JP5377892B2 - 静電集塵器の性能の改善を容易にするシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に静電集塵器に関し、より特定的には静電集塵器の性能を改善する方法に関する。

公知の静電集塵器はガスから粒子を除去するものであり、広く産業用途に使用されている。静電集塵器の性能を決定する少なくとも幾つかの公知の方法は電流密度（Ａ／ｍ^２）に基づいている。一般に、電流密度は、放出電極と複数の組の集電電極との間のギャップを橋渡しする電子を測定することによって決定し得る。電極の作動電圧は、集電プレート又は放出電極上の塵埃又は汚染粒子の蓄積のために変わりやすい。

公知の放出電極は、付随する電場をもっており、少なくとも集塵器の入口と出口に配置され、あらゆる所定の状況に対して可能な最大の電流を生成するように設計され得る。集塵器入口に位置する適切に機能する放電電極の電場は、集塵器出口に位置する適切に機能する放電電極の電場よりずっと多くの汚染粒子を捕獲し得る。従って、入口の電場は、放出電極と集電電極との間で集められた極めて多数の粒子によって生じる空間電荷にうち勝つ必要があろう。一般に、出口の電場はずっと少ない粒子を受けることになるので、電子はずっと容易に移動する。集塵器出口の電場は集塵器入口の電場より高い電流密度を得るのが容易であるので、入口での電場に力を与えるのは困難であり、出口での電場に過大な力を与えるのはより容易であろう。

静電集塵器はその電源を十分に使用することができない可能性がある。例えば、不一致なインピーダンスは電源が二次設計限界に達するのを妨げることがある。この結果、入力電力がその作動限界にあるのに、作動電圧は定格電圧より約１０〜２０％低くなることがある。逆も起こり得る。スパーク速度が同じであるとすれば、システムインピーダンスの最小の増大又は低下で、電場に対する全入力ワット量を増大することができ、全体的な集塵器の性能を改善することができよう。
米国特許第６７９７０３５号明細書 米国特許第６５４０８１２号明細書 米国特許第６３６３８６９号明細書 米国特許第５９８０６１０号明細書 米国特許第５９２２１０３号明細書 米国特許第５５６７２２６号明細書 米国特許第５２８２８９１号明細書 米国特許第４９６６６１０号明細書 米国特許第４２４４７０９号明細書 米国特許第３７４０９２６号明細書

公知の放電電極は一般に、その付随する電場のインピーダンスに適合するように設計されていない。むしろ、一般に、その付随する電場内で電力の最大化を容易にするように設計されている。ワット数の測定及び最適化により、最良のインピーダンスの適合が提供され得る。

１つの態様において、静電集塵器の性能の改善を容易にする方法が提供される。この方法は、入口、収集チャンバー及び出口を有する静電集塵器を提供することを含んでいる。ここで、収集チャンバーは複数の放電電極と複数の収集電極を有する。この方法はまた、複数の放電電極の各々についてそれぞれの放電電極のＶ−Ｉ性能を規定し、複数の放電電極の各々に対するそれぞれの放電電極のＶ−Ｉ性能に基づいて各それぞれの放電電極について粒子除去特性を特定し、各それぞれの放電電極に対する粒子除去特性に従って複数の放電電極の各々を静電集塵器内に位置付けることも含んでいる。

別の態様において、静電集塵器の性能を改善するためのシステムが提供される。このシステムは、入口、出口、及び入口と出口との間に伸延する収集チャンバーを有する静電集塵器を有する。この収集チャンバーは複数の放電電極と複数の収集電極とを有しており、それぞれの放電電極のＶ−Ｉ性能は、複数の放電電極の各々に関連するそれぞれの放電電極の幾何学的構成と関係している。放電電極のＶ−Ｉ性能の各々は各それぞれの放電電極に対する粒子除去特性を特定するのに使用され、複数の放電電極の各々が各それぞれの放電電極に対する粒子除去特性に基づいて静電集塵器内に位置付けられている。

さらに別の態様において、静電集塵器内の放電電極のインピーダンスの適合化を容易にするための装置が提供される。この装置は入口、収集チャンバー及び出口を有する静電集塵器を有しており、収集チャンバーは複数の放電電極と複数の収集電極を有している。ここで、二次電圧と二次電流との関係が少なくとも１つの放電電極の幾何学的構成によって決定される。

