Электрическая фильтрация газов (Электрофильтры)

Электрическая фильтрация основана на осаждение заряженных частиц на осадительных электродах под действием электрических сил. Сущность процесса электрической фильтрации газов заключается в следующем. Газ, содержащий взвешенные частицы, проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных на некотором расстоянии коронирующих электродов, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Механизм зарядки и осаждения частиц в электрофильтре: 1–коронирующий электрод; 2–электроны; 3–ионы; 4–частицы пыли; 5–осадительный электрод

Запыленный воздух, поступающий в электрофильтр, за счет внешних воздействий частично ионизирован и обладает некоторую проводимость, поэтому между электродами возникает некоторый ток. При достаточно большом напряжении, приложенном к электродам, у поверхности коронирующего электрода возникает интенсивная ударная ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны), который на весь межэлектродный промежуток не распространяется и затухает по мере уменьшения напряженности электрического поля в направлении осадительного электрода. Коронный разряд – это явление ударной ионизации газа под действием движущихся электронов или ионов вблизи коронирующего электрода.

Рис. 4.2 Схема трубчатого фильтра

Рис. 4.3 Вольтамперная характеристика

Коронирующий электрод 1 подключаются к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 3, осадительный–к положительному полюсу (рис. 4.2). Сила тока зависит от числа ионов и напряжения между электродами. На рис. 4.3 показано ВАХ (вольтамперная характеристика) электрофильтра. Сила тока растет с повышением напряжения до тех пор, пока все ионы не вовлекутся в движении. После этого наступает насыщения, т.е. все ионы вовлечены в движения, и повышения напряжения не влияет на силу тока. При некотором критическом напряжении () ионы и электроны настолько ускоряются, что сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся ионы и электроны ускоряются электрическим полем и участвуют в ионизации молекул. Этот процесс называется ударной ионизацией газа. После этого происходит пробой газа. Вокруг коронирующего электрода образуется область, свободная от взвешенных частиц. Молекулы газа, ионы и электроны, находясь в непрерывном движении, сталкиваются с частицами, оседают на их поверхности, создавая определенный электрический заряд.

Взвешенные частицы, таким образом, поступающие в зону между электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы и электроны, и приобретают электрический заряд. Заряженные частицы под действием электрического поля движутся в сторону электрода с зарядом противоположного знака и оседают на нем. Время зарядки частиц измеряется долями секунды. Скорость движения частиц зависит от напряженности электрического поля и диаметра частиц (табл. 4.1). Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой последних.

Таблица 4.1

Скорость движения частиц к осадительному электроду, , м/с

Диаметр частиц, мкм	0,4
E, кВт/м		0,012	0,013	0,015	0,075	0,1
	0,025	0,03	0,06	0,5	0,6

Электрофильтр питается от источника высокого напряжения 3 (20-90кВ). Электрофильтры бывают (табл. 4.2) трубчатые (рис. 4.4) и пластинчатые (рис. 4.6, 4.7). Каждый из них может быть горизонтальный и вертикальный, и может быть использован как мокрый или сухой, а также как одно- или многосекционный [1].

Таблица 4.2

Классификационные признаки электрофильтров

Классификация	конструктивные типы
По типу осадительньтх электронов	1 трубчатые и пластинчатые
По способу удаления осажденных частиц с электродов	Сухие и мокрые
По направлению холя газа	Вертикальные и горизонтальные
По количеству последовательных электрических полей	однополые и многопольные
по количеству секции	односекционные и многосекционные

В трубчатых электрофильтрах (рис. 4.4) в качестве осадительных электродов используют цилиндрические трубы диаметром 0,25...0,3 м или шестигранные (сотовые) с диаметром вписанной окружности 0,25 м. Длина труб 3...5 м. В пластинчатых электрофильтрах (рис. 4.6) осадительные электроды выполняют в виде гладких пластин (рис. 4.5а) или набирают из прутков диаметром 8 мм (рис 4.56), если скорость газа не превышает 1 м/с. При более высоких скоростях газа (1,5...1,7 м/с) осадительные электроды набирают из штампованных элементов специального профиля, например С-образной формы (рис. 4.6 в и г). В зависимости от типоразмера пластинчатого электрофильтра активная длина поля составляет 1,5...4,0 м, а высота 4... 12 м.

Вокруг электрофильтра образуется область, свободная от взвешенных частиц. Поэтому целесообразно использовать комбинированные коронирующие электроды. Коронирующие электроды подключают к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания с системой регулирования, позволяющей поддерживать рабочее напряжение в электрофильтре близким к пробойному.

