Электрическая очистка газа

Физические основы электрической очистки газов. При пропускании запыленного газового потока через сильное электрическое поле частицы пыли получают электрический заряд и ускорение, заставляющее их двигаться вдоль силовых линий поля с последующим осаждением на электродах [2, с. 43].

В однородном электрическом поле (например, между обкладками плоского конденсатора) нельзя осуществить ударную ионизацию, т.е. массовую генерацию ионов, т.к. ее обязательно будет сопровождать пробой межэлектродного промежутка. Эта задача решается только при организации ударной ионизации в неоднородном электрическом поле. При подаче напряжения на обкладки цилиндрического конденсатора напряженность поля вблизи центрального электрода будет значительно больше, чем у внешнего(рисунок 3.21).

1 – коронирующий заряд; 2 – осадительный электрод

Рисунок 3.21 – Распределение напряженности поля в цилиндрическом конденсаторе

По мере удаления от центрального электрода напряженность поля уменьшается сначала очень быстро, а потом медленнее. При повышении приложенного напряжения сначала устанавливается ток насыщения. Далее с возрастанием напряжения вблизи центрального провода (внутреннего электрода) напряженность поля достигает критической величины, соответствующей началу ударной ионизации. По мере роста напряжения обл. ударной ионизацией расширяется и сила тока, проходящего через межэлектродный промежуток, повышается. При этом возникает так называемый коронный разряд, при котором генерация ионов достаточна для осуществления зарядки пылевых частиц при отсутствии пробоя межэлектродного промежутка.

Коронный разряд может быть получен не только в цилиндрическом конденсаторе, но и при другом взаимном расположении электродов, обеспечивающем образование неравномерного электрического поля. На практике, например, широко применяются электрофильтры, в которых неоднородное электрическое поле создается расположением ряда коронирующих электродов между параллельными плоскостями.

Для определения Е_кр , при котором возникает корона, и критическим напряжения U_кр имеются соответствующие аналитические зависимости.

В электрическом поле цилиндрического конденсатора образуются две области, отличные друг от друга. В области короны происходит генерация ионов обоих знаков и свободных электронов. Отрицательные ионы и свободные электроны движутся через внешнюю зону коронного разряда к положительно заряженному цилиндрическому электроду и отдают ему свой заряд. Корона занимает сравнительно большой объем, а основная часть межэлектродного пространства заполнена отрицательными ионами и свободными электронами.

В настоящее время применяются два основных типа электрофильтров: трубчатые и пластинчатые (рисунок 3.22).

1 – коронирующий электрод; 2 – осадительный электрод; 3 – выпрямитель; 4 – трансформатор

Рисунок 3.22 – Принципиальные схемы электрофильтров

В трубчатых электрофильтрах запыленный газ пропускается по вертикально расположенным трубам d 200-300 мм, по оси которых натянут коронирующий электропровод d 2-4 мм. Осадительным электродом служит сама труба, на внутренней поверхности которой оседает основная масса уловленной пыли. В пластинчатых электрофильтрах коронирующими электродами также являются провода, натянутые в ряд между параллельными пластинами, служащими осадительными электродами.

При пропуске через электрофильтр запыленного газового потока частицы пыли абсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд. В результате частицы получают ускорение, направленное в сторону осадительного электрода. Скорость зарядки частиц очень велика и измеряется долями секунд.

Скорость движущихся частиц во внешней зоне коронного разряда определяется совокупным действием следующих сил на частицу: аэродинамического ветра; взаимодействием электрического поля и заряда частицы.

Основной силой, вызывающей движение частицы к осадительному электроду, является сила взаимодействующая между электрическим полем и зарядом частицы (кулоновская сила). При движении заряженной частицы к осадительному электроду действующая на нее сила электрического поля уравновешивается силой сопротивления, определяемой по закону Стокса. Приравнивая друг к другу эти силы, находят скорость движения частицы к осадительному электроду или, иначе говоря, скорость дрейфа.

На процесс осаждения частиц влияют многочисленные факторы: проводимость и размер частиц, скорость, температура и влажность газов, состояние поверхности электрода и т.д. Единой аналитической зависимости, отражающей влияние всех факторов нет.

Наибольшее значение для процесса осаждения частиц на электродах имеет электросопротивление слоя пыли, по величине которого пыли подразделяются на группы:

1) Пыли с малым УЭС (<10⁴ Ом ∙ см). При соприкосновении с осадительным электродом они мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд соответствующий знаку электрода. При этом может возникнуть вторичный унос частиц и эффективность электрической очистки резко снижается.

2) Пыли с УЭС 10⁴-10¹⁰ Ом ∙ см. Хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются встряхиванием. Трудностей при эксплуатации электрофильтра нет.

3) Пыли с УЭС >10¹⁰ Ом ∙ см труднее всего улавливаются в электрофильтрах. Осаждающиеся частицы разряжаются медленно, в результате на электроде образуется и утолщается слой отрицательных заряженных частиц. Электрическое поле этого слоя частиц начинает препятствовать осаждению новых частиц и эффективность электрофильтра снижается.

