10.4. Осаждение частиц в электрофильтрах

(А.Ю. Иваненко)

Обозначения

e – относительная диэлектрическая проницаемость среды

e0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, или электрическая постоянная

e0 = 1/(4p · 9  109)–1 = 8,85  10–12 Кл2/H  м2

E – напряженность электростатического поля, В/м

i – плотность тока короны, А/м

K – подвижность ионов, м2/(В · с)

U – разность потенциалов между электродами, В

h – эффективность пылеулавливания

wФ – физическая скорость дрейфа, м/с

wЭ – эффективная скорость дрейфа, м/с

z1, z2 – средние значения концентрации пыли на входе и выходе из электрофильтра

Электрофильтр – аппарат для очистки газов от взвешенных жидких или твердых частиц путем их ионизации и последующего осаждения на электродах. Имеются также сведения о применении электрофильтров

для тонкой очистки жидких сред, в основном для тонкой очистки топлив и масел. Однако основное применение электрофильтры нашли в очистке промышленных газов в черной и цветной металлургии, топливной и химической промышленности, а также в производстве стройматериалов, поэтому дальнейшее изложение касается вопросов газоочистки.

Электрофильтр относится к наиболее эффективным пылеулавливающим аппаратам. Эффективность очистки достигает 99,9 %. Размер улавливаемых частиц – до долей мкм. Электрофильтр может обеспыливать газовую среду с температурой до 500 °С. Запыленность очищаемой среды может быть от нескольких мг до 200 г/м3. Производительность электрофильтров достигает сотен тысяч м3/ ч очищаемого газа.

К недостаткам электрофильтров относится их высокая чувствительность к поддержанию параметров очистки, а также высокая требовательность к уровню обслуживания.

Электрофильтр не может быть использован для улавливания пылей, обладающих очень высоким электрическим сопротивлением, а также, как правило, для очистки взрывоопасных сред.

Электрофильтры, как более сложное и дорогостоящее Лабораторное оборудование, обеспечивающее тонкую очистку воздуха, обычно компонуют с другими пылеулавливающими устройствами, устанавливаемыми на начальных ступенях очистки. В результате повышается экономичность использования электрофильтров и обеспечивается более полная очистка газов.

Достоинства электрофильтров – сравнительно малая энергоемкость, большая пропускная способность и возможность применения при высокой температуре газов – до 400 °С (при специальном исполнении электрофильтров – до 500 °С и выше). Недостатки – большие габариты, повышенные требования электро-
и взрывобезопасности.



Рис. 10.4.1. Примеры конструктивных схем электрофильтров:
а) электрофильтр с трубчатыми электродами;
б) электрофильтр с пластинчатыми электродами;
1 –коронирующие электроды;
2 –осадительные электроды

Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды. Первый электрод в простейшем виде представляет собой проволоку, натянутую в трубке или между пластинами, второй представляет собой поверхность трубки или пластины, окружающей коронирующий электрод (см. рис. 10.4.1).

Коронирующий электрод обычно имеет отрицательную полярность, осадительный электрод заземлен. Это объясняется тем, что корона при такай полярности более устойчива, подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Последнее обстоятельство связано с ускорением зарядки пылевых частиц.

Процесс обеспыливания в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах.

10.4.1. Коронный разряд и зарядка аэрозольных частиц в электрическом поле

Зарядка частиц происходит в электростатическом поле коронного разряда, создаваемом в межэлектродном пространстве электрофильтра. Возможны следующие механизмы получения заряда частицей: 1) зарядка за счет осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего частицу; 2) зарядка путем электростатической индукции.

Электростатическое поле характеризуется величиной и распределением напряженности. Напряженность в данной точке пространства численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Если в данную точку помещен заряд, отличающийся от единичного в q раз, то напряженность поля будет равна: , где Fc – сила, действующая на этот заряд.

Напряженность поля в пространстве, заполненном диэлектриком, меньше, чем в вакууме, из-за поляризации диэлектрика электрическими силами поля. Относительная диэлектрическая проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз напряженность поля меньше в диэлектрике, чем в вакууме.

Для газов e близко к единице (например, для воздуха e = 1,00059 при 18 °С). Электрическое поле неоднородно (за исключением случаев, когда оно образуется равномерно заряженной бесконечно большой плоскостью или рядом параллельно расположенных бесконечно больших плоскостей), т. е. величина напряженности в поле обычно является функцией координат рассматриваемой точки пространства.

