Лев Новиков, Николай Инюшкин, Валерий Шамриков,
Государственное унитарное предприятие "УНИХИМ с ОЗ"
Константин Новиков, Анатолий Ермаков

    Возрастающие требования к экологии с одновременным ужесточением норм предельных допустимых пылевых выбросов с газами промышленных предприятий, в том числе и металлургических, подчеркивают и экономическую целесообразность снижения стоимости систем очистки. Основная доля затрат приходится на более сложные в изготовлении и поэтому дорогие аппараты очистки газа от мелких частиц. Крупные частицы достаточно эффективно улавливаются в компактных, простых в изготовлении и, значит, недорогих аппаратах – циклонах. Поэтому создание простых в изготовлении, эффективных аппаратов тонкой очистки является актуальной задачей и очень непростой в решении глобальной экономической проблемой.
    Среди методов тонкой очистки электрический является наиболее эффективным, а электрофильтры – наиболее универсальными с полностью автоматизированным процессом очистки. Однако электрофильтрам присущи существенные недостатки:
    – они работают эффективно только на низких скоростях газа (0,5 – 1 м/с), что обусловило их большие габариты и, соответственно, металлоемкость;
    – ввиду сложности конструкции они изготавливаются на специализированных предприятиях;
    – требуются большие затраты на изготовление, наладку и техническое обслуживание;
    – плохо улавливаются частицы с низким и высоким удельным электрическим сопротивлением (УЭС);
    – требуется повысительно-выпрямительный агрегат большой мощности.
    При использовании электрофильтров в системах очистки предприятия вынуждены вместе с большими капитальными затратами выделять для их размещения и большие производственные площади. Системы с электрофильтрами нередко превышают по объему основное производство, которое они обслуживают. Поэтому уже давно предпринимаются попытки создать альтернативный электрофильтру компактный аппарат с использованием в нем эффективных электрических сил.
    В системах очистки газов давно применяется блок аппаратов "циклон – электрофильтр". Аппараты этого блока успешно дополняют друг друга, однако здесь тоже присутствует громоздкий электрофильтр.
    Исследователи давно пришли к выводу, что применение сильных электрических полей в аппаратах механической очистки газов может значительно увеличить эффективность их работы. Поэтому представилось целесообразным разработать компактный комбинированный аппарат с одновременным воздействием в нем на частицы центробежных и электрических сил – электроциклон. За основу этого аппарата принимается компактный центробежный уловитель – циклон, внутри которого коаксиально размещается коронирующий электрод. В таком аппарате благоприятно сочетается однонаправленное воздействие центробежных и электрических сил на взвешенные частицы. При этом частицы продвигаются в радиальном направлении к стенке корпуса, одновременно являющимся и осадительным электродом аппарата.
    Теоретический анализ изменения диаметра частиц, улавливаемых на 50 % в центробежном аппарате с наложением электрического поля (электроциклоне) и без него (циклоне), свидетельствует, что с наложением электрических сил происходит значительное повышение эффективности аппарата за счет улавливания более мелких частиц.
    Анализ физических процессов улавливания частиц в электроциклоне привел к следующим обнадеживающим выводам. Благодаря высоким окружным скоростям газового потока в нем значительно уменьшается вероятность возникновения явления "обратной короны", в результате чего "гасится" коронный разряд при улавливании частиц пыли с высоким УЭС и опасность "запирания" короны для частиц с низким УЭС. Естественное расположение корпуса – осадительного электрода аппарата по концентрической окружности создает положительный эффект как бы движения осадительного электрода навстречу движущимся к нему частицам. Это способствует ускорению контакта частиц с осадительным электродом и интенсифицирует процесс их улавливания.
    Попытки создания эффективного и надежного в работе высокопроизводительного электроциклона предпринимаются уже в течение нескольких десятилетий. В результате у нас и за рубежом разработано несколько его конструкций. Обладая большими положительными качествами при комплексном осаждении частиц, до сих пор разработанные электроциклоны так и не смогли составить серьезную альтернативу электрофильтрам. Для выяснения этой причины была проведена патентно-литературная проработка существующих конструкций.
    Все электроциклоны были классифицированы по двум направлениям, основанным на известных принципах движения газа в их циклонной основе – противоточном и прямоточном. Как оказалось, в количественном отношении здесь значительно преобладают противоточные аппараты.
    Анализ зарубежных и отечественных конструкций электроциклонов применительно к обоим их направлениям позволил выявить в них следующие основные недостатки:
    – сложность конструкций с практически невыполнимым условием жесткого закрепления коронирующих электродов в кольцевом пространстве между выхлопной трубой и корпусом противоточного аппарата во вращающемся с большой окружной скоростью потоке газа;
    – сложность в изготовлении узла электроизоляции выхлопной трубы, используемой в качестве коронирующего электрода, увеличивающаяся соответственно с диаметром противоточного аппарата;
    – сложность регенерации выхлопной трубы противоточного аппарата, используемой в качестве осадительного электрода с расположенным коаксиально внутри коронирующим электродом;
    – отсутствие практической возможности создания эффективного противоточного аппарата с диаметром выхлопной трубы более 300 мм, используемой в качестве осадительного электрода;
    – невозможность создания эффективного прямоточного аппарата на основе существующих конструкций прямоточных циклонов.
    Сравнительный анализ конструкций и происходящих физических процессов в электроциклонах обоих направлений показал существенные преимущества прямоточного направления:
    – требуется только один стандартный опорно-проходной изолятор коаксиально на крышке корпуса аппарата;
    – проще осуществляется жесткое крепление коронирующего электрода в корпусе аппарата;
    – отсутствие противотока газа внутри корпуса исключает захват, особенно мелких, частиц восходящим потоком и вынос их из аппарата;
    – до подхода потока газа к коронирующему электроду крупные частицы под действием центробежной силы успевают отойти ближе к стенке корпуса. В межэлектродном пространстве ближе к коронирующему электроду остаются наиболее мелкие частицы. По мере продвижения потока вниз происходит уменьшение их концентрации как в радиальном, так и в осевом направлении вплоть до вывода в выхлопную трубу, так как мелкие частицы эффективнее заряжаются и перемещаются к стенке корпуса – осадительного электрода за счет сил электрического поля;
    – к моменту окончания воздействия электрических сил поток газа оказывается уже очищенным от частиц и поэтому устранен вынос их в выхлопную трубу.
    Анализ происходящих физических процессов в большинстве зарубежных и отечественных прямоточных центробежных и центробежно-электрических аппаратов показал, что низкая эффективность прямоточных электроциклонов в значительной мере обусловлена низкой эффективностью принятых за их основу прямоточных циклонов и несовершенством коронирующих электродов. Первое тесно связано с неупорядоченностью движения потока газа в них из-за существенных конструктивных недоработок, что и привело к ограниченному применению этих аппаратов в промышленности.
    Для создания надежного в работе, эффективного и высокопроизводительного по газу электроциклона необходимо было прежде всего разработать прямоточный циклон с упорядоченным потоком газа и снабдить его электродом с эффективными коронирующими элементами, создающими минимальное сопротивление вращающемуся потоку.

