Электрофильтры: принцип работы и основные достоинства

Николаев  Михаил  Юрьевич

канд.  техн.  наук,  доцент  Омского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Омск

E -mail:  munp@yandex.ru

Есимов  Асет  Мухаммедович

студент  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  государственного

технического  университета,  РФ,  г.  Омск

E -mail:  esimov007@mail.ru

Леонов  Виталий  Владимирович

студент  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  государственного

технического  университета,  РФ,  г.  Омск

ELECTROSTATIC  PRECIPITATORS:  WORKING  PRINCIPLE  AND  MAIN  DIGNITIES

Nikolayev  Michael

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Omsk  State  Technical  University,  Russia,  Omsk

Esimov  Aset

student,  the  Institute  of  Energetic  of  Omsk  State  Technical  University,  Russia,  Omsk

Leonov  Vitaliy

student,  the  Institute  of  Energetic  of  Omsk  State  Technical  University,  Russia,  Omsk

АННОТАЦИЯ

В  данной  статье  рассмотрен  подробный  принцип  работы  электрофильтров.  Также  рассмотрены  различные  типы  электрофильтров,  осадительных  и  коронирующих  электродов.  Приведены  случаи,  при  которых  происходит  процесс  ионизации  газов  между  электродами.  Описаны  достоинства  современных  электрофильтров.

ABSTRACT

This  article  describes  the  detailed  working  principle  of  electrostatic  precipitators.  It  also  considered  various  types  of  electrostatic  precipitators,  the  collecting  and  corona  electrodes.  Situations  in  which  the  process  gases  between  the  ionization  electrodes.  Described  the  dignities  of  modern  electrostatic  precipitators.

Ключевые   слова:  электрофильтр;  электрод;  ионизация;  коронный  разряд.

Keywords:  electrostatic  precipitator;  electrode;  ionization;  corona  discharge.

Электрофильтр  —  это  устройство,  в  котором  очистка  газов  от  аэрозольных,  твердых  или  жидких  частиц  происходит  под  действием  электрических  сил.  В  результате  действия  электрического  поля  заряженные  частицы  выводятся  из  очищаемого  газового  потока  и  осаждаются  на  электродах.  Зарядка  частиц  происходит  в  поле  коронного  разряда.  Электрофильтр  представляет  собой  корпус  прямолинейной  или  цилиндрической  формы,  внутри  которого  смонтированы  осадительные  и  коронирующие  электроды  различной  конструкции  (в  зависимости  от  назначения  и  области  применения  электрофильтра,  а  также  от  специфики  улавливаемых  частиц).  Коронирующие  электроды  подключены  к  высоковольтному  источнику  питания  выпрямленным  током  напряжением  50—60  кВ.  Электрофильтры,  в  которых  улавливаемые  твердые  частицы  удаляются  с  электродов  встряхиванием,  называются  сухими,  а  те,  в  которых  осаженные  частицы  смываются  с  электродов  жидкостью  или  улавливаются  жидкие  частицы  (туман,  брызги),  —  мокрыми.

По  числу  электрических  полей,  через  которые  очищенный  газ  последовательно  проходит,  электрофильтры  подразделяют  на  однопольные  и  многопольные.  Иногда  электрофильтры  разбивают  на  параллельные  по  ходу  газа  камеры  —  секции.  По  этому  признаку  они  могут  быть  одно-  и  многосекционными.  Очищаемый  в  электрофильтре  газ  проходит  активную  зону  в  вертикальном  или  горизонтальном  направлениях,  поэтому  электрофильтры  бывают  вертикальными  или  горизонтальными.  По  типу  осадительных  электродов  электрофильтры  делят  на  пластинчатые  и  трубчатые.  Основные  конструкторские  типы  электрофильтров  —  горизонтальный  пластинчатый  и  вертикальный  трубчатый.

Рисунок  1.  Горизонтальный  пластинчатый  электрофильтр

Рисунок  2.  Трубчатый  электрофильтр

Чтобы  понять  принцип  работы  электрофильтра,  следует  сначала  рассмотреть  электрическую  цепь.  Она  состоит  из  таких  элементов,  как  источник  тока  и  двух,  параллельно  расположенных  друг  к  другу  металлических  пластин,  которые  разделены  между  собой  воздухом.  Это  устройство  представляет  собой  не  что  иное,  как  воздушный  конденсатор,  однако  электрический  ток  в  такой  цепи  течь  не  будет,  потому  что  слой  воздуха  между  пластинами,  как,  впрочем,  и  другие  газы,  не  способен  проводить  электричество.

Однако  стоит  только  приложить  к  металлическим  пластинам  необходимую  разность  потенциалов,  как  гальванометр,  подключенный  к  этой  цепи,  зафиксирует  прохождение  электрического  тока  из-за  ионизации  слоя  воздуха  между  этими  пластинами.

