Balcke Dürr

В ходе поиска наилучших способов повышения эффективности работы электростатических фильтров и особенно путей улучшения удаления мелкодисперсных тведых частиц то и дело приходится сталкиваться с противоречащими друг другу требованиями к некоторым параметрам, оказывающим существенное влияние на протекание физических процессов. Например, оптимальное решение должно учитывать конфликт между физическим воздействием на процесс заряда частиц и физическим воздействием на их осаждение на пластинчатых электродах: для эффективного заряда частиц необходимы сильная ионизация газа (корона) и протекание значительного тока. В то же самое время для осаждения частиц необходимо сильное электрическое поле, для получения которого значительный ток не только не требуется, но даже вреден. Эти различные требования, предъявляемые к управлению процессом заряда частиц и одновременно к управлению процессом их осаждения, мы называем "ЭСФ-конфликтом".
Техническое решение, разработанное фирмой Balcke-Dürr для разрешения этого конфликта, получило название технологии "Bi-Corona®". В основе этой технологии лежит патент (№ DE 196 50585), полученный в 1998 году компанией Walther&Cie, которая была приобретена компанией Apparatebau Rothemühle (в настоящее время - Balcke-Dürr GmbH).
Специальная конструкция коронирующих электродов и согласованная с ними конструкция осадительных электродов дают возможность обеспечить одновременное выполнение различных требований. Решение заключается в разделении каждого электрического поля ЭСФ на несколько зон ионизации и осаждения (Bi-Corona®-принцип). Технология Bi-Corona® фирмы Balcke-Dürr может быть применена как для проектируемых, так и для модернизации существующих ЭСФ.
Достоинства разделенных процессов заряда и осаждения частиц были впервые использованы для очистки комнатного воздуха и реализованы в так называемых "двухступенчатых осадительных фильтрах". Фирма Balcke-Dürr объединила оба процесса в одно целое и разработала технологию, которая используется для промышленной очистки газов.
Основной принцип технологии Bi-Corona® представлен на рис. 1, на котором изображены два осадительных электрода с межэлектродным пространством (каналом). Содержащий твердые частицы газ вначале проходит через зону ионизации 4. В этой зоне имеющие соответствующую форму коронирующие электроды 6 и согласованный высоковольтный источник питания 1 создают мощную корону, обеспечивающую электрический заряд частиц, движущихся в межэлектродном пространстве. Конструкция электродов 7, расположенных в следующей по ходу движения газа зоне осаждения 5, принципиально отличается от конструкции электродов в зоне ионизации. Здесь создается лишь слабая корона и, следовательно, незначительный электрический ветер, способствующий ориентации частиц в электрическом поле, направленном в сторону заземленных 12 осадительных электродных пластин 3. Поскольку все коронирующие электроды высоковольтного поля 11 закреплены в раме 2, то высоковольтное регулирование в основном определяется характеристиками коронирующих электродов в зоне ионизации.

Рис. 1. Принцип технологии Bi-Corona®

Как показала экспериментальная проверка, такая система, в противовес традиционным электростатическим фильтрам, позволяет существенно уменьшить содержание твердых частиц в потоке газа. Это связано с тем, что в отличающейся низкой турбулентностью зоне осаждения значительно сокращается повторный возврат в поток мелкодисперсных частиц, осевших на осадительном электроде.
Компоновка оборудования, учитывающая оптимальное использование основного принципа относительно требований, предъявляемых к различным существующим установкам, показана на рис. 2 и представляет собой ряд, следующих последовательно одно за другим ионизационных и осадительных полей.

Рис. 2. Схема расположения двух полей по технологии Bi-Corona®

Количество и распределение зон ионизации и осаждения можно оптимизировать как функцию размеров фильтра и числа электрических полей.
Еще одна компоновка системы Bi-Corona®, обладающая определенными достоинствами, представляет собой двухканальную конструкцию (рис. 3), в которой межэлектродное пространство разделено на две части (два канала) . Благодаря наличию различных расстояний между пластинами в зонах ионизации и осаждения можно применять более высокие напряжения, чем те, которые используются в одноканальной конструкции, что в свою очередь, также повышает эффективность очистки газа.

