Elektrische Gasreinigung – die physikalische Grundlage für den Betrieb von Elektrofiltern

Wenn man ein staubiges Gas durch die Wirkungszone eines starken elektrischen Feldes leitet, dann entstehen theoretisch Staubpartikel eine elektrische Ladung erwerben und beginnt zu beschleunigen, bewegt sich entlang der Kraftlinien des elektrischen Feldes zu den Elektroden und lagert sich anschließend auf ihnen ab.

Unter den Bedingungen eines gleichmäßigen elektrischen Feldes ist es jedoch nicht möglich, eine Stoßionisation mit der Erzeugung von Massenionen zu erreichen, da in diesem Fall mit Sicherheit eine Zerstörung des Spalts zwischen den Elektroden auftritt.

Wenn das elektrische Feld jedoch inhomogen ist, führt die Stoßionisation nicht zum Durchbruch der Lücke. Dies kann beispielsweise durch eine Bewerbung erreicht werden hohlzylindrischer Kondensator, in der Nähe der Mittelelektrode, an der die elektrische Feldspannung E viel größer sein wird als in der Nähe der äußeren zylindrischen Elektrode.

In der Nähe der Mittelelektrode ist die elektrische Feldstärke maximal, während sich die Stärke E von dieser zur Außenelektrode hin bewegt, nimmt sie zunächst schnell und deutlich ab und nimmt dann weiter ab, jedoch langsamer.

Durch Erhöhen der an den Elektroden angelegten Spannung erhalten wir zunächst einen konstanten Sättigungsstrom und durch weitere Erhöhung der Spannung können wir einen Anstieg der elektrischen Feldstärke an der Mittelelektrode auf einen kritischen Wert und den Beginn eines Schocks beobachten Ionisation in der Nähe.

Bei weiterer Erhöhung der Spannung breitet sich die Stoßionisation über eine immer größere Fläche im Zylinder aus und der Strom im Spalt zwischen den Elektroden nimmt zu.

Infolgedessen kommt es zu einer Koronaentladung Die Ionenerzeugung reicht aus, um Staubpartikel aufzuladen, obwohl es nie zu einem endgültigen Bruch der Kluft kommen wird.

Um eine Koronaentladung zum Aufladen von Staubpartikeln in einem Gas zu erhalten, eignet sich nicht nur ein Zylinderkondensator, sondern auch eine andere Konfiguration von Elektroden, die zwischen ihnen ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugen können.

Zum Beispiel weit verbreitet Elektrofilter, bei dem ein inhomogenes elektrisches Feld mithilfe einer Reihe von Entladungselektroden erzeugt wird, die zwischen parallelen Platten montiert sind.

Die Bestimmung der kritischen Spannung und der kritischen Spannung, bei der Korona auftritt, erfolgt aufgrund der entsprechenden analytischen Abhängigkeiten.

In einem inhomogenen elektrischen Feld bilden sich zwischen den Elektroden zwei Bereiche mit unterschiedlichem Grad der Inhomogenität aus. Der Koronabereich fördert die Erzeugung von Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen und freien Elektronen in der Nähe der dünnen Elektrode.

Freie Elektronen strömen zusammen mit negativen Ionen zur positiven Außenelektrode, wo sie ihr ihre negative Ladung verleihen.

Die Korona zeichnet sich hier durch ein erhebliches Volumen aus und der Hauptraum zwischen den Elektroden ist mit freien Elektronen und negativ geladenen Ionen gefüllt.

Bei röhrenförmigen Elektrofiltern wird das zu entstaubende Gas durch vertikale Rohre mit einem Durchmesser von 20 bis 30 cm geleitet, wobei entlang der Mittelachse der Rohre 2 bis 4 mm dicke Elektroden gespannt sind. Das Rohr fungiert als Sammelelektrode, da sich der eingeschlossene Staub an seiner Innenfläche ablagert.

Ein Plattenabscheider verfügt über eine Reihe von Entladungselektroden in der Mitte zwischen den Platten, und der Staub setzt sich auf den Platten ab. Wenn ein staubiges Gas durch einen solchen Abscheider strömt, werden Ionen von den Staubpartikeln absorbiert und so werden die Partikel schnell aufgeladen. Beim Laden werden die Staubpartikel auf ihrem Weg zur Niederschlagselektrode beschleunigt.

Determinanten der Geschwindigkeit der Staubbewegung in der Außenzone Koronaentladung sind die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit der Teilchenladung und der aerodynamischen Windkraft.

Die Kraft, die Staubpartikel dazu bringt, sich in Richtung der Sammelelektrode zu bewegen – Coulomb-Wechselwirkung der Ladung der Teilchen mit dem elektrischen Feld der Elektroden… Während sich das Teilchen in Richtung der Sammelelektrode bewegt, wird die aktive Coulomb-Kraft durch die Kopfwiderstandskraft ausgeglichen. Die Driftgeschwindigkeit eines Teilchens zur Sammelelektrode kann durch Gleichsetzung dieser beiden Kräfte berechnet werden.

Die Qualität der Partikelablagerung auf der Elektrode wird durch folgende Faktoren beeinflusst: Partikelgröße, deren Geschwindigkeit, Leitfähigkeit, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Qualität der Elektrodenoberfläche usw.Aber das Wichtigste ist der elektrische Widerstand des Staubes. Der Größte Widerstand Staub wird in Gruppen eingeteilt:

Staub mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 104 Ohm * cm

Wenn ein solches Teilchen mit einer positiv geladenen Sammelelektrode in Kontakt kommt, verliert es sofort seine negative Ladung und lädt sich sofort positiv auf der Elektrode auf. In diesem Fall kann der Partikel sofort leicht von der Elektrode abtransportiert werden und die Reinigungseffizienz sinkt.

Staub mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 104 bis 1010 Ohm * cm.

Dieser Staub setzt sich gut auf der Elektrode ab, lässt sich leicht aus dem Rohr schütteln, der Filter arbeitet sehr effizient.

Staub mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 1010 Ohm * cm.

Staub wird vom Elektrofilter nur schwer aufgefangen. Die abgeschiedenen Partikel werden sehr langsam herausgeschleudert, die Schicht aus negativ geladenen Partikeln auf der Elektrode wird dicker. Die geladene Schicht verhindert die Ablagerung neu ankommender Partikel. Die Reinigungseffizienz nimmt ab.

Staub mit dem höchsten elektrischen Widerstand – Magnesit, Gips, Bleioxide, Zink usw. Je höher die Temperatur, desto stärker steigt zunächst der Staubwiderstand (aufgrund der Verdunstung von Feuchtigkeit) und dann sinkt der Widerstand. Indem Sie das Gas befeuchten und ihm einige Reagenzien (oder Ruß- oder Kokspartikel) hinzufügen, können Sie den Widerstand des Staubs verringern.

Beim Eintritt in den Filter kann ein Teil des Staubes vom Gas aufgenommen und wieder mitgerissen werden, dies hängt von der Gasgeschwindigkeit und dem Durchmesser der Niederschlagselektrode ab. Die sekundäre Mitnahme kann durch sofortiges Abspülen des bereits eingeschlossenen Staubs mit Wasser reduziert werden.

Strom-Spannungs-Kennlinie des Filters wird durch einige technologische Faktoren bestimmt.Je höher die Temperatur, desto höher der Koronastrom; Allerdings sinkt die stabile Betriebsspannung des Filters aufgrund einer Abnahme der Durchbruchspannung. Höhere Luftfeuchtigkeit bedeutet geringeren Koronastrom. Eine höhere Gasgeschwindigkeit bedeutet einen geringeren Strom.

Je sauberer das Gas – je höher der Koronastrom, je staubiger das Gas – desto geringer ist der Koronastrom. Unterm Strich bewegen sich die Ionen mehr als 1000-mal schneller als der Staub. Wenn also die Partikel geladen sind, nimmt der Koronastrom ab und je mehr Staub sich im Filter befindet, desto geringer ist der Koronastrom.

Bei extrem staubigen Bedingungen (Z1 25 bis 35 g/m23) kann der Koronastrom auf nahezu Null abfallen und der Filter funktioniert nicht mehr. Dies wird als Kronenverriegelung bezeichnet.

Eine verschlossene Korona führt dazu, dass es an Ionen mangelt, um den Staubpartikeln ausreichend Ladung zu verleihen. Obwohl die Krone selten vollständig verriegelt, funktioniert der Elektrofilter in staubigen Umgebungen nicht gut.

In der Metallurgie werden am häufigsten Plattenelektrofilter eingesetzt, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen und bis zu 99,9 % des Staubs bei geringem Energieverbrauch entfernen.

Bei der Berechnung eines Elektrofilters werden dessen Leistung, Betriebseffizienz, Energieverbrauch zur Erzeugung einer Korona sowie der Strom der Elektroden berechnet. Die Leistung des Filters ergibt sich aus der Fläche seines aktiven Abschnitts:

Wenn man die Fläche des aktiven Abschnitts des Elektrofilters kennt, wird anhand spezieller Tabellen ein geeignetes Filterdesign ausgewählt. Um die Filtereffizienz zu ermitteln, verwenden Sie die Formel:

Wenn die Größe der Staubpartikel mit der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle (ca. 10-7 m) übereinstimmt, kann die Geschwindigkeit ihrer Abweichung durch die Formel ermittelt werden:

Die Driftgeschwindigkeit großer Aerosolpartikel ergibt sich aus der Formel:

Der Wirkungsgrad des Filters wird für jede Staubfraktion separat ermittelt und anschließend der Gesamtwirkungsgrad des Elektrofilters ermittelt:

Die Betriebsintensität des elektrischen Feldes im Filter hängt von seiner Konstruktion, dem Abstand zwischen den Elektroden, dem Radius der Koronaelektroden und der Beweglichkeit der Ionen ab. Der übliche Betriebsspannungsbereich für einen Elektrofilter liegt zwischen 15 * 104 und 30 * 104 V/m.

Reibungsverluste werden in der Regel nicht berechnet, sondern einfach mit 200 Pa angenommen. Der Energieverbrauch zur Erzeugung einer Korona ergibt sich aus der Formel:

Der Strom beim Sammeln von metallurgischem Staub wird wie folgt ermittelt:

Der Elektrodenabstand des Elektrofilters hängt von seiner Konstruktion ab. Die Länge der Niederschlagselektroden wird je nach erforderlichem Staubabscheidegrad gewählt.

Elektrofilter werden im Allgemeinen nicht zum Auffangen von Staub aus sauberen Dielektrika und sauberen Leitern verwendet. Das Problem besteht darin, dass sich gut leitende Partikel zwar leicht aufladen, an der Niederschlagselektrode aber auch schnell herausgeschleudert und somit sofort aus dem Gasstrom entfernt werden.

Dielektrische Partikel setzen sich auf der Niederschlagselektrode ab, verringern deren Ladung und führen zur Bildung einer umgekehrten Korona, die die ordnungsgemäße Funktion des Filters beeinträchtigt. Der normale Betriebsstaubgehalt des Elektrofilters liegt unter 60 g/m23, die maximale Einsatztemperatur des Elektrofilters liegt bei +400 °C.

Siehe auch zu diesem Thema:

Elektrostatische Filter – Gerät, Funktionsprinzip, Anwendungsbereiche