Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf

37
Рис.1.15. Схема рукавного фильтра с обратной продувкой и встряхива- нием: а – режим фильтрования; б – режим регенерации
1 – входной патрубок; 2 – корпус фильтра; 3 – рукав; 4 – продувочный клапан; 5 – выпускной клапан; 6 – коллектор очищенного газа; 7 – вал механизма встряхивания; 8 – пылевыгрузоч- ное устройство
а
б
8 6
5 4
3 2
1 7
Рис.1.16. Схема зернистого фильтра с регенерацией обрат- ной продувкой и вибрацией:
1 – входной патрубок; 2 – корпус; 3 – продувочный патрубок; 4 – выпускной клапан; 5 – зернистый слой; 6 – перфо- рированная плита; 7 – контейнер; 8 – гибкие уплотнения вибратора; 9 – виб- ратор; 10 – пружины; 11 – бункер; 12 – пылевыгрузное отверстие
5 6
7 8
9 10 11 12 1
2 3
4 механизм, перемещающий вверх и вниз крышку, к которой крепится рукав. Также применяется импульсную продувку – струей сжатого воздуха. Камеры фильтра переводят на регене- рацию по очереди, и, следовательно, фильтр в составе n-1 ка- мера все время находится участвует в очистке отходящих га- зов.

38
Для тонкой очистки газов при высоких температуре и давлении, сильно увлажненных газов используются фильтры с жесткими перегородками, выполненными из керамики, метал- лических сеток и других материалов, в том числе фильтры с насыпным (гранулированным) слоем фильтровального мате- риала.
Различают насадочные и жесткие зернистые фильтры.
Насадочные (насыпные) фильтры (рис.1.16). В таких фильтрах улавливающие элементы (гранулы, куски и т.д.) не связаны друг с другом. К ним относятся: статические (непод- вижные) слоевые фильтры; динамические (подвижные) слое- вые фильтры с гравитационным перемещением сыпучей сре- ды; псевдоожиженные слои. В насыпных фильтрах в качестве насадки используется песок, галька, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, графит и др. Выбор материала зависит от требуемой термиче- ской и химической стойкости, механической прочности и дос- тупности.
Фильтрующий слой обычно делают неоднородным: на входе газа располагают более крупные зерна диаметром 5-
10 мм, на выходе – более мелкие диаметром 2-3 мм.
При малых скоростях движения газа, мелкодисперсной пыли и малой запыленности преобладающее значение имеет пылезадержание всем объемом загрузки. При высоких скоро- стях фильтрации, крупной пыли и большой запыленности час- тицы в меньшей степени приникают в глубину слоя и процесс фильтрации происходит в основном в поверхностном слое. В большинстве случаев сочетаются оба вида фильтрации. Эф- фективность осаждения, как и в фильтрах любого другого ти- па, определяется действием механизмов касания, инерции, диффузии, гравитации и электростатики.
По мере накопления пыли в порах насадки эффективность улавливания возрастает. При увеличении сопротивления до предела производят рыхление слоя. После нескольких циклов рыхления насадку промывают или заменяют.

39
Имеются зернистые фильтры с движущейся средой
(рис.1.17). Материал перемещается между сетками или жалю- зийными решетками. В данном случае регенерацию материала от пыли проводят в отдельном аппарате – путем грохочения или промывки. Если фильтрующая среда состоит из того же материала, что и пыль, то загрязненные гранулы выводят из системы и используют в технологическом процессе.
Скорость фильтрования в зернистых фильтрах значитель- но выше, чем в тканевых, и составляет 0,2-0,5 м/с при сопро- тивлении запыленного слоя перед регенерацией 1000-2000 Па.
Степень очистки может достигать 95-98%. Регенерация осу- ществляется обычно путем обратной продувки в сочетании с вибровстряхиванием.
Рис.1.17. Фильтр с движущимися слоями зернистого материала: 1 – короб для подачи свежего зернистого материа- ла: 2 – питатели; 3 – фильтрующие слои; 4 – затворы; 5 – ко- роб для вывода зернистого материала
Зернистые жесткие фильтры. В этих фильтрах зерна прочно связаны друг с другом в результате спекания, прессо- вания или склеивания и образуют прочную неподвижную сис- тему. К ним относятся: пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы. Фильтры устойчивы к высокой темпе- ратуре, коррозии и механическим нагрузкам и применяются

40 для фильтрования сжатых газов. Недостатки таких фильтров: высокая стоимость, большое гидравлическое сопротивление и трудности регенерации, которую проводят четырьмя способа- ми: 1) продуванием воздухом в обратном направлении; 2) про- пусканием жидких растворов в обратном направлении; 3) про- пусканием горячего пара; 4) простукиванием или вибрацией трубной решетки с элементами.
В целом фильтры всех рассмотренных типов имеют дос- таточно хорошие показатели эффективности. Так, степень очистки большинства фильтров в среднем достигает 99,5%, в том числе для пыли малых размеров (d
50

3 мкми т.п.). Кон- центрации пыли на входе в фильтровальные аппараты могут быть достаточно высоки. Для зернистых фильтров они макси- мальны и могут достигать значений до 100 г/м
3
. Хотя у зерни- стых фильтров, как правило, меньшая эффективность (не пре- вышает 99%), но эти аппараты более высокопроизводительны
(производительность до 20-25 м
3
/(м
2
∙мин)).
Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества – сравнительная низкая стои- мость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недос- татки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление, износ фильтрующего материала.
1.6. ОЧИСТКА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ МЕТОДОМ
ЭЛЕКТРОФИЛЬТРАЦИИ
1.6.1. ПРИНЦИП МЕТОДА ЭЛЕКТРОФИЛЬТРАЦИИ ГАЗОВ
При пропускании запыленного газового потока через сильное электрическое поле частицы пыли получают электри- ческий заряд и ускорение, заставляющее их двигаться вдоль силовых линий поля с последующим осаждением на электро- дах.
При подаче напряжения на обкладки плоского конденса- тора (рис. 1.18) в цепи возникает незначительная сила тока, ко-

41 торая с повышением напряжения сначала немного увеличива- ется, а затем сохраняет постоянное значение, называемое то- ком насыщения. Это объясняется тем, что при постоянном уровне ионизации газа в движение приходят все имеющиеся в газовом промежутке ионы.
При некотором критическом значении приложенного на- пряжения кинетическая энергия движущихся ионов достигает такой величины, при которой, сталкиваясь с нейтральными молекулами, они расщепляют последние на положительные и отрицательные ионы.
Рис.1.18. Ионизация газа в электрическом поле плоского конденсатора: а – схема включения: б – вольтамперная характеристика. 1 – плоский конденсатор; 2 – источник выпрямленного тока; 3 – регулятор напряжения; 4 – выключатель
Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем и в свою очередь ионизируют новые молекулы газа. Процесс ионизации приобретает цепной характер и называется ударной ионизацией.
Как известно, между обкладками плоского конденсатора электрическое поле однородно, т.е. напряженность поля во всех точках сохраняет постоянную величину. Вследствие это- го ударная ионизация протекает одновременно во всех точках межэлектродного промежутка и сила тока мгновенно возрас- тает – наступает дуговой разряд (пробой).

42
Поэтому в однородном электрическом поле нельзя осу- ществить ударную ионизацию, т.е. массовую генерацию ио- нов, так как ее будет сопровождать пробой межэлектродного промежутка.
Однако чтобы сообщить частицам пыли заряд, необхо- димо непрерывно генерировать большое количество ионов.
Эта задача может быть решена только при организации удар- ной ионизации в неоднородном электрическом поле. При по- даче напряжения на обкладки цилиндрического конденсатора напряженность поля вблизи центрального электрода будет значительно больше, чем у внешнего.
При повышении приложенного напряжения сначала, как в плоском конденсаторе, устанавливается ток насыщения. Далее с возрастанием напряжения вблизи центрального провода
(внутреннего электрода) напряженность поля достигает кри- тической величины, соответствующей началу ударной иони- зации.
По мере роста напряжения область ударной ионизации расширяется и сила тока, проходящего через межэлектродный промежуток, повышается (рис.1.19). Этот участок (1-2) диаг- раммы соответствует так называемому коронному разряду, при котором генерация ионов достаточна для осуществления зарядки пылевых частиц при отсутствии пробоя межэлектрод- ного промежутка. При дальнейшем повышении напряжения область коронного разряда настолько увеличивается, что про- исходит дуговой разряд (пробой).
После появления короны в электрическом поле цилинд- рического конденсатора образуются две области, отличаю- щиеся друг от друга. В области короны происходит генерация ионов обоих знаков и свободных электронов. При отрицатель- ной полярности коронирующего электрода под действием сил электрического поля положительные ионы движутся к коро- нирующему электроду и нейтрализуются на нем. Отрицатель- ные ионы и свободные электроны движутся через внешнюю зону (область) коронного разряда к положительно заряженно- му цилиндрическому электроду и отдают ему свой заряд.

43
Рис.1.19. Зависимость силы тока от напряжения в цилиндрическом конденсаторе
Так как корона занимает сравнительно небольшой объем в непосредственной близости к проводу, то основная часть межэлектродного промежутка заполнена только отрицатель- ными ионами и свободными электронами, движущимися к ци- линдрическому электроду.
Коронный разряд может быть получен не только в цилин- дрическом конденсаторе, но и при другом взаимном располо- жении электродов, обеспечивающем образование неравномер- ного электрического поля, В практике широко применяют кон- струкции, в которых неоднородное электрическое поле созда- ется расположением ряда коронирующих электродов между параллельными плоскостями.
Внешними проявлениями коронного разряда являются слабое голубовато-фиолетовое свечение вокруг коронирующе- го электрода, негромкое потрескивание, а также запах озона и оксидов азота, если разряд происходит в атмосферном возду- хе. В зависимости от полярности коронирующего электрода корона может быть положительной и отрицательной. Начало коронирования и дуговой разряд в воздухе в случае отрица- тельной короны происходят при более высоких напряженно- стях поля, чем в случае положительной короны.
Во внутренней зоне коронного разряда в равном количе- стве образуются ионы положительного и отрицательного зна- ков. Положительные ионы заряжают частицы пыли, проходя-

