Розділ 4  ЕЛЕКТРИЧНЕ ОЧИЩЕННЯ ГАЗІВ

 

Електричне очищення – один з найдосконаліших видів очищен­ня газів від завислих частинок пилу і туману. Апарати для очищення газів під дією електричних сил називаються електричними фільтрами.

 

Гази, які очищаються, пропускають через неоднорідне електричне поле, що утворюється між коронувальним 4 і осаджувальним 1 електро­дами (рис. 4.1). Коронувальні електроди ізольовані від землі  й до них під­во­диться випрямлений струм негативної полярності напругою 50...80 кВ; осаджувальні електроди заземлені й підключені до позитивного полюсу. Як осаджувальні електроди використовуються циліндричні чи шести­гранні труби і профільовані пластини. Корону вальні електроди часто викону­ються у вигляді тонкої проволоки. Під дією електричного поля, яке вини­кає між електродами, вільні електрони і позитивно заряджені молекули по­чи­нають переміщуватися за направленням силових ліній поля.

 


Рисунок 4.1 –  Принцип роботи електрофільтра:
1 –  осаджувальний електрод; 2 –  електричне поле;   3 –  заряджена зона; 4 –  коронувальний електрод; 5 шар осівшого пилу


Направлення руху кожного заряду визначається його знаком, а шви­дкість руху –  нап­руженістю поля; чим вища напруженість, тим більше прискорення одер­жують іони і електрони. При достатньо високій швидко­сті іони і елект­рони, зіткнувшись з нейтральними газовими молекулами, іонізують їх, тобто вибивають з них частину зовнішніх   електронів. Знову створені електрони, в свою чергу, також іонізують молекули газу. Такий процес прийнято називати   ударною   іонізацією. Найін­тенсивніше ударна іонізація проходить біля поверхні коронувального елект­рода, до якого під­ведена напруга. Напруженість поля , В/м, на відстані x метрів від осі коронувального електрода визначається з фор­мули, виведеної на основі тео­реми Остроградського-Гауса:

,                                   (4.1)

де   –  напруга, прикладена до електродів, В;
          –  радіуси коронувального і осаджувального електродів, м.
З формули (4.1) витікає, що з віддаленням від коронувального прово­ду напруженість поля падає. Розряд зі змінною напруженістю прийнято нази­вати коронним. Напруга, при якій виникає коронний розряд, називається критичною. Зміну сили струму і напруги при коронному роз­ряді наведено на рис. 4.2.

 

Рисунок 4.2 – Зміна сили струму зі збільшенням напруги
 в електрофі­льтрі
Періоди: І – початкова іоніза­ція газу; II – насичення; III –  коронування; ІV – дуго­вий електричний розряд
Зовнішній вияв коронного розряду –  помітне в темноті слабке бла-китно-фіолетове світіння кругом коронувального проводу. Критичну нап­руже­ність електричного поля, при якій виникає корона, для повітря визначають за формулою Піка (В/м):

,                          (4.2)

де    –  відношення густини повітря в робочих і стандартних умовах:

,                   (4.3)
тут  – барометричний тиск, кПа;
         –  розрідження чи надмірний тиск, кПа; 
        t  –  температура газів, °С.
 При значному збільшенні напруги більше критичної електрична міц­ність газового проміжку може бути порушена іскровим чи дуговим елект­ричним розрядом. Зовнішній вияв дугового розряду –  збільшення спожи­вання струму (див. рис. 4.2). На інтенсивність коронування великий вплив справляє хімічний склад газу. Наявність сірчаного ангідриду, водяного пару, двоокису вуглецю збільшує робочу зону коронного розря­ду. При но­рмальних умовах напруженість поля складає для повітря 35,5 кВ/см, для дво­окису вуглецю – 26,2 кВ/см, для азоту – 38 кВ/см.

 

Процес електричного вловлювання частинок в електрофільтрі можна розділити на три стадії:
-  зарядку завислих частинок;
-  рух заряджених части­нок до електродів;
-  осадження заряджених части­нок на електродах.


 Зарядка в електричному полі корони завислих в газі частинок проходить внаслідок адсорбції іонів поверхнею завислих частинок. Частинки розміром більше 1 мкм заряджа­ються, головним чином, іонами, які рухаються під дією сил електричного поля, а частинки значно менші    1 мкм (практично мен­ше 0,2 мкм) заряджа­ються в основному іонами, які приймають участь у дифузійному процесі (тепловому русі газових молекул).
Для частинок з діаметром d = 0,2...0,5 мкм ефективні обидва механізми. Зі збільшенням заряду частинки відштовхувальна сила між нею і однойменно зарядженими іонами росте, доки заряд на частинці не до­сягне максималь­ного. Максимальне значення заряду частинок qмакс, Кл, з  d >1 мкм, при якій припиняється процес зарядки, може бути під­рахована за формулою Потенье:
,                                       (4.4)
де   n – число елементарних зарядів на частинці;
      e  = 1,6•10-19 Кл – значення заряду електрона;
       = 8,85 • 10-12 Ф/м – діелектрична проникність вакууму;
      EЗ – напруженість електричного поля коронного розряду в зоні зна­ход­ження частинки, В/м;
      d  – діаметр частинки, мкм;
 – показник діелектричних властивостей частинок (в середньому мо­жна прийняти для провідних частинок  = 3, для діелектричних   = 1,2).
В звичайних умовах коронного розряду швидкість зарядки частинок достатньо велика: приблизно за 0,1 с частинка набуває 90% максимального заряду.

 

Для частинок з d < 0,2 мкм при умовах, які зустрічаються в практиці (t = 150...400°С) максимальна величина заряду qмакс, Кл, знаходиться за форму­лою:
,                                    (4.5)

 

Таким чином, виявляється, що максимальна величина заряду части­нок з d > 1 мкм пропорційна квадрату діаметра частинки, а з d <  0,2 мкм – діа­метру.

 

Внаслідок одночасного осаджування багатьох частинок на поверхню осаджувального електрода на ньому утворюється шар пилу, який перезаря­джається, тобто набуває протилежного знаку однакового зі знаком заряду осаджувального електрода. Час перезарядки залежить від опору пилу. Залежно від пито­мого опору  шару пилу, який осів на електроді при вловлюванні в електрофільтрі, пил поділяють на три групи.
Перша група – з малим питомим електричним опором (до 102 Ом•м). Час розрядки такого шару надто малий. Частинки, як тільки торкаються поверхні електрода, майже миттю перезаряджаються, внаслідок чого мо­жуть відштовхуватися від електрода, знову попасти в газовий потік і бути винесеними з електрофільтра.
Друга група – з середнім питомим опором (102...108 Ом•м). Пил легко осаджується на електродах і легко видаляється з них при струшу­ванні.
Третя група – з високим питомим опором (>108 Ом•м). Цей пил най- важче вловлюється в електрофільтрах, тому що на електродах частинки розряджаються повільно, що  значно  перешкоджає осад­женню но­вих частинок. Крім того, пил третьої групи важко видаляти з поверхні еле­ктродів струшувальними механізмами, що ще більше ускладнює роботу електрофільтрів.