Электрофильтрационная очистка газов. Расчет электрофильтра

Практическая работа № 10

Электрофильтрационная очистка газов. Расчет электрофильтра

Цель работы: ознакомление обучающихся с основами электрофильтрационной очистки газов, освоение методики расчета электрофильтра и приобретение навыков расчета электрофильтра.

Задание:

1. Ознакомиться с теоретическим материалом по теме занятия.

2. Изучить методику расчета электрофильтра. Разобрать пример расчета электрофильтра.

3. Выполнить расчет электрофильтра в соответствии с выданным вариантом.

4. Ответить на контрольные вопросы для самопроверки в письменной форме.

Теоретические сведения

Электрофильтр – п ылеуловитель, в котором отделение взвешенных частиц от газа происходит под действием электрических сил посредством сообщения частицам электрического заряда в зоне коронного разряда с последующим осаждением заряженных частиц в электрическом поле на поверхности электродов.

Электрофильтры представляют собой устройства, в которых очистка газов от взвешенных твердых и жидких частиц осуществляется под действием электрических сил.

Областью применения электрофильтров является улавливание твердых и жидких взвешенных частиц из технологических газов и систем аспирации. Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь или такая смесь может образовываться в ходе процесса очистки в результате отклонений от нормального технологического режима.

Принцип действия электрофильтров

Частицы пыли получают (как правило) отрицательный электрический заряд в поле коронного разряда и движутся под действием электрического поля к заземленным электродам, оседают на них и после регенерации электродов собираются в бункерах. Небольшая часть пыли, примерно 0,5–1 % от общего количества, приобретает положительный заряд и осаждается на коронирующих электродах и также периодически удаляется. Характер распределения количества уловленной пыли по длине осадительного электрода выражается (за исключением начальной части) кривой, близкой к экспоненте (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема зарядки и осаждения частиц пыли в электрофильтре:

1 – иглы коронирующих элементов; 2 – осадительный электрод; 3, 4 – траектория движения крупной (3) и мелкой (4) отрицательно заряженных частиц пыли; 5 – траектория положительно заряженной частицы; 6 – характер распределения пыли (Р, кг) по длине осадительного электрода (L/м)

Для создания электрического поля в электрофильтрах применяются повысительно-выпрямительные агрегаты напряжением 80 кВ и выше с системами регулирования, обеспечивающими требуемый режим питания.

Влияние эксплуатационно-технологических факторов на степень улавливания пыли в электрофильтре

Технологические факторы

На работу электрофильтра большое влияние оказывают качество и центровка коронирующих электродов. Если диаметры электродов различны, то при возникновении короны на топких электродах на более толстых электродах корона не наблюдается. В случае же повышения напряжения для получения короны на толстых электродах наступает пробой на тонких электродах. При неправильной центровке в месте сближения электродов пробой может произойти раньше, чем в остальных местах начнется устойчивое коронирование. Приближение коронирующего электрода к осадительному хотя бы в одном месте приводит к необходимости снижать напряжение на электрофильтре вследствие опасности пробоя в этом месте. Аналогично влияют любое случайное острие, неровность, заусеница на электроде. Поэтому все электроды должны быть тщательно обработаны.

Влияние скорости газов

Чем больше скорость газов, тем меньших размеров требуются электрофильтры, а следовательно, меньше их стоимость. В то же время уменьшается время пребывания частиц в аппарате. Кроме того, с увеличением скорости возрастают турбулентность потока и вторичный унос уже уловленных частиц. В большинстве случаев электрофильтр работает достаточно хорошо, если время пребывания частиц в активной зоне составляет 8–12 с, что обычно соответствует скорости газового потока 1,0–1,5 м/с. Практика показала, что при работе на некоторых пылях цветной металлургии и электронной техники для получения эффективных результатов приходится снижать скорость газов в активной зоне электрофильтров до 0,5 и даже до 0,25 м/с. Следует иметь в виду, что увеличение подсосов воздуха приводит к превышению оптимальных скоростей газа и резкому ухудшению эффективности электрофильтра.

