CN101952041B - 使用优化发射位置的静电过滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明的装置在设备维修方面具有优点，因为其最大地限制了电极之间的电弧出现。该装置主要由装配有发射针部(11P和11P+1)的竖直阴极(10)组成，这些发射针部从一个平面向另一个平面以一定角度彼此偏移，以便最佳地分布在空间中。还考虑了一种使用两个平面阳极的实施方式，在两个平面阳极之间布置多个装配有这些针部的竖直阴极。

Description

使用优化发射位置的静电过滤装置

技术领域

本发明涉及产生有毒或者无毒的灰尘(例如，悬浮在流体中的颗粒)的工业设备的领域。这是对危险材料(例如，有机核废料、有毒工业废物或危险的原材料)的热处理的过程的情况。本发明还涉及静电过滤装置的领域，不管其具有板状结构还是管状结构。本发明还涉及任何气体电离装置。

背景技术

在许多上述设备中，存在对用于该设备的非常有效的过滤系统的需求，该过滤系统处理包含悬浮颗粒或灰尘的流体。已有的过滤系统很多，并被分成以下三类：使用机械装置的过滤器、使用流体的过滤器和使用物理现象的过滤器。最后一类尤其包括在热电厂和焚化单元中使用的静电过滤器，其具有工业尺寸，然而也具有小尺寸。

此类型的设备的主要优点是：首先，其在处理单元中不产生任何电荷损耗(perte de charge)，其次，其不需要使用通常导致成本增加和二次废物的过滤介质，必须对二次废物寻找出口。例如，关于危险废物(例如，放射性废物)的处理，二次废物的生产通常是设备的经济收益明显降低的原因。

静电过滤器的技术以包含在气体中的颗粒的电荷为基础，然后，所述颗粒在静电场的作用下朝着收集壁移动。通常用阴极进行电离，并且，使用阳极进行收集。两个电极之间的距离确保在不引起电荷损耗的情况下的气体流动。为了构成这些电极，最常使用的几何形状是“平面电线(fil-plan)”类型，其中，阴极的特征在于，其具有轴向对称的有线结构(structures filaires)，该有线结构设置在达到阳极电势的集电板之间。“圆柱形电线(fil-cylindre)”类型的几何形状很少实用，即使一样有效并且可能更容易维修。施加至阴极的电压的类型和此阴极的几何形状是两个基本参数，这两个基本参数管理静电过滤器的功能和耐久性。关于阴极，通常使用的几何形状是钨线或有刺(barbelé)类型的电线，其针部(pointe)随机分布并确保电极的更好的发射率。所施加的电压是直流型的，并限制于电极之间的空间中的击穿电压。

不管使用何种结构，所记录的效率(efficacies)都会很好，且超过99％。然而，实验表明，不可能长时间保持这种水平。图1给出了一个在管状类型的过滤器上进行的实验的结果，该过滤器具有大约300mm的直径，并且将其钨线电极保持在67kV。对于略超过5小时的时间内，在点1和4之间，能够看到，相关的效率逐渐降低，从99.6％落至93.6％。电压逐渐上升至80kV(能够在点5和6看到)，允许效率恢复至99％，但是，这在再次降低之前仅能维持几分钟。因此，电压电平处于其最大值，并开始产生不适当的电弧，电弧的出现导致效率的降低。为了将效率保持在其最佳水平，引导此类型技术的开发者和使用者执行相对重复性的清理(nettoyage)循环，该循环通常由结构的机械拍击(battage)来确保，从而导致或多或少地重新引起气态流体中的颗粒。

然而，在实验研究的过程中已经清楚地证明，静电型过滤器的性能下降与放电现象的变化相关，因为当灰尘堆积在两个电极的表面上时，形成具有或多或少的绝缘性质的层。因此，新电荷在此层上的堆积首先导致两个电极之间的电场的作用下降，从而导致带电荷的灰尘的移动减少，其次导致阳极沉积处的电场局部增强，从而产生正极性的放电。这些被称为“阳极反发射(contre-émissionsanodiques)”的放电的结果是，增大了注入过滤器的平均电流，同时减小其过滤效率。另外，正极化的放电主要在变得阻塞的过滤器的输入处出现。这些现象的直接后果是，与通常设置的结构相比，这种静电过滤器的有效部分限制在较短的长度。

