Продвинутые решения для очистки дымовых газов: технологии и системы для чистого воздуха

Технологии и системы очистки дымовых газов

Экологическое загрязнение — одна из крупнейших проблем мира сегодня. Из ряда глобальных экологических проблем все больше людей осознают, что среда и ресурсы — базовые необходимости для выживания и развития человечества. Дымовые газы, продукт большинства технологических процессов, загрязнены различными твердыми частицами. Для дальнейшего использования газов (если у них достаточное калорическое значение) или сброса в атмосферу необходимо их очищение. Однако контроль атмосферных выбросов стоит денег, редко давая финансовую отдачу эксплуатирующей организации.

За последние годы произошла полная смена установок, образования, ответственности и регулирования в области контроля выбросов в разных странах. Регуляции становятся жестче со временем в попытке спасти будущие поколения от вредных последствий атмосферного загрязнения. Сейчас многие организации быстро меняют отношение к загрязнению и проактивно вовлечены в деятельность по контролю загрязнений. Организации хотят казаться обществу ответственными, производящими «чистые» продукты. Это جزئнично рыночно обусловлено: рынки всё больше требуют «чистые» продукты. Клиенты сегодня более образованны как в ответственности за окружающую среду, так и в выгодах чистой среды.

Цель системы очистки дымовых газов — снижение атмосферных выбросов веществ, опасных для среды и здоровья. К ним относятся тяжелые металлы, диоксины и вещества, вызывающие закисление и эвтрофикацию. Поскольку некоторые вещества в дымовых газах токсичны и канцерогенны, важно снизить их выбросы. Закисление лесов и озер существенно снижено за счет удаления оксидов серы и азота из дымовых газов.

Технологические процессы металлургических, химических и тепловых электростанций генерируют отработанные дымовые газы, обычно запыленные и при высоких температурах. Состав и количество газов зависят от природы процессов и сырья. Выбросы дымовых газов — результат используемого сырья, процессов и реакций в этих установках. Дымовые газы могут содержать CO₂, CO, оксиды серы (SO₂, SO₃) и азота (NOx), водород, сероводород (H₂S), фтор (как HF), хлор (как HCl), мышьяк, ртуть, летучие органические соединения (ЛОС), водяной пар, пыль и др. Водяной пар безвреден, но дает видимый фонан у выходе трубы.

Источники загрязнения и группировка технологий очистки

Существует несколько технологических процессов при высоких температурах. Многие обрабатывают сырье, частично в виде мелкодисперсных фракций. Все эти процессы склонны выбрасывать загрязняющие газы и вещество в атмосферу, ухудшая качество воздуха вокруг завода. Для улучшения и защиты качества воздуха используются различные устройства контроля загрязнений для снижения выбросов до минимума. Раньше на многие годы оборудование контроля загрязнений использовали только для процессов с очень высокими или токсичными выбросами, или где была ценность восстановления. Но в современном сценарии, с ужесточением экологических нормативов и растущими общественными опасениями, необходимо рассматривать выбросы всех технологических процессов и устанавливать оборудование везде для снижения выбросов до минимально возможных уровней.

Существует как минимум пять основных групп атмосферных источников загрязнения, обычно приписываемых технологическим процессам, каждая со своими лучшими практиками абейтмента. Эти группы не исчерпывающий список: при сильных концентрациях кислотных газов применяются альтернативные технологии, например, сернокислотные установки. Пять основных группировок для технологий газоочистки связаны с: (i) контролем выбросов пыли и твердых частиц, (ii) контролем кислотных газов (SO₂/HCl, HF), (iii) абейтментом NOx, (iv) контролем кислотной туманности и других аэрозолей, (v) контролем ртути, диоксинов/фуранов и ЛОС. Для технологий фиксации кислотных газов утилизация продукта всегда остается проблемой. В большинстве приложений отходы просто захороняются на полигонах с необходимыми эксплуатационными расходами. Оборудование контроля выбросов для этих пяти групп по сути двух типов: (i) оборудование контроля пыли и твердых частиц, (ii) оборудование контроля газообразных выбросов. Данная статья фокусируется на системах контроля пыли и твердых частиц.

Проблема высокотемпературной газоочистки, пожалуй, самая запутанная для промышленности. Сложность в том, что проблема связана с экстремально мелкими частицами, диспергированными в газах при температурах 700–1500 °C (иногда выше). Из-за тонкого аэрозоля и высоких температур обычные подходы обычно не решают проблему. Прогресс в этой области не был быстрым. Основные проблемы — экономика и фундаментальные требования к очистке.

В некоторых случаях очистка отработочных газов необходима, так как они представляют вещество существенной ценности или, если удалить частицы, остается горючий газ, восстанавливаемый в виде тепла/энергии для использования в процессе. В других случаях экономическая ценность выбросов (частиц, газов или их комбинации) настолько мала, что стоимость утилизации представляет большую проблему. Очистка для предотвращения загрязнения воздуха дает только нематериальную отдачу.

Во втором случае промышленность хочет очистку за минимальные затраты без нагрузки в виде повышения себестоимости. Стоимость предотвращения загрязнения воздуха сообщества и возможного ущерба имуществу или публике обычно без материальной отдачи, кроме хороших общественных отношений.

Эффективная очистка этих газов представляет серьезные технические проблемы из-за разнообразия примесей. Высокоэффективные системы газоочистки жизненно важны для надежной работы и долгой кампании высокотемпературных металлургических и тепловых электростанций, позволяя операторам соответствовать стандартам контроля загрязнений. Выбор установок газоохлаждения и очистки критичен по технической выполнимости, экономической приемлемости и экологической совместимости. Системы газоочистки должны быть спроектированы на максимальных уровнях эффективности, безопасности и надежности, обеспечивая лучшую экологическую защиту.

Важные критерии проектирования системы газоочистки: (i) расход газа в нм³/ч, (ii) химический состав газов, (iii) влажность газов, (iv) температура газов, (v) пылесодержание в кг/ч, (vi) характеристики пыли (коррозионность, абразивность), (vii) диапазон размеров частиц, (viii) нормативы выбросов, (ix) взрывоопасность газа, (x) санитарное проектирование, (xi) онлайн/офлайн системы, (xii) материалы конструкций.

