Электростатические фильтры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Курганский государственный университет

Кафедра «Экология и безопасность жизнедеятельности»

Дисциплина: Системы защиты среды обитания

Электростатические фильтры

Птз-50518 Симанов С.А.

Курган 2023



Содержание

электростатический фильтр осадитель

Введение

1. Характеристики процесса электрообработки газа

1.1 Общая информация о конструкции и эксплуатации электростатических фильтров

1.2 Отрицательная корона в электростатическом осадителе

1.3 Осаждение заряженных частиц

2. Классификация электростатических фильтров

3. Применение электрофильтров в промышленности

3.1 Очистка печного газа в производстве серной кислоты

3.1.1 Очистка пыли от монооксида углерода в дымовом газе

3.1.2 Очистка газа от тумана серной кислоты, мышьяка и селена в контактном производстве серной кислоты

3.2 Очистка газа при производстве соды

3.2.1 Очистка газов известковых печей

3.2.2 Очистка газов из вращающихся печей (тамбуров)

3.3 Очистка отходящих газов горной промышленности

3.4 Очистка газа в установках снижения сажи

Заключение

Список использованных источников



Введение

Во многих производственных процессах образуются или перерабатываются различные промышленные газы, а в некоторых процессах газы образуются в качестве отходов производства и выбрасываются в атмосферу.

В большинстве случаев промышленные газы (к которым относится и воздух в помещениях) содержат мелкие твердые (пыль) или жидкие (туман) частицы различных веществ, от которых газы по тем или иным причинам должны быть очищены.

Например, отходящие газы сернокислотных заводов, используемые для производства серной кислоты в башнях, должны быть очищены от шлаковой пыли, чтобы предотвратить засорение башни и загрязнение кислотного продукта. Те же газы, которые используются при производстве контактной серной кислоты, также должны быть очищены от туманов серной кислоты, мышьяка и селена, которые являются токсичными для катализаторов в контактном оборудовании.

Газы от производства сажи, крекинга нефтепродуктов с порошкообразными катализаторами, газы от предприятий цветной металлургии и т.д. должны быть очищены для извлечения ценных продуктов, которые они содержат в виде пыли. [7]

Дымовые газы электростанций, использующих твердое топливо, должны быть очищены перед выбросом через дымовую трубу, чтобы избежать загрязнения окружающей среды и воздуха золой.

Воздух, подаваемый в кондиционеры и кислородные станции, вентиляционные системы электрогенераторов и крупных электродвигателей, помещения для производства фильмов и т.д., должен быть свободен от микроскопических частиц атмосферной пыли, спор плесени, грибков и т.д.

Во многих случаях в час очищаются миллионы кубометров промышленных газов и извлекаются десятки тонн пыли или жидкости в час.

Например, вращающаяся печь для обжига клинкера производительностью 50 т/ч выбрасывает в атмосферу около 500 000 м3 газов в час, содержащих 11 тонн пыли. Ежегодно из газов сажевой печи среднего размера выделяется 15-20 000 тонн сажи.

Неочищенный выброс такого большого количества газа в атмосферу неприемлем, особенно по гигиеническим соображениям, не говоря уже о необходимости исключить потерю ценных продуктов в некоторых случаях.

Одним из самых современных методов очистки промышленных газов от пыли и тумана является электрическая очистка в электростатических фильтрах, которые начали использоваться в промышленности в 1920-х годах.

В СССР первый электрофильтр был построен в 1925 году на заводе "Красный выборжец" в Ленинграде для отделения оксида цинка от выхлопных газов. Затем, в 1926 году, на фабрике "Победа рабочих" в Ярославле был разработан и построен электрофильтр, который также использовался для отделения оксида цинка. [13]



1. Характеристики процесса электрообработки газа

Электрическая газовая очистка имеет следующие основные характеристики

1) В зависимости от конкретных условий и требований, электрофильтры могут быть разработаны для любой степени очистки газа (до 99% или даже 99,9%) и для широкого диапазона производительности, от нескольких м3/час до нескольких миллионов м3/час;

2) Электрофильтры имеют самое низкое гидравлическое сопротивление среди всех известных систем газоочистки. В электрофильтрах, разработанных институтом "Гипрогазоочистка", перепад давления между входным и выходным каналами составляет 5-15 мм вод. ст.;

3) Электрофильтры предназначены для работы при атмосферном давлении, а также при положительном и отрицательном давлении;

4) Концентрация взвешенных частиц в очищенных газах может варьироваться от долей г/м3 газа до 50 г/м3 и более, а их температура может достигать 500°C и более. Газы можно очищать сухим или влажным способом;

5) Электростатические фильтры задерживают частицы размером от 100 до 0,01 микрометра;

6) Электрофильтры могут быть изготовлены из материалов, устойчивых к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных веществ;

7) Процесс очистки газа в электрофильтрах может быть полностью автоматизирован;

8) Потребление электроэнергии для очистки газа, как правило, ниже, чем для других типов очистителей;

Однако нельзя считать, что электростатические осадители подходят для всех условий, поскольку у них есть и недостатки:

В электрофильтре можно отделять вещества только во взвешенном состоянии, т.е. в виде порошка или тумана, но невозможно отделить один газ от другого или от пара без предварительной конденсации пара в углеводороды или туман или начала химической реакции. [12]

Некоторые продукты обладают физическими и химическими свойствами, которые делают невозможным эффективное улавливание взвешенных частиц из этих продуктов в электростатических фильтрах.

Одним из примеров является активный технический углерод, который имеет небольшой вес, очень низкое электрическое сопротивление и состоит из очень мелких частиц. Частицы сажи легко заряжаются и отделяются, но поскольку они электропроводны, то теряют свой электрический заряд при контакте с сепарационным электродом и поэтому не прилипают к сепарационной поверхности, а заряжаются, отталкиваются от нее и уносятся потоком газа, выходящим из электрофильтра. Другим примером плохо удерживаемой пыли является газ оксида цинка, который также является высокодисперсным, но в отличие от него имеет высокое электрическое сопротивление, которое "гасит" коронный разряд.

Эффективность электростатического фильтра зависит от того, как он эксплуатируется.

