PL247613B1 - Filtr hybrydowy - Google Patents

Abstract

Filtr hybrydowy posiadający metalową obudowę wyposażoną w elektrody ulotowe, charakteryzuje się tym, że posiada metalową stożkową obudowę (1) wraz z bocznym wlotem (9) filtrowanego czynnika gazowego, który wpada do komory (6) filtra, przy czym centralnie w komorze (6) obudowy (1) filtra zamocowana jest metalowa rura (7), w której zostały centralnie zainstalowane elektrody ulotowe (3, 4) i zestaw elektrod ulotowych (2) o kształcie płaskich, okrągły dysków, których krawędzie zakończone są ostrymi końcami, które to dyski rozmieszczone są w równych odstępach na pręcie (11), który stanowi zamocowanie elektrod ulotowych (3, 4). Pręt (11) wraz z zestawem promieniowych elektrod ulotowych (2), zamocowany jest w rurze (7) tak, aby znajdował się w jej osi oraz nie dotykał wraz z elektrodami obudowy rury i/lub obudowy (1) filtra, ze względu na dużą różnicę potencjału występującą między elektrodami ulotowymi, a obudową (1) i rurą (7) filtra. Elektrody ulotowe (2, 3, 4) zasilane są generatorem WN (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest filtr hybrydowy, wykorzystujący połączenie elektrofiltru i separatora cyklonowego, wyposażonego w elektrostatyczny przyspieszacz cząstek stałych zasilany wysokim napięciem, mające na celu poprawę jakości filtrowania czynnika gazowego w postaci spalin.

Elektrostatyka do oczyszczania czynnika gazowego, czyli spalin, jest w przemyśle metodą od dawna znaną i często używaną w sektorze ciepłowniczym. W trakcie każdego spalania paliwa stałego w elektrowniach i elektrociepłowniach powstaje pył zawieszony, tak zwany ściek gazowy, który należy usunąć przed wypuszczeniem czynnika gazowego pozostałego po procesie spalania do atmosfery. Elektrofiltry stosowane w przemyśle grzewczym to stosunkowo duże urządzenia, mające dużą wydajność i sprawność oraz wysoką cenę. Ze względu na swoją budowę są odporne na skrajne warunki pracy i duże zanieczyszczenie pyłem. Nie wymagają także wysokich nakładów energetycznych, gdyż przepływ prądu między elektrodą uchyłową, a osadczą jest minimalny i nie zależny od zanieczyszczenia pyłem. Elektrofiltry są zatem bardzo ekonomicznym rozwiązaniem, gdyż prócz niewielkiego zużycia prądu, nie posiadają części zużywających się i nie wymagają w zasadzie materiałów eksploatacyjnych. Posiadają także wysoką sprawność w dosyć szerokim zakresie pracy. Wadą elektrofiltrów j est spadająca sprawność, gdy prędkość przepływającego czynnika gazowego oraz wielkość ziaren pyłu w nim zawieszonego wzrasta. Elektrofiltry wykorzystują energię elektryczną oraz wyładowanie koronowe, tworząc pole elektrostatyczne wokół elektrod, które siłami elektrostatycznymi przyciąga cząsteczki stałe zawieszone w filtrowanym czynniku gazowych do elektrody osadczej, zwykle obudowy. Z tego wynika główna wada elektrofiltru, którego stosowanie zalecane jest dla cząstek zawieszonych mniejszych lub równych średnicy 2,5 μm (PM2,5). Filtrowanie czynnika gazowego, w którym cząstki zawieszone mają średnice znacznie większe od wyżej podanych, zmniejsza wydajność mechanizmu filtrowania elektrostatycznego. Wysokie przepływy czynnika gazowego mają tendencję do porywania ze sobą dużych cząstek stałych, które nie osiadają na obudowie wewnętrznej elektrofiltru, a są transportowane aż do wylotu spalin (komina). Zmniejsza to wydajność elektrofiltru w zakresie dużych przepływów oraz frakcji większych cząstek stałych.

