1. Задача очистки газов от пыли

Во многих технологических процессах промышленные газы содержат мелкие твердые или жидкие частицы, от которых должны быть очищены. В целом ряде производств эти частицы являются конечным продуктом, например, в производстве некоторых цветных металлов, сажи, цемента, улавливании катализаторов при нефтеперегонке.

В других случаях требуется очистка газа от взвешенных частиц, как, например, при подготовке воздуха при производстве серной кислоты, или очистка воздуха в специальных помещениях при производстве полупроводниковых приборов или фотокинопленки. Получают распространение бытовые электрофильтры, используемые для очистки воздуха жилых помещений.

Наиболее широкое распространение получили электрофильтры для санитарной очистки дымовых газов тепловых электростанций. Так при сжигании твердого топлива только на одном блоке мощностью 500 МВт образуется примерно 500 м³ дымовых газов в секунду, содержащих до 20 г/м³ взвешенных частиц золы. Это соответствует выбросам в атмосферу 360 тонн золы в час.

Электрофильтры являются на сегодняшний день наиболее эффективным средством очистки газов благодаря ряду особенностей:

В электрофильтрах достигается высокая степень очистки газа до 99,9%;

Электрофильтры имеют очень низкое гидравлическое сопротивление потоку газа;

Электрофильтры позволяют улавливать взвешенные частицы в широком диапазоне размеров (от долей микрометров до десятков миллиметров);

Электрофильтры легко регенерируются;

Весь процесс очистки газов электрофильтрами легко поддается автоматизации.

Альтернативными способами очистки газов являются:

Рукавные фильтры (обладают высоким динамическим сопротивлением, которое растет по мере набора пыли и трудно регенерируются);

Циклоны и механические сепараторы (позволяют хорошо улавливать крупные частицы, но имеют низкую степень очистки для мелких частиц);

Мокрые скрубберы (имеют большой расход воды и относительно высокое гидравлическое сопротивление).

2. Принципиальная схема электрофильтра

Принципиальная схема электрофильтра представлена на рис. 1.

Рисунок 1:

Между двумя плоскими осадительными электродами расположен ряд коронирующих проводов. В промежуток между коронирующими и осадительными электродами поступает запыленный газ. В поле коронного разряда, возникающего при подаче высокого напряжения на провода, частицы заряжаются и под действием поля движутся к осадительными плоскостям, с которых они периодически удаляются. Таким образом, концентрация взвешенных частиц по мере прохождения через электрофильтр постепенно уменьшается.

3. Степень очистки газов в электрофильтре

Степень очистки газа в электрофильтре является основной характеристикой эффективности его работы. Она определяется содержанием пыли или жидких частиц в газе до поступления в электрофильтр и после выхода из него:

Где:

Z_вх - концентрации пыли на входе в электрофильтр;

Z_вых - концентрация пыли на выходе из электрофильтра.

Осаждение частиц происходит из области, непосредственно примыкающей к электроду. Убыль частиц в этой области восполняется за счет дрейфа частиц в электрическом поле и за счет увлечения их турбулентными потоками.

Так как течение газа в электрофильтре всегда турбулентное, то именно оно способствует выравниванию распределения концентрации частиц в межэлектродном промежутке.

В результате действия всех факторов: дрейфа частиц в поле, осаждения частиц на электродах и турбулентных пульсаций в межэлектродном промежутке устанавливается определенное распределение концентрации (рис. 2). Будем считать, что закон распределения концентрации частиц не меняется по длине электрофильтра, а уменьшается лишь абсолютное значение концентрации.

Рисунок 2:

Степень очистки определяется средней по сечению концентрацией пыли, которую мы обозначим Z_x, где за координату x принимается расстояние от входа в электрофильтр до рассматриваемого сечения.

Количество осажденной пыли определяется концентрацией пыли у осадительного электрода Z_ос. Так как мы приняли, что закон распределения концентрации неизменен по длине электрофильтра, то:

Z_ос / Z_x =

Есть величина постоянная на любом удалении в электрофильтр. Масса пыли g, содержащаяся в объеме межэлектродного промежутка длиной dx, отстоящем от входа в электрофильтр на расстоянии x, равна:

Где:

H - расстояние между осадительными электродами;

b - ширина осадительного электрода.

Уменьшение массы пыли за счет осаждения за время d на поверхность электродов площадью 2b dx будет равна:

Где:

- скорость дрейфа под действием поля у поверхности осадительного электрода.

Объединяя записанные соотношения, получаем:

Или:

После интегрирования последнего дифференциального уравнения, учитывая, что:

d = dx / u

Получаем:

Где:

l - длина электрофильтра, а u - скорость газа в электрофильтре.

Таким образом, степень очистки газа электрофильтром равна:

Для повышения эффективности улавливания пыли необходимо с одной стороны увеличивать скорость движения частиц к осадительному электроду и длину электрофильтра, а с другой стороны уменьшать скорость газового потока и ширину межэлектродного расстояния.

Если мы имеем дело с полидисперсным составом пыли (частицы разного размера), то расчеты ведутся по каждой фракции в отдельности, а затем интегральная степень очистки определяется как сумма средневзвешенных степеней очистки отдельных фракций:

Где:

g_i - доля i-ой фракции.

Скорость движения частиц к осадительному электроду (скорость дрейфа частиц) определяется главным образом действием электрических сил. Поэтому, как было показано в первой части, установившаяся скорость движения частиц может быть записана в виде:

Из полученного соотношения следует, что в первую очередь в электрофильтре осаждаются крупные частицы, а затем мелкие, у которых скорость дрейфа мала.

Квадратичный характер зависимости скорости от напряженности поля свидетельствует о целесообразности работы электрофильтра на предельно возможных напряжениях, что очевидно, соответствует предпробивному режиму. При этом предпочтительнее работать на отрицательной полярности питающего напряжения, т. к. при этом коронный разряд более устойчивый, а пробивное напряжение значительно выше.

4. Влияние концентрации дисперсной фазы на характеристики коронного разряда и процесс очистки газа электрофильтрами

а) трубчатый;

б) пластинчатый многопольный.

Трубчатые электрофильтры - аппараты с вертикальным потоком газа. Подлежащие очистке газы проходят внутри трубчатых осадительных электродов, по оси которых располагаются коронирующие провода. Слой пыли периодическим встряхиванием электродов удаляется в пылесборник, находящийся в нижней части электрофильтра.

Пластинчатые электрофильтры - аппараты с осадительными электродами в виде пластин, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Между пластинами расположены коронирующие электроды, укрепленные на рамах. В одном корпусе электрофильтра может быть расположено несколько независимых последовательно расположенных систем электродов, или, как принято их называть в практике газоочистки, электрических полей.

Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов.

Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рис. 6). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне - отрицательной полярности коронирующих электродов - светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 24 мм, квадратный со стороной 34 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 45 мм (рис. 6, а).

Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рис. 6, б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточно-игольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими характеристиками.

Рисунок 6. - Электроды электрофильтров: