CH617363A5 - Method and apparatus for the electrostatic precipitation of particles from a gaseous medium - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Teilchen aus einem gasförmigen Medium, welches diese Teilchen trägt.

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar zum Abscheiden von Partikeln von verschiedenen Grössen aus einem gasförmigen Medium, wobei diese Partikeln einen Durchmesser von weniger als 5 Mikron haben können.

Die vergrösserte Betonung, welche der Senkung des Pegels von Verunreinigung von Luft zukommt, hat ihren Höhenpunkt in einem Reichtum von lokalen, staatlichen und federalen Gesetzgebungen gefunden, welche strenge Normen für Beseitigung von Partikeln aus industriellen und anderen gasförmigen Emissionen setzen. Da die Probleme der Luftverschmutzung einen grossen Teil der Öffentlichkeit betreffen, nämlich jene Leute, welche in den Städten wohnen, wo auch die Industrie konzentriert ist, kann man annehmen, dass die Normen in der Zukunft noch viel strenger sein können. Obwohl Verbesserungen sowohl in der Ausbildung als auch in der Effektivität von Einrichtungen zur Beseitigung von Partikeln fortgesetzt werden, darunter sich auch die elektrostatischen Abscheideeinrichtungen zu verstehen, haben die strengen und nun angenommenen Normen gezeigt, dass viele der vorhandenen Arten von Abscheidungsgeräten verhältnismässig uneffektiv in Entfernung von sehr kleinen Partikeln sind. Das ist mit dem derzeitigen Stand gebunden, wo die grösste Anzahl von Partikeln in industriellen, gasförmigen Exhalationen einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Mikron aufweisen und die kleinsten Partikeln bleiben in der Luft am längsten. Nach dem National Bureau of Standards Technical New Bulletin vom Dezember 1972 ergibt sich die grösste Gefahr für die Gesundheit aus dem Vorhandensein von Partikeln in Luft, welche den Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Mikron aufweisen.

Alle elektrostatischen Niederschlagseinrichtungen verwenden zwei Ladungsmechanismen, um an einem Staubpartikel die Ladung zu bilden. Diese zwei Mechanismen sind die sogenannte Diffusionsladung und die sogenannte Feldladung. Während der Feldladung werden Ionen durch ein elektrisches Feld des Niederschlagsgerätes beschleunigt. Diese beschleunigten Ionen stossen mit einem Staubpartikel zusammen und verbinden sich mit ihm. Während das Staubpartikel diese Ladung sammelt, gibt es an diese eine Ladung als Ionen. Sobald die Staubpartikeln aufgeladen sind und die gleiche Ladung wie das Ion aufweisen, sind das Ion und das geladene Partikel bestrebt sich auseinander zu bewegen, was es für andere besonders schwierig macht, zusätzliche Ladungen zu diesem Partikel zuzuführen. Bei einer gegebenen Intensität des elektrischen Feldes und bei einer gegebenen Grösse des Staubpartikels gibt es eine Grenze, jenseits welcher die Partikeln keine zusätzliche Ladungen mehr durch Feldladung aufnehmen können. Bei kleinen Partikeln in gewöhnlichen Niederschlagsgeräten wird diese Grenze sehr schnell erreicht. Der andere Ladungsmechanismus, nämlich die Diffusionsladung, verwendet thermisch aktivierte Ionen, welche genügend Energie aufweisen, um das abstossende Feld durchzudringen und zusätzliche Ladungen dem Staubpartikel zu erteilen. Durch diesen Ladungsmechanismus werden zwar kleine Partikeln geladen, er geht jedoch ganz langsam vor sich im Vergleich mit dem Mechanismus der Feldladung.

Es ist allgemein bekannt, dass vorhandene, industrielle Niederschlagsgeräte bei der Beseitigung von Partikeln relativ unwirksam sind, falls die Partikeln eine Grösse von etwa 0,1 bis 3 Mikron aufweisen. Der Mangel der gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräte beruht darin, dass sie nicht im Stande sind, diese kleinen Partikeln so schnell wie die grossen Partikeln zu sammeln, weil der Diffusionsmechanismus ein Mechanismus ist, der zur Ablagerung elektrischer Ladungen am kleinen Partikel verwendet wird und dieser arbeitet allzu langsam für solche Partikeln. Ionen werden durch thermische

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Bewegung auf das Partikel getrieben, so dass das jeweilige Partikel jene sich langsamer bewegenden Ionen zurückstösst, welche weitere Ladungen an das Partikel bringen könnten, nachdem das Partikel beginnt Ladungen aufzunehmen. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden grosse Partikel durch den Ladungsmechanismus der Feldladung vorwiegend geladen, welche einer Grenze unterliegt, welche an der elektrostatischen Zurückstossung der geladenen Partikeln gegenüber den weiteren Ladungen beruht, die sich diesen Partikeln nähern. Diese Ladungen werden charakteristisch angetrieben durch ein elektrisches Feld, welches durch voneinander angeordnete Elektroden angelegt wird. Infolgedessen ist das Gleichgewicht zwischen den Anziehungs- und Zurückstossungskräften in den bekannten Einrichtungen und in der Einrichtung gemäss der Erfindung bestimmt durch die maximale Ladung, die gewonnen werden kann Ns

XT 52 £ ED2

NS = —

£ + 2

wo Ns die Sättigungsnummer von Elementarladungen ist, E ist das angelegte elektrische Feld in Kilovolt per Centimeter, D ist der Durchmesser der Partikel in Mikrometer und £ ist die dielektrische Konstante der Partikel. In gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsapparaten ist das mittlere und sammelnde Feld auf etwa 4 kV/mm beschränkt, weil es mit einem höheren Feld gebunden ist, welches eine Koronaentladung in der Nähe einer kleinen, feldsteigenden Elektrode unterstützt, und hohe Felder neigen dazu, Funkenentladungen im Gas zu bewirken. Für einen Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser beträgt das Maximum der Saturationsladung (für grosse e), welche durch das elektrische Feld in gewöhnlichem elektrostatischem Niederschlagsgerät erzeugt werden kann, etwa 20 Elektronenladungen.

In gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräten ist die Diffusionsladung die einzige effektive Ladungsweise zur Ladung von kleinen Partikeln, und zwar wegen des niedrigen elektrischen Feldes. Die Anzahl der hinzugefügten Ladungen ist durch die folgende Gleichung ungefähr gegeben:

N = 0,03 T T In (1 + 7,6 X 10^No D t/T1/2)

wo T die ionische kinetische Temperatur in Graden Kelvin darstellt, N0 ist die Umgebungskonzentration von Ionen/cm3 und t ist die Zeit in Sekunden, nachdem die Feldladung beendet worden ist. Da die Ladung, welche nach einer lange Zeit andauernden Diffusion erreicht wird, dem Ausdruck DleD proportional ist, wird sie die Ladung für kleine Partikeln übertreffen, welche durch das Feld erzeugt wird. In typischen Cott-rell Niederschlagsgeräten beispielsweise beträgt die Ionendichte ein mehrfaches von 107/cm3. Bei dieser Ionendichte sind etwa 0,3 Sekunden erforderlich, um zwanzig Ladungen an einem Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser abzulagern, während 24 Sekunden erforderlich sein würden, um diese Ladung zu verdoppeln, und die Übergangszeit von Gas durch ein bekanntes Niederschlagsgerät lediglich etwa 8 Sekunden beträgt.

Mit anderen Worten ausgedrückt, die gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsgeräte erzeugen Ionen beider Vorzeichen im Plasma einer Koronaentladung, und zwar in der Nähe einer kleinen Elektrode, um welche herum sich das elektrische Feld konzentriert. Die Stärke des Feldes ist ganz hoch in der Nähe der Elektrode und fällt rasch ab mit dem zunehmenden Abstand von der Elektrode, wodurch ein ungleich-mässiges Feld erzeugt wird. Ione einer Polarität (normalerweise negative Ionen) werden aus diesem Bereich herausgezogen, und während sie gegen die andere Elektrode getrieben werden, schliessen sie sich den Aerosolpartikeln in Exhalat an. Um die Feldvergrösserung zu erreichen, welche zur Koronaentladung an einer Elektrode erforderlich ist, und dabei keinen elektrischen Durchschlag zwischen den zwei Elektroden zu bewirken, verwenden die gewöhnlichen Niederschlagsgeräte oft eine koaxiale Anordnung mit einem Draht von kleinem Durchmesser wie die mittlere Elektrode und einem äusseren Zylinder von grossem Durchmesser. Das Treiben der Ionen ist bewirkt durch die Wirkung zwischen der Ladung an dem Ion und dem ungleichen, im allgemeinen schwachen elektrischen Feld. Während sich die Ionen bewegen, laden sie die Partikel auf und schliessen sich diesen an, wodurch sie bewirken, dass die Partikeln durch das elektrische Feld gegen die Kollektorelektrode sich bewegen und sich an diese anschliessen.

Der Wirkungsgrad aller elektrostatischer Niederschlagsgeräte, d. h. sowohl der vorbekannten als auch des nach der vorliegenden Erfindung, ist durch drei Hauptfaktoren begrenzt, und zwar insbesondere für Aerosolpartikel, deren Durchmesser kleiner als 5 Mikron ist. Der erste rührt davon her, dass der Ladungswert der Aerosolpartikel rasch abnimmt, wenn der Durchmesser der Partikel abnimmt. Da die Grösse der Partikel abnimmt, wird auch die Partikelladung kleiner und die Bewegungsgeschwindigkeit, d. h. die Komponente der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Partikel, die gegen die Elektrode hin gerichtet ist, nimmt ab. Der zweite Faktor beruht darin, dass für eine gegebene Ladung die Bewegungsgeschwindigkeit abnimmt, und zwar so, wie die Intensität des elektrischen Feldes abnimmt. Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Partikels von gegebener Grösse nimmt ab, während es sich in Richtung gegen die Sammelelektrode bewegt, und zwar als Folge des abnehmenden Feldes in der Ausgestaltung der Sammelelektrode. Der dritte Faktor ist der Wirkungsgrad des Anschlusses der Kollektorelektrode, d. h. die Partikeln, welche sich gegen die Kollektorelektrode bewegen, können zurückspringen oder sie können durch Zusammenstösse mit anderen Partikeln vertrieben werden oder sie können durch den turbulenten Fluss des gasförmigen Ausflusses weggefegt werden, nachdem sie zunächst an der Kollektorelektrode gesammelt worden sind, und dies als Folge davon, dass die Ladung an den Partikeln und das elektrische Feld nicht genügend gross sind.

Im allgemeinen ist es erkannt worden, dass die verbesserte Arbeitsweise eines elektrostatischen Niederschlagsgerätes aus der Vergrösserung der Intensität des elektrischen Feldes sich ergibt, allerdings unter der Voraussetzung, dass elektrische Durchschläge oder Bögen aus der erhöhten Intensität des elektrischen Feldes sich nicht ergeben. Zum bisherigen Stand der Technik gehören Niederschlagsgeräte, welche Ionen und das elektrische Feld unabhängig voneinander erzeugen, diese Geräte sind jedoch derart, dass sie eine schmale drahtförmige mittlere Elektrode und eine äussere zylinderförmige Elektrode verwenden, um die Ionen und das elektrische Feld gleichzeitig zu bilden. Obwohl radioaktive Materialien und fotoionisierende Quellen, beispielsweise Lichtröhren wie Ultraviolettlampen, bereits beschrieben worden sind, um eine Quelle von Ionen unabhängig von der Erzeugung des elektrischen Feldes zu bilden, haben diese Ionenquellen praktische betriebliche und andersartige Nachteile, und wir nehmen an, dass kein solches auf dem Markt erhältliches Gerät entwickelt worden ist. Der Nachteil von radioaktiven Quellen beruht in der Schwierigkeit der Änderung der Energie und der Menge der Partikel, welche durch diese Quellen emittiert werden. Ferner, die psychologische Auswirkung der Verwendung einer radioaktiven lonenquelle in einem Niederschlagsgerät, insbesondere im Bereich einer Stadt, dürfte ganz negativ sein. Es würden sich ganz wesentliche Probleme der radioaktiven Verunreinigung der Atmosphäre ergeben, falls ein Bruch oder andersartige Beschädigung eines Teils eines solchen Gerätes sich ergeben würde. Niederschlagsgeräte, welche Ültraviolettlampen, andersartige Lampen verwenden, um Photonen zur Bildung der erforderlichen Ionisierung im Niederschlagsgerät zu verwenden, weisen auch viele praktische betriebliche Nachteile auf. Die

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Lampen werden verstaubt und eingenebelt durch die Partikeln in gasförmigem Medium oder Ausfluss und werden ganz schnell schmutzig. Dieses Verstauben kann ohne weiteres innerhalb einiger Sekunden erfolgen und der Wirkungsgrad der Arbeitsweise nimmt dabei wesentlich ab. Ferner die Photonenergie, welche durch solche Lampen erzeugt wird, kann nicht kontinuierlich und in gewöhnlicher Weise gesteuert sein.

Die vorliegende Erfindung weist diese Nachteile der radioaktiven und photoionisierenden Quellen nicht auf und sie hat viele gewünschte Attribute, die es ermöglichen, Resultate zu erreichen, die bei den bekannten Quellen nicht erreichbar sind, wobei auch weitere bedeutsame Vorteile erreicht werden können.

Dies wird nach der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung erreicht, die in den Ansprüchen 1 bzw. 7 definiert sind.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der er-findungsgemässen Einrichtung können aus einem gasförmigen Medium, wie z. B. aus einem gasförmigen Exhalat, extrem kleine Partikeln entfernt werden, z. B. jene Partikeln, deren Durchmesser zwischen etwa 0,1 und 5 Mikron liegt, und insbesondere jener, dessen Durchmesser kleiner als ein Mikron ist.

Die genannte Einrichtung weist einen hohen Inhaltdurchsatz, einen hohen Wirkungsgrad und nur massige Ansprüche an die Energieversorgung auf.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung an Beispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die Einrichtung zur Abscheidung von Teilchen, welche zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens angewendet werden kann,

Fig. 2 perspektivisch eine Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1, welche zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens angewendet werden kann, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Einrichtung betreffen das Abscheiden oder Beseitigen von Partikeln aus einem Strom vom gasförmigen Ausfluss. Sie machen sich ein im Grunde genommen homogenes und starkes elektrisches Feld zu Nutze, um die Partikeln mit Ionen aufzuladen, wobei die Ionen unabhängig von der Quelle des elektrischen Feldes aus einem Plasma geliefert werden, welches durch hochenergetische Elektronen gebildet wird. Eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens enthält wenigstens eine positiv und eine negativ geladene Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes sowie eine Quelle von Ionen, welche die Partikeln aufladen. Die Partikeln, welche unter Anwesenheit des elektrischen Feldes geladen werden, werden daher aus dem gasförmigen Ausfluss abgeschieden oder beseitigt und sie werden an einer der Elektroden gesammelt. Hochenergetische Elektronen werden zugeführt, um ein Plasma in jenem Teil des gasförmigen Mediums zu erzeugen, der sich in der Nähe einer der Elektroden befindet, wobei die Partikeln, die sich innerhalb dieses neutralen Bereiches von Plasma befinden, keine positive oder negative Nutzladung aufweisen. Die Elektroden und das Plasma erzeugen einen geladenen, ersten Bereich zwischen dem Plasma und der Sammelelektrode, so dass die Partikeln, wenn sie einmal in diesem geladenen, ersten Bereich sind, eine Nutzladung erhalten, und sie werden zu der entgegengesetzt geladenen Kollektorelektrode angezogen.

