ДВУХЗОННЫЙ ЭЛЕКТРОФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ Российский патент 2000 года по МПК B03C3/12 

Изобретение относится к области очистки газов от твердых и жидких частиц с помощью электрического поля коронного разряда и может быть использовано для очистки аэрозолей, образующихся при сварке, а также в других технологических процессах.

Известен двухзонный электрофильтр [1], состоящий из установленных друг за другом по ходу газа узла зарядки частиц (ионизатор) и узла осаждения (осадитель). Ионизатор выполнен в виде параллельных и заземленных пластин, между которыми расположены коронирующие электроды из проволок. Осадитель представляет собой набор параллельных пластин, между которыми создается однородное электростатическое поле. Особенность конструкции данного ионизатора заключается в том, что соотношение между расстоянием от проволок до пластин (L₀/2) и длиной L₁ этих же заземленных пластин (измерение проводится по направлению потока газа) находится в пределах от 0,6 до 2,0. Применение указанного электрофильтра удовлетворительно решает проблему очистки воздуха от аэрозолей. Основным недостатком данного технического решения является ограниченное время пребывания улавливаемых частиц в зоне их зарядки (в ионизаторе), что связано с ограниченными размерами ионизатора, определяемыми длиной его заземленных пластин согласно соотношению 0,6≤(L₀/2)/L₁≤2,0, т.е. максимальная длина пластин меньше, чем L₀. Кроме того, эффективность зарядки улавливаемых частиц низкая в связи с тем, что не определены место расположения коронирующих электродов относительно осадителя и зазор между ионизатором и осадителем.

Известен электрофильтр [2], в котором коронирующие электроды выполнены протяженными в виде лент, снабженных зубьями, четырехгранной звезды, шестиугольной формы и т.д. Однако эффективность зарядки улавливаемых частиц зависит не только от формы коронирующего электрода, но прежде всего зависит от места расположения коронирующего электрода относительно осадительной камеры.

Прототипом изобретения является двухзонный электрофильтр для очистки газов [3], содержащий последовательно установленные по ходу газа ионизационную и осадительную камеры. Ионизационная камера выполнена в виде заземленных параллельных пластин, между которыми расположен по крайней мере один высоковольтный коронирующий электрод, а осадительная камера - в виде одинаковых и равностоящих друг от друга плоских электродов с разноименными потенциалами. Кроме того, на входе ионизационной камеры установлено отклоняющее устройство, вызывающее локальное изменение направления потока частиц на коронирующий электрод. Следствием такого решения является высокая металлоемкость, а также низкая эффективность зарядки улавливаемых частиц в камере ионизатора в связи с тем, что не определено оптимальное место расположения коронирующих электродов относительно осадительной камеры и имеется большой зазор между камерами, который существенно влияет на процесс зарядки частиц в камере ионизатора.

Изобретение направлено на увеличение эффективности зарядки улавливаемых частиц путем создания в ионизационной камере максимальной по размерам области с высокой напряженностью поля и для расширения функциональных возможностей осадительной камеры электрофильтра.

Это достигается тем, что в двухзонном электрофильтре для очистки газов, содержащем установленные по направлению потока газа ионизационную камеру, выполненную в виде нескольких заземленных параллельных пластин с размещенными между ними на равной дистанции протяженными коронирующими электродами с высоким потенциалом, и осадительную камеру, выполненную в виде плоских параллельных электродов, расположенных на равном расстоянии друг от друга с разноименными потенциалами, согласно предлагаемому решению ионизационная и осадительная камеры установлены без зазора или с зазором до 0,2 расстояния между заземленными пластинами ионизационной камеры (L₀) с возможным перемещением камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному к потоку газа, причем коронирующие электроды смещены внутрь ионизационной камеры относительно торца заземленных пластин, обращенных к осадительной камере, на величину
L=(3/5±0,10)L₀,
где L₀ - расстояние между заземленными пластинами ионизационной камеры. Кроме того, длина заземленных пластин камеры ионизатора по потоку газа больше или равна расстоянию между заземленными пластинами.

