CC BY
206
ISSN 1992-6502 (Print) 2017. Т. 21, № 3 (77). С. 66-71
Ъъотььк, QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.436
Электростатический фильтр для очистки дымовых газов
котельных малой и средней мощности
1 1 1 1 ф. р. Исмагилов , и. х. Хайруллин , м. в. Охотников , а. а. Нусенкис
1 [email protected], 2 [email protected]
1 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
2 ООО «Курс»
Поступила в редакцию 26.05.2017
Аннотация. Применение электростатических фильтров на крупных котельных и ТЭЦ обусловлено соблюдением санитарных норм по выбросу сажевых частиц в атмосферу. Использование таких же очистных установок на котельных меньшей мощности нерентабельно ввиду нескольких факторов, одним из которых являются значительные габариты. Для выполнения условия компактности устройств очистки дымовых выбросов необходимо проектирование новых систем, работающих по принципу электростатического фильтра, при этом сохраняя все его достоинства и компенсируя недостатки. Подобная система должна иметь минимальные затраты на монтаж, обслуживание, обеспечивать автоматическую очистку и высокую эффективность. Одной из таких установок является вертикальный электростатический фильтр, рассматриваемый в данной статье.
Ключевые слова: электрофильтр; осаждение частиц; осадительный электрод; напряженность электрического поля.
ВВЕДЕНИЕ
Холодный климат, преобладающий на территории России, обусловливает использование большого количества объектов теплоснабжения. Обогрев зданий в мегаполисах, предприятий, а также частных домов и муниципальных организаций в России обеспечивают примерно 485 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), 6,5 тысяч котельных мощность которых составляет более 20 Гкал/час, более 100 тысяч мелких котельных и около 600 тысяч автономных индивидуальных теплогенераторов [1].
На сегодняшний день вопрос очистки дымовых выбросов мощных котельных и ТЭЦ в основном решен. Очистка осуществляется различными способами, в том числе с применением электростатических фильтров, принцип работы которых, как правило, однообразен и основан на осаждении
частиц сажи на осадительных электродах под действием напряженности электростатического поля. Очистка дымовых газов малых и средних котельных, мощность которых составляет менее 20 Гкал/ч практически никак не реализована, несмотря на то, что ежегодные выбросы подобных котельных существенны. К примеру, малая котельная, мощность которой составляет 1,6 Гкал/ч, использующая котлы ОТ-18, КСВ-1,86 [2], производит валовый выброс твердых частиц около 4,32 т/год при сжигании пеллет и 35,35 т/год при сжигании угля [3].
Наличие ряда недостатков в конструкции и принципе действия, присущих существующим моделям электростатических фильтров крупных ТЭЦ, (например, типа ЭГА [4]) ограничивает возможность их применения на котельных малой и средней мощности. Основными проблемами для их использования являются:
• значительные габаритные размеры, обосновываемые большим объемом дымовых газов и принципом работы;
• высокая стоимость электростатического фильтра и мероприятий, необходимых для его подготовки и ввода его в эксплуатацию.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Возможность использования в котельных существующих компактных и мобильных установок фильтрации [5], применяемых при очистке воздуха в сварочных помещениях и производственных цехах, встречает значительные трудности. Затруднения в их применении связаны с необходимостью регулярной замены фильтрующих элементов, ограничением по температуре пропускаемого через фильтр дымового потока, которая не должна превышать 800°С. К тому же существенную роль играет концентрация и размер частиц, значения которых в дымовом потоке котельной значительно больше размеров частиц, образуемых при сварочных работах.