Что  касается  ионизации  газа  между  двумя  электродами,  то  она  может  возникать  в  двух  случаях:

1.  Несамостоятельно,  то  есть  с  применением  каких-либо  «ионизаторов»,  к  примеру,  рентгеновских  или  других  лучей.  После  того,  как  воздействие  этого  «ионизатора»  будет  закончено,  начнет  постепенно  наступать  рекомбинация,  то  есть  будет  происходить  обратный  процесс:  ионы  различных  знаков  вновь  станут  соединяться  между  собой,  образовывая  тем  самым  электронейтральные  молекулы  газа.

2.  Самостоятельно,  осуществляется  за  счет  повышения  в  электросети  напряжения  до  величины,  которая  превышает  величину  диэлектрической  постоянной  используемого  газа.

При  электрической  очистке  газов  применяется  только  вторая  ионизация,  то  есть  самостоятельная.

Если  начать  увеличивать  разность  потенциалов  между  металлическими  пластинами,  то  в  какой-то  момент  она  обязательно  достигнет  критической  точки  (пробивное  напряжения  для  слоя  воздуха),  воздух  будет  «пробит»  и  в  цепи  резко  возрастет  сила  тока,  а  между  металлическими  пластинами  появится  искра,  которую  назвали  –  самостоятельный  газовый  разряд.

Молекулы  воздуха  под  напряжением  начинают  расщепляться  на  положительно  и  отрицательно  заряженные  ионы,  и  электроны.  Под  воздействием  электрического  поля  ионы  двигаются  к  электродам,  которые  заряжены  противоположно.  С  увеличением  напряжения  электрического  поля  скорость,  а,  соответственно,  и  кинетическая  энергия  ионов  и  электронов  начинает  постепенно  возрастать.  Когда  их  скорость  доходит  до  критической  величины  и  несколько  превышает  ее,  они  расщепляют  все  нейтральные  молекулы,  встречающиеся  на  пути.  Так  происходит  ионизация  всего  газа,  находящегося  между  двумя  электродами.

Когда  между  параллельно  расположенными  пластинами  одновременно  образуется  довольно  значительное  число  ионов,  сила  электрического  тока  начинает  сильно  возрастать  и  появляется  искровой  разряд.

В  силу  того,  что  молекулы  воздуха  получают  от  ионов,  движущихся  в  определенном  направлении,  импульсы,  вместе  с  так  называемой  «ударной»  ионизацией  возникает  еще  и  достаточно  интенсивное  движение  воздушной  массы.

Самостоятельную  ионизацию  в  методике  электроочистки  газов  осуществляют  путем  приложения  на  электроды  высоких  напряжений.  При  ионизации  данным  способом  нужно,  чтобы  слой  газа  пробивало  лишь  на  некотором  отрезке  расстояния  между  двумя  электродами.  Необходимо  чтобы  часть  газа  оставалась  непробитой  и  служила  в  своем  роде  изоляцией,  которая  бы  предохраняла  от  короткого  замыкания  параллельные  электроды  от  возникновения  искры  или  дуги  (чтобы  не  произошло  пробоя  диэлектрика).

Создают  такую  «изоляцию»  путем  подбора  формы  электродов,  а  также  расстояния  между  ними  в  соответствии  с  напряжением.  Стоит  отметить,  что  электроды,  которые  представлены  в  виде  двух  параллельных  плоскостей,  в  этом  случае  не  подойдут,  так  как  между  ними  в  любой  точке  поля  всегда  будет  одинаковое  напряжение,  то  есть  поле  будет  неизменно  однородным.  Когда  разность  потенциалов  между  одним  плоским  электродом  и  другим  достигнет  величины  пробивного  напряжения,  весь  воздух  будет  пробит  и  появится  искровой  разряд,  однако  ионизации  воздуха  не  случится  в  силу  того,  что  все  поле  однородно.

Неоднородное  поле  может  возникнуть  только  между  электродами,  которые  имеют  вид  концентрических  цилиндров  (трубы  и  провода),  либо  же  плоскости  и  цилиндра  (пластина  и  провода).  Непосредственно  вблизи  провода  напряжение  поля  настолько  большое,  что  ионы  и  электроны  становятся  способны  к  ионизации  нейтральных  молекул,  однако  по  мере  удаления  от  провода  напряжение  поля  и  скорость  движения  ионов  настолько  уменьшаются,  что  ударная  ионизация  попросту  становится  нереальной.