Например, электрофильтр, улавливающий золу дымовых газов электростанции, использующей подмосковный уголь, работает неустойчиво при температуре газа 170-180 °С с КПД 80-85 %. При температуре газа 130-150 °С тот же электрофильтр работает достаточно стабильно и улавливает 95-97 % золы. Объяснение этому следующее. При температуре газа выше 160 °С собранная зола имеет удельное электрическое сопротивление 2-1010 Ом-см и более, что вызывает явление "перевернутой короны" в электрофильтре, препятствуя его осаждению. При температуре ниже 160 °C SO3, содержащийся в дымовом газе, конденсируется в частицы золы, и сопротивление собранного слоя золы при собирающих электродах падает ниже 2 - 1010 Ом-см. Явление перевернутой короны прекращается, и эффективность электролизера резко возрастает.

На одном металлургическом заводе 30000-39000 м3 доменного газа в час очищалось в электрофильтре до остаточного содержания пыли 15-20 мг/нм3. Небольшое увеличение подачи газа для очистки привело к значительному увеличению содержания пыли в очищенном газе. Для улучшения процесса очистки перед фильтром электростатического скруббера был установлен турбулентный газоочиститель (трубка Вентури).

После этого 50000-70000 м3 газа в час пропускалось через скруббер ESP, и содержание пыли в чистом газе снижалось до 8-10 мг/нм3. Это показывает, что обработка газа перед электрофильтром в турбулентном коалесцентном фильтре, заключающаяся в увеличении содержания взвешенных частиц, позволила увеличить производительность электрофильтра в 1,5-2,0 раза и одновременно снизить содержание пыли в очищенном газе примерно в два раза.

Стоимость электростатического фильтра выше, чем других устройств, и в некоторых случаях его можно заменить. Если газы низкотемпературные, а отделяемый материал сухой и некорродирующий, для очистки больше подходит рукавный фильтр, который дешевле электрофильтра; если материал крупный, его можно очистить в циклонном пылеуловителе с меньшими затратами (но оба устройства имеют более высокое гидравлическое сопротивление, чем электрофильтр).

Однако следует отметить, что при правильном выборе электрофильтра, его работе в оптимальном технологическом режиме и электропитании в заданных условиях, электрофильтр в большинстве случаев превосходит газоочистное и обеспыливающее оборудование всех известных типов.

Особенно высокий эффект очистки газов может быть достигнут при использовании электростатических фильтров в сочетании с другими устройствами для очистки или обработки очищаемых газов.

Процесс электростатического осаждения частиц состоит из следующих этапов: зарядка твердых частиц, перенос заряженных частиц на электроды, отделение и удаление частиц. На первом этапе частицы проходят через коронный разряд постоянного тока, который специально генерируется на одном из электродов системы электростатической сепарации пыли (рис. 1).

В принципе, можно использовать как положительный, так и отрицательный коронный разряд, но отрицательный коронный разряд предпочтительнее для очистки промышленных газов (кроме кондиционированных газов), поскольку он более стабилен и допускает высокие напряжения и токи. [3]

Свойства короны зависят от многих факторов: конфигурации и расстояния между электродами, состава газа, давления, температуры, концентрации пыли и размера частиц, осаждения на электродах и электропроводности осажденной пыли. Кроме того, важен тип источника питания. Обычно максимальное напряжение короны на расстоянии 100 - 150 мм между электродами составляет 40 - 80 кВ, а плотность короны - 0,1 -1 мкА/м2, в зависимости от типа пыли и состава газа. Общие характеристики вольт-амперных кривых положительной (1) и отрицательной (2) короны показаны на рисунке 2.

Рисунок 1. Диаграмма коронной нагрузки: 1 - трубчатый осадительный электрод; 2 - коронный электрод; 3 - коронный отжиг с положительными ионами и свободными электронами; 4 - отрицательный ионообменный диапазон заряда

Перенос заряда начинается при определенном критическом напряжении U0, так называемом напряжении зажигания короны.

Рисунок 2. Объемные свойства положительной и отрицательной короны в воздухе: 1 - Отрицательная корона в воздухе; 2 - Положительная корона в воздухе

При описании процесса зарядки частиц в поле короны большинство исследователей предполагают два механизма: ионный и диффузионный. Первая состоит в зарядке движущихся ионов под действием внешнего электрического поля, а вторая обусловлена диффузией ионов, скорость которых зависит от энергии теплового движения. Предполагается, что действие электрического поля распространяется на частицы размером менее 0,5 мкм, а процессы диффузии - на частицы размером менее 0,5 мкм.

1.1 Общая информация о конструкции и эксплуатации электростатических фильтров

Электрофильтры на предприятиях цветной металлургии используются для улавливания частиц пыли и иногда капель жидкости, взвешенных в газовом потоке. В процессе сепарации частицы, поступающие в электрофильтр, заряжаются, затем отделяются от потока на предусмотренных для этого поверхностях осаждения, и слой пыли, постепенно накапливающийся на этих поверхностях, удаляется.

Зарядка и отделение частиц в электростатических осадителях происходит через систему электродов, подключенных к источнику высокого напряжения. На рисунке 3 схематично показаны два типа электродной системы. Первый (рис. 3а) состоит из заземленной трубы 1, вдоль оси которой натянута проволока 2, а второй (рис. 3б) - из заземленных плоских металлических пластин 3, между которыми также помещена проволока 2.

В обоих случаях проволока подключается к регулируемому источнику высокого напряжения 4, что приводит к образованию электрического поля между проволокой и заземленными частями 1 и 3, которое вызывает коронный разряд, необходимый для заряда частиц, поступающих с очищенным газом, и осаждения этих частиц (после их заряда) на заземленные части 1 и 3. [2]

Рисунок 3. Два типа электродных систем: a - трубчатое электричество; b - пластинчатое электричество; 1 - заземленная трубка; 2 - проволока; 3 - заземленные плоские пластины; 4 - управляемые источники высокого напряжения

Одним из необходимых условий для образования коронного разряда в электрофильтре является сильное локальное увеличение напряженности электрического поля или, как говорят в таких случаях, создание электрического поля с большой неоднородностью. Провод, находящийся под высоким напряжением, создает такую неоднородность - напряженность поля вблизи его поверхности сильно возрастает. Поэтому проволока 2, обеспечивающая одно из условий для развития коронного разряда, называется электродом коронного разряда. В качестве электродов для коронного разряда могут использоваться и другие конфигурации.