図１は、代表的な静電集塵器１０の透視図であり、図２は、静電集塵器１０の水平断面図である。代表的な実施形態において、集塵器１０は、入口チャンネル１４、出口チャンネル１６、及び入口チャンネル１４と出口チャンネル１６の間に配置された収集チャンバー１８を有する本体１２を含んでいる。収集チャンバー１８は、内側の上面２０と、各々表面２０から伸びる複数の剛性放電電極２２とを含んでいる。収集チャンバー１８はまた、内側の表面２０から吊されている複数の収集電極２４も含んでいる。電極２４は、入口チャンネル１４から収集チャンバー１８を通って出口チャンネル１６まで伸びる流路２６内に配置されている。

代表的な実施形態において、収集電極２４は、互いに実質的に平行で均一に間隔をあけて配置された四角形のプレートであって、その結果隣接する電極２４にギャップ２８規定されている。複数の放電電極２２は各々が表面２０から隣接する収集電極２４間のギャップ２８中に伸びている。また、収集チャンバー１８は、ホッパー（図示してない）の上方に配置された複数のスラフ（捨てるための）チャンネル３２を有する底面３０をもっている。各スラフチャンネル３２は、出口通路３６に向かって傾斜している少なくとも２つの側面３４をもっている。収集電極２４は四角形のプレートとして記載されているが、収集電極２４は静電集塵器１０が本明細書に記載したように機能することができるいかなる収集電極、例えば、限定されることはないが普通のワイヤ、有刺鉄線、スパイラルワイヤ、捻った丸ワイヤ、捻った角ワイヤ、先端でカットした薄い金属シート及び様々なスタイルのピン、棘、突起又はエッジを有するチューブであってもよいことが分かるであろう。

作動中、懸濁した粒子３８を含有する流体は入口チャンネル１４を通って収集チャンバー１８中に流れる。流体は収集電極２４間の流路２６に沿って流れる。剛性放電電極２２には高い電流が流され、電子のコロナ及び付随する電場が生じ、これが懸濁粒子３８をイオン化し粒子３８を収集電極２４に向けて移動させる。一般に、放電電極２２は負の電位をもち、収集電極２４は正の電位をもっている。従って、剛性放電電極２２は懸濁粒子３８に電荷を与え、収集電極２４は懸濁粒子３８を集める。本明細書で使用する場合用語「流体」とは、限定されることはないがガス、空気及び液体を始めとして流動するあらゆる物質又は媒体含むことが分かるであろう。

複数の放電電極２２が収集チャンバー１８中に伸びているので、収集チャンバー１８は複数の電場に分割され、その各々が対応する放電電極２２によって規定される。また、各電場のインピーダンスはその電場内の塵埃の量の関数であることが了解されよう。

集塵器の性能は電力が最大化されたときに最適化されるものと了解されたい。より特定的には、各剛性放電電極２２のインピーダンスをその付随する電場のインピーダンスと適合させると、その付随する電場に入力される総電力（ワット）を最大化するのが容易になる。各剛性放電電極２２のインピーダンスをその付随する電場のインピーダンスと適合させるのは、各剛性放電電極２２の幾何学的構成を変更することによって達成されることが分かるであろう。各剛性放電電極２２の幾何学的構成を変更すると、二次電圧と二次電流との間の関係も修正される。例えば、各剛性放電電極２２の幾何学的構成はピンの長さ、ピンの間隔、チューブの直径及びピンの角度を調節することによって変更することができる。

各放電電極２２に電圧を印加する。所定の電圧を印加すると、コロナが生成し始め、放電電極２２と収集電極２４との間に二次電流が流れ始める。コロナの開始電圧は、測定可能な二次電流が最初に観察された点と定義される。コロナ開始電圧に到達した後は、印加した電圧の増加に対して二次電流が増大する。コロナ開始電圧を超える印加電圧は二次電圧と考えられるものと了解されたい。さらに、所定の剛性電極の幾何学的構成及び流体条件で、印加二次電圧は、実現されるレベルの二次電流を駆動するものと了解されたい。
加えて、放電電極は各々が、測定される二次電流に対して印加二次電圧をプロットすることによって決定されるＶ−Ｉ性能曲線を有する。電極において、電流は電圧に依存しており、電圧と共に指数関数的に増大し、二次電圧を最大化すると集塵器の性能が最適化され得る。

