RU2159665C1

RU2159665C1 - Device for cleaning air from toxic admixtures

Info

Publication number: RU2159665C1
Application number: RU99114740A
Authority: RU
Inventors: С.В. Володин; В.М. Ерошенко; А.Г. Ляпин; Л.Б. Шурмель
Original assignee: Володин Сергей Васильевич
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: cleaning gases; cleaning exhaust gases of chemical works from carbon and sulfur oxides, as well as cleaning exhaust of internal combustion engines from nitric oxides and separation of nitric oxides from ozone in its synthesis. SUBSTANCE: proposed device includes cylindrical discharge chamber with electrode in its center; this electrode is coated with layer of dielectric at dielectric permittivity of 3.7 to 6.0; dielectric layer is provided with holes. Between walls of chamber and central electrode there is cone-shaped screen made from dielectric at angle of 15 to 35 deg between generatrix of cone and central axis. Device also includes pulse high voltage source. EFFECT: improved completeness, increase of purification efficiency of air from toxic agents. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в устройствах для очистки газовоздушных смесей от оксидов азота и других вредных примесей в устройствах синтеза озона из воздуха, повышения содержания отрицательных ионов кислорода в воздухе, для очистки отходящих газов двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота и углерода, а также селективного выделения компонентов из газовых смесей, в частности органических. The invention relates to the field of gas purification and can be used in devices for purifying gas-air mixtures from nitrogen oxides and other harmful impurities in devices for synthesizing ozone from air, increasing the content of negative oxygen ions in air, for purifying exhaust gases of internal combustion engines from nitrogen oxides and carbon , as well as the selective separation of components from gas mixtures, in particular organic.

Известно устройство для очистки выхлопных газов, содержащее цилиндрический фильтр-ионизатор, в котором помещен электрод, выполненный в виде многолучевых лезвий, расположенных по радиусам цилиндрического корпуса-фильтра. При этом межэлектродное расстояние в устройстве постоянно (пат. РФ 2078965, F 02 B 75/10, 1997). A device for cleaning exhaust gases containing a cylindrical filter-ionizer, in which is placed an electrode made in the form of multi-beam blades located along the radii of the cylindrical filter housing. Moreover, the interelectrode distance in the device is constant (US Pat. RF 2078965, F 02 B 75/10, 1997).

Недостатком известного устройства является ограниченность его применения, сложность конструкции. A disadvantage of the known device is the limitation of its use, the complexity of the design.

Известно также устройство для очистки воздуха от токсичных примесей, содержащее цилиндрическую корпус-разрядную камеру с помещенным в ее центре электродом, диаметр которого в 30-100 раз меньше диаметра цилиндрического корпуса (Electrostatics, 1993, V 17, N 11, р. 64, USA). A device is also known for purifying air from toxic impurities, comprising a cylindrical housing-discharge chamber with an electrode placed at its center, the diameter of which is 30-100 times smaller than the diameter of the cylindrical housing (Electrostatics, 1993, V 17, N 11, p. 64, USA )

Недостатками известного устройства являются использование в качестве электрода тонкой проволоки, что приводит к недостаточной прочности конструкции и ограниченной зоны разрядной камеры, невозможность полной очистки воздуха при одновременном присутствии химических соединений серы и азота с различной степенью окисления, которые имеют различные потенциалы ионизации, повышенный расход электроэнергии. The disadvantages of the known device are the use of a thin wire as an electrode, which leads to insufficient structural strength and a limited area of the discharge chamber, the inability to completely purify the air with the simultaneous presence of chemical compounds of sulfur and nitrogen with different oxidation states, which have different ionization potentials, increased energy consumption.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки воздуха от токсичных примесей, содержащее цилиндрическую разрядную камеру с помещенным в ее центре электродом, сетку, размещенную между стенками камеры и центральным электродом, и источник высокого напряжения (пат. США 3440800, B 03 C 3/00, 1969 ). The closest in technical essence and the achieved result is a device for cleaning air from toxic impurities, containing a cylindrical discharge chamber with an electrode placed in its center, a grid placed between the walls of the chamber and the central electrode, and a high voltage source (US Pat. No. 3,440,800, B 03 C 3/00, 1969).

