ФИЛЬТР ОЧИСТКИ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 2013 года по МПК B01D53/32 

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от увлажненного газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц, в том числе и конденсируемой составляющей паров газового потока (конденсата).

Известно устройство для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (см. патент РФ на изобретение 2433286, МПК F01N 3/36, F01N 3/24). Устройство включает первый узел очистки выхлопных газов для очистки от NOx, второй узел очистки выхлопных газов, расположенный последовательно с первым узлом очистки выхлопных газов и предназначенный для улавливания твердых частиц, средства для подачи углеводородов в первый узел очистки выхлопных газов и второй узел очистки выхлопных газов, соответственно, и средство вынесения решения о приоритете, которое определяет приоритет между подачей углеводородов в первый узел очистки выхлопных газов и подачей углеводородов во второй узел очистки выхлопных газов, при этом количество углеводородов, подаваемых в узел с более низким приоритетом, уменьшается, когда запрос о подаче углеводородов в первый узел очистки выхлопных газов и запрос о подаче углеводородов во второй узел очистки выхлопных газов совмещаются один с другим, по сравнению со случаем, когда запросы о подаче углеводородов не совмещаются один с другим. Техническим результатом изобретения является регенерация фильтра и очистка от NOx совместным образом при предотвращении избыточной подачи углеводородов

Известно устройство для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (см. патент на полезную модель 112943, МПК F01N 3/02), содержащее корпус глушителя с входным и выходным патрубками и расположенные в нем резонансную, расширительную и ионизирующую камеры, генератор акустических колебаний, электроцентробежный фильтр, состоящий из конусообразных полых коронирующего и расположенного в нем осадительного электродов, соединенных на участке выхода очищенных газов между собой кольцевыми элементами. Кроме того, известное устройство содержит бункер, блок электропитания и эксцентриковый механизм. Между кольцевым элементом осадительного электрода и кольцевым элементом коронирующего электрода расположены, по меньшей мере две пружины сжатия. Эксцентрик эксцентрикового механизма контактирует с кольцевым элементом осадительного электрода. Устройство содержит также и дополнительные признаки, позволяющие улучшить его технические параметры. Данное устройство очищает газовый поток от аэрозольных частиц. Вместе с тем, мелкодисперсные частицы (субмикронного размера) как бы врастают в газовый поток, и отделить их от потока с помощью предлагаемых технических средств представляется весьма затруднительным. Для решения данной задачи используют методы, позволяющие укрупнить очищаемые частицы путем их увлажнения.

Известно 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 (см. А.Г. Амелин. "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр.164). В данном устройстве паро-газовая 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.

Конденсация паров и их сепарация в описанном устройстве 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.

Известно устройство для сепарации паров серной кислоты, содержащее холодильник с входным и выходным патрубками и вертикальную башню. В башне предусмотрена верхняя и нижняя камеры. См. А.Г. Амелин. "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр.202. 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 в вертикальную башню поступает через нижнюю камеру. Газовая смесь, поднимаясь вверх по башне, орошается серной кислотой, которая стекает 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, конденсации 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 техническому решению является фильтр очистки газового потока, представленный в патенте РФ на изобретение №2293597, МПК B01D 53/32. Фильтр содержит выполненный в виде цилиндрической поверхности пористый осадительный электрод с открытыми порами, размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению:

а>2*σ/(ρ*g*h),

где а - эффективный радиус пор, h - высота осадительного электрода, σ - коэффициент поверхностного натяжения конденсата, ρ - плотность конденсата, установленный вдоль очищаемого газового потока, с зазором относительно которого, со стороны очищаемого газового потока электрически изолировано 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 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 обеспечение максимально благоприятных условий теплопередачи.

Вместе с тем, в известном фильтре сепарируются только аэрозольные частицы, которые за время движения вдоль коронирующего электрода под действием электростатических сил успели достичь поверхности осадительного электрода. При большой скорости очищаемого газового потока времени, необходимого для подхода к осадительному электроду, для значительной части аэрозольных частиц недостаточно и они потоком могут быть вынесены наружу. Для достижения высоких параметров очистки требуется значительное увеличение габаритов.