In den Zeichnungen und besonders in Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung im Querschnitt gezeigt. In dieser Einrichtung, welche im allgemeinen mit Ziffer 10 bezeichnet ist, wird ein gasförmiges Medium oder ein gasförmiger Ausfluss von einem unteren Einlass 12 zum Auslass 14 derselben aufwärts geführt, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Seitenwände 16 und 18 führen den Gas-Strom durch die Einrichtung. Eine Quelle 20, welche Elektronen erzeugt, ist in einem Fenster in der Seitenwand 18 angeordnet und erzeugt hochenergetische Elektronen, welche durch Pfeile 22 angedeutet sind und welche ein dünnes Durchlassfenster 24 als auch eine positiv geladene Elektrode oder Anode 26 durchdringen, um in das gasförmige Medium zu gelangen. Eine negativ geladene Elektrode 28 ist angrenzend an die Seitenwand 16 angeordnet, so dass ein elektrisches Feld zwischen der Anode 26 und der Kathode 28 erzeugt wird, und zwar quer im wesentlichen zur gesamten Breite des Kanals, wie dargestellt. Die Anode 26 und die Kathode 28 sind aus einer Gleichstromquelle 30 gespeist, deren positive Klemme an die Anode 26 durch die Leitung 32 und deren negative Klemme an die Kathode 28 durch eine Leitung 34 angeschlossen sind. Wie durch gekrümmte Pfeile innerhalb des Kanals oder Innenraumes zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 der Einrichtung angedeutet ist, weist der Ausfluss einige Turbulenzen auf, so dass eine gründliche Mischung der Partikel erfolgt, wenn der Ausfluss durch die Einrichtung hindurchgeht. Wegen der Mischwirkung bleiben praktisch keine Partikeln lange in jenem zweiten Bereich, welcher Ionen beider Vorzeichen enthält und welcher sich nahe an der positiv geladenen Elektrode 26 befindet. Die Partikeln aus diesem zweiten Bereich gelangen somit in den zweiten Bereich zwischen den Elektroden 26 und 28 während des Durchganges derselben durch die Einrichtung. Die Elektroden 26 und 28 sind vorteilhaft im wesentlichen flache und planare Glieder mit gebogenen Kanten, welche durch die äussere Quelle 30 auf positives oder negatives Potential geladen werden. Die innere Oberfläche der Elektrode 26 ist dargestellt als im wesentlichen in einer Ebene liegend, welche mit der Ebene der Seitenwand 18 zusammenfällt, denn die flache Elektrode passt in eine Öffnung in der rechten Seitenwand. Die im wesentlichen flache Gestaltung und gekrümmten Kanten der Kathode und der Anode schaffen günstige Bedingungen für das Minimalisieren von Maximen des elektrischen Feldes, d. h. es ist gewünscht, dass die durchschnittliche Feldstärke sich dem Maximum der Feldstärke in der Einrichtung nähert. Mit anderen Worten ausgedrückt, es ist gewünscht, dass das elektrische Feld homogen ist, so dass es maximalisiert werden kann ohne Gefahr von elektrischen Durchschlägen oder Bögen. Die Elektrode 26 trennt den Strom des gasförmigen Mediums an ihrer linken Seite, wie in der Zeichnung dargestellt, von einem ru- " henden gasförmigen Medium an ihrer rechten Seite, welche mit Vorteil von der linken Seite abgedichtet ist, um zu verhindern, dass Staub zwischen der Elektrode 26 und dem Fenster 24 sich ansammelt. Die dünne Wand oder Fenster 24 trennt das ruhende Medium von einem Bereich eines sehr niedrigen Druckes, das ist soviel wie 3 x lO^tor. Das Fenster 24 kann aus einem Material sein, das Elektronen durchlässt und das ebenfalls den niedrigen Druck im Elektronengenerator 20 vom äusseren Druck trennen kann. Infolgedessen kann dieses Fenster 24 aus Titan, Aluminium, rostfreiem Stahl, Nylon usw. hergestellt sein. Die Anodenplatte 26 kann aus einer dünnen Schicht eines leitenden Materials hergestellt sein, wie z. B. aus Titan, Aluminium oder rostfreiem Stahl, wobei die kombinierte Dicke der Anode und des Fensters vorteilhaft kleiner als etwa 0,002 Zoll, d. h. 0,05 mm ist, um die Durchdringung von Elektronen dadurch zu erlauben. Falls das Fenster 24 aus einem leitenden Material ist, kann es ebenfalls so entworfen werden, dass es als die Anode 26 dient, allerdings und im Grundsätzlichen kann es vorteilhafter sein, eine besondere Anode 26 zu verwenden, um die Bedienung des Elektronenstrahl-Generators zu vereinfachen. Ferner, bei bestimmten Ausführungsformen, kann es von Vorteil sein, die Elektrode 26 aus einem gitterförmigen Material oder aus Stangen auszubilden. In der Zeichnung sind keine Mittel gezeigt, welche zur Verjüngung oder Erweiterung des Gasflusses dienen, um dessen Geschwindigkeit einzustellen und um die Mischwirkung

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oder die Turbulenz des Flusses zu steuern. Die Anode 26 ist vorteilhaft so geladen, dass sie eine möglichst hohe Feldstärke im Gasmedium erzeugt, im allgemeinen etwa 12 bis 18 Kilovolt per cm. Allerdings kann jedes Potential bis zur Durchschlagsfestigkeit des gasförmigen Mediums verwendet werden. Der Elektronenstrahlgenerator ist zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 14 angeordnet, derart, dass er das gasförmige Medium oder Ausfluss mit Elektronen bestrahlen kann, welche durch das Fenster 24 und die Anode 26 durchgehen; der Generator ist vorteilhaft so leistungsstark, dass er einen Elektronenstrahl erzeugen kann, der eine derartige Energiedichte aufweist, die ausreicht, um genügend Ionen zu erzeugen und um alle Partikeln im gasförmigen Medium bis nahe zur Saturation zu laden.