Электрофильтр, имеющий возможность эффективного применения в котельных малой и средней мощности должен удовлетворять ряду требований, таких как:
• компактность;
• эффективность очистки дымовых газов;
• температура очищаемого потока составляет 200-300°С;
• простота обслуживания;
• независимость от плотности частиц в дымовом потоке;
• минимальная стоимость.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Данным требованиям удовлетворяет вертикальный трубчатый электрофильтр, предлагаемый авторами, оригинальность которого подтверждена патентом на изобретение [6]. Конструкцию данного фильтра от существующих отличает наличие вращающихся цилиндрических осадительных электродов (ЦОЭ). Процесс осаждения частиц на их поверхности происходит под действием все того же электростатического поля, но
очистка поверхности осаждения производится в отводящих рукавах, которые отделены от зоны очистки дымового потока и осаждения частиц. Частицы сажи, снятые с ЦОЭ, не попадая повторно в очищаемый дымовой поток, под действием собственной массы опускаются в бункер, предназначенный для их сбора. Применение отводящих рукавов и осадительных электродов цилиндрической формы позволяет отказаться от цикличного режима подачи напряжения на электроды и механического воздействия, необходимого для встряхивания осадитель-ных электродов. При этом появляется возможность непрерывно, в автоматическом режиме очищать поверхность осадительных электродов без отключения напряжения. Неподвижные коронирующие электроды, размещенные по периметру параллельно ЦОЭ, образуя при этом активный зазор 5, имеют игольчатую структуру. Иглы каждого коронирующего электрода перекрывают просвет между иглами предшествующего коронирующего электрода с целью выравнивания области действия напряженности электрического поля и повышения эффективности очистки пропускаемого через фильтр дымового потока. Монтаж конструкции данного фильтра, в отличие от существующих, возможен непосредственно на трубу дымохода, что позволит значительно сократить финансовые и трудовые затраты, так как отпадает необходимость в подготовке отдельной площадки под его размещение. Процесс работы данного фильтра частично заимствован из принципов работы русской печи, в которой дымовой поток, прежде чем выйти из трубы, проходит по извилистому каналу дымохода, где происходит снижение его скорости, что, помимо всего прочего, позволяет задерживать и осаждать значительную часть сажи, образовавшейся в процессе сгорания топлива в печи. В предлагаемой конструкции электрофильтра изменение направления движения дымового потока по электрофильтру, имитирующее движение дыма по дымоходу печи, происходит за счет ЦОЭ.
Удаление частиц сажи происходит следующим образом: пропускаемый через электрофильтр дымовой поток, огибая ЦОЭ,
попадает в область действия электростатического поля высокой напряженности, создаваемого осадительными и коронирую-щими электродами. Частицы сажи, ионизируемые в данном поле, оседают на поверхности ЦОЭ, который, вращаясь, переносит их в отводящие рукава, отделенные от зоны очистки дымового потока. Скребки, установленные в отводящих рукавах, снимают слой осевших частиц, которые падают в накопительный бункер. Очищенная поверхность ЦОЭ при его вращении вновь оказывается в области осаждения электрофильтра участка «А» (рис. 1) (каждого ЦОЭ), что способствует надежному и эффективному процессу осаждения частиц на данном участке и работе электрофильтра в целом.
Для наглядности процесса работы предлагаемой конструкции электрофильтра в программном комплексе Ansys проведено моделирование процесса трассировки и осаждения частиц из пропускаемого через рассматриваемую конструкцию трехступенчатого электрофильтра дымового потока. Участок «А» (рис. 1) обозначает активную область электрофильтра, характеризующуюся максимальным взаимодействием частиц сажи и электрического поля [7] на первой ступени очистки электрофильтра. На данном этапе происходит осаждение частиц, имеющих наименьший размер и массу т1 в потоке. Эффективность осаждения частиц на данном участке электрофильтра, как устанавливалось ранее [7], зависит от массы частиц т, скорости проходящего через фильтр дымового потока V, величины прикладываемого к электродам напряжения и, конфигурации поверхности осадительного электрода, количества коронирующих электродов, а также концентрация частиц в потоке.
В процессе моделирования электрофильтра, так же как и при экспериментальной проверке, рассматривались два типа осадительных электродов, со ступенчатой поверхностью (ЦОЭ 1) и гладкой поверхностью (ЦОЭ 2, ЦОЭ 3). Осадительные электроды имеют следующие параметры: радиус (гтах) - 11 см, ширина - 28,5 см, радиус паза ребра (гпаз) составляет 10,5 см, ширина паза (^паз) и ширина ребра (^реб) принимались равными 3 см.