Коронный разряд в газе связан с упорядоченным переносом электрических зарядов ионами. При подаче отрицательного напряжения на коронирующие электроды 2 газообразная среда, протекающая в электродной системе, преимущественно окружена отрицательными ионными токами. Следовательно, частицы пыли, взвешенные в газе, получают отрицательный заряд. В этом случае говорят, что в электростатическом осадителе действует отрицательная корона. Если к коронирующим электродам приложено положительное напряжение, через газообразную среду протекают преимущественно положительные ионные токи, и частицы получают положительный заряд. В этом случае в электростатическом осадителе речь идет о положительной короне.

Поскольку в ЭСП заряд частиц и потенциал электродов разряда имеют одинаковый знак, частицы под действием электрического поля перемещаются к заземленным частям 1 и 3 и оседают на их поверхности. По этой причине части 1 и 3 электродной системы называются осадительными электродами. Осадительный электрод 1 называется трубчатым электродом, когда используется осадительный электрод 1, а осадительный электрод 3 называется пластинчатым электродом, когда используется осадительный электрод 3.

Существует большое разнообразие в конструкции осадительных электродов. Например, электроды 1 могут быть не цилиндрическими, а иметь множество форм, электродные пластины 3 часто бывают в виде вертикально подвешенных профилированных полос, в виде прутковых решеток, в виде металлических решеток и так далее.

Для интенсивного движения заряженных частиц к электроду осаждения необходима высокая средняя напряженность поля в области между электродами разряда и осаждения. Поскольку средняя напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию между электродами разряда и осаждения, это расстояние - часто называемое разрядным промежутком - обычно относительно невелико, обычно около 0,1-0,2 м при напряжении 25-50 кВ. Однако, если разрядный промежуток ограничен, пропускная способность каналов, образованных коллекторными электродами, низка. Поэтому промышленный электрофильтр, предназначенный для очистки больших объемов газа, должен состоять из множества таких каналов, расположенных параллельно и соединенных общим корпусом.

Оптимальное электрическое функционирование электродной системы зависит от концентрации и гранулометрического состава взвешенной в газе пыли. Поскольку газ постепенно очищается по мере прохождения через электродную систему, и концентрация и гранулометрический состав этой пыли постепенно изменяется соответственно, часто бывает выгодно разделить электродную систему на несколько последовательных секций, расположенных вдоль газа, каждая из которых имеет свой собственный высоковольтный источник питания. Такой участок, электрически независимый от других, называется полем ЭСП. На рисунке 4 показано продольное сечение через пластинчатый фильтр с тремя полями, соединенными коробом. [10]

Заряженная частица в канале электрофильтра участвует в двух движениях: она движется вместе с газом к выходу прибора со средней скоростью, равной скорости газа, и в то же время движется к собирающему электроду со скоростью, называемой скоростью дрейфа. Чем выше скорость дрейфа и чем больше время пребывания частиц в электростатическом фильтре, тем выше эффективность электрического пылеулавливания.

Из-за низкой скорости дрейфа мелких частиц электростатические фильтры обычно имеют более длительное время пребывания, чем другие пылеуловители, что приводит к относительно большим размерам этих устройств. Однако, поскольку потоку пыли в электрофильтрах приходится преодолевать большее сопротивление на пути газа, чем в других устройствах, энергоемкость электрофильтра относительно невелика. Другими важными преимуществами электрофильтров являются их производительность и возможность использования при температуре газа до 400°C и, в особых случаях, при более высоких температурах.

Рисунок 4. Трехпластинчатый электрофильтр: 1 - коллекторный электрод; 2 - корпус; 3 - газораспределительная сеть; 4 - воронка; 5 - нижние перегородки; 6 - верхние перегородки

Важным этапом в процессе электрозахвата является удаление частиц, осевших на электродах. Это может быть сделано непрерывно, например, путем постоянного орошения электродов водой в так называемых мокрых электрофильтрах, или периодически, например, путем периодического встряхивания электродов в сухих электрофильтрах. В последнем случае слой пыли, осевший на электродах, отрывается и попадает в сборный сосуд в основном в виде нестабильных комочков пыли, которые проходят через движущийся поток чистого газа во время падения. В процессе, конечно, некоторые частицы попадают обратно в чистый поток. Это явление называется вторичным уносом пыли.

По мере увеличения скорости газа, в дополнение к вторичной пыли, образующейся при перемешивании электродов, вторичная пыль, связанная с эрозией слоя пыли, также увеличивается и становится видимой в периоды между перемешиваниями электродов.

Еще одним ухудшением работы электрофильтра может быть неравномерное поле скоростей газа, поступающего в активную зону электрофильтра, т.е. зона, где напряженность электрического поля достаточно высока для улавливания пыли. Для выравнивания скоростей газов на входе в активную зону устанавливаются дымовые трубы, называемые газораспределительными сетями, или другие устройства, предназначенные для той же цели.

ESP также нарушается движением небольшой части газа, которая обходит сильные электрические поля. На рисунке 4 сплошные стрелки показаны над электродной системой, а пунктирные стрелки - под воронками электрофильтров. В этих областях ("пассивных" областях) электрическое поле обычно сильно ослаблено, и даже хорошо заряженные частицы пыли не могут быть здесь задержаны. Для борьбы с этим явлением в электрофильтре на входе в пассивные зоны установлены перегородки 5 и 6.

Высокое напряжение на разрядных электродах электролизера обеспечивается высоковольтным источником питания, включающим трансформаторы и повышающие выпрямители, и автоматическими блоками управления. Последние обеспечивают поддержание высокого напряжения на уровне, близком к полному коронному разряду для искрового разряда, т.е. на предаварийном уровне работы. Положительный полюс выпрямительного блока в электрофильтрах обычно соединен с землей, а отрицательный полюс соединен с коронирующими электродами.

