Электростатический фильтр для очистки воздуха

Полезная модель относится к электрическим очистителям воздуха и может быть использована для улавливание пыли, аэрозоли, дымов для приточных вентиляционных систем, для очистки технологических газовоздушных выбросов в атмосферу, а также в качестве ступени тонкой очистки в устройствах очистки воздуха для защиты от засорения последующих ступеней очистки.
Большинство технологических процессов сопровождается выделением в производственные помещения и атмосферу газов и пыли. Интенсификация производства путем применения кислорода и природного газа обусловила резкое увеличение поступления в атмосферу технологических и вентиляционных газов, загрязненных пылью и вредными веществами. Пыль и вредные газы после выброса в атмосферу изменяют ее состав, уменьшая количество кислорода, необходимого для жизнедеятельности людей и животных. Загрязненный воздух приводит к ослаблению организма человека, сопротивляемости его к инфекционным заболеваниям и снижению работоспособности. Он также оказывает вредное воздействие на растительный мир, приводя к его гибели, снижению урожайности; наносит огромный материальный ущерб вследствие коррозии металлов, разрушения строительных материалов и конструкций.
Пыль, содержащаяся в атмосфере, поглощает световые лучи и задерживает ультрафиолетовую солнечную радиацию, необходимую для жизнедеятельности на Земле. Пыль и пары кислот, поступающие вместе с дымовыми газами в атмосферу, поглощают из нее водяные пары, увеличивая число дней с туманами. В большинстве случаев технологические газы и вентиляционный воздух, выбрасываемые в атмосферу, содержат пыль черных и цветных металлов, ценные газообразные компоненты, которые безвозвратно теряются, поэтому выброс таких газов не только ухудшает санитарное состояние атмосферы, но и наносит большой материальный ущерб.
Важность проблемы охраны чистоты атмосферного воздуха и опасность усиливающегося его загрязнения достаточно хорошо оценены во всех странах мира. Уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу в результате совершенствования технологических процессов вплоть до создания безотходной технологии, создание эффективных средств пылеулавливания и очистки газов - вот пути предотвращения загрязнения атмосферного воздуха.
Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппараты отличаются друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.
Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки.
Очистка воздуха от пыли может быть грубой, средней или тонкой. При грубой очистке из воздуха улавливается только крупная пыль с размерами частиц более 50 мкм, степень очистки сравнительно невысока - 70…85%. При средней очистке задерживается пыль с размерами частиц до 50 мкм, степень очистки возрастает до 85…95%. Тонкая очистка позволяет улавливать пыль с размерами частиц менее 10 мкм, степень очистки при этом более 95%. Если пыль не ядовита, воздух после тонкой очистки может быть возвращен обратно в помещение (рециркуляция воздуха).
При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т.е. не несет электрического заряда того или иного знака. Вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количество носителей электрических зарядов. К таким факторам относятся сильный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быстродвижущимися электронами или ионами и др.
Ионизация - это процесс или результат процесса, посредством которого электрически нейтральный атом или молекула приобретают положительный или отрицательный заряд. Когда атом поглощает избыточную энергию, происходит ионизация, получается свободный электрон и положительно заряженный атом. Термин "ионы воздуха" в широком смысле относится ко всем частицам воздуха, обладающим электрическим зарядом, чье движение зависит от электрических полей. Ионизацию применяют для очистки воздуха, что в наше время особенно актуально.
Если в электрическом поле между электродами создать определенное напряжение, то носители зарядов, т.е. ионы и электроны, получают значительное ускорение и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральных молекул в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.
Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля недостаточна для поддержания высоких скоростей и процесс ударной ионизации постепенно затухает. Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием электрического поля, а также в результате броуновского движения, сталкиваются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.
Процесс обеспыливания газа в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; пылевые частицы осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах. Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды.
