Nguyên nhân và tác hại của bụi 3
1.2.1 Nguyên nhân tạo thành bụi
Trong sản xuất công nghiệp, quá trình đốt cháy nhiên liệu diễn ra ở nhiều địa điểm, tạo ra các sản phẩm cháy chứa nhiều khí độc hại như SO2, CO, CO2 và NOx, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người Bên cạnh đó, quá trình này còn sinh ra tro bụi với kích thước đa dạng, từ dưới 0,1 µm đến hàng chục µm.
Trong các quá trình công nghiệp, việc tăng nhiệt độ có thể làm giảm liên kết giữa các hạt trong vật rắn, dẫn đến sự hình thành bụi Bụi chủ yếu sinh ra từ các hoạt động sản xuất trong ngành luyện kim, hóa chất, khai thác mỏ, nhà máy nhiệt điện và nhà máy xi măng Chẳng hạn, nhà máy nhiệt điện Phả Lại I với công suất 440 MW tiêu thụ khoảng 4500 tấn than mỗi ngày, thải ra khoảng 3 triệu m³ khí thải, trong đó có 3 tấn SO2, 400 tấn CO2 và 8 tấn bụi Tương tự, trung tâm nhiệt điện Haver ở Tây Bắc nước Pháp tiêu thụ 20,000 tấn than mỗi ngày và thải ra 7 triệu m³ khói mỗi giờ.
Bảng1.1:L-ợng chất độc hại do trung tâm nhiệt điện thải vào khí quyển,g/MJ
L-ợng chất độc hại,g/MJ
NO x SO 2 Tro bôi Hy®rocabon
(quy ra CH 4 ) X¨ngpiron Than đá
-Do lò đốt có hiệu quả cao, l-ợng khí oxit cacbon (CO) vy, hạt di chuyển đến điện cực lắng mang điện trường của một số điện cực phóng vầng quang Đôi khi, trị số điện trường lặp lại sau mỗi khoảng cách a/2, trong đó a là khoảng cách giữa hai điện cực phóng vầng quang Công thức điện trường tại vị trí vt® được biểu diễn là vt® = a/2.
0 y.dx a v 2 hoặc chuyển qua c-ờng độ điện tr-ờng (coi qm=const)
0 a Edx 2 Điện tr-ờng t-ơng đ-ơng đối với bộ lọc phẳng trong điều kiện không khí sạch có thể tính gần đúng theo tỉ số:
Et® = 5,4 i cho thấy rằng Etđ tương tự như mật độ dòng điện tại cực quầng sáng, trong khi Etb đặc trưng cho điện trường theo một đường sức Tỷ lệ Etb / i xác định sự phân bố dòng trên mặt phẳng, cho thấy đặc tính phân bố dòng không đồng đều trên bề mặt cực lắng trong các hệ điện cực khác nhau Cường độ điện trường trong bộ lọc kiểu phiến là ka iL.
c-khoảng cách từ cực quầng sáng đến cực lắng,m a- khoảng cách đều nhau giữa cực điện cực phóng vầng quang,m k- độ linh động của ion , s V m 2
C-ờng độ điện tr-ờng tại mặt trung tâm :
C-ờng độ điện tr-ờng tại mặt trung tính :
Quan hệ điện áp trong trường hợp điện cực hình kim có thể áp dụng cho điện cực hình trụ với bán kính tương đương Điều này cho phép xác định bán kính r của điện cực kim khi khoảng cách là 20mm, đồng thời xác định điện áp tới hạn của bộ lọc tấm.
2.4.2.Hệ thống điện cực công nghiệp
Hình 3.6 trình bày hình dạng điện trường do điện cực hình kim và cực lắng chữ C tạo ra với điện áp 50 và 60kV Cụ thể, bề mặt thế năng tương đương của điện trường được thể hiện qua hai trường hợp: a) với điện áp UPkV và dòng điện i=0,63mA/m; b) với điện áp UekV và dòng điện i=1,18mA/m, tương ứng với các điện thế tương đương là 4, 8, 12 kV.
Khi phân tích hình dạng của đường cong, cần đảm bảo cấu hình cực lắng và tính đối xứng Đường sức trung tính qui ước không trùng với mặt trung hòa Cường độ điện trường trong mặt phẳng của đường sức giữa trong trường hợp này rất quan trọng.