Для сбора и временного хранения отделенной пыли электрофильтры обычно оснащаются бункерами, расположенными под электродной системой, причем каждому полю соответствует свой бункер или секция бункера, когда эта система находится под давлением в поле.

Хотя на эффективность и надежность электрофильтра могут существенно влиять характеристики осаждаемого порошка, например, его концентрация и содержание мелких частиц, электрическое сопротивление слоя, образованного частицами, осажденными на электродах, вязкость осажденных частиц, а также температура и состав газа, электрофильтры могут использоваться в очень широком диапазоне характеристик порошка и газового потока. [7]

1.2 Отрицательная корона в электростатическом осадителе

Когда отрицательное напряжение на электроде коронного разряда увеличивается, напряженность поля вблизи поверхности этого электрода может достичь определенного значения, которое называется критической (начальной) напряженностью коронного разряда. Это напряжение ускоряет электроны в области вокруг электрода с такой скоростью, что они расщепляют молекулы газообразной среды и образуют множество положительных ионов и свободных электронов. Ионизация молекул сопровождается процессом рекомбинации, который вызывает свечение вокруг электрода. Соответствующие кванты света и вновь образованные положительные ионы бомбардируют отрицательно заряженный коронирующий электрод и отталкивают большое количество свободных электронов от его поверхности, которые затем переносятся сильным электрическим полем к заземленному электроду осаждения.

Описанный процесс сосредоточен в узкой области вокруг электрода разряда, так называемой коронной оболочке. В то время как образующиеся положительные ионы устремляются непосредственно к отрицательному электроду разряда и поэтому обычно не покидают область, ограниченную короной, свободные электроны уходят из короны во внешнюю область короны, которая характеризуется более низкой напряженностью электрического поля. Поскольку эти электроны заряжены отрицательно, при встрече с нейтральными молекулами газа образуются отрицательные ионы, т.е. происходит так называемая адгезия свободных электронов к молекулам газа.

Если предположить, что все свободные электроны прилипают к нейтральным молекулам, то для случая коронного разряда в чистом (без пыли) газе отрицательный коронный ток определяется как поток отрицательных ионов, движущихся в объеме межэлектродного канала.

Можно предположить, что подвижность ионов прямо пропорциональна абсолютной температуре газа и, в пределах возможных колебаний давления в промышленном электрофильтре, обратно пропорциональна давлению газа.

Отрицательные ионы, заполняющие канал между электродами, создают пространственный (объемный) заряд между коронным разрядом и осадительными электродами, который препятствует дальнейшему развитию процесса ионизации в коронной спирали. Таким образом, процесс коронной зарядки стабилизируется по току при определенном значении рабочего напряжения на электроде коронного разряда. [5] Однако при дальнейшем увеличении рабочего напряжения ионизация в коронном слое снова возрастает, соответственно увеличивается и ток коронного разряда. Наконец, при определенном пределе рабочего напряжения объемный заряд больше не может ограничивать ток коронного разряда, и коронный разряд превращается в разрывную искру. Опыт показывает, что для эффективной работы электрофильтра целесообразно поддерживать рабочее напряжение на уровне до аварии, т.е. на уровне возникновения искры ограниченной интенсивности.

Сложность процессов электрофильтра делает невозможным прямое использование простых электростатических зависимостей для расчета промышленного электрофильтра.

1.3 Осаждение заряженных частиц

Электрофильтр для очистки газа

Заряженная частица, двигаясь в электрофильтре вместе с потоком газа, одновременно участвует в другом движении - благодаря взаимодействию с электрическим полем она движется к осадительному электроду. Величина этой составляющей (перпендикулярной продольной оси межэлектродного канала), обычно называемая дрейфом частиц, возникает в результате взаимодействия электрических (кулоновских) сил, действующих на частицу, и силы аэродинамического сопротивления газообразной среды для движения частицы.

Инерционными силами частиц обычно пренебрегают в расчетах из-за их кажущейся незначительности.

Время прохождения очищенного газа через электрофильтр обычно составляет около 10-15 секунд, и крупные частицы при горизонтальном движении газа в активной зоне имеют возможность оседать в бункере установки под действием гравитационных сил. Поэтому даже при снятии напряжения с разрядного электрода на 30 % от общей массы пыли в газе. Однако этот эффект гравитационных сил обычно не учитывается в расчетах электрических пылеуловителей, поскольку крупные заряды обычно почти полностью задерживаются в электростатическом фильтре, независимо от того, способствуют им гравитационные силы или нет. Для мелких частиц эффектом гравитации пренебрегают, поскольку предполагается, что в условиях турбулентного перемешивания его влияние пренебрежимо мало.

Ионный ток, движущийся к осадительным электродам, увлекает некоторые молекулы газа в том же направлении. Однако, соблюдая закон непрерывности, происходит и обратное движение молекул газа от осадительных электродов к коронирующим электродам. Таким образом, вторичные поперечные токи, электрический ветер, накладываются на движение газа в межэлектродном канале. Однако ускорение молекул ионами достигает относительно высокого уровня только в неподвижной газовой среде, когда возможны стабильные замкнутые токи. В условиях электрофильтра, где газовая среда движется по межэлектродным каналам и возникновение этих замкнутых вторичных токов затруднено (за исключением упомянутых областей вблизи электродов разряда), прямое влияние электрического ветра на движение частиц обычно пренебрежимо мало и в расчетах не учитывается. Однако электрический ветер оказывает косвенное влияние на движение частиц, поскольку он дополнительно увеличивает турбулентность газового потока в электрофильтре. [8]

Турбулентное состояние чистого потока оказывает значительное влияние на процессы электростатического осаждения. Если бы в электрофильтре присутствовал ламинарный поток газа, то для каждой частицы, попадающей в электрофильтр, можно было бы определить точку выхода на коллекторном электроде. Значения начального положения частицы, скорости газа и скорости дрейфа полностью предсказывают конечное положение выбранной частицы в ламинарном потоке газа. В случае турбулентного потока, однако, частицы движутся беспорядочно под воздействием вихрей и пульсаций газа, так что можно ожидать, что данная частица достигнет заданного участка поверхности осаждения только с определенной вероятностью. Более того, нельзя даже утверждать, что данная частица будет выброшена в любой заданной точке на поверхности осаждающего электрода.