图2A、图2B和图2C示出了此事实。实际上，参考图2A，当过滤器干净时，灰尘在其进入时带上电荷，并朝着壁部移动，以在阳极上形成层。当从该层清除灰尘时，其可能再次移动，以变得落在向上稍微更高的地方。因此，将在图2B中表示为1的层限制于过滤器的下部，在上部区域具有更散开的部分。

参考图2C，当层1变得过厚时，在下部中出现电弧现象2，这限制了整体的效率，并需要停止系统以进行清理。因此，位于所谓有效部分上方的区域(我们将其叫做“安全部分”3)，允许收集任何可能再次在气态流体中发射的灰尘。此区域事实上是无效的，并可通过优化阴极的几何形状及其控制来限制。

因此，本发明的目的是，通过提出其它类型的静电过滤器和发射电极来克服这些缺点。更具体地，本发明的目的是，将装置的有效区域延伸至电极的全长，其次是延迟导致效率降低的电弧通过，然后延迟用于清理装置所需的停止。

发明内容

本发明以与电源接合的阴极的使用为基础，该电源可能是混合的，即，直流的和/或脉冲的。这允许首先将有效区域延伸至静电过滤器的全长，其次是延迟导致效率降低的电弧通过并延迟用于清理的停止。这种阴极更有效，因为其能够轻松地使气态流体中的颗粒带电。

为此目的，本发明的主要目的是提供静电过滤装置，其具有至少一个安置在过滤通道中的发射阴极。阴极具有以偏移(décalée)形式分布在多个平面上的针部，并且所述针部从一个平面向另一平面在角度方向上偏移，电压具有至少一个直流分量。

根据本发明，电压还包含增加至直流分量并由发电机提供的脉冲分量，发电机确保非常陡峭的切断沿(front de coupure)，即，150ns级别的上升时间，并且，通过包括具有针部的多个平面的N个连续绝缘部分，将阴极分成多个部分。

在本发明的第一种类型的实施方式中，装置的通道是管状的，尤其其集电极阳极(anode collectrice)是管状的。阴极是单个阴极并且所述阴极在每个平面包括多个针部，这些针部从一个平面向另一个平面成角度地(angulairement)偏移。

在此情况中，一个优选实施方式为，在每个平面提供8个针部，每个针部彼此偏移45°，从一个平面向另一个平面设置22.5°的偏移。在此情况中，可设置：平面P的数量n等于30L/D.Lnd，L是管的高度，D是其直径，lnd是d的自然对数，d是针部的端点和集电极阳极的壁之间的距离。

在本发明的第二种类型的实施方式中，过滤通道由两个形成两个平行阳极的板限定，多个阴极在每个平面包括两个垂直于阳极彼此平行布置的针部，一个阴极的平面相对于相邻阴极的平面偏移。

在此情况中，如果同一阴极的平面之间的高度是h，那么，那么相邻阴极的平面相对于所考虑阴极的平面偏移h/2的高度。

在此类型的实施方式中，两个阴极之间的空间大约与将其与两个阳极板隔开的距离相等。

实现供电的第一方式是对整个阴极施加第一电压U₁，电压U₁是直流的并与击穿电压U_c的一部分(例如，70％)相等，并且所述第一电压被增加第二直流电压U₂，第二直流电压U₂小于或等于击穿电压U_c减去第一电压U₁。对每个部分施加此第二电压U₂，在第一部分一出现击穿以及然后在后续部分出现击穿时，就撤销此电压，并且，如有必要，直到不再有电弧为止。因此，在此第一情况中，第一电压U₁和第二电压U₂是直流电压。

对本发明的装置供电的第二方式是，使第一电压U₁等于击穿电压U_c的一部分(例如50％)，U₁是直流的并被增加第二确定脉冲电压U_p，使得第一电压U₁和第二电压U_p的和大于或等于击穿电压U_c。在每个部分处一出现电弧，就撤销每个部分中的第二确定电压U_p。

