МАШИНОСТРОЕНИЕ

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ

Электрофильтры - устройства, в кото­рых очистка газов от взвешенных в них твер­дых или жидких частиц происходит под дейст­вием электрических сил. При движении через электрофильтр взвешенные в газе частицы за­ряжаются в поле коронного разряда и под дей­ствием электрического поля осаждаются на осадительных электродах. Коронный разряд - явление ударной ионизации газа под действием движущихся электронов или ионов вблизи электрода, называемого коронирующим. Поток отрицательных ионов между коронирующими и осадительными электродами образует ток короны электрофильтра. Коронный разряд ха­рактерен для систем электродов с резко неод­нородным полем: острие - плоскость; провод внутри трубы; ряд проводов между двумя па­раллельными плоскостями при отношении ра­диуса провода к межэлектродному промежутку менее 0,1 [45, 54. 70].

Коронный разряд возникает при некото­ром начальном (критическом) напряжении, со­ставляющем в промышленных электрофильт­рах 20...40 кВ.

Осаждение частиц обусловлено или по­следующим воздействием на них поля короны, или прохождением их в чисто электростатиче­ском поле между гладкими некоронирующими электродами. Электрофильтры первого типа известны как одноступенчатые, или осадители Коттреля, а второго - как двухступенчатые, поскольку в них зарядка и осаждение протека­ют в различных ступенях. Схемы устройств этих двух типов представлены на рис. 3.2.1 и рис. 3.2.2.

К числу преимуществ электрофильтра относятся: высокая степень очистки (превыша­ет 99 %); низкие энергетические затраты на улавливание частиц, состоящие из потерь энер­гии на преодоление газодинамического сопро­тивления аппарата (не превышает 150.. .200 Па)

\_________________________________________ Осадительнь/е

Пластины

~Т}ысокойальтные ________________________ электроды

Заряди и к Коллектор

Б)

Рис. 3.2.1. Принцип действия одноступенчатого (а) и двухступенчатого (б) электрофильтров:

1 - осадительные пластины. 2 - коронирующие проволоки, 3 - зарядник, 4 - высоковольтные электроды; 5 - осадите ль

И затрат энергии (обычно 0,3.-1,8 МДж или 0,1...0,5 кВт-ч) на 1000 м3 газа; возможность улавливания частиц размером 100...0,1 мкм и менее, при этом концентрация взвешенных частиц в газах может колебаться от долей до 50 г/м3 и более, а их температура может пре­вышать 500 °С. Электрофильтры могут рабо­тать под давлением и разрежением, а также в условиях воздействия различных агрессивных сред.

К недостаткам электрофильтров относит­ся их высокая чувствительность к отклонениям от заданных параметров технологического ре­жима, а также к незначительным механическим дефектам в активной зоне аппарата.

Электрофильтры широко применяются во многих отраслях промышленности: химиче­ской и нефтехимической, теплоэнергетической, черной и цветной металлургии, строительной, при производстве удобрений и утилизации бы­товых отходов и др.

Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ является взрывоопасной сме­сью. так как при работе электрофильтра неиз­бежно возникновение искровых разрядов.

Классификация электрофильтров. К основным типам электрофильтров относятся горизонтальный пластинчатый, вертикальные пластинчатый и трубчатый. Каждый из них может быть использован как мокрый или су­хой, а также как одно - или многосекционный (табл. 3.2.1). Вертикальные аппараты выпол­няются, как правило, однопольными.

В трубчатых электрофильтрах в качестве осадительных электродов 3 используют цилин­дрические трубы диаметром 0,25...0,3 мили шестигранные (сотовые) с диаметром вписан­ной окружности 0,25 м (рис. 3.2.3). Длина труб 3...5 м. В пластинчатых электрофильтрах оса­дительные электроды 2 выполняют в виде гладких пластин или набирают из прутков диаметром 8 мм, если скорость газа не превы­шает 1 м/с (рис. 3.2.4). При более высоких ско­ростях газа (1,5... 1,7 м/с) осадительные элек­троды набирают из штампованных элементов специального профиля. В зависимости от ти­поразмера пластинчатого электрофильтра [56] активная длина поля составляет 1,5...4 м, а вы­сота 4... 12 м.

3.2.1. Классификационные признаки электрофильтров для разделения пылегазовых смесей

Некоторые конструктивные решения оса - дительных электродов представлены на рис. 3.2.5, а коронирующих - на рис. 3.2.6.

Коронирующие электроды подключают к отрицательному полюсу высоковольтного ис­точника питания [4] с системой регулирования, позволяющей поддерживать рабочее напряже­ние в электрофильтре.