Таким образом, процесс электролитического осаждения в электрофильтре имеет вероятностный характер, который определяется турбулентностью чистого потока. Кроме того, в последние годы все чаще наблюдается, что турбулентные вихри и пульсации приводят к увеличению предельной нагрузки мелких частиц, поскольку они увеличивают вероятность прохождения этих частиц вблизи коронирующих электродов, где Ez выше, чем в других областях электрофильтра.

В мокрых сепараторах пыль, осевшая на осадительных электродах, орошаемых водой, смачивается и больше не возвращается в газовый поток. Однако в сухих сепараторах осевшая пыль может быть возвращена в газовый поток (вторичный унос пыли). Этот процесс особенно заметен при сбросе пылевого слоя в бункеры электрофильтров, так как при сбросе обычно происходят удары по электродам коллектора с сопутствующим интенсивным разрушением пылевого слоя. Однако в промежутках между процессами встряхивания также происходит вторичный перенос за счет эрозии пылевого слоя. Она может быть значительной из-за перегрузки частиц в слое, которая возникает при определенных условиях, а также при высоких скоростях чистого газа.

Помимо очевидного осаждения пыли на электродах коллектора, происходит также осаждение частиц пыли на электродах разряда. Этот процесс обусловлен тем, что вблизи разрядного электрода существует большой градиент напряжения, и крупные частицы, получающие дополнительный заряд, стремятся приблизиться к разрядному электроду. Расстояние между положительным полюсом частицы и электродом разряда меньше, чем расстояние между отрицательным полюсом частицы и тем же электродом. В результате притягивающая сила между положительным зарядом электрода больше, чем отталкивающая сила между отрицательным зарядом частицы и таким же зарядом электрода.



2. Классификация электростатических фильтров

Система электрофильтра для очистки газов состоит из двух частей: собственно электрофильтра - сепарационной камеры, через которую проходят очищаемые газы - и преобразовательной станции с сопутствующим оборудованием. Конструкция сепараторов конкретного назначения определяется технологическими условиями их эксплуатации: составом и свойствами газов и содержащихся в них взвешенных частиц, температурой, давлением газа, требуемой степенью очистки и т.д. Ввиду большого разнообразия конструкций электростатических фильтров, их классифицируют по ряду основных характеристик. В зависимости от количества зон прохождения газа электрофильтры делятся на две группы: [12]

- Однозонная, где зарядка и сепарация частиц происходят в одной расчетной зоне, где расположены системы коронного разряда и сепарации (рис. 5);

- Двухзонные системы, в которых зарядка и осаждение происходят в двух зонах, одна из которых содержит систему ионизации коронного разряда, а другая - систему осаждения (рис. 6).

Рисунок 5. Принципиальная схема однозонного электростатического осадителя: 1 - высоковольтные провода коронного разряда: 2 - коллекторные пластины; 3 - коронный разряд вдоль провода; 4 - заземление; пыль собирается на пластинах

Рисунок 6. Схема двухзонного электростатического осадителя: 1, 2 - положительный и отрицательный электроды ионизатора; 3, 4 - положительный и отрицательный электроды осадителя

Осадительные электроды делятся на пластинчатые и трубчатые, в основном в зависимости от типа используемого осадительного электрода (Рисунок 7). Трубчатые электрофильтры - это устройства с вертикальным входом газа. Очищаемые газы проходят через трубчатые собирающие электроды, заключенные в общую конструкцию. В основном они используются для сбора жидкостей. В трубчатых электрофильтрах используются цилиндрические трубки диаметром 0,25 ... Шестигранные трубки диаметром 0,3 мм с окружностью 0,25 м. Длина трубок составляет 3...5 м.



Рисунок 7. Принципиальная схема трубчатого электрофильтра: 1 - бункер; 2 - входная газовая камера; 3 - электрод осаждения; 4 - электрод разряда; 5 - выходная газовая камера; 6 - подвесная рама электрода разряда; 7 - изолятор; 8 - механизм перемешивания электрода; 9 - заземление; 10 - нижняя рама электрода разряда; 11 - шихта

Рисунок 8. Схема трехпольного горизонтального пластинчатого электрофильтра: 1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды; 3 - корпус; 4 - масса; 5 - структура осадительного электрода

Пластинчатые электрофильтры - это устройства с осадительными электродами в виде пластин, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Коронирующие электроды расположены между пластинами и прикреплены к рамам. В ЭСП коллекторные электроды выполнены в виде плоских пластин или смонтированы из стержней диаметром 8 мм, если скорость газа не превышает 1 м/с (рис. 8). Для более высоких скоростей газа (1,5.1,7 м/с) коллекторные электроды монтируются из кованых элементов со специальным профилем. В зависимости от размера пластинчатого электрофильтра, длина активного поля составляет 1,5 ... 4 м и высотой 4 ... 12 m.

В зависимости от направления потока газа электрофильтры делятся на вертикальные и горизонтальные. Корпус электрофильтра может содержать несколько независимых электродных систем, расположенных одна за другой; такие электрофильтры обозначаются как двухпольные, трехпольные, четырехпольные и многопольные, в зависимости от количества полей. Пластинчатые электрофильтры используются для разделения жидких и твердых частиц. [1]

Таблица 1. Классификационные характеристики электростатического фильтра

Признаки классификации	Тип электрофильтра
По типу осадительных электродов	Трубчатый, пластинчатый
По способу удаления осажденных частиц с электродов	Сухой, мокрый
По направлению хода газа	Вертикальный, горизонтальный
По количеству последовательных электрических полей	Однопольный, многопольный
По количеству параллельных секций	Односекционный, многосекционный

Однозонные электрофильтры делятся на следующие группы:

1) горячие "сухие" электрофильтры для очистки дымовых газов из печей, рассчитанных на температуру до 423 °C;

2) "сухие" электрофильтры для очистки дымовых газов и т.д., рассчитанные на работу при температуре до 250 °C;

3) "мокрые" электрофильтры для очистки неагрессивных газов;

4) "мокрые" электрофильтры для очистки холодных и агрессивных газов;

5) "мокрые" электрофильтры для очистки горячих и агрессивных газов.

