Электростатические установки. Электрофильтры.

1. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

1.1.              Устройство и работа электрофильтров

Электрофильтр состоит из следующих основных элементов (рис. 1.1):

1)              системы подготовки газов для подачи в электрофильтр, в которую входят блоки увлажнения газа и выравнивания профиля скоростей;

2)              источника питания, состоящего из повышающего трансформатора в комплекте с регулирующим автотрансформатором и высоковольтным выпрямителем.

Схема воздействия электрического поля на частицы вещества в электрофильтрах включает две стадии: а) предварительная бесконтактная зарядка частиц; б) осаждение частиц за счет кулоновского взаимодействия их зарядов с электрическим полем.

Рис. 1.1. Принципиальная схема электрофильтра: 1 - регулирующий автотрансформатор; 2 - повышающий трансформатор; 3 - высоковольтный выпрямитель; 4 - кабель с ограничительным сопротивлением; 5 - изолирующий ввод; 6 - коронирующий электрод; 7 - осадительный электрод; 8 - механизм встряхивания; 9 - бункер

Принципиальная схема действия электрофильтра заключается в следующем. От источника питания на коронирующий и осадительный электроды подается высокое напряжение постоянного тока. Между электродами возникает неоднородное электрическое поле. Необходимая разность потенциалов U0 для создания коронного разряда в электрофильтре определяется по известному значению напряженности электрического поля Е0 для соответствующей конструкции электрофильтра. По мере повышения напряжения после возникновения коронного разряда ток быстро увеличивается. При чрезмерном повышении напряжения коронный разряд может перейти в искровой. Рабочие токи в электрофильтре составляют 0,1—1—0,5 мА на 1 м длины электрода.

По достижении разности потенциалов между электродами электрофильтра 50-80 кВ напряженность электрического поля может сообщить свободным электронам и ионам газа скорость выше критической. Энергия таких электронов может быть достаточной для ударной ионизации нейтральных частиц. Образующиеся при этом ионы и свободные электроны также разгоняются электрическим полем до критических значений и ионизируют другие атомы и молекулы. Этот процесс нарастает лавинообразно. Данная ионизация называется коронированием.

После образования короны в электрофильтре возникают две зоны. Первая расположена вокруг коронирующего электрода, она заполнена положительно и отрицательно заряженными ионами и электронами. Вторая занимает пространство между короной и осадительным электродом, она заполнена только отрицательными ионами и электронами. По этой причине при прохождении через полость электрофильтра запыленного газа большинство пылинок получает отрицательный заряд и направляется к положительному осадительному электроду 7 (рис. 1.1). Осадительные электроды периодически встряхивают специальным механизмом 8 и осевшая на них пыль осыпается в бункер 9.

Энергию электрического поля, необходимую для сепарации частиц в электрофильтре, можно теоретически определить при рассмотрении процесса перемещения частицы в газах на расстояние до осадительного электрода под действием силы электрического поля.

Так как эффективность электрофильтра повышается с ростом значения тока и амплитудного (эффективного) значения напряжения, необходимо стремиться к увеличению полезной мощности, расходуемой на работу электрофильтра. Для достижения эффективной работы электрофильтра потребляемая им мощность не должна ограничиваться.

Электрофильтр даже большого размера, например типа ДГПН-55-3, очищающий около 100 м3/с дымовых газов (360 000 м3/ч) от золы при расходе электроэнергии около 0,83 МДж на 1 000 м3/ч (0,23 кВт*ч на 1 000 м3), потребляет всего 83 кВт. Ограничение потребляемой мощности дает небольшую экономию энергии, но ведет к существенному снижению степени очистки газов.

Экономический эффект от применения электрофильтров весьма значителен: пыль, улавливаемая электрофильтром, порой представляет большую ценность, поскольку в ней могут содержаться серебро, медь, никель, сурьма, цинк, свинец, магний и другие химические элементы.

Экологический и гигиенический эффект электрофильтров трудно переоценить, так как тепловые электростанции, предприятия металлургической промышленности выбрасывают в воздух огромное количество всевозможных газов, загрязняющих атмосферу и окружающую среду.

