ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Осаждение частиц аэрозолей в электрическом поле

Осаждение взвешенных в газе твердых и жидких частиц под дейст­вием электрического поля имеет преимущества по сравнению с другими способами осаждения. Действие электрического поля на заряженную час­тицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаж­дении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и, благодаря этому, осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно повести под действием силы тяжести или центробежной силы.

Принцип электрической очистки воздуха (газов) от взвешенных час­тиц заключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взве­шивающей среды под воздействием электрического поля.

Физическая сущность электроосаждения состоит в том, что газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют, при этом содержащиеся в газе частицы приобретают электрический заряд. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит под воздействием электрического поля и вследствие диффузии ионов. Максимальная вели­чина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм - диаметру частиц.

При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т. е. не несет электрического заряда того или иного знака; вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количе­ство носителей электрических зарядов. К таким факторам относится силь­ный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быст - родвижущимися электронами или ионами и др.

Ионизация газа осуществляется двумя способами:

1) самостоятельно, при достаточно высокой разности потенциалов на электродах;

2) несамостоятельно - в результате воздействия излучения радиоак­тивных веществ, рентгеновских лучей.

В промышленности электроосаждение взвешенных частиц из газа проводится таким образом, что газовый поток направляется внутрь трубча­тых (или между пластинчатыми) положительных электродов, которые за­земляются (рис. 6.1). Внутри трубчатых электродов натягиваются тонкие проволочные или стержневые электроды, являющиеся катодами.

Если в электрическом поле между электродами создать определен­ное напряжение, то носители зарядов, т. е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты ней­тральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов.

В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положи­тельный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

©ггт

©

Рис. 6.1. Схемы электродов газоочистки.

При прохождении ионизированного потока газа в электрическом по­ле между двумя электродами заряженные частицы под действием электри­ческого поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.

Часть межэлектродного пространства, прилегающая к коронирую - щему электроду, в которой происходит ударная ионизация, называется ко - ронирующей областью. Остальная часть межэлектродного пространства, т. е. между коронирующим и осадительным электродами - называется внеш­ней областью.

Вокруг коронирующего электрода наблюдается голубовато - фиолетовое свечение (корона). Коронный разряд сопровождается также тихим потрескиванием. При коронном разряде происходит выделение озо­на и оксидов азота.

Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля уже недостаточна для поддержания высоких скоро­стей, и процесс ударной ионизации постепенно затухает.

Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием элек­трического поля, а также в результате броуновского движения, сталкива­
ются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.

При ионизации образуются как положительны, так и отрицательные ионы: положительные ионы остаются вблизи «короны» у катода, а отрица­тельные направляются с большой скоростью к аноду, встречая и заряжая на своем пути взвешенные в газе частицы.

Большая часть взвешенных частиц, проходящих в межэлектродном пространстве, получает заряд, противоположный знаку осадительных электродов, перемещается к этим электродам и осаждается на них. Неко­торая часть пылевых частиц, находящихся в сфере действия короны, полу­чает заряд, противоположный знаку коронирующего электрода, и осажда­ется на этом электроде.

Если создать на электродах разность потенциалов (4.6) кВ/см, и обеспечить плотность тока (0,05.0,5) мА/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобожда­ется от взвешенных частиц.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электриче­скую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов - закон Ку­лона выражается формулой

F = h (q q2//\ (6.1)

Где q1, q2 - величины взаимодействующих точечных зарядов; г - расстоя­ние между ними; к1 - коэффициент пропорциональности (к1 > 0).

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент пропорциональности к1 зависит от свойств среды. Этот коэффициент может быть представлен в виде отношения двух коэффици­ентов

H = к/є (6.2)

Где к - коэффициент; є - безразмерная величина, называемая относитель­ной диэлектрической проницаемостью среды. Для вакуума є = 1.

Закон Кулона может быть выражен также

F = кЩ (6.3)

Єг

Коэффициент к в системе СИ принимают к = 1/4 п є0; здесь є0 - элек­трическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу (2.52.)

