CC BY
218
УДК 502.3 © 2011: Ю.И. Санаев; ФНИ «XXI век»
ОХРАНА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ
Ю.И. Санаев
ЗАО «Кондор-Эко», п. Семибратово Ярославской обл., Российская Федерация
Эл. почта: [email protected] Статья получена редакцией 04.07.2011, принята к печати 01.12.2011
Кратко изложена история промышленной очистки воздуха и приведены сравнительные характеристики циклонных очистителей и различных типов фильтров с особым вниманием к электрофильтрам. В настоящее время преимущественная область применения однозонных электрофильтров - это очистка больших объемов газов. Но ЭФ находят применение и для очистки относительно небольших объемов газов (выхлопные газы дизелей, газы при плазменной резке металлов). Эксперименты, выполненные в ЗАО «Кондор-Эко», показали принципиальную возможность очистки выхлопных газов карбюраторных двигателей от твердых и газообразных компонентов при температуре газов ниже точки росы. ЭФ нового поколения при очистке газов от ТЭС обеспечивают выходную запыленность 20-60 мг/м3, что близко к выходной запыленности матерчатых фильтров. Намечены направления дальнейшего совершенствования электростатических методов промышленной очистки газообразных промышленных отходов.
Ключевые слова: электрофильтр, промышленное применение, снижение выбросов, фильтры нового поколения, перспективы.
AIR PROTECTION WITH ELECTRIC FILTERS
Yu.I. Sanaev
ZAO Kondor-Eko, Semibratovo, Yaroslavskaya Oblast, Russia E-mail: [email protected]
The history of industrial waste gas treatment is briefly described. Comparative characteristics of cyclone-type treatment machinery and different types of filters are presented with special attention to electric filters. At present, single-zone EF are mainly used for treating of huge volumes of gases. However, EF employment for treating smaller volumes, such as diesel or plasma-arc metal cutting exhausts, gradually increases. Experiments performed at ZAO Kondor-Eko suggest that EF may be used for treating carburator engine exhausts at temperatures below dew-point. New generation EF are able to ensure output dustiness of thermal power plants exhausts as low as 20 to 60 mg/m3, which is closed to fabric filter performance. Prospects for further elaboration of the electrostatic approaches to gaseous industrial wastes treatment are outlined.
Keywords: electric filter, exhaust reduction, new generation filters, industrial application, technological prospects.
Угроза загрязнения окружающей среды приобрела глобальный характер [3]. Загрязнение атмосферы, помимо непосредственного влияния на здоровье людей, может вызвать изменение климата всего земного шара. Необходимость защиты атмосферы от загрязнений выбросами промышленных предприятий остается одной из важнейших проблем современности.
Значительный вклад в очистку загрязненного воздуха, выбрасываемого промышленными предприятиями, вносят аппараты очистки промышленных газов. Существует большое количество различных аппаратов для улавливания твердых частиц из газов. Все эти аппараты можно разделить на два основных вида:
- «мокрые», в которых пыль улавливается при прохождении газа через жидкость;
- « сухие», где пыль улавливается без применения жидкости.
Каждый вид пылеуловителей имеет свои области применения.
Те и другие аппараты в настоящее время получили широкое применение и продолжают совершенствоваться. Один из основных недостатков «мокрых» пылеуловителей - перевод уловленной пыли из одной среды в другую (жидкость), которую также нужно очищать. Этого недостатка лишены «сухие» аппараты.
1. основные аппараты для сухой очистки газов
К основным аппаратам для сухого обеспыливания промышленных газов можно отнести циклоны, фильтры и электрофильтры.
ЦИКЛОНЫ. Неизвестно, кем и когда был создан первый простейший циклон, однако есть утверждения, что в России нечто похожее на циклоны использовалось еще на знаменитых демидовских заводах. В обзорной статье немецкого исследователя Матиаса Боната «Циклонный очиститель газа от твердых частиц», опубликованной в 1982 г. в сборнике «Химико-инженерная техника» (см. [4]), представлена история создания первых циклонов. Хотя циклонный очиститель используется в технике уже на протяжении более 100 лет, до сегодняшнего дня не удалось полностью вычислить режим потока в этих аппаратах. В создании циклонного аппарата участвовали многие исследователи [21, 22]. Известно, что Л. Прандль, который при помощи своих выводов о теории пограничного слоя обосновал современную механику потока, тоже занимался циклонами. Решительный шаг на пути к пониманию аэродинамических процессов в циклонном очистителе, которые определяют режим очистки, сделал в 1956 г. В. Барту из Карлсруэ в своей работе о параметрах циклонов.
Циклонные пылеуловители являются наиболее распространенным газоочистным оборудованием для различных отраслей промышленности, в основном для относительно небольших объемов газов. Широкое применение циклонов объясняется следующими причинами:
- простота конструкции;
- надежность, отсутствие подвижных частей;
- невысокая стоимость;
- простота эксплуатации;
- широкий диапазон температур.
Принцип работы циклона основан на создании вращательного движения очищаемого газа и перемещении частиц из потока к стенкам циклона под действием центробежной силы. Основной недостаток циклонов - низкая степень очистки при улавливании мелких частиц и относительно высокое гидравлическое сопротивление.
ФИЛЬТРЫ. Процесс фильтрации через пористую перегородку является одним из самых давних. Он позволяет эффективно и надежно очищать газовые выбросы от твердых частиц. Первоначально фильтры для очистки промышленных газов представляли собой подвешенные фильтровальные мешки, перевязанные внизу. Запыленные газы подавались сверху. Мешки периодически освобождались от уловленной пыли вручную. В 80-х гг. XVIII века были получены первые патенты на фильтр с механическим отряхиванием рукавов. Развитие промышленности потребовало дальнейшего усовершенствования фильтров.
