Tài liệu Tiểu luận môn công nghệ xử lý khí thải và tiếng ồn lọc bụi tĩnh điện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bộ môn: Công nghệ xử lý khí thải và chống ồn Đề tài: Lọc bụi tĩnh điện GVHD: Th.S Trần Đức Thảo Nhóm thực hiện: 10 1 MỤC LỤC 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................................... 5 1.1. Khái niệm chung ..................................................................................................................... 5 1.2. Định luật Culông..................................................................................................................... 5 1.3. Điện trường và cường độ điện trường.................................................................................... 7 1.4. Thế điện trường và thế hiệu điện trường ............................................................................... 8 1.5. Dòng điện trong chất khí – Sự ion hóa khí............................................................................ 9 1.6. Quầng sáng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện.......................................................................... 10 1.7. Sự tích điện của các hạt bụi trong thiết bị lọc bụi điện ....................................................... 12 1.8. Sự chuyển động của các hạt bụi được tích điện trong điện trường.................................... 15 1.9. Mức độ thu bụi lý thuyết (hiệu suất thu bụi) ....................................................................... 15 1.10. Các nhân tố ảnh hưởng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện thực tế.......................................... 18 1.10.1. Ảnh hưởng các tính chất của khí cần làm sạch.............................................................. 18 1.10.2. Ảnh hưởng các tính chất của bụi và lớp bụi trên điện cực lắng .................................... 19 1.10.3. Ảnh hưởng hàm lượng bụi ban đầu trong khí ................................................................ 21 1.10.4. Ảnh hưởng các tham số điện của thiết bị ....................................................................... 23 1.10.5. Ảnh hưởng của tốc độ và sự phân bố trong thiết bị đến hiệu suất thu được.................. 24 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN .............................. 24 3. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN.............. 25 4. 5. 3.1. Cấu tạo các đơn nguyên của thiết bị lọc bụi tĩnh điện........................................................... 25 3.2. Nguyên lí làm việc của thiết bị lọc bụi tĩnh điện .................................................................... 28 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ LỌC BỤI ĐIỆN ........................................................................ 29 4.1. Thiết bị lọc bụi kiểu YГ........................................................................................................... 29 4.2. Thiết bị lọc bụi điện ướt kiểu ống trụ một vùng ..................................................................... 30 4.3. Thiết bị lọc bụi điện hai vùng................................................................................................. 32 ỨNG DỤNG, ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM ....................................................................................... 33 5.1. Ứng dụng................................................................................................................................ 33 5.2. Ưu điểm .................................................................................................................................. 33 5.3. Nhược điểm ............................................................................................................................ 33 2 Danh sách các thành viên STT Họ và tên Mã số sinh viên Phân công công việc Tìm tài liệu, Power point, thuyết trình, phần 1: cơ sở lí thuyết. Tìm tài liệu, thuyết trình, phần 2: các yếu tố ảnh hưởng. 