F = q1q2/(4 л^єг2), (6.4)

Где S0 = 8,8510-12 Кл2/(Нм2).

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину - напряженность поля Е. Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на оди­ночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Коронный разряд возникает при определенной напряженности поля. Эта величина называется критической напряженностью и для отрицатель­ной полярности электрода может быть определена по эмпирической фор­муле

Екр = 3,04(в + 0,0311 Ve/r)106 (6.5)

Где r - радиус коронирующего электрода, м; Р - отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (t = 200С; р = 1,013105 Па):

В ± Pr (273 + 20) , (6.6)

1,013 • 105(273 +1)

Здесь В - барометрическое давление, Па; рг - величина разрежения или абсолютного давления газов, Па; t - температура газов, °С.

Формула (6.5) предназначена для воздуха, но с некоторым прибли­жением может применяться и для дымовых газов.

Напряжение поля на расстоянии x от оси коронирующего электрода:

Ex =------------------ , (6.7)

X ln( R 2/ Rl) V }

Где - - напряжение, приложенное к электродам; R1 и R2 - радиусы корони - рующего и осадительного электродов.

Величина заряда q (кА), приобретаемого проводимой частицей сфе­рической формы под воздействием электрического поля, рассчитывают по формуле:

Q = 3 •п^ dl є • E, (6.8)

Где є - диэлектрическая проницаемость среды; dH - диаметр частицы; Е - напряженность электрического поля коронного разряда.

Величина заряда, приобретаемого электронепроводящей частицей:

Q = п'є • dr •E, (6.9)

Єч + 2

Где єч - относительная диэлектрическая проницаемость частицы.

Предельный заряд частиц диаметром более 1 мкм определяют по формуле

Qnped =n e = 0,19 • 10-9 r2E, (6.10)

Где n - число элементарных зарядов; e - величина элементарного заряда, равная 1,610-19 Кл; r - радиус частицы, м; E - напряженность электриче­ского поля, В/м.

Формула (6.10.) непосредственно применима, если диэлектрическая проницаемость вещества пыли е равна 2,5. Для многих веществ значение е значительно отличается: для газов е = 1; для гипса е = 4; для окислов ме­таллов e = 12. ..18; для металлов e = да.

Если е ф2,5, то значение qnpe^ полученное по формуле (6.10.), умно­жают на поправку, представляющую собой отношение

DE=m/De=2.5, (6.11)

Где De=m - значение D = 1 + 2(є - 1)/(є + 2) при e = m; при є = 2,5, D = 1,66; при є = 1, D = 1.

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление об­ратной «короны», которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осади - тельному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влия­ние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное элек­трическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значе­нию (табл. 6.1).

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, можно определить по формуле

V4 = 10-11Е2 r/цс, (6.12)

Где Е - напряженность электрического поля, В/м; r - радиус частицы, м; цг - динамическая вязкость газа (воздуха), Пас.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле

V4 = 0,1710-11Е/цс. (6.13)

Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды.

Скорость осаждения частицы в электрическом поле при ламинарном режиме движения:

W0 = п-Єо •Ех /(3п • ^ • Мс), (6.14)

Где n - число зарядов, полученных частицей; e0 - величина элементарного заряда; цс - коэффициент динамической вязкости газового потока.

Время осаждения может быть найдено из уравнения:

Dx

Их г Dx

= ~Т • Г0 = J---------

Ut ; j w

R1 W0

Где R - расстояние от оси коронирующего электрода до поверхности оса - дительного электрода; R1 - радиус коронирующего электрода.

Величина w0 изменяется с изменением величины х.

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть опре­делена по формуле полученной теоретическим путем

П = 1 - exp(- Уд ^ (6.16)

Где уд - скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с; f - удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность оса-

Дительных электродов, приходящаяся на 1 м /с очищаемого газа (воздуха),

2

М.

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление об­ратной «короны», которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осади­тельному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влия­ние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное элек­трическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа
понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.