JPS594184B2 - 静電沈殿方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 静電沈殿は移動するガス体から固体又は液体粒子を分離
する最も実際的方法として商業的プロセスで今日広く受
は入れられている。

基本的に沈殿プロセスは流出空気汚染作用の影響を減少
させ、許容環境基準を維持し、他方さもなければエコロ
ジー的観点から禁忌される様な便利で経済的な工業燃料
の使用を可能とすることを目的とする。

第２には、沈殿によって回収された物質それ自体の経済
的価値を利用することにある。

しかしながら、静電沈殿の基本から約５０年前から知ら
れ、今日までの間そのプロセスの相当の商業的発達があ
ったにもかかわらず、沈殿の効率はなお望ましい水準以
下である。

この様に非汚染許容基準に達するためには、現在の沈殿
装置は大きく且つ高価なものとならざるを得ない。

作用の改善を達成し得る理論的考察を示す。

静電沈殿装置の効率は次の式で表される。

ここで、Ａ−収集面積（ｍ′） Ｑ−流れの割合（ｒｒＶｓｅｃ） Ｖｄ＝移動速度（ｍ ／ ｓｅｅ ） ＡとＱは実在の装置によって与えられるので、移動速度
（ｄｒｉｆｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ） Ｖｄを増すこ
とによって効率を増大させることが考えられる。

移動速度は次の式で表される。

ここで、ｑ−粒子当りの電荷（クーロン）Ｅ＝電界（Ｖ
ｏｌｔ ７ｍ ） π２動粘性（ｋｇ／ ７７１ Ｈｓｅｅ ）ｒ−粒子半
径（ｒ！ｔ） 粘性を調整することは、特にすでに存在するシステムに
おいては、困難であるので、移動速度を増すためには平
均電界Ｅと粒子の電荷ｑを増すことが必要である。

粒子は電気的付着手段によって周囲のガス分子から形成
される負イオンによって帯電される。

粒子当りの電荷は次の式で表される。すなわち少くとも
０．５ミクロンの直径の粒子に対して、 ここでεｒ＝粒子の比誘電率 ｔ＝帯電時間（ｓｅｅ ） クーロン ε〇−真空の誘電率−ｓ、８５ｘ１０ ”’（）−ｍ Ｎ−イオン集中度（１ｍ３のイオン当り）ε＝主電子電
荷＝１．６Ｘ １ ｇ−１９（クーロン）Ｋ＝イオンモ
ビリティ（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ）（ｍ／Ｖ ＠ ｓｅｅ
） 式ｒｍ）は粒子の電荷が電界強度Ｅに比例することを示
している。

式ｉ）より移動速度は電界強度の二乗に従って変化し、
そして＃ｉ）より効率は電界強度の影響の強い関数であ
ることがわかる。

効率の相当の増大は沈殿ダクト内部の平均電界を増すこ
とによって得ることができる。

今日大半の沈殿装置は５から１０ＫＶ／ｃＩｒＬの電界
レベルで機能している。

これは大気条件下の空気中で均一電界ギャップの破壊（
ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ）電界の十〜↑である。

慣用的沈殿装置においては実際の電界強度と理想的に到
達しうる強度の間のこの大きな不一致は固有のものであ
り必要である。

というのは電界はコロナ放電を介して電子の供給作用を
行わなければならないからである。

このようなコロナ帯電は帯電々極の近辺で不均一電界を
必要とする。

もつとも高いポテンシャルレベルがシステムの破壊許容
量を越えることができないので、この不均一さの必要性
は不幸にも減少した平均電界を伴うことになり、それ故
粒子帯電能力を減少し、かつ粒子を収集電極に移送する
能力を減少させる。

