Процесс осаждения частиц под действием электрического тока

Министерство образования и науки Российской Федерации Калужский филиал федерального государственного бюджетного  образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет   имени Н.Э. Баумана» (КФ  МГТУ им. Н.Э. Баумана)

 

ФАКУЛЬТЕТ	"Фундаментальные науки"
КАФЕДРА	"Промышленная экология и химия"

 

Дисциплине «Системы обеспечения техносферной безопасности »

Тема: Процесс осаждения частиц под действием электрического тока

 

Выполнил: студент гр. ЭКД-71	Котосова Я.В.__________________
Проверил:	Лаврентьева Г.В._________________

 

 

Дата сдачи (защиты) курсового проекта:
Результаты сдачи (защиты)
Оценка

 

 

Калуга, 2013

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Очистка воздуха – это важный момент для каждого промышленного предприятия. И дело не только в штрафах, предусмотренных за несоответствие правилам ликвидации выхлопов, но и во вреде, который газообразные вещества и взвешенные частицы наносят экологии.

Почему же очистка воздуха на промышленном предприятии – это важно? Сегодня выброс вредных веществ в окружающую среду поставил под вопрос состояние экологии в ближайшем будущем. С увеличением числа фабрик и заводов, не использующих промышленные фильтры для очистки воздуха, мы становимся на шаг ближе к экологическому неблагополучию. В результате получаем следующее:

• Общий негативный фон состояния экологии, влекущий за собой заболевания людей.
• Снижение количества света и уровня видимости.
• Увеличение числа туманов.

Кроме того, концентрация загрязняющих частиц в атмосфере повышает вероятность повреждения зданий, металлов и конструкций, которые причислены к культурно-историческому наследию региона.

Ярчайшим примером негативных последствий, стала деятельность Байкальского целлюлозно-бумажного комбината. Только за лето 2012 года экосистема Байкала получила ущерб, оцениваемый почти в 12 млн. рублей. Эта информация находится в открытом доступе и подтверждает необходимость использования промышленных систем очистки воздуха на фабриках и заводах.

К сожалению, по статистике, около 15% территории России все еще не соответствуют законодательной норме. Для борьбы с этой проблемой качество очистки воздуха проверяется СЭС.

Каждый тип фильтра рассчитывается на определенный вид отрасли. Правильный подбор и учет таких нюансов, как ежемесячные объемы выбросов, позволит приобрести действительно эффективную систему очистки, которая не допустит ухудшения экологической обстановки и защитит от финансовых взысканий со стороны контролирующей организации. Я расскажу о процессе осаждения частиц под действием электрических сил. Так же приведу примеры, в каком оборудовании используется этот процесс.

Процесс электропреципитации

Электропреципитация — осаждение частиц пыли 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. 1) 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. [1]

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. 1. Конструктивная схема электродов для процесса пылеочистки:

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

1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды [1]

В своем докладе я опишу принципы электрической очистки газов, действия электрофильтров, их виды, возможности комбинированного использования для очистки газов, а так же достоинства и недостатки их применения.

Электрофильтры

 
2.1 Принцип действия электрофильтров

В электрофильтре очистка газов от твердых и жидких частиц происходит под действием электрических сил. Частицам сообщается электрический заряд, и они под действием электрического поля осаждаются из газового потока.Общий вид электрофильтра приведен на рис. 2.

 
                                   
 
Рис. 2. Электрофильтр: 1 – осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 – рама; 4 – высоковольтный изолятор; 5 – встряхивающее устройство; 6 – верхняя камера; 7 – сборник пыли. [1]

             Процесс обеспыливания в электрофильтре состоит из следующих стадий: пылевые частицы, проходя с потоком газа электрическое поле, получают заряд; заряженные частицы перемещаются к электродам с противоположным знаком; осаждаются на этих электродах; удаляется пыль, осевшая на электродах.

         Зарядка частиц - первый основной шаг процесса электростатического осаждения. Большинство частиц, с которыми приходится иметь дело при промышленной газоочистке, сами по себе несут некоторый заряд, приобретенный в процессе их образования, однако эти заряды слишком малы, чтобы обеспечить эффективное осаждение. На практике зарядка частиц достигается пропусканием частиц через корону постоянного тока между электродами электрофильтра. Можно использовать и положительную и отрицательную корону, но для промышленной газоочистки предпочтительнее отрицательная корона из-за большей стабильности и возможности применения больших рабочих значений напряжения и тока, но при очистке воздуха используют только положительную корону, так как она дает меньше озона.

Основными элементами электрофильтра являются коронирующий и осадительный электроды. Первый электрод в простейшем виде представляет собой проволоку, натянутую в трубке или между пластинами, второй - представляет собой поверхность трубки или пластины, окружающей коронирующий электрод (рис. 3).

