CN1345258A - 带电液滴的气体洗涤设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种气体洗涤设备和方法,采用高度带电液滴(22)从被净化气体同时去除颗粒和污染气体,具有从液体薄片(20)边缘(24)喷射液滴(22)的扩散液体薄片电极(20),它与导电感应电极(28)交替设置。

Description

带电液滴的气体洗涤设备和方法
                        发明背景
本发明涉及了净化气体的设备和方法,更确切地说,是通过引入被净化气体的带电液滴的作用,从被净化空气或其它气体中同时去除颗粒污染物和污染气体。
已有无数的工业作业,以及用于公用电厂的发电作业,其中利用了大量空气或其它气体,并被污染物高度污染,污染物分成两大类:固态和液态颗粒,以及如毒性或酸性气体的污染气体。例如,在煤动力发电设备中煤的燃烧将大量产生这两类污染物。
显然,有着强烈和不断的需求来开发改进的设备和方法,在把已处理空气重新引入大气之前,采用改进的去除污染物效率从受污染空气中同时去除这两类污染物;并且依靠更实用、可靠和费用合理的装置来达到这一点。
如在申请人的信息发布资料所提供的各个专利中表明,已经知道在现有气体净化技术中采用了一种方法来从被净化气体中去除颗粒,其中把含有颗粒的气体通过适当的静电充电设备来首先使颗粒带静电,然后把具有与带电颗粒极性相反电荷的无数带电液滴引入被净化气体中。在这种方法中,通过带有相反电荷的液滴和颗粒之间的静电吸引作用,即单极-单极吸引力来进行关于颗粒的气体净化过程,单极-单极吸引力反比于液滴-颗粒分开距离的平方和正比于两个电荷值的积,这个力拉出颗粒来受到液滴吸引。然后用现有技术熟知的过程从空气流中取出液滴。
在上述各专利中还表明,在现有技术中也知道通过引入液滴用于从空气流中去除污染气体,当它们的分子与液滴表面接触时,采用了液滴吸附毒性或酸性气体的过程,接着采用了常规方法从空气流中去除液滴和已收集的污染气体。
希望提供一种设备和方法容许从被净化气体流中去除不带电的颗粒,因为这可以避免预先对颗粒充静电的任何需求。本发明把带着足够高电荷和具有足够数量密度的液滴引入被净化气体而达到了这一点,依靠单极-偶极的相互作用,而不是常规方法所用的带电液滴和带电颗粒之间的单极-单极相互作用,来达到即使是不带电颗粒的高的颗粒收集效率。
在本发明中,每个高度带电液滴在附近每个不带电颗粒中感应了一个电偶极矩。已经知道,在电单极和附近感应的电偶极之间有一个吸引力。因此在本发明中,由单极-偶极力把颗粒吸到带电液滴上,而不是采用常规方法在设备中作用的单极-单极力。因为颗粒不带电,液滴收集颗粒不会改变液滴的电荷大小,从而不会降低液滴的偶极矩感应能力大小。
如在以下的详细描述,与常规设备中作用的单极-单极力相比较,偶极-单极力的大小对于液滴-颗粒分开距离有着显著不同和更敏感的关系,对于液滴带电大小也有着更敏感的关系。
因此,本发明必须满足相关的要求,在被净化气体中提供适当数量密度的适当带电液滴,以便利用单极-偶极力来产生高的颗粒净化效率。
另外,对这个发明还需要能够达到从被净化气体中去除污染气体的足够效率,在被净化气体中,提供适当的液滴数量密度和足够的液滴表面积,以提供足够的单位体积液滴表面积,容许所需的液滴吸附污染气体作用。如以下的详细描述,本发明采用通过液滴和颗粒之间单极-偶极力作用而适于达到高颗粒收集效率的相同液滴也满足了这个要求。
希望这个发明在液滴和被净化气体相互作用时,能够保持液滴电荷大小不变,从而在这个相互作用期间,保持每个液滴的颗粒收集能力,而不是如果液滴电荷被消耗而发生该能力被耗尽的情形。
另外,对这个发明有一个相关的要求,它能够达到所需的液滴带电程度而不采用极高电压,在静电除尘器中往往需要高压,如60kV量级的电压,因为这种高压易于在被净化气体中引起电晕放电,它会消耗液滴的电荷,以及产生其它不良影响,包括可能会干扰对液滴适当充电的空间充电效应。
通过在液滴产生和充电处采用电极的几何形状,本发明的设备满足了这个要求,包括从液体薄片边缘喷射液滴的扩散液体薄片电极,它与金属感应电极交替设置,在感应电极阵和液体薄片阵之间的静电势不大于20kV,并且相隔空间使得在液体薄片边缘可以保持适当高的电场强度,容许对从液体薄片喷射的液滴进行适当充电,而不发生电晕放电。