本発明の真髄は、（ａ）粒子の帯電及び粒子の収集電極
への移送と、（ｂ）コロナによる電子の供給との沈殿装
置内部の手段を分離することにある。

第１のｍ目ま比較的均一な直流電界によって実行される
。

（ここで“直流°“とは一方向電流を意味し振幅が一定
であることを必要とせず、特に全波整流又は部分的に整
流された交流も含む。

）帯電と移送の効率は高い平均電界によるのが好ましい
ので、電極は均一で高強度の電界を引き起すように設計
される。

多くの慣用の沈殿装置ではこのことはダクト中のワイヤ
の本数及び／又は直径を増すことによって達成されるで
あろう。

粒子を帯電するに必要なコロナ電流の供給、即ち上記第
２の機能はその直流電圧に重畳される独立に変化できる
ポテンシャルによって達成される。

重畳ポテンシャルは短時間のパルス状のものである。

この様に誘起されるパルス状電界は前記の基礎となる直
流電界の２倍又は３倍とすることができる。

というのはガスの絶縁破壊強度は短時間のパルス状ポテ
ンシャルに対しては高いからである。

（この点については、Ｆｅ１ｓｅｎｔｈａｌ ａｎｄ
Ｐｒｏｕｄ著の” Ｎａｎｏ ５ｅｃｏｎｄ Ｐ ｕ
ｌ ｓｅ Ｂ ｒｅａｋｄｏ ｗｎ １ｎＧａｓｅ
ｓ ”、Ｐｈｙｓ、 Ｒｅｖ、 ｐ １７９６．５ｅｐ
ｔ 。

１９６５を参照） 帯電及び移送機能を電子の供給から分離することは次の
様な多くの利点がある； ■、現在存在する静電沈殿装置を装置の主要な変更の必
要なしに本発明の方法に適用させることができる。

本発明の電気回路は極めて簡便で、その具体例が第１図
及び第２図に添って後述される。

２、慣用の沈殿装置では作用電圧はガスの破壊電圧の近
くに選ばれている。

もしこの電圧がある値より低いと、コロナによる電子の
発生は停止し沈殿装置は機能しない。

この様な慣様の沈殿装置は電極のよごれに非常に鋭敏で
、作用電圧に影響する。

本発明に従ウシステムでは、パルス状電界をコロナ電流
が実質出金ての操作条件下で保証される様に土部高く選
ぶことができ、そして直流電界の作用範囲は大きく増大
する。

３、 コロナの作用は平衡状態まで粒子を帯電させるた
め荷電キャリヤーを供給するものである。

この作用を満足に行うに必要な最低レベルを大きく越え
て荷電キャリヤの数を増大させることはさほど有利では
なく、単に粒子が平衡帯電レベルに達するために必要な
時間を短かくするのに役立つに過ぎない。

この関係は式（ｉｉｉ）で量的に定まり、式（Ｉｌｌ）
は平衡帯電が電界と粒子半径と多少であるが粒子の誘電
率にのみ依存することを示している。

粒子を平衡状態まで帯電させる時間（約２ ｍ ｓｅｃ
）は粒子横断時間（典型的には約５Ｏｒ７１ｓｅｃ＞
に比べて短いので、より早く帯電させることによる効率
の増大は最小である。

更に、余りに多くの荷電キャリアを供給することは１１
バツクコロナ＋１を生ずることによってシステムの効率
に悪影響を及ぼす。

°′バックコロナ°“は、収集ダストの抵抗力が十分高
く、ダスト層を通る電流がこの層を横切るポテンシャル
の低下をこの層の電気的破壊強度を越える値になるまで
増大させた時に起きる。

１１バツクコロナ″の現像は、ダスト抵抗値が約２×１
０３Ω・αを越えた時慣用的沈殿装置において特に厄介
なものとなる。

本発明ではコロナ電流の平均値は直流電界とは独立に精
密に調節可能である。

これは重畳パルス状電圧、パルス幅又はパルス繰返数を
調節することにより行うことができる。

これらでパルス電圧の調節が最も重要である。

というのはコロナの発生はピーク電圧に指数関数的に関
係しているからである。

第１図及び第２図を参照すると、典型的静電沈殿装置２
の電極配置１が示されている。

本発明は慣用的電極構成を使用することも可能であるが
、しかしながら後述の如くある場合には慣用的電極構成
を修正するのが好ましい。

必須の構成として、静電沈殿装置は接地収集プレート４
に囲まれた単一のコロナワイヤ３で構成される。

ワイヤ３と周囲収集プレート４の間に発生するコロナ放
電がイオンを生産する。

そしてこれらのイオンは粒子を電気的に帯電させるのに
用いられ、この粒子の帯電は、コツドル（Ｃｏｔｔｒｅ
ｌｌ ）、又は一段ステージ沈殿装置では、コロナ電極
３と収集電極４の間で生じ、いわゆる二段ステージ機構
（図示されず）では粒子の帯電は分離した領域で起きる
。

