ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Комбинированные электрофильтры

Существует ряд особых условий, например, улавливание высокоомных пылей, обеспечение очень малых значений выходной запыленности, когда применение электрофильтров приводит к громоздким решениям и выглядит неоправданным с технико-экономической точки зрения. Для использования в этих условиях предлагается комбинированный электрофильтр, состоящий из собственно электрофильтра и рукавного фильтра, расположенного последовательно по ходу газа.

В работе определена область применения комбинированного электрофильтра, установлены требования к каждому элементу, решены проблемы, связанные с разработкой конструкции аппарата.

Особенно успешным является применение комбинированных электрофильтров при улавливании высокоомных пылей, приводящих к обратной короне, когда другие методы борьбы с обратной короной не дают положительного результата. Отмечая, что последние поля электрофильтров работают при более низкой концентрации частиц, а для тканевых фильтров это наиболее благоприятные условия, можно сделать вывод, что для успешного решения задачи очистки газов до уровня, соответствующего современным требованиям, следует применить комбинированный электрофильтр, состоящий из 1–4 полей на входе и тканевого фильтра на выходе.

В распределении функций наиболее важным представляется определение диапазона входных и выходных концентраций, приходящихся на каждый из аппаратов.

Если иметь в виду, что концентрация частиц на выходе комбинированного фильтра должна быть 50 мг/м3 и менее, то, как показывают предварительные расчеты, концентрация частиц на входе в рукавный фильтр должна быть в пределах zвход = 5–12 г/м3, что соответствует степени очистки газов в рукавном фильтре – 99,9 % и более.

Допустим, что наибольшее значение массовой концентрации частиц на входе в комбинированный аппарат составляет до 100 г/м3, тогда на электрофильтр, как на первый элемент, приходится диапазон значений концентрации zвых = 5–12 г/м3. Соответствующие значения степени очистки равны 88–95 %.

Указанные значения степени очистки обеспечиваются в электрофильтрах общепромышленного назначения для пылей второй группы при 1–2 полях. Если улавливаются высокоомные пыли, то необходимо 2–4 поля.

Конечно, в том случае, когда входная концентрация пыли меньше 100 г/м3, то степень очистки, которую должен обеспечить электрофильтр, может быть уменьшена с соответствующим уменьшением необходимого числа полей.

Для указанных вариантов применения электрофильтров на ТЭС выполнен расчет активной длины. Степени очистки, времени пребывания и остаточной запыленности газа для достижения современных параметров выброса золы в атмосферу. В результате (табл. 3) количество полей в варианте 1 надо увеличить от 5 до 11, в варианте 2 – с 3 до 5 и в варианте 3 – с 4 до 7 полей. Резко возрастает общая длина аппаратов.

Применение комбинированных электрофильтров решает эту проблему, о чем свидетельствует расчет технико-экономических показателей различных вариантов установок пылеулавливания, результаты которого представлены в табл. 3.

На основании этих и других результатов, приведенных в диссертации, можно сделать вывод, что комбинированный электрофильтр имеет преимущество перед электрофильтром, если рукавный фильтр, входящий в состав комбинированного аппарата, заменяет 8 и более полей, небольшое преимущество – 7 полей и проигрывает при замене 4 и менее полей. При расчетах было принято, что срок службы фильтроматериала составляет 4 года и учтена стоимость запасного рукава для обеспечения срока службы 8 лет. При улучшении свойств ткани преимущества комбинированных аппаратов будут возрастать.

Наибольший экономический эффект при требуемой выходной запыленности дает применение комбинированного электрофильтра по сравнению с использованием только одного электрофильтра при улавливании высокоомной золы экибастузского угля (вариант 1). В варианте 3 приведенные затраты также несколько меньше для комбинированного электрофильтра, но это различие невелико. Наконец, в варианте 2, где проводится очистка газа от золы с благоприятными для улавливания свойствами в электрофильтре нового поколения типа ЭГВ с увеличенным межэлектродным расстоянием, комбинированный электрофильтр проигрывает по сравнению с электрофильтром ЭГВ. Следует отметить, что при обеспечении выходной запыленности 20–30 мг/нм3 и вариант 3 будет выгодным для применения комбинированного электрофильтра.

Обоснованы конструкция и параметры комбинированного электрофильтра. В качестве первого элемента используются электрофильтры нового поколения. По условиям работы они должны быть приспособлены для улавливания высокоомных пылей и при ограниченном числе полей должны обеспечивать степень очистки на уровне 85–95 %. Рекомендуется применять простые меры, связанные с регулированием величины и распределения плотности тока коронного разряда (затупление концов игл) и другие, обеспечивающие более редкую регенерацию рукавов в фильтре.

