ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Особенности работы электрофильтров при высокой концентрации дисперсной фазы

Эта проблема возникла в последние десятилетия в связи с необходимостью очистки газов от частиц всё меньшего размера. При одной и той же весовой концентрации происходит резкое увеличение счетной концентрации, что вносит существенные изменения в процесс осаждения частиц.

Во-первых, меняются условия и характеристики коронного разряда и, во-вторых, как следствие, изменяются условия зарядки и движения частиц. Из-за увеличения концентрации частиц их зарядка происходит при дефиците ионов. Кроме того, изменяется распределение напряженности поля, что непосредственно влияет на значение предельного заряда и скорость дрейфа частиц.

Особенности работы электрофильтров при высокой концентрации дисперсной фазы были рассмотрены в работах Г.З.Мирзабекяна. Однако проблема с определением заряда частиц в этих условиях не позволила создать методику расчета степени очистки газов с учетом влияния дисперсной фазы.

В данной главе представлены результаты разработки инженерной методики расчета степени очистки на основе простых физических представлений и с учетом результатов предшествующих работ.

Таблица 4

Результаты сравнительных испытаний эффективности релаксационного питания

 

Объект испытания Липецкий цемзавод Горнообогатительный комбинат ЮГОК Сланцевский цемзавод
Тип электрофильтра УГ-4-53 ПГДС-3-38 ПГДС-3-24
Тип агрегатов питания АУФ-400 АРС-250 АРС-250
Режим питания* 1 2 1 2 1 2
Скорость газа в активной зоне э/ф, м/с 1,8 1,8 2,0 2,0 1,2 1,2
Температура газов, °С
до электрофильтра
после электрофильтра

 

170
150

 

170
150

 

150
140

 

150
140

 

250
230

 

250
230
Запыленность газа, г/м3 при н.у.
до электрофильтра
после электрофильтра

 

28
0,78

 

30
0,56

 

3
0,32

 

3
0,25

 

56
0,68

 

56
0,27
Медианный диаметр частиц d50, 10-3м

- - 2-3 2-3 2,8 2,8
Степень очистки газов, % 97,22 98,14 89,30 91,67 98,78 99,53
Относительный пылеунос 1,49 1,29 2,56
Эффективная скорость дрейфа, м/с 0,088 0,098 0,078 0,086 0,098 0,121
Электрические параметры источника питания:
I поле напряжение, 103 В
ток нагрузки, 10-3 А
частота импульсов, Гц
35
15
-
40
5
70-100
30
150
-
34
70
100-120
49
30
-
53
40
100-150
II поле напряжение, 103 В
ток нагрузки, 10-3 А
частота импульсов, Гц
34
15
-
42
5
80-150
26
150
-
31
70
100-120
-
80
-
-
125
200-220
III поле напряжение, 103 В
ток нагрузки, 10-3 А
частота импульсов, Гц
36
20
-
42
10
100-150
25
135
-
30
80
100-120
-
80
-
-
120
200-220
IV поле напряжение, 103В
ток нагрузки, 10-3А
частота импульсов, Гц
30
25
-
39
10
100-150
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

*– режим питания: 1 – питание постоянным напряжением; 2 – релаксационный режим

 

Основным является утверждение о неизменности величины суммарного объемного заряда в промежутке при коронном разряде и наличии дисперсной фазы и при ее отсутствии. Заряды частиц несут как ионы, так и частицы золы. Так как их подвижности различаются на несколько порядков величины, то возможно «запирание» коронного разряда, когда весь заряд сосредоточен на частицах и ток коронного разряда очень мал.

По длине электрофильтра выделяются три зоны. В первой, занимающей небольшой участок от входа, происходит сравнительно быстрая зарядка частиц до величины qзап, когда все ионы осаждаются на частицах. Ток короны практически падает до нуля.

В зоне II из-за осаждения частиц их концентрация уменьшается, что приводит к частичному отпиранию тока короны и медленной подзарядке частиц таким образом, чтобы плотность объемного заряда частиц оставалась близкой к запирающей.

Начало зоны III соответствует условиям, когда заряд частиц начинает приближаться к предельному значению qпр. Выполненные нами расчеты показывают, что начало отпирания коронного разряда несколько опережает выход заряда на предельное значение. Это означает, что возможно существование ионного тока, хотя заряд не достиг еще предельной величины. Причиной является неравномерное распределение плотности ионного тока в промежутке и флуктуации в заряде частиц. Некоторый рост заряда происходит и после частичного отпирания коронного разряда вплоть до тока, приближающегося к Iмакс (при отсутствии влияния дисперсной фазы). Это явление связано также с изменением распределения объемного заряда в процессе отпирания коронного разряда. Это обстоятельство не принималось во внимание в предшествующих работах.

