Способ и устройство для агломерации частиц
Изобретение относится к области металлургии, в частности к агломерации частиц. Способ включает два варианта. В одном из вариантов частицы, содержащиеся в последовательных порциях потока газа, заряжают с противоположной полярностью, и поток газа вводят в камеру Эвазе для снижения его скорости. В другом варианте поток газа разделяют на субпотоки в соответственных параллельных проходах, и частицы в соседних проходах заряжают с противоположной полярностью. В устройстве для реализации способа дефлекторы, размещенные в области нижнего по направлению потока конца проходов, вызывают перемешивание субпотоков частиц противоположной полярности, что приводит к агломерации противоположно заряженных частиц. При использовании изобретения обеспечивается более эффективное удаление частиц пыли и других загрязняющих веществ при агломерации. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил.
Данное изобретение относится к способу и устройству для агломерации частиц. В частности, оно относится к электростатическим агломераторам, предназначенным для использования при контроле загрязненности воздуха.
Многие промышленные процессы приводят к выбросу в атмосферу небольших опасных частиц. Например, токсичные, переносимые по воздуху побочные продукты сгорания угля имеют тенденцию концентрироваться во фракцию выбросов, состоящую из небольших макрочастиц, что обусловлено наличием в угле тяжелых металлов и тяжелого органического вещества. Многие из содержащихся в следовых количествах металлов, таких как мышьяк, кадмий, никель, селен, а также их соединения испаряются при высоких температурах горения и либо образуют кристаллы с однородной структурой, либо накапливаются, главным образом, на небольших частицах зольной пыли по мере охлаждения дымовых газов. То же справедливо и для некоторых из опасных органических веществ, загрязняющих воздух.
Токсичные частицы, которые образуются при однородной кристаллизации, представляют собой очень мелкие частицы субмикронной величины. Так как эти мелкие частицы способны проникать в дыхательную систему человека, они представляют значительную опасность для здоровья людей. Указанная комбинация токсичности и легкости вдыхания вынуждает правительства по всему миру вводить в действие законы для более строгого контроля за выбросом частиц величиной менее десяти микрон в диаметре (РМ10) и в особенности частиц величиной менее 2,5 микрон (РМ2.5). Вероятно, правительственные нормативные акты, контролирующие выбросы макрочастиц, в будущем станут еще более строгими, особенно для небольших частиц, размер которых находится в микронном и субмикронном диапазонах, по мере того, как опасное воздействие подобных выбросов макрочастиц будет становиться все более широко известно.
Имеющие сравнительно небольшие размеры частицы, содержащиеся в атмосферных выбросах, кроме того, приводят к неблагоприятным визуальным эффектам, образующимся при загрязнении воздуха. Например, в установках по сжиганию угля непрозрачность воздуха вокруг дымовых труб определяется в значительной степени фракцией зольной пыли, состоящей из небольших макрочастиц, так как коэффициент поглощения света достигает максимума приблизительно в диапазоне длин световых волн от 0,1 до 1 микрона.
Важность контроля за содержанием небольших макрочастиц может быть оценена, если принимать в расчет количество частиц загрязняющего вещества, содержащихся в выбросе, а не массу загрязняющего вещества. В зольной пыли, образующейся при осуществлении типичного процесса сжигания угля, частицы загрязняющего вещества, имеющие размер менее 2 микрон, могут составлять всего лишь 7% от общей массы загрязняющего вещества, при этом составляя 97% от общего количества частиц. Способ, при котором удаляются все частицы размером более 2 микрон, может показаться эффективным, исходя из того, что при его выполнении удаляется 93% массы загрязняющего вещества, но при этом 97% частиц остаются, включая более легко вдыхаемые токсичные частицы.
Для удаления частиц пыли и других загрязняющих веществ из потоков воздуха используются различные способы. Хотя эти способы в общем случае пригодны для удаления из потоков воздуха более крупных частиц, обычно они гораздо менее эффективны при отфильтровывании меньших по величине частиц, в частности, частиц РМ2.5.