ГРУППОВОЙ ЭЛЕКТРОЦИКЛОТРОН типа ЭНВГК

    Упорядоченность движения потока газа внутри корпуса прямоточного циклона была осуществлена путем оснащения его соответствующим бункером и выводом выхлопной трубы из корпуса коаксиально в бункер и из него наружу. Проведены модельные испытания его основных узлов. В результате был разработан эффективный прямоточный циклон типа НВГК (нижний вывод очищенного газа, коническая форма корпуса). Сравнительные испытания с циклоном НИИОГАЗ типа ЦН-15 показали преимущество циклона НВГК (основы электроциклона ЭНВГК) в эффективности пылеулавливания даже при меньшем гидравлическом сопротивлении.
    Разработанный на основе прямоточного циклона НВГК электроциклон типа ЭНВГК вобрал в себя все достоинства компактного прямоточного центробежно-электрического аппарата. В результате модельных испытаний был разработан коронирующий электрод в виде коаксиального обтекателя потока с фиксированными коронирующими точками в виде игл на его наружной боковой поверхности. Длительные модельные и промышленные испытания показали высокую эффективность электроциклона ЭНВГК при условной скорости газа в аппарате до 4,5 м/с. Результаты испытаний электроциклона ЭНВГК на разных пылях подтвердили теоретические предпосылки по эффективному улавливанию частиц с любым значением удельного электрического сопротивления.
    Электроциклоны ЭНВГ имеют существенные преимущества по сравнению с электрофильтрами:
    – меньшие габариты – в 4,6 раза в плане и в 1,5 раза по высоте;
    – эффективно улавливают частицы с любым УЭС;
    – меньшую в 2 – 3 раза металлоемкость;
    – более простую конструкцию, что позволяет изготавливать электроциклоны практически на любой механической базе;
    – требуется меньший по мощности источник питания.
    Сравнительные промышленные испытания электроциклона ЭНВГ (вынужденно укороченного на 30 % для привязки его разгрузочного узла к существующей системе затаривания продукта) и стандартного пластинчатого электрофильтра по улавливанию пыли феррита бария (УЭС=10¹¹ Ом.м) с медианным размером частиц 1,5 мкм от вибромельницы на Первоуральском хромпиковом заводе показали следующее: в пластинчатом электрофильтре степень улавливания пыли составила в среднем 50 %, а даже в укороченном электроциклоне – 92,5 %.
    С учетом стоимости изготовления, монтажа, наладки, технического обслуживания и эффективности улавливания всех пылей экономический эффект от установки в системах очистки электроциклонов ЭНВГ по сравнению с электрофильтрами получается как минимум в 3 раза выше.
    Длительные модельные и промышленные испытания электроциклонов ЭНВГ по улавливанию сухой и не склонной к налипанию пыли показали их стабильную и эффективную работу без встряхивающих устройств.