Осаждение пылевых частиц на фильтрующую перегородку первоначально происходит за счет инерционных, электрических и гравитационных сил и броуновского движения. По мере заполнения пор решающим фактором для улавливания частиц становится ситовой эффект, при котором поры в слое пыли становятся меньше, чем размер частиц. По мере заполнения фильтрующей перегородки гидравлическое сопротивление фильтра возрастает. Возникает необходимость регенерации перегородки, при этом необходимо восстановить фильтрующие свойства перегородки.
ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ (ЭФ). Аппараты, в которых используются электрические силы для удаления твердых и жидких частиц. Первые попытки применения принципа электростатического осаждения пыли в промышленности относятся к самому началу ХХ века и связаны с именами Лоджа в Англии, Котрелла в США и Меллера в Германии. Лодж экспериментировал в области электростатического осаждения с 1880 г. и указал на возможности, связанные с промышленным использованием данного метода, в научном журнале "Nature" в 1883 г. [22]. Вместе с двумя другими исследователями, Уолтером и Хадчингсом, он установил первый электрофильтр промышленного назначения на свинцовом заводе в г. Багилте в Северном Уэльсе. Данная установка оказалась неудачной из-за примитивного способа получения электроэнергии высокого напряжения, а также потому, что частицы дыма свинцовоплавильных печей обладали высоким удельным электрическим сопротивлением и малым размером частиц, которые плохо улавливаются в электрофильтрах.
Со времени создания первого ЭФ прошло почти 130 лет. Но только за последние 50-60 лет произведены изменения электрофильтров, позволившие снизить выбросы из них в десятки раз. Снижение в 2-3 раза было
достигнуто за счет применения новых типов осади-тельных (пластинчатых) и коронирующих (игольчатых) электродов [5, 9], в 2-3 раза за счет усовершенствования агрегатов питания ЭФ [1], в 1,3-2,5 раза за счет оптимизации режимов регенерации электродов [10, 11, 12], до 3 раз за счет применения коронирующих электродов с пониженным напряжением зажигания [24, 25, 28], до 3 раз за счет более точной прокатки элементов осади-тельного электрода [24]. За счет создания и применения ЭФ нового поколения [25] достигнуты выбросы из ЭФ до 20 мг/м 3, что приближает эффективность ЭФ к эффективности матерчатых фильтров.
2. Принцип действия электрофильтров
Принцип действия ЭФ заключается в зарядке твердых или жидких частиц, содержащихся в газе, и осаждении их под действием электрического поля. Для зарядки частиц применяют отрицательный коронный разряд, при котором электроны и отрицательные ионы оседают на частицах. Отрицательно заряженные частицы собираются на заземленных осадительных электродах. После регенерации электродов пыль собирается в бункерах. Небольшая часть пыли, примерно 0,5-1% от общего количества, приобретает положительный заряд, осаждается на коронирующих электродах и также периодически удаляется.
Характер распределения количества уловленной пыли по длине осадительных электродов описывается, за исключением начальной части, кривой, близкой к экспоненте (рис. 1).
Дшша эдаетрофшвдра L, кг
Рис. 1. Упрощенная схема зарядки и осаждения частиц пыли в электрофильтре:
1 - иглы коронирующих элементов; 2 - осадительный электрод; 3, 4 - траектория движения крупных (3) и мелких (4) отрицательно заряженных частиц пыли; 5 - траектория движения положительно заряженной частицы; 6 - характер распределения массы пыли (М, кг) по длине осади-тельного электрода м).
Для создания электрического поля в электрофильтрах применяются повышающие выпрямительные агрегаты напряжением до 100 кВ с системами регулирования, обеспечивающими требуемый режим питания.
В СССР первый ЭФ был построен в 1925 г. по проекту проф. Ю. В. Баймакова на заводе «Красный выборжец» в Ленинграде для улавливания окиси цинка из отходящих газов. Затем в 1926 г. была спроектирована и сооружена установка с ЭФ на заводе «Победа рабочих» в Ярославле также для улавливания окиси цинка.
В настоящее время ЭФ широко применяются на тепловых электростанциях, металлургических и цементных заводах, в химической и нефтеперерабатывающей про-
мышленности, для очистки газов двигателем внутреннего сгорания [7, 14, 16] и других приложениях.
Успешная работа ЭФ нового поколения позволяет обеспечить требуемые нормы выбросов пыли и чистоту атмосферного воздуха территорий в районе ТЭС, цементных и металлургических заводов и других предприятий [24, 25].
Современные ЭФ могут обеспечивать степень очистки газов от пыли на 99,9% и выше, и снижать выбросы пыли до менее чем 50 мг/м 3 [25].
Поддержание проектной эффективности электрофильтров может быть обеспечено обслуживающим персоналом только при соблюдении правил эксплуатации с учетом специфических особенностей (конструкции электрофильтра, проекта установки, технологических условий) всей установки электрической очистки газов [13, 15].
Электрофильтр - аппарат, предназначенный преимущественно для очистки больших (до нескольких миллионов м 3/ч) объемов газов. Для обеспечения эффективной работы ЭФ необходимо согласовывать режимы его эксплуатации с параметрами работы технологической установки.
Для успешной эксплуатации ЭФ обслуживающему персоналу целесообразно владеть упрощенными методами расчета влияния ряда основных технологических и конструктивных параметров на степень очистки газов электрофильтром.
Конструкции электрофильтров, высоковольтных агрегатов питания и приборов управления ими непрерывно совершенствуются. Степень автоматизации работы электрофильтров возрастает.
С учетом того, что электрофильтры находятся в эксплуатации десятки лет, происходит износ их узлов, изменяются технологические условия их работы, наконец, ужесточаются требования к величине выбросов пыли, требуется их грамотное инженерное обслуживание.
Соблюдение правильного режима питания электрофильтра с применением современных агрегатов и приборов управления ими является непременным условием получения проектных показателей электрофильтра.