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, невозможность очистки газов и воздуха от газообразных примесей, т.к. устройство рассчитано на удаление из воздушного потока твердых частиц и конденсата органических соединений. Процесс трудноуправляемый, для доведения содержания CO в выходящих газах до ПДК требуется большой расход свежего воздуха, т.е. дополнительный вентилятор. КПД устройства не превышает 50%. The disadvantages of the known device are the design complexity, the inability to clean gases and air from gaseous impurities, because The device is designed to remove solid particles and condensate of organic compounds from the air stream. The process is difficult to control, in order to bring the CO content in the exhaust gases to the MPC, a large consumption of fresh air is required, i.e. additional fan. The efficiency of the device does not exceed 50%.

Положительным эффектом, который достигается при осуществлении изобретения, является расширение возможности применения устройства, которое заключается в способности обезвреживать с высоким КПД не только твердожидкофазные примеси, но и примеси в газообразном состоянии, такие как CO, NO_x, SO_x, а также изменять их степень окисления, возможность селективного извлечения из газовоздушных смесей отдельных компонентов, резкое, до двух порядков снижение затрат электроэнергии, увеличение скорости очистки.The positive effect that is achieved during the implementation of the invention is to expand the applicability of the device, which consists in the ability to neutralize with high efficiency not only solid-liquid impurities, but also impurities in the gaseous state, such as CO, NO _x , SO _x , as well as change their degree oxidation, the possibility of selective extraction of individual components from gas-air mixtures, a sharp, up to two orders of magnitude reduction in energy costs, increase in cleaning rate.

Этот эффект достигается тем, что в устройстве для очистки воздуха от токсичных примесей, содержащем цилиндрическую разрядную камеру с помещенным в ее центре электродом, сетку, размещенную между стенками и центральным электродом, источник высокого напряжения, согласно изобретению, центральный электрод выполнен покрытым слоем диэлектрика с диэлектрической проницаемостью в пределах 3,7-6,0, имеющим отверстия, сетка выполнена из диэлектрика в виде усеченного конуса с углом образующей конуса с центральной осью в пределах 15-35^o, а источник высокого напряжения выполнен импульсным. Кроме того, сетка может содержать узкие кольцевые полосы из фольги на местах, соответствующих необходимым потенциалам ионизации.This effect is achieved by the fact that in a device for purifying air from toxic impurities containing a cylindrical discharge chamber with an electrode placed in its center, a grid placed between the walls and the central electrode, a high voltage source, according to the invention, the central electrode is made of a coated dielectric layer with a dielectric permeability in the range of 3.7-6.0, having openings, the grid is made of a dielectric in the form of a truncated cone with an angle of the generatrix of the cone with a central axis in the range of 15-35 ^o , and the source is high whose voltage is made pulsed. In addition, the grid may contain narrow annular strips of foil in places corresponding to the necessary ionization potentials.

Схема устройства приведена на чертеже. The device diagram is shown in the drawing.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, являющийся разрядной камерой, снабжено входом 2 для загрязненного воздуха или газовоздушной смеси и выходом 3 для очищенного воздуха. В центре камеры расположен коронирующий электрод 4, представляющий собой стальной провод, покрытый слоем диэлектрика 5 с диэлектрической проницаемостью 3,7-6,0. Слой диэлектрика выполнен с отверстиями 6, достигающими металла. Между цилиндрическим корпусом и центральным электродом помещена конусообразная сетка 7, выполненная из диэлектрика, например, полихлорвинила или винипласта. The device comprises a cylindrical housing 1, which is a discharge chamber, equipped with an inlet 2 for polluted air or gas-air mixture and an outlet 3 for purified air. In the center of the chamber is a corona electrode 4, which is a steel wire coated with a dielectric layer 5 with a dielectric constant of 3.7-6.0. The dielectric layer is made with holes 6 reaching the metal. Between the cylindrical body and the central electrode is placed a cone-shaped grid 7 made of a dielectric, for example, polyvinyl chloride or vinyl plastic.

