ЕЛЕКТРИЧНЕ ОЧИЩЕННЯ ГАЗІВ

Електричне очищення – один з найдосконаліших видів очищення газів від завислих частинок пилу і туману. Апарати для очищення газів під дією електричних сил називаються електричними фільтрами.

Гази, які очищаються, пропускають через неоднорідне електричне поле, що утворюється між коронувальним 4 і осадовим 1 електродами (рис. 4.1). Коронувальні електроди ізольовані від землі й до них підводиться випрямлений струм негативної полярності напругою 50...80 кВ; осадові електроди заземлені й під'єднані до позитивного полюса. Як осадові електроди використовуються циліндричні або шестигранні труби і профільовані пластини. Коронувальні електроди часто виконуються у вигляді тонкого дроту. Під дією електричного поля, яке виникає між електродами, вільні електрони і позитивно заряджені молекули починають переміщуватися за напрямом силових ліній поля.

Рисунок 4.1 – Принцип роботи електрофільтра:

1 – осадовий електрод; 2 – електричне поле; 3 – заряджена зона;

4 – коронувальний електрод; 5 – шар осілого пилу

Напрям руху кожного заряду визначається його знаком, а швидкість руху – напруженістю поля; чим вища напруженість, тим більше прискорення одержують іони і електрони. При достатньо високій швидкості іони і електрони, зіткнувшись з нейтральними газовими молекулами, іонізують їх, тобто вибивають з них частину зовнішніх електронів. Знову створені електрони, в свою чергу, також іонізують молекули газу. Такий процес прийнято називати ударною іонізацією. Найінтенсивніше ударна іонізація проходить біля поверхні коронувального електрода, до якого підведена напруга. Напруженість поля , В/м, на відстані x метрів від осі коронувального електрода визначається за формулою, виведеною на основі теореми Остроградського-Гауса:

, (4.1)

де – напруга, прикладена до електродів, В;

– радіуси коронувального і осадового електродів, м.

З формули (4.1) витікає, що з віддаленням від коронувального проводу напруженість поля зменшується. Розряд зі змінною напруженістю прийнято називати коронним. Напруга, при якій виникає коронний розряд, називається критичною. Зміну сили струму і напруги при коронному розряді наведено на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 – Зміна сили струму зі збільшенням напруги

в електрофільтрі

Періоди: І – початкова іонізація газу; II – насичення; III – коронування; ІV – дуговий електричний розряд

Зовнішній вияв коронного розряду – помітне в темноті слабке бла-китно-фіолетове світіння навколо коронувального проводу. Критичну напруженість електричного поля, при якій виникає корона, для повітря визначають за формулою Піка (В/м):

, (4.2)

де – відношення густини повітря в робочих і стандартних умовах:

, (4.3)

де – барометричний тиск, кПа;

– розрідження чи надлишковий тиск, кПа;

t – температура газів, °С.

При значному збільшенні напруги більше критичної електрична міцність газового проміжку може бути порушена іскровим чи дуговим електричним розрядом. Зовнішній вияв дугового розряду – збільшення споживання струму (див. рис. 4.2). На інтенсивність коронування великий вплив має хімічний склад газу. Наявність сірчаного ангідриду, водяної пари, двоокису вуглецю збільшує робочу зону коронного розряду. При нормальних умовах напруженість поля складає для повітря 35,5 кВ/см, для двоокису вуглецю – 26,2 кВ/см, для азоту – 38 кВ/см.

Процес електричного вловлювання частинок в електрофільтрі можна розділити на три стадії:

- зарядження завислих частинок;

- рух заряджених частинок до електродів;

- осадження заряджених частинок на електродах.

Зарядження в електричному полі корони завислих в газі частинок проходить внаслідок адсорбції іонів поверхнею завислих частинок. Частинки розміром більше 1 мкм заряджаються, головним чином, іонами, які рухаються під дією сил електричного поля, а частинки значно менші 1 мкм (практично менше 0,2 мкм) заряджаються в основному іонами, які беруть участь у дифузійному процесі (тепловому русі газових молекул).

Для частинок з діаметром мкм ефективні обидва механізми. Зі збільшенням заряду частинки відштовхувальна сила між нею і однойменно зарядженими іонами збільшується, доки заряд на частинці не досягне максимального. Максимальне значення заряду частинок , Кл, з мкм, при якому припиняється процес зарядження, може бути підраховано за формулою Потеньє:

, (4.4)

де – число елементарних зарядів на частинці;

= 1,6∙10^-19 Кл – значення заряду електрона;

= 8,85∙10^-12 Ф/м – діелектрична проникність вакууму;

– напруженість електричного поля коронного розряду в зоні знаходження частинки, В/м;

– діаметр частинки, мкм;

– показник діелектричних властивостей частинок (в середньому можна прийняти для провідних частинок , для діелектричних ).

В звичайних умовах коронного розряду швидкість зарядження частинок достатньо велика: приблизно за 0,1 с частинка набуває 90% максимального заряду.

Для частинок з мкм при умовах, які зустрічаються в практиці ( °С) максимальна величина заряду , Кл, знаходиться за формулою:

. (4.5)

Таким чином, виявляється, що максимальна величина заряду частинок з мкм пропорційна квадрату діаметра частинки, а з мкм – діаметру.

Внаслідок одночасного осаджування багатьох частинок на поверхню осаджувального електрода на ньому утворюється шар пилу, який перезаряджається, тобто набуває протилежного знаку однакового зі знаком заряду осаджувального електрода. Час перезарядки залежить від опору пилу. Залежно від питомого опору шару пилу, який осів на електроді при вловлюванні в електрофільтрі, пил поділяють на три групи.

Перша група – з малим питомим електричним опором (до 10² Ом∙м). Час розрядки такого шару надто малий. Частинки, як тільки торкаються поверхні електрода, майже миттю перезаряджаються, внаслідок чого можуть відштовхуватися від електрода, знову попасти в газовий потік і бути винесеними з електрофільтра.

Друга група – з середнім питомим опором (10²...10⁸ Ом∙м). Пил легко осаджується на електродах і легко видаляється з них при струшуванні.

Третя група – з високим питомим опором (>10⁸ Ом∙м). Цей пил най- важче вловлюється в електрофільтрах, тому що на електродах частинки розряджаються повільно, що значно перешкоджає осадженню нових частинок. Крім того, пил третьої групи важко видаляти з поверхні електродів струшувальними механізмами, що ще більше ускладнює роботу електрофільтрів.