Назад: 7.2. Заряд и осаждение частиц в электрическом поле

 

7.3. Электрофильтры

 

Большое значение в этом процессе имеют физические характеристики вещества: проводимость, диэлектрическая проницаемость, плотность и т.д. На процесс осаждения кроме физиче­ских свойств частиц влияют и другие факторы: скорость потока газа, режим встряхивания осадительного электрода, температура, влажность и состав газа, размеры и форма частиц, степень чистоты осадительного электрода, обратная корона. Особенно сложно протекает процесс улавливания в смеси из проводящих и непрово­дящих частиц.

В простейшем случае осаждение частиц происходит, когда осадительный электрод представляет собой чистую зеркальную поверхность, закрепленную неподвижно, а в поле находятся сферические частицы, силы, сцепления которых равны нулю. Улавливание происходит в воздухе при нормальных условиях полем электрофильтра и полем осевших частиц. Частицу и осадительный электрод можно рассматривать как конденсатор, заряженный до напряжения U = φ – φ0 (φ – потенциал частиц; φ0 – потенциал стенки, в рассматриваемом случае φ0 = 0).

При соприкосновении со стенкой частица разряжается. Скорость разряда можно определить по формуле

       (7.17)

где R = r1 + r2 + r3 (r1, r2, r3 – соответственно внутреннее, поверхностное и контактное сопротивление частицы, Ом); С – емкость конденсатора, Ф.

Из (7.17) следует, что при удержании частицы на стенке осадительного электрода важную роль играет ее проводимость, При высокой проводимости частица разряжается чрезвычайно быстро. Если сила, действующая на частицу со стороны внешнего поля, окажется равной нулю и если при этом пренебречь силами сцепления, то частица потоком газа будет сорвана с электрода. Отсюда следует, что в идеальном электрофильтре проводящую частицу удержать принципиально невозможно. Если же проводимость частицы мала, то разряжается она медленнее. В любой момент времени на ней будет находиться заряд, и частица окажется прижатой к электроду.

Устройство и принцип действия электрофильтра. Электрофильтр, как агрегат, состоит из следующих элементов (рис.7.3): система подготовки газов для подачи в электрофильтр, в которую входят устройства для увлажнения газа и выравнивания профиля скоростей. Источник питания - повышающий трансформатор 2 в комплекте с регулирующим автотрансформатором 1 и высоковольтным выпрямителем 3.

Процесс воздействия поля на частицу вещества в электрофильтрах включает две стадии: 1) предварительная бесконтактная зарядка частиц; 2) осаждение частиц за счёт кулоновского взаимодействия их зарядов с электрическим полем. Принцип действия электрофильтра заключается в следующем. От источника питания через изолирующий ввод 5 на коронирующий электрод 6 и осадительный электрод 7 подается высокое напряжение постоянного тока. Между электродами 6 и 7 возникает резко неоднородное электрическое поле. Необходимая разность потенциалов Uo для возникновения коронного разряда в электрофильтре определяется по известному значению

 

 

Рис. 7.3. Принципиальная схема электрофильтра: 1 – регулирующий автотрансформатор; 2 – повышающий трансформатор; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – кабель с ограничительным сопротивлением; 5 – изолирующий ввод;6 – коронирующий электрод; 7 – осадительный электрод (корпус); 8 – механизм встряхивания; 9 – бункер, 10 – газ запыленный, 11 – газ очищенный, 12 – осадок

 

Ео (см. формулу 7.3) для соответствующей системы электродов. По мере повышения напряжения после возникновения коронного разряда ток быстро возрастает. При дальнейшем по­вышении напряжения коронный разряд может перейти в искровой. Рабочий токи в электрофильтре составляют порядка 0,1-0,5 мА/м  длины электрода.

При достижении разности потенциалов между электродами электрофильтра 50-80 кВ напряженность электрического поля способна сообщить свободным электронам и ионам газа скорость выше критической. Энергия таких электронов становится достаточной для ударной ионизации нейтральных частиц. Образующиеся при этом ионы и свободные электроны разгоняются электрическим полем до критических скоростей и ионизируют, в свою очередь, другие атомы и молекулы. Этот процесс нарастает лавинообразно. Подобная ионизация называется коронированием. После образования короны в электрофильтре возникают две различные зоны. Одна из них расположена вокруг коронирующего электрода 6. Она заполнена положительными и отрицательными заряженными ионами и электронами. Вторая зона занимает про­странство между короной и осадительным электродом 7. Она заполнена только отрицательными ионами и электронами. Поэтому при прохождении через полость электрофильтра запыленного газа большинство пылинок получают отрицательный заряд и направляются к положительному осадительному электроду 7. Осадительные электроды периодически встряхиваются специальными механизмами 8, осевшая на них пыль осыпается в бункер 9.