Известным является использование технологий агломерации частиц для объединения небольших частиц в более крупные, которые затем могут легче или эффективнее удаляться. Известные технологии агломерации включают (i) введение химикатов в потоки воздуха для усиления агломерации мелких частиц, (ii) использование фильтров с ламинарным течением для стимулирования поверхностной агломерации мелких частиц, (iii) акустическое возбуждение пылевых частиц, взвешенных в газе, для увеличения скоростей столкновения и, следовательно, скоростей агломерации, (iv) возбуждение заряженных пылевых частиц, взвешенных в газе, электрическим полем, создаваемым постоянным или переменным током, для усиления перемешивания и, следовательно, агломерации и (v) создание у частиц, содержащихся в потоке газа, зарядов противоположной полярности для электростатического притяжения.
Пример известной технологии поверхностной агломерации раскрыт в патенте США №5707428, а пример способа возбуждения полем переменного электрического тока описан в заявке на Европейский патент №0009857.
Реализация этих технологий в больших установках обычно является дорогостоящей, а применение способа введения химикатов приводит к возникновению других проблем, связанных со здоровьем. Кроме того, известные технологии не особенно эффективны в отношении мелких пылевых частиц.
Наиболее широко распространенной технологией агломерации является поверхностная агломерация. При использовании технологий поверхностной агломерации для удаления из потока газа частицы должны приводиться в контакт с собирающей поверхностью или телом. Крупные частицы, диаметром более приблизительно 10 микрон, относительно легко улавливаются при помощи инерционных механизмов, таких как соударение, удержание и центробежные силы. В электростатических фильтрах крупные частицы легче собираются, так как на них действуют большие по величине силы электрического взаимодействия, что обусловлено их способностью накапливать больший по величине заряд.
Однако по мере уменьшения размера частицы масса частицы уменьшается пропорционально кубу ее диаметра, и силы инерции действуют менее эффективно при накоплении частиц на собирающей поверхности. Кроме того, эти небольшие частицы несут меньший заряд и, следовательно, на них действуют меньшие по величине электростатические силы. Для частиц размером менее 0,1 микрона основным механизмом перемещения, зарядки и улавливания частиц обычно является диффузия. Однако на частицы с размерами в диапазоне от 0,1 до 2 микрон ни диффузионные и электростатические, ни инерционные механизмы не оказывают значительного влияния, и известные устройства, в которых используются эти механизмы, обычно характеризуются минимальной эффективностью сбора для этого диапазона размеров.
Эффективность диффузионного улавливания может быть повышена путем обеспечения большей площади поверхности и/или предоставления большего времени для прохождения диффузии, но при этом требуется значительно увеличить размеры оборудования. Большие по величине силы инерции могут быть получены путем увеличения относительной скорости перемещения частиц к собирающей поверхности, но это происходит за счет создания большего перепада давлений и увеличения мощности собирающего устройства, что приводит к значительному увеличению финансовых затрат. Следовательно, такие подходы ограничиваются экономическими соображениями.
Другие устройства сбора пыли, которые используются для контроля за выбросом мелких частиц, содержат влажные электростатические фильтры и мокрые пылеуловители. Использование этих устройств обычно требует наличия больших и дорогостоящих установок, что приводит к возникновению проблемы сброса загрязненных сточных вод. В качестве устройств сбора пыли также используются тканевые фильтры, но они не обеспечивают эффективного сбора мелких частиц, так как небольшие и в основном гладкие частицы имеют тенденцию просачиваться через ткани, применяемые в таких фильтрах.
Задачей данного изобретения является создание усовершенствованного способа и устройства для агломерации частиц.
В общем виде предлагается устройство для агломерации частиц, содержащихся в потоке газа, содержащее:
- генератор ионов, предназначенный для создания у частиц, содержащихся в потоке газа, электрических зарядов противоположной полярности; и
- конструкцию, размещенную по направлению потока ниже генератора ионов и предназначенную для изменения физических характеристик потока газа для перемешивания противоположно заряженных частиц и, таким образом, содействия агломерации частиц.
Кроме того, предлагается способ содействия агломерации небольших частиц, содержащихся в потоке газа, содержащий этапы:
- создания у частиц, содержащихся в потоке газа, электрических зарядов противоположной полярности; и
- изменения физических характеристик потока газа для перемешивания противоположно заряженных частиц и, таким образом, содействия агломерации частиц.
