Заряд и осаждение частиц в электрическом поле

 

Если в газовую среду поместить электроды с поданным на них напряжением, то под влиянием электрического поля некоторое количество находившихся в среде заряженных частиц двигается в этом поле. Вызванный движением частиц электрический ток очень мал. Этот ток существенно увеличится, если в газе возникнет ионизатор, обуславливающий резкое увеличение числа ионизированных частиц. Одним из таких ионизаторов является коронный разряд, возникающий в неоднородном электрическом поле. Такое поле имеет место в системе двух коаксиальных электродов, если их радиусы резко отличаются по значению. Причем диаметр внутреннего (коронирующего) электрода много меньше диаметра внешнего (осадительного).

 

 

Рис.7.1. Вольтамперная характеристика системы электродов (U_п – пороговая разность потенциалов)

 

Если на коронирующий и осадительный электроды подать напряжение и постоянно повышать его, то между ними при определенном значении напряженности электрического поля возникает электрический разряд, имеющий вольтамперную характеристику, показанную на рис.7.1. На участке характеристики аб ток увеличится при повышении U, что связано с возникновением новых носителей зарядов. При дальнейшем увеличении U и достижении начального напряжения между электродами возникает коронный разряд (участок бв). Начальную напряженность короны для цилиндрического коронирующего электрода определяют по формуле Пика:

(7.3)

где – относительная плотность воздуха (Р – давление, Па; Т – температура, К; r_о – радиус коронирующего электрода.

Уравнение вольтамперной характеристики для любой системы электродов и для любой короны имеет вид

(7.4)

где C₁ – постоянная величина для данной системы электродов.

Линейную плотность тока короны для системы "электроды коаксиальные цилиндры" определяют по формуле Таунсенда:

(7.5)

Дальнейшее, увеличение напряжения между электродами приводит к пробою межэлектродного промежутка и переходу к искровому разряду (участок вг), который в дальнейшем может трансформироваться в дуговой разряд (правее точки г). Электрофильтры обычно работают в режиме, соответствующем активной короне (участок бв), рис. 7.1. Из приведенных соотношений следует, что распределение электрического поля внутри системы электродов и значение проходящего между ними тока зависят от свойств газа, его температуры и влажности. Напряженность электрического поля вдоль радиуса системы коаксиальных электродов в точке х от центра

где U – напряжение между электродами.

Качественная картина такого распределения показана на рис.7.2.

 

 

Рис.7.2. Распределение напряженности электрического поля между коаксиальными электродами

 

Среда, подвергаемая электростатической очистке (двухфазная смесь – газ и твердые частицы, газ и капли жидкости и т.д.), пропускается через межэлектродный канал. При этом на твердую или жидкую фазу смеси воздействует электрическое поле. Процесс заряда частиц в ионом поле коронного разряда заключается в том, что под действием электродинамических сил на частице постепенно накапливается некоторое количество элементарных зарядов. Процесс сосредоточения зарядов на частице протекает не мгновенно, и в отдельных случаях для получения максимального заряда частицы необходимо значительное время.

Ионы оседают на поверхность частицы благодаря действию следующих сил. Силы внешнего электрического поля, часть силовых линий которого пересекает поверхность частицы. Движущиеся по ним ионы сталкиваются с частицей и удерживаются на ее поверхности за счет сил зеркального отображения.

Силы поляризации частицы во внешнем поле. Это приводит к искривлению силовых линий результирующего (внешнего и поляризационного) поля и увеличению числа линий, пересекающих поверхность частицы. На частицу попадают те ионы, которые в ее отсутствие не пересекали бы области, ограниченной поверхностью частицы. Силы зеркального отображения действуют на частицы и ионы, движущиеся вблизи поверхности. Под ее воздействием еще некоторое количество ионов оседает на поверхности частицы. Силы, обусловленные поглощающим действием поверхности частицы. Поэтому концентрация ионов вблизи частицы окажется меньше чем вдали. Заряженная частица к тому же создает отталкивающее кулоновское поле, которое имеет максимальное значение вблизи её поверхности. Вследствие наличия градиента концентрации возникает диффузия ионов к частице, стремящаяся выравнивающая концентрацию ионов. В результате часть ионов сможет осесть на частице.

Перечисленные силы заставляют ион двигаться к поверхности частицы. Этому движению препятствует сила отталкивания между ионами, осевшими на частицу, и ионами, приближающимися к ее поверхности. Зарядка, очевидно, прекратится в тот момент, когда отталкивающая сила равна сумме всех притягивающих. Мгновенный заряд проводящей сферической частицы радиусом r в поле короны

(7.6)

где е – заряд электрона; n – концентрация ионов; t – время зарядки; k – подвижность ионов; ε_о – диэлектрическая постоянная.