1 Trần Thị Ngọc Vàng 2009120102 2 Phạm Thị Tốt 2009120063 3 Phan Ngọc Dũng 2009120090 Tìm tài liệu, hình ảnh, nguyên lí hoạt động. 4 Trương Quang Phúc 2009120005 Tìm tài liệu, thuyết trình, phần 3: ứng dụng và ưu, nhược điểm. 5 Nguyễn Xuân Thuyền 2009120050 Tìm tài liệu, ứng dụng thực tế. 6 Nguyễn Trường Mãi 2009120062 Tìm tài liệu, thuyết trình, power point. 3 LỜI MỞ ĐẦU Khi tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng, số lượng các khu công nghiệp, khu chế suất cũng tăng theo, ngày càng nhiều bệnh tật ảnh hưởng đến sức khỏe con người liên quan đến vấn đề ô nhiễm không khí. Các bệnh về da, mắt, đặc biệt là đường hô hấp. Vì vậy việc xử lý bụi và khí thải trong quá trình sản suất là điều tất yếu phải có trong các khu công nghiệp, nhà máy để bảo vệ môi trường không khí. Công nghiệp ngày càng phát triển đồng nghĩa với lượng bụi thải ra ngày càng nhiều. Vấn đề bảo vệ môi trường sống hiện nay trở thành vấn đề cấp bách của xã hội. Lọc bụi trong công nghiệp là một trong các vấn đề kỹ thuật cần thiết và bắt buộc, nhằm bảo vệ môi trường, điều kiện làm việc cho người lao động và bảo vệ môi trường sống nói chung. Hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như xi măng, luyện kim, khai khoáng… đều phải xử lý bụi trong quá trình sản xuất vì lượng bụi thải ra môi trường không khí là rất lớn. Với đặc thù sản xuất xi măng có nhiều khí bụi, ồn, chất thải phát sinh ở các công đoạn: Lò nung, nghiền than, nghiền xi măng, đóng bao…làm ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường mà trong đó bụi là vấn đề ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Các bước thiết kế và sử dụng hệ thống lọc bụi công nghiệp, cần phải tính đến nhiều yếu tố khi lựa chọn thiết bị lọc bụi cho một đối tượng công nghiệp cụ thể nào đó. Khi lựa chọn các phương pháp và thiết bị để làm sạch khí, ngoài kích thước của bụi phụ thuộc vào điều kiện hình thành của nó, cần tính đến tính chất lý hóa của bụi. Lọc bụi tĩnh điện là thành phần không thể thiếu trong dây truyền sản xuất của các nhà máy xi măng, luyện gan thép, chế biến khoáng sản, bông vải, công nghiệp giấy…bởi hiệu suất thu bụi cao đến 99,9%, thu hồi được bụi có kích thước siêu nhỏ đến 0,01 và không cần đến các thiết bị xử lí sơ bộ nào khác, thiết bị có khả năng tự động hóa và hoạt động độc lập hoàn toàn. 4 THIẾT BỊ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Khái niệm chung Trong thực tế tồn tại hai loại điện tích: dương và âm. Các điện tích cùng dấu đẩy nhau và khác dấu hút nhau. Khi hai vật được điện hóa do ma sát thì cả hai vật đều tích điện, thêm vào đó nếu một vật tích điện dương thì vật kia tích điện âm. Nếu trước khi điện hóa cả hai vật không tích điện thì sau khi điện hóa số lượng điện tích dương của vật thứ nhất bằng số lượng điện tích âm của vật thứ hai. Các diện tích không sinh ra cũng không mất đi, chúng có thể chuyển dịch từ vật này sang vật khác hoặc xáo trộn bên trong vật. Trong bất kì vật trung tính nào đều có các điện tích khác dấu nhau, về số lượng của chúng bằng nhau. Khi hai vật được ma sát, một phần điện tích của vật này được chuyển sang vật kia, khi đó sự cân bằng điện tích âm và dương bị phá vỡ và chúng sẽ tích điện khác nhau. Khi vật được điện hóa, sự phân bố các điện tích sẽ bị phá vỡ và có sự phân bố lại, trong đó có chỗ dư điện tích âm còn chỗ khác lại dư điện tích dương. Nếu tách hai vật đó ra riêng biệt, chúng trở thành các vật tích điện trái dấu. Thực nghiệm cho thấy, điện tích của bất kì vật nào gồm số lượng điện tích nguyên tố bằng 1,6.10-9 Culông. Phần tử nhỏ nhất của điện tích nguyên tố âm là electron khối lượng của nó bằng 9,1.10-31kg. Phần tử bền vững nhỏ nhất của điện tích nguyên tố dương là prôtrôn có khối lượng bằng khối lượng nguyên tử H2 (1,67.10-27kg). Prôtrôn và electron có trong tất cả các nguyên tử và phân tử. 1.2. Định luật Culông Là định luật cơ bản về sự tác dụng tương hỗ về các điện tích, có thể phát biểu: Lực tác dụng của hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích số các giá trị của các diện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Lực này hướng