Хотя использование ионизаторов для создания зарядов у содержащихся в потоке газа частиц является известным, существующие технологии, главным образом, основаны на применении диффузии для сближения заряженных частиц так, чтобы начали действовать электростатические силы. Как упомянуто выше, эти технологии обычно оказываются не эффективными. Данное изобретение включает изменение физических характеристик потока газа для содействия перемешиванию противоположно заряженных частиц.
Данное изобретение может быть реализовано в коммерческом масштабе, так как в нем используется относительно простая пассивная конструкция, размещенная по направлению потока ниже ионизатора, для перемешивания противоположно заряженных частиц и, таким образом, содействия их агломерации.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения ионизатор переменного тока используется для создания зарядов противоположной полярности у частиц, содержащихся в последовательных порциях потока газа. Ионизатор переменного тока может содержать матрицу электродов, ориентированную в поперечном направлении относительно потока газа, на которую последовательно подаются импульсы напряжения переменной полярности. Матрица электродов может содержать ряд расположенных на расстоянии друг от друга удлиненных элементов, имеющих заостренные выступы, которые создают ионный разряд. Упомянутая конструкция может представлять собой камеру Эвазе или тому подобное, в которой площадь поперечного сечения потока газа увеличивается, чтобы таким образом снизить скорость потока газа. Вследствие различного характера перемещения частиц, содержащихся в потоке газа, в направлении его протекания, частицы одной полярности из некоторой порции потока газа будут перемешиваться с частицами противоположной полярности из предыдущей или последующей порции. Когда такие противоположно заряженные частицы оказываются в непосредственной близости, вероятней всего они будут притягиваться друг к другу и, следовательно, агломерироваться.
В другом варианте реализации настоящего изобретения генератор ионов представляет собой биполярный ионизатор постоянного тока, который создает у частиц, содержащихся в смежных в поперечном направлении порциях потока газа, заряды противоположной полярности. Ионизатор постоянного тока может содержать множество расположенных на расстоянии друг от друга матриц электродов, размещенных в поперечном направлении относительно потока газа, при этом на каждую матрицу электродов подается постоянное напряжение, в результате чего соседние матрицы электродов имеют противоположную полярность.
Каждая матрица электродов ориентирована в направлении протекания потока газа и может содержать ряд расположенных на расстоянии друг от друга удлиненных элементов, имеющих заостренные выступы; между матрицами электродов могут размещаться плоские элементы, ориентированные параллельно матрицам. Плоские элементы образуют заземленные поверхности.
Во втором варианте реализации настоящего изобретения упомянутая конструкция может содержать дефлекторы потока газа, расположенные по направлению потока ниже соответственных матриц электродов и предназначенные для перемешивания смежных порций потока газа, содержащих частицы, заряженные с противоположной полярностью соседними матрицами электродов.
Перемешивание заряженных частиц может быть усилено при помощи акустического возбуждения, осуществляемого по направлению потока ниже упомянутых ионизаторов.
Частицы могут также предварительно обрабатываться путем распыления на них химического соединения, например аммиака, для увеличения их "сцепляемости".
Для более полного раскрытия данного изобретения и для его реализации на практике ниже со ссылками на сопровождающие чертежи будут описаны предпочтительные варианты его реализации.
Фиг.1 представляет собой схематический общий вид агломератора частиц, соответствующего одному из вариантов реализации данного изобретения и использующего ионизатор переменного тока;
фиг.2 представляет собой вертикальную проекцию ионизатора переменного тока, показанного на фиг.1;
на фиг.3(а) - фиг.3(f) изображены альтернативные варианты имеющих зубцы проволочных электродов для ионизатора, показанного на фиг.2;
на фиг.4(а) - фиг.4(d) изображены формы импульсов напряжения, подаваемых на ионизатор переменного тока, показанный на фиг.2;
фиг.5 представляет собой схематическую горизонтальную проекцию агломератора частиц, соответствующего второму варианту реализации данного изобретения и использующего биполярный ионизатор постоянного тока;
фиг.6 представляет собой горизонтальную проекцию биполярного ионизатора, показанного на фиг.5;
фиг.7 представляет собой вертикальную проекцию биполярного ионизатора, показанного на фиг.5;
фиг.8 представляет собой фрагмент общего вида матрицы электродов показанного на фиг.5 биполярного ионизатора, иллюстрирующий воздушный дефлектор; и
фиг.9 представляет собой схематическую горизонтальную проекцию, иллюстрирующую протекание воздуха в области воздушных дефлекторов.