Три главных соображения в проектировании системы газоочистки: (1) камера захвата (hood), спроектированная для улавливания пыли и газов и предотвращения задымленности рабочей зоны; (2) газ и пыль, пойманные камерой, должны быть очищены перед сбросом в атмосферу; (3) собранная пыль должна утилизироваться так, чтобы не попасть снова в воздух или водный поток, становясь проблемой загрязнения повторно.

Дымовые газы из металлургических печей часто имеют высокие температуры (700–1500 °C и выше) и высокое пылесодержание. Поэтому перед обработкой в системе газоочистки их нужно охладить до <400 °C. Используются несколько методов охлаждения: (i) отопительный котел-утилизатор, (ii) непрямое охлаждение воздухом, (iii) непрямое охлаждение водой, (iv) испарительное охлаждение водой.

Котел-утилизатор тепла используется для охлаждения дымовых газов от процессов с непрерывным расходом газа. Это позволяет применять охлаждение котелем-утилизатором с хорошими результатами.

Непрямое охлаждение воздухом используется редко из-за недостатков: (i) охлаждающий воздух имеет температуру ниже точки росы процессного газа, конденсация кислоты на стенках охладителя вызывает коррозию оборудования; (ii) риск накоплений и забивок из-за липкой пыли; (iii) время удержания газа при высокой температуре (>550 °C) велико, что вызывает дополнительное образование SO₃ и повышает точку росы газа; (iv) при колеблющемся расходе газа трудно контролировать выходную температуру.

Непрямое охлаждение водой часто применяется. Дымовая труба имеет водяные трубки по окружности, через которые течет охлаждающая вода. Размеры трубок и параметры воды (давление, расход) подбираются так, чтобы температура нагретой воды всегда оставалась ниже температуры испарения. Система избегает пара и регуляторных проблем паропереработки, но недостаток — более громоздкое оборудование и обращение большего объема охлаждающей воды.

Испарительное охлаждение водой — подходящая техническая альтернатива непрямому воздушному охлаждению или котелям-утилизаторам для газов с колеблющимся расходом. Современные испарительные охладители используют специальные форсунки — двухкомпонентные (вода и сжатый воздух), позволяющие гибкую операцию и чувствительный контроль температуры газа на выходе. Это важно для избежания чрезмерного падения температуры, вызывающего конденсацию кислотной туманности, смачивание пыли и создание мокрых пылевых отложений в последующих высокотемпературных электрофильтрах, а также коррозию. Преимущества испарительных охладителей: (i) уменьшают образование дополнительного SO₃ в газе из-за короткого времени удержания газа перед охладителем при высокой температуре (>550 °C) в присутствии частиц металлических соединений-катализаторов; (ii) ниже охладителя образование SO₃ ингибируется; (iii) кондиционирование газа водой для лучшей работы электрофильтра (ЭФ); (iv) не нужны внутренние элементы (направляющие лопатки).

Сегодня доступно около 40 типов газоочистных устройств, которые по общим характеристикам группируются в пять основных типов: (i) капельнеуловители, (ii) пылеуловители (иногда пылесборники) и циклоны, (iii) влажные дедустеры, (iv) фильтры, (v) электрофильтры (ЭФ). Кроме того, системы газоочистки могут базироваться на технологиях сухой или влажной пылеочистки. В сухих технологиях кондиционирование газа водой может потребоваться по требованиям процесса. Кондиционирование осуществляется впрыском воды с азотом в кондиционирующую башню для образования водяной туманности с каплями ~150 мкм. Время пребывания газа в башне контролируется так, чтобы все капли полностью испарились на выходе.

Устройства удаления частиц работают на принципе: газовый поток с частицами проходит через зону, где частицы подвергаются внешним силам или заставляются перехватывать препятствия, разделяясь от газового потока. Под действием внешних сил частицы получают компоненту скорости в направлении, отличном от направления газового потока. Для проектирования сепаратора на основе разделения частиц внешними силами необходимо вычислить движение частицы при таких условиях.

Предварительный выбор подходящих систем контроля пылевых выбросов обычно основан на знании четырех пунктов: (i) концентрация частиц в потоке для очистки, (ii) распределение размеров частиц для удаления, (iii) расход газа, (iv) допустимая норма пылевых выбросов. После выбора систем, способных дать требуемую эффективность при заданных расходах, окончательный выбор делается на основе общей стоимости строительства и эксплуатации. Размер коллектора и его стоимость прямо пропорциональны объемному расходу газа для очистки. Эксплуатационные факторы, влияющие на стоимость: перепад давления через узел, необходимая мощность, количество воды (для влажных скрубберов). Устройства, удаляющие частицы из газовых потоков, опираются на один или несколько физических механизмов.

• Седиментация (осаждение) — газовый поток с частицами вводится в устройство/камеру, где частицы осаждают под гравитацией на дно. Устройства — осаждающие камеры.
• Миграция заряженной частицы в электрическом поле — газовый поток вводится в устройство, где частицы заряжаются и подвергаются электрическому полю. Электростатическая сила заставляет их мигрировать к одной из поверхностей, где удерживаются и собираются. Устройства — электрофильтры (ЭФ).
• Инерциальное осаждение — когда газовый поток меняет направление, обтекая препятствие, взвешенные частицы по инерции продолжают движение в исходном направлении. Устройства: циклоны, скрубберы, фильтры.
• Броуновская диффузия — частицы в газе всегда в броуновском движении (случайное движение частиц в среде). Когда газовый поток обтекает препятствия, случайное движение приводит частицы в контакт с препятствиями, где они адгерируют и собираются. Поскольку броуновское движение более выражено для мелких частиц, устройства на базе диффузии наиболее эффективны для мелких частиц.

Ключевой параметр, влияющий на выбор устройства — диаметр частицы «Dp». Физические механизмы сильно варьируют в эффективности в зависимости от размера частицы. Таким образом, эффективность устройств удаления частиц — функция размера частицы.

