RU2478412C2

RU2478412C2 - Gas flow cleaning filter

Info

Publication number: RU2478412C2
Application number: RU2010127453/05A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Балышев; Иван Александрович Болдарев; Марина Алексеевна Васильева; Владимир Борисович Лапшин; Алексей Алексеевич Палей; Леонид Игоревич Толпыгин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ПРОСТОР"
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2013-04-10
Also published as: RU2010127453A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to gas cleaning and may be used in various industries for separating aerosol particles, including submicron particles, from flows. Proposed filter comprises porous precipitation electrode arranged between inlet and outlet along gas flow being cleaned, isolated ioniser wires connected to power supply are arranged on the side of and along said gas low, and baffle plate composed of closed chamber expanding toward outlet and arranged outside and long precipitation electrode. Filter may incorporate generator of fine fluid drops connected by its outlet with filter inlet. Said filter exploits energy of ionic wind to force gas flow there through. Said fine fluid drops attracts aerosol particles in electric field of corona discharge to up cleaning efficiency. Gas flow is forced by energy of ionic wind through porous precipitation electrode. Fluid drops are trapped by porous electrode surface while cleaned gas is reflected by deflector surface to escape from the filter.

EFFECT: perfected design.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области очистки газов и может быть использовано в бытовых и производственных помещениях, а также различных отраслях промышленности и энергетики для отделения от газового потока содержащихся в нем аэрозольных частиц.The invention relates to the field of gas purification and can be used in domestic and industrial premises, as well as various industries and energy for separating aerosol particles contained in it from a gas stream.

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). Для входа парогазовой смеси в корпусе смонтирована верхняя камера, а для выхода сепарированного конденсата и очищенного газа - нижняя камера. В данном устройстве парогазовая 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 из нее через патрубок выхода конденсата. Очищенный от конденсата газ выходит через патрубок нижней камеры.A device for the separation of steam from gases, containing a vertical cylindrical body with nozzles for the inlet and outlet of the cooling agent and two gratings on which the tubes are fixed (see A.G. Amelin "Theoretical foundations of the formation of fog", M., Chemistry, 1966 ., p. 164). The upper chamber is mounted in the housing for the entrance of the gas-vapor mixture, and the lower chamber is mounted for the outlet of the separated condensate and purified gas. In this device, the vapor-gas mixture passes through the upper chamber through pipes cooled by a refrigerant moving in the annulus. In contact with the cold surface of the pipes, the gas cools and the vapor contained in the gas condenses on this surface. The liquid condensed in the pipes collects in the lower chamber and flows out of it through the condensate outlet pipe. The gas purified from condensate leaves through a branch pipe of the lower chamber.

В описанном устройстве конденсация и сепарация 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.In the described device, condensation and separation is carried out only for that part of the vapor of the gas mixture, which manages to come into contact with the surface of the pipes during the residence of the mixture in the pipe. The rest of the vapor remains in the mixture leaving the device. Thus, to increase the degree of purification of the mixture from vapors, an increase in the overall dimensions of the known device is required. In addition, the known device does not provide for cleaning the mixture from aerosols.

В той же книге (см. А.Г.Амелин "Теоретические основы образования тумана", М., Химия, 1966 г., стр.202) представлено устройство для сепарации паров серной кислоты, содержащее холодильник с входным и выходным патрубками и вертикальную башню с верхней и нижней камерами. 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 поступает через нижнюю камеру в вертикальную башню. Поднимаясь вверх по башне, газовая смесь орошается серной кислотой, стекаемой 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.In the same book (see A.G. Amelin "The theoretical basis for the formation of fog", M., Chemistry, 1966, p. 202), a device for separating sulfuric acid vapor is presented, containing a refrigerator with inlet and outlet pipes and a vertical tower with upper and lower cameras. The lower chamber is equipped with a pipe for the entrance of the gas mixture and a pipe for the exit of sulfuric acid, connected to the inlet pipe of the refrigerator. The upper chamber contains the outlet pipe of the purified gas and the inlet pipe of sulfuric acid connected to the outlet pipe of the refrigerator and the finished product receiving line. The gas mixture enters through the lower chamber into a vertical tower. Rising up the tower, the gas mixture is irrigated with sulfuric acid flowing down from the top of the tower. Droplets of sulfuric acid cool the gas mixture and condense on its surface the vapors contained in the gas mixture, dragging them with them into the lower chamber of the tower. The gas purified from vapors rises and through the upper chamber of the tower is directed to the outlet of the purified gas. Drops of acid drop down and through the lower chamber of the tower are sent to the pipe to exit sulfuric acid.

