CC BY
155
УДК 669. 074. 001. 8
А. А .Гейзер, В. ШПоботов
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ В ЭЛЕКТРОФИЛЬТРАХ И ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Защита окружающей среды от вредных выбросов в XX веке стала одной из острейших проблем современности. Загрязнение земной атмосферы и мирового океана уже сейчас угрожает существованию растительной и животной жизни.
На долю предприятий черной и цветной металлургии приходится около 20 - 25 % общих вредных выбросов в атмосферу, а в районах расположения крупных металлургических заводов и комбинатов - более 50 % всего количества загрязнений [1].
При производстве разнообразных продуктов в результате механических, термических и химических процессов образуются отходящие промышленные газы, содержащие взвешенные частицы. Газы, содержащие взвешенные частицы, относятся к аэродисперсным системам [2,3].
По способу очистки существующие пылеулавливатели делят на группы сухой, мокрой и электроочистки.
Для сепарации частиц пыли из газового потока в сухих аппарата используют инерционные принципы или принципы фильтрации.
В мокрых аппаратах это достигается промывкой запыленного газа жидкостью или осаждением частиц пыли на жидкостную пленку.
В электрофильтрах осаждение происходит в результате сообщений частицам пыли электрического заряда.
Эффективность пылеуловителя определяют на основании замера
концентрации пыли в газе до пылеуловителя (Z¡) и после него (Z2) J
V7 - V7 V7 •
■ 7= 1 1 22 = 1-^, (Di
VA j
где 7] - коэффициент очистки; j
Vl,V2 - расхода газа на входе в пылеуловитель и выходе из него,]
отличающиеся на величину присоса воздуха в пылеуловителе [3,4].
Среди вышеперечисленных способов очистки газов исходя из практики эксплуатации пылеулавливающих аппаратов, электрический является наиболее эффективным, а электрофильтр - наиболее универсальным аппаратом из всех известных аппаратов, созданных для извлечения аэрозолей из воздуха и газов. Электрическая очистка газов имеет следующие основные особенности:
1. В зависимости от конкретных условий и требований можно сконструировать электрофильтры на любую степень очистки газов (до 99 % и даже; 99,9 %) и на широкий диапазон производительности - от нескольких;
М3 /час до нескольких миллионов А/3/час.
2. Электрофильтры обладают наименьшим гидравлическим сопротивлением из всего известного оборудования для очистки газов. В некоторых электрофильтрах перепад между давлением во входном и выходном газоходах равен 5 - 16 мм. вод. столба.
3. Электрофильтры конструируются для работы как при атмосферном давлении, так и при давлениях выше и ниже атмосферного.
4. Концентрация взвешенных частиц в очищаемых газах может колебаться от
долей г/ Мг газа до 50 г/ Мъ и более, а их температура может достигать 5005
0 С и выше. Очистка газов может быть как сухой, так и мокрой.
5. Электрофильтры улавливают частицы размером от 100 до 0,01 мк.
/
6. Электрофильтры могут выполнятся из материалов стойких к кислотам, щелочам и другим агрессивным веществам.
7. Процесс очистки газов в электрофильтрах может быть полностью автоматизирован.
8. Расход электроэнергии на очистку газов обычно меньше, чем при применении газоочистных аппаратов других типов [4,5].
Однако электрофильтрам присущи и недостатки, которые стоят как проблемные в деле совершенствования этого способа очистки [6,7]:
1. В электрофильтрах могут осаждаться только вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, т. е. в виде пыли или тумана, но с помощью электрофильтра нельзя отделить один газ от другого или от пара без предварительной конденсации этого пара в возгон или туман, или без применения предварительной химической реакции.
2. Некоторые продукты обладают такими физико - химическими свойствами, которые исключают возможность эффективного улавливания взвешенных частиц этих продуктов в электрофильтрах.
Например, активная сажа, легкая по весу с очень малым удельным
2 * ^ электрическим сопротивлением (до 10 Ом.м), частицы легко заряжаются и
осаждаются, но так как'они очень электропроводаы, то после соприкосновения
с осадительным электродом теряют электрический заряд и, в результате, не пристают к осадительной поверхности, а перезаряжаются, отталкиваются от нее и увлекаются газовым потоком, выходящим из электрофильтра.
Другим примером плохо улавливаемой пыли может служить возгон окиси цинка, также очень дисперсный, но обладающий наоборот высоким
удельным электрическим сопротивлением (более 108 Ом.м).
Слой пыли этой группы на осадительном электроде действует как изолятор. Электрические заряды, поступающие непрерывно с оседающей пылью, не отводятся на осадительный электрод, а создают напряжение на слое осевшей пыли, что приводит к нарушению нормальной работы электрофильтра. Это проявляется двояким образом:
• Если слой пыли формируется на электроде равномерно и не имеет пор,
возникшее на нем напряжение —Уе снижает напряжение коронного разряда - V. Внешним признаком этого процесса является значительное снижение тока, потребляемого электрофильтром при нормальном напряжении и резкое ухудшение эффективности очистки. Для устранения этого явления казалось бы достаточно повысить напряжение на электродах и компенсировать падение напряжения в слое. Но этого сделать нельзя, поскольку величина пробивного напряжения в электрофильтрах сохраняется почти на неизменном уровне, независимо от чистоты электродов и повышение напряжения приводит к образованию дуговых разрядов.