При дальнейшем осаждении частиц в электрофильтре их концентрация падает, происходит полное отпирание коронного разряда, ток стремится к предельной величине, а заряд частиц – к предельному значению.

Приближенный теоретический анализ запирания коронного разряда на основе допущения Дейча-Попкова свидетельствует, что влияние дисперсной фазы на характеристику коронного разряда определяется параметром D:

 

Степень недозарядки частиц ξ будет представлять собой:

 

ξ = q/(qпред.уд. + qпред.диф.) ,    (8)

 

Запирающее значение параметра D определяется при подстановке в (7) запирающего значения плотности заряда частиц. Получены выражения для Dзап в системах электродов «Коаксиальные цилиндры», «Ряд проводов между плоскостями», рассчитаны распределения поля.

Для системы «Ряд проводов между плоскостями»:

где U*= U/ U0.

Центральным моментом в разработке методики расчета степени очистки газов в электрофильтрах является определение степени недозарядки частиц ξ.

С точки зрения расчета степени очистки газов электрофильтр разбивается на две условные части: в первой имеет место запирание коронного разряда, во второй – влияние дисперсной фазы отсутствует. Рассматривается первый участок.

При запирании коронного разряда заряд частиц qзап близок к величине, определяемой по Dзап. Однако из–за различия условий зарядки в различных частях разрядного промежутка электрофильтра и уменьшения скорости зарядки вблизи порога запирания текущее значение заряда qтек оказывается меньше. Степень недозарядки предлагается определять как

ξ= qтек/qпред ,    (10)

где qпред – предельный заряд при отсутствии влияния дисперсной фазы;

qтек= Kд · qзап ,    (11)

где qзап – значения заряда частиц, при котором происходит запирание коронного разряда, Кд – коэффициент <1.

Из сопоставления экспериментальных и расчетных значений степени очистки можно принять Кд = 0,8.

Учитывая, что расчет электрофильтра при наличии запирания коронного разряда производится по участкам, степень очистки на каждом участке невелика, и поэтому нормативной методикой расчета пользоваться нельзя. Предложено использовать традиционную форму записи управления Дейча-Попкова. Влияние факторов, действующих в реальном электрофильтре, таких как подзарядка частиц у коронирующего электрода, неравномерность распределения скорости газа и концентрации частиц, вторичного уноса, неактивных зон учитывается с помощью соответствующих коэффициентов. Полидисперсный характер частиц пыли отражается на основании параметров логнормального распределения (среднего размера и дисперсии) различными величинами среднего, среднего квадратичного и среднего кубического радиусов частиц.

Для оценки значений напряженности в электрофильтрах общепромышленного назначения, которые соответствуют максимуму произведения максимального и среднего во времени значений напряжения, использовались многочисленные экспериментальные данные из соответствующих литературных источников. Они были обобщены и сопоставлены с полуэмпирическими формулами. Результаты согласуются с выводами главы 3.

Предложена методика расчета степени очистки газов на участке запирания коронного разряда, заключающаяся в том, что длина электрофильтра разбивается на элементы небольшой длины, в пределах которых степень недозарядки ξ принимается постоянной.

ξ = (0,8Dзап)/Dпред k ,    (12)

где Dзап определяется по (9), Dпред к – для k-того участка по (7) при ρ ч пред k = Nk · qпред.

Значение концентрации частиц в начале k-того участка рассчитывается по начальной концентрации и убыли концентрации частиц на предшествующих участках.

Степень очистки газов и, соответственно, уменьшение концентрации частиц на рассматриваемом участке рассчитывается по формуле Дейча-Попкова с учетом недозарядки частиц по (12).

Предложенная приближенная методика нуждается в экспериментальной проверке. К сожалению, данных об измерениях степени очистки газов в промышленных условиях при наличии запирания коронного разряда очень мало. Наиболее подходящими являются случаи очистки электрофильтрами газов после мартеновских печей при продувке ванны кислородом. Запыленность газа перед электрофильтром при продувке возрастает до 5–12 г/м 3, уменьшается размер частиц (dcp = 0,7–1,2 мкм), снижается влажность газа.

Показано, что нарушением в работе электрофильтров в этих условиях является запирание коронного разряда.

В качестве первого случая для анализа было выбрано применение электрофильтра ДГПН-55-3 на Череповецком металлургическом заводе для очистки газов за 600-тонной одноканальной мартеновской печью. Между печью и электрофильтром был установлен котел-утилизатор КУ-100, который обеспечивал стабильное снижение температуры газа перед электрофильтром до 240–260° С. Исследование системы газоочистки проводилось при продувке ванны кислородом от 3 до 6 тыс. м3/час.