Влияние параметров газа

Увеличение влажности газа влияет положительно на работу электрофильтра (исходя из вольтамперных характеристик коронного разряда ток короны уменьшается с увеличение влажности газа). Это объясняется тем, что, во-первых, вследствие адсорбции молекул воды частицами пыли увеличивается проводимость пылевого слоя и, во-вторых, с повышением влажности растет величина пробойного напряжения. Это позволяет работать при более высоких напряженностях электрического поля. Увеличение температуры газа отрицательно влияет на работу электрофильтра. С повышением температуры снижается величина пробойного напряжения и увеличиваются вязкость газа, а также объем и скорость газа. Повышение давления газа отрицательно сказывается на эффективности работы электрофильтра из-за снижения подвижности ионов.

Влияние продуктов горения

Физико-химические свойства продуктов горения сильно влияют на скорость дрейфа частиц в электрическом поле. Изменение состава газов в процессах горения, в частности присутствие серного ангидрида, сильно ухудшает работу электрофильтра.

Пример расчета электрофильтров

Задание. Произвести выбор и расчет электрофильтра серии УГ для очистки газов мартеновской печи емкостью 600 т при следующих исходных данных: расход влажного газа при нормальных условиях V ₀=160 тыс. м³/ч; плотность газов при нормальных условиях r ₀ =1,31 кг/м³; температура газов Т_г =180 ^ОС; разрежение газа Р_г =2000 Па; рабочее напряжение U =80 кВ; состав дымовых газов, % (по объему): 13,0 СО₂; 16,5 Н₂О; 6,5 О₂; 64 N₂. Концентрация пыли перед электрофильтром z ’=6 г/м³; дисперсный состав пыли с учетом коагуляции за счет подачи пара в газоход

Размер частиц, мкм	< 1	1–2	2–15	15–30	> 30
Содержание, % (по массе)	5	10	70	10	5

Решение:

 

1. Плотность газов при рабочих условиях

r _г = r ₀ 273(Р_бар – Р_г)/[101,3 (273+ Т_г)],

r _г =1,31[273(101,3–2) /101,3(273+180)]=0,77 кг/м³.

2. Расход газов при рабочих условиях

V_г = V₀ × r ₀ / r _г ×3600=(160×10³×1,31)/(0,77×3600)=76 м³/с.

3. Необходимая площадь поперечного сечения электрофильтра при скорости газа в электрофильтре w _г = 1 м/с

F’ = V_г / w _г = 76/1=76 м².

4. Вследствие высокой дисперсности пыли выбираем электрофильтр типа УГ2-4-74 с активным сечением F =74 м² и поверхностью осаждения 6300 м² (см. Приложение В). Тогда фактическая скорость газа в электрофильтре

w _г = V_г / F =76/74=1,03 м/с.

5. Относительная плотность газов при стандартных условиях (Р_ст =101,3 кПа, Т_ст = 20 ⁰С)

b =[(Р_бар ± Р_г) 293]/[101,3(273+ T_г)]=(101,3–2) 93/101,3(273+180)=0,63.

6. Критическая напряженность электрического поля

Е_кр =3,04 [(b +0,0311(b / R ₁)^1/2] 10⁶ ,

Е_кр =3,04 [(0,63+0,0311(0,63/0,001)^1/2]×10⁶=4,28×10⁶ В/м,

где R ₁ – эквивалентный радиус игольчатого коронирующего электрода (принимаем R ₁= 1 мм).

7. Критическое напряжение короны для пластинчатого электрофильтра типа УГ

U _кр = Е_кр R₁ [(p H/S) –ln (2 p R₁ /S)],

U_кр =4,28×10⁶×0,001×[(3,14×0,1375/0,18– ln (2×3,14×0,001/0,18)]=24,6×10³ В,

где H – расстояние между плоскостями коронирующих и осадительных электродов (H = 0,275/2=0,1375 м);

Н=В/2,

где В – расстояние между одноименными электродами.