На фиг.1 - фиг.3 показан первый вариант реализации устройства агломерации частиц по данному изобретению. В этом варианте предварительно заряженные частицы различных размеров, содержащиеся в потоке воздуха, приобретают различные скорости, что способствует перемешиванию частиц в продольном направлении перемещения. Усиленное перемешивание приводит к агломерации частиц.
Как показано на Фиг.1, труба 10 по существу постоянного поперечного сечения соединена со второй трубой 11, имеющей также по существу постоянное поперечное сечение, которое значительно больше поперечного сечения трубы 10. Труба 10 соединена с трубой 11 посредством камеры Эвазе 12, имеющей постепенно увеличивающееся поперечное сечение. Система труб 10, 11, 12 создает канал для потока газа.
Ионизатор 14 переменного тока размещен в трубе 10 для создания зарядов у частиц, содержащихся в потоке газа. Ионизатор 14 переменного тока, изображенный на Фиг.1 схематично в виде блока, более подробно показан на Фиг.2. Ионизатор 14 переменного тока содержит ряд расположенных на расстоянии друг от друга электродов 15, натянутых между верхней и нижней шинами 16. Верхняя шина 16 поддерживается на расстоянии от свода трубы 10 изоляторами 17, в то время как нижняя шина 16 соединена посредством изоляторов 18 с опорными стержнями 19, которые простираются от свода трубы. Электроды 15 организованы в вертикальную плоскую матрицу, которая установлена поперек прохода в трубе 10. Электроды 15 соединены с источником переменного тока, создающим высокое напряжение, посредством подходящей схемы управления напряжением (не показана). Источник переменного тока предпочтительно создает напряжение более 1 кВ и в типичном случае от 20 кВ до 100 кВ.
Электроды 15 могут соответствующим образом представлять собой одножильные или многожильные провода, либо быть выполнены в виде сетки. Предпочтительно электроды 15 представляют собой провода, имеющие зубцы, или полосы, имеющие острые выступы, зубцы или штыри, распределенные по длине. Примеры таких электродов показаны на Фиг.3.
Электроды 15 могут быть изготовлены из плоской полосы, которая снабжена V-образными зубцами с одной или обеих сторон. Эти зубцы могут находиться в плоскости плоских полос или быть повернутыми на угол для улучшения генерации и распределения ионов. Зубцы или другие острые выступы на электродах могут быть повернуты или наклонены для создания ионов в требуемых направлениях, а интервал между электродами 15 может варьироваться для изменения характеристик генерирующего ионы коронного разряда. Степень генерации ионов зависит в основном от количества зубцов или острых выступов, распределенных вдоль электродов. Концы электродов 15 могут быть снабжены пружинами, чтобы электроды могли устанавливаться между шинами под натяжением для сохранения их прямыми.
Подаваемое на электроды высокое напряжение генерирует сильные электрические поля вокруг выступов, зубцов или штырей, создавая коронные разряды. Ионы, созданные электродами 15, прикрепляются к проходящим частицам, содержащимся в потоке газа, таким образом заряжая данные частицы. Хотя и обычные проволочные электроды будут генерировать ионы для создания зарядов у данных частиц, использование подобных электродов с зубцами приводит к увеличению степени генерации ионов.
Подачей на электроды 15 переменного тока с высоким напряжением управляют посредством контроллера на базе микропроцессора с использованием твердотельных выключателей, таких как тринисторы (SCR) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), для регулировки подаваемого на электроды напряжения. Это напряжение соответствующим образом регулируется для увеличения степени генерации ионов до максимума, без возникновения искрового или дугового пробоя.
В процессе работы в первую трубу 10 поступает поток газа, содержащий частицы пыли и/или других загрязняющих веществ и имеющий относительно высокую скорость. Напряжение от источника переменного тока, показанное на Фиг.4(а), переключается таким образом, чтобы на электроды 15 последовательно подавались импульсы противоположной полярности. Типичные формы импульсов напряжения, подаваемых на электроды 15, показаны на Фиг.3(b) и 3(с). В случае переменного тока частотой 50 Гц смена полярности происходит каждые 10 мс. Этот период может быть увеличен путем пропуска циклов для уменьшения частоты смены полярности, как показано на Фиг.3(d). В ином случае может меняться частота источника переменного тока.