Рис. 4.4 Трубчатый электрофильтр: 1 – бункер; 2 – камера поступающего газа;

3 – осадительные электроды; 4 – коронирующие электроды; 5 – камера уходящего газа; 6 – рама подвеса коронирующих электродов; 7 – изоляторы; 8 – механизм встряхивания электродов; 9 – заземление; 10 – нижняя рама коронирующих электродов; 11 – грузы

Рис. 4.5 Коронирующие электроды с нефиксированными (а, б, в) точками разряда: а–круглая; б–с штиковым сечением; в–шестигранная; г–колючая проволока; д–ленточно-игольный; е–ленточно-зубчатый

К техническим данным электрофильтров относятся следующие параметры:

1) активная зона – рабочая часть аппарата, образованная межэлектродными промежутками;

2) активное сечение – свободное сечение активной зоны для прохода газа;

3) активная высота поля – расстояние между коронирующих и осадительных электродов;

4) активная длина поля – протяженность поля в направлении хода газа;

5) площадь осаждения – суммарная поверхность осадительных электродов;

6) активная длина коронирующих электродов – суммарная длина всех коронирующих электродов.

При выборе конструкции электрофильтра руководствуются соображениями:

1. мокрые электрофильтры эффективно очищают запыленный газ до концентраций ниже 5 мг/м³, но образуется шлам и опасность коррозии;

2. в сухих электрофильтрах не образуется шлам и исключается коррозия, но осложнена стабильная очистка газа до концентраций ниже 50 г/м³;

3. в сухих электрофильтрах возникают трудности при улавливании пылей с низким () и высоким () удельным электрическим сопротивлением; в горизонтальных многопольных электрофильтрах достигается значительно более высокая степень очистки, чем в вертикальных;

4. в пластинчатых электрофильтрах, легче решается задача очистки больших объемов газа и удаления пыли с осадительных электродов.

Рис. 4.6 Горизонтальный трехпольный пластинчатый электрофильтр: 1–коронирующие электроды; 2– осадительные электроды; 3–корпус; 4–грузы; 5 – рама осадительных электродов

Рис. 4.7 Осадительные электроды пластинчатых электрофильтров: а–гладкие пластины; б–прутковые; в–С-образные широкополосные

В табл. 4.3 и 4.4 приведены технические характеристики наиболее широко применяемых типов электрофильтров. Конструктивная схема представлена на рис. 4.8. Между двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В пространство между каждой из плоскостей и проводами подается газопылевой поток. В поле коронного разряда, возникающего при подаче тока высокого напряжения на проводе, частицы заряжаются и под действием поля движутся к осадительным плоскостям, с которых они периодически удаляются.

Рис. 4.8 Конструктивная схема электрофильтра: а−электрофильтр с трубчатыми электродами; б−электрофильтр с пластинчатыми электродами; 1−коронирующие электроды; 2−осадительные электроды

Таблица 4.3

Параметры сухих пластинчатых электрофильтров

Параметр	Тип электрофильтра*
УГ	ЭГА	эгт	УВ
Активное сечение, м	10...265	16,5...285,6	20...60	21Д..72
Число полей	2-4	2-4	3-4
Активная длина поля, м	2,51 и 3,95	2,56 и 3,84	2,5 и 3,8	7,5
Активная высота поля, м	4; 12; 16	6; 7,5; 9; 12	6; 7,5	ширина 4 и 5,8
Площадь осаждения,	420...36900	630...33000	1448...5790	1170...3900
Производительность по газу (при скорости 1 м/с), м /с	10...265	1б,5...285,6	20...60	21.6...72
Допустимая запыленность, г/м
Тип электродов: -осадительных; -коронирующих	Широкополосные С-образные элементы открытого профиля. Ленточно-игольчатый	С-образные Ленточно- зубчатые
Расстояние между осадительными электродами, мм
Температура газов, °С	До 330	До 330	До 450	До 250
Габариты: длина, м высота, м ширина, м	9,6…24,8 3…27 12,3…21,8	9,3...22,7 12,4…19,9 3,2…27,2	12.6... 16,6 4,93…10,64 17,86 17, 16	5,8…8,15 20,1…21,7 6,7…14,2
*У − унифицированный; Г−горизонтальный; Э−электрофильтр; М –модифицированныи; Т − высокотемпературный; В−вертикальный

Таблица 4.4

Параметры мокрых электрофильтров

Параметр	Электрофильтры*
Пластинчатые	Трубчатые
СПМ	ГМЦ	ДМ	ШМК	КТ-7
Площадь активного			13,5	4,5
Число полей
Активная высота поля, м	4,2	4,22	4,5	3,35	4,6
Число осадительного
Площадь осаждения, м	22,5
Скорость газа, м/с	до 1	1,0…1,5	1,0... 1,5		1,1
Температура,
Давление, кПа					0,5
Расход воды,	3,5		75...100	3,6	-
Тип электрода: осадительный коронирующий	Плоские пластины	Трубы, диаметр	Сотовые из свинца	Трубы ферросплавов
Нихромовая проволока, диаметром 3 мм	Полоса 4x20 мм с заострением	Медная проволка диаметром 3 мм	Освинцованные провода звездчатого сечения
Активная длина коронирующего электрода
*С −сажевый; П−пластинчатый; М−мокрый; Г−горизонтальный; Ц−цилиндрический корпус; Д− доменный; Ш −шестигранные осадительные

