FR2506086A2 - Purificn. of gas having suspended solid particles - Google Patents

Abstract

A method for separating particles suspended in a gas, which comprises producing ions trapped by microscopic ice crystals by supersonic expansion of a moist gas stream in a supersonic nozzle including a corona discharge; injecting the ions trapped by the ice crystals into an enclosure from the nozzle causing the ice crystals to change their state in said enclosure freeing the trapped ions to create a space charge; passing a gas containing suspended particles through the space charge thereby transferring a charge to the particles; and collecting the charged particles by electrostatic deposition

Description

La Demande de Brevet français nO 80 11945 du 29 Mai 1980 décrit un dépoussiéreur électrostatique propre à séparer des particules en suspension dans un courant gazeux, qui comprend une enceinte dans laquelle on fait circuler ce gaz, des moyens pour injecter des ions dans cette enceinte qui viennent se fixer sur les particules véhiculées par le courant gazeux, et des moyens de précipitation électrostatique des particules ainsi chargées en aval de ces moyens d'injection d'ions. French Patent Application No. 80 11945 of May 29, 1980 describes an electrostatic dust collector capable of separating particles in suspension in a gas stream, which comprises an enclosure in which this gas is circulated, means for injecting ions into this enclosure which are fixed on the particles conveyed by the gas stream, and means for electrostatic precipitation of the particles thus charged downstream of these ion injection means.

Les dispositifs d'injection d'ions utilisés comprennent notamment des moyens pour produire une décharge corona dans un gaz circulant dans une chambre en direction d'un orifice ménagé dans un injecteur entre cette chambre et l'enceinte. La chambre comprend en outre des moyens pour provoquer la formation,dans la zone de décharge, de microparticules d'aérosol qui piègent des ions et sont éjectées par ledit orifice vers l'enceinte où elles changent d'état, par fusion ou sublimation notamment, en libérant ces ions. The ion injection devices used include in particular means for producing a corona discharge in a gas circulating in a chamber in the direction of an orifice formed in an injector between this chamber and the enclosure. The chamber also comprises means for causing the formation, in the discharge zone, of aerosol microparticles which trap ions and are ejected through said orifice towards the enclosure where they change state, in particular by fusion or sublimation, by releasing these ions.

Grâce à une telle disposition, on obtient de façon très efficace un transfert d'ions dans le courant de gaz à dépoussiérer tout en limitant les interactions entre l'atmosphère de l'enceinte du séparateur et l'atmosphère propre de la chambre où l'on produit la décharge corona. Thanks to such an arrangement, an ion transfer is obtained very efficiently in the stream of gas to be dusted while limiting the interactions between the atmosphere of the enclosure of the separator and the clean atmosphere of the room where the the corona discharge is produced.

On a constaté cependant que la charge d'espace obtenue dans des séparateurs électrostatiques du type décrit précédemment n'était pas toujours aussi élevée qu'on aurait pu le souhaiter pour effectuer le dépoussiérage avec un rendement optimum, notamment lorsqu'on opère dans des gaz très chauds, par exemple des gaz de combustion de foyers à combustible pauvre destinés à l'alimentation directe de moteurs tels que des turbines à gaz et dans lesquels on crée une charge d'espace positive en vue d'effectuer la précipitation des poussières. However, it has been found that the space charge obtained in electrostatic separators of the type described above was not always as high as one might have wished to carry out dust removal with optimum efficiency, in particular when operating in gases. very hot, for example combustion gases from lean fuel fireplaces intended for the direct supply of engines such as gas turbines and in which a positive space charge is created in order to precipitate the dust.

L'invention vise à remédier à cette difficulté en prévoyant d'équiper les dispositifs d'injection d'ions du séparateur à l'aide de moyens qui tendent à limiter la capture des ions dans l'enceinte à proximité immédiate de l'injecteur de microparticules chargées. The invention aims to remedy this difficulty by providing the ion injection devices with the separator using means which tend to limit the capture of ions in the enclosure in the immediate vicinity of the injector. charged microparticles.

Elle part en effet de l'observation que, notamment lorsque la température dans l'enceinte est extrêmement élevée, les microparticules d'aérosol injectées tendent à se sublimer très rapidement après leur arrivée dans l'enceinte et, par conséquent, à proximité immédiate de l'injecteur. Une partie des ions libérés retournent alors vers cet injecteur par lequel ils sont captés, ce qui diminue d'autant la charge d'espace disponible pour charger les particules transportées par le gaz à dépoussiérer. It starts from the observation that, in particular when the temperature in the enclosure is extremely high, the aerosol microparticles injected tend to sublimate very quickly after their arrival in the enclosure and, consequently, in the immediate vicinity of the injector. Part of the released ions then return to this injector by which they are captured, which reduces the space charge available to charge the particles transported by the gas to be dedusted.

