Τεχνολογία Επεξεργασίας Αερίων Αποβλήτων Ηλεκτροστατικά Φίλτρα (Η/Φ) Άνθιμος Ξενίδης Δρ. Μηχανικός Μεταλλείων - Μεταλλουργός

Γενικά Στοιχεία – Αρχή λειτουργίας Χρήση του ηλεκτρισμού για την απομάκρυνση Στερεών σωματιδίων Σκόνης Αχνών As, Se κλπ. Υγρών σωματιδίων Σταγόνων H2O Σταγόνων H2SO4 Σταγόνων πίσσας κλπ

Γενικά Στοιχεία – Αρχή λειτουργίας Λειτουργία Τα φορτωμένα με σωματίδια αέρια διέρχονται μέσα από ηλεκτρικό πεδίο υψηλής τάσης που προκαλεί ιονισμό των αερίων Τα ιονισμένα αέρια συγκρούονται με τα σωματίδια φορτίζοντάς τα Τα ιονισμένα σωματίδια έλκονται προς τα ηλεκτρόδια

Αρχή λειτουργίας - Θεωρία Ένα αέριο μπορεί να ιονιστεί (Διάσπαση του σε ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα) υπό την επίδραση Ισχυρής θέρμανσης Ακτίνων Χ Εκπομπών ραδιενέργειας Κοσμικών ακτίνων Βομβαρδισμών των μορίων του από ηλεκτρόνια ή ιόντα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, κλπ. Λόγω της επίδρασης τουλάχιστον των κοσμικών ακτίνων και ραδιενεργών εκπομπών, ένα αέριο περιέχει πάντοτε έναν αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και ιόντων

Αρχή λειτουργίας - Θεωρία Όταν το ρεύμα αερίου βρεθεί σε ηλεκτροστατικό πεδίο Τα ελεύθερα φορτία (ηλεκτρόνια και ιόντα) κινούνται προς τους αντίστοιχους πόλους (Ηλεκτρόδια) Παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα Ι : ένταση ρεύματος S : διατομή αγωγού ve : ταχύτητα των ηλεκτρονίων e : φορτίο του ηλεκτρονίου

Αρχή λειτουργίας - Τεχνολογία Σε ανομοιογενές πεδίο Η Ένταση πεδίου είναι μεγαλύτερη γύρω από το κέντρο, όπου Όταν V αυξάνει, η ταχύτητα είναι μεγάλη και γίνονται οι συγκρούσεις και ο ιονισμός Μακριά από το κέντρο, η ταχύτητα δεν είναι μεγάλη και δεν γίνεται ιονισμός Η περιοχή γύρω από το κέντρο λέγεται στεφάνη ιονισμού (corona discharge)

Αρχή λειτουργίας - Θεωρία Αν η τάση αυξηθεί ακόμα περισσότερο Αυξάνει πολύ ο αριθμός των φορτίων Η στεφάνη σχηματίζεται σε όλο το άνοιγμα μεταξύ των ηλεκτροδίων (πλήρης ιονισμός (breakdown) Η στεφάνη ιονισμού ονομάζεται και μερικό σπάσιμο (partial breakdown) Σχηματίζεται μόνο σε ανομοιογενές πεδίο Τα Η/Φ έχουν το ένα ηλεκτρόδιο (ηλεκτρόδιο εκπομπής) σε μορφή σύρματος ανηρτημένου μεταξύ πλακών (ηλεκτρόδια συλλογής)

Τύποι ηλεκτροδίων Η/Φ

Τεχνολογία Τμήματα Η/Φ Χαρακτηριστικά λειτουργίας Ηλεκτρόδια εκπομπής (αρνητικά ηλεκτρόδια ή κάθοδοι: Σύρματα) Ηλεκτρόδια συλλογής (θετικά ηλεκτρόδια ή άνοδοι: Πλάκες) Μετασχηματιστής (Μ/Σ) με τάση εξόδου στα 50.000-100.000 V Ανορθωτής Σύστημα περιοδικής δόνησης ή κρούσης πλακών συλλογής (ξηρού τύπου) ή έκπλυσης (υγρού τύπου) Χαρακτηριστικά λειτουργίας Vg : μικρή (0,5-0,6 m/s) Παρουσία εκρηκτικών ουσιών (στερεών, υγρών, αερίων): επικίνδυνη (εκρήξεις) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υψηλές θερμοκρασίες (450 – 500οC) Μπορεί να επηρεάσουν την αντίσταση του στρώματος σωματιδίων επάνω στο Η/Δ συλλογής

