Физические основы работы электрофильтров

При пропускании запыленного газового потока через сильное электрическое поле частицы пыли получают электрический заряд, ускорение, заставляющее их двигаться вдоль силовых линий с последующим осаждением на электродах. Вследствие того что силы, вызывающие осаждение частиц пыли, приложены только к этим частицам, а не ко всему объему газа, расход энергии при электрической очистке значительно ниже, чем в большинстве пылеулавливающих аппаратов. При подаче напряжения на обкладки плоского конденсатора в цепи возникает незначительная сила тока, которая с повышением напряжения сначала немного увеличивается, а затем сохраняет постоянное значение, называемое током насыщения. Это объясняется тем, что при постоянном уровне ионизации газа в движение приходят все имеющиеся в газовом промежутке ионы. При некотором критическом значении приложенного напряжения кинетическая энергия всех движущихся ионов достигает такой величины, что они при столкновении с нейтральными молекулами расщепляют последние на положительные и отрицательные ионы. Образовавшиеся молекулы ускоряются электрическим полем и, в свою очередь, ионизируют новые молекулы газа. Этот процесс, как известно, приобретает цепной характер и называется ударной ионизацией. Благодаря равномерности электрического поля между обкладками конденсатора ударная ионизация протекает равномерно во всех точках межэлектродного промежутка, и сила тока мгновенно возрастает — наступает искровой разряд. Поэтому для осуществления ударной ионизации без пробоя межэлектродного промежутка необходима организация ударной ионизации в неоднородном электрическом поле.

При подаче напряжения на обкладки цилиндрического конденсатора напряженность поля вблизи центрального электрода будет значительно больше, чем у внешнего. По мере удаления от центрального электрода напряженность сначала уменьшается очень быстро, а затем медленнее. По мере роста напряжения область ударной ионизации расширяется, и сила тока, проходящего через межэлектродный промежуток, повышается.

Этот участок (1—2) диаграммы (рисунок 2) соответствует так называемому коронному разряду, при котором генерация ионов достаточна для зарядки пылевых частиц при отсутствии пробоя межэлектродного промежутка. При дальнейшем повышении напряжения область коронного разряда настолько увеличивается, что происходит искровой разряд (пробой).

Во внутренней зоне коронного разряда в равном количестве образуются положительные и отрицательные ионы. Так как объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутренней зоны, то основная масса частиц пыли получает отрицательный заряд. Этим обусловлено осаждение основной массы пыли на положительном, осадительном электроде. Лишь небольшая часть частиц осаждается на отрицательном коронирующем электроде.

На процесс осаждения частиц в электрофильтрах влияют многочисленные факторы: проводимость и размер частиц; параметры газа и взвешенных частиц (скорость, температура и влажность); состояние поверхности электрода; конструктивные характеристики аппаратов; режимы эксплуатации и ряд других.

Рис. 2. Зависимость силы тока коронного разряда от величины

приложенного напряжения и некоторые другие факторы

Важное влияние на процесс осаждения пыли на электродах оказывает электрическое сопротивление слоев уловленной пыли. По величине удельного сопротивления улавливаемые частицы пыли можно разделить на три группы:

1) пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (<10⁴ Ом·см), которые при соприкосновении с электродом мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возникает сила отталкивания. Это служит причиной вторичного уноса низкоомных частиц, даже успевших осесть на электрод. Противодействует этой силе только сила адгезии и, если она оказывается недостаточной, то вторичный унос резко возрастает и снижается эффективность процесса очистки;

2) пыли с удельным электрическим сопротивлением 10⁴–10¹⁰ Ом·см хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании;

3) пыли с высоким удельным электрическим сопротивлением более 10¹⁰ Ом·см труднее всего улавливаются в электрофильтрах. Оседая на электроды, они сохраняют свой заряд в течение длительного времени и образуют вблизи электрода противоположно заряженный экранирующий слой. Толщина его неодинакова в различных точках и неоднородность электрического поля вблизи электрода возрастает. По месту наиболее слабой изоляции напряженность поля становится максимальной. Это способствует образованию короны с противоположным знаком («обратной короны»), резко ухудшающей работу электрофильтра.

В реальных условиях снижение удельного электрического сопротивления пыли можно осуществить увлажнением запыленного газа.

Определенное влияние на степень осаждения частиц оказывают их концентрация и дисперсный состав. На входе в электрофильтр частицы могут иметь собственный электростатический заряд, который при их большом количестве (т. е. при высокой счетной концентрации) может заметно влиять на параметры осаждения частиц, снижая напряженность электрического поля в аппарате вплоть до запирания короны.

Скорость дрейфа частиц в электрическом поле в значительной мере зависит от размеров частиц. Эта зависимость имеет сложный характер ввиду различия механизмов, вызывающих движение частиц разных размеров. Считается, что в диапазоне размеров менее 0,1–0,3 мкм скорость перемещения частиц в электрическом поле уменьшается с их укрупнением, в диапазоне 0,3–20 мкм – увеличивается с ростом диаметра и затем вновь несколько снижается.

Из параметров газового потока наибольшее влияние на осаждение оказывают влажность и температура. Со снижением температуры уменьшается вязкость газов, вследствие чего они оказывают меньшее сопротивление перемещению взвешенной частицы к электроду. С понижением температуры растет устойчивость коронного разряда, что позволяет работать при более высокой напряженности электрического поля. Кроме того, с охлаждением обрабатываемого потока растет его относительная влажность, что ведет к понижению УЭС частиц вследствие их увлажнения.

Очень важным фактором, связанным практически со всем процессом электроосаждения, является скорость газового потока. От нее непосредственно зависят время пребывания частиц в аппарате и его габариты. При скоростях потока более 1–1,5 м/с резко растет вторичный унос пыли с электродов. Очень важно в связи с этим обеспечить равномерное распределение потока по сечению аппарата с тем, чтоб локальные скорости в межэлектродных промежутках ненамного отличались от средней скорости.

Определенное влияние на эффективность обработки газов оказывают конструктивные особенности тех или иных типов электрофильтров. Одним из важнейших условий эффективной работы электрофильтра является наличие неоднородного электрического поля, обеспечиваемого оптимальной конструкцией и качеством монтажа систем электродов.