Пыли в электрофильтре

При нормальном протекании процесса коронирования поступающие непрерывно с поверхности провода быстрые электроны и образовавшиеся во внешней зоне короны ионы заряжают твердые частицы и увлекают их к противоположно заряженным электродам.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием аэродинамических сил, сил взаимодействия электрического поля и заряда частицы, силы тяжести и силы давления электрического ветра.

Под действием аэродинамических сил частица движется по направлению основного потока газа со скоростью w, близкой к скорости газа, которая составляет 0,5–2 м/с. Одновременно на частицы действуют силы электрической природы: кулоновская сила взаимодействия с другими заряженными частицами, сила взаимодействия двух поляризованных частиц; кулоно-поляризационная сила взаимодействия заряженной частицы с поляризованной частицей; силы взаимодействия заряженной или поляризованной частицы с проводящей или диэлектрической частицей, т. е. индукционная сила или электрическая сила «зеркального отображения».

Кулоновская сила взаимодействия двух одноименно заряженных частиц соответственно закону Кулона может быть представлена как

, (76)

где q₁ и q₂ – взаимодействующие точечные заряды, Кл; r – расстояние между ними, м; ε₀ – электрическая постоянная, Ф/м (ε₀ = 8,85 10^–12 Ф/м); ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Кулоновская сила, как правило, обусловливает электростатическое рассеяние частиц, однако при некотором минимальном расстоянии они могут коагулировать вследствие возникновения индукционных сил. Сила взаимодействия поляризованных частиц в зависимости от знака полярности сближенных поверхностей частиц может вызвать как их коагуляцию, так и электростатическое рассеивание. Индукционные силы обусловливают осаждение заряженных частиц на осадительный электрод. Поляризованные частицы притягиваются, если их общая ось расположена вдоль направления вектора напряженности поля, и отталкиваются, если их общая ось перпендикулярна к нему.

Основной, вызывающей движение частицы к осадительному электроду, является сила взаимодействия между электрическим полем и зарядом частицы.

Сила, действующая на частицу, несущую заряд q, в поле с напряженностью Е, равна

. (77)

Величина предельного заряда, который может получить частица размером более 1 мкм, пропорциональна напряженности электрического поля и квадрату радиуса частицы

, (78)

где n – число элементарных зарядов; e – величина элементарного заряда, равная 1,6·10^–19 Кл; r – радиус частицы, м.

Расчеты скорости движения частицы под действием электрического поля w_э показывают, что ее значение зависит главным образом от размеров частиц и напряженности электрического поля Е. Расчетные значения скорости приведены ниже[16]:

диаметр частиц, мкм 0,4 1,0 2,0 10,0 30,0

w_э, м/с, при E = 15·10⁴ В/м 0,012 0,013 0,015 0,075 0,10

w_э, м/с, при E = 30·10⁴ В/м 0,025 0,030 0,0601 0,50 0,60

Сила тяжести не оказывает заметного влияния на траекторию движения частиц пыли. За время пребывания в электрофильтре (10–15 с) частицы размером 10 мкм падают всего на 3–5 см, поэтому в расчетах силу тяжести обычно не учитывают.

Электрический ветер возникает в местах генерации ионов, т. е. у коронирующих электродов, и вызывает циркуляцию газа в межэлектродном промежутке со скоростью до 0,5–1,0 м/с. Он обусловлен механическим воздействием движущихся ионов на молекулы газа и частицы пыли. Этот ветер оказывает влияние на движение частиц к осадительным электродам и на перемешивание ионов и взвешенных частиц в межэлектродном пространстве. Однако из-за отсутствия методики расчета скорости электрического ветра его влиянием на движение частиц пренебрегают.

Таким образом, отрицательно заряженные аэрозольные частицы движутся к осадительному электроду под действием аэродинамических и электрических сил, а положительно заряженные частицы оседают на отрицательном коронирующем электроде. Ввиду того, что объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней, большинство частиц пыли получает заряд отрицательного знака. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде и лишь относительно небольшая – на отрицательном коронирующем электроде.

При движении заряженной частицы пыли к электроду она ускоряется под действием сил электрического поля, на нее также воздействует сила аэродинамического сопротивления. По мере возрастания скорости частицы возрастает и сила сопротивления, до тех пор пока эти обе силы не станут равными, после чего частица начинает двигаться с постоянной скоростью. Такой режим движения частицы называется стоксовским.

Предположение, что сопротивление частиц при осаждении соответствует закону Стокса, вполне обосновано даже для турбулентного режима, так как фактическая скорость дрейфа по отношению к допускаемой скорости газового потока в электрофильтре очень мала
(w_д = 0,1–0,15 м/с, a w_г= 0,8–1,5 м/с).

При движении в стоксовском режиме скорость дрейфа частиц с размерами более 1 мкм может определяться по формуле, м/с

, (79)

где r – радиус частицы, м; E–напряженность поля, В/м; μ – вязкость газа.

Движение заряженных частиц пыли к противоположно заряженному электроду создает ток i_п, который суммируется с током, создаваемым ионами и электронами. Вследствие малой скорости движения частиц пыли в нормально работающем электрофильтре составляющая тока i_n не превышает 1–2% общего тока. С повышением запыленности газа ток короны уменьшается и при большой запыленности (z = 25–35 г/м³) может упасть почти до нуля, вследствие чего работа фильтра резко ухудшается. Такое явление, называемое запиранием короны, наступает, когда объемный заряд частиц пыли становится равным объемному заряду генерируемых ионов, т. е. ионная составляющая тока короны обращается в нуль.

При запирании короны ионов может оказаться недостаточно, чтобы сообщить всем частицам максимальный заряд. Полное запирание короны встречается сравнительно редко, однако ухудшение работы фильтра при повышенной запыленности газа наблюдается часто.

Предотвратить запирание короны можно следующими способами: повышением рабочего напряжения на электродах; уменьшением скорости газа в электрофильтре; снижением концентрации пыли посредством организации предварительной грубой очистки газа; применением многопольных электрофильтров, состоящих из нескольких последовательно включенных полей с индивидуальным регулированием режима работы каждого поля.

При повышении напряженности электрического поля до некоторого критического значения происходит электрический пробой пористого слоя с образованием тонкого канала, заполненного положительно заряженными ионами. Этот канал выполняет роль острия, на котором возникает мощный обратный коронный разряд, действующий навстречу основному, что приводит к резкому снижению эффективности электрофильтра. Подобное явление называется обратным коронированием.