Підбір і розрахунок електрофільтрів

При виборі типу електрофільтру виходять з витрат, фізико-хімічних параметрів газу і дисперсності домішок, а також умов розміщення фільтру. Основні рекомендації можуть бути зведені до наступного. Мокрі апарати мають вищі коефіцієнти очищення через зменшення вторинного винесення, однак їм властиві і загальні недоліки мокрих способів: необхідність обробки або видалення забруднених стоків і шламу, корозія металевих вузлів апаратів, ускладнення експлуатації очисного пристрою, тощо. Тому для осадження твердих домішок сухі апарати кращі мокрих. Через конструкції сухих електрофільтрів вертикальну компоновку застосовують при малих виробничих площах, низькій початковій запиленості і не дуже дрібнодисперсному пулу, оскільки час перебування в них набагато менший, ніж в горизонтальних.

Ступінь очищення газів та інші експлуатаційні характеристики електрофільтру можуть бути достовірно визначені тільки за наявності точної інформації про досвід експлуатації подібних конструкцій в аналогічних умовах. При відсутності необхідних даних (при відсутності аналогу, складності або дорожнечі пошуку і отримання інформації) можна визначити ступінь очищення розрахунково. Однак розрахункових методик, які дають надійні результати, немає. Тому інформація, отримана розрахунковим шляхом, може використовуватися як попередня.

Осадження часток в умовах турбулентного потоку можна розглядати на основі імовірнісного підходу, який веде до експоненціальної формули для вірогідності захоплення частки, яка рухається в полі електрофільтру. Формула для ефективності вловлювання ε має вигляд:

, (6.78)

де А_ос– поверхня осадження фільтра, м²; w₀ – швидкість міграції (дрейфу), частки, м/с; v – швидкість течії газу, м/с.

Це рівняння теоретично застосовується тільки до монодисперсних часток, швидкість міграції яких не перевищує 10-20 % швидкості течії газу.

Під швидкістю дрейфу розуміють результуючу швидкість руху завислих часток в активній зоні електрофільтру. Ступінь очищення може бути підрахована достатньо достовірно, якщо відома швидкість дрейфу, знайдена дослідним шляхом, наприклад, із досвіду експлуатації подібних електрофільтрів при ідентичних параметрах викидів в аналогічних умовах, тощо.

Теоретичний ступінь очищення газів ε в електрофільтрі можна розрахувати за наступними формулами (у %):

– для пластинчатого електрофільтру:

(6.79)

– для трубчастого електрофільтру

(6.80)

де w₀– швидкість руху часток до осаджувального электроду (швидкість дрейфу часток), м/с; v – швидкість газів в активному перетині електрофільтру у вільному перетині для проходу газів, м/с; l – активна довжина електрофільтру, тобто протяжність електричного поля у напрямку руху газів (у вертикальних електрофільтрах співпадає з висотою електродів, м; R – радіус трубчатого осаджувального електроду, м; δ – відстань між коронуючим електродом і пластинчатим осаджувальним електродом (міжелектродний простір), м.

В межах застосовності формули Стокса швидкість w_ч розраховується за наступними формулами (в м/с):

– для часток діаметром d_ч ≥1 мкм:

(6.81)

– для частинок діаметром d_ч ≤1 мкм 6

(6.82)

де Е – напруженість електричного поля в електрофільтрі, В/м; d_ч – діаметр частки, м; μ – динамічний коефіцієнт в'язкості газу, Па·с; С_к – поправка Кенінгема-Міллікена (А – чисельний коефіцієнт, рівний 0,815–1,63; λ – довжина середнього пробігу молекули газу, м; λ = 10^{-7 м).}

Для спрощених розрахунків використовується модифікована формула

, (6.83)

де К_у– параметр вторинного винесення; А – безрозмірний параметр, величина якого залежить від співвідношення площ активної і неактивної зон електрофільтру; β – безрозмірний параметр, який залежить від співвідношення електричних і аеродинамічних сил.

Ефективність осадження заряджених часток в електрофільтрах залежить від ряду факторів, електричної провідності і розміру завислих часток, швидкості газів, їх температури і вологості, стану поверхні осаджувальних електродів, тощо.

Найважливішим фактором, який впливає на розміри електрофільтрів, є час, який необхідний для того, щоб вловлювана частка досягла осаджувального електроду τ_ос. Цю величину визначають за співвідношенням:

Час осадження τ_ос повинен бути завжди меншим загального часу перебування часток в повітряному потоці, який проходить через електрофільтр.