Коэффициент сбора «N(Dp)» устройства для частиц диаметра «Dp» определяется уравнением N(Dp) = 1 – (число частиц диаметра Dp на м³ газа на выходе) / (число частиц диаметра Dp на м³ газа на входе). Общая эффективность «N» по числу частиц: N = 1 – (число частиц на м³ на выходе) / (число частиц на м³ на входе). Эти эффективности можно выразить через функции распределения размеров частиц на входе и выходе.

Существует несколько классов оборудования контроля частиц. Простейшее — осаждающая камера: большая камера, где скорость газа снижается, позволяя частицам оседать гравитацией. Циклон заставляет весь газовый поток течь спирально внутри конусообразной трубы. Под действием центробежной силы частицы мигрируют наружу и собираются на стенке. Частицы скользят вниз и падают на дно, где удаляются. Чистый газ обычно разворачивает поток и выходит через верх циклона.

ЭФ использует электростатическую силу на заряженных частицах в электрическом поле для разделения частиц от газового потока. Высокое напряжение устанавливается между двумя электродами, частицы, проходящие через поле, заряжаются. Заряженные частицы мигрируют и собираются на противоположно заряженной пластине, пока чистый газ проходит через устройство. Периодически пластины чистят ударом (рэппингом), сбрасывая накопленный слой пыли в бункер.

Разнообразные фильтры работают на принципе: пылесодержащий газ загоняют через совокупность собирающих элементов (волокно, фильтрующая ткань). При прохождении газа частицы накапливаются на коллекторах.

Влажные коллекторы (скрубберы) работают на столкновении частиц с каплями воды, которые легко отделяются от газа благодаря большому размеру.

Механические коллекторы (осаждающие камеры, циклоны) обычно значительно дешевле других, но лишь умеренно эффективны в удалении частиц. Лучше для крупных частиц, поэтому часто используются как предочистители перед более эффективными финальными устройствами, особенно при высоких пылевых нагрузках. ЭФ могут обрабатывать большие объемные расходы газа при низких перепадах давления с очень высокой эффективностью удаления. Однако ЭФ дороги и относительно негибки к изменениям процессных условий. Тканевые фильтры (мешковые фильтры) имеют очень высокую эффективность, но дороги и обычно ограничены сухими, низкотемпературными условиями. Сорбция также может дать высокую эффективность и преимущество: одновременное удаление газообразных загрязнителей с частицами. Но скрубберы могут быть дороги в эксплуатации из-за высокого перепада давления и образования влажного ил, требующего утилизации/обработки.

Осаждающие камеры

Гравитационное осаждение, пожалуй, самый очевидный способ разделения частиц от текучего газового потока. Осаждающая камера — горизонтальная камера, через которую проходит пылесодержащий газ, а пыль оседает на дно. По принципу — просто большой ящик, через который течет выхлопной газ, и частицы оседают на пол гравитацией. Скорость газа через камеру должна быть достаточно низкой, чтобы оседающие частицы не уносились повторно. Скорость обычно снижают расширением воздуховода в камеру достаточно большого размера. Хотя в принципе осаждающие камеры могут удалять даже мельчайшие частицы, практические ограничения по длине ограничивают их применение удалением частиц >~50 мкм. Таким образом, осаждающие камеры обычно используются как предочистители для удаления крупных и, возможно, абразивных частиц перед пропусканием газа через другие коллекторы.

Преимущества осаждающих камер: (i) простое строительство и низкая стоимость, (ii) малые перепады давления, (iii) сбор частиц без воды. Главный недостаток — большие площадь/объем. Камера может содержать ряд близко расположенных горизонтальных пластин, чтобы расстояние оседания частицы было значительно меньше высоты устройства. Рис. 1 — простая гравитационная осаждающая камера.

При анализе производительности осаждающей камеры ключевая особенность — характер газового течения. В этом отношении отличают три базовых идеализированных режима течения: (i) ламинарное, (ii) поршневое (скорость равномерна по сечению) без вертикального перемешивания частиц, (iii) поршневое с полным вертикальным перемешиванием.

Ламинарное течение характеризуется параболическим профилем скорости. Реализуется при числах Рейнольдса ниже перехода к турбулентному. В ламинарном течении время, за которое частица на высоте «h» над полом осядет — «h/V», где V — скорость оседания частицы. Вертикальное перемешивание отсутствует. Эффект броуновского движения обычно пренебрегают по сравнению с устойчивым вниз движением.

В ламинарной осаждающей камере профиль скорости параболический; частица ниже центральной линии тока при оседании попадает в более медленные слои, увеличивая время пребывания. Частицы выше центральной линии встречают более быстрые слои, пока не пройдут центральную линию.

Вторая категория — поршневое течение без вертикального перемешивания. Это приближение к ламинарному: вертикальное перемешивание игнорируется, но профиль скорости плоский, все частицы оседают со своей скоростью оседания. Частицы распределены равномерно по входу. Собран ли частица определяется только высотой «h» входа над собирающей поверхностью. Можно определить критическую высоту «h*»: все частицы с h ≤ h* собираются, с h > h* — уходят.

Третья категория — поршневое течение с полным вертикальным перемешиванием = турбулентное течение. В турбулентной камере скорость газа равномерна по сечению из-за турбулентного перемешивания. Турбулентное перемешивание в ядре перекрывает тенденцию частиц оседать и поддерживает равномерную концентрацию частиц по вертикали. Удаление осаданием предполагается в тонком слое у дна.

Течение в прямоугольном канале можно считать турбулентным, если число Рейнольдса >4000. В ламинарной камере частицы оседают на всех высотах, ключ — расчет общего времени пребывания при падении через линию тока. Механизм сбора в турбулентной камере, хоть и основан на оседании под гравитацией, отличается из-за турбулентности. В объемном течении турбулентное перемешивание достаточно сильно, чтобы частицы не оседали. Предполагается, что турбулентное перемешивание поддерживает равномерную концентрацию по высоте. Очень у дна существует тонкий слой, через который частицы оседают на малое расстояние до дна. Как только частица, активно перемешиваемая в ядре, входит в этот слой, она оседает на дно.

