5. Сепарація пилу в електрофільтрах.
Електрична очистка - один з найдосконаліших видів очистки газів від пилу. Цей процес базується на ударній іонізації газу в зоні коронуючого розряду, передачі заряду іонів частинкам пилу і осадження останніх на осаджувальних та коронуючих електродах.
Забруднені гази, які поступають в електрофільтр, завжди виявляються частково іонізованими за рахунок різних зовнішніх факторів (за рахунок тертя у стінки трубопроводів і обладнання), тому вони можуть проводити струм, потрапляючи в простір між двома електродами. Величина сили струму залежить від числа іонів і напруги між електродами. При збільшенні напруги, в рух між електродами залучається все більше іонів і величина струму зростає до тих пір, поки до руху не залучаються всі іони, які присутні в газі. При цьому величина сили струму стає постійною (струм насичення), не зважаючи на подальший ріст напруги. При деякій достатньо високій напрузі іони і електрони, які рухаються між електродами, настільки прискорюються, що при зіткненні з молекулами газу іонізують їх, перетворюючи нейтральні молекули газу в позитивні іони і електрони. Новостворені іони і електрони прискорюються електричним полем і, в свою чергу, іонізують нові молекули газу. Цей процес, який названий ударною іонізацією газу, протікає тривало тільки в неоднорідному електричному полі, яке характерне для циліндричного конденсатора. У просторі між заземленими коронуючим та осаджу вальним електродами утворюється електричне поле змінної напруги за силовими лініями, які направлені від коронуючого до осаджувального електроду або навпаки. На електроди подається постійна напруга. Залежність зміни сили струму між електродами від напруги показана на рис. 8.
Коронуючий розряд виникає при високих напругах, які досягають 50 кВ і більше. Аерозольні частинки, які потрапляють в зону між коронуючмм і осаджувальппм електродами, адсорбують на своїй поверхні іони, набуваючи електричного заряду і електричним полем одержують прискорення, яке направлене в сторону електроду зі зарядом протилежного знаку. Процес заряджання частинок залежить від рухливості іонів, траєкторії руху і часу перебування частинок в зоні коронуючого розряду. Враховуючи, що в повітрі і димових газах рухливість негативних іонів вища, ніж позитивних, в електрофільтрах часто створюється корона негативної полярності. Час заряджання частинок невеликий і вимірюється долями секунди.
Рух заряджених частинок до осаджувального електроду проходить під дією аеродинамічних сил, сил взаємодії електричного поля і заряду частинки, сил тяжіння і сили тиску електричного вітру. Під дією аеродинамічних сил частинки рухаються за напрямком основного потоку газу із швидкістю, що наближається до швидкості газового потоку, яка складає 0,5-2,0 м/с. Основою, яка викликає рух частинок до осаджувального електроду є сила взаємодії між електричним полем і зарядом частинки.
Рис. 8 Залежність зміни сили струму між електродами від напруги
Електричний вітер, який виникає в місцях генерації іонів, тобто у коронуючого електрода, і який викликає циркуляцію газу в міжелектродному просторі зі швидкістю 0,5-1,0 м/с, зумовлений механічною взаємодією іонів, які рухаються, з молекули газу і частинками пилу. Цей вітер впливає на рух частинок до осаджувального електроду і на переміщення іонів і частинок пилу в міжелектродному просторі. Отже, негативно заряджені частинки пилу рухаються до осаджувального електроду, а позитивно заряджені частинки пилу осаджуються на негативному коронуючому електроді. Більшість частинок пилу набувають негативного заряду, тому основна маса пилу виділяється на осаджувальному електроді.
Важливе значення на процес осадження пилу на електродах має електрична протидія шарів пилу. За величиною електричної протидії розрізняють три групи пилу:
1) пил з малою питомою електричною протидією (< 104 Омхсм). При зіткненні з електродом, пил миттєво втрачає свій заряд набуваючи заряду електроду, після чого між електродом і частинками пилу виникає електростатичне відштовхування, яке прагне повернути частинки пилу в газовий потік;
2) пил з питомою електричною протидією ~ 104 - 1010 Омхсм. Такий пил добре осаджується на електродах і легко видаляється з них при струшуванні;
3) пил з питомою електричною протидією понад 1010 Омхсм. Такий пил найважче вловлюється в електрофільтрах, тому що на електродах частинки тілу повільно розряджаються, що затрудняє їх осадження. Для зниження питомої електричної протидії пилу проводять зволоження запиленого газу.
