logo
Pidrychnuk

17.1. Принцип дії електрофільтрів

У електрофільтрі очищення газів від твердих і рідких частинок відбувається під дією електричних сил. Частинкам повідомляється електричний заряд, і вони під дією електричного поля осідають з газового потоку.

Загальний вид електрофільтру приведений на мал. 7.1.

Рис. 17.1. Електрофільтр: 1 - осаджувальний електрод; 2 - коронуючий електрод; 3 - рама; 4 - високовольтний ізолятор; 5 - струшуючий пристрій; 6 - верхня камера; 7 - збірник пилу

Процес знепилювання в електрофільтрі складається з наступних стадій: пилові частинки, проходячи з потоком газу електричне поле, отримують заряд; заряджені частинки переміщаються до електродів з протилежним знаком; осідають на цих електродах; віддаляється пил, що осів на електродах.

Зарядка частинок - перший основний крок процесу електростатичного осадження. Більшість частинок, з якими доводиться мати справу при промисловій газоочистці, самі по собі несуть деякий заряд, придбаний в процесі їх освіти, проте ці заряди дуже малі, щоб забезпечити ефективне осадження. На практиці зарядка частинок досягається пропусканням частинок через корону постійного струму між електродами електрофільтру. Можна використовувати і позитивну і негативну корону, але для промислової газоочистки переважно негативна корона із-за більшої стабільності і можливості застосування великих робочих значень напруги і струму, але при очищенні повітря використовують тільки позитивну корону, оскільки вона дає менше озону.

Основними елементами електрофільтру є коронирующий і осадительный електроди. Перший електрод в простому вигляді є дротом, натягнутим в трубці або між пластинами, другий - є поверхня трубки або пластини, що оточує коронирующий електрод (мал. 7.2).

На коронирующие електроди подається постійний струм високої напруги 30...60 кВ. Коронірующий електрод зазвичай має негативну полярність, осадительный електрод заземлений. Це пояснюється тим, що корона при такій полярності стійкіша, рухливість негативних іонів вища, ніж позитивних. Остання обставина пов’язана з прискоренням зарядки пилових частинок.

Після розподільних пристроїв оброблювані гази потрапляють в проходи, освічені коронирующими і осадительными електродами, звані міжелектродними проміжками. Що сходять з поверхні коронируюших електродів електрони розгоняться в електричному полі високої напруженості і набувають енергії, достатньої для іонізації молекул газу. Молекули газів, що стикаються з електронами, іонізуються і починають прискорено рухатися у напрямі електродів протилежного заряду, при зіткненні з якими вибивають нові порції електронів. В результаті між електродами з’являється електричний струм, а при деякій величині напруги утворюється коронний розряд, що інтенсифікує процес іонізації газів. Зважені частинки, переміщаючись в зоні іонізації і сорбуючи на своїй поверхні іони, набувають зрештою позитивного або негативного заряду і починають під впливом електричних сил рухатися до електроду протилежного знаку. Частинки сильно заряджають на перших 100...200 мм шляху і зміщуються до заземлених осадительным електродів під впливом інтенсивного поля корони. Процес в цілому протікає дуже швидко, на повне осадження частинок потрібний всього декілька секунд. У міру накопичення частинок на електродах їх струшують або змивають.

Рис. 17.2. Конструктивна схема електродів: а - електрофільтр с трубчатими електродами; б - електрофільтр с пластинчастими електродами; 1 - коронуючі електроди; 2 - осаджувальні електроди.

Коронний розряд характерний для неоднорідних електричних полів. Для їх створення в електрофільтрах застосовують системи електродів типу крапка (вістря) - площина, лінія (гостра кромка, тонкий дріт) -плоскость або циліндр.

У полі корони електрофільтру реалізуються два різні механізми зарядки частинок. Найбільш важлива зарядка іонами, які рухаються до частинок під дією зовнішнього електричного поля. Вторинний процес зарядки обумовлений дифузією іонів, швидкість якої залежить від енергії теплового руху іонів, але не від електричного поля. Зарядка в полі переважає для частинок діаметром більше 0,5 мкм, а дифузійна — для частинок дрібніше 0,2 мкм; у проміжному діапазоні (0,2...0,5 мкм) важливо обидва механізми.

