АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Теория электроочистки

Механическим методам очистки газов и соответствующей аппара­туре присущи существенные недостатки.

Аппараты, в которых осаждение частиц происходит под действием силы тяжести (пылеосадительные камеры), громоздки и малоэффективны, и в них невозможно улавливать частицы размером менее 10 (х.

Циклоны значительно более компактны и производительны, но центробежные силы и силы инерции, возникающие при перемене напра­
вления газового потока, не дают возможности получить достаточную полноту очистки газов от мелкой пыли; кроме того, использование цикло­нов связано со значительным расходом энергии на продвижение газа, а сами аппараты подвержены -износу от действия абразивной пыли.

В гидравлических пылеуловителях происходит охлаждение и насы­щение газа парами жидкости, что в ряде случаев недопустимо.

При мокрой очистке часто приходится выделять представляющую ценность пыль из осадка, вследствие чего значительно удорожается очистка газа.

Тканевые фильтры не могут быть применены для очистки горячих и химически агрессивных газов; кроме того, эти фильтры быстро загряз­няются и разрушаются.

Поэтому в ряде случаев применяется электрическая очист­ка газов.

Этот метод газоочистки обладает следующими преимуществами:

1. Принципиально возможно получить самую высокую чистоту газа. Правда, по экономическим соображениям степень очистки газа в электрофильтрах ограничивают 90—99%; превышение этих пределов привело бы к чрезмерному удлинению времени пребывания газа в элек­трическом поле и соответственно к увеличению объема аппаратуры.

2. Расход энергии на осаждение частиц составляет 0,1—0,8 кет на 1000 м3 газа, а потеря напора в электрофильтрах не превышает нор­мально 3—15 мм вод. ст. Таким образом, сум­марные затраты энергии невелики.

3. Электрическую очистку можно произ­водить также при высоких температурах и в условиях химически агрессивных сред.

4. Возможна полная автоматизация про­цесса очистки.

Физические основы процесса. Для того Рис. 111. Схема Действия чтобы выяснить принцип действия электро-

Электрофильтра. фильтра, рассмотрим электрическую цепь

/—источник тока; 2—электроды; , . . , 1 1 ,

3—гальванометр. фИС. 111), СОСТОЯЩУЮ ИЗ ИСТОЧНИКЭ ТОКа 1 И

Двух параллельных металлических пластин 2Г разделенных слоем воздуха. Такое устройство представляет собой воздушный конденсатор; ток в этой цепи протекать не будет, так как воздух между пластинами, подобно другим газам, не проводит электричества.

Однако если приложить к пластинам достаточную разность потен - fc циалов, то гальванометр 3, включенный в цепь, покажет прохождение тока вследствие ионизации воздуха между пластинами.

Ионизация газа между электродами может возникать двояко:

1. Несамостоятельно, под воздействием некоторых «иони­заторов», например лучей радиоактивных веществ, рентгеновских лучей и др. После прекращения действия «ионизатора» постепенно будет про­исходить рекомбинация, т. е. обратный процесс образования электроней­тральных молекул газа путем соединения друг с другом ионов различ­ного знака.

2. Самостоятельно, путем повышения напряжения в элек­трической цепи до величины, превышающей величину диэлектрической постоянной данного газа.

При электрической очистке газов применяют только самостоя­тельную ионизацию.

Если увеличивать разность потенциалов между пластинами (см. рис. 111), то когда она достигнет некоторой критической величины, или
так называемого пробивного напряжения для воздуха, воздушный слой будет «пробит» и сила тока в цепи резко возрастет; между пластинами возникнет искра. Такой искровой разряд называется самостоятель­ным газовым разрядом.

Под действием приложенного напряжения молекулы воздуха рас­щепляются на ионы и электроны, заряженные положительно и отрица­тельно. Эти ионы под влиянием сил электрического поля начинают двигаться к противоположно заряженным электродам. Скорость движе­ния, а следовательно, и кинетическая энергия ионов и электронов воз­растает с увеличением напряжения электрического поля.

