Спосіб електростатичного очищення газів та електрофільтр для його здійснення

1. Спосіб електростатичного очищення газів, в якому потік газів пропускають через електричне поле, створене методом подачі високої напруги до електродів, коронуючих і осаджувальних, а шар пилу, який осів, струшують з електродів, який відрізняється тим, що потік газів пропускають в пульсуючому режимі, періодично збільшуючи C2 2 (19) 1 3 Відомий спосіб не забезпечує необхідної ефективності очищення газів, концентрація пилу вихідних газів досягає 150-200мг/м3, що набагато більше ніж допустима концентрація (не більше 50мг/м). Вказаний недолік відомого способу характеризується утворенням рихлої структури шару пилу на електродах і при струшуванні з електродів утворюється хмара пилу, яка підхоплюється потоком газу, котрий рухається з порівняно великою швидкістю 1,5-2,0м/с. В результаті велика частка пилу виноситься із електрофільтру. Таким чином даний спосіб не забезпечує необхідних параметрів концентрації викидів пилу. Відомий «Електрофільтр, пристрій для створення електричного поля, струшувальне пристосування і осаджувальний електрод» [див. патент України №67000А, МПК7, ВОЗС, 3/41, опубл. 15.06.2004. Бюл.№6. 2004р.], який містить корпус, в якому розміщений, щонайменше один пристрій для створення електричного поля, що включає в себе систему осаджувальних основних електродів, які є стінками каналів для проходу газів, і систему коронуючих основних електродів, які розташовані в згаданих каналах, і систему струшувальних пристосувань для очищення від пилу коронуючих електродів, при цьому, щонайменше один пристрій для створення електричного поля забезпечений засобом для збільшення напруженості електричного поля на вході або виході згаданих каналів для проходу газів, який містить додаткові системи осаджувальних і коронуючих додаткових електродів, розташованих відповідно з боку входу і/або виходу каналів, а згадані струшувальні пристосування розташовані нижче коронуючих основних електродів і зв'язані з нижніми частинами їх рам. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками запропонованого електрофільтру: - осаджувальні і коронуючі електроди; - канали для проходу газів. Причини, що перешкоджають отриманню потрібного технічного результату, такі: Відома конструкція електродів не забезпечує рівномірне разподілення напруженості електричного поля на поверхні осаджувальних електродів, а установка допоміжних електродів не дозволяє вирішити задачу в певному обсязі і одержати щільний шар пилу на осаджувальних електродах, при цьому утворююча хмара здіймаємого пилу при його струшуванні не дозволяє ефективно очищати гази від частинок пилу малих розмірів 0,1-0,5мкм. Найбільш близьким за технічною суттю до заявляемого способу - є спосіб електрофільтрації мілко дисперсних частинок [див. Белосельский Б.С., Барышев В.И. Низкосортные енергетические топлива. М. Енергоатомиздат. 1989., с. 120], в якому потік газів пропускають через електричне поле шляхом подачі високої напруги між двома електродами коронуючим і осаджувальним, коронуючий розряд електризує газ і його іони абсорбуються мілко дисперсними частинками пилу, які внаслідок цього відхиляються від потоку в сторону осаджувальних електродів, далі шар пилу, який осів струшують з електродів в бункер. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками запропонованого способу: 83054 4 - потік газів пропускають через електричне поле шляхом подачі високої напруги між двома електродами, коронуючим і осаджувальним; - шар пилу, який осів струшують з електродів в бункер. Причини, що перешкоджають отриманню потрібного технічного результату; Відомий спосіб не забезпечує ефективне очищення газу від частинок пилу розмірами меншими ніж 0,1-0,3мкм. В результаті із-за порівняно високої швидкості димових газів вказані частинки пилу виносяться із електрофільтру і викидаються через димову трубу в навколишнє середовище, при цьому ефективність очищення газів не перевищує 98%, що недопустимо при теперішніх жорстких вимогах. Викиди не повинні перевищувати 50 мг/м3. Для збільшення ефективності потрібно збільшувати напруженість електричного поля шляхом збільшення напруги між електродами, але при підвищенні напруги, коронний розряд переходить в дуговий, при цьому між електродами з'являється коротке замикання, електрофільтр перестає працювати і виконувати пряму функцію очищення газів від пилу. Таким чином, відомій спосіб не забезпечує ефективне очищення газу від пилу. Найбільш близькою за технічною суттю до заявленої конструкції електрофільтру є «Електрофільтр для аерозолів» [див. патент України №22340 МПК7 ВОЗС 3/41, опубл. 