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.When the gas mixture is cooled and the vapor contained in it is condensed, sulfuric acid is heated. To close the working cycle, acid coming out of the tower before being fed into the upper part of the tower for irrigation of the gas mixture and for shipment of finished products to the highway is passed through the refrigerator.

В описываемом устройстве в отличие от ранее упомянутого устройства конденсация 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.In the described device, in contrast to the previously mentioned device, condensation of the vapors contained in the gas mixture occurs not only on the surface of structures (pipe walls, towers), but also on the surface of droplets of irrigated sulfuric acid. Since the surface area of the droplets is significantly larger than the area of the structures, it is possible to achieve an increase in the degree of purification of the mixture in the described device without significant increases in the overall dimensions of the device.

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.At the same time, in the described device, when sulfuric acid is condensed, a high supersaturation of steam occurs, which is why part of the sulfuric acid vapor condenses in volume with the formation of fog, which is removed from the tower as part of the purified gases.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фильтр очистки газового потока, представленный в патенте РФ на изобретение №22935897, МПК B01D 53/32. Фильтр содержит пористый осадительный электрод с открытыми порами, размером более 0,1 мкм, включающими вертикальные капиллярные каналы, размеры проходного сечения которых удовлетворяют соотношению:The closest technical solution to the proposed one is a gas stream purification filter, presented in the patent of the Russian Federation for invention No. 22935897, IPC B01D 53/32. The filter contains a porous precipitation electrode with open pores larger than 0.1 μm, including vertical capillary channels, the passage size of which satisfy the ratio:

а>2·σ/(ρ·g·h),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 изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания.where a is the effective radius of the pores, h is the height of the precipitation electrode, σ is the surface tension coefficient of the condensate, ρ is the density of the condensate installed along the gas stream to be cleaned, with a gap relative to which, from the side of the gas stream being cleaned, the corona electrodes connected to the source are electrically isolated nutrition.

В известном фильтре аэрозольные частицы и капли конденсата, образуемые вследствие активизации процессов конденсации с помощью генерируемых электрических зарядов, движутся под действием силового поля и электрического ветра к пористому осадительному электроду. Повышение степени очистки в известном фильтре достигается за счет инициации процессов конденсации на мелкодисперсных аэрозолях во всем объеме газового потока и за счет обеспечения осаждения электрически заряженных капель конденсата, захвативших мелкодисперсные аэрозоли на заземленной поверхности осадительного электрода.In the known filter, aerosol particles and condensate droplets formed as a result of the activation of condensation processes using generated electric charges move under the influence of a force field and electric wind towards a porous precipitation electrode. An increase in the degree of purification in the known filter is achieved by initiating condensation processes on finely dispersed aerosols in the entire volume of the gas stream and by ensuring the deposition of electrically charged condensate droplets that trapped finely dispersed aerosols on the grounded surface of the precipitation electrode.

Вместе с тем, в данном устройстве перемещение очищаемого газового потока осуществляется за счет внешних источников энергии. Либо кинетической энергии подлежащего очистке газового потока, выходящего из дымовых труб, либо требуется специальный вентилятор, который бы обеспечивал прокачку очищаемого газового потока от примесей.However, in this device, the movement of the cleaned gas stream is due to external energy sources. Either the kinetic energy of the gas stream to be cleaned coming out of the chimneys, or a special fan is required to ensure that the cleaned gas stream is pumped from impurities.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы фильтра.The aim of the present invention is to increase the efficiency of the filter.

