Электростатикалық газ тазарту құрылғысы

Кіріспе

Сүзгі құрылғысы

Электростатикалық тұндырғыш (ЭТҚ) – газдар ағынына минималды кедергі келтіре отырып, индукцияланған электростатикалық зарядтың күшін пайдаланып, газдан шаң және түтін сияқты ұсақ бөлшектерді жоятын сүзгісіз құрылғы. Ағынды сұйықтыққа тікелей энергия беруші ылғалды тазалағыштардан өзгеше, ЭТҚ энергияны тек жиналатын бөлшектерге жұмсайды, сондықтан энергияны тұтынуда (электр энергиясы түрінде) өте тиімді.

Өнертабыс

Аэрозольден бөлшектерді алу үшін короналық разрядты алғаш рет 1824 жылы Хольфельд қолданған. Бірақ, ол шамамен бір ғасырдан кейін ғана коммерциялық мақсатта пайдаланылды. 1907 жылы Берклидегі Калифорния университетінің химия профессоры Фредерик Гарднер Коттрелл бөлшектерді зарядтау және оларды электростатикалық тартым арқылы жинауға арналған құрылғыға патент алуға өтініш берді – бұл алғашқы электростатикалық тұндырғыш. Коттрелл алғаш рет бұл құрылғыны әртүрлі қышқыл өндіру және металлургиялық жұмыстардан шығатын күкірт қышқылының тұманы мен қорғасын оксидінің түтінін жинау үшін қолданды. Солтүстік Калифорниядағы шарап шаруашылықтары қорғасын шығарылымдарынан зиян шекті. Коттреллдің өнертабысы кезінде оның теориялық негізі толыққанды түсініксіз болды. Операциялық теория кейін Германияда Вальтер Дойчтың жұмыстары және Lurgi компаниясының құрылуы арқылы дамыды. Коттрелл өзінің өнертабысынан түскен табысты 1912 жылы Research Corporation деп аталатын қорына жұмсады, оған патенттерін берді. Ұйымның мақсаты – білім берушілердің (Коттрелл сияқты) өнертабыстарын қоғамның игілігі үшін коммерциялық әлемге енгізу болды. Research Corporation жұмысы коммерциялық фирмалар коммерцияландырғаннан кейін төлейтін роялти есебінен қаржыландырылады. Research Corporation көптеген ғылыми жобаларға маңызды қаржы көмегін көрсетті: Годдардтың ракеталық тәжірибелері, Лоуренстің циклотроны, А және В1 витаминдерін өндіру әдістері және тағы да басқалары. Research Corporation осы технологияны өндірушілер үшін аумақтарды белгіледі, оларға Western Precipitation (Лос-Анджелес), Lodge Cottrell (Англия), Lurgi Apparatebau Gesellschaft (Германия) және Japanese Cottrell Corp. (Жапония) кірді, сондай-ақ процестерді жақсарту бойынша ақпараттық орталық қызметін атқарды. Бірақ, монополияға қарсы талаптар 1946 жылы Research Corporation-ды аумақтық шектеулерді алып тастауға мәжбүр етті. Электрофорез – тұрақты ток электростатикалық өрісіндегі газға ілінген зарядталған бөлшектердің қозғалысын сипаттау үшін қолданылатын термин. Дәстүрлі CRT теледидарлары осы құбылыстың салдарынан экранда шаң жиналады (CRT – шамамен 15 киловольтпен жұмыс істейтін тұрақты ток машинасы).