Таким образом, концентрация пыли в газе при прохождении его через активную зону электрофильтра значительно уменьшается. В трубчатых электрофильтрах удается получить более высокие значения рабочего напряжения, чем в пластинчатых электрофильтрах. Вместе с тем в пластинчатых электрофильтрах проще решаются вопросы обеспыливания больших объемов газов в едином аппарате.

Процесс электрического осаждения зависит от ряда факторов, к которым относятся физические свойства среды и улавливаемых частиц (размер, электропроводимость, диэлектрическая проницаемость, температура, влажность и химический состав газов и пыли и др.), а также параметры электрофильтра (время пребывания газа в активной зоне, электрический режим питания аппарата, режим встряхивания электродов, вторичный унос, газораспределение).

В результате одновременного осаждения многих частиц на всю поверхность электродов на них образуется слой пыли с удельным сопротивлением R, который будет разряжаться с постоянной времени т. В зависимости от удельного электрического сопротивления время разрядки слоя может меняться в широких пределах. Принято делить все пыли, улавливаемые в электрофильтрах, в зависимости от значения удельного электрического сопротивления (УЭС) на три группы:

1. группа пылей, образующих на осадительных электродах слой с УЭС не выше 10 Ом-м, − низкоомные пыли;

2. группа пылей − с УЭС - Ом м;

3. группа пылей с УЭС выше - Ом м − высокоомные пыли.

Время разряда частиц пыли 1-й группы мало (практически мгновенно), поэтому они быстро перезаряжаются и под действием отталкивающей кулоновской силы могут вновь попасть в газовый поток. В этом случае на осадительных электродах не сможет образоваться значительный слой пыли и при встряхивании электродов не будут создаваться подходящие условия для образования агрегатов пыли таких размеров, чтобы они не уносились газовым потоком из аппарата, а попадали в бункер.

Время разряда частиц 2-й группы оказывается оптимальным для того, чтобы на осадительных электродах успел образоваться некоторый минимально необходимый слой пыли. Поэтому при встряхивании электродов образуются агрегаты пыли таких размеров, что пыль не уносится газовым потоком, а попадает в бункер. Улавливание пылей этой группы (а их большинство) в практике электрогазоочистки никаких затруднений не вызывает.

Наиболее трудности возникают при улавливании пылей 3-й группы. В этом случае на слое пыли будет иметь место падение напряжения , где

j −поверхностная плотность тока, А/ ; р − УЭС слоя пыли, Ом м; l − толщина слоя пыли на осадительном электроде, м. Высокое удельное электрическое сопротивление слоя частиц, находящихся на осадительном электроде, приводит обычно к нарушению электрического режима работы электрофильтра, вызывая сильное искрение, а при очень высоких удельных сопротивлениях (выше Ом м) − к появлению мощного обратного коронного разряда. Причиной появления обратного разряда является электрический пробой слоя пыли на осадительном электроде при достижении некоторого критического значения напряженности электрического поля в слое. В результате пробоя в слое образуется тонкий канал, заполненный положительными ионами, которые двигаются в направлении коронирующих электродов и частично нейтрализуют отрицательный заряд частиц. Канал выполняет роль острия, с которого развивается дополнительный коронный разряд навстречу основному коронному разряду. Электрическое поле в межэлектродном промежутке приобретает характер резко неоднородного поля с соответствующим снижением пробивного напряжения и увеличением тока короны. В результате снижения электрического заряда частиц и пробивного напряжения электрофильтра его эффективность резко снижается.

В практике электрогазоочистки большое значение имеет напряжение появления короны, возникающей при достижении критической или начальной напряженности электрического поля, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20°С составляет около 15 кВ/см. Критическая напряженность электрического поля гладкого проволочного коронирующего электрода определяется формулой

(4.1)

а для системы, состоящей из пластинчатых осадительных электродов и проволочных коронирующих электродов, — формулой

(4.2)

где — критическое напряжение, В; — критическая напряженность электрического поля, В/т; − радиус коронирующего электрода, м; − радиус трубчатого осадительного электрода, м; Н − расстояние между коронирующим и пластинчатым осадительнм электродами, м; d − расстояние между соседними коронирующими электродами в ряду, м.