如在以下的进一步详细描述,本发明满足的其它要求包括(但不限于):容许在一个净化室中同时进行颗粒和污染气体的洗涤过程;除了输送被净化气体通过净化室的鼓风机或其它装置的功率以外,不需要很大的功率;以及容许以低的液体-气体流比值来达到这些结果。
                      发明概述
本发明是一种气体洗涤设备和方法,采用带电液滴从被净化气体中同时去除颗粒和污染气体;容许依靠在带电液滴和由带电液滴在不带电颗粒中感应的电偶极之间的单极-偶极吸引力来洗涤不带电颗粒;以及容许采用相反电荷极性的带电液滴来增强对预先带电颗粒的洗涤;在一个实施例中,上述设备在液滴产生和充电处具有电极的几何形状,包括了产生平行扩散导电液体薄片的装置,构成从液体薄片边缘喷射液滴的电极,它与平行于上述液体薄片电极的导电感应电极交替设置,在感应电极阵和液体薄片阵之间的静电势不大于20kV,并且相隔空间使得在液体薄片边缘可以保持适当高的电场强度,容许对从液体薄片喷射的液滴进行适当充电,而不发生电晕放电,电晕放电可能消耗液滴电荷或干扰产生为适当液滴充电所需的电场强度;上述方法包括的步骤为:产生适当数量、适当尺寸和适当电荷状态的带电液滴;以及把上述带电液滴和被净化气体完全混合;如以下的详细描述,这里由被净化气体中所含颗粒和毒性或酸性气体所希望的收集效率来确定适当的液滴数量、尺寸和电荷状态;上述发明容许在一个净化室中同时进行颗粒和污染气体的洗涤过程;除了输送被净化气体通过净化室的鼓风机或其它装置的功率以外,不需要很大的功率;以及容许以低的液体-气体流比值来达到这些结果。
                      附图简述
在一切用于说明本发明一个优选实施例的附图中:
图1是正视图。
图2是喷嘴组件的平面视图。
图3是表示两个喷嘴和相邻感应电极的放大侧视图,被喷射的扩散液体薄片分裂成为液滴。
图4是从垂直于图3观察方向看的放大正视图,表示了两个喷嘴,喷射出分裂成为液滴的扩散液体薄片。
对于液体薄片边缘相对于上述感应电极的两种不同的相对构形,图5(a)和5(b)定性地说明了在靠近其边缘的一个液体薄片和两个相邻感应电极之间延伸的两种电场线形式。为了简化,图中仅表示了一组喷嘴和一对感应电极。
                    优选实施例描述
现在参照附图,其中相同的编号表示了相同或相应的零部件,本发明优选实施例设备的主要部件装在一个垂直净化室10内,其中由一个在图中未表示的风扇或其它外部驱动力使被净化气体垂直向下流动,主要部件有一个喷嘴组件12,它包括至少一个和通常为多个的平行水平管14,每个管具有一系列喷嘴18,每个喷嘴18喷射出导电液体的垂直向下运动的扩散液体薄片电极20,如图4中最好地表示,上述每个液体薄片电极20从其边缘24沿着基本向下的方向喷射出大量的液滴22,在边缘24上液体薄片充分发散而分裂成单个液滴22;主要部件还有一个平行的垂直平面感应电极28的阵26,上述感应电极28位于管14之下并与管14和液体薄片电极20平行,上述感应电极28等间隔地位于上述液体薄片电极20的平面之间,喷嘴组件12和阵26的相对位置使得液体薄片电极20的边缘24靠近水平面30或在其之下,水平面30与感应电极28的每个上边缘32相交。
为了对感应电极28提供高电压,依靠通过电绝缘套管36延伸到净化室10之外的电连接器34,把感应电极28的阵26与在图中未表示的常规高电压源连接,在净化室10内绝缘套管36的表面部分保持温度比被净化气体露点温度高5℃左右,绝缘套管36用保护层38包围,以保护绝缘套管36免受被净化气体中颗粒的污染。依靠装在保护层38内的电加热器(图中未表示),或者采用喷入保护层38内的干燥温热的洁净气体来进行绝缘套管36所需的加热。采用在绝缘套管36表面上的电阻釉层可以提供电加热,使电流通过釉层流动。加热绝缘套管36高于露点温度5℃左右的目的是防止液体凝结在绝缘套管36表面上,凝结会使电连接器34上带着的高压短路。
空心管14通过供液管40与导电液体的压力源连通,最好是和泵42驱动的再循环液体连通,如以下进一步的详细描述,来提供压力导电液体的连续供应,用于维持液体薄片电极20和连续产生从液体薄片电极20边缘24喷射的液滴22。
对离开液体薄片电极20边缘24的液滴22充电的装置由高电场强度来提供,电场存在于边缘24附近,由密集的电场线产生,电场线靠近边缘24在感应电极28和液体薄片电极20之间延伸,如图5(a)和5(b)所示。在从液体薄片电极20边缘24喷射期间,液滴22暴露在这个高电场强度中。申请者的数值计算指出,如果边缘24位于相邻感应电极28之间区域的上半部分,则将得到边缘24附近的最大、最优的电场强度。连续喷射带电液滴22所需的电流从喷嘴组件12流经液体薄片电极20,喷嘴组件12和净化室10均接地。