У електрофільтрах вловлюють частки розміром декілька мікрон, тому без великої похибки можна припустити, що швидкість руху часток з потоком газу дорівнює середній витратній швидкості газу в апараті. Тоді рівняння набуває вигляду:

(6.85)

Для частинок розміром d_ч= 2–50 мкм теоретичним шляхом було отримане рівняння для розрахунку швидкості дрейфу:

(6.86)

Проте на практиці швидкість дрейфу зазвичай виявляється в півтора-два рази нижче теоретичної. Тоді необхідна площа (в м²) активного перетину електрофільтру може бути знайдена за залежністю:

(6.87)

За розрахованою величиною площі активного перетину підбирають електрофільтр тієї або іншої серії, що серійно випускається.

Ступінь очищення (у %) може бути розрахована за рівнянням:

де f – питома поверхня осадження електрофільтру, м²/м³·с.

У загальному випадку для будь-якого електрофільтру:

(6.88)

де F – загальна площа осаджувальних электродів, м²; V – витрати газу, що очищається, м³/год.

При установці електрофільтрів доводиться визначати їх число і підбирати тип агрегатів електричного живлення. Оптимальний режим в електрофільтрі досягається при живленні кожного електричного поля від окремого електроагрегату. Таким чином, число агрегатів відповідає числу полів в електрофільтрі. Типорозмір електроагрегату визначається середньою силою струму, яка споживається одним полем електрофільтру. Її підраховують як добуток питомого струму корони на площу корони на площу поверхні осадження одного поля:

де і – питома сила струму на 1 м² поверхні осадження (для пластинчатих електродів її приймають рівною 0 – 0,4 мА/м²);
F – поверхня осадження одного поля, м².

Споживана потужність електрофільтру (кВт):

(6.89)

де U – максимальна напруга, кВ; К_ф – коефіцієнт форми кривої струму (приймають К_ф=1,2–1,51); cos φ – коефіцієнт потужності електроагрегату (0,8-0,9); η – ККД електроагрегату; ΣN_i – потужність, яку споживають механізми струшування і нагрівальні елементи ізоляторних коробок, кВт.

Приклад 15. Підібрати серійну конструкцію електрофільтру для очищення запиленого сушильного агенту, що відходить, після барабанної сушарки, якщо сушильний агент має температуру 120°С, розмір часток в потоці газу лежить в діапазоні 5–40 мкм, об’єм потоку газу дорівнює 60 000 м³/год, ступінь очищення його повинна бути не нижче 99,8 %.

Визначаємо величину швидкості дрейфу часток розміром
5–40 мкм. Напруженість електричного поля в ході очищення приймемо рівною 30·10⁴ Вт/м, що характерно для електрофільтрів сухого очищення:

Швидкість газу в активному перетині v_г= 1 м/с.

Визначаємо час, необхідний для осадження часток розміром 5 мкм, оскільки вони мають в 4 рази меншу швидкість дрейфу. Попередньо вибираємо електрофільтр типу ЕГА з відстанню між коронуючим і осаджувальним електродами 150 мм, зі шляхом руху запиленого потоку в електрофільтрі рівним 1508,5 м. Розрахунок проводимо за формулою:

Визначаємо необхідну величину активного перетину електрофільтру:

м².

За знайденою величиною активного перетину за каталогом вибираємо електрофільтр ЕГА-1-12-6-5-2 (1 кількість полів, 12 – кількість газових проходів, 6 – висота електродів, м; 5 – кількість елементів в осаджувальному електроді; 2 – кількість електродних полів) з фактичною площею активного перетину 19,8 м² і площею осадження 952 м².

Питома поверхня осадження електрофільтру:

м²/м³·с.

Ступінь очищення сушильного агенту в даному електрофільтрі визначаємо за рівнянням:

Отримана величина ступеню очищення вище заданої, тому вибраний тип електрофільтру забезпечує необхідний ступінь пилоочищення.

Перевіряємо необхідну умову осадження часток в даному електрофільтрі. Середня швидкість руху в електрофільтрі з горизонтальним рухом потоку запиленого газу лежить в межах 0,5-1 м/с. Для перевірки необхідної умови осадження приймемо верхню межу швидкості руху газового потоку, тоді:

с.