theo đoạn thẳng nối trực tiếp giữa hai điện tích. Định luật Culông có thể biểu thị bằng công thức: F = k1 . (1.1) Trong đó: q1 – trị số hai điện tích điểm tác dụng tương hỗ. 5 r – khoảng cách giữa chúng. k1 – hệ số tỉ lệ ( k1> 0 ). Điện tích điểm các điện tích ở trong các vật bất kỳ, các kích thước của chúng nhỏ so với khoảng cách tác dụng. Culông đã nguyên cứu lực tác dụng tương hỗ giữa các điện tích có trong không khí. Thực nghiệm cho biết k1 – hệ số tỉ lệ công thức (1.1) phụ thuộc vào tính chất môi trường. Ngoài ra hệ số k1 cũng đưa các số tỉ lệ trong công thức biểu tị định luật vật lý phụ thuộc vào đại lượng đo của các đại lượng đo có trong công thức. Vì vậy để thuận tiện, hệ số k1 trong công thức (1.1) được biểu thị bằng tỷ số hai hệ số: k1 = Trong đó: k – hệ số phụ thuộc vào lựa chọn hệ đơn vị đo. – đại lượng không thứ nguyên biểu thị đặc tính điện tích của môi trường gọi là thẩm điện môi tương đối của môi trường, giá trị của nó không phụ thuộc vào đơn vị đo, trong môi trường chân không có giá trị bằng 1. Định luật Culông có thể biểu thị: F = k1 . . (1.2) Trong hệ số đo lường quốc tế hệ số k trong công thức (1.2) đối với định luật Culông có giá trị k= Trong đó: – là hằng số điện. Thay thế giá trị của k vào công thức (1.2) có thể viết định luật Culông dưới dạng công thức: F= . . (1.3) 6 1.3. Điện trường và cường độ điện trường Khoảng không chứa điện tích có các tính chất vật lý xác định, nếu có một điện tích khác được mang vào khoảng không đó nó sẽ chịu một lực tác dụng tĩnh điện theo đinh luật Culông. Trạng thái khoảng không quanh vật tích điện gọi là điện trường. Thực nghiệm cho biết lực tác dụng lên điện tích điểm q nằm trong điện trường, trong các điều kiện khác như nhau thì tỉ lệ với đại lượng q. Vì vậy lực này không đặc trưng cho bản thân điện trường. Để đặc trưng cho điện trường đưa vào một đại lượng vật lý gọi là cường độ điện trường. Lực trong điện trường tác dụng lên một dơn vị dương gọi là cường độ điện trường. Điện tích đơn vị được đặt vào điện trường giả thuyết là điện tích điểm gọi là điện tích điểm thử. Nếu điện trường tác dụng lên điện tích điểm thử q0 một lực F0 thì cường độ điện trường E0 sẽ bằng: = (1.4) Trong hệ đơn vị đo lường quốc tế, đơn vị cường độ điện trường là: = . . = . . = / Giá trị cường độ điện trường là lực tác dụng lên điện tích đơn vị, nhưng lực tác dụng không chỉ được xác định bởi độ lớn mà còn chiều của lực. Vì vậy cường độ điện trường ở điểm nào đó được biểu thị bằng đồ thị vecto theo chiều tác dụng của lực xuất phát từ điểm đó. Để tính cường độ điện trường của điện tích điểm q ở điểm bất kỳ của điện trường A chứa điện tích đó, đặt một điện tích điểm thử q1 (tại điểm A) cách điện tích điểm q một khoảng cách r1 thì lực tác dụng lên diện tích điểm đó là FA bằng (đối với chân không): = . Lấy giá trị lực FA chia cho điện tích điểm thử q1 có giá trị cường độ điện trường tại điểm B: = . 7 Cũng như vậy xác định cường độ điện trường ở điểm B: = . Do đó cường độ điện trường của điện tích điểm đã cho trong điện trường (chân không) thì tỷ lệ với trị số điện tích đó và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa điểm đó với điện tích. 1.4. Thế điện trường và thế hiệu điện trường Lực tác dụng lên bất kì điện tích có trong điện trường khi điện tích đó chuyển dịch từ điểm này sang điểm khác trong điện trường sẽ thực hiện một công xác định. Giá trị của công tỷ lệ với trị số điện tích chuyển dịch không phụ thuộc vào hình dạng đường chuyển dịch mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điểm nằm trong điện trường mà điện tích chuyển dịch. Tỷ số công A với trị số điện tích q1 nghĩa là chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của điện tích chuyển dịch, còn hình dạng và đường chuyển dịch của điện tích không có ý nghĩa. Thế điện trường ở một điểm đã cho là tỷ số giữa công tạo nên do điển tích đường chuyển động từ vô tận đến điểm đã cho của điện trường với trị số điện tích chuyển dịch. Về trị số, thế điện trường bằng công tiêu hao để chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô tận đến điểm đã cho. Nếu kí hiệu thế điện trường là , có được: = Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường gọi là thế hiệu điện trường giữa những điểm đó. Nếu thế điện trường của hai điểm C va D trong điện trường biểu thị là và thì hiệu điện thế giữa những điểm đó kí hiệu là U và bằng: U= − Hiệu điện thế giữa hai điểm của điện trường bằng 1 Vôn khi sự chuyển dịch giữa chúng bằng 1 Culong (điện) và hoàn thành công bằng 1 Jun và Vôn = thể biểu thị Jun qua . Vì vậy có còn Culong qua a.s. 8 Vậy: ô = . . = . = . . Trong điện trường đều, hiệu điện thế và cường độ điện trường có quan hệ với nhau, có thể biểu thị như sau: Trị số cường độ điện trường đều bằng hiệu thế ứng với đơn vị chiều dài dọc theo đường sức của điện trường. Nghĩa là: = − = Trong đó : l – khoảng cách giữa hai điểm của điện trường (theo chiều đường sức). Khi giá trị l nhỏ, tỷ số này cũng gần bằng tỷ số E của điện trường không đều. 1.5. Dòng điện trong chất khí – Sự ion hóa khí. Sự chuyển dịch của các điện tích có hướng gọi là dòng điện. Các vật chất được chia ra: vật dẫn điện và vật không dẫn điện. Ở vật dẫn điện có các điện tích chuyển động tự do, còn ở vật không dẫn điện, không có tính chất trên. Các khí ở điều kiện trung hòa, nghĩa là ở điều kiện bình thường chúng gồm các nguyên tử và phân tử trung hòa, chúng là nguồn ion hóa và trở nên dẫn điện. Nếu khí được ion hóa sẽ tạo thành các ion và âm (electron). Trong khí có thể tạo thành các ion âm vì một số phần tử khí trung hòa kết hợp với các điện tử tự do. Khí được ion hóa dưới ảnh hưởng các tác động bên ngoài khác nhau: nung nóng rất mạnh, tác dụng của tia Renghen, tia bức xạ, tia vũ trụ, do va đập phân tử khí với tốc độ nhanh của electron và ion. Ngay ở điều kiện bình thường, khí chịu tác dụng của tia vũ trụ, tia bức xạ, nên trong khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng ion và điện tử tự do. Quá trình ion hóa dưới tác dụng của các electron và ion chuyển động gọi là sự ion hóa va đập. Nếu trong khí chứa các điện tích tự do (các electron và ion) được đặt giữa hai cực (một mặt là bề mặt vật trụ còn vật kia là dây dẫn đặt giữa) được nối với nguồn điện có hiệu điện thế nhất định và tạo nên một điện trường không đều thì dưới tác dụng của điện trường các điện tích tự do trong khí bắt đầu chuyển dịch theo hướng đường sức của điện trường. Chiều chuyển dịch của mỗi điện tích được xác định bởi dấu của chúng. Các ion và electron chuyển động trong khí tao nên dòng điện. 9 Khi tăng thế hiệu giữa các điện cực ( tăng cường độ điện trường), cường độ điện trường tăng hầu như tỉ lệ với thế hiệu. Tiếp tục tăng thế hiệu, sự tăng cường độ dòng điện chậm lại. Nếu tăng thế hiệu hơn nữa, cường độ dòng điện không tăng là do không thay đổi cường độ ion hóa khí, do vậy số lượng tự do trong khí không đổi. Dòng điện cực đại ứng với cường độ ion hóa đã cho gọi là dòng điện bão hòa. Khi thế hiệu đủ lớn, các điện tích (electron và ion) có trong khí quyển động được tăng tốc mạnh đã gây nên sự va đập các phân tử khí và tiếp tục ion hóa chúng, nghĩa là phá vỡ phần của các electron ngoài biến các phân tử trung hòa thành ion dương, điện tử tự do và trong khí tạo ra quá trình va đập ion. Các ion và electron mới tạo thành sẽ chuyển động và được tăng tốc bởi điện trường đồng thời tiếp tục ion hóa các phân tử khí mới. Số lượng lớn ion và electron tạo thành trong khí dẫn đến làm dòng điện tăng đột biến. Khi điện trường không đều, cường độ điện trường ở trục lớn hơn ngoài biên. Vì cạnh dây dẫn trung tâm có mật độ đường sức dày đặc hơn, nên khi tăng thế hiệu, sự va đập ion xảy ra gần dây dẫn trung tâm là mãnh liệt nhất. Ở vị trí càng xa dây dẫn trung tâm, cường độ điện trường và tốc độ chuyển động của các điện tích không đủ duy trì cho quá trình tạo thành ion mới. Hiện tượng va đập ion cạnh dây dẫn trung tâm gọi là hiện tượng quầng sáng. Khi tăng thế hiệu hơn nữa, số lượng ion giữa các điện cực tăng lên và quầng sáng trở nên xuyên thủng khoảng không chứa electron và dòng điện tiếp tục tăng. Điện tích quầng sáng chỉ phát sinh