Осаждение аэрозольных частиц в электрическом поле

Осаждение взвешенных в газе твердых и жидких частиц под действием электрического поля имеет преимущества по сравнению с другими способами осаждения. Действие электрического поля на заряженную частицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаждении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и благодаря этому осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.

Принцип электрической очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц в поле коронного разряда с последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием электрического поля.

Физическая сущность электроосаждения состоит в том, что газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют, при этом содержащиеся в газе частицы приобретают электрический заряд. Зарядка частиц в поле коронного разряда происходит под воздействием электрического поля и вследствие диффузии ионов. Максимальная величина заряда частиц размером более 0,5 мкм пропорциональна квадрату диаметра частиц, а частиц размером меньше 0,2 мкм - диаметру частиц.

Коронный разряд возникает в неоднородном электрическом поле у поверхности электродов с малым радиусом кривизны. Различают зону ионизации газа небольшой протяженности (собственно корону) и внешнюю зону коронного разряда. В зоне короны, где напряженность поля очень велика, ионы, содержащиеся в газе, перемещаются по направлению силовых линий поля и разгоняются настолько, что, столкнувшись с нейтральными газовыми молекулами, выбивают из них несколько внешних электронов. При этом возникают новые положительные и отрицательные ионы.

Если в электрическом поле между коронирующим (отрицательным) и осадительным (положительным) электродами (рис. 6.12) создать определенное напряжение, то носители зарядов, т.е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

При прохождении ионизированного потока газа в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы под действием электрического поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.

Образующиеся в процессе лавинообразной ударной ионизации ионы, имеющие заряд того же знака, что и потенциал коронирующего электрода, притягиваются к противоположно заряженному осадительному электроду, устремляясь во внешнюю зону ионизации. Сталкиваясь здесь с пылевыми частицами, ионы сообщают им свой заряд, вследствие чего эти частицы также начинают притягиваться к осадительному электроду. Скорость движения пылевой частицы к электроду зависит в значительной мере от величины полученного ею заряда, которая, в свою очередь, определяется действующими на газовые ионы вблизи частицы силами, связанными с внешним полем, поляризацией частиц, электростатическим притяжением и отталкиванием одноименных зарядов.

Рис. 6.12. Конструктивная схема электродов для процесса пылеочистки:

а - электрофильтр с трубчатыми электродами; б - электрофильтр с пластинчатыми электродами;

1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды

Если создать на электродах разность потенциалов 4...6 кВ/см и обеспечить плотность тока 0,05...0,5 мА/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобождается от взвешенных частиц.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электрическую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов - закон Кулона выражается формулой

(6.64)

где k - коэффициент пропорциональности; (Q₁, Q₂ - величины взаимодействующих точечных зарядов; ε - безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды (для вакуума ε= 1); r - расстояние между зарядами.

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент к в СИ принимают k = 1/4πε₀; здесь ε₀ - электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу (6.64):

(6.65)

где ε₀ = 8,85 · 10^-12 Кл²/(Н · м²).

Пыль с малой электрической проводимостью вызывает явление обратной "короны", которое сопровождается образованием положительно заряженных ионов, частично нейтрализирующих отрицательный заряд частиц, вследствие чего они теряют способность перемещаться к осадительному электроду и осаждаться. На проводимость пыли оказывает влияние состав газа и пыли. С повышением влажности газов удельное электрическое сопротивление пыли снижается. При высоких температурах газа понижается электрическая прочность межэлектродного пространства, что приводит к ухудшению улавливания пыли.

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину - напряженность поля Е. Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на одиночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Напряжение поля на расстоянии l между двумя точками поля

(6.66)

где U - напряжение, приложенное к электродам.

Величину заряда Q (Кл), приобретаемого проводимой частицей сферической формы под воздействием электрического поля, рассчитывают по формуле

(6.67)

где d_ч - диаметр частицы; Е - напряженность электрического поля коронного разряда.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, можно определить по формуле

(6.68)

где Е - напряженность электрического поля. В/м; r_ч - радиус частицы, м; μ₀ - динамическая вязкость газа (воздуха), Па · с.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле

(6.69)

Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды.

