СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПЫЛИ И ЭЛЕКТРОФИЛЬТР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CLEANING GASES FROM DUST AND ELECTROSTATIC PRECIPITATOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам очистки газов от пыли и неэлектропроводных жидкостей посредством электрического поля в электрофильтрах и может быть использовано в металлургической, химической, энергетической и других отраслях промышленности.
Известны различные способы очистки промышленного газа от пыли и неэлектропроводных жидкостей использованием электрического поля высокой напряженностью и заряда частиц пыли коронным разрядом. Электростатическое поле и коронный разряд создаются в каналах, образованных рядами плоскостей осадительных электродов и расположенными между ними плоскостей коронирующих электродов. Осадительные электроды заземлены, а к коронирующим электродам подается высокое напряжение отрицательной полярности. Пылегазовый поток движется вдоль осадительной поверхности, частицы пыли получают электрический заряд от коронирующих электродов и движутся в сторону осадительных электродах со скоростью дрейфа (Русанов А.А. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М., «Энергия», 1975 г.). Данным способом очистки газа от пыли использует только одну силу - электрическую кулоновскую силу притяжения заряженной частицы пыли электрическим полем к осадительной поверхности. Для промышленных газов высокой запыленностью этого недостаточно, что привело к созданию больших размеров электрофильтров по ширине и высоте, то есть к повышенной металлоемкости электрофильтров.
Известен способ использования дополнительной силы напора пылегазового потока для повышения скорости дрейфа заряженных частиц пыли к осадительной поверхности, что реализовано в конструкции электрофильтра (авт.св. RU №1393484, В03С 3/09, 1991 г.). Пылегазовый поток с заряженными частицами пыли проходит сквозь газопроницаемые осадительные электроды. Направление движения пылегазового потока совпадает с направлением действия электростатических сил, что резко повышает скорость дрейфа частиц пыли к осадительной поверхности газопроницаемого осадительного электрода. Однако зона осаждения заряженных частиц пыли находится вне активной зоны заряда частиц пыли в поле коронного разряда, что существенно снижает величину заряда частиц пыли и, как следствие, снижает эффективность очистки газов в электрофильтре.
Известен способ осаждения поляризованных частиц пыли в неоднородном поле (патент RU №2124402, В03С 3/08, 2007 г.), созданном криволинейной поверхностью осадительного электрода. Для промышленного использования данный способ не пригоден, так как очищает воздух малых объемов и низкой концентрации пыли, имеется низкая скорость дрейфа, а частицы поляризуются, то есть не имеют заряд относительно осадительного электрода.
Известен способ очистки газов от пыли, согласно которому в зоне действия центробежных сил создают электрическое поле (авт.св. RU №153010, В03С 3/15, 1959 г.). Для осуществления данного способа используют циклон, а заряд частицы пыли получают в результате трения о заряжающую поверхность. Недостаток очевиден, это малая величина заряда частиц пыли и слабая скорость дрейфа в электростатическом поле в циклоне.
Известен способ очистки газов от пыли в электрофильтре (авт.св. SU №1393483, В03С 3/08,1986 г.), при котором в рабочем объеме электрофильтра на частицу пыли дополнительно к электрическим силам воздействуют силой газодинамического напора потока газа в сторону осадительного электрода за счет размещения в зоне зарядки интерцепторов с поверхностью по форме циклоиды. Такая геометрическая форма обеспечивает максимальную скорость движения заряженных частиц пыли к осадительному электроду от поперечной составляющей скорости дрейфа газового потока. Недостатком является повышение продольной составляющей скорости дрейфа вблизи кромки интерцепторов и осадительного электрода.
