[发明专利]凝聚粒子的方法和装置

说明书

本发明涉及凝聚粒子的方法和装置，尤其是指用于空气污染控制中的静电凝聚器。

背景技术

许多工业生产过程产生小的有害粒子散发到大气中，比如，由于煤炭中存在重金属和重有机材料成分，有毒的悬浮在空气中的煤炭燃烧的副产物往往聚集成散放的细小粒子部分。许多微量金属，比如砷、镉、镍、硒和它们的化合物在高燃烧温度下挥发，然后随着烟气的冷却均匀地集结成核或者主要凝结在扬尘粒子上。一些有毒的有机空气污染物也是这样。

通过均匀成核形成的有毒粒子是非常细小的亚微粒子。这些粒子能够进入人们的呼吸系统，因此它们对公共健康产生了很大的危害。毒性与呼吸舒适感之间的确定联系促使世界各国的政府通过立法以对直径小于10微米(PM10)，尤其是小于2.5微米(PM2.5)的微粒的排放进行更加严格的控制。控制粒子，尤其是尺寸在微米到亚微米之间的细微粒子的排放的政府规则随着这些粒子的排放所产生的有害影响逐渐被人们广泛了解在未来会变得更加严格。

大气排放物中的较小粒子也是形成空气污染的有害可见度影响的主要因素，比如，在煤炭燃烧装置中，烟道的不透明度主要由扬尘中的细微粒子部分决定，这是因为消光系数在光的波长附近达到最大，该波长介于0.1到1微米之间。

对细微粒子进行控制的重要性可以通过考虑到排放物中污染物粒子而不是污染物的数目得到理解。在典型的煤炭燃烧过程中产生的扬尘中，尺寸小于2微米的污染物粒子也许仅占整个污染物的7％，然而却占整个粒子数目的97％。去除所有大于2微米的粒子的工艺技术基于其能够去除93％的污染物的前提可能是有效的，然而97％的粒子，包括更多可吸入的有毒粒子仍然被保留了下来。

人们已经使用了各种各样的方法来去除来自于空气流中的灰尘和污染物粒子。虽然这些方法通常来说适合于去除空气流中的较大的粒子，然而它们总是在滤除较小的粒子，尤其是PM2.5的粒子方面效果非常低。

已经知道使用粒子凝聚技术来使较小粒子集结成较大粒子，然后可以非常容易和有效地把它们去除掉。已知的凝聚技术包括：(i)把化学制剂注入空气流中以增加细微粒子的凝聚作用；(ii)使用层流沉淀器来提高细微粒子的表面凝聚作用；(iii)声波扰动悬浮在气体中的灰尘粒子以增加粒子间的碰撞接触速度，从而增加凝聚作用；(iv)应用AC或DC电场扰动悬浮在气体中的带电灰尘粒子以增加粒子间的混合，从而增加凝聚作用；以及(v)使气体流中的粒子双极带电以用于静电吸引。

在美国专利5,707,428中可以发现已知的表面凝聚技术的例子，而在欧洲专利申请NO.0009857中可以看到AC电场扰动法的例子。

这些技术在大型装置中实施起来通常成本高，并且，化学制剂注入法会引起其它的健康问题。此外，这些所知的技术对于细小的灰尘粒子来说并不是特别有效。

最普通的凝聚技术是表面凝聚。在表面凝聚技术中，粒子必须和收集面或收集体接触以从气体流中去除掉。直径大于约10微米的大粒子能够被诸如碰撞、拦截和离心力等惯性作用装置相对容易地被捕获。在静电沉淀器中，大粒子由于能够带较多的电荷，因此它们就受到较大的电力，从而就非常容易地被收集起来。

然而，随着粒子尺寸的减小，粒子的质量与立方体的直径成比例的减小，并且惯性力把这些粒子带向收集面的效果很差。这些小的粒子也带有很少的电荷，因此它们就受到较小的静电力。对于小于0.1微米的粒子来说，扩散通常是粒子运送、带电和捕获的主要作用机理，然而，对于0.1到0.2微米之间的粒子来说，扩散、静电和惯性作用都不是很强，所知的应用这些作用原理的装置对于这些尺寸范围内的粒子的收集效率表现的最低。

扩散捕获的效果通过提供大的表面积和/或更多的用于发生扩散的时间可以得到提高，但是这就需要大大增加设备尺寸。通过提高粒子相对收集面的相对速度可以获得较大的惯性力，但是这要以较大的压差和能量输入给收集装置为代价，这就会导致成本很大地增加。因此，经济上的考虑限制了这些方法的应用。

其它的用于细微粒子排放控制的灰尘收集装置包括湿式静电沉淀器和湿式除尘器，这些通常都需要大的昂贵的设备，并且会产生污染废水的问题。纤维过滤网也曾用作灰尘收集器，但是它们通常对细微粒子来说是无效的收集器，因为这些小的且通常光滑的粒子往往能够流过使用在这种过滤网上的纤维织物。

本发明的目的是提供一个改进的用于粒子凝聚的方法和装置。

发明内容

在主要的形式上说，本发明提供了一种凝聚气体流中粒子的装置，包括：