ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОРОННОГО РАЗРЯДА

Экологическая проблема и экотехническое оборудование | От осадительной камеры до первых электрофильтров
Научные разработки и промышленные внедрения | От типоразмерного ряда к эксклюзивной конструкции
Контроль и расчет, монтаж и ремонт, услуги и поставки

5. ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОРОННОГО РАЗРЯДА

Схема установки
вертикального электрофильтра

Электрофильтры – наиболее эффективные газоочистительные аппараты, т.к. эксплуатационные расходы на их содержание, по сравнению с другими пыле- и золоуловителями, гораздо ниже. При этом электрофильтры наиболее полно отвечают требованиям абсолютного пылеулавливающего устройства.

Установка для электрической очистки газов включает в себя электрофильтр и агрегат питания. Подлежащий очистке газ поступает в электрофильтр, на электроды которого подается высокое напряжение, между электродами возникает коронный разряд, вследствие чего происходит заполнение межэлектродного пространства отрицательно заряженными ионами газа, которые под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным.

Осадительные электроды подразделяются на пластинчатые, трубчатые, коробчатые, прутковые, карманные, желобчатые, С-образные, тюльпанообразные и т.д.

По способу удаления пыли электрофильтры делятся на мокрые и сухие. В сухих электрофильтрах встряхивание электродов производится ударно-молотковым, ударно-импульсным, вибрационным способами и др. В мокрых электрофильтрах осуществляется периодическая или непрерывная промывка электродов. По направлению движения очищаемого газа электрофильтры подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Кроме того, электрофильтры бывают однозонными, в которых зарядка и осаждение частиц осуществляется в одной зоне, и двухзонными – в них зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах: ионизаторе и осадителе.

Трубчатый электрофильтр
Стюртевант

По принципу создания коронного разряда электрофильтры бывают с фиксированными точками коронного разряда и нефиксированным коронным разрядом.

По типу систем коронирующих электродов электрофильтры можно разделить на две основные группы: с рамными коронирующими электродами и со свободно подвешенными коронирующими электродами. Встряхивание осадительных и коронирующих электродов осуществляется с помощью соударения, ударно-молоткового встряхивания, ударно-импульсной системы, вибрационных механизмов, периодической и непрерывной промывки.

Физика коронного разряда подробно рассмотрена в книге Н.А.Капцова «Коронный разряд и его применение в электрофильтрах», изданной в 1947 г. Явление электрического разряда в газах объясняется несколькими теориями разряда. Основание перво теории – теории лавин – было положено Таунсендом в 1900 г. Спустя 30 лет она получила дальнейшее развитие в трудах Роговского и, как пишет Н.А.Капцов, «и до настоящего времени служила основой при объяснении явлений коронного разряда».

Вторая теория – теория газоразрядной плазмы – с 1924 г. разрабатывалась Ленгрюмом и его школой, но, по мнению Н.А.Капцова, к объяснению физики коронного разряда не имеет прямого отношения.

Третья теория – теория изотермической плазмы – разрабатывалась в довоенные годы Эленбасом и другими голландскими физиками.

Электрофильтр РИОН-С

Четвертая теория – теория стримеров – фигурирует в работах Лёба и была вызвана «многочисленными попытками объяснить явления, наблюдаемые в ранних стадиях молнии и искровых разрядов вообще».

В том же 1947 г. была издана еще одна книга Н.А.Капцова – «Электрические явления в газах и вакууме», в которой он так объяснил природу коронного разряда:

«Коронный разряд возникает при сравнительно больших давлениях во всех тех случаях, когда поле в разрядном промежутке очень неравномерно из-за малого радиуса кривизны поверхности одного или обоих электродов… При коронном разряде происходит неполный пробой газового разрядного промежутка, завершающийся при последующем искровом пробое».