在带电液滴22收集了颗粒和污染气体之后(这个过程在以下详细讨论),然后采用常规的冲击分离器44和/或常规的雾气净化器46把液滴22从被净化气体的气流中取出。然后把分离器44和/或雾气净化器46收集的液体收集在一个贮槽48中,然后通过过滤器50过滤,此后依靠泵42的作用通过供液管40把上述液体返回到喷嘴组件12,泵42具有可控的输出压力,从而容许控制流到喷嘴组件12的液体压力。
             优选实施例的功能装置概述
在优选实施例中,贮槽48、泵42以及供液管40一起构成了一个压力液体装置,它是在可控液体压力下提供压力液体的来源。
一个与上述压力液体装置连接的液滴产生装置,用于喷射大量的液滴22,它由喷嘴18的喷嘴组件12和从喷嘴18喷射的液体薄片电极20提供,液体薄片电极20在液体薄片电极20的边缘24上喷射大量的液滴22。
一个与上述液滴产生装置连通的液滴充电装置,它由以下各部分的组合提供;被连接器34连接到感应电极28阵26上的高电压源(图中未表示)、液体薄片电极20和感应电极28的相关构形、以及在喷射液滴22的液体薄片电极20边缘24上存在的最终高电场强度。
一个作用在液滴22上的喷射装置,用于把液滴22喷射到被净化气体中,它由以下各部分的组合提供;压力液体装置、液滴产生装置、以及液滴产生装置存在于被净化气体的气流中,造成了以较大速度把液滴22喷射到被净化气体的气流中。
一个与上述被净化气体和喷射到上述气体中的上述液滴22连通的液滴取出装置,用于在上述液滴和上述气体相互作用之后从上述被净化气体中取出上述液滴,以及用于把包含在上述液滴中的液体收集一起,它由以下各部分的组合提供;常规的冲击分离器44和/或常规的雾气净化器46、以及从上述液滴22收集上述液体的贮槽48。
在讨论本发明的适当工作参数之前,考虑相关的物理意义是有益的
                  某些相关的物理背景
虽然已经成功地试验了一个原型件,但申请者还不能精确计算或测量出在按本发明工作来净化空气或其它气体期间发生的过程的所有物理变量,尽管如此,对于有关去除颗粒的单极/偶极的相互作用,以及对于用液滴洗涤来去除毒性或酸性气体,至少已经一般地知道了许多相关的物理意义。考虑这些物理意义是有益的,因为它关系到本发明适当工作参数和条件的选择。
本发明利用了单极/偶极吸引力,把气体中即使不带电的颗粒吸到引入气体中的带电液滴上,带电液滴的单极电场在不带电颗粒中感应了一个偶极。每个带电液滴22具有一个单极电场,电场随着液滴电荷离液滴距离的平方而变化,在液滴附近的污染颗粒中感应了一个电偶极矩,对于给定的液滴电荷和距离,偶极矩的大小由颗粒的几何形状和介电常数所确定。虽然在均匀电场中一个电偶极矩上的纯力为零(因为均匀电场对构成偶极的相等而相反电荷施加相等而相反的力),但易于看到,对于在颗粒附近由带电液滴22电单极感应的颗粒电偶极矩上的力并非如此。液滴22的电单极场在颗粒偶极矩上施加了一个吸引力,因为由于颗粒的厚度,以及单极电场强度变化与离开单极液滴22距离的平方成反比,因此在单极电荷和偶极的相反极性感应电荷(颗粒面对着液滴的一侧)之间的吸引力大小稍大于在单极和相同极性感应电荷(在颗粒的另一侧)之间的排斥力。
易于证明,在一个带电液滴22和一个具有电偶极矩(由带电液滴22上的单极电荷所感应)的不带电颗粒之间的吸引力正比于液滴电荷的平方,并且反比于液滴22中心和颗粒之间距离的五次方,假设距离比颗粒尺寸大得多。参见A.D.Moor,静电学及其应用(J.Wiley&Sons,N.Y.1973),348页上14.2.7节的方程(11)。实际上从第一原理易于看到这个关系,因为:(1)对于给定的颗粒介电常数和几何尺寸,颗粒偶极矩为某个常数乘以颗粒位置上的单极电场值,电场正比于单极(液滴)电荷和反比于单极/偶极距离的平方;(2)因此颗粒偶极矩,以及在对着和背着液滴22的颗粒两侧上感应的每个相反电荷的相应值,随着液滴电荷沿分开距离的平方而变化;(3)在液滴和颗粒之间的纯吸引力大小是由液滴施加在相反极性电荷(在颗粒面对着液滴的一侧上所感应)上的吸引力与液滴施加在相同极性电荷(在颗粒背对着液滴的一侧上所感应)上的排斥力之间的差值,由于离开液滴的距离稍大,即由于颗粒的厚度,排斥力稍为小于另一个吸引力;以及(4)取这些力的差值并假设液滴/颗粒分开距离比颗粒厚度大得多,简单的代数证明了纯吸引力随着液滴电荷的平方而变化,以及随着分开距离的五次方作相反的变化。