Горячие сухие электрофильтры, предназначенные для тонкой очистки углеродистой пыли от продуктов сгорания серной кислоты, используются в химической промышленности и цветной металлургии. Были разработаны электрофильтры различных типоразмеров: электрофильтры VP (вертикальные пластины) - двухсекционные электрофильтры с кирпичным коробом, используемые для очистки газов, образующихся при обжиге каменно-колчеданных концентратов и флотации, распространенной в печах механического слоя.

Электрофильтры ОГ-3-20 и ОГ-3-30 (горизонтальное пламя) представляют собой двухсекционные, трехпламенные агрегаты с кирпичными корпусами.

Электрофильтры OG - 3 - 8, OG - 4 - 16 представляют собой цельные, трех- или четырехэтажные установки с корпусом из жаропрочной стали или бетона.

Сухие сепараторы для температуры газа 250 °C выпускаются в следующих исполнениях: DVP - вертикальное; DGP, DGPN, PGD и PGDS - горизонтальное; CD - горизонтальное; UVP - вертикальное, SG - горизонтальное, TS - вертикальное трубчатое.

Мокрые электрофильтры делятся на следующие типы: ДМ - для очистки доменного газа; С - для очистки регенерационной смолы и коксового газа; ПГ и КПГ - для очистки газов содового производства, подаваемых на газирование.

Электрофильтры DM (рис. 8) устанавливаются ниже по потоку от мокрого и турбулентного скрубберов и рассчитаны на избыточное давление 0,18 - 0,25 мН/м2 (1,8 - 2,5 кгс/см2).

DM представляет собой двухсекционный вертикальный трубчатый аппарат в цилиндрическом стальном корпусе. Внутри корпуса между двумя трубчатыми решетками расположены осадительные электроды, изготовленные из цельных стальных труб с внутренним диаметром 233 мм.

Мокрые электрофильтры для очистки холодных агрессивных газов делятся на следующие типы: M - вертикальная трубчатая линия, без корпуса, с шестиугольными сотовидными осадительными электродами. Применяются для очистки газов тумана H2SO4, оксидов мышьяка и селена в контактном сернокислотном производстве; ШМК - вертикальная труба с шестигранными сотовыми осадительными электродами, стальная, футерованная оболочка.

Электрофильтры (рис. 9) предназначены для работы при температуре до 40 °C и устанавливаются после двухступенчатых промывочных башен. КМП представляет собой одноэтажный вертикальный цилиндрический блок. Корпус изготовлен из стали, внутренняя часть выложена кислотостойким кирпичом с полиизобутиленовой поддержкой. Крышка изготовлена из стали и защищена свинцовой пластиной. [9]

Рисунок 9. Обзор электрофильтра ШМК с мокрой трубой: 1 - кислотостойкое покрытие; 2 - винипластовые осадительные электроды; 3 - винипластовая опорная решетка; 4 - звездообразный коронирующий электрод; 5 - подвесные шины; 6 - коронирующие экраны; 7 - изоляционные коробки; 8 - газораспределительная решетка.

Для очистки вентиляционного воздуха используются двухзонные электрофильтры. Они отличаются от однозонных электрофильтров тем, что в последних процессы ионизации газа коронным разрядом и отделения заряженных частиц в электрическом поле происходят в одной фазе, тогда как в двухзонном электрофильтре эти процессы разделены.

Рисунок 10. Мокрый трубчатый сепаратор DM для очистки доменного газа с непрерывной промывкой собирающих электродов: 1 - дроссель; 2 - фланец; 3 - соединение изоляционной коробки; 4 - изоляционная коробка без подвода; 5 - изоляционная коробка с подводом; 6 - коллектор воды с непрерывной пленкой; 7 - рама подвески коронирующего электрода; 8 - коронирующие электроды; 9 - осадительные электроды; 10 - нижняя рама коронирующего провода; 11 - корпус аппарата; 12 - газораспределительная сеть; 13 - ребра газораспределения; 14 - опора корпуса электрофильтра

Двухзонный электрофильтр состоит из ионизатора, т.е. электродной системы, и сепаратора с пластинчатыми электродами, на которых осаждается заряженная пыль.

Процесс очистки газа в двухзонном электрофильтре происходит следующим образом: Поступающие в установку запыленные газы проходят через ионизатор, который состоит из электродов в виде высоковольтных проводов и чередующихся трубок, подключенных к отрицательному полюсу выпрямителя электрогенератора. В ионизаторе между проводами и трубками возникает коронный разряд, и взвешенные частицы пыли приобретают положительный или отрицательный заряд. В разделяющем поле заряженные частицы пыли осаждаются на пластины с противоположными знаками.

Двухзонные электрофильтры типов РИОН-1,4 и РИОН-2,7 оснащены устройствами для автоматической очистки электродов пылеуловителя. В этих электрофильтрах система положительных осадительных пластин закреплена на высоковольтных фарфоровых изоляторах, а отрицательные пластины закреплены на двух бесконечных цепях, которые вращаются на верхней и нижней звездочках, образуя постоянно движущуюся завесу. Электрофильтры типа РИОН-0, 17-ПМ предназначены для регулярной промывки электродов водой.

К двухзонным электрофильтрам также относятся электростатические фильтры с экранированными электродами коронного разряда, электростатические фильтры с радиоактивной ионизацией и центробежные электрофильтры (электроциклоны).

Ионизирующие радиоактивные электрофильтры - это модифицированные двухзонные электрофильтры, в которых газ ионизируется за счет облучения источником радиоактивного излучения, а не коронного разряда. [3]

Очистка газа вполне возможна в электростатических центробежных сепараторах, поскольку эффект седиментации усиливается за счет одновременного действия электрических и других сил (инерции, центробежной силы и т.д.) на взвешенные частицы.

Для электрохимического синтеза органических соединений были предложены многочисленные лабораторные электролизеры для проведения реакций окисления или восстановления в различных условиях.



