8.4 Зернистые фильтры

Зернистые фильтры представляют собой слои из зерен, через которые пропускают запыленный газ. Пыль оседает в порах между зернами под действием сил инерции, диффузии и других факторов, а очищенный газ уходит за пределы слоя.

Различают два типа зернистых фильтров:

1) зернистые насыпные фильтры, в которых улавливающий слой состоит из кусков гравия, угля, колец Рашига, гранул, несвязанных между собой. Эти фильтры разделяются на: слоевые неподвижные (статические) фильтры, подвижные слоевые (динамические), псевдоожиженные слоевые фильтры;

2) зернистые жесткие пористые фильтры. К ним относятся: пористая керамика, пористое стекло, пористые пластмассы и другие материалы.

Теория фильтрации запыленных газов через слои зернистых фильтров не отличается от ранее изложенной. Факторы инерции, касания, диффузии, седиментации, электрических и гравитационных сил имеют место и в данном случае.

Преимущества зернистых фильтров: простота конструкции, доступность и низкая стоимость материалов, возможность работы при высоких температурах и в агрессивных средах (допускаются резкие изменения температуры и давления). Громоздкость фильтра, сложность регенерации слоя, повышенное давление задерживают их широкое применение. Высокая эффективность улавливания тонкодисперсных частиц (d<5 мкм) в зернистых фильтрах происходит при небольшой скорости газа (V<0,5 м/с) с преобладанием диффузионно-седиментационного осаждения и при большой скорости (V>0,5 м/с), когда больше действуют инерционные силы осаждения. В последнем случае субмикронные частицы улавливаются плохо. При накоплении пыли в порах эффективность улавливания ее значительно возрастает. С уменьшением размеров зерен эффективность улавливания пыли увеличивается.

Лекция 9. Технологии и оборудование электрофильтрации выбросов

План

9.1 Принцип работы электрофильтра

9.2 Методика расчета электрофильтра

9.3 Однозонные и двухзонные электрофильтры

9.1 Принцип работы электрофильтра

Электрофильтрование находит все большее применение для очистки воздуха от пыли. К преимуществам этого вида очистки относятся: возможность получения высокой степени очистки (до 99% и более), небольшое гидравлическое сопротивление (100 - 300 Па); независимость работы от давления газов; незначительный расход электроэнергии (0,1 - 0,8 кВт ч на 1000 м³ газа вместо 2 для других пылеуловителей); возможность очистки газов при высоких температурах и их агрессивности; широкий диапазон концентрации пыли (от долей грамма на 1м³ до 50 г/м³); полная автоматизация работы.

Метод основан на ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда. При этом происходит передача заряда ионов частицам примесей и осаждение этих частиц на осадительных и коронирующих электродах.

Принципиальная схема электрофильтра показана на рис. 9.1. Коронирующий электрод 2 выполняется в виде прутков или узких полос с иглами. Он изолирован от корпуса и земли, к нему подводятся от источника питания (выпрямителя) 1 отрицательный заряд высокого напряжения (20 - 90 кВ). Осадительный электрод 3 выполнен в виде трубы (или пластинки тонколистового материала), которая заземляется. В зазоре между коронирующим 2 и осадительным 3 электродами создается электрическое поле убывающей напряженности с силовыми линиями, направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот. Напряжение к электродам подается от выпрямителя.

Изменение силы тока между электродами по мере роста напряжения показано на рис. 9.2.

Рис.9.1. Схема работы электрофильтра: 1- подвод тока высокого напряжения; 2- коронирующий электрод; 3-осадительный электрод; 4- заземление; 5- бункер для сбора пыли.	Рис. 9.2. Зависимость силы тока от напряжения между электродами

По достижении напряжения на электродах критической величины (u_кр) возникает коронирующий разряд. Процесс электростатического осаждения твердой частицы состоит из четырех основных стадий: ионизации газа, зарядки частицы пыли, перемещения частицы в электрическом поле и осаждения ее на электроде. Ионизация газа происходит за счет высокого напряжения, подводимого от источника электропитания к коронирующему электроду. Осадительные электроды заряжаются положительно.

