Очистка газов в электрическом поле

(электроосаждение)

Скорость осаждения очень мелких частиц (менее 1 мкм) из газовых сред чрезвычайно мала не только в гравитационном поле, но и в поле центробежных сил. По этой причине разделение тонкодисперсных аэрозолей (очистка газов от мелких твердых частиц и капель) рассмотренными выше методами практически невозможна. Этот процесс, однако, успешно осуществляется в электрическом поле.

Физические основы процесса. Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа электрическим зарядом (самостоятельная ионизация). Сущность этого процесса заключается в следующем. Имеется электрическая цепь (рис. 9.26а), в которую включен источник тока 1, допускающий возможность изменения напряжения, и гальванометр 2, а на концах цепи – пластина 3 и острие 4, разделенные воздушным зазором 5, причем пластина должна обладать положительным зарядом, а острие – отрицательным.

При малых напряжениях ток в такой цепи практически не обнаруживается, так как газ, состоящий из нейтральных молекул, не проводит электричество. При повышении разности потенциалов между электродами до некоторой величины (точка а на графике рис. 9.26б) наступает ионизация газов вследствие того, что находящиеся в газах в небольшом количестве свободные электроны и ионы приобретают приращение кинетической энергии, достаточной для расщепления встречных нейтральных молекул, в результате чего значительно возрастает количество заряженных частиц и появляется электрический ток. Соответствующая этому моменту разность потенциалов называется ионизационным потенциалом.

При дальнейшем повышении разности потенциалов сила тока начинает возрастать (отрезок аб), так как дополнительно появившиеся электроны и ионы при движении к электроду также вызывают ионизацию. Это явление называется ударной ионизацией,а процесс, характеризуемый отрезком аб, называется тихим самостоятельным разрядом. Затем сила тока начинает резко увеличиваться при малом увеличении разности потенциалов (отрезок бв). Это объясняется тем, что напряженность электрического поля около вершины острия достигает предела, при котором у вершины острия произошел электрический пробой, т.е. расщепление молекул газа с образованием положительных и отрицательных ионов (точка б).

Рис. 9.26. Ионизация молекул газа электрическим зарядом:
а – электрическая цепь: 1 – источник тока, 2 – гальванометр, 3 – пластина, 4 – острие, 5 – воздушный зазор; б – изменение силы тока, проходящего через газ, в зависимости от разности потенциалов между электродами

Это явление называется коронным разрядом и сопровождается появлением бледно-голубой короны вокруг проводника. Образо-вавшиеся при этом положительные ионы теряют заряд у вершины излучающего электрода, а отрицательные перемещаются к противоположно заряженному электроду. Область ионизации у проводника, в которой происходит излучение света, называется оболочкой короны, а напряжение, при котором появляется корона, – начальным напряжением коронного разряда. Устойчивость протекания стадии коронного разряда, характеризующегося неполным пробоемгаза, обусловливается геометрической конфигурацией электродов, создающих электрическое поле с неоднородной напряженностью.

Если разность потенциалов между электродами достигнет некоторого предела, при котором сила тока будет соответствовать точке в, то наступает искровой разряд. Между электродами проскакивает искра (отрезок вг) с соответствующим значительным падением разности потенциалов.

На заключительной стадии разряда при достаточной мощности тока может образовываться электрическая дуга (точка г). Следовательно, чтобы избежать короткого замыкания электродов, пробой газового слоя должен произойти лишь на части расстояния между электродами. Остальная часть газового пространства между электродами, называемая внешней областью короны, должна остаться непробитой. Из описания этого процесса следует, что для ионизации газов, используемой для электрической очистки их от дисперсных частиц, можно применять только такие электроды, которые способны создавать неоднородное электрическое поле, при котором градиент напряжения не остается постоянным, а убывает по мере удаления от излучающего электрода.

Аппараты, в которых происходит процесс электрической очистки газов, обычно называют электрофильтрами. Однако это название не соответствует сущности процесса, так как при электрической очистке газов происходит процесс осаждения, а не фильтрования (фильтровальная перегородка отсутствует). Поэтому в дальнейшем будем называть эти аппараты электроосадителями. Для создания неоднородного электрического поля в электроосадителях применяют электроды различной формы. Электрод, вокруг, которого образуется «корона», называется коронирующим электродом и имеет форму стержня. Коронирующий электрод носит отрицательный заряд. Положительно заряженный электрод имеет форму цилиндра или пластины и называется осадительным электродом. При таких формах электродов можно использовать более высокое напряжение без появления искрового разряда. При возникновении короны появляются ионы обоих знаков и свободные электроны. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к осадительному электроду. Соприкасаясь со встречными дисперсными частицами, находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают к осадительному электроду. В результате частицы дыма или тумана оседают на этом электроде. Основная масса дисперсных частиц приобретает отрицательный заряд потому, что отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь от области короны к осадительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно больше их вероятность столкновения со взвешенными в газе частицами. Отрицательно заряженные дисперсные частицы, попадая на осадительный электрод, отдают ему свои заряды, а затем удаляются с электрода. Лишь небольшая доля частиц, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в области короны, оседают на коронирующем электроде.

