Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

Справочник электрика / Электротехнические устройства

 

Электрическая очистка газов - физические основы работы электрофильтров



Если пропустить запыленный газ через область действия сильного электрического поля, то теоретически частички пыли приобретут электрический заряд и начнут ускоряться, двигаясь вдоль силовых линий электрического поля к электродам с последующим осаждением на них.

Однако в условиях однородного электрического поля получить ударную ионизацию с массовой генерацией ионов не удастся, потому что при этом непременно произойдет пробой промежутка между электродами.

Но если электрическое поле сделать неоднородным, то ударная ионизация не приведет к пробою промежутка. Этого можно достичь, например, применив полый цилиндрический конденсатор, у центрального электрода которого напряженность электрического поля E будет сильно выше чем вблизи внешнего цилиндрического электрода.

Получение неоднородного электрического поля с использованием полого конденсатора

Вблизи центрального электрода напряженность электрического поля окажется максимальной, тогда как по мере удаления от него в сторону наружного электрода, напряженность E сначала будет быстро и значительно уменьшаться, а дальше продолжат уменьшаться, но медленнее.

Увеличивая приложенное к электродам напряжение, сначала получим установившийся ток насыщения, а наращивая напряжение далее — сможем наблюдать повышение напряженности электрического поля у центрального электрода до критической величины и начало ударной ионизации возле него.

С дальнейшим ростом напряжения ударная ионизация станет распространяться на все большую область внутри цилиндра, а ток в промежутке между электродами будет увеличиваться.

В итоге возникнет коронный разряд, благодаря которому генерация ионов станет достаточной для зарядки частиц пыли, хотя окончательного пробоя промежутка так и не произойдет.

Генерация ионов для зарядки частиц пыли

Для получения коронного разряда с целью зарядки частиц пыли в газе подойдет не только цилиндрический конденсатор, но и другая конфигурация электродов, могущая обеспечить неоднородное электрическое поле между ними.

К примеру широко распространены электрофильтры, у которых неоднородное электрическое поле получается при помощи расположенных в ряд коронирующих электродов, установленных между параллельными пластинами.

Определение критического напряжения и критической напряженности, при которых возникает корона, производится благодаря соответствующим аналитическим зависимостям.

Электрический фильтр

В неоднородном электрическом поле между электродами формируются две различные по степени неоднородности области. Область короны способствует генерации ионов противоположных знаков и свободных электронов возле тонкого электрода.

Свободные электроны вместе с отрицательными ионами устремляются к положительному внешнему электроду, где отдают ему свой отрицательный заряд.

Корона здесь отличается существенным объемом, а основное пространство между электродами заполнено свободными электронами и отрицательно заряженными ионами.

В электрофильтрах трубчатой конфигурации очищаемый от пыли газ пропускается по вертикальным трубам диаметром от 20 до 30 см, с 2 - 4 миллиметровыми электродами, натянутыми по центральным осям вдоль труб. Труба является осадительным электродом, поскольку на ее внутренней поверхности и оседает уловленная пыль.

Пластинчатый электрофильтр имеет ряд коронирующих электродов по центру между пластинами, а пыль оседает на пластинах. Когда запыленный газ пропускается через подобный электофильтр, на частицах пыли абсорбируются ионы, и частицы таким образом быстро заряжаются. Будучи заряжены, частицы пыли ускоряются, двигаясь к осадительному электроду.

Определяющими факторами скорости движения пыли во внешней области коронного разряда являются взаимодействие электрического поля с зарядом частицы и сила аэродинамического ветра.

Сила, побуждающая частицы пыли двигаться к осадительному электроду, - кулоновская сила взаимодействия заряда частиц с электрическим полем электродов. По мере движения частицы к осадительному электроду, действующая сила кулона уравновешивается силой лобового сопротивления. Скорость дрейфа частицы к осадительному электроду можно вычислить, приравняв эти две силы.

На качество осаждения частиц на электрод влияют такие факторы как: размер частиц, их скорость, проводимость, влажность, температура, качество поверхности электрода и т. д. Но важнее всего электрическое сопротивление пыли. По величине удельного сопротивления пыль подразделяется на группы:

Пыль с удельным электрическим сопротивлением менее 104 Ом*см

При контакте такой частицы с положительно заряженным осадительным электродом, она тут же теряет свой отрицательный заряд, мгновенно приобретая заряд электрода — положительный. В этом случае частицу тут же может легко унести от электрода, а эффективность очистки упадет.

