Электрическая очистка газов — это процесс, основанный на использовании электрических сил для удаления аэрозольных, твердых или жидких частиц из газового потока. Этот метод широко применяется в промышленности для очистки дымовых газов и воздуха от пыли и тумана.
Электрическая очистка газов является одним из наиболее эффективных методов удаления мелких частиц, включая пыль и аэрозоли, из газового потока. Она широко используется в промышленности для очистки дымовых газов и воздуха, а также в быту для очистки воздуха в жилых помещениях. Преимуществами электрофильтров являются их высокая эффективность, экономичность и возможность очистки газов от частиц размером до 0,01 мкм.
Принцип действия электрических фильтров
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.
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.
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.
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.
Влияние факторов на эффективность электрической очистки газов в электрофильтрах
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.
Методы удаления осажденной пыли с электродов
Эффективная работа электрофильтра напрямую зависит от своевременного и качественного удаления осажденной пыли с электродов. Накопление пыли приводит к снижению напряженности электрического поля, образованию обратной короны и, как следствие, к ухудшению эффективности очистки газа. Существует несколько основных методов удаления пыли:
- Механическое встряхивание. Один из самых распространенных методов. Заключается в периодическом встряхивании электродов с помощью специальных механизмов (молотков, вибраторов). Пыль осыпается под действием силы тяжести в бункер-накопитель, расположенный под электрофильтром. Эффективность встряхивания зависит от частоты и интенсивности ударов, а также от свойств пыли (адгезии, влажности).
- Промывка водой (мокрые электрофильтры). В мокрых электрофильтрах пыль непрерывно или периодически смывается с электродов струями воды или специальными растворами. Этот метод эффективен для удаления липкой и гигроскопичной пыли, а также при работе с газами, содержащими влагу. Недостатком является необходимость утилизации загрязненной воды.
- Пневматическая очистка (импульсная продувка). Метод заключается в периодической продувке электродов сжатым воздухом. Импульс сжатого воздуха сбивает пыль с электродов, которая затем удаляется из электрофильтра. Этот метод эффективен для удаления сухой и легко осыпающейся пыли.
- Ультразвуковая очистка. Более современный метод, основанный на использовании ультразвуковых колебаний для разрушения связи между пылью и поверхностью электрода. Ультразвуковые генераторы создают колебания высокой частоты, которые передаются на электроды. Метод эффективен для удаления трудноудаляемой пыли, но требует более сложного оборудования.
Выбор метода удаления пыли зависит от многих факторов, включая тип электрофильтра, свойства пыли, требования к чистоте газа и экономические соображения. Часто на практике применяются комбинированные методы, сочетающие в себе преимущества различных способов очистки электродов. Регулярное и эффективное удаление пыли с электродов – залог стабильной и высокой эффективности работы электрофильтра.
Расчет и проектирование электрофильтров для очистки газов
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.
Ограничения и особенности использования электрофильтров для очистки газов
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.
Кроме того, электрофильтры имеют ограничения в использовании при очистке газов, содержащих взрывоопасные смеси, поскольку могут генерировать искровые разряды, что представляет опасность. Однако, в некоторых случаях, с применением специального оборудования, электрофильтры могут использоваться и для таких задач, но это требует тщательного контроля и мер безопасности.
Электрофильтры широко применяются в промышленности для очистки технологических газов и систем аспирации, обеспечивая высокую эффективность улавливания твердых и жидких частиц. Они могут работать при различных температурах и давлениях, но требуют правильного обслуживания и установки для поддержания оптимальной производительности.
Смотрите также по этой теме:
Электростатические фильтры - устройство, принцип действия, области применения
Андрей Повный