[发明专利]改进的颗粒物质控制设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年2月11日提交的美国临时专利申请号61/303,493和2010年6月11日提交的美国专利申请序列号12/814,046的优先权，两篇申请的内容藉此通过引用并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

基于美国能源部合作协议号DE-FC26-98FT40320，基础合作协议，任务2.5——对于柴油系统的排放控制，在美国政府支持下，做出本发明。美国政府在本发明中具有一定的权利。

发明领域

本发明涉及颗粒材料的收集，并且特别地，本发明涉及用于收集夹带于气流中的颗粒的设备和方法。

发明背景

仅通过过滤控制细粒取决于使用三种可能的机制：碰撞、截取或扩散，捕获颗粒，已知的用于亚微大小粒子的主要的收集机制是截取和扩散。可设计并制造具有小孔径大小的过滤器，使得以高效率收集亚微粒子。但是，当颗粒收集在过滤器表面上时，这种过滤器对于流动通过其中的气体显示显著的压降并伴随背压的快速增加。

可选地，可通过采用增加的孔径大小获得过滤器上压降的降低，但是，这种更大孔径大小的过滤器的收集效率是不可接受的。因此，孔径大小、对于低压降的需要与收集效率之间的平衡是对于依靠初级过滤收集机制的所有过滤器的理论限制。

在克服上述限制的努力中，静电机制已经被开发以将颗粒驱动至收集表面，而不堵塞过滤器孔开口。但是，常规的静电收集器已经受到颗粒必须行进以到达接地表面(grounded surface)的长距离限制。因此，可适用于高温方法的将高颗粒收集效率、低过滤器压降和再生可能结合的颗粒收集设备和方法是期望的。

发明概述

本发明公开了具有与多孔传导性过滤膜结合的静电沉降器的收集设备，任选地，多孔传导性过滤膜和静电沉降器二者可被封装为紧凑型单元。静电沉降可用于预收集颗粒物质并且将颗粒物质驱动至过滤膜表面。可采用预收集以有效地限制传导性过滤膜上的压降并随着时间收集滤饼。传导性过滤膜也可用作接地收集板并且作为多孔介质过滤器在功能上加倍，从而限制固体和烟雾状颗粒物质的通过，同时允许气流以低压降穿过收集设备。

在一个实施方式中，颗粒物质控制方法包括载有颗粒物质的气体通过一个或多个高电压电极。电极(一个或多个)可具有非常尖的末端，当以正极性或负极性的高电压电源供电时，其可形成在流动经过电极(一个或多个)的颗粒上引起电荷的局部等离子区。其后，可通过由电极产生的静电场将带电荷的颗粒驱动至电接地的表面。

电接地的表面可以是预收集表面、过滤单元外壳、过滤膜等。另外，过滤膜可包括具有平均直径(mean diameter)可在大约1至1000微米范围内的孔的薄传导膜。因此，薄传导膜可担当过滤器，因为孔阻止颗粒物质渗透或通过膜。以此方式，提供高过滤速度，同时维持过滤膜上的低压降和高收集效率。

在另一实施方式中，本发明公开了用于从气流中收集和去除包括细粒物质的颗粒物质的设备和方法。该设备和方法提供了高收集效率、过滤器上的超低压降和优异清洁能力的结合。

在另一实施方式中，本发明公开了利用同时的静电沉降和膜过滤的设备和方法，其中静电收集和过滤在薄传导膜的同一表面上进行。该设备和方法可进一步包括一个或多个本领域技术人员已知的清洁或再生机制，从而将设备的性能返回至暴露前的最初状态。与先前可得的设备和方法相比，设备的再生可提供提高的清洁水平，因为多孔传导性过滤器的本质采用纯表面过滤，并且因此，通常没有深度过滤发生，并因此没有固有的堵塞存在。

除了上述之外，因为过滤器由金属材料制造，所以该设备和方法可在小于负10°F(-12°C)至大约2000°F(1093°C)的温度下操作，从而使得至少一个实施方式远不及其它可用的技术易受热限制。

可在达到最大滤饼负荷之后通过以下方法再生设备：1)空气的高压反向脉冲，其驱动积聚的滤饼离开过滤膜表面；2)热方法，例如施加高电流至传导性过滤膜，从而将过滤器介质加热至收集的材料被热破坏、分解等的温度；3)催化氧化方法，其将碳氢化合物和其它化合物转化为气体形式；4)机械作用，其包括从过滤膜表面刷掉或刮掉滤饼；和5)它们的结合。

该设备和方法可进一步包括多个具有各种组成、孔径大小、形状、几何形状等的膜收集表面。例如并且仅用于例证性的目的，本发明的多孔传导性过滤膜的孔径大小可在所有阶段中是不同的、类似的或在连续阶段中是越来越小的。同样地，可以以各种构造、以不同间距等布置高电压放电电极和膜表面。

附图简述