Предельный заряд проводящей частицы

(7.7)

Уравнение (7.6) определяет кинетику зарядки проводящей частицы в поле коронного разряда напряженностью Е_k.

При зарядке диэлектрических частиц в поле коронного разряда (в отличие от проводящих частиц) заряд может не распределяться на поверхности частицы по определенному закону, обеспечивающему отсутствие электрического поля внутри частицы. Плотность заряда на поверхности диэлектрической частицы определяется лишь количеством ионов, осевших в данной точке ее поверхности. Зарядка частицы продолжается до тех пор, пока к ней присоединяются ионы. С увеличением времени зарядки и числа, осевших на частице, ионов растет напряженность электрического поля, создаваемое заряжающейся частицей и направленная навстречу основному полю. В результате этого уменьшается скорость зарядки частицы за счёт уменьшения скорости движения очередных ионов к частице. При равенстве напряженностей электрических полей: создаваемого заряженной частицей, и внешнего - частица перестанет заряжаться, поскольку на нее перестанут оседать новые ионы. В этот момент диэлектрическая частица имеет предельный заряд

(7.8)

где Е_σ – напряженность электрического поля в той точке, где частица получает свой заряд,

Движение заряженной частицы в электрическом поле. На твёрдую или жидкую частицу, движущуюся с потоком газа в электрическом поле, действуют силы: сила тяжести F_g = m·g, сила, обусловленная воздействием электрического поля на заряженную частицу F_k = E_q. С учётом (7.8)

(7.9)

Сила, обусловленная неравномерностью напряженности электрического поля

(7.10)

Сила, обусловленная воздействием поля на взвешенную заряженную частицу, во много раз больше силы, возникающей из-за неравномерности электрического поля. Поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь.

Сила сопротивления среды движению частицы F_е всегда имеет место при относительном движении среды и частицы и отсутствует только в вакууме. При обычных атмосферных условиях эта сила оказывает существенное влияние и определяет установившуюся скорость движения. Нахождение этой силы в различных условиях является одной из основных задач при расчете скорости частицы. Для шарообразных частиц при их равномерном движении относительно среды со скоростью v силу сопротивления среды движению частицы определяют по формуле Стокса:

F_с = 6·π·μ·v·а, (7.11)

где μ – коэффициент динамической вязкости среды. ; а – радиус частицы.

Сила взаимодействия рассматриваемой частицы с другими находящимися поблизости частицами. Это воздействие может быть электрическим и гидравлическим.

Сила, вызванная электрическим ветром. Двигаясь под действием электрического поля, поток ионов оказывает механическое воздействие на молекулы газа, находящиеся на его пути. При этом возникает движение газа, известное под названием электрического ветра. Скорость частицы в газе зависит от скорости электрического ветра. Учитывать электрический ветер следует лишь при скорости газа порядка 1

В общем случае траектория заряженной частицы в элек­трическом поле может быть описана векторным уравнением:

(7.12)

где m – масса частицы; – ее ускорение; ∑F – векторная сумма всех перечисленных сил, воздействующих на частицу.

Электроосаждение заключается в том, что в газе имеются заряженные частицы твердого вещества и капельки жидкости. Очистка газа происходит за счет поглощения капельками жидкости частиц твердого вещества с последующим выведением суспензии из очистительного агрегата. Между капельками жидкости и частицами вещества действуют следующие силы:

(7.1З)

где q_ч, q_k – заряды частицы и капли соответственно, Кл; r – расстояние между ними, м.

Сила индукции между зарядами на капле и индуцированным зарядом на частице:

(7.14)

Сила индукции между зарядом на частице и индуцированным зарядом на капле:

(7.15)

В этих уравнениях d_ч, d_к – диаметры частицы и капли соответственно, м.

Сила взаимодействия между униполярно заряженными частицами:

(7.16)

где n – концентрация униполярно заряженных частиц.

Электроосаждение аэрозольных частиц происходит в том случае, если силы притяжения между каплей и частицей больше возникающих между ними сил отталкивания.

Электрофильтры

 

Большое значение в этом процессе имеют физические характеристики вещества: проводимость, диэлектрическая проницаемость, плотность и т.д. На процесс осаждения кроме физиче­ских свойств частиц влияют и другие факторы: скорость потока газа, режим встряхивания осадительного электрода, температура, влажность и состав газа, размеры и форма частиц, степень чистоты осадительного электрода, обратная корона. Особенно сложно протекает процесс улавливания в смеси из проводящих и непрово­дящих частиц.

