Электростатический осадитель: принцип работы и история развития

Введение

Фильтрационное устройство

Электростатический осадитель (ЭСП) – это устройство, не использующее фильтры, которое удаляет мелкие частицы, такие как пыль и дым, из движущегося газового потока, используя силу индуцированного электростатического заряда, оказывая минимальное сопротивление прохождению газов через устройство. В отличие от мокрых газоочистителей, которые напрямую воздействуют энергией на движущуюся среду, ЭСП подает энергию только на собираемые частицы и, следовательно, очень эффективно потребляет энергию (в форме электричества).

Изобретение

Первое использование коронального разряда для удаления частиц из аэрозоля было осуществлено Хольфельдом в 1824 году. Однако коммерциализация произошла лишь спустя почти столетие. В 1907 году Фредерик Гарднер Коттрелл, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, подал заявку на патент на устройство для зарядки частиц с последующим сбором их посредством электростатического притяжения – первый электростатический осадитель. Коттрелл впервые применил это устройство для сбора тумана серной кислоты и паров оксида свинца, выделяемых в процессе производства кислоты и металлургической переработки. Виноградники северной Калифорнии негативно пострадали от выбросов свинца. На момент изобретения Коттрелля теоретическая основа его работы была неясна. Рабочая теория была разработана позднее в Германии благодаря работам Вальтера Дойча и созданию компании Lurgi. Коттрелл использовал доходы от своего изобретения для финансирования научных исследований, основав в 1912 году фонд Research Corporation, которому он передал свои патенты. Целью организации было внедрение изобретений, созданных научными работниками (такими как Коттрелл), в коммерческий оборот на благо общества. Деятельность Research Corporation финансируется за счет роялти, выплачиваемых коммерческими фирмами после коммерциализации. Research Corporation оказала существенную финансовую поддержку многим научным проектам: ракетным экспериментам Годдарда, циклотрону Лоуренса, методам производства витаминов А и В1 и многим другим. Research Corporation определила территории для производителей этой технологии, включая Western Precipitation (Лос-Анджелес), Lodge Cottrell (Англия), Lurgi Apparatebau Gesellschaft (Германия) и Japanese Cottrell Corp. (Япония), и служила центром для любых усовершенствований процесса. Однако антимонопольные ограничения вынудили Research Corporation отказаться от территориальных ограничений в 1946 году. Электрофорез – это термин, используемый для обозначения миграции заряженных частиц, взвешенных в газе, в постоянном электрическом поле. Традиционные телевизоры с ЭЛТ склонны накапливать пыль на экране из-за этого явления (ЭЛТ – это устройство, работающее на постоянном токе напряжением около 15 киловольт).

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).

Пресипитатор с пластинами и стержниками

Самый простой электростатический осадитель содержит ряд тонких вертикальных проводов, за которым следует стопка больших плоских металлических пластин, ориентированных вертикально, при этом расстояние между пластинами обычно составляет от 1 до 18 см, в зависимости от области применения. Поток воздуха течет горизонтально через промежутки между проводами, а затем проходит через стопку пластин. Между проводом и пластиной подается отрицательное напряжение в несколько тысяч вольт. Если приложенное напряжение достаточно велико, электрический коронный разряд ионизирует воздух вокруг электродов, который затем ионизирует частицы в воздушном потоке. Ионизированные частицы, под действием электростатической силы, отклоняются к заземленным пластинам. Частицы накапливаются на собирающих пластинах и удаляются из воздушного потока. Двухступенчатая конструкция (отдельный зарядный секция перед собирающей секцией) позволяет минимизировать образование озона, что негативно влияет на здоровье персонала, работающего в закрытых помещениях. Для машинных отделений судов, где редукторы генерируют масляный туман, используются двухступенчатые электростатические осадители для очистки воздуха, улучшения условий труда и предотвращения накопления горючего масляного тумана. Собранное масло возвращается в систему смазки редуктора.