Полярность созданных электродами 15 ионов со временем будет изменяться на противоположную. Так как ионы заряжают частицы, содержащиеся в проходящем потоке газа, поток газа после ионизатора переменного тока будет содержать последовательные поперечные секции из противоположно заряженных частиц, чередующиеся в направлении перемещения.
Трубчатая конструкция, расположенная по направлению потока ниже ионизатора 14, изменяет характеристики протекания потока газа. А именно, когда поток газа поступает в камеру Эвазе 12, его объем будет увеличиваться, а также будет наблюдаться соответствующее уменьшение средней скорости этого газа. Так как частицы, содержащиеся во входящем потоке газа, имеют различные размеры, они будут иметь разную кинетическую энергию и импульс. Вследствие этого более крупные частицы не будут снижать скорость также быстро как более мелкие. Из-за различающихся скоростей частицы с различными размерами будут перемешиваться в основном направлении перемещения газа. То есть некоторые частицы одной полярности, содержащиеся в поперечной секции потока газа, будут перемешиваться с частицами другой полярности из других секций. По мере сближения противоположно заряженных частиц они будут притягиваться друг к другу и агломерироваться в частицы большего размера.
После этого поток газа может подаваться в другие устройства сбора пыли, такие как электростатические фильтры или тканевые фильтры, в таком случае увеличенный размер частиц будет позволять подобным устройствам собирать пыль более эффективно. Агломерация, при увеличении размера пылевых частиц, будет также уменьшать опасность для здоровья и, следовательно, уменьшать вероятность проникновения этих частиц через дыхательную систему человека.
Расширение потока газа в поперечном направлении для заполнения увеличивающегося поперечного сечения камеры Эвазе 12 также способствует перемешиванию частиц различного размера, содержащихся в потоке газа, при этом меньшие по размеру частицы вероятнее всего будут перемещаться вбок относительно траектории движения противоположно заряженных более крупных частиц.
Агломерация может быть усилена путем предварительной обработки частиц. Подходящий способ предварительной обработки включает распыление аммиака в потоке газа. Аммиак будет увеличивать "слипаемость" или сцепляемость пылевых частиц и, следовательно, повышать прочность связи между агломерированными частицами.
Перемешиванию частиц в камере Эвазе 12 можно дополнительно содействовать при помощи акустического возбуждения с использованием ряда акустических систем или вибраторов 13, установленных на камере Эвазе 12, или при помощи устройств или конструкций, таких как экраны, вихрегенераторы с лопастями или другие дефлекторы, которые создают турбулентность в потоке газа.
Для усиления зарядки частиц и уменьшения накопления частиц на стенках труб на внутреннюю поверхность высокоскоростной трубы 10 и камеры Эвазе 12 может наноситься электроизоляционное покрытие. Это предотвратит рассеивание ионов на поверхности заземленной металлической трубы и, таким образом, увеличит концентрацию ионов в потоке газа. Кроме того, электрическое изолирование корпуса трубы 10 и камеры Эвазе 12 предотвратит притяжение заряженных пылевых частиц к заземленному стальному трубопроводу и оседание на нем.
Ионизатор 14 переменного тока может содержать дополнительные плоские матрицы 15 электродов, установленные поперек прохода трубы. В случае, когда используется несколько расположенных на расстоянии друг от друга матриц 15 электродов, синхронизация и форма импульсов напряжения, подаваемого от источника переменного тока на матрицы электродов, контролируется таким образом, чтобы оптимизировать зарядку частиц и предотвратить нейтрализацию зарядов в последующих матрицах.
На Фиг.5 - Фиг.9 изображен второй вариант реализации данного изобретения. В этом варианте поток газа, содержащий пылевые частицы и другие загрязняющие вещества, разделяется на ряд параллельных субпотоков, которые пропускаются через биполярное зарядное устройство для того, чтобы частицы, содержащиеся в соседних субпотоках, заряжались с противоположной полярностью. Субпотоки затем отклоняют, чтобы вызвать слияние и/или пересечение соседних субпотоков и таким образом способствовать перемешиванию частиц и усилению агломерации. То есть, по мере того как субпотоки сливаются или пересекаются, противоположно заряженные частицы будут сближаться и притягиваться друг к другу. Вследствие этого они будут агломерировать в более крупные частицы, которые затем могут легче отфильтровываться из потока газа с использованием известных технологий.