Сопоставительный анализ с известными изобретениями и техническими решениями показывает, что заявляемый двухзонный электрофильтр для очистки газов отличается тем, что, во-первых, ионизационная и осадительная камеры установлены без зазора или с зазором до 0,2 расстояния между заземленными пластинами ионизационной камеры (L₀) с возможным перемещением камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному к потоку газа, во-вторых, коронирующие электроды смещены внутрь ионизационной камеры относительно торца заземленных пластин, обращенных к осадительной камере, на величину L, определяемую по предложенной формуле, в-третьих, длина заземленных пластин камеры ионизатора по потоку газа больше или равна расстоянию между заземленными пластинами.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Ионизационная и осадительная камеры установлены без зазора или с зазором до 0,2 расстояния между заземленными пластинами ионизационной камеры (L₀) с возможным перемещением камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному к потоку газа. Данное решение, связанное с размещением камер без зазора или с гарантированным зазором, необходимо для возможного проведения различных регламентных работ, очистки электродов электрофильтра и его регулировки, но прежде всего оно необходимо для увеличения эффективной зарядки улавливаемых частиц за счет использования имеющегося дополнительного электростатического поля осадительной камеры, связанного с краевыми эффектами, которое суммируется с неоднородным электростатическим полем камеры ионизатора. В известных решениях функции ионизационной камеры - это осуществление ионизации улавливаемых частиц, а осадительной камеры - улавливание заряженных частиц в однородном электростатическом поле. В заявляемом решении осадительная камера за счет своего поля, связанного с краевыми эффектами, позволяет увеличить эффективность зарядки частиц при размещении камер с минимальным расстоянием друг относительно друга или без зазора между ними, что позволяет расширить ранее известные функции этой камеры.

Учитывая данный эффект, существующий для двух камер и связанный с принципом суперпозиции электрических полей, новым является также и смещение коронирующих электродов внутрь ионизационной камеры относительно торца заземленных пластин, а именно, обращенных к осадительной камере, на величину L, определяемую по предложенной формуле. Кроме того, используя заземленные пластины камеры ионизатора с их длиной по потоку газа больше или равными расстоянию между заземленными пластинами и с учетом постоянства скорости потока газа, тем самым увеличиваем время пребывания улавливаемых частиц в зоне их зарядки, т.е. в камере ионизатора.

Данное решение в соответствии с предложенной формулой для расчета L позволяет определить рациональное место размещения коронирующих электродов внутри ионизационной камеры относительно осадительной с учетом указанных ограничений, что обеспечивает создание области с максимально высокой напряженностью поля и приводит к увеличению эффективности зарядки улавливаемых частиц. Поправка на величину γ = ±0,1 в предложенной формуле дает возможность учесть влияние на максимальную по размерам величину области с высокой напряженностью поля E_max в ионизационной камере, некоторых вполне определенных параметров электрофильтра. Например, при заданных параметрах, когда камеры размещены без зазора друг по отношению к другу, т.е. δ = 0, необходимо прибавить часть поправки γ при определении величины L, т.е. необходимо увеличить расчетное расстояние L относительно торца заземленных пластин ионизационной камеры, обращенных к осадительной камере. Если необходимо увеличить δ до 10 мм, то при определении L часть поправки γ вычитается и т. д.

Таким образом, проведенный анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом двухзонном электрофильтре для очистки газов, и дает право признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена схема двухзонного электрофильтра для очистки газов; на фиг. 2 показана зависимость эффективной площади ионизации электрофильтра от его величин δ и L_x.

Электрофильтр состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, внутри которого последовательно друг за другом по ходу очищаемого воздуха установлены ионизационная камера 4, состоящая из параллельных заземленных пластин 5 и коронирующих электродов 6 (например, в виде проволоки) между ними, и осадительная камера 7, состоящая из набора параллельных чередующихся заземленных электродов 8 и потенциальных электродов 9, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Высокое напряжение на коронирующие электроды 6 ионизационной камеры 4 подается от источника U₁, а на потенциальные электроды 9 осадительной камеры 7 - от источника U₂. Ионизационная 4 и осадительная 7 камеры установлены без зазора δ = 0 или с гарантированным зазором δ ≠ 0 с возможным перемещением камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному потоку газа. Расстояние между заземленными пластинами 5 ионизационной камеры равно L₀. Коронирующие электроды 6 смещены относительно торца заземленных пластин 5, обращенных к осадительной камере 7, на величину L=(3/5±0,10)L₀. Длина L₁ заземленных пластин 5 по потоку газа связана с L₀ соотношением L₁≥L₀.