Из приведенных формул видно, что с уменьшением радиуса коронирующего электрода критическое напряжение снижается, т.е. происходит более раннее зажигание короны, чем и объясняется использование тонкой проволоки, острых кромок и игл для создания коронного разряда. В промышленных электрофильтрах при обычно применяемых значениях 0,001-0,002м; =H=0,1-0,15m значение критического напряжения находится в пределах от 20 до 30 кВ.

Для электрической очистки газов используется, как правило, отрицательная корона, т.е. на коронирующий электрод подается отрицательное напряжение выпрямленного тока. Это объясняется большей подвижностью отрицательных ионов по сравнению с положительными ионами, а также тем, что при отрицательной короне удается поддерживать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами.

На рис. 4.9 представлена электрофильтр серии УГ − унифицированные горизонтальные для очистки газов с температурой до 250°С. Электрофильтры первого габарита УГ1 имеют высоту электродов 4 тыс. мм, второго габарита УГ2 7,5 тыс. мм, а третьего габарита УГЗ−12 тыс. мм. Остальные цифры, приведенные на марке электрофильтра, указывают число полей фильтра и его активное сечение. Например, марка электрофильтра УГ2-3-53 означает, что высота электродов 7500 мм, аппарат трехпольный, активным сечением 53 .

Электрофильтры первого в второго габаритов имеют активную длину полей 2,5 м, третьего габарита − 4 м. Электрофильтры первого габарита выпускаются двух- и трех а электрофильтры второго и третьего габаритов − трех- и

четырехпольными.

Рис. 4.9 Электрофильтр УГЗ

Осадительные электроды в электрофильтрах УГ − из профилированных тонкостенных широкополосных (с шириной 350 мм) элементов открытого профиля с нижним молотковым встряхиванием. Коронирующие электроды − рамной конструкции, с боковым подвесом на кварцевых опорно-проходных изоляторах и молотковым встряхиванием. Элементы коронирующих электродов −игольчатые, из стальной ленты с выштампованными остриями. Шаг между одноименными электродами −275 мм. Корпуса электрофильтров УГ рассчитаны на работу под разрежением до 3-4 кПа и заполнение бункеров пылью с насыпной массой до 1500 кг/ .

Эффективность очистки запыленного газа с помощью электрофильтра определяют по формуле Дейча:

,

(4.3)

где − удельная поверхность осадительных электродов, с/м; F−площадь осадительных электродов, ; Q − расход газа, /с.

Электрофильтры работают с эффективностью до 99 %, причем улавливают частицы любых размеров, включая и субмикронные, при концентрации пыли до 50 г/ и выше. Промышленные электрофильтры применяются в диапазоне температур до 400-450 и выше, а также в условиях воздействия различных коррозионных сред. Электрофильтры могут работать как под разрежением, так и под давлением очищаемых газов. Гидравлическое сопротивление правильно спроектированного электрофильтра не превышает 100-150 Па, т.е. является минимальным по сравнению с другими газоочистными аппаратами; затраты электроэнергии составляют обычно 0,36-1,8 МДж (0,1-0,5 кВт ч) на 1000 м³ газа.

Электрофильтры отличаются относительно низкими эксплуатационными затратами. Капитальные затраты на сооружение установок электрофильтров высоки ввиду того, что эти аппараты металлоемки и занимают большую площадь, снабжаются специальными высоковольтными выпрямителями для электропитания. При этом с уменьшением производительности установок по газу удельные капитальные затраты возрастают.

Преимущественной областью применения электрофильтров является очистка больших объемов газа, например, от мощных котельных агрегатов, для которых разработаны электрофильтры производительностью по газу свыше 1 млн. м³/ч. Экономически оправдано применение электрофильтров и в установках производительностью по газу всего несколько тысяч кубических метров в час.

Недостатками электрофильтров являются высокая чувствительность процесса к отклонениям от заданного технологического режима, а также к незначительным механическим дефектам внутреннего оборудования, которые могут явиться результатом недостаточно тщательного проведения монтажных работ или неквалифицированного обслуживания при эксплуатации.

Эти особенности электрофильтров необходимо учитывать при их применении, так как если электрофильтр используется в технологических условиях, на которые он не рассчитан, а также плохо смонтирован или эксплуатируется с нарушениями установленных правил, то его эффективность может резко снизиться по сравнению с ожидаемой и вложенные в установку значительные средства не дадут необходимого эффекта. В ряде случаев электрофильтры не могут быть применены в связи с тем, что свойства газопылевого потока неблагоприятны для осуществления процесса электрогазоочистки. Это относится, например, к случаям, когда удельное электрическое сопротивление пыли не велико.

Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь. Такая смесь может образоваться в ходе процесса в результате отклонения от нормального технологического режима, так как при работе электрофильтра неизбежно возникновение искровых разрядов.