因为单极/偶极力正比于单极(液滴)电荷的平方,反比于单极-偶极距离(液滴-颗粒距离)的五次方,可以预计到收集效率大大地取决于平均液滴所带电荷值以及带电液滴和被净化气体的密切混合程度。如以下进一步的详细描述,本发明把液滴能够带的最大电荷(有时称为Rayleigh极限)的主要份额给了液滴,上述最大电荷是液滴尺寸和用于形成液滴22的液体表面张力的函数。给出Rayleigh电荷极限为
QR=[16π(4πε)(σr3)]1/2其中σ是液体的表面张力和r是液滴半径;以及(4πε)是具有1/(9.0×109)值的常数,此时所有参数为MKS单位,即QR单位为库仑,σ单位为牛/米,以及r单位为米。
申请人的计算机仿真计算指出,为了提供每个液滴的颗粒收集效率约为0.1,在液滴上应该感应到的所需电荷Q约为0.2QR。
对于给定的液滴电荷,随着液滴尺寸的减小,现有的平均单极/偶极力增加。
例如,考虑在边缘24产生的一个液滴,具有半径R0和带有电荷Q0。当这个液滴通过气体时,在其路线中大量颗粒在离开液滴表面非常接近的距离内。如果这个距离相对于R0很小,则把颗粒拉向液滴的力F0正比于Q02,反比于R05
现在,如果相同的液滴开始汽化,将保持它的初始电荷Q0,但其半径将变得小于R0。让我们假设液滴汽化直到其半径为1/2R0。则这些在离液滴很小距离内的颗粒将受到向着液滴的力32F0。
关于可放在液滴上的初始电荷Q0的最大值:对于在边缘24上给定的电场强度,留在液滴上的电荷正比于液滴初生时的表面积。所以,只要电荷不超过Rayleigh极限,液滴尺寸愈大,将在初生时带着更大的电荷Q0。
以上讨论支持了采用较大初始尺寸的液滴,以便具有高的液滴电荷,通过单极/偶极相互作用来达到最大的颗粒收集效率。
当被净化气体具有高的温度和低的相对湿度时,采用具有较大初始尺寸、因而具有较高电荷的液滴将使本发明设备特别有效。通常,这种气体首先通过一个“速冷”室,其中在使气体通过空气污染控制设备之前,采用喷水来润温和冷却气体。当热气体通过本发明设备时,设备不仅速冷,而且由于在速冷过程中液滴的部分汽化而提高了设备的颗粒收集效率。因此当作为单个设备来同时速冷并且也去除颗粒和毒性气体时,设备更加有效。
另一方面,本发明还设法使液滴吸附污染气体,即吸附毒性和酸性气体。使被净化气体单位体积的液滴表面积最大,似乎可以促进这个过程。由于每个液滴的体积随着液滴半径的立方变化,而每个液滴的表面积随其半径的平方变化,喷射液体单位体积的有效收集表面积随着液滴半径作相反变化;为了液滴吸附污染程度最大化,上述讨论支持采用较小的液滴。
综合以上这些讨论暗示了,为了同时达到可接受的气体吸附效率值,以及所希望的高的颗粒收集效率值,可能有一个最佳的液滴尺寸范围。
为了理解有关液滴22收集颗粒的过程,必须考虑位于液滴22和颗粒之间的被净化气体影响,它大大降低了可达到的颗粒收集效率:考虑一个给定截面积的液滴22,以相对于被净化气体的初始速度喷射到上述气体中,在从气体取出之前,液滴在气体中相对于气体通过一段给定运行长度。考虑一个开始位于液滴前面的给定颗粒,它在液滴运行长度内并且靠近液滴的运动轴线,即在液滴通过气体时将扫过的体积内,也就是通过液滴运行长度时液滴截面积扫过的体积,这个体积可以称为液滴扫掠体积。易于看到,由于被净化气体的影响,开始位于这个体积内的大多数颗粒将不被液滴扫过。当液滴接近一个给定的这种颗粒时,运动的液滴在气体中产生一个在液滴前面运动的弓形波,弓形波的作用是使颗粒更加离开液滴的运动轴线,从而当液滴通过颗粒的初始位置时,使得颗粒以及其附近的气体一起绕着液滴表面流动。因此,在现有技术中已经熟知,如果液滴不带电,将仅收集到开始位于液滴扫掠体积内颗粒的千分之一到万分之一。例如,参见J.H.Seinfeld和S.N.Pandis大气化学和物理(J.Wiley & Sons,Inc.,1998)的1020页,(关于亚微颗粒“收集效率的半经验关系”的曲线)。但是,如以下的详细描述,采用申请者的本发明优选实施例,每个液滴可以达到高得多的颗粒收集效率。
