ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЫЛИ И ДРУГИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
FILTERING DEVICE FOR DUST AND OTHER CONTAMINANTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области, связанной с фильтрацией дымов, выпускаемого промышленными процессами (такими как процессы, используемые в получении железа и стали, нефтепереработке, электростанциях, работающих на отходах, и подобные), и, в частности, относится к фильтрующему устройству для тонких и сверхтонких пылевых частиц и других загрязняющих веществ.
Уровень техники
Как известно, технологические процессы, обычно применяемые на промышленных предприятиях, таких как производство железа и стали, нефтепереработка, электростанции, работающие на отходах, и подобные, производят дымы, которые содержат токсичные, патогенные и/или загрязняющие вещества, такие как тонкие частицы, диоксины, фураны, полихлорбифенилы, хлорфеноксидные соединения, оксиды или диоксиды азота, диоксид серы и др.
Обычно тонкие частицы, ангидриды и монооксиды и диоксиды азота являются раздражителями для дыхательных систем, вызывая у людей респираторные заболевания, такие как астма, бронхит и инфекции дыхательных путей. Кроме того, тонкие частицы, в частности сверхтонкие частицы пыли, могут также заносить загрязнители в легочные альвеолы.
Системы для фильтрации дымов, которые сейчас известны, состоят, например, из электрофильтров, рукавных фильтров, циклонных пылеотделителей, гидравлических пылеотделителей, активных углей и др.
Эти системы имеют, однако, ряд недостатков. Например, они требуют частого периодического обслуживания и поэтому имеют высокие эксплуатационные расходы. Кроме того, они подвергаются нарушениям работы из-за значительных потерь давления.
Кроме того, известные системы имеют существенные ограничения физической и механической природы. Например, рукавные фильтры выполняют фильтрацию посредством микропористых рукавов, способных задерживать пылевые частицы с диаметром больше, чем диаметр отверстий. Однако эти фильтры позволяют пылевым частицам с диаметром меньше, чем диаметр пор, проходить насквозь. Если диаметр отверстий слишком мал, будут проблемы с протоком воздуха. Поэтому эти фильтры не подходят для эффективного удерживания сверхтонких пылевых частиц с диаметром меньше, чем 5 микрон.
Многие из этих систем также несовместимы с высокими температурами, на них вредно влияет присутствие влаги (рукавные фильтры), и иногда они имеют очень ограниченную эффективность в отношении фильтрации тонких частиц (обычные циклоны). Почти все они состоят из систем, которые имеют только очень ограниченную способность обеспыливания дымов (неэффективны для устранения сверхтонких частиц с диаметром меньше чем 5 мкм) и не подходят для удаления загрязнителей кроме случаев, когда дорогие плазменные системы термической деструкции применяют с последующей промывкой и сушкой дымов.
Примеры известных систем, таких как описанные системы, содержатся в публикациях КR20020044845, WО2009087100, WО8800610А1 и WО0006289.
Другие системы также известны из документов US2014/238239, DЕ102004039182, FR1024439, WО2009155974, US2008250933 и US3348830. Эти системы представляют собой по существу обычные циклоны, а именно они имеют форму, спирально распространяющуюся вокруг оси, вдоль которой течет дым. Дымы, проходящие вдоль циклона, подвергаются центробежным силам, которые толкают содержащиеся в них твердые частицы к внешним стенкам упомянутого циклона. Кроме того, конфигурации каналов в этих системах не имеют необходимых характеристик для создания вакуумных эффектов, полезных для удаления тонких частиц.
Когда частицы ударяются о стенки, они отделяются от потока дыма и собираются. Эти системы имеют описанные выше недостатки. Кроме того, как уже упоминалось, они не подходят для удаления тонких пылевых частиц с диаметром меньше, чем 10 мкм (микрон).
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодолеть вышеописанные недостатки и, в частности, обеспечить устройство, которое способно давать эффективную очистку дымов с низкими затратами на сооружение и обслуживание.
Кроме того, задачей также является устройство согласно данному изобретению, позволяющее также удалять очень тонкие дымовые частицы с диаметром меньше чем 5 мкм.
Эти результаты достигаются с помощью устройства для фильтрации тонких и сверхтонких пылевых частиц и других загрязнителей согласно настоящему изобретению, существенные отличительные признаки которого описаны соответственно в независимом пункте 1 формулы изобретения. Другие важные отличительные признаки описаны также в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки и преимущества устройства согласно настоящему изобретению станут ясны из последующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления, предоставленных в качестве неограничивающего примера, со ссылками на сопровождающие фигуры, из которых:
- фигура 1 представляет собой общий вид устройства согласно данному изобретению;
- фигура 2 представляет собой осевое сечение устройства на фигуре 1;
- фигура 3 показывает прозрачный вид данного устройства, где видны средство для отделения камеры для хранения собранных пылевых частиц и секция фильтрации;
- фигура 4 представляет собой крупномасштабное изображение фигуры 3;
- фигуры 5а и 5b показывают первую разновидность варианта осуществления канала, опять в поперечном сечении, причем средства продувки показаны на фигуре 5b;
- фигуры 6а и 6b показывают вторую разновидность варианта осуществления канала, причем средства продувки опять показаны на фигуре 6b;
- фигура 7 представляет собой дополнительную третью вариацию варианта осуществления канала;
- фигура 8 представляет собой четвертую и последнюю вариацию варианта осуществления канала.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на вышеуказанные фигуры, данное устройство содержит по существу спиральный канал 1, который распространяется по спирали вокруг вертикальной оси или образующей Х в форме наложенных витков 1а. Образующая также задает направление продвижения дымов от входного отверстия (не показано) до выходного отверстия 10 упомянутой спирали.
Еще подробнее и со ссылкой, в частности, на фигуру 2, входное отверстие и входное отверстие расположены при работе неподвижно относительно данной спирали.
Данный фильтр расположен вертикально, а именно входное отверстие и выходное отверстие взаимно налагаются вдоль образующей. Возможно, выходное отверстие и входное отверстие могут быть обращены, то есть поток дымов может проходить одинаково хорошо вдоль спирали вверх (в этом случае входное отверстие находится по высоте ниже, чем выходное отверстия) или вниз (в этом случае входное отверстие находится по высоте выше, чем выходное отверстия).
В предпочтительном варианте осуществления спиральный канал имеет постоянное сечение вдоль всего его протяжения. Данное сечение является формирующим сечением, то есть оно, распространяясь вдоль оси Х, определяет геометрию фильтра.
Более подробно, каждый виток имеет сплющенное сечение, то есть имеет один размер больше чем другой. Упомянутый больший размер у является размером, измеренным вдоль поперечного направления Y, по существу перпендикулярного образующей Х. Меньший размер х, напротив, измеряется вдоль образующей Х; в частности, в случае непрямоугольных сечений меньший размер вычисляют в промежуточной точке между максимальной высотой и минимальной высотой канала.
Следовательно, по существу, спиральный канал распространяется, простираясь (опять со ссылкой на больший размер сечения) в положении, перпендикулярном образующей оси Х.
Обычно минимальное отношение сечения витка канала составляет 5, то есть максимальный размер, по меньшей мере, в пять раз больше минимального размера.
Внутри фильтра дымы, благодаря спиральной форме канала и сплющенному сечению, подвергаются градиентам скорости. В частности, скорость обратно пропорциональна расстоянию от образующей, то есть от радиуса траектории движения. Эти различия в скорости на основании принципа Бернулли создают локальный вакуум в зоне большей скорости, то есть в самой внутренней зоне фильтра, ближайшей к образующей. В этой зоне, показанной на фигуре 2 буквой "с", собираются частицы меньшего диаметра, отделяясь, вследствие вакуумного эффекта, от потока дымов. В частности, собираются частицы с диаметрами меньше, чем 100 микрон.
Наоборот, большие частицы, которые имеют диаметр, больший или равный 100 микрон, которые вследствие их размера подвергаются центробежной силе, собираются в самой внешней зоне фильтра, то есть зоне, которая дальше всего от образующей и показана буквой "b" на фигуре 2. Центральная зона, которая показана буквой "а", является зоной, где очищенные дымы текут вместе.
Предпочтительно, но не исключительно, оптимальная величина вакуума в зоне "с" составляет меньше, чем -70 паскалей. Чтобы получить эту величину вакуума, отношение между размерами сечения, то есть между максимальным размером и минимальным размером, предпочтительно больше или равно 5. В предпочтительном варианте осуществления эта величина равна 10.
Кроме того, поток воздуха, который течет вдоль фильтра, предпочтительно проходит со скоростью от 10 до 25 м/с.
Преимущественно, каждый виток может быть наклонен относительно образующей Х. Подробнее, с конкретной ссылкой на фигуры 5а-8, центральная ось Z сечения канала может быть наклонена положительно или отрицательно под углом α относительно поперечного направления Y. Предпочтительно, но не исключительно, этот угол составляет от 5 градусов до 12 градусов. Оптимальная величина предпочтительно, но не исключительно, составляет 10 градусов. Этот наклон особенно выгоден, если обрабатываемые дымы являются особенно горячими (температура выше чем приблизительно 80°С) или холодными (температура ниже чем приблизительно 40°С). Действительно, когда высокотемпературные дымы имеют место, воздушные массы имеют тенденцию двигаться к самой высшей части канала, тогда как, если присутствуют холодные воздушные дымы, они стремятся двигаться к нижней части канала. Это помогает обеспечивать удаление загрязнителей; действительно, в добавление к вакуумному эффекту, движение воздушного потока также используется, чтобы направлять дымы и, следовательно, загрязнители к внешней и внутренней частям канала, то есть к зонам под вакуумом, где происходит фильтрация.