Известен двухзонный электрофильтр по патенту РФ №2144433, опубликованному 30. 09.1998 г. Фильтр содержит заключенные в корпус ионизатор, содержащий коронирующие электроды и установленные параллельно воздушному потоку пластинчатые некоронирующие электроды, осадитель и установленную перпендикулярно воздушному потоку металлическую сетку, электрически связанную с некоронирующими электродами.
Недостатком является неудобство монтажа металлической сетки при сборке и техническом обслуживании электрофильтра.
Кроме того, в известной конструкции субмикронные аэрозольные частицы, содержавшиеся в газе и генерируемые коронным разрядом, не улавливаются осадительными электродами и выносятся вместе с очищенным газом наружу, со временем степень очистки в двухзонном электрофильтре падает из-за зарастания пластин осадительных электродов.
Известно устройство (патент РФ №94669, опубликовано: 27.05.2010 н. Бюл. №15) для санитарно-гигиенической обработки воздуха, содержащее расположенные в канале для потока обрабатываемого воздуха ионизатор, противопыльный фильтр, каталитический фильтр с электропроводящими боковыми обкладками, причем в канале для обрабатываемого воздуха установлен плазматрон, выполненный в виде СВЧ-резонатора, снабженного системой острых металлических электродов, выполненных из тугоплавкого материала, и установленных в области максимума электрического поля вдоль линии напряженности поля.
2
2
Электростатическое поле высокой напряженности и холодная плазма обеспечивают эффективную бактерицидную обработку потока воздуха. В процессе генерации плазмы происходит и частичная ионизация потока воздуха, в том числе и содержащихся в нем вредных примесей. В результате этого молекулы вредных примесей получают отрицательный заряд, что приводит к более активной их адсорбции на поверхности каталитического фильтра. Плазмокаталитическая технология очистки воздуха от газообразных вредных веществ уникальна, потому что позволяет производить глубокую очистку всего комплекса токсичных соединений до СO и НO, начиная с низких температур. Кроме того, холодная плазма уникальна тем, что одновременно с газоочисткой происходит подавление болезнетворной микрофлоры воздуха.
Предлагаемая установка выполняет полный комплекс очистки и дезодорации воздуха помещений, включающий дополнительный эффект дезинфекции и дезактивации воздуха, но очень сложна по конструкции, энергоемка и требует соответствующей высокой квалификации обслуживающего персонала
Известно устройство для очистки воздуха (Патент РФ №2352382, опубликованный 20.04.2009 Бюл. №11). Устройство содержит механический фильтр грубой очистки, цилиндрический конденсатор, состоящий из внешнего заземленного цилиндра и расположенного вдоль его оси центрального коронирующего проволочного электрода, грубово-локнистый электростатический фильтр, заземленную цилиндрическую сетку, фотокаталитический фильтр, фильтр из активированного угля, лампу мягкого ультрафиолетового излучения цилиндрический заземленный корпус, цилиндрическую высоковольтную сетку, соединенную с высоковольтным источником положительного напряжения, микроамперметр для измерения тока коронного разряда цилиндрического конденсатора. Центральный коронирующий проволочный электрод выполнен диаметром от 100 до 200 мкм и соединен с высоковольтным источником напряжения.
В результате достигается высокоэффективная очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной флоры и уменьшается массовая нагрузка дисперсной фазы на катализатор и активированный уголь, что поддерживает непрерывность процесса фильтрации.
Содержание озона и примесей окислов азота в очищенном воздухе не превышает ПДК за счет их адсорбции угольным адсорбентом.
К недостатком следует отнести сложность конструкции, т.к. требуется иметь несколько источников высоковольтного питания для коронирующих и осадительных пластин, а также применение в качестве фильтрующего материала активированного угля, т.к. не исключена забивка пор активированного угля фильтратом дисперсных примесей, использование высоких температур для реактивации адсорбента и неэффективная очистка воздуха от дисперсных микрозагрязнений.
