Особенности улавливания золы с неблагоприятными электрофизическими свойствами
Решение проблемы эффективной электрической очистки дымовых газов, имеющих неблагоприятные электрофизические свойства, состоит в разработке методов снижения интенсивности или предотвращения образования обратной короны, т. е. создании условий, обеспечивающих стабильную работу электрофильтров. В современных электрофильтрах уже достигнута близкая к максимально возможной равномерность распределения тока короны по поверхности осадительных электродов путем, например, использования игольчатых коронирующих электродов с рациональной геометрией.
Важным направлением в решении проблемы улавливания золы с высоким УЭС является кондиционирование дымовых газов, которое заключается в изменении их свойств при добавлении к ним химических веществ или водяного пара, адсорбирующихся па поверхности частиц золы и увеличивающих их поверхностную проводимость.
Химические методы кондиционирования. В качестве кондиционирующих добавок применяются триоксид серы, водяной пар, аммиак и другие соединения. Сравнительно небольшое количество триоксида серы, добавленное к продуктам сгорания топлив, существенно уменьшает электрическое сопротивление слоя золы, осаждающейся на электродах. При добавке к продуктам сгорания триоксида серы в количестве около 20 миллионных долей но объему (20 РРМ) эффективность улавливания высокоомной золы заметно растет. Дальнейшее увеличение этой добавки, как правило, не сопровождается заметной интенсификацией золоулавливания.
| Рис.15. Влияние ввода различных присадок в дымовые газы на изменение скорости дрейфа частицы золы |
Триоксид серы для целей кондиционирования может быть получен с помощью одного из следующих способов: кипячением серной кислоты, разложением олеума, превращением диоксида серы в триоксид, испарением стабилизированного триоксида серы, сжиганием серы в присутствии катализатора. Применение одного из способов получения триоксида серы определяется в основном экономическими соображениями.
Увеличение содержания водяных паров в очищаемых газах, как известно, не только снижает УЭС золы за счет роста проводимости поверхностной пленки, но также обеспечивает возможность повышения рабочего напряжения на коронирующих электродах благодаря увеличению диэлектрической прочности дымовых газов. Так, например, при работе электрофильтра на чистом воздухе увеличение содержания в нем водяных паров от 30 до 75 г/м3 позволяет повысить пробивное напряжение на 15— 20%. В то же время исследования показали, что влияние влагосодержания на работу электрофильтра может быть существенно различным в зависимости от температуры газов. С ростом температуры для сохранения одинакового эффекта электрической очистки влагосодержание газов может быть более значительным. Эффективность различных кондиционирующих агентов можно сравнить по относительному изменению скорости дрейфа частиц в электрическом поле. На рис.15 показана зависимость этого параметра от содержания в дымовых газах различных кондиционирующих добавок: триоксида серы, аммиака, фосфора и водяного пара, а также диоксида серы.
Температурный метод кондиционирования. Зависимость УЭС золы от температуры носит экстремальный характер (см. рис.12). Такой вид зависимости можно объяснить различиями в протекании электрического тока через слой золы.
Установлено, что сопротивление слоя золы определяется как его поверхностной проводимостью, так и объемной. При низкой температуре УЭС золы определяется поверхностной проводимостью, обусловленной адсорбцией (поглощением) поверхностью золы влаги и различных химических веществ (в первую очередь серного ангидрида) из дымовых газов.
При высоких температурах газов УЭС золы определяется объемной проводимостью, обусловленной механизмом ионной проводимости, при которой главными переносчиками зарядов являются ионы щелочных металлов. Для данного химического состава золы ее объемное сопротивление зависит также от температуры газов и напряженности электрического поля.
Из рассмотрения зависимости удельного электрического сопротивления золы от температуры следует, что преодоление высокого омического сопротивления летучей золы и обратного коронирования в электрофильтре, а также обеспечение высокой степени очистки газов при приемлемых габаритах электрофильтра могут быть достигнуты различными технологическими путями.
Одним из путей является создание котлов, рассчитанных на весьма низкую температуру уходящих газов путем сооружения более развитых, чем обычнее, хвостовых поверхностей нагрева (использование левой ветви зависимости удельного электрического сопротивления от температуры). Исследования показали, что снижение температуры газов до 100 ОС приводит к снижению УЭС золы примерно на один порядок. Когда УЭС исходной золы превышает значение 5×1011 0м×см, необходимо более глубокое охлаждение газов до температуры примерно 80...90 ОС. При этом, однако, увеличиваются габариты и стоимость котлов. Могут существенно усложниться их эксплуатация и ремонт в связи с интенсификацией абразивного износа низкотемпературных поверхностей. Поэтому при сжигании топлив, зола которых обладает чрезмерно высоким УЭС, как правило, не идут по пути глубокого охлаждения уходящих газов, хотя в ряде случаев таким способом можно существенно снизить выбросы в атмосферу.
Другой путь снижения омического сопротивления золы заключается в размещении электрофильтров перед воздухоподогревателем в области температур газов около 350...400 ОС (использование правой ветви зависимости удельного сопротивления слоя золы от температуры (рис.12, а). Опыт применения таких электрофильтров имеется в США. Преимущество этого направления состоит не только в достижении эффективной и стабильной очистки газов от высокоомной золы, но и в предотвращении загрязнения золой поверхности воздухоподогревателя.
