ФИЛЬТР ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА
GAS FLOW CLEANING FILTER

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в быту, в различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц. Изобретение может найти свое применение для очистки дымовых газов промышленных и энергетических предприятий, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также для сокращения выбросов в атмосферу парообразной влаги в градирнях ТЭЦ.
Известно устройство для сепарации пара из газов, содержащее вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для входа и выхода охлаждающего агента, и двумя решетками, на которых закреплены трубки. (См. А.Г. Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр. 164). Для входа парогазовой смеси в корпусе смонтирована верхняя камера, а для выхода сепарированного конденсата и очищенного газа - нижняя камера. В данном устройстве парогазовая смесь через верхнюю камеру проходит по трубам, охлажденным движущимся в межтрубном пространстве хладоагентом. При соприкосновении с холодной поверхностью труб происходит охлаждение газа и конденсация на этой поверхности содержащегося в газе пара. Конденсируемая в трубах жидкость собирается в нижней камере и вытекает из нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный от конденсата газ выходит через патрубок нижней камеры. В известном устройстве конденсация и сепарация производится лишь той части паров газовой смеси, которой удается соприкоснуться с поверхностью труб за время нахождения смеси в трубе. Остальная же часть паров остается в составе выходящей из устройства смеси. Таким образом, для повышения степени очистки смеси от паров требуется увеличение габаритных размеров известного устройства.
Известно устройство для сепарации паров серной кислоты. (См. А.Г. Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр. 202). Данное устройство содержит холодильник с входным и выходным патрубками и вертикальную башню с верхней и нижней камерами. Нижняя камера снабжена патрубком для входа газовой смеси и патрубком для выхода серной кислоты, соединенным с входным патрубком холодильника. Верхняя камера содержит выходной патрубок очищенного газа и входной патрубок серной кислоты, соединенный с выходным патрубком холодильника и магистралью приема готовой продукции. Газовая смесь поступает через нижнюю камеру в вертикальную башню. Поднимаясь вверх по башне, газовая смесь орошается серной кислотой, стекаемой с верхней части башни. Капельки серной кислоты охлаждают газовую смесь и конденсируют на своей поверхности содержащиеся в газовой смеси пары, увлекая их с собой в нижнюю камеру башни. Очищенный от паров газ поднимается вверх и через верхнюю камеру башни направляется в выходной патрубок очищенного газа. Капли кислоты опускаются вниз и через нижнюю камеру башни направляются в патрубок для выхода серной кислоты. При охлаждении газовой смеси и конденсация содержащихся в ней паров происходит нагрев серной кислоты. Для замыкания рабочего цикла, выходящую из башни кислоту перед подачей в верхнюю часть башни для орошения газовой смеси и для отгрузки в магистраль готовой продукции пропускают через холодильник. В данном устройстве в отличие от ранее упомянутого устройства, конденсации содержащихся в газовой смеси паров происходит не только на поверхности конструкций (стенки труб, башни), но и на поверхности капелек орошаемой серной кислоты. Так как площадь поверхности капель существенно больше площади конструкций, то в описываемом устройстве удается добиться повышения степени очистки смеси без существенных увеличений габаритных размеров устройства.
Вместе с тем, в описываемом устройстве при конденсации серной кислоты возникает высокое пересыщение пара, отчего часть паров серной кислоты конденсируется в объеме с образованием тумана, который в составе очищенных газов выносится из башни.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению является фильтр очистки газового потока, представленный в патенте РФ на изобретение №2293597, МПК B01D 53/32. Фильтр содержит пористый осадительный электрод с открытыми порами, размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению:
а>2*σ/(p*g*h),
где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электрода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, p - плотность конденсата, установленного вдоль очищаемого газового потока, с зазором, относительно которого, со стороны очищаемого газового потока электрически изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания.
В известном фильтре электрически заряженные аэрозольные частицы и капли конденсата, образуемые вследствие активизации процессов конденсации с помощью генерируемых электрических зарядов, движутся под действием силового поля и электрического ветра к пористому осадительному электроду. Повышение степени очистки в известном фильтре достигается за счет инициации процессов конденсации во всем объеме газового потока, и за счет обеспечения прохождения капель конденсата во внутрь пористой поверхности осадительного электрода и обеспечение максимально благоприятных условий теплопередачи.
