Конструирование промышленных электрических фильтров и повышение эффективности их работы

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Москвы

«Школа №67»

Конструирование промышленных электрических фильтров и повышение эффективности их работы

Работу выполнила

ученица 8 класса «Г»

Научный руководитель: ,

Москва – 2018

Оглавление

Введение        3

Теоретическая часть        5

I.1. Принцип работы фильтров, используемых в промышленности        5

I.2. Особенности использования разных фильтров        7

I.3. Принципы модернизации электрофильтров        8

Практическая часть        13

Модель электрического фильтра        13

Заключение        15

Литература        16

Введение

В соответствии с медицинскими статистическими данными причиной каждой восьмой смерти в мире является загрязнение воздуха. Эти данные еще более высоки в многомиллионных городах. Основными причинами загрязнения воздуха является как бытовая (прежде всего, автомобили), так и промышленная деятельность человека (работа промышленных предприятий по изготовлению и переработке сырья). Ежегодно в результате промышленной деятельности человека в атмосферу поступает 170 миллионов тонн пыли. Чтобы предотвратить этот процесс, на заводах устанавливаются фильтры, но чем выше эффективность фильтра, тем выше его стоимость, что снижает рентабельность производства. Поэтому большинство заводов, идя по пути наименьших затрат, выбрасывает в атмосферу даже после фильтрации много мелкодисперсной пыли.

В связи со всем вышесказанным явным становится противоречие между необходимостью улучшить качество очищения воздуха на промышленных предприятиях и недостаточной эффективностью существующих методов фильтрации, влекущих за собой еще и серьезные экономические потери.

Необходимость разрешения указанного противоречия подтверждает актуальность проектной работы, целью которой является конструирование электрофильтра, позволяющего наилучшим образом при минимальных экономических затратах осуществлять фильтрацию воздуха в промышленных масштабах.

В соответствии с поставленной целью проекта были определены задачи проектной работы:

1. На основе анализа технической литературы выявить, какие фильтры наиболее часто используются в промышленности, определить принцип работы этих фильтров, сравнить цели и эффективность использования разных фильтров.

2. Рассмотреть принцип работы электрофильтров и особенности их конструирования.

3. Выявить проблемы в использовании электрофильтров и предложить способы решения этих проблем.

4. Рассчитать экономическую эффективность применения предложенного способа фильтрации воздуха

Теоретическая часть

I.1. Принцип работы фильтров, используемых в промышленности

Основными конкурентами в области промышленного фильтрования являются рукавные и электрофильтры.

Рукавные фильтры — широко распространенные и эффективные аппараты пылеулавливания. Фильтрация воздуха или газа в них осуществляется пропусканием запыленной среды через ткань рукава.

Рукавные фильтры нашли широкое применение на пищевых предприятиях, табачных фабриках, предприятиях металлургической, нефтехимической, горнодобывающей, цементной, мукомольной, химической и деревообрабатывающей промышленностях, ферросплавных заводах, при производстве стекла, пластика, технического углерода.

Загрязненный воздух под давлением проходит из внутренней части рукавов наружу. При этом частицы пыли осаждаются в порах ткани, а очищенный воздух выводится наружу установки с помощью выхлопной трубы.

Электрофильтры. История использования электрофильтров. История электрофильтров, начиная с момента когда их запатентовали, насчитывает уже более 100 лет, а сама идея об осаждении взвешенных частиц под воздействием электричества была предложена еще в 1824 году немецкому ученому Гельдфельду. Накопленный за все это время опыт и знания помогают совершенствовать конструкции и технологии, применимые к ним.

Загрязненный воздух, поступающий в электрофильтр, всегда оказывается частично ионизированным за счет различных внешних воздействий, однако эти заряды слишком малы, чтобы обеспечить эффективное осаждение. Электрод, вокруг которого возникает коронный разряд, называется коронирующим электродом, второй электрод – осадительным электродом. Первый электрод представляет собой либо натянутую проволоку, либо металлическую полосу с выштампованными выступами, либо жёсткую трубу с наваренными на нее коронирующими иголками. На эти электроды подается напряжение. 