Наиболее близким к заявляемому устройству является электростатический фильтр, описанный в патенте РФ №61595 (опубликован 10.03.2007 г. Бюл.№7), который содержит заключенные в корпус ионизационную камеру, состоящую из трех и более ионизационных секций, включающих коронирующие и установленные параллельно воздушному потоку пластинчатые некоронирующие электроды, металлические сетки, установленные в ионизационной камере на входе и выходе перпендикулярно воздушному потоку и электрически связанные с некоронирующими электродами, и осадительную камеру, состоящую из расположенных параллельно друг другу пластин, причем коронирующие электроды расположены равноудаленными от некоронирующих электродов и сетки. Такое расположение коронирующих электродов обеспечивает равномерное образование ионов газа по всей длине коронирующего электрода.
10
Осадительная камера состоит из пластин с токопроводящим слоем с чередующимся различным или одинаковым потенциалом. Материалом для осадительных пластин может служить электропроводящий материал, например, алюминиевая полоса, антистатический полимер с удельным поверхностным сопротивлением не более 10 Ом. Электростатический фильтр работает следующим образом.
Очищаемый газ поступает в ионизационную камеру, где, проходя между корониру-ющими электродами, некоронирующими электродами и сетками, приобретает заряд. Затем заряженные частицы пыли поступают в осадительную камеру, где вследствие воздействия электростатических сил происходит осаждение частиц пыли на пластинах или в пористом токопроводящем материале, имеющих электрический потенциал.
Предлагаемая конструкция электростатического фильтра позволяет решить задачу повышения эффективности работы электростатического фильтра за счет увеличения активной площади осаждения.
Недостатком прототипа является то, что конструкцией электрофильтра не обеспечивается простота и удобство съема и установки металлических сеток на входе и на выходе ионизатора, что затрудняет техническое обслуживание электрофильтра.
Кроме того, проволочный коронирующий электрод из одной проволоки больше подвержен зарастанию пылью и аэрозолью, что препятствует образованию ионов.
Технической задачей заявленной полезной модели является - упростить конструкцию электростатического фильтра сохранив высокую степень очистки воздуха, а также снижение энергоемкости и эксплуатационных затрат, повышение эффективности утилизации уловленных частиц,
Поставленная задача решается тем, что в электростатическом фильтре, содержащем заключенные в корпус ионизационную камеру, состоящую из секций, включающих коронирующие и установленные параллельно воздушному потоку некоронирующие электроды равноудаленные от коронирующих электродов, и осадительную камеру с фильтрами, состоящими из расположенных паралельно друг другу пластин, внесены изменения, а именно: коронирующие электроды выполнены из сетки, которая навита на стержень в виде ершика;
- некоронирующие электроды имеют форму цилиндра;
- фильтры осадительной камеры выполнены из одной или нескольких пластин из волокнистого микропористого диэлектрического материала, размещенного в кассету, причем если их несколько, то они параллельны с расстоянием между ними равным 50-200 мм.
Кроме того, фильтровальный материал состоит из тонких волокон - это либо минеральная вата (кремнеорганическое волокно), либо иглопробивной материал «Дорнит» (полипропилен) либо другое тонкое диэлектрическое волокно;
- кассета может быть выполнена из любого жесткого материала, например, из крупноячеистой металлической сетки с размером ячейки около 20-30 мм;
фильтры осадительной камеры могут быть выполнены в виде цилиндра с диаметром в пределах 100-300 мм.
Коронирующий электрод выполнен в виде ершика, но из металлической сетки с ячейкой около 0.5 мм, которая навита на стержень диаметром 6-8 мм (ершик коронирующего электрода имеет диаметр около 10-15 мм). С острия ершика легче сдувается пыль, поэтому имеется больший резерв по пылеемкости. Ионный ветер, отталкивающий пыль от коронирующего электрода, более равномерен по всей длине ершика. В результате, осаждение на острия меньше из-за наличия более интенсивного ионного ветра, вследствие более неоднородного электрического поля у острия по сравнению с проволокой, что препятствует зарастанию коронирующего электрода.
