Електрофилтриране в индустрията

ЕкологияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2007

 

Видове, приложни характеристики, изчисляване на ефективността на електрофилтърна система

Политиката на Европейския съюз, насочена към развитие на съществуващата законова и нормативна рамка в посока повишаване на екологичните изисквания, разширява пазарната ниша на технически решения за очистване на въздуха в частност. Безспорен факт е, че технологичните процеси в индустриалните производство в по-голяма или по-малка степен са съпътствани с отделяне на вредни вещества, попадането на които в човешкия организъм би могло сериозно да застраши здравето на хората. Регламентираните изисквания за екологосъобразност в държавите от Европейския съюз вече са в сила и за страната ни. Въпреки че по отношение на редица производства са договорени гратисни периоди, подобряването и модернизирането на съществуващи филтърни системи, както и изграждането на нови, неминуемо е сред приоритетите в инвестиционните им програми. В редица промишлени производства, сред които стоманодобивната и циментовата индустрии, както и в топлоелектрическите централи, пещите за изгаряне на отпадъци, които са свързани с отделяне на прах в атмосферата, като ефективно техническо решение за пречистване на отпадни газове са се наложили

електрофилтрите

Причините за широкото им разпространение не са малко. Сред тях са високата им ефективност, която достига до 99%, способността им да улавят частици с много малки размери в порядъка от 1 до 0,1 микрометра, възможността да пречистват отпадни газове с висока температура. Основно тяхно преимущество в сравнение с механичните филтри е и фактът, че благодарение на създаваното в този вид филтри електрополе, се унищожават микробите и бактериите, които при механичното филтриране се задържат върху филтъра и могат да доведат до заразяване. Сред най-честите приложения на електрофилтрите са очистването на отпадните газове от топлоелектрически централи, в стоманодобивната и циментовата промишлености, при производството на хартия, пещите за изгаряне на отпадъци и други.

В електрофилтрите пречистването на газовия поток от праховите частици се дължи на действието на електростатични сили. Посредством два електрода - положителен и отрицателен, се създава електрическо поле, в което праховите частици, съдържащи се в преминаващия през полето прахо-газов поток, се зареждат електрически. Заредените частици се придвижват към утаителния електрод, където се събират върху повърхността му. Образувалият се върху утаителния електрод рехав слой прах се отстранява чрез използването на различни начини, често посредством стръскване.

Причини за широкото използване на електрофилтрите в индустрията са високата ефективност на очистване на частици с малък размер, както и ниско работно налягане от 100 до 1000 Ра, голям дебит на преминаващия прахо-газов поток - 105, до 106 m3n/h и сравнително ниските енергийни разходи от 0,1 до 0,8 kWh/1000 m3n.

Приложни характеристики

Основни технически характеристики на електрофилтрите са - скорост на димните газове през филтъра, специфична околна повърхност на електродите, разстояние между електродите, пад на налягането, температура на отпадните газове, скорост на дрейфа, енергийни разходи, прахова концентрация на очистения газ.

По отношение на очистващите съоръжения, използвани в топлоелектрически централи, описаните характеристики са в следните граници. Скоростта на димните газове през филтъра зависи от използваните въглища и обикновено е в диапазона от 1,1 до 2,6 m/s. Специфичната околна повърхност на електродите е от 15 до 55 m2/1000m3n/h, а разстоянието между тях - от 100 до 400 mm. Падът на налягането на газовия поток пред филтъра е от 100 до 400 Ра, а температурата на отпадните газове е в диапазона от 120 до 300oC. Освен върху скоростта на димните газове през филтъра, естеството на въглищата оказва влияние и върху скоростта на дрейфа, която обикновено е от 2 до 25 cm/s. Електрофилтрите, използвани за очистване на газовите потоци в ТЕЦ, се захранват с напрежение от 20 до 80 kV, а консумацията на електрическа енергия е от 0,05 до 0,5 kWh/1000m3n/h. Праховата концентрация на очистения газ е от 100 до 150 mg/m3n и е възможно постигането на ефективност от порядъка на 99%. Въпреки това, според редица специалисти съществува тенденция използването на електрофилтри в топлоелектрическите централи да се ограничава, тъй като на практика се оказва, приблизително единият процент от масата на неуловения прах често е опасен както за човека, така и за природата.

Приложението на електрофилтри в пещите за изгаряне на отпадъци осигурява съдържание на прах в очистения газ около 150 mg/m3n. Температурата на отпадните газове при такива производства е от порядъка на 300 оС.

В циментовата промишленост електрофилтрите се използват предимно за обезпрашаване на отпадни газове от въртящи се пещи. Дебитът на отпадните газове е около 106 m3n/h. Характеристиките на запрашения газ на входа на филтъра са температура 120 оС и концентрацията на прах - 3,5 g/m3n прах, а на изхода - очистеният газ съдържа 50 mg/m3n.

В стоманодобивната промишленост температурата на отпадните газове е около 450 оС. В електрофилтъра тя се редуцира до
85
оС и се постига 100 mg/m3n концентрация на прах в очистените газове.

Видове електрофилтри

Основно електрофилтрите могат да работят като суха и мокра система. Мокрите електрофилтри се характеризират с по-висока ефективност в сравнение със сухите, но е необходимо допълнително изграждане на инсталация за обработка на отпадната вода.

В зависимост от вида на електродите, електрофилтрите са два основни вида - тръбни и пластинчати. Тръбните електрофилтри се отличават с висока ефективност, но регенерацията им е много трудна, особено ако са решени като суха система. В конструктивно отношение тръбните и пластинчатите електрофилтри не се различават особено. Конструкцията им е сравнително елементарна. Основни елементи от конструкцията им са два вида електроди - разреждащ и утаителен; електрозахранваща система; както и система за отстраняване на полепналия по утаителните електроди прах; корпус и бункери за събиране на праха.