Giá trị điện áp E50 và E60 lần lượt là 3,98 và 5,15 kV/cm, cho thấy sự gia tăng dòng ion hóa do khoảng cách tích điện giảm Dòng điện cực phóng vầng quang i50 và i60 tương ứng với điện áp 50 và 60 kV đạt 0,63 và 1,18 mA/m.
2.4.3.Tỉ số khoảng cách tích điện và khoảng cách giữa các điện cự c
Quan hệ đại lượng điện áp điện trường giữa hai cực không lớn nhưng cũng không nhỏ hơn trị số tối đa c/a = 1 ÷ 1,25, dựa trên mật độ dòng trung bình và đặc tính đường cong E = f(a) Để đạt được quan hệ tối ưu c/a = 1 ÷ 1,25 trong điều kiện công nghiệp, cần thay đổi đặc tính điện trường Cực lắng có hình dạng chữ C với chiều rộng 110mm và kích thước ngang được giảm tỉ lệ Chiều rộng của cực lắng và khoảng cách giữa các điện cực phóng vầng quang a phải giữ nguyên khoảng cách tích điện là 5mm.
Hình 3.8: Phân bố thế năng t-ơng đ-ơng của điện tr-ờng (điện cực hẹp bản) a)UPkV,i=0,42 ;b)UekV,i=0,8mA/m
Kết quả nghiên cứu cho thấy điện trường của điện cực dải hẹp đồng đều hơn so với điện cực dải rộng Cụ thể, với điện cực dải rộng, mật độ dòng điện j được tính bằng công thức j = i/2a, cho giá trị j50 = 1,9 mA/m² và j65 = 3,6 mA/m² Trong khi đó, điện cực dải hẹp có mật độ dòng điện j50 = 1,91 mA/m² và j65 = 3,63 mA/m².
Để bộ lọc hiệu quả trong việc loại bỏ bụi, cần giảm khoảng cách giữa các điện cực phóng vầng quang Tuy nhiên, việc này có thể không hợp lý do tăng nguy cơ phát sinh vầng quang ngược Nếu điện trở thấp hơn 10^10 Ωcm, việc giảm khoảng cách sẽ làm tăng cường độ điện trường tương đương.
Tính toán hiệu suất thu bụi 36
Xác định mức độ thu bụi lý thuyết trong thiết bị lọc bụi điện ta thừa nhận những giả thuyết sau:
- Các hạt bụi đ-ợc phân bố đều trên mặt cắt vuông góc với chiều dòng khí chuyển động
- Các hạt bụi đ-ợc lắng lại trên điện cực lắng và không bị dòng khí cuốn ra ngoài
- Không tính đến ảnh h-ởng của gió điện, các hạt bụi chuyển động về điện lắng với tốc độ = cosnt và tốc độ khí trong thiết bị k = const
2.5.1 Với thiết bị thu bụi kiểu phiến: l dx
X b c c z 1 z 2 điện cực quầng sáng điện cực lắng
Hình 3.9: Sơ đồ thiết bị lọc bụi điện nằm ngang cực lắng kiểu phiến
Gọi g là khối lượng bụi trong khoảng không giữa các điện cực, với chiều dài d và vị trí cách xa chỗ khí vào thiết bị một khoảng cách x Công thức tính khối lượng bụi là g = z b.2d d (2.20).
Hàm lượng bụi (g/m³) theo tiết diện thiết bị với điện tích b.2d ở khoảng cách x từ chỗ khí được xác định bằng công thức df = 2b.d Khoảng cách giữa điện cực lắng từ thể tích đã cho trên bề mặt điện cực lắng được tính theo dg = - zx 2b.dx d Dấu (-) cho thấy hàm lượng bụi trong khí bị giảm trong điện trường Khi chia công thức (2.21) cho công thức (2.20) và rút gọn, ta có d d g dg = - Nếu thừa nhận hàm lượng bụi của khí vào thiết bị là z1, ta có thể viết tiếp theo.
x - thời gian t-ơng ứng với hàm l-ợng bụi giảm từ z1 đến zx khi dòng chuyển dịch với khoảng cách x
Sau khi tích phân có đ-ợc: d
1 x (2.23) Hàm l-ợng bụi theo sẽ bằng : zx = z1e d
(2.34) Vì khi chuyển động qua điện tr-ờng có chiều dài L trong thời gian ,
L , do vậy hàm l-ợng bụi trong khí ra khỏi thiết bị z2 theo công thức
- tốc độ chuyển động của hạt bụi chứa điện tích về phiá điện cực lắng, m/s; L- chiều dài hữu ích ( của điện tr-ờng) trong thiết bị lọc điện, m;
k - tốc độ dòng khí qua thiết bị lọc, m/s; a - khoảng cách giữa điện cực lắng và điện cực phóng vầng quang, m
2.5.2.Với thiết bị lọc bụi dạng ống trụ:
Ký hiệu : x - khoảng cách tính từ đầu ống,m
R-Bán kính của điện cực lắng dạng ống, m
Việc giảm nồng độ hạt ở vách ống trên đơn vị chiều dài xung quanh ống sau thời gian d bằng:
Bản thân chuyển động của hạt dọc ống một quãng đ-ờng nh- sau: dx = kd
Số l-ợng hạt dọc trục trên toàn bộ chiều dài quanh ống :
Việc giảm nồng độ hạt khi chuyển động từ tiết diện này sang tiết diện khác ở khoảng cách dx là R 2 dz1 và bằng số l-ợng hạt dọc trục:
Suy ra: dz1=-zx dx
Lấy tích phân ta đ-ợc:
Vậy hiệu suất của thiết bị là:
Dạng chung của hiệu suất khí biểu thị bằng công thức:
- tốc độ chuyển động của hạt trong bộ lọc,m/s f - hệ số đặc tr-ng cho kích th-ớc hình học của bộ lọc và tốc độ khí
Hình 3.10: Sự thay đổi đ-ờng cong theo chiều dài bộ lọc khi ,R, k là hằng số
Theo khảo sát, tốc độ chuyển động trung bình của hạt về phía cực lắng được xác định bởi đại lượng f, là bề mặt lắng riêng của thiết bị lọc Đại lượng này tương ứng với lượng khí cần lọc trong mỗi thiết bị lọc bụi điện đã được xác định Công thức tính f được biểu diễn như sau: f = (bề mặt điện cực lắng, m²) / (lưu lượng khí bụi qua thiết bị, m³/s).
L-u l-ợng thể tích của khí đ-ợc làm sạch (m 3 /s) khi tính toán ,đôi khi thay thế biểu thức = 1 – e - f bằng sử dụng công thức
Cho tr-ớc các giá trị khác nhau của % từ công thức (2.27) xác định đ-ợc các giá trị f t-ơng ứng:
Giá trị f tỷ lệ với kích thước hình học của thiết bị Khi so sánh các giá trị η và ωf, có thể kết luận rằng với η = 60%, kích thước thiết bị tương đối nhỏ.
= 97,5%( khi không thay đổi ) kích th-ớc thiết bị phải tăng lên 4 lÇn(f=3,7)
Bề mặt thu bụi riêng f m /(m /s) 2 3
Hình 3.11: Đồ thị công thức = 1 – e - f
Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất lọc bụi của thiết bị lọc bụi sẽ giảm khi kích thước hạt bụi nhỏ hơn Cụ thể, hiệu quả lọc bụi với hạt có kích thước d = 1μm đạt từ 90% đến 95%, trong khi đó với hạt bụi d = 0,1μm, hiệu suất có thể lên đến 99% hoặc cao hơn Điều này chứng tỏ rằng thiết bị lọc bụi bằng điện rất hiệu quả trong việc xử lý các loại bụi mịn với kích thước hạt nhỏ.
Hiện tượng hiệu quả lọc tăng khi kích thước hạt bụi giảm phù hợp với các tính toán trước đó Theo đó, hiệu quả lọc của thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu ống loại 1 vùng (1 giai đoạn) được xác định theo công thức: d R ln R (ln L 3 qUl 2.
Trong đó : q- điện tích của hạt bụi, C
U- điện áp của thiết bị, V l- chiều dài của ống thu bụi, m
R2, R1- bán kính ống và điện cực phóng vầng quang, m
Hiện tượng hiệu quả lọc tăng khi kích thước hạt bụi giảm có thể được giải thích bởi quá trình tích điện trong điện trường đối với các hạt dưới micromet chủ yếu do tác động của khuyếch tán ion, trong khi tác động va đập của ion vào hạt bụi chỉ đóng vai trò thứ yếu Hơn nữa, các hạt bụi nhỏ còn có khả năng dính kết với các ion, làm tăng vận tốc của chúng.
Mặc dù hiệu quả lọc tăng khi kích thước hạt bụi giảm xuống dưới khoảng 0,5μm, nhưng các công thức tính hiệu suất vẫn được sử dụng phổ biến Điều này là do các loại bụi thường gặp trong ngành công nghiệp thường có kích thước hạt từ 0,5μm trở lên.
Đ ặc điểm cấu trúc và các dạng thiết bị lọc bụi điện 43
2.6.1 Phân loại thiết bị lọc bụi điện a) Theo cấu trúc của điện cực lắng thì các thiết bị lọc bụi điện đ-ợc phân thành 2 loại:
-Thiết bị lọc bụi điện có có điện cực lắng dạng ống hoặc dạng lăng trụ
-Thiết bị lọc bụi điện có điện cực lắng dạng tấm b) Theo dòng khí chuyển động ,các thiết bị lọc bụi điện đ-ợc phân thành 2 loại:
-Thiết bị lọc bụi điện nằm ngang, ở đây dòng khí chuyển động theo ph-ơng nằm ngang;
Thiết bị lọc bụi điện theo phương thẳng đứng hoạt động bằng cách cho khí di chuyển theo chiều thẳng đứng từ dưới lên trên Thiết bị này sử dụng số điện trường để tối ưu hóa quá trình lọc bụi.
Thiết bị lọc được phân loại theo số lượng điện trường nối tiếp, bao gồm một điện trường và nhiều điện trường Ngoài ra, theo cấu trúc ngăn, thiết bị lọc có thể được chia thành loại một ngăn và nhiều ngăn Bên cạnh đó, việc bố trí các vùng nạp điện tích và lắng bụi cũng là một yếu tố quan trọng trong việc phân loại thiết bị lọc.
Thiết bị lọc bụi được phân loại thành hai loại: một vùng và hai vùng Thiết bị lọc bụi điện một vùng có vùng nạp điện và vùng lắng nằm trong cùng một không gian, trong khi thiết bị hai vùng có điện cực phóng vầng quang và điện cực lắng được tách biệt và đặt trong các vùng cấu tạo khác nhau Bụi thu được từ các thiết bị lọc có thể được xử lý theo hai cách: dạng khô thông qua cơ cấu rung điện cực và dạng lỏng bằng cách rửa điện cực với nước Do đó, thiết bị lọc bụi được chia thành thiết bị lọc bụi khô và thiết bị lọc bụi ướt Ở thiết bị lọc bụi khô, khí thải có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đọng sương, trong khi ở thiết bị lọc bụi ướt, khí thải có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương, dẫn đến bụi ở trạng thái ẩm.
Các thiết bị lọc bụi điện, bất kể loại nào, đều có các bộ phận cấu trúc cơ bản giống nhau.
- Vỏ thiết bị lọc bụi điện
- Cơ cấu phân phối khí đều vào thiết bị và dẫn khí ra
- Hệ thống điện cực lắng và điện cực phóng vầng quang
Cơ cấu cấp điện và hộp cách điện bao gồm các thành phần chính như vỏ thiết bị lọc bụi có dạng khối chữ nhật hoặc khối trụ, được chế tạo từ thép lá, bê tông, gạch và các vật liệu khác, với lớp bọc cách nhiệt nhằm ngăn chặn biến dạng nhiệt và ngưng tụ hơi ẩm Hệ thống phân phối khí vào và ra được thiết kế để duy trì tốc độ khoảng 20m/s, giúp tránh lắng bụi trong ống dẫn, và nếu thiết bị có nhiều ngăn, cần có hệ thống van để điều chỉnh khí lọc qua từng ngăn Cuối cùng, hệ thống điện cực lắng và điện cực phóng vầng quang là những thành phần quan trọng trong quá trình hoạt động của thiết bị.