В простейшем случае осаждение частиц происходит, когда осадительный электрод представляет собой чистую зеркальную поверхность, закрепленную неподвижно, а в поле находятся сферические частицы, силы, сцепления которых равны нулю. Улавливание происходит в воздухе при нормальных условиях полем электрофильтра и полем осевших частиц. Частицу и осадительный электрод можно рассматривать как конденсатор, заряженный до напряжения U = φ – φ₀ (φ – потенциал частиц; φ₀ – потенциал стенки, в рассматриваемом случае φ₀ = 0).

При соприкосновении со стенкой частица разряжается. Скорость разряда можно определить по формуле

(7.17)

где R = r₁ + r₂ + r₃ (r₁, r₂, r₃ – соответственно внутреннее, поверхностное и контактное сопротивление частицы, Ом); С – емкость конденсатора, Ф.

Из (7.17) следует, что при удержании частицы на стенке осадительного электрода важную роль играет ее проводимость, При высокой проводимости частица разряжается чрезвычайно быстро. Если сила, действующая на частицу со стороны внешнего поля, окажется равной нулю и если при этом пренебречь силами сцепления, то частица потоком газа будет сорвана с электрода. Отсюда следует, что в идеальном электрофильтре проводящую частицу удержать принципиально невозможно. Если же проводимость частицы мала, то разряжается она медленнее. В любой момент времени на ней будет находиться заряд, и частица окажется прижатой к электроду.

Устройство и принцип действия электрофильтра. Электрофильтр, как агрегат, состоит из следующих элементов (рис.7.3): система подготовки газов для подачи в электрофильтр, в которую входят устройства для увлажнения газа и выравнивания профиля скоростей. Источник питания - повышающий трансформатор в комплекте с регулирующим автотрансформатором и высоковольтным выпрямителем.

 

 

Рис. 7.3. Принципиальная схема электрофильтра: 1 – регулирующий автотрансформатор; 2 – повышающий трансформатор; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – кабель с ограничительным сопротивлением; 5 – изолирующий ввод; 6 – коронирующий электрод; 7 – осадительный электрод (корпус);

8 – механизм встряхивания; 9 – бункер, 10 – газ запыленный, 11 – газ очищенный, 12 – осадок

 

Процесс воздействия поля на частицу вещества в электрофильтрах включает две стадии: 1) предварительная бесконтактная зарядка частиц; 2) осаждение частиц за счёт кулоновского взаимодействия их зарядов с электрическим полем. Принцип действия электрофильтра заключается в следующем. От источника питания через изолирующий ввод на коронирующий электрод и осадительный электрод подается высокое напряжение постоянного тока. Между электродами возникает резко неоднородное электрическое поле. Необходимая разность потенциалов U_o для возникновения коронного разряда в электрофильтре определяется по известному значению Е_о (см. формулу 7.3) для соответствующей системы электродов. По мере повышения напряжения после возникновения коронного разряда ток быстро возрастает. При дальнейшем по­вышении напряжения коронный разряд может перейти в искровой. Рабочий токи в электрофильтре составляют порядка 0,1-0,5 длины электрода.

При достижении разности потенциалов между электродами электрофильтра 50-80 кВ напряженность электрического поля способна сообщить свободным электронам и ионам газа скорость выше критической. Энергия таких электронов становится достаточной для ударной ионизации нейтральных частиц. Образующиеся при этом ионы и свободные электроны разгоняются электрическим полем до критических скоростей и ионизируют, в свою очередь, другие атомы и молекулы. Этот процесс нарастает лавинообразно. Подобная ионизация называется коронированием. После образования короны в электрофильтре возникают две различные зоны. Одна из них расположена вокруг коронирующего электрода. Она заполнена положительными и отрицательными заряженными ионами и электронами. Вторая зона занимает про­странство между короной и осадительным электродом. Она заполнена только отрицательными ионами и электронами. Поэтому при прохождении через полость электрофильтра запыленного газа большинство пылинок получают отрицательный заряд и направляются к положительному осадительному электроду 7. Осадительные электроды периодически встряхиваются специальными механизмами 8, осевшая на них пыль осыпается в бункер 9.

