СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА
METHOD OF GAS FLOW CLEANING

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано как в быту, так и в различных отраслях промышленности и энергетики и транспорта для очистки газов от содержащихся в нем аэрозольных частиц.
Известен способ очистки газов, заключающийся в охлаждении газового потока при его движении из верхней камеры в нижнюю по вертикальному цилиндрическому корпусу, в котором через патрубки входа и выхода циркулирует охлаждающий агент (см. А.Г. Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр. 164). В известном способе парогазовая смесь через верхнюю камеру проходит по трубам, охлажденным движущимся в межтрубном пространстве хладагентом. При соприкосновении с холодной поверхностью труб происходит охлаждение газа и конденсация на этой поверхности содержащегося в газе пара. Конденсация паров происходит на содержащихся в газе аэрозольных частицах. Конденсируемая в трубах жидкость с аэрозольными частицами собирается в нижней камере и вытекает их нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный газ выходит через патрубок нижней камеры. В известном способе производится конденсация и отделение от газа аэрозольных частиц лишь той части газа, которой удается соприкоснуться с поверхностью труб за время нахождения газа в трубе. Остальная же часть аэрозольных частиц остается в составе выходящего из устройства газа. Таким образом, для повышения степени очистки газа от аэрозольных частиц требуется увеличение габаритных размеров устройства, реализующего известный способ очистки.
5
3
В патенте РФ на изобретение №2175880, МПК 7 B01D 5/00 представлено описание способа очистки газового потока от аэрозольных частиц, в котором совмещены процессы конденсации и сепарации паров с использованием коронного разряда. Сепарация сконденсированных паров в описанном способе реализована с помощью электрофильтра, содержащего соединенный с источником высокого напряжения коронирующий электрод и установленный относительно него с зазором осадительный электрод. Принцип работы электрофильтра достаточно полно освящен в литературе (см., например, А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии» Госхимиздат, 1950 г., стр. 138-150). В анализируемом электрофильтре электрические заряды, возникающие в зазоре между коронирующим и осадительным электродом, попадая на аэрозольные частицы газовой смеси, заряжают их. Электрическое поле в зазоре между коронирующим и осадительным электродом вынуждают заряженные аэрозольные частицы двигаться по направлению силовых линий к осадительному электроду, чем обеспечивается очищение газовой смеси от аэрозольных частиц. Конденсация паров в описываемом способе реализуется генерацией коронного разряда в газовом потоке. В процессе коронного разряда повышается плотность электрически заряженных частиц, содержащихся в газовом потоке, и при плотности электрических зарядов более 10 е/см (e - элементарный электрический заряд) электрически заряженные аэрозольные частицы начинают активно захватывать молекулы конденсируемых паров, превращаясь в крупные молекулярные комплексы. Молекулярная влага и аэрозольные частицы конденсата увлекаются из объема газового потока к осадительному электроду, где реализуется пристеночная конденсация. Таким образом, в описываемом электрофильтре в процессе конденсации задействованы не только случайно попавшие на стенки конденсируемой поверхности молекулы паров, но и молекулярные комплексы. Последние образуются в объеме движущегося газового потока с помощью электрически заряженных частиц и доставляются к поверхности заземленной конструкции электрическим полем. В результате действия механизма конденсации, совмещенного с механизмом электрофильтра, в описанном способе обеспечивается полнота сепарации паров из очищаемого газового потока без существенного увеличения габаритных размеров фильтра. Кроме того, известным способом можно улавливать и аэрозольные частицы, захватившие молекулы конденсируемых паров, т.е. реализовать так называемый принцип мокрой очистки газов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению относится способ очистки газового потока, описанный в патенте РФ №2293597 RU. В известном способе в начале очистки в очищаемом газовом потоке формируют неоднородное электрическое поле и генерируют в очищаемом газовом потоке коронный разряд. Содержащиеся в газовом потоке аэрозольные частицы в процессе воздействия на них электрическим полем и коронным разрядом получают электрический заряд. Далее газовый поток с электрически заряженными аэрозольными частицами пропускаются через осадительный электрод, выполненный в виде пористой с открытыми порами перегородки. При прохождении газового потока через пористую поверхность осадительного электрода электрически заряженные аэрозольные частицы осаждаются на порах осадительного электрода. Известный способ имеет высокую эффективность для очистки увлажненных газовых потоков. Эффективность реализации известного способа определяется в значительной степени степенью пересыщения паров очищаемого газового потока. Электрические заряды, локализованные на аэрозольных частицах, инициируют процессы конденсации. Увлажняются даже самые мелкие аэрозоли, чем и достигается высокая степень очистки.
