17.3. Підбір і розрахунок електрофільтрів

При виборі типу електрофільтру виходять з витрати, физико-хімічних параметрів газу і дисперсної домішки, а також умов розміщення фільтру. Основні рекомендації можуть бути зведені до наступного. Мокрі апарати мають вищі коефіцієнти очищення із-за зменшення вторинного віднесення, проте їм присуши і загальні недоліки мокрих способів: необхідність обробки або видалення забруднених стоків і шламу, корозія металевих вузлів апаратів, ускладнення експлуатації очисного пристрою і так далі Тому для осадження твердих домішок сухі апарати переважно мокрих З конструкцій сухих електрофільтрів вертикальну компоновку застосовують при недоліку виробничої площі, низькій початковій запиленій і не дуже мелкодисперсной пилі, оскільки час перебування в них набагато менший, ніж в горизонтальних.

Осадження частинок в електрофільтрах відбувається під дією кулонівських або електричних сил на частинки. Ці сили примушують частинки рухатися до осадительным електродів з швидкістю, визначуваної рівністю електричної сили і сили гідродинамічного опору. Швидкість осадження зростає разом з швидкістю міграції частинок, тому остання повинна мати максимальне значення.

Моделі уловлювання залежать від характеру перебігу газу в осаджувачі. У простому випадку частинки переносяться ламинарным потоком. В цьому випадку швидкість руху частинок до осадительному електроду можна розрахувати, використовуючи закони класичної механіки і електростатики: Fe = qE - закон Кулона електростатичної взаємодії;

Fc = ⁶⁷¹ №^гч™ _ _закон опору Стокса-кенінгема.

\ + А—

Записуючи Fe = Fcn вирішуючи рівняння, отримуємо для швидкості міграції

_w = -*JL-(l ₊ A±), (7.6)

6ж/лгч у rj

де q - заряд частинки; Е - облягаюче поле; \ х - в’язкість газу; гч - радіус частинки; X - середня довжина пробігу молекул навколишнього газу; А - безрозмірний параметр, величина якого для атмосферного повітря складає « 0,86.

Повне уловлювання відбувається тоді, коли найповільніша частинка має достатньо часу для того, щоб пройти шлях від коронирующего електроду до осадительного. Умови ідеальної ламинарного течії ніколи не реалізуються на практиці, хоча до них можна наблизитися в деяких типах двоступінчатих осаджувачів. У одноступінчатих фільтрах, зазвичай використовуваних в промисловості, перебіг газу носить складний турбулентний характер.

У малих частинок, що представляють найбільший інтерес для електрофільтрації, швидкість міграції багато менше швидкості газу в осаджувачі. Рух частинок в цих умовах визначається в першу чергу полем турбулентної течії і лише в другу чергу - електричними силами. Частинки осідають тоді, коли вони наближаються до осадительному електроду і заносяться в ламинарный прикордонний шар, де електричні сили вимушують їх рухатися до осадительной поверхні.

Ступінь очищення газів та інші експлуатаційне характеристики електрофільтру можуть бути достовірно визначені тільки за наявності точної інформації про досвід експлуатації подібних конструкцій в аналогічних умовах. За відсутності необхідних відомостей (отстутствие аналога, складність або дорожнеча пошуку і отримання інформації) можна визначити ступінь очищення розрахунком. Проте розрахункових методик, що дають надійні результати, немає. Тому інформація, отримана розрахунковим шляхом, може використовуватися як попередня і оцінна.

Осадження частинок в умовах турбулентного потоку можна розглянути на основі імовірнісного підходу, який веде до експоненціальної формули для вірогідності захоплення частинки, що рухається в полі електрофільтру. Формула для ефективності уловлювання е має вигляд:

s = l-exPL 2^1 (7.7)

I v )

де Аж - поверхня осадження фільтру, м2; wfl - швидкість міграції (дрейфу) частинок, м/с; v - швидкість перебігу газу, м/с.

Це рівняння теоретично застосовно тільки до монодисперсних частинок, швидкості міграції яких не перевищують 10...20 % швидкості перебігу газу.