Успешно эксплуатируются электрофильтры для очистки воздуха в животноводческих хозяйствах и на птицефермах, характеризующихся большой запыленностью и бактерицидной осемененностью. Такие агрегаты (U = 7 кВ, I = 80-100 мкА) улавливают более 90 % пылевых частиц диаметром более 1мк и 80 % микроорганизмов, с производительностью 350-420 м3/ч воздуха.

Оборудование электрофильтров.

Конструкцию электрофильтра в каждом конкретном случае определяют технологические условия его работы: состав и свойства очищаемых газов и содержащихся в газах взвешенных частиц, температура, давление и влажность очищаемых газов, требуемая степень очистки и другие требования.

Как правило, электрофильтры подразделяют на две группы: однозонные, в которых зарядка и осаждение частиц происходят в одной зоне, там, где расположены коронирующая и осадительная системы; двухзонные: в первой зоне располагается коронирующая система - ионизатор, во второй - осадительная система (осадитель).

По форме осадительного электрода электрофильтры подразделяют на трубчатые и пластинчатые. Трубчатый электрофильтр изготавливают из стальных труб - осадительных электродов. По оси труб натянута проволока - коронирующий электрод. Пластинчатый электрофильтр собирают из ряда параллельных металлических пластин или частого ряда проволок, являющихся осадительными электродами. Между рядами этих электродов подвешивают проволочные коронирующие электроды.

В корпусе пластинчатого электрофильтра может быть размещено несколько независимых, последовательно расположенных систем электродов (электрических полей). По числу полей такие электрофильтры называются двух-, трех-, четырех- и многопольными. Пластинчатые электроды способны улавливать и жидкие, и твердые частицы. Электрическое поле в них слабее, чем в трубчатых, но они проще в изготовлении и встряхивать электроды в них значительно легче, чем в трубчатых.

Кроме основного оборудования электрофильтры имеют узлы подвода, распределения и отвода газов. Они должны обеспечивать равномерное распределение газов по сечению электрофильтра, а также входные и выходные коллекторы, имеющие сечение, соответствующее количеству пропускаемых газов на отдельных участках. Для регулирования пропускной способности газов через секции электрофильтров, на выходе установлены дроссельные заслонки. Кроме этого, на выходе, как правило, делают плавный переход от сечения электрофильтра к сечению газопровода или дымовой трубы.

Корпус трубчатых осадительных электродов иногда выполняют из двух частей: нижней - входной коробки с бункерами и верхней - выходной коробки. В такой конструкции осадительные электроды расположены открыто между коробками.

Корпус изготавливают из стали, алюминия и других металлов, а также из кирпича, железобетона и других материалов. При необходимости его футеруют и снабжают теплоизоляцией.

Коронирующие электроды имеют особую форму для создания интенсивного однородного коронного разряда. Они должны обладать механической прочностью и жесткостью для обеспечения продолжительной службы (что особенно важно в условиях вибрации и раскачивания под влиянием сил электрического поля, воздействия механизма встряхивания и движущегося газового потока), а также стойкостью в газовой среде, которая может иметь высокую температуру и содержать агрессивные вещества.

Конструкции коронирующих электродов подразделяют на две группы:

к первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных разрядных точек. При отрицательной короне точки разряда распределяются по поверхности электрода в зависимости от состояния этой поверхности и режима работы электрофильтра. Такие электроды применяются как в трубчатых, так и в пластинчатых электрофильтрах;

ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Такими точками на поверхности электрода могут быть острия или шипы и даже колючая проволока. Применяются также электроды из ленты, уголка со штампованными зубцами или шипами. Такие электроды используются в пластинчатых электрофильтрах.

Осадительные электроды трубчатых электрофильтров выполняют из труб круглого, квадратного или шестигранного сечения. Осадительные электроды мокрых пластинчатых электрофильтров изготавливают в виде гладких пластин.

Надежная работа электрофильтров зависит от состояния электродов, большинство которых эксплуатируется при повышенной температуре и в условиях агрессивной пылегазовой среды. Поэтому эти узлы изготавливают из материалов высокого качества - конструкционных и специальных сталей, электроды обязательно подвергают термообработке для исключения деформации при изменении температуры во время работы. Для мокрых электрофильтров осадительные электроды можно изготовлять из угля, графита, дерева, кирпича, пластмасс и т. д. Для удаления с электродов осажденной пыли, в мокрых электрофильтрах применяют брызгалки и форсунки: с их помощью периодически или непрерывно промывается поверхность электродов. Коронирующие электроды промывают через надетые на них воронки.

В сухих электрофильтрах для удаления с электродов осевшего продукта применяют механизмы встряхивания: ударно-молотковый, пружинно-кулачковый, магнитно-импульсный и др.

Для подключения высокого напряжения к осадительным электродам прокладывают стальную шину положительной полярности, которую в нескольких местах присоединяют к контуру заземления. Разрывы шины положительной полярности от выпрямителя к электрофильтру недопустимы, в противном случае прикосновение человека к шине положительной полярности выпрямителя может вызвать поражение работника электрическим током. Для предотвращения такой ситуации линия положительной полярности выпрямителя снабжена искровым предохранителем - прямым ответвлением к заземлению через определенный воздушный промежуток. При разрыве цепи этот промежуток пробивается искрой, и ток в цепи заземления восстанавливается автоматически.

К коронирующим электродам ток подводится по высоковольтному бронированному одножильному кабелю.

В случае близкого расстояния от подстанции до электрофильтров к ним можно подводить напряжение по стальным шинам диаметром 10-12 мм, расположенным на опорных изоляторах внутри защитных кожухов или подобных конструкциях.

1.2.              Конструктивные особенности питания электрофильтров

Выпрямители для питания электрофильтров, их схемы, конструкции блоков и способы регулирования напряжения определяют надежность и эффективность электрогазоочистки.

В состав выпрямительного агрегата входят регулятор напряжения, повышающий трансформатор, выпрямитель и интегратор. По принципу действия различают источники тока и источники напряжения. При питании фильтра от источника тока (автотрансформатор, магнитный усилитель с самонасыщением, тиристорный регулятор) ток короны практически остается постоянным, а выходное напряжение изменяется пропорционально сопротивлению нагрузки. При питании от источника напряжения (магнитный усилитель с последовательным, параллельным или смешанным соединением обмоток) ток короны существенно зависит от напряжения.

Агрегаты питания электрофильтров снабжены устройствами, обеспечивающими: автоматическое регулирование напряжения от Umin до Umax и поддержание его в пределах пробивного и сниженного на заданное значение; ограничение энергии, выделяющейся при дуговых разрядах в электрофильтре (для предотвращения оплавления электродов), и минимальные перерывы в питании, необходимые для гашения дуги при пробое; включение высокого напряжения только минимального значения; возможность изменения уровня напряжения вручную; аварийное отключение агрегата; сигнализацию о режимах работы агрегата.

Агрегат (рис. 1.2) состоит из выпрямительного блока высокого напряжения с высоковольтным переключателем и панели управления. Блок включает повышающий трансформатор Т и высоковольтный выпрямитель В1, находящиеся в общем баке, заполненном трансформаторным маслом. Отрицательный полюс выпрямителя соединен с коронирующими электродами электрофильтра, а положительный полюс и осадительные электроды заземлены. Магнитный усилитель МУ, соединенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора, позволяет за счет изменения тока подмагничивания регулировать высокое напряжение в широких пределах.

Рис. 1.2. Схема источника питания электрофильтра типа АИФ

Регулятор напряжения Р, имеющий исполнительный механизм, по команде блока управления БУ изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора управления ТУ. Со вторичной обмотки ТУ через выпрямитель В2 и сглаживающие дроссели L выпрямленное регулируемое напряжение подается в цепь подмагничивания магнитного усилителя МУ, чем регулируется напряжение высоковольтного трансформатора Т. При отключении цепи подмагничивания напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до установленного минимума.

Блок управления БУ состоит из релейно-контактной системы, реле, а также защитной и сигнальной аппаратуры. Устройство обратной связи У ОС получает импульсы от датчиков - реле напряжения PH и реле тока РТ и передает их в БУ для воздействия на регулятор напряжения Р.

Автоматическое регулирование заключается в следующем. При подаче напряжения на панель управления система автоматики приводит аппаратуру в пусковое положение. Напряжение подается на силовой трансформатор Т, и регулятор Р приступает к повышению напряжения на ТУ, увеличивая ток подмагничивания МУ. При этом повышается напряжение на силовом трансформаторе Т и на электродах электрофильтра. Повышение напряжения идет до максимально возможного значения или до возникновения электрических разрядов в электрофильтре.

