Електрофилтриране в индустрията

ЕкологияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2007

 

Част II: eлектрически вятър, начини за зареждане на частиците, миграционна скорост, електрическо съпротивление на праха

Високата ефективност на работа и способността да улавят и много фини частици са превърнали електрофилтрите в предпочитано техническо решение за прахоулавяне в редица отрасли на индустрията, в които производствените процеси протичат с отделяне на значителни количества прах. Електрофилтрите са се наложили в отрасли като стоманодобивната промишленост, циментовата индустрия, въглищните топлоелектрически централи и т.н. В миналия брой на списание Инженеринг ревю ви запознахме с принципа на работа, конструкцията, видовете и приложната област на електрофилтрите. Обект на настоящата статия са специфики в процеса на електрофилтриране.

За процеса на прахоулавяне

Основни конструктивни елементи на електрофилтрите са корониращ и утаителен електроди. Корониращият електрод най-често представлява тънка метална жица, която е предназначена да йонизира преминаващия газов поток и да участва в създаването на електрическо поле. Предназначението на утаителния електрод е да улови праховите частици.

Процесът на прахова сепарация в електрофилтрите преминава през няколко етапа. Първоначално в електрофилтъра се създава електрическо поле, последвано от появата на електрически заряди. Те зареждат електрически праховите частици, съдържащи се в преминаващия през филтъра газов поток. Заредените прахови частици се придвижват до утаителния електрод, където се отлагат. Натрупаният върху утаителния електрод прах се отстранява посредством използването на стръскваща система и се събира в бункер. Процесът на прахова сепарация завършва с разтоварването на бункера.

Високата ефективност на електрофилтрите се дължи именно на описания принцип на улавяне на частиците, базиран на действието на електростатичните сили. В зависимост от формата на използваните утаителни електроди, електрофилтрите се определят като тръбни и пластинчати. Както бе изяснено в първата част на статията, и двата вида филтри могат да работят като мокра или суха система.

Тръбни и пластинчати електрофилтри

Обикновено утаителните електроди на тръбните електрофилтри са с диаметър от 50 до 200 mm, а дължината им е от 2 до 5 m. Скоростта на газовия поток през електрофилтъра е от 1 до 2 m/s. С цел осигуряване на по-голям дебит на очиствания газ, този вид електрофилтри се изграждат от множество паралелно монтирани тръбни елементи. Тръбните електрофилтри се отличават с висока ефективност, но регенерацията им е трудна, особено при сухите системи.

Пластинчатите електрофилтри, които са сравнително по-често срещани в практиката, се използват за очистване от прах на хоризонтални газови потоци. Изграждат се от жичен корониращ електрод и плосък утаителен електрод. Корониращите електроди могат да се изработят с различна форма на напречното сечение, например ромбоидна, кръгла и т.н. Средната скорост на отпадъчните газове през корониращите електроди обикновено е от 1 до 2,5 m/s.

За осъществяване на процеса на прахоулавяне утаителният и корониращият електрод са с противоположни заряди. В електрофилтърни системи с индустриално приложение корониращият електрод е отрицателен, а утаителният положителен. Причината е в по-добрата волт-амперна характеристика на това решение. Електрофилтрите разполагат с електрозахранваща система. За отстраняване на праховите частици от утаителния електрод се използва стръскваща система. Наложила се е механично-стръскващата система, която се използва за почистване, както на утаителните, така и на корониращите електроди. Отстранените от електродите прахови частици се събират в бункери, разположени в основата на филтъра. Корпусът на електрофилтъра се конструира с оглед постигане на възможно най-лесното постъпване на прахогазовия поток в него и предпазване на електродите.