本発明は基本的には一段ステージ沈殿装置に利用でき、
以下の説明はこれに限定して述べられる。

簡単なパイプ型沈殿装置は少量のガス流について、ミス
ト（ｍ１ｓｔ ）や煙霧（ｆｏｇ ）の収集、及び水洗
い電極を必要とする応用に利用され、沈殿ユニットとし
て１対の平らな収集プレートの間に平行に配置された複
数のコロナワイヤを有するダクト型沈殿装置は大量のガ
ス流にろいて、ドライ収集と時には水洗い利用のために
用いられる。

本発明は沈殿装置の特定の型に限定されるものではない
が、ダクト型沈殿装置を特に参照にして記述される。

オゾンの発生が望ましくない所のある室内のユニットに
おいては正１圧がコロナワイヤに供給されるが、一般に
工業的ユニットでは適当な電圧発生器５によってコロナ
ワイヤ３に負電圧が加えられる。

電圧発生器５は高圧ケーブル６によってコロナワイヤに
負電圧を送り、収集電極即ちプレート４は一般に接地さ
れる。

ダクト沈殿装置において、収集プレートは、高さ６フイ
ー）（１８３ｃＩｒＬ）幅２乃至３フイーｔ’（６０，
９ＣｒｆＬ乃至９１．５ＣｒｒＬ）から、高さ２０乃至
２５フイー（６１ｏｃｍ乃至７６２ＣｒｒＬ）幅６乃至
８フイート（１８３ｃＩｒＬ乃至２４４ｃｆｒＬ）まで
寸法が異なる。

異型的収集プレートは、第２図に示される様な、いわゆ
るオプゼル（０ｐｚｅｌ ） 、又は伸張された金属、
棒状カーテン及びＶｅｅ 型のものを含む。

多くの工業的沈殿装置ではスチール又はスチール金属コ
ロナワイヤの約０．１インチ（２，５ｍｍ）の直径のも
のが使用される。

コロナ電流はコットレル又は一段ステージ沈殿装置につ
いては３０ＫＶから１００に■程度の電圧で通常放電ワ
イヤ１フィート当り０．０１ｍＡから１ｒｆＬＡの範囲
にある。

基本的に電圧供給手段５はコロナ電極３に負電圧を供給
し、通常一定の直流は用いられず、むしろ高電圧のｒ過
されない整流器セットが重畳されるリプル波形（ｒｉｐ
ｐｌｅ ｗａｖｅ ｆｏｒｍ）を有する直流を送るの
に利用される。

最近高出力レーダ装置にいく分類似したパルス方法で、
例えば、１００ ミＩＪ ｓｅｅのパルス時間で１秒間
に１００個のパルス周波数で作用する方法が提案されて
いる。