При появлении искровых разрядов напряжение на электрофильтре автоматически резко падает. Это приводит к снижению тока, после чего искровые разряды прекращаются. При возникновении устойчивой электрической дуги срабатывает максимальное токовое реле РТ, а из-за резкого увеличения падения напряжения на магнитном усилителе отключается реле напряжения. В обоих случаях срабатывает соответствующее реле защиты, отключающее в БУ контактор в цепи подмагничивания МУ. Напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до минимального значения, и дуга гаснет.

При отсутствии пробоев соответствующее реле включает механизм на повышение напряжения в цепи подмагничивания МУ до напряжения пробоя, после чего процесс регулирования напряжения повторяется.

При возникновении продолжительных электрических пробоев или коротких замыканий в электрофильтре, специальное реле отключает электроагрегат и включает световую и звуковую аварийную сигнализацию.

Наблюдение за работой электроагрегата осуществляется с помощью контрольно-измерительных приборов - вольтметра, амперметра, миллиамперметра и сигнальных ламп. Предусмотренные блокировки обеспечивают сочетание работы агрегата с технологическим процессом основного производства.

В некоторых источниках питания электрофильтров предусматривается экстремальное регулирование. В этом случае ведется автоматический поиск электрического режима, обеспечивающего максимальный уровень среднего значения напряжения на электродах фильтра. В них возможно ручное и автоматическое управление напряжением и током короны от нуля до номинального уровня. Система автоматического управления отслеживает отрицательную обратную связь между интенсивностью искровых разрядов и напряжением на выходе выпрямителя. Интенсивность определяется суммарной продолжительностью искровых разрядов за некоторый период усреднения, время которого может регулироваться. При очередной серии разрядов наблюдается скачкообразное снижение напряжения на электрофильтре на 0,5—1,5 % от номинального с последующим его медленным повышением. Уровень снижения напряжения агрегата тем больше, чем выше интенсивность разрядов.

Как правило, на электрофильтре устанавливается близкий к оптимальному динамический уровень напряжения, который изменяется в зависимости от режима работы. При появлении разряда между электродами управляющее устройство электрофильтра на 0,01—0,02 с полностью снимает напряжение с электродов, которое затем медленно восстанавливается до заданного уровня в течение 0,02—0,03 с.

Рис. 1.3. Принципиальная электрическая схема источника питания типа АТФ: 1 — сетевой автомат; 2 — фильтр защиты от помех; 3 — силовой тиристорный блок; 4 — реактор, ограничивающий броски тока при переходных процессах и подавляющий высшие гармоники; 5 — повышающий трансформатор; 6 — кремниевый выпрямитель; 7 — сглаживающий реактор; 8 — высоковольтное распределительное устройство

При исчезновении тока возникает деионизация дугового канала в электрофильтре за время около 0,01 с. Такое быстродействие схемы стало возможно при замене магнитного усилителя тиристорами. Принципиальная схема силовой цепи такого источника питания представлена на рис. 1.3. Тиристорный силовой блок выполняет роль коммутирующей аппаратуры и плавного регулирования напряжения на входе силового трансформатора.

1.3.              Применение электростатических технологий в установках различного назначения

Электроосмотическое опреснение воды. Электротехнологические установки, использующие явление электроосмоса, применяют для очистки воды, выделения растворенных в ней веществ, получения питьевой воды для населения и пресной воды для производства.

Установка электроосмотического опреснения воды предназначена для получения пресной воды путем очистки морской воды (рис. 1.4). Установка состоит из 10—12 ячеек, каждая из которых разделена диафрагмами 3 на три отделения 6, 7, 8. Поступающая для очистки вода по трубам 5 подается в нижнюю часть всех трех отделений ячейки.

Рис. 1.4. Схема установки электроосмотического опреснения воды

В воду помещают электроды 2, на которые подают высокое напряжение постоянного тока. Растворенные в воде соли (Na2SO4, CaSO4, CaH- CO3) диссоциируют на катионы Na⁺, Ca²⁺, H⁺, движущиеся к катоду 8, и анионы SO^2-4, HCO^2-3, направляющиеся к аноду 6. В катодном отделении 8 вода становится щелочной, а в анодном - кислой, и по трубам 1 она отводится поочередно через все 10-12 ячеек опреснительного устройства. По мере обеднения очищаемой воды солями сопротивление раствора постепенно, от ячейки к ячейке, растет. По этой причине к электродам ячеек от источника постоянного тока подводится напряжение, увеличивающееся от 55 до 220 В от ячейки к ячейке по мере роста сопротивления раствора.

Разделение суспензий. Установки, предназначенные для этого процесса, используют явление электрофореза. Они применяются в промышленности для обезвоживания каолина при очистке его от примесей (пирита, слюды, кварца и т. д.). Загрязненный каолин смешивают с водой, добавляют жидкое стекло и после отстаивания удаляют грубые частицы. Водную суспензию каолина направляют через разделительную установку. В ней в результате электрофореза твердые частицы суспензии перемещаются в направлении вращающегося анода и осаждаются на фильтровальном сукне, покрывающем анод. Очищенная от каолина вода направляется к катоду и затем в слив. Отложения каолина собираются на плавно перемещающемся сукне анода. 

Разделение эмульсий каучука (латекса) также основано на применении электрофореза. В эмульсии каучука, помещенной в электростатическое поле, частицы получают отрицательный заряд и в процессе электрофореза движутся к металлической сетке, служащей анодом. Осажденный на сетке влажный каучук промывается водой над ванной, на дне которой расположен катод, просушивается на столе, после чего сухой каучук срезают с металлической сетки специальным ножом.

Разделение сыпучих смесей в электрическом поле проводят в установках, предназначенных для очистки семян различных культур от примесей (рис. 1.5). Направляясь из бункера-дозатора в поле коронного разряда, семена заряжаются, ориентируются вдоль силовых линий поля F3 и под их воздействием перемещаются от коронирующего электрода к осадительному. Их перемещение зависит от вида и электрофизических свойств семян. Наличие этих свойств у очищаемых семян позволило создать зерноочистительные машины камерного, барабанного и решетчатого типов. Обработанные в электрическом поле семена отличаются повышенными всхожестью, энергией прорастания, выживаемостью и урожайностью. Диэлектрический сепаратор семян запитывается непосредственно от сети переменного тока. Электрическое поле создается параллельно намотанными в один слой на диэлектрическом барабане изолированными проводами. Семена высыпаются на барабан тонким слоем. Электрическое поле удерживает семена на поверхности барабана в зависимости от их диэлектрической проницаемости. При вращении барабана центробежная сила отрывает семена от барабана в разных местах его нижней части, что позволяет из одной и той же партии семян выделить фракции одинакового качества.

Окраска металлических изделий в высоковольтном электрическом поле заключается в следующем. На заземленном конвейере подвешивают подлежащие окраске изделия. Конвейер перемещается по камере, внутри которой сверху и снизу конвейера на изоляторах размещены рамы с металлическими сетками, соединенными с высоковольтным выпрямителем и являющимися коронирующими электродами. При определенном напряжении между сетками и конвейером возникает коронный разряд. Вдуваемые распылителем через сопло частицы краски заряжаются в электрическом поле и, став отрицательными ионами, движутся к положительно заряженным окрашиваемым изделиям (аноду). Заряженные частицы попадают на изделия со всех сторон и равномерным слоем окрашивают всю поверхность. 

Рис. 1.5. Схемы установок для разделения сыпучих смесей: а - камерная; б - барабанная; в - решетчатая; г - диэлектрический сепаратор; 1 - коронирующий электрод; 2 - бункер-дозатор; 3 - осадительный электрод; 4 - приемные бункера; 5 - щетка; 6 - плоский электрод; 7 - токопроводящие кольца; 8 - провода; 9 - диэлектрический цилиндр; (-Е) - силовые линии электрического поля; Fэ - сила электрического поля; Fт - сила тяготения; Fц - центробежная сила; Fтp - сила трения; w - направление вращения; u - напряжение на электрофильтре

Электростатические технологии успешно применяются в различных технологических процессах: при электроосмотическом опреснении воды, разделении суспензий, эмульсий, сыпучих смесей, окраске металлических изделий и др. Рассмотренные электротехнологии широко применяются не только в промышленном секторе экономики, но и в сельском хозяйстве. На этом мы подробнее остановимся в следующей главе.