Определяне на критичното напрежение

Сред най-важните характеристики на една електрофилтърна система е критичното напрежение, което се дефинира като напрежението, при което започва коронирането на разреждащия електрод. За определяне на критичното напрежение нека разгледаме сравнително елементарната конструкция на тръбен електрофилтър с тръбен положителен електрод и отрицателен жичен електрод, разположен в центъра на тръбата. Обикновено към него се прилага правотоково напрежение U от 20 до 80 kV, стойността на което зависи от разстоянието между отделните електроди. Благодарение на приложеното високо напрежение, между електродите се създава силно електрическо поле. Напрегнатостта Е, V/m на това електрическо поле при идеални условия се описва с уравнението - E = U/RlnR2/R1, където U е стойността на захранващото напрежение в кV, R е променлив радиус, R1 - радиус на разреждащия (корониращ) електрод, m; R2 - радиус на утаителния електрод, m. Критичното напрежение, при което започва коронирането на разреждащия електрод, се определя чрез израза Uкр. = 31(1+0,308/ЦR1)R1ln(R2/R1), kV.

При пластинчатите електрофилтри критичното напрежение на коронното разреждане се изчислява с формулата Uкр.=Eкр.R1 (pH/d - ln2pR1 /d), където R1 е радиусът на екраниращия електрод, m; H разстоянието между корониращия електрод и плоския утаителен електрод, m; d - разстоянието между съседните корониращи електроди по реда, m.

Напрегнатостта най-голяма до корониращия електрод

Създаването на електрическо поле в електрофилтрите се дължи на приложеното към електродите надкритично напрежение. Електрическото поле е с най-голяма напрегнатост близо до повърхността на зареждащия (отрицателния) електрод. Свободните електрони, напускащи този електрод, са ускорени до такава степен, че избиват електрони от външната обвивка на неутралните газови молекули, като ги превръщат в положителни йони и нови свободни електрони, които водят до последваща нова йонизация. Този процес протича лавинообразно. Тъй като ускорението на електроните е в пряка зависимост от напрегнатостта на електрическото поле, то с отдалечаването от корониращия електрод напрегнатостта на електрическото поле пада, а следователно намалява и скоростта на йонизационния процес.

В електрофилтрите с отрицателна корона са в сила три начина за пренасяне на електрическия заряд - чрез електрони, отрицателни газови йони и заредени прахови частици. Свободните електрони могат директно да атакуват праховата частица, което води до електрическото й зареждане и създава условия за придвижването й към утаителния електрод. От друга страна, електроните могат да бъдат адсорбирани от неутрални газови молекули, които се превръщат в отрицателни йони. Отрицателните йони при сблъсък с праховите частици ги зареждат с отрицателен заряд и предизвикват придвижването им към утаителния електрод.

Електрически вятър би могъл да помага или пречи

Характерна специфика на електрическите филтри е появата на т.нар. електрически вятър. Появата му е следствие на движението на неутралните газови молекули към положителния електрод. Това движение е провокирано от триенето между неутралните молекули и заредените прахови частици. В зависимост от посоката си, електрическият вятър би могъл да оказва положително или отрицателно влияние върху процеса на прахоулавяне. Ако посоката му е към корониращия електрод, електрическият вятър пречи, докато ако е към утаителния, подпомага процеса на електроулавяне.

Следователна, попадналите в електрическото поле на електрофилтъра прахови частици придобиват електрическия си заряд в резултат на въздействието на механизмите на дифузионното и ударното зареждане.

Характеристики на ударното зареждане

При ударното зареждане на електрофилтрите с отрицателна корона се приема, че газовите йони и свободните електрони се движат по силовите линии на електрическото поле, пресичайки траекторията на праховите частици. Движението е между коронни и утаителни електроди в посоката към утаителните електроди. По време на движението си газовите йони и свободните електрони се сблъскват с частиците и капките и ги зареждат. Зарядът на праховата частица зависи от напрегнатостта на електрическото поле Е и на диелектрическите свойства на праховите частици e. Когато диелектрическата константа e на праховите частици е равна на единица, те се приемат за електронепроводими, т.е. те не причиняват изкривяване на електрическите силови линии. Изкривяване на електрическите силови линии се наблюдава при електропроводими незаредени прахови частици. С нарастване на електрическия заряд на частицата се наблюдава изправяне на електрическите силови линии. Част от йоните се отблъскват от заредената частица, а скоростта на движение се понижава. След определен интервал от време зарядът на частицата достига своята гранична стойност и нито една електрическа силова линия не пресича траекторията й.