Известен способ очистки газов в электрофильтре (патент RU №2544202, В03С 3/40,2013 г.), при котором пылегазовый поток дополнительно проходит (эжектирует) из одного газового канала электрофильтра в смежный с ним другой газовый канал и обратно через осадительные электроды. Недостатки данного способа очевидны, ибо эжектирование - это передача кинетической энергии из одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой, в результате чего возрастает сопротивление пылегазовому потоку, а значит, увеличивается унос пыли через неактивные зоны вверху и внизу газовых каналов. Кроме того, за счет многократности перетоков газов с содержащимися в них заряженными частицами из одного газового канала электрофильтра в смежный с ним другой газовый канал и обратно в непосредственной близости от поверхности осаждения заземленных объемных осадительных электродов, заряд частиц пыли уменьшается, что приводит к уменьшению скорости дрейфа. Также, проходя сквозь объемные осадительные электроды, частицы пыли теряют свой заряд, а так как в объемном осадительном электроде отсутствует электростатическое поле, то заряженные частицы пыли проскакивают сквозь объемный осадительный электрод без осаждения на нем, что резко снижает эффективность пылеулавливания.
Известен способ очистки газов в электрофильтре (патент RU №2330726, В03С 3/08, 2008 г.), при котором пылегазовый поток движется синусоидально между осадительными электродами волнового профиля. За счет увеличения длины пути движения заряженных частиц пыли в активной зоне повышается время пребывания частиц в зоне осаждения. Недостатком является повышенный унос пыли при регенерации осадительных электродов и сложности центровки коронирующих электродов при эксплуатации электрофильтра.
Наиболее близким по совокупности признаков выбран прототип - способ пылеулавливания при зигзагообразном движении пылегазового потока сквозь газопроницаемые осадительные электроды (авт.св. SU №1826926, В03С 3/08, 1993 г.). Подлежащий очистке газ вводится в электрофильтр и поступает в каналы, открытые со стороны входа канала и заглушеные заглушками со стороны выхода из канала. В электрическом поле коронного разряда, организованного между газопроницаемыми осадительными электродами и коронирующими электродами, частицы пыли приобретают электрический заряд и под совместным действием сил электрического поля и газового потока движутся через газопроницаемые осадительные электроды в соседние (смежные) каналы, заглушенные заглушками со стороны входа в канал и открытые со стороны выхода.
Недостатком этого способа является резкое снижение эффективности пылеулавливания по причине потери частицами пыли своего электрического заряда вследствие принудительного прохождения сквозь заземленные осадительные электроды в смежные каналы. Одновременно в этих смежных каналах действие кулоновских сил направлено встречно газовому потоку и, по причине слабого заряда, частицы пыли проскакивают из смежных каналов, что требует установки следующих полей и увеличение металлоемкости корпуса электрофильтра.
Данным изобретением решена задача и создан способ очистки газа, при котором введение новых действий и новых конструктивных решений позволило обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности очистки газов в электрофильтре и снижении металлоемкости его корпуса.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе очистки газов от пыли в электрофильтре пылегазовый поток синусоидальной формой движется в электростатическом поле сквозь газопроницаемые осадительные электроды, согласно предлагаемому техническому решению, пылегазовый поток циклично и последовательно изменяет свое движение от синусоидального к круговому и обратно. Тем самым образуется круговое движение пылегазового потока сквозь плоскости коронирующих электродов и сквозь плоскости осадительных электродов. В результате пылегазовый поток проходит зону интенсивной зарядки частиц пыли в поле коронного разряда. На заряженную частицу пыли действует кулоновская сила электростатического поля, совпадающая с направлением движения пылегазового потока. За счет того, что пылегазовому потоку дополнительно сообщают циркуляционное вращательное движение при изменении направления движения от синусоидального к круговому и, циклично, обратно от кругового движения к синусоидальному, на частицы пыли дополнительно к электрической кулоновской силе совокупно действуют центробежная и инерционная силы, направленные совместно в сторону осадительной поверхности элементов осадительного электрода.
При круговом движении пылегазовый поток циклично и последовательно движется сквозь зоны интенсивной зарядки частиц через газопроницаемые плоскости коронирующих электродов и частицы пыли получают максимально возможный отрицательный заряд.
Далее пылегазовый поток поступает в зону квазиоднородного электростатического поля газопроницаемого осадительного электрода, за счет этого на частицу пыли дополнительно воздействует сила градиента напряженности электрического поля, возникающая вблизи осадительной поверхности элементов осадительного электрода.
При таком способе пылеулавливания пылегазовый поток циклично и последовательно изменяет направление своего движения от синусоидального к круговому и вновь возвращается к синусоидальному движению. Далее вновь изменяет свое движение от синусоидального к круговому, постадийно проходя по всей длине канала электрофильтра.