S – шаг коронирующих электродов в ряду (S= 0,18 м).

8. Подвижность ионов газа при нормальных (К ₀)и рабочих (К) условиях

Состав дымовых выбросов, выраженный в процентах (в исходных данных) перевести в доли единицы и умножить на подвижность соответствующего элемента

К ₀=0,13×0,96 + 0,165×0,57 + 0,065×1,84 + 0,64×1,84= 1,518×10^-4 м² / В×с;

К= [ K ₀ (273+ T _г) 101,3]/[273 (P _бар ± P _г)],

К =[1,51810^-4×(273 + 180)×101,3]/[273×(101,3–2)]=2,57×10^-4 м² / В×с.

9. Линейная плотность тока короны

i ₀= C·U· (U–U _кр),

где С =4·p²· К· f /{9×10⁹ ∙ S ² [(p· H /d)–ln(2·p· R ₁/ d)]};

где f – коэффициент, зависящий от соотношения геометрических параметров электрофильтра H/S.

f = 0,042 при Н/ S =0,275/(2×0,18)=0,76. Здесь немного неверно.

Они (люди, которые сделали этот пример расчета) брали Н=0,3 (непонятно из каких соображений! Ну, наверное просто ошиблись). При Н/ S =0,3/(2 × 0,18)=0,833, действительно чётко получается f = 0,042.

А если правильно всё делать, то в данном примере расчета, числовое значение коэффициента f должно быть в интервале 0,068-0,046.

Рекомендации по выполнению заданий практического занятия

Рекомендуемые источники

1. ГОСТ 31830-2012. Электрофильтры. Требования безопасности и методы испытаний. Введ. 2014-01-01. М.: Стандартинформ, 2013.

Основная литература

1. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита окружающей среды от вредных выбросов: учебное пособие / А.Г. Ветошкин. – 2-е изд., испр. и доп. – Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. – 416 с.

http://biblioclub.ru/index.php?page=book_view_red&book_id=444180.

2. Ветошкин, А. Г. Инженерная защита атмосферы от вредных выбросов: учебное пособие / А.Г. Ветошкин. – 2-е изд. испр., доп. и перераб. – Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. – 316 с. http://biblioclub.ru/index.php?page=book_view_red&book_id=444181.

Дополнительная литература

3. Бернер, Г. Я. Технология очистки газа за рубежом / Г.Я. Бернер. Москва: Новости теплоснабжения, 20016. – 262 с. http://biblioclub.ru/index.php?page=book_view_red&book_id=56224.

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Дать определения следующим терминам: сухой электрофильтр, мокрый электрофильтр, трубчатый электрофильтр, пластинчатый электрофильтр, встряхивающее устройство электрофильтра по ГОСТ 31830-2012.

2. Как создается электрическое поле в фильтре?

3. Какое физическое явление лежит в основе работы электрофильтра?

4. Какое явление называется «обратной короной» и почему оно пагубно влияет на работу электрофильтра?

5. Какие свойства пылей используются при электрофильтровании?

6. Почему электрофильтр позволяет убрать наиболее мелкие частицы из газового потока?

7. Какие основные факторы влияют на эффективность работы электрофильтра?

 

 

 