Как показано на Фиг.5, в направлении, показанном стрелками, в трубу 21 поступает высокоскоростной поток газа, содержащий пылевые частицы и другие загрязнения. Труба 21 может быть соединена с трубой 22 большего размера посредством камеры Эвазе 23, чтобы снизить скорость газа для последующей фильтрации или нейтрализации заряда. Внутри трубы 21 размещен биполярный ионизатор и агломератор 24, который более подробно показан на Фиг.6 - Фиг.9.
Биполярный ионизатор 24 содержит ряд параллельных плоских матриц 25 электродов, ориентированных в направлении потока и расположенных на расстоянии друг от друга, с чередованием в поперечном направлении трубы 21. В изображенном варианте реализации настоящего изобретения матрицы 25 электродов расположены вертикально, но, если требуется, могут быть расположены горизонтально или под углом. Каждая матрица 25 электродов содержит ряд расположенных на расстоянии друг от друга проводов или плоских полос, простирающихся между верхней и нижней шинами 26, которые служат им опорами. Матрицы электродов могут быть выполнены так, как описано выше со ссылкой на Фиг.2 и 3. Вместо проводов или полос с зубцами, как изображено выше на Фиг.2 и 3, матрицы электродов могут представлять собой сетку, многожильный провод или другую подходящую конструкцию для содействия генерации ионов.
Каждая матрица 25 электродов крепится к стенкам трубы 21 при помощи изоляторов 27. Нечетные матрицы электродов соединены между собой в электрическую цепь при помощи шины 28, в то время как четные матрицы электродов соединены между собой в электрическую цепь при помощи шины 29. В процессе работы шины 28, 29 соединяют соответственно с положительным и отрицательным выводами источника постоянного тока с высоким напряжением, в результате чего соседние матрицы электродов заряжаются с противоположной полярностью.
Создаваемое источником постоянного тока напряжение составляет предпочтительно более 1 кВ и в типичном случае - от 20 кВ до 100 кВ. Источник постоянного тока соответствующим образом управляется контроллером на базе микропроцессора с использованием твердотельных выключателей. Как положительные, так и отрицательные напряжения, подаваемые на биполярный ионизатор 24, регулируются независимо для обеспечения максимальной сбалансированной генерации ионов без возникновения искрового пробоя.
Между матрицами 25 электродов в качестве варианта могут размещаться заземленные плоские элементы, например экраны или пластины 30, как показано на Фиг.6. При этом поступающий в биполярный ионизатор поток газа будет разделяться на параллельные субпотоки, расположенные между заземленными пластинами 30 (или между заземленными пластинами 30 и заземленной стенкой трубы 21). Ионизирующие электроды 25 подвешены по центру каждого прохода. Каждый субпоток протекает с обеих сторон матрицы электродов и эффективно делится ею по длине.
Созданные матрицами 25 электродов ионы будут перемещаться к заземленным поверхностям и притягиваться к проходящим пылевым частицам, взвешенным в субпотоках, таким образом заряжая эти частицы. Ионизирующие электроды 25, расположенные в нечетных проходах, имеют полярность, противоположную полярности ионизирующих электродов, расположенных в четных проходах, в результате чего пылевые частицы, находящиеся в соседних проходах, имеют противоположную полярность.
Проходы, образованные между заземленными пластинами 30, в типичном случае имеют ширину от 200 до 1000 мм и длину в направлении потока, достаточную, чтобы гарантировать зарядку пылевых частиц при их прохождении через данные проходы. При типичной установке в трубе шириной 4 м создаются десять параллельных проходов, каждый из которых имеет ширину 400 мм и длину 8 м.
В конце каждой матрицы 25 электродов имеется V-образный дефлектор 31, что показано более четко на Фиг.8. Дефлектор создает турбулентность в области нижнего по направлению потока конца биполярного ионизатора 24 для усиления перемешивания заряженных пылевых частиц. Расположенные в непосредственной близости друг от друга противоположно заряженные частицы будут притягиваться и сцепляться, приводя в результате к агломерации частиц. Более подробно, V-образные дефлекторы отклоняют субпотоки таким образом, что смежные порции соседних субпотоков, содержащие заряженные с противоположной полярностью частицы, сливаются или пересекаются, как показано на Фиг.9. Подобная схема отклонения способствует перемешиванию противоположно заряженных частиц, таким образом усиливая агломерацию.