Конструкція електрофільтрів визначається умовами його роботи з врахуванням складу та властивостей очищувальних газів, концентрації та властивостей пилу, параметрів газового потоку, необхідної ефективності тощо. В промисловості залежно від способу видалення пилу з електродів, електрофільтри поділяють на мокрі та сухі, а також з періодичним або постійним видаленням пилу.
Сухі електрофільтри рекомендуються для тонкої очистки газів від пилу різного виду. В корпусі електрофільтра встановлені коронуючпй та осаджувальний електроди, а рівномірний підвід очищувального газу до електродів досягається встановленням розподільної решітки на вході у фільтр. Періодична очистка електродів проводиться струшуванням за допомогою спеціального механізму.
В мокрих фільтрах на коронуючий електрод подається висока постійна напруга до 100 кВ. При критичній напрузі електричного поля, яка за нормальних умовах складає до 15 кВ/см, у поверхні коронуючого електроду проходить інтенсивна ударна іонізація газу, яка супроводжується виникненням коронуючого розряду, що не розповсюджується на весь міжелектродний простір. Напруженість поля зменшується в напрямку осаджувальноіо електроду. Виникненню коронуючого розряду відповідає критична напруга, яка в промислових електрофільтрах складає 20-40кВ. Газові іони різної полярності, які утворюються в зоні корони під дією електричного поля рухаються до протилежно заряджених електродів, внаслідок чого в міжелектродному просторі виникає струм, який називають струмом коропи.
Для очистки вентиляційних викидів з малою концентрацією пилу використовуються двохзонні фільтри різних типів. Потік повітря в такому фільтрі проходить послідовно крізь зони іонізації і осадження, а також через противиносний пористий фільтр. Накопичений на електродах пил періодичнозмивають водою. Принципова схема двохзонного електрофільтру на рис. 9.
Рис. 9 Двохсекційний електрофільтр
Забруднений газ проходить крізь іонізатор, до складу якого входять позитивні (1) і негативні (2) електроди. Іонізатор зроблено так, щоб при швидкості - 2 м/с частинки пилу встигли зарядитись, але ще не осіли на електродах. Заряджені частинки газовим потоком захоплюються в осаджувач, який становлять систему пластин - електродів 3 і 4. Заряджені частинки осаджуються в полі осаджувана на пластинах протилежної полярності. Відстань між пластинами (6-7 мм) обирають так, щоб при порівняно невисокій напрузі (7 кВ) між пластинами досягалась напруженість 80-100 В/м, що достатньо для осадлсення частинок мікронних та субмікронних розмірів.
Для одержання високої ефективності очистки необхідно забезпечити рівномірний підвід газу до електрофільтру. Це забезпечується використанням розподільних пристроїв.
При використанні електрофільтрів для очистки повітря від аерозолів горючих речовин необхідно, щоб максимальна температура аерозольної суміші була на 20-25°С нижчою від температури спалаху вловлюваної рідини, а максимальна концентрація горючої рідини в аерозольній суміші - не менше ніж на один порядок нижчою нижньої концентрації межі займистості даної суміші. Це дозволяє усунути можливість запалення фільтрату в електрофільтрі.
Електрофільтри відрізняються універсальністю, яка полягає в наступному:
1) ступінь дисперсності пилу практично не впливає на ефективність очистки газу, яка досягає 99,0-99,9%, при високій продуктивності (до 106м3/год);
2) концентрація пилу також не впливає на ступінь очистки газу;
3) широкий діапазон температур очищувальних газів; х малий гідравлічний опір (100-200 Па);
4) малі питомі витрати енергії на очистку газів (0,1-0,5 кВтхгод на 1000 м? газу).
Електрофільтри мають три основних недоліки. Перший полягає в тощу, що використання електрофільтрів вимагає відносно великих питомих капіталовкладень. Другий недолік полягає в тому, що при збільшенні напруги на електродах для інтенсифікації процесу вловлювання часток пилу можливий пробій міжелектродного простору і, як наслідок, виникнення іскрового або дугового розряду, що порушує роботу електрофільтрів. Третій недолік полягає в тому, що необхідне постійне навантаження по газу.