図３は、代表的なデュアルブレード放電電極４０の透視図である。より特定的には、デュアルブレード放電電極４０は、外面４４と、そこから半径方向で外側に伸延する２つのブレード４６とを有する中央放電電極本体４２をもっている。代表的な実施形態において、電極本体４２は円筒形状であり、実質的に円形の断面をもっている。ブレード４６は、外面４４の回りに配置され、表面４４からほぼ半径方向で外側に伸びており、直径方向で互いに対向している。代表的な実施形態が実質的に円形の断面を有する電極本体４２を有するものとして記載されているが、他の実施形態において電極本体４２は放電電極４０が本明細書に記載したように機能可能であるいかなる断面形状を有していてもよいことが分かるであろう。

図４は、代表的なクワッドブレード放電電極４８の透視図である。より特定的には、デュアルブレード放電電極４８は、外面５２と、そこから半径方向で外側に伸延する４つのブレード５４を有する中央放電電極本体５０をもっている。代表的な実施形態において、電極本体５０は円筒形状であり、実質的に円形の断面を有している。ブレード５４は、外面５２の周囲に配置され、約９０度の角度θで分離されており、外面５２からほぼ半径方向で外側に伸びている。代表的な実施形態が実質的に円形の断面を有する電極本体５０をもつものとして記載されているが、他の実施形態において電極本体５０は放電電極４８が本明細書に記載したように機能可能であるいかなる断面形状を有していてもよいことが分かる。さらに、ブレード５４間の角度θは放電電極４８が本明細書に記載したように機能可能ないかなる角度θでもよく、必ずしも等しくなくてもよいことが分かる。

図５は、代表的な対向ピン放電電極５６の透視図である。より特定的には、対向ピン放電電極５６は、外面６０と、そこから半径方向で外側に伸延する２つのピン６２とを有する中央放電電極本体５８をもっている。電極本体５８は円筒形状であり、実質的に円形の断面をもっている。ピン６２は約１−１／２インチの長さＬを有し、外面６０の周囲に互いに約１８０度の角度で配置され、外面６０から半径方向で外側に伸びている。代表的な実施形態が実質的に円形の断面を有する電極本体５８をもつものとして記載されているが、他の実施形態において電極本体５８は放電電極５６が本明細書に記載したように機能可能ないかなる断面形状を有していてもよいことが分かる。さらに、ピン６２間の角度αは、放電電極５６が本明細書に記載したように機能可能ないかなる角度αでもよいことが分かる。また、代表的な実施形態として約１／１−２インチの長さを有するピン６２を記載しているが、他の実施形態においてピン６２は放電電極５６が本明細書に記載したように機能できるようないかなる長さＬを有していてもよいことが分かる。

図６は、代表的なＶ−ピン放電電極６４の透視図である。より特定的には、Ｖ−ピン放電電極６４は、外面６８と、そこから半径方向で外側に伸延する４つのピン７０とを有する中央放電電極本体６６をもっている。電極本体６６は円筒形状であり、実質的に円形の断面を有している。ピン７０は長さＬ１を有し、外面６８の周囲で対になって配置されており、外面６８から半径方向で外側に伸びている。各対のピン７０は外面６８の回りで鋭角βで分離されている２つのピン７０をもっていて、その結果各対のピン７０がほぼＶ−形状の立体配置を規定している。さらに、各対のピンに含まれる各ピン７０は別の対のピンに含まれる別のピンと直径方向で対向している。代表的な実施形態が実質的に円形の断面を有する電極本体６６を有するものとして記載されているが、他の実施形態において電極本体６６は放電電極６４が本明細書に記載したように機能することができるいかなる断面形状を有していてもよいことが分かる。さらに、ピン７０間の角度βは放電電極６４が本明細書に記載したように機能することができるいかなる鋭角βであってもよいことが分かる。また、ピン７０の長さＬ１は放電電極６４が本明細書に記載したように機能することができるいかなる長さであってもよいことが分かる。

図７は、複数の剛性放電電極２２の実施形態について二次電流に対してプロットした二次電圧の代表的な曲線を示すグラフである。これらの曲線はＶ−Ｉ性能曲線として知られている。より特定的には、Ｖ−Ｉ曲線はデュアルブレード放電電極４０、クワッドブレード放電電極４８、対向ピン放電電極５６及びＶ−ピン放電電極６４に対して示されている。デュアルブレード放電電極４０のＶ−Ｉ性能曲線は、この立体配置でデュアルブレードを提供すると、ある印加二次電圧で比較的低い二次電流が得られることを示している。クワッドブレード放電電極４８に対するＶ−Ｉ性能グラフは、この立体配置でクワッドブレードを提供すると、デュアルブレード放電電極４０の場合に対して、ある印加二次電圧で比較的高い二次電流が得られることを示している。