Рис. 3. Двухканальная конструкция системы Bi-Corona®

Понятно, что успешная реализация описанного принципа в значительной степени зависит от оптимальной конструкции электродных пар. С целью разработки оптимальной конструкции и установления оптимального сочетания пар электродов фирмой Balcke-Dürr были проведены всесторонние исследования на экспериментальной установке (рис. 4).

Рис. 4. Экспериментальная установка

Экспериментальные данные позволили определить существенные параметры различных коронирующих электродов и провести их сравнение. Наиболее полную информацию о поведении коронирующих электродов в высоковольтном поле дают их вольтамперные характеристики.
Типичные примеры вольтамперных характеристик электродов, исследованных в очищенном от пыли воздухе, приведены на рис. 5, на котором представлены характеристики для шести различных коронирующих электродов, размещенных соответственно в ионизационной и осадительной зонах. Как видно из приведенного рисунка, имеется выраженное различие между красными кривыми (ионизирующие коронирующие электроды) и синими, которые относятся к коронирующим электродам зоны осаждения. В то время как напряжение образования короны на электродах ионизационной зоны, которое можно увидеть сразу при возрастании тока, составляет порядка 10 – 20 кВ, на "синих" электродах оно возникает примерно при 50 кВ. Таким образом, при одновременном использовании как "красных", так и "синих" электродов при одном высоковольтном источнике питания контроль высокого напряжения ориентирован на характеристики "красных" электродов и начинает учитывать "синие" электроды при напряжении около 40 кВ. При напряжениях ниже 40 кВ на "синих" электродах корона не возникает. Совсем иная картина наблюдается при напряженности электрического поля, которая играет важную роль в осаждении частиц. В этом случае она превышает 260 кВ/м – даже когда "синие" электроды находятся под напряжением около 40 кВ, а межэлектродное расстояние составляет, например, 300 мм. Этот рисунок также отражает значительную силу притяжения частиц в потоке электродами.

Рис. 5. Вольтамперные характеристики коронирующих электродов

Все вышесказанное со всей очевидностью иллюстрирует тот факт, что соответствующая компоновка коронирующих электродов в ионизационных и осаждающих зонах положительно сказывается на процессе осаждения частиц в высоковольтном электрическом поле. Это, в свою очередь, дает различные возможности для оптимизации. Например, уменьшение электрических пульсаций ведет, в частности, к увеличению эффективности осаждения мелкодисперсных частиц и снижению их вторичного уноса по сравнению с традиционными фильтрами. В то же самое время уменьшение тока коронного разряда в зонах осаждения ведет к сокращению потребляемой фильтром энергии.
Именно по этой причине после завершения исследований по оптимизации конфигурации электродов технология Bi-Corona® была проверена на опытно-промышленной установке на электростанции Neurath (Германия), работающей на буром угле.

Результаты испытаний опытно-промышленной установки на электростанции Neurath (Германия)
Предсталенная на рис. 6 опытно-промышленная установка предназначена для сравнения технологии Bi-Corona® с традиционно оптимизированными ЭСФ. Установка состоит из двух отдельных параллельно расположенных фильтрующих блоков. Поступающий поток запыленного газа перед входом в отдельные блоки разделяется. Перед вытяжным вентилятором отдельные потоки очищенных газов опять объединяются в единый поток. Система Bi-Corona® размещена только в одном из двух блоков. Второй традиционного исполнения фильтрующий блок оснащен собственным высоковольтным источником питания.

Рис. 6. Опытно-промышленный ЭСФ на стадии окончательной сборки

Результаты замеров концентрации частиц как на входе в фильтрующие блоки, так и на их выходе, тщательно продуманное приборное оснащение с соответствующей системой дистанционного управления позволили сделать сравнительные выводы об эффективности технологии Bi-Corona® при различных эксплуатационных режимах работы установки.
Активная длина поля опытно-промышленной установки составляла 3 м. Каждый из двух фильтрующих блоков имел ряд электродов по ширине блока, которая составляла в общей сложности 1,2 м при высоте 2,5 м. Номинальная производительность вытяжного дымососа - 20 000 м3/час.