В этой же книге дан «Краткий исторический обзор» изучения электрического разряда, в котором изложены следующие факты:

«Первым явлением электрического разряда в газах, воспроизведенным в лаборатории, было извлечение электрических искр из наэлектризованных тел. В 1700 году доктор Валь наблюдал извлечение искры из наэлектризованного янтаря и описал это явление. В 1746 году Мушенбрек построил первые лейденские банки. Изучение зарядки этих банок и разрядки их при помощи электрической искры привело к самому названию: «электрический разряд через воздух». Из других видов разряда Гауксби также в XVIII веке наблюдал свечение разреженного воздуха внутри шара, электризуемого снаружи трением. В 1752 году Франклин и почти одновременно с ним основоположник всей русской физики Михаил Васильевич Ломоносов показали на опыте, что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе.

Электрофильтр типа М

Ломоносов установил также, что электрические заряды имеются в воздухе и при отсутствии видимой грозы, так как и в этом случае из его «громовой машины» иногда можно было извлекать искры. Громовая машина представляла собой установленную в жилом помещении лейденскую банку, одна из обкладок которой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием, расположенными на высоком поставленном во дворе шесте. В 1753 году во время опытов был убит у себя дома молнией, ударившей в шест машины, друг Ломоносова профессор Рихман, также производивший исследования при помощи собственной громовой машины. Ломоносов исследовал также свечение разреженного воздуха под действием электрической машины с трением. В 1785 году Кулон во время опытов, приведших к установлению закона Кулона, обнаружил утечку электрических зарядов через воздух (тихий разряд).

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров, впоследствии академик Петербургской Академии наук, впервые, на несколько лет раньше английского физика Дэви, обнаружил и затем описал явление так называемой вольтовой дуги в воздухе между двумя угольными электродами.

Фарадею принадлежит исследование разницы потенциалов, при которой возникает искровой разряд. Он обнаружил, что первый импульс искрового разряда – проскакивание первой искры между электродами – происходит при более высокой разнице потенциалов, чем проскакивание последующих искр, и что после каждой искры свойство газа, облегчающее прохождение новой искры, сохраняется в течение нескольких минут. Он обнаружил также влияние полярности электродов разрядного промежутка на потенциал искрового пробоя в том случае, если оба электрода неодинаковы по размерам и геометрической конфигурации.

Электрофильтр МТ

Во второй половине XIX столетия в трудах английских и немецких физиков получили феномонологическое описание тлеющий и некоторые другие виды разряда в разреженных газах (трубки Плюккера, Гейслера и др.). Крукс довел разрежение газа в разрядной трубке до крайних возможных тогда пределов и положил начало исследованию катодных лучей.

Из русских электриков XIX века над практическими приложениями вольтовой дуги для освещения весьма успешно работали Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) и Владимир Николаевич Чиколев (1845–1898), а приложениями той же дуги для сварки, спайки и плавки металлов – Николай Гаврилович Славянов и Николай Николаевич Бенардос. Исследованием вольтовой дуги занимались Димитрий Александрович Лачинов совместно с В.Н.Чиколевым и В.Ф.Миткевичем. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дугового разряда. Несамостоятельным разрядом в воздухе занимался Александр Григорьевич Столетов во время его классического исследования актино-электрического эффекта (фотоэффекта). Ему принадлежит открытие «эффекта Столетова», а также установление первого закона фотоэффекта и ряда других основных черт этого элементарного процесса.

Ивану Ивановичу Боргману (1849–1914) принадлежит интересное исследование пути тихого электрического разряда в воздухе при помощи наблюдения положений очень маленькой магнитной стрелки при отсутствии и при наличии разряда через воздух. Владимир Константинович Лебединский изучал в период 1900–1909 гг. отчасти совместно с В. Ф. Миткевичем явления электрической искры, в частности «зажигание» и «тушение» искры ультрафиолетовым светом и радиоактивными излучениями.

Электрофильтр ШМК

Современные теории газового разряда, основанные на представлении об ионизации газа, ведут свое начало от классических работ Дж. Дж. Томсона, предпринятых им с середины восьмидесятых годов XIX века, и начертанной им в 1900 году картины разряда, и от работ его ученика Таунсенда. Теория Таунсенда была существенно дополнена в 1931–1932 гг. Роговским путем учета искажения поля в разряде пространственными зарядами. Это дало возможность более полно нарисовать картину перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный и распространить теорию также и на самостоятельный тлеющий разряд.

