Электрическая очистка газов

Физические основы процесса. Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом. Если газ поместить в электрическое поле, образованное двумя электродами, к которым под веден постоянный электрический ток высокого напряжения, то молекулы (атомы) газа ионизируются, т. е. расщепляются на положительно заря­женные ионы и электроны, которые начинают перемещаться по направле­нию силовых линий. Направление вектора скорости заряженных частиц будет определяться их знаком, а скорость движения и, следовательно, кинетическая энергия — напряженностью электрического поля. При повышении разности потенциалов между электродами (напряженности электрического поля) до нескольких десятков тысяч вольт кинетическая энергия ионов и электронов возрастает настолько, что они при своем дви­жении, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, будут расщеплять их на положительные ионы и свободные электроны. Вновь образовавшиеся заряды при своем движении также ионизируют газ. В результате образова­ние ионов происходит лавинообразно и газ полностью ионизируется. Такая ионизация называется ударной. При полной ионизации газа между электродами возникают условия для электрического разряда. С дальнейшим увеличением напряженности электрического поля возможен проскок искр, а затем электрический пробой и короткое замыкание электродов. Чтобы избежать этого, создают неоднородное электрическое поле путем устройства электродов в виде проволоки, натянутой по оси трубы (рис. 13, а), или проволоки, натянутой между параллельными пластинами (рис. 13, б).

Рис. 13. Расположение электродов для создания неоднородного электрического поля.

Густота си­ловых линий и, следовательно, напряженность поля в этих условиях наи­более высока у провода и постепенно убывает по мере приближения к трубе или пластине. Напряженность поля непосредственно у трубы (пластины) является недостаточной для новообразования и электрического пробоя.

При напряженности поля, достаточной для полной ионизации, между электродами возникает коронный разряд, сопровождающийся голубовато-фиолетовым свечением, образованием «короны» вокруг каждого провода и характерным потрескиванием. Электрод, вокруг которого образуется «корона», носит название коронирующего электрода, а другой, противоположно заряженный электрод, выполненный в виде трубы или пластины — осадительного электрода. Коронирующие элек­троды присоединяются к отрицательному полюсу источника тока, а осадительные — к положительному. При этом можно использовать более высокое напряжение без появления искрового разряда между электродами.

При возникновении «короны» образуются ионы обоих знаков и свободные электроны. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к осадительному электроду. Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками, находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают их к осадительному электроду. В результате частицы пыли или тумана оседают на этом электроде. Основная масса взвешенных в газе частиц пыли или тумана приобретает отрицательный заряд вследствие того, что более подвижные отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь из области «короны» к осадительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно больше вероятность их столкновения со взвешен­ными в газе частицами. Лишь небольшая часть частиц пыли или тумана, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в области «короны», оседают на коронирующем электроде. Отрицательно заряженные ионы, частицы пыли или тумана, попадая на осадительный электрод, отдают ему свои заряды, а затем удаляются с электрода.

Степень очистки газа в электрофильтре в значительной степени зависит от проводимости пыли. Если частицы хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) невелики, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания, и частица вновь может попасть в газовый поток. Это приводит к увеличе­нию уноса пыли из электрофильтра и понижению степени очистки. Если пыль плохо проводит ток, то она прижимается силой поля к электроду и образует на нем плотный слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака, т. е. противодейст­вует основному электрическому полю. Напряжение в порах слоя осевшей пыли может превысить критическое и вызывать коронирование газа у осадительного электрода — «обратную корону». Это явление значительно снижает эффективность очистки газа.

Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, ее удаляют периодическим встряхиванием электродов или увеличивают проводимость пыли путем увлажнения газа перед входом в электрофильтр водой, не допуская, однако, снижения температуры газа ниже его точки росы.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, а следовательно, снижается сила потребляе­мого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3—0,6 м/сек) значи­тельно меньше скорости ионов (60—100 м/сек). При падении силы потреб­ляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается — происхо­дит полное «запирание короны». В этом случае для борьбы со снижением силы тока уменьшают концентрацию взвешенных частиц в газе (устанав­ливая перед электрофильтрами дополнительную газоочистительную аппа­ратуру) или снижают скорость поступающего газа, уменьшая нагрузку электрофильтра.

Частицы жидкости обладают относительно невысоким удельным элек­трическим сопротивлением и обычно хорошо смачивают поверхность электрода. Поэтому они быстро отдают электроду свой заряд и стекают по его поверхности.

Электрофильтры работают только на постоянном токе, так как при переменном токе заряженные частицы, испытав ряд импульсов, направляющих их то в одну, то в другую сторону, могут быть вынесены из аппарата ранее, чем они успевают достичь поверхности осадительного электрода.

