Электрофильтры

Одним из хорошо зарекомендовавших себя и перспективным типом золоуловителей для крупных ТЭС являются электрофильтры, которые могут обеспечить высокую степень очистки газов при аэродинамическом сопротивлении не более 150 Па практически без снижения температуры и без увлажнения дымовых газов.

Рис.10. Принцип работы электрофильтра: 1 - осадительный электрод; 2 - коронирующий электрод; 3 - частицы золы; 4 - электрическое поле; 5 - слой осевшей золы; 6 - заряженная зола

В электрофильтрах запыленный газ движется в каналах, образованных осадительными электродами 1 (рис.10), между которыми расположены через определенное расстояние коронирующие электроды 2.

Сущность процесса электрической очистки газов заключается в следующем. Запыленный газ проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов 7 и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов 2, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком.

При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (ток короны).

Рис.11. Электрофильтр типа УГ: 1 - корпус; 2 - электрод осадительный; 3 - электрод коронирующий; 4 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 5 - механизм встряхивания осадительных электродов; 6 - газораспределительная решетка; 7 - бункер для золы; 8 - изолятор

Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток, который и представляет ток короны. Частицы золы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов.

Процесс электрогазоочистки можно разделить на следующие стадии:

· зарядка взвешенных в газе частиц;

· движение заряженных частиц к электродам;

· осаждение частиц на электродах;

· удаление этих частиц с электродов.

Коронный разряд возникает при достижении определенной напряженности и электрического ноля, называемой критической или начальной, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении н температуре 20 ^ОС составляет около 15 кВ/см. При дальнейшем повышении напряженности нарушается электрическая прочность газового промежутка между электродами, наступает искровой или дуговой электрический разряд.

К коронирующим электродам подводится отрицательный заряд, так как подвижность отрицательных ионов выше положительных. Кроме того, при отрицательной короне удается поддержать более высокое напряжение без искрового пробоя между электродами.

Рабочая часть электрофильтра, в которой существует электрическое поле, называется активной зоной. Она разделена на несколько электрических полей, через которые очищаемый газ проходит последовательно. Электрофильтры бывают однопольными и многопольными.

На большинстве электростанций, оснащенных электрофильтрами, применены аппараты тина УГ (унифицированный горизонтальный). Запыленные газы после газораспределительной решетки 6 (рис.11) поступают в коридоры, образованные вертикально висящими широкополосными осадительными электродами С-образной формы. Коронирующие электроды представляют собой профильные ленточные элементы с штампованными иглами, укрепленные в специальной рамке. Для удаления осевшей на электродах золы предусмотрены встряхивающие устройства в виде молотков, ударяющих по наковальням электродов. Осевшая зола попадает в бункера и затем через гидравлические затворы направляется в систему ГЗУ. Расчетная температура газов до 250 ^ОС.

Электрические поля имеют самостоятельное питание и систему встряхивания. На рис.11 показан трехпольный электрофильтр типа УГ. В первом поле оседает наибольшее количество золы, в последнем - минимальное.

Важным условием, определяющим эффективность работы электрофильтра, является агрегат электрического питания. Каждый агрегат обслуживает одно поле (или половину поля), состоит из трех узлов:

· повысительно-выпрямительного блока с высоковольтным распределительным устройством;

· блока магнитных усилителей;

· дросселей и пульта управления.

Для поддержания напряжения в любой момент работы электрофильтра на грани пробивного, когда обеспечивается наилучшая ионизация газов, применена автоматическая схема регулирования. Электрофильтры серии УГ имеют две разновидности: УГ2 - с высотой электрода 7, 5 и активной длиной каждого поля 5 м и УГЗ - с высотой электрода 12, 2 и длиной поля 4 м.

Число полей n в каждом электрофильтре может быть три и четыре. Поперечные сечения для прохода газов F _r, м², для электрофильтров УГ2 имеют следующие значения: 26, 37, 53, 74; для электрофильтров УГЗ: 88, 115, 177, 230, 265. Параметры золоулавливания электрофильтра рассчитываются по выражению

П =J× f,

где J - скорость дрейфа частиц, м/с (скорость движения частиц золы под действием сил осаждения);

f=A/V - удельная площадь поверхности осаждения на 1 м³/с очищаемого газа. Здесь А - площадь поверхности канала золоулавливания, м²; V - расход газа, м³/с.

Степень осаждения определяется двумя факторами - скоростью дрейфа частиц золы J и удельной поверхностью осаждения f. Увеличивая f, можно получить высокую степень улавливания, однако это связано с большими расходами металла и увеличением габаритов электрофильтров.

Скорость дрейфа J, м/с, определяется в основном электрическими характеристиками электрофильтра и пылегазового потока и выражается как:

,

Рис.12. Влияние удельного сопротивления летучей золы на работу электрофильтра: а - зависимость удельного сопротивления летучей золы при работе электрофильтра от температуры; б - зависимость скорости осаждения от удельного сопротивления пыли; 1 - цементная пыль; 2 - зола уноса котлов

где e₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

e - относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы;

Е_З - напряженность электрического поля зарядки, В/м;

Е_ОС - напряженность электрического поля осаждения, В/м.

Из приведенного выражения следует, что скорость дрейфа пропорциональна произведению напряженностей полей зарядки и осаждения и диаметру частицы (влияние остальных факторов менее существенно). Однако определить теоретическим путем величины Е_З и Е_ОС затруднительно, из-за чего расчет но приведенному выражению возможен при наличии опытных данных но электрическим характеристикам.

Основными факторами, определяющими скорость дрейфа, являются электрические свойства пылегазового потока и в первую очередь электрическое сопротивление золы. На рис.12, а показана зависимость удельного сопротивления летучей золы r, 0м× м, при работе электрофильтра от температуры. Максимум электрического сопротивления золы соответствует температуре 100...130 ^ОС. Наибольшее r имеет зола углей с малым содержанием горючих в уносе, низким содержанием серы и влаги в топливе. К углям, зола которых имеет наиболее высокое электрическое сопротивление, относятся экибастузский и кузнецкий каменные угли. На рис.12, б показано изменение скорости дрейфа J от удельного сопротивления r. В области r= 10⁸...10⁹ 0м× м происходит резкое падение скорости дрейфа.

Анализ работы электрофильтров на ТЭС показал, что основная причина менее эффективной очистки заключается в высоком удельном электрическом сопротивлении (УЭС) r слоя золы, образующемся на осадительных электродах электрофильтра. Вследствие высокого УЭС проводимость слоя пыли уменьшается, что приводит к увеличению потенциала поверхности слоя, увеличению падения напряжения в слое при одновременном его уменьшении в газовом промежутке. При увеличении разности потенциалов между поверхностью слоя и заземленным электродом до значения, достаточного для пробоя газов, на некоторых участках поверхности слоя возникают относительно стабильные местные разряды. Это явление, вызывающее образование и выброс в межэлектродное пространство ионов со знаком, обратным знаку ионов, образующихся в основном процессе, принято называть обратной короной. Положительные ионы, образовавшиеся в зоне обратной короны, под действием электрического ноля двигаются к коронирующему электроду, встречают на своем пути частицы золы, заряженные отрицательно, и нейтрализуют их заряды. В результате этого прекращается движение золовых частиц к осадительному электроду и снижается степень очистки газов в электрофильтре. Устойчивая обратная корона характеризуется появлением в слое пыли точек локализованных разрядов голубого цвета.

Высокое УЭС летучей золы обусловлено как параметрами дымовых газов (концентрация серного ангидрида и зависящая от него кислотная точка росы, парциальное давление водяных паров, температура газов и др.), так и химическим составом самой золы, главным образом соотношением в ней алюмосиликатов (Al₂O₃+SiO₂) и щелочных металлов, в первую очередь натрия и лития. При определенной комбинации низких содержании серы, водорода и влаги в угле с низкими концентрациями щелочных металлов в золе при общепринятых в котельной практике температурах уходящих газов 120...150 ^ОС удельное электрическое сопротивление золы вырастает до 10¹⁰...10¹² 0м× м. При таких параметрах обратная корона возникает и развивается в электрофильтре исключительно быстро.

