Очистки газов

Электрические методы очистки газов основаны на осаждении частиц пыли под действием сил электростатического поля.

Фундаментальным отличием процесса электростатического осаждения от механических методов сепарации частиц является то, что в этом случае осаждающая сила действует непосредственно на частицы, а не создается косвенно воздействием на поток газа в целом. Это прямое и чрезвычайно эффективное использование силового воздействия и объясняет такие характерные черты электростатического метода, как умеренное потребление энергии и малое сопротивление потоку газа. Даже мельчайшие частицы субмикрометрового диапазона улавливаются эффективно, поскольку и на эти частицы действует достаточно большая сила. Принципиальных ограничений степени очистки нет, поскольку эффективность может быть повышена путем увеличения продолжительности пребывания частиц в электрофильтре.

В современных условиях электрофильтры обычно обеспечивают степень очистки 99,5% и более, многие из них работают с эффективностью, превышающей 99,9%. Сочетание высокой степени очистки, умеренного расхода энергии, способности очищать большие потоки газа при высоких температурах и работать в агрессивной среде, объясняют широкое использование и разнообразие областей применения электрофильтров.

Основными элементами электрофильтров являются: газоплотный корпус с размещенными в нем коронирующими и осадительными электродами, изоляторы электродов, устройства для равномерного распределения потока по сечению электрофильтра, бункеры для сбора уловленных частиц, системы регенерации электродов и электропитание. На коронирующие электроды подводится выпрямленный ток высокого напряжения, а осадительные электроды заземляются.

После распределительных устройств обрабатываемые газы попадают в проходы, образованные коронирующими и осадительными электродами, называемые межэлектродными промежутками. Сходящие с поверхности коронирующих электродов электроны разгоняются в электрическом поле высокой напряженности и приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа.

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов, и все тела делятся на проводники и диэлектрики.
Проводником называют тело, в котором электрические заряды могут свободно перемещаться по всему его объему. Диэлектрики не обладают таким свойством.

Газы при нормальных условиях состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, являются изоляторами и становятся проводниками, если часть молекул газа ионизируется, т. е. расщепляется на электроны и положительные ионы.

В газе могут образовываться и отрицательные ионы вследствие соединения части освободившихся электронов с нейтральными молекулами газа.

Газ ионизируется под влиянием различных внешних воздействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей и радиоактивных излучений, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстродвижущимися электронами или ионами.

Так как в обычных условиях газ подвергается действию космических лучей и радиоактивных излучений, в нем всегда присутствует некоторое число свободных электронов и ионов.

Процесс ионизации газа под действием движущихся электронов или ионов называют ударной ионизацией. Если газ, содержащий свободные заряды (электроны и ионы), поместить между электродами, соединенными с источником напряжения, который создает неоднородное электрическое поле, то под воздействием поля свободные заряды, находящиеся в газе, начнут двигаться по силовым линиям поля. Для создания неоднородного электрического поля один из электродов может быть выполнен в виде металлического полого цилиндра, а второй – расположенного по его оси провода. Направление движения каждого носителя заряда определяется его знаком. Движущиеся ионы и электроны создают в газе электрический ток.

При увеличении напряжения на электродах (и напряженности поля) сила тока возрастает почти пропорционально напряжению. Далее с ростом напряжения рост силы тока замедляется, и наступает момент, когда при дальнейшем увеличении напряжения сила тока перестает изменяться. Это связано с тем, что при неизменной интенсивности ионизации газа количество присутствующих в нем свободных зарядов не меняется.

С ростом напряжения ионы движутся быстрее, число рекомби-наций (образований нейтральных молекул при столкновении ионов между собой и со свободными электронами) становится незначительным и почти все образующиеся ионы участвуют в переносе зарядов. Сила тока становится максимальной и постоянной. Максимальную силу тока, возможную при данной интенсивности ионизации, называют силой тока насыщения.

При некотором, достаточно большом значении напряжения движущиеся носители заряда (ионы и электроны), находящиеся в газе, настолько ускоряются, что, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, т. е. выбивают из них часть внешних электронов, превращая нейтральные молекулы в положительные ионы и свободные электроны – осуществляется ударная ионизация.

Образовавшиеся новые ионы и электроны приходят в движение, также ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. Число образующихся в газе ионов и электронов – носителей тока резко возрастает (подобно лавине), и сила тока опять начинает увеличиваться.

В рассматриваемом неоднородном электрическом поле напряженность у оси больше, чем на периферии, так как около провода силовые линии значительно гуще. Поэтому при повышении напряжения ударная ионизация проходит вблизи центрального провода.

По мере удаления от провода напряженность поля уменьшается и скорость движения носителей заряда становится недостаточной для поддержания процесса образования новых ионов.

Явление ударной ионизации вблизи центрального провода называют коронированием (коронным разрядом) .

При дальнейшем повышении напряжения число ионов в газе между электродами возрастает настолько, что коронный разряд переходит в пробой межэлектродного промежутка с дальнейшим ростом силы тока (коронный разряд принято называть незавершенным пробоем).

Коронный разряд может возникнуть только в неоднородном электрическом поле при определенных форме электродов и их расположении. Помимо описанных электродов – цилиндра и центрального провода, можно применить пластину и провод. В этом случае электрическое поле, возникающее в пространстве между пластиной и проводом, будет неоднородным – с гораздо большей напряженностью поля у провода, где будет проходить ударная ионизация (коронирование); у пластины ионизации не будет.

Коронный разряд в зависимости от знака заряда на проводе может быть положительным и отрицательным. Внешней особенностью отрицательного коронного разряда (короны) является слабое голубовато-фиолетовое свечение у провода, тихое потрескивание и запах озона и оксидов азота (при коронировании в атмосферном воздухе).