Некоронирующий электрод выполнен в форме цилиндра (диаметром от 80 до 200 мм) из следующих соображений. Ионизатор получается более компактным, при условии создания одинаковой плотности ионов на единицу м3 воздуха, проходящего через ионизатор. Так как площадь осадительного электрода у цилиндра больше чем у двух параллельных пластин, поэтому плотности тока будут выше. И соответственно концентрация ионов при одинаковой ширине и длине ионизаторов пластинчатого и цилиндрического будет выше у цилиндрического. А чем выше концентрация ионов, тем лучше очистка, при этом больше коагуляция и больше потенциал, которым зарядится фильтровальное полотно и тем выше электростатические силы задерживания пыли. А также, более неоднороднее электростатическое поле вокруг заряжающихся волокон фильтровального полотна и тем самым выше эффект поляризации и улавливания пыли в неоднородном электростатическом поле волокон фильтровального полотна. Некоронирующий электрод выполнен в виде металлического цилиндра диаметром 100 мм для напряжения около 15 кВ. При увеличении напряжения источника питания необходимо увеличивать и диаметр цилиндра.
Фильтровальный материал укладывается в кассету и располагается после ионизатора по ходу движения воздуха параллельно потоку воздуха в один или несколько рядов. При этом расстояния между рядами должно быть не менее 50 мм, максимально 500 мм, если расстояние между кассет будет маленькое, то заряженная частица не сможет пройти далеко между кассет, так как электростатические силы не пустят.
В результате длительных исследований, проведенных заявителем, со стандартным карманным фильтром из полипропилена, у которого фильтровальное полотно сделано в виде карманов и заужено с края, было установлено, что в районе зауженности (около 50 мм) наблюдался проскок модельного дыма. Следовательно, при расстоянии менее 50 мм степень очистки падает, т.е. очистка не эффективна, а при более 200 мм - не рационально используется пространство фильтровальной установки, т.к. габариты, а, следовательно, и металлоемкость установки возрастает.
Кассета может быть сделана из любого жесткого материала, например из металла. Она представляет из себя две половинки, состоящие из уголков по периметру, а внутри крупноячеистая сетка размером ячейки около 20-30 мм. Между этих двух половинок размещается фильтровальное полотно. Указанный размер ячеек сетки достаточен для эффективной работы фильтра, а при большей жесткость фильтра снижается.
Фильтровальный материал состоит из тонких волокон - это либо минеральная вата (кремнеорганическое волокно), либо иглопробивной материал «Дорнит» (полипропилен) - любое тонкое диэлектрическое волокно. Важно, что этот волокнистый материал не находится в электрическом поле, а просто заряжается за счет поглощаемой им заряженной пыли (аэрозоли). Формирование слоя заряженных частиц на поверхности волокнистого материала в отличие от незаряженных частиц происходит таким образом, что при приближении частиц к слою и при осаждении частицы испытывают отталкивающее действие уже находящихся на слое частиц. Поэтому образуется рыхлый слой, который в отличие от не рыхлого имеет меньшее сопротивление и поэтому материал будет иметь большую пылеемкость.
Известно, что ионизированная пыль улавливается волокнистыми фильтрами существенно лучше чем незаряженная (Страус В. Промышленная очистка газов - М.: Химия, 1981.). Так, Лувдгреи и Вайтби получили эмпирические уравнения для эффективности осаждения частиц с большим электростатическим зарядом на основе экспериментов с частицами метиленового голубого диаметром 1 мкм. Они нашли, что эффективность фильтра из шерстяного фетра, составлявшая 16% для незаряженных частиц, и достигала более чем 99%, когда частицы приобретали элементарный заряд (с. 121, там же).
Фильтр из волокнистого материала может быть выполнен в виде пластин(ы) или в виде цилиндров, но для цилиндрических, проход воздуха обязателен снаружи внутрь. По нашим экспериментальным данным, при проходе изнутри наружу степень очистки меньше.