На степень очистки газа влияет проводимость частиц. Если частицы хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) невелики, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновская сила отталкивания, и частица вновь может попасть в поток газа. Это приводит к увеличению уноса частиц из аппарата и снижению степени очистки. Если частицы плохо проводят ток, то они прижимаются силой поля к электроду и образуют на нем слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака. Напряжение в порах слоя осевших частиц может превысить критическое и вызвать коронирование газа у осадительного электрода – «обратную корону». Это явление снижает эффективность очистки газа. Для исключения вредного влияния частиц, осевших на электродах, их удаляют периодическим встряхиванием электродов.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, поэтому снижается сила потребляемого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3-
0,6 м/с) значительно меньше скорости ионов (60-100 м/с). При падении силы потребляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается – происходит полное «запирание короны». В этом случае необходимо уменьшить концентрацию частиц в газе путем образования перед электроосадителем предварительной очистки газа, тем самым уменьшить нагрузку на электроосадитель. Частицы жидкости обладают относительно невысоким удельным электрическим сопротивлением и обычно хорошо смачивают поверхность электрода. Поэтому они быстро отдают электроду свой заряд и стекают по его поверхности. Электроосадители работают только на постоянном токе.

Электроосадители. В зависимости от формы осадительных электродов различают электроосадители трубчатые и пластинчатые, в зависимости от вида удаляемых частиц – сухие и мокрые. В сухих электроосадителях улавливаются сухие твердые частицы, т.е. очистка газов происходит при температуре выше точки росы. Мокрые электроосадители служат для удаления влажных частиц, а также для осаждения капель.

На рис. 9.27 показаны схемы трубчатого (а) и пластинчатого(б) электроосадителей. Трубчатый электроосадитель состоит из пучка вертикальных металлических труб 1 (осадительные электроды) диаметром 150-300 мм и длиной 3-4 м, по осям которых проходят натянутые проволоки (коронирующие электроды) 2 диаметром 1,5-2 мм. Концы труб соединяют две камеры, из которых нижняя 3 служит для распределения очищаемой газовзвеси и выхода осажденных частиц, а верхняя 4 – для отвода очищенного газа. Проволоки подвешены на общей раме, опирающейся на изоляторы. Нижние концы проволок прикреплены к раме 5, фиксирующей их вертикальное осевое положение. Для удаления частиц, оседающих на проволоках, последние непрерывно встряхиваются ударами нескольких связанных молотков по верхней раме. Частицы, оседающие на внутренней поверхности труб, периодически стряхиваются системой молотков, расположенных между рядами и соединенных общим приводом (на рисунке не показано). Вся система труб помещается в защитном корпусе.

Рис. 9.27. Схемы трубчатого(а) и пластинчатого электро-осадителей: 1 – осадительные электроды (трубы и пластины); 2 – коронирующие электроды; 3 – нижняя камера; 4 – верхняя камера; 5 – нижняя рама; 6 – верхняя рама; 7 – молоток для встряхивания коронирующих электродов; 8 – газовзвесь; 9 – очищенный газ; 10 – изолятор; 11 – заземление

Пластинчатые электроосадители отличаются от трубчатых тем, что осадительными электродами служат не трубы, а вертикальные пластины, между которыми проходят подвешенные на раме проволоки. Пластинчатые электроосадители менее металлоемки, более компактны, проще в монтаже и доступнее для удаления осажденных частиц. Преимуществом трубчатых электроосадителей является возможность использования большего напряжения электрического поля и достижения, следовательно, более высокой удельной производи-тельности.

Электроосадители работают при высоком напряжении постоянного электрического тока (40-75 кВ), расход энергии составляет 0,2-0,3 кВт×ч на 1000 м³ газа, гидравлическое сопротивление их невелико и составляет 150-200 Па. Степень очистки газа лежит в пределах 95-99%.

Для очистки сухих дымов используют преимущественно пластинчатые электроосадители, а для разделения влажных дымов и туманов – трубчатые. Электроосадители являются дорогостоящими и сложными в эксплуатации аппаратами. Они мало пригодны для очистки газов от твердых частиц, имеющих высокую электропроводность.

Расчет электроосадителей. Расчет сводится к подбору электроосадителя, обеспечивающего необходимую степень очистки:

, (9.58)

где с_н, с_к – начальная и конечная концентрации взвешенных частиц в газе, кг/м³.

Рассмотрим элементарный участок аппарата высотой с площадью поперечного сечения S и периметром П (периметр осадительного электрода). Масса удаленных дисперсных частиц при прохождении объема будет равна

. (9.59)

С другой стороны, эту же величину можно определить, зная скорость осаждения частиц w₀ . Все частицы, находящиеся в кольцевом пространстве шириной w₀dt вблизи осадительного электрода, достигнут его за время dtи масса их составит:

(9.60)

Приравняв (9.59) и (9.60), разделив переменные и проинтегрировав, получим

, (9.61)

откуда

(9.62) или . (9.63)

Заменив время t отношением высоты аппарата к средней скорости потока преобразуем (9.63) к виду

. (9.64)

Введем понятие удельной поверхности осаждения f как отношение площади осадительного электрода F к объемному расходу аэрозоли . Учитывая, что , а , запишем

. (9.65)

Тогда степень очистки по (9.58) будет иметь вид

. (9.66)

Для трубчатых электроосадителей , а для пластинчатых , где R- радиус трубы осадительного электрода, h – расстояние между коронирующим и осадительным электродами. Теоретический расчет скорости осаждения частицы w₀ в электрическом поле весьма сложен, в основном вследствие затруднительности определения электрического заряда, скопившегося на ней. В связи с этим уравнениями (9.63) – (9.66) пользуются, как правило, лишь для качественного анализа, а расчет электроосадителей производят на основе экспериментальных данных.