• Если слой пыли на электроде имеет поры, то при достаточном напряжении в
порах пылевого слоя, заполненных газом, произойдет электрический пробой. Это явление получило название обратной короны, сопровождается выделением положительных ионов, движущихся по направлению к коронирующим электродам с частичной нейтрализацией отрицательного заряда частиц пыли и уносом пыли с осадительных электродов. Одновременно положительные ионы, выделяемые осадительными электродами, преобразуют электрическое поле между электродами электрофильтра в поле, аналогичное полю между двумя остриями. Известно, что такое поле легко пробивается при невысоком напряжении. Поэтому на электрофильтре невозможно поддерживать напряжение, необходимое для эффективной очистки газов. Внешним признаком появления обратной короны служит значительное увеличение потребляемого тока при сниженном приложенном напряжении [ 4,7].
Пыли этой группы очень трудно удаляются с поверхности электродов существующими встряхивающими механизмами очистки электродов от пыли,
что еще больше осложняет работу электрофильтров. На практике установлено, что в электрофильтрах, работающих при обратной короне, на осадительных электродах может образоваться плотный и прочный изолирующий слой, покрывающий поверхность электрода, Этот слой не поддается удалению и нарушает работу электрофильтра. Причиной такого явления служат электрические разряды в слое пыли при возникновении обратной короны с образованием окиси азота и озона, которые вступая в химические соединения с веществами, содержащимися в газах, образуют твердой слой на электродах.
Для удаления с электродов уловленного продукта (если он не стекает самотеком) в мокрых электрофильтрах используются брызгальники и форсунки, с помощью которых периодически или непрерывно промыкается поверхность электродов.
В сухих электрофильтрах для удаления с электродов уловленного продукта применяют различные механизмы встряхивания:
1. Пружинно - кулачковый механизм встряхивания осадительных электродов.
2. Ударно - молотковый механизм встряхивания электродов.
3. Магнитно - импульсный механизм встряхивания осадительных и коронирующих электродов.
К недостаткам вышеперечисленных методов очистки электродов встряхиванием относятся:
- ускоренный усталостный износ конструкций электрофильтров;
- при встряхивании пыли с осадительных электродов часть ныли, попадая в газовый поток, уносится этим потоком, снижая эффективность работы пылеуловителя [5, 7].
Известны многочисленные попытки использования других способов удаления пыли с электродов в электрофильтрах: воздействием струй сжатого воздуха; очисткой скребками и щетками поверхности электродов с помощью вибрационных механизмов. Все указанные способы, не обеспечивая эффективности очистки электродов, усложняют конструкцию электрофильтра и снижают надежность его работы [5].
Поэтому очевидно, что для повышения эффективности очистки промышленных газов в электрофильтрах, повышения стабильности их работы необходимо, помимо подготовки промышленных газов путем изменения технологических параметров для достижения соответствия их оптимальным характеристикам электрофильтров, поддерживать поверхность осадительных электродов в состоянии не снижающем качество очистки в зависимости от удельного электрического сопротивления взвешенных частиц. Для чего необходимо иное принципиальное решение удаления с поверхности осадительных электродов уловленного продукта [5, 6, 8].
Таким принципиальным решением может быть очистка промышленных газов в скрещенных электромагнитных полях [8]. Эти аппараты должны быть двухзонными, в которых зарядка и осаждение частиц происходит в двух конструктивных зонах : в первой располагается ионизатор. Он предназначен для создания коронного разряда и выполняется с таким расчетом , чтобы находящаяся в газах пыль успела зарядится , но не осесть. Зарядившиеся частицы вносятся с потоком газов в переменное электромагнитное поле сформированное в осадительной камере.
Поверхность осадительных электродов находится в магнитном поле с напряженностью Н (в А/м) за счет протекания тока по осадительным
электродам и пластинам , расположенным с наружной стороны осадительной камеры одна за другой и параллельные газовому потоку [9]. Различные схемные решения позволяют формировать в рабочем объеме пылеуловителя разнообразные по форме импульсы напряжения и тока, создающие скрещенные электромагнитные поля - переменные по току и напряжению, однополярные по току и напряжению и т.д. В зависимости от рода улавливаемых частиц возможно формирование наиболее оптимальной формы импульсов напряжения и тока электромагнитного поля при которой будет наблюдаться наивысшая эффективность пылеулавливания.
Здесь необходимо заметить, что при наложении магнитного поля на рабочую камеру пылеуловителя, в последней будет наблюдаться иная динамика движения улавливаемых частиц нежели в классическом электрофильтре. Это связано с тем, что на движущиеся в магнитном поле частицы, будет действовать сила Лоренца которая заворачивает их вокруг силовых линий магнитного поля. Радиус движения частц Я, как известно, в этом случае может быть под считан по формуле
\
„ тГ
где т- масса движущейся частицы;.