При эксплуатации электрофильтров необходимо отслеживать возможные изменения технологических параметров и оперативно изменять режим работы электрофильтра, сообразуясь с изменившимися условиями.
3. Классификация и краткая характеристика современных ЭФ
Все электрофильтры по условиям зарядки и осаждения частиц можно разделить на две основные группы: одно-зонные (зарядка и осаждение частиц происходят в одной конструктивной зоне) и двухзонные (в первой зоне происходит зарядка, во второй - осаждение частиц). Кроме этого, существуют группы комбинированных аппаратов (например, циклон + электрофильтр, электрофильтр + фильтр, сочетания электрофильтров с мокрыми пылеуловителями и др.). Эти аппараты могут изготавливаться в едином или раздельных корпусах. Однозонные электрофильтры имеют наибольшее применение. По форме осадительных электродов их можно подразделить на два основных вида: пластинчатые и трубчатые. Вариант классификации ЭФ в зависимости от конструктивных и технологических условий представлен на рис. 2.
Рис. 2. Классификация электрофильтров по конструктивным и технологическим признакам:
ОГ, ОГП - огарковый; СГ - сажевый; СПГ, ПГ - пылевой, генераторный; Ц - цементный; ЭГФ, ГПФ - фосфорный; ПГДС-ПГДН - пылевой горизонтальный (модификации); ЭГА-ЭГБВ - электрофильтр горизонтальный (модификации); УГТ, ЭГТ - высокотемпературный; ЭГМ - для двигателей внутреннего сгорания; ЭГД - двухъярусный; СПМ - для очистки от тумана серной кислоты; ДВП-ДВПН - дымовой вертикальный; ОВ -опытный вертикальный; УВВ, ЭВВ - вертикальный, взрывобезопасное исполнение; ЭВПр - для плазменной резки; М, ГМ - с шестигранными осадительными электродами; С - смоляной; СМС - содовый; ШМК - мокрый с шестигранными электродами кислотный; МТ - мокрый с трубчатыми осадительными электродами; ДМ - доменный мокрый; ЭВМТр - мокрый сернокислотный; БВК - без влияния кромок; ГПФМ - фосфорный; КТ - кислотный, для очистки газов в отделениях концентрированной серной кислоты, высокотемпературный.
Подавляющее количество пластинчатых аппаратов -сухие, а трубчатых - мокрые. Однако известны пластинчатые мокрые и трубчатые сухие, но их количество ограничено. Пластинчатые электрофильтры разделяют по направлению движения газов в активной зоне на горизонтальные и вертикальные. Основное количество пластинчатых горизонтальных сухих электрофильтров - одноярусные. Эти аппараты имеют целый ряд разновидностей. Двухъярусные электрофильтры позволяют получить увеличение активной зоны электрофильтра в стесненных условиях за счет увеличения высоты активной зоны. Пластинчатые вертикальные электрофильтры преимущественно однопольные.
Фосфорные электрофильтры (ВФ, ЖФП) имеют последовательно соединенные поля, расположенные в разных корпусах.
Трубчатые мокрые электрофильтры подразделяются на аппараты для неагрессивных и агрессивных газов. Последние могут быть предназначены для холодных и горячих газов.
В зависимости от требований к электрофильтрам и условий их эксплуатации, они могут существенно отличаться по конструкции. В настоящее время количество ЭФ в России составляет ориентировочно 5 тыс. шт.
4. область применения электрофильтров, сравнение их с циклонами и фильтрами
Среди других способов обеспыливания газов электрический является наиболее эффективным, поскольку все частицы могут получить электрический заряд, а электрофильтр является самым универсальным аппаратом, так как сила, обеспечивающая улавливание, приложена непосредственно к частице, несущей электрический заряд.
Как показано на рис. 2, ЭФ широко применяются в различных отраслях промышленности, однако необходимо особо отметить, что универсальность принципа действия ЭФ ни в коей мере нельзя относить к конструкции аппарата, которая для успешной реализации возможностей электрогазоочистки должна быть индивидуальной применительно к конкретным условиям его эксплуатации. Другими словами, конструкции электрофильтров, устанавливаемых в различных отраслях промышленности, имеют существенные отличия. А аппараты, устанавливаемые даже в одной отрасли промышленности, например, в теплоэнергетике, должны иметь индивидуальные особенности, вплоть до конструктивных отличий, обусловленных проектными, технологическими и режимными особенностями их работы.
Основные преимущества электрической очистки газов следующие:
- широкий диапазон производительности -от нескольких м 3/ч до миллионов м 3/ч;
- степень очистки газов - до 99,9% и выше;
- гидравлическое сопротивление - не более 200 Па (является основной причиной низких эксплуатационных затрат);
- ЭФ могут улавливать сухие частицы, капли жидкости, частицы тумана и химические компоненты при снижении температуры очищаемых газов ниже точки росы;
- в электрофильтрах улавливаются частицы размером от 0,01 мкм (вирусы, табачный дым) до десятков микрон.
Преимущественная и экономически наиболее целесообразная область применения электрофильтров -очистка больших объемов газов, отходящих от технологических агрегатов большой мощности, однако в ряде случаев применение электрофильтров может оказаться целесообразным и при очистке небольших объемов газов, например, при очистке выхлопных газов тепловых двигателей.
Особенностью ЭФ является высокая чувствительность к неудовлетворительной центровке электродной системы и отклонениям технологического режима от проектного, а также к механическим дефектам внутреннего оборудования, которые могут являться результатом недостаточно тщательного проведения монтажных работ или неквалифицированного обслуживания при эксплуатации.