Для достижения заявленной цели фильтр очистки газового потока, содержащий пористый осадительный электрод, установленный между входным и выходным отверстиями вдоль очищаемого газового потока, с зазором относительно которого, со стороны очищаемого газового потока электрически изолированно смонтированы коронирующие электроды, соединенные с источником питания, снабжен отражателем, выполненным в виде расширяющейся к выходному отверстию закрытой полости, установленной с внешней стороны вдоль осадительного электрода; снабжен устройством генерации мелкодисперсных капель жидкости, выход которого соединен с входным отверстием фильтра.To achieve the stated goal, a gas stream purification filter containing a porous precipitation electrode installed between the inlet and outlet openings along the gas stream to be cleaned, with a gap relative to which, on the side of the gas stream to be cleaned, the corona electrodes connected to the power source are electrically isolated, equipped with a reflector made in the form of a closed cavity expanding towards the outlet, mounted externally along the precipitation electrode; equipped with a device for generating fine liquid droplets, the output of which is connected to the inlet of the filter.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать кинетическую энергию ионного ветра, возникающего в системе коронирующего электрода, установленного с зазором относительно осадительного электрода, для прокачки очищаемого газа через полость фильтра, увеличивая тем самым объем очищаемого газа, проходящего в единицу времени через фильтр, и увеличивает его эффективность. Кроме того, мелкодисперсные капли жидкости, поступающие на входе в фильтр, смешиваются с очищаемым газом. В области разрядного промежутка коронного разряда электрически заряженные аэрозоли, в том числе и мелкодисперсные собираются на каплях, которые, увлекаемые ионным ветром, движутся к заземленному пористому осадительному электроду. Электрически заряженные капли с захваченными аэрозолями осаждаются на поверхности заземленного осадительного электрода, что обеспечивает увеличение интенсивности очистки газа.The proposed technical solution allows the use of the kinetic energy of the ionic wind, which occurs in the system of the corona electrode installed with a gap relative to the precipitation electrode, for pumping the gas to be cleaned through the filter cavity, thereby increasing the volume of gas to be purified passing through the filter per unit time and increasing its efficiency. In addition, fine droplets of liquid entering the filter inlet are mixed with the gas to be cleaned. In the region of the corona discharge gap, electrically charged aerosols, including finely dispersed ones, collect on droplets, which, carried away by the ionic wind, move to a grounded porous precipitation electrode. Electrically charged droplets with trapped aerosols are deposited on the surface of a grounded precipitation electrode, which provides an increase in the gas purification intensity.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого фильтра.Figure 1 presents a diagram of the proposed filter.