На коронирующие электроды подается постоянный ток высокого напряжения 30…60 кВ. Коронирующий электрод обычно имеет отрицательную полярность, осадительный электрод заземлен. Это объясняется тем, что корона при такой полярности более устойчива, подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных. Последнее обстоятельство связано с ускорением зарядки пылевых частиц. 
После распределительных устройств обрабатываемые газы попадают в проходы, образованные коронирующими и осадительными электродами, называемые межэлектродными промежутками. Сходящие с поверхности коронируюших электродов электроны разгоняются в электрическом поле высокой напряженности и приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Сталкивающиеся с электронами молекулы газов ионизируются и начинают ускоренно двигаться в направлении электродов противоположного заряда, при соударении с которыми выбивают новые порции электронов. В результате между электродами появляется электрический ток, а при некоторой величине напряжения образуется коронный разряд, интенсифицирующий процесс ионизации газов. Взвешенные частицы, перемещаясь в зоне ионизации и сорбируя на своей поверхности ионы, приобретают в конечном итоге положительный или отрицательный заряд и начинают под влиянием электрических сил двигаться к электроду противоположного знака. Частицы сильно заряжаются на первых 100…200 мм пути и смещаются к заземленным осадительным электродам под воздействием интенсивного поля короны. Процесс в целом протекает очень быстро, на полное осаждение частиц требуется всего несколько секунд. По мере накопления частиц на электродах их стряхивают или смывают.

 
              
 
Рис. 3. Конструктивная схема электродов: а - электрофильтр с трубчатыми электродами; б - электрофильтр с пластинчатыми электродами; 1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды. [1]

Коронный разряд характерен для неоднородных электрических полей. Для их создания в электрофильтрах применяют системы электродов типа точка (острие) - плоскость, линия (острая кромка, тонкая проволока) - плоскость или цилиндр. В поле короны электрофильтра реализуются два различных механизма зарядки частиц. Наиболее важна зарядка ионами, которые движутся к частицам под действием внешнего электрического поля. Вторичный процесс зарядки обусловлен диффузией ионов, скорость которой зависит от энергии теплового движения ионов, но не от электрического поля. Зарядка в поле преобладает для частиц диаметром более 0,5 мкм, а диффузионная — для частиц мельче 0,2 мкм; в промежуточном диапазоне (0,2…0,5 мкм) важны оба механизма.

 
2.2 Конструкции и виды электрофильтров     

Аппараты для очистки газов этим методом называют электрофильтрами. Основными элементами электрофильтров являются: газоплотный корпус с размещенными в нем коронирующими электродами, к которым подводится выпрямленный ток высокого напряжения, и осадительными заземленными электродами, изоляторы электродов, устройства для равномерного распределения потока по сечению электрофильтра, бункера для сбора уловленных частиц, системы регенерации электродов и электропитания.

Конструктивно электрофильтры могут быть с корпусом прямоугольной или цилиндрической формы. Внутри корпусов смонтированы осадительные и коронирующие электроды, а также механизмы встряхивания электродов, изоляторные узлы, газораспределительные устройства.

Часть электрофильтра, в которой размещены электроды, называют активной зоной. В зависимости от числа активных зон известны электрофильтры однозонные и двухзонные. В однозонных электрофильтрах коронирующие и осадительные электроды в пространственном отношении, конструктивно не разделены, В двухзонных электрофильтрах имеется четкое разделение. Для санитарной очистки запыленных выбросов используют однозонные конструкции с размещением коронирующих и осадительных электродов в одном рабочем объеме. Двухзонные электрофильтры с раздельными зонами для ионизации и осаждения взвешенных частиц применяют в основном при очистке приточного воздуха. Связано это с тем, что в ионизационной зоне происходит выделение озона, поступление которого не допускается в воздух, подаваемый в помещения.

В зависимости от направления движения газа электрофильтры подразделяют на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные аппараты занимают в плане значительно меньше места, но при прочих равных условиях коэффициенты очистки в них ниже. Активная длина поля вертикального электрофильтра совпадает с активной высотой его электродов. 

По мере осаждения пыли на электродах понижается эффективность пылеулавливания. Во избежание этого явления и поддержания оптимальной эффективности электрофильтров электроды периодически очищают от пыли встряхиванием или промывкой. Соответственно электрофильтры подразделяются на сухие и мокрые.

К мокрым относят аппараты, улавливающие жидкие или значительно увлажненные твердые частицы, а также электрофильтры, электроды которых очищаются самотеком (конденсатом уловленного жидкого аэрозоля) или посредством смывки осевших частиц жидкостью. К сухим относят электрофильтры, улавливающие сухие твердые частицы, которые удаляют с электродов посредством встряхивания через определенные промежутки времени.