The first use of corona discharge to remove particles from an aerosol was by Hohlfeld in 1824. However, it was not commercialized until almost a century later. In 1907 Frederick Gardner Cottrell, a professor of chemistry at the University of California, Berkeley, applied for a patent on a device for charging particles and then collecting them through electrostatic attraction—the first electrostatic precipitator. Cottrell first applied the device to the collection of sulphuric acid mist and lead oxide fumes emitted from various acid making and smelting activities. Wine producing vineyards in northern California were being adversely affected by the lead emissions. At the time of Cottrell's invention, the theoretical basis for operation was not understood. The operational theory was developed later in Germany, with the work of Walter Deutsch and the formation of the Lurgi company. Cottrell used proceeds from his invention to fund scientific research through the creation of a foundation called Research Corporation in 1912, to which he assigned the patents. The intent of the organization was to bring inventions made by educators (such as Cottrell) into the commercial world for the benefit of society at large. The operation of Research Corporation is funded by royalties paid by commercial firms after commercialization occurs. Research Corporation has provided vital funding to many scientific projects: Goddard's rocketry experiments, Lawrence's cyclotron, production methods for vitamins A and B1, among many others. Research Corporation set territories for manufacturers of this technology, which included Western Precipitation (Los Angeles), Lodge Cottrell (England), Lurgi Apparatebau Gesellschaft (Germany), and Japanese Cottrell Corp. (Japan), and was a clearinghouse for any process improvements. However, anti trust concerns forced Research Corporation to eliminate territory restrictions in 1946. Electrophoresis is the term used for migration of gas suspended charged particles in a direct current electrostatic field. Traditional CRT television sets tend to accumulate dust on the screen because of this phenomenon (a CRT is a direct current machine operating at about 15 kilovolts).

Плита және бар тәрізді тұндырғышы

Ең қарапайым тұндырғышта тік, жұқа сымдар қатары және одан кейін тік орналасқан үлкен, жалпақ металл пластиналар қатары болады. Пластиналар әдетте қолданылуына қарай 1 см-ден 18 см-ге дейін арақашықтықта орналасады. Ауа ағыны сымдар арасындағы кеңістіктер арқылы көлденең бағытта ағып өтеді, содан кейін пластиналар қатарынан өтеді. Сым мен пластина арасына бірнеше мың вольт теріс кернеу қолданылады. Қолданылған кернеу жеткілікті деңгейде болса, электрлік корона разряды электродтардың айналасындағы ауаны иондайды, одан кейін ауа ағынындағы бөлшектерді иондайды. Иондалған бөлшектер электростатикалық күш әсерінен жерге қосылған пластиналарға қарай бұрылады. Бөлшектер жинақ пластиналарында жиналады және ауа ағынынан алынып тасталады. Екі сатылы конструкция (жинау бөлімінен бұрын жеке зарядтау бөлімі) озон өндірісін азайтуға мүмкіндік береді, бұл жабық кеңістікте жұмыс істейтін адамдардың денсаулығына зиян келтіруі мүмкін. Кемедегі машина бөлімдерінде, егер редукторлар майлы тұманды құрса, ауаны тазалау үшін екі сатылы ESP қолданылады, бұл жұмыс ортасын жақсартады және жанғыш майлы тұманның жиналуын болдырмайды. Жиналған май редуктордың майлау жүйесіне қайта жіберіледі.