Χαρακτηριστικά σκόνης Ειδική αντίσταση σκόνης ρ < 104 Ohm.cm Καλή αγωγιμότητα (ραγωγού  10-3 Ohm.cm, ρημιαγωγού  10-2 - 10-9 Ohm.cm, ρμονωτή > 109 Ohm.cm) Ο κόκκος αποφορτίζεται μόλις ακουμπήσει στο Η/Δ συλλογής και ξαναφορτίζεται από το Η/Δ συλλογής και απωθείται ρ = 104 έως 1011 Ohm.cm Το Η/Φ έχει καλή απόδοση Ο κόκκος αποφορτίζεται ομοιόμορφα καθώς νέοι κόκκοι φτάνου στο Η/Δ συλλογής ρ > 1011 Ohm.cm Μεγάλη αντίσταση – Αργή αποφόρτιση σκόνης Μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ σκόνης και Η/Δ Δημιουργία στεφάνης ιονισμού στο στρώμα σκόνης (πίσω στεφάνη ιονισμού) Εκπέμπονται θετικά ιόντα από το Η/Δ που κινούνται προς το Η/Δ εκπομπής και εξουδετερώνουν το φορτίο των κόκκων Μείωση απόδοσης, Αύξηση της έντασης του ρεύματος στο Η/Φ

Χαρακτηριστικά σκόνης

Γενικό διάγραμμα Η/Φ

Γενικό διάγραμμα Η/Φ

Άποψη Η/Φ

Άποψη Η/Φ

Ανάλυση: Υπολογισμός της σχέσης Deutsch Απόδοση Η/Φ: Σχέση του Deutch : Πως προκύπτει ?

Ανάλυση: Υπολογισμός της σχέσης Deutsch

Ανάλυση: Υπολογισμός της σχέσης Deutsch

Ανάλυση: Υπολογισμός της σχέσης Deutsch

Διαστασιολόγηση πλακών Σε ένα Η/Φ Οι πλάκες είναι υψηλότερες σε σχέση με το μήκος τους Τοποθετούνται σε ξεχωριστά τμήματα Στην εξίσωση Deutch πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μόνο η ενεργή επιφάνεια και όχι η ολική Για τμήμα με n πλάκες σε παράλληλη κατά πλάτος διάταξη το αέριο ρέει δια μέσου n-1 αγωγών: Οι n-2 πλάκες είναι ενεργές και από τις 2 πλευρές Oi 2 πλάκες ενεργές μόνο από τη 1 πλευρά. Επομένως συνολικά η ενεργή επιφάνεια είναι (n-1).Ap Για Νs τμήματα στη διεύθυνση ροής λαμβάνεται:

Παράδειγμα 5.1 (α) Υπολογίστε τη συνολική επιφάνεια συλλογής για ένα Η/Φ απόδοσης 98% που επεξεργάζεται 10000 m3/min αέρα. Η πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης είναι 6 m/min. (β) Αν υποτεθεί ότι οι πλάκες έχουν ύψος 6 m και μήκος 3 m και ότι υπάρχουν 2 τμήματα στη διεύθυνση ροής, υπολογίστε τον αριθμό των απαιτούμενων πλακών

Θέματα σχεδιασμού Σχεδιασμός εσωτερικής διαμόρφωσης Σημαντικά στοιχεία Συχνά δεν αναφέρεται στα εγχειρίδια Είναι θέμα περισσότερο τέχνης παρά επιστήμης Σημαντικά στοιχεία Ομοιόμορφη κατανομή ροής αερίου Ομοιόμορφα διαστήματα μεταξύ των πλακών Κατάλληλη διάταξη ηλεκτροδίων «Πιστότητα» πλακών Κλίσεις συλλεκτών Τελικά ο σχεδιασμός βασίζεται περισσότερο στην εμπειρία των εταιριών

Θέματα σχεδιασμού Αριθμός αγωγών Η σχέση αυτή εξυπηρετεί Σχετίζεται με την παροχή του αερίου Γραμμική ταχύτητα του αερίου Γεωμετρία του αγωγού Η σχέση αυτή εξυπηρετεί Για τον υπολογισμό του αριθμού των αγωγών υποθέτοντας μια αρχική τιμή για τα u, D, H Για τον υπολογισμό της ταχύτητας αν είναι γνωστές όλες οι άλλες παράμετροι