Фильтр включает в себя коронирующий электрод 1, соединенный с источником высокого напряжения (не показан). Конструктивные схемы выполнения коронирующего электрода 1 и подвода к нему высокого напряжения могут быть самыми различными и широко освещены в литературе (см., например, патенты РФ №2002510 по кл. В03С 3/38, №2008100, 2001687 по кл В03С 3/41 и др.). На фиг.1 коронирующий провод 1 представлен в виде провода с малым радиусом кривизны поверхности, закрепленного на токоподводящем кронштейне 2, установленном на изоляторах 3, закрепленных на кронштейнах 4 с зазором относительно осадительного электрода 5. Поверхность осадительного электрода 5 выполнена пористой, открытые поры которой содержат каналы, проходящие от оси конструкции с выходом наружу в периферийной его части. Размер пор желательно выполнять размером более 0,1 мкм, что позволяет потоку очищаемого газа беспрепятственно проходить вовнутрь осадительного электрода и избежать образования пристеночного слоя потока очищаемого газа. В качестве пористого электрода может служить обыкновенная сетка. Сетка может быть выполнена из электропроводной проволоки. С целью предупреждения коррозии проволока может быть выполнена из нержавеющей стали либо покрыта антикоррозионным покрытием. С целью снижения вероятности закупоривания пор проволока может быть покрыта специальным гидрофобным материалом. Размер ячеек и количество слоев сетки определяются конкретно для каждой конструкции фильтра в зависимости от типа очищаемого газа, от сепарируемых аэрозолей. При этом учитывается и увеличение сопротивления прохождения очищаемого газа через осадительный электрод и вероятность забивания ячеек аэрозолями, сепарируемыми от очищаемого газа. 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 заземленную конструкцию предлагаемого устройства на основе известных методов из известных материалов. С внешней стороны осадительного электрода 5, с зазором относительно осадительного электрода 5 вдоль его наружной поверхности, от входного отверстия фильтра с расширением до выходного отверстия фильтра, установлен отражатель 6. Конструктивное выполнение отражателя 6 может быть различным: коническим, пирамидальным и пр. Главное, чтобы поверхность отражателя была установлена под углом α к оси осадительного электрода, что позволяет отразить набегающий на него поток очищенного газа и направить его к выходному отверстию фильтра. В нижней части фильтра, у входного его отверстия пористый осадительный электрод 5 и внутренняя поверхность отражателя 6 вставлены в основание фильтра со сборником конденсата 7 с дренажным отверстием 8.The filter includes a corona electrode 1 connected to a high voltage source (not shown). Structural schemes for the implementation of the corona electrode 1 and the supply of a high voltage to it can be very different and widely covered in the literature (see, for example, RF patents No. 2002510 according to CL B03C 3/38, No. 2008100, 2001687 according to CL B03C 3/41 and other). In Fig. 1, the corona wire 1 is represented in the form of a wire with a small radius of curvature of the surface mounted on a current-carrying bracket 2 mounted on insulators 3 mounted on brackets 4 with a gap relative to the precipitation electrode 5. The surface of the precipitation electrode 5 is made porous, the open pores of which contain channels passing from the axis of the structure with an exit to the outside in its peripheral part. The pore size is preferably performed with a size of more than 0.1 μm, which allows the flow of the gas to be cleaned to flow freely into the precipitation electrode and to avoid the formation of a wall layer of the gas stream to be purified. An ordinary grid can serve as a porous electrode. The grid may be made of conductive wire. In order to prevent corrosion, the wire can be made of stainless steel or coated with an anti-corrosion coating. In order to reduce the likelihood of clogging of the pores, the wire may be coated with a special hydrophobic material. The mesh size and the number of mesh layers are determined specifically for each filter design, depending on the type of gas being cleaned, on the separated aerosols. At the same time, the increase in the resistance of the gas to be cleaned through the precipitation electrode and the probability of clogging of the cells with aerosols separated from the gas to be cleaned are taken into account. Capillary-porous materials are known from the literature (see, for example, http://itp.uran.ru/kpm.htm, http://www.pmi.basnet.by/structure/branch2-27.php), porous cermet , see, for example, http://resti.udmnet.ru/f_gazez.htm and other open-pore materials, i.e. pores overlooking the inner surface of the structure. The noted sources indicate that various methods of manufacturing porous materials with a predetermined porosity are known. That allows you to perform a grounded design of the proposed device based on known methods from known materials. A reflector 6 is installed on the outside of the precipitation electrode 5, with a gap relative to the precipitation electrode 5 along its outer surface, from the filter inlet to the filter outlet, 6. The design of the reflector 6 may be different: conical, pyramidal, etc. the reflector surface was installed at an angle α to the axis of the precipitation electrode, which allows to reflect the flow of purified gas incident on it and direct it to the outlet of the filter. In the lower part of the filter, at its inlet, a porous precipitation electrode 5 and the inner surface of the reflector 6 are inserted into the base of the filter with a condensate collector 7 with a drainage hole 8.

В нижней части фильтра у его основания 7 установлено устройство генерации мелкодисперсных капель жидкостей 9, выходные отверстия которого 10 установлены в кольцевом коллекторе 11 у входного отверстии фильтра.In the lower part of the filter at its base 7 there is installed a device for generating fine droplets of liquids 9, the outlet openings of which 10 are installed in the annular collector 11 at the inlet of the filter.

Фильтр работает следующим образом.The filter works as follows.