Приложение А

Таблица П.А – Дисперсные составы пылей различных металлургических производств

№ п/п	Технологический агрегат, источник образования аэрозоля	Массовая доля частиц, Ф, % (по размерам частиц)					dm, мкм	s ч
		менее 1 мкм	1-5 мкм	5-10 мкм	10-20 мкм	более 20 мкм
1	Агломерационное производство, зона спекания агломашины	2,6	7,8	9,0	8,4	72,2	50	5,9
2	Агломерационное производство, зона охлаждения агломашины	-	3,8	5,6	8,7	81,9	65	3,6
3	Производство окатышей, обжиговые машины	-	0,5	5,6	18,4	75,0	32	2,3
4	Установки сухого тушения кокса, инертный газ тушильного бункера	-	-	-	1,2	98,8	320	3.1
5	Доменное производство, колошниковая пыль	-	-	2,6	8,5	88,9	72	2,4
6	Доменное производство, аспирационные выбросы в подбункерных помещениях	-	2,8	10,2	26,0	61,0	24	2,4
7	Миксерное отделение, при скачивании шлака	2,0	8,0	10,0	13,0	67,0	40	5,2
8	Миксерное отделение, заливка чугуна в миксер	2,6	13,4	14,1	19,9	50,0	20	4,1
9	Мартеновские печи, при средних условиях продувки ванны (перед очисткой)	59,0	43,5	4,9	1,8	0,8	0,8	3,1
10	Двухванные мартеновские печи, при продувке ванны кислородом	35,0	54,0	7,3	2,9	0,4	1,7	3,2
11	Кислородные конвертеры (в среднем за плавку)	54,0	14,0	4,0	3,0	25,0	0,35	1200
12	Дуговые электросталеплавильные печи (в среднем за плавку)	48,0	27,0	80,0	5,0	20,0	1,2	13
13	Закрытые ферросплавные печи (выплавка ферросилиция)	10,0	55,0	21,0	8,8	5,2	3,8	2,7
14	Закрытые ферросплавные печи для углеродистого предельного феррохрома	34,0	56,0	7,2	2,3	0,5	1,6	3,3
15	Закрытые ферросплавные печи для ферромарганца и силикомарганца	24,0	20,0	10,0	9,0	37,0	7,5	8,5
16	Прокатное производство, машины огневой зачистки	62,0	37,0	1,0	-	-	0,83	2,0
17	Огнеупорное производство, обжиг глины на шамот во вращающихся и шахтных печах	9,1	12,9	7,0	10,0	61,0	40,0	3,3
18	Огнеупорное производство, обжиг доломита во вращающихся печах	-	4,5	9,5	18,0	68,0	32,0	2,8
19	Огнеупорное производство, обжиг доломита в шахтных печах	-	-	4,0	19,0	77,0	32,0	1,9
20	Огнеупорное производство, обжиг магнезита во вращающихся печах	-	4,3	12,7	23,0	60,0	22,0	2,3
21	Огнеупорное производство, обжиг магнезита в шахтных печах	-	-	2,9	12,1	85,0	46,0	2,1
22	Огнеупорное производство, обжиг извести во вращающихся и шахтных печах	-	3,0	5,5	9,5	82,0	57,0	3,7
23	Колошниковая пыль вагранок при горячем дутье	-	-	-	-	-	30,0	6,0
24	Колошниковая пыль вагранок при холодном дутье	-	-	-	-	-	70,0	2,3

 

Приложение Б

Таблица П.Б – Основные физические свойства газов

Газ	Плотность         при 0^0С и     давлении       101,3 кПа,    кг/м^3	Относите-льная мо-лекулярная масса,           кг/кмоль	Газовая постоян-ная,                Дж/(кг·К)	Удельная теплоемкость при 20^0С и давлении 101,3 кПа,      кДж/(кг·К)		Вязкость при 0^0С и давлении 101,3 кПа, m 0 ·10^6, Па·с	Кон-станта С	Темпе-ратура кипения при    давлении            101,3 кПа,                 ^0С
				ср	с n
Азот N 2	1,25070	28,02	297	1,040	0,745	17,00	114	-195,78
Воздух	1,29300	(28,95)	288	1,010	0,720	17,50	124	-195
Водород H2	0,08985	2,016	4130	1,420	1,010	8,42	73	-252,754
Водяной пар H2О	0,80400	18,02	430	2,010	-	10,00	961	-
Гелий Hе	0,17850	4,00	2080	5,270	3,180	18,80	78	-268,95
Двуокись азота NО2	46,01000	18,40	180	0,802	0,614	-	-	+21,2
Двуокись серы SО2	2,92700	64,07	130	0,631	0,501	11,70	396	-10,8
Двуокись углерода СО2	1,97600	44,01	189	0,836	0,651	13,70	254	-78,2 (возг.)
Кислород О2	1,42895	32	260	0,911	0,651	20,30	131	-182,98
Метан СH4	0,71700	16,04	519	2,220	1,670	10,30	162,58	-161,58
Окись углерода СО	1,25000	28,01	297	1,050	0,753	16,60	100	-191,48
Сероводород H 2S	1,53900	34,08	244	1,060	0,801	11,60	-	-60,2
Хлор Сl2	3,21700	70,19	117	0,482	0,360	12,90 (16^0С)	351	-33,8