Высоким УЭС характеризуются пыли некоторых огнеупорных материалов (магнезита, гипса), а так же пыли ЦМ (оксиды Pb, Zn и т.д.). С повышением температуры УЭС вначале увеличивается (испарение H₂O), а затем падает. Снижения УЭС пыли достигают увлажнением газа и добавкой к нему некоторых реагентов (SO₂, NH₃, NaCl и др.) или электропроводных частиц сажи и кокса.

Пыль, падающая в бункер, может частично подхватываться газом и уноситься (так называемый вторичный унос). Он зависит от скорости газа в электрофильтре и Н электродов. При смыве уловленной пыли водой вторичный унос практически отсутствует.

На вольтамперные характеристики электрофильтра оказывает влияние технологические факторы. Так, с ростом температуры сила тока короны растет, однако напряжение, при котором электрофильтр работает устойчиво, уменьшается вследствие снижения пробойного напряжения.

Повышение влажности газа уменьшает ток короны. С ростом скорости газа в электрофильтре сила тока также снижается.

В чистом газе ток короны всегда больше, чем в запыленном. Это объясняется тем, что скорость заряженных пылеватых частиц в 1000 и более раз меньше, чем скорость ионов. Поэтому появление заряда на частицах уменьшает ток короны тем в большей степени, чем выше запыленность газа. При очень большой запыленности (Z₁=25-35 г/м³) ток короны может упасть почти до 0, вследствие чего работа фильтра резко ухудшится. Такое явление называется запиранием короны.

При запирании короны ионов может оказаться недостаточно, чтобы сообщить всем частицам максимальный заряд. Полное запирание короны встречается редко, но при высокой запыленности электрофильтр работает значительно хуже.

В металлургической промышленности наибольшее распространение получили пластинчатые электрофильтры. Электрофильтры отличаются высокой эффективностью улавливания пыли (99,0-99,9%) и низкими энергозатратами на осуществление этого процесса.

Расчет электрофильтра заключается в определении его пропускной способности, эффективности работы, потребляемой мощности на создание коронного заряда и силы тока, подаваемой на коронирующие электроды.

Пропускную способность электрофильтра определяют по площади активного сечения, которая рассчитывается по формуле:

(3.34)

где – расход газа при рабочих условиях м³/ч;

– скорость газа в электрофильтре, оптимальное значение которой .

По площади активного сечения с помощью специальных таблиц выбирают электрофильтр заданной конструкции.

С определенной степенью точности эффективность работы электрофильтров может быть рассчитана по уравнению:

(3.35)

где – скорость движения газа;

– скорость дрейфа заряженных частиц к осадительным электродам;

– длина активного поля;

Н – в пластинчатом фильтре расстояние между осадительными электродами, а в трубчатых фильтрах – диаметр осадительного электрода.

Скорость дрейфа частиц, размер которых соизмерим с длиной свободного пробега молекул газа (λ=10^-7 м), рассчитывается по формуле:

(3.36)

где Е – напряженность электрического поля электрофильтра;

r – радиус улавливаемых частиц;

– вязкость газа.

Для крупных аэрозольных частиц скорость дрейфа определяется с помощью уравнения:

(3.37)

Расчет эффективности электрофильтра производится для каждой фракции пыли отдельно, а затем определяется суммарная эффективность работы аппарата:

(3.38)

где – доля пыли данной фракции;

– эффективность улавливания пыли данной фракции в электрофильтре.

Напряженность поля в электрофильтре зависит от конструкции фильтра, межэлектродного расстояния, радиуса коронирующих электродов и подвижности ионов. Рабочий диапазон напряженности поля электрофильтра составляет: Е=(15-30) 10⁴ В/м.

Потери энергии на гидравлическое трение в электрофильтре – величина не расчетная, они принимаются равными 200 Па. Потребная мощность на создание коронного разряда может быть определена по уравнению:

(3.39)

где – сила тока, отнесенная к единицы активной поверхности фильтра, мА/м²;

– приложенное напряжение.

Значение при улавливании в электрофильтре металлургической пыли может быть рассчитано по уравнению:

(3.40)

где – размер улавливаемых частиц.

Размер межэлектродного расстояния Н зависит от конструкции фильтра. Длина осадительных электродов может подбираться по необходимой степени улавливания пыли.

Электрофильтры не рекомендуется использовать для улавливания пыли проводников и диэлектриков. Пылевидные частицы с хорошей проводимостью быстро заряжаются, но и быстро разряжаются, отдавая свой заряд осадительному электроду, после чего могут быть унесены газовым потоком. Частицы пыли диэлектриков, оседая на осадительном электроде, уменьшают его заряд и способствуют возникновению обратной короны, ухудшающей работу электрофильтра. Электрофильтры имеют также ограничения по температуре очищаемого газового потока (не более 400°С) и степени запыленности потока (не более 60г/м³).