44 щие во внутренней зоне коронного разряда, и нейтрализуются на отрицательном коронирующем электроде. Отрицательные ионы через внешнюю зону коронного разряда движутся к оса- дительному электроду, заряжают частицы; движущиеся в ме- жэлектродном промежутке, и нейтрализуются на положитель- ном осадительном электроде. Ввиду того, что объем внешней зоны коронного разряда во много раз больше объема внутрен- ней зовы, основная масса частиц пыли получает заряд отрица- тельного знака. Поэтому основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде и лишь относительно небольшая часть – на отрицательном коронирующем электро- де.
Ионы абсорбируются на поверхности пылинок, а затем под действием электрического поля они перемещаются и оса- ждаются к осадительным электродам. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит по двум механизмам: воздейст- вием электрического поля (частицы бомбардируются ионами, движущимися в направлении силовых линий поля) и диффу- зией ионов. Первый механизм преобладает при размерах час- тиц более 0,5 мкм, второй – менее 0,2 мкм. Для частиц диа- метром 0,2-0,5 мкм эффективны оба механизма.
Принципиальная схема электрофильтра– аппарата для электрической очистки газа приведена на рисунке 1.20.
Основными элементами устройства электрофильтров яв- ляются электроды – коронирующие и осадительные. Корони- рующие электроды изолированы от земли, к ним подводится выпрямленный ток отрицательной полярности. Осадительные электроды, напротив, заземлены и подключены к положитель- ному полюсу.
Осадительные электроды расположены не на корпусе и не отождествляются с корпусом. Обычно это отдельные элемен- ты в виде пластин или цилиндрических и шестигранных труб.
Коронирующие электроды выполняются в виде тонкой прово- локи.

45
Процесс электрической очистки газов в электрофильтре можно условно разделить на три стадии: зарядка частиц аэро- золя; движение заряженных частиц к электродам; осаждение частиц на электродах с последующим механическим выделе- нием из зоны очистки. Заряд частиц формируется обычно в первую 0,1 секунду контакта с неоднородным электрическим полем.
На процесс осаждения частиц влияют многочисленные фак- торы: проводимость и размер частиц, скорость, температура и влажность газа, состояние поверхности электрода и т. д. Функ- циональную зависимость, описывающую влияние всех этих фак- торов на процесс осаждения, установить пока не удалось.
Наиболее важное значение для хода процесса осаждения частиц пыли на электродах имеет электрическое сопротивле- ние слоя пыли, по величине которого пыль можно разделить на три группы:
1. пыли с малым удельным электрическим сопротивлени- ем (<10 4
Ом·см), которые при соприкосновении с осадитель- ным электродом практически мгновенно теряют свой заряд и
Рис.1.20. Принципиальная схема электрофильтра:
а – трубчатый электрофильтр; б – пластинчатый электрофильтр.
1 – осадительный трубчатый электрод; 2 – коронирующий электрод с натяжным грузом; 3 – осадительный электрод пла- стинчатый; 4 – источник высоковольтного питания
Газ
Газ
4 1
3 2
2 4
а
б

46 перезаряжаются, приобретая заряд, соответствующий знаку электрода. Вследствие этого между частицей и электродом возникает отталкивающая сила, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток, которой противодействует только сила адге- зии. В большинстве случаев последняя оказывается недоста- точной для удержания частицы, и возникающий вторичный унос резко снижает эффективность осаждения;
2. пыли с удельным сопротивлением 10 4
-10 10
Ом·см, хо- рошо осаждающиеся на электродах и легко удаляемые встря- хиванием, не вызывающие трудностей при эксплуатации элек- трофильтра;
3. пыли с удельным электрическим сопротивлением
>10 10
Ом·см, которые труднее всего улавливаются в электро- фильтрах. В этом случае оседающие на электроде частицы раз- ряжаются медленно. В результате на электроде образуется слой отрицательно заряженных частиц, который непрерывно увеличивается за счет вновь осаждающихся частиц и поджи- мается силой поля. С некоторого момента образующееся элек- трическое поле слоя препятствует осаждению новых частиц и эффективность электрофильтра начинает снижаться.
На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. Наличие в очищенных газах десятых и сотых долей процента SO
2
и NH
3
значительно улуч- шает электрическую проводимость пыли.
При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухуд- шению улавливания пыли. С повышением температуры газов возрастает их вязкость и объем, а, следовательно, увеличивается скорость потока в электрофильтре, что снижает степень обеспы- ливания. С увеличением скорости газа возрастает так называе- мый вторичный унос.
Достоинствами электрофильтров являются сравнительно малая энергоемкость, большая пропускная способность и воз- можность применения при температурах до 400

С (при специ- альном выполнении электрофильтров – до 500

С и выше). Не-