Когда скорость ионов и электронов начинает превышать критиче­скую величину, они благодаря приобретенной живой силе в свою оче­редь расщепляют встречающиеся на их пути нейтральные молекулы. Та­ким образом происходит ионизация всего объема газа между электродами.

При одновременном образовании значительного числа ионов в одно­родном поле между параллельными пластинами сила тока сильно воз­растает и возникает искровой разряд.

Наряду с такой «ударной» ионизацией наблюдается также интен­сивное движение воздуха (явление «электрического ветра»), вследствие того что молекулы воздуха получают импульсы от движущихся в опре­деленном направлении ионов.

В технике электроочистки газов самостоятельную ионизацию осу­ществляют путем приложения высоких напряжений на электроды.

При ионизации этим способом необходимо, чтобы газовый слой пробивало только на некоторой части расстояния между электродами. Часть же газового слоя должна остаться непробитой и служить как бы изоляцией, предохраняющей от короткого за­мыкания между электродами через искру или дугу (пробой диэлектрика).

Такую газовую прослойку практически создают путем подбора формы электродов и расстояния между ними, соответственно дан­ному напряжению.

Электроды в виде двух параллельных ПЛОСКОСТеЙ В Данном Случае непригодны, Так Рис - 112- Форма электродов, как в любой точке поля между ними напря­жение одинаково, т. е. поле однородно. Когда разность потенциалов между обоими плоскими электродами окажется настолько большой, что достигнет величины пробивного напряжения, то вследствие однородности поля весь слой воздуха между электродами будет пробит и возникнет разряд в виде искры; при этом ионизации воздуха не произойдет.

Между электродами в виде двух концентрических цилиндров (про­вода и трубы—осадительного электрода, рис. 112, /) или цилиндра и плоскости (проводов и пластины, рис. 112, //) образуется неоднород­ное поле.

Вблизи провода напряжение поля столь велико, что ионы и элек­троны способны ионизировать нейтральные молекулы, но по мере удале­ния от провода напряжение поля, а следовательно, и скорость движения ионов уменьшается настолько, что ударная ионизация становится невоз­можной.

Для того чтобы между цилиндрическими электродами не могли появиться искры, необходимо, чтобы соотношение между величинами радиуса г провода и радиуса R трубы было определенным. Расчетным путем установлено, что для ионизации газа без короткого замыкания необходимо, чтобы R! r^2,72.

Видимым признаком наступления ионного разряда служит появле­ние вокруг поверхности проволоки слабого свечения («короны»), отли­чающего зону образования ионов обоих знаков. Это явление носит на­звание коронного разряда. Свечение всегда сопровождается характерным звуком (шипением или потрескиванием).

Электрод, вокруг которого наблюдается свечение (в данном случае провод), называется коронирующим электродом. В зависимости от ^полюса, с которым соединен провод, корона может быть положитель­ной или отрицательной. При электрической очистке газов применяют только отрицательную корону, которая менее равномерна, чем положительная, но допускает более высокую критическую разность потенциалов.

Величина критического напряжения, при котором появляется корона на по­верхности провода радиуса г см, находящегося внутри трубы, определяется для> воз­духа по эмпирической формуле

Ъ

Е0 = а-\- кв/см (1—209)

Где а и b—константы, зависящие от полярности короны, причем для отрицатель­ной короны а= 31 5 и b—9,54>A5 .

Величина 5 при давлении немногим меньше атмосферного определяется по фор­муле

0,392]о

5= 273+7 (1~21°)

Где р—давление воздуха в мм рт. ст.\ t—температура воздуха в °С;

Критическое напряжение на поверхности проводника равно

V0 = Ј0rln — кв (1—211)

Причем для провода и пластины вместо R берут S—расстояние между проводом и пло­скостью.