Скорости движения газов в активном сечении «холодных» и «горячих» электрофильтров должны быть примерно одинаковыми, чтобы обеспечить в обоих случаях высокую степень очистки газов. Удельные объемы продуктов сгорания при температуре 350...400 ОС примерно в 1,5 раза выше, чем при температуре 140...150 ОС. Поэтому требуются большие проходное сечение и габариты горячих электрофильтров, что приводит к увеличению капитальных затрат и затрудняет компоновку аппаратов в заданной ячейке блока.
Необходимые поверхности осаждения для обеспечения одинаковой степени очистки газов при использовании горячих и холодных электрофильтров оказываются одинаковыми. В этих расчетах, однако, не учитывается, что при установке горячих электрофильтров происходят дополнительные потери теплоты с золой, имеющей температуру 350...400 ОС. Для углей с малой зольностью потери теплоты относительно невелики. Для высокозольных углей (например, экибастузского) установка горячих электрофильтров перед воздухоподогревателями котла приведет к снижению КПД котла примерно на 1%, что вряд ли можно считать оправданным.
Размещение электрофильтров в области температур 350...400 ОС, при обеспечении их нормальной работы и при наличии золы с высоким УЭС, связано с определенными затруднениями в очистке газов, поскольку при этом изменяются их свойства. Так, например, возрастает вязкость газов и поэтому уменьшается при прочих равных условиях скорость дрейфа частиц золы.
С увеличением температуры газов становятся более сложными аппараты вследствие больших термических расширений элементов конструкций, попадания горячей золы в систему золоудаления, дополнительных присосов воздуха перед воздухоподогревателем.
Температурно-влажностное кондиционирование. Одним из эффективных путей улучшения очистки продуктов сгорания с неблагоприятными электрофизическими свойствами является предварительное изменение свойств дымовых газов путем использования преимуществ как температурного, так и влажностного кондиционирования газов, рационального сочетания их, т. е. Путем использования температурно-влажностного кондиционирования. Установлено, что применение температурно-влажностного кондиционирования продуктов сгорания экибастузского угля позволяет существенно снизить УЭС золы. При температуре газов 99 ОС и одновременном увеличении их влагосодержания на 8 г/м3 УЭС золы снизилось в 70 раз по сравнению с УЭС золы при 136 ОС без дополнительного увлажнения. Снижение температуры до 82 ОС и увеличение влажности газов на 22 г/м3 уменьшает УЭС на 23 порядка.
Температурно-влажностное кондиционирование дымовых газов может быть осуществлено различными способами. Для высокозольных топлив типа экибастузского угля, когда запыленность очищаемых газов близка к критическому значению по условиям запирания коронного разряда или превосходит его, ВТИ и Союзтехэнерго разработали комбинированную золоулавливающую установку, состоящую из включенных последовательно по ходу газов мокрой ступени, предназначенной для предварительной очистки газов и их температурно-влажностного кондиционирования, и многопольного электрофильтра. При использовании этой золоулавливающей установки нужно учитывать, что сильное увлажнение продуктов сгорания в мокрой ступени приводит к коррозии металла осадительных электродов.
Большие перспективы имеют охлаждение и увлажнение дымовых газов путем полного испарения влаги в газоходе перед электрофильтром. Это наиболее дешевый и простой способ кондиционирования, практически не требующий громоздкого дополнительного оборудования. Особенно целесообразен этот способ при испарении различных химических стоков и жидких отходов, содержащих соединения натрия, лития и другие кондиционирующие вещества. Этот способ применим в основном при сжигании в котлах средне- и малозольных углей, когда в электрофильтре отсутствует проблема запирания коронного разряда из-за чрезмерно высокой запыленности очищаемых газов.
Метод импульсного питания. Принципиально новым способом борьбы с обратной короной, разрабатываемый в последние годы, может стать применение импульсного напряжения для питания электрофильтров. Одним из преимуществ применения импульсного напряжения для питания электрофильтров является то, что импульсная прочность воздушных промежутков выше их электрической прочности при постоянном напряжении, что позволяет увеличить амплитудное значение напряжения.
Импульсное питание электрофильтров устраняет обратное коронирование. Результаты промышленных испытаний свидетельствуют об эффективности использования импульсной формы волны питающего напряжения. Достижение более высоких амплитудных значений питающего напряжения позволяет предполагать, что при этом будет получен больший удельный заряд пыли.
Первые опыты по применению метода импульсного питания показали, что запыленность на выходе из электрофильтра снижается в 1,5...1,6 раза, а мощность, потребляемая электрофильтром, в 20 раз.
Метод питания электрофильтра знакопеременным напряжением. Другим перспективным способом улавливания высокоомной золы является питание электрофильтра напряжением переменной полярности. Способ питания электрофильтра знакопеременным напряжением низкой частоты прямоугольной формы позволяет устранить обратную корону. Суть способа заключается в том, что полярность электрического напряжения меняется каждый раз, когда напряженность в слое приближается к пробивному значению. После переключения полярности, слой на электроде перезаряжается, заряд частиц в межэлектродном пространстве также меняет свой знак и сила, действующая на частицы, по-прежнему оказывается направленной к осадительному электроду.
Метод предварительной ионизации. Одним из перспективных способов улавливания высокоомной золы является ее предварительная зарядка. Принципиально устройство состоит из параллельных групп электродов, через которые проходит газовый поток. Высокое напряжение низкой частоты подается на противоположные по заряду группы электродов. При этом напряженность электрического поля примерно в 10 раз превышает таковую в традиционном электрофильтре. Скорость зарядки очень высокая, что позволяет установить рассматриваемое устройство, например, на входе электрофильтра и использовать его при скорости газового потока выше 10 м/с.