ФИЛЬТР ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА
FILTER FOR GAS FLOW TREATING

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц, в том числе и конденсируемой составляющей паров газового потока (конденсата).
В книге (А.Г.Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр.164) представлено 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. 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 их нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный от конденсата газ выходит через патрубок нижней камеры.
В описанном 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. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена очистка смеси от аэрозолей.
В той же книге (см. А.Г.Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр.202) представлено устройство для сепарации паров серной кислоты, содержащее 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 конденсации 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 описываемом устройстве в отличие от ранее упомянутого устройства, конденсация 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 является фильтр очистки газового потока, представленный в патенте РФ на изобретение №22935897, 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:
a>2·σ/(p·g·h),
где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электрода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, ρ - 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 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 обеспечения максимально благоприятных условий теплопередачи.
Вместе с тем вывод конденсата из пор осадительного электрода в известном фильтре обеспечивается за счет гравитационных сил. Для преодоления капиллярных сил, особенно из мелких пор необходимо обеспечить высокий столб жидкости, что вынуждает увеличивать габариты фильтра.
Целью настоящего изобретения является сокращение габаритных размеров конструкции фильтра.
Для достижения заявленной цели фильтр очистки газового потока, содержащий пористый осадительный электрод, плоскость которого ориентирована вдоль очищаемого газового потока, с зазором относительно плоскости которого, со стороны очищаемого газового потока электрически изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания, снабжен приводом вращения, соединенным с установленным с возможностью вращения пористым осадительным электродом;
системой ориентации пористого осадительного электрода относительно очищаемого газового потока;
снабжен системой формирования воздушного потока, направленного на пористый осадительный электрод со стороны очищаемого газового потока;
снабжен системой охлаждения очищаемого газового потока.
Предлагаемое техническое решение позволяет для вывода конденсата за пределы конструкции фильтра использовать центробежные силы, значение которых пропорционально квадрату угловой скорости вращения осадительного фильтра. Что позволит не только сократить длину пор, а следовательно, и габариты конструкции, но и обеспечить более полное освобождение пор от накапливаемого конденсата и аэрозольных частиц. Что позволит достичь более высокой степени очистки и увеличить сроки межрегламентных периодов.
На чертеже представлена схема предлагаемого фильтра.
Фильтр включает в себя коронирующий электрод 1, соединенный с источником высокого напряжения (не показан). Конструктивные схемы выполнения коронирующего электрода 1 и подвода к нему высокого напряжения могут быть самыми различными и широко освещены в литературе (см., например, патенты РФ №2002510 по кл. В03С 3/38, №2008100, 2001687 по кл В03С 3/41 и др.). На чертеже коронирующий провод 1 представлен в виде провода с малым радиусом кривизны поверхности, натянутого с зазором относительно осадительного электрода 2. Поверхность осадительного электрода 2 выполнена пористой, открытые поры которой содержат капиллярные каналы, проходящие от оси конструкции с выходом наружу в периферийной его части. Размер пор желательно выполнять размером более 0,1 мкм, что позволяет потоку очищаемого газа беспрепятственно проходить во внутрь осадительного электрода и избежать образования пристеночного слоя потока очищаемого газа. Заземленная конструкция установлена с возможностью вращения и соединена с приводом вращения 3. Размеры капилляров вертикальных каналов выбраны исходя из условий истечения из них конденсируемой жидкости. Исходя из диаметра осадительного электрода 2 и оборотов вращения привода 3 нетрудно по известным соотношениям определить минимальный размер пор. Капиллярно-пористые материалы известны из литературы (см., например, http://itp.uran.ru/kpm.htm, http://www.pmi.basnet.by/structure/branch2-27.php), пористая металлокерамика, см., например, http://resti.udmnet.ru/f_gazez.htm и прочие материалы с открытыми порами, т.е. порами, выходящими на внутреннюю поверхность конструкции. В отмеченных источниках указывается, что известны различные методы изготовления пористых материалов с заранее заданной пористостью. Что позволяет выполнить заземленную конструкцию предлагаемого устройства на основе известных методов из известных материалов. Привод вращения с помощью опор 4 закреплен в воздушном канале 5, в котором в области вращения осадительного электрода выполнена кольцевая проточка 6 для сбора и отвода выбрасываемой из осадительного электрода 2 сконденсированной жидкости. Для отвода сконденсированной жидкости в нижней части кольцевой проточки 6 может быть выполнено сквозное отверстие со штуцером соединения со шлангом сбора сконденсированной влаги (не показаны).
При монтаже предлагаемого фильтра на трубе газового потока, выходящего в свободную атмосферу, фильтр может быть снабжен системой ориентации фильтра относительно потока очищаемого газа. Система ориентации может быть выполнена аналогично системе ориентации горизонтально оси вращения ветряного колеса ветряных энергетических установок и включает в себя поворотный погон 7, установленный на трубе очищаемого газового потока 8 с приводом разворота 9. Схемное и конструктивное выполнения поворотного погона 7 и привода разворота 9 относительно трубы очищаемого газового потока 8 могут быть выполнены исходя из общих требований проектирования. Система управления приводом разворота может базироваться на датчиках направления ветрового потока и создаваться на известных принципах проектирования следящих систем.
С целью усиления интенсивности процессов конденсации фильтр может быть снабжен системой охлаждения, которая, например, может быть выполнена в виде радиатора охлаждения набегающего ветрового потока 10, установленного перед выходящей струей очищаемого газового потока А по направлению к осадительному электроду 2.
