Отлагане на аерозолни частици в електрическо поле
Отлагането на твърди и течни частици, суспендирани в газ под въздействието на електрическо поле, има предимства пред другите методи на отлагане. Действието на електрическото поле върху заредена частица се определя от големината на нейния електрически заряд. По време на електроотлагането на частици с малки размери може да се придаде значителен електрически заряд и поради това може да се извърши процес на отлагане на много малки частици, който не може да се извърши под действието на гравитация или центробежна сила.
Принципът на електрическо пречистване на въздух (газове) от суспендирани частици се състои в зареждането на частиците с последващото им освобождаване от тегловната среда под въздействието на електрическо поле.
Физическата същност на електроотлагането е, че газовият поток, съдържащ суспендирани частици, е предварително йонизиран, докато частиците, съдържащи се в газа, придобиват електрически заряд. Зареждането на частици в полето на коронен разряд възниква под въздействието на електрическо поле и поради дифузия на йони. Максималният заряд на частиците с размер над 0,5 μm е пропорционален на квадрата на диаметъра на частицата, а на частиците с размер под 0,2 μm - на диаметъра на частицата.
При нормални условия повечето от газовите молекули са неутрални, т.е. не носят електрически заряд с един или друг знак; поради действието на различни физични фактори в газа винаги има известно количество носители на електрически заряд. Такива фактори включват силно нагряване, радиоактивно излъчване, триене, газово бомбардиране от бързо движещи се електрони или йони и др.
Газовата йонизация се извършва по два начина:
1) независимо, с достатъчно висока потенциална разлика на електродите;
2) зависими - в резултат на излагане на радиоактивно лъчениевещества, рентгенови лъчи.
В промишлеността електроотлагането на суспендирани частици от газ се извършва по такъв начин, че газовият поток се насочва вътре в тръбни (или между пластини) положителни електроди, които са заземени (фиг. 6.1). Вътре в тръбните електроди са опънати тънки телени или пръчковидни електроди, които са катоди.
Ако в електрическото поле между електродите се създаде определено напрежение, тогава носителите на заряд, т.е. йони и електрони, получават значително ускорение и когато се сблъскат с молекули, последните се йонизират. Йонизацията се състои в това, че един или повече външни електрони се избиват от орбитата на неутрална молекула.
В резултат на това неутралната молекула се превръща в положителен йон и свободни електрони. Този процес се нарича ударна йонизация.
Ориз. 6.1. Схеми на газопречистващи електроди.
Когато поток от йонизиран газ преминава в електрическо поле между два електрода, заредените частици под действието на електрическото поле се придвижват към противоположно заредени електроди и се установяват върху тях.
Частта от междуелектродното пространство, съседна на корониращия електрод, в която протича ударна йонизация, се нарича зона на короната. Останалата част от междуелектродното пространство, т.е. между короната и събиращите електроди, се нарича външна област.
Около корониращия електрод се наблюдава синкаво-виолетово сияние (корона). Коронният разряд също е придружен от тихо пукане. Коронният разряд освобождава озон и азотни оксиди.
Образуваните в резултат на ударна йонизация йони и свободните електрони под действието на полето също получават ускорение и йонизират нови молекули.Така процесът има лавинообразен характер. Въпреки това, с увеличаване на разстоянието от корониращия електрод, силата на електрическото поле вече не е достатъчна за поддържане на високи скорости и процесът на ударна йонизация постепенно изчезва.
Носителите на електрически заряди, движещи се под действието на електрическо поле, както и в резултат на брауново движение, се сблъскват с прахови частици, суспендирани в газов поток, преминаващ през електростатичен филтър, и им предават електрически заряд.
По време на йонизацията се образуват както положителни, така и отрицателни йони: положителните йони остават близо до „короната“ на катода, а отрицателните йони се насочват с висока скорост към анода, срещайки и зареждайки частиците, суспендирани в газа по пътя си.
Повечето от суспендираните частици, преминаващи в междуелектродното пространство, получават заряд, противоположен на знака на събиращите електроди, придвижват се до тези електроди и се отлагат върху тях. Някои от праховите частици, които са в зоната на действие на короната, получават заряд, противоположен на знака на коронния електрод и се отлагат върху този електрод.
Ако на електродите се създаде потенциална разлика от (4.6) kV/cm и се осигури плътност на тока от (0.05.0.5) mA/m от дължината на катода, тогава прахообразният газ, преминавайки между електродите, се освобождава почти напълно от суспендирани частици.
Нека разгледаме основните зависимости, характеризиращи електрическото пречистване на газове (въздух) от прахови частици.
Основният закон за взаимодействие на електрическите заряди - законът на Кулон се изразява с формулата
Където q1, q2 са стойностите на взаимодействащите точкови заряди; r е разстоянието между тях; k1 - коефициент на пропорционалност (k1 > 0).
Под точковите заряди разбирайте зарядите, които са върху тела с всякаква форма,освен това размерите на телата са малки в сравнение с разстоянието, върху което се отразява тяхното действие.
Коефициентът на пропорционалност k1 зависи от свойствата на средата. Този коефициент може да бъде представен като съотношение на два коефициента
Където k - коефициент; є - безразмерна величина, наречена относителна диелектрична проницаемост на средата. За вакуум е = 1.
Законът на Кулон също може да бъде изразен
Коефициентът k в системата SI се приема k = 1/4 p є0; тук є0 е електрическата константа.
Заместете тази стойност във формулата (2.52.)
Където S0 = 8,8510-12 C2/(Nm2).
За характеризиране на електрическото поле се използва физическо количество - силата на полето E. Силата във всяка точка на електрическото поле е силата, с която това поле действа върху един положителен заряд, поставен в тази точка.
Коронен разряд възниква при определена напрегнатост на полето. Тази стойност се нарича критична якост и за отрицателната полярност на електрода може да се определи по емпиричната формула
Ecr \u003d 3,04 (v + 0,0311 Ve / r) 106 (6,5)
Където r е радиусът на корониращия електрод, m; P е съотношението на плътността на газа при работни условия към плътността на газа при стандартни условия (t = 200C; p = 1,013105 Pa):
V ± Pr (273 + 20), (6.6)
Тук B е барометричното налягане, Pa; pr - стойността на разреждането или абсолютното налягане на газовете, Pa; t - температура на газа, °C.
Формула (6.5) е предназначена за въздух, но с известно приближение може да се приложи и за димни газове.
Напрежение на полето на разстояние x от оста на коронния електрод:
Където - - напрежение, приложено към електродите; R1 и R2 са радиусите на короната и събирателния електрод.
Стойност на заряда q (kA),придобит от проводяща частица със сферична форма под въздействието на електрическо поле, се изчислява по формулата:
Където е диелектричната константа на средата; dH - диаметър на частиците; E е напрегнатостта на електрическото поле на коронния разряд.
Количеството заряд, придобит от електрически непроводима частица:
Където еh е относителната диелектрична проницаемост на частицата.
Граничният заряд на частици с диаметър над 1 μm се определя по формулата
Qnped =n e = 0,19 • 10-9 r2E, (6.10)
Където n е броят на елементарните заряди; e - стойността на елементарния заряд, равна на 1,610-19 C; r - радиус на частицата, m; E - напрегнатост на електрическото поле, V/m.
Формула (6.10.) е директно приложима, ако диелектричната константа на прахообразното вещество e е 2,5. За много вещества стойността на e е значително различна: за газове e \u003d 1; за гипс е = 4; за метални оксиди e = 12...18; за метали e = да.
Ако e φ2,5, тогава стойността qnpe^, получена по формула (6.10.), се умножава по корекцията, която е отношението
Където De=m - стойност D = 1 + 2(є - 1)/(є + 2) при e = m; при є = 2,5, D = 1,66; при є = 1, D = 1.
Прахът с ниска електропроводимост предизвиква явлението обратна "корона", което се съпровожда от образуването на положително заредени йони, частично неутрализиращи отрицателния заряд на частиците, в резултат на което те губят способността си да се придвижват към събирателния електрод и да се отлагат. Проводимостта на праха се влияе от състава на газа и праха. С увеличаване на влажността на газовете електрическото съпротивление на праха намалява. При високи температури на газа електрическата якост на междуелектродното пространство намалява, което води до влошаване на прахоулавянето.
В електростатичния филтър частиците се зареждатмного бързо: за по-малко от секунда зарядът на частиците достига граничната си стойност (Таблица 6.1).
Съотношение на заряда на частиците от. време за зареждане