V- её скорость;
Я- заряд частицы;
В- индукция мапштного поля в котором движется частица., '
Как видно из приведенной формулы (2), этот радиус зависит от индукции магнитного поля в месте их нахождения и будет уменьшаться при подаете к осадительному электроду, так как вблизи него, согласно закона Био - Савара -Лапласа, резко возрастает индукция магнитного поля [12]. В связи с этим траектория движения частиц пыли не направлена нормально к поверхности осадительного электрода, как это имеет место в электрофильтрах, а она имеет касательную составляющую к нему. Благодаря такой траектории, вывод частиц из пылегазового потока, с точки зрения очистки осадительного электрода от уловленной пыли, более предпочтителен, так как это способствует их самоочистке.
Помимо отмеченной выше особенности поведения заряженных частиц в электромагнитном поле имеется еще одна, способствующая очистке осадительного электрода от уловленной пыли. Она заключается в следующем. Если твердая частица, не имеющая природных магнитных свойств, но получившая электрический заряд, окажется на поверхности осадительного электрода в магнитном поле с напряженностью Н, то она до потери электрического заряда будет подвержена действию силы магнитного поля Е., направленной под прямым углом к силовым линиям электрического поля осадительных электродов и в направлении, противоположном газовому потоку. Наличие этой силы обусловлено разрядкой частиц на осадительный электрод в результате чего она и возникает. При вводе в магнитное поле частиц, имеющих
удельное электрическое сопротивление до 102 Ом.м, теряющих заряд на
осадительном электроде, в процессе перезарядки увлекаются магнитным полем в выше указанном направлении.
При конструировании пылеуловителя, принцип работы которой основан на использовании скрещенных электромагнитных полей, очевидно следует учесть еще одно обстоятельство благоприятно влияющее на очистку осадительных электродов от уловленной пыли - это на наличие пондеромоторных сил действующих на эти электроды. Так как в таком пылеуловителе по осадительным электродам протекает импульсный электрический ток, то в различные моменты времени они будут либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга вызывая механическую вибрацию. Постоянная вибрация с определенной частотой будет способствовать стряхиванию уловленной пыли с осадительных электродов.
Эксперименты, проведенные на макете пылеуловителя, подтвердили его работоспособность, однако для дальнейших детальных исследований необходима более совершенная установка сконструированная так, чтобы её параметры соответствовали требованиям вывода частиц пыли из пылегазового потока, очистки осадительных электродов от уловленной пыли и т. д. Учет этих многообразных условий может быть осуществлен путем моделирования процесса пылеулавливания на ЭВМ, на основании которого можно
сформулировать требования к конструктивным параметрам пылеуловителя. Очевидно что результаты этого моделирования могут быть в дальнейшем использованы для программного управления процессом пылеулавливания при эксплуатации пылеуловителя на производстве.
Анализируя вышеизложенное можно сделать следующие выводы: что используя скрещенные электромагнитные поля, в осадительной камере пылеуловителя, могут быть устранены недостатки в работе электрофильтров, с сохранением его достоинств, по улавливанию твердых частиц с удельным
электрическим сопротивлением до 102 Ом.миболее 108 Ом.м , атакже может | быть решен вопрос поддержания осадительного электрода в рабочаг|
состоянии, исключается необходимость во встряхивающих элементах, повышается качество очистки промышленных газов, имеется реальная возможность автоматизировать процесс очистки с программным управлением
[8,9,11].
Перечень ссылок
1. Старк С. Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. - М.: Металлургия,
1977. - 320 с.
2. Грин X, В.Лейн. Аэрозоль - пыли, дымы и туманы. - Л.: Химия, 1969. - 420 с.
3. Фукс H. Н. Механика аэрозолей. - М : Издательство АН СССР, 1955. - 352 с.
4. Основыэлектрогазодинамики дисперсных систем. /Верещагин И.П.,
ЛевитовВ.И., Мирзобекян Г.З., Пашин М.И. -М.: Энергия, 1974. - 479 с,
5. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. -М.: Химия, 1967. -■ 340 с.
6. УжовВ.Н., Вальдберг А.Ю. Подготовка промышленных газов к очистке. -М.: Химия,
1975.-214 с.
7. Гордон Г.М., ПейсаховИ.Л. Пылеулавливание и очистка газов в цветной
металлургии. - М.: Металлургия, 1977. - 454 с.
8. Капустин Е.А. и др. Очистка водного и воздушного бассейнов на предприятиях
черной металлургии-М.: Металлургия, 1972. - 240 с.
9. A.C. 1465114 СССР, МКИ3 В 03 С 3/00 Устройство электропитания пылеуловителя.
Автор Гейзер А.А.
10. ГоворковВ.А. Электрические и магнитные поля. -М.: Энергия, 1968. - 487 с.
11. Демирчан К. С. Моделирование магнитных полей.- Л.: Энергия, 1974. - 285 с.
12. Никольский В. В. Теория электромагнитного поля. - М.: Высшая школа, 1964. - 384 с.