Большим основанием сетку крепят к основанию изолятора 8 на входе в камеру, а меньшим основанием к вершине изолятора 9 на выходе из камеры. Угол образующей сетчатого конуса с центральной осью выбирают из условий использования устройства для газовоздушных сред различного состава в пределах 15-35^o. При выбранной величине угла получают неравномерную по длине, но линейно изменяющуюся напряженность электрического поля. Высокое напряжение подается от импульсного источника 10.A large base mesh is attached to the base of the insulator 8 at the entrance to the chamber, and a smaller base to the top of the insulator 9 at the exit of the chamber. The angle of the generatrix of the mesh cone with a central axis is selected from the conditions of use of the device for gas-air environments of various compositions within 15-35 ^o . With the selected angle, an uneven in length, but linearly varying electric field strength is obtained. High voltage is supplied from the pulse source 10.

Осаждаемые вокруг отверстий на диэлектрической поверхности центрального электрода заряды короны автоматически поддерживают места расположения старта электронных лавин, и разряд становится достаточно стабильным по напряжению и по времени. The corona charges deposited around holes on the dielectric surface of the central electrode automatically support the location of the start of electronic avalanches, and the discharge becomes quite stable in voltage and time.

Наличие в межэлектродном промежутке двух сред с различной диэлектрической проницаемостью (покрытие электрода и воздух) создает на границе этих слоев скачок напряженности электрического поля. Это приводит к тому, что при меньшем по сравнению с известным устройством напряжении во всем межэлектродном промежутке получают устойчивый разряд, поддерживающий требуемую интенсивность ионизационных процессов, т.е. количество свободных электронов. The presence in the interelectrode gap of two media with different dielectric constants (electrode coating and air) creates a jump in the electric field strength at the boundary of these layers. This leads to the fact that at a lower voltage compared to the known device in the entire interelectrode gap, a stable discharge is obtained that supports the required intensity of ionization processes, i.e. amount of free electrons.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На межэлектродный промежуток подают высокое импульсное напряжение трапецеидальной формы. При этом на диэлектрическом покрытии возникает скачок напряженности, причем по длине камеры его величина различна. При прокачивании через камеру, например, выхлопных газов двигателей токсичные примеси ионизируются, причем каждый вид иона приобретает избыточный заряд на определенном расстоянии от входа. A high trapezoidal voltage pulse is applied to the interelectrode gap. In this case, a jump in tension occurs on the dielectric coating, and its magnitude varies along the length of the chamber. When pumping, for example, exhaust gases from engines through a chamber, toxic impurities are ionized, and each type of ion acquires an excess charge at a certain distance from the entrance.

Использование импульсного источника обеспечивает выделение в камере большой энергии в течение коротких промежутков времени. Эта энергия обеспечивает образование высокоэнергетических электронов и служит источником для возникновения электродинамических сил (электрического ветра, аэродинамического удара). В результате за счет диссоциации молекул озона и кислорода, содержащихся во входящем газовоздушном потоке, повышается концентрация отрицательных ионов кислорода. Это обуславливает эффективное доокисление вредных примесей тяжелый ионов, например, NO, NO₂ в N₂O₅, которые вследствие импульсного разряда создают ударную волну с повышенным давлением, движущуюся между центральным электродом и сеткой со скоростью V = К_x • E_x, где К_e - подвижность электронов, вытесняя через отверстия в сетке в пристенное пространство и осаждая на внутренней поверхности стенок камеры эти составляющие. Выходящий поток обогащается электроотрицательными ионами: О^-, O₂ ^-, О₃ ^-, О₃ ^-2.The use of a pulsed source provides the release of high energy in the chamber for short periods of time. This energy provides the formation of high-energy electrons and serves as a source for the appearance of electrodynamic forces (electric wind, aerodynamic shock). As a result, due to the dissociation of ozone and oxygen molecules contained in the inlet gas stream, the concentration of negative oxygen ions increases. This leads to the effective oxidation of harmful impurities of heavy ions, for example, NO, NO ₂ in N ₂ O ₅ , which, due to a pulsed discharge, create a shock wave with increased pressure, moving between the central electrode and the grid at a speed of V = K _x • E _x , where K _e is the electron mobility, displacing through holes in the grid into the wall space and precipitating these components on the inner surface of the chamber walls. The effluent is enriched with electronegative ions: O ^- , O ₂ ^- , O ₃ ^- , O ₃ ^-2 .