Напряженность поля равномерно заряженного бесконечно длинного цилиндра (в вольтах на метр):

, (10.4.1.1)

где r – расстояние от точки, в которой определяется напряженность, до оси данного цилиндра; q' – заряд, приходящийся на единицу длины цилиндра; e0 электрическая постоянная, e0 = 8,85  10–12 Кл2/н  м2.

Напряженность поля равномерно заряженной сферы в вольтах на метр:

, (10.4.1.2)

где r – расстояние от точки, в которой определяется напряженность, до центра данной сферы. Следовательно, вблизи заряженных тел с малым радиусом кривизны возникают большие напряженности поля, а при удалении от них напряженность резко падает. В результате создается высокая степень неоднородности поля.

Аналогично заряженный полусферический конец острия или натянутый провод обеспечивают создание большой неоднородности поля в электрофильтре. Высокая неоднородность поля используется для создания коронного разряда между коронирующими и осадительными электродами. Отрицательные последствия высокой неоднородности поля связаны с возможностью возникновения разряда пробоя в не предусмотренных для этого местах аппарата, в частности при короблении или прогибе элементов конструкций, неправильном монтаже и в других случаях. Возникающие при этом пробои резко снижают эффективность работы электрофильтра или вообще исключают возможность ее эксплуатации. Отсюда возникает естественное требование к конструкции корпуса и электродной системе электрофильтра – обеспечить необходимую жесткость и устойчивость всех элементов аппарата как при его монтаже, так и при его эксплуатации. В табл. 10.4.1.1 приведены различные варианты конструкций, элементы которых, расположенные на расстоянии d друг от друга, имеют разность потенциалов U. Во избежание паразитных искровых разрядов значения максимальной напряженности Eм не должны достигать величины, соизмеримой с напряженностью, вызывающей разряд
в очищаемом электрофильтром газе.

Коронный разряд образуется между коронирующими и осадительными электродами. При повышении напряжения, подаваемого на коронирующие электроды, вблизи их поверхности быстро возрастает напряженность поля. Электроны под действием поля разгоняются и разбивают молекулы газовой среды на положительные и отрицательные ионы. При некотором критическом (или начальном) напряжении быстро ионизируется узкая область, примыкающая к коронирующему электроду (чехол короны). Интенсивная ионизация и соответствующая рекомбинация молекул вызывает слабое голубое свечение чехла короны, сопровождающееся потрескиванием и легким шипением. В случае отрицательной короны (здесь и далее положительная корона, практически не используемая в промышленных электрофильтрах, не рассматривается) коронирующий электрод имеет отрицательный потенциал, и положительные ионы, образующиеся в чехле, направляются к нему, отрицательные ионы образуют поток, движущийся к заземленному осадительному электроду через внешнюю область коронного разряда, т. е. через область, внешнюю но отношению к чехлу короны. Поток отрицательных ионов создает между коронирующими и осадительными электродами пространственный (или объемный) заряд, препятствующий дальнейшему развитию процесса ионизации в чехле короны. Таким образом, процесс коронного разряда при заданной величине рабочего напряжения на коронирующем электроде стабилизируется. Однако при дальнейшем повышении рабочего напряжения ионизация в чехле короны вновь растет, и в конце концов при некотором предельном значении рабочего напряжения происходит переход разряда в искровой пробой. Для эффективной работы электрофильтра целесообразно поддерживать рабочее напряжение на уровне предпробойного режима, т. е. на уровне появления ограниченного по интенсивности искрения.

Таблица 10.4.1.1

Максимальная напряженность электростатического поля
для различных конструкций элементов электрофильтра

Вариант

Конструкция

Максимальная
напряженность

Две параллельные плоскости

Шар против плоскости

Цилиндр против плоскости

Два коаксиальных цилиндра

Поток отрицательных ионов между коронирующими и осадительными электродами образует ток короны электрофильтра. Плотность тока короны:

i = пеKЕ, (10.4.1.3)

где п – количество отрицательных ионов; е – величина элементарного заряда; K – подвижность ионов; E – напряженность электрического поля.

Подвижность ионов – это скорость, которую ион приобретает в электрическом поле при напряженности поля, равной 1 В/м, ее размерность м2/(В · с):

,

где Е – напряженность, В/м; w – скорость иона, м/с.

Подвижность ионов можно считать прямо пропорциональной температуре газов и в пределах возможных изменений давления в промышленных электрофильтрах обратно пропорциональной давлению газа. Величина K характеризует влияние состава очищаемых газов на электрический режим электрофильтра.