Целью настоящего изобретения является сокращение габаритных размеров конструкции фильтра.

Для достижения заявленной цели фильтр очистки газового потока, содержащий соединенный с высоковольтным источником питания и коаксиально с зазором относительно выполненного в виде цилиндрической поверхности оосадительного электрода, электрически изолированно установленный коронирующий электрод, снабжен дополнительным заземленным пористым осадительным электродом, установленным в струе выходящего из осадительного электрода очищаемого газового потока с зазором не менее одного калибра сечения осадительного электрода от выходного сечения осадительного электрода;

в поверхности осадительного электрода выполнены сквозные отверстия, связанные кольцевыми проточками и продольные канавки, соединяющие отверстия и кольцевые проточки;

дополнительный осадительный электрод установлен с возможностью вращения.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать энергию струи очищаемого газового потока для приближения его для очистки к дополнительному осадительному электроду и продвижения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода. В процессе движения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода электрически заряженные капли и аэрозольные частицы захватываются заземленной поверхностью дополнительного осадительного электрода, а очищенный газ выталкивается энергией струи наружу. Предлагаемое техническое решение позволяет сократить габаритные размеры конструкции фильтра, особенно для очистки газовых потоков, движущихся с большой скоростью, например, выхлопных газов автомобиля.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого фильтра. Стрелкой обозначено направление входа очищаемого потока в фильтр.

На фиг.2 показан пример поперечного сечения дополнительного осадительного электрода.

На фиг.3 показана условная схема выполнения дополнительного осадительного электрода с приводом вращения. Стрелкой обозначено направление движения хладо-агента.

Фильтр включает в себя коронирующий электрод 1, соединенный с источником высокого напряжения (на рисунке не показан). Конструктивные схемы выполнения коронирующего электрода 1 и подвода к нему высокого напряжения могут быть самыми различными и широко освещены в литературе. Электрод 1 может быть выполнен из провода малого диаметра. Исходя из условий реальных значений высокого напряжения порядка 50 Кв, диаметр коронирующего провода измеряется ориентировочно порядка 0,3-0,8 мм. Коронирующий электрод может быть также выполнены в виде скрутки (троса) проводов малого диаметра, либо в виде различных конструктивных элементов с малым радиусом кривизны поверхности, обращенной к заземленной поверхности. Конструкции коронирующих электродов достаточно подробно освещены в литературе по электрофильтрам. См., например, http://oemz.net/files/demz_рrecipitator.pdf, http://niiogaz.ru/index.php?option=com_content&task=view&id27&Itemid=23