デュアルピン放電電極５６のＶ−Ｉ性能グラフは、デュアルピン６２をこの立体配置で提供し、１−１／２インチの長さＬを有すると、デュアルブレード電極４０及びクワッドブレード電極４８で得られるものの中間の二次電圧と二次電流が容易に得られることを示している。ピン６２の長さＬを修正すると、デュアルピン電極５６のＶ−Ｉ性能が変わる。例えば、長さＬを２インチに増大することにより、デュアルピン電極５６で、１−１／２インチのＬを使用する場合と比べて、同じ二次電圧で僅かに少ない二次電流が得られる。長さＬを３インチに増大することにより、デュアルピン電極５６は、同じ二次電圧で１−１／２及び２インチの両方のピン６２より小さい対応する二次電流を提供する。

Ｖ−ピン放電電極６４のＶ−Ｉ性能グラフでは、クワッドブレード電極４８と類似の放電電極性能が得られる。しかし、約４５ｋＶの二次電圧付近から始まって、Ｖ−ピン電極６４は、同じ二次電圧でクワッドブレード電極４８と比べて増大した二次電流を提供する。

本明細書に記載した放電電極の代表的な実施形態４０、４８、５６及び６４の各々は、限定されることはないが集塵器の立体配置、粒子の抵抗及び作動容積、並びに電場のＶ−Ｉ曲線及び変圧器／整流器の等級のようなプロセスパラメーターを反映する経験的なデータに基づいていることが分かる。

主として細かい粒子からなる低い塵埃負荷の場合、放電電極２２は比較的高い電圧を維持して、電源の二次電流限界に達することなく適切な電界強度を維持するように設計しなければならない。従って、本明細書に記載した放電電極の実施形態のうち、デュアルブレード放電電極４０が流体から細かい粒子を除去するのに最も有効である。

主として粗い粒子からなる酷い塵埃負荷の場合、放電電極２２はある印加二次電圧で高い二次電流を生成するように設計しなければならない。これで、利用可能な電場による塵埃の帯電が最大化する。従って、本明細書に記載した放電電極の実施形態のうち、クワッドブレード放電電極４８は高い二次電流、最小の二次電圧で作動して最良の帯電を提供し、流体から粗い粒子を除去するのに最も有効である。

放電電極２２のＶ−Ｉ性能特性を使用して、集塵器１０内のその最も有効な位置を決定することができる。例えば、集塵器入口の第１の電場は、塵埃に含有されている粒子の約８０パーセントを集めるるが、これらの粒子は一般に粗い。従って、集塵器入口１４近くにクワッドブレード放電電極４８を配置すると、流体からの粗い粒子の除去を最適化するのが容易になる。もう１つ別の例として、第１の電場より下流に位置する電場は第１の電場より少ない塵埃と遭遇するが、この塵埃は一般により細かい粒子を含有している。従って、集塵器出口１６の近くにデュアルブレード放電電極４０を位置付けると、流体からの細かい粒子の除去を最適化するのが容易になる。入口１４から出口１６に向かってチャンバー１８内を流れる流体は、百分率基準で、次第に少なくなる粗い粒子と次第に多くなる細かい粒子を含有している。従って、粗い粒子と細かい粒子の両方の除去に対応するピン長さＬを有するように設計された対向ピン放電電極５６は、チャンバー１８の中心近くに配置しなければならない。すなわち、静電集塵器１０は、静電集塵器１０の特定の領域における最適な粒子除去を容易にするように集塵器１０内に特定的に配置された放電電極２２を有するように設計することができる。

所定の二次電圧に対して高い二次電流で作動する剛性放電電極２２は、粗い粒子の酷い負荷を含有する集塵器領域の近くに配置するべきである。適切な二次電圧を維持しながら高い二次電流で作動する放電電極２２は、細かい粒子のより低い塵埃負荷を含有する集塵器領域の近くに配置すべきである。中間の二次電圧と中間の二次電流の放電電極２２は、粗い粒子と細かい粒子の混合物を含有する集塵器領域の近くに配置すべきである。従って、入口１４近くに配置された放電電極２２の電場は最も高い二次電圧で作動し、入口の下流に配置された放電電極２２の電場は次第に低くなる二次電圧と次第に高くなる二次電流で作動する。