Хотя на чертежах изображен V-образный дефлектор, может использоваться любая форма, которая вызовет эффективное перемешивание противоположно заряженных частиц, например плоская поперечная пластина, которая увеличит турбулентность ниже по направлению потока и, следовательно, перемешивание.
Турбулентное перемешивание по направлению потока ниже биполярного ионизатора 24 может быть дополнительно усилено при помощи акустического возбуждения с использованием ряда акустических систем или вибраторов 32, установленных на трубе 21 (Фиг.4). Кроме того, могут также использоваться и другие подходящие устройства возбуждения частиц.
Когда газ проходит через камеру Эвазе 23, он снижает скорость по мере увеличения в объеме. Частицы разного размера снижают скорость по-разному, что вызывает дополнительное перемешивание заряженных частиц в направлении потока и агломерацию.
Как упомянуто выше, применительно к варианту реализации настоящего изобретения, показанному на Фиг.1 - Фиг.3, на внутреннюю поверхность трубы 21 и камеры Эвазе 23 может наноситься электроизоляционное покрытие для предотвращения рассеивания ионов на заземленной поверхности и, таким образом, увеличения концентрации ионов в газе. Кроме того, ниже ионизирующих проходов в биполярном ионизаторе 24 могут устанавливаться бункеры для сбора пыли, падающей со стенок данных проходов.
Как и в случае первого варианта настоящего изобретения, подаваемый в трубу 21 газ может предварительно обрабатываться аммиаком или другим химикатом/химикатами для увеличения сцепляемости частиц. Изложенное выше описывает только некоторые варианты реализации данного изобретения, и применительно к данному изобретению могут быть осуществлены модификации, являющиеся очевидными для специалистов в данной области техники, которые не будут выходить за пределы объема данного изобретения, определенного в пунктах Формулы изобретения. Например, V-образные дефлекторы 31 могут устанавливаться в хвостовой части пластин 30, а не матриц 25 электродов. Кроме того, дефлекторы могут быть сориентированы горизонтально, а не вертикально, как показано.
Хотя на чертежах изображены V-образные дефлекторы, для дефлекторов могут использоваться другие формы или конфигурации, включая горизонтальные жалюзи, имеющие специальную форму пластины и лопастные устройства для создания перемешивающих вихрей.
Лопастные устройства могут быть выполнены в форме треугольника и расположены под углом относительно направления потока газа для образования вихрей в области хвостовых окончаний треугольной лопасти. Несколько рядов дефлекторов могут быть размещены с образованием зигзагообразной конструкции для последовательного отклонения и перемешивания субпотоков, что приводит к тщательному перемешиванию и увеличению возможности агломерации частиц.
Кроме того, питание на матрицы 25 электродов может подаваться в прерывистом режиме, а не непрерывно.
Далее, в биполярном ионизаторе вместо параллельных проходов может использоваться трубчатая или ячеистая матрица, при этом обеспечивающие высокую эффективность процесса ионизаторы создают биполярные ионы для зарядки частиц. В тексте описания изобретения и его Формулы, там, где это допускает контекст, термин "содержит" или "содержащий" должен пониматься в обобщающем смысле, как включение указанных объектов без неизбежного исключения других объектов.
1. Устройство для агломерации частиц в потоке газа, содержащее генератор ионов, предназначенный для создания у частиц в потоке газа электрических зарядов противоположной полярности, и конструкцию, размещенную по направлению потока ниже генератора ионов и предназначенную для изменения физических характеристик потока газа для перемешивания противоположно заряженных частиц и таким образом содействия агломерации частиц.
2. Устройство по п.1, в котором генератор ионов представляет собой ионизатор переменного тока, предназначенный для создания у частиц, содержащихся в последовательных порциях потока газа, зарядов противоположной полярности.
3. Устройство по п.2, в котором ионизатор переменного тока содержит, по меньшей мере, одну матрицу электродов, сориентированную в поперечном направлении относительно потока газа, и электрическую схему, предназначенную для подачи импульсов напряжения переменной полярности на матрицу электродов.
4. Устройство по п.3, в котором матрица электродов содержит ряд расположенных на расстоянии друг от друга удлиненных элементов, имеющих заостренные выступы.