Явление термоэлектронной эмиссии было весьма основательно и полно исследовано английским физиком Ричардсоном около 1900 года. Ричардсон дал первую количественную теорию этого элементарного процесса. Одновременно Дж. Дж. Томсон и его школа, а также Ленар и другие продолжали исследования ионизации и постепенно пришли к открытию и других элементарных процессов в объеме газа. Особенно большую роль сыграли работы Франка и Герца над потенциалами возбуждения и ионизации газа, опубликованные в 1913/14 годах и тесно связавшие учение о газовом разряде с теорией атома.

В области общей теории разряда новый метод подхода к явлениям газового разряда был указан в 1923 г. американским физико-химиком Ирвингом Ленгмюром, установившим представление о газоразрядной «плазме» и указавшим пути экспериментального и теоретического исследования последней. В новейшее время американский физик Лёб и его школа пошли по другому новому направлению в изучении газового разряда. Созданная этой школой теория учитывает в числе основных элементарных процессов фотоионизацию газа в объеме и, наряду с представлением об электронных лавинах Таунсенда, вводят представление о «стримерах». Этим путем в значительной степени удалось расшифровать явления искрового разряда и молнии. Количественную теорию термической ионизации дал индийский физик Сага (1923). Приложение теории Сага к отшнурованному дуговому разряду дали Эленбас и другие голландские физики (1935 г.). Среди них Бойль впервые осуществил разряд в парах ртути при сверхвысоких давлениях порядка ста атмосфер и выше. Из покойных русских физиков, работавших в XX веке над явлениями газового разряда, вспомним о Димитрии Аполлинариевиче Рожанском (1882–1936), написавшем один из первых оригинальных русских учебников по электрическому разряду в газах».

Электрофильтр СМС

В нашу задачу не входит объяснять физику коронного разряда. В настоящее время наиболее полно они изложены в трудах Верещагина И.П. и других сотрудников кафедры ТВН (техники высоких напряжений) Московского энергетического института (Технического университета). Перечисленные выше теории мы назвали лишь для того, чтобы показать, какое это непростое явление – коронный разряд.

Не менее сложной и не менее запутанной является история создания первых электрофильтров.

Еще в 1824 г. немецкий ученый Гольдфельд ставил опыты, доказывающие, что с помощью электричества можно осаждать взвешенные в газах жидкие и твердые частицы. Во время своих научных докладов он демонстрировал исчезновение тумана из стеклянного сосуда, в котором был помещен наконечник под высоким электрическим потенциалом. Позднее, в середине XIX века, аналогичный опыт ставил Житар – с осаждением табачного дыма в стеклянном цилиндре высотой 450 мм и диаметром 230 мм.

(Действующая модель электрофильтра весьма проста по конструкции, состоит из собственно электрофильтра и источника высокого напряжения. Электрофильтр представляет собой стеклянный цилиндр – осадительный электрод, внутри которого коаксиально расположен тонкий провод – коронирующий электрод. Для демонстрации эффекта пылеулавливания внутрь стеклянного цилиндра подается табачный дым. При включении высокого напряжения частицы дыма оседают на внутренней стенке стеклянного цилиндра – и дым исчезает.)

Это открытие неоднократно пытались использовать для очистки дымовых газов в промышленных условиях, но неудачно. Историю развития электрической очистки газов связывают с именами английского физика О.Лоджа и американского инженера Ф.Котреля. С участием профессора физики О.Лоджа в Англии, в 90-х гг. XIX века, была предпринята первая попытка электрического пылеулавливания на одном из свинцовоплавильных заводов, закончившаяся, однако, неудачей. И только Ф.Котрель в 1905 г. впервые с успехом применил электрофильтр в цементной промышленности. Долгие годы во многих странах электрофильтры называли котрелями, в том числе и в Советском Союзе.