Циклонные сепараторы

Циклонные сепараторы — устройства газоочистки, использующие центробежную силу от вращающегося газового потока для разделения частиц от газа. Стандартный тангенциальный входной вертикальный циклон с обратным потоком показан на рис. 2. Газовый поток заставлен следовать изогнутой геометрии циклона, пока инерция частиц заставляет их двигаться к внешней стенке, где они сталкиваются и собираются. Частица массы «m», движущаяся по круговому пути радиуса «r» с тангенциальной скоростью «vA», испытывает центробежную силу m·vA²/r. При типичных vA=10 м/с, r=0,5 м эта сила в 20,4 раза больше гравитации на той же частице. Таким образом, для циклонной геометрии достигается существенно усиленная сила на частице по сравнению с гравитационным оседанием.

В циклоне частицы во вращающемся потоке постепенно приближаются к внешней стенке по мере прохождения устройства. Как на рис. 2, газовый поток может совершить несколько полных оборотов от одного конца к другому. Для проектирования циклона при заданном расходе газа и внутренних/внешних радиусах длина корпуса должна обеспечить желаемую эффективность сбора частиц заданного размера. Поскольку длина корпуса связана через расход газа с числом оборотов газового потока, проектирование часто сводится к вычислению числа оборотов для заданной эффективности.

Существует множество конструкций циклонов, отличающихся способом сообщения вращательного движения газовому потоку. Конвенциональные циклоны делятся на три категории: (i) циклоны с обратным потоком (тангенциальный и осевой вход), (ii) циклоны со сквозным потоком, (iii) импеллерные коллекторы.

Рис. 2 — конвенциональный циклон с обратным потоком и тангенциальным входом. Грязный газ входит наверху и получает вращательное движение из-за тангенциального входа. Частицы выталкиваются к стенке центробежной силой и скатываются вниз по гравитации. Внизу циклона поток разворачивается, образуя внутреннее ядро, выходящее через верх. В циклоне с обратным потоком и осевым входом газ вводится по оси, центробежное движение сообщается постоянными лопатками наверху.

В циклонах со сквозным потоком внутренний вихрь выходит внизу (а не разворачивается), начальное центробежное движение сообщается лопатками наверху. Этот тип часто используется как предочиститель для удаления крупных частиц. Главные преимущества — низкий перепад давления и высокие объемные расходы.

В импеллерном коллекторе газы входят нормально к многошевчковому импеллеру и сбрасываются им по окружности, пока частицы выбрасываются в кольцевой щели по периферии. Главное преимущество — компактность. Главный недостаток — склонность к забиванию накоплением твердых частиц в циклоне.

Циклоны могут изготавливаться из любого материала: металл, керамика. Выдерживают высокие температуры, абразивные частицы, коррозионные атмосферы. Необходима гладкая внутренняя поверхность, чтобы собранные частицы легко скатывались в бункер. Нет движущихся частей — эксплуатация простая и малообслуживаемая. Низкая капитальная стоимость и отсутствие обслуживания делают их идеальными как предочистители для более эффективных финальных устройств (ЭФ). Хотя циклоны традиционно считались низкоэффективными, некоторые современные циклоны достигают >98 % для частиц >5 мкм. Обычно циклоны рутинно дают 90 % для частиц >15–20 мкм.

Рис. 3 рассматривает частицу, входящую тангенциально на горизонтальную плоскость вращающегося потока на r3. Из-за центробежной силы m·vA²/r частица идет по траектории наружу через линию тока. Её вектор скорости имеет тангенциальную (vA), радиальную (Vr) и осевую (vZ) компоненты.

Так называемый ламинарный циклон не имеет ламинарного течения в смысле осаждающей камеры, а скорее безтрение течение, где линии тока следуют контурам циклона (рис. 3).

Модель турбулентного циклона показана на рис. 3. Из-за турбулентного перемешивания концентрация частиц считается равномерной по циклону, и, как в турбулентной осаждающей камере, удаление происходит через тонкий слой у внешней стенки.

Эффективность сбора циклона растет с увеличением: (i) размера частицы, (ii) плотности частицы, (iii) входной скорости газа, (iv) длины корпуса циклона, (v) числа оборотов газа, (vi) гладкости стенки циклона. Снижается с увеличением: (i) диаметра циклона, (ii) диаметра выходной газовой трубы, (iii) площади входа газа. Для конкретного циклона с фиксированным соотношением размеров эффективность растет при уменьшении диаметра. Проектирование циклона — компромисс между эффективностью, перепадом давления и размером. Высокая эффективность требует высоких перепадов давления (высоких входных скоростей) и больших размеров (длины корпуса). Размеры для спецификации тангенциального входного циклона с обратным потоком показаны на рис. 4.

Помимо эффективности, главное соображение — перепад давления. Высокая эффективность достигается загонкой газа через циклон с высокими скоростями, но это увеличивает перепад давления. Поскольку больший перепад требует больших энергозатрат, существует экономический компромисс между эффективностью и эксплуатационными расходами. Перепады давления циклонов обычно 250–4000 Па.

Электрофильтр (ЭФ)

ЭФ — одно из самых широко используемых устройств контроля частиц. Имеет широкий диапазон размеров. Камера ЭФ состоит из двух электродов: разряжающего и собирающего. Между электродами газ содержит свободные электроны, ионы и заряженные частицы. Виды, вносящие вклад в объемную плотность заряда — ионы, электроны, заряженные частицы. Молекулы газа захватывают все свободные электроны, так что только ионы и заряженные частицы создают объемный заряд. Фактически ионный ток течет в направлении электрического поля, состоящий из ионов, заряженных с той же полярностью, что и разряжающий электрод, движущихся к собирающему. Ионы мигрируют к собирающему электроду со скоростью, достаточно большой, чтобы не зависеть от турбулентного течения в камере.

Основной принцип ЭФ: частицы заряжаются, затем на область, через которую течет пылесодержащий газ, накладывается электрическое поле, оказывающее притягательную силу на частицы и заставляющее их мигрировать к противоположно заряженному электроду под прямым углом к направлению газового потока. ЭФ отличается от механических методов тем, что внешняя сила приложена непосредственно к отдельным частицам, а не косвенно через силы, приложенные ко всему газовому потоку (как в циклоне). Частицы собираются на электроде. Если собранные частицы жидкие, они текут по электроду гравитацией и удаляются снизу. Если твердые — накопленный слой периодически удаляется ударом (рэппингом) электрода.