パルス型波形はなお一般には用いられず、一般には、慣
用の１秒当り６０サイクルが今日の沈殿装置で使用され
る。

本発明を具体化する１つの電気回路が第３図に示されて
いる。

１０で示される部分には慣用の静電沈殿装置の基本的要
素が含まれている。

ここには交流動力源口、変成器（トランスホーマー）１
４及び整流器１６を含み、沈殿装置の電極１８を活性化
する直流波形を発生させる。

接地ポテンシャルの収集電極は実質上平行な複数のプレ
ートをしばしば含む。

互いに平行で且つプレート電極に平行な多数の高ポテン
シャルワイヤ電極は、プレートの間に通されている。

沈殿装置の電極は、粒子を含むガス流がプレート電極の
間を流れそして高ポテンシャルワイヤを通過する様に位
置決めされる。

例えば、電極は燃料排出ガスが排出煙突群又は煙突に向
って移動する時通過する室の中に位置決めされる。

電極の近くで、ガス流に含まれた粒子は帯電されそして
流れからはずれて接地ポテンシャルの収集電極に移送さ
れる。

粒子はダストとしてプレート上又は室の床の上に集まる
。

収集電極は、粒子の収集を改善し、粒子の再混入を減ら
し、又は他の方法で沈殿装置の仕事を改善するため、平
面とは異なるいろいろな設計が可能である。

この様な修正、例えば、Ｖ字型プレート、伸張金属プレ
ート、棒状カーテン、オプゼル（Ｏｐｚｅｌ）シールド
プレート等も本発明の使用に適する。

第１図と第２図の沈殿装置は単に本発明の１つの可能な
応用を示すものである。

上記の慣用的沈殿装置要素に組合せて、本発明は一般に
２０で示される様なパルス形成回路網を含み、それはパ
ルス状コロナ電流を供するのに役立つ、パルス形成回路
網は２０で示された様なコンデンサとインダクタンス素
子のシステム、又はケーブル、又は当技術分野の者にと
って容易に明白である任意の適当なパルス発生システム
であってよい。

パルス形成回路網への動力の供給は多くの場合便利なの
で基礎をなす直流電界に対するのと同じである。

しかしながら、交流動力源はパラメータ及び特別なシス
テムの設計により必要とされる様に供給される。

２２で示されるスイッチは活性化されると基礎をなす直
流波形にパルス電圧が重畳される。

インダクタンス、キャパシタンス及び抵抗回路素子２４
，２６，２８はそれぞれ直流回路からパルス形成回路網
を隔離するのに役立つ。

他の具体例が第４図に示される。

交流動力源１２、変成器１４、整流器１６及び沈殿電極
１８を含む慣用的沈殿装置の回路は重畳されるパルス状
電界を形成するためパルス変成器３０と直列に組合され
る。

収集電極間のダクト中のワイヤの間隔を減少することに
よる電界に及ぼす効果が第５図及び６図に示されている
。

第５図において、５０ＫＶのポテンシャルレベルのコロ
ナワイヤは８インチ（２０，３ＣｒｒＬ）のダクト中で
６インチ（１５，２（１７７１）間隔をおかれている。

実線は等電位曲線を表す。第６図は８インチ（２０，３
ＣｒＩｌ）のダクト中で３インｆ （７、６ｃ＊ ）の
間隔をおいたコロナワイヤの同様の構成を示す。

この等電位曲線は、第５図の場合より、ダクト内部でよ
り均一に間隔をあげ且つダクトのプレートにより平行に
近い。

第５図は今日の多くの慣用的沈殿装置のダクトとワイヤ
間隔を示すものである。

第６図は本発明に従う沈殿装置に採用される有利な配置
を示すものであり、上述した様に、粒子の帯電及び移送
機能をコロナ電流の供給機能と分離したため、前者の機
能を達成する比較的高く、均一で且つそれ故より効率的
直流電界を採用できる。

本発明について最善のワイヤ間隔を一般に述べることは
できないが、典型的ダクト−ワイヤの配列においては隣
接したワイヤの間の距離がダクト幅の半分以下であるの
が好ましい。

慣用的沈殿装置のダクト内のワイヤの直径は一般に約１
／１０インチ乃至１／８インチ（２，５ｍｍ乃至３．２
ｍｍ ）の太さである。

比較的高いポテンシャルの均一の直流電界を得る本発明
の目的に従うと、本発明を具体化した沈殿装置では太さ
の増したワイヤから構成されるのが好ましい。

例えば、多くの試験では、３／１６乃至５／１６インチ
（４，８ｍｍ乃至７．９ ｍｍ ）の太さのワイヤが第
６図のシステムに適することが分った。

より均一な直流電界を得る目的に加えて、ワイヤの太さ
を増すことは振幅を減らしワイヤの疲労特性を改善する
。

更に、ワイヤは必ずしも円形断面のものでなくて、沈殿
装置の特別の形状やパラメータに依存して他の形が採用
されてもよ（、それによって十分大きなコロナ電流の発
生が可能でありながら望ましい直流ポテンシャル勾配が
達成される。