Пыль с удельным электрическим сопротивлением от 104 до 1010 Ом*см.

Такая пыль хорошо садится на электрод, легко стряхивается с трубы, фильтр работает очень эффективно.

Пыль с удельным электрическим сопротивлением более 1010 Ом*см.

Пыль плохо улавливается электрофильтром. Осевшие частицы очень медленно разряжаются, слой отрицательно заряженных частиц на электроде становится толще. Заряженный слой мешает осаждению вновь прибывающих частиц. Эффективность очистки падает.

Пыль с наиболее высоким удельным электрическим сопротивлением — магнезит, гипс, оксиды свинца, цинка и т. д. Чем выше температура — тем интенсивнее растет сопротивление пыли вначале (благодаря испарению влаги), а потом сопротивление падает. Увлажнив газ и добавив к нему некоторые реагенты (либо частицы сажи, кокса), можно понизить сопротивление пыли.

Попадая в фильтр, часть пыли может быть подхвачена газом и унесена вторично, это зависит от скорости газа и диаметра осадительного электрода. Вторичный унос можно снизить, тут же смывая уже уловленную пыль водой.

Вольт-амперную характеристику фильтра определяют некоторые технологические факторы. Чем выше температура — тем выше ток короны, однако напряжение устойчивой работы фильтра уменьшается из-за снижения напряжения пробоя. Выше влажность — меньше ток короны. Больше скорость газа — меньше ток.

Чем чище газ — тем выше ток короны, чем запыленнее газ — тем ток короны меньше. Суть в том, что ионы движутся более чем в 1000 раз быстрее пыли, поэтому когда частицы заряжаются — ток короны снижается, и чем больше пыли в фильтре — тем меньше ток короны.

При крайне сильной запыленности (Z1 от 25 до 35 г/м3) ток короны может снизиться практически до нуля, и фильтр перестанет работать. Это называют запиранием короны.

Запертая корона приводит к недостатку ионов для сообщения частицам пыли достаточного заряда. Хотя корона редко запирается полностью, при сильной запыленности электрофильтр действительно работает очень плохо.

В металлургии чаще всего применяют пластинчатые электрофильтры, отличающиеся высокой эффективностью, удаляющие до 99,9% пыли при низком энергопотреблении.

При расчете электрофильтра вычисляют его пропускную способность, эффективность работы, потребляемую мощность на создание короны, а также ток электродов. Пропускную способность фильтра находят по площади его активного сечения:

Зная площадь активного сечения электрофильтра, при помощи специальных таблиц выбирают подходящую конструкцию фильтра. Для нахождения эффективности работы фильтра пользуются формулой:

Если размер частиц пыли соизмерим с длиной свободного пробега молекул газа (порядка 10-7м), то скорость их дрейфа можно найти по формуле:

Скорость дрейфа крупных аэрозольных частиц находят по формуле:

Эффективность фильтра для каждой фракции пыли производится отдельно, после чего находят суммарную эффективность электрофильтра:

Рабочая напряженность электрического поля внутри фильтра зависит от его конструкции, от расстояния между электродами, от радиуса коронирующих электродов и подвижности ионов. Обычный диапазон рабочих напряженностей для электрофильтра - от 15*104 до 30*104 В/м.

Потери на трение обычно не рассчитываются, а просто принимаются равными 200 Па. Потребляемую мощность на создание короны находят по формуле:

Ток при улавливании металлургической пыли находят так:

Межэлектродное расстояние электрофильтра зависит от его конструкции. Длина осадительных электродов подбирается в зависимости от необходимой степени улавливания пыли.

Электрофильтры обычно не применяют для улавливания пыли чистых диэлектриков и чистых проводников. Проблема в том, что частицы с высокой проводимостью легко заряжаются, но и быстро разряжаются об осадительный электрод, в связи с чем их тут же уносит потоком газа.

Диэлектрические частицы оседают на осадительном электроде, уменьшают его заряд и приводят к образованию обратной короны, которая мешает фильтру нормально работать. Значения нормальной рабочей запыленности для электрофильтра лежат ниже 60 г/м3, а максимальная температура при которой электрофильтры используют, составляет +400 °С.

Смотрите также по этой теме:

Электростатические фильтры - устройство, принцип действия, области применения