yīng)當(dāng)理解，無(wú)機(jī)材料仍在膜表面上并且需要二次清潔機(jī)制。高收集效率、低壓降、適用于具有高溫和優(yōu)異再生可能的方法的結(jié)合提供了具有適用于各種方法的吸引人的顆粒物質(zhì)控制性能的過(guò)濾器。Lo-P過(guò)濾器還十分適于高溫應(yīng)用，因?yàn)樗唤?jīng)歷典型的袋濾室或標(biāo)準(zhǔn)ESP的限制，即由織物濾袋的使用溫度限制典型的袋濾室，大多數(shù)——如果不是所有——聚四氟乙烯(PTFE)型袋子限于大約500° F的使用溫度。玻璃纖維袋可以在稍微更高的溫度中使用，但是仍被限于大約650° F?？梢栽诜浅８叩臏囟葢?yīng)用中采用高溫、陶瓷燭式過(guò)濾器，但是，這種過(guò)濾器經(jīng)歷高得多的壓降，即使當(dāng)是潔凈和新的時(shí)候。因此，通過(guò)允許使用與織物、聚合物等相比可在高溫下操作的傳導(dǎo)性金 屬過(guò)濾膜，LoP過(guò)濾器克服了常規(guī)織物過(guò)濾器的局限?，F(xiàn)在參照?qǐng)DI和2，分別顯示了混合靜電沉降器/過(guò)濾膜的一個(gè)實(shí)施方式的示意性正視圖和示意性俯視圖，其中載有顆粒物質(zhì)的氣流I進(jìn)入顆?？刂蒲b置2。氣流分為多個(gè)氣流3，其可在多個(gè)靜電沉降器/過(guò)濾膜元件5之中流動(dòng)并且通過(guò)多個(gè)靜電沉降器/過(guò)濾膜元件5。在通過(guò)電暈產(chǎn)生放電電極4后，電荷被置于氣流中的顆粒上，并且隨后將顆粒攜帶或驅(qū)動(dòng)至電接地的過(guò)濾膜5的表面上。過(guò)濾膜5可由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何導(dǎo)電材料構(gòu)造，例證性地包括金屬、合金、碳復(fù)合材料、導(dǎo)電陶瓷等。膜過(guò)濾介質(zhì)期望地具有小的并且均一的孔徑大小。在一些情況中，超精度電鑄金屬篩材料被用作膜過(guò)濾介質(zhì)。小的孔徑大小和靜電驅(qū)動(dòng)的顆粒遷移的結(jié)合可起作用以將顆粒物質(zhì)保持在膜介質(zhì)的表面上，同時(shí)仍允許氣體以小的壓降流動(dòng)通過(guò)其中。通過(guò)過(guò)濾膜5之后，潔凈氣流可在集氣室7中被收集并被輸送至裝置2的出口 8。應(yīng)當(dāng)理解，板6可將載有顆粒的收集室12與集氣室7分開(kāi)。另外，固體導(dǎo)電傳輸線固定器(standoff)9可用于確保多孔膜介質(zhì)的整個(gè)長(zhǎng)度被由放電電極4產(chǎn)生的均勻靜電場(chǎng)覆蓋。在操作中，由于灰分在過(guò)濾膜元件5上以濾餅形式沉積，過(guò)濾膜元件5上的壓降可增加。因此，以令人滿意的濾餅去除機(jī)制一其包括反向氣體脈沖噴射、機(jī)械搖動(dòng)、聲振動(dòng)、機(jī)械刷除、機(jī)械刮擦、熱分解以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它機(jī)制——去除濾餅可能變得必要?？砂ń拥厥占?0以在濾餅去除過(guò)程之前、之中和之后再捕獲任何再夾帶的顆粒。收集板10還可用作預(yù)收集表面以增加所需清潔操作周期之間的時(shí)間?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，顯示了其中載有顆粒的氣流31可進(jìn)入混合靜電沉降器/膜過(guò)濾顆粒控制裝置32的分級(jí)收集設(shè)備和方法的一個(gè)實(shí)施方式。放電電極33可將電荷賦予在流過(guò)的顆粒上，并且在放電電極33和第一接地過(guò)濾膜34之間產(chǎn)生電場(chǎng)，其中帶電顆粒被驅(qū)向過(guò)濾器34。在過(guò)濾器34處，可留住最大的顆粒，同時(shí)允許氣流內(nèi)較小的顆粒通過(guò)到達(dá)下一階段。接下來(lái)的下游接地過(guò)濾膜35可具有大小比過(guò)濾器34中的孔更小的孔，并且因此過(guò)濾器35可收集允許通過(guò)過(guò)濾器34的顆粒。裝置32提供附加部分，每個(gè)部分包括具有連續(xù)更小孔徑大小的接地過(guò)濾膜35-37。在可選的方案中，附加部分可包括接地過(guò)濾膜35-37，其中的孔具有大致如過(guò)濾器34中的孔一樣大小，過(guò)濾器34和35可具有相同的孔徑大小，以及過(guò)濾器36和37可具有更小的孔徑大小，等等。因此，應(yīng)當(dāng)理解，許多不同的過(guò)濾器孔徑大小結(jié)構(gòu)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。進(jìn)一步理解，在最后的超細(xì)孔徑大小過(guò)濾膜37之后，潔凈氣流38可離開(kāi)顆?？刂蒲b置32?？赏ㄟ^(guò)較早描述的任何方式完成利用分級(jí)收集裝置32的濾餅去除。另外，使用分級(jí)方法的實(shí)施方式可通過(guò)有效地將氣流中的大部分顆粒物質(zhì)分開(kāi)在起過(guò)濾膜作用的多個(gè)收集表面之間，獲得增加的清潔之間的時(shí)間期間。濾餅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以比以前收集的濾餅更加多孔，從而降低每個(gè)元件上的總體壓降?？衫脭?shù)個(gè)匹配或適當(dāng)配置的電極幾何形狀產(chǎn)生均勻靜電場(chǎng)，電極間隔、預(yù)收集板間隔、過(guò)濾速度、設(shè)備外殼幾何形狀等也都在本發(fā)明的背景內(nèi)變化。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，發(fā)明的設(shè)備可具有室，其具有用于氣體流動(dòng)通過(guò)該室的入口和出口 ；置于室內(nèi)的至少一個(gè)具有策略性孔徑大小和結(jié)構(gòu)的多孔傳導(dǎo)性接地過(guò)濾器介 質(zhì)；至少一個(gè)過(guò)濾膜，其與室的出口流體連通，和至少一個(gè)高電壓放電電極，其置于所述至少一個(gè)過(guò)濾膜和室的入口之間并且與它們分開(kāi)。