Осаждение частиц под действием электрического поля

Как уже отмечалось в параграфе 2.7, в промышленных аэрозолях электрически нейтральных частиц практически не существует и они обладают своим естественным электрическим зарядом (трибозаряд).

Электрическая очистка газов от пыли является одним из наиболее эффективных видов очистки газа от тонко- или мелкодисперсных твердых и жидких аэрозолей (взвешенных частиц пыли и капель тумана). Этот процесс очистки основан на ударной ионизации газов в зоне коронирующего разряда, который возникает в электрическом поле у поверхностей коронирующих электродов с малым радиусом кривизны. В результате частицы приобретают электрический заряд (как правило, отрицательного знака), который называется коронным зарядом. При помещении этих частиц в электрофильтре между коронирующим и осадительным электродами, они осаждаются в осадительном электроде (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схема электрофильтра: 1 – коронирующий электрод;
2 – осадительный электрод; 3 – выпрямитель;
4 – силовые линии электрического поля

Опишем более подробно механизм электрической очистки газов. Загрязненные газы, поступающие в электрическое поле, как правило, имеют заряженные ионы и способны проводить электрический ток, поэтому, попадая в пространство между электродами электрофильтра, образуется еще большее количество свободных ионов, число которых зависит от электрического напряжения между электродами. При повышении напряжения между электродами в движение газовых молекул вовлекается все большее количество ионов газа, сила тока растет до тех пор, пока всё количество ионов не оказывается в движении.

Особенно значительно этот эффект сказывается при наличии коронного заряда. Коронный заряд возникает в неоднородном электрическом поле у поверхности коронирующих электродов с малым радиусом кривизны. В зоне короны, где напряженность электрического поля очень велика, ионы, содержащиеся в газе, разгоняются по направлению силовых линий электрического поля настолько, что столкнувшись с нейтральными газовыми молекулами, выбивают из них часть внешних электронов. При этом возникают положительные ионы и электроны. Образовавшиеся новые ионы и электроны в свою очередь также ускоряются под действием электрического поля, вызывая дальнейший процесс лавинообразной ударной ионизации газа, который устойчиво протекает в неоднородном электрическом поле, характерном, например, для цилиндрического конденсатора (см. рис. 4.5). Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим и осадительным электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретают электрический заряд и под действием сил электрического поля получают ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака. Учитывая, что число отрицательных ионов в воздухе и дымовых газах выше, чем положительных, электрофильтры обычно выполняют с короной отрицательной полярности. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде, и лишь очень незначительная часть – на отрицательном коронирующем электроде.

Процесс (время) зарядки аэрозольных частиц зависит от подвижности ионов, траектории движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда:

где t – время нахождения частицы в электрическом поле;

τ – константа (некоторая постоянная) времени зарядки частицы.

Время зарядки аэрозольных частиц τ невелико и измеряется долями секунды. Считается, что величина трибозаряда частицы обычно составляет

q_тр ≤ 0,05 q_max,

где q_max – заряд, получаемый частицей при коронном заряде.

Частицы размером более 0,5 мкм заряжаются главным образом в результате сближения с ионами под действием сил электрического поля. Максимальный заряд q_max, который может быть получен частицей, может быть примерно оценен по выражению

,

где Е – напряженность электрического поля между электродами, В/м;

d_ч – диаметр (размер) частицы, м;

ε₀ = 8,85∙10^–12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Частицы меньшим размером приобретают заряд в результате сближения с ионами под действием тепловой диффузии, которую можно оценить как

,

где e = 1,6∙10^–19 Кл – электрический заряд электрона.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием:

1) аэродинамической силы (стоксовской силы – формула (4.29)) сопротивления F_с движению частиц основного газового потока;

2) электростатических сил F_E электрического поля, напряженностью E,
и заряда частицы q (закон Кулона): , Н;

3) силы тяжести;

4) силы давления «электрического ветра», обусловленной механическим воздействием движущихся ионов на молекулы газа и частицы пыли, возникающей в местах генерации ионов (т.е. у коронирующих электродов) и вызывающей хаотичную циркуляцию газа в межэлектродном промежутке;

5) сил тепловой диффузии и др.

Основное влияние на осаждение частиц в электрофильтрах оказывают аэродинамические и электростатические силы. В области применимости закона Стокса, приравнивая электростатическую силу и силу сопротивления среды F_с = F_E, можно рассчитать скорость осаждения частиц на осадительном электроде (так называемую скорость «дрейфа»):

, или

. (4.35)

Для оценки степени очистки газов в электрофильтрах вводят параметр электростатического осажденияk, который характеризует отношение электростатических сил F_E и стоксовских сил сопротивления F_с:

.

Таким образом, эффективность очистки частиц под действием электрических сил есть зависимость вида

(4.36)

Электрические силы играют большую роль в «мокрых» пылеуловителях, в которых капли орошающей жидкости, как правило, имеют электрический заряд. При этом вводят параметр электростатического осаждения k' мокрых
пылеуловителей на каплях орошающей жидкости: , где v_г – скорость невозмущенного газового потока вдали от капли радиусом r_к.

Максимальный эффект осаждения частиц под действием электрических сил в «мокрых» пылеуловителях наблюдается:

1) если электрически заряжены частицы пыли и капли орошающей жидкости;

2) если сравнительно велико время пребывания частицы пыли в аппарате;

3) при относительно низкой относительной скорости между частицами и каплями.

Важное значение на процесс осаждения частиц пыли на электродах электрофильтров имеет электрическое сопротивление слоев пыли. По величине электрического сопротивления различают:

1. Пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (ρ < 10⁴ Ом ·см), которые при соприкосновении с электродом практически мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд электрода, в результате которого возникает сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток. Противодействует этой силе только сила адгезии, и если она оказывается недостаточной,
резко снижается эффективность процесса очистки.

2. Пыли с удельным электрическим сопротивлением ρ = 10⁴…10¹⁰ Ом ·см – хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании.

3. Пыли с удельным электрическим сопротивлением ρ > 10¹⁰ Ом ·см – труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значительной мере препятствует осаждению новых частиц.

В реальных условиях снижение удельного электрического сопротивления можно осуществить увлажнением запыленного газа.

Эффективность очистки запыленного газа оценивают также по формуле, полученной теоретическим путем:

(4.37)

где F_уд [м²·с/м³] – удельная поверхность осадительных электродов, равная отношению площади поверхности осадительных элементов (м²) к расходу очищаемого газа (м³/с).

Из формулы следует, что эффективность очистки газа в электрофильтрах возрастает с ростом произведения v_др · F_уд:

Однако степень эффективности очистки, определенная по формуле (4.37), отличается от действительной, так как исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов. Обычно пользуются практическими данными об эффективности очистки конкретных видов электрофильтров.