Các nhà sản xuất thiết bị lọc bụi điện toàn cầu đã phát triển nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm cực lắng và cực ion hóa, dựa trên kinh nghiệm thực tiễn để nâng cao hiệu quả lọc Đây được xem là bí quyết sáng tạo độc quyền của họ, và nhiều hãng đã đăng ký bản quyền cho các phát minh này.
Sau đây ta xem xét một số dạng cụ thể đã đ-ợc áp dụng trong thực tế:
Điện cực lắng cần đảm bảo độ cứng và độ bền cơ học phù hợp Bề mặt của cực thu bụi phải nhẵn, không có mấu nhọn, có đặc tính khí động học tốt và có khả năng chịu rung động khi thực hiện quá trình giũ bụi.
Hình 3.12 mô tả các dạng khác nhau của cực thu bụi trong thiết bị lọc bụi bằng điện kiểu phiến, bao gồm tấm phẳng nhẵn, tấm lưới, tấm chắn song song, kiểu túi, tấm đục lỗ, kiểu miệng loe, tấm lợn, kiểu chữ V, kiểu chữ Є, kiểu chữ C, kiểu móc câu và kiểu chữ M Điện cực lắng dạng tấm phẳng với bề mặt nhẵn giúp tăng cường độ mạnh của điện trường, nâng cao hiệu điện thế và hiệu quả thu bụi Khoảng cách giữa các điện cực dao động từ 100 đến 600mm Tuy nhiên, dòng khí lớn hơn 1m/s có thể cuốn bụi đã lắng, do đó tốc độ dòng khí thường không vượt quá 0,6-0,8 m/s Điện cực lắng kiểu máng có cấu trúc phức tạp nhưng khó chế tạo và độ bền kém Điện cực lắng kiểu hộp, với các lỗ hoặc túi cho phép bụi rơi vào trong hộp, giúp hạn chế bụi cuốn theo dòng khí, nhưng chi phí chế tạo cao Điện cực lắng dạng hộp hở, với các tấm kim loại dày 0,8-1,5mm, có thiết kế giúp giảm chi phí kim loại và cho phép tốc độ dòng khí đạt tới 1,7 m/s Cuối cùng, điện cực lắng kiểu ống có dạng ống tròn, vuông hoặc sáu cạnh, với đường kính từ 200 đến 300mm và chiều dài từ 3000 đến 5000mm.
*Điện cực phóng vầng quang
Để tạo ra sự phóng điện ion hóa đồng đều với cường độ ăn mòn lớn, cần có cấu trúc điện cực phóng vầng quang bền vững và chịu được rung lắc Điện cực này cũng phải chống lại sự ăn mòn hóa học và hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao Trong các thiết bị thu bụi điện hiệu suất cao, tổng chiều dài các điện cực có thể lên đến vài kilomet, do đó, yêu cầu thiết kế điện cực phải đơn giản và tiết kiệm chi phí Các điện cực phóng vầng quang được phân loại thành hai nhóm dựa trên nguyên tắc tác dụng.
Nhóm thứ nhất bao gồm các điện cực phóng vầng quang không các điểm định vị phóng điện trên điện cực
Nhóm thứ hai bao gồm các điện cực phóng vầng quang với các điểm phóng điện cố định dọc theo chiều dài điện cực Các điểm phóng điện này là các mũi nhọn và mấu nhọn trên bề mặt điện cực Những điện cực này cho phép tính toán và xác lập quầng sáng theo ý muốn, tùy thuộc vào số lượng và cách bố trí các điểm phóng điện cũng như chiều cao của các gai kim phóng điện.
Hình 3.13 minh họa các dạng khác nhau của cực phóng điện vầng quang, bao gồm: dây thép tròn, dây tiết diện 4 cạnh, kiểu băng, kiểu lò xo, kiểu dây cáp coắn, băng lật từng đoạn, tiết diện chữ thập, băng có gai nhọn, dây thép gai, băng có gai hai bên, băng kiểu hoa văn trang trí, hình răng c-a, và băng có mấu nhô ra đều đặn Các kiểu dáng này có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tính năng của cực phóng điện.
Cực ion hóa đ-ợc chế tạo từ kim loại bền vững trong môi tr-ờng làm việc: thép c-ờng độ cao, thép silic, đồng, nhôm