Під швидкістю дрейфу розуміють результуючу швидкість руху зважених частинок в активній зоні електрофільтру. Ступінь очищення може бути підрахована достатньо достовірно, якщо відома швидкість дрейфу, знайдена досвідченим шляхом, наприклад, з досвіду експлуатації подібних електрофільтрів при ідентичних параметрах викидів, в аналогічних умовах і так далі

Теоретичний ступінь очищення газів е в електрофільтрі можна розрахувати по наступних формулах (у %):

- для пластинчастого електрофільтру

(-14/ 7 VI

* = 1001-етр—^ (7.8)

- для трубчастого електрофільтру

гг = 100 1-ехрр^1 (7.9)

I ^vR J.

де wfl — швидкість руху частинок до осадительным електродів (швидкість дрейфу частинок), м/с; v — швидкість газів в активному перетині електрофільтру, тобто у вільному перетині для проходу газів, м/с / — активна довжина електрофільтру, тобто протяжність електричного поля у напрямі ходу газів (у вертикальних електрофільтрах співпадає з висотою електродів), м; R — радіус трубчастого осадительного електроду, м; 8 — відстань між коронирующим електродів і пластинчастим осадительным електродом (міжелектродний проміжок), м.

В межах застосовності формули Стоксу швидкість w4 розраховується по наступних формулах (у м/с):

• для частинок діаметром d4 > 1 мкм

• для частинок діаметром d4 < 1 мкм

0,1710-пД-С ,71П

wd= ^к- (7.11)

де Е — напруженість електричного поля в електрофільтрі, В/м; d4 — діаметр частинки, м; jj, — динамічний коефіцієнт в’язкості газу, Пас;

1АХ

Ськ — поправка Кенінгема—міллікена; Ськ = 1 + (А — чисельний коефіцієнт, рівний 0,815...1,63; X — довжина середнього вільного пробігу молекул газу, м; X =10" м).

Для спрощених розрахунків використовується модифікована формула

_Ј = 1-еМ-КуА/3042), (7.12)

де Ку - параметр вторинного віднесення; А - безрозмірний параметр, величина якого залежить від співвідношення площ активної і неактивної зон електрофільтру; Р - безрозмірний параметр, залежний від співвідношення електричних і аеродинамічних сил.

У разі полідисперсних частинок можна удатися до інтеграції з використанням відомої або гіпотетичної функції розподілу частинок по розмірах для розрахунку ефективності електрофільтру. Хай у(х) буде функцією розподілу по розмірах, тобто у(х)’6х - частка частинок, що мають розмір від у(х) до у(х + cbc). Тоді ефективність визначається рівнянням

e = l-]_r(x) exp\A<*Wd(x)].dx, (7.13)

о L v J

яке можна вирішити аналітично для ряду випадків, що представляють практичний інтерес. Найбільш важливий випадок - логарифмічно нормальний розподіл в умовах, коли переважає польова зарядка.

Ефективність осадження заряджених частинок в електрофільтрах залежить від ряду чинників: електричної провідності і розміру зважених частинок, швидкості газів, їх температури і вологості, стани поверхні осадительных електродів і так далі

Найважливішим чинником, що впливає на розміри електрофільтрів, є час, необхідне для того, щоб уловлювана частинка досягла осадительного електроду тос. Цю величину визначають по співвідношенню:

roc = S/wd (7.14)

де 8 - відстань між коронирующим і осадительным електродами, м; wd - швидкість дрейфу (середня умовна швидкість руху частинок у напрямку до осадительным електродів), м/с.

Час осадження тос повинен бути завжди менше загального часу перебування частинок в повітряному потоці, що проходить через електрофільтр (гп), тобто умова нормальної роботи електрофільтру має вигляд:

***** (7-15)

Величина тп може бути виражена таким чином:

rn=l/v (7.16)

де / - шлях руху запиленого газу в апараті, м; v - середня витратна швидкість руху газу у фільтрі, м/с.