Conformément à un mode de réalisation, on crée une distribution de champ électrique au voisinage de l'injecteur qui tend à écarter de celui-ci les ions injectés dans l'enceinte,en évitant leur capture. On peut à cet effet isoler électriquement l'injecteur des parois de l'enceinte du séparateur, lesquelles sont en général à la masse, et établir une différence de potentiel élevée entre cet injecteur et ces parois. According to one embodiment, an electric field distribution is created in the vicinity of the injector which tends to separate from it the ions injected into the enclosure, avoiding their capture. To this end, the injector can be electrically isolated from the walls of the separator enclosure, which are generally grounded, and a high potential difference can be established between this injector and these walls.

Dans le cas notamment Ofi les cornes iniétoes sont nositi=Tes, on norte l'injecteur à un potentiel positif par rapport aux parois de l'enceinte.In the case of Ofi in particular the iniétoes horns are nositi = Tes, the injector is given a positive potential with respect to the walls of the enclosure.

Conformément à un autre mode de réalisation, on prévoit de retarder le changement d'état des microparticules dans l'enceinte. A cet effet, on peut notamment souffler un courant de gaz froid autour du flux de microparticules introduites par l'injecteur dans l'enceinte. Ce courant permet de retarder les transferts thermiques et par conséquent la fusion, l'évaporation ou la sublimation des microparticules jusqu'à ce qu'elles soient parvenues à une distance suffisante de l'injecteur pour éviter la capture des charges qu'elles libèrent. According to another embodiment, provision is made to delay the change of state of the microparticles in the enclosure. To this end, it is possible in particular to blow a stream of cold gas around the flow of microparticles introduced by the injector into the enclosure. This current delays thermal transfers and therefore the melting, evaporation or sublimation of the microparticles until they have reached a sufficient distance from the injector to avoid capturing the charges they release.

Quel que soit le mode de réalisation adopté, on peut avantageusement refroidir l'injecteur à l'aide de canalisations véhiculant un fluide réfrigérant approprié. Whichever embodiment is adopted, the injector can advantageously be cooled using pipes conveying an appropriate coolant.

Bien entendu, les deux modes de réalisation précédents peuvent être employés conjointement. Of course, the two preceding embodiments can be used jointly.

La description suivante fait référence aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention à l'entrée d'une enceinte de séparateur électrostatique
- les figures 2 à 4 représentent de façon très schématique des variantes de réalisation
- la figure 5 illustre une forme de mise en oeuvre d'un injecteur.The following description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 shows an embodiment of the invention at the entrance to an electrostatic separator enclosure
- Figures 2 to 4 show very schematically alternative embodiments
- Figure 5 illustrates a form of implementation of an injector.

Un dispositif d'injecteur 10 (figure 1), fonctionnant sur un principe identique à celui décrit dans la Demande de
Brevet français citée ci-dessus, comprend un tube injecteur 12 limitant une chambre 14 à l'intérieur de laquelle peut circuler un courant d'air humide sous pression dans le sens de la flèche 16 en direction d'un orifice à l'extrémité 18 du tube 12, dont le profil interne définit une tuyère. Coaxialement au tube 12 est montée une électrode-aiguille conductrice 20 dont l'extrémité 22 aboutit au voisinage du col 24 de cette tuyère. L'aiguille 20 et le tube 12 sont connectés électriquement à une source de haute tension 28 dont le niveau est choisi pour permettre l'établissement d'une décharge corona dans le gaz circulant entre l'extrémité 22 de l'aiguille 20 et la tuyère 18.An injector device 10 (FIG. 1), operating on a principle identical to that described in the Application for
French patent cited above, includes an injector tube 12 limiting a chamber 14 inside which a stream of pressurized moist air can circulate in the direction of the arrow 16 in the direction of an orifice at the end 18 of the tube 12, the internal profile of which defines a nozzle. Coaxial with the tube 12 is mounted a conductive needle electrode 20 whose end 22 ends in the vicinity of the neck 24 of this nozzle. The needle 20 and the tube 12 are electrically connected to a high voltage source 28, the level of which is chosen to allow the establishment of a corona discharge in the gas flowing between the end 22 of the needle 20 and the nozzle 18.