trong điện trường không đều với điều kiện là hình dạng ở khoảng cách điện cực xác định. Khi điện cực ngoài là một khối trụ rỗng hoặc phiến còn điện cực trung tâm là dây dẫn sẽ tạo nên điện trường giữa hai cực không đều. Gần dây dẫn trung tâm có cường độ điện trường rất lớn nên xảy ra va đập ion. Màu xanh da trời là đặc điểm màu sắc của điện cực quầng sáng cạnh dây dẫn. Ở bề mặt phiến hoặc bề mặt khối trụ rỗng không có sự ion hóa. Điện tích quầng sáng phụ thuộc vào dấu hiệu điện tích trên dây dẫn, có thể có điện tích quầng sáng dương hoặc âm. 1.6. Quầng sáng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện Thực chất của quá trình lọc bụi điện là sự nạp điện ( tích điện) cho các hạt bụi chứa trong khí. Các hạt này sẽ được tách ra khỏi khí dưới tác dụng của điện trường. 10 Quá trình này có thể xảy ra trong các thiết bị điện lọc bụi điện một vùng hoặc hai vùng, trong đó một vùng để tích điện cho hạt bụi – vùng ion hóa khí và vùng lắng bụi. Trong luyện kim chỉ dùng thiết bị lọc bụi điện một vùng. Để tích điện cho các hạt bụi này thì dòng ion được tạo nên bởi quầng sáng trong điện trường không đều gồm hai hệ thống điện cực: dây dẫn ở trung tâm ống trụ rỗng hoặc nhiều dây dẫn đặt giữa hai phiến lọc bụi có quầng sáng bao quanh gọi là điện cực quầng sáng, còn điện cực thứ hai để lắng bụi dưới tác dụng của điện trường gọi là điện cực lắng ( bề mặt trụ hoặc phiến). Điện tích quần sáng chỉ phát sinh ở cường độ điện trường xác định. Điều kiện đó phụ thuộc vào hình dạng, vị trí điện cực, thành phần, áp suất, nhiệt độ khí. Tăng áp suất trong thiết bị lọc có thể cho phép thiết bị lọc làm việc với cường độ điện trường cao. Tăng nhiệt độ khí cho kết quả ngược lại. Cường độ điện trường tối ưu (giá trị cường độ điện trường phát sinh trong nguồn sáng) đôi khi được gọi là cường độ cháy quầng sáng và tính theo công thức Pich: = 3,04 + 0,0311 10 , V/m (1.5) Trong đó: β – tỷ số khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc và điều kiện tiêu chuẩn. = , ± . B – áp suất khí quyển, N/m2. pK – áp suất âm hoặc áp suất dư của khí N/m2 ( nếu áp suất âm ứng với dấu – còn áp suất dư ứng với dấu +). t – nhiệt độ của khí, oC. r – bán kính điện cực quầng sáng, m. Tỷ số đường kính điện cực quầng sáng và điện cực lắng ảnh hưởng rỏ rệt đến trị số cường độ cháy quần sáng. Để đảm bảo có quầng sáng thì tỷ số đó phải > 10. Khi tỷ 11 số đó có giá trị nhỏ hơn xảy ra tia lửa thường xuyên thủng không có giai đoạn tạo điện tích quầng sáng. 1.7. Sự tích điện của các hạt bụi trong thiết bị lọc bụi điện Vùng cạnh điện cực quầng sáng xảy ra sự va đập ion gọi là quầng sáng. Vùng nằm giữa quầng sáng và điện cực lắng gọi là vùng ngoài chiếm phần chủ yếu không gian chứa các điện cực. Khi điện tích quầng sáng âm ( thường sử dụng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện) các ion dương tạo thành sẽ trung hòa điện ở điện cực quầng sáng. Dưới tác dụng của điện trường các ion tích điện âm và điện tử tự do (electron) sẽ chuyển dịch ra vùng ngoài và chuyển động đến điện cực lắng. Các ion điện tích âm trao điện tích sẵn có cho các điện cực đó và các hạt bụi bám dính trên điện cực lắng (dấu của điện tích trên hạt bụi cũng là dấu ion được trao, nghĩa là dấu âm). Tuy nhiên một số không lớn các hạt bụi trong quầng sáng tích điện dương ( trước khi vào thiết bị lọc bụi điện) thì chúng được hút vào điện cực quầng sáng ( điện cực âm) và lắng trên đó. Sự tích điện cho các hạt bụi trong thiết bị lọc là do có phần sự bắn phá ion dưới tác dụng của điện trường. Ngoài ra các ion tiếp xúc được với các hạt bụi còn do sự chuyển động nhiệt các phân tử. Hình 1. Sơ đồ tích điện cho các hạt bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện 12 Mặc dầu cả hai cơ chế tích điện có tác dụng đồng thời nhưng tích điện do bắn phá ion là chủ yếu đối với các hạt bụi có kích thước > 1µm còn chuyển động nhiệt làm cho các ion tiếp xúc với các hạt bụi và xảy ra quá trình với hạt bụi có kích thước < 1µm. Theo mức tăng điện tích của các hạt bụi đối với ion tích điện cùng dấu, khi ở cùng nhau, lực đẩy tăng lên, nếu các hạt chứa bụi đạt trị số điện tích tới hạn, quá trình tích điện của hạt ngừng lại. Với hạt bụi kích thước lớn hơn 1µm, điện tích tới hạn của chúng tỷ lệ với cường độ điện trường và bình phương bán kính của hạt bụi. Trị số điện tích tới hạn được tính theo công thức: . = = 0,19. 