Применение ЭФ ограничено, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь или такая смесь может образоваться в ходе процесса в результате отклонения от нормального технологического режима, так как при работе электрофильтра даже при специальных режимах питания существует вероятность возникновения искровых разрядов в его активной зоне. Тем не менее, электрофильтры могут устанавливаться в условиях возможного образования взрывоопасных сред, однако при этом принимаются особые меры предосторожности, включающие специальные конструктивные решения (свободный выход газов в атмосферу, взрывные клапана, автоматическое выключение электропитания при возникновении взрывоопасных ситуаций и др.). В тех случаях, когда удельное электрическое сопротивление (УЭС) осаждаемой пыли превышает 5x10 8 Ом-м, применение ЭФ требует изменения конструкции активной зоны или использования специальных мер [17, 31] (увлажнения газов, снижения их температуры, введения кондиционирующих добавок) по снижению УЭС пыли [31], что удорожает стоимость пылеулавливающей установки.
Производительность конкретного типоразмера ЭФ по очищаемому газу не является величиной постоянной. Ее величина зависит от требуемой степени очистки, от скорости газа в ЭФ, которая определяется физико-химическими свойствами пылегазового потока, проектными решениями и особенностями технологического агрегата, отходящий газ которого необходимо очистить.
Для ориентировочного сравнения аппаратов в справочной литературе приводится производительность ЭФ при условно принятой скорости газов в активном сечении равной обычно 1 м/с (фактическая скорость газов в электрофильтрах промышленных установок может существенно отличаться от этой величины в большую или меньшую сторону) и находится примерно в диапазоне 0,4-2,5 м/с. При повышении скорости газов степень очистки резко снижается. Степень очистки газов ЭФ неразрывно связана с технологическими и режимными условиями его работы. Величина степени очистки газов ЭФ, требуемый типоразмер, режим его работы определяются фирмой-разработчиком аппарата по специально разработанным методикам.
Для того чтобы правильно выбранный ЭФ обеспечил проектные показатели, необходимо осуществлять его научное и инженерное сопровождение, начиная от разработки проекта установки и изготовления ап-
табл. 1.
сравнение некоторых характеристик электрофильтров, фильтров и циклонов
Размер улавливаемых частиц, мкм Объем oчищаемых газов, м 3/с Скорость газов, м/с Гидравлическое сопротивление, кПа
ЭФ 0,001.. .100 До 300 0,4.2,5 До 0,2
Матерчатый фильтр 0,1.. .100 До 30 0,05.0,01 До 200
Циклон 3.1000 До 3 3.3,5 75 .2800
парата и кончая монтажными и пусконаладочными работами на объекте установки, а при необходимости и надзором при эксплуатации. Представляет определенный практический интерес сравнение областей применения ЭФ, фильтров и циклонов (табл. 1).
Области рационального применения фильтров и ЭФ в некоторых случаях могут совпадать. В практике газоочистки имеются примеры замены электрофильтров фильтрами и фильтров электрофильтрами.
Исследуя вопрос об областях применения электрофильтров и волокнистых фильтров при улавливании мелких фракций в воздухе аспирируемом из цементных мельниц А. И. Макаров (НИИЦЕМЕНТ) и М. М. Зайцев (НИИОГАЗ) в 1949 г. пришли к выводу о примерной равноценности этих аппаратов [2, 6, 19]. По их мнению, рукавные фильтры имеют в рассмотренных условиях следующие преимущества перед ЭФ:
- тканевые фильтры могут работать при большой концентрации пыли (до 300 г/нм 3) без снижения степени очистки при перегрузке, однако при этом возрастает гидравлическое сопротивление, а при замазывании ткани движение газа через рукава может прекратиться;
- тканевые фильтры имеют меньшие габариты, что позволяет уменьшить стоимость строительных сооружений;
- вес фильтров в 4-5 раз меньше, чем ЭФ;
- стоимость фильтров в 3,5-4 раза меньше, чем ЭФ;
- обслуживание фильтров проще и может производиться менее квалифицированными работниками.
В свою очередь, ЭФ имеют ряд преимуществ перед фильтрами:
- у ЭФ меньше гидравлическое сопротивление;
- на изготовление ЭФ не требуется дефицитная ткань, которую необходимо регулярно заменять;
- срок службы ЭФ может достигать 40-50 лет.
Применение ЭФ оправдывалось их относительно
низкими эксплуатационными и капитальными затратами. Однако в США в 80-х гг. прошлого века ужесточение стандартов по выбросам в атмосферу привело к значительному повышению расходов, связанных с использованием ЭФ. Эти расходы возросли настолько, что в качестве альтернативы стали прибегать к использованию тканевых фильтров, которые стали конкурировать с ЭФ в плане экономической эффективности [20]. Однако следует отметить, что создание электрофильтров последнего поколения позволяет обеспечивать выбросы пыли, соизмеримые с таковыми у аппаратов фильтрации [25].
Указанные преимущества и недостатки этих аппаратов остаются актуальными и сегодня. Можно сравнить
области применения этих аппаратов по входной концентрации газа, объему очищаемых газов и по размеру улавливаемых частиц.
Рис. 2. Диапазон применения фильтров и ЭФ в зависимости от запыленности и производительности.
Рис. 3. Диапазон применения фильтров и ЭФ в зависимости от размера улавливаемых частиц.
Для решения вопроса о выборе фильтра или ЭФ необходимо исходить из конкретных условий и экономического преимущества установки очистки газов в целом. При этом следует учитывать вопросы экономики за весь жизненный цикл аппаратов.
Анализ литературных данных и опыта эксплуатации позволяет сделать вывод о существовании трех характерных отраслей промышленности, в которых:
Табл.2.
Сравнение разных фильтров на установке сжигания фосфора производительностью 2,5-3,0 т/ч
Тип аппарата ЭФ ВФ
Степень очистки газа, % 99,5 99,9
Гидравлическое сопротивление, кПа 0 300-400
Расход энергии на очистку и транспорт газа, кВт/ч 70 150
Скорость фильтрации газов, м/с 0,3 0,04-0,05
Стоимость (тыс. руб. в ценах 1979 г.) 120 10
табл. 3.
