§ 2. Физические основы электрической очистки газа

В настоящее время применяют два основных типа электрофильтров — трубчатые и пластинчатые (рис. 11.4). В трубчатых электрофильтрах (рис. 11.4, в) запыленный газ пропускают по вертикально расположенным трубам диаметром 200—250 мм, по оси которых натянут коронирующий электрод — провод диаметром 2—4 мм. Другим осадительным электродом служит сама труба, на внутренней поверхности которой и оседает основная масса уловленной пыли. В пластинчатых электрофильтрах (рис. 11.4, а) коронирующими электродами являются также провода того или иного сечения, натянутые в ряд между параллельными пластинами, которые служат осадительными электродами.

Рис. 11.4. Принципиальные схемы электрофильтров: 1 — коронирующий электрод; 2 — осадительный электрод; 3 — выпрямитель; 4 — трансформатор.

Электрическое поле создается присоединением коронирующих и осадительных электродов к источнику выпрямленного тока (рис. 11.4, б) высокого напряжения (50—100 кВ).

Зарядка аэрозольных частиц. Внешняя зона коронного разряда заполнена ионами отрицательного знака и свободными электронами, движущимися к осадительному электроду. Скорость движения ионов, пропорциональная напряженности поля, составляет 60—100 м/с и характеризуется величиной так называемой подвижности ионов k. Из выражения

w_и = k·E м/с (11-10)

следует, что k представляет собой скорость движения иона w_и при напряженности поля Е = 1 В/м.

Ниже приведена подвижность ионов k·10⁴ в газах и парах при нормальных условиях, м²/(В·с):

Азот………………	1,84/1,28 *	Углекислый газ (сухой)…….	0,96/—
Водород………….	8,13/5,92	Окись углерода……………...	1,15/1,11
Кислород………..	1,84/1,32	Сернистый ангидрид……….	0,41/0,41
Воздух (сухой)…..	2,1/1,32	Водяной пар при 100° С……	0,57/0,62
* - В числителе—данные для отрицательных ионов, в знаменателе—для положительных

Как следует из приведенных данных, в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов больше, чем положительных. Это свойство ионов является одной из причин, по которым на коронирующём электроде электрофильтров поддерживается корона отрицательной полярности.

В рабочих условиях электрофильтров подвижность ионов можно считать пропорциональной абсолютной температуре и обратно пропорциональной давлению. В тщательно очищенных газах (азоте, водороде, окиси углерода) подвижность ионов может возрасти в десятки и сотни раз.

При пропуске через электрофильтр запыленного газового потока частицы пыли адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд. В результате частицы получают ускорение, направленное в сторону осадительного электрода.

Столкновение частиц пыли с ионами газа определяется двумя различными механизмами: а) движением ионов по силовым линиям под действием сил электрического поля; б) тепловым (броуновским) движением ионов газа и частиц пыли. Первый механизм определяет зарядку крупных частиц размером более 1 мкм, а второй — зарядку мелких частиц размером менее 0,2 мкм. Для частиц промежуточных размеров действуют оба механизма зарядки.

К моменту прекращения зарядки частица получает максимально возможный заряд q_м, Кл, который может быть вычислен по формуле, предложенной Потенье:

, (11.12)

где n — число элементарных зарядов; е — величина заряда электрона; e = 1,6·10^-19k; ε₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость частицы, равная: для газов 1, кварца и серы - 4, гипса - 5, окислов металлов - 12—18, чистых металлов ∞; δ — показатель диэлектрических свойств частицы; δ = 1+ ; E₃ - напряженность электрического поля у частицы, В/м; r - радиус частицы, м.

Кинетика зарядки крупных частиц, обусловленной дрейфом ионов, выражается уравнением, полученным Потенье:

. (11.12)

Постоянная времени зарядки равна:

χ = 4 ε₀/kN₀e. (11.13)

Проведенные по этим формулам подсчеты показывают, что в условиях работы электрофильтра скорость зарядки частиц очень велика и измеряется долями секунды. Механизм диффузионной зарядки частиц малого размера изучался Арендтом и Кальмацом, а позднее Уайтом. Ими было предложено следующее выражение для определения максимально возможного заряда малых частиц

, (11.14)

где m - масса иона, кг; r – радиус частицы, м; t – время, с.