Вторая серия расчетных случаев связана с применением для очистки газов после мартеновских печей электрофильтров типа ПГДС. Электрофильтр ПГДС (пластинчатый, горизонтальный, дымовой, с С-образными осадительными электродами) имеет ленточно-игольчатые электроды (шаг между иглами 80 мм при высоте игл 12 мм), содержит три поля длиной по 2,5 м каждое. Расстояние между осями осадительных электродов составляет 275 мм.

Схема газоочистки (Орско-Халиловский металлургический комбинат) включала между мартеновской печью и электрофильтром регенератор, котел-утилизатор типа КУ-100 и скруббер.

Выделено три режима работы электрофильтра ПГДС, отличающиеся количеством кислорода, подаваемого в ванну для продувки, и, соответственно, входной запыленностью и дисперсным составом.

Таблица 5

Параметры режимов электрофильтров

 

Тип э/ф Индекс режима d50,
мкм
Zвх,
г/м3
Скор.газа, м/с Zвых,
мг/м3
ηэкс ηр,
б/з
ηp
ДГПН-55-3 Б 1,32 5,3 1,24 150 0,968 0,983 0,967
ПГДС-70-3 А1 0,95

2,55 1,30 46,4 0,982 0,985 0,982
А2 1,10 2,58 1,32 28,2 0,988 0,990 0,988
А3 1,15 4,3 1,31 52,8 0,988 0,992 0,987

 

В результате расчета степени очистки газов по участкам в соответствии с предлагаемой методикой определены суммарные значения для различных электрофильтров в различных режимах (табл. 5). Запирание коронного разряда приводит к существенной недозарядке частиц в начальной части электрофильтра (ξ = 0,35 и менее). Особенно сильно влияние дисперсной фазы сказывается на проскоке частиц.

Из табл. 5 следует, что рассчитанные значения степени очистки совпадают полностью с экспериментальными данными.

В случае наиболее сильного влияния дисперсной фазы (режим Б) степень очистки меняется от 0,983 до 0,967, проскок частиц возрастает в 2 раза. Относительно небольшие изменения степени очистки определяются тем, что зона запирания коронного разряда ограничивается первым полем, а второе и третье поля работают в обычном режиме.

При определении показателей только для первого поля получаются более существенные изменения. Например, для первого поля электрофильтра ДГПН (режим Б) изменение степени очистки за счет запирания коронного разряда составляет от 0,743 до 0,51.

Учитывая особые условия очистки газов и то, что запирание коронного разряда встречается часто при улавливании мелкодисперсных капель в химической промышленности, в качестве объекта были выбраны трубчатые мокрые электрофильтры типа ЭТМ, установленные в очистном отделении производства серной кислоты Череповецкого ОАО «Аммофос». Концентрация частиц на входе составила 2,9 г/м3 3 при среднем геометрическом размере частиц 0,96 мкм.

Методика расчета степени очистки газов с учетом влияния дисперсной фазы была переработана применительно к трубчатым электрофильтрам. Скорректированы некоторые формулы и коэффициенты. Трубчатый электрофильтр более чувствителен к приближенному характеру оценки влияния дисперсной фазы, так как в нем отсутствуют неактивные зоны и вторичный унос.

Расчет электрофильтра ЭТМ при улавливании капель серной кислоты выполнен по участкам, скорость потока составляла 1,0 м/с, электрофильтр работал в режиме периодических пробоев (Ucp=43 кВ, Uмакс= 50 кВ). Подробная характеристика режима и параметров электрофильтра представлены в диссертации. Расчетная величина степени очистки ηрасч= 0,96 практически совпадает с экспериментальной ηэкс= 0,962, что еще раз свидетельствует о правомерности предлагаемой методики расчета степени очистки газа в электрофильтрах с учетом влияния высокой концентрации дисперсной фазы. Без учета влияния дисперсной фазы расчетная степень очистки в данных условиях составляет 0,976. Интересно отметить, что степень недозарядки частиц в начальной части поля электрофильтра составляет 0,5, что приводит к такому же уменьшению скорости дрейфа частиц.

Запирающее действие дисперсной фазы охватывает около 40 % длины электрофильтра. Почти полностью ионный ток замыкается через вторую половину длины электрофильтра (рис. 6).

Рис. 6. Распределение относительной плотности тока по длине электрофильтра ЭТМ

 

Рис. 7. Зависимость степени очистки газа (1) и проскока тумана кислоты (2) от скорости газа в электрофильтре ЭТМ

 

Существенным параметром, влияющим на степень очистки η и проскок частиц 1 – η , является скорость газа Vг , что иллюстрирует рис. 7. Для электрофильтров, работающих при сильном влиянии дисперсной фазы, характерна более сильная зависимость от скорости потока, чем для электрофильтров, работающих при малой концентрации частиц. С ростом скорости потока газа степень очистки уменьшается, а проскок растет.