17.03.2003. Бюл. №3], який включає горизонтальні канали з боковими стінками, які виконані із осаджувальних електродів W-профілю, площини якого формують на кожному електроді два вертикальних жолоби, а між ними розташовані точки фіксованого електричного розряду, осаджувальні електроди мають урізаний W-профіль, утворюючий жолоби у формі трапеції, повернуті один до одного назустріч більшими основами трапеції в кожному каналі, лінійні розміри і кути загнутих плоскостей електродів забезпечують сумісництво для кожного жолоба по дотичній з еквіпотенціальною напівокружністю з центром в точках фіксованого електричного розряду, якими являються верхівки зубців, коронуючих електродів, які лежать на загальній площині симетрій жолобів. Зубці коронуючих електродів утворені відігнутими в протилежні сторони кромками полок Z-профілю електродів по лініям розрізу під гострим кутом b до країв цих кромок. Послідовно розміщені осаджувальні електроди у вигляді жолобів з буртами з обох сторін утворюють ряди, а ряди утворюють канали для проходження газів, на перехресті площин симетрії каналів і жолобів розташовані коронуючі електроди. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками запропонованого електрофільтру: - послідовно розміщені осаджувальні електроди, виконані у вигляді жолобів з буртами з обох сторін утворюють ряди; - ряди утворюють канали для проходження газів; - жолоби в рядах повернуті один до одного; - на перехресті площин симетрії каналів і жолобів розташовані коронуючі електроди. Причини, що перешкоджають отриманню потрібного технічного результату: 5 Відома конструкція електрофільтру не забезпечує уловлювання малих частинок пилу розмірами 0,1-0,5мкм і менше, що значно зменшує область його застосування. До недоліків відомої конструкції електрофільтру слід віднести його низьку динамічну стійкість як осаджувальних так і коронуючих електродів. Наприклад, коронуючі електроди виконані у вигляді пластини Z-образної форми. В потоці газів, які рухаються з швидкістю 0,8-1,2м/с, такі електроди поводять себе як крило, при цьому воно може коливатися і вібрірувати, що міняє відстань між електродами, а це різко знижує робочу напругу і напруженість електричного поля, що в свою чергу зменшує ефективність роботи електрофільтру. Форма осаджувальних електродів, при їх довжині більше 10 метрів, також не може забезпечити їх механічну стійкість, як при монтажі так, і в процесі експлуатації, наприклад в момент їх струшування. До недоліків слід віднести і те, що коронуючі електроди Z-образного профілю перекривають частину поперечного перерізу газового каналу якраз у місті розширення жолоба осаджувальних електродів. Таким чином, площа поперечного перерізу газового каналу по всій довжині однакова, згідно з цим, і швидкість руху газу буде однакова, наприклад 0,8-1,2м/с. В результаті, в області найбільшого скупчення пилу в жолобі буде формуватися рихлий шар пилу, а при його струшуванні, частина пилу буде захоплюватися швидкісним потоком газу і виноситися із електрофільтру, при цьому не можливо добитися високих показників очищення газу від пилу. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб електростатичного очищення газів шляхом введення операції зміни режиму подачі газового потоку, що дозволить: використати багаторазове перетворення кінетичної енергії газового потоку в потенціальну для гравітаційного осадження часток пилу розмірами 50-100мкм і покращити умови збільшення інтенсивності електростатичного осадження пилу і збільшення щільності шару пилу і за рахунок цього значно збільшити ступінь очищення газів. В основу запропонованого винаходу поставлена також задача удосконалення конструкції електрофільтру шляхом зміни форми осаджувальних електродів і взаємного розташування осаджувальних і коронуючих електродів, що дозволить використати багаторазове перетворення кінетичної енергії газового потоку в потенціальну для гравітаційного осадження часток пилу розмірами 50100мкм і покращити умови збільшення інтенсивності електростатичного осадження пилу і збільшення щільності шару пилу і за рахунок цього збільшити ступінь очищення газів при гарантійній динамічній стійкості електродів. Суть винаходу полягає в тому, що в способі електростатичного очищення газів, в якому потік газів пропускають через електричне поле методом подачі високої напруги між парами електродів коронуючих і осаджувальних, а шар пилу, який осів на електродах струшують, відповідно до винаходу, 83054 6 потік газів пропускають в пульсуючому режимі, періодично збільшуючи швидкість потоку газів до значення від 0,8 до 1,6м/с в зоні пониженої напруженості електричного поля, а потім зменшуючи її в при поверхневій області осаджувальних електродів до значення від 0,05 до 0,2м/с в зоні завищеної напруженості електричного поля. Суть винаходу полягає також у тому, що електрофільтр для електростатичного очищення газів, що містить послідовно розміщені осаджувальні електроди, виконані у вигляді установлених вертикально жолобів з буртами з обох сторін і утворюючі ряди, таким чином, що парні ряди є дзеркальним відображенням непарних рядів, а ряди утворюють канали для проходження газів, жолоби в яких повернуті один до одного, на перехресті площини симетрії каналів і жолобів розташовані коронуючі електроди, відповідно до винаходу, площа поперечного перерізу каналів для проходження газів зв'язана відношенням: S1 = (3-4)S2, де S1 - площа поперечного перерізу каналу по вісі коронуючого електроду; S2 - площа поперечного перерізу каналу поміж протилежними буртами, при цьому, кожний канал утворений двома парами суміжних парних і непарних рядів осаджувальних електродів, а жолоба їх виконані у вигляді напівциліндрів, бокові поверхні жолобів і буртів осаджувальних електродів парного ряду разом з боковими поверхнями жолобів і буртів електродів непарного ряду утворюють короба, а коронуючі електроди в суміжних каналах розташовані в шахматному порядку і виконані в розрізі у вигляді багатогранника. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками запропонованого способу та досягнутим технічним результатом, слід відзначити наступне: Відзначні ознаки способу: «...потік газів пропускають в пульсуючому режимі, періодично збільшуючи швидкість потоку газів до значення від 0,8 до 1,6м/с в зоні пониженої напруженості електричного поля, а потім зменшуючи її в при поверхневій області осаджувальних електродів до значення від 0.05 до 0.2м/с, в зоні завищеної напруженості електричного поля.», даний спосіб забезпечує ефективне очищення газу від пилу з широким фракційним вмістом, за рахунок, гравітаційного осадження порівняно великих частинок пилу 50-100мкм, при багаторазовому різкому зменшенні швидкості руху газу і разом з ним пилу. При цьому частинки пилу розганяються до певної швидкості, а потім різко гальмуються, в результаті кінетична енергія їх переходить в потенціальну і вони осідають в напрямку до бункера. Таким чином, тільки за рахунок динаміки руху забезпечується зниження запиленості газу до 30-40%. Слід відмітити, що область різкого зменшення швидкості збігається з областю в якій найбільша напруженість електричного поля і це збільшує вірогідність того, що частинки пилу всього фракційного вмісту заряджаються і за рахунок електростатичного поля осідають на осаджувальних електродах формуючи щільний шар пилу. Окрім цього в зоні максимального осаду пилу в при поверхневій області осаджувальних електро 7 дів швидкість газу зменшують до значення від 0.05 до 0,2м/с, що також сприяє формуванню щільного шару пилу. Наведені граничні значення швидкостей одержані на макетах електрофільтрів різних розмірів і в основному залежать від продуктивності димососу. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками запропонованої конструкції електрофільтру та досягнутим технічним результатом, слід визнати наступне: Відзначені ознаки конструкції електрофільтру: «...площа поперечного перерізу каналів для проходження газів зв'язані відношенням: S1 = (3-4)S2, де S1 - площа поперечного перетину каналу по вісі коронуючого електроду; S2 - площа поперечного перерізу каналу поміж протилежними буртами, що забезпечує розподіл пульсуючого режиму потоку газу по всій довжині газового каналу в електрофільтрі. Співвідношення S1 до (3-4) S2 забезпечує різкий спад швидкості газового потоку в області максимального осадження пилу. Ознаки «... кожний канал утворений двома парами суміжних парних і непарних рядів осаджувальних електродів, а жолоба їх виконані у вигляді напівциліндрів», що забезпечує розвинену поверхню всіх сміжних рядів осаджувальних електродів. Виконання жолобів у вигляді напівциліндрів забезпечує: по-перше, турбулізацію газу і пилу на внутрішній поверхні напівциліндрів, що сприяє ефективному зарядженню частинок пилу в електростатичному полі і притягненню їх до напівциліндричної внутрішньої поверхні осаджувального електроду формуючи щільний шар пилу; подруге, напівциліндрічна поверхня осаджувальних електродів є ідеальною для одержання максимальної напруженості електричного поля навколо коронуючого електроду; по-третє, формування щільного шару пилу в коробі, який розташовано перпендикулярно потоку газу забезпечує направлений рух щільного шару пилу в жолобі при його струшуванні; по-четверте, в момент струшування шару пилу він екранується жолобом від основного потоку газу і повторюваний захват хмарки пилу, що утворюється при цьому мінімальний, таким чином, введені нові конструктивні елементи забезпечують досягнення технічного результату. Ознаки «... бокові поверхні жолобів і буртів осаджувальних електродів парного ряду разом з боковими поверхнями жолобів і буртами електродів непарного ряду утворюють короба», що забезпечує, утворення жорсткого ребра у вигляді короба і створення єдиної стійкої і твердої конструкції, яка навіть при висоті 14-18 метрів дає відхилення від вертикалі не більше 2-4мм, при цьому, навіть при струшуванні осаджувальних електродів відхилення не збільшується, а це створює гарні умови для стабільного електростатичного поля з максимальною напруженістю і виключає електричну дугу між двома електродами. Ознаки «... коронуючі електроди в суміжних каналах розташовані в шахматному порядку і виконані у вигляді стрижня з перерізом багатогранника», що забезпечує максимальну поверхню оса 83054 8 дження і максимальне заповнення внутрішнього об'єму електрофільтра з максимальною кількістю каналів для проходу очищених газів. А виконання коронуючого електроду у вигляді стрижня з перерізом багатогранника забезпечує: по-перше, запалення корони при мінімальній напрузі, а по-друге, рівномірне розподілення корони по всій довжині коронуючого електроду, крім цього він не зменшує площу перетину каналу більш ніж на 5%. Таким чином, сукупність істотних ознак способу електростатичного очищення газів та електрофільтру для його здійснення забезпечують збільшення щільності накопичуваного шару мілко дисперсного пилу в жолобі осаджувальних електродів, а при їх струшуванні до мінімуму зменшити їх вібрацію і повторний захват пилу газовим потоком, тим самим забезпечити високу ефективність очистки газу на рівні 99,92%, при цьому на виході електрофільтру запиленість досягає не більше 20 мг/м3, а допустима 50 мг/м3. Суть винаходу пояснюється креслення, де представлений поперечний розріз електродів електрофільтру для реалізації запропонованого способу, де: на Фіг.1 Поперечний розріз електродної системи електрофільтру; на Фіг.2 Осаджувальний електрод. Конструкція електрофільтру для реалізації способу електростатичного очищення газів (Фіг.1) містить послідовно розміщені осаджувальні електроди 1, 2, кожний із яких виконаний у вигляді установленого вертикально жолоба 3 (Фіг.2) з буртами 4 з двох його сторін. Електроди 1, 2 утворюють ряди 5, 6, парні ряди 5 являються дзеркальним відображенням непарних рядів 6, а ряди 5, 6 та 7, 8 утворюють канали 9 для проходження газів. Жолоби 3 в каналах 9 повернуті один