Заряд частинки, що досягається за час t, визначається наступним рівнянням: q = Пхе0е0л-^-\ 1— (7.1)

\ е + 2) f | 4-g0

де e - відносна діелектрична постійна частинки по відношенню до діелектричної постійної вакууму: 8о - проникність вакууму, рівна 8,55 10" Ф/м; Е0 - напруженість електричного поля; гч - радіус частинки; До - рухливість газових іонів; е - заряд електрона; No - іонна щільність; t - час.

Рівняння (7.1) може бути переписане в коротшій формі, якщо врахувати, що заряд досягає граничного значення qs, визначуваного як

qs = 12-л-е0Е0Л (7.2)

As

і що величина має розмірність часу. Ця величина називається тимчасової постійної зарядки і позначається символом t0. Підставляючи в (7.1) qs і г0 отримуємо спрощений вираз:

*=‘-ik- (7-3)

Близько 90 % заряду частинка отримує через відрізок часу, рівний lOto.

На практиці напруженість поля зазвичай лежить в межах 300...600 кВ/м, але може перевищувати 1000 кВ/м в спеціальних системах. Іонна щільність має порядок 1013... 1014 м"3, але в спеціальних випадках може бути значно вище.

Тимчасова постійна зарядки to складає 0,11 секунд при щодо малої іонної щільності 10 мі зменшується до 0,001 з при високому значенні щільності 10 м". Якщо прийняти час \0’to для практично повного завершення зарядки, то при помірній щільності іонів 1014 м" час зарядки складе 0,1 с. Цей час відповідає довжині шляху газу в осаджувачі, рівною 0,1...0,2 м, так що зарядка протікає на незначній відстані від входу в електрофільтр.

Напруженість поля, в якому виникає корона, називають початковою або критичною. Її величина багато в чому залежить від параметрів оброблюваних газів і може складати для стандартних умов порядку (15...20) кВ/см. Критична напруга на електродах Uw, при якому з’являється коронний розряд, залежить від їх геометрії. При відомій критичній напруженості поля Ew, В/м, величину Uw, В, для системи з циліндрового осадительного і розміщеного центрально дротяного коронирую-щего електродів можна підрахувати по формулі:

U =ER,\n^, (7.4)

Ri

а для системи пластинчастих осадительных і дротяних коронирующих електродів - по формулі:

і =^тг/^-1п^1 (7.5)

V h ^2 )

де R\,R\ - радіуси коронирующего і циліндрового осадительного електродів, м; 1\- відстань між коронирующим і пластинчастим осади-тсльным електродом, м; /2 - відстань між сусідніми коронирующими електродами, м.

Зазвичай для промислових електрофільтрів значення R] складають порядка 0,001.. .0,002 м, R2 і k-0,1.. .0,15 м = 20.. .30 кВ.

Швидкість дрейфу (переміщення) зважених частинок зростає з напруженістю поля, проте при певному значенні напруги на електродах наступає пробій газового проміжку і виникає дуга. Тому оптимальним значенням напруги на електродах вважається максимально близьке до пробійного.

Оскільки електрична міцність газового проміжку при негативній короні вища, ніж при позитивній, в системах очищення промислових викидів подають на коронирующий електрод негативну напругу випрямленого струму. Проте в негативній короні утворюється значна кількість озону, який може ініціювати в атмосфері безліч реакцій, що приводять до її вторинного забруднення. Електрофільтри для систем вентиляції і кондиціонування повітря працюють тільки з позитивною короною.