Рис. 1. Трассировка частиц через электрофильтр
Коронирующий электрод, как в процессе моделирования, так и при эксперименте, представляет из себя плоскую металлическую пластину толщиной 0,1 см, длиной 19 см и шириной 1 см с иглами, расположенными с одной стороны пластины и имеющими длину 0,7 см и ширину зубца 0,8 см у основания и 0,2 см у острия, при этом расстояние между иглами составляет 5 см.
На рис. 1 для объективного восприятия принципа работы рассматриваемой конструкции электрофильтра и снижения за-громожденности изображения представлено только по одному коронирующему электроду против ЦОЭ.
Частицы, оседающие на участках «В» (рис. 1) электрофильтра, характеризуются значительно большей массой, нежели частицы с массой т1. Процесс осаждения на данных участках характеризуется резким перепадом величины напряженности электрического поля, что также подтверждается результатами экспериментальных исследований.
граница осаждения_4 б
Рис. 2. Картина осевших частиц сажи на ЦОЭ
Частицы сажи, образующиеся при сжигании топлива в печи, находясь в общем дымовом потоке, взаимодействуют друг с другом, создавая агломерации различного размера и массы (т 1... т4), что и приводит к оседанию их на различных этапах (разных ЦОЭ) очистки в фильтре (рис. 1), что также подтверждается результатами моделирования. Частицы с массой т4, в итоге преодолевшие электрофильтр, составляют процент погрешности электрофильтра, в который также включаются частицы, повторно сорвавшиеся со стенок электрофильтра. Масса данных частиц значительно превосходит по значению массу, закладываемую при расчете.
Согласно [8] размеры частиц сажи зависят от типа сжигаемого топлива и могут варьироваться в диапазоне 0,005-10 мкм. Таким образом, зная тип топлива, а также другие параметры котельной, для которой проектируется электрофильтр, варьируя количеством ЦОЭ, коронирующих электродов, активным зазором 5 между ними и величиной прикладываемого к ним напряжения, можно оптимизировать предлагаемую конструкцию фильтра к типу рассматриваемой котельной.
Исходя из данных экспериментальных исследований, заключавшихся в очистке пропускаемого через электрофильтр дымового потока, образованного при сгорании дизельного топлива, нужно отметить нали-
чие частиц сажи осевших на поверхности ЦОЭ обоих типов. На поверхности ЦОЭ 1 прослеживается четко различимая граница осаждения частиц сажи (рис. 2, а), электрод при этом не вращался, а работал в статическом режиме.
На ЦОЭ 2, имеющем гладкую поверхность осаждения, где граница осаждения частиц не столь четко выражена, видны пятна осевших частиц сажи, характерные для цилиндрической области действия напряженности Ет вокруг иглы корониру-ющего электрода (рис. 2, б) [9].
Е_ =■
9 -10"
2,3г I
г + ё
(1)
где г - радиус коронирующего электрода; ё - расстояние между электродами.
Экспериментальная проверка также показала существенное различие в концентрации осевших частиц на поверхности ступенчатого и гладкого ЦОЭ. Как видно из рис. 2, ступенчатый электрод имеет существенно большее количество осевших частиц.
Данный факт характеризуется неравномерным характером распределения напряженности поля вдоль поверхности осаждения, что также подтверждается данными моделирования (рис. 3). Как видно из графика, на интервале 0-0,05 м («краевая зона осаждения») на обоих электродах также
3
наблюдается резкое изменение напряженности поля, что соответствует картине осаждения частиц сажи (рис. 2).
Анализ напряженности электрического поля на расстоянии 1 = 0,5 см от поверхности осадительных электродов со ступенчатой и гладкой поверхностями показал ее значительное различие (рис. 3).
85 1- -1- -1-
80 75 70 65 60 55 50 45 2
/
1
■
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
длина электрода (м)
Рис. 3. Напряженность поля у поверхности ЦОЭ:
1 - гладкий электрод; 2 - ступенчатый электрод
Значение напряженности у поверхности ступенчатого электрода имеет большие показатели, чем у поверхности гладкого электрода. Данный факт охарактеризован наличием радиальных пазов, которые способствуют увеличению значения напряженности ввиду резкого изменения поля. В целом данный перепад составил от 9 до 22% в зависимости от расстояния I = 0,5-10 см до ЦОЭ.