En outre7 le tube 12 est maintenu à un potentiel électrique positif élevé, par exemple de 20 kilovolts, par rapport à la masse, par une source de tension 30. Le tube injecteur 12 est monté coaxialement à l'intérieur d'un tube métallique 32 dont les parois convergent vers une ouverture 36 à son extrémité 34 légèrement en aval de l'extrémité 18 du tube 12 dans le sens de l'écoulement du gaz à l'intérieur de la chambre 14. Le tube 32 est monté dans une ouverture pratiquée dans la paroi 40 d'une enceinte métallique 42 d'un dépoussiéreur électrostatique de gaz chauds tel que par exemple représenté à la figure 5 de la
Demande de brevet ci-dessus. La paroi 40 est à la masse. Le tube 32 est polarisé à un potentiel qui peut être identique à, ou différent de, celui du tube 12 grâce à une source de tension 31.In addition7 the tube 12 is maintained at a high positive electrical potential, for example 20 kilovolts, relative to the mass, by a voltage source 30. The injector tube 12 is mounted coaxially inside a metal tube 32 the walls of which converge towards an opening 36 at its end 34 slightly downstream from the end 18 of the tube 12 in the direction of gas flow inside the chamber 14. The tube 32 is mounted in an opening made in the wall 40 of a metal enclosure 42 of an electrostatic dust collector for hot gases such as for example shown in FIG. 5 of the
Patent application above. The wall 40 is grounded. The tube 32 is polarized at a potential which can be identical to, or different from, that of the tube 12 thanks to a voltage source 31.

I1 traverse la paroi 40 par une traversée isolante 33. I1 crosses the wall 40 by an insulating passage 33.

A l'intérieur de l'enceinte 42, le tube 32 est entouré d'un serpentin 44 dans lequel on peut faire circuler un courant d'un fluide de refroidissement non conducteur. Les conduites d'amenée de fluide au serpentin sont réalisées en un matériau diélectrique de façon à supporter la haute tension de la source 31. Des moyens non représentés sont prévus pour faire circuler un courant d'air en direction de l'enceinte 42 dans le sens de la flèche 46 dans l'espace annulaire entre les tubes 12 et 32. Inside the enclosure 42, the tube 32 is surrounded by a coil 44 in which a current of a non-conductive cooling fluid can be circulated. The fluid supply lines to the coil are made of a dielectric material so as to withstand the high voltage of the source 31. Means not shown are provided for circulating a current of air in the direction of the enclosure 42 in the direction of arrow 46 in the annular space between the tubes 12 and 32.

En fonctionnement, le-courant d'air humide circulant dans le tube 12 est détendu dans la tuyère à l'extrémité 18 du tube 12, ce qui provoque la formation de microparticules de glace qui viennent piéger des ions formés par la décharge corona entre l'electrode-aiguille 22 et le col 24 de cette tuyère. Ces microparticules sont injectées sous forme d'un flux 50 dans l'enceinte 42 du séparateur. Ce flux 50 est entouré d'une veine d'air froid sensiblement tubulaire au sortir de l'ouverture 36 du tube 32 qui retarde le réchauffement des microparticules et leur sublimation consécutive jusqu'à ce qu'elles se soient éloignées du tube d'injecteur 12. En outre, celui-ci est porté à un potentiel élevé par rapport aux parois 40, ce qui crée une distribution de potentiel à l'intérieur de l'enceinte 42, qui tend à éloigner du tube d'injecteur 12 les ions libérés par évaporation des microparticules. In operation, the stream of moist air circulating in the tube 12 is expanded in the nozzle at the end 18 of the tube 12, which causes the formation of ice microparticles which trap ions formed by the corona discharge between the 'needle electrode 22 and the neck 24 of this nozzle. These microparticles are injected in the form of a flow 50 into the enclosure 42 of the separator. This flow 50 is surrounded by a substantially tubular stream of cold air at the outlet of the opening 36 of the tube 32 which delays the heating of the microparticles and their subsequent sublimation until they have moved away from the injector tube 12. In addition, this is brought to a high potential with respect to the walls 40, which creates a distribution of potential inside the enclosure 42, which tends to distance the released ions from the injector tube 12. by evaporation of the microparticles.