Separator wirowy, zwany również cyklonem, to urządzenie do oczyszczania z cząstek stałych filtrowany czynnik gazowy poprzez wykorzystanie efektu siły odśrodkowej. W separatorze wirowym zanieczyszczony czynnik gazowy (spaliny), wprowadzany jest w ruch wirowy w specjalnie zaprojektowanej komorze separatora. Pod wpływem siły odśrodkowej cząstki stałe, zawieszone w filtrowanym czynniku gazowym, wytrącane są siłą odśrodkową na ściankach separatora cyklonowego, aby następnie opaść na dół do zasobnika. Odpylony czynnik gazowy przemieszcza się następnie do góry separatora, poprzez pionową rurę wylotową. Ze względu na specyfikę metody oczyszczania, separator wirowy najlepiej nadaje się do cząstek o stosunkowo dużej masie, a tym samym średnicy to jest znacznie powyżej średnicy 2,5 μm. Jest to podstawowa wada separatora cyklonowego, który nie jest zalecany do małych cząstek zawieszonych w filtrowanym czynniku gazowym oraz niskich przepływów wyżej wymienionego czynnika. Separator wirowy nadaje się głównie do oczyszczania czynnika gazowego z dużych frakcji pyłu. Ponadto, skuteczność separatora cyklonowego jest tym większa, im większa jest prędkość kątowa wirowania, a w klasycznym rozwiązaniu separatora cyklonowego wiąże się to z większą prędkością wlotową. Separatory cyklonowe używane są głównie w przemyśle cementowym, ciepłowniczym i drzewnym.

Technologia separacji pyłu zawieszonego w czynniku gazowym poprzez filtrowanie elektrostatyczne i/lub siłę odśrodkową w separatorach wirowych jest ogólnie znana. Natomiast nie znaleziono dotychczas opracowań dotyczących wykorzystania tego typu rozwiązań w postaci kompaktowego urządzenia, łączącego w sobie dwie techniki filtracji, elektrostatyczną i wirową z dodatkowym napędem elektrostatycznym cząstek stałych zawieszonych w czynniku gazowym, dla zastosowań w gospodarstwach domowych, celem poprawy skuteczności filtrowania spalin.

Znane jest z publikacji opisu patentowego PL216644 urządzenie do odpylania spalin i gazów przemysłowych, zawierające baterię cyklonów, filtr i zbiornik pyłu. Filtr usytuowany jest na zewnątrz płaszczy cyklonów, ponad wspólnym zbiornikiem odpylania pyłu. Pomiędzy filtrem i zbiornikiem pyłu usytuowana jest przepustnica. Wyloty cyklonów połączone są wspólnym kolektorem wylotowym, przy czym cyklony korzystnie mają dwa wyloty.

Znany jest publikacji opisu patentowego PL221606 układ do odsiarczania i odpylania gazu z reaktorem wirowym i recyrkulacją sorbentu nieprzereagowanego całkowicie, który zbudowany jest z reaktora wirowego z cyklonem, oraz rury wlotowej doprowadzającej do reaktora sorbent świeży, sorbent nieprzereagowany całkowicie z cyklonu i sorbent nieprzereagowany całkowicie wraz z pyłem z gazu spod odpylacza końcowego, najczęściej filtra tkaninowego, oraz instalacji odprowadzającej sorbent wystarczająco przereagowany i pył wytrącony z gazu na zewnątrz poprzez automatyczny zawór i rurę spustową.

Znany jest z publikacji polskiego zgłoszenia patentowego PL404751 cyklon do oczyszczania spalin. Cyklon posiada dyszę znajdującą się naprzeciw kanału wlotowego spalin, usytuowanego stycznie do leja cyklonu oraz kanału wylotu spalin, umieszczonego w górze leja cyklonu a także z komory zanieczyszczeń położonej w dole leja cyklonu.

Znany jest publikacji opisu patentowego PL236909 cyklon poziomy odpylający. Cyklon jest zaopatrzony w dwie klapy regulacyjne zsypu zamocowane obrotowo na osiach zamocowanych w ściankach bocznych obudowy, których końce są skierowane w kierunku wlotu, zaś osie klap są usytuowane poniżej poziomej osi obudowy, przy czym wewnątrz obudowy są dwie łukowe przegrody.

Znany jest z publikacji polskiego zgłoszenia patentowego PL415381 jest filtrocyklon układu odpylania spalin, stosowany w przemyśle paliwowo - energetycznym, zaopatrzony w moduł stanowiący baterię cyklonów oraz w moduł filtracyjny. Składa się on z umieszczonej na ramie baterii cyklonów, połączonych z lejem zsypowym, zabudowanym pod cyklonami i pod ramą, za którą to baterią cyklonów zabudowany jest kanał wylotowy wyprowadzony z leja zsypowego, doprowadzony do umieszczonej na ramie komory brudnej modułu filtracyjnego, zawierającej wkłady filtracyjne, połączonej z drugiej strony z komorą czystą modułu filtracyjnego. Pod komorą brudną modułu filtracyjnego, pod ramą zabudowany jest drugi lej zsypowy, a kanał wylotowy wyposażony jest w przepustnicę.