各実施形態で、上記剛性放電電極は、変圧器／整流器がその最大級に近い状態で作動するのを容易にする。より特定的には、各実施形態において、剛性放電電極の幾何学的構成を修正することによって、放電電極のインピーダンスをその付随する電場と容易に適合化させ、従ってその電場への入力を最適化するようにＶ−Ｉ曲線が設計されるように、二次電圧と二次電流との関係を修正する。その結果、作動電圧は容易に最大化され、作動性能は容易に改善され、かつ静電集塵器を再構築するコストは容易に低減される。従って、静電集塵器の性能及び成分の有用寿命は各々、費用効果的かつ信頼できる様式で高めることが容易になる。

以上、剛性放電電極の代表的な実施形態について詳細に説明した。剛性放電電極は本明細書に記載した特定の集塵器の実施形態で使用するのに限られることはなく、むしろ、剛性放電電極は本明細書に記載した他の剛性放電電極成分と独立して、かつ別途利用することができる。また、本発明は上に詳細に記載した剛性放電電極の実施形態に限定されることはない。むしろ、剛性放電電極の実施形態のその他の変形を特許請求の範囲の思想と範囲内で利用することができる。

様々な特定の実施形態の点から本発明を説明して来たが、当業者には、特許請求の範囲の思想と範囲内に入る修正を加えて本発明を実施することができることが了解されよう。

図１は、公知の代表的な静電集塵器の透視図である。 図２は、図１に示した公知の代表的な電気集塵器の水平断面図である。 図３は、代表的なデュアルブレード放電電極の透視図である。 図４は、代表的なクワッドブレード放電電極の透視図である。 図５は、代表的な対向ピン放電電極の透視図である。 図６は、代表的なＶ−ピン放電電極の透視図である。 図７は、代表的な放電電極の性能曲線のグラフである。

符号の説明

１０ 静電集塵器
１２ 本体
１４ 入口チャンネル
１４ 集塵器入口
１６ 出口
１６ 出口チャンネル
１８ 収集チャンバー
２０ 表面
２０ 内側の上面
２２ 放電電極
２４ 収集電極
２６ 流路
２８ ギャップ
３０ 底面
３２ スラフチャンネル
３４ ２つの側面
３６ 出口通路
３８ 懸濁粒子
４０ デュアルブレード放電電極
４２ 電極本体
４４ 外面
４６ ２つのブレード
４８ 放電電極
５０ 電極本体
５２ 外面
５４ ４つのブレード
５６ 放電電極
５８ 電極本体
６０ 外面
６２ ピン
６４ 放電電極
６６ 中央放電電極本体
６８ 外面
７０ ピン

Claims (4)

1. 静電集塵器の性能を改善するためのシステムであって、前記システムは、入口、出口、並びに、前記入口と前記出口の間に伸延し、複数の放電電極及び複数の収集電極を含む収集チャンバーを含む静電集塵器を含んでなり、
   それぞれの放電電極のＶ−Ｉ性能が、前記複数の放電電極の各々に関連するそれぞれの放電電極の幾何学的構成と関係しており、前記放電電極のＶ−Ｉ性能の各々が、各それぞれの放電電極に対する粒子除去特性を特定するのに使用され、前記複数の放電電極の各々が、各それぞれの放電電極に対する前記粒子除去特性に基づいて前記静電集塵器内に位置付けられており、
   前記それぞれの放電電極の幾何学的構成が、二次電圧と二次電流との関係を規定し、
   前記入口付近の放電電極は、クワッドブレード放電電極であり、クワッドブレード放電電極は、放電電極本体と、放電電極本体から半径方向外側に伸延する４つのブレードとを含み、
   前記出口付近の放電電極は、デュアルブレード放電電極であり、
   前記収集チャンバーの中心付近の放電電極は、対向ピン放電電極である、前記システム。
2. 前記複数の放電電極の各１つが、電源の二次電流限界に達することなく高い電圧で作動して、前記静電集塵器からの細かい粒子の除去を容易にする、請求項１記載のシステム。
3. 前記複数の放電電極の各々が、印加二次電圧に対して高い二次電流で作動して、前記静電集塵器からの粗い粒子の除去を容易にする、請求項１記載のシステム。
4. 前記出口付近の前記放電電極の少なくとも１つが、電源の二次電流限界に達することなく高い電圧で作動し、
   前記入口付近の前記放電電極の少なくとも１つが、印加二次電圧で高い二次電流で作動する、請求項１記載のシステム。

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