Подставляя в последнее уравнение значение Е0 из формулы (1—209), находим критическую разность потенциалов для отрицательной короны при концентрических (трубчатых) электродах

/ 0,308 \ R V0 = 315 ^l+'-^r-jrln— кв (1—212)

Эта же формула применима в первом приближении и для пластинчатых электро­фильтров.

Рабочее напряжение, как правило, в два-три раза превышает критическое (обычнй оно не больше 8 кв/см).

Механизм осаждения пыли в электрофильтре весьма сложен.

Лишь ничтожная часть пыли или тумана, попав в область короны, оседает на кор'онирующем проводе. Основная масса взвешенных в газе частиц, получив некоторый отрицательный электрический заряд, будет двигаться по направлению к осадительным электродам и отдавать послед­ним свой заряд. Важное значение имеет проводимость пыли.

При улавливании хорошо проводящей пыли слой ее, осевший на осадительном электроде, получает заряд того же знака и отталкивается в газовый поток; при этом часть пыли может быть вынесена из электро­фильтра.

Если пыль непроводима, то она прижимается силой поля к элек­троду и образует на нем плотный слой.

Заряженный отрицательно слой пыли, осевший на электродах, от­талкивает приближающиеся частицы того же знака, т. е. противодей­ствует основному электрическому ПОЛЮ.

Напряжение в порах слоя пыли, осевшего на электроде, может пре­высить критическое и вызвать коронирование воздуха, находящегося в порах, с образованием положительных ионов, которые будут нейтрали­зовать отрицательно заряженные частицы пыли. Это явление носит на­звание обратной короны и резко снижает эффективность пыле­улавливания.

Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, либо встряхивают электроды, либо увеличивают проводимость пыли путем ее увлажнения водой, распыляемой в горячем газе перед его поступ­лением в электрофильтр.

Сила тока и напряжение. Эффективность электроочистки определяется правиль­ным. выбором силы тока и напряжения, подводимого к электродам.

Для электрофильтров может быть использован только постоянный ток, при котором взвешенные в газе частицы будут двигаться только. в одном направлении. В случае питания электрофильтра переменным током при каждом изменении направ­ления поля будет меняться и направление силы, действующей на заряженную частицу;, последняя, испытав ряд импульсов, направляющих ее то к одному, то к другому элек­троду, будет вынесена газовым потокам из аппарата ранее, чем она успеет достичь поверхности одного из электродов. Поэтому к короніирующему электроду подводят постоянный ток.

Коронирующие электроды необходимо питать постоянным током отрицательно­го знака, так как отрицательные ионы обладают большей подвижностью; отрицатель­ные ионы воздуха имеют скорость примерно в 1,37 раза большую, чем положитель­ные. Кроме того, в электрофильтрах осаждение частиц пыли должно происходить на осадительном электроде, а при положительном заряде коронирующего электрода и большей скорости отрицательных ионов пыль садилась бы на последнем.

С возрастанием силы тока увеличивается скорость движения частиц пыли к оса- дительному электроду и таким образом улучшается улавливание. Обычно потребную силу тока выражают. в миллиамперах и относят к погонному метру коронирующего электрода (ма/пог. м). Силу тока принимают в пределах: /=0,3—0,5 ма/пог. м для трубчатых электродов и 0,1—0,35 ма/пог. м для пластинчатых.

Сила тока зависит от расстояния между разноименными электродами; чем боль­ше это расстояние, тем больший ток может быть принят. Сила тока возрастает также с уменьшением диаметра коронирующего электрода. Поэтому коронирующие электроды изготовляют весьма тонкими (2—4 мм). Наконец, сила тока в электрофильтре прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов, и повышение напряжения улуч­шает улавливание пыли.

Напряжение не должно быть ниже того, при котором возникает искровой раз­ряд, т. е. не меньше V0. На эту величину существенно влияют следующие факторы: температура и влажность газа, его состав, давление, форма «оронирующих электродов и их число (в пластинчатых электрофильтрах). Обычно при электроочисше газов,, имеющих нормальную температуру, величину падения напряжения на единицу рас­стояния между электродами (градиент напряжения) принимают равной не более 4,8 кв/см, а для горячих газов до 4 кв/см.