Расчет по формуле (11.14) показывает, что возникший за первую секунду заряд частицы увеличивается с каждой последующей секундой не более, чем на 1 %. Поэтому заряд, который получит частица в первую секунду, можно принять максимальным.

Для обычных условий работы электрофильтра (N₀= 10¹⁴ ионов/м³ и Т = 150÷400 °С) вместо уравнения (11.14) можно пользоваться весьма упрощенным уравнением

. (11-15)

Интересно отметить, что максимально возможный заряд для крупных частиц пропорционален квадрату радиуса частицы, а для мелких, частиц — первой степени радиуса частицы.

Уравнения (11-11) и (11.148), строго говоря, пригодны лишь при малой концентрации частиц пыли в газовом потоке, когда концентрация ионов во внешней зоне коронного разряда остается приблизительно постоянной. При повышенной запыленности газа эти уравнения дают только приближенные решения, точность которых уменьшается с увеличением запыленности газа.

Частицы пыли, взвешенные в газе, почти всегда заряжены. Этот заряд, получаемый главным образом за счет трения частиц о стенки оборудования и газопроводов, называют трибозарядом. Для одних материалов (кварц, окислы металлов, металлы) трибозаряд отрицателен, для других (уголь, сера, песок) положителен. Трибозаряд обычно не превышает 5% заряда, получаемого частицей при коронном разряде.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду.

Скорость движения частиц во внешней зоне коронного разряда определяется совокупным действием следующих сил на частицу: аэродинамической силы движущегося газового потока; силы тяжести; давления электрического ветра; взаимодействием электрического поля и заряда частицы (кулоновская сила).

Согласно закону Ньютона давление газового потока на частицу:

, (11.16)

где - аэродинамический коэффициент; - площадь поперечного сечения частицы, нормального к направлению движения, м²; w_отн- относительная скорость, равная разности скорости газового потока и скорости частицы пыли, м/с; _г- плотность газа, кг/м³.

Под действием аэродинамической силы частица движется в потоке газа со скоростью, близкой к скорости газового потока (см. рис. 11.4, г). В электрофильтрах обычных конструкций газовый поток движется вдоль осадительных электродов, и поэтому сила давления газового потока не дает составляющей, направленной в сторону осадительного электрода.

Сила тяжести для частиц пыли, как правило, невелика. Ниже приведены скорости падения частиц плотностью 1000 кг/м³ в неподвижной среде:

Диаметр частицы, мкм ....	100	10	1
Скорость падения, м/с ... .	0,3	0,003	0,00003

За время пребывания в электрофильтре (10—15 с) частицы размером 10 мкм падают всего на 3—5 см. В большинстве случаев сила тяжести также направлена вдоль электрода. Вследствие незначительной абсолютной величины силу тяжести можно не учитывать.

Электрический ветер обусловлен механическим воздействием движущихся ионов на молекулы газа и частицы пыли. Электрический ветер возникает в местах генерации ионов, т.е. у коронирующих точек, и вызывает циркуляцию газа в межэлектродном промежутке со скоростью до 0,5—1 м/с (рис. 11.5). Для воздуха при комнатной температуре скорость электрического ветра w_э.в. может быть вычислена по формуле, предложенной Ледебуром:

, (11.17)

где Н – длина межэлектродного промежутка.

Рис. 11.5.. Движение частиц под действием электрического ветра: 1 — осадительный электрод; 2 — коронирующий электрод; 3 — коронирующие точки; 4 — траектории движения молекул газа

В плоскости коронирующих точек электрический ветер увлекает молекулы газа и мелкие частицы пыли к осадительному электроду, что способствует процессу осаждения. Однако между коронирующими точками вектор скорости электрического ветра имеет обратное направление, т.е. тормозит движение частиц под действием силы электрического поля. Тем не менее электрический ветер при малых скоростях газа в электрофильтре (до 1 м/с) несомненно оказывает положительное влияние благодаря выравниванию концентраций ионов и взвешенных частиц в поле электрофильтра. Ввиду того что вопрос этот изучен еще недостаточно и методика расчета не разработана, силой электрического ветра в расчетах обычно пренебрегают.