На фиг. 2 (кривая 1) показана в относительных величинах зависимость максимальной эффективной площади ионизации f_e ^* ионизационной камеры от величины перемещения коронирующего электрода L_x ^* внутрь ионизационной камеры по ходу газа (см. фиг. 1) при следующих соотношениях размеров: L₁=78 мм, δ = 5 мм, U₁/U₂= 2, при расстоянии L₀=48 мм, в осадительной камере размещено 3 электрода. При этом f_e ^*=f_e/f_max, где f_max - максимальная площадь ионизационной камеры электрофильтра, определяемая как L₀•L₁; f_e - площадь ионизационной камеры, в которой сконцентрирована высокая напряженность поля, а именно проинтегрирована область, в которой напряженность поля изменяется от E_min= 2/ЗE₁ (E₁ - напряженность однородного поля осадительной камеры) до E_max, причем L_x ^*=L_x/L₀.

На фиг. 2 (кривая 2) показана зависимость функции f_e ^* от аргумента L_x ^* при аналогичных условиях (см. фиг. 2, кривая 1), но при δ = 25 мм.

На фиг. 2 (кривая 3) показана зависимость функции f_e ^* от аргумента L_x ^* при аналогичных условиях (см. фиг. 2, кривая 1), но при δ ≥ 10L₀, т.е. практически при отсутствии влияния напряженности поля осадительной камеры на поле ионизационной камеры.

Электрофильтр работает следующим образом. Очищаемый воздух через входной патрубок 2 поступает в ионизационную камеру 4, где частицы газов заряжаются под действием суммарного поля от ионизационной 4 и осадительной 7 камер до максимально возможной величины вследствие того, что обе камеры установлены по направлению потока газа, например, с зазором 5 мм (т.е. менее 0,2L₀) и при этом коронирующие электроды 6, например, в виде проволоки размещены внутри ионизационной камеры 4 на расстоянии L=29 мм (т.е. при L=3/5L₀) от торца заземленных пластин 5, обращенных к осадительной камере 7, а длина заземленных пластин 5 составляет величину, равную 78 мм (т.е. больше, чем L₀). Затем в осадительной камере 7 под действием ее электрического поля заряженные частицы осаждаются на заземленных электродах 8. Очищенный воздух через выходной патрубок 3 выходит из электрофильтра.

Анализ кривых 1, 2 и 3 (см. фиг. 2) показывает, что с уменьшением величины зазора δ между ионизационной и осадительной камерами значительно увеличивается эффективная площадь ионизации f_e ^*, в которой сконцентрирована высокая напряженность электрического поля. Кроме того, из анализа функциональной зависимости f_e ^*(L_x ^*) (кривая 3) следует, что при значительном удалении ионизационной камеры относительно осадительной (при δ ≥ 10L₀ ) внутри ионизационной камеры наблюдаются 2 максимальных значения f_e ^* относительно ее торцов, связанных с краевыми эффектами для данной камеры. Следует отметить, что функция f_e ^* определяется величиной перемещения L_x ^* коронирующего электрода по потоку газа внутри ионизационной камеры. При уменьшении зазора до величины δ = 25 мм между камерами в зависимости f_e ^*(L_x ^*) (см. фиг. 2, кривая 2) наблюдается увеличение эффективной площади ионизации f_e ^* и ее экстремумов, причем одно из экстремальных значений, находящееся вблизи торцов ионизационной камеры, обращенных к осадительной камере, имеет максимум и смещается внутрь ионизационной камеры по отношению к аналогичному максимуму на кривой 3 (см. фиг. 2). С уменьшением зазора до величины δ = 5 мм (см. фиг. 2, кривая 1) максимальное значение f_e ^* возрастает и смещается внутрь ионизационной камеры на величину, равную L=3/5L₀ относительно торца заземленных пластин, обращенных к осадительной камере. Поправка γ = ±0,1 дает возможность скорректировать место расположения коронирующих электродов при изменении параметров электрофильтра с учетом указанных ограничений.