Le fait que le soufflage d'air froid ou de tout autre gaz à la sortie 36 du tube 32 refroidisse les gaz à dépoussiérer n'est pas un inconvénient dans les applications à l'alimentation en gaz chauds de moteurs tels que des turbines à gaz à partir de foyers à combustibles pauvres. En effet, les températures des gaz qui peuvent être obtenus à la sortie d'un foyer tel qu'un foyer à lit fluidisé sont très supérieures à la temperature maximale d'environ 9000C que peut supporter une turbine à gaz à son entrée dans l'état actuel de la technologie. I1 suffit donc de prévoir la température des gaz en sortie du foyer en fonction du débit de gaz de refroidissement des injecteurs de façon à obtenir, après mélange, la température désirée à l'entrée de la turbine. The fact that the blowing of cold air or any other gas at the outlet 36 of the tube 32 cools the gases to be dedusted is not a drawback in applications for supplying hot gases to engines such as gas turbines from poor fuel stoves. In fact, the temperatures of the gases which can be obtained at the outlet of a hearth such as a fluidized bed hearth are much higher than the maximum temperature of around 9000C which a gas turbine can withstand when it enters the current state of technology. It is therefore sufficient to provide the temperature of the gases leaving the hearth as a function of the flow rate of the injectors cooling gas so as to obtain, after mixing, the desired temperature at the inlet of the turbine.

Le mode de réalisation de la figure 1 peut faire l'objet de bien des variantes. Ainsi, la figure 2 montre une construction dans laquelle le tube injecteur 12 est monté directement dans la paroi 40 de l'enceinte 42 à l'aide d'une traversée isolante 100. Comme dans le cas de la figure 1, le corps du tube 12 est porté à une haute tension positive par rapport aux parois 40 qui sont à la masse. Aucun soufflage d'air froid autour des microparticules n'est prévu. The embodiment of Figure 1 can be the subject of many variants. Thus, FIG. 2 shows a construction in which the injector tube 12 is mounted directly in the wall 40 of the enclosure 42 using an insulating bushing 100. As in the case of FIG. 1, the body of the tube 12 is brought to a positive high voltage with respect to the walls 40 which are grounded. No cold air is blown around the microparticles.

Sur la figure 3, la surface extérieure du tube d'injecteur 12, monté comme dans le cas de la figure 2, est entourée à l'intérieur de l'enceinte 42, d'un serpentin 102 dans lequel circule un fluide de refroidissement. In FIG. 3, the exterior surface of the injector tube 12, mounted as in the case of FIG. 2, is surrounded inside the enclosure 42, of a coil 102 in which a cooling fluid circulates.

Le fluide de refroidissement peut être de l'huile. Les amenées d'huile au serpentin 102 sont réalisées à l'aide de tuyauteries diélectriques de longueur suffisamment grande pour tenir la haute tension appliquée à l'injecteur 12. On peut également remplacer l'huile par de l'eau désionisée selon des techniques connues. The coolant can be oil. The oil supplies to the coil 102 are produced using dielectric pipes of sufficiently large length to hold the high voltage applied to the injector 12. The oil can also be replaced by deionized water according to known techniques .

Dans le dispositif de la figure 4, le tube injecteur 12 est polarise par une source de tension 109. I1 est entouré par le tube 32 pour souffler de l'air frais dans l'enceinte 42 autour du flux de microparticules injectées. Le tube 32 traverse la paroi 40 par une traversée isolante 106. I1 est maintenu à un potentiel positif élevé par une source de haute tension continue 108. In the device of FIG. 4, the injector tube 12 is polarized by a voltage source 109. I1 is surrounded by the tube 32 to blow fresh air into the enclosure 42 around the flow of injected microparticles. The tube 32 passes through the wall 40 by an insulating passage 106. I1 is maintained at a high positive potential by a continuous high voltage source 108.

Dans un exemple de réalisation, figure 5, on a monté un dispositif d'injecteur 112, tel que décrit en référence à la figure 1 précédente, a l'extrémité d'une canne coudée 110 dans une enceinte 142 parcourue dans le sens de la flèche 141, par un courant de gaz chauds a dépoussiérer à la vitesse de 3 m/sec. In an exemplary embodiment, FIG. 5, an injector device 112 has been mounted, as described with reference to FIG. 1 above, at the end of a bent rod 110 in an enclosure 142 traversed in the direction of the arrow 141, by a stream of hot gases to be dusted at the speed of 3 m / sec.

La canne 110 traverse la paroi 140 de l'enceinte pour alimenter l'injecteur 112 en air humide, air de soufflage pour le tube 32 et eau de refroidissement. L'injecteur 112 est orienté de façon que le courant d'air froid soufflé autour du flux de microparticules projetées soit de meme direction et même sens que celui de gaz à dépoussiérer et que la vitesse de ce courant d'air soit au moins égale à celle du gaz, soit dans cet exemple 3 m/sec.The rod 110 passes through the wall 140 of the enclosure to supply the injector 112 with moist air, blowing air for the tube 32 and cooling water. The injector 112 is oriented so that the stream of cold air blown around the stream of projected microparticles is in the same direction and the same direction as that of the gas to be dusted and that the speed of this stream of air is at least equal to that of gas, in this example 3 m / sec.