Заряд частиц достигается генерацией ионов коронным разрядом вокруг высокозаряженного электрода (проволоки). Электрическое поле приложено между этим электродом и собирающим. Если одна пара электродов служит и для заряда, и для сбора — одностufenный ЭФ (рис. 4). Проволока-разряжающий электрод висит по оси цилиндра, удерживаемая грузом снизу. Боковые стенки цилиндра — собирающий электрод. Собранные частицы, образующие слой на собирающем электроде, удаляются в пылевой бункер ударом собирающего электрода. В двухступенчатом ЭФ отдельные пары электродов выполняют заряд и сбор.

Большинство промышленных частиц заряжаются при образовании пламенной ионизацией и трением, но только до низкой/умеренной степени. Эти естественные заряды слишком малы для электроосадления. Высоковольтный постоянный ток короны — самый эффективный способ заряда частиц, универсально используемый. Корона образуется между активным высоковольтным электродом (тонкой проволокой) и пассивным заземленным (пластиной или трубой). Корона вокруг разряжающего электрода может образовывать положительные или отрицательные ионы, мигрирующие к собирающему электроду. Ионы, мигрируя от разряжающего к собирающему, сталкиваются с частицами и заряжают их.

Поскольку ионы газовых молекул на многие порядки меньше даже самых мелких частиц и их огромное количество, практически все частицы, проходящие через устройство, заряжаются. Заряженные частицы затем переносятся к собирающему электроду, где удерживаются электростатическим притяжением. Частицы нарастают угущающийся слой на собирающем электроде. Заряд медленно утекает от частиц к электроду. По мере роста слоя заряды на последних собранных частицах должны проводиться через слой ранее собранных. Сопротивление пылевого слоя называется удельным сопротивлением пыли.

По мере роста толщины слоя частицы, ближайшие к пластинам, теряют больший заряд на электрод. Электрическое притяжение между электродом и этими частицами ослабевает. Однако новые частицы на внешнем слое имеют полный заряд. Из-за изолирующего слоя частиц новые частицы не теряют заряд сразу и удерживают весь слой у электрода. Наконец, слой снимается ударом (рэппингом), разбивается и падает в собирающий бункер. ЭФ обычно применяют для газоочистки при высоком объемном пропускном способе газа.

Механизм заряда частиц в ЭФ — генерация ионов, которые присоединяются к частицам. Корона — механизм образования ионов. Корона может быть положительной или отрицательной. Газ обычно имеет несколько свободных электронов и равное число положительных ионов — ситуация, используемая для генерации короны. Когда газ помещен между двумя электродами, небольшой ток течет: свободные электроны мигрируют к положительному электроду, положительные ионы — к отрицательному.

В положительной короне разряжающий электрод (проволока в цилиндрическом ЭФ, рис. 4) на положительном потенциале. Несколько свободных электронов в газе мигрируют к проволоке. При приближении к проволоке энергия электронов растет из-за возрастающей притягательной силы. Электроны сталкиваются с молекулами газа, в некоторых случаях выбивая электрон из молекулы, образуя два свободных электрона и положительный ион. Два свободных электрона продолжают к положительному электроду, набирая энергию, пока не столкнутся с двумя другими молекулами, давая четыре свободных электрона и два положительных иона. Этот процесс — электронный лавина.

Образующиеся положительные ионы мигрируют к отрицательному электроду. Именно эти положительные ионы, мигрирующие через все устройство к отрицательному электроду, сталкиваются с частицами в газе и присоединяются к ним. Область вокруг проволоки, где устанавливается электронная лавина — корона. Таким образом, при положительной короне частицы заряжаются положительно. Термин «корона» происходит от того, что электронная лавина часто сопровождается свечением. В отрицательной короне разряжающий электрод на отрицательном потенциале.

Электронная лавина начинается на внешней поверхности проволоки и идет радиально наружу. Близко к проволоке электроны достаточно энергичны, чтобы при столкновении с молекулами газа образовывать положительные ионы, запуская электронную лавину. Положительные ионы мигрируют короткое расстояние к проволоке. По мере удаления электронов в область более слабкого поля они замедляются столкновениями с молекулами. Эти электроны в конечном счете имеют более низкую энергию, чем ускоряемые к положительному электроду в положительной короне. Эти низкоэнергетические электроны, вместо выбивания электрона из молекулы, поглощаются молекулами, образуя отрицательные ионы. Образование отрицательных ионов, начинающееся на внешнем крае короны, поглощает практически все свободные электроны, порожденные электронной лавиной на поверхности проволоки. Эти отрицательные ионы затем мигрируют к положительному электроду, в процессе присоединяясь к газовым молекулам и образуя отрицательные ионы.

Для эффективности отрицательной короны необходимо, чтобы молекулы газа могли поглощать свободные электроны, образуя отрицательные ионы. Сернистый anhydride — один из лучших поглотителей электронов среди газов в дымовых газах. Кислород, CO₂, H₂O — тоже эффективные поглотители. Отрицательная корона обычно стабильнее положительной, поэтому предпочтительна в промышленных применениях. Побочный продукт отрицательной короны — озон (O₃). Положительная корона не требует поглотителя электронов.

В процессе работы ЭФ на собирающем электроде нарастает слой собранного материала. Частицы на собирающей поверхности должны обладать хотя бы малой электропроводностью для проведения ионных токов от короны на землю. Минимальная проводимость ~10⁻¹⁰ Ом⁻¹·см⁻¹ (сопротивление 10¹⁰ Ом·см). Это мало по сравнению с обычными металлами, но намного больше, чем у хороших изоляторов (силика, пластики). Удельное сопротивление материала определяется установлением тока через пластину известной толщины.

Пока удельное сопротивление пылевого слоя <~10¹⁰ Ом·см, слой отдает заряд электроду. При комнатной температуре типичная пыль имеет удельное сопротивление ~10⁸ Ом·см из-за слоя воды на поверхности частиц. При нагреве >100 °C вода испаряется и удельное сопротивление растет до значения, характерного для твердых частиц. Когда удельное сопротивление превышает ~10¹⁰ Ом·см, потенциал через слой растет, так что напряжение, которое можно удержать на ЭФ, падает, и эффективность сбора снижается. Электрическое удельное сопротивление собранных частиц зависит от химического состава, состава газа и температуры.

Заряд частиц в ЭФ происходит в газовом пространстве между электродами, где ионы газа, сгенерированные короной, бомбардируют и присоединяются к частицам. Концентрация ионов газа может достигать 10¹⁵ ионов/м³. Уровень заряда частицы зависит от концентрации ионов, напряженности поля, проводящих свойств частицы и её размера. Частица 1 мкм обычно набирает ~300 элементарных зарядов, 10 мкм — до 30 000. Прогноз заряда необходим для прогноза скорости миграции, на основе которой рассчитывается эффективность сбора при заданных условиях.

Существует два механизма заряда частиц в ЭФ. Первый — заряд происходит, когда ионы, мигрирующие к собирающему электроду, встречают частицы и присоединяются. В миграции между электродами ионы следуют линиям электрического потока — кривым, везде касательным к вектору поля. Когда частица впервые входит в устройство и незаряжена, линии потока изгибаются к частице, захватывая больше ионов, чем по обычному пути. По мере заряда ионы начинают отталкиваться частицей, снижая скорость заряда. В итоге частица набирает насыщенный заряд и заряд прекращается. Этот механизм — ионная бомбардировка или полевое заряжение.

Второй механизм — диффузионный заряд: частица набирает заряд за счет случайного теплового движения ионов и их столкновений/присоединения к частицам. Диффузионный заряд происходит, когда ионы в случайном тепловом движении сталкиваются с частицей и передают ей заряд. В этом смысле механизм идентичен диффузии незаряженных паровых молекул к поверхности частицы. Но так как и частица, и ионы заряжены, случайное тепловое движение ионов в окрестности частицы влияет электростатическая сила. Эта сила создает тенденцию ионов мигрировать от частицы по мере роста её заряда. Общий поток ионов к частице — сумма случайной диффузии и электрической миграции.

Теории обоих механизмов в полной общности сложны и получили большое внимание. Строго говоря, полевое и диффузионное заряжение происходят одновременно с моментом входа частицы в ЭФ, поэтому для прогноза общего заряда нужно учитывать оба механизма вместе. Однако, так как диффузионное заряжение преобладает для частиц <~1 мкм, а полевое — для >~1 мкм, в проектировании ЭФ часто рассматривают их независимо, суммируя заряды от каждого механизма.

Фильтрация частиц из газовых потоков

Крупный класс устройств контроля пылевых выбросов опирается на фильтрацию частиц из газовых потоков. Применяется множество фильтрующих материалов: волокнистые слои, наполненные слои, ткани. Волокнистые слои для сбора воздушных частиц обычно редко уложены: ~10 % объема — волокна. Наполненные слои — твердое наполнение в трубе, более высокой плотности упаковки. И волокнистые, и наполненные слои широко используются в вентиляционных системах. Тканевые фильтры часто используют для удаления твердых частиц из промышленных газов: пылевой газ проходит через тканевые мешки, частицы накапливаются на ткани.

Физические механизмы фильтрации варьируют в зависимости от режима. Конвенциональные редкоупакованные волокнистые слои можно рассматривать как совокупность цилиндров. Характерный интервал между волокнами намного больше размера собираемых частиц. Механизм сбора — не просто ситование (частицы застревают в пустотах). Удаление происходит переносом частиц из газа на поверхность отдельного собирающего элемента. Поскольку механизмы в волокнистом слое можно анализировать через единичный коллектор, их можно детально описать теоретически.

Наполненные слои иногда рассматривают как совокупность взаимодействующих, но по сути отдельных сферических коллекторов, хотя близкое расположение элементов ставит под сомнение валидность подхода. Из-за более плотной упаковки и сложности описания процесса сбора в чистых теоретических терминах, предсказание сбора в таких системах более эмпирично, чем для волокнистых фильтров. Эффективность тканевых фильтров предсказывается строго эмпирически, так как накопленный слой частиц фактически выполняет сбор.

Волокнистый фильтрующий слой рассматривается как слабоупакованная совокупность отдельных цилиндров. Хотя волокна ориентированы во всех направлениях, с теоретической точки зрения слой трактуется так, будто каждое волокно нормально к газовому потоку. Твердая доля фильтра обычно ~10 %. Каждое волокно действует более-менее независимо как коллектор. Для вычисления удаления частиц фильтрующим слоем нужно определить число волокнов на единицу объема и умножить на эффективность одного волокна.

База прогноза эффективности сбора фильтрующего слоя — эффективность сбора единичного фильтрующего элемента. Элемент берут как изолированный цилиндр, нормальный к газовому потоку. Три различных механизма, доставляющих частицы к поверхности цилиндра:

1. Броуновская диффузия — частицы в газе испытывают броуновскую диффузию, приводящую некоторые к контакту с цилиндром случайным движением, пока они уносятся потоком мимо цилиндра. Концентрационный градиент, возникающий после сбора нескольких частиц, действует как движущая сила, увеличивающая скорость осаждения по сравнению с отсутствием броуновского движения. Поскольку броуновская диффузия частиц растет с уменьшением размера, этот механизм наиболее важен для очень мелких частиц. При анализе сбора броуновской диффузией частицы рассматриваются как диффундирующие безмассовые точки.
2. Перехват (interception) — происходит, когда частица, следующая линиям тока вокруг цилиндра, имеет достаточно большой размер, чтобы её поверхность и поверхность цилиндра соприкоснулись. Если линия тока, на которой лежит центр частицы, находится на расстоянии Dp/2 от цилиндра, происходит перехват. Dp — диаметр частицы.
3. Инерциальное застрелвание (inertial impaction) — когда частица не может следовать быстро изгибающимся линиям тока вокруг препятствия и по инерции продолжает движение к препятствию по менее изогнутой траектории. Столкновение происходит из-за импульса частицы. Механизм инерциального застрелвания предполагает, что частица имеет массу, но не размер, тогда как перехват — размер, но не массу.

Сбор также может происходить от электростатического притяжения, когда частицы или волокно (или оба) обладают статическим зарядом. Силы могут быть прямыми (оба заряжены) или индуцированными (один заряжен). Такие заряды обычно отсутствуют, если не введены намеренно при производстве волокна.

Диапазоны размеров, где механизмы важны: (i) инерциальное застрелвание — >1 мкм, (ii) перехват — >1 мкм, (iii) диффузия — <0,5 мкм, (iv) электростатическое притяжение — 0,01–5 мкм. Нормально анализируют механизмы отдельно, затем комбинируют индивидуальные эффективности в общую для цилиндра/препятствия.

Большинство разработок сбора частиц предполагают (за нехваткой лучшей информации), что частицы, доставленные на поверхность волокна, удерживаются волокном. Эксперименты показали, что для различных веществ и фильтрующих сред доля прилипающих частиц обычно <1 и может быть до 0,5.

Промышленная тканевая фильтрация обычно осуществляется в так называемом «мешковом фильтре» (bag-house), где пылесодержащие газы загоняют через фильтрующие мешки. Частицы обычно удаляют с мешков гравитацией. Рис. 5 показывает три конструкции мешкового фильтра, где очистка осуществляется вибрацией (рис. 5а), воздушным струйным ударом (рис. 5б) или движущимся кольцом (рис. 5в).

Процесс тканевой фильтрации состоит из трех фаз. Сначала частицы собираются на отдельных волокнах описанными механизмами. Затем промежуточная стадия, когда частицы накапливаются на ранее собранных, связывая волокна. Наконец, собранные частицы образуют tort (пылевой слой), действующий как наполненный слой для входящих частиц. По мере накопления пылевого слоя перепад давления через фильтр растет, и периодически пылевой слой нужно сбросить в бункер снизу для «регенерации» тканевого мешка. Высокие эффективности достижимы тканевыми фильтрами, особенно при очистке газов сгорания от технологических процессов. В той мере, в какой эффективная работа ЭФ зависит от наличия SO₂ в газе как ионизируемого вида, тканевые фильтры могут работать без потери эффективности при низком сернистом уровне.

Тканевые фильтры состоят из полупроницаемых тканых или войлочных материалов, составляющих опору для удаляемых частиц. Новая тканая ткань имеет волокна ~100–150 мкм с открытыми промежутками 50–75 мкм. Изначально эффективность низка, так как большинство частиц проходит сквозь ткань. Однако отложенные частицы быстро накапливаются, и именно отложенный пылевой слой обеспечивает высокую эффективность после формирования равномерного поверхностного слоя.

Хотя волокнистые коврики похожи на тканевые фильтры, они не зависят от накопленного слоя для высокой эффективности. Волокнистые коврики обычно не чистят, а утилизируют. Применяют при низких концентрациях частиц для разумного ресурса до утилизации.

В тканевом фильтре частичный слой выполняет удаление. По мере роста толщины накопленного слоя растет перепад давления через пылевой слой и базовую ткань. Две главные соображения в проектировании сборки тканевого фильтра — эффективность сбора и перепад давления как функция времени работы (с последней очистки). Эффективность зависит от локальной скорости газа и пылевой нагрузки на ткань.

Тканевые фильтры дают преимущества: (i) очень высокая эффективность даже для очень мелких частиц, (ii) широкий спектр частиц, (iii) широкий диапазон объемных расходов, (iv) умеренные перепады давления. Ограничения: (i) работа при температурах ниже разрушения ткани или снижения ресурса до неэкономичного, (ii) избегать газа/частиц, атакующих ткань или препятствующих чистке (липкие частицы), (iii) мешковые фильтры требуют больших площадей пола. Преимущества явно перевешивают ограничения.

Влажные коллекторы (скрубберы)

Влажные коллекторы (скрубберы) используют водяную мойку для удаления частиц напрямую из газового потока. Скрубберы делятся на два основных класса: (i) где массив капель жидкости (спрей) образует собирающую среду, (ii) где увлажненные поверхности различных типов составляют собирающую среду. Первый класс включает спрей-башни и вентюри-скрубберы, второй — тарелочные и наполненные башни.

Сорбция — очень эффективное средство удаления мелких частиц из газа. Удаление происходит за счет столкновений частиц с каплями воды. Во влажной среде скруббера мелкие сухие частицы также растут в размере конденсацией воды, становясь легче для удаления. Ре-энтрейнмент (вторичное уношение) частиц избегается, так как частицы попадают в капли или жидкий слой. Скруббер также дает возможность одновременного удаления растворимых газообразных загрязнителей. Пылесодержащая скруббирующая жидкость подлежит утилизации — проблема, отсутствующая в сухих методах.

Спрей-скруббер — устройство, где жидкий поток разбивается на капли ~0,1–1 мм и вводится в пылесодержащий газовой поток. Массив движущихся капель становится набором мишеней для сбора частиц. Эффективность вычисляется через эффективность одного сферического коллектора и суммирование по числу капель на единицу объема газового потока. Относительное движение капель и частиц важно для эффективности, так как захват происходит застрелванием и прямым перехватом. Диффузия также важна для мелких частиц.

Два общих типа спрей-скрубберов. Первый — с предустановленным спреем: капли образуются атомизационными форсунками и распыляются в газовой поток. Включают: (i) контртоковую гравитационную башню (капли оседают вертикально против поднимающегося газа), (ii) поперечно-токовую башню (капли оседают через горизонтальный газ), (iii) сонаправленную башню (спрей горизонтально в горизонтальный газ).

Второй класс — где жидкость атомизируется самим газовым потоком. Жидкость вводится более-менее объемно в высокоскоростной газовой поток, который разрывает жидкость на капли. Устройства — вентюри-скрубберы, так как высокая скорость достигается в вентюри (сужении). Рис. 6 — четыре типа влажных коллекторов.

Простейший влажный коллектор — спрей-башня с водой через форсунки (рис. 6а). Газ в спрей-камере контртоковый жидкости — конфигурация макс. эффективности. Эффективность можно улучшить циклонной спрей-башней (рис. 6б): жидкий спрей направлен наружу из форсунок в центральной трубе. Неопрыскиваемый участок над форсунками дает время каплям с собранными частицами достичь стенок перед выходом газа. Тарелочный скруббер (рис. 6в) — башня со слоями тарелочек с отверстиями (5000–50000 на м²), через которые газ поднимается, а вода скатывается. Наивысшие эффективности влажных коллекторов — в вентюри-скруббере (рис. 6г): вода вводится под прямым углом к высокоскоростному газу в вентюри-трубе, образуя очень мелкие капли потоком и высокие относительные скорости воды и частиц. Высокая скорость газа ответственна за разрыв жидкости. Помимо малого размера капель и высоких скоростей застрелвания, сбор усиливается ростом частиц конденсацией. Различные типы скрубберов описаны ниже.

• Тарелочный скруббер — вертикальная башня с одной/несколькими горизонтальными тарелочками (поддонами). Газ входит снизу и должен проходить перфорации в каждой тарелочке контртоково нисходящему водяному потоку. Называются по типу тарелочек (сито, клапанные). Эффективность растет с уменьшением диаметра перфораций. Срезающий диаметр (50 % эффективность) ~1 мкм аэродинамический диаметр при отверстиях 3,2 мм в ситовой тарелочке.
• Наполненный скруббер — работает аналогично наполненному газоабсорберу. Эффективность растет с уменьшением размера наполнителя. Срезающий диаметр 1,5 мкм достигается в колоннах с наполнителем 2,5 см.
• Спрей-скруббер — частицы собираются жидкими каплями, атомизированными форсунками. Горизонтальные/вертикальные газовые потоки, спрей контртоковый, сонаправленный или поперечный. Эффективность зависит от размера капель, скорости газа, соотношения жидкость/газ, траекторий капель. Для капель, падающих на предельную скорость, оптимальный диаметр для мелких частиц 100–500 мкм. Гравитационные осаждающие скрубберы дают срезающий диаметр ~2 мкм. Соотношение жидкость/газ 0,001–0,01 м³/м³ газа.
• Вентюри-скруббер — движущийся газовой поток атомизирует жидкость в капли. Высокие скорости газа (60–120 м/с) дают высокие относительные скорости газ-частицы и способствуют сбору.
• Циклонный скруббер — капли вводятся в газовой поток циклона для сбора частиц. Спрей может быть направлен наружу из центрального коллектора или внутрь от стенки коллектора.
• Бaffle-скруббер (с переборками) — изменения скорости и направления газового потока, индуцированные твердыми поверхностями.
• Импингмент-энтрейнмент скруббер — газ заставляют ударить о жидкую поверхность для выхода. Часть жидкости атомизируется в капли, уносимые газом. Выход газа спроектирован для минимизации потерь уносимых капель.
• Флюидизируемый слой скруббер — зона флюидизируемого наполнителя, где газ и жидкость интимно смешиваются. Газ проходит вверх через наполнитель, жидкость распыляется снизу и/или течет сверху флюидизируемого слоя.

Эффективность сбора влажных коллекторов связана с общими энергопотерями в оборудовании. Чем выше удельная мощность скруббера на единицу объема газа, тем выше эффективность. Почти вся энергия вводится в газ, потери измеряются перепадом давления газа через узел. Главное преимущество влажных коллекторов — широкий выбор типов, позволяющий подобрать блок под конкретную задачу. Недостатки: высокие перепады давления (энергозатраты) и обращение/утилизация больших объемов скруббирующей жидкости.

При спрей-скруббировании концептуально простейшее устройство — гравитационная спрей-камера. Водяные капли вводятся наверху пустой камеры атомизирующими форсунками и свободно падают на предельной скорости контртоково поднимающемуся газу. Частицесодержащая жидкость собирается в ванне снизу и должна быть перекачана для обработки (удаления твердых частиц), очищенная жидкость обычно рециклируется в башню. Общая эффективность спрей-башни растет с ростом эффективности одной капли, длины камеры, соотношения объемных расходов воды и газа. Растет при уменьшении диаметра капель.

Вентюри-скрубберы используют, когда нужны высокие эффективности и большинство частиц <2 мкм. Есть примеры, где вентюри-скруббер — единственное практическое устройство для газоочистки. Если частицы липкие, горючие или высококоррозионные, ЭФ и тканевые фильтры неприменимы. Вентюри-скрубберы — единственные высокоэффективные пылеуловители, способные одновременно удалять газовые виды из выбросов.

Отличительная черта вентюри-скруббера — суженное сечение (горло), через которое газ загоняют с высокой скоростью. Типичная конфигурация на рис. 7: сходящийся конический участок (ускорение до горловой скорости), цилиндрическое горло, расширяющийся конус (замедление). Жидкость вводится через тангенциальные отверстия во входном конусе или в горле. В первом случае жидкость входит как пленка на стенке, течет вниз к горлу, где атомизируется высокоскоростным газом. Во втором — жидкость впрыскивается перпендикулярно газу в горле, атомизируется и ускоряется. Скорости газа 60–120 м/с, высокая относительная скорость газ-частица/капли способствует сбору. Процесс сбора в основном завершается к концу горла. Поскольку работают на более высоких скоростях, чем ЭФ или мешковые фильтры, вентюри-скрубберы физически меньше и могут быть экономично изготовлены из коррозионностойких материалов. Вентюри имеют простейшую конфигурацию среди скрубберов и минимальные размеры. Рис. 7 — сравнение эффективности вентюри-скруббера с другими устройствами.

Типичный диапазон соотношений расходов жидкость/газ для вентюри-скруббера — 0,001–0,003 м³ жидкости на м³ газа. При более высоких соотношениях скорость газа при данном перепаде давления снижается, при низких — возрастает. Для расходов газа >~1000 м³/мин вентюри-скрубберы обычно делают прямоугольными для равномерного распределения жидкости по площади горла.