Устройство электрофильтров. Установка для электрической очистки газов включает обычно электрофильтр и преобразовательную подстанцию с соответствующей аппаратурой. Для питания установки выпрямленным током высокого напряжения используют электрические агрегаты (рис.14), состоящие из регулятора напряжения 1, трансформатора 2, повышающего напряжение переменного тока с 380/220 в до 100 кв, и высоковольтного выпрямителя 3. После выпрямителей ток подводится к электродам 4 и 5 электрофильтра 6. Корпус электрофильтра обычно имеет прямоугольную или цилиндрическую форму и изготовляется из материалов, стойких к химическому и механическому воздействиям очищаемой среды (сталь, кирпич, железобетон и др.).

Рис. 14. Принципиальная схема установки для электрической очистки газов: 1 – регулятор напряжения; 2 – повысительный трансформатор; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – коронирующий электрод; 5 – осадительный электрод; 6 - электрофильтр.

Коронирующие электроды представляют собой проволоки круглого или звездообразного сечения или элементы, с иголками, а осадительные электроды — пластины специального профиля либо трубы круглого или шестиугольного сечения. Осадительные электроды выполняют из стали и других металлов, а также графита и пластмасс. Эти электроды присоеди­няют к положительному полюсу выпрямителя и заземляют, а коронирующие изолируют и соединяют с отрицательным полюсом. Напряженность электрического поля изменяется регулятором напряжения питания.

Электрофильтры бывают вертикальные и горизонтальные. Их часто изготовляют из нескольких секций, что дает возможность отключать одну из них для осмотра или ремонта, не останавливая всего электрофильтра. В некоторых случаях для повышения степени очистки газа секции электрофильтров располагают последовательно по ходу газа и снабжают само­стоятельным электрическим питанием. Таким образом, электрические поля создаются в каждой секции. В зависимости от числа электрических полей эти электрофильтры называют двупольными или много­польными.

Электрофильтры делятся на сухие, в которых улавливается сухая пыль, т. е. очистка газов происходит при температуре выше точки росы, и мокрые — для удаления пыли, увлажненной в результате конден­сации паров влаги из очищаемого газа, а также для осаждения капель и тумана.

Конструкции сухих и мокрых электрофильтров разнообразны. Институтом «Гипрогазоочистка» разработаны конструкции сухих электрофиль­тров для очистки дымовых газов (с температурой не более 250 °С) и для очистки кислых газов (с температурой не более 425 °С), мокрые электро­фильтры для неагрессивных и химически агрессивных холодных и горя­чих газов. При очистке агрессивных газов корпус электрофильтра футеруют изнутри кислотоупорными материалами (кислотоупорным кирпичом), а крышки аппарата защищают листовым свинцом либо изготовляют из ферросилида или фаолита. Коронирующие и осадительные электроды выполняют из свинца, освинцованной стали или ферросилида.

Для очистки промышленных газов в химической промышленности применяют однозонные электрофильтры, в которых процессы иони­зации газа и осаждения частиц пыли происходят в одном и том же электри­ческом поле. Для тонкой очистки вентиляционного воздуха используют двухзонные электрофильтры, в которых эти процессы протекают в отдельных зонах аппарата.

В зависимости от формы осадительных электродов различают электро­фильтры трубчатые и пластинчатые.

Трубчатый электрофильтр (рис. 15) представляет собой камеру 1, в которой расположены осадительные электроды 2, вы­полненные из труб диаметром 150—300 мм и длиной 3—4 м. По оси труб натянуты Коронирующие электроды 3 из проволоки диаметром 1,5—2 мм, которые подвешены к раме 4, опирающейся на изоляторы 5. Для предот­вращения колебаний все электроды соединены снизу рамой 6. Загрязнен­ный газ через газоход 7 попадает под решетку 8 и равномерно распределя­ется по трубам. Пройдя электрическое поле, газ очищается и выходит через газоход 9. Взвешенные частицы осаждаются на внутренней поверх­ности труб и периодически удаляются.

Рис. 15. Схема трубчатого электрофильтра: 1 – камера; 2 – осадительный электрод; 3 – коронирующий электрод; 4 – рама; 5 – изолятор; 6 – рама; 7 – входной газоход; 8 – распределительная решетка; 9 – выходной газоход.

В пластинчатом электрофильтре (рис. 16) между параллельными поверхностями осадительных электродов 2 подвешены коронирующие электроды 3 из нихромовой (или фехралевой) проволоки. Сверху Коронирующие электроды подвешены к раме 4, а снизу соединены рамой 6. Очищаемый газ по газоходу 7 подается под распределительную решетку 5, поднимается вверх между параллельными листами осадитель-ных электродов и очищенный удаляется через выходной газоход 9. Части­цы пыли или тумана отделяются в электрическом поле от газа и оседают на поверхности осадительных электродов.