Шаң қабаттарының кедергісі

Кедергі шаң қабатындағы электр жағдайларына әсер етеді, себебі теріс зарядталған бөлшектер оның бетіне жеткенде және электр зарядтарын жинақтау пластинасына ағызғанда, қабат бойынша потенциалдық электр өрісі (кернеудің түсуі) пайда болады. Электрлік түрде жерге қосылған жинақтау пластинасының металл бетінде кернеу нөлге тең, ал жаңа бөлшектер мен иондар келіп түсетін шаң қабатының сыртқы бетінде газ иондарынан туындаған электростатикалық кернеу өте жоғары болуы мүмкін. Бұл электр өрісінің күші шаң қабатының кедергісі мен қалыңдығына байланысты. Жоғары кедергілі шаң қабаттарында шаң жеткілікті өткізгіштікке ие болмайды, сондықтан электр зарядтары шаң қабаты арқылы қиын қозғалады. Осының салдарынан, электр зарядтары шаң қабатының бетінде және астында жинақталып, күшті электр өрісін тудырады. Кернеу 10,000 вольттан асып кетуі мүмкін. Жоғары кедергісі бар шаң бөлшектері пластинаға тым берік жабысады, оларды алу қиынға соғады және тұтқындау проблемаларын тудырады. Төмен кедергілі шаң қабаттарында корона тогы оңай жерге қосылған жинақтау электродына өтеді. Сондықтан шаң қабатында салыстырмалы түрде әлсіз электр өрісі сақталады, ол бірнеше мың вольтқа жетеді. Төмен кедергілі жиналған шаң бөлшектері жинақтау пластинасына жеткілікті берік жабыспайды. Олар оңай бөлініп, газ ағынында қалады. Бөлшектердің көлемді қабатының электр өткізгіштігі беттік және көлемдік факторларға байланысты. Көлемдік өткізгіштік, яғни бөлшектердің ішкі бөлігі арқылы электр зарядтарының қозғалысы, негізінен бөлшектердің құрамы мен температурасына байланысты. Жоғары температуралы аймақтарда көлемдік өткізгіштік өткізгіш механизмін анықтайды. Көлемдік өткізгіштікке бөлшектер қабатының сығымдалуы, бөлшектердің мөлшері мен пішіні және беттік қасиеттер сияқты қосымша факторлар да әсер етеді. Суреттерде көлемдік өткізгіштік жоғары температурада түзу сызық түрінде көрсетілген. Шамамен төмен температурада электр зарядтары бөлшектерге жұптасқан беттік ылғал мен химиялық қабықшалар арқылы аға бастайды. Беттік өткізгіштік кедергіні төмендетіп, қисықты төмен температурада төмен қарай иеді. Теориялық есептеулер беттік өткізгіштікті қамтамасыз ету үшін бірнеше молекуладан ғана тұратын ылғал қабаттарының жеткілікті екенін көрсетеді. Бөлшектердегі беттік өткізгіштік электр оқшаулағыштарында байқалатын беттік ағын тогымен тығыз байланысты, олар кеңінен зерттелген. Беттік ағынның қызықты практикалық қолданылуы – шыны бетіне орнатылған жанындағы электродтар арасындағы токты өлшеу арқылы шұғына нүктесін анықтау. Токтың күрт өсуі шыныда ылғал қабатының пайда болуын көрсетеді. Бұл әдіс атмосфераға күкірт қышқылы буының шамалы мөлшерін қосу кезінде байқалатын шұғына нүктесінің айқын өсуін анықтау үшін тиімді қолданылған (саудада шұғына нүктесін өлшегіштер бар). Нормалды, жоғары және төмен кедергіге қатысты келесі талқылау құрғақ күйде жұмыс істейтін электростатикалық тұндырғыштарға (ЭСТ) қатысты; ЭСТ-дегі ылғал концентрациясының болуына байланысты ылғал ЭСТ жұмысында проблема тудырмайды. Ылғалдылық пен кедергі арасындағы байланыс осы жұмыстың кейінірек бөлігінде түсіндіріледі.