Вместе с тем, как известно, коронный разряд сам является источником загрязнения газового потока мелкодисперсными аэрозолями. См. Л.И. Толпыгин и др. О перспективах возможности очистки воздуха от аэрозольных частиц посредством неоднородного электрического поля. Экология и промышленность России. Октябрь, 2014 г., стр. 48-51. При использовании известного способа затруднительно добиться высокой эффективности очистки для сухих газовых потоков, что ограничивает область применения известного способа очистки.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности очистки газового потока.
Для достижения поставленной цели в известном способе очистки газа от аэрозолей, заключающемся в воздействии электрическим полем на очищаемый газовый поток и пропускании очищаемого газового потока через пористый с открытыми порами материал, электрическое поле величиной не менее 0,1 кВ/см формируют в порах фильтрующего материала путем подачи высокого напряжения на электрод, установленный по центру заполненной фильтрующим материалом ячейки, образованной установленными с зазором относительно друг друга заземленными пластинами.
Технический результат в заявляемом способе очистки газового потока достигается за счет отклонения траекторий движения аэрозольных частиц электрическим полем от линий тока газового потока при движении газового потока по порам фильтрующего материала. Отклонившиеся от линий тока газового потока аэрозольные частицы зацепляются за стенки пор и сепарируются от газового потока. В порах, таким образом, задерживаются частицы, размер которых значительно меньше, чем размер пор. Более эффективное воздействие на аэрозольные частицы и их отклонение от линий тока обеспечивается при использовании неоднородного электрического поля. Под действием неоднородного электрического поля на частицах индуцируется дипольный момент, вследствие чего частицы движутся в сторону увеличения градиента электрического поля. См. Л.И. Толпыгин и др. О перспективах возможности очистки воздуха от аэрозольных частиц посредством неоднородного электрического поля. Экология и промышленность России. Октябрь, 2014 г., стр. 48-51.
2
Реализация заявляемого способа очистки газового потока следующая. Поперечное сечение воздуховода, по которому перемещается подлежащий очистке от аэрозольных частиц газовый ток, перекрывается пористым с открытыми порами фильтрующим материалом. В качестве фильтрующего материала могут быть использованы стекловолокна или другие фильтрующие материалы, широко предлагаемые на рынке для использования в фильтрах грубой очистки. Фильтрующий материал укладывается в ячейки, образованные заземленными электропроводными пластинами, установленными с зазором относительно друг друга. Для укрепления конструкции электропроводные пластины могут быть установлены между двумя сетками. Для повышения эффективности очистки рекомендуется использовать материал с высоким значением диэлектрической проницаемости не менее 1,3. Чем выше значение диэлектрической проницаемости материала, тем выше эффективность очистки. В пористом материале формируется неоднородное электрическое поле величиной не менее 0,1 кВ/см, градиент которого не менее 0,01 кВ/см. Формирование неоднородного электрического поля осуществляется путем подачи напряжения на электрод, установленный по центру заполненной фильтрующим материалом ячейки, образованной установленными с зазором относительно друг друга заземленными пластинами. Содержащиеся в очищаемом газовом потоке аэрозольные частицы неоднородным электрическим полем увлекаются в сторону увеличения градиента электрического поля, отклоняются от линий тока газового потока, зацепляются за стенки пор перегородки и сепарируются от газового потока. Очищенный от аэрозольных частиц газовый поток выходит наружу. При переполнении пор производится либо регенерация фильтрующего материала с очисткой пор, либо, при невозможности осуществления регенерации, производится замена фильтрующего материала. Учитывая, что путем воздействия неоднородным электрическим полем на очищаемый газ в фильтрующем материале задерживаются частицы, размер которых значительно меньше размера пор, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность очистки, не увеличивая при этом гидравлического сопротивления очищаемому потоку. Степень различия в размерах пор и сепарируемых аэрозолей определяется временем прохождения очищаемого газа через фильтрующий материал, а также значениями параметров неоднородного электрического поля (напряженность электрического поля и степень его неоднородности).