Второй – специальные поверхности или пластины, окружающие коронирующие электроды, на них осаждается заряженная пыль.

Под воздействием электрического поля ионы двигаются к электродам, который заряжены противоположно. После этого с помощью встряхивательных механизмов пыль отправляется в бункера, где в дальнейшем ее спрессуют или утилизируют.

I.2. Особенности использования разных фильтров

Рассмотрим особенности использования рукавных и электрофильтров в промышленных целях, сравнив их преимущества в достижение той или иной цели. Сравнение представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Преимущества использования рукавных и электрофильтров для достижения определенных промышленных целей

Факторы, влияющие на выбор пылеуловителя	Рукавные фильтры	Электрофильтры
Требуемая остаточная концентрация	При требовании обеспечить?ниже 30 мг/нм3	30 мг/нм3 и более
Электрофизические свойства пыли и параметры очищаемого потока	Не чувствителен к электрофизическим свойствам пыли и входной запыленности.	Не чувствителен к параметрам потока и аварийным режимам (оказывают влияние только на запыленность, но не на работоспособность)
Наличие габаритных ограничений	Для заданной остаточной концентрации РФ занимает меньшую площадь	Для ЭФ не требуются дополнительные объекты инфраструктуры.
Сроки реализации проекта	Как правило, более длинные из-за отсутствия инфраструктуры и необходимости замены дымососа	Как правило, более короткие при размещении в габаритах существующей ячейки
Эксплуатационные затраты	Требуется полная замена рукавов каждые 4-5 лет, что удваивает начальную стоимость.	Затраты примерно в 2.5-3 раза меньше из расчета на срок службы оборудования

На основе приведенного сравнения можно сделать вывод, что электрические фильтры являются экономически более выгодными, при этом для улучшения фильтрации воздуха (т. е. получения на выходе минимальной концентрации пыли), необходима модернизация существующих электрофильтров.

I.3. Принципы модернизации электрофильтров

Для многих производств требуемого уровня остаточной запыленности можно добиться только путем полной замены существующих электрофильтров или путем их глубокой реконструкции.

Посредством установки газоотбойных и газораспределительных экранов изменяется и настраивается газораспределение в аппарате с целью достижения наибольшей равномерности потока газов и увеличения эффективной площади осаждения.

На первом этапе проводится инспекция активной части электрофильтра, составляется ведомость дефектов и программа модернизации, в зависимости от установленных заказчиком целей.

На втором этапе осуществляется устранение выявленных по результатам инспекции дефектов, проводится восстановительный ремонт и монтаж необходимого ключевого внутреннего оборудования электрофильтров.

На третьем этапе реализации программы модернизации осуществляется замена высоковольтной системы и установка системы микропроцессорного управления агрегатами питания электрофильтра, что позволяет согласовать режимы питания электрофильтров с режимом встряхивания для получения дополнительного снижения выбросов.

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

При выходе отчищенного воздуха стоят датчики, которые считывают количество пыли в воздухе. В зависимости от того, на сколько значение отклоняется от нормы, программа либо повышает, либо понижает напряжение с целью экономии энергии.

При повышении система повышает напряжения с определенным шагом. Если нет пробоя, то она увеличивает еще, пока либо не будет пробоя, либо не будет достигнута нужная планка по выбросам.

ЭКОНОМИЯ ДЕНЕГ

В случаях, когда необходимо многократно увеличить производительность или мощность существующего ЭФ, может оказаться, что не обязательно вкладывать деньги в большую новую установку. Ремонт существующего ЭФ в сочетании с параллельной или последовательной установкой нового небольшого фильтра может оказаться как функционально, так и экономически очень выгодным решением.

При добавлении дополнительного небольшого фильтра (20%) значительно улучшается общая выходная запылённость

Пример проекта по модернизации электрофильтров: ТЭЦ-22(Мосэнерго)

Дата ввода в эксплуатацию:

28 декабря 1960 года

Установленная электрическая мощность: 1 070 МВт

Установленная тепловая мощность: 3 276Гкал/ч 

Расположение: г. Дзержинский, Московская область

Электростанция обеспечивает электрической и тепловой энергией юго-восточные районы Москвы, г. Дзержинский и большую часть населенных пунктов Люберецкого района Московской области, а так же снабжает паром Московский нефтеперерабатывающий завод и другие предприятия Люберецкого района.