Основной силой, вызывающей движение частицы к осадительному электроду, является сила взаимодействия между электрическим полем и зарядом частицы (кулоновская сила).

В соответствии с законом Кулона эта сила равна:

, (11.18)

где - напряженность электрического поля в зоне осаждения.

Для крупных частиц величина q_м определяется формулой (11.11), для мелких частиц — формулами (11.14) и (11.15).

При движении заряженной частицы к осадительному электроду действующая на нее сила поля быстро уравновешивается силой сопротивления, которую в соответствии с законом Стокса можно принять приблизительно равной:

. (11.19)

Приравнивая друг другу эти две силы, можно найти скорость движения частицы к осадительному электроду, иначе говоря скорость дрейфа. Для крупных частиц при Е₃ = E_ос = Е и δ=2 скорость дрейфа w_д будет прямо пропорциональна их размеру и квадрату напряженности электрического поля, м/с:

. (11.20)

Для мелких частиц, приравнивая выражения (11.15) и (11.19), с учетом поправки Кенингема—Милликена получим, м/с:

, (11.21)

где С_к — поправка Кенингема—Милликена: С_к = 1 + ; здесь А — численный коэффициент, равный 0,815—1,63; λ — длина среднего свободного пробега молекул газа, м; λ = 10^-7 м.

Ниже приведены скорости дрейфа заряженных частиц различных размеров в электрическом поле коронного разряда, при различных значениях Е (вычисленные по приведенным формулам):

Как видно из формулы (11.21) и данных, приведенных выше, скорость движения малых частиц почти не зависит от размеров и изменяется только с изменением напряженности поля E.

Приведенные расчетные формулы следует рассматривать как приближенные, дающие, как правило, завышенные значения скоростей дрейфа. Поэтому при расчетах электрофильтров скорость дрейфа обычно принимают с понижающим коэффициентом, достигающим иногда 0,5 по отношению к значениям, полученным по формулам (11.20) и (11.21).

Осаждение заряженных частиц. Во внутренней зоне коронного разряда в равном количестве образуются ионы положительного и отрицательного знаков. Положительные ионы заряжают частицы пыли, проходящие во внутренней зоне коронного разряда, и нейтрализуются на отрицательном коронирующем электроде. Отрицательные ионы через внешнюю зону коронного разряда движутся к осадительному электроду, заряжают частицы, движущиеся в межэлектродном промежутке, и нейтрализуются на положительном осадительном электроде. Ввиду того, что объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней, основная масса частиц пыли получает заряд отрицательного знака. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном электроде и лишь относительно небольшая часть – на отрицательном коронирующем электроде.

На процесс осаждения частиц влияют многочисленные факторы – проводимость и размер частиц, скорость, температура и влажность газа, состояние поверхности электрода и т.д. Функциональную зависимость, описывающую влияние всех этих факторов на процесс осаждения, установить пока не удалось.

Наиболее важное значение для хода процесса осаждения частиц пыли на электродах имеет электрическое сопротивление слоев пыли, по величине которого пыль можно разделить на три группы:

1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (<10⁴ Ом·см), которые при соприкосновении с осадительным электродом мгновенно теряют свой заряд и перезаряжаются, приобретая заряд, соответствующий знаку электрода. Вследствие этого между частицей и электродом возникает отталкивающая сила, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток, которой противодействует только сила адгезии. В большинстве случаев последняя оказывается недостаточной для удержания частицы и возникающий вторичный унос резко снижает эффективность осаждения;

2) пыли с удельным сопротивлением 10⁴—10¹⁰ Ом·см, хорошо осаждающиеся н.а электродах и легко удаляемые встряхиванием, не вызывающие трудностей при эксплуатации электрофильтра;

3) пыли удельным электрическим сопротивлением >10¹⁰ Ом·см, которые труднее всего улавливаются в электрофильтрах. В этом случае оседающие на электроде частицы разряжаются медленно. В результате на электроде образуется слой отрицательно заряженных частиц, непрерывно увеличивающийся за счет вновь осаждающихся частиц и поджимаемый силой поля. С некоторого момента образующееся электрическое поле слоя препятствует осаждению новых частиц и эффективность электрофильтра начинает снижаться.