Расстояние между фильтровальным полотном и ионизатором может быть любым. Чем больше, тем даже лучше, так как чем больше проходит времени, тем больше идет процесс коагуляции (укрупнения) пыли. Площадь фильтровального полотна должна быть такая, чтобы скорость через нее была в пределах от 2 до 0, 1 м/с. В принципе это стандартные скорости для фильтров. Чем меньше скорость, тем лучше улавливание и тем больше пыли может уловить фильтр из-за большей площади поверхности фильтровального полотна, однако, чтобы добиться меньшей скорости на единицу площади полотна требуется больше площади поверхности полотна, т.е. увеличение габаритов осадительной камеры, что нецелесообразно. Расстояние между волокнами тоже, чем меньше тем эффективней очистка.
Наличие вышеперечисленных признаков позволяет решить техническую задачу заявленной полезной модели за счет изменения конструкции отдельных элементов установки, снижение энергоемкости, путем исключения электрического источника для поляризации волокнистых фильтров, повышения эффективности работы электростатического фильтра за счет увеличения активной площади осаждения, и снижение эксплуатационных затрат, т.к. не требует дополнительного обслуживания волокнистых фильтров, они просто утилизируются и заменяются новыми, при этом высокая (99%) степень очистки воздуха обеспечивается.
Поиск по патентной и научно-технической литературе не выявил технического решения, аналогичного предлагаемому по совокупности существенных признаков, следовательно, оно соответствует условию "новизна".
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-2.
На фиг. 1 приведена конструкция основного варианта реализации полезной модели. На ней показан электростатический фильтр для очистки воздуха, который содержит корпус 1. включающий ионизационную камеру 2 и осадительную камеру 3. ионизационная камеры 2 включает ионизаторы 4 (показаны два ионизатора 4, но в зависимости от конкретных условий, их может быть и больше). Каждый ионизатор содержит коронирующий электрод 5, выполненный в виде ершика и некоронирующий электроды 6, выполненные в форме цилиндра. Осадительная камера содержит пластинчатые волокнистые фильтры 7, размещенные в кассетах 8 (на фиг.1 показаны две параллельные кассеты для каждого ионизатора, но их количество зависит от конкретно выбранного расстояния между кассетами).
На фиг. 2 приведена конструкция электростатического фильтра, которая отличается от представленной фиг. 1, только тем, что волокнистый фильтр выполнен в виде цилиндра 9.
На фиг 1 и 2 показано, что электроды ионизатора крепятся к корпусу 1 через изоляторы 10. а также условно показан источник высоковольтного постоянного питания (U), подключенный минусом к коронирующему электроду а плюсом к некоронирующему. Напряжение источника питания составляет 10-15 кВ.
Количество секций может быть и большее, в зависимости от назначения электростатического фильтра и степени загрязнения очищаемого газа.
Ниже приводится конкретный пример реализации устройства и его работа.
Некоронирующие электроды ионизатора (4) выполнены из металлических труб диаметром 100 мм. Коронирующие электроды ионизатора, выполнены из стержня с навитой на него металлической сетки диаметром 0,25 мм.
Коронирующие 5 и некоронирующие 6 электроды ионизатора 4 должны иметь длину в диапазоне от 50 мм до 300 мм. При этом скорость воздушного потока должна быть через ионизатор не менее 2 м/с. Скорость менее 2 м/с приводит к быстрому зарастанию электродов ионизатора. Поток более 2 м/с позволяет пыли (аэрозоли) проскакивать ионизатор, не оседая на поверхности электродов. Длина электродов ионизатора менее 50 мм не позволяет создавать необходимой для эффективной очистки величины заряда на поверхности фильтровальных полотен из-за низкого количества ионов в воздушном потоке, проходящем через фильтровальное полотно, особенно при высоких скоростях обдува ионизатора (более 10 м/с). Длина электродов более 300 мм не приводит к увеличению количества ионов в воздушном потоке после ионизатора, при условии не превышении скоростей воздушного потока через ионизатор более 20 м/с. Превышение скорости воздуха более 20 м/с ведет к резкому увеличению аэродинамического сопротивления и появлению нежелательных звуковых колебаний
В качестве фильтровального материала использовался иглопробивной материал «Дорнит» (полипропилен).