Таким чином , що говорить про те, що фільтр вибраний правильно.

Розрахунок орієнтовного ступеню очищення викидів в сухих електрофільтрах від пилу можна виконувати в наступному порядку:

1. Величину К_y при струшуванні осаджувальних електродів знаходять за виразом:

, (6.90)

де v, h, m – відносні швидкість газу, висота і пилоємність осаджувальних электродів, які розраховуються як відношення дійсних значень вказаних характеристик до базових, прийнятих відповідно 1 м/с, 8 м і 1кг/м².

Рекомендовані швидкості руху газів для вітчизняних марок електрофільтрів знаходяться в межах 1–1,3 м/с і вказані в каталогах [3.4]. Там також наведені розміри осаджувальних електродів. Якщо відомий інтервал часу між струшуванням, то можна за витратою газу і початковою запиленістю оцінити пилоємність електродів. Дійсні значення інтервалів між регенеруваннями і пилоємністью електродів можна встановити лише дослідним шляхом при експлуатації електрофільтру. Для оцінки величини пилоємності електродів у окремих видів електрофільтрів можна використовувати дані таблиці 6.14.

2. Величину конструктивного параметру А можна приймати за даними таблиць 6.16-6.18. Для електрофільтрів марок ЕГА, ЕГТ і подібних їм горизонтальних конструкцій f можна прийняти рівним 0,9. Значення f =1 підходить для трубчатих вертикальних електрофільтрів із незначним зазором між внутрішньою поверхнею і корпусом, а також для горизонтальних електрофільтрів з клапанами для перекриття бокових, верхніх і нижніх проміжків між активною зоною і корпусом.

Таблиця 6.16 – Пилоємність електродів електрофільтрів

Типи і типорозміри електрофільтрів	Кількість	Швидкість газу, м/с	Початкова запиленість, г/м³	Інтервали між струшуваннями, хв.
Полів	Елементів в осаджу-вальному електроді
ЕГА 1-20, ЕГА 1-30, ЕГА 1-40
ЕГА (усі інші типорозміри)
УГГ		-
УГТ1-40-3		-
ЕГ-КЕН		-
ЕГ2-2-37 СРК		-			60-120
УГМ		-
УВ	-	-
ЕВВ	-	-

Таблиця 6.17 – Значення параметру для конструкцій електрофільтрів з f=0,9

к/σ	1,0	1,25	1,50	1,75	2,0
	1,970	1,824	1,710	1,605	1,514
0,05	2,080	1,97	1,850	1,73 0	1,660
0,10	2,160	2,060	1,97 0	1,86 5	1,774
0,15	2,235	2,140	2,055	1,97 0	1,870
0,20	2,29 9	2,210	2,129	2,07 8	1,990
0,25	2,34 0	2,265	2,185	2,12 5	2,055
0,30	2,37 0	2,305	2,23 0	2,18 5	2,120
0,35	2,40 0	2,340	2,275	2,22 5	2,185
0,40	2,425	2,374	2,31 5	2,26 0	2,234
0,50	2,465	2,420	2,37 0	2,325	2,300
0,60	2,495	2,450	2,415	2,385	2,360
0,70	2,51 5	2,487	2,450	2,42 0	2,330
0,80	2,530	2,516	2,480	2,44 5	2,416

Продовження табл. 6.17

к/σ	2,50	3,0	3,50	4,0	4,50	5,0
	1,330	1,200	1,078	0,986	0,900	0,843
0,05	1,480	1,366	1,280	1,206	1,15 0	1,114
0,10	1,620	1,520	1,45 0	1,394	1,360	1,329
0,15	1,74 5	1,635	1,58 5	1,542	1,48 5	1,475
0,20	1,88 5	1,800	1,73 0	1,663	1,62 5	1,586
0,25	1,95 0	1,878	1,82 5	1,750	1,71 5	1,690
0,30	2,02 5	1,965	1,91 0	1,850	1,82 5	1,800
0,35	2,095	2,045	1,990	1,940	1,905	1,880
0,40	2,170	2,120	2,050	2,020	1,97 5	1,946
0,50	2,250	2,200	2,16 0	2,130	2,09 0	2,060
0,60	2,29 0	2,260	2,24 0	2,210	2,19 0	2,160
0,70	2,33 0	2,290	2,260	2,230	2,1%	2,170
0,80	2,37 0	2,313	2,27 0	2,243	2,20 0	2,177