Der Elektronengenerator ist derart angeordnet, dass er nur jenes Volumen bestrahlt, das an der Anodenoberfläche unmittelbar anliegt. Dies ist dadurch erreicht, dass man Elektronen verwendet, welche nur eine kleine Entfernung in das gasförmige Medium eindringen können. Der Elektronengenerator 20 hat während seines Betriebes eine genügende Spannung, um Ionisierung durchzuführen, und genügend Strom, um eine Menge von Ionen zu produzieren, die imstande sind, die Partikeln im Gasstrom zu laden. In dieser Beziehung arbeitet der Elektronengenerator derart, dass er Elektronen erzeugt, welche in das gasförmige Medium mit einer Energie von zwischen 1 bis 12 KeV per cm des Plattenabstandes eintreten bei einem Strompegel von etwa ein Mikroampère per m des Elektrodenabstandes senkrecht zum Gasfluss. Bei einer Anordnung, welche ein Fenster aus Titan von etwa 0,5 mil, das ist 0,0127 mm Dicke aufweist, wo das Fenster ebenfalls als die Anode wirkt und in welcher die Distanz zwischen der Anode und der Kathode etwa 10 cm beträgt, arbeitet die Einrichtung befriedigend mit Elektronen von zwischen 100 und 150 KeV, welche in das Fenster eintreten.

Falls das Fenster 24 des Elektronenstrahl-Generators ebenfalls als Elektrode 26 wirkt, so ist es selbstreinigend, wenn es den Partikeln des beladenen gasförmigen Mediums ausgesetzt ist. Falls eine besondere Elektrode 26 verwendet wird, wirkt der Elektronenstrahl aus dem Generator derart, dass er verhindert, dass sich Partikeln an der Anode 26 anhäufen. Obwohl sich irgendwelche Partikeln auf der Oberfläche der beiden Ausführungen jederzeit befinden können, sammeln sie sich hier nicht, und zwar dank dem Selbstreinigungsvorgang. Die freiliegende Oberfläche kann keine Anhäufung von kleinen Partikeln erfahren, weil diese früher abgestossen werden, bevor sie die Oberfläche überhaupt erreichen. Da die kleinen Partikeln durch Elektronen bombardiert werden, die durch den Elektronengenerator erzeugt worden sind, gehen die Elektronen vollständig durch diese und dadurch bewirken sie eine sekundäre Emission, die kleinen Partikeln werden positiv geladen und sie werden durch die positive Ladung der Oberfläche von dieser abgestossen. Infolgedessen können kleine Partikel niemals die Oberfläche erreichen und können sich daher auch nicht darauf ansammeln.

Was die grösseren Partikeln anbelangt, so fliegen die Elektronen, welche die Partikeln bombardieren, nicht durch diese Partikeln und der Effekt der sekundären Emission wird keine Bedeutung haben im Vergleich mit der Anhäufung der Elektronen in den Partikeln. Infolgedessen bildet sich im Inneren der Partikel eine Spannung und diese Partikeln werden dadurch negativ. Falls eines der Partikel mit der Oberfläche in Berührung steht, entladet sie sich im Punkt der Berührung zwischen den Partikeln und der Oberfläche. Diese Entladung erzeugt eine Entladungsstrecke, welche ihrer Form nach mit einem Baum vergleichbar ist, d. h. die Entladungsstrecke geht von den Ästen und verbindet sich zu einer breiten, stammför-migen Partie, wo sie die Oberfläche berührt. Die genannten Strecken sind Löcher in den Partikeln, welche durch Verdampfen des festen Anteiles der Partikel zum Gas bewirkt sind. Der Verdampfungsvorgang bewirkt einen tausendfachen Volumenzuwachs, welcher durch die Entladestrecken entweicht. Dieser Verdampfungsprozess erzeugt eine grosse Kraft, welche die Partikeln von der Oberfläche bläst oder die Partikeln vernichtet, wobei beides bewirkt, dass die Oberfläche der Partikel befreit wird. Ferner, die Kraft eines entfernten Partikels wird einige andere auch entfernen.

Diese Reinigungswirkung kann grösser gemacht werden, indem die Betriebsspannung des Elektronengenerators ver-grössert wird. Es leuchtet ein, dass die Betriebsspannung variiert werden kann, allerdings periodisch, um die Reinigungswirkung zu steuern. Es kann ein optimaler Arbeitszyklus gefunden werden, der eine entsprechende Reinigung bewirken würde und wobei die erforderliche Leistung für die allgemeine Arbeit des Gerätes minimalisiert werden könnte.

Die obere Grenze der elektrischen Feldstärke ist durch die dielektrische Festigkeit des gasförmigen Mediums beim Betriebsdruck bestimmt. Für einen Trennabstand zwischen der Kathode und der Anode, der 10 cm beträgt, wobei dieser Trennabstand bei einer der Ausführungen der vorliegenden Einrichtung verwendet wird, beträgt die Durchschlagsfestigkeit der Luft bei homogenem Feld und normaler Dichte etwa 26 kV/cm. Da die absolute Temperatur in einem typischen gasförmigen Ausfluss sich in einem Bereich von etwa 400 bis 600 Grad K beläuft, wird die Gasdichte um einen Faktor von etwa 2 niedriger als die normale atmosphärische Dichte, und die begrenzende Feldstärke würde etwa bei 13 KV/cm liegen. Jedoch es können Elektronen bindende Gase, wie z. B. Schwefeldioxyd, oft in einem gasförmigen Ausfluss enthalten sein, und die Anwesenheit dieser Gase kann den Betrieb bei einem elektrischen Feld ermöglichen, dessen Wert grösser als die beschriebenen 13 kV/cm ist.

Der Elektronengenerator kann einen einzigen breiten und gleichmässigen Strahl oder einen oder mehrere schmale Strahle erzeugen und kann auch derart ausgeführt sein, dass er den Bereich in der Einrichtung gemäss einem vorgegebenen Muster abtastet. Beispielsweise gemäss einem solchen Muster folgt der Strahl einem sich bewegenden gasförmigen Medium durch ein Volumen während einer durchschnittlichen Haltezeit der Partikel in diesem Volumen, dann behandelt er andere Volumina schrittweise in gleicher Weise und dann, nachdem eine durchschnittliche Diffusionszeit abgelaufen ist, welche für die Wiederauffüllung des ersten Bereiches mit Partikeln erforderlich ist, kehrt er in das erste Volumen zurück.