Воздух подается в корпус 1 посредством вентилятора (на фиг 1 и 3 не показан).
Под действием принудительной вентиляции очищаемый воздух поступает в камеру ионизации 2. При подаче тока от источника постоянного электрического тока (12 кВ) на коронирующий 5 и некоронирующий 6 электроды ионизаторов 4 между острыми краями «ершика» и внутренней поверхностью цилиндра некоронирующего электрода 6 образуется неоднородное электростатическое поле, под действием которого на острие ершика возникает коронный газовый разряд. Частицы, содержащиеся в очищаемом воздухе, проходя зону коронного разряда - зону ионизации очищаемого воздуха, приобретают положительный электрический потенциал. Затем воздух с ионизированной пылью поступает в осадительную камеру 3. За время прохождения воздуха от ионизатора до кассет 7 с фильтровальным полотном, ионизированная пыль коагулируется (укрупняется) за счет электростатических сил. При проходе через фильтровальное диэлектрическое полотно происходит передача заряда от пыли диэлектрическим волокнам полотен. Важно, что этот волокнистый материал не находится в специально создаваемом электрическом поле, а просто заряжается за счет поглощаемой им заряженной пыли (аэрозоли).
Формирование слоя заряженных частиц на поверхности волокнистого материала в отличие от незаряженных частиц происходит таким образом, что при приближении частиц к слою и при осаждении частицы испытывают отталкивающее действие уже находящихся на слое частиц. Поэтому образуется рыхлый слой, который в отличие от нерыхлого, имеет меньшее сопротивление и поэтому материал будет иметь большую пылеемкость. Таким образом, заряд, накапливаемый на фильтровальном диэлектрическом полотне, в процессе зарядки ионизированной пылью, создает электростатическое поле, которое задерживает (фильтрует) поступающую на фильтровальные плотна, пыль.
По нашим данным, эффективность фильтра, составлявшая 20% для незаряженных частиц сварочной аэрозоли, достигает более чем 99%, когда частицы аэрозоли приобретают элементарный заряд.
Замена фильтровального полотна осуществляется по сигналу стандартного датчика перепада давления, который устанавливается в устройстве (не показан). В этом механическом датчике замыкаются так называемые "сухие контакты" реле при превышении заранее установленного значения перепада давления. Как правило, это значение в диапазоне 250-500Па. Датчик замыкает контакты и загорается лампочка или подается сигнал для осуществления замены фильтровальных полотен.
При использовании цилиндрических кассет 9, практически принцип работы устройства не меняется, а только, как уже отмечалось выше, меняется направления очищаемого потока воздуха (газа).
При очистке производственных газов, учитывая их специфику (металлические примеси и их размер), перед предлагаемым устройством тонкой очистки может быть устанавлены фильтры грубой очистки: механические, магнитные или электрические фильтры.
3
2
2
К преимуществам заявляемой полезной модели по сравнению с известными можно отнести то, что она проста по конструкции и более компактна. Для улавливания например пыли при расходе воздуха 1000 м/час требуется поверхность фильтровального материала около 0,5 м. Для улавливания пыли электрофильтром двухзонным требуется более 5 м поверхности осадительных электродов.
Кроме того, устройство может улавливать пыль любого состава, включая и маслянистые, полимеризующиеся соединения, краску и т д. Так как наш фильтровальный материал одноразовый, то он не боится зарастания нерастворимых и трудносмываемых аэрозолей и дымов, в отличие от необходимости принудительно очищать пластины у электрофильтра.
В настоящее время, на основании проведенных исследований, осуществляется разработка технической документации.