На смену мокрым электрофильтрам, из­готовляемым из дефицитных цветных метал­лов, пришли аппараты, отличающиеся широ­ким использованием полимерных материалов. Наиболее перспективным для этих целей, как показали исследования ОАО НИИОгаза, явля­ется композиционный материал на основе по­липропилена с наполнителями из ацетиленовой

Сажи и графита с добавкой этилен-пропилено - вого каучука. Этот материал отличается значи­тельной механической прочностью, стойко­стью к низким температурам окружающего воздуха и к химически агрессивным средам и служит основой для создания ряда конструк­тивных элементов электрофильтров типа ЭВМ 1 -3,8-11 -1 - КПФ, ЭВМ-2-3,54-5,6-1 - СП, ЭВМ 2-3,5-9,0-1-СПФ [29]. Оригинальная оса­дительная система в виде полимерного моно­блока представлена на рис. 3.2.7.

К техническим характеристикам элек­трофильтров относятся:

Активная зона - рабочая часть аппарата, образованная межэлектродными промежутка­ми;

Активное сечение - свободное сечение для прохода газа в активной зоне электро­фильтра;

Активная высота электродов (поля) - вы­сота коронирующих и осадительных электро­дов в пределах активной зоны;

Активная длина поля - протяженность по­ля в направлении хода газа в пределах актив­ной зоны;

Площадь осаждения - суммарная поверх­ность осадительных электродов в активной зо­не электрофильтра;

Активная длина коронирующих электро­дов - полная длина всех элементов корони­рующих электродов в активной зоне.

В табл. 3.2.2 приведены некоторые тех­нические характеристики распространенных типов сухих электрофильтров. К перспектив­ным аппаратам следует отнести электрофильт­ры типов ЭГД, ЭГВ, ОГП, ЭГА. Следует отме -

3.2.2. Техническая характеристика некоторых распространенных типов сухих электрофильтров

Тить, что в сухих электрофильтрах не образу­ется шлам, отсутствует коррозия. В то же вре­мя, в таких электрофильтрах возникают труд­ности при улавливании пылей с низким (менее 102 Ом м) и высоким (более 108 Ом м) удель­ным электрическим сопротивлением, осложне­на стабильная очистка газа до выходных кон­центраций ниже 50 г/м3. В горизонтальных многопольных аппаратах может быть достиг­нута значительно более высокая степень очи­стки, чем в вертикальных однопольных.

При выборе электрофильтра руковод­ствуются каталогом газоочистного оборудова­ния [29].

Расчет основных технологических ха­рактеристик, конструктивных размеров и энергетических затрат при выборе электро­фильтра. К исходным данным относятся:

Объемный расход V и параметры очищае­мых газов (состав, температура, давление);

Концентрация и свойства взвешенных частиц (агрегатное состояние, фракционный состав, удельное электрическое сопротивле­ние);

Требуемая степень очистки газа г|.

Рекомендуется такая последовательность расчета.

Выбирается конструктивный тип элек­трофильтра с учетом рекомендаций табл. 3.2.2 и [4, 22. 29, 45, 56, 75].

Находится требуемая площадь активного сечения электрофильтра по формуле

S = V/wr. (3.2.1)

Где wr - линейная скорость пылегазового по­тока в активной зоне электрофильтра; для су­хих электрофильтров 0,5 <wr< 1,5 м/с. для

Мокрых - 1,0 <wr < 2,5 м/с. Для выбранного типа аппарата принимают ближайшее значение площади активного сечения S и по формуле (3.2.1) находят фактическую скорость газа wr.

Определив рабочее сечение аппарата, в нем распределяются электроды и по принятым «нормальным» расстояниям между корони - рующими и осадительными электродами нахо­дится суммарная длина коронирующих элек­тродов /.

По длине / и плотности силы тока / опре­деляется сила тока /

/ = // (3.2.2)

По соотношению (3.2.2) находится кри­тический градиент потенциала, а по нему и расстоянию между электродами - рабочая раз­ность потенциалов на электродах.

Определяется скорость осаждения (дрей­фа) частиц

W0=s0sdE2/[(e + 2)\x],

Где sо = 8,85-10~'2 Ф/м - диэлектрическая про­ницаемость вакуума: 8 - относительная ди­электрическая проницаемость вещества части­цы (табл. 3.2.3); d - диаметр частиц; Е = U/H - средняя напряженность электрического поля коронного разряда для пластинчатых электро­фильтров; Н - расстояние между коронирую - щим и осадительным электродом; U - рабочее напряжение.