Вместе с тем, для реализации известного технического решения необходимо обеспечить формирование мощного электрического поля между электрически заряженным и заземленным электродами, измеряемого несколькими кВ/см. Значение электрического поля определяется величиной зазора между электрически заряженным и осадительным электродами и электрическим напряжением, подаваемым на электрически заряженный электрод. Значение подаваемого электрического напряжения ограничено характеристиками источников питания, и реальное значение напряжения не превышает 100 кВ. Для уменьшения зазора между электродами, при использовании известного устройства для очистки газов, выходящих из труб, имеющих значительные габариты, измеряемые сотнями сантиметров, электрически заряженные электроды необходимо устанавливать вдоль поверхности заземленного электрода. При этом электрически заряженные электроды будут обращены одной из своих частей к поверхности заземленного электрода, а другой к очищаемому газовому потоку. Электрическое поле вокруг электрически заряженного электрода распределено неравномерно, и значительная часть области пространства со стороны, обращенной к газовому потоку, практически не заполнено электрическим полем, и не используется в очистке газового потока, что снижает эффективность очистки.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности очистки.
Для достижения заявленной цели в фильтре очистки газового потока, содержащем соединенный с источником питания электрически заряженный электрод, смонтированный изолированно с зазором относительно поверхности заземленного пористого электрода с открытыми порами размером не менее 0,1 мкм, установленного вдоль очищаемого газового потока на выходе из источника выброса его в атмосферу, заземленный пористый электрод выполнен в виде конструкции, окружающей очищаемый газовый поток вдоль линии его тока на длине не менее одного калибра выходного сечения источника его выброса в атмосферу, и снабжен каналами, внутри которых смонтирован электрически заряженный электрод;
зазор между электрически заряженным электродом и поверхностью заземленного пористого электрода заполнен пористым диэлектрическим материалом с размером открытых пор не менее 0,1 мкм.
Предлагаемое техническое решение позволяет установить заземленную поверхность вокруг всей поверхности электрически заряженного электрода с минимальным зазором. Сформированное во всем окружающем электрически заряженный электрод мощное электрическое поле позволит вовлечь в процесс очистки дополнительные объемы пространства заземленного электрода, что позволит при сохранении габаритных размеров фильтра увеличить время прохождения очищаемого газового потока через сформированное электрическое поле и повысить эффективность очистки газового потока от аэрозольных частиц. Значение электрического поля, степень его неоднородности и время нахождения очищаемого газового потока в области действующего электрического поля в предлагаемом техническом решении позволяют обеспечить сепарацию от очищаемого газового потока, в том числе и электрически нейтральных аэрозольных частиц за счет сил, действующих на аэрозоли в неоднородном электрическом поле. В мощном неоднородном электрическом поле на поверхностях сепарируемых аэрозолей индуцируются электрические заряды, вследствие чего, электрически нейтральные аэрозольные частицы втягиваются в область повышенной неоднородности электрического поля. Путем увеличения времени воздействия неоднородного электрического поля на электрически нейтральные аэрозольные частицы обеспечивается необходимое отклонение траектории движения аэрозолей от линий тока очищаемого газа, достаточное для осаждения их на поверхности пор.
На рис. 1 представлена общая схема предлагаемого фильтра. На рис. 1 заземленный пористый электрод изображен в виде цилиндра. При необходимости пористый электрод может быть выполнен в виде конуса.
На рис. 2 - рис. 3 представлены возможные варианты схемного выполнения каналов в заземленном электроде. Рис. 2 - рис. 3 иллюстрируют схемное выполнение каналов в виде полых цилиндров, на рис. 4 представлена схема выполнения канала по винтовой поверхности.
Фильтр включает в себя заземленный пористый электрод 1, выполненный в виде конструкции, окружающей очищаемый газовый поток. Конструкция заземленного пористого электрода может быть цилиндрической и конической формы. Заземленный пористый электрод установлен на заземленной платформе 2 на выходе газового потока из источника выброса газового потока в атмосферу 3, симметрично его оси, вдоль исходной его линии тока. Направление исходной линии тока очищаемого газового потока на рисунках обозначено стрелкой А. Заземленный пористый электрод 1 выполнен длинной L, значение которой не менее одного калибра d поперечного сечения источника выброса газового потока в атмосферу. Нумерация позиций одинакова для всех рисунков. Каналы 4 заземленного пористого электрода 1 выполнены из электропроводных тонкостенных пористых конструкций с открытыми порами (прозрачными для прохождения очищаемого газового потока). Размер открытых пор составляет значение не менее 0.1 мкм. Конкретное значение размера пор выбирается на стадии проектирования, исходя из требований по степени очистки газового потока, размеров содержащихся