Примерные затраты на различные системы очистки газов от пыли при температуре 20°
'■Я <и "я д о л д Полные затраты
Оборудование Степень очистки1 Капитальные затрат! суммарные/удельны Перепад давления, н/(м 2 • мм вод. ст.) Расход электроэнерги х с а р е ы н н о и я а т а у л п с ск л Суммарные расходы ох с а р е ы н н о я я а з и т р о ом Фунты стерлингов в год Пенсы на 100 м 3
ЭФ 94,1 70000/41,4 155/15,5 620 250 870 7000 7870 0,236
Мокрый ЭФ 99,0 90300/53,5 155/15,5 1120 400 1960 9030 10990 0,328
Низкоскоростной тканевый фильтр 99,0 19800/11,7 610/61 1090 3260*7 4350 1980 6330 0,190
Тканевый фильтр с регенерацией вибрационного типа 99,0 61200/36,0 760/76 1760 3800*8 5560 6120 11680 0,346
Тканевый фильтр с обратной продувкой 99,8 69000/40,6 1020/102 3930 6140*6 10070 6900 16970 0,504
1 30% пыли крупностью менее 10 мкм.
2 Включая затраты на дымососы, насосы, электродвигатели и общестроительные расходы в ценах 1962 г.
3 Стоимость электроэнергии принималась равной 1,2 пенса за 1 кВт-час (использование дымососа и электродвигателя 60%).
4 Расчетные данные.
5 Продолжительность работы принята за 8000 ч/год.
6 Принято за 10% от капитальных затрат.
7 Рукава заменяли в течение года один раз.
Рукава заменяли в течение года два раза.
- применение ЭФ предпочтительнее;
- применение фильтров предпочтительнее;
- применение ЭФ и фильтров дает равноценные результаты.
Для определения этих областей необходимо первоначально выбрать научно обоснованные критерии сравнения аппаратов и затем выполнить анализ их преимуществ и недостатков. Сравнение результатов этого анализа
с экспериментальными данными позволяет произвести корректировку теоретических выводов и применить методику альтернативного выбора этих аппаратов.
Сравнение ЭФ и волокнистого фильтра (ВФ) на установке сжигания фосфора производительностью 2,5-3 т/ч приведены в табл. 2 [20].
Представляют интерес данные по затратам, приведенные в табл. 3 [20].
В ЭФ на общий перепад давления на уровне 7,6 см вод. ст. приходится приблизительно 4% общих затрат. В тканевых фильтрах падение давления, равное 17,8 см вод. ст., выражается в 15% общих затрат [20]. В общем, было установлено, что сопоставление экономических показателей для ЭФ и тканевых фильтров зависит от степени ограничений, вводимых согласно стандартам и нор -мам выбросов летучей золы в атмосферу, от содержания золы в очищаемых газах, от теплотворной способности угля, от электрических свойств летучей золы, от частоты смены материала тканевых фильтров и от конкретных условий размещения оборудования.
В своих исследованиях НИИ энергетики США использовал уголь четырех разновидностей с тем, чтобы дать основные черты и характеристики самого угля и летучей золы, производимой вследствие его сжигания на предприятиях энергетики США. Однако в связи с разработкой вновь открытых месторождений были обнаружены такие виды угля, которые, с одной стороны, подходят для ЭФ и тканевых фильтров, с другой - наоборот, затрудняют их действие. В результате сжигания углей с повышенным содержанием серы образуется зола, которая хорошо улавливается в ЭФ, что позволяет уменьшать габариты ЭФ и сокращать затраты. Вероятно, в этих районах наиболее целесообразно использование большего количества ЭФ, чем в других местах.
Летучую золу, образующуюся при сжигании угля, где образуется мало серы и натрия, трудно осаждать в ЭФ. Существующие тканевые фильтры хорошо справляются с улавливанием такой золы при умеренном падении давления в фильтре.
Для того чтобы правильно определить, какой тип золоуловителя подходит в конкретном случае, рекомендуется придерживаться следующего алгоритма [20]:
1. Установить, если это возможно, основной тип угля, который будет сжигаться в котельных на протяжении всего срока функционирования данной электростанции.
2. Определить характеристики твердых частиц летучей золы (концентрация, дисперсный состав, УЭС и другие характерные особенности).
3. Определить эффективность пылеуловителя, которая должна обеспечить требуемые санитарные нормы.
4. Установить требуемый размер ЭФ, выбрав соответствующую величину удельной площади осаждения с учетом фактора износа и непредвиденных расходов.
5. Установить требуемый размер фильтра (таким же образом).
6. Определить экономические статьи (капитальные затраты, эксплуатационные расходы, издержки на техническое обслуживание и текущий ремонт, текущую стоимость.
7. Выполнить выбор наиболее подходящего пылеуловителя с учетом его технических возможностей и наименьших экономических затрат согласно пунктам 1 -6.
Потери эффективности ЭФ к концу года могут быть компенсированы за счет дополнительных площадей улавливания, которые могут быть добавлены в дополнительном (шестом) поле и начинены электродами при необходимости дополнительной очистки [20].
Этот путь требует дополнительной производственной площади (что не всегда возможно) и существенно удорожает установку. Большие отношения потока газа к площади ткани, которые имеют место в процессе эксплуатации, могут способствовать повышению выбросов.
Однако, как правило, эффективность тканевых фильтров достаточно высока, и требования, установленные нормами, могут все равно соблюдаться даже при наличии перегрузки по газу. Отношение потока газа к площади фильтрующей ткани влияет больше на надежность фильтра, чем на величину выбросов пыли, так как это отношение сокращает продолжительность полезного срока службы тканевого фильтра.
5. Проблемы в современных ЭФ
Одной из проблем при выборе, расчете и эксплуатации ЭФ является задача достаточно точного определения удельного электрического сопротивления (УЭС) улавливаемой пыли. В настоящее время не существует общепринятой методики определения УЭС. Практически все существующие методики основаны на измерении электрического сопротивления проб пыли, отобранных из ЭФ. При этом возникают неточности, обусловленные сложностью отбора представительной пробы и созданием структуры слоя, существующей в слое пыли на электродах ЭФ. Эти и другие сложности исключают получение достоверных данных, что в свою очередь не позволяет выбирать правильные режимы питания полей и встряхивания электродов ЭФ.
В ЗАО «Кондор-Эко» в последнее время разработан способ измерения УЭС пыли непосредственно в ЭФ, заключающийся в измерении времени, за которое начинает происходить снижение тока короны с момента отключения встряхивания коронирующих электродов, с последующим расчетом УЭС по величине пылеемкос-ти коронирующих электродов. Этот способ позволяет получать уточненное значение УЭС пыли по полям, благодаря чему удается дополнительно снижать выбросы пыли из ЭФ с незначительными трудозатратами.
В настоящее время расчет, конструирование и выбор электрофильтров производят на базе экспоненциальной зависимости (формулы Дэйча) степени очистки газов от влияющих параметров. В соответствии с этой теоретической зависимостью увеличение межэлектродного расстояния в ЭФ приводит к снижению степени очистки газов. Однако проведенные исследования [25] и опыт эксплуатации ЭФ показывает, что формула Дэйча не учитывает изменение электрического поля при увеличении межэлектродного промежутка. На основании исследований на промышленных ЭФ в ЗАО «Кондор-Эко» разработан способ выбора рационального межэлектродного расстояния в зависимости от технологических условий работы ЭФ. Способ позволяет существенно снизить стоимость ЭФ при обеспечении санитарных норм выбросов пыли. При выборе новых ЭФ и реконструкции устаревших аппаратов нередко возникает необходимость определить наиболее целесообразную величину межэлектродного промежутка (Н0).
Целесообразность увеличения межэлектродного расстояния возрастает при увеличении высоты электродной системы, увеличении УЭС пыли и по мере снижения концентрации дисперсной фазы [28].
Очевидно, что окончательное решение о целесообразности увеличения или уменьшения межэлектродного расстояния принимается с учетом экономического аспекта ЭФ.
В соответствии с формулой Дэйча распределение уловленной пыли по длине электрофильтра происходит по экспоненте.
практика
Мул= ЕХР (-Ю/Н0У)
(1)
где: ю - скорость дрейфа;
х - длина активной зоны;
Н0 - расстояние между осадительными
и коронирующими электродами; V - скорость газов в активной зоне.
При этом получается, что максимальное количество пыли всегда улавливается на самом начальном участке и далее по экспоненте. Однако фактическое распределение уловленной пыли по длине ЭФ более точно описывается формулой
Мул= Кх ЕХР (- ю /HoV)
где: К - коэффициент, учитывающий свойства пыли.
Применение формулы (2) позволяет уточнить распределение массы пыли, расчетную степень очистки газов по полям ЭФ, режимы регенерации корониру-ющих и осадительных электродов с учетом их оптимальной пылеемкости [15] и, следовательно, повысить эксплуатационную степень очистки газов.
6. О выборе типоразмера ЭФ
Существует большое количество методик расчета степени очистки газов электрофильтрами [1, 22, 29, 31]. В ЗАО «Кондор-Эко» разработан способ расчета ЭФ нового поколения [25], в котором учтены все известные явления, связанные с зарядкой и осаждением частиц, а также вторичный унос, влияние неактивных зон и др. Эта методика позволяет осуществлять выбор ЭФ нового поколения.
Для ориентировочного расчета степени очистки газов и оценки влияния отдельных параметров на эффективность ЭФ разработана методика, в основу которой положена величина УЭС улавливаемой в ЭФ пыли (рис. 4). С помощью поправок на температуру, дисперсный состав и другие свойства газов, а также различные конструктивные параметры ЭФ производится учет их влияния на степень очистки газов ЭФ.
Очевидно, что для современных отечественных ЭФ четвертого поколения кривая на рис. 4 расположена выше.
В выбросах тепловых электростанций, работающих на угле, содержится большое количество золы. Так, для блока мощностью 300 мВт выбросы составляют до 30 т/ч. Поэтому в теплоэнергетике всегда уделялось большое внимание разработке газоочистных аппаратов. В настоящее время эта проблема остается актуальной.
Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных электрофильтров в СССР показывает, что их эффективность недостаточна. В настоящее время ужесточились требования к содержанию пыли в газах после очистки, увеличились объемы газов, нуждающихся в очистке. Так, например, допустимая весовая концентрация частиц в дымовых газах после очистки для энергоблоков 300 МВт, введенных в строй до 2000 г., должна составлять не более 100-400 мг/м 3, а для новых блоков не должна превышать 50 мг/м 3 В ближайшем будущем неизбежен переход на общеевропейские нормы -20 мг/м 3' Эти задачи не могут быть решены простым увеличением размеров электрофильтров, так как они уже не вписываются в межблочное пространство.
На основе новых разработок [25] сотрудники ЗАО «Кондор-Эко» в 2009 г. реконструировали физически и морально устаревший электрофильтр ЭГ3-4-177 Омской ТЭЦ-4 по типу аппарата нового поколения ЭГБМ2-48-12-6-4.
Для реконструкции ЭФ были использованы осади-тельные электроды типа ЭК0МК4*160 и коронирую-щие электроды типа СФ-1 [24]. Межэлектродное расстояние в соответствии с изложенными предпосылками было выбрано равным 350 мм.
В настоящее время реконструированный ЭФ находится в эксплуатации, обеспечивая степень очистки газов от трудноулавливаемой золы экибастузского угля 99,89%.