Среди преимуществ благодаря наклону канала есть также более легкое устранение путем просачивания любых осадков, происходящих от прохода тонкозернистого вещества.
Со ссылкой теперь на фигуры 5а-8, они показывают другие разновидности варианта осуществления канала и, в частности, сечения. Более подробно, канал может иметь непостоянное или квадратное переменное сечение при сохранении вышеуказанных пропорций (основной размер, по меньшей мере, в два раза больше меньшего размера).
Для увеличения эффективности фильтра канал внутри обеспечивается дующими средствами 13, такими как форсунки распылителя, которые испускают сжатые струи (жидкости или газа) так, чтобы помогать толкать загрязняющие пылевые частицы в надлежащем направлении. Например, данные струи могут состоять из воды или жидких растворов, способных также химически атаковать различные загрязнители, присутствующие в дымах, следовательно, также помогая удалять их химическими средствами.
Данные форсунки находятся внутри канала близко к центральной оси и предпочтительно в наклонном положении, чтобы испускать струю в направлении, благоприятном для потока. Предпочтительно, но не исключительно, струи наклонены под углом от 45 градусов до 90 градусов относительно центральной оси сечения.
Опять со ссылкой на фигуры 3 и 4, один или оба конца канала могут быть оборудованы собирающими камерами 12 для загрязнителей, отделенных от потока дымов. Данные камеры имеют форму, например, одной или нескольких труб, которые проходят вокруг спирали и которые имеют объем, равный или меньший, чем объем сечения упомянутой спирали.
Вода или другие растворители преимущественно циркулируют внутри этих камер, чтобы способствовать удалению собранных загрязнителей. Собирающие камеры также имеют каналы (не показаны), которые соединяются непосредственно или через бак для хранения пылевых частиц с входом фильтра, так что пылевые частицы не выбрасываются в атмосферу, и любые загрязнители, содержащиеся в вентилируемых газах, устраняются во время второго прохода через фильтр.
Собирающие камеры 12 могут иметь внутри себя аспираторы (механические или на эффекте Вентури), которые работают так, чтобы генерировать внутри камеры вакуум и помогать вытягивать загрязнители, и заключать их внутри упомянутой собирающей камеры.
Чтобы отделять каждую собирающую камеру от сечения канала, обеспечивается отделяющее средство 14, такое как плоская разделяющая стенка 14' или лопасти 14", расположенные так, что их вогнутые поверхности направлены к образующей. Возможно, одно или несколько отделяющих средств могут быть обеспечены внутри фильтра на разных высотах.
Устройство согласно настоящему изобретению решает вышеуказанные проблемы. В частности, данное устройство обеспечивает эффективную фильтрацию также тонких и сверхтонких частиц с размерами меньше чем 5 микрон, которые не могут отфильтровываться обычными циклонными фильтрами, основанными на действии центробежной силы.
Кроме того, особенно преимущественным является тот факт, что данное устройство дает раздельную фильтрацию тонких и сверхтонких частиц, и больших частиц, больше чем 100 микрон. Как упоминается выше, тонкие и сверхтонкие частицы собираются в части канала, ближайшей к образующей, то есть к центру спирали, тогда как большие частицы собираются на внешней части канала, самой дальней от образующей. Следовательно, можно собирать эти частицы отдельно, и это особенно выгодно в целях легкого устранения отходов. Действительно, пылевые частицы, будучи сконцентрированными, можно заставлять стекать внутрь бака для хранения, и поэтому их можно немедленно удалять, так что они могут опять вводиться в возможный производственный цикл, так что они могут использоваться, посредством подходящих конверсионных способов, в качестве инертного материала или изоляции.
Кроме того, тот факт, что вентилирующие каналы собирающих камер 12 присоединяются обратно к фильтру так, чтобы вызывать повторную циркуляцию дымов, по меньшей мере, второй раз, дает значительные преимущества в отношении эффективности сбора загрязнителей и предотвращения выбросов потенциально токсичных дымов в атмосферу.
Возможно, фильтр согласно данному изобретению может применяться, с подходящими размерами, также в качестве фильтрующего блока в вакуумных очистителях для гражданских и промышленных применений.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления один виток может иметь сечение, которое отличается от следующего витка. Также в случае, когда витки имеют сечения, отличающиеся друг от друга, тем не менее должно поддерживаться минимальное отношение 5 между максимальным размером и минимальным размером.
Наконец, фильтр может также иметь два или более каналов, расположенных на вершине каждого вдоль их спиральной траектории, чтобы получать одновременную фильтрацию разных потоков дымов.
До сих пор настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления. Следует понимать, что каждое из технических решений, воплощенных в предпочтительных вариантах осуществления, описанных здесь в качестве примера, может преимущественным образом комбинироваться различными путями с другими, давая другие варианты осуществления, которые относятся к той же изобретенной идее, но все они попадают в объем защиты обеспеченной ниже формулы изобретения.