Научные основы создания электрогазоочистного оборудования нового поколения

Электрофильтры, реализующие принцип электрогазоочистки, являются одними из основных газоочистных аппаратов. История их развития в течение более 100 лет включает разработку научных основ, совершенствование принципов конструирования, производство электрофильтров и накопление опыта их эксплуатации. В результате в настоящее время работают достаточно надежные аппараты, очищающие большие объемы дымовых газов, прежде всего выбросов тепловых электростанций.

Современные требования к электрогазоочистке существенно возрастают в связи с интенсивным развитием промышленности и значительным увеличением объемов газов, нуждающихся в переработке. Появление новых отраслей промышленности расширяет номенклатуру пылей со специфическими свойствами, трудно улавливаемых в электрофильтрах. Резко ужесточаются требования к чистоте газов после электрофильтров. Это определяется повышением требований к охране окружающей среды. В результате ставится задача разработки научных основ конструирования электрофильтров нового поколения, обладающих более высокими показателями как в отношении степени очистки газов, так и возможности увеличения объемов очищаемых газов. Учитывая длительный срок развития электрофильтров и то, что технические возможности электрического метода газоочистки в значительной степени реализованы, новая задача представляется достаточно сложной. Данная работа посвящена решению этой задачи.

Разработка нового оборудования всегда является обобщением опыта работы, накопленного в предшествующий период. Поэтому анализ этапов развития электрогазоочистки необходим для лучшего понимания возможностей и перспектив предлагаемых новых решений.

Новые предложения могут появиться на стыке нескольких направлений развития технологий, так как иногда сочетание различных методов и элементов оборудования может привести к существенному повышению эффективности аппарата в целом. Каждый этап развития газоочистки завершался изданием каталога газоочистного оборудования. Фактически новое поколение электрофильтров является четвертым поколением.

В Приложении 1 даны краткие характеристики электрофильтров, указанных в каталоге треста «Газоочистка», изданном в 1941 г. В каталог вошли электрофильтры для химической промышленности, прежде всего, для очистки генераторного газа от смолы и пыли, для очистки газов, отходящих от различного рода плавильных печей и т. д. Практически не представлены электрофильтры для энергетики. Перечисленные в этом каталоге электрофильтры следует рассматривать как электрофильтры первого поколения.

В послевоенный период электрогазоочистка развивалась очень интенсивно, что нашло отражение в каталоге оборудования, изданном трестом «Газоочистка» в 1958 г. Изменилась не только номенклатура газоочистительных аппаратов, но и производство в целом — появились такие отрасли, как атомная и электронная промышленность, что потребовало создания принципиально нового газоочистительного оборудования. Электрофильтры, представленные в каталоге 1958 г. и в Приложении 2 — электрофильтры второго поколения.

Сформировавшийся в 70−80 гг. научно-технический коллектив и традиции явились основанием для создания электрофильтров третьего поколения. Они представлены в Приложении 3 и извлечены из каталога «Газоочистное оборудование» 1988 г.

В Приложении 4 указаны электрофильтры нового поколения из «Каталога пылеулавливающего оборудования», изданного холдинговой группы «Кондор Эко — СФ НИИОГАЗ» в 2006 г.

В рамках данной работы мы будем пользоваться понятием «экотехника», которая является составной частью экологии.

7.9. Выводы.

1. Обоснована необходимость разработки комбинированных электрофильтров, состоящих из последовательных по ходу газа собственно электрофильтра и рукавного фильтра.

2. Определена область применения комбинированных электрофильтров:

— очистка газов от высокоомных и других трудно улавливаемых в обычных электрофильтрах пылей;

— при высокой начальной концентрации пыли и в связи с необходимостью обеспечения жестких экологических требований по остаточной запыленности газов;

— при ограниченной площади для размещения газоочистного оборудования.

3. Впервые определены рациональные диапазоны концентрации частиц для первого элемента комбинированного электрофильтра — собственно электрофильт-pa: zibxcw =100 г/м и ziBbIX = 5−12 г/м, и второго элемента — рукавного фильтра: 22вход = 5−12 г/м3 и z2Bbix = 50 мг/м3 и менее.

4. Установлено в результате технико-экономических расчетов, что применение комбинированных электрофильтров вместо многопольных обычных электрофильтров сопровождается экономическим эффектом, если он заменяет электрофильтры с 6 и более полями.

5. Исследованы особенности формирования пылевого слоя на фильтровальном материале при осаждении заряженного аэрозоля. Установлено, что предельные значения гидравлического сопротивления фильтровального материала при улавливании заряженных частиц достигаются при большей пылевой нагрузке, чем при осаждении незаряженных частиц.

6. Произведен теоретический расчет процесса накопления заряда в пылевом слое. Установлено, что предельные значения заряда ограничиваются разрядными процессами в слое. Определены эти предельные значения плотности заряда.

7. На основании исследования процессов формирования заряженного пылевого слоя на фильтровальном материале предложена система электрической регенерации, позволяющая повысить ее эффективность. На способ электрической регенерации рукавного фильтра подана заявка на получение патента РФ.

8. Разработана конструкция комбинированного фильтра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной результат исследований заключается в разработке научных основ создания электрофильтров нового поколения для очистки дымовых газов от взвешенных частиц, т. е. научное обоснование принципов конструирования и организации работы электрофильтров нового поколения. Для этого необходимо было решить ряд теоретических и экспериментальных вопросов, относящихся к процессу улавливания частиц в аппаратах газоочистки.

Конкретные результаты, полученные в работе, сводятся к следующему:

1. Показана необходимость создания электрофильтров нового поколения, что определяется резким ужесточением требований к чистоте газов после очисткивозрастанием объемов газов и номенклатуры пылей, нуждающихся в очисткеновыми условиями организации производства, монтажа и эксплуатации электро-фильтров.Дальнейшее загрязнение атмосферы требует кардинального изменения отношения к электрогазоочистке.

2. Определены пути совершенствования электрофильтров, заключающиеся в :

— усовершенствовании коронирующих электродов;

— увеличении вертикального размера электрофильтров;

— применении увеличенного межэлектродного расстояния;

— совершенствовании системы регулирования напряжения;

— создании новых источников питания;

— анализа условий, определяющих эффективность улавливания мелкодисперсной пыли, приводящей к запиранию коронного разряда;

— применении комбинированных электрофильтров;

— применение новых технологий изготовления узлов электрофильтра, организация производства, монтажа и эксплуатации электрофильтров.

3. В работе впервые последовательно реализованы принципы конструирования коронирующих электродов, заключающиеся в :

— использовании «равнопрочной» конструкции;

— обеспечении равномерного распределения плотности тока и напряженности по поверхности осадительного электрода;

— снижении до малой величины начального напряжения;

— обеспечении максимальных значений напряженности поля у осадительного электрода.

4. Для анализа распределений напряженности поля коронного разряда в сложных системах электродов электрофильтров предложено использовать сочетание теоретического и экспериментального методов, что позволило впервые реализовать эту сложную задачу.

5. В результате исследования предложена новая конструкция коронирующих электродов, обладающая более высокими параметрами коронного разряда, чем известные ранее.

6. Разработана методика анализа процессов в системе «Источник питанияэлектрофильтр», заключающаяся в моделировании, составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в схеме, на основе эквивалентирования сложной нелинейной нагрузки, которой является электрофильтр.

Впервые оказалось возможным увязать процессы, происходящие в системе питания, с процессами, происходящими в электрофильтре. Это позволяет анализировать динамические процессы при сложной форме кривой питающего напряжения, в частности при импульсном питании.

7. Предложено дальнейшее развитие новой перспективной системы регулирования напряжения — системы регулирования по последующему полю, где последнее поле регулируется по максимуму произведения среднего напряжения на амплитудное значение напряжения.

Для реализации этого принципа используется уже разработанный регулятор, который перенастраивается таким образом, чтобы он обеспечивал наибольшее среднее напряжение плюс превышение на 3%, что соответствует максимуму иф * Ua.

8. Показаны преимущества импульсного питания. Предложена система релаксационного питания, обладающая преимуществами импульсного питания, отличающаяся простотой и надежностью, что очень важно для практического использования. Разработаны и внедрены источники релаксационного питания.

9. Разработана методика, выполнен полнофакторный активный эксперимент и получены уравнения регрессии, связывающие параметры источника питания, пы-легазового потока и степень очистки. Эти уравнения позволяют выбрать режимы, обеспечивающие минимальный унос, доказывают преимущества релаксационного питания.

10. Преимущества релаксационного питания подтверждены многочисленными испытаниями и применениями в промышленных условиях.

11. Для электрофильтров, работающих при высокой концентрации дисперсной фазы, для учета возможного запирания коронного разряда и ухудшении осаждения частиц разработана методика расчета степени очистки газа от частиц. Предложен способ определения недозарядки частиц. Правомерность методики подтверждена сопоставлением с экспериментальными значениями степени очистки для электрофильтров типа Д111Н и ПГДС, улавливающих пыли мартеновских печей, и электрофильтров типа ЭТМ, улавливающих капли серной кислоты.

12. Анализ расчетных материалов показывает:

— из-за влияния дисперсной фазы скорость дрейфа частиц может снижаться в 2 и более раз по сравнению с аналогичными значениями при малой концентрации;

— плотность тока из-за влияния высокой концентрации по длине электрофильтра распределяется крайне неравномерно. В начальной части электрофильтра плотность тока близка к нулю:

— из-за влияния дисперсной фазы имеет место более резкое возрастание уноса с ростом скорости потока.

13. Разработаны электрофильтры нового поколения, в которых:

— используется новая система электродов с лучшими электрическими характеристиками;

— принято экономически выгодным увеличенное межэлектродное расстояние 460 мм;

— обосновано применение электродов высотой до 18 м;

— обеспечено равномерное распределение потока газа по сечению электрофильтра за счет применения двух газораспределительных решеток на входе и одной решетки на выходе из электрофильтра;

— предприняты специальные конструктивные меры по уменьшению влияния неактивных зон;

— применена новая система регулирования напряжения на электрофильтре.

14. Впервые теоретически, расчетным путем, доказана целесообразность использования увеличенного межэлектродного расстояния.

15. Впервые обоснована возможность применения в электрофильтрах осадительных электродов высотой 18 м и освоено их производство.

16. Разработан и внедрен типоразмерный ряд электрофильтров нового поколения общепромышленного применения производительностью до 1,5 млн. м3/ час, обеспечивающих остаточную запыленность газов 30−50 мг/м3.

17. Обоснована необходимость разработки комбинированных электрофильтров, состоящих из последовательных, по ходу газа, собственно электрофильтра и рукавного фильтра.

18. Определена область применения комбинированных электрофильтров:

— очистка газов от высокоомных и других трудно улавливаемых в обычных электрофильтрах пылей;

— при высокой начальной концентрации пыли и в связи с необходимостью обеспечения жестких экологических требований по остаточной запыленности газов;

— при ограниченной площади для размещения газоочистного оборудования.

19. Впервые определены рациональные диапазоны концентрации частиц для первого элемента комбинированного электрофильтра — собственно электрофильтра: ziBXOfl =100 г/м3 и ziBbIX = 5−12 г/м3, и второго элемента — рукавного фильтра: 22вход = 5−12 г/м3 и Z2Bbix = 50 мг/м3 и менее.

20. Установлено в результате технико-экономических расчетов, что применение комбинированных электрофильтров вместо многопольных обычных электрофильтров сопровождается экономическим эффектом, если они заменяют электрофильтры с 6 и более полями.

21. Исследованы особенности формирования пылевого слоя на фильтровальном материале при осаждении заряженного аэрозоля. Произведен теоретический расчет процесса накопления заряда в пылевом слое и определены предельные значения плотности заряда, которые ограничиваются разрядными процессами в слое. Показано, что предельные значения гидравлического сопротивления фильтровального материала достигаются при большей пылевой нагрузке, чем при осаждении незаряженных частиц. В результате рукавный фильтр при улавливании заряженного аэрозоля работает более эффективно.

22. На основании исследования процессов формирования заряженного пылевого слоя на фильтровальном материале предложена систсема электрической регенерации, позволяющая повысить ее эффективность. На способ электрической регенерации рукавного фильтра подана заявка на получение патента РФ.

23. Разработаны конструкции комбинированных электрофильтров. Применение составляющих комбинированных электрофильтров на практике подтвердило их эффективность.

24. Применение автоматизированной лини изготовления коронирующих электродов, высокоточного автоматизированного стана резко повышает качество электродных систем. Применение твердого субконтрактинга для изготовления и монтажа установок газоочистки гарантирует качество и их степень очистки. Эксплуатация установок с участием инжиниринга разработчиков электрофильтра обеспечивает гарантию эксплуатационной системы очистки электрофильтра.