в нем аэрозольных частиц и уровня их концентрации, требованиям к регламентному обслуживанию и ограничениям по гидравлическому сопротивлению фильтра. Тонкостенные пористые конструкции с открытыми порами могут быть выполнены из электропроводной сетки, например, из просечно-вытяжной сетки (См., например, http://www.setka-spb.ru/use.php?yclid=5833458958449525590). Выполнение каналов 4 может быть реализовано различными схемными решениями. Основной принцип формирования канала - это формирование в конструкции заземленного пористого электрода удлиненных полых внутри труб. Каналы 4 могут быть выполнены с помощью смонтированных соосно устройству источника выброса газового потока в атмосферу с зазором друг относительно друга двух прозрачных для прохождения газового потока базовых тонкостенных поверхностей, внутренней 5 и наружной 6. Базовые тонкостенные поверхности могут быть цилиндрическими (рис. 1) и коническими. Базовые тонкостенные поверхности 5. 6 могут быть выполнены по любым направляющим, например, круговым (рис. 2), или направляющим в виде многоконечной звезды (рис. 3). При этом, направляющая внутренней базовой цилиндрической поверхности должна охватывать поперечное сечение выходного канала источника выброса газового потока в атмосферу (D≥d). Конкретный размер поперечного сечения внутреннего цилиндра базовой цилиндрической поверхности 5 D, а также высота монтажа заземленного электрода 1 δ, определяются на стадии проектирования. Данные параметры определяются путем компромисса между необходимостью вовлечения в процесс очистки окружающего атмосферного воздуха и ограничениями габаритных размеров фильтра. Во многих источниках выброса (например, дымовые и выхлопные трубы, градирни ТЭЦ) очищаемые газы содержат парообразную влагу, которая при смешении очищаемого газа с атмосферным воздухом конденсируется. Конденсируемые капли легче, чем мелкие аэрозольные частицы сепарируются от потока. Тем более, что в значительной степени конденсация происходит на аэрозольных частицах. Реализуется так называемый конденсационный метод очистки. Степень конденсации в значительной степени определяется объемом атмосферного воздуха, вовлекаемого в процесс очистки. При очистке неконденсируемых газовых потоков допускается монтаж фильтра на источник выброса газового потока без зазора (D=d, δ=0).
Каналы 4 могут быть сформированы в зазоре между базовыми цилиндрическими поверхностями 5 и 6 путем установки параллельно образующим цилиндрическим поверхностям 5, 6 перегородок 8, либо установкой с определенным шагом по высоте кольцевых перегородок, либо монтажом винтовой поверхности 9 (рис. 4). Каналы 4 могут быть также выполнены и без использования базовых поверхностей, например, в виде набора соединенных между собой тонкостенных труб 10, которые могут быть выполнены по круговым, квадратным, шестигранным и прочим образующим. При этом, также как и в случае с базовыми цилиндрическими поверхностями, конструкция из набора тонкостенных труб должна охватывать поперечное сечение выходного канала источника выброса очищаемого потока в атмосферу 3. Внутри канала 4, с зазором относительно его стенок 5, 6, 8, 9, 10 электрически изолированно установлен электрически заряженный электрод 11. Электрически заряженный электрод 11 электрически соединен с источником питания 12. Для исключения образования коронного разряда поверхность электрически заряженного электрода 11 должна быть гладкой и может быть выполнена в виде трубки, радиусом не менее 1 мм. Электрически заряженный электрод 11 может быть закреплен на опоре 13, смонтированной на изоляторах 14. При необходимости электрически заряженный электрод 11 может быть покрыт слоем электрической изоляции. Выходное сечение заземленного пористого электрода 1 может быть перекрыто заглушкой 15. В случае использования фильтра для сбора капельной влаги в нижней части, в месте примыкания каналов заземленного пористого электрода к заземленной платформе 2 и в нижней части примыкания электрически заряженных электродов к опоре 13 могут быть смонтированы лотки для сбора жидкости 16 со сливным патрубком 17. Для повышения эффективности работы фильтра по очистке газовых потоков от очень мелких аэрозолей зазор в каналы заземленного электрода в зазорах между электрически заряженным электродом 11 и поверхностью заземленного электрода заполняются пористым диэлектрическим материалом. Размер открытых пор пористого электроизоляционного материала составляет значение не менее 0.1 мкм. Конкретное значение размера пор выбирается на стадии проектирования, исходя из требований по степени очистки газового потока, размеров содержащихся в нем аэрозольных частиц и уровня их концентрации, требованиям к регламентному обслуживанию и ограничениям по гидравлическому сопротивлению фильтра. При необходимости сокращения габаритных размеров фильтра, либо, исходя из других каких-либо конструктивных ограничений, схемные выполнения заземленного пористого электрода и, соответственно, выполнение в нем каналов могут быть различными, например, базовые поверхности 5 и 6 могут быть выполнены коническими. А канал образуется путем монтажа в образовавшемся зазоре между ними кольцевых перегородок или винтовой поверхности, как показано на рис. 4
Фильтр работает следующим образом.