Resistance affects electrical conditions in the dust layer by a potential electric field (voltage drop) being formed across the layer as negatively charged particles arrive at its surface and leak their electrical charges to the collection plate. At the metal surface of the electrically grounded collection plate, the voltage is zero, whereas at the outer surface of the dust layer, where new particles and ions are arriving, the electrostatic voltage caused by the gas ions can be quite high. The strength of this electric field depends on the resistance and thickness of the dust layer. In high resistance dust layers, the dust is not sufficiently conductive, so electrical charges have difficulty moving through the dust layer. Consequently, electrical charges accumulate on and beneath the dust layer surface, creating a strong electric field. Voltages can be greater than 10,000 volts. Dust particles with high resistance are held too strongly to the plate, making them difficult to remove and causing trapping problems. In low resistance dust layers, the corona current is readily passed to the grounded collection electrode. Therefore, a relatively weak electric field, of several thousand volts, is maintained across the dust layer. Collected dust particles with low resistance do not adhere strongly enough to the collection plate. They are easily dislodged and become retained in the gas stream. The electrical conductivity of a bulk layer of particles depends on both surface and volume factors. Volume conduction, or the motions of electrical charges through the interiors of particles, depends mainly on the composition and temperature of the particles. In the higher temperature regions, above , volume conduction controls the conduction mechanism. Volume conduction also involves ancillary factors, such as compression of the particle layer, particle size and shape, and surface properties. Volume conduction is represented in the figures as a straight line at temperatures above At temperatures below about , electrical charges begin to flow across surface moisture and chemical films adsorbed onto the particles. Surface conduction begins to lower the resistivity values and bend the curve downward at temperatures below
These films usually differ both physically and chemically from the interiors of the particles owing to adsorption phenomena. Theoretical calculations indicate that moisture films only a few molecules thick are adequate to provide the desired surface conductivity. Surface conduction on particles is closely related to surface leakage currents occurring on electrical insulators, which have been extensively studied. An interesting practical application of surface leakage is the determination of dew point by measurement of the current between adjacent electrodes mounted on a glass surface. A sharp rise in current signals the formation of a moisture film on the glass. This method has been used effectively for determining the marked rise in dew point, which occurs when small amounts of sulfuric acid vapor are added to an atmosphere (commercial Dewpoint Meters are available on the market). The following discussion of normal, high, and low resistance applies to ESPs operated in a dry state; resistance is not a problem in the operation of wet ESPs because of the moisture concentration in the ESP. The relationship between moisture content and resistance is explained later in this work.

Қалыпты резистивтілік

Жоғарыда айтылғандай, ЭСП қалыпты кедергілік жағдайында ең жақсы жұмыс істейді. Қалыпты кедергілігі бар бөлшектер жинау электродына жеткен кезде зарядтарын жылдам жоғалтпайды. Бұл бөлшектер өз зарядын жерленген пластиналарға бірте-бірте өткізеді және молекулалық жабысу және үйлесімді күштер арқасында жинақтау пластиналарында ұсталып қалады. Бұл бөлшектің қабатының қалыптасуына және содан кейін пластиналардан соққы арқылы алынып тасталуына мүмкіндік береді. Шаңның қалыпты кедергілік диапазонында (107 және 2 × 1010 ом см аралығында) ұшқыш күл, төмен немесе жоғары кедергілікке ие шаңға қарағанда оңай жиналады.

Заманауи өнеркәсіптік электростатикалық тұндырғыштар

ЭСП көптеген өнеркәсіптік бөлшектер шығарындыларын бақылау үшін тамаша құрылғы болып табылады, соның ішінде электр энергиясын өндіруші коммуналдық қызметтерден түтін (көмір және мұнаймен жағылатын), целлюлоза фабрикаларындағы қара су қазандықтарынан тұз торттарын жинау және мұнай өңдеу зауыттарында сұйықтық төсектегі каталитикалық крекер қондырғыларынан катализаторларды жинау. Бұл құрылғылар ең ірі көмірмен жұмыс істейтін қазандықтарда газ көлемін бірнеше жүз мың АСФМ-ден 2,5 миллион АСФМ-ге дейін (1,180 м³/с) өңдейді. Көмірмен жұмыс істейтін қазандықта жинау әдетте ауа жылытқышынан кейін жүргізіледі, бұл көмір күл бөлшектерінің оңтайлы кедергісін қамтамасыз етеді. Кейбір қиын қолданбалар үшін аз күкіртті отынмен жұмыс істейтін ыстық аяқ бөлімдері құрылды. Бастапқы параллельді пластиналы салмақты сым дизайны (жоғарыда Пластиналы және Барлы тұндырғыштың суретіне қараңыз) тиімді (және берік) разрядты электродтар дизайны жасалып, бүгінгі таңда қатты (құбырлық кадр) разрядты электродтарға назар аударылады, оларға көптеген өткір тікенектер бекітіледі (қағаз сым), корона өндірісін арттырады. Трансформаторлы түзету жүйелері салыстырмалы түрде жоғары ток тығыздығында 50-100 вольт кернеуді қолданады. Заманауи басқару құралдары, мысалы автоматты кернеуді басқару, электрлі ұшқырларды азайтады және доғалауды болдырмайды (ұшқырлар ТР жиынтығының 1/2 циклы ішінде сөндіріледі), компоненттерге зақым келтіруден аулақ болады. Автоматты тақтаны соғу жүйелері мен бункерден шығару жүйелері желіде болған кезде жиналған бөлшектерді алып тастайды, теориялық тұрғыдан алғанда, ЭСП-лер бірнеше жыл бойы үздіксіз жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Биоаэрозольдардың электростатикалық сынамалары