Таким образом, частицы пыли при круговом движении пылегазового потока циклично и последовательно проходят сквозь зону интенсивной зарядки частиц, созданную коронирующими электродами. Вращающийся пылегазовый поток после зоны интенсивной зарядки частиц пыли циклично и последовательно поступает в зону квазиоднородного электростатического поля, созданную элементами осадительного электрода. На максимально заряженные частицы пыли совокупно воздействуют в одинаковом направлении кулоновская сила электрического притяжения к осадительному электроду, сила градиента квазиоднородного электростатического поля, инерционная и центробежная силы при цикличном изменении направления движения пылегазового потока в сторону элементов осадительного электрода, что существенно повышает скорость дрейфа и увеличивает эффективность пылеулавливания.
Процесс цикличности заключается в следующей последовательности: пылегазовый поток движется сквозь зоны интенсивной зарядки от коронного разряда коронирующих электродов и получают максимальный отрицательный заряд. Далее пылегазовый поток разделяется пополам по объему, каждая из двух равных частей изменяет направление движения и движется в стороны осадительного электрода и, благодаря газопроницаемости осадительного электрода, проходит сквозь него. В это же время заряженные частицы пыли попадают в зону действия градиента квазиоднородного электростатического поля и интенсивно осаждаются на поверхности элемента осадительного электрода. Далее пылегазовый поток за счет изменения направления движения от синусоидального приобретает круговое движение и попадает в зону интенсивного заряда от коронного разряда коронирующих электродов, где частицы пыли приобретают максимальный отрицательный электрический заряд. На частицы пыли дополнительно воздействует центробежная сила за счет кругового вращения пылегазового потока, совпадающая с направлением действия кулоновской силы. За счет изменения направления движения пылегазового потока от синусоидального движения к круговому и обратно, на частицы пыли дополнительно действует инерционная сила, также совпадающая с направлением действия кулоновской силы, что способствует повышению скорости дрейфа к осадительному электроду. Далее круговой пылегазовый поток циклично возвращается в синусоидальную форму движения и попадает в следующую зону интенсивного коронного заряда. За счет совокупного синусоидального и вращательного движения пылегазового потока увеличивается путь прохождения частиц пыли в активной зоне, а значит, время пребывания частиц пыли в электрофильтре, что способствует повышению интенсивности пылеулавливания и снижению металлоемкости.
Такое интегрированное синусоидальное и круговое движение пылегазового потока в активной зоне каналов электрофильтра увеличивает путь прохождения частиц пыли в активной зоне каналов электрофильтра и повышает время пребывания пылегазового потока в поле электрофильтра, что увеличивает эффективность очистки газов.
Электрофильтр для очистки газа от пыли по предложенному способу содержит корпус, в котором расположены одно или несколько полей, источник питания постоянным током высокого напряжения отрицательной полярностью. Каналы образованны плоскостями газопроницаемых осадительных электродов, между которыми на равном расстоянии и параллельно расположены плоскости коронирующих электродов. Плоскости осадительных электродов состоят из трубчатых элементов. Заглушки расположены в начале и в конце канала, а диафрагмы расположены в середине канала, выполнены в виде спаренных интерцепторов, расположены в шахматном порядке так, что создают зигзагообразную газопроницаемую осадительную поверхность, состоящую из трубчатых осадительных элементов. Сечение трубчатых осадительных элементов может приобретать форму криволинейной поверхности, например окружность или элипс. Задние кромки диафрагм расположены в плоскости коронирующих электродов, а передние кромки диафрагм расположены в плоскости осадительного электрода и установлены перпендикулярно к ним. Диафрагмы перекрывают каналы электрофильтра и создают синусоидальное и круговое движение пылегазового потока.
Геометрическая форма диафрагм выполнена в виде вогнутой циклоиды, что создает оптимальное условие плавного изменения направления движения пылегазового потока от синусоидального продольного вдоль плоскости коронирующих электродов к круговому, перпендикулярного направления к осадительным электродам, и придают пылегазовому потоку вращательного движения. Взаимное расположение плоскостей осадительных электродов и диафрагм создают квадратные зоны в каналах электрофильтра. Расстояние между двумя соседними диафрагмами в канале равно удвоенному межэлектродному промежутку между рядами осадительных электродов. Количество квадратных зон соответствует длине канала и межэлектродному расстоянию между осадительными электродами.
С целью уменьшения металлоемкости элементов осадительных электродов и увеличения поверхности осаждения, элементы осадительных электродов выполнены трубчатыми с геометрическим сечением в виде элипса.
o
На фиг. 1 приведена принципиальная схема осуществления способа очистки газа, изображающая поперечный разрез части поля электрофильтра. Электрофильтр содержит корпус (на рисунке не показан), плоскости газопроницаемых осадительных электродов «1», плоскости коронирующих электродов «2». Плоскости коронирующих электродов «2» и плоскости осадительных электродов «1» расположены с межэлектродным расстоянием «H». Плоскости осадительных электродов «1» расположены в каналах «3» с межэлектродным шагом «Н». Заглушки «4» в начале и конце каналов «3» и диафрагмы «5» в виде спаренных интерцепторов расположены в каналах «3» в шахматном порядке так, что создают зигзагообразную газопроницаемую осадительную поверхность.
Диафрагмы «5» в канале «3» расположены с промежутком «2Н». Заглушки «4» и диафрагмы «5» совместно с плоскостями осадительной поверхности «1» создают квадратные активные зоны «6» заряда и осаждения частиц пыли, в котором движется пылегазовый поток «7». В каждом канале «3» электрофильтра образованы несколько активных зон «6», объединенных в поля электрофильтра. В корпусе электрофильтра возможно размещение нескольких полей с каналами «3», имеющими последовательно расположенные зоны «6». Пылегазовый поток «7» имеет синусоидальную форму движения «8» и циклическую круговую форму «9». На коронирующие электроды «2» подается высокое напряжение отрицательной полярностью от источника питания, осадительные электроды «1» и корпус заземлены.
На фиг. №2 изображены трубчатые элементы плоскостей осадительных электродов «1». Плоскости газопроницаемых осадительных электродов «1» состоят из расположенных в ряд трубчатых элементов, которые имеют криволинейную геометрическую форму или круг «10» с радиусом «R», или эллипс «11» с большим радиусом «а» и малым радиусом «в». Газопроницаемый промежуток равен расстоянию «h». Вблизи поверхностей осадительных элементов «10» или «11» образуется квазиоднородное электростатическое поле «12».
Пылегазовый поток «7» (см. фиг. 1) входит в канал «3», открытый в начале, но закрытый в конце заглушкой «4», и попадает в электростатического поля, созданное плоскостями осадительных электродов «1» и плоскостями коронирующих электродов «2». Проходя сквозь зоны коронного разряда коронирующих электродов «2», частицы пыли получают максимально возможный электрический заряд отрицательной полярности. Известно, что время зарядки частиц пыли в поле коронного разряда электрофильтра составляет около 0,1 секунд. За это время частица пыли заряжается в среднем на 90%. Если скорость пылегазового потока в электрофильтре 0,8-1,5 м/с, то прямолинейный участок при времени заряда 0,1 и составляет 0,15 метров. При высокой концентрации пыли время заряда может повыситься до 0,5 секунд. Тогда величина участка заряда возрастет до 0,45 м, что соизмеримо с межэлектродным шагом «Н», равном порядка 0,5 м (Чекалов Л.В. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов. «Кондор-Эко», 2004 г.). Таким образом, в квадратной активной зоне «6» длиной канала порядка 0,5 м и межэлектродным расстоянием 0,5 м частицы пыли получают максимальный отрицательной электрический заряд.
За счет диафрагм «5» пылегазовый поток «7» разделяется пополам и каждая из половинок изменяет направление движения перпендикулярно в сторону плоскости газопроницаемого осадительного электрода «1» и движется синусоидально. За счет формы циклоиды интерцептора «5» пылегазовый поток «7» дополнительно приобретает вращательное движение «9» в зоне «6» между плоскостями коронирующих электродов «1» и соседними диафрагмами «5». Таким образов осуществляется интегрированное движение пылегазового потока «7» в каналах «3» по синусоиде «8» и одновременно циклическое круговое движение «9» внутри активной зоны «6», где частицы пыли получают максимальный отрицательный электрический заряд частиц и интенсивно осаждаются на поверхности элементах «10» или «11» осадительных электродов «1».