Процесс работы фильтра описан для случая очистки дымовых газов. Предназначенный для очистки в фильтре газовый поток выходит из дымовой трубы 3 (направление потока на поясняющих рисунках обозначено стрелкой А) и попадает во внутреннее пространство заземленного пористого электрода. Вследствие наличия в заземленном пористом электроде открытых пор, а также наличия зазора между внутренней базовой поверхностью заземленного электрода 5 и дымовой трубой 3, как по перечному сечению, так и по высоте, воздух окружающей атмосферы (на поясняющих рисунках обозначен стрелками W) также проходит во внутренний объем. При смешивании атмосферного воздуха с дымовыми газами происходит охлаждение дымовых газов и конденсация содержащихся в них водяных паров. Конденсация паров происходит во всем объеме дымовых газов на содержащихся в нем аэрозольных частицах. Как известно, см., например, Durkee et. Al. The Impact of Ship-Produced Aerosols on the Microstructure and Albedo of Warm Marine Stratocumulus Clouds: A Test of MAST Hypotheses 1i and 1ii. Journal of the atmospheric sciences. 2000. volume 57, p. 2554-2569, пары воды конденсируются на аэрозольных частицах, размер которых более 50 нм (первый абзац правого столбца, стр. 2560). Таким образом, во внутреннем пространстве заземленного электрода формируются условия, при которых осуществляется конденсация содержащихся в дымовых газах воды паров воды на аэрозольных частицах, размер которых не менее 50 нм. Образуемые при этом капли конденсата превышают размер сепарируемых аэрозольных частиц. Подлежащие очистке дымовые газы с капельными дисперсиями набегающим ветровым потоком увлекаются на подветренную часть заземленного пористого электрода. Проходя через поры в тонкостенных пористых конструкциях, дымовые газы, содержащие капельные дисперсии, попадают в канал 4, где между электрически заряженным электродом 11 и заземленными поверхностями 5, 6, 8, 9, 10, которые образуют стенки канала 4 заземленного электрода 1, сформировано неоднородное электрическое поле. Электрическое поле на поверхностях аэрозолей, значительная часть которых вследствие конденсации превратилась в капельные дисперсии, индуцирует электрический дипольный момент. Аэрозоли вследствие индуцированного дипольного момента втягиваются неоднородным электрическим полем в сторону увеличения его градиента, т.е. к поверхности электрически заряженного электрода 11. При наличии на электрически заряженном электроде слоя электрической изоляции, аэрозоли за счет сил электрического поля будут прижиматься к его поверхности и удерживаться на ней за счет сил смачивания. При накоплении капельных дисперсий на поверхности в процессе работы фильтра мелкие капли будут сливаться и укрупняться до размеров, обеспечивающих их гравитационное выпадение вниз в лотки для сбора жидкости 16 и через сливные патрубки 17 выводиться из фильтра. Дымовой газ, очищенный от аэрозолей, ветровым потоком через поры в тонкостенных пористых конструкциях заземленного пористого электрода выносятся из фильтра в окружающее пространство. Для того чтобы снизить скорость прохождения очищаемого газового потока через область электрического поля, в предлагаемом техническом решении очищаемый поток проходит вдоль осадительного электрода на длине не менее одного калибра выходного сечения источника его выброса в атмосферу. Кроме того, предусмотрено увеличение площади проходного сечения путем выполнения базовых тонкостенных цилиндрических поверхностей 5. 6, образующих каналы в заземленном пористом электроде по направляющим, выполненным в виде многоконечной звезды. При ограниченных возможностях увеличения габаритных размеров фильтра выходное сечение заземленного пористого электрода может быть перекрыто заглушкой 15. Для повышения эффективности работы фильтра по очистке газовых потоков от очень мелких, субмикронных аэрозолей, зазор в каналах заземленного электрода между электрически заряженным электродом 11 и поверхностью заземленного электрода заполняется пористым диэлектрическим материалом. Проходя через поры, содержащиеся в очищаемом газовом потоке, аэрозоли осаждаются на стенках пор даже при незначительных отклонениях аэрозолей от линий тока очищаемого газового потока. Выполнение пор размером более 0,1 мкм позволяет потоку очищаемого газа беспрепятственно проходить через каналы заземленного пористого электрода и обеспечивает выход очищенного газа в окружающее пространство. Размеры капилляров вертикальных каналов в диэлектрическом пористом материале выбираются, исходя из условий превышения значения гравитационных сил накопленной в капиллярах жидкости над капиллярными силами и истечения из капилляров вертикальных каналов конденсируемой жидкости.
Предложенное техническое решение благодаря тому, что в заземленном пористом электроде выполнены каналы, внутри которых смонтированы электрически заряженные электроды, в процесс очистки вовлекаются дополнительные объемы пространства в заземленном электроде. В дополнительных объемах пространства формируется неоднородное электрическое поле, обеспечивающее сепарацию аэрозольных частиц от очищаемого газового потока. Время прохождения очищаемого газового потока через сформированное электрическое поле увеличивается. Повышается эффективность очистки газового потока от аэрозольных частиц и обеспечивается достижение цели предлагаемого изобретения.