Сопротивление пылевого слоя

Сопротивление влияет на электрические условия в слое пыли, формируя потенциальное электрическое поле (падение напряжения) в слое по мере прибытия отрицательно заряженных частиц на его поверхность и утечки их электрического заряда на собирающую пластину. На металлической поверхности электрически заземленной собирающей пластины напряжение равно нулю, в то время как на внешней поверхности слоя пыли, куда поступают новые частицы и ионы, электростатическое напряжение, вызванное газовыми ионами, может быть достаточно высоким. Интенсивность этого электрического поля зависит от сопротивления и толщины слоя пыли. В слоях пыли с высоким сопротивлением пыль недостаточно проводящая, поэтому электрическим зарядам трудно перемещаться через слой пыли. В результате электрические заряды накапливаются на поверхности и под поверхностью пылевого слоя, создавая сильное электрическое поле. Напряжение может превышать 10 000 вольт. Частицы пыли с высоким сопротивлением слишком прочно удерживаются на пластине, что затрудняет их удаление и вызывает проблемы с удержанием. В слоях пыли с низким сопротивлением коронный ток легко проходит к заземленному собирающему электроду. Следовательно, в слое пыли поддерживается относительно слабое электрическое поле, в несколько тысяч вольт. Собранные частицы пыли с низким сопротивлением недостаточно прочно прилипают к собирающей пластине. Они легко отслаиваются и остаются в газовом потоке. Электрическая проводимость объемного слоя частиц зависит как от поверхностных, так и от объемных факторов. Объемная проводимость, или перемещение электрических зарядов внутри частиц, в основном зависит от состава и температуры частиц. В областях с более высокой температурой, выше , объемная проводимость контролирует механизм проводимости. Объемная проводимость также включает дополнительные факторы, такие как сжатие слоя частиц, размер и форма частиц, а также свойства поверхности. На рисунках объемная проводимость представлена прямой линией при температурах выше . При температурах ниже примерно , электрические заряды начинают течь по поверхностной влаге и химическим пленкам, адсорбированным на частицах. Поверхностная проводимость начинает снижать значения удельного сопротивления и изгибать кривую вниз при температурах ниже этих пленок обычно отличаются как физически, так и химически от внутренних частей частиц из-за явлений адсорбции. Теоретические расчеты показывают, что влажных пленок толщиной всего в несколько молекул достаточно для обеспечения необходимой поверхностной проводимости. Поверхностная проводимость частиц тесно связана с поверхностными токами утечки, возникающими на электрических изоляторах, которые были тщательно изучены. Интересным практическим применением поверхностного утечки является определение точки росы путем измерения тока между соседними электродами, установленными на стеклянной поверхности. Резкое увеличение тока сигнализирует о формировании влажной пленки на стекле. Этот метод эффективно использовался для определения значительного повышения точки росы, которое происходит при добавлении небольшого количества паров серной кислоты в атмосферу (на рынке доступны коммерческие измерители точки росы). Последующее обсуждение нормального, высокого и низкого сопротивления относится к ЭСР, работающим в сухом состоянии; сопротивление не является проблемой в работе влажных ЭСР из-за концентрации влаги в ЭСР. Взаимосвязь между содержанием влаги и сопротивлением объясняется далее в этой работе.

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.

Нормальная сопротивляемость

Как указано выше, электростатические осадители лучше всего работают при нормальных значениях удельного сопротивления. Частицы с нормальным удельным сопротивлением не теряют заряд быстро при достижении собирающей электроды. Эти частицы медленно рассеивают свой заряд на заземленные пластины и удерживаются на собирающих пластинах межмолекулярными силами адгезии и когезии. Это позволяет формировать частицевый слой, который затем удаляется с пластин путем вибрации. В диапазоне нормального удельного сопротивления пыли (от 10⁷ до 2 × 10¹⁰ ом·см) летучая зола собирается легче, чем пыль с низким или высоким удельным сопротивлением.

