4.2.4 Электрофильтры

Электрическая очистка - один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах.

Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, всегда оказываются частично ионизованными за счет различных внешних воздействий (рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, космических лучей нагрева газа и т.д.), поэтому они способны проводить ток, попадая в пространство между двумя электродами. Величина силы тока зависит от числа ионов и напряжения между электродами. При увеличении напряжения в движение между электродами вовлекается всё большее число ионов, и величина тока растёт до тех пор, пока они все не окажутся в движении. При этом величина силы тока становится постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший рост напряжения.

При некотором достаточно большом напряжении движущиеся ионы и электроны настолько ускоряются, что сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая нейтральные молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся новые ионы и электроны ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. Этот процесс называется ударной ионизацией газа.

Ударная ионизация газа протекает устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле. Неоднородное электрическое поле характерно для цилиндрического конденсатора (рисунок 2.29).

В зазоре между коронирующим 1 и осадительном 2 электродами создаётся электрическое поле убывающей напряжённости с силовыми линиями 3, направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот. Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4.

Изменение силы тока между электродами по мере роста напряжения показано на рисунке 2.30.

Рисунок 2. 29 – Схема расположения электродов в электрофильтре

Рисунок 2. 30 – Зависимость силы тока от напряжения между электродами

Частицы, поступающие в электрофильтр, обычно уже имеют небольшой заряд, полученный за счет трения о стенки трубопровода и оборудования. Этот заряд не превышает 5% заряда, получаемого частицей при коронном разряде.

Частица движется по направлению основного потока газа под действием аэродинамических сил со скоростью W_Г, близкой к скорости газа, которая составляет 0,5…2,0 м/с.

Основной силой, вызывающей движения частицы к осадительному электроду, является сила взаимодействия между электрическим полем и зарядом частицы.

Величина скорости Wэ этого движения зависит главным образом от размеров частиц и напряженности электрического поля Е.

Расчетные значения Wэ приведены в таблице 2.11.

Таблица 2.11- Значения скорости Wэ движения частицы к

осадительному электроду

Силы тяжести не оказывают заметного влияния на траекторию движения частиц пыли, и обычно их в расчетах не учитывают.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит также под действием силы давления электрического ветра. Он возникает у коронирующих электродов и вызывает циркуляцию газа в межэлектродном промежутке со скоростью до 0,5…1,0м/с. Из-за отсутствия методики расчета электрического ветра его влиянием на движение частиц пренебрегают.

Поскольку объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней, большинство частиц пыли получает заряд отрицательного знака. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде и лишь относительно небольшая на отрицательном коронирующем электроде.

Критическое напряжение U_кр на электродах, при котором возникает коронирующий разряд, определяется соотношением

,

где R₁ и R₂ – радиусы коронизирующего и осадительного электродов соответственно, м;

Е_кр - критическая напряженность электрического поля, при которой возникает корона, В/м.

Величина Е_кр определяется по эмпирическим формулам Пика [6]. Для коронирующего электрода положительной полярности

. (2.109)

Для коронирующего электрода отрицательной полярности

. (2.110)

В формулах (2.109) и (2.110) - поправка на плотность газа в рабочих условиях

,

где Р_ОКР - давление окружающей среды, Па;

Р_{г –} разряжение или избыточное давление в газоходе, Па;

t - температура газов,°С.

Формулы Пика получены для воздуха и электрода круглого сечения.

Коронирующий разряд возникает обычно при высоких напряжениях, достигающих 50кВ и более.

Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим и осадительным электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд, и получают тем самым ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака.

Процесс зарядки зависит от подвижности ионов; траектории движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, электрофильтры обычно делают короной отрицательной полярности.

На процесс осаждения пыли влияет электрическое сопротивление ее слоев.

По величине электрического сопротивления пыль классифицируют следующим образом:

1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (10⁴Омсм); частицы пыли мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возникает сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток; противодействует этой силе только сила адгезии, и если она оказывается недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очистки;

2) пыли с удельным электрическим сопротивлением от 10⁴ до 10¹⁰Омсм хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с него при встряхивании;

3) пыли с удельным электрическим сопротивлением более 10¹⁰ Омсм труднее всего улавливаются, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что препятствует осаждению новых частиц.

В реальных условиях удельное электрическое сопротивление пыли снижают увлажнением запыленного газа.

Эффективность очистки запыленного газа в электрофильтрах вычисляют по формуле [6]:

, (2.111)

где F_уд - удельная поверхность осадительных электродов, равная отношению поверхности осадительных элементов к расходу очищаемых газов в (м²с)/м³.

Из формулы (2.111) следует, что эффективность очистки возрастает с ростом значения показателя степени ω_эF_уд.

Конструкцию электрофильтров определяют следующие условия:

1) состав и свойства очищаемых газов;

2) концентрация и свойства взвешенных частиц;

3) параметры газового потока;

4) требуемая эффективность очистки и т.д.

В промышленности используют несколько типовых конструкций сухих и мокрых электрофильтров.

1. Сухие электрофильтры типа УГ (унифицированные горизонтальные) рекомендуется применять для тонкой очистки газов от пыли различных видов. В корпусе установлены 3 группы коронирующих и осадительных электродов.

2. Мокрые электрофильтры типа С используют и для тонкой очистки газа от масляных туманов, смолы и пыли в различных отраслях промышленности.

Принципиальная схема мокрого электрофильтра показана на рисунке 2.31.

В корпусе 3 установлены коронирующие и осадительные электроды 2, к которым подводится газ через распределительные решетки 1. В верхней части фильтра установлены смолоулавливающие зонты 4. Уловленная на электродах смола стекает в бункер и через гидрозатвор выводится из аппарата. При загустении смолы аппарат разогревают паром. Технические характеристики электрофильтров типа С приведены в таблице 2.12.

Рисунок 2.31 – Принципиальная схема мокрого электрофильтра типа С

Таблица 2.12 - Технические характеристики электрофильтров типа С

Продолжение таблицы 2.12

3. Двухзонные электрофильтры типа ФЭ РИОН и др. применяются для очистки вентиляционных выбросов и рециркуляционного воздуха от различной пыли.

Поток воздуха в таком фильтре проходит последовательно ионизационную зону, зону осаждения и противоуносный пористый фильтр. Накопленная пыль периодически смывается водой. Эти фильтры имеют следующие параметры:

эффективность очистки – 0,95;

гидравлическое сопротивление – 30…50 Па;

производительность по воздуху 1000м³/ч и более;

входная концентрация загрязнений не более-10мг/м³.

Принципиальная схема двухзонного электрофильтра показана на рисунке 2.32.