Электрическую энергию, необходимую для сепарации частиц из потока газа в электрофильтре, можно определить при рассмотрении процесса перемещения частицы в газе на расстояние l до осадительного электрода под действием силы F (так как необходимая для зарядки частицы энергия мала, то ею можно пренебречь). Эту работу определяют по закону Стокса, как силу сопротивления газовой среды движению сферической частицы:

A_n ~ F×l = 6 π×μ×а×ω_n×l, (7.18);

где μ – динамическая вязкость газов; а – радиус частицы; ω_n – скорость дрейфа частицы; l – расстояние.

Практически за счет создания непрерывного коронного разряда энергия, затрачиваемая в электрофильтре для выделения взвешенных частиц, в несколько раз больше, чем рассчитанная теоретически. Однако она значительно меньше мощности, расходуемой для выделения взвешенных частиц из газового потока в аппаратах газоочистки других типов.

Энергия, затрачиваемая для выделения взвешенных частиц из газового потока, пропорциональна току I, потребляемому электрофильтром, и напряжению U на его электродах: Р = I×U. Она может быть определена по формуле

(7.19)

где U_m – амплитудное значение напряжения, кВ; I_ср – среднее значение тока, потребляемого электрофильтром, A; I_ср = i_o×L (i_o – линейная плотность тока, ; k_ф – коэффициент формы кривой тока; η_э – КПД электроагрегата (η_э ≈ 0,8); cosφ = 0,7 – 0,75; P₁ – мощность, потребляемая механизмами встряхивания электродов, приводами обдувочных устройств, нагревательными и другими вспомогательными устройствами электрофильтров, кВт.

Эффективность электрофильтра повышается с ростом тока и амплитудного значения напряжения, поэтому необходимо стремиться к увеличению полезной мощности, затрачиваемой на работу электрофильтра. Ограничение потребляемой мощности ведет к небольшой экономии энергии, но сопровождается резким снижением степени очистки. Пыль, улавливаемая электрофильтром, часто представляет большую ценность, в ней содержатся серебро, медь, никель, цинк, свинец, магний и другие полезные материалы.

Социально-общественный гигиенический – эффект электрофильтров трудно переоценить, так как предприятия энергетической и металлургической промышленности выбрасывают в воздух огромное количество всевозможных газов, загрязняющих атмосферу и окружающую среду. Созданы и успешно эксплуатируются электрофильтры для очистки воздуха в животноводческих помещениях и на птицефермах с большой запыленностью и бактерицидной осемененностью. Они улавливают более 90% пылевых частиц с диаметром более 1 мк и 80% микроорганизмов, имея при этом производительность 350 – 420

Конструкция электрофильтра определяется технологиче­скими условиями работы (состав и свойства очищаемых газов и взвешенных частиц, а также температуры, давления и влажности очищенных газов). Электрофильтры подразделяются на одно – и двух зонные. В одно зонных электрофильтрах зарядка и осаждение частиц происходит в одной конструктивной зоне, в которой расположены коронирующая и осадительная системы. В двух зонных электрофильтрах зарядка и осаждение частиц происходит в двух конструктивных зонах. В первой – располагается коронирующая системе – ионизатор, во второй – осадительная система – осадитель.

По конструкции осадительного электрода электрофильтры подразделяются на трубчатые и пластинчатые. Трубчатый электрофильтр изготавливается из стальной трубы, называемой осадительным электродом. По оси трубы натянута проволока – коронирующий электрод. Пластинчатый электрофильтр собирается из ряда параллельных металлических пластин или частого ряда проволок, являющихся осадительными электродами. Между рядами осадительных электродов подвешивают проволочные коронирующие электроды.

Коронирующий электрод должен обладать:

- особой формой для создания интенсивного и достаточно однородного коронного разряда;

- механической прочностью и жесткостью для обеспечения продолжительной службы электродов в условиях вибрации и раскачивания под влиянием сил электрического поля, воздействия механизма встряхивания и движущегося газового потока;

- стойкостью в газовой среде, которая может иметь повышенную температуру и содержать агрессивные компоненты.

Конструкции коронирующих электродов подразделяются на две группы:

- электроды, которые не имеют фиксированных разрядных точек по их длине и при отрицательной короне точки разряда распределяются по поверхности электрода в зависимости от состояния этой поверхности и от режима работы электрофильтра;

- электроды с фиксированными точками разряда по их длине. В качестве таких точек на поверхности электрода расположены острия или шипы.

Для удаления с электродов уловленного продукта (если он не удаляется самотеком) в мокрых электрофильтрах используются брызгалки и форсунки, с помощью которых периодически или непрерывно промываются поверхности электродов. Коронирующие электроды промываются через надетые на них воронки, заполненные промывной жидкостью. В сухих электрофильтрах для удаления с электродов уловленного продукта применяют различные механические встряхивания.

