Elektrostatyczna separacja mgły olejowej


Działanie odpylaczy elektrostatycznych

Odpylacze elektrostatyczne – elektrofiltry – to jedne z najstarszych urządzeń odpylających. Ze względu na dużą skuteczność odpylania, bardzo małe opory przepływu oraz prostotę budowy i eksploatacji są jednymi z najczęściej stosowanych urządzeń odpylających. Proces elektrostatycznej separacji cząstek stałych i aerozolowych składa się z następujących etapów:
• elektrostatycznego ładowania cząstek,
• przemieszczania się ich wraz ze strumieniem gazu w kierunku odmiennie naładowanej elektrody,
• usuwania cząstek wydzielonych na tej elektrodzie.
 

Proces odpylania w elektrofiltrze odbywa się w przestrzeni pomiędzy dwiema elektrodami  katodą i anodą, do których jest przyłożone napięcie rzędu 20–100 kV. Odpowiednio wysokie napięcie powoduje, że z elektrody emitującej są wybijane elektrony, które jonizują cząstki gazu. Te z kolei wskutek zderzeń z cząstkami pyłu oraz dyfuzji jonów łączą się z nimi w aglomeraty o wypadkowym ładunku ujemnym i wraz ze strumieniem gazu przemieszczają się ze strefy elektrody emitującej w kierunku elektrody zbiorczej naładowanej dodatnio. Zderzając się z powierzchnią anody, zjonizowane cząstki tracą ładunek (odprowadzony do ziemi), gromadzą się na jej powierzchni i w postaci warstwy pyłu zsuwają się (pod wpływem sił grawitacji lub wstrząsania anody) do zasobnika pyłu. W przypadku usuwania aerozoli cieczy (np. mgły olejowej) następuje koalescencja cząstek na powierzchni elektrody i ciecz w postaci cienkiej warstewki spływa do zbiornika. Odpylony gaz opuszcza elektrofiltr. Proces odpylania w elektrofiltrze powinien być prowadzony w zakresie różnic potencjałów powodujących wyładowanie koronowe, czyli w obszarze lawinowej emisji elektronów z elektrody emitującej. Zależność natężenia prądu od napięcia na elektrodzie emitującej w odpylaczu elektrostatycznym przedstawiono na rys. 3.2.1.
Początkowo gdy napięcie jest niskie, elektroda emituje niewiele elektronów o małej ruchliwości. Moc prądu (tzw. prądu nasycenia) spowodowanego ich przepływem pomiędzy elektrodami jest wtedy mała. Tę fazę (fazę I) nazywa się niesamodzielną jonizacją. Dopiero gdy zostanie przekroczona wartość napięcia jonizacji
(Uj), następuje szybkie zwiększenie prędkości elektronów, a więc i prądu spowodowanego ich przepływem, i zaczyna się jonizacja cząstek gazu (faza II). Powyżej napięcia U₀ rozpoczyna się lawinowa emisja elektronów i natężenie prądu gwałtownie rośnie. Liczne zderzenia elektronów powodują ich wybicie na wyższe poziomy energetyczne i natychmiastowy powrót połączony z emisją kwantu promieniowania h ν, co wywołuje zjawisko charakterystycznego bladoniebieskiego świecenia gazu, stwarzającego wrażenie korony świetlnej wokół elektrody w postaci drutu. Ta faza jest nazywana wyładowaniem koronowym i stanowi fazę właściwej pracy odpylacza. Dalsze zwiększanie napięcia, powyżej wartości napięcia granicznego (Ug), powoduje wyładowanie łukowe i gwałtowny spadek natężenia przepływu prądu.
Istotnymi czynnikami, które wpływają na charakterystykę prądowo-napięciową elektrofiltru, są: kształt elektrod emitujących oraz odległość pomiędzy nimi, odległość pomiędzy elektrodami różnoimiennymi oraz takie parametry gazu jak: skład chemiczny, temperatura czy wilgotność. 
Elektrofiltry są odpylaczami o największej skuteczności, przekraczającej nawet
99%. Skuteczność działania elektrofiltru zależy przede wszystkim od przyłożonego napięcia – różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami – ale również od wielu parametrów zarówno gazu, jak i separowanych cząstek. I tak cząsteczki o dużym powinowactwie elektronowym, np. O₂, Cl₂ czy SO₂, obecne w strumieniu gazów działają stabilizująco, zmniejszając wartość prądu koronowego. Wzrost temperatury gazów przeciwnie zwiększa ruchliwość jonów, a więc i natężenie prądu koronowego. Jednocześnie maleje napięcie przebicia (wyładowania łukowego). Istotnym parametrem separowanych cząstek jest ich rezystywność (oporność właściwa). Pyły o małej oporności (≤ 10³ Ω-cm) łatwo oddają ładunek w pobliżu elektrody zbiorczej i dlatego mogą być od niej odrywane i porywane ze strumieniem odpylonego gazu, powodując jego wtórne zanieczyszczenie. Do takich cząstek zaliczamy pyły materiałów, które są dobrymi przewodnikami, np. pyły metali czy sadza. 
Gdy oporność jest za duża (≥10¹⁰ Ω-cm), wówczas wskutek powolnego oddawania ładunku na elektrodzie zbiorczej mogą osadzać się kolejne warstwy cząstek trudne do usunięcia z jej powierzchni, co w konsekwencji obniża sprawność procesu. Najkorzystniejszy zakres oporności właściwej cząstek mieści się w granicach 10⁴–10¹⁰ Ω-cm. Stężenie pyłu w gazie poniżej 50 g/m³ nie wpływa istotnie na skuteczność odpylania. W przypadku większych stężeń bądź znacznego udziału w pyle najdrobniejszych submikronowych frakcji skuteczność procesu maleje wskutek dławienia prądu ulotu. Oprócz parametrów gazu i pyłu na skuteczność działania elektrofiltru istotnie wpływa prędkość przepływu gazu przez odpylacz. Jeśli prędkości te są zbyt duże, to skuteczność odpylania zmniejsza się ze względu na zbyt krótki czas przebywania gazu w komorze odpylania, co nie pozwala wszystkim cząsteczkom dotrzeć do elektrod zbiorczych. Ta część pyłu, która nie dotarła do elektrod zbiorczych, zostaje porywana przez strumień odpylonego gazu, obniżając skuteczność procesu odpylania.