Die restliche, umfliessend mischende Wirkung oder Turbulenz des Flusses vom gasförmigen Medium durch die Einrichtung trägt das gasförmige Medium mit beladenen Partikeln in eine Entfernung, welche die Grenzunterschicht der laminären Strömung der geladenen Elektroden definiert. Innerhalb eines Bereiches von einer Dicke, welche mit dem Bereich der Elektronen im Medium vergleichbar ist, ist die Ladung an den Staubpartikeln beinahe neutralisiert, und zwar wegen der Anwesenheit der Ionen beider Vorzeichen. Im restlichen Volumen sind allerdings ihre Ladungsanteile nicht mehr neutralisiert und wachsen schnell an, so dass nach einer gewissen Zeit die Wirbelbewegung den Gasfluss gegen die Kathode 28 hin und dann von dieser weg trägt; die Staubpartikeln, welche positive Ladung haben, jedoch bleiben, und zwar wegen einer elektrischen Kraft, welche auf die Ladungen ausgeübt wird. Die Partikeln können zusätzliche Ladungen durch Zusammen-stösse mit Gasionen gewinnen, während sie an der Kathode haften. Dies würde die Haltekraft vergrössern, so dass sie nicht geneigt wären, sich entfernen zu lassen. Allerdings, falls der Staub einen sehr hohen Widerstand aufweist, kann eine überschüssige, lokale Feldstärke aus diesem Anwachsen von Ladung resultieren und kann einen schädlichen, lokalen Durchschlag bewirken. Ein örtlicher Durchschlag kann verhindert

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werden, indem die Dichte der Ionen im Strom des gasförmigen Mediums niedrig gehalten wird, mit der Ausnahme des Bereiches der anfänglichen Ladung der Partikel. Partikeln aller Grössen sammeln sich schnell an der Kathode 28, weil das elektrische Feld, welches nicht mehr auf den Wert von 4 kV/cm in der Masse des Gases durch die Bedingungen von Koronaentstehung an der Kante begrenzt ist, bis zwischen 13 bis 18 kV/cm anwachsen kann. Bei dieser bevorzugten Arbeitsweise deckt das hohe Feld tatsächlich alle Distanzen zwischen den Elektroden. Während die'vorstehende Beschreibung sich mit ziehenden positiven Ionen aus dem Bereich des neutralen Plasmas befasst, dürfte es einleuchten, dass die vorliegende Erfindung auch auf Ionen von negativer Polarität anwendbar ist. Allerdings, die Verwendung von positiven Ionen hat den Vorteil, dass Elektronen und negative Ionen zurückgezogen werden, und zwar gegen die Anoden und die Dicke des Bereiches von neutralem Plasma wird minimalisiert, wie dies gewünscht ist. Wie früher bereits erwähnt worden ist, unterliegt die Sättigungsladung durch den gewöhnlichen Mechanismus der Feldladung einer Begrenzung, welche durch die elektrostatische Abstossung zwischen den Partikeln, welche eine Ladung gewonnen haben, und zusätzlichen Ladungen, die sich dazu nähern, bewirkt ist.

Die Sättigungsladung an allen Partikeln ist viel grösser,

weil die mittlere, elektrische Feldstärke um etwa einen Faktor zwischen etwa 3 bis 5 vergrössert werden kann. Infolgedessen würde ein Maximum von zwischen etwa 60 und 80 Ladungen an einem Partikel von 0,3 Mikron in einem Feld von 18 kV/cm abgelagert, da nur etwa 20 bis 30 Ladungen typisch abgelagert werden, und zwar während des Überganges eines solchen Partikels durch einen gewöhnlichen elektrostatischen Niederschlagsapparat. In Anbetracht der Feldladung ist der anfängliche Ladungsbetrag durch folgende Gleichung gegeben dN/dt = 4,7 x 10~5 E Np£ D2 e + 2