Ступінь очищення газів від дисперсних домішок в електрофільтрах залежить практично від всіх параметрів газів і зважених частинок, від конструктивних характеристик апаратів, режимів експлуатації і ряду інших чинників. З властивостей дисперсних частинок найочевидніше виявляється вплив питомого електричного опору (УЕС), оптимальне значення якого знаходиться в межах (106...109) Омм. Низькоомні частинки легко заряджають в електричному полі, проте з наближенням до електроду з протилежним знаком перезаряджаються, і між ними починають діяти сили відштовхування. Це служить причиною вторинного віднесення низькоомних частинок, що навіть встигли осісти на електрод. Ще менш сприятливі процеси виникають при очищенні високоомного пилу. Осідаючи на електроди, вони утворюють неоднорідний електроізоляційний шар. По місцю найбільш слабкій ізоляції напруженість поля стає максимальною. Це сприяє утворенню корони з протилежним знаком ("зворотної корони"), різко погіршуючою роботу електрофільтру.

У найбільшій мірі процес уловлювання пилу в електрофільтрі залежить від електричного опору пилу. По величині опору пилу ділять на три групи:

Зниження УЕС пилу досягається добавкою до газу ряду реагентів, наприклад, сірчистого ангідриду, аміаку, хлоридів кальцію і натрію і ін. Такий же результат дає додавання в газ електропровідних частинок сажі або коксу.

Високий опір ряду пилу може бути знижене охолоджуванням пылегазового потоку нижче 130°С або його нагріванням зверху 350°С.

Певний вплив на ступінь осадження частинок роблять їх концентрація і дисперсний склад. На вході в електрофільтр частинки можуть мати власний електростатичний заряд, який при їх великій кількості (тобто при високій рахунковій концентрації) може помітно впливати на параметри осадження частинок, знижуючи напруженість електричного поля в апараті аж до замикання корони. Теоретично найменший розмір уловлюваних частинок в електрофільтрах не обмежений. Проте практично не всі частинки в них уловлюються. При дуже високій концентрації високодисперсних частинок (зазвичай субмикрометрового діапазону) наступає придушення струму корони об’ємним електричним зарядом. Це приводить до того, що концентрація іонів стає дуже низькою, щоб забезпечити достатню зарядку частинок.

Швидкість дрейфу частинок в електричному полі значною мірою залежить від розмірів частинок. Ця залежність має складний характер зважаючи на відмінність механізмів переміщення частинок різних розмірів. Вважається, що в діапазоні розмірів менше 0,1...0,3 мкм швидкість переміщення частинок в електричному полі зменшується з їх укрупненням, в діапазоні від 0,3 до 20 мкм - збільшується із збільшенням діаметру і потім знов декілька знижується.

З параметрів газового потоку найбільший вплив на осадження роблять вологість і температура. Із зниженням температури зменшується в’язкість газів, унаслідок чого вони чинять менший опір переміщенню зваженої частинки до електроду. З пониженням температури росте стійкість коронного розряду, що дозволяє працювати при вищій напруженості електричного поля. Крім того, з охолоджуванням оброблюваного потоку росте його відносна вологість, що веде до пониження УЕС частинок унаслідок їх зволоження.

Дуже важливим чинником, пов’язаним практично зі всім процесом електроосадження, є швидкість газового потоку. Від неї безпосередньо залежать час перебування частинок в апараті і його габарити.

При слабкому перебігу газу, дуже великій швидкості газу або поганих умовах утримання може відбуватися віднесення обложених частинок. Частинки, понесені з осадительного електроду, у разі негативної корони придбають позитивний заряд унаслідок емісії. Ці частинки можуть не піддаватися перезарядці або перезарядитися тільки частково. У будь-якому випадку частинки будуть винесені з електрофільтру, що істотно понизить ефективність уловлювання. При швидкостях потоку більше (1... 1,5) м/с різко росте вторинне віднесення пилу з електродів. Дуже важливо у зв’язку з цим забезпечити рівномірний розподіл потоку по перетину апарату з тим, щоб локальні швидкості в міжелектродних проміжках ненамного відрізнялися від середньої швидкості.

Певний вплив на ефективність обробки газів роблять конструктивні особливості тих або інших типів електрофільтрів.

Електрофільтри працюють як під розрідженням, так і під надмірним тиском. Система пиловловлювання, в якій застосований електрофільтр, може бути повністю автоматизована.