В настоящее время в мировой практике, в развитых индустриальных странах, имеется определенный опыт очистки дымовых газов в энергетике рукавными фильтрами. В перспективе предполагается расширение их использования в комбинированных электрофильтрах.

Представлен подробный анализ опыта конструирования и эксплуатации рукавных фильтров и перспектив их применения в комбинированных аппаратах. Особенностью их использования для очистки дымовых газов являются очень большие объемы очищаемых газов, значительные концентрации золы и требуемый длительный срок эксплуатации до останова на ремонт или замену рукавов.

От выбора фильтровального материала зависят эффективность пылеулавливания, гидравлическое сопротивление, производительность, срок службы, стоимость. К настоящему времени разработано большое количество фильтровальных тканей. Степень очистки газа в рукавных фильтрах высокая и составляет 99–99,9 %. Удельная газовая нагрузка является важным показателем, определяющим срок службы материала. Мировая практика показывает, что оптимальная удельная газовая нагрузка в общепромышленных фильтрах находится в пределах от 0,25 до 2,5 м32мин.

Гидравлическое сопротивление фильтра растете по мере осаждения золы в нем. Это определяет необходимость регенерации фильтровального материала.

В результате анализа для использования в комбинированных аппаратах рукавных фильтров необходимо исходить из следующего:

– Термостойкость материала должна быть не менее 200° С. Этому требованию соответствуют тефлоновые, полиамидные и фильтроматериалы на основе стекловолокна. Но следует иметь в виду, что пока не накоплен достаточный опыт эксплуатации фильтров с тефлоновыми тканями, а также их высокую стоимость.

– Удельная газовая нагрузка должна быть принята не очень большой ~ 1,2 м32мин.

– В качестве основного способа регенерации должна быть принята обратная или импульсная продувка. Желательно сочетание обратной или импульсной продувки с дополнительными методами регенерации, которые уменьшали бы расход сжатого воздуха и снижали нагрузки на фильтроматериал при регенерации рукавов.

– Должны быть приняты меры, исключающие снижение температуры очищаемого газа и основного оборудования фильтра ниже точки росы.

– Целесообразно применение рукавных фильтров в первую очередь для очистки газов при сжигании малосернистых углей, например, экибастузских, кузнецких.

 

Таблица 3. Параметры очищаемого газа и аппаратов для обеспечения современных нормативов выброса золы а атмосферу

 

№ п/п Вариант Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
1. Аппарат ЭФ ЭФ+РФ ЭФ ЭФ+РФ ЭФ ЭФ+РФ
2. Температура газа, °С 170 170 165 165 145 145
3. Объем газа, м3 395 395 295 295 135 135
4. Запыленность газа, г/нм3 74 74 18.8 18.8 21 21
5. Электрофильтр:

 

 

 

 

 

 

5.1 Количество полей 11 3 5 1 7 1
5.2 Время пребывания газа, с 29.0 7.9 12.9 2.6 6.9 1.0
5.3 Выходная запыленность газа, г/нм3 0.15 13.5 0.05 5.1 0.05 8.5
5.4 Степень очистки газа, не менее % 99.80 81.73 99.73 73.02 99.76 59.46
6. Рукавный фильтр:

 

 

 

 

 

 

6.1 Ткань фирмы TTL PPS-Германия PPS-Германия PPS-Германия
6.2 Удельная нагрузка, м32/мин

1.23 1.19 1.32
6.3 Срок службы рукавов, лет 4

4

4
6.4 Степень очистки газа, не менее % 98.89 99.02 99.41
6.5 Выходная запыленность газа, г/нм3 0. 05 0.05 0.05
7. Общая степень очистки газа в аппарате, % 99.80 99.80 99.73 99.73 99.76 99.76
8. Габариты аппарата, м:

 

 

 

 

 

 

8.1 Высота 22 22 20 20 16 16
8.2 Ширина 30 30 22 22 11 11
8.3 Длина 68 33 31 21 52 30

 

 

(206%) (100%) (148%) (100%) (173%) (100%)

 

Для применения в комбинированных электрофильтрах разработан рукавный фильтр ФРМИ. Он собирается из модулей, имеющих поверхность фильтрования 800 м2. Типоразмерный ряд аппаратов имеет производительность от 70 до 1380 тыс. м3/ч.

В работе подробно исследованы особенности улавливания в рукавном фильтре сильно заряженных в коронном разряде электрофильтра частиц.

Уже на начальном этапе применения фильтровальных материалов отмечалось ухудшение условий регенерации из-за увеличения слипаемости частиц в слое. С другой стороны, при исследованиях осаждения частиц в волокнистых фильтрах тонкой очистки отмечалось существенное увеличение степени очистки при улавливании заряженных аэрозолей.

