Очистка газов в электрофильтрах
Метод электроосаждения заключается в следующем. Маленькие капельки и частицы сначала получают заряд от ионов газа которые образуются в электрическом поле высокого напряжения, а затем движутся к заземленному осадительному электроду. Попав на заземленный уловитель, частицы прилипают и разряжаются. Когда осадительный электрод обрастает слоем частиц, они стряхиваются "постукиванием" и собираются в бункере. Так как система не является полностью статической ввиду того, что заряды, переносимые частицами и ионами газа, создают небольшой ток, многие исследователи предпочитают называть такой тип установки электроуловителем. В данной книге будет употребляться обычный термин "электрофильтр".
Очистка воздуха на производстве в электрофильтрах применяются там, где необходимо очищать очень большие объемы газа и отсутствует опасность взрыва. Эти установки неизменно используются для улавливания летучей золы на современных электростанциях, работающих в базовом режиме, с котлами, сжигающими пылевидное топливо, для улавливания пыли в цементной промышленности, а также в металлургической промышленности в мощных системах улавливания дыма, в химической промышленности и смежных с ней отраслях для улавливания частиц и капель тумана (деготь, фосфорная кислота, серная кислота), для пылеудаления в системах кондиционирования воздуха, и фактически для решения проблем улавливания частиц и тумана, когда имеют дело с большими объемами газа.
Еще Фалесу Милетскому, греческому философу, жившему в 600-х годах до н. э., было известно, что небольшие ниточки притягиваются к кусочку янтаря, если его перед этим натереть. Существует ряд более поздних сообщений приписываемых иногда Феофрасту (300 г. до н э.), Плинию (I век) и Солину (II век), о притягивании соломинок, листьев и других тел к натертому янтарю.
Современные исследования исходят из первых наблюдений Уильяма Джильберта (1600 г.), который заметил, что янтарь, сера и другие диэлектрики, будучи заряженными путем трения, "увлекают дым от погашенного огня". Аналогичные наблюдения велись Бойлем (1675 г.), почти одновременно Отто фон Герике (1672 г.) построил электростатический генератор, который состоял из шара, сделанного из серы и заряжаемого путем трения; он обнаружил способность остроконечных проводников притягивать заряженные тела. Примерно через 30 лет Фрэнсис Хоксби (1709 г.) сообщил на заседании Королевского общества об открытии "электрического ветра", а позднее Исаак Ньютон рассматривал явления коронального свечения и электрического ветра (1718 г.), но безотносительно к свойствам частиц.
В течение следующего столетия появляется ряд сообщений о явлениях электростатики, наиболее примечательными из которых явились исследования Бенджамина Франклина (1747 г.), основанные на способности заостренных проводников притягивать электрические токи, и Кулона (1785 г.), который изучал потерю заряда из изолированного проводника путем подвода к нему через воздух заряженных частиц. Первый наглядный показ электростатического осаждения приписывается Гольфельду, который в 1824 г. продемонстрировал исчезновение тумана из стеклянного сосуда, в котором был помещен наконечник, заряженный электричеством. Позже, в XIX в, стало известно об аналогичных опытах, продемонстрированных другими исследователями; одним из таких примеров является опыт с осаждением табачного дыма в стеклянном цилиндре высотой 450 мм и диаметром 230 мм, показанный Житаром примерно через 26 лет после научного доклада Гольфельда.
Однако успешная очистка газов в электрофильтрах с применением принципа электростатического осаждения в промышленных целях относится к первым годам XX в. и это связано с именами Лоджа в Англии, Коттрелла в США и Меллера в Германии.
Лодж экспериментировал в области электростатического осаждения с 1880 г. и указывал на возможности, связанные с промышленным применением данного метода, в научном докладе, опубликованном в журнале "Нейчэ" в 1883 г. Вместе с двумя другими исследователями Уолкером и Хатчингсом, он установил первый электрофильтр промышленного значения на свинцовоплавильном заводе в г. Багиллте в Северном Уэльсе. Конструкция электрофильтра, показанная на рис. Х-1, представляет собой коронирующие острия, установленные в канале, а также две электростатические машины Уимсхерста каждая диаметром 130 мм, с которых подавалось высокое напряжение и которые приводились в движение паровыми двигателями мощностью 0,75 кВт. К сожалению установка оказалась неудачной по двум основным причинам: из-за примитивного способа получения энергии высокого напряжения, а также потому, что дым свинцовоплавильных печей оказался одним из наиболее трудных для улавливания, так как содержал очень маленькие частицы и обладал очень большим удельным сопротивлением. Если бы этот дым содержал проводящие частицы или капли (например, туман серной кислоты), то метод электростатического осаждения несомненно нашел бы свое промышленное применение на 25 лет раньше.