Электрическую энергию, необходимую для сепарации частиц из потока газа в электрофильтре, можно определить при рассмотрении процесса перемещения частицы в газе на расстояние ℓ до осадительного электрода под действием силы F (так как необходимая для зарядки частицы энергия мала, то ею можно пренебречь). Эту работу определяют по закону Стокса, как силу сопротивления газовой среды движению сферической частицы:

An ~ F× ℓ = 6 π×μ×а×ωn×l,           (7.18);

где μ – динамическая вязкость газов; а – радиус частицы; ωn – скорость дрейфа частицы; ℓ – расстояние.

Практически за счет создания непрерывного коронного разряда энергия, затрачиваемая в электрофильтре для выделения взвешенных частиц, в несколько раз больше, чем рассчитанная теоретически. Однако она значительно меньше мощности, расходуемой для выделения взвешенных частиц из газового потока в аппаратах газоочистки других типов.

Энергия, затрачиваемая для выделения взвешенных частиц из газового потока, пропорциональна току I, потребляемому электрофильтром, и напряжению U на его электродах: Р = I×U. Она может быть определена по формуле

        (7.19)

где Um – амплитудное значение напряжения, кВ; Iср – среднее значение тока, потребляемого электрофильтром, A; Iср = io×L (io – линейная плотность тока, А/м; kф – коэффициент формы кривой тока; ηэ – КПД электроагрегата (ηэ ≈ 0,8); cosφ = 0,7 – 0,75; P1 – мощность, потребляемая механизмами встряхивания электродов, приводами обдувочных устройств, нагревательными и другими вспомогательными устройствами электрофильтров, кВт.

Эффективность электрофильтра повышается с ростом тока и амплитудного значения напряжения, поэтому необходимо стремиться к увеличению полезной мощности, затрачиваемой на работу электрофильтра. Ограничение потребляемой мощности ведет к небольшой экономии энергии, но сопровождается резким снижением степени очистки. Пыль, улавливаемая электрофильтром, часто представляет большую ценность, в ней содержатся серебро, медь, никель, цинк, свинец, магний и другие полезные материалы.

Социально-общественный гигиенический – эффект электрофильтров трудно переоценить, так как предприятия энергетической и металлургической промышленности выбрасывают в воздух огромное количество всевозможных газов, загрязняющих атмосферу и окружающую среду. Созданы и успешно эксплуатируются электрофильтры для очистки воздуха в животноводческих помещениях и на птицефермах с большой запыленностью и бактерицидной обсемененностью. Они улавливают более 90% пылевых частиц с диаметром более 1 мк и 80 % микроорганизмов, имея при этом производительность 350 – 420 м3/ч 

Конструкция электрофильтра определяется технологиче­скими условиями работы (состав и свойства очищаемых газов и взвешенных частиц, а также температуры, давления и влажности очищенных газов). Электрофильтры подразделяются на одно – и двух зонные. В одно зонных электрофильтрах зарядка и осаждение частиц происходит в одной конструктивной зоне, в которой расположены коронирующая и осадительная системы. В двух зонных электрофильтрах зарядка и осаждение частиц происходит в двух конструктивных зонах. В первой – располагается коронирующая системе – ионизатор, во второй – осадительная система – осадитель.

По конструкции осадительного электрода электрофильтры подразделяются на трубчатые и пластинчатые. Трубчатый электрофильтр изготавливается из стальной трубы, называемой осадительным электродом. По оси трубы натянута проволока – коронирующий электрод. Пластинчатый электрофильтр собирается из ряда параллельных металлических пластин или частого ряда проволок, являющихся осадительными электродами. Между рядами осадительных электродов подвешивают проволочные коронирующие электроды.

Коронирующий электрод должен обладать:

- особой формой для создания интенсивного и достаточно однородного коронного разряда;

- механической прочностью и жесткостью для обеспечения продолжительной службы электродов в условиях вибрации и раскачивания под влиянием сил электрического поля, воздействия механизма встряхивания и движущегося газового потока;

- стойкостью в газовой среде, которая может иметь повышенную температуру и содержать агрессивные компоненты.

Конструкции коронирующих электродов подразделяются на две группы:

- электроды, которые не имеют фиксированных разрядных точек по их длине и при отрицательной короне точки разряда распределяются по поверхности электрода в зависимости от состояния этой поверхности и от режима работы электрофильтра;

- электроды с фиксированными точками разряда по их длине. В качестве таких точек на поверхности электрода расположены острия или шипы.

