Очистка газов в электрическом поле (электроосаждение)
Скорость осаждения очень мелких частиц (<10 мкм) из газовых сред чрезвычайно мала не только в гравитационном поле, но и в поле центробежных сил.
По этой причине разделение тонкодисперсных аэрозолей (очистка газов от мелких твердых частиц и капель) рассмотренными выше методами практически невозможна. Этот процесс, однако, успешно осуществляется в электрическом поле.
Физические основы процесса. Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа электрическим зарядом (самостоятельная ионизация). Сущность этого процесса заключается в следующем. Имеется электрическая цепь (рис.8.26а), в которую включен источник тока 1, допускающий возможность изменения напряжения, и гальванометр 2, а на концах цепи - пластина 3 и острие 4, разделенные воздушным зазором 5, причем пластина должна обладать положительным зарядом, а острие - отрицательным.
Первоначально ток в такой цепи практически не обнаруживается, т.к. газ, состоящий из нейтральных молекул, не проводит электричество. При повышении разности потенциалов между электродами до некоторой величины (точка а на графике рис.8.26б) наступает ионизация газов вследствие того, что находящиеся в газах в небольшом количестве свободные электроны и ионы, приобретают приращение кинетической энергии, достаточной для расщепления встречных нейтральных молекул, в результате чего значительно возрастает количество заряженных частиц и появляется электрический ток. Соответствующая этому моменту разность потенциалов называется ионизационным потенциалом. При дальнейшем повышении разности потенциалов сила тока начинает возрастать (отрезок аб),так как дополнительно появившиеся электроны и ионы при движении к электроду также вызывают ионизацию. Это явление называется ударной ионизацией,
Рис.8.26. Ионизация молекул газа электрическим зарядом:
1 – источник тока; 2 – гальванометр; 3 – пластины; 4 – острие; 5 – воздушный зазор;
а) электрическая цепь; б) изменение силы тока, проходящего через газ, в зависимости от разности потенциалов между электродами.
а процесс, характеризуемый отрезком аб называется тихим самостоятельным разрядом. Затем сила тока начинает резко увеличиваться при малом увеличении разности потенциалов (отрезок бв). Это объясняется тем, что напряженность электрического поля около вершины острия достигает предела, при котором у вершины острия произошел электрический пробой, т.е. расщепление молекул газа с образованием положительных и отрицательных ионов (точка б). Это явление называется коронным разрядом и сопровождается появлением бледно - голубой короны вокруг проводника. Образовавшиеся при этом положительные ионы теряют заряд у вершины излучающего электрода, а отрицательные перемещаются к противоположно заряженному электроду. Область ионизации у проводника, в которой происходит излучение света, называется оболочкой короны, а напряжение при котором появляется корона, начальным напряжением коронного разряда. Устойчивость протекания стадии коронного разряда, характеризующегося неполным пробоем газа, обуславливается геометрической конфигурацией электродов, создающих электрическое поле с неоднородной напряженностью.
Если разность потенциалов между электродами достигнет некоторого предела, при котором сила тока будет соответствовать точке в, то наступает искровой разряд. Между электродами проскакивает искра (отрезок вг) с соответствующим значительным падением разности потенциалов.
Заключительной стадией разряда при достаточной мощности тока может явится образование электрической дуги (точка г). Следовательно, чтобы избежать короткого замыкания электродов, пробой газового слоя должен произойти лишь на части расстояния между электродами. Остальная часть газового пространства между электродами, называемая внешней областью короны, должна остаться не пробитой. Из описания этого процесса следует, что для ионизации газов, используемой для электрической очистки их от пыли, можно применять только такие электроды, которые способны создавать неоднородное электрическое поле, при котором градиент напряжения не остается постоянным, а убывает по мере удаления от излучающего электрода.
Аппараты в которых происходит процесс электрической очистки газов, обычно называют электрофильтрами. Однако это название не соответствует сущности процесса, т.к. при электрической очистке газов происходит процесс осаждения, а не фильтрования (фильтровальная перегородка отсутствует). Поэтому в дальнейшем будем называть эти аппараты электроосадителями. Для создания неоднородного электрического поля в электроосадителях применяют электроды различной формы. Электрод, вокруг, которого образуется «корона», называется коронирующим электродом и имеет форму стержня. Коронирующий электрод носит отрицательный заряд. Положительно заряженный электрод имеет форму цилиндра или пластины и носит название осадительный электрод. При таких формах электродов можно использовать более высокое напряжение без появления искрового разряда. При возникновении короны появляются ионы обоих знаков и свободные электроны. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к осадительному электроду. Соприкасаясь со встречными пылинками или капельками, находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают к осадительному электроду. В результате частицы пыли или тумана оседают на этом электроде. Основная масса частиц пыли или тумана приобретает отрицательный заряд потому, что отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь от области короны к осадительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно больше их вероятность столкновения со взвешенными в газе частицами. Отрицательно заряженные частицы пыли или тумана, попадая на осадительный электрод, отдают ему свои заряды, а затем удаляются с электрода. Лишь небольшая доля частиц, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в области короны оседают на коронирующем электроде.
На степень очистки газа влияет проводимость пыли. Если частицы хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) невелики, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания и частица вновь может попасть в поток газа. Это приводит к увеличению уноса пыли из аппарата и снижению степени очистки. Если пыль плохо проводит ток, то она прижимается силой поля к электроду и образует на нем слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака. Напряжение в порах слоя осевшей пыли может превысить критическое и вызвать коронирование газа у осадительного электрода - «обратную корону». Это явление снижает эффективность очистки газа. Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, и их очистки ее удаляют периодическим встряхиванием электродов.
При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, поэтому снижается сила потребляемого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3 - 0,6 м/с) значительно меньше скорости ионов (60 - 100 м/с). При падении силы потребляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается - происходит полное «запирание короны». В этом случае необходимо уменьшить концентрацию частиц в газе путем образования перед электроосадителем предварительной очистки газа, тем самым уменьшить нагрузку на электроосадитель. Частицы жидкости обладают относительно невысоким удельным электрическим сопротивлением и обычно хорошо смачивают поверхность электрода. Поэтому они быстро отдают электроду свой заряд и стекают по его поверхности.
Электроосадители работают только на постоянном токе.