устройство для очистки воздуха от токсичных примесей

Формула изобретения

1. 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, источник высокого напряжения, отличающееся тем, что 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сетка содержит узкие кольцевые полосы из фольги на местах, соответствующих необходимым потенциалам ионизации.

Описание изобретения к патенту

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.

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).

Недостатком известного устройства является ограниченность его применения, сложность конструкции.

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).

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.

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 ).

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%.

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.

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.

Схема устройства приведена на чертеже.

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.

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.

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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.

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).

Ионизационные потенциалы разделения ионов по компонентам очищаемого газа автоматически получаются в каждой зоне кольцевых полос на сетке, помещенной в камеру.

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.

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.

Конструкция имеет повышенную надежность, что важно в устройствах получения озона для медицинских целей, а также для очистки выхлопных газов автомобилей.

При очистке по данной методике всех компонентов на каждый м³ очищаемого газа затрачивается всего 50 Вт электроэнергии.