У електрофільтрах уловлюють частинки розміром декілька мікрон, тому без великої погрішності можна допустити, що швидкість руху частинок з потоком газу рівна середній витратній швидкості газу в апараті. Тоді, прирівнявши праві частини рівнянь (7.14) і (7.16), отримаємо вираз для визначення граничної величини середньої витратної швидкості крізь фільтр:

v = wdl/S. (7.17)

Для частинок розміром d4 = 2...50 мкм теоретичним шляхом було отримано наступне рівняння для розрахунку швидкості дрейфу:

wd =0,059-КГ¹⁰ ЯХА" (7-18)

де Е - напруженість електричного поля осадження, В/м; ц - динамічна в’язкість газу при робочій температурі, Пас

Проте на практиці швидкість дрейфу зазвичай виявляється в півтора-два рази нижче теоретичною. Тоді необхідна площа (вм2) активного перетину електрофільтру може бути знайдена по залежності:

S = (1,5...2)[Г/(3600 wd)]Ј/Z. (7.19)

По розрахованій величині площі активного перетину підбирають електрофільтр тієї або іншої серії, що серійно випускається.

Ступінь очищення (у %) може бути розрахована по рівнянню:

е = [l-exp(-w,/)]100 (7.20)

2 3

де / - питома поверхня осадження електрофільтру, м /(м -с).

У загальному випадку для будь-якого електрофільтру

f = F/V (7.21)

де F - загальна площа осадительных електродів, м2; V - витрата очищае-мых газів, м /с.

При установці електрофільтрів доводиться визначати їх число і підбирати тип агрегатів електричного живлення. Оптимальний режим в електрофільтрі досягається при живленні кожного електричного поля від окремого електроагрегату. Таким чином, число агрегатів відповідає числу полів в електрофільтрі. Тіпоразмер електроагрегату визначається середньою силою струму, споживаною одним полем електрофільтру, яку підраховують як твір питомого струму корони на площу поверхні осадження одного поля:

*_9=iFi (7-22)

де i - питома сила струму на 1 м2 поверхні осадження (для пластинча-тых електродів її приймають рівною 0,30...0,40 мА/м ); F1 - поверхня осадження одного поля, м2.

Споживана потужність електрофільтру (у кВт):

N = и1срКф совр/0,41-17 • 103) + Ј JV (7.23)

де U - максимальна випрямлена напруга, кВ; Кф - коефіцієнт форми кривої струму (приймають Кф= 1,2... 1,5); cos#> - коефіцієнт потужності електроагрегату (0,80...0,90); 1,41 - коефіцієнт переходу від амплітудного значення напруги до ефективного; tj - ККД електроагрегату; ^JV. - потужності, споживані механізмами струшування і нагрівальними елементами ізоляторних коробок, кВт.

Обчислення орієнтовного ступеня очищення викидів в сухих електрофільтрах від пилу, що має середні значення УЕС, по формулі (7.12), можна виконувати в наступному порядку.

1. Величину Ку при струшуванні осадительных електродів знаходять з виразу:

Ку = 1-0,275 v0’35h°’54 ехр(-1,72-да_э) (7.24)

де va,h,m3 - відносні швидкість газу, висота і пылеемкость осадительных

електродів, обчислювані як відносини дійсних значень вказаних характеристик до базових, таких, що приймаються відповідно 1  м/с, 8 м і 1 кг/м2.

Швидкості руху газів, що рекомендуються, для вітчизняних марок електро фільтрів знаходяться в межах 1...1,3 м/с і вказані в каталогах, також, як і розміри осадительных електродів. Якщо відомий інтервал часу між струшуваннями, то можна по витраті газів і початкової запиленої оцінити пылеемкость електродів. Дійсні значення інтервалів між регенераціями і пылеемкостью електродів можна встановити лише досвідченим шляхом при експлуатації електрофільтру. Неточність їх оцінки є одній з основ ных причин зниження надійності розрахунків. Для оцінки величини пылеемкости електродів у окремих видів електрофільтрів можна скористатися даними табл. 7.3.