Le diamètre de sortie du tube 32 est d'environ 4 cm. Le débit de gaz froid est d'environ 28 du débit de gaz chaud à dépoussiérer, la température de ce dernier étant légèrement supérieure à 9000C. La zone d'action de l'injecteur est alors située dans un rayon d'environ 15 cm de l'extrémité de l'injecteur 112.  The outlet diameter of the tube 32 is approximately 4 cm. The flow of cold gas is about 28 of the flow of hot gas to be dedusted, the temperature of the latter being slightly above 9000C. The area of action of the injector is then located within a radius of about 15 cm from the end of the injector 112.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1.- Dispositif selon la revendication 12 du Brevet principal pour l'injection d'ions dans une enceinte d'un séparateur électrostatique de particules en suspension dans un courant de gaz chauds, du type comprenant des moyens pour produire une décharge corona dans un gaz circulant dans une chambre vers un orifice (24) ménagé dans un injecteur (12) entre cette chambre et l'enceinte (42) et des moyens (22,18) pour provoquer la formation, dans la zone de décharge, de microparticules d'aérosols qui y piègent des ions et sont injectées par ledit orifice (24) dans cette enceinte (42) où elles changent d'état en libérant ces ions, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (30,32) propres à limiter la capture des ions introduits dans cette enceinte (42) à proximité immédiate dudit injecteur. 1.- Device according to claim 12 of the main patent for the injection of ions into an enclosure of an electrostatic separator of particles suspended in a stream of hot gases, of the type comprising means for producing a corona discharge in a gas circulating in a chamber towards an orifice (24) formed in an injector (12) between this chamber and the enclosure (42) and means (22,18) for causing the formation, in the discharge zone, of microparticles of aerosols which trap ions therein and are injected through said orifice (24) into this enclosure (42) where they change state by releasing these ions, characterized in that it further comprises means (30,32) suitable for limit the capture of ions introduced into this enclosure (42) in the immediate vicinity of said injector. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour limiter la capture des ions comprennent des moyens (30) propres à créer une distribution de champ électrique au voisinage de l'injecteur qui tend à écarter de celui-ci les ions injectés dans l'enceinte (42). 2.- Device according to claim 1, characterized in that said means for limiting the capture of ions comprises means (30) capable of creating an electric field distribution in the vicinity of the injector which tends to separate from it the ions injected into the enclosure (42). 3.- Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les ions produits sont des ions positifs, caractérisé par des moyens (30) pour maintenir ledit injecteur (12) à un potentiel positif par rapport aux parois de l'enceinte (42). 3.- Device according to claim 2, wherein the ions produced are positive ions, characterized by means (30) for maintaining said injector (12) at a positive potential with respect to the walls of the enclosure (42). 4.- Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (102) propres à supporter une haute tension pour amener à l'injecteur un fluide de refroidissement non conducteur. 4.- Device according to claim 2 or 3, characterized in that it further comprises means (102) adapted to withstand a high voltage to bring to the injector a non-conductive coolant. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour limiter la capture des ions comprennent des moyens (32) propres à retarder le changement d'état desdites microparticules dans l'enceinte (42) à proximité de l'injecteur (12). 5.- Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that said means for limiting the capture of ions comprises means (32) adapted to delay the change of state of said microparticles in the enclosure (42) to near the injector (12). 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens retardateurs de changement d'état comprennent des moyens (32) pour insuffler un courant (46) de gaz froid autour du flux de microparticules injectées dans l'enceinte. 6.- Device according to claim 5, characterized in that the delay state change means comprise means (32) for injecting a current (46) of cold gas around the flow of microparticles injected into the enclosure. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'insufflation de gaz froid comprennent un tube (32) monté autour de l'injecteur (12) et pénétrant dans ladite enceinte (42).  7.- Device according to claim 6, characterized in that said means for blowing cold gas comprises a tube (32) mounted around the injector (12) and penetrating into said enclosure (42). 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérise en ce qu'il comprend des moyens (44) pour refroidir ce tube (32). 8.- Device according to claim 7, characterized in that it comprises means (44) for cooling this tube (32). 9.- Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le tube est isolé par rapport à la paroi (40) de l'enceinte, des moyens (31) étant prévus pour appliquer une différence de potentiel entre ce tube et cette paroi.  9.- Device according to claim 7 or 8, characterized in that the tube is isolated from the wall (40) of the enclosure, means (31) being provided for applying a potential difference between this tube and this wall.