до одного, а на перехресті площин симетрії каналів 9 і жолобів 3 розташовані коронуючі електроди 10. Канали 9 мають різну площу перерізу S1 і S2, S1 = (3-4) S2, де S1 - площа поперечного перетину каналу 9 по вісі коронуючого електроду 10, a S2 - площа поперечного перетину каналу 9 поміж протилежними буртами 4. Кожний канал 9 утворений двома парами 5, 6 і 7,8 суміжних парних 5 і 8 і непарних 6 і 7 рядів осаджувальних електродів, жолоба 3 виконані у вигляді напівциліндрів. Бокові поверхні жолобів 3 і буртів 4 осаджувальних електродів 5 парного ряду разом з боковими поверхнями жолобів 3 і буртами 4 електродів 6 непарного ряду утворюють короба 11 і 12. А коронуючі електроди 10 (Фіг.3) в суміжних каналах 9, 13 розташовані в шахматному порядку і виконані у вигляді стрижня з перерізом багатогранника. Спосіб здійснюється в електрофільтрі наступним чином: Запилений газ проходить в електрофільтрі в пульсуючому режимі, періодично збільшуючи швидкість потоку газів в перерізі S2 газового каналу 9 до значення від 0,8 до 1,6м/с в зоні з пониженою напруженістю електричного поля. А потім зменшують швидкість в перерізі S1 до значення від 0,05 до 0,2м/с в при поверхневій області коробів З осаджувальних електродів 6, 8 одного і того ж каналу 9. В перетині S1 в області розміщення коро 9 нуючого електроду 10 найбільша напруженість електричного поля. Розглянемо вплив динаміки руху запиленого газу на ефективність очищення газу без електростатичного поля. Запропонований спосіб забезпечує гравітаційне осадження порівняно великих часток пилу 50...100мкм за рахунок багаторазового різкого зменшення швидкості руху газу і разом з ним пилу. При цьому частинки пилу розганяються до певної швидкості, а потім різко гальмують, в результаті кінетична енергія їх переходить в потенціальну і вони осідають. Таким чином тільки за рахунок динаміки руху вже на перших ступенях пульсації забезпечується зниження запиленості газу до 30-40%. Цей фактор, забезпечує на першому етапі, на вході електрофільтру осадження великих часток пилу, що дозволяє в подальшому одержувати більш цільний шар пилу. Далі розглянемо доповнюючи дію електричного поля в процесі осадження пилу в електрофільтрах. Область різкого зменшення швидкості збігається з областю, в якій найбільша напруженість електричного поля і це збільшує вірогідність того, що частинки пилу як великі так і маленькі заряджаються і за рахунок електростатичного поля осідають на осаджувальних електродах формуючи щільний шар пилу в коробах 3. В зоні максимального осаду пилу, в коробі 3, в його при поверхневій області швидкість газу різко зменшується до 0,05-0,2м/с, що також з однієї сто 83054 10 рони сприяє формуванню щільного шару пилу, а з іншої - перпендикулярне розміщення короба до газового потоку забезпечує екраніровку шару пилу, який формується, від основного газового потоку, а при його струшуванні і осаджуванні, короб формує потік осадового пилу і також захищає його від газового потоку, який рухається зменшуючи тим самим повторний захват пилу. В процесі монтажу осаджувальних електродів бурти 4 забезпечують їх стійкість, а при їх установці в ряди бурти 4 і жолоби 3 утворюють короба 11, які виключають появу серповидності осаджувальних електродів і забезпечують відхилення від вертикалі не більше ніж 2-4мм при довжині електродів 14-18 метрів. І навіть при струшуванні осаджувальних електродів відхилення не збільшується. Це не викликає появу електричної дуги між двома електродами в динаміці. Виконання коронуючого електроду 10 у вигляді багатогранника разом з осаджувальними електродами 6 та 8 забезпечує запалення корони при мінімальній напрузі і її рівномірне розподілення по всій довжині електроду. Крім того, малі його розміри в поперечному перетині практично не впливає на величину S1. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє довести ступінь очищення газів від пилу до 99,82% при цьому конструкція електрофільтру забезпечує одержання викидів пилу до 20мг/м3, що в два рази менше допустимого 50мг/м3. 11 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 83054 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601