Классификация и конструкции электрофильтров. В соответствии с направлением движения газового потока электрофильтры подразделяют на горизонтальные и вертикальные. По форме осадительных электродов различают пластинчатые, трубчатые и иногда шестигранные электрофильтры. В зависимости от числа последовательно расположенных полей электрофильтры бывают однопольные и многопольные, а в зависимости от числа параллельно работающих секций – односекционные и многосекционные.

В зависимости от способа удаления пыли из электрофильтров (посредством встряхивания электродов или смывом водой) различают сухие и мокрые электрофильтры.

Подвод газов к электрофильтрам и отвод из него должны обеспечивать равномерное распределение газов в аппарате. Основным технологическим элементом, влияющим на работу электрофильтра, являются электроды (коронирующие и осадительные). Коронирующие электроды могут быть гладкими или иметь фиксированные точки разряда (например, игольчатые).

Осадительные электроды трубчатых электрофильтров – трубы диаметром 200-300 мм; L=3-5 м.

Пластинчатые листовые осадительные электроды применяются сравнительно редко. В целях снижения вторичного уноса чаще применяются коробчатые и желобчатые осадительные электроды.

Для встряхивания пыли с осадительных электродов в России чаще всего применяют системы ударно-молоткового действия. Имеются также пружинно-кулачковые, магнитно-импульсные системы встряхивания.

Из известных у нас конструкций электрофильтров следует отметить электрофильтры серии УГ (унифицированные горизонтальные). Электрофильтры УГ работают при t газов до 250°С, а УГТ – до 400°С.

Электрофильтры серии ЭГА (электрофильтры горизонтальные модификации А) по конструкции мало отличаются от электрофильтров УГ, но они менее металлоемки и более надежны. Они работают при температуре до 330°С и разрежении до 15 кПа. Электрофильтры серии ЭГТ – высокотемпературные, рассчитанные на температуру до 425°С.

Электрофильтры серии УВ (унифицированные вертикальные) предназначены для газов с температурой до 250°С с невысокой запыленностью.

Из мокрых электрофильтров известны электрофильтры типа ДМ (доменный мокрый), типа ШМК (для ЦМ), ЭТМ (взамен ШМК).

Питание электрофильтров осуществляется выпрямленным током высокого напряжения (60-80 кВ). Для преобразования переменного тока обычной частоты (50 Гц) и низкого напряжения (380 В) используются электрические агрегаты сравнительно небольшой мощности (20-150 кВт). Каждый электрический агрегат состоит из повысительного трансформатора, выпрямителя, регулятора напряжения и пульта управления.

Влияние различных факторов на работу электрофильтров.

Влияние скорости газов. Чем больше скорость газов, тем меньших размеров требуются электрофильтры. Однако при этом уменьшается время пребывания частиц в аппарате. При оптимальном времени пребывания 8-10 с W_r не должна быть более 1,0-1,5 м/с. В некоторых случаях (ценные пыли ЦМ) W_rснижена до 0,5 и даже 0,25 м/с. Увеличение подсоса воздуха приводит к увеличению W_r.

Влияние параметров газа. Хотя ток короны уменьшается с увеличением влажности газа, увеличение последней полезно для работы электрофильтра. Абсорбция влаги повышает проводимость пылевого слоя и позволяет работать при более высоком напряжении электрического поля. Температура газа отрицательно влияет на работу электрофильтра, т.к. при этом снижается величина пробойного напряжения и увеличивается вязкость газа, а также объем и скорость газа. Повышение давления влияет также отрицательно, т.к. снижается подвижность ионов.

Влияние вида топлива. Физико-химические свойства топлива и технология его сжигания влияют на скорость дрейфа частиц. Влияет также состав газа (особенно присутствие SO₂ и SO₃).

Влияние запыленности газов и размеров частиц. Повышение запыленности газа сверх определенного предела ухудшает эффективность фильтра в связи с уменьшением ионного тока. Появляются признаки частичного запирания короны, которое может для многих пылей стать полным при запыленности более 20-25 г/м³.

С увеличением размеров частиц до 20-25 мкм возрастает эффективность их улавливания. При наличии частиц более 40 мкм эффективность может снижаться из-за возможного увеличения проводимости крупных частиц, приводящего к вторичному уносу.

Влияние загрязнения электродов. Чистота коронирующих электродов – один из важных факторов нормальной эксплуатации электрофильтров. При загрязнении хорошо проводящей пылью диаметр коронирующего электрода как бы возрастает, вследствие чего требуется увеличение начального напряжения короны. При загрязнении плохо проводящей пылью образуется изолирующий слой, и коронирование может вообще прекратиться.

Мерой загрязнения осадительного электрода является пылеемкость, (т.е. масса пыли, осевшая на единице его поверхности перед встряхиванием). Оптимальная величина пылеемкости зависит от УЭС слоя пыли. От оптимальной пылеемкости зависит интервал между встряхиванием электродов.

(3.41)

где – площадь осаждения пыли, м²;

– оптимальная пылеемкость, г/м²;

– расход газа, м³/ч;

Z_l – запыленность при входе в поле, г/м³.