Характеристики и классификация электростатических фильтров и электрообработки газа

Введение

Во многих производственных процессах образуются или перерабатываются различные промышленные газы, а в некоторых процессах газы образуются в качестве отходов производства и выбрасываются в атмосферу.
В большинстве случаев промышленные газы (к которым относится и воздух в помещениях) содержат мелкие твердые (пыль) или жидкие (туман) частицы различных веществ, от которых газы по тем или иным причинам должны быть очищены.
Например, отходящие газы сернокислотных заводов, используемые для производства серной кислоты в башнях, должны быть очищены от шлаковой пыли, чтобы предотвратить засорение башни и загрязнение кислотного продукта. Те же газы, которые используются при производстве контактной серной кислоты, также должны быть очищены от туманов серной кислоты, мышьяка и селена, которые являются токсичными для катализаторов в контактном оборудовании.
Газы от производства сажи, крекинга нефтепродуктов с порошкообразными катализаторами, газы от предприятий цветной металлургии и т.д. должны быть очищены для извлечения ценных продуктов, которые они содержат в виде пыли. [7]
Дымовые газы электростанций, использующих твердое топливо, должны быть очищены перед выбросом через дымовую трубу, чтобы избежать загрязнения окружающей среды и воздуха золой.
Воздух, подаваемый в кондиционеры и кислородные станции, вентиляционные системы электрогенераторов и крупных электродвигателей, помещения для производства фильмов и т.д., должен быть свободен от микроскопических частиц атмосферной пыли, спор плесени, грибков и т.д.
Во многих случаях в час очищаются миллионы кубометров промышленных газов и извлекаются десятки тонн пыли или жидкости в час.
Например, вращающаяся печь для обжига клинкера производительностью 50 т/ч выбрасывает в атмосферу около 500 000 м3 газов в час, содержащих 11 тонн пыли. Ежегодно из газов сажевой печи среднего размера выделяется 15-20 000 тонн сажи.
Неочищенный выброс такого большого количества газа в атмосферу неприемлем, особенно по гигиеническим соображениям, не говоря уже о необходимости исключить потерю ценных продуктов в некоторых случаях.
Одним из самых современных методов очистки промышленных газов от пыли и тумана является электрическая очистка в электростатических фильтрах, которые начали использоваться в промышленности в 1920-х годах.
В СССР первый электрофильтр был построен в 1925 году на заводе "Красный выборжец" в Ленинграде для отделения оксида цинка от выхлопных газов. Затем, в 1926 году, на фабрике "Победа рабочих" в Ярославле был разработан и построен электрофильтр, который также использовался для отделения оксида цинка. [13]















1. Характеристики процесса электрообработки газа

Электрическая газовая очистка имеет следующие основные характеристики
1) В зависимости от конкретных условий и требований, электрофильтры могут быть разработаны для любой степени очистки газа (до 99% или даже 99,9%) и для широкого диапазона производительности, от нескольких м3/час до нескольких миллионов м3/час;
2) Электрофильтры имеют самое низкое гидравлическое сопротивление среди всех известных систем газоочистки. В электрофильтрах, разработанных институтом "Гипрогазоочистка", перепад давления между входным и выходным каналами составляет 5-15 мм вод. ст;
3) Электрофильтры предназначены для работы при атмосферном давлении, а также при положительном и отрицательном давлении;
4) Концентрация взвешенных частиц в очищенных газах может варьироваться от долей г/м3 газа до 50 г/м3 и более, а их температура может достигать 500°C и более. Газы можно очищать сухим или влажным способом;
5) Электростатические фильтры задерживают частицы размером от 100 до 0,01 микрометра;
6) Электрофильтры могут быть изготовлены из материалов, устойчивых к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных веществ;
7) Процесс очистки газа в электрофильтрах может быть полностью автоматизирован;
8) Потребление электроэнергии для очистки газа, как правило, ниже, чем для других типов очистителей;
Однако нельзя считать, что электростатические осадители подходят для всех условий, поскольку у них есть и недостатки:
В электрофильтре можно отделять вещества только во взвешенном состоянии, т.е. в виде порошка или тумана, но невозможно отделить один газ от другого или от пара без предварительной конденсации пара в углеводороды или туман или начала химической реакции. [12]
Некоторые продукты обладают физическими и химическими свойствами, которые делают невозможным эффективное улавливание взвешенных частиц из этих продуктов в электростатических фильтрах.
Одним из примеров является активный технический углерод, который имеет небольшой вес, очень низкое электрическое сопротивление и состоит из очень мелких частиц. Частицы сажи легко заряжаются и отделяются, но поскольку они электропроводны, то теряют свой электрический заряд при контакте с сепарационным электродом и поэтому не прилипают к сепарационной поверхности, а заряжаются, отталкиваются от нее и уносятся потоком газа, выходящим из электрофильтра. Другим примером плохо удерживаемой пыли является газ оксида цинка, который также является высокодисперсным, но в отличие от него имеет высокое электрическое сопротивление, которое "гасит" коронный разряд.
Эффективность электростатического фильтра зависит от того, как он эксплуатируется.
Например, электрофильтр, улавливающий золу дымовых газов электростанции, использующей подмосковный уголь, работает неустойчиво при температуре газа 170-180 °С с КПД 80-85 %. При температуре газа 130-150 °С тот же электрофильтр работает достаточно стабильно и улавливает 95-97 % золы. Объяснение этому следующее. При температуре газа выше 160 °С собранная зола имеет удельное электрическое сопротивление 2-1010 Ом-см и более, что вызывает явление "перевернутой короны" в электрофильтре, препятствуя его осаждению. При температуре ниже 160 °C SO3, содержащийся в дымовом газе, конденсируется в частицы золы, и сопротивление собранного слоя золы при собирающих электродах падает ниже 2 - 1010 Ом-см. Явление перевернутой короны прекращается, и эффективность электролизера резко возрастает.
На одном металлургическом заводе 30000-39000 м3 доменного газа в час очищалось в электрофильтре до остаточного содержания пыли 15-20 мг/нм3. Небольшое увеличение подачи газа для очистки привело к значительному увеличению содержания пыли в очищенном газе. Для улучшения процесса очистки перед фильтром электростатического скруббера был установлен турбулентный газоочиститель (трубка Вентури).
После этого 50000-70000 м3 газа в час пропускалось через скруббер ESP, и содержание пыли в чистом газе снижалось до 8-10 мг/нм3. Это показывает, что обработка газа перед электрофильтром в турбулентном коалесцентном фильтре, заключающаяся в увеличении содержания взвешенных частиц, позволила увеличить производительность электрофильтра в 1,5-2,0 раза и одновременно снизить содержание пыли в очищенном газе примерно в два раза.
Стоимость электростатического фильтра выше, чем других устройств, и в некоторых случаях его можно заменить. Если газы низкотемпературные, а отделяемый материал сухой и некорродирующий, для очистки больше подходит рукавный фильтр, который дешевле электрофильтра; если материал крупный, его можно очистить в циклонном пылеуловителе с меньшими затратами (но оба устройства имеют более высокое гидравлическое сопротивление, чем электрофильтр).
Однако следует отметить, что при правильном выборе электрофильтра, его работе в оптимальном технологическом режиме и электропитании в заданных условиях, электрофильтр в большинстве случаев превосходит газоочистное и обеспыливающее оборудование всех известных типов.
Особенно высокий эффект очистки газов может быть достигнут при использовании электростатических фильтров в сочетании с другими устройствами для очистки или обработки очищаемых газов.
Процесс электростатического осаждения частиц состоит из следующих этапов: зарядка твердых частиц, перенос заряженных частиц на электроды, отделение и удаление частиц. На первом этапе частицы проходят через коронный разряд постоянного тока, который специально генерируется на одном из электродов системы электростатической сепарации пыли (рис. 1).
В принципе, можно использовать как положительный, так и отрицательный коронный разряд, но отрицательный коронный разряд предпочтительнее для очистки промышленных газов (кроме кондиционированных газов), поскольку он более стабилен и допускает высокие напряжения и токи. [3]
Свойства короны зависят от многих факторов: конфигурации и расстояния между электродами, состава газа, давления, температуры, концентрации пыли и размера частиц, осаждения на электродах и электропроводности осажденной пыли. Кроме того, важен тип источника питания. Обычно максимальное напряжение короны на расстоянии 100 - 150 мм между электродами составляет 40 - 80 кВ, а плотность короны - 0,1 -1 мкА/м2, в зависимости от типа пыли и состава газа. Общие характеристики вольт-амперных кривых положительной (1) и отрицательной (2) короны показаны на рисунке 2.