Проходя сквозь газопроницаемые осадительные электроды «1», заряженные частицы пыли попадают в зону действия квазиоднородного электростатического поля «12» осадительных элементов «10» или «11» (см. фиг. 2). Благодаря наличию квазиоднородного электростатического поля «12» в непосредственной близости от осадительных элементов «10» и «11», на заряженную частицу пыли воздействует дополнительная сила градиента напряженности по причине изменения вектора напряженности по величине и направлению.
Благодаря циклическому круговому движению «9» пылегазового потока «7», неуловленные частицы пыли в канале «3» вновь попадают в зону интенсивной зарядке «6» поля коронного разряда «2», получают максимальный заряд и далее движутся к осадительной поверхности «1» элементов осадительных электродов «10» или «11» в зоне квазиоднородного электростатического поля «12» с другой стороны поверхности осадительного электрода «1». И так циклично протекает процесс пылеулавливания в следующей зоне «6» в канале «3» электрофильтра. Расчеты показали, что время пребывания заряженной частицы пыли в одном поле модернизированного электрофильтра по предлагаемому способу пылеулавливания возрастает от 3,13 секунды до 7,7 секунд, то есть в 2,5 раза. Эффективность пылеулавливания одного поля возрастает с 0,714 до 0,954.
На частицы пыли дополнительно действует центробежная сила, которая возникает при круговом движении пылегазового потока «9» в активной зоне «6», направлена совместно с электрической силой и осаждают частицы пыли на поверхности диафрагм «5». Таким образом, за счет диафрагм «5» дополнительно увеличивается площадь осаждения активной зоны «6» электрофильтра, что способствует увеличению степени пылеулавливания электрофильтра. Расчеты показали, что площадь осаждения повышается в 2,25 раз, значит, увеличивается и эффективность пылеулавливания.
При каждом повороте движения пылегазового потока по синусоиде «9», на заряженные частицы пыли дополнительно действует инерционная сила. Направление действия инерционной силы совпадает с направлением движения пылегазового потока «7» вдоль плоскости коронирующих электродов «2». За счет инерционной силы заряженные частицы пыли осаждаются на поверхности диафрагм «5», что тоже способствует повышению эффективности пылеулавливания.
Под действием совокупных, одновременных по времени и направлению сил электростатического поля, сил градиента напряженности квазиоднородного электростатического поля, инерционной силы и центробежной силы, частицы пыли движутся к поверхности осадительного электрода «1» с повышенной скоростью дрейфа и интенсивно осаждаются на поверхности элементов «10» или «11» (см. фиг. 2). Таким образом, процесс пылеулавливания интенсифицируется, значит, уменьшается размер корпуса электрофильтра и его металлоемкость.
За счет криволинейной геометрической формы элементов «10» и «11» (см. фиг. 2) осадительного электрода «1», площадь осаждения приобретает максимально возможную величину. Длина полуокружности осадительного элемента «10» равна πR и на 0,5π больше длины плоской поверхности осаждения, равной 2R=h. Длина осадительной поверхности в виде эллипса «11» равна π(а+в), что еще больше по величине, так как малый радиус «а» намного больше большого радиуса «в» элипса окружности «10» осадительной поверхности «1». За счет этого увеличивается общая площадь осаждения, что позволяет уменьшить размеры корпуса электрофильтра и его металлоемкость.
Сравнительный расчет и анализ показал, что эффективность пылеулавливания двухпольного электрофильтра по предлагаемому способу пылеулавливания равна 0,998, что больше по сравнению с эффективностью пылеулавливания типового базового промышленного трехпольного электрофильтра, равной только 0,977.
Значит, 2-польный модернизированный электрофильтр, использующий очистку газа по предлагаемому способу, заменяет 3-польный обычный базовый электрофильтр. От этого металлоемкость электрофильтра снижается на 1/3 массы корпуса, а эффективность пылеулавливания при этом возрастает с 0,977 до 0,998.
Предлагаемый способ пылеулавливания соответствует принципам энергоэффективности и энергосбережению, в том числе ресурсосбережению.