設(shè)備可進(jìn)一步具有一系列的擋板以在過(guò)濾膜和多個(gè)空氣噴嘴之中均勻分布?xì)饬?，從而使用反向流?dòng)氣體脈沖周期性地清潔至少一個(gè)過(guò)濾膜。另外，過(guò)濾器介質(zhì)的孔徑大小可在一系列的孔中變化。小規(guī)模試驗(yàn)小規(guī)模試驗(yàn)證實(shí)控制顆粒物質(zhì)排放至優(yōu)異水平的技術(shù)的潛能。進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)以評(píng)估孔徑大小、電輸入和顆粒大小對(duì)顆粒捕獲效率的作用(一個(gè)或多個(gè))。例如，圖4提供了通過(guò)小規(guī)模試驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，其顯示了并入一系列具有變化孔徑大小的接地金屬絲布樣品作為收集/過(guò)濾表面的點(diǎn)至面靜電沉降器的結(jié)果。如在該圖中顯示的，電流施加至點(diǎn)至面沉淀器提供了收集效率的劇烈增長(zhǎng)。附加小規(guī)模試驗(yàn)通過(guò)以具有密集孔徑大小分布和小孔的精密電鑄篩材料替代相對(duì)粗的金屬絲布關(guān)注于使用具有較小孔徑大小的傳導(dǎo)膜的益處。圖5提供了由該附加小規(guī)模試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，在寬范圍的顆粒大小上，甚至傳統(tǒng)上已知最難于在靜電沉降器中捕獲的相對(duì)小的顆粒大小(例如〈lOOnm)，觀察到高收集效率。這種小尺寸顆粒在傳統(tǒng)上已使用較前描述的PTFE過(guò)濾膜袋捕獲，但僅以相關(guān)的高壓降。中試規(guī)模試驗(yàn)以幾個(gè)硬件構(gòu)造，包括作為獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)操作的電極布置、網(wǎng)絲布置、網(wǎng)絲形狀、流動(dòng)方式和罐形狀，也進(jìn)行中試規(guī)模試驗(yàn)。以連接至測(cè)力計(jì)的現(xiàn)代5. 9升John Deere柴油機(jī)和如圖6和7中圖解的原型顆粒排放控制設(shè)備60進(jìn)行該測(cè)試。圖6提供了原型設(shè)備60的示意性俯視圖，圖7提供了原型設(shè)備60的示意性側(cè)視圖。原型60具有至過(guò)濾器外殼62的切向入口 61，以引起旋風(fēng)預(yù)收集。另外，包括了發(fā)明的高電壓放電電極63和由具有37微米大小開(kāi)孔的不銹鋼金屬絲布制作的圓筒形過(guò)濾器元件64。高電壓由固態(tài)外部電源供應(yīng)，并且以掃描電遷移率粒徑譜儀(scanning mobility particle sizer) (SMPS)和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(aerodynamic particle sizer) (APS)測(cè)量在原型60之前和之后的JohnDeere柴油機(jī)的排放。
表I提供了間隙或間隔放電電極63和過(guò)濾器元件64上施加和沒(méi)有施加電場(chǎng)的情況下對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為0、210和250的原型設(shè)備60的排放數(shù)據(jù)。另外，圖8提供了 26ft/min(7. 92m/min)的過(guò)濾速度的數(shù)據(jù)。表I
權(quán)利要求
1.從氣流中去除顆粒的方法，所述方法包括 提供具有孔的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜； 形成所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔上的靜電場(chǎng)； 使具有顆粒的氣流流動(dòng)通過(guò)所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔，施加的靜電場(chǎng)將所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小減小至有效孔徑大小，從而阻止至少部分所述顆粒通過(guò)所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜，并且以低過(guò)濾器阻力、高過(guò)濾速度或它們的結(jié)合從所述氣流中將其去除。
2.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜具有許多孔，所述許多孔具有I.O至1000微米范圍的孔直徑。
3.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述過(guò)濾器阻力在O.0002至O. I英寸水/ft/min之間。
4.權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)從所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜中去除至少部分所述顆粒再生所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中再生所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜通過(guò)選自相反空氣噴射的使用、顆粒的機(jī)械去除、顆粒的熱分解以及它們的結(jié)合的方法進(jìn)行。
6.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜具有催化劑，所述催化劑催化至少部分所述顆粒。