Таблиця 7.3.

Пилєємкость електродів електрофільтрів

При розрахунку ступеня очищення димових газів енергетичних парогенераторів від золи з УЕС в межах р = (106... 1010) Омм величини пылеемкости осадитель-ных електродів можна приймати по графіку мал. 7.8.

Мал. 7.8. Пилєємкость осадительных електродів

2. Величину конструктивного параметра можна приймати за даними таблиць 7.4 або 7.5, складених для значень відносних площ fomH (відносини площі активної зони до площі поперечного перетину корпусу) відповідно. Для електрофільтрів мазкий ЕГА, ЕГТ і подібних до них горизонтальних конструкцій fomH можна прийняти рівною 0,9. Значення /ОЙОТ=1 підходить для трубчастих вертикальних електрофільтрів з незначними зазорами між зовнішньою поверхнею осадительных електродів і корпусом, а також для горизонтальних електрофільтрів з клапанами для перекриття бічних, верхніх і нижніх проміжків між активною зоною і корпусом.

Таблиця 7.4.

Значення параметра^ для конструкцій електрофільтрів с f_omH = 0,9.

Таблица 7.5.

Значення параметра^ для конструкції електрофільтрів з f_omH = 1.

Значення параметра підбирають по дисперсії пилу заданого складу і коефіцієнту до, визначуваному виразом:

1 10

— + —

Ј = 0,5510-4Г^—- (7.25)

де Т, р - температура, До, і тиск, Па (абс), газового потоку; dm - медіанний діаметр частинок забруднювача, м; Е - напруженість електричного поля у осадительного електроду, В/м.

Напруженість Е поля у осадительного електроду залежить від напруги на електродах, їх розмірів, форми, стану (запиленій, вологості, наявність дефектів і так далі), від параметрів викидів і безлічі інших чинників. Для трубчастого електрофільтру з коронирующим дротяним електродом, встановленим строго по осі циліндрового осадительного, величину Е орієнтування можна обчислити за формулою:

Е= ^U ,В/м (726)

де U - різниця потенціалів на електродах, В; D\, D2 - відповідно внутрішній діаметр осадительного і діаметр коронирующего електродів, м; 8 - відстань від поверхні коронирующего електроду до внутрішньої поверхні осадительного електроду, рівне -у - -у, м.

Якщо дійсна величина U невідома, визначають Е по максимально можливій напрузі, при якій ще не утворюється дуга, а для высокоом-ных пилу - зворотна корона. Перше значення можна приймати в межах (40...50) кВ, друге - (30...40) кВ. Для визначення орієнтовної величини Е в електрофільтрах з дротяними коронирующими і плоскими осадительными електродами також можна використовувати формулу (7.26), прийнявши за 8 відстань між осадительным і коронирующим (або половину кроку між осадательными) електродами і підставивши замість D\ величину кроку між осадительными електродами.

У більшості сучасних електрофільтрів застосовуються голкові, зубчаті і інші складні форми коронирующих елементів. Зібрані з них електроди створюють в активній зоні неоднорідне електричне поле з аперіодичним градієнтом напруги. Напруженість такого поля міняється від нуля до максимуму по всіх напрямах, і результати її обчислення можуть розглядатися лише як оцінні.

3. Величину параметра Р знаходять із співвідношення:

12

де Јо = 8,8510" Ф/м - електрична постійна; / - активна довжина електрофільтру, 8 - відстань між коронирующим і осадительным електродами, м; кр - коефіцієнт рівномірності газового потоку, кр = 0,93.

Коефіцієнт динамічної в’язкості газу ц, Пас, знаходять з довідкових даних, враховуючи склад і параметри стану газової фази викидів.

Значення кр можна приймати 0,85 для горизонтальних конструкцій з великим числом газових проходів і 1,0 для вертикальних одноходових конструкцій.

Погрішність по проскакуванню 8у, тобто по віднесенню пилу з електрофільтру, який може бути представлена у вигляді:

еу=<щ>{-КуАР^), (7.28)

не перевищує 20%.