В условиях малых скоростей ветровых потоков фильтр может быть снабжен специальной системой формирования воздушного потока. Конструктивно система формирования воздушного потока может быть выполнена исходя из конкретных условий работы фильтра и требований к его эксплуатационным характеристикам. На чертеже система формирования воздушного потока выполнена в виде осевого вентилятора 11, установленного на оси привода вращения 3 осадительного электрода 2.
Фильтр работает следующим образом.
Предназначенная для очистки в фильтре газовая система проходит в разрядной области коронирующего электрода 1. Возникающие в процессе коронного разряда электрические заряды попадают на содержащиеся в газовом потоке аэрозольные частицы и капельки конденсата и заряжают их.
Заряженные аэрозольные частицы вследствие малого радиуса кривизны их поверхности в прилегающей к ним области пространства создают мощные, сильно неоднородные электрические поля, притягивающие дипольные молекулы конденсируемых паров. Под действием электрического поля коронирующего электрода 1 и объемного заряда электрически заряженные аэрозольные частицы и сконденсировавшиеся в объеме газового потока капельки конденсата движутся к осадительному электроду 2, захватывая на своем пути молекулы конденсируемых паров. Учитывая, что поверхность осадительного электрода выполнена пористой, сформировавшийся вследствие действия электродинамических сил дисперсный поток движется в сторону осадительного электрода и проникает вовнутрь ее поверхности. Что позволяет вынести к осадительному электроду с электродинамическим потоком даже самые мелкие, субмикронные частицы. В процессе движения капель конденсата по порам осадительного электрода происходит смачивание окружающей поверхности, слияние капель и за счет сил поверхностного натяжения заполнение капиллярных каналов жидкостью конденсата. Таким образом, капли конденсата задерживаются в процессе движения дисперсной среды через осадительный электрод поверхностью пор, а газовая составляющая беспрепятственно выходит по открытым порам наружу (на чертеже отмечен поток В). Вследствие вращения осадительного электрода 2 с помощью привода 3, возникающие центробежные силы выносят сконденсированную влагу по капиллярным каналам пористой поверхности осадительного электрода к его внешней поверхности и далее в кольцевую проточку 6 канала 5 и через сквозное отверстие (на чертеже не показано) в дренажную систему.
Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра позволяет использовать капиллярные и центробежные силы для принудительного перемещения по всему объему пористой части осадительного электрода выделяемых из газового потока капелек конденсата. При этом решаются две задачи. Первая - осушается поверхность электрода и обеспечивается контакт конденсируемых капелек непосредственно с конструкцией более холодного электрода. Вторая - за счет использования развитой поверхности пор значительно развивается площадь поверхности теплопередачи от конденсата к конструкции электрода без существенного увеличения габаритных размеров конструкции.
Процесс конденсации содержащихся в газовом потоке паров, а также отвода тепла конденсации и охлаждение очищаемого газового потока осуществляется за счет перемешивания очищаемого газового потока с дополнительным более холодным дополнительным потоком W. Дополнительный поток формируется либо за счет ветра, путем ориентации фильтра таким образом, чтобы ветровой поток набегал на очищаемый и увлекал его на осадительный электрод. Для этого с помощью датчика направления ветра (не показан) определяется угол между направлением ветра W и осью вращения осадительного электрода 2. Полученное значение угла рассогласования отрабатывается приводом вращения 8. При малом значении ветрового потока, минимальное значение которого задается в исходных данных на проектирование, включается система формирования воздушного потока. Для конструктивной схемы, представленной на чертеже, включение и регулирование интенсивности формируемого воздушного потока может быть осуществлено поворотом лопаток осевого вентилятора 5. Дополнительное охлаждение очищаемого газового потока осуществляется с помощью теплообменника 10, установленного на пути набегающего ветрового W потока.
Конструкция фильтра допускает включение в него системы управления, регулирующей объем и температуру воздушного потока, подмешиваемого к очищаемому газовому потоку, а также регулировку оборотов привода вращения осадительного электрода. В качестве контролируемого параметра может быть определена температура осадительного электрода.
При необходимости использования предлагаемого фильтра для очистки газовых потоков, содержащих недостаточное количество конденсируемой влаги, допускается подвод в газовый поток паров конденсируемой жидкости (паров воды, масла и пр.). Конструктивное оформление подвода паров конденсируемой жидкости может быть решено на основе различным образом на основе общих принципов проектирования конструкций. На чертеже не показано.
2
2
2
2
2
Если в известном устройстве вывод конденсата из капиллярных каналов осадительного электрода осуществлялся за счет гравитационных сил, интенсивность которых определяется ускорением свободного падения g (9,8 м/с), то в предлагаемом техническом решении интенсивность сил пропорциональна ωr, где r - радиус активной части осадительного электрода, значения которых могут достигать более 100 м/с при радиусе активной части осадительного электрода. При r=2 см и частоте вращения осадительного электрода n=1000 об/мин (ω~1001/с) ωr=200 м/с), что позволяет обеспечить отвод конденсата из капиллярных каналов осадительного электрода при малых габаритных размерах и достичь цели предлагаемого изобретения.
Кроме того, вследствие увеличения сил на капельки конденсата и аэрозольные частицы, попадающие в осадительный электрод, снижается вероятность засорения пор, что позволяет увеличить межрегламентный период обслуживания фильтра.
Таким образом, предлагаемая конструкция электрофильтра благодаря предложенной неизвестной ранее новой совокупности отличительных признаков позволяет обеспечить отвод конденсата при меньших габаритах осадительного электрода и сократить размер конструкции фильтра и достичь цели предлагаемого изобретения.