Для удаления с электродов уловленного продукта (если он не удаляется самотеком) в мокрых электрофильтрах используются брызгалки и форсунки, с помощью которых периодически или непрерывно промываются поверхности электродов. Коронирующие электроды промываются через надетые на них воронки, заполненные промывной жидкостью. В сухих электрофильтрах для удаления с электродов уловленного продукта применяют различные механизмы встряхивания.

Источники питания электрофильтров. В состав агрегата питания входят регулятор напряжения, повышающий трансформатор, выпрямитель и интегратор. По принципу действия среди них различают источники тока и источники напряжения. При питании фильтра от источника тока (автотрансформатор, магнитный усилитель с самонасыщением, тиристорный регулятор) ток короны практически остается постоянным, а выходное напряжение изменяется пропорционально сопротивлению нагрузки. При питании от источника напряжения (магнитный усилитель с последовательным, параллельным или смешенным соединением обмоток) ток короны сильно зависит от напряжения.

Системы регулирования aгpeгaтов питания электрофильтров снабжены устройствами, которые обеспечивают: автоматическое регулирование напряжения от Umin до Umax и поддерживают его в пределах пробивного и сниженного на заданное значение; ограничение энергии, выделяющейся при дуговых разрядах в электрофильтре (для предотвращения оплавления электродов), и минимальные перерывы в подачи питания, необходимые для гашения дуги при пробое; включение высокого напряжения только минимального значения; возможность повышения и понижения напряжения вручную; аварийное отключение агрегата; сигнализацию исправной работы агрегата и аварийного положения.

Агрегат питания (рис.7.4) состоит из повышающего выпрямительного блока с высоковольтным переключателем и панели управления. Блок включает в себя высоковольтный повышающий трансформатор Тр и высоковольтный выпрямитель V, расположенный в общем баке, заполненном трансформаторным маслом.

Высоковольтный трансформатор Тр через выпрямитель V питает электрофильтр Э. Отрицательный полюс выпрямителя соединен с коронирующими электродами электрофильтра, а положительный полюс – и осадительные электроды заземлены. Магнитный усилитель МУ, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, позволяет в широких пределах регулировать высокое напряжение за счет изменения тока подмагничивания. Во время работы регулятор напряжения Р, снабженный исполнительным механизмом, по команде блока управления БУ понижает или повышает напряжение на первичной обмотке трансформатора управления ТУ.

 

 

Рис.7.4. Схема источника питания электрофильтра типа АИФ

 

Со вторичной обмотки трансформатора управления  ТУ через выпрямитель Vу и согласующий реактор L выпрямленное регулируемое по величине напряжение подается в цепь подмагничивания магнитного усилителя МУ, чем регулируется напряжение высоковольтного трансформатора Тр. При отключении цепи подмагничивания напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до установленного минимума. Блок управления БУ представляет собой релейно-контактную систему, состоящую из контакторов, реле, а также защитной и сигнальной аппаратуры. Устройство обратной связи УОС получает импульс от датчиков – реле напряжения РН и реле тока РТ  и, передаёт сигнал в блок управления БУ для воздействия на регулятор напряжения Р.. Автоматическое регулирование электрических параметров процесса происходит следующим образом.

После подачи напряжения на панель управления система автоматики приводит аппаратуру агрегата в пусковое положение. Напряжение подается на высоковольтный трансформатор Тр, и регулятор Р начинает повышать напряжение на трансформаторе управления ТУ, увеличивая ток подмагничивания магнитного усилителя МУ. При этом повышается напряжение на высоковольтном трансформаторе Тр и на электродах электрофильтра. Повышение напряжения продолжается до максимально возможной величины или до возникновения электрических разрядов в электрофильтре.

При возникновении искровых разрядов напряжение на электрофильтре автоматически резко снижается, что приводит к снижению тока. После этого искровые разряды прекращаются. Если возникает устойчивая электрическая дуга, то срабатывает максимально-токовое реле РТ, и из-за резкого увеличения падения напряжения на магнитном усилителе отключается реле напряжения РН. В обоих случаях срабатывает соответствующее реле защиты и отключает в блоке управления контактор в цепи подмагничивания магнитного усилителя МУ. Напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до минимального значения, и возникшая дута гаснет.

При отсутствии пробоя в течение установленного времени соответствующее реле включает исполнительный механизм на повышение напряжения в цепи подмагничивания магнитного усилителя до напряжения пробоя, после чего процесс снижения и повышения напряжения повторяется.

В случае возникновения длительных электрических пробоев или коротких замыканий в электрофильтре, т.е. при большом числе циклов понижения напряжения, специальное реле отключает электроагрегат и включает световую и звуковую сигнализацию. Контроль работы агрегата осуществляется с помощью контрольно-измерительной аппаратуры и сигнальных ламп.

 

Далее: 7.4. Электростатические технологические процессы