Современные промышленные электростатические осадочные устройства

ЭСП продолжают быть отличными устройствами для контроля многих промышленных выбросов твердых частиц, включая дым от электростанций, работающих на угле и нефти, сбор соляного шлама из котлов черного щелока на целлюлозно-бумажных комбинатах и сбор катализатора из установок каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем на нефтеперерабатывающих заводах, и это лишь некоторые примеры. Эти устройства обрабатывают объемы газа от нескольких сотен тысяч до 2,5 миллионов ACFM (1180 м³/с) в крупнейших котлах, работающих на угле. Для котлов, работающих на угле, сбор обычно осуществляется ниже по потоку от воздушного подогревателя, примерно на уровне, обеспечивающем оптимальное удельное сопротивление частиц угольной золы. Для некоторых сложных применений с низкосернистым топливом были построены установки горячего конца, работающие при температуре выше. Исходная конструкция с параллельными пластинами и взвешенными проводами (см. рисунок осадителя Plate and Bar выше) эволюционировала по мере разработки более эффективных (и надежных) конструкций разрядных электродов, которые сегодня сосредоточены на жестких (трубчатых) разрядных электродах, к которым прикреплено множество заостренных шипов (колючей проволоки), максимизируя образование коронного разряда. Системы трансформаторных выпрямителей подают напряжения 50–100 вольт при относительно высоких плотностях тока. Современные системы управления, такие как автоматическое регулирование напряжения, минимизируют электрические искры и предотвращают образование дуги (искры гасятся в течение 1/2 цикла работы TR-набора), предотвращая повреждение компонентов. Автоматические системы встряхивания пластин и системы выгрузки бункера удаляют собранные твердые частицы во время работы, теоретически позволяя ЭСП работать непрерывно в течение многих лет.

Электростатическое отбор проб биоаэрозолей

Электростатические осадители могут использоваться для отбора проб биологических частиц, переносимых по воздуху, или аэрозолей для анализа. Отбор проб биоаэрозолей требует конструкций осадителей, оптимизированных с использованием жидкого противоэлектрода, который позволяет отбирать биологические частицы, например вирусы, непосредственно в небольшой объем жидкости, чтобы минимизировать излишнее разбавление пробы. Подробнее см. в разделе "Биоаэрозоли".

Мокрый электростатический осадочный прибор

Мокрый электростатический осадитель (WESP или мокрый ESP) работает с потоками воздуха, насыщенными водяным паром (100% относительной влажности). WESP обычно используются для удаления жидких капель, таких как туман серной кислоты, из промышленных газовых потоков. WESP также часто применяются в тех случаях, когда газы содержат большое количество влаги, горючую пыль или частицы, склонные к слипанию.

Электростатические очистители воздуха для бытовых нужд

Площадные осадочные устройства обычно предлагаются населению как приборы для очистки воздуха или как постоянная замена фильтрам отопительных систем, но все они обладают неприятным недостатком – их довольно сложно очищать. Негативным побочным эффектом устройств электростатического осаждения является потенциальное образование токсичного озона и оксидов азота (NOx). Однако электростатические осадочные устройства имеют преимущества перед другими технологиями очистки воздуха, такими как HEPA-фильтрация, требующая дорогих фильтров и способная стать местом скопления многих вредных бактерий. При использовании электростатических осадочных устройств, если на собирающих пластинах накапливается большое количество твердых частиц, эти частицы могут настолько прочно прилипать к металлическим пластинам, что для их полной очистки может потребоваться интенсивная мойка и скрабирование. Тесное расположение пластин затрудняет тщательную очистку, а часто и разборку для очистки. Одним из решений, предложенных несколькими производителями, является мытье собирающих пластин в посудомоечной машине. Некоторые бытовые фильтры для осаждения продаются со специальными средствами для замачивания, где весь массив пластин извлекается из устройства и замачивается на ночь в большом контейнере, чтобы облегчить отделение прочно прилипших частиц. Исследование, проведенное Канадской ипотечной и жилищной корпорацией при тестировании различных фильтров для систем принудительной вентиляции, показало, что фильтры ESP обеспечивают наилучшее и наиболее экономически эффективное средство очистки воздуха в таких системах. Первые портативные электростатические системы фильтрации воздуха для дома были представлены компанией Raytheon в 1954 году.