附图说明

结合附图阅读以下描述，将更好地理解本发明及其不同的技术特征，其中：

图1(已经描述过)示出了根据现有技术的一些过滤装置的效率；

图2A、图2B和图2C(已经描述过)示出了与在现有技术的装置中出现的现象相关的示意图；

图3A和图3B示出了与根据本发明的装置的第一实施方式相关的两个示意图；

图4A、图4B和图4C示出了与根据本发明的装置的第二实施方式相关的一些示意图；

图5示出了在根据本发明的装置上进行的试验的结果的图表；

图6示出了根据本发明的多种类型的装置的效率(rendement)的图表。

具体实施方式

决定设计一种能够以尽可能最简单的方式使气态流体中的颗粒带电的阴极。

如图3A所示，阴极由中央芯子(centrale)10组成，大量的针部(pointes)11固定在中央芯子10上，所述针部垂直于中央芯子10的轴线径向地延伸。在此图3A中，针部11看起来以22.5°的角度彼此成角度地偏移。此图3A实际上是俯视图，并且，看起来彼此连续偏移的这些针部是两个不同平面的针部，一个平面是顺序P，一个平面是顺序P+1。事实上，顺序P的平面的所有针部11P以45°的角度彼此成角度地间隔，所有针部11P都是如此。另一方面，在顺序P的平面的针部11P之间相对于顺序P+1的平面的针部11P+1具有22.5°的偏移。

图3B示出了具有其中央芯子10的相同阴极，将这些不同的针部11P和11P+1安置在圆柱形的空心阳极12内，该阳极的直径D大于针部11P和11P+1的长度的两倍。因此，这些针部11，11P+1的端点形成在空间中规则分布的发射位置。

在一般结构的一个更具体的实施方式中，两个平面P和P+1之间的距离可以是大约40mm，这允许每米有大约25个平面。可以用以下关系式来定义在具有高度为L和直径为D的阳极的这种过滤装置中所使用的平面P的数量n：

n＝30L/D.Lnd，d是针部11P和11P+1的端点与阳极12的内壁之间的距离，阳极12是集电极阳极。

将对阴极的供电分成N个绝缘部分13，N＝L/D。

参照图4A，根据本发明的过滤装置的第二主要实施方式使用板型过滤器。在此图中，可以分辨出板是阳极22，在板的前面竖直地布置阴极20。

图4B示出了此装置的俯视图。能够看到，两个平行的阳极22均由板组成，并且，在板之间是一行阴极20。这些阴极中的每个都包括多对针部21，相对于阴极20的芯子以径向方式且相对于两个阳极22垂直地固定至阴极20的芯子。与图3A和图3B所示的实施方式类似，阴极20的针部21分布在多个平面上。图4C示出了这些针部21R和21R+1在整个高度H上的分布。应当注意，对于行R的阴极，将针部21R定位在隔开确定高度h的若干平面中。

另外，阴极R+1具有针部21R+1，其也定位在间隔高度h的平面中，这些平面相对于行R的相邻阴极的平面偏移距离h/2。

实际上，对于具有10m高度的阴极的过滤器，具有2cm的针部，这些针部之间的距离可以是70mm。此距离根据针部的长度而改变，这本身也导致在此阴极中使用的电压的变化，尤其是击穿电压U_c。作为说明，可以考虑：两个集电极阳极22之间的距离是400mm，将阴极20定位在这两个阳极22之间的中间位置，即，在距离这两个阳极中的每个200mm处。明显地，气体的流动垂直于阴极，因为气流侧向地进入过滤器，如图4A和图4B中的箭头所指示的。在此情况中，在第一阴极20出现最大过滤。能够在两个或三个阴极的部分中对阴极的供电进行分区。

本发明的一个主要特征是，对过滤装置提供至少两种类型的电源，即，完全直流电源或由部分直流和部分脉冲构成的电源。这允许在过滤装置的全长上延伸有效区域，并允许延迟电弧通过。

第一种情况在于使用第一直流电压U₁，其电平等于击穿电压U_c的一部分(例如70％)，在此电平出现电弧。第一直流电压U₁由通过以下公式定义的第二直流电压U₂来补充：

U₂≤U_c-U₁。

对根据本发明的此静电过滤装置供电的第二方式是使用第一直流电压U₁，其电平等于击穿电压U_c的一部分(例如50％)，该第一直流电压由最大值为U_p的脉冲电压增大，通过以下公式来定义：

U₁+U_p≤U_c。

在此第二情况中，由发电机提供脉冲电压，发电机确保150ns级别的上升时间，即，非常陡峭的切断沿，具有kHz级别的频率。在根据本发明的过滤装置的使用模式中，提供使用这样的电源装置：当在这些部分中出现电弧时，电源装置撤销阴极的部分中的第二电压U₂或U_p。为此，一个或多个阴极被用电地分成确定数量的N个部分。

当出现在过滤装置的第一部分中的电弧的数量变得过高时，例如，每秒1个电弧，在此部分中停止供应第二电压，而保持第一电压的供应。然后，对此部分仅供应第一电压U₁。以此方式在整个装置中进行过滤，并继续直到最后一个部分中的电弧的数量超过固定极限为止。此时，必须清理整个结构。