На фиг.1 коронирующий электрод 1 представлен в виде провода с малым радиусом кривизны поверхности, натянутого на изоляторах 2 с зазором 6 относительно цилиндрической поверхности осадительного электрода 3. Конструктивное выполнение схемы крепления коронирующего электрода не является принципиальным и может быть выполнено, исходя из общих норм проектирования, и отличаться от схемы, представленной на рис.1. Основная задача крепления состоит, с одной стороны в надежном обеспечении гарантированного зазора 5 между коронирующим электродом 1 и поверхностью осадительного электрода 3, и, с другой стороны, обеспечение надежной электрической изоляции их от поверхности осадительного электрода 3. В поверхности осадительного электрода 3 могут быть выполнены сквозные отверстия 4 и кольцевые проточки 5, связывающие сквозные отверстия 4. Отверстия 4 и проточки 5 особенно желательно выполнять в области высоких значений напряженности электрического поля, расположенных вблизи коронирующего электрода 1. Кроме того желательно выполнять в нижней части осадительного электрода 3 продольные канавки (на рис.не обозначены), соединяющие отверстия и кольцевые проточки. Диаметр отверстий 4, их количество, форма, а также размер кольцевых проточек 5 выбираются из общих требований проектирования конструкции из условий снижения вероятности срыва неоднородным электрическим полем с поверхности осадительного электрода 3 пленки конденсата. Допускается выполнение поверхности осадительного электрода 3 из электропроводной сетки, набора пластин, установленных с зазором друг относительно друга, либо выполнение из пористого материала. Размер ячейки сетки, а также расстояние между пластинами определяются габаритами фильтра. Их значение может составлять от 0,5 до 3 см. Дополнительный осадительный электрод 6 заземлен и установлен в струе выходящего из осадительного электрода 3 очищаемого газового потока с перекрытием ее поперечного сечения и выполнен либо из пористого материала, либо в виде решетчатой конструкции. Параметры струи выходящего газового потока и размеры ее поперечного сечения (без учета внешнего ветра) могут быть определены из известных соотношений, определяющих схему свободной изотермической струи (см., например, http://www.lennox.ua/html/sprav/book3_7.php). В первом приближении граница струи определяется линиями, выходящими с расширением от выходного сечения заземленного воздуховода 3 под углом 13° На фиг.1, фиг.2 дополнительный осадительный электрод 6 представлен в виде решетчатой конструкции, установленной с зазором относительно заземленного воздуховода 2, перекрывающей площадь выходящей струи очищаемого газового потока. Перекрытие в нижней части должно быть с запасом на высоту столба жидкости, удерживаемой капиллярными силами сконденсированной жидкости между пластинами решетчатой конструкции дополнительного осадительного электрода. Решетчатая конструкция может быть выполнена в виде набора пластин, аналогично схеме радиатора (см., например http://www.ptechnology.ru/MainPart/Energv/Energyl6.html; http://www.pressfoto.ru/photo.html?p_id=721344; http://volgotehno.ru/bookinfo-zhovinskiy-n-e/zhovinskiy-n-e-silovye-aviatsionnye-ustanovki-razdel-1.html?start=3). Расстояние между пластинами выбирается исходя из конкретных габаритных ограничений. С одной стороны, чем чаще стоят пластины, тем больше вероятность сепарации на их поверхности электрически заряженных аэрозолей. С другой стороны, чем чаще пластины, тем больше значение капиллярных сил, и тем больше значение вертикальных габаритов дополнительного осадительного электрода 6. В нижней части дополнительного осадительного электрода установлен желоб для сбора сконденсированной влаги 7 со штуцером 8 для отвода сконденсированной влаги в область ее консервации. Дополнительный осадительный электрод 6 может быть выполнен из пористого материала, открытые поры которого содержат капиллярные каналы, проходящие от оси конструкции с выходом наружу в периферийной его части. Размер пор желательно выполнять размером более 1 мкм, что позволяет потоку очищаемого газа беспрепятственно проходить во внутрь осадительного электрода 6 и избежать образования пристеночного слоя потока очищаемого газа. С целью обеспечения более свободного очищения пор дополнительного осадительного электрода 6, дополнительный осадительный электрод 6 может быть установлен с возможностью вращения вокруг оси, соосной с осью струи очищаемого газового потока и соединен с приводом вращения (см. фиг.3). Размеры капилляров каналов дополнительного осадительного электрода 6 могут быть выбраны, исходя из условий истечения из них конденсируемой жидкости. Исходя из диаметра осадительного электрода 6 и оборотов вращения привода, 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 дополнительный осадительный электрод 6 предлагаемого устройства на основе известных методов из известных материалов. В случае вращающегося дополнительного осадительного электрода желоб для сбора сконденсированной влаги 7 выполняется в виде кольцевой оболочки, охватывающей по всей окружности дополнительный осадительный электрод 6 (см. фиг.3).