Разработка технологии переменного тока и электрического оборудования способствовала появлению новых источников постоянного тока высокого напряжения, сочетающих в себе трансформаторы и синхронные механические или ртутные выпрямители. Лодж запатентовал последний для целей электростатического осаждения в 1903 г. В то же время Коттрелл, проводя эксперименты с использованием механического выпрямителя, обнаружил, что разряд из индукционной катушки является недостаточным для коронного разряда из более, чем одного или двух остриев в искровой камере. Коттрелл также обнаружил, что провод с хлопчатобумажной изоляцией поддерживает длительное свечение, что указывает на образование короны, на всей своей поверхности и разработал "ворсистый" коронирующий электрод, представляющий собой проводник с изоляцией из непроводящего волокнистого материала (рис. Х-2).
Сочетание трансформатора переменного тока, механического выпрямителя и "ворсистого"» электрода привело к успешному созданию электрофильтра, способного в лабораторных условиях удалять туман серной кислоты в количестве несколько кубических метров в час. Коттрелл и его коллеги, в особенности У. А. Шмидт, который был автором многих из более поздних усовершенствований, применили электрофильтр в промышленных условиях сначала на пороховом заводе в Пайноле (рядом с г. Беркли), а затем в г. Селби на плавильном заводе, где остро стояла проблема борьбы с загрязнением воздуха.
В Селби проводилась очистка газов в электрофильтрах, выходящих из аффинажных котлов по извлечению благородных металлов, при этом улавливались 0 15 л/с серной кислоты из 140 м3 газа.
Рис. Х-1. Очистка газов в электрофильтрах в аппарате для электростатического осаждения.
Рис. Х-2. Очистка газов в электрофильтрах в конструкциия электрода с четким обозначением потока продувочного газа для предупреждения коротких замыканий.
1 - высоковольтный трансформатор; 2 - механический выпрямитель; 3 - проходной изолятор; 4 - спираль для подогрева проходного изолятора; 5 - ворсистый коронирующий электрод.
Другой особенностью установки Коттрелла, показанной на рис. Х-2, является наличие системы подогрева и вентиляции, предусмотренной для поддержания высоковольтной изоляции в сухом состоянии. Коттрелл использовал отрицательную корону, так как она проводила больший ток нежели положительная корона.
Следующая установка была смонтирована на свинцовоплавильном заводе в Балаклала, где обрабатывались 425 000 м3/ч газов, содержащих пары свинца и цинка. Как установил Лодж и др., это было трудной задачей. Однако, новейшие методы выработки постоянного тока высокого напряжения позволили установке работать с к. п. д. от 80 до 90%. Многие детали, которые можно встретить в конструкциях современных электрофильтров, были разработаны У. А. Шмидтом, когда он установил электрофильтр для очистки газов на заводе компании по производству портландцемента в г. Риверсайд (Южная Калифорния) в 1912 г. Эта установка пропускала 1 700 000 м3/ч при 400-600 °С. В ней впервые были использованы тонкопроволочные коронирующие электроды, работающие под напряжением 45 кВ, а установка все еще продолжала работать в течение последующих 45 лет.
Очистка газов в электрофильтрах разрабатывалась в основном эмпирически, и более 1000 патентов защищают конструкцию электрофильтра со всех сторон. Теория электростатического осаждения значительно отстала от его практического применения. Так, теоретическое выражение к. п. д. улавливания при отсутствии турбулентности было выведено Дойчем в 1922 г. Видоизмененная теория была выдвинута Уиллиамсом и Джексоном с учетом турбулентного перемешивания со скоростью, контролируемой турбулентностью течения газа (1962 г.); аналогичные исследования проводились Инушкиным и Авербухом (1962 - 1963 гг.), Куперманом (1960-1966 гг.) и Робинсоном (1967 г.), которые развивали теорию в этом направлении.
Уравнения, описывающие бомбардировочные и диффузионные процессы зарядки частиц, были предложены Потенье и Моро-Ано в 1932 г., по первому процессу и Арендтом и Колманном (1925 г.) и Уайтом (1951 г.) по второму процессу.
До сих пор не предпринимались попытки детально моделировать процесс осаждения частиц в присутствии других частиц. Однако обширные исследования электростатического осаждения, опубликованные за последние 15 лет, позволяют производить расчеты основных процессов и согласовать их с характеристиками, полученными в результате экспериментов. Поэтому в некоторых случаях становится возможным либо проектировать агрегаты, исходя из известных принципов, либо экстраполировать редкие экспериментальные данные для более мощных установок.
В данной главе подробно рассмотрены основные процессы, происходящие при очистки газов в электрофильтрах (образование короны или ионизированной зоны вокруг провода высокого напряжения, который может быть заряжен либо положительно, либо отрицательно зарядка и движение частиц; осаждение и разряд частиц и возможность повторного увеличения частиц), что сопровождается подробным описанием некоторых конструктивных особенностей современных электрофильтров.