5. Устройство по п.2, в котором конструкция представляет собой камеру Эвазе, в которой площадь поперечного сечения потока газа увеличивается, в результате чего у потока газа снижается скорость.
6. Устройство по п.5, которое дополнительно содержит, по меньшей мере, одно устройство акустического возбуждения, предназначенное для возбуждения содержащихся в потоке газа частиц в камере Эвазе.
7. Устройство по п.5, которое дополнительно содержит в камере Эвазе одну или более конструкций, предназначенных для создания турбулентности для усиления перемешивания частиц.
8. Устройство по п.1, в котором генератор ионов представляет собой биполярный ионизатор постоянного тока, предназначенный для создания у частиц, содержащихся в смежных в поперечном направлении порциях потока газа, зарядов противоположной полярности.
9. Устройство по п.8, в котором ионизатор постоянного тока содержит множество расположенных на расстоянии друг от друга матриц электродов, размещенных в поперечном направлении относительно потока газа, причем в процессе работы на каждую матрицу электродов подают напряжение от источника постоянного тока и соседние матрицы электродов имеют противоположные полярности.
10. Устройство по п.9, в котором каждая матрица электродов сориентирована в направлении протекания потока газа и содержит ряд расположенных на расстоянии друг от друга удлиненных элементов, имеющих заостренные выступы.
11. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит плоские элементы, размещенные между матрицами электродов и сориентированные параллельно им, при этом плоские элементы обеспечивают заземленные поверхности.
12. Устройство по п.8, в котором упомянутая конструкция содержит, по меньшей мере, один дефлектор потока газа, предназначенный для перемешивания смежных порций.
13. Устройство по п.9, в котором упомянутая конструкция содержит один или более V-образных дефлекторов потока газа, установленных в области нижнего по направлению потока конца соответственных матриц электродов для перемешивания смежных порций потока газа, содержащих частицы, заряженные с противоположной полярностью посредством соседних матриц электродов.
14. Устройство по п.8, которое дополнительно содержит, по меньшей мере, одно устройство акустического возбуждения, предназначенное для возбуждения частиц, содержащихся в потоке газа, в области по направлению потока ниже ионизатора постоянного тока.
15. Устройство по п.8, которое дополнительно содержит одно или более устройств, размещенных по направлению потока ниже ионизатора для создания турбулентности в потоке газа.
16. Способ содействия агломерации небольших частиц, содержащихся в потоке газа, содержащий этапы создания у частиц, содержащихся в разных порциях потока газа, электрических зарядов противоположной полярности и прохождения потока газа через конструкцию, которая физически меняет течение потока газа для эффективного перемешивания противоположно заряженных частиц так, что противоположно заряженные частицы приходят в непосредственную близость друг к другу и таким образом способствуют агломерации частиц.
17. Способ по п.16, в котором частицы, содержащиеся в последовательных порциях потока газа, заряжают с противоположной полярностью посредством ионизатора переменного тока.
18. Способ по п.17, в котором используют конструкцию, содержащую камеру Эвазе, в которой площадь поперечного сечения потока газа увеличивается для снижения скорости потока газа.
19. Способ по п.16, в котором частицы, содержащиеся в смежных в поперечном направлении порциях потока газа, заряжают с противоположной полярностью посредством биполярного ионизатора постоянного тока.
20. Способ по п.19, в котором режим протекания потока газа изменяют посредством дефлекторов, что вызывает перемешивание упомянутых смежных порций.
21. Способ по п.16, который дополнительно содержит этап акустического возбуждения имеющих электрические заряды частиц в потоке газа.
22. Способ по п.16, который дополнительно содержит перед этапом создания зарядов этап распыления на частицы в потоке газа химического соединения для увеличения сцепляемости частиц.
23. Способ по п.22, в котором упомянутое химическое соединение представляет собой аммиак или соединения на основе аммиака.
24. Устройство для содействия агломерации, имеющих микронные и субмикронные размеры частиц в потоке газа, содержащее средство для создания у частиц в потоке газа электрических зарядов противоположной полярности и средство для изменения физических характеристик потока газа в области по направлению потока ниже средства создания зарядов для перемешивания противоположно заряженных частиц и таким образом содействия агломерации упомянутых частиц в частицы более крупного размера.