На эффективность очистки помимо формы осадительной поверхности ЦОЭ влияет их количество, величина перекрытия активного просвета электрофильтра [7] и площадь осадительной поверхности.
Е 8т = 2 • п • « • (Преб ■ Гтах ■ ¿реб + «паз ' Гпаз ' Атз ) , (2)
где пе - количество ЦОЭ, преб - количество ребер на ЦОЭ, ппаз - количество пазов на ЦОЭ, Иреб - ширина ребра, Ипаз - ширина паза, гтах - максимальный радиус ЦОЭ, гпаз -радиус паза.
При прохождении через электрофильтр дымового потока часть частиц оседает, просто сталкиваясь с поверхностью электрода, оставшиеся частицы, огибая ЦОЭ, попадают в область действия электростатического поля высокой напряженности, где на частицы помимо основных сил действующих в электрофильтре [10], таких как сила тяги, индукционные силы, сила кулона, начинают
действовать центробежные силы ¥и, усиливаемые при этом электрическим полем. Их возникновение охарактеризовано конструкцией электрофильтра (рис. 4).
| дымовой I поток Рис. 4. Силы в электрофильтре
F = mv2 / R, (3)
где: m - масса частиц сажи; v - скорость движения частиц сажи; R - радиус, по которому происходит облет ЦОЭ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, использование электрофильтра рассмотренной конструкции, характеризующегося применением осадительных электродов цилиндрической формы, позволяет:
• обеспечить постоянный режим подачи напряжения на электроды, что способствует упрощению системы питания электрофильтра;
• отказаться от механизмов встряхивания электродов, это снизит его металлоемкость, габариты и упростит конструкцию;
• реализовать систему автоматической очистки электродов.
Полученные результаты исследований позволят значительно облегчить решение проблем очистки дымовых газов котельных средней и малой мощности, себестоимость очистки выхлопных газов котельных, а также снизить могут быть полезными при разработке устройств очистки, сортировки, озонирования и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Национальный доклад. Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса / Б. Ф. Реутов [и др.] / под ред. Семенова В. Г. М.: АНО «РУСДЕМ-ЭнергоЭффект», 2002. 141 с. [ B. F. Reutov, et al, National report. Heat supply of the Russian Federation. Ways out of the crisis. M.: ANO "RUSDEM-EnergoEffect", 2002. ]
2. Котлы серии КВр "ТехноМашХолдинг» [Электронный ресурс]. URL:
https://tmh.su/upload/iblock/afc/katalog_kotli_kvr_tm.pdf (дата обращения 07.01.2017). [ Boilers series KBR (07, jan. 2017) "TekhnoMashHolding" [Online]. Available: https://tmh.su/upload/iblock/afc/katalog_kotli_kvr_tm.pdf ]
3. Тайлашева Т. С., Красильникова Л. Г., Воронцова Е. С. Оценка вредных выбросов в атмосферу от котельных томской области // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 233. № 4. С. 52-55. [ T. S. Taylasheva, L. G. Krasilnikova, E. S. Vorontsova, "Assessment of harmful emissions into the atmosphere from boiler rooms in the Tomsk region", (in Russian) in Bulletin of Tomsk Polytechnic University, vol. 233. no. 4, pp. 52-55, 2013. ]
4. Электрофильтры ЭГА [Электронный ресурс]. URL: http://www.elektrofiltr.ru/katalog-elektrofiltrov/ega (дата обращения 11.01.2017). [ Electrofilters EHA (11, jan. 2017) [Online]. Available: http://www.elektrofiltr.ru/katalog-elektrofiltrov/ega ]
5. УП «Экотермент-К» Электростатический фильтр воздуха «EF» [Электронный ресурс]. URL: http://www.ecoterment.com/ef_sp.htm (дата обращения 21.01.2017). [ UE "Ekotermen-K" (11, jan. 2017) Electrostatic air filter "EF" [Online]. Available: http://www.ecoterment.com/ef_sp.htm ]
6. Пат № 2608402: Вертикальный трубчатый электрофильтр / Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, М. В. Охотников, В. Е. Вавилов; опубл. 18.01.2017, Бюл. № 2. [ Pat no. 2608402. Vertical tubular electrofilter / F. R. Ismagilov, I. Kh. Khairullin, M. V. Okhotnikov, V. E. Vavilov; Publ. 18.01.2017, Byul. no. 2. ]