如果液滴保持不变的电荷(收集不带电颗粒当然不会影响它),当液滴在气体中时,通过单极/偶极相互作用的液滴-颗粒收集过程的效率可以保持不变。因此,这有利于本发明在低到足以避免电晕放电(它可能引起液滴电荷的丢失)的电压下进行工作,同时还在液滴产生处提供足够高的电场强度,以达到适当的液滴充电。
尽管对于通过单极/偶极力过程的收集,颗粒不需要带电,但如果颗粒在暴露于本发明设备之前已经带电,则采用与颗粒极性相反的带电液滴来产生液滴和颗粒之间的附加静电吸引力,可以提高收集效率。然而,带相反电荷颗粒的吸附当然会减少液滴的电荷,从而减少在液滴和其它颗粒之间的单极/偶极力的分量,以及减少单极/偶极相互作用造成的以后颗粒收集。但是,在以下将看到,对于本发明的优选工作参数,这个影响很小。
当然,对于通过单极/偶极力相互作用完成颗粒收集以及洗涤毒性和酸性气体的液滴22,液滴22必须与被净化气体密切接触。当液滴22把从喷嘴18喷射速度得到的初始动量迅速转移到被净化气体时这将被达到,由于有粘性阻力,减慢到相对速度小于1米/秒左右。
                      适当的工作参数
采用以下工作参数,申请人对优选实施例原型的试验已经得到了90%或更高的颗粒收集效率,这里被净化气体是大气压和室温下的空气,并且在一种情形下,添加了20ppm的约0.05微米直径的氯化氨颗粒,此时得到了大于90%的颗粒去除效率,在另一种情形下,添加了亚微尺寸的悬浮硫化颗粒,此时颗粒去除效率超过99%。
1.作用到感应电极28上的高电压通常为约-17kV,范围从-10kV到-20kV;
2.每个感应电极28和最靠近的液体薄片电极20之间的间隔为1″(在各相邻液体薄片电极20之间为2″,液体薄片电极20在各感应电极28之间均匀地隔开);但是,由于在边缘24上电场线的集中,如图5(a)和5(b)所示,可以认为液体薄片电极20边缘24附近的最大电场强度超过了由以上电压和间隔数据预示出的17kV/英寸平均电场强度,根据申请者的数值计算至少为10倍。
3.用于形成液滴22的导电液体(自来水)的液体流率,对于1,000CFM(每分钟立方英尺)的被净化气体流率约为17加仑/分钟,在上述试验中的气体是空气,并具有上述的添加物;
4.根据制造厂家对所用喷嘴的数据,在任何汽化之后,液滴22的直径范围为从25到250微米,申请人的试验指出,140微米是最佳的尺寸,它也是给出适当吸附毒性或酸性气体作用的足够小的尺寸,申请者的测量指出吸附效率为90%或更高;
5.液体流动压力约为45psi,喷嘴18为Bete牌NF02580型的喷嘴;
6.相对于气体,液滴22通过被净化气体的平均距离约为1米;
7.采用上述参数可以得到非常满意的工作而不发生任何电晕放电;
8.采用上述工作参数,申请人的计算指出,液滴22具有约1千万个基本电荷单位的平均电荷,基本电荷单位为一个电子的电荷值,即1.6×10-19库仑,这非常适于产生单极-偶极力的相互作用,达到不带电颗粒的高颗粒收集效率;根据申请者的数值计算,每个带电液滴22收集了约百分之十的开始在其路线上的颗粒,也就是说,收集了在等于液滴截面积乘以它通过气体距离的体积(以上称为“液滴扫掠体积”)中颗粒的百分之十,每个液滴的收集效率远高于如上面讨论的不带电液滴的效率。
至少部分地由于这样事实:在液体薄片电极20边缘24的一点上能够充分发展任何液体表面不稳定而使上述表面电极成为一个开始电晕放电的聚焦电极之前,这部分液体已经分裂成了从液体薄片电极20边缘24连续喷射的液滴22,因此可以认为,在上述条件下能够实现本发明而没有电晕放电,这是以上阐明的理由所希望的。
申请人已经导出了一个简单的换算关系,对不同于以上规定的条件,容许计算总颗粒去除效率。如果Ω表示在颗粒收集时液滴相互独立地作用情形下的总颗粒去除效率,即极低效率情形下的收集效率:
Ω=(每个液滴的有效扫掠体积)×(液滴数目)/(净化室中的气体体积)因此对稳态条件,
Ω=(每个液滴的有效扫掠体积)×(液滴产生率)/(通过净化室的气体体积流率)
设E表示每个液滴的收集效率,定义为收集液滴路线中所有颗粒的液滴截面积的分数值,根据在上述物理背景一节中已经讨论的理由,它比1小得多,对于不带电液滴,E约为万分之一,对于采用单极-偶极力颗粒收集过程的申请者的带电液滴,如上所述E约为0.1设Vg表示流经净化室10的气体体积流率,Vl为液体体积流率。设r表示液滴22的平均半径,则显然
Vl=(4/3)πr3×(液滴产生率),或者
(液滴产生率)=Vl/[(4/3)πr3]如果L表示液滴通过气体的平均运行长度,则对于相当于气体的液滴运动,根据定义E,
每个液滴有效扫掠的体积=L×πr2×E得到
Ω=(3/4)×(Vl/Vg)×(L/r)× E或者,根据液滴直径d=2r,对低效率情形表示总的颗粒收集效率公式为
Ω=1.5×(Vl/Vg)×(L/d)×E
但是,Ω仅是如果液滴相互独立地作用时的收集效率,它仅对极小收集效率情形是近似正确的。如果收集效率不小,由一个给定液滴收集的颗粒数目将由于先前液滴的颗粒收集而降低。可以证明,对于不小的收集效率情形,设备的总颗粒收集效率Γ实际为
Γ=1-e无量纲效率Γ和无量纲参数Ω的某些相应值为:
        Ω            Γ(%)
        1             63
        2             86
        3             95
        4             98
        5             99
        7             99.9
        10            99.995因此,采用上述关系式,对于每个液滴收集效率的给定值E,可易于计算出Vl,Vg,L和d的适当组合,来产生一个希望的总颗粒收集效率Γ。
关于收集毒性或酸性气体的收集效率换算,申请者还没有完成对每个液滴的毒性或酸性气体收集效率Eg的计算机仿真。但是,一个粗略的Eg估计为
Eg=SD/SR这里SD为毒性或酸性气体的扩散速度,以及SR为液滴相对于气体的速度。SR值可以用D/δ来代表,其中D为气体的扩散系数,δ为在液滴表面上气体的边界层厚度。参见W.C.Hinds悬浮物质技术,JohnWiley & Sons,1982的147页。
在毒性或酸性气体的这些参数典型值和140微米直径液滴下,Eg值大于1。因此对于高度带电的140微米液滴,对毒性或酸性气体的单个液滴收集效率Eg比颗粒收集效率大10倍左右。
每个液滴的毒性或酸性收集效率Eg与每个液滴的颗粒收集效率E相当。因此采用Eg替代上面给出的Ω公式中的E,并采用在上面给出的Γ公式中确定的Ω,可以求出设备的总毒性或酸性气体收集效率。
参照以下权利要求,以上给出的换算方式容许一般熟悉本技术的人员制造和运用本发明,从而对颗粒,也对毒性或酸性气体污染物,得到希望的有用收集效率,收集效率超过60%,并且通常比它大得多,在许多情形下超过99%,包括了选择所有工作参数的适当组合,在权利要求中提出的整个工作参数范围中得到这样的效率。
               优选实施例的可能变化
熟悉本技术的人员可以理解到,本发明可以应用于与以上公布的具体方式不同的构形,而不会偏离本发明的精神实质。
例如,但不是限制的情况,尽管由于采用了单极-偶极力的效应,在优选实施例中颗粒不需要为了收集而带电,但当然可以应用本发明于包含带电颗粒的被净化气体中,此时作用在感应电极28上的电压应该具有相同的极性,对液滴22提供了与颗粒相反的极性。在这种系统中,在带相反电荷的颗粒和液滴22之间的单极-单极吸引力会补充单极-偶极吸引力。虽然收集带相反电荷的颗粒会减少液滴22的电荷,从而减少以后液滴22与其它颗粒相互作用的单极-偶极力的强度,但因为在上述本发明的工作条件下,液滴电荷的量级为千万个基本电荷,对于在常规颗粒充电设备中仅给出最多约10个基本电荷的典型颗粒电荷来说,影响是非常小的。
虽然优选实施例是适于被净化气体向下流动工作的形式,当然可以在同样工作过程下,把本发明构成为用于水平流动的被净化气体,净化室也水平放置。
虽然优选实施例沿着平行于被净化气体的气流方向喷射液滴22,也可以采用本发明于其它构形,例如气体流动方向与液滴22的喷射方向相反。例如,在采用图示的设备中,可以使被净化气体向上而不是向下流动。但是,申请者认为,如果气体流动速度足以使液滴22运行方向逆转,则液滴22喷射方向与气体流动方向相反的构形比不上优选实施例。这种构形会使液滴22通过感应电极28阵26和喷嘴组件12返回。这种构形会由于在阵26和喷嘴12上的碰撞而造成液滴22的丢失,并且液滴22上的电荷会降低液体薄片电极20边缘24上的电场强度,由此减少了从液体薄片电极20边缘24上接着喷射的液滴22的电荷。
可以把本发明构成与被净化气体气流成一个其它角度来喷射液滴22,例如垂直于气流来喷射液滴22。
在液滴22已经收集了颗粒和/或毒性或酸性气体之后,本发明不一定需要采用优选实施例的特定装置来从被净化气体气流中取出液滴22。相反可以采用在现有技术中熟知的液滴取出装置,例如用带电液滴22的静电除尘器,或者离心去除设备来取出液滴22。
虽然优选实施例在通过过滤器50净化液体之后从液滴22收集和再循环液体,当然,如果用于产生液滴22的水或其它液体的保存不是问题时,不一定需要再循环液体;为喷嘴18传送液体的供液管40可以直接连接到一个新鲜液体源,以及在任何所需的废料处理之后,可以把从液滴22(它从被净化气体中取出)中收集的液体作为废物排出。
对于大量液滴22的产生,本发明的应用不需要限于采用优选实施例的特定装置;相反可以采用其它装置来产生扩散的液体薄片电极20,例如产生两个碰撞液体流的设备,或者其它产生扩散液体薄片的单孔喷嘴,通常称为“V-喷射”或“叶片”喷嘴。
虽然在优选实施例原型的试验中申请者采用了直流电压,可以采用其它波形的电压来应用本发明。
尽管优选实施例采用了一个单喷嘴组件12和一个感应电极28的单阵26,当然可以在被净化气体气流的不同位置上,如在图1的不同高度上,采用具有多对这种组件/阵的本发明方式来得到甚至更高的污染收集效率。
虽然在申请人的优选实施例原型的试验中采用了自来水,本发明的应用不限制采用产生带电液滴22的任何特定液体,只要上述液体具有容许液滴22适当充电的足够电导率。液体应该具有至少为50微西门子/厘米的电导率。本发明的范围由以下权利要求所确定,也包括了适用于权利要求的相当原理所含的一切主题。

Claims (31)

1.同时从被净化气体去除颗粒污染物和气体污染物的设备,上述被净化气体已经沿着确定的气流和气体流动方向流动进入上述设备,上述气体流动方向定义了作为平行于上述气体流动方向的上述气流中的顺流方向,以及定义了作为与上述气体流动方向相反的上述气流中的逆流方向,上述设备包括:
(a)一个压力液体装置,为一个在可控液体压力下提供压力液体源;
(b)一个与上述压力液体装置连接的液滴产生装置,用于喷射上述液体的大量液滴;
(c)一个与上述液滴产生装置连通的液滴充电装置,用于对上述液滴充电到一个平均电荷,它至少是上述液体的上述液滴能够承载的最大电荷的一个相当大部分;
(d)一个作用在上述液滴上的喷射装置,用于把上述液滴喷射到上述被净化气体中,并且按照上述液滴相对于上述被净化气体通过一段运行长度的运动,使上述液滴运行通过上述被净化气体,由此把上述液滴与上述被净化气体密切混合;以及
(e)一个与上述被净化气体和喷射到上述气体中的上述液滴连通的液滴取出装置,用于在上述液滴与上述气体相互作用之后从上述被净化气体中取出上述液滴,以及用于把含在上述液滴中的液体收集一起。
其中上述压力液体装置、上述液滴产生装置、上述液滴充电装置、以及上述喷射装置均被构造和工作来提供上述液滴,液滴具有在上述被净化气体中上述液滴的尺寸、电荷、液滴产生率和运行长度的组合,从而对上述颗粒污染物以一个希望的颗粒去除效率来去除上述污染物,并且还以一个希望的气体污染物去除效率来去除上述气体污染物。
2.如权利要求1的设备,用于包含带电颗粒的被净化气体,带电颗粒在进入上述设备之前具有颗粒电荷极性,其中上述液滴充电装置产生了具有与上述颗粒电荷极性相反的电荷极性的液滴。
3.如权利要求1的设备,其中上述气体流动方向是垂直的。
4.如权利要求3的设备,其中上述气体流动方向是垂直向下。
5.如权利要求1的设备,其中上述气体流动方向是水平的。
6.如权利要求1的设备,其中上述液滴产生装置和上述喷射装置使上述液滴沿着上述顺流方向喷射到上述被净化气体中。
7.如权利要求1的设备,其中上述液滴产生装置和上述喷射装置使上述液滴沿着上述逆流方向喷射到上述被净化气体中。
8.如权利要求1的设备,其中上述液滴取出装置包括一个常规的冲击分离器。
9.如权利要求1的设备,其中上述液滴取出装置还包括一个常规的雾气净化器。
10.如权利要求1的设备,其中上述液滴取出装置包括一个静电除尘器。
11.如权利要求1的设备,还包括一个与上述液滴取出装置和上述压力液体装置连接的再循环装置,用于再循环回到上述压力液体装置,由上述液滴取出装置从上述液滴收集上述液体。
12.如权利要求11的设备,其中上述再循环装置包括一条流动线,它包含一个泵和一个用于过滤上述液体的过滤装置。
13.如权利要求1的设备,其中上述液滴具有范围从25微米到250微米的直径。
14.如权利要求13的设备,其中上述液滴具有基本上等于140微米的直径。
15.如权利要求13的设备,其中上述液滴喷射到上述被净化气体中,具有范围从0.1到2.0乘以千万个基本电荷单位的平均电荷值。
16.如权利要求1的设备,其中上述液滴产生装置包括一个装置,用于产生许多导电液体的平行扩散液体薄片电极,每个具有一个平行于上述气体流动方向的主流动方向,上述薄片具有喷射上述液滴的边缘,以及其中上述液滴充电装置与上述液滴产生装置在静电上连通。
17.如权利要求16的设备,其中上述液滴充电装置与上述扩散液体薄片电极相结合,包括了许多平行于上述气体流动方向的平行感应电极,以及与上述感应电极连接的高电压装置,用于在上述感应电极和上述扩散液体薄片电极之间建立高电压。
18.如权利要求17的设备,其中上述每个扩散液体薄片电极和上述感应电极位于至少基本上等间隔的平行平面上,上述每个扩散液体薄片电极的平面至少在相邻感应电极平面之间基本上等间隔,以及其中上述感应电极至少大部分处于从上述扩散液体薄片电极边缘的顺流位置,但其中上述每个扩散液体薄片电极的上述边缘至少基本上位于上述相邻感应电极之间。
19.如权利要求18的设备,其中上述感应电极和上述扩散液体薄片电极之间的上述电压范围从10kV到20kV,其中相邻感应电极和扩散液体薄片电极平面之间的间隔基本上等于1英寸;以及其中上述液体进入上述液滴产生装置的流动速率范围对于1000CFM的上述被净化气体流动速率为10到30每分钟加仑;其中上述压力液体装置提供了压力范围为30psi到100psi的上述液体;其中上述液滴具有范围从25到150微米的平均直径,具有范围从0.1到2.0乘以千万个基本电荷单位的平均电荷值;其中上述液滴相对于上述气体的上述运行长度至少为0.5米。
20.如权利要求18的设备,其中在上述感应电极和上述扩散液体薄片电极之间的上述电压基本上等于17kV,其中在相邻感应电极和扩散液体薄片电极平面之间的间隔基本上等于1英寸。
21.如权利要求18的设备,其中进入上述液滴产生装置的流动速率对于1000CFM的上述被净化气体流动速率,基本上为每分钟17加仑。
22.如权利要求18的设备,其中上述液滴具有基本上等于140微米的平均直径。
23.如权利要求18的设备,其中上述液滴具有基本上等于千万个基本电荷单位的平均电荷值。
24.如权利要求18的设备,其中相对于上述气体的上述液滴运行长度至少为0.5米。
25.如权利要求18的设备,其中在上述感应电极和上述扩散液体薄片电极之间的上述电压基本上等于17kV,其中在相邻感应电极和扩散液体薄片电极平面之间的间隔基本上等于1英寸;其中进入上述液滴产生装置的流动速率对于1000CFM的上述被净化气体流动速率,基本上为每分钟17加仑;其中上述液滴具有基本上等于140微米的平均直径;其中上述液滴具有基本上等于千万个基本电荷单位的平均电荷值;其中相对于上述气体的上述液滴运行长度至少为0.5米。
26.从被净化气体同时去除颗粒污染物和气体污染物的方法,上述被净化气体在应用上述方法之前已经沿着确定的气流和气体流动方向流动,上述气体流动方向定义了作为平行于上述气体流动方向的上述气流中的顺流方向,以及定义了作为与上述气体流动方向相反的上述气流中的逆流方向,上述方法包括如下步骤:
(a)产生大量液滴;
(b)把上述液滴充电到一个平均电荷,它至少是上述液体的上述液滴能够承载的最大电荷的一个相当大部分;
(c)把上述带电液滴喷射到上述被净化气体的上述气流中,按照上述液滴相对于上述被净化气体通过一段运行长度的运动,使上述液滴运行通过上述被净化气体,由此把上述液滴与上述被净化气体密切混合;以及
(d)在上述液滴与上述被净化气体相互作用之后从上述被净化气体取出上述液滴;
上述方法在上述被净化气体中提供了具有上述液滴尺寸、电荷、液滴产生率和运行长度组合的上述液滴,从而对上述颗粒污染物以一个希望的颗粒去除效率来去除上述污染物,并且还以一个希望的气体污染物去除效率来去除上述气体污染物。
27.如权利要求26的方法,其中上述液滴具有范围从25微米到250微米的直径,并且具有范围从0.1到2.0乘以千万基本电荷单位的平均电荷值。
28.如权利要求1的设备,其中上述颗粒去除效率至少为90%。
29.如权利要求1的设备,其中上述颗粒去除效率至少为99%。
30.如权利要求1的设备,其中上述气体污染物去除效率至少为90%。
31.如权利要求1的设备,其中上述气体污染物去除效率至少为99%。
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