Анализ показывает, что при всех механизмах осаждения частиц в волокнистых фильтрах (инерционном, гравитационном, диффузионном, зацепления) зарядка частиц и действие электрического поля увеличивают степень осаждения. Это следует из расчета коэффициентов захвата частиц волокном, которые под действием заряда и поля могут возрасти в несколько раз.

Исследования показывают, что слой частиц формируется внутри каналов и, в основном, на поверхности материала. Рассчитаны электрические характеристики слоя.

Реальной схеме формирования слоя соответствуют два предельных случая: изолированный слой и слой на электроде. Максимальная напряженность у поверхности слоя будет равна:

,

где q = 4πε0a[3aE3q0 + 7 D/K] – заряд частиц;

hсл – толщина слоя;

Куп – коэффициент упаковки;

а – радиус частиц.

Для слоя на электроде напряженность получается в 2 раза больше.

Влияние проводимости слоя γv на величину максимальной напряженности отражается формулой:

,

где   ;

γv – проводимость;

z – массовая концентрация;

τ = ε0εслv;

Q – удельная газовая нагрузка;

Δh – скорость роста слоя.

Заряд сохраняется на слое во всех случаях, если отсутствует или очень мала утечка со слоя через структуру ткани.

Рассмотрим разрядные процессы в слое, имея в виду, что в слое имеют место высокие значения напряженности поля. Убедительным доказательством существования частичных разрядов в слое задолго до его пробоя получено регистрацией свечения с помощью ФЭУ.

В части слоя, где происходят ионизационные процессы, распределенный заряд частично или полностью нейтрализуется, что приводит к выравниванию распределения напряженности в этой области. При дальнейшем росте толщины слоя размеры зоны частичных разрядов возрастают. В электрофильтрах развитие ионизационных процессов в слое приводит к возникновению обратного коронного разряда.

Если слой имеет контакт с электродом, то часть заряда слоя стекает на электрод. Для изолированного слоя ионизационные процессы начинаются с внешней поверхности слоя. Часть ионов под действием поля слоя инжектируется в воздушное пространство над слоем. Предельное значение напряженности ограничивается условием пробоя слоя. Приведены зависимости пробивной напряженности порошковых слоев от толщины и электропроводности.

Формирование слоя заряженных частиц в отличие от незаряженных частиц происходит таким образом, что при приближении частиц к слою и при осаждении частицы испытывают отталкивающее действие уже находящихся на слое частиц. Поэтому образуется рыхлый слой.

Некоторое подтверждение этому получено при испытаниях опытного рукавного фильтра « Apitron». В центре рукавов были помещены высоковольтные электроды, а частицы размером 3–7 мкм сначала заряжались в поле коронного разряда. Удалось при одном и том же гидравлическом сопротивлении увеличивать скорость фильтрации в 4 раза.

Более обстоятельные эксперименты по улавливанию заряженной и незаряженной кварцевой пыли тканевым фильтром были выполнены в НИИОГАЗ. Средний размер частиц кварцевой пыли составлял 5 мкм. Результаты исследования показывают, что подзарядка частиц кварцевой пыли в поле отрицательной короны перед фильтрацией на металлической ткани увеличивает пылеемкость на 37 % и уменьшает проскок пыли в 2,3 раза. Зарядка частиц и наложение электрического поля напряженностью 4 кВ/см на слой пыли повышает пылеемкость в 3,15 раза и снижает проскок в 5,8 раза. Одновременное фотографирование осажденных слоев свидетельствует, что они становятся более рыхлыми, отчетливо видны неоднородности и ветвистые образования типа дендритов, характерные для осаждения заряженных частиц на поверхность пористых материалов в электрическом поле.

Для лавсана зарядка частиц и наложение дополнительного поля привели к увеличению пылеемкости на 55 % и снижению проскока частиц на 40 %. Относительно малое улучшение показателей работа лавсанового фильтра объясняется тем, что и при отсутствии подзарядки лавсановый фильтр обеспечивает высокие показатели. Вместе с тем структура слоя в этом случае получается более рыхлая, поскольку силы взаимодействия с металлической основой существенно больше.

Особенности формирования слоя заряженных частиц на фильтровальном материале открывают возможность применить как метод регенерации наряду с импульсной продувкой метод электрической регенерации. Такой метод подкрепляется разработкой конструкции системы регенерации, расчетами напряженности поля и сил, действующих на слой. Подана заявка на получение патента РФ.

Анализ влияния заряда частиц на процесс фильтрации в рукавном фильтре показывает целесообразность применения знакопеременного напряжения для питания первой ступени (последнего поля электрофильтра) комбинированного фильтра с целью снижения нагрузок при регенерации рукавов и увеличения их срока службы.