СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА В ДВУХЗОННЫХ ФИЛЬТРАХ Российский патент 1999 года по МПК B03C3/00 

Изобретение относится к области очистки воздуха от твердых и жидких частиц в системах вентиляции и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Как известно, коронный разряд в электрофильтрах сопровождается изменением состава воздуха. В процессе ионизации газов, входящих в состав воздуха, внутримолекулярные связи настолько нарушаются, что в течение коротких мгновений могут существовать свободные атомы кислорода. Они быстро рекомбинируют в молекулы обычного кислорода O₂, а некоторая очень малая часть атомов образует озон O₂. Образуется также небольшое количество окислов азота NO и NO₂. Эти газы являются нежелательными примесями в воздухе, очищаемом в гигиенических целях [1].

Известен способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах путем воздействия на пылевые частицы электрических полей, образованных между проволочными коронирующими и заземленными электродами, а также между плоскими осадительными электродами, на которые через один подается высокое напряжение, а остальные заземляются.

При подаче высокого напряжения вокруг проволочных электродов образуется коронный разряд, ионизирующий воздух и создающий объемный заряд в межэлектродном пространстве зоны ионизации.

Пылевые частицы, перемещаясь вместе с воздушным потоком через зону ионизации, получают при этом избыточный заряд. Одновременно в очищаемом воздухе образуется незначительное количество озона и окислов азота. Заряженные частицы в зоне осаждения под действием сил поля перемещаются к осадительным электродам, оседают на них и тем самым выводятся из воздушного потока [2].

Известен аналогичный способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах путем воздействия на пылевые частицы потока ионов, образованных проволочными коронирующими электродами отдельной зоны ионизации и электрических полей между плоскими осадительными электродами.

При подаче высокого напряжения на проволочные коронирующие электроды образуется коронный разряд, ионизирующий воздух и заряжающий пылевые частицы. Одновременно образуется незначительное количество озона и окислов азота (3).

Известные способы очистки воздуха не позволяют увеличивать межэлектродное расстояние, поскольку это приводит к значительному уменьшению тока коронного разряда и, как следствие, к снижению заряда, получаемого улавливаемыми частицами пыли, и в конечном итоге - к уменьшению эффективности очистки воздуха.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах путем воздействия на частицы электрических полей, образованных между плоскими коронирующими, осадительными и заземленными электродами, образующими основное электрическое поле (4).

Недостатком указанного наиболее близкого аналога также, как и других является образование нежелательных примесей в очищенном воздухе в виде озона и окислов азота. Уровень создаваемых фильтром озона и окислов азота, близкий к ПДК, не позволяет снижать воздушную нагрузку на фильтр и тем самым повышать эффективность очистки воздуха.

Задачей настоящего изобретения является повышение степени очистки воздуха и снижение количества в нем озона и окислов азота.

Технический результат достигается тем, что способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах осуществляется путем воздействия на частицы электрических полей, образованных между плоскими коронирующими, осадительными и заземленными электродами, образующими основное электрическое поле. К осадительным электродам подают напряжение ступенчато уменьшая - от одного осадительного электрода к другому, в направлении от плоского коронирующего электрода к заземленному, а по периферии потока воздуха создают дополнительное электрическое поле с напряженностью, равной напряженности между основными электродами, при этом напряжение осадительных электродов дополнительного поля перед заземленными электродами основного поля повышают до напряжения ближайшего осадительного электрода основного поля.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая предложенный способ, с одной парой заряженных осадительных электродов основного поля и двумя парами дополнительных электродов для создания дополнительного электрического поля; на фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1 - но с двумя парами заряженных осадительных электродов основного поля и двумя парами дополнительных электродов; на фиг. 3 - то же, что и на фиг. 1 - но с тремя парами заряженных осадительных электродов основного поля и двумя парами дополнительных электродов; на фиг. 4 - вольтамперная характеристика электрического фильтра с дополнительным полем по периферии; на фиг. 5 - зависимость концентрации озона от плотности тока коронного разряда; на фиг. 6 - электрический двухкаскадный фильтр ФЭ2К2 с зубчатыми коронирующими электродами, с одной парой заряженных осадительных электродов основного поля и с дополнительным полем по периферии.

Способ осуществляют следующим образом.

Очищаемый воздушный поток пропускают через зону ионизации 1, образованную коронирующими электродами 2 с фиксированными разрядными точками 3 и дополнительными заземленными электродами 4 (фиг. 1 - 3). После получения заряда частицы пыли поступают в зону осаждения 5, занимающую пространство между коронирующими, заземленными основными электродами 6 и заземленными дополнительными электродами 4, разделенное осадительными основными электродами 7 и осадительными дополнительными электродами 8 (фиг. 1), основными 7 и 9 и дополнительными электродами 8 (фиг. 2), основными 7, 9, 10 и дополнительными электродами 8 (фиг. 3) на равные участки шириной h₁. На заряженные частицы, движущиеся как в основном потоке воздуха, так и по периферии в зоне дополнительных электродов, воздействует электростатическое поле. Под воздействием сил этого поля заряженные частицы движутся к осадительным электродам, приходят в соприкосновение с ними, оседая на них, и тем самым выводятся из потока.

Пример 1.

Коронирующий электрод 2 (фиг. 1) устанавливают относительно заземленных основных электродов 6 на расстоянии H = 0,012 м и к нему подводят напряжение 12 кВ. На расстоянии h₁ = 0,006 м от заземленных электродов 6 в зоне осаждения 5 симметрично относительно коронирующего электрода 2 размещают осадительные основные электроды 7, к которым подводят напряжение 6 кВ, равное половине величины напряжения коронирующего электрода. Эти электроды образуют основную электродную систему.

Напряженность электрического поля между электродами 2 и 7 равна:

Напряженность электрического поля между электродами 7 и 6 составляет

По периферии основной электродной системы располагают дополнительную из заземленных электродов 4 и осадительных электродов 8.

К дополнительным электродам 8 подводят такое же напряжение, как у ближайшего осадительного основного электрода 7, т.е. 6 кВ, при этом напряженность между электродами 8 и 6, 8 и 4 будет равна:

Из приведенных примеров следует, что напряженность электрического поля в дополнительном промежуточном пространстве осталась такой же, как и между основными электродами, при этом расстояние между коронирующим электродом 2 и дополнительным заземленным электродом 4 увеличилось, что позволяет снизить ток коронного разряда до предельной допустимой величины и уменьшить выделение озона до 0,02 мг/м³, т.е. в пять раз меньше ПДК (см. протокол N 581-603 Московской областной санэпидемстанции, письмо N 1185-3 от 30.07.91 г.).

При рабочем напряжении 12 кВ линейная плотность тока ячейки фильтра составляет 0,26 мА/м (фиг. 4). Этой плотности тока соответствует концентрации озона 0,01 мг/м³ (фиг. 5). Очищенный воздух при последовательном прохождении через две ячейки будет содержать озон в два раза больше, т.е. 0,0002 мг/м³.

Пример 2.

В межэлектродное пространство /H = 0,012 м (фиг. 2)/, образованное между основными заземленными 6 и коронирующим 2 электродами, устанавливают по две пары осадительных электродов 9 и 7 на расстоянии и от заземленного электрода соответственно. На коронирующий электрод 2 подают напряжение 12 кВ, а на каждый осадительный электрод подводят напряжение, ступенчато уменьшенное на 4 кВ, в соответствии с расстоянием его относительно заземленного электрода. Таким образом, на электроде 7 оно составит 8 кВ, а на электроде 9 - 4 кВ.

Напряженность электрического поля между электродами 2 и 7, 7 и 9, 9 и 6 составит соответственно:

По периферии основной электродной системы располагают дополнительную из заземленных электродов 4 и осадительных электродов 8. К дополнительным осадительным электродам 8 подводят также же напряжение, как у ближайшего осадительного электрода 9, т.е. 4 кВ. При этом напряженность электрического поля между электродами 8 и 6 и электродами 8 и 4 будет равна соответственно:


Пример 3.

В межэлектродное пространство /H = 0,012 м (фиг. 3)/, образованное между основными зазщемленными 6 и коронирующим 2 электродами, устанавливают по три пары осадительных электродов 7, 9 и 10 на равном расстоянии один от другого. На коронирующий электрод 2 подают напряжение 12 кВ, а на каждый осадительный - напряжение ступенчато уменьшают на 3 кВ в соответствии с расстоянием его относительно заземленного электрода.

h₁ = 0,003 м; h₂ = 0,006 м; h₃ = 0,009 м.

Таким образом, на электродах 7 напряжение составит 9 кВ, на электродах 9 - 6 кВ и на электродах 10 - 3 кВ. Разность потенциалов рядом стоящих осадительных электродов составляет 3 кВ, что при одинаковых межэлектродных расстояниях, равных 0,003 м, обеспечивает одинаковую напряженность между электродами 1000 кВ/м.

По периферии основной электродной системы располагают аналогичную с фиг. 1 и 2 дополнительную из заземленных электродов 4 и осадительных электродов 8. К дополнительным осадительным электродам 8 подводят такое же напряжение, как у ближайшего осадительного электрода 10, т.е. 3 кВ.