Величина w_ч изменяется с изменением расстояния х между электродами:

Время осаждения частицы может быть найдено из уравнения

(6.70)

где L - расстояние от оси коронирующего электрода до поверхности осадительного электрода; R₁ - радиус коронирующего электрода.

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть определена по формуле, полученной теоретическим путем:

(6.71)

где w_д - скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с; f - удельная поверхность осаждения, т.е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1 м³/с очищаемого газа (воздуха), м²/(м³/с).

Электрическое осаждение может происходить также в результате взаимодействия зарядов, образующихся на волокнах пористого фильтра, с нейтральными пылевыми частицами. Заряженное волокно создает вокруг себя неоднородное электрическое поле. Частицы поляризуются этим полем и притягиваются к поверхности волокна. Электрическое осаждение усиливается с увеличением размеров частиц и уменьшением толщины волокон. Электрические заряды на волокнах в большинстве случаев нестабильны и быстро исчезают вследствие проводимости волокна и под влиянием влажности.

Оценка эффективности пылеулавливания

При оценке эффективности пылеулавливания принимают во внимание:

общую эффективность обеспыливания, или количество уловленной пыли по отношению к количеству пыли, содержащейся в обеспыливаемом газе;

фракционную эффективность, определяющую полноту улавливания частиц определенных размеров; ее выражают процентом уловленных частиц пыли определенных размеров;

остаточное ОГЛАВЛЕНИЕ пыли в очищенном газе; распределение остатка пыли в газе по размеру частиц или скорости витания.

Основным показателем, характеризующим процесс очистки воздуха от пыли в тех или иных конкретных случаях их применения, является коэффициент (степень) очистки (эффективность обеспыливания), %:

(6.72)

где М_ул, М_вх и М_вых - масса уловленных частиц пыли, а также содержащихся в газе соответственно до и после очистки.

При наличии дисбаланса по газу расходы газа пересчитывают на стационарные условия (t = 20 °С, Р = 101 кПа, или 760 мм рт. ст.), а коэффициент очистки (%) определяют по формуле

(6.73)

где C_вх и С_вых - средние концентрации частиц в газах соответственно до и после очистки (мг/м³); V_вх и V_вых - объемные расходы соответственно поступающих и выходящих газов.

Если объемные расходы газа до и после очистки равны (V_вх = V_вых), то выражение (6.73) примет вид (%)

(6.74)

Общий коэффициент очистки недостаточно полно отражает уровень совершенства процесса пылеулавливания при работе на пылях разной дисперсности.

Степень совершенства пылеулавливания характеризуют достигаемые фракционный и парциальный коэффициенты очистки.

Фракционная эффективность показывает долю уловленной пыли по каждой фракции. Фракционный коэффициент равен отношению количества уловленной пыли данной фракции M_ф.ул к количеству исходной пыли той же фракции M_ф.вх (%):

(6.75)

где φ - доля массы пыли данной фракции в общем количестве пыли в воздухе.

Общую эффективность процесса пылеулавливания η определяют по фракционной эффективности следующим образом:

(6.76)

где M_ф1, M_ф2, ..., M_фn - масса пыли соответствующих фракций, поступившей в аппарат; η_ф1, η_ф2, ..., η_фn - фракционная эффективность улавливания по данной фракции.

Отношение количества пыли данной фракции ко всей исходной пыли М выражается так:

(6.77)

После преобразования получим значение общей эффективности очистки

(6.78)

или в процентах

(6.79)

Парциальный коэффициент очистки используется реже и равен отношению количества уловленных частиц данного размера М_п.ул к количеству исходных частиц M_п.вх (%):

(6.80)

где φ_п - доля частиц данного размера.

При последовательном пылеулавливании в несколько стадий (каскадная, или многоступенчатая очистка), применяемом для более полного обеспыливания воздуха, суммарная эффективность очистки (%) определяется по формуле

(6.81)

где η₁, η₂, ..., η_n; - эффективность очистки каждого из аппаратов, входящих в каскад (в долях единицы).