Электрофильтр ОГ

Это – официальная история создания электрофильтра, но есть и другая, о которой в 1977 г. было рассказано в очерке под названием «Спрятанное изобретение». В нем в частности говорилось:

«Сообщение о работах Котреля снова привлекло внимание к старому открытию, во многих странах возобновились работы по газоочистке. Особенно больших успехов добились немецкие химики, но этими успехами они предпочли не хвастаться. И на такое умолчание у них были не совсем обычные основания...

Шлейфы дыма, тянувшиеся в небо из труб военных кораблей, предупреждали противника задолго до его появления. Немецкие химики создали электрофильтр, который позволял избавляться от демаскирующего дымового шлейфа. Однако морское командование отказалось использовать такое на первый взгляд полезнейшее изобретение. Оно опасалось, что исчезновение черного дыма из труб немецких кораблей насторожит англичан и заставит их быстрее перенять опыт, что усложнит действия немецких подводных лодок, которым дымный шлейф помогал в поиске жертв.

Электрофильтр КТ

А как же быть с демаскировкой собственных надводных кораблей? Проанализировав ситуацию, немецкое морское командование пришло к выводу: поскольку главный упор решили сделать на подводные лодки, дымные шлейфы у вражеских кораблей выгоднее для немцев, чем бездымность собственных надводных кораблей, которые, действуя близ своих баз, легко могли избежать нежелательной встречи с более сильным противником. Ценное изобретение было скрыто от людских глаз. О нем впервые стало известно лишь в 1923 г. из доклада немецкого химика Ф.Габера, который прочитал его в Буэнес-Айресе для немецких эмигрантов в Аргентине».

К этому сообщению следует добавить, что первый в Советском Союзе специализированный Семибратовский завод газоочистительной аппаратуры, о котором будет рассказано ниже, несколько лет выпускал малогабаритные электрофильтры типа РИОН, которые поставлялись на советские подводные лодки. Но это было гораздо позднее, уже после окончания Великой Отечественной войны.

В Советском Союзе первый электрофильтр заработал в 1925 г. на заводе «Красный выборжец» в Ленинграде. Это был первый трубчатый электрофильтр для улавливания пыли окиси цинка, сооруженный по проекту профессора Ю.В.Баймакова. В 1926 г. им же на основании исследований лабораторного образца был разработан пластинчатый электрофильтр и установлен также для улавливания пыли окиси цинка на заводе «Победа рабочих» в Ярославле.

Электрофильтр СГ

В 30 гг. прошлого столетия в Советском Союзе велись работы по исследованию протекающих в электрофильтрах электрофизических процессов, разрабатывались физические основы электрической очистки газов. В 1933 г. С.П.Жебровский опубликовал статью «Электрофильтрация газов с помощью токов высокой частоты», опубликованную в бюллетене треста «Газоочистка». В 1950 г. им была издана монография «Электрофильтры», которая и сегодня представляет определенный интерес для специалистов.

В каталоге «Газоочистительное оборудование треста «Газоочистка»», изданном в самом начале 1941 г., сообщается, что всего к 1930 г. в нашей стране работало 6 газоочистительных установок, «причем на 5 из них было установлено импортное оборудование». В 1935 г. на ГРЭС, работающей на подмосковном угле, трестом «Газоочистка» были установлены пластинчатые электрофильтры с карманными электродами, однако их эксплуатация показала, что они обладают рядом существенных недостатков. Пришлось опять обратиться к зарубежному опыту. В 1936–1939 гг. на отечественных электростанциях было установлено 8 вертикальных и горизонтальных электрофильтров «Лурги». Специалистами досконально изучались пластинчатые электрофильтры «Лодж-Котрель», установленные на электростанции в Бирмингеме (США), вертикальные сотовые электрофильтры «Стюртевант», работающие на электростанции в Бримсдауне и Дерби (Англия).