Таблиця 6.18 – Значення параметру для конструкцій електрофільтрів з f=1

к/σ	3,45 0	3,275	3,100	2,920	2,650
0,05	3,710	3,55 6	3,400	3,225	2,950
0,10	3,985	3,81 0	3,625	3,475	3,250
0,15	4,185	4,02 5	3,835	3,690	3,470
0,20	4,375	4,210	4,040	3,880	3,690
0,25	4,43 5	4,37 5	4,200	4,040	3,865
0,30	4,690	4,540	4,380	4,205	4,035
0,35	4,825	4,670	4,500	4,345	4,195
0,40	4,945	4,790	4,635	4,480	4,340
0,45	5,040	4,900	4,750	4,590	4,470
0,50	5,120	4,97 5	4,840	4,685	4,595
0,55	5,190	5,055	4,935	4,805	4,700
0,60	5,24 0	5,125	5,005	4,890	4,790
0,65	5,29 0	5,180	5,07 0	4,955	4,865
0,70	5,330	5,23 0	5,125	5,020	4,930
0,75	5,365	5,27 0	5,180	5,075	4,970
0,80	5,400	5,300	5,220	5,120	5,000

Продовження табл. 6.18

к/σ	2,0	2,25	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
	2,400	2,200	1,95 0	1,690	1,450	1,269	1,165
0,05	2,744	2,620	2,430	2,20 0	1,995	1,840	1,730
0,10	3,08 6	2,91 5	2,800	2,541	2,350	2,200	2,070
0,15	3,30 0	3,140	3,030	2,900	2,610	2,470	2,330
0,20	3,48 6	3,35 0	3,225	3,023	2,840	2,697	2,590
0,25	3,670	3,555	3,430	3,24 0	3,02 5	2,897	2,800
0,30	3,87 0	3,725	3,515	3,435	3,225	3,090	2,980
0,35	4,02 5	3,895	3,790	3,61 0	3,41 0	3,285	3,165
0,40	4,180	4,050	3,933	3,741	3,56 0	3,460	3,330
0,45	4,32 5	4,195	4,055	3,880	3,70 0	3,590	3,485
0,50	4,440	4,320	4,215	4,000	3,83 0	3,700	3,61 0
0,55	4,560	4,44 5	4,325	4,125	3,95 0	3,830	3,72 0
0,60	4,665	4,540	4,430	4,225	4,045	3,930	3,825
0,65	4,750	4,630	4,525	4,330	4,14 2	4,045	3,930
0,70	4,815	4,70 0	4,610	4,420	4,230	4,130	4,015
0,75	4,880	4,760	4,660	4,500	4,290	4,170	4,070

Значення параметру А підбирають за дисперсією пилу заданого складу і коефіцієнтом k, який визначається з виразу:

, (6.91)

де Т, р – температура і тиск газового потоку; d_m – медіанний діаметр часток забруднювача, м; Е – напруженість електричного поля біля осаджувального електроду.

Напруженість поля біля осаджувального електроду Е залежить від напруги на електродах, їх розмірів, стану (запиленості, вологості, наявність дефектів, тощо), від параметрів викидів та інших факторів. Для трубчастого електрофільтру з коронуючим дротяним електродом, встановленим строго по осі циліндрового осаджувального електроду, величину Е орієнтовно можна обчислити за формулою:

, В/м, (6.92)

де U – різниця потенціалів на електродах, В; D₁,D₂ – відповідно внутрішній діаметр осаджувального і діаметр коронуючого электродів; δ – відстань від поверхні коронуючого електроду до внутрішньої поверхні осаджувального електроду:

,м.

Якщо дійсна величина U невідома, визначають Е за максимально можливою напругою, яка ще не утворює дуги, для висикоомного пилу – зворотьої корони. Перше значення можна прийняти в межах 40–50, друге – 30–40.

3. Величину параметру β знаходять за співвідношенням:

, (6.93)

де ε₀ – електрична постійна; l – активна довжина електрофільтру; δ – відстань між коронуючим і осаджувальним електродами; k_р – коефіцієнт рівномірності газового потоку, k_р=0,93.

Значення k_р можна приймати 0,85 для горизонтальних конструкцій з великим числом газових проходів і 1,0 для вертикальних одноходових конструкцій.