 

 

 

Приложение В

Приложение Г

Параметры для расчета электрофильтра

Таблица П.Г – Исходные данные для расчета электрофильтра типа ДГПН-55-3

Параметры для расчета	Символ	Ед. изм.	Значение
1	2	3	4
Плотность газа при нормальных условиях	ρ0	кг/м³	1,31
Барометрическое давление при стандартных условиях	Рбар	кПа	101,3
Температура выбрасываемых газов	Тг	^0С	180
Расход газа при н. у.	Vо	м^3/ч	187000
Рабочее напряжение	U	кВ	80
Концентрация пыли перед электрофильтром	z ^’	г/м^3	4
Скорость газа в электрофильтре	w г	м/с	1,57
Площадь активного сечения электрофильтра	F	м^2	55,8
Эквивалентный радиус игольчатого коронирующего электрода	R 1	м	0,001
Расстояние между плоскостями коронирующих и осадительных электродов	B /2	м	0,1625
Шаг коронирующих электродов	S	мм	80
Шаг между одноименными электродами	B	м	0,325
Разряжение газа	рг	кПа	2
Состав дымовых выбросов	SO2	%	35
	O2		4,5
	H2O		11
	CO		17
	CO2		13
	NО		19,5

 

Продолжение приложения Г

Продолжение табл. П.Г

1	2	3		4
Динамическая вязкость газа при н. у.	0 SO2	10^-6Па*с		11,7
	O2			20,3
	H2O			10,0
	CO			16,6
	CO2			13,7
	NO			17,9
Подвижность ионов газа при рабочих условиях	K	10^-4м^2/В*с
	SO2		0,41
	O2		1,84
	H2O		0,57
	CO		1,15
	CO2		0,96
	NО		0,9
Константа С- постоянная Сазерленда	С	К
	NO		131
	SO2		396
	O2		131
	H2O		961
	CO		100
	CO2		254
Дисперсный состав пыли: – размер частицы, мкм;	<1	1-2	2-15		15-30	>30
– средний радиус частицы, мкм;	0,25	0,75	4,25		11,25	65
– содержание, % (по массе) или массовая доля частиц, Ф, % (по размерам частиц)	10	70	10		5	5

 

Практическая работа № 10

Электрофильтрационная очистка газов. Расчет электрофильтра

Цель работы: ознакомление обучающихся с основами электрофильтрационной очистки газов, освоение методики расчета электрофильтра и приобретение навыков расчета электрофильтра.

Задание:

1. Ознакомиться с теоретическим материалом по теме занятия.

2. Изучить методику расчета электрофильтра. Разобрать пример расчета электрофильтра.

3. Выполнить расчет электрофильтра в соответствии с выданным вариантом.

4. Ответить на контрольные вопросы для самопроверки в письменной форме.

Теоретические сведения

Электрофильтр – п ылеуловитель, в котором отделение взвешенных частиц от газа происходит под действием электрических сил посредством сообщения частицам электрического заряда в зоне коронного разряда с последующим осаждением заряженных частиц в электрическом поле на поверхности электродов.

Электрофильтры представляют собой устройства, в которых очистка газов от взвешенных твердых и жидких частиц осуществляется под действием электрических сил.

Областью применения электрофильтров является улавливание твердых и жидких взвешенных частиц из технологических газов и систем аспирации. Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ представляет собой взрывоопасную смесь или такая смесь может образовываться в ходе процесса очистки в результате отклонений от нормального технологического режима.