СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ МИКРОЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОВОГО ПОТОКА
METHOD FOR REMOVING CHARGED PARTICLES FROM GAS FLOW

Изобретение относится к области очистки газа от пылевых заряженных частиц и может быть использовано в энергетике, в черной и цветной металлургии, цементной, атомной и в других отраслях промышленности.
Известны способы очистки газовой среды, основанные на эффекте коагуляции - укрупнении содержащихся в газах взвешенных частиц путем агломерации, т.е. соединения нескольких частиц в единый комплекс.
2
8
Так, известен способ очистки газов [Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. М.: Химия, 1975, с. 49-50], в котором газовый поток с отрицательно заряженными частицами с малым удельным сопротивлением (10 Ом⋅м) пропускают через осадительные электроды, на которые подается постоянный положительный электрический потенциал. При столкновении с электродом частица быстро лишается своего заряда и приобретает положительный заряд. Если величина отталкивающей силы превышает силу молекулярного сцепления частицы с поверхностью электрода, эта частица отталкивается и попадает назад в газовый поток. В газовом потоке частица испытывает воздействие ионной бомбардировки и снова приобретает отрицательный заряд. Таким образом, частица снова начинает двигаться к осадительному электроду. Движение таких частиц носит скачкообразный характер, при этом происходит большое число столкновений между колеблющимися частицами, что приводит к их слипанию. При очистке газов от взвешенных частиц с большим удельным электрическим сопротивлением (2⋅10 Ом⋅м) возникает обратная корона: процесс, при котором с поверхности осадительных электродов выделяются положительные ионы и положительно заряженные частицы пыли, не успевшие разрядиться на осадительных электродах. Положительно заряженные частицы движутся навстречу отрицательно заряженным частицам, в результате чего происходит их агломерация.
Скоагулированные частицы попадают в циклон, где происходит их удаление из потока.
2
8
Недостатком описанного типа устройств является ограничение на удельное сопротивление частиц: до 10 Ом⋅м и выше 2⋅10 Ом⋅м, а также необходимость создания установок достаточной длины для обеспечения слипания всех частиц.
Существуют иные способы фильтрации, основанные на установке в газовом тракте блоков коронного разряда, где происходит зарядка частиц и их последующее осаждение на осадительных электродах.
Известен способ очистки газов от взвешенных в них частиц в электрическом поле электрофильтра при пропускании очищаемых газов через газовые каналы электрофильтра, образованные осадительными электродами с установленными между ними коронирующими электродами. При этом взвешенные в газах частицы электрически заряжаются в поле коронного разряда, организованном в межэлектродном пространстве электрофильтра между осадительными и коронирующими электродами. Под воздействием сил электрического поля заряженные частицы перемещаются в направлении к осадительным электродам. Уловленные частицы принудительно удаляются с осадительных электродов в бункер электрофильтра, а очищенные газы отводятся из электрофильтра (Справочник по пыле- и золоулавливанию / М.И. Биргер, В.А. Вальдберг, Б.И. Мягков и др.; Под общ. ред. А.А. Русанова. - М., 1983. - С. 198, 199).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ очистки газов, принятый в качестве прототипа, основанный на принципе электростатической очистки воздуха [Патент RU 2544202 C1, B03C 3/40, заявл. 30.12.2013, опубл. 10.03.2015]. При данном способе очистки газов от взвешенных в них частиц в электрическом поле электрофильтра при пропускании очищаемых газов через газовые каналы электрофильтра, образованные осадительными электродами с установленными между ними коронирующими электродами, очищаемые газы дополнительно инжектируют из одного газового канала электрофильтра в смежный с ним другой газовый канал и обратно через осадительные электроды, которые выполнены газопроницаемыми, при этом инжектирование осуществляют через проходное сечение газопроницаемых осадительных электродов, которое устанавливают исходя из отношения суммарной площади проходного сечения отверстий на проекционной поверхности газопроницаемого осадительного электрода к площади его проекционной поверхности. В результате за счет многократности перетока газа с содержащимися в нем заряженными частицами из одного газового канала электрофильтра в смежный с ним другой газовый канал и обратно значительно возрастает время пребывания заряженных частиц в электрическом поле в непосредственной близости к поверхности осаждения осадительных электродов, что увеличивает вероятность их контакта с осадительными электродами и, таким образом, обеспечивает повышение эффективности очистки газов в электрофильтре в целом.
Общий недостаток указанных выше решений, основанных на принципе электростатической очистки воздуха, связан с наличием турбулентности воздушного потока вблизи поверхности осадительных электродов и ограниченным временем пребывания заряженных частиц вблизи осадительных электродов, с возможностью вторичного уноса заряженных частиц с осадительных электродов проходящим потоком очищаемого газа, а также необходимостью использования дополнительных устройств для очистки осадительных электродов и удаления пылевых частиц в приемный бункер.
В основу предлагаемого объекта поставлена техническая задача создать такой способ очистки газов, в котором путем введения новых действий и новых параметров их осуществления, позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности очистки газов путем объемного захвата заряженных частиц и дальнейшее бесконтактное удаление захваченных частиц из воздушного потока.