Ниже приведены значения подвижности отрицательных ионов (K · 104) при нормальных условиях в различных газовых средах, м2/(В · с):

Азот

1,84

Аммиак

0,66

Водород

8,13

Водяной пар при 100 °С

0,57

Воздух:

  сухой

2,10

  насыщенный водяными парами при 25 °С

1,58

Оксид углерода(IV)

0,96

Кислород

1,84

Оксид углерода(II)

1,15

Оксид серы(IV)

0,41

Критическая напряженность поля, при которой возникает коронный разряд (эмпирическая формула Пика) вблизи поверхности коронирующего электрода, выполненного из гладкой проволоки, В/м:

, (10.4.1.4)

где b – отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (T = 20 °С; р = 1,013  105 Па); r0 – радиус сечения проволоки, м.

Формула Пика предназначена для воздуха, но с некоторым приближением может применяться и для дымовых газов.

Критическое напряжение для трубчатого электрофильтра с коронирующими электродами, выполненными из гладкой проволоки:

, (10.4.1.5)

где R – радиус трубчатого осадительного электрода, м; r0 – радиус сечения проволоки, м.

Критическое напряжение для пластинчатого электрофильтра с коронирующими электродами, выполненными из гладкой проволоки:

, (10.4.1.6)

где при   1 и d =  при  < 1;
h – расстояние между коронирующими и осадительными электродами, м; 2b – расстояние между соседними коронирующими электродами, м.

При необходимости расчета напряженности электрического поля пластинчатых электрофильтров, оборудованных сложными электродными системами, следует обращаться к специальной литературе [1].

Линейная плотность тока короны в трубчатом электрофильтре с коронирующим электродом из гладкой проволоки, А/м:

, (10.4.1.7)

где U – напряжение, приложенное к электродам, В; Uкр – критическое напряжение, В, определяемое по формуле (10.4.1.5); R – радиус трубчатого осадительного электрода, м; K – подвижность ионов, м2/(В · с).

Линейная плотность тока короны в пластинчатом электрофильтре с коронирующими электродами из гладкой проволоки

(10.4.1.8)

где Uкр – критическое напряжение в пластинчатом электрофильтре, определяемое по формуле (10.4.1.6).

Поток отрицательных ионов, перемещающихся от коронирующего электрода к осадительному, пересекает путь движения частиц пыли. Частицы при присоединении ионов получают соответствующий заряд. Такое присоединение, происходящее вследствие удара о частицу ионов, движущихся вдоль силовых линий поля, называется ударной зарядкой. Присоединение ионов, происходящее вследствие диффузии ионов к поверхности частицы, вызываемой градиентом концентрации ионов, называется диффузионной зарядкой. Оба механизма зарядки действуют совместно, однако для большинства частиц основной является ударная зарядка, и только в случае частиц диаметром менее 0,2 мкм преобладает диффузионная зарядка. Предельное значение заряда, получаемого частицей при ударной зарядке, Кл:

, (10.4.1.9)

где rч – радиус частицы, м; E – напряженность электрического поля в области, где частица получает свой заряд, В/м; e – относительная диэлектрическая проницаемость частицы.

Заряд, получаемый частицей при диффузионной зарядке, Кл:

, (10.4.1.10)

где KБ – постоянная Больцмана, Дж/град; Т – абсолютная температура, К; e – заряд электрона, e = 1,6  10–19 Кл; А – коэффициент, зависящий от времени зарядки и концентрации ионов в газе, при достаточно большом значении времени зарядки А 7.

Для частиц диаметром > 2 мкм расчеты ведут по формуле (10.4.1.9); для частиц диаметром < 0,2 мкм –по формуле (10.4.1.10). Для частиц диаметром 0,2–2 мкм заряд определяют как сумму результатов расчетов по формулам (10.4.1.9) и (10.4.1.10).

Величину e принимают:

для оксидов металла

12–18

для кварца

4

для гипса

5

для серы

4


Для металлов величину e принимают равной бесконечности.

Обычное время зарядки частиц на 90 % от предельного значения заряда составляет около 0,1 с; пребывание частиц в электрофильтре длится несколько секунд. Поэтому зарядка частиц в электрофильтре в основном происходит на небольшом входном участке активной зоны аппарата, и в расчетах обычно принимается, что пыль получает полный (предельный) заряд сразу при входе ее в электрофильтр.