Электрофильтры

Электрофильтр представляет собой аппарат с вертикальным и гори­зонтальным движением газового потока, в котором размещены осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды заземлены, а к коронирующим подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения от преобразовательной подстанции.

Конструктивная схема электрофильтра представлена на рис. 5.86. Меж­ду двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В пространство между плоскостями поступает запыленный газ. В поле коронного раз­ряда частицы заряжаются и движутся к осадительным плоскостям, с которых они периодически удаляются.

Рис. 5.86. Схема электрофильтра:

1 – выключатель; 2 — предохранительное устройство; 3 — регулятор напряжения;

4 — трансформатор; 5 – выпрямитель; 6— кабель; 7— изолятор; 8— осадительный электрод; 9 — коронирующий электрод; 10— заземление

Процесс очистки газов в электрофильтре можно разделить на стадии: зарядка взвешенных частиц в поле коронного разряда, движения заряженных частиц к электродам, осаждение частиц на электродах, удаление осажденных частиц с поверхности электродов. (Рассмотреть самостоятельно.) Преимущества электрических фильтров:

— низкие энергозатраты (0,1-0,5 кВч) на 1000м³ газов;

— высокая степень очистки газов — до 99% и выше при улавливании частиц любых размеров;

— низкое газодинамическое сопротивление (100-150 Па);

— возможность работы в агрессивных средах;

— возможность очистки высокотемпературных газов;

— возможность полной автоматизации; процессы регулирования на­пряжения, удаление с электродов уловленных частиц и выгрузки пыли в электрофильтрах могут быть полностью механизированы и

автоматизированы;

— широкий диапазон применения;

— возможность очистки как от твердых, так и от жидких частиц. Однако удельные капитальные затраты для установок электрической

очистки газов возрастают с уменьшением их единичной производитель­ности. По этим соображениям сухие электрофильтры применяют, если количество очищаемых газов более 80-100 тыс. м³/ч.

Мокрые электрофильтры применяют и для очистки меньших количеств газов, особенно при очистке вентиляционного воздуха от жидких частиц, когда напряжение, подаваемое на электроды, не превышает 10-15 кВ. Недостатки электрических фильтров:

— высокая чувствительность процесса фильтрации к отклонениям от заданных параметров технологического режима и к механическим

дефектам в активной зоне аппаратов;

— высокая требовательность к уровню обслуживания;

— невозможность очистки от взрывоопасной пыли. Конструкция электрофильтра в основном определяется технологическими условиями его работы: составом и свойствами очищаемых газов и частиц пыли, температурой, давлением и влажностью газов, требуемой степенью очистки и другими факторами.

Классификация электрических фильтров. Электрофильтры разделяются на однозонные и двухзонные аппараты. В однозонных электрофильтры зарядка и осаждение частиц пыли производится в одной конструктивной зоне электродов, а в двухзонных аппаратах зарядка и осаждение пыли происходит в двух последовательных зонах — ионизаторе и осадителе. Двух зонные электрофильтры применяются в основном для очистки вентиляционного воздуха, а однозонные аппараты получили широкое применен и для улавливания пыли почти во всех отраслях промышленности.

В зависимости от количества последовательно расположенных электрических полей электрофильтры подразделяются на однопольные и многопольные, а в зависимости от числа параллельных аппаратов — на одно- и многосекционные. В зависимости от направления газового потока в активной зоне аппарата электрофильтры подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

По конструкции осадительных электродов электрофильтры подразделяются на пластинчатые и трубчатые. В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды выполняются в виде параллельных поверхностей, набираемых из пластин определенного сечения, а в трубчатых электрофильтрах осадительные электроды выполнены в виде труб круглого овального или шестигранного сечения.

Осадительные электроды должны удовлетворять следующим требованиям:

— обладать достаточной механической прочностью и жесткостью;

— иметь гладкую без острых кромок поверхность;

— обладать высокими аэродинамическими характеристиками;

— обеспечивать эффективное встряхивание осажденной пыли.

Гладкая поверхность осадительного электрода необходима для обеспечения максимальной напряженности электрического поля. Гладкие электроды просты в изготовлении, хорошо встряхиваются, однако обладают существенным недостатком, связанным с повышенным вторичным уносом пыли при встряхивании ее с электродом.

По этой причине гладкие (плоские) осадительные электроды применяются при скоростях газов не более 1 м/с. В то же время для обеспечения надежной работы в условиях высоких температур и сильных вибраций конструкция осадительного электрода должна обеспечить минимальный вторичный унос пыли и обладать достаточной механической прочностью.

Основные конструкции осадительных электродов представлены на рис. 5.87. Наиболее распростнёнными электродами в сухих пластинчатых электрофильтрах являются прутковые, коробчатые, С-образные.

Рис. 5.87. Типы осадительных электродов: а - гладкие; б— прутковые; в — коробчатые (тюльпанобразные);

г — желобчатые; д — С-образные;

е - широкополосные С-образные;

ж — трубчатые; з - сотовые;

1 — осадительные электроды;

2 — коронирующие электроды

Исследования, проведенные в НИИОгаз, показали, что наиболее полно требованиям к осадителным электродам удовлетворяют С-образные электроды, прокатывамые из стальной ленты. По сравнеию с другими электродами они выгодно отличаются пониженной металлоемкостью (удельная масса 20 кг/м²), имеют высокие аэродинамические характеристики, хорошо встряхиваются. Кроме того, на С-образных электродах равномер­но распределяется осажденная

пыль.

К коронирующим электродам

Предъявляются следующие основные требования:

— точная форма — для созда­ния интенсивного и доста­точно однородного коронного разряда;

— механическая прочность и жесткость — для обеспечения надежнос­ти и долговечности работы электрофильтра в условиях вибрации, воздействия механизмов встряхивания и пылегазового потока;

— простота изготовления и низкая стоимость; поскольку в современ­ных высокопроизводительных аппаратах длина коронирующих электродов составляет десятки километров, это требование очень су­щественно;

— стойкость к агрессивным средам.

По характеру коронирования электроды подразделяются на две группы: без фиксированных точек ионизации и с фиксированными точкам ионизации. В электродах первой группы разрядные точки расположены вдоль поверхности электрода; они непостоянны как по месту расположения, так и по времени. Для обеспечения коронирования такие электроны изготавливают с достаточно малым радиусом кривизны, но при этом должна обеспечиваться жесткость электрода при выборе его поперечного сечения (рис. 5.88, а).

Рис. 5.88. Типы коронирующих электродов: а — без фиксированных точек ионизации;

6 — с фиксированными точками ионизации; 1 — круглый провод; 2 — штыкового сечения; 3 — ленточный; 4 — спиральный; 5 — канатный; 6 — ленточный с изгибами;

7— крестообразный; 8—11 — игольчатые; 12— колючая проволока;

13 — ленточно-зубчатый; 14 — полоса «экспалит»; 15 — пилообразный;

16, 17 — с фиксированными выступами

Конструкция коронирующих электродов второй группы обеспечивают фиксацию точек коронирования по их длине. У таких электродов ионизация происходит с поверхности шипов или игл, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Изменяя расстояние между шипами и иглами, а также меняя высоту шипов, можно управлять коронным paзрядом. В зависимости от свойств пылегазового потока и улавливаемой пыли а также условий работы электрофильтра чаще всего применяют различные

Типы игольчатых электродов (рис. 5.88, б). Использование игольчатых коронирующих электродов дает возможность получить коронный разряд с иной неравномерностью при пониженных значениях токов, что в целом является благоприятным фактором.

Конструкция электрофильтров. Основными конструктивными элементами электрофильтров являются: система осадительных и коронирующих электродов; устройства встряхивания (смыва) осевшей пыли с электродов; узлы газораспределения в аппарате; корпус, где размещается механическое оборудование; узлы подвода и отвода очищаемых газов; устройства для вывода из аппарата уловленного продукта; узлы ввода в электрофильтр тока

высокого напряжения.

Системы встряхивания и промывки электродов. По способу удаления пыли с электродов различают сухие и мокрые электрофильтры. В сухих электрофильтрах пыль с электродов удаляется с помощью механизмов встряхивания, осыпается в бункер и поступает в систему пылеудаления. В мокрых аппаратах осевшие частицы пыли смываются с электродов водой.