Для полидисперсной пыли скорость оса­ждения рассчитывается для среднего размера частиц каждой фракции.

Если известны результаты испытаний электрофильтров аналогичной конструкции, очищающих сходные по характеристикам пы - легазовые потоки, то для расчетов использует­ся условная, так называемая, эффективная ско­рость дрейфа частиц w3 . Для пластинчатых электрофильтров

W3=(wrH/L) ln[l/(l-n)],

Где \-т\ - относительный унос, измеренный при испытаниях аналогичного электрофильтра; L - длина активной зоны электрофильтра [29].

Расчет с использованием w3 более то­чен, так как учтены проскок пыли через неак­тивные зоны электрофильтра, унос частиц при встряхивании электродов, неоднородность по­ля концентраций пылегазового потока, нерав­номерности газораспределения, полидисперс­ность частиц и другие факторы. При отсутст­вии экспериментальных данных расчет w3

Осуществляется по [56].

Требуемая длина активной зоны может быть определена и по формулам [54]: для трубчатого электрофильтра

Эксплуатация электрофильтров показала, что при неравномерном подводе пылегазового потока к рабочей зоне аппарата расчетные по­казатели эффективности не достигаются, и это приводит к увеличению токсичных выбросов в атмосферу и потере дефицитного сырья.

Для оценки степени неравномерности распределения скоростей пылегазового потока обычно используют коэффициенты количества движения (Буссинеска) Мк и кинетической

Энергии (Кориолиса) NK, определяемые по формулам [6, 26] соответственно:

1 f-q

Мк = — \w2dF ; NK = — Jw3rfF, (3.2.4)

Для пластинчатого

Z. =(/ftvr /w0 )ln[l/(l - л)].

Где R - радиус трубы.

По значению L окончательно выбирает­ся типоразмер электрофильтра, пользуясь табл. 3.2.2 и [4, 22, 29,45, 70].

Определяется ожидаемая степень улавли­вания монодисперсной пыли в электрофильтре выбранного типоразмера [54]:

Для трубчатого электрофильтра

N = l-exp[-2w0L/(wrfl)];

Для пластинчатого

N = l-exp[-w0L/(wr#)].

Общая степень очистки газов от поли­дисперсной пыли [54]

I=l

Где Г] j - степень очистки, рассчитанная по

Среднему размеру частиц /'-й фракции; -

Относительная доля фракции; п - число фрак­ций.

Оценивается степень неравномерности распределения пылегазового потока по рабо­чему сечению электрофильтра и выбираются устройства для снижения или устранения этой неравномерности.

Где FK - площадь поперечного сечения пото­ка; w - относительная скорость пылегазового потока; w-wt /wK: wt и wK - соответствен­но локальная и средняя по сечению скорость потока.

Для прямоугольного и круглого сечений значения Мк, приведенные в (3.2.4), опреде­ляются по формулам соответственно:

1

(3.2.5)

1

(3.2.6)

R

О

Где b, R - ширина и радиус сечения соответст­венно; у - текущая координата.

Реальные значения w определяются экс­периментально. Установлено [6, 26], что при Мк> 1,25 актуальность применения вырав­нивающих поток устройств очевидна. В каче­стве достаточно эффективных, конструктивно простых и обладающих низким гидравличе­ским сопротивлением выравнивающих пылега - зовый поток устройств можно рекомендовать распределительные решетки и разделительные стенки (рис. 3.2.8 и рис. 3.2.9).

Для обеспечения равномерной раздачи пылегазового потока эффективной является ус­тановка перед электрофильтром группы ци­клонов [26]. Нарис. 3.2.10 представлена группа из восьми циклонов типа ЦН-24 диаметром

0,6 м, выполняющая функции предварительной ступени очистки перед диффузором электро­фильтра.

Рассчитывается мощность, потребляемая дымососом, кВт,

(3.2.7)

Л

Где ру - полное давление, создаваемое дымо­сосом, Па; Q - производительность дымососа, м3/с; г| - полный КПД дымососа; Л-ЛйЛтрЛгЛм' гДе Л/г ~ гидравлический

КПД; Лтр~ КПД с учетом потерь на внутрен­нее трение; г\у - объемный КПД; Г)м - меха­нический КПД.

Определяется мощность повысительно - выпрямительного агрегата для питания элек­трофильтра током. кВт,

0,707 10-6 ©/w + 0,5

Na =------------------------------------------- ,

Р

Где © - рабочая разность потенциалов на элек­тродах. кВ; т - коэффициент формы кривой выпрямленного тока; т = 1,5...2,2; Р - КПД агрегата; р = 0.7...0.8.