图5清楚地示出了在管状阴极(例如图3所示的)上进行多次实验测试之后所获得的结果。更精确地，根据不同的阴极形状能够看到阴极效率的变化，即，管状阴极(曲线31)、由螺杆组成的阴极(曲线32)、根据本发明的直流供电的阴极(曲线33)以及根据本发明的由直流和脉冲电压供电的阴极(曲线34)。电压的最大值取决于阴极和阳极之间的距离。可以看到：当对本发明的阴极供应直流和脉冲电压时(曲线34)，效率更高。还可看到：对于基本的电压电平，脉冲部分确保了接近90％的效率。

图6示出了对于给定结构，阴极+直流电压和脉冲电压耦合的全部优点。其允许比其它电极长得多的工作时间，在限制为8小时的实验周期的过程中，不会降低效率。在分区阴极上这种电压耦合的应用，确保非常长的持续时间。更精确地，此图6示出了阴极效率根据几何形状和所施加电压按照工作时间的变化。曲线41与由凹口管实现的阴极的几何形状相关，曲线42与根据本发明的供应有直流电压的阴极相关，曲线43与根据本发明的供应有直流和脉冲电压的阴极有关。击穿电压U_c的值取决于阳极和阴极之间的距离。

Claims (9)

1.一种静电过滤装置，其装配有至少一个发射阴极，所述阴极安置在过滤通道中，且具有以偏移形式分布在多个平面P上的针部（11，11P，11P+1，21，21R，21R+1），所述针部从一个平面向另一平面成角度地偏移并在第一直流电压U1下放置，

其特征在于，对所述第一直流电压U1增加脉冲分量，所述脉冲分量由发电机提供，所述发电机确保非常陡峭的切断沿，即，150ns级别的上升时间，并且，将至少一个阴极分成确定数量的N个绝缘部分，并且其中，所述针部垂直于所述阴极的中央芯子的轴线径向地延伸。

2.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤通道是管状类型的，即，由管状阳极（12）制成，所述阴极是单个阴极并且所述阴极在每个平面均具有多个针部（11，11P或11P+1），所述针部从一个平面向另一个平面成角度地偏移。

3.根据权利要求2所述的过滤装置，其特征在于，所述阴极在每个平面具有8个针部（（11，11P）、（11，11P+1）），每个针部彼此偏移45°，一个平面P的针部相对于另一个平面P+1的针部的偏移是22.5°。

4.根据权利要求2所述的过滤装置，其特征在于，平面的数量n等于30L/D*lnd，L是所述管状阳极（12）的长度，D是所述管状阳极（12）的直径，d是将针部（11，11P，11P+1）的端点与所述管状阳极（12）的内壁隔开的距离，lnd是d的自然对数。

5.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述通道由两个形成彼此平行的阳极（22）的板限定，所述装置使用多个阴极（20），并且所述阴极在每个平面均包括两个针部（11，11P，11P+1），所述两个针部垂直于彼此平行的阳极布置，行R的阴极的平面相对于行R+1的相邻阴极的平面偏移。

6.根据权利要求5所述的过滤装置，其特征在于，h是分隔同一阴极（20）的针部的两个平面的高度，行R和行R+1的两个电极之间的平面的偏移是h/2。

7.根据权利要求6所述的过滤装置，其特征在于，不同的阴极（20）彼此间隔一定的距离，该距离与将阴极（20）和阳极（22）隔开的距离相等。

8.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，由第一直流电压U1和作为所述脉冲分量的第二电压U2对N个绝缘部分供电，所述第一直流电压U1等于击穿电压Uc的一部分，所述第二电压U2≤击穿电压Uc减去所述第一直流电压U1，各部分上的第二电压U2也分别是直流的，当在连续的后一个部分中出现电弧时，撤销所述第二电压U2，并且，所述过滤装置具有当在每个部分中出现电弧时，连续停止至少一个阴极（20）的每个部分中的第二电压U2的装置。

9.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，对至少一个阴极（20）供应第一直流电压U1，所述第一直流电压等于击穿电压Uc的一部分，所述第一直流电压被增加作为所述脉冲分量的脉冲电压Up，所述脉冲电压Up通过以下公式定义：

U1+Up＞Uc

并且，所述过滤装置具有当在每个部分中出现电弧时，连续停止至少一个阴极（20）的每个部分中的脉冲电压Up的装置。