Отрицательно заряженные электроны движутся через внешнюю зону (область) коронного разряда к положительно заряженному цилиндрическому электроду и отдают ему свой заряд.

Так как корона занимает сравнительно небольшой объем в непосредственной близости к проводу, основная часть межэлектродного промежутка заполнена только отрицательными ионами и свободными электронами, которые движутся к цилиндрическому электроду. Наличие движущихся отрицательных ионов создает униполярный пространственный заряд во внешней зоне коронного разряда и обусловливает протекание в цепи электрического тока, называемого током короны.

Пространственный заряд влияет на распределение напряженности поля в межэлектродном промежутке. Между движущимися отрицательными ионами и положительными электродами создаются свои локальные электрические поля. Накладываясь на основное поле, они усиливают и выравнивают его, вследствие чего напряженность поля во внешней зоне коронного разряда приближается к некоторому постоянному значению, повышающемуся с ростом тока короны.

Напряженность поля, при которой возникает корона, называют начальной или критической. Ее величина во многом зависит от параметров обрабатываемых газов и может составлять для стандартных условий порядка 15–20 кВ/см. Величину критической напряженности поля для отрицательно заряженного коронирующего электрода рассчитывают по формуле Пика, В/м

, (72)

где β – отношение плотности газов в рабочих условиях к их плотности в стандартных условиях (температуре 20ºС и давлении 101,3 кПа):

, (73)

B – барометрическое давление, Па; p_г – величина избыточного давления или разряжения газов, Па; t – температура газов, ºС; R₁ – радиус коронирующего электрода, м.

Критическое напряжение на электродах U_кр, при котором появляется коронный разряд, зависит от их геометрии. При известной критической напряженности поля Е_кр , В/м, величину U_кр, В, для системы из цилиндрического осадительного и размещенного центрально проволочного коронирующего электродов можно подсчитать по формуле

, (74)

а для системы пластинчатых осадительных и проволочных коронирующих электродов

, (75)

где R₁, R₂ – радиусы коронирующего и цилиндрического осадительного электродов, м; l₁– расстояние между коронирующим и пластинчатым осадительным электродом, м; l₂ - расстояние между соседними коронирующими электродами, м.

Обычно для промышленных электрофильтров значения R₁, составляют порядка 0,001–0,002 м, R₂, и l₁, – 0,1–0,15м, U_кр – 20–30 кВ.

Частицы пыли, попадая вместе с газом в зону ионизации, приобретают в конечном итоге положительный или отрицательный заряд и начинают под влиянием электрических сил двигаться к электроду противоположного знака. Скорость движения заряженных частиц к противоположно заряженному электроду называется скоростью дрейфа.

Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: под воздействием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и в результате диффузии ионов. Первый механизм преобладает при размерах частиц более 0,5 мкм, второй – менее 0,2 мкм. Для частиц диаметром 0,2 –0,5 мкм эффективны оба механизма. Максимальная величина заряда для частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм – диаметру частицы.

Заряженные частицы пыли движутся вместе с газовым потоком вдоль электродов. Одновременно они перемещаются перпендикулярно направлению движения газа со скоростью дрейфа к электродам. Если коронирующий электрод заряжен отрицательно, то большинство положительно заряженных ионов сосредоточено в зоне коронного разряда вблизи этого электрода. Вследствие этого, а также в связи с тем, что масса ионов намного больше массы электронов, а скорость их движения под действием сил поля намного меньше, чем у электронов, большая часть частиц пыли в межэлектродном пространстве сталкивается с электронами и заряжается отрицательно. Эти частицы перемещаются вдоль силовых линий поля и оседают на заземленном осадительном электроде и отдают ему свой заряд, который уходит в землю. Следующий слой осевших частиц отдает свой заряд в землю через предыдущий слой и т.д. После накопления слоя пыли определенной толщины осадительный электрод встряхивают и пыль падает в бункер.

Поток положительных ионов, образовавшихся в зоне короны, так же разгоняемых электрическим полем, устремляется к отрицательно заряженному коронирующему проводу. Если кинетическая энергия этих ионов превысит энергию выхода электрона с поверхности провода, то при ударе они выбивают с его поверхности дополнительное число быстрых электронов, устремляющихся в зону короны и далее. Таким образом, электроны как бы многократно размножаются, чем обеспечивается интенсивная электронная эмиссия с поверхности провода и так называемый самостоятельный коронный разряд. Некоторая небольшая доля твердых частиц, движущихся в запыленном газовом потоке вблизи коронирующего электрода в зоне собственно короны и заряжающихся положительными ионами, увлекается к коронирующему электроду и после их осаждения на нем периодически удаляется в бункер. Число положительных ионов, осаждающихся при коронном разряде на проводе, должно быть равно числу отрицательных ионов, осаждающихся на пластине и уходящих в «землю»; в противном случае коронный ток в межэлектродном промежутке уменьшается и там накапливается объемный заряд, снижающий напряженность поля. При некоторых условиях может возникнуть обратный ионный поток, нарушающий процесс осаждения пыли.

Скорость дрейфа взвешенных частиц возрастает с напряженностью поля, однако при определенном значении напряжения на электродах наступает пробой газового промежутка, и возникает дуга. Поэтому оптимальным значением напряжения на электродах считается максимально близкое к пробойному.

Так как электрическая прочность газового промежутка при отрицательной короне выше, чем при положительной, в системах очистки промышленных выбросов подают на коронирующий электрод отрицательное напряжение выпрямленного тока. Однако в отрицательной короне образуется значительное количество озона, который может инициировать в атмосфере множество реакций, приводящих к ее вторичному загрязнению. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании очистных устройств в районах, подверженных фотооксидантным смогам. Электрофильтры для систем вентиляции и кондиционирования воздуха работают только с положительной короной.