10 . (1.6) Trong đó: n – số điện tích nguyên tố. e – trị số điện tích nguyên tố (1,6.10 ). r – bán kính của hạt bụi, m. E – cường độ điện trường, V/m. Công thức (1.6) đúng với thẩm điện môi của hạt bụi = 2,5 ( thẩm điện môi của một số chất với khí có = 1, thạch anh và lưu huỳnh = 4, oxit kim loại = 12÷ 18; kim loại = ∞). Khi trị số / , Trong đó: ≠ 2,5, thí dụ: = 1 + 2 = m thì thừa nhận trị số ℎ = 2,5; = 1 + 2 , . tỷ lệ thuận với tỷ số: = 1,66 Điện tích tới hạn của hạt bụi có kích thước ( đường kính) < 1µm xác định chủ yếu bởi sự chuyển động nhiệt của các ion có thể tính gần đúng theo công thức: . = . = 2. 10 . (1.7) Ứng dụng các công thức (1.6), (1.7) có thể tính số lượng điện tích nguyên tố tới hạn ( e = 1,6.10-9c) mà các hạt bụi nhận được do sự bắn phá ion và sự chuyển động nhiệt của các ion. 13 Từ công thức (1.7) cho thấy, điện tích tới hạn của hạt bụi nhận được do chuyển động nhiệt của các ion tỷ lệ với bán kính hạt bụi mà không phụ thuộc vào cường độ điện trường. Qua bảng 1 cho thấy, các hạt bụi có kích thước < 0,5µm sự tích điện dưới tác dụng của khuếch tán nhiệt có ưu thế hơn dưới tác dụng của bắn phá ion. Bảng 1. Trị số tới hạn các điện tích nguyên tố của các hạt bụi trong điện trường chứa ion cùng dấu Đường kính hạt bụi Hằng số thẩm điện môi µm 0,2 1,0 10,0 D 1 4 ∞ 1 4 ∞ 1 4 ∞ 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Số lượng điện tích hạt bụi nhận được Dưới Dưới tác dụng của bắn phá ion tác dụng khuếch = 15. 10 = 30. 10 tán nhiệt 4 8 8 16 38 13 26 105 210 210 420 207 314 628 10500 21000 21000 42000 2100 31400 63000 Bảng 2. Cường độ tích điện của hạt bụi dưới tác dụng của bắn phá ion Thời gian tích điện % điện tích tới hạn 10-3 10-2 10-1 1 13,8 61,0 94,0 99,5 Từ bảng 2 ta có thể thấy rõ, qua 1/10s hạt bụi đã nhận được 94% điện tích tới hạn. 14 1.8. Sự chuyển động của các hạt bụi được tích điện trong điện trường Dấu điện tích trên các hạt cũng chính là dấu điện tích của các ion trao cho nó. Vì vậy khi các hạt bụi chứa điện tích ở giữa khoảng không của hai điện cực, dưới tác dụng củ điện trường, chúng sẽ chuyển động theo chiều như chiều chuyển động của các ion, nghĩa là từ điện cực quầng sáng đến điện cực lắng. 1.9. Mức độ thu bụi lý thuyết (hiệu suất thu bụi) Mức độ thu bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện tính theo công thức: − = Hoặc khi cân bằng: V1 = V2 = 1− (1.8) Hàm lượng bụi trong khí đi vào và ra khỏi thiết bị ( z1, z2) được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau sau đó xác định được . Xác định mức độ thu bụi lý thuyết trong thiết bị lọc bụi điện xuất phát từ những điều kiện giản ước sau:  Các hạt bụi được phân bố đều theo tiết diện ngang thiết bị.  Các hạt bụi lắng trên điện cực lắng không bị tách ra và không bị dòng khí cuốn theo.  Không tính đến ảnh hưởng của gió điện.  Các hạt bụi chuyển động về điện cực lắng với tốc độ = và tốc độ khí = . Với thiết bị thu bụi kiểu phiến thì xác định công thức tính mức độ thu bụi gồm các bước sau: Gọi g là khối lượng bụi chứa trong khoảng không giữa các điện cực với chiều dài dx và ở vị trí cách xa chỗ khí vào thiết bị một khoảng cách x. Vậy: g = zxb.2d.dx (1.9) Trong đó : zx - hàm lượng bụi (g/m3) theo tiết diện thiết bị với diện tích: b.2d ở cách chỗ khí vào một khoảng x. b - chiều cao điện cực lắng. d – khoảng cách giữa điện cực lắng và điện cực quầng sáng. 15 Lượng bụi dg được lắng từ thể tích đã cho trên bề mặt điện cực lắng ( df=2b.dx) trong thời gian d bằng: dg = zx 2b.dx. . (1.10) Dấu (-) cho biết hàm lượng bụi trong khí có trong điện trường bị giảm. Lấy công thức (1.9) chia cho công thức (1.8) và rút gọn, ta được: = (1.11) Thừa nhận hàm lượng bụi của khí vào thiết bị là z1, vậy có thể viết : = − (1.12) Trong đó : − thời gian tương ứng với