Анализ характеристик, приведенных на фиг. 2, показывает, что в двухзонном электрофильтре увеличивается эффективность зарядки улавливаемых частиц путем создания в ионизационной камере ионизатора максимальной по размерам области с высокой напряженностью поля. Так, например, при уменьшении δ от 10L₀ до 25 мм эффективная площадь ионизации f_e ^* увеличивается в 1,45 раза, а при уменьшении δ от 25 мм до 0 мм f_e ^* увеличивается в 1,3 раза (на фиг. 2 не показано).

Кроме того, важно отметить, что увеличение количества электродов в камере осадителя на базе L₀ свыше 3 электродов при соблюдении аналогичных условий как для случая, показанного на фиг. 2 (кривая 1) при U₁/U₂=const, в свою очередь приводит к уменьшению дистанции между электродами камеры осадителя и соответственно повышению напряженности поля в обеих камерах (осадителя и ионизатора). Например, если на базе L₀ в осадительной камере установить 7 электродов, то напряженность поля в области f_e ^* увеличивается до 3 раз по сравнению с исходной E для 3 электродов.

Таким образом, применение предложенного двухзонного электрофильтра позволяет увеличить эффективность зарядки улавливаемых частиц путем создания в ионизационной камере максимальной по размерам области с высокой напряженностью поля. Кроме того, в данном случае расширяются функциональные возможности осадительной камеры двухзонного электрофильтра.

Библиографические данные
1. Патент Германии N 1279656, кл. B 03 C 3/12, 1972 г.

2. Патент России N 2036016, кл. B 03 C 3/00, БИ N 15, 1995 г.

3. Патент России N 1834711, кл. B 03 C 3/12, БИ N 30, 1993 г.

Изобретение относится к области очистки газов от твердых и жидких частиц с помощью электрического поля коронного разряда и может быть использовано для очистки аэрозолей, образующихся при сварке, а также в других технологических процессах. Для увеличения эффективности зарядки улавливаемых частиц путем создания в ионизационной камере максимальной по размерам области с высокой напряженностью поля и расширения технологических возможностей осадительной камеры электрофильтра предложен двухзонный электрофильтр, содержащий установленные по направлению потока газа ионизационную камеру, выполненную в виде нескольких заземленных параллельных пластин с размещенными между ними на равной дистанции протяженными коронирующими электродами с высоким потенциалом, и осадительную камеру, выполненную в виде системы плоских параллельных электродов, расположенных на равном расстоянии друг от друга с разноименными потенциалами. Ионизационная и осадительная камеры установлены без зазора или с зазором до 0,2 расстояния между заземленными пластинами ионизационной камеры с возможным перемещением камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному к потоку газа. Коронирующие электроды смещены внутрь ионизационной камеры относительно торца заземленных пластин, обращенных к осадительной камере, на величину L=(3/5±0,10) L₀, где L₀ - расстояние между заземленными пластинами ионизационной камеры. Длина заземленных пластин камеры ионизатора по потоку газа больше или равна расстоянию L₀. 2 ил.

Двухзонный электрофильтр для очистки газов, содержащий установленные по направлению потока газа ионизационную камеру, выполненную в виде нескольких заземленных параллельных пластин с размещенными между ними на равной дистанции протяженными коронирующими электродами с высоким потенциалом, и осадительную камеру, выполненную в виде плоских параллельных электродов, расположенных на равном расстоянии друг от друга с разноименными потенциалами, отличающийся тем, что ионизационная и осадительная камеры установлены без зазора или с зазором до 0,2 расстояния между заземленными пластинами ионизационной камеры (L₀) с возможностью перемещения камер друг относительно друга по направлению, перпендикулярному к потоку газа, причем коронирующие электроды смещены во внутрь ионизационной камеры относительно торца заземленных пластин, обращенных к осадительной камере, на величину
L = (3/5 ± 0,10) L₀,
где L₀ - расстояние между заземленными пластинами ионизационной камеры,
при этом длина заземленных пластин камеры ионизатора по потоку газа больше или равна расстоянию между заземленными пластинами.