При равномерно сформированном на электроде слое пыли на последнем возникает разность потенциалов U₁, В:

, (11.22)

где (УЭС) — удельное электрическое сопротивление пыли, Ом·м; j — плотность тока короны, А/м²; δ — толщина слоя пыли, м.

При этом снижается на U—U₁напряжение коронного разряда, уменьшается ток короны и ухудшается работа электрофильтра (рис. 11.6, а).

Рис. 11.6. Влияние слоя пыли, образующегося на осадительном электроде на работу электрофильтра: а — снижение рабочего напряжения; б — образование обратной короны; 1 — осадительный электрод; 2 — коронирующий электрод; 3 — слой пыли; 4 — поры и трещины в слое пыли

Слой пыли, сформированный на электроде, обычно имеет поры и трещины, в связи с чем электрическое поле преобразуется в поле, аналогичное полю между двумя остриями, легко пробиваемому при невысоких напряжениях. Схематически это явление показано на рис. 11.6, б.

Высокая напряженность поля в трещинах, на что показывает сгущение силовых линий, вызывает там возникновение коронного разряда, сопровождаемого выделением ионов. Выделяющиеся положительные ионы движутся к коронирующему электроду, навстречу заряженным частицам пыли и частично нейтрализуют заряд последних. Это явление, называемое обратной короной, резко ухудшает работу электрофильтра. Появление обратной короны сопровождается значительным увеличением потребляемого тока (в несколько раз выше нормального) при значительно сниженном напряжении на электродах.

Пыли третьей группы часто образуют плотный и прочный изолирующий слой, трудно удаляемый с электрода.

Высоким удельным сопротивлением отличаются пыли некоторых огнеупорных материалов (магнезита, гипса), а также некоторые пыли цветной металлургии (окислы свинца и цинка, сульфид свинца). С повышением температуры газа удельное электрическое сопротивление пыли сначала увеличивается (вследствие испарения адсорбированной влаги), а затем начинает падать (вследствие повышения теплового возбуждения электронов в частицах пыли).

Снижение удельного сопротивления слоя пыли может быть достигнуто увлажнением газа (рис. 11.7), а также добавкой к газу некоторых реагентов (например, сернистого ангидрида, аммиака, хлоридов калия и натрия и т.д.). Аналогичные результаты можно получить при добавлении в газ электропроводных частиц сажи или кокса.

Рис. 64. Влияние температуры и влажности газа на удельное электрическое сопротивление слоя пыли при влажности, %: 1 — 30; 2 — 20; 3 — 10; 4 — 1,3

Удаление уловленной пыли с электродов. В сухих электрофильтрах удаление пыли с электродов производится их встряхиванием, в мокрых — смывом водой. При встряхивании электродов часть пыли, падающей с электродов в бункер, подхватывается газом и выносится из электрофильтра. Это явление называется вторичным уносом; оно существенно ухудшает процесс пылеулавливания. Величина вторичного уноса зависит в основном от двух факторов: скорости газа в электрофильтре и высоты электродов. Поскольку сила, действующая на частицы, определяется динамическим напором, величина вторичного уноса будет пропорциональна плотности и квадрату скорости газа. В то же время величина вторичного уноса зависит от длительности падения частиц пыли в бункер, которая определяется высотой электродов Н. Принимая, что вначале частицы движутся равноускоренно, а затем равномерно, можно считать, что величина вторичного уноса пропорциональна w_г^2·Hⁿ·p_г, где п лежит в пределах 0,6—0,75.

При смыве уловленной пыли с электродов водой вторичный унос практически отсутствует.