Электростатикалық тұндырғыштар биологиялық ауадағы бөлшектерді немесе аэрозольді талдау үшін үлгі алуға қолданылуы мүмкін. Биоаэрозольдерді үлгілеу үшін сұйық қарсы электродымен жабдықталған, биологиялық бөлшектерді, мысалы вирустарды, қажетсіз сұйылтуды азайту үшін тікелей шағын сұйық көлемге жинауға болатын, оңтайландырылған тұндырғыштардың дизайны қажет. Толығырақ ақпарат алу үшін "Биоаэрозольдер" бөлімін қараңыз.

ылғалды электростатиктік тұндырғышы

Сулы электростаттық тұндырғыш (WESP немесе wet ESP) су буымен қаныққан ауа ағындарымен (100% салыстырмалы ылғалдылықпен) жұмыс істейді. WESP-тер көбінесе өнеркәсіптік процестегі газ ағындарынан күкірт қышқылының тұманы сияқты сұйық тамшыларды жою үшін қолданылады. Газдардағы ылғалдылық жоғары болғанда, жанғыш бөлшектер болғанда немесе жабысқақ бөлшектері бар кезде де WESP жиі қолданылады.

Тұрғын үйге арналған электрлік ауа тазартқыштар

Плиталық тұндырғыштар көбінесе тұтынушыларға ауа тазартқыш құрылғылар ретінде немесе пеш сүзгілерін ауыстыру ретінде ұсынылады, бірақ олардың барлығын тазалау қиындығы жағымсыз сипаттайды. Электростатикалық тұнбалау құрылғыларының қосалқы әсері – уытты озон және NOx қосындыларының пайда болу мүмкіндігі. Дегенмен, электростатикалық тұндырғыштар HEPA сүзгілері сияқты басқа ауа тазарту технологияларынан артықшылықтар ұсынады, себебі оларға қымбат сүзгілер қажет, және олар көптеген зиянды бактериялар үшін "өндіріс ошағына" айналуы мүмкін. Электростатикалық тұндырғыштарда, егер жинақтау пластиналарында көп мөлшерде бөлшектер жиналса, бөлшектер кейде металл пластиналарға тым берік жабысып қалады, сондықтан жинақтау пластиналарын толық тазарту үшін күшті жуу және сүрту қажет болуы мүмкін. Пластиналардың тығыз орналасуы оларды толық тазалауды қиындатады, ал пластиналар жиынтығын тазалау үшін оңай бөлшектеу мүмкін болмайды. Бірнеше өндірушілер ұсынған шешім – коллектор пластиналарын ыдыс жуғыш машинада жуу. Кейбір тұтынушылық тұнба сүзгілері арнайы сіңіру тазалағыштарымен сатылады, онда пластиналардың барлық массиві тұндырғыштан алынып, қатты жабысқан бөлшектерді босатуға көмектесу үшін үлкен ыдысқа бір түнге салынады. Канаданың ипотекалық және тұрғын үй корпорациясының әртүрлі мәжбүрлі ауа пештерінің сүзгілерін сынаған зерттеуі бойынша, ESP сүзгілері мәжбүрлі ауа жүйесін пайдалану арқылы ауаны тазартудың ең жақсы және ең тиімді тәсілін ұсынды. 1954 жылы Raytheon компаниясы үйге арналған алғашқы портативті электростатикалық ауа сүзгі жүйесін сатты.