Представляет интерес сравнение работы отечественных ЭФ предыдущих поколений и зарубежных ЭФ с электрофильтрами последнего, четвертого поколения при улавливании золы экибастузско-го угля [28] (табл. 4). Из таблицы следует, что в ЭФ ЭГАВ2-52-12-6-4 и ЭГБМ2-48-12-6-4У скорость дрейфа возросла, а выбросы золы не превышают нормативных.
Рис. 4. Зависимость скорости дрейфа от УЭС пыли: 1- для ЭФ предыдущих поколений; 2- для ЭФ четвертого поколения.
Табл.4.
Результаты испытаний электрофильтров при улавливании золы экибастузского угля
Рефтинская ГРЭС Троицкая ГРЭС Новосибирская ТЭЦ-4 Омская ТЭЦ-5
Luk поставка ФРГ Lurgi поставка ГДР ЭГ3-5-265 поставка СЗГОА ЭГ3-4-265 + снижение температуры ЭГ3-4-265 поставка СЗГОА ЭГАВ2-52-12-6-4 поставка «Кондор-Эко» ЭГБМ-2-48--12-6-4У поставка «Кондор-Эко»
Активное сечение, м2 220 221,5 265 265 265 167,4 181,7
Высота электродов, м 12 12 12 12 12 12 12
Количество полей, шт. 4 3 5 5 4 4 4
Количество газовых проходов, шт. 60 65 90 90 90 52 48
Длина полей, м 2х3,6+2х4,8 4,55 4,0 4,0 4,0 3,84 3,84
Расстояние между электродами, 2Н0 мм 325 300 275 275 275 350 350
Площадь осаждения, Fос м2 24200 - 46113 36472 19169 17990
Осадительные электроды, тип С-образные CSA С-образные С-образные С-образные ЭКОМК-4х16 ЭКОМК-4х160
Коронирующие электроды,тип Ленточно-игольчатые «Изодин» Ленточно-игольчатые Ленточно-игольчатые Ленточно-игольчатые СФ-1 СФ-1
Габариты, м 23,5х19,7 х21,3 - 31,0x29,87 х21,75 24,8х29,87 х21,75 24,8x29,87 х21,75 19,6х23,6х 19,2 22,7х19,94 19,92
Объем очищаемых газов О , м3/ч 986272(ср) 899500 1512000 1287500 1491000 872640 482500
Температура на входе, уС 127(ср) 130 131 96 148 160 127
Запыленность на входе, Zвх г/нм3 48,2 54,5 47,6 48,0 47,2 41 71,4
Запыленность на выходе, Z , г/нм3 ' вых' 0,977 1,86 0,76 0,384 2,44 0,041 0,068
Степень очистки п, % 97,89 96,5 98,3 99,2 94,7 99,8 99,89
Скорость газов в активной зоне ЭФ, V м/с г, 1,245 1,19 1,58 1,35 1,58 1,00 0,783
Длина активной зоны, L м ' акт, 16,8 13,65 20,0 16,0 16,0 15,36 15,36
Время пребывания газов, т, с 13,5 11,5 12,66 11,9 10,1 145,4 20,81
Мощность блока, К, МВт 300 300 500 500 500 150 150
Скорость дрейфа, ю ,, см/с эф' 4,3 4,15 4,4 5,6 4,0 7,2 5,08
У реконструированного ЭФ Омской ТЭЦ-5 при входной запыленности 71,4 г/м 3 выходная запыленность составила 0,068 г/м 3. Такая величина выходной запыленности получена для улавливания золы экибастузского угля при реконструкции электрофильтра в старом корпусе впервые.
Кроме электродной системы ЭФ нового поколения, новой перспективной системы регулирования питающего напряжения, частотного регулирования электроприводов встряхивающих механизмов, важную роль в снижении выбросов золы играет и обоснованный выбор межэлектродного расстояния.
В ЭФ ЭГБМ2-48-12-6-4 в соответствии с расчетами было выбрано увеличенное межэлектродное расстояние. При этом для рационального размещения оборудования в ЭФ поперечное сечение аппарата пришлось уменьшить на 8,4 м 2.
Реконструкция электрофильтра ЭГ3-4-177 Омской ТЭЦ-5 по типу аппарата нового (четвертого) поколения включала:
- коронирующие электроды, начиненные элементами СФ-1 с пониженным напряжением зажигания короны и, следовательно с более интенсивным коронным разрядом;
- осадительные электроды типа ЭКОМК4х160х4, имеющие повышенную точность изготовления, что способствует поддержанию более высокого пробивного напряжения в межэлектродном промежутке;
- измененный подвес и систему встряхивания корони-рующих электродов, что позволяет почти в два раза снизить величину неактивных зон;
- высоковольтные агрегаты питания ЭФ с микропроцессорной системой управления, позволяющие поддерживать повышенное среднее рабочее напряжение на ЭФ;
- частотные преобразователи электродвигателей приводов встряхивания, позволяющие реализовать оптимальные режимы встряхивания электродов ЭФ.
Комплексное применение указанных мер уже сейчас позволяет решить проблему улавливания золы с неблагоприятными для улавливания физико-химическими свойствами.
заключение
В настоящее время преимущественная область применения однозонных электрофильтров - это очистка больших объемов газов. Но ЭФ находят применение и для очистки относительно небольших объемов газов (выхлопные газы дизелей, газы при плазменной резке металлов). Эксперименты, выполненные в ЗАО «Кондор-Эко», показали принципиальную возможность очистки выхлопных газов карбюраторных двигателей от твердых и газообразных компонентов при температуре газов ниже точки росы.
Сравнение электрофильтров с матерчатыми фильтрами показывает, что ЭФ нового поколения при очистке газов от ТЭС обеспечивают выходную запыленность 20-60 мг/м 3, что близко к выходной запыленности матерчатых фильтров.
Эффективность ЭФ последнего поколения может быть повышена еще больше.