Согласно предлагаемому техническому решению заряженные частицы захватываются и удерживаются в объеме в переменном электрическом поле квадрупольного типа [В. Пауль. Электромагнитные ловушки для заряженных и нейтральных частиц. УФН. 1990. Том 160. Вып. 12. С. 109-127] без осаждения на электроды и удаляются из воздушного потока электрофильтра в приемный бункер под действием силы тяжести и дополнительного постоянного электрического поля без отключения воздушного потока и применения дополнительных механических устройств.
Технический результат достигается тем, что при данном способе удаления заряженных частиц из газового потока электрическим полем электрофильтра с целью захвата частиц используется неоднородное переменное электрическое поле квадрупольного типа, которое формирует линейную электродинамическую ловушку, ось которой перпендикулярна направлению газового потока и в которой происходит захват заряженных частиц без осаждения на электроды и удаление заряженных частиц из газового потока вдоль оси ловушки под действием силы тяжести и/или дополнительного постоянного электрического поля без отключения воздушного потока и применения дополнительных механических устройств.
Технический результат достигается тем, что при данном способе удаления взвешенных в газовом потоке заряженных частиц из объема линейной электродинамической ловушки Пауля в приемный бункер используется сила тяжести в случае вертикально ориентированной оси линейной электродинамической ловушки, под действием которой частицы опускаются вниз и осаждаются в приемный бункер. Для ускорения процесса осаждения частиц в приемный бункер может подаваться дополнительное вертикально ориентированное постоянное электрическое поле. В случае горизонтально ориентированной оси линейной электродинамической ловушки для осаждения частиц в приемный бункер необходимо подавать дополнительное горизонтально ориентированное электрическое поле, направленное таким образом, чтобы заряженные частицы двигались в направлении приемного бункера и осаждались в нем.
Таким образом, при прохождении потока газа с взвешенными заряженными частицами через линейную электродинамическую ловушку заряженные частицы захватываются в объеме линейной электродинамической ловушки Пауля. Захваченные частицы удаляются из объема ловушки под действием силы тяжести и дополнительного электрического поля в приемный бункер в процессе функционирования электрофильтра.
Вариант устройства для осуществления предлагаемого способа показан на фиг. 1. Устройство включает в себя корпус электрофильтра 1 и приемный бункер для сбора удаленных из газового потока частиц 2. Внутри корпуса вдоль его центральной оси установлены две пары одинаковых металлических электродов 3, 4 и 5, 6. Электроды 3-6 закреплены по углам квадрата, центр которого совпадает с центральной осью корпуса. Электрод 7 установлен внутри корпуса с противоположного торца относительно приемного бункера. Электрод 7 не соприкасается с электродами 3-6. Пары электродов 3, 4 и 5, 6 соединены с источником переменного напряжения через электрическую схему с возможностью осуществлять сдвиг по фазе на π; между парами: на электроды 3, 4 подается переменное напряжение Usin(ωt), на электроды 5, 6 подается напряжение -Usin(ωt). На электрод 7 подается постоянный потенциал V того же знака, что знак заряда частиц. На боковой поверхности электрофильтра расположены входной 8 и выходной 9 вентиляционные патрубки. Воздушный поток 10 с заряженными частицами 11 подается во входной вентиляционный патрубок. В выходной патрубок 9 выходит чистый воздушный поток 12. Устройства электропитания электродов на фиг. 1 не показаны.
Работа устройства предлагаемым способом происходит следующим образом: воздушный поток с заряженными взвешенными частицами поступает через входной вентиляционный патрубок внутрь устройства перпендикулярно оси линейной электродинамической ловушки, состоящей из электродов 3-6. Заряженные частицы вместе с потоком попадают в область между электродами электродинамической ловушки. Переменное электрическое поле квадрупольного типа во внутреннем объеме электродинамической ловушки создает силу Гапонова-Миллера [Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика. М.: Наука 1988, 215 с.], действующую на заряженные частицы и которая направлена к центральной оси линейной электродинамической ловушки. Под действием этой силы движение частиц в перпендикулярном оси направлении тормозится и частицы захватываются ловушкой между ее электродами. Для вывода частиц из газового потока на электрод 7 подается электрический потенциал того же знака, что и заряд частиц, за счет чего частицы начинают двигаться от электрода 7 в направлении приемного бункера 2. Таким образом происходит удаление частиц из воздушного потока. Воздушный поток без частиц выходит из выходного вентиляционного патрубка.
p
Данный способ был опробован для удаления положительно заряженных частиц из воздушного потока. На фиг. 2 показаны гистограммы распределения инжектированных и удаленных частиц по диаметрам d при параметрах в эксперименте: скорость воздушного потока 30 см/с, электроды 3-6 представляли собой цилиндрические металлические стержни длиной 20 см и диаметром 4 мм. К электродам 3-6 прикладывалось напряжение амплитудой U=11.7 кВ и частотой f=100 и 200 Гц, потенциал на электроде 7 составлял 0,5 и 1 кВ.