Ze względu na przeciwstawną charakterystykę wydajności w/w rozwiązań, zaprojektowano filtr hybrydowy, który łączy zalety obydwu rozwiązań. Efektem tego jest zwiększenie wydajności i jakości odpylania spalin, przy zachowaniu możliwie niewielkich gabarytów urządzenia.

Istotą wynalazku jest filtr hybrydowy, charakteryzujący się tym, że posiada metalową stożkową obudowę wraz z bocznym wlotem filtrowanego czynnika gazowego, przy czym centralnie w komorze obudowy filtra zamocowana jest metalowa rura, w której zostały centralnie zainstalowane elektrody ulotowe i zestaw elektrod ulotowych o kształcie płaskich, okrągłych dysków, których krawędzie zakończone są ostrymi końcami, które to dyski rozmieszczone są w równych odstępach na pręcie, który stanowi zamocowanie elektrod ulotowych. Pręt wraz z zestawem promieniowych elektrod ulotowych, zamocowany jest w rurze tak, aby znajdował się w jej osi oraz nie dotykał wraz z elektrodami obudowy rury i/lub obudowy filtra, ze względu na dużą różnicę potencjału występującą między elektrodami ulotowymi, a obudową i rurą filtra. Elektrody ulotowe zasilane są generatorem.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój filtra hybrydowego w widoku z przodu, zaś fig. 2 - filtr w widoku z góry.

Filtr hybrydowy zbudowany jest z kaskadowo połączonych dwóch elementów, to jest z separatora cyklonowego z dodatkowym napędem elektrostatycznym oraz filtru elektrostatycznego. Celem wynalazku jest zwiększenie sprawności odpylania czynnika gazowego przepływającego przez filtr, a w efekcie zmniejszenie ilości wydobywających się do atmosfery pyłów zawieszonych. Przewidywanym, docelowym zastosowaniem filtru hybrydowego są urządzenia grzewcze gospodarstw domowych zasilane paliwem stałym, takie jak kominki, piece na drewno/pellet, biomasę, węgiel itp. Zastosowanie dwóch różnych technik filtracji cząstek stałych zawieszonych w filtrowanym czynniku gazowym, czyli spalinach oraz połączenie ich w jedno urządzenie, jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem od dotychczas stosowanych w przemyśle i pozwala na wychwycenie większego spektrum pyłów zawieszonych w filtrowanych czynniku gazowym. Dzięki zastosowaniu elektrostatycznego przyspieszacza cząstek stałych możliwe jest poprawienie, zwiększenie prędkości kątowej wiru w separatorze wirowym, a tym samym zmniejszenie gabarytów całego urządzenia, wraz z poprawą jakości filtrowania. Filtr hybrydowy może być stosowany w budynkach mieszkalnych, domkach, wiatach, a także jako element filtrujący w przemysłowych grillach. Ponadto wdrożenie do produkcji filtru hybrydowego, w celu redukcji emisji cząstek stałych pochodzących z domowych urządzeń grzewczych na paliwo stałe, umożliwi w perspektywie czasu znaczną redukcję pyłu zawieszonego w atmosferze w miesiącach zimowych i zmniejszenie niskiej emisji. Filtr hybrydowy w urządzeniach grzewczych na paliwo stałe ma za zadanie ograniczyć emisję toksycznych pyłów i niektórych gazów do atmosfery, a tym samym ograniczyć wielkość smogu, tak toksycznego i powszechnego w miesiącach zimowych.

Korzystnym aspektem wynikającymi z hybrydowej konstrukcji filtra i zastosowania elektrod napędzających elektrostatycznie cząstki stałe zawieszone w filtrowanym czynniku gazowym separatora cy klonowego, jest sposób użycia i połączenia elektrod napędowych, spełniających prócz funkcji napędowej, funkcję generatora ozonu. Wyładowanie koronowe oraz światło UV powstające na elektrodach napędowych, umożliwia częściową redukcję chemiczną czynnika gazowego (spalin) generowanego przez urządzenie grzewcze do związków mniej szkodliwych, to jest między innymi redukcję tlenku węgla, tlenku azotu, węglowodorów (benzopiren) i tym podobne.