На рис. 1 представлена условная схема конструкции фильтра, обеспечивающего реализацию предлагаемого способа очистки. Фильтр включает в себя конструкцию, выполненную из установленных между двумя сетками 1 с зазором относительно друг друга электропроводных пластин 2. Ячейки, образованные электропроводными пластинами 2, заполнены фильтрующим материалом 3. По центру ячеек внутри фильтрующего материала 3 электрически изолированно установлены электроды 4, соединенные с одним из полюсов высоковольтного источника питания 5, другой полюс которого соединен с электропроводными пластинами. При наличии контура заземления второй полюс высоковольтного источника питания и электропроводные пластины могут быть заземлены. Для фиксации фильтрующего материала ячейки могут быть перекрыты конструкцией, прозрачной для прохождения газового потока, например сеткой 1. Устройство работает следующим образом. Подлежащий очистке газовый поток (на рис. 1 показан стрелкой W) проходит в поры фильтрующего материала. При подаче высокого напряжения на электроды 4 между электродами 4 и заземленными электропроводными пластинами 2 образуется неоднородное электрическое поле. Неоднородное электрическое поле на содержащихся в очищаемом газовом потоке аэрозольных частицах индуцирует дипольный момент, который вынуждает аэрозольные частицы двигаться в сторону увеличения градиента сформированного электрического поля. При движении газового потока по порам фильтрующего материала, аэрозольные частицы отклоняются от линий тока, что увеличивает вероятность столкновения их с поверхностью пор и, как следствие, повышает эффективность очистки газового потока. Проведенные автором изобретения исследования показали высокую эффективность предложенного способа. График распределения аэрозольных частиц, содержащихся в очищаемом воздухе (фон) и в очищенном воздухе (кривые, обозначенные как фильтр, 6 кВ, 10 кВ, 15 кВ, 20 кВ) представлен на рис. 2. Кривая, обозначенная «фильтр» отображает распределение частиц, содержащихся в воздухе, прошедшем через фильтрующий материал. Кривые, обозначенные на рисунке 6 кВ, 10 кВ, 15 кВ, 20 кВ, - распределение частиц, содержащихся в воздухе, прошедшем через тот же фильтрующий материал, при воздействии на него неоднородным электрическим полем 0,1; 0,17; 0,25; 0,33 кВ/см. Поле формировалось путем подачи на электроды напряжения, соответственно 6 кВ, 10 кВ, 15 кВ, 20 кВ. Для наглядности изображения концентрации частиц после фильтра на графике представлены увеличенными соответственно в 5 (фильтр и 6 кВ), в 50 (10 и 15 кВ) и 100 (20 кВ) раз.
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1. Распределение аэрозольных частиц, содержащихся в очищенном фильтром воздухе.
2
3
3
Фильтрующий материал на основе стекловолокон, предназначенный для использования в фильтрах грубой очистки, ФВР-PS3-G3, в эксперименте обеспечивал пятикратное снижение концентрации аэрозольных частиц. Эффективность очистки во всем диапазоне размеров частиц составила 82,4% во всем диапазоне размеров частиц. В диапазоне частиц 50-200 нм эффективность очистки испытуемого фильтрующего материала составляла 60-70%. Эффект повышения эффективности очистки газового потока от аэрозольных частиц обычным волокнистым фильтрующим материалом существенно проявляется при приложении разности потенциалов в 6 кВ, которое обеспечивает формирование в фильтрующем материале неоднородного электрического поля значением не менее 0,1 кВ/см, градиент которого не менее 0,01 кВ/см. При формировании в фильтрующем материале электрического поля с напряженностью электрического поля ~0,1 кВ/см эффективность очистки воздуха по концентрации частиц возросла практически до 97% во всем диапазоне размеров частиц. Исключение составил диапазон размеров частиц 20-80 нм, где эффективность очистки достигала значения 80-90%. При повышении напряженности электрического поля воздух очищался практически полностью, улавливались практически все частицы. В очищенном воздухе оставалось всего до нескольких десятков частиц на см во всем диапазоне размеров частиц, включая нанометровый диапазон, при фоновом загрязнении в несколько тысяч частиц на см.
Таким образом, предложенное техническое решение благодаря новым признакам позволяет повысить эффективность способа очистки и достичь поставленной цели изобретения.
Изобретение создано при поддержке грантов РФФИ №№14-08-00836, 15-0804724, 15-0810081.