wo D den Partikeldurchmesser in Mikron angibt, E ist die elektrische Feldstärke in Kilovolt per cm, t. ist die dielektrische Konstante der Partikel und N0 ist die räumliche Ionenkonzentration, gegeben durch die Anzahl von Einheiten per cm3. Die Werte für N0 betragen etwa 3 x 107 per cm3 in gewöhnlichen Niederschlagsapparaten. Im vorliegenden Fall ist N0 von der Feldstärke E gesteuert, während diese zwei Werte in gewöhnlichen Niederschlagsgeräten miteinander verkettet sind. Die Feldstärke kann unabhängig von N„ gesteuert werden, um besondere Vorteile zu erreichen, d. h. die Feldstärke kann vermindert werden, um den Leistungsverbrauch zu minimalisieren, oder sie kann vergrössert werden, um den Ladungswert zu ma-ximalisieren. Beispielsweise beläuft sich dN/dt in einem Feld von 18 kV/cm mit Nc von 3 X 107 cm3 zwischen etwa 800 und 2200 pro Sekunde für ein Partikel von 0,3 Mikron, so dass das Partikel seine Sättigungsladung von etwa 60 bis 80 sehr schnell ansteuert. Falls es aus anderen Gründen notwendig ist, das Feld zu vermindern, kann der Ladungswert durch Vergrösserung von N0 aufrechterhalten werden. Aus dem vorstehenden dürfte ersichtlich sein, dass eine grosse Abnahme der Ladungszeit sowie eine grosse Zunahme der Gesamtladung für ein Partikel von 0,3 Mikron Durchmesser sich ergibt, wenn dieses Partikel in grossen elektrischen Feldern geladen wird, welche in einem Kanal vorhanden sein können, wo Ionen durch Wirkung von hochenergetischen Elektronen aus einem Elektronengenerator erzeugt werden, dies im Vergleich mit kleinen Gesamtfeldern, welche für die gewöhnlichen Niederschlagsapparate kennzeichnend sind. Infolgedessen können Ladungen, welche durch den Elektronenstrahl erzeugt werden, jene Ladungen übertreffen, welche in den bisherigen Niederschlagsapparaten normalerweise verwendet werden, wobei diese erzeugten Ladungen sowohl hinsichtlich des Wertes, aber auch hinsichtlich des Maximums der Ladung innerhalb von annehmbaren Haltezeiten von Partikeln im Niederschlagsgerät erreichbar sind, und diese kann auch weniger Leistung während des Betriebes benötigen. Das elektrische Feld, welches auf diese Ladungen einwirkt, ist grösser um einen Faktor von etwa 4 und besorgt eine durchschnittliche Niederschlagsgeschwindigkeit, welche etwa 12mal grösser als jene ist, welche bei Partikeln von 0,3 Mikron in bisher gewöhnlichen Niederschlagsgeräten erreicht werden konnten. Allerdings solange nur eine der zwei Oberflächen diese Partikeln sammelt, vergrössert sich der effektive Sammelwert pro Einheitsbereich nur um einen Faktor von etwa 6. Eine alternative Ausführung, bei welcher zwei Elektronenkanonen an einander gegenüberliegenden Seiten einer zentralen Sammelkathode angeordnet sind, würde den Sammelwert um einen Faktor von etwa 12 vergrössern. Oder ein Elektronenstrahl kann durch die Mitte des Niederschlagsapparats geführt werden, um Plasma zu erzeugen. Jede Elektrode würde dann die zu ihr entgegengesetzt geladenen Partikeln anziehen und diese würden aus dem gasförmigen Medium ausgefällt. Bezugnehmend auf Fig. 1 dürfte einleuchtend sein, dass das dünne gekrümmte Fenster 24 für den Elektronenstrahl vorteilhaft mit einer dünnen metallenen Anode 26 gedeckt ist, um das belastete Fenster 24 vor angreifenden Gasen und grossen Partikeln im gasförmigen Medium oder Ausfluss zu schützen. Die dünne flache und eine Abdeckung bildende Anode 26 bildet ebenfalls eine ruhigere Verteilung des elektrischen Feldes und dadurch erlaubt sie eine höhere mittlere Feldstärke.

Bezugnehmend auf Fig. 2, welche eine Ausführungsform der Einrichtung darstellt, die zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens verwendbar ist, besitzt die Einrichtung 40 einen Einlass 42 bei ihrem unteren Ende und einen Auslass 44 an ihrem oberen Ende, wobei das gasförmige Medium oder Ausfluss vertikal aufwärts, wie durch Pfeile gezeigt ist, fliesst. Der gasförmige Staub enthaltende Ausfluss fliesst vorteilhaft im Niederschlagskanal mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 10 Meter pro Sekunde. Ein Elektronen-Generator 48 ist angeordnet, um den Ausfluss zu bestrahlen, während sich dieser im Kanal 46 befindet. Es ist eine Kathode vorgesehen, welche, wie dargestellt, die Form eines flexiblen, rostfreien Stahlgürtels 50 hat, welcher über obere und untere Rollen 52 und 54 geführt ist, wobei eine der unteren Rollen durch einen Motor 56 angetrieben wird. Der Gurt hat eine Frontseite, welche dem gasförmigen Medium oder Ausfluss ausgesetzt ist, welche Staub von hohem Widerstand enthalten, welcher Gurt durch den Kanal geht; der Gürtel hat eine hintere Seite, die sich ausserhalb des Kanals befindet und ermöglicht, dass die Partikeln vom Gürtel entfernt werden können, bevor der Gürtel in den Kanal Wiedereintritt und erneut dem Ausfluss ausgesetzt wird. Einer der Vorteile des in Fig. 2 dargestellten Gerätes beruht darin, dass dieses verhältnismässig niedriger ist im Vergleich mit den weniger effektiven bekannten Niederschlagsgeräten mit vergleichbarem Durchsatzwert.

Bezugnehmend auf die in Fig. 3 im Schnitt dargestellte Einrichtung, welche im allgemeinen mit 60 bezeichnet ist, bewegt sich ein gasförmiges Medium oder Ausfluss in Richtung gegen den Leser. Wie dies mit Hilfe von gekrümmten Pfeilen in der Einrichtung dargestellt ist, erhält der Ausfluss vorteilhaft ein bisschen Turbulenz, so dass eine beträchtliche Mischung der Partikel erfolgt, wenn sie durch die Einrichtung durchgehen. Als Folge der Mischwirkung treiben die Partikeln herum und gelangen in die Nähe der negativ geladenen Kathoden 62 als auch der positiv geladenen Anode 64 während ihres Durchganges. Die Turbulenzwirkung beseitigt Partikel aus dem Bereich der neutralen Ladungsdichte in der Nähe des Fensters des Elektronenstrahls und bringt sie durch den Bereich der positiv geladenen Dichte bis in das Innere des nahen s