W metalowej stożkowej obudowie 1 zainstalowane zostały elektrody ulotowe 3, 4 i zestaw elektrod ulotowych 2 zamocowanych poprzez izolatory przelotowe do obudowy filtra tak, aby zapewnić izolację pomiędzy nimi, a metalowymi elementami obudowy filtra, ze względu na występującą dużą różnicę potencjału pomiędzy elektrodami, a obudową. W skład zestawu promieniowych elektrod ulotowych 2 wchodzi kilka elektrod ulotowych o kształcie płaskich, okrągły dysków, których krawędzie zakończone są ostrymi końcami („zębatka”). Elektrody ulotowe zasilane są generatorem WN 5. Wyładowanie koronowe występujące na wzdłużnych elektrodach ulotowych 3, 4 powoduje powstanie pola elektrostatycznego, które ładuje elektrostatycznie cząstki pyłu zawieszonego w filtrowanym czynniku gazowym 8, wpadającym do elektrofiltru hybrydowego wlotem 9. Naładowane cząstki siłami elektrostatycznymi odpychane są od ostrych zakończeń elektrod 3, 4, czego efektem jest przyspieszenie prędkości cząstek pyłu. Ponieważ filtrowany czynnik wraz z cząstkami w komorze 6 filtra może przemieszczać się tylko wkoło, wzrasta przez to prędkość kątowa cząstek pyłu zawieszonego w filtrowanym czynniku gazowym. Pogłębia to efekt wirowy separatora cyklonowego, co poprawia efekt filtracji cząstek pyłu (zwiększa siłę odśrodkową) w zakresie wartości powyżej PM10. Dodatkowym czynnikiem sprzyjającym poprawie filtracji czynnika gazowego z cząstek pyłu zawieszonego w komorze filtra 6 jest różnica potencjału naładowanych cząstek pyłu zawieszonego w stosunku do metalowej obudowy 1. Cząstki które nie zostaną oddzielone w części separatora wirowego (komora filtra 6) siłą odśrodkową, mogą zostać dodatkowo odseparowane działającą siłą elektrostatyczną - odkładają się na wewnętrznej ściance metalowej obudowy 1. Czynnik gazowy po przejściu przez komorę filtra 6 i wstępnym odfiltrowaniu z większych cząstek pyłu zawieszonego metodą wirową, trafia do pionowej, metalowej rury 7 zamontowanej w metalowej obudowie 1. W środku metalowej rury wylotowej 7 następuje ponowne ładowanie ładunkiem elektrostatycznym cząstek pyłu zawieszonego filtrowanego czynnika gazowego, poprzez wyładowanie koronowe zestawem promieniowych elektrod ulotowych 2. Dyski rozmieszczone są co kilka centymetrów na pręcie 10, który stanowi zamocowanie elektrod ulotowych 3, 4. Pręt 10 wraz z zestawem promieniowych elektrod ulotowych 2 zamocowany jest w rurze 7 tak, aby znajdował się w jej osi oraz nie dotykał wraz z elektrodami obudowy rury i/lub obudowy filtra, ze względu na dużą różnicę potencjału występującą między elektrodami ulotowymi, a obudową i rurą filtra. Naładowane cząstki pyłu poprzez działanie sił elektrostatycznych odkładają się na ściance rury 7 od strony wewnętrznej. Oczyszczony czynnik gazowy 11 jest odprowadzany do góry rurą 7 do przewodu kominowego i dalej do atmosfery.

Claims (1)

1. Filtr hybrydowy posiadający metalową obudowę wyposażoną w elektrody ulotowe, znamienny tym, że posiada metalową stożkową obudowę (1) wraz z bocznym wlotem filtrowanego czynnika gazowego, który wpada do komory (6) filtra, przy czym centralnie w komorze (6) obudowy (1) filtra zamocowana jest metalowa rura (7), w której zostały centralnie zainstalowane elektrody ulotowe (3, 4) i zestaw elektrod ulotowych (2) o kształcie płaskich, okrągłych dysków, których krawędzie zakończone są ostrymi końcami, które to dyski rozmieszczone są w równych odstępach na pręcie (10), który stanowi zamocowanie elektrod ulotowych (3, 4), przy czym pręt (10) wraz z zestawem promieniowych elektrod ulotowych (2), zamocowany jest w rurze (7) tak, aby znajdował się w jej osi oraz nie dotykał wraz z elektrodami obudowy rury i/lub obudowy (1) filtra, przy czym elektrody ulotowe (2, 3, 4) zasilane są generatorem WN (5).