Рис. 7. Опытно-промышленный ЭСФ на электростанции Neurath (Гемания)

В течение нескольких недель, в которые производились замеры, на электростанции сжигался обычный рядовой уголь. На рис. 8 представлены результаты гравиметрических измерений концентрации частиц в потоке в зависимости от начальной запыленности газа на входе в фильтры. Концентрация твердых частиц в очищенном газе на выходе из фильтра, оснащенного по технологии Bi-Corona®, по сравнению с фильтром традиционного исполнения была в среднем почти на 40 % ниже.

Рис. 8. Сравнение степени очистки дымовых газов

Теоретические выкладки были полностью подтверждены результатами анализа, выполненного одновременно при помощи аэрозольного спектрометра Welas 2100. Представленный на рис. 9 сравнительный фракционный состав частиц наглядно демонстрирует превосходство технологии Bi-Corona® в осаждении мелкодисперсных частиц и, в частности, частиц размером менее 2,5 мкм, особенно вредных для здоровья человека. Эти диаграммы показывают существенные различия между традиционным фильтром и фильтром, в котором реализована технология Bi-Corona®, при этом сравнение проводилось по фракционному составу частиц, начальная концентрация которых в неочищенном газе была одинакова. В среднем эффективность работы фильтрующего блока, выполненного по технологии Bi-Corona®, почти на 75 % выше эффективности работы традиционного ЭСФ.

Рис. 9. Сравнение фракционного состава частиц

Оптимизация движения потоков газа и обеспечение однородности распределения частиц
Одно из основных требований для оптимальной работы электростатического фильтра, является равномерное распределение потока дымовых газов по поперечному сечению фильтра и твердых частиц по сечению потока. Большое значение имеет также форма и конструкция дымоходов, которые подбираются индивидуально, при этом особое внимание приходится уделять оптимизации движения потока газа во входном диффузоре и в выходном конфузоре фильтра. Только при равномерном распределении потока дымовых газов по поперечному сечению фильтра обеспечивается его эффективная работа. В противном случае некоторые зоны фильтра практически перестают участвовать в процессе осаждения, при этом остальные оказываются под повышенной нагрузкой. Более того, различные вспомогательные устройства, имеющиеся в подводящих газоходах, могут привести к локальному повышению концентрации частиц, что негативно сказывается на работе фильтра. Проведенные испытания показали, что неудачная конструкция распределительных решеток и направляющих лопаток может привести к тому, что почти 30 % объема фильтра не будет использоваться оптимальным образом.
При помощи современных вычислительных методов, позволяющих моделировать аэродинамику потока (CFD-анализ), можно рассчитать профили скорости потока газа и концентрацию твердых частиц в нем и, используя полученные данные, оптимизировать движение этого потока как при разработке новых ЭСФ, так и при модернизации уже существующих фильтров. Таким образом, правильная организация аэродинамики газоходов и распределительных решеток в диффузоре и конфузоре ЭСФ приводит к существенному повышению эффективности работы фильтров. Пример такой оптимизации представлен на рис. 10. До оптимизации в фильтре второй ступени очистки скорости потока газа в его центре превышали 3 м/с, следствием чего являлся значительный унос пылевых частиц из фильтра. Оптимизация конструкции распределительных решеток с учетом данных CFD-анализа позволила выровнять распределение скорости по сечению и значительно повысить эффективность осаждения.

Рис. 10. Оптимизация потока с использованием CFD-анализа

Технология DELTA WING®
Для эффективного выравнивания локальных неравномерностей концентрации частиц в потоке фирма Balcke-Dürr разработала технологию DELTA WING®, заключающуюся в том, что специальные поворотные пластины различной формы располагаются в газоходе, обеспечивая равномерное перемешивание потока газа при пренебрежимо малых потерях давления, что и приводит к выравниванию концентрации частиц во всем объеме.
Кроме того, технология DELTA WING® может улучшить распределение потока газа на входе в электростатический фильтр, что позитивно сказывается на его работе в целом.

Рис. 11. Принципиальная схема технологии DELTA WING®

Указанная технология статического смешивания, эффективность которой многократно подтверждена в течение многих лет ее успешной эксплуатации, представляет собой недорогой и хорошо зарекомендовавший себя метод повышения эффективности работы фильтров, в том числе находящихся в эксплуатации. Принципиальная схема и стенд для моделирования потока газа приведены на рис. 11 и 12.

Рис. 12. Стенд для моделирования потока газа по технологии DELTA WING®