hàm lượng bị giảm từ z1 đến zx khi dòng chuyển dịch với khoảng cách x. Sau khi tích phân ta có được: = − . Hàm lượng bụi theo công thức trên sẽ là: = Vì khí chuyển động qua điện trường có chiều dài L trong thời gian , ( do vậy hàm lượng bụi có trong khí ra khỏi thiết bị z2 theo công thức bằng: = = ) (1.13) Áp dụng công thức (1.8) và (1.13) ta có: Trong đó : = 1− = 1− . = 1− (1.14) - tốc độ chuyển động của hạt bụi chứa điện tích về phía điện cực lắng, m/s. L - chiều dài hữu ích ( của điện trường) trong thiết bị lọc điện, m. 16 k – tốc độ dòng khí qua thiết bị lọc, m/s. d - khoảng cách giữa điện cực lắng và điện cực quầng sáng, m. Với thiết bị lọc bụi tĩnh điện dạng ống trụ, công thức (1.14) có dạng: = 1− (1.15) Trong đó : R - bán kính ống lắng. Nếu biểu thị a, b là kích thước tiết diện ngang thu bụi kiểu phiến có chiều dài thẳng góc với dòng khí vào thiết bị và V- thể tích khí cần làm sạch trong thiết bị (m3/s) thì : = = .2 Trong đó : n - số kênh tiết diện hữu ích thiết bị tạo nên bởi các điện cực lắng. Thay giá trị Trong đó : vào số mũ của công thức (1.14), ta xác định được: = = . .2 = = ề ặ đ ệ ự ắ ư ượ Từ công thức (1.14) ta có được: í ụ , ế ị, / = 1− (1.16) Đại lượng f là bề mặt lắng riêng của thiết bị lọc ứng với lượng khí cần lọc đã cho trong mỗi thiết bị lọc bụi điện đã xác định. trị Cho trước các giá trị khác nhau của % từ công thức (1.16) xác định được các giá tương ứng: 60 0.9 80 1.6 90 2.3 95 3.0 97.5 3.7 98 3.9 Giá trị của f tỷ lệ với kích thước hình học của thiết bị, so sánh giá trị thể rút ra kết luận : Với =60% kích thước thiết bị tương đối nhỏ khi đổi ) kích thước thiết bị phải tăng lên 4 lần. 99 4.6 và có = 97,5% ( khi không thay 17 Ngoài kích thước thiết bị ảnh hưởng đến hiệu suất phải kể đến tốc độ chuyển động của các hạt bụi mang điện tích chuyển động về phía cực lắng. 1.10. Các nhân tố ảnh hưởng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện thực tế Hiệu quả thực tế trong thiết bị lọc bụi điện phụ thuộc vào nhiều nhân tố: các tính chất của khí cần làm sạch ( thành phần hóa học, nhiệt độ và áp suất khí) tính chất của bụi ( thành phần hóa học, các tính chất điện, độ phân tán hạt bụi) lớp bụi trên điện cực lắng, hàm lượng bụi ban đầu của khí, độ bẩn của bụi trên điện cực lắng và điện cực quầng sáng, các thông số điện của thiết bị ( điện áp, cường độ điện trường, tốc độ khí, độ phân tán bụi trong điện trường). Xét ảnh hưởng của các nhân tố sau: 1.10.1.Ảnh hưởng các tính chất của khí cần làm sạch Cường độ điện trường phụ thuộc vào thế hiệu cấp cho điện cực quầng sáng. Như đã biết, điện tích hạt bụi, tốc độ chuyển động của chúng ( sau khi tích điện) đến điện cực lắng phụ thuộc vào cường độ điện trường ( đặc biệt đối với hạt có kích thước lớn). Do vậy duy trì thế hiệu cực đại cho phép trên điện cực quầng sáng là một trong những điều kiện quan trọng nhất để thiết bị làm việc có hiệu quả và đạt mức thu bụi cực đại. Như đã xét, khi tăng nhiệt độ khí thế hiệu ở điện cực quầng sáng sẽ giảm, điều đó có thể duy trì không có sự xuyên thủng. Thế hiệu xuyên thủng của thiết bị lọc bụi điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của khí. Ngoài ra, nhiệt độ khí ảnh hửơng đến tính chất lớp bụi trên điện cực lắng. Ảnh hưởng của độ ẩm khí đến thiết bị trong thiết bị lọc điện thì ngược lại so với ảnh hưởng của nhiệt độ: tăng độ ẩm tạo khả năng tăng thế hiệu xuyên thủng, ngoài ra độ ẩm có ảnh hưởng đến các đặc tính của lớp bụi trên điện cực lắng. Thế hiêu trong thiết bị còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của khí, thường là các tạp chất khí mang điện âm cũng như SO3 bị hấp thụ trong lớp bụi đã làm thay đổi tính chất của lớp. Mặc dù ảnh hưởng của nhiệt độ khí làm giảm điện áp quầng sáng trong thiết bị lọc, tuy nhiên những năm gần đây tiến hành nghiên cứu làm sạch khí trong thiết bị lọc điện ở nhiệt độ 700 - 9000C. Thực nghiệm cho thấy, khi có mặt một số nồng độ khí mang điện tích âm cũng được duy trì ổn định như điện tích dương ở quầng sáng ở điều kiện áp suất bình thường và nhiệt độ 9000C. 18 1.10.2.