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Bereiches der Kathoden. Dies erlaubt sämtliche Partikel an die Kathoden anzuziehen, so dass sie der Ausfällung aus dem gasförmigen Medium unterworfen werden können, bevor dieses aus dem Auslass herausgeführt wird. Obwohl die schematische Darstellung in Fig. 3 weder die seitlichen noch die anschlies- s senden Wände der Einrichtung zeigt, dürfte es einleuchten,

dass die Elektroden 62 und 64 innerhalb der äusseren Seitenwände angeordnet sind, welche den Fluss des Ausflusses durch die Einrichtung führen. Die Elektronen-Generatoren enthalten eine Anzahl von dünnen Drähten oder aufgerauhten Stan- io gen 66, welche in evakuierten Röhren 68 in der Oberfläche der Anode 64 eingeschlossen sind. Diese Drähte sind klein und auf ein genügend grosses negatives Potential geladen, derart, dass sie dadurch Feldemissionelektronen emittieren können. Oder die Drähte 66 können geheizt werden und dabei 15 Elektronen thermisch emittieren. Diese Elektronen werden zu den Röhren 68 der dünnen Anodenwand angezogen, und da es eine grosse Spannungsdifferenz gibt, haben sie genügend Energie, um die dünne Metallanode 64 durchzusetzen. Anodenträger (nicht dargestellt) bestehen aus Verstärkungsrahmen aus Metall, welche in gleichen Abständen in den Röhren 68 angeordnet sind. Die Arbeitsweise ist im wesentlichen ähnlich jener, welche im Zusammenhang mit der Einrichtung aus Fig. 1 bereits beschrieben worden ist. Der Vorteil der Ausführung gemäss Fig. 3 beruht darin, dass, falls die Vacuumdicht-heit in der Nähe der Drähte 66 verschlechtert wird, die Spannung von dem beschädigten Draht 66 entfernt werden kann, ohne dabei die Arbeitsweise der Einrichtung wesentlich zu beeinträchtigen.

Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte ersichtlich sein, dass das Verfahren und die Einrichtung für elektrostatische Abscheidung von Partikeln aus einem Partikel tragenden gasförmigen Medium viel wirksamer als die bisherigen Ausführungen sind und dass sie wirksamer in der Beseitigung von besonders kleinen Partikeln sind, sogar von so kleinen Partikeln, deren Durchmesser etwa 0,1 Mikron beträgt. Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung eine schnelle Ladung und schnelle Abscheidung von so kleinen, aber auch von grossen Partikeln und sie ermöglicht einen schnellen Durchsatz des gasförmigen Mediums oder Ausflusses.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum elektrostatischen Abscheiden von Teilchen aus einem gasförmigen Medium, welches diese Teilchen trägt, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in eine Abscheidestation (10) geführt wird, wo die Teilchen in einen ersten Bereich gelangen, der Ionen von nur einem Vorzeichen enthält, dass dem Medium aus einem Elektronenstrahl-Gene-rator (20) Elektronen zugeführt werden, um Ionen beider Vorzeichen in einem zweiten Bereich zu erzeugen, wobei dieser zweite Bereich sich in der Nähe des Generators (20) befindet, dass die Ionen mit nur einem Vorzeichen im ersten Bereich aus diesem zweiten Bereich zugeführt worden sind, dass das Medium der Einwirkung eines im wesentlichen gleichmäs-sigen elektrischen Feldes ausgesetzt wird, um die Ionen des einen Vorzeichens bis zu den Teilchen zu führen, und dass das elektrische Feld bewirkt, dass die geladenen Teilchen von einer oder mehreren Elektroden (28) angezogen werden, welche hinsichtlich der geladenen Teilchen eine Ladung von entgegengesetzter Polarität haben, um dadurch die Teilchen vom Medium zu trennen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen eine Energie zwischen 1 KeV und 12 Kev pro cm Elektrodenabstand und dass die Elektronen einen Strompegel von 1 Mikroampère pro m der Elektrodenbreite senkrecht zur Gasstromrichtung aufweisen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich an einer oder mehreren Elektroden (26) angrenzt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Station wenigstens eine negativ geladene Elektrode (28) aufweist und dass diese Elektrode die umgekehrt geladenen Teilchen anzieht.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des zweiten Bereiches gegenüber dem Volumen des ersten Bereiches klein ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des zweiten Bereiches kleiner als etwa 10% des Volumens des ersten Bereiches ist.
7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Einlass (12) für die Aufnahme und einen Auslass (14) zur Entweichung des Mediums, durch eine mittlere Partie zwischen dem Einlass und dem Auslass zur Führung des Mediums durch die Einrichtung, durch wenigstens eine positive Elektrode (26), die in der mittleren Partie angeordnet ist, durch wenigstens eine negative Elektrode (28), welche in der mittleren Partie angeordnet ist, um jene Teilchen des Mediums anzuziehen, welche eine positive Nutzladung haben, durch Mittel zum Anlegen einer Spannungsdifferenz an die Elektroden, um in der mittleren Partie der Einrichtung ein elektrisches Feld zu erzeugen, und durch einen Elektronenstrahlgenerator, um positive Ionen zu erzeugen, welche die Teilchen bombardieren und bewirken, dass sie von der negativ geladenen Elektrode angezogen werden.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen eine Energie zwischen 1 und 12 KeV per cm des Elektronenabstandes und dass die Elektronen einen Strompegel von 1 Mikroampère per m der Elektrodenbreite senkrecht zum Gasstrom aufweisen.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahlgenerator die Ionen in der Nähe der positiv geladenen Elektrode erzeugt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (26, 28) im wesentlichen planar und parallel zueinander sind und dass sie gekrümmte Kanten aufweisen, um ein im wesentlichen gleichmässiges elektrisches Feld dazwischen zu erzeugen.