Рис. 16. Схема пластинчатого электрофильтра: 1 – камера; 2 – осадительный электрод; 3 – коронирующий электрод; 4 – рама; 5 – изолятор; 6 – рама; 7 – входной газоход; 8 – распределительная решетка; 9 – выходной газоход.

В сухих электрофильтрах пыль удаляется периодически при помощи различных ударных механизмов встряхивания электродов: молоткового, магнитно-импульсного и пр. В мокрых электрофильтрах осевшие частицы удаляются периодической или непрерывной промывкой внутренней поверхности осадительных электродов водой, распыляемой брызгалами или форсунками. В некоторых случаях промывная жидкость свободно стекает по внутренней поверхности электродов в виде пленки, на которую оседают взвешенные частицы.

В пластинчатых электрофильтрах легче, чем в трубчатых, удаляется осевшая на электродах пыль и меньше расходуется энергии на единицу длины проводов. Они более компактны, требуют меньшего расхода метал­ла и отличаются простотой монтажа. Вместе с тем трубчатые электрофиль­тры позволяют получить большую напряженность электрического поля и соответственно допускают большие скорости газа, т. е. более производительны. В них лучше отделяется трудноулавливаемая пыль из газов умеренной влажности. Степень очистки достигает 99%, а иногда 99,9%.

Степень очистки газа в электрофильтрах. Степень очистки может быть выражена общим уравнением:

(3)

где и - содержание взвешенных частиц в газе соответственно на входе в электрофильтр и выходе из него, кг/м³; - — скорость движения заряженных частиц к поверхности элек­трода, м/сек; f — удельная поверхность осаждения, выражаемая отношением площади осадительных электродов к объемному расходу очищаемого газа, м²/(м³/сек).

Для трубчатых электрофильтров

для пластинчатых электрофильтров

где l — длина трубы или пластины, м; r — радиус трубы осадительного электрода, м; h — расстояние между осадительным и коронирующим электродами, м;v — скорость газа в электрофильтре, м/сек.

Для точного определения степени очистки при заданном содержании взвешенных ча­стиц до и после очистки ( и ) для выбранной конструкции коронирующих и осадительных электродов необходимо правильно выбрать скорость заряженных частиц. Теорети­чески ее расчет мало надежен, поэтому определяют опытным путем.

Коагуляция и укрупнение частиц, отделяемых при газоочистке

Степень очистки газов в аппаратах различных типов может быть повышена и процесс очистки ускорен путем предварительного укрупнения (коагуляции) взвешенных частиц. Для этой цели может быть применена акустическая коагуляция — воздействие на загрязненный газ упругих акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Звуковые и ультразвуковые колебания вызывают интенсивную вибрацию мельчайших взвешенных частиц, что приводит к резкому увеличению числа их столкновений и укрупнению (коагуля­ции). Коагуляция частиц происходит более интен­сивно в поле стоячих волн.

Акустическую коагуляцию пыли и туманов используют лишь перед их очисткой под дейст­вием сил тяжести или инерционных сил. В каче­стве примера на рис. 17 показана схема уста­новки для акустической коагуляции аэрозолей в процессе сепарации конденсата из попутных и природных газов при их добыче. Газ, находящийся под избыточным давлением 10 000—20 000 кн/м^г (100—200 ат), вводится в сепарационную камеру 1 через штуцер, в котором размещен источник акустической энергии — механический вибратор, или свисток 2. За счет создания перепада давле­ний в свистке получают необходимую акустиче­скую мощность. Озвучивание газа приводит к рез­кому укрупнению капелек конденсата, которые под действием силы тяжести падают вниз и выводятся через штуцер 3. Очищенный газ уда­ляется через штуцер 4.

Рис. 17. Установка для предварительной акустической коагуляции частиц при газоочистке: 1 – сепарационная камера; 2 – свисток; 3 – штуцер для отвода конденсата; 4 – штуцер для отвода очищенного газа.

Акустическую обработку газов проводят при уровне звука не менее 145—150 дб и частоте колебаний 2—50 кгц.

Аппараты для акустической коагуляции взвешенных частиц отличаются простотой и компактностью. Они могут быть использованы для обра­ботки горячих газов при температурах вплоть до 550 °С, а также для обработки химически агрессивных и взрывоопасных газов. Существенным недостатком этих аппаратов являются тяжелые условия труда обслуживающего персонала (при работе на звуковых частотах).

Укрупнение взвешенных в газе частиц может быть осуществлено также посредством конденсации на них водяных паров. Это может быть достигнуто пересыщением газа в результате быстрого его охлаждения в поверхностных холодильниках или путем введения в поток горячего газа тонкораспыленной холодной воды, подачи водяного пара в поток холодного газа и т. д. непосредственно перед его очисткой или в ходе само­го процесса.