第５図り配置に組合される様な慣用的沈殿装置では、ワ
イヤに加えられる電位は約５０ＫＶであるという点から
見ると、本発明に従う沈殿装置ではワイヤの電位はもつ
と高く、ダクトのガスの破壊強度によってのみ制限され
る。

実験ではワイヤに７０ＫＶ又はそれ以上の電圧を加える
ことが適することが示された。

粒子の帯電のためのイオンを供給するに必要なコロナ電
流は、第３図に２０で示されるパルス形成回路網や第４
図に３０で示されるパルス変成器の様なパルス発生機構
によって重畳されるパルス状高ポテンシャルによって得
られる。

それによって誘起されるパルス状電界は、パルス状ポテ
ンシャルが短時間であるのでダクト内部のガス破壊を起
すことなく、基礎となる直流電界より相当高いものとな
る。

より特徴的には、重畳される電圧は基礎となる直流ワイ
ヤ電圧の少くとも１０％であり、典型的には直流ワイヤ
電圧とほぼ同じ大きさであってよい。

例えば、試験によると第６図に類似した装置で７０に■
の直流ワイヤ電位に７０ＫＶのパルス状電圧が重畳され
るのが適することが示された。

重畳されるポテンシャルはパルス幅１０−９乃至１Ｏ−
３ｓｅｃ のものが好ましい。

典型的なパルス波形は１００ナノセカンドのオーダのも
のである。

急上昇前面を有するパルス波形の実験では波形の後の部
分はコロナ電流への寄与は比較的小さいことを示してい
る。

指数関数的に減衰する波形、又は減衰発振波形でさえ適
し、波形のより狭い領域が利用される。

重畳されるポテンシャルのパルス繰返数は少くとも１秒
当り６０パルス（６０ｐｐｓ ）でなければならず、も
つと高（数百ｐｐｓのオーダであることが好ましい。

パルス繰返数が低く、はぼ基礎となる直流波形の繰返数
に近い場合には、電極間の容量を維持し全粒子流を流す
のを助けるために重畳パルスを直流波形の最大位置に同
期させる必要がある。

パルス繰返数のより大きい場合には、この困難さは回避
される。

これまで記述された本発明の詳細な説明のための例であ
って、これによって本発明が制限されるものではない。

前記の具体例から離れることが特別な環境やパラメータ
に本発明を適用することになり、この様な適用が特許請
求の範囲に規定された本発明の思想から離れることな（
行われることは、この技術分野に属する者にとって明ら
かであろう。

本発明の実施態様は次の通り。

（１）設置された静電沈殿装置の粒子収集効率を増す方
法において、絶縁された電極配列中のワイヤの数を実質
上増大させ、それによって接地粒子収集電極と該配列の
間の静電界分布をより均一化させ、他方でそれによって
該電極配列に印加される正常整流直流作用電圧によるコ
ロナ発生能力を不十分のレベルに減少させそして短時間
の高電圧パルスの連続的繰返しを帯電し且つ絶縁された
該電極配列に重畳することより成る方法。

（２）実施態様１に従う方法５において該繰返しパルス
状ポテンシャルは少くとも該基礎となる直流電界に関連
するポテンシャルの少くとも１０％であることを特徴と
する方法。

（３）実施態様１の方法において、該繰返しパルス状ポ
テンシャルは少くとも５０ ｐｐｓの繰返数を有するこ
とを特徴とする方法。

（４）実施態様１の方法において該電圧パルスは１００
マイクロセカンド以下のコロナ引起し時間を有すること
を特徴とする方法。

（５）実施態様１に従う方法において、該電圧パルスは
正常直流源とは独立の、直流ブロッキング回路素子によ
って分離された動力源によって発生されることを特徴と
する方法。