Похибка проскоку ε_у за винесенням пилу з електрофільтру, яка може бути представлена у вигляді:

, (6.94)

не перевищує 20%.

Приклад 16. Визначити ефективність електрофільтрації відхідних газів содорегенераційного котлоагрегата целюлозно-паперового комбінату і параметри роботи електофільтру. Кількість газів V= 5 м³/с, початкова запиленість C_вх=4,1 г/м³, робоча температура газів t=140°С, динамічна в’язкість газів при робочій температурі 6,48∙10^-6 Па·с.

Вибираємо з каталогів електрофільтр ЕГ2-2-4-37 СРК, спеціально призначений для очищення содорегенеруючих котлоагрегатів. За маркуванням визначаємо параметри електрофільтру: кількість полів – 2, активна довжина кожного поля – 4 м, площа активного перетину 37 м². Загальна площа 2256 м² і габарити електрофільтру 12,6×9,55×14,84 м приймаємо за довідниковим даними [3,4]. Згідно з каталогом швидкість газу до 1 м/с, температура 130-250°, запиленість на вході до 7 г/м³, розрідження до 3 кПа, гідравлічний опір апарату 200 Па. Ступінь очищення за таких умов може досягати 98 %.

Осаджувальні електроди електрофільтру пласкі, коронуючі виконані у вигляді трубчатих рам зі стрічково-шнековими або зубчатими елементами. Висота електродів 7 200 мм, відстань між осаджувальними електродами 300 мм. Регенерація проводиться механічним струшуванням. Через відсутність інших відомостей про інтервал між струшуваннями приймаємо інтервал за даними таблиці 6.16.

Вважаючи, що за габаритами апарат можна розмістити на виробничому майданчику, зіставимо його характеристики із заданими параметрами очищуваних газів. Початкова запиленість складає 4,1 мг/м³, а кількість газів 5 м³/с, що знаходиться в межах допустимого для вибраного типу електрофільтру. Задана температура газів 140°С також відповідає показникам апарату. В даному випадку важлива не тільки верхня, але і нижня температурна межа внаслідок підвищеної вологості очищуваних газів і можливої конденсації пари при температурах нижче 130°С. Можна констатувати, що за технічними параметрами вибраний тип апарату задовольняє задані умови, що дозволяє перейти до розрахунку повного коефіцієнту очищення.

1. Розраховуємо швидкість газів в активному перетині:

м/с.

Визначимо орієнтовну величину пилоємності електродів m як кількість пилу, що осіла на площі 2256 м² за час між регенераціями 4 години (14 400 с) при витраті газу 5 м³/с, початковій запиленості 4,1 мг/м³ і ступені вловлювання 98 %:

кг/м².

Тоді відносна пилоємність складає:

Обчислюємо величину коефіцієнту вторинного винесення:

2. Напруженість поля біля осаджувального електроду розраховуємо, ввівши необхідні поправки на геометричні характеристики електродів (рис. 6.14): приймаємо за D₁ крок між осаджувальними електродами а=0,3 м, відстань між кінцями голок або зубів коронуючих электродів b=0,03 м; відстань від кінця голки до осаджувального електроду δ=0,015 м.

Розрахунок ведемо на максимальну напругу U=50 кВ:

В·м.

Обчислене значення Е близьке до характеристик поля в електрофільтрах з голчатими коронуючими електродами. Відносна швидкість газів складає:

а відносна довжина електродів буде рівна:

Рисунок 6.14 – Схема розташування електродів

1 – стрічково-голкові чи зубчасті; 2 – осаджувальні.

Підраховуємо коефіцієнт k при температурі газу Т=143+273=413 К, абсолютному тиску в електрофільтрі
р=101 325-3 000=98 325 Па і середньому розмірі дисперсних часток d_m=1,1·10^-6 м:

Приймаємо величину f =0,9. За таблицею 6.17 при заданому σ=1,7 і максимальному значенні k, котре є в таблиці, знаходимо параметр А=2,482.

3. Апарат ЕГ2-2-4-37 СРК має приблизно 20 газових проходів (ширина активної зони 6000 мм, відстань між осаджувальними електродами 300 мм)

Визначаємо параметр β:

4. Розрахуємо коефіцієнт очищення:

Величина повного коефіцієнту очищення, яка знайдена розрахунковим шляхом, виявилася достатньо близькою до каталожної. Відмінність розрахункового проскоку (2,64%) від каталожного (2%) складає 28 %.