7.權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括提供具有多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的多個(gè)階段，所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜中的每一個(gè)具有許多孔。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中每個(gè)多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小大體上相同。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中在前多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的下游的每個(gè)連續(xù)的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小在大小上降低。
10.權(quán)利要求7所述的方法，其中在前多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的下游的每個(gè)連續(xù)的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小在大小上不同。
11.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述氣流具有10和2000°F之間的溫度。
12.權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括提供放電電極，其中通過(guò)將負(fù)極性的高電壓施加至所述放電電極和電接地所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜提供所述靜電場(chǎng)。
13.權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括提供放電電極，其中通過(guò)將正極性的高電壓施加至所述放電電極和電接地所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜提供所述靜電場(chǎng)。
14.權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括提供放電電極，其中通過(guò)在所述放電電極和所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜之間施加高壓電勢(shì)差提供所述靜電場(chǎng)。
15.用于從氣流中去除顆粒的整合的靜電收集和靜電增強(qiáng)過(guò)濾方法，所述方法包括 提供具有孔的多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜； 將靜電場(chǎng)施加至所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜并且同時(shí)形成所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔上的靜電場(chǎng)； 使具有顆粒的氣流流動(dòng)通過(guò)所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔，施加的靜電場(chǎng)將所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜的孔徑大小減小至有效孔徑大小，并防止至少部分所述顆粒通過(guò)所述傳導(dǎo)性過(guò)濾膜；和 在所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜上收集至少部分所述顆粒，并且從而以所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜上的低過(guò)濾器阻力和/或高過(guò)濾速度從所述氣流中去除部分所述顆粒。
16.用于從氣流中去除顆粒的設(shè)備，所述設(shè)備包括 具有入口和出口的室，所述室可操作以便氣流通過(guò)所述入口進(jìn)入并通過(guò)所述出口離開(kāi)； 多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜，其具有孔并且位于所述室內(nèi)以及與所述入口和所述開(kāi)口流體連通； 高電壓放電電極，其位于所述入口和所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜之間；和高電壓源，其可操作以在所述高電壓放電電極和所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜之間施加高電壓電勢(shì)差，并且通過(guò)靜電場(chǎng)形成減小的孔徑大小，防止至少部分所述顆粒通過(guò)所述孔。
17.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括位于所述室內(nèi)的多個(gè)多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜和多個(gè)擋板，所述擋板可操作以在所述多個(gè)多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜中大體上均勻分布所述氣流。
18.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜是具有均一孔徑大小的薄精密膜。
19.權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述均一孔徑大小具有I至1000微米之間的孔直徑。
20.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述多孔傳導(dǎo)性過(guò)濾膜具有許多孔，所述許多孔具有不同的孔徑大小。
全文摘要
用于從氣流中收集和去除包括細(xì)粒物質(zhì)的顆粒物質(zhì)的設(shè)備和方法，其包括高收集效率和過(guò)濾器上超低壓降的獨(dú)特結(jié)合。該設(shè)備和方法利用同時(shí)的靜電沉降和特定孔徑大小的膜過(guò)濾，其中靜電收集和過(guò)濾在同一表面上進(jìn)行。
文檔編號(hào)B03C3/34GK102811818SQ201180014499
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者S·J·米勒, Y·莊, J·C·艾姆麗 申請(qǐng)人:能源與環(huán)境研究中心基金會(huì)