Источники питания электрофильтров. В состав агрегата питания входят регулятор напряжения, повышающий трансформатор, выпрямитель и интегратор. По принципу действия среди них различают источники тока и источники напряжения. При питании фильтра от источника тока (автотрансформатор, магнитный усилитель с самонасыщением, тиристорный регулятор) ток короны практически остается постоянным, а выходное напряжение изменяется пропорционально сопротивлению нагрузки. При питании от источника напряжения (магнитный усилитель с последовательным, параллельным или смешенным соединением обмоток) ток короны сильно зависит от напряжения.

Системы регулирования aгpeгaтов питания электрофильтров снабжены устройствами, которые обеспечивают: автоматическое регулирование напряжения от U_min до U_max и поддерживают его в пределах пробивного и сниженного на заданное значение; ограничение энергии, выделяющейся при дуговых разрядах в электрофильтре (для предотвращения оплавления электродов), и минимальные перерывы в подачи питания, необходимые для гашения дуги при пробое; включение высокого напряжения только минимального значения; возможность повышения и понижения напряжения вручную; аварийное отключение агрегата; сигнализацию исправной работы агрегата и аварийного положения.

Агрегат (рис.7.4) состоит из повышенного выпрямительного блока с высоковольтным переключателем и панели управления. Блок включает в себя высоковольтный повышающий трансформатор Тр и высоковольтный выпрямитель Д, расположенный в общем баке, заполненном трансформаторным маслом.

 

 

Рис.7.4. Схема источника питания электрофильтра типа АИФ

 

Высоковольтный трансформатор питает электрофильтр Э через выпрямитель Д. Отрицательный полюс выпрямителя соединен с коронирующими электродами электрофильтра, а положительный полюс и осадительные электроды заземлены. Магнитный усилитель МУ, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, позволяет в широких пределах регулировать высокое напряжение за счет изменения тока подмагничивания. Во время работы регулятор напряжения Р, снабженный исполнительным механизмом, по команде блока управления БУ понижает или повышает напряжение на первичной обмотке трансформатора управления ТУ.

Со вторичной обмотки трансформатора управления через выпрямитель Д и согласующий реактор L выпрямленное регулируемое по величине напряжение подается в цепь подмагничивания магнитного усилителя МУ, чем регулируется напряжение высоковольтного трансформатора Тр. При отключении цепи подмагничивания напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до установленного минимума. Блок управления БУ представляет собой релейно-контактную систему, состоящую из контакторов, реле, а также защитной и сигнальной аппаратуры. Устройство обратной связи УОС получает импульс от датчиков – реле напряжения РН и реле тока РТ. Затем передаёт сигнал в блок управления БУ для воздействия на регулятор напряжения Р. Автоматическое регулирование электрических параметров процесса происходит следующим образом.

После подачи напряжения на панель управления система автоматики приводит аппаратуру агрегата в пусковое положение. Напряжение подается на высоковольтный трансформатор Тр, и регулятор Р начинает повышать напряжение на трансформаторе управления ТУ, увеличивая ток подмагничивания магнитного усилителя МУ. При этом повышается напряжение на высоковольтном трансформаторе Тр и на электродах электрофильтра. Повышение напряжения продолжается до максимально возможной величины или до возникновения электрических разрядов в электрофильтре.

При возникновении искровых разрядов напряжение на электрофильтре автоматически резко снижается, что приводит к снижению тока. После этого искровые разряды прекращаются. Если возникает устойчивая электрическая дуга, то срабатывает максимально-токовое реле РТ, и из-за резкого увеличения падения напряжения на магнитном усилителе отключается реле напряжения РН. В обоих случаях срабатывает соответствующее реле защиты и отключает в блоке управления контактор в цепи подмагничивания магнитного усилителя МУ. Напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до минимального значения, и возникшая дута гаснет.

При отсутствии пробоя в течение установленного времени соответствующее реле включает исполнительный механизм на повышение напряжения в цепи подмагничивания магнитного усилителя до напряжения пробоя, после чего процесс снижения и повышения напряжения повторяется.

В случае возникновения длительных электрических пробоев или коротких замыканий в электрофильтре, т.е. при большом числе циклов понижения напряжения, специальное реле отключает электроагрегат и включает световую и звуковую сигнализацию. Контроль работы агрегата осуществляется с помощью контрольно-измерительной аппаратуры и сигнальных ламп.

 

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: