4. Электроочистка газов

Выделение мелкой пыли из газов производится вэлектростатическом поле, которое создается между положительными отрицательным электродами так называемого электроосадителя (электрофильтра).

Рис. 22. Элементы трубчатого (а) и пластинчатого (б) электрофильтров (электроосадителей) (вид сверху):

1 – отрицательно заряженный проволочный электрод; 2 – положительный трубчатый (пластинчатый) электрод; 3 – коронный электрический разряд; пунктир – силовые линии напряжен-

ности электрического поля

Чтобы твердые частицы можно было выделить из газового потока, им нужно сообщить электрический заряд, а для этого необходим постоянный источник заряда. В процессах электроочистки запыленных газов для получения свободных электронов создается существенно неоднородное электростатическое поле между отрицательным проволочным электродом 1 (рис. 22, а) и трубчатым положительным электродом 2. Напряженность электрического поля (в вольтах на метр) в такой геометрической системе обратно пропорциональна радиусу r расстояния от проволоки E  1/r.

Постоянное напряжение, подаваемое на электроды, равно нескольким десяткам киловольт, что обеспечивает значение напряженности электрического поля вблизи центрального проволочного электрода свыше 3  10⁶ В/м, при котором происходит ионизация воздуха с образованием устойчивого электрического разряда 3.

Положительно заряженные ионы воздуха быстро достигают отрицательного проволочного электрода и нейтрализуют на нем свой заряд. Электроны двигаются в направлении силовых линий электрического поля к положительному трубчатому электроду. Вдоль оси трубы перемещается запыленный газ, и свободные электроны, двигаясь поперек потока газа, сталкиваются с частицами (как правило, состоящими из какого-либо диэлектрического вещества) и заряжают их поверхностным отрицательным зарядом. Получившие отрицательный заряд частицы начинают относительно медленно перемещаться вдоль силовых линий поля к положительному трубчатому электроду. Такое движение называют электростатическим осаждением пыли на внутреннюю поверхность вертикальной трубы. Отдав свой отрицательный заряд стальной трубе, частицы под действием силы тяжести перемещаются вниз вдоль внутренней стенки трубы, где собираются в коническом днище и выгружаются через секторный затвор.

Рассмотрим два основных момента, отличающих процесс осаждения в электростатическом поле от гравитационного осаждения частиц в пылеосадительных камерах. Во-первых, неоднородность напряженности электрического поля между электродами и неодновременность приобретения частицей электрического заряда означают переменное значение электростатической силы, действующей на частицу в процессе ее осаждения. В трубчатых аппаратах напряженность электрического поля обратно пропорциональна радиусу E  1/r, но рассчитать динамику приобретения поверхностью частицы электрического заряда оказывается весьма затруднительно.

Второе отличие электроосаждения от гравитационного состоит в ином влиянии размера частиц на величину скорости их осаждения. Действительно, количество электронов, которые могут оказаться на поверхности частиц, пропорционально величине этой поверхности. Следовательно, суммарный электрический заряд частицы пропорционален ее поверхности, а электростатическая сила F_эл притяжения отрицательно заряженной частицы положительно заряженной трубой равна произведению локальной напряженности электрического поля Е (В/м) на величину заряда частицы: F_эл = kd²eE, где e – заряд электрона; k – коэффициент пропорциональности между числом электронов, захваченных поверхностью частицы, и площадью поверхности. Если, как и при анализе гравитационного осаждения, принять, что ускорением частицы можно пренебречь, то движение частиц приближенно можно описать на основе равенства силы F_эл и силы гидродинамического сопротивления частицы при движении ее поперек газового потока: kd²eE =(/4)d²w^–_oc²/2.

Осаждение мелких частиц происходит при ламинарном их обтекании газом, для которого коэффициент сопротивления обратно пропорционален величине критерия Рейнольдса  = 24/Re. Подстановка  в уравнение движения частицы дает:w^–_oc=keEd/(12). Следовательно, при электроосаждении скорость осаждения пропорциональна первой степени диаметра частицы, а не квадрату ее диаметра, как это было при ламинарном гравитационном осаждении (см. формулу (5)). Отсюда следует, что по мере уменьшения размеров частиц скорость их гравитационного осаждения уменьшается значительно быстрее, чем при электроосаждении. Следовательно, мелкие частицы (d < 10 мкм) предпочтительнее осаждать в электростатическом поле. Однако при выборе способа очистки газов от пыли следует иметь в виду относительно высокие капитальные затраты при организации электроочистки, что обусловлено высокой стоимостью вспомогательного оборудования (высоковольтные трансформатор и выпрямитель переменного напряжения).

Конструкции самих камер электроосадителей несложны. Трубчатые аппаратыпредставляют собой многие параллельные повторения элемента из трубы и центрального провода, показанного на рис. 22, а. В пластинчатых электроосадителях (см. рис. 22, б) используются все 100 % объема аппарата, а потомуметаллоемкость пластинчатых аппаратов меньше, чем трубчатых.