В будущем можно предположить следующие направления повышения эффективности электрофильтров:
- самоцентрующиеся электроды;
- оптимизация величины встряхивающего импульса,
- чередование встряхивающих импульсов различной величины;
- импульсное и знакопеременное питание током высокого напряжения;
- самонастраивающиеся газораспределительные решетки;
- сочетание поля импульсного коронного разряда с электростатическим;
- применение наряду с электрическими полями электромагнитных и магнитных полей.
Реализация этих и других возможных направлений повышения эффективности ЭФ позволит успешно решать задачу обеспечения требуемой чистоты атмосферного воздуха в районе промышленных предприятий.
Аитература
1. Алиев Г. М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
2. Зайцев М. М., Макаров А. И. Основные параметры схемы расчета аспирационных установок цементных мельниц // Труды НИИЦЕ-МЕНТа. Вып. 3. - Промстройиздат, 1950.
3. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. Научный и социальный подход к решению глобальных проблем. (Берналовская лекция, прочитанная в Лондонском Королевском обществе, 1976 г.). - М.: Наука, 1981. -С. 445-446.
4. Кондор-Эко // Экологическая газета. - 2007. - № 1. (http: // www.kondor-eco. rn/download/kondorEcolog1.pdf)
5. Левитов в. И. Дымовые электрофильтры. - М.: Энергия. 1980. - 448 с.
6. Макаров А. И. О расчетах и эксплуатации рукавных фильтров цементных мельниц // Цемент. - 1950. - № 5. - С. 30-32.
7. Мутушев М. А., Санаев Ю. И. Снижение токсичности отработавших газов дизелей с помощью электрофильтров // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. -№ 2. - С. 34-34.
8. Специальный выпуск № 83 Института черной металлургии Англии. Перевод с английского. - М.: Металлургия, 1968. - 320 с.
9. Решидов И. К., Мальгин А. Д., Махин в. П. Ленточный элемент коронирующего электрода. А. С. СССР 204323 // Промышленные образцы. Товарные знаки. - 1967. - № 22.
10. Санаев Ю. И., Решидов И. К. Исследование вторичного уноса пыли и его влияние на эффективность промышленных электро-
фильтров // Промышленная и санитарная очистка газов. - М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1974. - № 1. - С. 1-5.
11. Санаев Ю. И., шварцЛ.З. Номограмма для определения интервалов встряхивания осадительных электродов электрофильтров // Информационный лист ЦИНТИ № 257-74. - Ярославль, 1974. - 5 с.
12. Санаев Ю. И., Решидов И. К. Влияние некоторых составляющих выбросов пыли из электрофильтров на их эффективность // Очистка воздуха в системах вентиляции и кондиционирования/ред. П. А. Коу-зов. - Л., 1979. - С. 41-45.
13. Санаев Ю. И. Электрофильтры: монтаж, наладка, эксплуатация // ЦИНТИ Химнефтемаш. Обзорная информация. - М., 1984. - 22 с.
14. Санаев Ю. И., Голосов М. А. Исследование очистки выхлопных газов дизелей // Промышленная и санитарная очистка газов. - № 2. - М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1985. - С. 10.
15. Санаев Ю. И. Методы повышения эффективности работы электрофильтров // ЦИНТИ Химнефтемаш. Обзорная информация. - М., 1986. - С. 22.
16. Санаев Ю. И. Малогабаритные электрофильтры для очистки газов, выпускаемые ОАО «СФНИИОГАЗ» // Научно-практическая конференция «Актуальные проблемы экологии Ярославской области». - Ярославль, 2002. - С. 141-145.
17. Санаев Ю. И. Повышение эффективности электрофильтров при улавливании высокоомной пыли // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. - № 9. -С. 38-39.
18. Санаев Ю. И. Выбор типоразмера электрофильтра по параметрам аналоговой установки // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 5. - С. 35-36.
19. Сатарин в. И., Перли С. Б. Движение и обеспыливание газов в цементном производстве. - М., 1960. - 309 с.
20. Стенби Э. У, шек Р. У., Северсон С. Д. и др. Сравнение тканевых фильтров с электростатическими осадителями. - 1981. - 46 с.
21. Страус В. Циклонный сепаратор Aust. Pat. № 403736, 1970.
22. Страус В. Промышленная очистка газов. Перевод Ю. Я. Косого. - М.: Химия, 1981. - 616 с.
23. Тарат Э.Я. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений. - М.: Химия, 1979. - 208 с.
24. Чекалов Л. В. Каталог пылеулавливающего оборудования. Электрофильтры. Электротехническое оборудование. Фильтры матерчатые (рукавные). Циклоны. Мокрые аппараты. Реконструкция газоочистного оборудования. - Ярославль.: Кондор-Эко,
2006. - 240 с.
25. Чекалов Л. В. Научные основы создания электрогазоочистки нового поколения. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М.: МЭИ,
2007. - 39 с.
26. Чекалов Л. В., Санаев Ю. И. Патент на изобретение. Волновой электрофильтр. № 2371254.
27. Чекалов Л. В., Ткаченко В. М., Громов Ю. И. Высокоэффективный комбинированный электрофильтр // Электрические станции. - 2006. - № 5. - С. 51-56.
28. Чекалов Л В., Санаев Ю. И. Реконструкция электрофильтра на Омской ТЭЦ-5 и выбор межэлектродного расстояния в электрофильтрах // Электрические станции. - 2011. -№ 1. - С. 19-23.
29. Ужов В. Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. - М.: Химия, 1967. - 344 с.
30. Sanaev Yu. I. Improved electrical filter perfomance in trapping high-resistant dust // Chemical and Petroleum Engineering. -September 2005. - Vol. 41, No. 910.
31. Turner J. H., Lawless Ph. A., Yamamoto D. W. Particulate Matter Controls. Electrostatic Precipitators. EPA/452/B-02-001, September 1999. - P. 1-60.