На фиг.1 и фиг.2 дополнительный осадительный электрод 6 представлен в виде плоской решетчатой конструкции аналогичной конструкции пластинчатого радиатора (см., например, http://www.ptechnologv.ru/MainPart/Energy/Energvl6.html, http://volgotehno.ru/bookinfo-zhovinskiy-n-e/zhovinskiy-n-e-silovye-aviatsionnye-ustanovki-razdel-1.html?start=3, http://www.pressfoto.ru/photo.html ?p_id=721344). В реальных условиях, в зависимости от конструктивных ограничений дополнительный осадительный электрод 6 может быть выполнен в виде стакана, обращенного внутренней частью к очищаемому газовому потоку (см. фиг.3). Расстояние между выходным сечением осадительного электрода 3 и дополнительным осадительным электродом 6 выбирается исходя из конкретных конструктивных ограничений. Зазор между выходным сечением осадительного электрода 3 и дополнительным осадительным электродом 6 обеспечивает вовлечение окружающего воздуха к охлаждению струи очищаемого газового потока. И чем больше зазор, тем эффективнее используется окружающая среда для очистки газового потока. С другой стороны увеличение зазора увеличивает габариты устройства и при боковых ветровых вомущениях позволяет струе выйти за пределы осадительного электрода, что может привести к снижает эффективности очистки. Наиболее рационально устанавливать величину зазора в пределах 1-3 калибров выходного сечения осадительного электрода. При ограниченных габаритах устройства возможно вообще обойтись без зазора, однако в этом случае необходимо прибегнуть к принудительному охлаждению дополнительного осадительного электрода, что может быть выполнено известными методами (например в виде обычного радиатора с циркуляцией охлаждающей жидкости, на фиг.2 в виде стрелки показан пример с использованием хладоагента), либо установкой на привод вращения дополнительных лопаток вентилятора.

Фильтр работает следующим образом.

Предназначенный для очистки в фильтре газовый поток 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 мощное, сильно неоднородные электрические поля, притягивающие дипольные молекулы конденсируемых паров. Под действием электрического поля коронирующего электрода 1 и объемного заряда электрически заряженных аэрозольные частицы и сконденсировавшиеся в объеме газового потока капельки конденсата движутся к осадительному электроду 3. Капли конденсата осаждаются на осадительном электроде, происходит смачивание окружающей поверхности, слияние капель и за счет сил поверхностного натяжения заполнение жидкостью конденсата капиллярных каналов, которыми служат кольцевые проточки 5 и сквозные отверстия 4. Далее капли конденсата за счет капиллярных сил собираются в кольцевых проточках и за счет гравитационных сил через отверстия 4 выводятся в поддон 7 и далее через штуцер 8 в систему утилизации. Наличие кольцевых проточек 5, сквозных отверстий 4 и продольных канавок, выполненных в нижней части осадительного электрода 3 позволяют использовать капиллирные силы для снижения вероятности срыва пленки конденсата неоднородным электрическим полем, которое обеспечивает коронный разряд. Таким образом, значительная часть аэрозольных частиц в процессе движения дисперсной среды вдоль осадительного электрода за счет дрейфа их вследствие воздействия в основном кулоновских сил электрического поля задерживаются на осадительном электроде (см., например Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник, «Электрооборудование и режимы питания электрофильтров», стр 17-25, Энергия, М. 1971). Аэрозольные же частицы малого размера, несмотря на то, что в области горения коронного разряда также как и все частицы получили электрический заряд, имеют малую скорость дрейфа (см. там же стр.21). За время движения малых аэрозольных частиц вдоль осадительного электрода 3 значительная часть их не успевает достичь поверхности осадительного электрода 3 и вместе с очищаемым потоком выносится наружу. Струя очищаемого газового потока, содержащая электрически заряженные аэрозольные частицы, попадает на поверхность дополнительного осадительного электрода 6 и под воздействием динамического напора струи на дополнительном осадительном электроде 6 происходит фильтрация газового потока. Процесс фильтрации газового потока происходит по известным в литературе схемам (см., например, А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. Восьмое. Издательство Химия. Москва. 1971 г, стр.244-248). Учитывая, что в предлагаемом техническом решении в процессе движения в области коронного разряда, особенно после выхода потока из выходного сечения осадительного электрода 3, значительная часть аэрозольный частиц обводняется, и в процессе фильтрации участвуют мелкодисперсные электрически заряженные капли конденсата, что значительно облегчает процесс фильтрации. Проходя по порам дополнительного осадительного электрода 6 (либо вдоль его пластин его решетчатой конструкции), электрически заряженные капли захватываются заземленной поверхностью дополнительного осадительного электрода, сливаются между собой и за счет гравитационных сил стекают вниз к желобу для сбора сконденсированной влаги 7 со штуцером 8 и далее отводятся в область ее консервации. Вследствие дрейфа электрически заряженных частиц к заземленной поверхности дополнительного осадительного электрода, сепарации подвергаются частицы, размер которых значительно меньше размера пор. Осаждаемые на поверхности дополнительного осадительного электрода 6 частицы не закрывают проходное сечение пор, а растекаются по его поверхности и затем выводятся из упомянутых пор наружу под действием гравитационных сил. В случае использования пористого материала в дополнительном осадительном электроде с приводом его вращения, собранный в порах конденсат выводится из пор центробежными силами, что позволяет избежать увеличения сопротивления движению очищаемого газового потока через поверхность дополнительного осадительного электрода 6.

Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра позволяет использовать энергию струи очищаемого газового потока для фильтрации его в дополнительном осадительном электроде 6. Практически все аэрозольные частицы попадают на дополнительный осадительный электрод 6. Путем выбора конструктивных параметров дополнительно осадительного можно добиться любой наперед заданной степени очистки газового потока и сократить габаритные размеры фильтра и достичь цели предполагаемого изобретения.

Варьируя расстоянием между выходным сечением осадительного электрода и дополнительным осадительным электродом, а также выполнение дополнительного осадительного электрода с развитой поверхностью, в том числе и в форме стакана, использование принудительного охлаждение с помощью соответствующего хладоносителя (по известным принципам конструктивного устройства радиаторов. На фиг.2 стрелкой представлена схема движения хладоагента по трубке, контактирующей с пластинами) позволяет привлечь к охлаждению очищаемого газового потока окружающий воздушный поток. Что позволит интенсифицировать процессы конденсации содержащихся в очищаемом газовом потоке паров жидкости и повысить степень очистки, т.к. конденсация происходит на подлежащих сепарации аэрозольных частицах.

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от увлажненного газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц, в том числе и конденсируемой составляющей паров газового потока (конденсата). Фильтр очистки газового потока содержит осадительный и коронирующий электроды. Коронирующий электрод соединен с высоковольтным источником питания. Осадительный электрод заземлен. Коронирующий электрод коаксиально электрически изолированно установлен с зазором относительно осадительного электрода. Фильтр снабжен дополнительным пористым осадительным электродом, установленным в струе выходящего из осадительного электрода очищаемого газового потока. Фильтр содержит ряд дополнительных признаков, улучшающих его характеристики. Изобретение позволяет использовать энергию струи очищаемого газового потока для приближения его при очистке к дополнительному осадительному электроду и продвижения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода. В процессе движения очищаемого газового потока по порам дополнительного осадительного электрода электрически заряженные капли и аэрозольные частицы захватываются заземленной поверхностью дополнительного осадительного электрода, а очищенный газ выталкивается энергией струи наружу. Изобретение позволяет сократить габаритные размеры конструкции фильтра, особенно для очистки газовых потоков, движущихся с большой скоростью, например, выхлопных газов автомобиля. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фильтр очистки газового потока, содержащий соединенный с высоковольтным источником питания и коаксиально с зазором относительно поверхности осадительного электрода электрически изолированно установленный коронирующий электрод, отличающийся тем, что снабжен дополнительным заземленным пористым осадительным электродом, установленным в струе выходящего из осадительного электрода очищаемого газового потока с зазором от одного до трех калибров сечения осадительного электрода от выходного сечения осадительного электрода, а в поверхности осадительного электрода выполнены сквозные отверстия, связанные кольцевыми проточками, и продольные канавки, соединяющие отверстия и кольцевые проточки.

2. Фильтр очистки газового потока по п.1, отличающийся тем, что дополнительный осадительный электрод установлен с возможностью вращения.