Электрофильтр С

Первые отечественные электрофильтры типа ДВ, ХК, К и М позволили Советскому Союзу отказаться от закупок дорогостоящих зарубежных аппаратов. Однако дальнейшее развитие отечественной газоочистительной техники сдерживалось не только отсутствием научно-исследовательского и конструкторского опыта, но и мощной производственной базы. Опять обратимся к каталогу 1941 г. «Газоочистительное оборудование треста «Газоочистка»»:

«По проектам треста «Газоочистка» построены и в настоящее время работают в различных отраслях промышленности 167 газоочистительных установок с 548 электрофильтрами, изготовленными на отечественных заводах... Механическая часть электрофильтров изготовляется на заводе им. Никольского (в г. Новочеркасске), электроагрегаты изготовляются на заводе рентгеновской аппаратуры в Москве, изоляторы изготовляются на заводе «Пролетарий» в Ленинграде и на заводе «Изолятор» в Москве, кварцевые трубы – на заводе им. Ломоносова в Ленинграде, молотки, трамбовки и вибраторы для встряхивания осадительных и коронирующих электродов – на заводе «Пневматика» в Ленинграде, осадительные электроды (углеграфитовые) для электрофильтров типа К – на электродном заводе в Москве».

Как видим, в изготовлении электрофильтров участвовало множество разнопрофильных предприятий, разбросанных по всей стране, принадлежавших различным ведомствам и занимавшихся газоочисткой попутно с основным производством. При административной системе такая кооперация вызывала сложности в планировании. Трудноуправляемая, громоздкая система не могла удовлетворить возрастающие потребности в газоочистительной аппаратуре. Начали планировать создание специализированного предприятия, но этим планам помешала война.

Электрофильтр ДМ

Каталог треста «Газоочистка», изданный тиражом в 2 тысячи экземпляров, дает наглядное представление о довоенном уровне развития электрогазоочистки. Ответственным редактором каталога выступил П.В.Алексашенков – в недалеком будущем управляющий трестом «Газоочистка». В предисловии к каталогу сказано: «Естественно, что первая попытка систематизации материала в виде каталога не может быть достаточно совершенной; мы ожидаем от наших потребителей указаний о желаемых дополнениях и возможных исправлениях». Несмотря на это замечание, каталог издан добросовестно, все последующие отечественные каталоги издавались по образцу этого издания, хотя и не всегда достигали его уровня. Приведенные в каталоге электрофильтры условно можно назвать электрофильтрами первого поколения:

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА ДВ и ДВМ. Применялись для очистки от золы дымовых газов на котельных установках, для очистки отходящих газов обжиговых печей, сушилок, аспирации и пр. Осадительные электроды сконструированы в виде шестигранных труб (ячеек). В таком виде пакеты напоминают соты, поэтому электрофильтры этих типов называли«сотовыми электрофильтрами». Выполнялись в виде железобетонных камер. Встряхивание электродов осуществлялось пневматическими молотками и трамбовками или вибраторами.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА ХК. Применялись в химической промышленности и цветной металлургии. Предназначались для очистки пыли горячего печного газа. Встряхивание осадительных и коронирующих электродов осуществлялось вручную.

Электрофильтр ПГ

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА М. При контактном способе получения серной кислоты очистка печных газов только от огарковой пыли была недостаточной, содержащийся в колчеданах мышьяк не осаждался в огарковых электрофильтрах. Электрофильтры типа М обеспечивали улавливание мышьяка. Очистка в них основана на предварительном насыщении газа туманом серной кислоты, в котором растворяется мышьяк, и последующем осаждении этого тумана в электрофильтрах типа М. Они представляли собой свинцовую камеру, укрепленную на железном каркасе, с цилиндрическими и шестигранными электродами. Все внутренние части камеры изготовлялись из свинца или железа с освинцовкой. Электрофильтры типа М применялись для очистки от тумана серной кислоты любого газа с температурой ниже 100° C: печного газа контактных сернокислотных заводов после охлаждения его в промывных башнях; сернистого газа бумажных фабрик; отходящих газов после концентраторов серной кислоты в аппаратах Кесслера.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА МС. В этих электрофильтрах путем охлаждения отходящих газов взбрызгиваемой водой и последующей электроочисткой достигается 100-процентное удаление тумана серной кислоты. Осадительные электроды выполнены из листового свинца в виде труб шестигранной формы, коронирующие электроды – железная освинцованная проволока в виде шестигранника.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА К. При концентрировании серной кислоты путем непосредственной ее упарки горячими газами происходит значительный унос ее в виде тумана в отходящих газах. Для устранения больших потерь кислоты устанавливались электрофильтры типа К. Они применялись для осаждения тумана серной кислоты из горячих дымовых газов после аппаратов для концентрирования этой кислоты, а также для улавливания тумана фосфорной кислоты. Электрофильтр представлял собой камеру, выложенную из андезитовых или бештаунитовых камней с минимальным швом или из кислотоупорного кирпича. Кладка снаружи стянута железным каркасом и покрыта теплоизоляцией из фибролита. Осадительные электроды представляют собой угольные трубы, коронирующие электроды изготовлены из освинцованной железной проволоки.

Электрофильтр ДГП-3

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА А. Применялись для улавливания туманообразной азотной кислоты из вентиляционных газов нитрационных отделений с предварительным увлажнением. Представляли собой вертикальную камеру из специальной стали. Газ, поступая в нижнюю часть камеры, увлажняется и, поднимаясь вверх вместе с туманообразной азотной кислотой, попадает в электрофильтр. Орошение производится оборотной азотной кислотой с помощью брызгал.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА У. Применялись для очистки от угля газов углесушильных барабанов и угольных мельниц и от сажи газов сажекоптильных печей. Представляли собой железную или железобетонную камеру. Для особо взрывоопасных сортов угля применялись электрофильтры типа УК, имеющие железный цилиндрический корпус. Осадительные электроды выполнены в виде пластин, набранных из свободно висящих прутков или закрепленных полос волнистого железа. Коронирующие электроды – рамы из газовых труб, по которым натянута железная нихромовая или фехралевая проволока.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА СУ и С. Применялись для очистки генераторного газа от смолы и пыли, уносимых этими газами из генераторов. Для генераторов, работающих на торфе или дереве, в газах которых содержится уксусная кислота, применялись электрофильтры типа СУ, для всех остальных – типа С.

Электрофильтр ДВП

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА СМ и СМС. Применялись для очистки газов, отходящих от известково-обжигательных печей от частиц пыли, жженой извести и антрацита, а также пыли, состоящей главным образом из хлористых и сернокислых соединений калия, натрия, магния.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА ХР-2. Применялись для трудноулавливаемой пыли, главным образом в цветной металлургии, для очистки газов, отходящих от различного рода плавильных печей.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА ГК и ВГ. Применялись в цветной металлургии и химической промышленности для очистки газов при высоких температурах, например, газов, отходящих от отражательных и конверторных печей, печей обжига колчедана и цинковых концентратов и др. ГК – с горизонтальным ходом газа, ВГ – с вертикальным ходом газа.

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРЫ ТИПА ДМ. Применялись для очистки колошникового газа доменных печей, работающих на передельном или литейном чугунах. Способ очистки – одноступенчатый, мокрый.

Прежде чем перейти к следующей главе книги, не вдаваясь в подробности, сделаем еще одно небольшое отступление в теорию работы электрофильтра.

Степень очистки газа в электрофильтре объясняется формулой Дейча–Уайта:

η = 1 – е ^{– wf}

где W – скорость дрейфа частиц; f – удельная поверхность осаждения.

Из формулы видно, что эффективность работы электрофильтра возрастает по экспоненте с ростом скорости дрейфа частиц пыли к осадительному электроду и удельной поверхности осадительных электродов, приходящейся на единицу объема очищаемого газа. Следовательно, возможны два пути повышения степени очистки: первый – увеличение поверхности осадительных электродов, второй – повышение скорости дрейфа частиц пыли.

На протяжении почти полувека истории электрогазоочистки производители электрофильтров шли по первому пути – уменьшая расстояние между осадительными электродами или увеличивая количество полей в электрофильтре. И только в 70 гг. прошлого столетия были проведены эксперименты по увеличению межэлектродного расстояния, которые доказали перспективность этого пути, поскольку он не приводит к снижению степени очистки.

назад | главная | содержание | вперед