На степень улавливания золы большое влияние также оказывает равномерность распределения поля скоростей дымовых газов по сечению электрофильтра. С целью создания достаточно равномерного поля скоростей газов на входе в электрофильтр устанавливают газораспределительные решетки.

Современные электрофильтры серии ЭГА - горизонтальные, модификации А, изготавливаются в широком диапазоне типоразмеров при глубокой унификации узлов и деталей. Такие фильтры рассчитаны на максимальную температуру газов до 330 ^ОС. Электродная система - система, составленная из широкополосных (ширина элемента 40 мм) элементов открытого профиля и рамных коронирующих электродов с игольчатыми элементами. Шаг между одноименными элементами составляет 300 мм. В электрофильтрах по ширине размещается от 10 до 88 газовых проходов. Номинальная высота электродов принимается из ряда 6; 7, 5, 9; 12 м.

В связи с повышением мощности энергоблоков потребовалось создание двухъярусного фильтра. Для энергоблоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1 разработан и изготовлен на базе серии ЭГА электрофильтр типа ЭГД (горизонтальный, двухъярусный) (рис.13).

Электрофильтры серии УВ (рис.14) - унифицированные вертикальные пластинчатые сухие для очистки газов с температурой до 250 ^ОС, выпускаются взамен электрофильтров ДВП и ДВПН. Электрофильтры типа УВ имеют одно поле активной длины 7, 4 м и разделены по газу на одну - три секции. Осадительные электроды - пластинчатые с нижним молотковым стряхиванием. Коронирующие электроды - рамные с верхним подвесом и молотковым встряхиванием.

Электрофильтры УВ рассчитаны на невысокую запыленность газов и скорость их в активном сечении до 1 м/с.

Расчет электрофильтра для ориентировочного определения его размеров ведется в следующем порядке.

Рис.13. Электрофильтр типа ЭГД: 1 - подводящие газоходы; 2 - газораспределительная решетка; 3 - коронирующий электрод; 4 - осадительный электрод; 5 - механизм встряхивания коронирующих электродов; 6 - механизм встряхивания осадительных электродов; 7 - бункер для пересыпки золы из верхнего яруса

Рис.14. Электрофильтр УВ

1. Определяется активное сечение для прохода газов, м², эктрофильтра:

,

где Z - число параллельно включенных корпусов (рекомендуется устанавливать один-два корпуса на котел, обычно по числу выбранных дымососов);

u - скорость газов в активном сечении, принимается для золы с неблагоприятными характеристиками (r> 5× 10⁹ 0м× м) в пределах 1, 3—1, 5 м/с, для остальных топлив ((r< 5× 10⁹ 0м× м до 1, 8 м/с).

Далее подбирается ближайшее поперечное сечение электрофильтра w_Д, выбирается высота электрода и уточняется действительная скорость газов для подобранного сечения.

2. Принимается схема газораспределения электрофильтра и оценивается степень заполнения объема m. По заданной степени уноса e определяется степень уноса при равномерном потоке e_Р, по выражению

.

Степень заполнения m определяется экспериментально на моделях электрофильтра с примыкающими газоходами.

3. По табл.3 определяется по найденной степени уноса при равномерном поле параметр золоулавливания П.

4. Задаваясь скоростью дрейфа J в зависимости от используемого на ТЭС топлива рассчитывается поверхность осаждения

.

При расчете электрофильтров можно принимать для различных топлив следующие скорости дрейфа частиц J м/с:

Кузнецкий СС, экибастузский - 5, 5× 10^-2;

Донецкий промпродукт - 5, 5× 10^-2;

Канско-ачинский - (6...6, 5)× 10^-2;

Донецкий:

ГСШ - 7× 10^-2;

АШ - (8...9)× 10^-2;

Подмосковный (10...12)× 10^-2.

5. Число полей электрофильтра при заданной длине поля определяется по выражению

,

где t - расстояние между одноименными электродами (для электрофильтров УГ t =0, 275 м);

l - длина поля.

Выбирается действительное число полей электрофильтра n_Д. Уточняется действительное значение параметра золоулавливания П_Д и соответственно e_Р^Д и e_Д.