Осадительные электроды встряхивают путем сообщения электродам возмущающего усилия, способного оторвать накопившийся на их поверх­ности слой пыли. Очистка поверхности происходит лучше, если электроду сообщается большее ускорение, однако при увеличении силы удара появляется опасность механического повреждения как электродов, так и систем

ляется их подвески.

Их подвески.

В сухих электрофильтрах для удаления пыли с осадительных электродов Применяются следующие системы встряхивания: ударно-молотковая систему пружинно-кулачковый механизм, магнитно-импульсное и вибрационное встряхивания. Устройство ударно-молотковой системы встряхивания, ко-

торое, как показала практика, Является наиболее эффективной, приведено на рис. 5.89.

Рис. 5.89. Ударно-молотковое встряхивание:

1 — элемент осадительного электрода; 2—вал встряхивания; 3 — молоток; 4 — полоса встряхивания

В ударно-молотковой системе Встряхивание электродов осуществляется поочередно молотками шарнирно-рычажного типа, укреплен­ными на валах со смещением по винтовой линии относительно друг друга на 24°. Валы встряхивания каждого поля приводятся во вращение электродвигателем с редуктором с Чистотой вращения 0,3 об/мин. Удар молотка передает энергию осадительному электроду, элементы которого начинают колебаться. Для эффективного удаления пыли с осадительных электродов необходимо встряхивающие ускорения порядка (100+150) g. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют С-образные широкополосные электроды с ударно-молотковой системой встряхивания. Для эффективного встряхивания

С-образные элементы должны иметь надежный контакт с полосой встряхивания.

Пружинно-кулачковая система не обеспечивает интенсивного соударения электродов при встряхивании, имеет сложности в обслуживании I регулировке, поэтому в последнее время не используется.

В магнитно-импульсной системе производится удар по штанге встряхивания стальным плунжером, входящим в состав электромагнита постоянного тока. Несмотря на возможность регулирования интенсивности встряхивания в широких пределах, из-за трудностей конструктивного характера не находит широкого применения.

Вибрационное встряхивание осуществляется электромагнитными вибраторами.

Существенным недостатком, сдерживающим его широкое применение,

является усталостное разрушение металлоконструкций электрофильтра. При проектировании системы встряхивания важно найти оптимальное соотношение между мощностью встряхивания и обеспечением надежности и долговечности оборудования электрофильтра. Корпуса и газораспределительные устройства. Корпус пластинчатого электрофильтр (рис. 5.90) представляет собой прямоугольную камеру, выполненную в виде прямоугольных рам, несущих на себе основные элементы оборудования.

Рис. 5.90. Корпус пластинчатого горизонтального электрофильтра: 1 — колонна постамента; 2 — опорный пояс корпуса; 3 — бункер форкамеры; 4 — правая стенка форкамеры; 5 — левая стенка форкамеры; 6— крышка форкамеры; 7—балка крышки корпуса; 8 — монтажный проем; 9 — стенка левая; 10 — утопленная изоляторная коробка; 11 — стенка правая; 12 — балки крышки корпуса; 13 — горловина люка обслуживания; 14 — опорный карниз для установки осадительных электродов; 15 — стойка корпуса;

16 — площадки обслуживания; 17— горловина люка обслуживания; 18 — скользящая опора корпуса; 19 — бункер электрических полей

Снаружи корпуса электрофильтров покрывают слоем теплоизоляции, которая предупреждает появление температурных деформаций и препятствует конденсации влаги на внутренних стенках корпуса. Для равномерного распределения газов по сечению электрофильтра фат снабжен газораспределительным устройством (рис. 5.91), состоящим из одной или нескольких газораспределительных решеток, перед которыми обычно устанавливают направляющие лопатки.

Рис. 5.91. Газораспределительное устройство:

1 — лопатки; 2 — газораспределитель­ная решетка

Живое сечение решеток составляет 35-45%. Для предохранения от залипания пылью в отдельных случаях, обусловленных технологическими условиями, они снабжаются механизмами встряхивания. I Агрегаты питания электрофильтров. Высокое напряжение на элект­рофильтры (60-80 кВ) подается от повысительно-выпрямительных устройств, которые в технической литературе получили название «агрегаты питания электрофильтров» (см. рис. 5.86). Система электрический фильтр — агрегат питания работает в режиме оборотной связи (рис. 5.92): любое изменение в активной зоне электрического фильтра отражается в режиме работы агрегата питания.

Рис. 5.92. Блок-схема электрофильтр—агрегат питания: 1 — регулятор; 2 — повышающий трансформатор; 3 — выпрямитель; 4 — электрофильтр

Разработано достаточно много способов автоматического регулирования напряжения: системы регулирования по заданному току и напряжению;

по дуговому пробою в фильтре; по заданному числу искровых разрядов в электрофильтре; по максимальному значению мощности коронного разряда; по максимальному среднему напряжению.

Конструкция агрегата питания состоит из двух основных блоков «бака», в котором размещены высоковольтный трансформатор и выпрямительное устройство, и «шкафа», в котором находится электрическая электронная аппаратура, осуществляющая управление работой агрегата. На коронирующие электроды подается отрицательное напряжение. Это вызвано тем, что при отрицательной короне величины пробивных напряжений в разрядном промежутке значительно большие, чем при положительной короне.

В настоящее время используются агрегаты питания типов АФАС, А АИФ, АУФ, АТФ с автоматическим регулированием напряжения. Буквы названиях агрегатов обозначают: А — агрегат; Ф — для фильтров; С селеновым выпрямительным устройством; И — с регулированием по числу искрений; У — универсальный; Т — тиристовый. Все указанные типы агрегатов — однофазные.

Агрегаты питания электрофильтров устанавливаются в отдельном помещении — подстанции. Кроме агрегатов питания, в подстанции установлены системы управления и сигнализации аппаратов и механизмов установки электрической очистки газов. Питание к подстанции, где установлен агрегаты, подводится от заводских понизительных подстанций. Трехфазный переменный ток напряжением 380—500 В подается по кабелям на распределительный щит подстанции.

Основные типы электрофильтров. Наибольшее распространение в промышленности нашли следующие электрофильтры.

1. Сухие электрофильтры.

— УГ — унифицированный горизонтальный электрофильтр для очистки газов температурой до 250 °С. Применяется для очистки от пыли дымовых газов, аспирационного воздуха и других промышленных газов;

— УГТ — унифицированный горизонтальный высокотемпературный электрофильтр для очистки газов температурой до 425 °С. Применяется в основном в химической промышленности, в черной I цветной металлургии, в цементной промышленности;

— УВП — вертикальный пластинчатый электрофильтр, предназначен для улавливания угольной пыли;

— ЭГА — электрофильтр горизонтальный для очистки газов температурой до 330 °С. Применяется для обеспыливания неагрессивных газов в различных отраслях промышленности;

— ЭГТ — электрофильтр горизонтальный высокотемпературный дни очистки газов температурой до 450 °С. Применяется в основном в химической промышленности, в черной и цветной металлургии, в промышленности строительных материалов. 2. Мокрые электрофильтры.

— ДМ — вертикальный трубчатый электрофильтр. Применяется для тонкой очистки доменных газов температурой до 60 °С;

— ШКМ — вертикальный трубчатый электрофильтр. Применяется для очистки газов от тумана серной кислоты температурой до 50 °С.

Существует большое количество марок электрофильтров, многие из которых имеют несколько типоразмеров. Для любого электрофильтра технической характеристике приводится площадь активного сечения, производительность по газу, гидравлическое сопротивление, масса, допусти-

запыленность, допустимая температура.

Электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга высотой электродов, активной длиной электрических полей по ходу газа площадью активного сечения, площадью осаждения и активной длины коронирующих элементов в аппаратах.

Рассмотрим один из типов электрофильтров. Электрофильтры типа УВП

(рис. 5.93) применяют в электродной промышленности для сухой очистки от пыли парогазовоздушной смеси, выделяющейся в атмосферу при паровой и газовой сушке дробленного угля.

Рис. 5.93. Электрофильтр типа УВП:

1 – взрывной клапан; 2 — труба подвеca коронирующей системы; 3 — ударный шток встряхивания коронирующих электродов; 4 — подвес коронирующих электродов;

5 — изолятор; 6 – осадительные электроды; 7 – коронирующие электроды;

8 – газораспределительная решетка; 9 — приемный бункер; 10 – течка из бункера;

11 — механизм встряхивания электродов; 12 — подвес осадительных

электродов; 13 — изоляторная коробка; 14 – желоб для пыли;

15 — корпус

очистки от пыли парогазовоздушной смеси, выделяющейся в атмосфере при паровой и газовой сушке дробленого угля. Электрофильтры типа УВП — вертикальные, однопольные, односекционные аппараты с осадительными электродами карманного типа. Коронирующие электроды выполнены в виде рам с горизонтально натянутыми нихромовыми проводами. Вверху аппарат свободно открыт для создания безопасных условий работы при возникновении вспышек и взрывов тонкой угольной пыли, взвешенной в газе. На наклонных стенках в верхней части аппарата расположены взрывные клапаны. В аппарате предусмотрены блокировочные устройства и механизмы встряхивания осадительных и коронирующих электродов.

Условные обозначения типоразмеров электрофильтра: У — угольный, В — вертикальный, П — пластинчатый; цифры означают площадь активного сечения.

Выбор и расчет электрофильтра. Выбор электрофильтра определяется требуемой степенью улавливания частиц, свойствами этих частиц, па| метрами и объемом очищаемых газов, а также условиями установки электрофильтра.

При повышенной требуемой степени очистки газов или при необходимости повышенных требований стабильности очистки применяются мокрые электрофильтры, вследствие отсутствия вторичного уноса. Од ко для мокрых электрофильтров характерны недостатки всех мокрых пылеуловителей: необходимость обработки шламов и коррозия.

При выборе сухих электрофильтров следует отдавать предпочтение горизонтальным многопольным электрофильтрам, в которых может быть достигнута более высокая степень очистки.

Эффективность очистки газа в электрофильтре зависит от химических и физических свойств газа, свойств пыли, напряжения, силы тока, и напряженности поля и др.

Среди свойств пыли основным является удельное электрическое сопротивление (см. § 1.2). Пыли третьей группы (низкой проводимости) улавливаются с большими проблемами, из-за возможного накопления на электроде слоя отрицательно заряженных частиц, препятствующих дальнейшему осаждению частиц. Кроме того, возможно явление обратной короны, при котором значительно увеличивается потребляемый ток при снижении напряжения на электродах. Пыли этой группы часто образуют на электроде прочный изолирующий слой, трудно поддающийся удалению. К таким пылям относятся гипс, оксиды свинца и цинка, сульфид свинца. Для снижения УЭС можно понижать температуру пылегазового потока ниже 130 °С или нагревать свыше 350 °С, а также добавлять в газ реагенты, напри мер, аммиак, сернистый ангидрид и др.

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

h=l-exp(-v_gf), (5.90)

f - удельная поверхность осаждения, т. е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³/с очищаемого газа (воздуха), м². Для трубчатого электрофильтра f= 2L/(y_rR), для пластинчатого электрофильтра f= L/(y_TH), где L — активная длина электрофильтра, м; R — радиус трубчатого осадительного электрода, м; Н — расстояние между коронирующими электродом и пластинчатым осадительным электродом, м; v_r — скорость газа в активном сечении, м/с; v — скорость дрейфа частиц, м/с., Степень эффективности очистки, определенная теоретически, отличается от действительной эффективности, так как исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на эффективность - скорость. Обычно пользуются практическими данными об эффективности, подбирая при этом аналогичный электрофильтр. При выборе аналога необходимо стремиться к максимальному соответствию факторов, от которых зависит скорость дрейфа (уравнение 4.28).

Другим важнейшим параметром является скорость очищаемого газа в активной зоне, которая определяет время пребывания частиц в активной зоне. При ее выборе необходимо учитывать фактор вторичного уноса, обычно в сухих электрофильтрах принимается v_r = 0,8-1,7 м/с, при обязательном равномерном распределении скорости по сечению аппарата.