При тръбните електрофилтри, разреждащият, наричан още корониращ електрод, обикновено е метален проводник с малък диаметър. Към корониращия електрод се подава високо отрицателно напрежение, което води до образуването на голям брой йони и създаването на силно електрическо поле. В създадения поток от отрицателни йони между корониращия и утаителния електрод, витаещите прахови частици придобиват електрически заряд. Под въздействието на електрическото поле отрицателно заредените частици мигрират към заземените утаителни електроди и достигайки ги, се прилепват към тях, отдавайки своя заряд и образувайки слой прах. Отложилият се прах периодично се отстранява - обикновено чрез стръскване, при което, под действието на гравитационните сили, праховите частици падат в бункери, разположени в долната част на електрофилтъра, откъдето впоследствие насъбралият се прах се отстранява. Корпусът се конструира с оглед предпазване на електродите и запазване на целостта им.

Ефективност на електрофилтър

За определяне на степента на очистване на отпадните газове в електрофилтрите се използва следният теоретичен израз h = 1 - e -( vмА/vгV)L, където vм е миграционна скорост на праховите частици към утаителния електрод, m/s, А - площ на утаителния електрод, m2, vг - скорост на газовия поток през филтъра, m/s, V - обем на утаителния електрод и L - дължина на филтъра, m.

При извода на това уравнение са направени няколко предварителни допускания. Прието е, че движението на праховите частици към утаителния електрод се извършва с постоянна скорост на дрейфа. Също така е прието допускането, че скоростта на газовия поток е постоянна, както и че отсъства вторично прахово отнасяне от утаителните електроди и концентрацията на праха във всяко напречно сечение е еднаква. Очевидно е, че приетите уловия трудно биха могли да се отнесат за реални производствени условия и затова описаната формула дава само качествена оценка на ефективността на един електрофилтър.

От теоретичния израз се вижда, че с нарастване на миграционната скорост и дължината ефективността на електрофилтъра нараства, докато с увеличаване скоростта на газовия поток през филтъра и разстоянието между положителния и отрицателния електрод, ефективността намалява.

За тръбен електрофилтър отношението А/V се представя с израза А/V=2/R. След като А/V се замести, във формулата за ефективността се получава h=1-e-(2vм/vгR)L, където R е радиусът на утаителния електрод, m. За плосък електрофилтър формулата съответно има вида h=1-e-(2vм/vгl)L, където l е разстоянието между двата утаителни електрода, m.

Основен параметър за изчисляване ефективността на един елекрофилтър е миграционната скорост, която често се нарича

параметър на процеса
на електрофилтриране

Миграционната скорост се дефинира като специфично качество на даден прах и стойността й се отнася само за отделна частица с определени качества. Тя зависи от редица фактори, като качество на електрическото поле, качеството на газовия поток и качествата на конструкцията. Тъй като теоретично трудно биха могли да се получат надеждни данни за миграционната скорост, обикновено за пресмятане на електрофилтри, предназначени за улавяне на определен вид прах, се използват приблизителни данни, получени от практиката и в резултат на проведени изследвания.

Обикновено, производителите на електрофилтри предоставят информация за ефективността на даден електрофилтър на базата на експлоатационните условия и технологичния режим. За приблизителна оценка на ефективността е възможно използването и на израза:

h = 1 - exp(-KoтнBb0,42),

където Kотн - обобщен коефициент на вторично отнасяне, а B и b - безмерни параметри.

Конструктивно оразмеряване

В процеса на проектиране и избор на електрофилтър е необходимо предварително да се осигури следната базова информация - източник на емисията и качества на процеса, резултат от който са отпадните газове; дисперсност на праха; химически анализ на праха; специфично електрическо съпротивление на праха; прахова канцентрация на отпадните газове; прахова концентрация на очистените газове; характеристика на отпадния газ - състав, температура, налягане; корозионност на газа и на праха; обемен дебит на газа.

В последните години се наблюдава тенденцията инвеститорът да изисква гаранция за постиганата ефективност от електрофилтъра за конкретен технологичен процес.

Конструктивните изчисления на електрофилтрите се базират на формулата за определяне на ефективността им, позната и като формула на Дейч. За пресмятане на размерите на електрофилтъра се използва следното уравнение, получено след преработката на вече описаната формула -
AL/V = vгln(1/1-
h)/vм, в която при пресмятане на единичен тръбен електрофилтър с радиус R на утаителния електрод и дължина L, лявата страна приема вида 2L/R, а при плосък електрофилтър с разстояние l между утаителните електроди за един канал се получава 2L/l. За определяне броя n на елементите за тръбен електрофилтър се взема предвид обемният дебит, подлежащ на филтриране, и по определена скорост на газовия поток, характерна за съответното производство, чрез формулата n = V/vгpR2 се определя точният им брой.

При определяне на броя на елементите на плосък електофилтър формулата има следния вид - n = V/vгhl, където h е височината на газовия канал на плоския електрофилтър. При използване на тези уравнения, обаче, е необходимо познаването на миграционната скорост, която, както вече отбелязахме, може да се определи само експерементално. От своя страна, върху прахозадържащата способност на електрофилтрите съществено влияние оказва и системата за отстраняване праха от електродите.

В процеса на конструктиво оразмеряване на електрофилтърна система се отчита и загубата на налягане през филтъра. Този параметър зависи както от специфичните характеристики на очиствания газ, като скорост, вискозитет и плътност, така и от широчината на газовия коридор, формата на утаителните електроди и праховия пласт върху тях. Стойността на загубите на налягане също се определя опитно от компанията производител.




Top