Дифузното зареждане е доминиращо за частици
до 1 микрометър

Утаяването на газовите йони и електроните върху праховите частици при тяхното топлинно движение се нарича дифузно зареждане. Процесът се дължи на брауновото движение на йоните. При дифузното зареждане на праховите частици основни фактори, оказващи влияние върху ефективността на прахоулавянето, са броят на йоните и подвижността им, която зависи температурата и продължителността на времето за протичане на процеса.

Описаните механизми на зареждане на праховите частици действат едновременно. Механизмът на дифузно зареждане е доминиращ за частици, по-малки от 1 mm. За прахови частици с диаметър от 0,2 до 1 mm двата механизма са в достатъчна степен ефективни.

При висока температура миграционната скорост е ниска

Миграционната скорост е специфична характеристика на даден вид прах, тъй като стойността й се отнася само за отделна частица с определени качества. Миграционната скорост зависи от няколко групи от фактори, свързани с характеристиките на електрическото поле, например напрегнатост, на отрицателната корона и на обратната (положителната) корона, електрическия вятър и праховото съпротивление, качествата на праховите частици и на газови поток, както и спецификите на конструкцията на електрофилтъра.

Теоретично е трудно да се дадат достатъчно точни данни за миграционната скорост. Затова в практиката при пресмятане на електрофилтри за улавяне на определен вид прах се използват данни, получени от практиката. Например за цинков прах миграционната скорост се приема за равна на около 2 - 3 сm/s, за калциев карбонат 4-5 сm/s, за алуминиев хлорид 5-6 сm/s, за газове от пещи за кафяви, черни и антрацитни въглища - 2-11 сm/s. Обикновено за по-голяма част от промишлените електрофилтри миграционната скорост е от порядъка на няколко сm/s.

На базата на теоретични изчисления е доказано, че миграционната скорост намалява с нарастване на температурата на отпадъчния газ. При нарастване на диаметъра на праховите частици, миграционната скорост също се увеличава. При промяна на коефициента на обратната корона от 1 до 0 миграционната скорост намалява до нула. Следователно, при постъпването си в електрофилтъра, запрашеният газ трябва да бъде с подходяща температура. Също така появата на обратна корона е нежелателна.

Специфичното електрическо съпротивление на праха

е сред най-важните му характеристики. Счита се, че най-добри условия за улавяне на праховите частици са налице, когато специфичното им електрическо съпротивление е в границите 104 r Ј1010 W.m. При тези стойности напрежението между двата електрода нараства с увеличаване на специфичното електрическо съпротивление r, докато токът е постоянен. Когато специфичното прахово съпротивление е високо, се наблюдава пад на напрежението в праховия пласт върху утаителния електрод, което е съпроводено с намаляване на тока. При r>1010 W.cm ефективността на филтъра значително се влошава. Ако върху утаителния електрод се отложи слой от прах с r<1011 W.cm, е възможно той да генерира емисия, обаче от положителни йони. При тази ситуация успоредно с отрицателната корона, се образува и положителна корона, което води до влошаване на прахозадържащата способност на електрофилтъра.

При стойности на r=104 W.cm прахът е с относително висока проводимост. Праховите частици се удрят в утаителния електрод, при което мигновено предават електрическия си товар. Това обикновено води до вторично отнасяне, което намалява ефективността на филтъра. За предотвратяване на вторичното отнасяне, върху повърхността на утаителния електрод е възможно да се пулверизира течност, която да отнесе праховите частици.

Върху специфичното електрическо съпротивление на праха съществено влияние оказва температурата. С нарастване на температурата съпротивлението се увеличава, достига максимална стойност, след което рязко пада. В нискотемпературната област се наблюдава по-висока електропроводимост на праховите частици. Затова е добре да се има предвид, че при високовлажностно натоварване на газовия поток, специфичното електрическо съпротивление пада. Чрез прибавяне на SO3 или NH3 стойността на специфичното електрическо съпротивление също се понижава.




Top