Όρια παραμέτρων

Στοιχεία σχεδιασμού Μήκος Η/Φ Συνήθως Αριθμός τμημάτων Ls = 0.5-1.5 m Len, Lex αρκετά μέτρα Lp : 1 – 4 m Ηp : 6 – 12 m HH/Φ : 1,5 – 3 φορές το ύψοςτης πλάκας Αριθμός τμημάτων Μεταξύ 2 – 8 Πρέπει να είναι επαρκής και όχι υπερβολικός Όταν έχουν ορισθεί οι αριθμοί των αγωγών και των τμημάτων, η πραγματική επιφάνεια συλλογής είναι:

Παράδειγμα 5.3 Για ένα φίλτρο απόδοσης 99% που επεξεργάζεται 20.000 m3/min αερίου και για το οποίο απαιτείται μια συνολική επιφάνεια συλλογής ίση με 14.000 m2, υπολογίστε το συνολικό πλάτος, μήκος και ύψους του Η/Φ. Χρησιμοποιείστε τις τυπικές τιμές για το ύψος των πλακών, το πλάτος του καναλιού, την ταχύτητα του αερίου και την αναλογία διαστάσεων. Υποθέστε ότι οι πλάκες είναι διαθέσιμες σε ύψη 6 – 12 μέτρα και έχουν μήκος 3 μέτρων.

Πλάκες και Σύρματα Τύπος και τοποθέτηση πλακών συλλογής: Σημαντικός παράγοντας λειτουργίας και συντήρησης Η/Φ Πλάκες Ελάσματα χάλυβα με νεύρα ενίσχυσης Ευθείς (απολύτως επίπεδες) Ομοιόμορφο διάκενο εντός των 0.5 cm Σύρματα Διαμέτρου 2.5 mm περίπου Κρατούνται τεντωμένα από βαρίδια Τοποθετούνται μέσω οδηγών για να αποφευχθεί η ταλάντωση Θέλουν συντήρηση Διάβρωση κοντά το άνω μέρος λόγω διαρροής αέρα και συμπύκνωσης οξέων Μεγάλα σύρματα: ταλαντώνονται (το μεσαίο τμήμα μπορεί να προσεγγίσει την πλάκα και να προκαλέσει σπινθηρισμούς και φθορά)

Πλάκες και Σύρματα

Απομάκρυνση σκόνης Περιοδική απομάκρυνση (για να λειτουργεί ομαλά) τινάζοντας ή δονώντας τις πλάκες Η σκόνη πέφτει στους συλλεκτήρες και μεταφέρεται μέσω πνευματικών σωλήνων ή κοχλιομεταφορέων σε εγκατάσταση φόρτωσης Τινάζονται και τα σύρματα (συλλέγουν κάποια ποσότητα σκόνης) Αμερικάνικο σύστημα Οι πλάκες δέχονται χτύπημα από ένα καταπίπτον βάρος Η ένταση ρυθμίζεται με ρύθμιση του ύψους πτώσης Ευρωπαϊκό σύστημα Περιστρεφόμενη σφύρα σταθερού μεγέθους

Κατανάλωση ενέργειες Δύο αιτίες κατανάλωσης ενέργειας Ηλεκτρική ενέργεια για την κορόνα (κύρια αιτία) Πτώση πίεσης (μικρή <2 cm στήλης νερού) Ηλεκτρική ενέργεια για την κορόνα Μεγάλες τάσεις, μικρό ρεύμα, μικρή ισχύς

Κατανάλωση ενέργειες Ταχύτητα πλαγιολίσθησης εξαρτάται από την ισχύ στην κορόνα: k σταθερά (0.5-0.7, όταν το we σε ft/sec Pc/A W/ft2) Η πυκνότητα ισχύος Pc/A είναι μια αρκετά σταθερή και αντιπροσωπευτική παράμετρος 1-2 W/ft2)

Κόστος Κόστος : εξαρτάται από την επιφάνεια P: Τιμή αγοράς fob (free on board) σε $ Α: Επιφάνεια πλάκας α, b: σταθερές 10.000 ft2 < A < 50.000 ft2, a = 962, b=0.628 50.000 ft2 < A < 1.000.000 ft2, a=90,6, b=0.843