3. Применение электрофильтров в промышленности

3.1 Очистка печного газа в производстве серной кислоты

3.1.1 Очистка пыли от монооксида углерода в дымовом газе

Во время обжига сырья для производства серной кислоты из сернистого пирита или флотационного концентрата из печей выделяются газы, содержащие оксид железа - углеродистая пыль. Большая часть серы в шлаке находится в форме FeS, меньшая часть - в форме пирита и халькопирита с небольшой примесью сульфидов железа и меди. Кроме того, пепел содержит кварц и некоторые силикаты.

Если шлаковая пыль не удаляется из газов, она может загрязнять башню или кислотную промывку, загрязнять башни и другое технологическое оборудование и коммуникации, а также нарушать технологический процесс.

Содержание пыли в печных газах составляет (в г/м3 а.с.л.): для механических вращающихся печей от 1,0 до 10; для грязевых печей от 20 до 80; для печей с кипящим слоем от 50 до 250. Печные газы содержат 7-13 об. % SO2, 0,2-1,0 об.% SO3, 30-40 г/м2 H2O.

На сернокислотных заводах для одноступенчатой очистки газов механических печей и двухступенчатой очистки газов пылеугольных печей использовались двухсекционные вертикальные гранулированные электрофильтры типа HK с корпусами из кирпичной кладки.

Содержащийся в газах SO3 (кондиционирующий агент) способствует стабильной работе электрофильтров при температурах 275-425°C. При более низких температурах SO3 может конденсироваться и, как следствие, вызывать коррозию внутренних металлических деталей и отложение влажной шлаковой пыли внутри агрегата. При более высоких температурах на электродах разряда образуются твердые отложения ("колбаски") и ухудшается очистка газа. Свой вклад вносит и деформация внутренних металлических конструкций электрофильтров (разрядных рам, электрододержателей и т.д.). [12]

3.1.2 Очистка газа от тумана серной кислоты, мышьяка и селена в контактном производстве серной кислоты

Газы сернокислотной контактной установки на выходе из промывочных башен содержат примеси, оказывающие агрессивное воздействие на контактную массу: мышьяк в виде триоксида (As2O3), селен в виде диоксида (SeO2), брызги и туман серной кислоты, а также мелкую шлаковую пыль, которую невозможно собрать шлакоуловителями и промывочными башнями. Газы должны быть очищены от этих примесей.

Количество вредных примесей зависит от сырья, используемого для производства сернистого газа, способа обжига, степени углекислотной очистки газов, температурного режима, интенсивности орошения и концентрации распыленных кислот в скрубберных башнях. Например, если сжигается чистая сера, эти примеси не присутствуют в газах, и очистка не требуется. При сжигании серы, содержащей мышьяк и селен, а также при сжигании сульфидных руд или флотационных концентратов содержание мышьяка в газах достигает 80 мг/м3 и более (a n.a.); при сжигании сульфидной металлургии - 10-12 мг/м3 диоксида селена в газах, а при сжигании серы - 35-90 мг/м3.

Содержание серной кислоты и тумана в газах обычно составляет 1-8 г/л3. При сжигании сернистого навоза в печах с кипящим слоем содержание мышьяка в газах резко снижается по сравнению с сжиганием в других печах. Стандарты предусматривают, что содержание мышьяка не должно превышать 0,005 мг/м3, а туманов серной кислоты - 0,005 г/л3 в очищенных газах; для диоксида серы и пыли таких стандартов не существует. Предполагается, что газы должны быть почти полностью удалены. Диоксид селена не оказывает отрицательного воздействия на контактную массу, но для повышения извлечения селена следует стремиться к полному восстановлению. Из общего количества селена, содержащегося в дымовых газах, около 50 % оседает в мокрых электрофильтрах в виде так называемого богатого шлама, который содержит 45-70 % селена.

Очистка дымовых газов от серной кислоты, мышьяка и селеновых туманов обычно проводится в два этапа. Газы из второй скрубберной башни подаются в мокрые электрофильтры первой ступени при температуре 35-40 °C, затем в полые башни ослабления (на некоторых заводах имеются струйные башни), орошаемые серной кислотой при 5% рециркуляции, и окончательно очищаются в мокрых электрофильтрах второй ступени.

3.2 Очистка газа при производстве соды

3.2.1 Очистка газов известковых печей

В аммиачном методе газы с высоким содержанием углекислого газа (35-42 % CO2) используются для карбонизации рассола, содержащего аммиак, для производства кальцинированной соды.

Диоксид углерода для процесса карбонизации обычно производится путем кальцинирования известняка или мела в непрерывных вращающихся печах в присутствии пылевидного кокса или угля, вдуваемого в печь при температуре 900-1200 °C. Затем углекислый газ сжигается в печи. На процесс обжига расходуется 7-10 % от веса известняка, загруженного коксом или углем.

Обычно газы после печей имеют температуру 100-200 °C и содержат 1-2 г/м3 пыли (при н.у.). Для транспортировки газов на установку кальцинации с помощью центробежных компрессоров, которые очень чувствительны к пыли, необходима тонкая очистка газов до конечного содержания пыли около 5 мг/м3 (a n.a.).

Газы из печей обжига извести очищаются в комбинированных скрубберах - электрофильтрах (ЭФ) типа CMK.

В нижней части очистителя этих приборов газы охлаждаются частично очищенной от пыли водой. В верхней части аппарата, состоящей из небольшой трубки электрофильтра с периодической промывкой электродов водой, происходит окончательная очистка газов. [3]

3.2.2 Очистка газов из вращающихся печей (тамбуров)

При производстве кальцинированной соды на основе природного сульфата натрия газы из вращающихся печей (тамбуров) содержат большое количество порошка (до 45-60 г на 1 м3 газа а.с.м.), который имеет примерно следующий состав (в %): Na2CO3 - 75; F2O3 - 24; Nad-1,0.