Это единственная электростанция Мосэнерго, использующая в качестве основного топлива не только газ, но и уголь — его доля в топливном балансе станции превышает 20%.

С 1994 по 1997 год провело замену электрофильтров на блоках № 9, 10 и 11 с обеспечением остаточной запыленности 50 мг/нм3 (при норме из 60х годов 500 мг/нм3).

Отличительной особенностью проекта, являлось сохранение опорного пояса фильтров при замене корпуса, механического и электрического оборудования с установкой новой  микропроцессорной системы управления. Проект является примером того как более современная технология позволяет достичь существенно лучших показателей работы фильтров в исходных габаритах.

Таким образом, можно сказать, что анализ технической литературы позволил выделить электрические фильтры как наиболее перспективные для дальнейшего использования в промышленности, но требующие значительной модернизации. Для формулировки принципов и направлений модернизации будущих электрических фильтров в работе была сконструирована рабочая модель простейшего электрического фильтра, описанию которой посвящена вторая часть работы.

Практическая часть

Основной задачей практической части проектной работы было конструирование и исследование работы макеты электрофильтра.

Для решения этой задачи были проанализированы принципиальные схемы электрофильтра, отобраны необходимые материалы и создана работающая модель электрофильтра.

Модель электрического фильтра

Я собрала рабочую модель электрофильтра. Простейший электрофильтр должен в себя включать два электрода, на которые подается достаточно высокое напряжение. Электроды должны быть помещены внутри замкнутого пространства, чтобы загрязненный воздух не выходил из фильтра до очистки.

Под действием электрического поля частицы пыли, содержащиеся в воздухе, ионизируются и осаждаются на электродах.

В качестве электродов я использовала медную проволоку диаметром 2 мм  и длинной 30 см, установленную перпендикулярно полу и  закрепленную на деревянной подставке. Свободные концы я подвела к клеммам. В моей установке (в отличие от промышленной) форма осадительного и коронирующего электродов одинаковы.

В качестве загрязнителя воздуха я использовала пары глицерина. На нихромовую нить я намотала вату, пропитанную глицерином. Затем с помощью проводов и аккумулятора на 16 вольт  я замкнула цепь. Из-за нагрева нити, глицерин начал испаряться.

Пары глицерина скапливались в стеклянной колбе. В ходе эксперимента можно было наблюдать, что концентрация паров (т. е. загрязнения воздуха) все время увеличивается.

Убедившись, что установка собрана правильно, я включила источник высокого напряжения, медленно повышая напряжение до 25кВ. Воздух в колбе становится вновь прозрачным.

Пары глицерина осадились на электродах (проволоке). Убедиться в осаждении глицерина именно на проволоке можно, проведя чистой ваткой по электродам. Она становится заметно грязной.

Таким образом, можно сделать вывод, что собранный электрофильтр действительно очищает воздух.

Однако в моей установке нельзя было проверить, какова оставшаяся концентрация пыли.

Заключение

Электрофильтры – развивающаяся технология, важная даже для того, кто не связан с промышленностью. Улучшая и совершенствуя технологии, применимые к ним, мы не только удешевляем этот процесс, но и так же из года в год уменьшаем выбросы вредных веществ в атмосферу.

В дальнейшем представленный проект можно развить, в частности и саму установку электрофильтра, добавив встряхивали и систему контроля напряжения и систему контроля концентрации пыли в воздухе. Также хотелось бы усовершенствовать сами электроды, то есть более точнее рассчитать их толщину для наиболее эффективной и малозатратной работы.

Литература

http://www. elektrofiltr. ru/statyi-po-elektrofiltram/rekonstruktsiya-elektrofiltrov http://www. mosenergo. ru/about/present/branch/hpp-22/ https://bibliofond. ru/view. aspx? id=819196