7. Трассировка частиц в электрическом поле электрофильтра с цилиндрическими осадительными электродами / Ф. Р. Исмагилов [и др.] // Фундаментальные исследования. 2016. № 7, ч 1. С. 23-28. [ F. R. Ismagilov, et а!, "Tracing of particles in the electric field of an electrostatic precipitator with cylindrical precipitation electrodes", (in Russian), in Fundamental research. no. 7, (part 1). pp. 23-28, 2016. ]
8. Ужов В. Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. М.: Химия, 1967. 343 с. [ V. N. Uzhov, Cleaning of industrial gases by electrostatic precipitators, (in Russian) M.: Chemistry, 1967. ]
9. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. 2. СПб.: НПО «Профессионал», 2006. 916 с. [ A new directory of chemist and technologist. Processes and apparatus of chemical technologies, Part 2. (in Russian) SPb.: NGO "Professional", 2006. ]
10. Тришкин И. Б. Анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отработавших газов частицу сажи // Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинже-нерный университет им. В.П. Горячкина». 2009. № 3. С. 4850. [ I. B. Trishkin, "Analysis of the action of forces in the electro-filter on the soot particles suspended in the exhaust gas stream" (in Russian), in Vestnik of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Moscow State Agrointernal University named after, V. P. Goryachkin. no. 3. pp. 48-50. 2009. ]
ОБ АВТОРАХ
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, проф., зав. каф. электромеханики, дипл. инж-элетромех. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
ХАЙРУЛЛИН Ирек Ханифович, проф. той же каф. Дипл. инж.-элетромех. (Ивановск. энергетич. ин-т, 1963). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УАИ, 1981). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
ОХОТНИКОВ Михаил Валерьевич, доц. каф. электромех. Дипл. инж.-элетромех. (УГАТУ, 2010). Канд. техн. наук по э/мех. комплексам и системам (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
НУСЕНКИС Александр Александрович, асп. каф. электромех. Дипл. инж. э/мех. (УГАТУ, 1985). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
METADATA
Title: Electrostatic filter for flue gas cleaning of small and medium capacity boiler houses. Authors: F. R. Ismagilov1, I. Kh. Khayrullin1, М. V. Okhotnikov1,
А. А. Nusenkis2 Affiliation:
1 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
2 OOO «Kurs», Russia.
Email: 1 [email protected], 2 [email protected] Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 21, no. 3 (77), pp. 66-71, 2017. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: The use of electrostatic filters in large boiler rooms and CHP plants is due to compliance with the sanitary standards for the emission of soot particles into the atmosphere. The use of the same treatment plants in boilers of lower power is not cost-effective, due to several factors, one of which is the considerable dimensions of these treatment plants. To fulfill the condition of compactness, devices for cleaning smoke emissions, it is necessary to design radically new systems, including those operating on the principle of an electrostatic filter. One such installation is a vertical electrostatic filter, considered in this article. Key words: Electrostatic precipitator; Precipitation of particles; A precipitation electrode; Electric field strength. About authors:
ISMAGILOV, Flur Rashitovich, prof. Dept. of Electromechan-ics of USATU. Dipl. engineer. (UAI, 1973). Dr. of Tech. Sci. (UGATU, 1998). HAIRULLIN, Irek Hanifovich, Prof., Dept. of Electromechanics. Dipl. electromechanical engineer (Ivanovo Power Engineering Institute, 1963), Dr. of Tech. Sci. (UAI, 1981). OKHOTNIKOV, Michael Valeryevich, Docent, Dept. of Electromechanics. Dipl. Eng.-Electro mechanic (UGATU, 2010). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2013). NUSENKIS, Alexander Aleksandrovich Postgrad. (PhD) Student, Dept. of electromechanical. Dipl. engineer. (UAI, 1985).