При наличии влаги в газе и содержании в нем сернистого газа пробивное на­пряжение увеличивается, что позволяет увеличивать и градиент напряжения.

Для принятого градиента напряжения величина напряжения может быть пони­жена путем уменьшения расстояния между разноименными электродами, но это услож­няет устройство и удорожает электрофильтр. Оптимальную величину напряжения определяют технико-экономическим расчетом. Обычно напряжение выбирают в пре­делах .35—70 /се, а расстояние между разноименными электродами 100—200 мм.

Скорость осаждения. Скорость осаждения в электрофильтре взвешенных в газе частиц зависит главным образом от величины полученного ими заряда: этот заряд из­меняется от величины элементарного электрического заряда е0 до величины диэлектри­ческой постоянной частиц є.

При определении максимального заряда частиц пренебрегают величиной заря­да, полученного ими до вступления в электрическое поле, а также (Влиянием электриче­ского ветра, неравномерностью ионного поля и заряжением частиц в зоне самой коро­ны ионами обоих знаков. Величину максимального заряда частиц определяют по фор­муле

Где п—число элементарных зарядов:

Е0—элементарный заряд (4,8-Ю-10 эл. ст. ед.);

Ех— напряжение поля в абсолютных единицах (300 в/см)

Є—диэлектрическая постоянная; d—диаметр частини в см.

Для газов є=1, для серы є=4, для окислов металлов є=12—18, а для метал­лов £ = 00 .

Взвешенная в газе частица подвергается в камере электрофильтра воздействию силы тяжести, индукции, электрического поля и электрического ветра.

Практически влиянием силы тяжести, индукции и электрического ветра можно пренебречь и рассматривать движение частицы происходящим лишь под воздействием электрического поля, в результате чего частица передвигается от коронирующего электрода в направлении к осадительному.

При этом движущаяся частица преодолевает сопротивление газовой среды, рав­ное по закону Стокса

S = Зк'х dw0

Следовательно, при установившемся движении частиц должно соблюдаться ра­венство

Зк dw0u. ~ пе0Ех

Откуда определяется скорость осаждения для частиц неправильной формы

Пе0Ех

(1—214)

Зная скорость осаждения w0, можно вычислить время х, в течение которого ча­стица пройдет путь х, по общему выражению

Dx

Откуда

Dx

Для трубчатого электрофильтра с диаметром коронирующего электрода 2г и диаметром трубы 2R соответственно хх=г и x2=R, следовательно

T\

_ Г Ії.

J w0

Обычно время пребывания газа в электрическом поле устанавливают опытным путем в соответствии с характером и количеством загрязнений газа и требуемой степенью

Очистки tj. Последняя величина связана со временем т (в сек.) следующей зависимостью:

•

Lg(l-T)) = xlg С

Где С—константа для данного электрофильтра и данной пыли (для проводящей пыли С=0,05—0,5).

Время пребывания газа в электрическом поле зависит также от длины поля и допускаемой скорости газа. При длине поля 3—4 м допускаемая скорость газа равна в среднем 0,8—1,5 м/сек (для трубчатых электрофильтров) и 0,5—1 м/сек (для пластин­чатых электрофильтров).

Расход электроэнергии. Для питания электрофильтров постоянным током вы­сокого напряжения устанавливают повысительно-выпрямительные электроагрегаты, к. п. д. которых должен быть учтен при определении расхода электроэнергии электро­фильтром

Расход электроэнергии определяют по формуле

0,707V Kim 0,5 /t

N = —Го% + ^ кап (1-216>

Где V—напряжение на низкой стороне трансформатора в в; К—коэффициент трансформации; /—сила тока в ма\

M—коэффициент формы кривой тока, равный 1,42—2,26; и iijg—к. п. д. электроагрегата и электродвигателя выпрямителя, равные 0,7—0,8