Подлежащий очистке газ, проходя через коллектор 11 с выходными отверстиями 10 капель жидкости (направление обозначено стрелкой с буквой A), смешивается с каплями жидкости, выходящими в поток из устройства генерации мелкодисперсных капель 9 (направление D) и через входное отверстие фильтра попадает в разрядную область между коронирующим электродом 1 и осадительным электродом 5. В разрядном промежутке аэрозольные частицы и капли жидкости получают электрический заряд. Вследствие заряжания капель жидкости и аэрозольных частиц интенсифицируются процессы электрической коагуляции, в результате которой мелкодисперсные аэрозольные частицы захватываются каплями жидкости. Электрически заряженные капли жидкости, вовлекаемые ионным ветром, возникающим от коронирующего электрода 1 к осадительному электроду 5, проходя через поры осадительного электрода, осаждаются на его заземленной поверхности. По мере увеличения количества осажденных капель они укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности осадительного электрода вниз в сборник конденсата 7. Очищенный от капель жидкости газ проходит через пористый осадительный электрод, отражается от отражателя 6 и устремляется к выходному отверстию фильтра (направление В). Вследствие отражения ионного ветра от поверхности отражателя 6 и направления его к выходному отверстию формируется подсос очищаемого газового потока, т.е. прохождение очищаемого потока через фильтр обеспечивается энергией ионного ветра. Таким образом, предлагаемая конструкция фильтра использует энергию ионного ветра дополнительно в качестве вентилятора и обеспечивает прохождение дополнительного газового потока по сравнению с известными устройствами, что повышает эффективность работы фильтра. Вследствие снабжения фильтра дополнительным устройством генерации мелкодисперсных капель конструкция предлагаемого фильтра обеспечивает очистку газа от самых малых субмикронных частиц. В экспериментах, проведенных с участием авторов, путем формирования водного тумана в объеме очищаемого газа обеспечивалась очистка газа во всем спектре частиц, включая нанометровый диапазон.The gas to be cleaned, passing through the manifold 11 with the outlet openings 10 of liquid droplets (the direction is indicated by an arrow with the letter A), mixes with the liquid droplets exiting the fine droplet generation device 9 (direction D) and enters the discharge region through the filter inlet between the corona electrode 1 and the precipitation electrode 5. In the discharge gap, aerosol particles and liquid droplets receive an electric charge. Due to the loading of liquid droplets and aerosol particles, the processes of electrical coagulation are intensified, as a result of which fine aerosol particles are captured by liquid droplets. Electrically charged liquid droplets involved by the ionic wind arising from the corona electrode 1 to the precipitation electrode 5, passing through the pores of the precipitation electrode, are deposited on its grounded surface. As the number of deposited droplets increases, they coarsen and, under the action of gravity, flow down the surface of the precipitation electrode down into the condensate collector 7. The gas purified from liquid droplets passes through the porous precipitation electrode, is reflected from reflector 6, and rushes to the filter outlet (direction B). Due to the reflection of the ionic wind from the surface of the reflector 6 and its direction to the outlet, a suction of the cleaned gas stream is formed, i.e. the passage of the cleaned stream through the filter is provided by ion wind energy. Thus, the proposed filter design uses ionic wind energy additionally as a fan and ensures the passage of an additional gas stream in comparison with known devices, which increases the efficiency of the filter. Due to the supply of the filter with an additional device for generating fine droplets, the design of the proposed filter provides gas purification from the smallest submicron particles. In experiments conducted with the participation of the authors, by forming water fog in the volume of the gas to be purified, gas was purified in the entire spectrum of particles, including the nanometer range.

Таким образом, предлагаемая конструкция электрофильтра благодаря предложенной неизвестной ранее новой совокупности отличительных признаков позволяет увеличить объем прокачиваемого через фильтр очищаемого газа и обеспечить сепарацию мелких субмикронных частиц, что позволяет обеспечить повышение эффективности работы фильтра и достичь цели предлагаемого изобретения.Thus, the proposed design of the electrostatic precipitator due to the proposed previously unknown new combination of distinctive features allows to increase the volume of cleaned gas pumped through the filter and to ensure the separation of small submicron particles, which allows to increase the efficiency of the filter and achieve the purpose of the invention.

Claims

1. A gas stream purification filter containing a porous precipitation electrode installed between the inlet and outlet along the gas stream to be cleaned, with a gap relative to which, on the side of the gas stream to be cleaned, the corona electrodes connected to the power source are electrically isolated, characterized in that it is equipped with a reflector made in the form of a closed cavity expanding towards the outlet, mounted externally along the precipitation electrode.

2. The gas stream purification filter according to claim 1, characterized in that it is equipped with a device for generating fine liquid droplets, the outlet of which is connected to the inlet of the filter.