Напряженность между электродами 8 и 4 и электродами 8 и 6 будет составлять 1000 кВ/м, т.е. такую же величину, как и у основной электродной системы:

Эффективность очистки воздуха электрическими фильтрами зависит от скорости фильтрации или удельной воздушной нагрузки: при их снижении эффективность возрастает [1]. Количество попутно создаваемых при очистке воздуха газов (озона и окислов азота) растворяется в том объеме воздуха, который проходит через фильтр, и регламентируется величинами предельно допустимых концентраций (ПДК). Поэтому снижение расхода воздуха и повышение эффективности его очистки ограничиваются концентрацией озона и окислов азота в очищаемом воздухе.

Интенсивность образования озона C_оз в электрическом фильтре может быть подсчитана по формуле:
C_оз = (K_к - K_н)Q, мг/ч,
где K_н - начальная концентрация озона перед фильтром, мг/м³;
K_к - конечная концентрация озона после фильтра, мг/м³;
Q - расход воздуха, проходящего через фильтр, м³/ч.

Таким же образом можно подсчитать интенсивность образования окислов азота.

При испытаниях промышленного образца электрофильтра ФЭ2К2, состоящего из двух ячеек, было получено:
расход воздуха 1000 м³/ч или скорость фильтрации 1,69 м/с;
напряжение коронирующих электродов 12 кВ, осадительных - 6 кВ;
потребляемый ток - 1,25 мА.

Концентрация озона после фильтра составила 0,02 мг/м³, концентрация двуокиси азота - 0,3 - 0,4 мг/м³, что в несколько раз ниже ПДК (ПДК озона для воздуха рабочей зоны 0,1 мг/м³, двуокиси азота - 5 мг/м³).

Таким образом, интенсивность образования озона и двуокиси азота составляет соответственно:
C_оз = (0,02 - 0) • 1000 = 20 мг/ч;
= (0,4 - 0) • 1000 = 400 мг/ч.

Отсюда следует, что расход воздуха через электрический фильтр можно значительно понизить с учетом ПДК озона и двуокиси азота до 200 м³/ч, что создает возможность снизить скорость фильтрации с 1,69 м/с до 0,5 м/с и тем самым существенно повысить эффективность очистки воздуха.

Фракционная эффективность очистки воздуха при скорости фильтрации 1,69 м/с представлена в таблице 1, а при скорости фильтрации 0,5 м/с - в таблице 2.

Выводы
Создание дополнительного электрического поля по периферии потока очищаемого воздуха позволяет увеличить межэлектродное расстояние между коронирующими и дополнительными электродами, не изменяя при этом расстояния между основными осадительными электродами и, следовательно, направленности между электродами в зоне осаждения, что позволяет снизить ток коронного разряда до величины, необходимой и достаточной для эффективной зарядки улавливаемых частиц. Уменьшение тока коронного разряда приводит к уменьшению выделения в очищаемый воздух нежелательных примесей, таких как озон и окислы азота. Кроме того, дополнительное поле по периферии потока позволяет снизить скорость фильтрации и повысить эффективность очистки воздуха. Для данного примера концентрация озона ниже ПДК в 5 раза, а концентрация окислов азота в 12 раз. Эффективность очистки воздуха повышена с 97,66% до 99,98%.

Источники информации
1. Пирумов А.И. "Обеспыливание воздуха", Москва, Стройиздат, 1981, 296 с.

2. Издание проспекта электрофильтров фирмы UAS, США, 11/1983 г.

3. Издание проспекта электрофильтров фирмы AAF, США, 07/1984 г.

Способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах заключается в том, что по периферии потока очищаемого воздуха в зоне осаждения создают дополнительное электрическое поле с напряженностью, равной напряженности между основными электродами. Напряжение осадительных электродов основного поля ступенчато уменьшают от одного осадительного электрода к другому, а напряжение осадительных электродов дополнительного поля перед заземленными электродами основного поля повышают до напряжения ближайшего осадительного электрода основного поля. Создание дополнительного поля позволяет увеличить расстояние между плоскими коронирующими электродами с фиксированными точками разряда и заземленными электродами дополнительного поля, снизить ток коронного разряда и тем самым уменьшить выделение нежелательных примесей в очищаемый воздух - озона и окислов азота. Это, в свою очередь, создает возможность снизить скорость воздушного потока без превышения предельно допустимой концентрации озона и окислов азота в очищенном воздухе и тем самым увеличить эффективность очистки воздуха. 6 ил., 2 табл.

Способ очистки воздуха в двухзонных фильтрах путем воздействия на частицы электрических полей, образованных между плоскими коронирующими, осадительными и заземленными электродами, образующими основное электрическое поле, причем к осадительным электродам подают напряжение, ступенчато уменьшая от одного осадительного электрода к другому, в направлении от плоского коронирующего электрода к заземленному, а по периферии потока воздуха создают дополнительное электрическое поле с напряженностью, равной напряженности между основными электродами, при этом напряжение осадительных электродов дополнительного поля перед заземленными электродами основного поля повышают до напряжения ближайшего осадительного электрода основного поля.