Работа электрофильтра осуществляется следующим образом. Известно, что любой загрязненный воздух, поступающий в электрофильтр, всегда оказывается частично ионизированным за счет различных внешних воздействий (рентгеновских и космических лучей, радиоактивных излучений, трения, нагрева газа и др.). Поэтому он обладает проводимостью, что обусловливает возможность возникновения силы тока. Последняя зависит от числа ионов и напряжения между электродами. При увеличении напряжения в движение между электродами вовлекается все большее число ионов и сила тока растет до тех пор, пока в движении не окажутся все ионы, имеющиеся в газе. При этом сила тока становится постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший рост напряжения. При некотором достаточно большом напряжении движущиеся ионы и электроны настолько ускоряются, что, сталкиваются с молекулами газа, ионизируют их, превращая нейтральные молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся новые ионы и электроны ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. То есть развивается ударная ионизация газа, возникает коронный разряд (ограниченный, как показано выше, на некоторую часть межэлектродного пространства). Он имеет место и у коронируюшего и у осалительного электродов, но коронирующий электрод имеет значительно большую внешнюю зону.

Аэрозольные частицы (пылинки), поступающие в зону между коронирующим и осадительным электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд и получая ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака.

Процесс зарядки частиц зависит от подвижности ионов, траектории движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Известно, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, поэтому электрофильтры обычно делают с короной отрицательной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц невелико и измеряется долями секунды.

Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием: аэродинамических сил, силы взаимодействия электрического поля и заряда частиц, силы тяжести, силы давления электрического ветра.

При проектировании электрофильтров влиянием силы тяжести и электрического ветра пренебрегают.

Аэродинамические силы вызывают движение частиц по направлению движения газа со скоростью, близкой к скорости газа (0,5...2 м/с).

Сила взаимодействия заряженных частиц с электрическим полем является основной силой, вызывающей движение частиц к осадительному электроду.

Для процесса осаждения пыли на электродах весьма важно электрическое сопротивление слоев пыли. По его значению различают пыли с удельным сопротивлением:

- пыли с малым удельным сопротивлением (менее 10 Ом·м), которые при соприкосновении с электродом теряют свой заряд и приобретают заряд, знак которого соответствует знаку электрода, после чего между частицей и электродом возникает сила отталкивания, под действием которой частица стремится вернуться в газовый поток;

- пыли с удельным электрическим сопротивлением от 10 до 10 Ом·м, которые хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются встряхиванием;

- пыли с удельным электрическим сопротивлением более 10 Ом·м, которые с трудом улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы таких пылей разряжаются медленно, что в значительной степени препятствует осаждению новых частиц. В реальных условиях удельное сопротивление пыли снижают увлажнением или химическим кондиционированием газа.

Основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде, так как коронирующий электрод имеет значительно большую внешнюю зону и основная масса частиц приобретает отрицательный заряд.

Большое значение для бесперебойной работы электрофильтра имеет система удаления осажденной пыли из аппарата. В сухих электрофильтрах для очистки поверхности электродов от пыли используют механизмы встряхивания ударно-молоткового типа. Пыль ссыпается в сборные бункера 5 (см. рис. 9.1), откуда выводится в сухом виде или в виде пульпы. В мокрых электрофильтрах пыль с поверхностей электродов смывается водой вместе с уловленными каплями. Шлам удаляют из нижней части аппарата.

Повышение эффективности очистки газов, в электрофильтрах достигается лишь в том случае, когда осевшая на электродах зола при их встряхивании будет падать в бункер в виде относительно крупных конгломератов, состоящих из множества слипшихся под действием сил адгезии частиц. Для этого надо выбирать временные интервалы между импульсами (часто он назначается равным 3 мин).