Если нанести на сетку узкие кольцевые полосы из фольги, обеспечивающие строго заданное распределение напряженности электрического поля E_x(f) по длине камеры в местах, соответствующих необходимым потенциалам ионизации, то возможна сепарация газов по составу, например, удаление ионов оксидов азота при сохранении оксидов серы или наоборот. Подобным образом могут быть разделены смеси органических газообразных соединений, что достигается законом распределения E_x(f).If narrow annular foil strips are applied to the grid, providing a strictly specified distribution of the electric field strength E _x (f) along the length of the chamber in places corresponding to the necessary ionization potentials, gas separation by composition is possible, for example, the removal of nitrogen oxide ions while maintaining sulfur oxides or vice versa. In a similar way, mixtures of organic gaseous compounds can be separated, which is achieved by the distribution law E _x (f).

Ионизационные потенциалы разделения ионов по компонентам очищаемого газа автоматически получаются в каждой зоне кольцевых полос на сетке, помещенной в камеру. Ionization potentials for the separation of ions by the components of the gas to be purified are automatically obtained in each zone of the annular bands on a grid placed in the chamber.

Таким образом, устройство позволяет повысить степень очистки газовоздушных смесей одновременно от оксидов серы и азота с 50 до 90-95% с удельными энергозатратами на уровне единиц Вт. ч.м^-3. В данном устройстве исключен пробой на межэлектродном промежутке вследствие того, что диэлектрическое покрытие, обладающее сопротивлением R, ограничивает ток короткого замыкания используемого источника питания до десятка мА, тогда как центральный провод сечением 2 мм, покрытый диэлектриком слоем 2 мм, выдерживает ток К3 промышленной частоты величиной до 10 А.Thus, the device allows to increase the degree of purification of gas-air mixtures simultaneously from sulfur and nitrogen oxides from 50 to 90-95% with specific energy consumption at the level of units of W. h- ³ . This device does not allow breakdown in the interelectrode gap due to the fact that the dielectric coating having resistance R limits the short circuit current of the used power source to tens of mA, while the central wire with a cross section of 2 mm coated with a dielectric layer of 2 mm withstands an industrial frequency current K3 of up to 10 A.

Предложенная конструкция центрального электрода обладает повышенной прочностью, он легко центрируется и не прогибается при длине, достигающей 1 м, что позволяет располагать устройство как вертикально, так и горизонтально. The proposed design of the central electrode has increased strength, it is easily centered and does not bend with a length of up to 1 m, which allows you to position the device both vertically and horizontally.

Конструкция имеет повышенную надежность, что важно в устройствах получения озона для медицинских целей, а также для очистки выхлопных газов автомобилей. The design has increased reliability, which is important in ozone production devices for medical purposes, as well as for the purification of automobile exhaust gases.

При очистке по данной методике всех компонентов на каждый м³ очищаемого газа затрачивается всего 50 Вт электроэнергии.When cleaning all components for each m ^{3 of} gas being cleaned by this method, only 50 W of electricity is consumed.

Claims

1. A device for cleaning air from toxic impurities, containing a cylindrical discharge chamber with an electrode placed in its center, a grid placed between the walls of the chamber and the central electrode, a high voltage source, characterized in that the central electrode is made of a coated dielectric layer with a dielectric constant within 3.7 - 6.0, having holes, the grid is made of a dielectric in the form of a truncated cone with an angle of the generatrix of the cone with a central axis in the range of 15 - 35 ^o , and the high voltage source is made n impulse.

2. The device according to claim 1, characterized in that the grid contains narrow annular strips of foil in places corresponding to the necessary ionization potentials.