（６）実施態様１の方法において、該絶縁された配列中
のワイヤの数は少くとも１．５倍に増大することを特徴
とする方法。

（７）実施態様１の方法において該ワイヤの数と寸法の
両者を少くとも１．５倍に増すことを特徴とする方法。

（８）大きな表面積の平行で間隔をおいた金属電極と比
較的小さい表面積の平行で絶縁され間隔のあいた金属配
列との間を流れるガスに含まれる粒子を帯電させ収集す
るための装置であって、該大きな表面積の電極は接地さ
れており、該絶縁された金属配列は整流された直流ポテ
ンシャル源に接続されており、 該絶縁された金属配列は繰返しパルス状ポテンシャルの
第２のポテンシャル源に接続されており、 該パルス状ポテンシャルは該直流ポテンシャルに重畳さ
れるが該ポテンシャル源は高い直流インピーダンスの回
路素子により互いに電気的に分離されている。

ことを特徴とする装置。

（９）実施態様８に従う装置で、該比較的小さい表面積
の絶縁配列は該太きい面積の接地された電極の間にほぼ
均一の電界を形成する様装置されていることを特徴とす
る装置。

００）実施態様８に従う装置で、該比較的小さい表面積
の絶縁配列は相当の粒子帯電電荷量は該繰返しパルス状
ポテンシャルの高電間期間の間のみコロナにより生産さ
れることを特徴とする装置。

０υ 実施態様８に従う装置で、該絶縁配列はワイヤの
間隔が隣接する接地電極の間隔の半分以下である様組立
てられていることを特徴とする装置。

（１２１実施態様８に従う装置で、該パルス状ポテンシ
ャルの大きさは該整流されたポテンシャルのピークポテ
ンシャルの少くとも１０％であることを特徴とする装置
。

σ３）静電粒子を、増大した効率で且つ減少したスパー
クの割合で収集する装置において、収集電極へ向う帯電
粒子の物理的動きの電気機械的機能は基本的には連続的
に加えられたほぼ均一の整流直流電界の作用により達成
され、粒子を帯電させる機能は基本的に該直流電界に重
畳されるパルス状電界の繰返しの短期間の間に達成され
、これらの分離した機能は同一の物理的空間内で且つ同
一の電界規定電極で達成されることを特徴とする装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は飛遊する灰の収集に用：いられる沈殿装置の典
型的なダクトの型の３次元的な図で、本発明の利用に適
するものを示す。 第２図は第１図のダクト沈殿装置のための電極の構成を
示す拡大図である。 第３図は本発明の回路の一具体例の概略図である。 第４図は本発明の回路の他の具体例の概略図である。 第５図及び第６図はプレート電極間の異なるワイヤ間隔
の構成に対する電解の形状を示す図である。 １・・・−電極配置、２・・・・・・静電沈殿装置、３
・・・・・・コロナ電極、４・・・・・・収集電極、５
・・・・・・電圧発生器、２０・・・・・・パルス形成
回路図、３０・・・・・・パルス変成器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの収集電極板と、 少なくとも１つのコロナ電極列と、 該受な（とも１つの板と該受なくとも１つの列との間に
   直流電圧を確立する手段とを具備し、該受なくとも１つ
   の板及び該受なくとも１つの列の幾何学的形状が、これ
   らの間に上記電圧が確立された際に、高密度で且つ均一
   な静電場を生成し、これによって、該受なくとも１つの
   コロナ電極列にての場を、生成されたコロナ電流が粒子
   を沈殿するのに不充分なレベルである程度に減少させ、 そして更に、上記均一な静電場に、重ね合わせ静電場を
   重ね合わせて、コロナを生成するに充分な強さの組み合
   わさった場を生成するための重ね合わせ手段を具備し、 該重ね合わせ手段が、充分高いパルス繰返し速度で上記
   重ね合わせ静電場をパルス的に生成して、該コロナ電流
   を粒子を沈殿するレベルで生成する手段を含み、 該受なくとも１つの列内における隣接する２つのコロナ
   電極間の間隔が該コロナ電極と該収集電極板との間の間
   隔より小さい ことを特徴とするコロナ電流によって粒子を静電的に沈
   殿させる静電沈殿装置。