Температура газов на выходе из печей составляет 400-500 °C. Эти газы очищаются следующим образом. Они проходят через зигзагообразные газоходы и камеры сбора пыли, откуда поступают в горизонтальные трехслойные пластинчатые электрофильтры при температуре 300-350 °C и содержании пыли около 12-15 г/м3 (по a.s.l.). При нормальных условиях горения в печах предварительного сжигания и отсутствии значительного количества сажи в газах эффективность очистки газов в электрофильтре при скорости 0,8 м/с достигает 98%; остаточное содержание пыли в газах не превышает 0,2 г/м3. Наличие сажи в газах значительно снижает эффективность очистки, поэтому для нормальной работы электрофильтра необходимо поддерживать режим печи для обеспечения полного сгорания топлива. Более целесообразна схема очистки газа с его охлаждением на выходе из антакамеры до 200 °С в полых скрубберах, орошаемых слабым раствором соды. Затем газы направляются в электростатические фильтры, а затем в выхлопную систему, откуда они выбрасываются в атмосферу.

Увлажнение газов улучшает очистку в электрофильтрах, поскольку отделенная пыль становится более электропроводной; в то же время содовый раствор улучшается за счет испарения в скруббере, что также представляет интерес для промышленности. [11]



3.3 Очистка отходящих газов горной промышленности

Выхлопные газы из сухих барабанов, используемых в производстве минеральных удобрений (фосфатный концентрат, фосфатная руда и т.д.), содержат значительное количество пыли.

Например, при сушке нефелинового концентрата в барабанных сушилках (которые оснащены печами, сжигающими мазут) на нефелиновом заводе "Апатит" 10-20% продукта выбрасывается с отходящими газами.

Эти газы обычно очищаются в две стадии, либо в циклонах группы НИИОГаз, либо в батарейных циклонах и двух- или трехступенчатых горизонтальных электрофильтрах типа С.

Электрофильтры типа C представляют собой горизонтальные блоки из одной или двух секций с двумя или тремя электрическими панелями в каждой секции; корпуса электрофильтров изготавливаются из стали или железобетона. Для балансировки потока газа на диффузорах установлены газораспределительные сети с вибрационными механизмами. Осадительные электроды представляют собой гофрированные стальные пластинчатые электроды или пластины из стального прутка.

Перелив газов через воронку электрофильтра предотвращается с помощью газовых резаков, расположенных перпендикулярно нижней части электродов коллектора.

Коронирующие электроды выполнены в виде прямоугольных трубчатых каркасов, в которые на крючках нанизаны спирали из хромовой проволоки диаметром 2 мм. Они крепятся к рамам с помощью подвесных высоковольтных трубчатых опор; изоляторы устанавливаются на крышке электрофильтра в изоляционных коробках, которые утоплены в корпусе и нагреваются горячими газами. Также можно нагревать изоляторы с помощью электрических нагревательных элементов.

Электроды встряхиваются молотковым механизмом с электроприводом, который может работать непрерывно или прерывисто. Осевшая пыль непрерывно выводится через герметичные заслонки. [13]

При выборе пылеуловителя для первой стадии очистки следует учитывать, что по сравнению с батарейными циклонами групповые циклоны используют меньше металла, проще в изготовлении, работают несколько эффективнее и менее склонны к образованию пылевых отложений. Однако для абразивной пыли (например, апатита) следует использовать батарейные циклоны, поскольку они более устойчивы к истиранию пыли и поэтому более надежны и долговечны.

3.4 Очистка газа в установках снижения сажи

Сажа образуется при горении нефтепродуктов или горючих газов в условиях недостатка воздуха (в коптящем пламени).

Характерной особенностью сажи являются ее высокодисперсные частицы (размер 0,01-5,5 мкм) и низкое электрическое сопротивление. Плотность сажи составляет 1750-2000 кг/м3, а насыпная плотность - 40-300 кг/м3. Отходящие газы при производстве сажи взрывоопасны и огнеопасны, их теплотворная способность составляет около 3,34 МДж/кг (800 ккал/кг). После очистки отработанные газы с заводов по производству сажи обычно выбрасываются в атмосферу. В последние годы на предприятиях начали использовать дожигатели для извлечения тепловой энергии из дымовых газов и обезвреживания выбросов в атмосферу. В зависимости от процесса производства сажи и ее качества используются различные системы сбора сажи.

Ламповая тьма образуется при сгорании зеленого масла или других нефтепродуктов дымным пламенем в снарядах или при распылении нефтепродуктов в реакторах из-за недостатка воздуха.

Отработанные газы на выходе из реактора имеют температуру 1150-1200 °C. Перед поступлением в коллектор газы проходят через полые скрубберы, где они увлажняются водой из форсунок и полностью испаряются; скрубберы оснащены водяными рубашками для улучшения эффекта охлаждения газов. В скрубберах газы охлаждаются до 220-250 °C. [6]

Трехсекционные горизонтальные электрофильтры типа SG установлены для очистки газа ниже по потоку от охладителей очистителей. Этот тип ЭЦН имеет стальной корпус и оснащен разрывными клапанами для сброса пиков давления в случае "всплесков" в системе.

Осадительные электроды ESP представляют собой пластинчатые электроды, изготовленные из стальных прутков диаметром 8 мм с шагом 11 мм. Коронирующие электроды изготовлены из никель-хромовой проволоки диаметром 2,2 мм. Разрядные электроды каждого электрического поля подвешены к раме вверху, а внизу имеется рама для крепления электродов; электроды натягиваются с помощью чугунных грузов, подвешенных к их нижним концам.

Система коронирования подвешена на фарфоровых втулках типа ПО-1, установленных в изоляционных коробках; для защиты изоляторов от загрязнения сажей в изоляционных коробках создается противодавление путем подачи нагретого воздуха с температурой выше точки росы (0,028-0,036 м3/с на коробку).

Перемешивание осадков и коронирующих электродов происходит автоматически с помощью молотковых механизмов. Во избежание аспирации воздуха и образования взрывоопасной смеси электрофильтры SG работают при избыточном давлении 50-100 Н/м2. Содержание кислорода в газах, поступающих в электрофильтр, не должно превышать 1,3% по объему. Содержание кислорода в газах в электрофильтре и на выходе из него не должно превышать 2% по объему. При содержании сажи 120-140 г/м3 и скорости газов в электрофильтре SG 0,4-0,5 м/с степень очистки сажи достигает 98-99%.

Степень очистки значительно снижается при увеличении скорости газа в электрофильтрах, а также при увеличении мощности сажевых реакторов.

...