Ảnh hưởng các tính chất của bụi và lớp bụi trên điện cực lắng Ảnh hưởng các kích thước hạt bụi ( độ phân tán hạt) đến công tác của thiết bị lọc được kể đến trước tiên là trị số điện tích mà hạt bụi nhận được, là tốc độ chuyển động của hạt đến điện cực lắng sau khi chúng được tích điện. Điện tích của các hạt lớn cũng như tốc độ chuyển động của chúng đến cực lắng lớn hơn so với hạt nhỏ. Vì vậy hiệu quả thu các hạt lớn cao hơn, thời gian chuyển động đến cực lắng ngắn hơn. Ngoài ra, độ phân tán của hạt bụi có liên quan đến hiện tượng gọi là sự bao kín quầng sáng và liên quan đến cấu tạo lớp bụi trên điện cực lắng. Thành phần hóa học mà liên quan đến nó là các tính chất về điện của hạt bụi nó ảnh hưởng trước hết đến điện trở suất ( độ dẫn điện) của lớp bui trên điện cực lắng, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của thiết bị lọc bị điện. Ảnh hưởng này bắt đầu ở thời điểm khi có sự tiếp xúc giữa hạt bụi chứa điện tích âm với điện cực lắng. Bụi chứa trong khí cần lọc được chia thành 3 nhóm theo giá trị điện trở suất: Nhóm thứ nhất: có điện trở suất ρ < 102 Ωcm nghĩa là có độ dẫn điện lớn. Các hạt này khi tiếp xúc với bề mặt kim loại điện cực lắng sẽ trao tức thời điện tích âm và bị đẩy vào dòng khí. Do vậy các hạt bụi có độ dẫn điện lớn qua thiết bị thu bụi sẽ không bị lắng. Với hạt bụi như vậy cần ứng dụng các điện cực lắng có bộ phận giữa các hạt bụi để chúng tiếp xúc tốt với bề mặt không để chúng bay ra khỏi điện cực. Nhóm thứ hai: có ρ = 102 ÷ 108 Ωcm. Các hạt này được thu hồi có hiệu quả trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Các điện tích của hạt phân bố đều trên điện tích cực lắng. Nhóm thứ ba: có ρ ≥ 108Ωcm là loại bụi có độ dẫn điện thấp. Các điện tích chứa trong bụi lan chậm qua lớp bụi để đến bề mặt lắng kim loại, khi đó trên lớp bụi tạo thành một điện thế nào đó. Hạ thế trong lớp bụi biểu thị: U = b.ρ.j, V Trong đó: b – chiều dày lớp bụi, cm ρ – điện trở suất, Ωcm 19 j – mật độ dòng điện, a/cm2 Cường độ dòng điện trong lớp bụi bằng: E= = j.ρ, V/cm Khi trở lực trong lớp bụi đủ lớn và mật độ dòng điện cao thì trị số E có giá trị lớn. Lớp bụi trên điện cực lắng phụ thuộc vào kích thước hạt thường chỉ chiếm 10 – 50%, phần còn lại là lổ rỗng và khe hở có điền đầy khí. Do giá trị thẩm điện môi của lớp bụi và khí ( khe hở) có khác nhau nên đường sức tập trung tại các khe. Khi cường độ điện trường lớn trong lớp bụi, xảy ra sự xuyên thủng kéo theo sự ion hóa khí trong các khe nứt của lớp bụi. Hiện tượng này gọi là quầng sáng ngược cực dương làm thoát ra những ion dương và chúng chuyển động về phía cực âm. Trên đường chuyển động chúng gặp các hạt bụi chứa điện tích âm sẽ trung hòa chúng. Do vậy hiệu suất thu bụi sẽ giảm và cường độ dòng điện trong thiết bị tăng lên. Đồng thời với sự thoát ion dương đi ra từ cực lắng sẽ tạo nên điện trường giữa các điện cực của thiết bị. Với điện trường như vây sẽ dễ bị xuyên thủng. Để tránh hiện tượng này phải giảm thế hiệu trong thiết bị. Sự giảm thế hiệu càng lớn bao nhiêu, càng giảm tốc độ chuyển động của hạt bụi đến điện cực lắng, do vậy giảm mức độ thu bụi trong thiết bị. Do đó hiện tượng tạo thành quầng sáng ngược sẽ gây bất lợi đến sự làm việc của thiết bị lọc. Để tăng hiệu quả làm việc của thiết bị lọc bụi điện đối với bụi có điện trở suất lớn thường áp dụng phương pháp: khí được điều tiết, nghĩa là khí được làm nguội bằng nước ( được đun bằng tia). Khi đó nhiệt độ của khí sẽ giảm, độ ẩm tăng, điện trở suất hạt bụi sẽ giảm. Khi ở điều kiện nhiệt độ thấp, các hạt bụi hấp thụ phân tử nước tạo khả năng tăng độ dẫn bề mặt ( sự chuyển động điện tích qua bề mặt). Nếu ở điều kiện nhiệt độ xác định, trong khí có độ ẩm càng lớn, hạt bụi hấp thụ phân tử nước càng nhiều. Đặc biệt, khi giảm nhiệt độ khí xuống, ảnh hưởng của độ ẩm đến điện trở suất càng tăng. Khi tăng nhiệt độ khí, nhiệt năng phân tử của các hạt bụi và phân tử nước có giá trị lớn, chúng không liên kết được với nhau. Khi đo điện trở suất giảm do kích thước nhiệt của điện tử trong các hạt bụi, nghĩa là tăng độ dẫn trong. 20