Соотношение  между  величиной  радиуса  трубы  (R)  и  провода  (r)  должно  быть  обязательно  определенным  во  избежание  появления  искры  между  двумя  цилиндрическими  электродами.  Расчеты  показали,  что  ионизация  газа  без  короткого  замыкания  возможна  при  R/r  больше  или  равным  2,72.

Появление  вокруг  проволоки  слабого  свечения  или  так  называемой  «короны»  является  основным  видимым  признаком  того,  что  наступил  ионный  разряд.  Такое  явление  называется  коронным  разрядом.  Слабое  свечение  постоянно  сопровождает  характерный  звук  —  это  может  быть  потрескивание,  либо  же  шипение.

Провод  (электрод),  вокруг  которого  возникает  свечение,  называют  коронирующим  электродом.  «Корона»  в  зависимости  от  того  каким  полюсом  соединен  провод,  бывает  либо  положительной,  либо  отрицательной.  При  электрической  очистке  газов  используют  только  второй  вариант,  то  есть  отрицательную  «корону».  Хотя  она,  в  отличие  от  положительной,  менее  равномерна,  все  же  такая  «корона»  способна  допускать  более  высокую  критическую  разность  потенциалов.

К  осадительным  электродам  предъявляются  следующие  требования:  быть  прочными,  жесткими,  иметь  гладкую  поверхность,  чтобы  можно  было  без  проблем  удалять  уловленную  пыль,  а  также  достаточно  высокие  аэродинамические  характеристики.

Осадительные  электроды  по  форме  и  конструкции  условно  делятся  на  три  больших  группы:  1)  пластинчатые;  2)  коробчатые;  3)  желобчатые.

К  коронирующим  электродам  предъявляются  следующие  требования:  должны  иметь  точную  форму,  чтобы  обеспечить  интенсивный  и  достаточно  однородный  коронный  разряд;  обладать  механической  прочностью  и  жесткостью,  чтобы  обеспечить  надежную,  бесперебойную  и  долговечную  работу  в  условиях  встряхивания  и  вибрации;  быть  простыми  в  изготовлении  и  иметь  низкую  стоимость,  так  как  коронирующие  электроды  могут  достигать  в  длину  (общую)  10  километров;  быть  стойкими  к  агрессивным  средам.

Различают  две  большие  группы  коронирующих  электродов:  электроды  без  фиксированных  разрядных  точек  и  электроды  с  фиксированными  разрядными  точками  по  всей  длине  электрода.  У  вторых  источники  разряда  —  это  острые  выступы  или  шипы,  при  этом  есть  возможность  управлять  работой  электрода.  Для  этого  нужно  менять  расстояние  между  шипами.

Систему  осадительных  и  коронирующих  электродов  размещают,  как  правило,  внутри  металлического  сварного  корпуса,  в  редких  случаях  в  корпусе  из  железобетона,  который  изготовлен  в  форме  П-образных  рам.  Оборудование  внутрь  корпуса  загружают  либо  сверху,  либо  сбоку.  Корпус  снаружи  должен  обязательно  иметь  теплоизоляцию  во  избежание  температурных  деформаций  и  появления  конденсации  влаги.

Узел  подвода  и  равномерного  распределения  запыленного  воздуха,  как  правило,  состоит  из  системы  газораспределительных  решеток,  которые  установлены  перед  главной  камерой,  где  располагается  система  осадительных  и  коронирующих  электродов,  и  представляет  собой  перфорированные  листы,  установленные  в  два  яруса,  их  живое  сечение  составляет  от  35  до  50  процентов.

Чтобы  удалить  уловленную  пыль  из  электрофильтров,  применяют  специальные  системы  встряхивания  электродов.  В  сухих  электрофильтрах  обычно  используют  несколько  таких  систем  —  это  пружинно-кулачковая,  ударно-молотковая,  вибрационная,  либо  же  магнитно-импульсная  система.  Кроме  этого,  уловленные  частицы  могут  просто  смывать  с  электродов  водой.

Преимущества  электрофильтров:  возможность  самой  высокой  степени  очистки  газов  (до  99,9  %),  низкие  затраты  энергии  (до  0,8  кВт  на  1000  м³  газа),  очистка  газа  может  проводится  даже  при  высоких  температурах,  процесс  очистки  может  быть  полностью  автоматизирован.

Список  литературы:

1.ГОСТ  Р  51707-2001.  Электрофильтры.  Требования  безопасности  и  методы  испытаний.  Введ.  29.01.2001.  М:  Изд-во  стандартов,  2001.

2.Правила  устройства  электроустановок.  7-е  изд.  М.:  Изд-во  НЦ  ЭНАС,  2004.

3.Санаев  Ю.И.  Электрофильтры:  монтаж,  наладка,  испытание,  эксплуатация./Обзорная  информация.  Серия  ХМ-14.  М.,  «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ»,  1984.