RU2111062C1

RU2111062C1 - Device for electrical cleaning of dust-laden gases

Info

Publication number: RU2111062C1
Application number: RU96119686/25A
Authority: RU
Inventors: А.И. Сергеев; А.В. Балыкин; Л.И. Кропп; В.Д. Бочков; И.Н. Гнедин; Н.М. Анитов; А.М. Зыков
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт"; Корпорация "Единый электроэнергетический комплекс"; Товарищество с ограниченной ответственностью "Импульсные технологии"
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: separation of solid particles from flow of dust-laden gases by means of a corona discharge, applicable in heat power, metallurgical, chemical and other branches of industry. SUBSTANCE: device uses at least one electrostatic precipitator, each of them has at least one field with a system of corona-forming and precipitating electrodes, sources supplying the electrostatic precipitators with direct and pulsed voltages, at least one blocking capacitor and current-limiting elements; the corona-forming electrodes of each field are divided at least into two groups connected through inductive elements, each group has at least one corona-forming electrode. When at least two electrostatic precipitators are used in the device and each of them has at least two fields with systems of corona-forming and precipitating electrodes, it is recommended to connect the electrode systems of the fields with the same ordinal numbers for each electrostatic precipitator in parallel. EFFECT: enhanced amplitude of pulsed voltage at simultaneous reduction of its duration. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам отделения твердых частиц от потока запыленных газов с помощью коронного разряда и может быть использовано в теплоэнергетической, металлургической, химической и других отраслях промышленности. The invention relates to methods for separating solid particles from a stream of dusty gases using a corona discharge and can be used in thermal power, metallurgical, chemical and other industries.

Применяющиеся для очистки запыленных газов от твердых частиц электрофильтры (ЭФ) обычно имеют разделенную на несколько полей систему коронирующих и заземленных осадительных электродов, к которым приложено высоковольтное постоянное питающее напряжение. Увеличения степени очистки с помощью таких ЭФ можно достичь путем повышения питающего напряжения. Однако для повышения питающего напряжения существуют пределы, связанные с появлением обратных пробоев и ограниченной электрической прочностью ЭФ. Повысить электрическую прочность ЭФ можно только за счет дополнительного питания его импульсным напряжением. Electrofilters (EF) used to clean dusty gases from solid particles usually have a system of corona and grounded sedimentation electrodes divided into several fields, to which a high-voltage constant voltage is applied. An increase in the degree of purification using such EFs can be achieved by increasing the supply voltage. However, to increase the supply voltage, there are limits associated with the appearance of reverse breakdowns and the limited electric strength of the EF. To increase the electric strength of EF is possible only due to additional power supply by its pulse voltage.

Известно принимаемое в качестве прототипа устройство для электроочистки запыленных газов, содержащее по меньшей один электрофильтр, каждый из которых имеет по меньшей мере одно поле с системой корронирующих и осадительных электродов, источники питания электрофильтров постоянным и импульсным напряжением, по меньшей мере один разделительный конденсатор и токоограничительные элементы. При периодическом импульсном подключении дополнительного источника постоянного напряжения напряжение на электродах ЭФ на короткий период резко возрастает, что позволяет существенно повысить эффективность очистки газов при уменьшенных требованиях к электрической прочности ЭФ и повышении уровня напряжения, приводящего к появлению обратных пробоев. При этом существует сильная зависимость между амплитудным значением импульса и его длительностью - чем короче импульс, тем большее напряжение без пробоев выдерживает ЭФ. Вместе с тем, учитывая, что электрическая емкость электродной системы мощных ЭФ, используемых, например, на крупных тепловых электростанциях, довольно велика (порядка 50-100 нФ), достичь существенного увеличения амплитуды импульсного напряжения при одновременном уменьшении его длительности практически не удается, так как для того, чтобы зарядить электродную систему одного поля емкостью 100 нФ, например, с 30 до 70 кВ амплитудного значения за 1 мкс, импульсный генератор должен обеспечить прохождение зарядного тока величиной 4000 А при соответствующей мощности импульсного генератора 200 МВт. Тем более не приходится говорить об обеспечении такого характера импульсным питанием одновременно нескольких полей, число которых в ЭФ на электростанции может достигать нескольких десятков. It is known to adopt as a prototype a device for electric cleaning of dusty gases, containing at least one electrostatic precipitator, each of which has at least one field with a system of corona and precipitation electrodes, power supplies of electrostatic precipitators with constant and pulse voltage, at least one isolation capacitor and current limiting elements . With a periodic pulsed connection of an additional constant voltage source, the voltage on the electrodes of the EF increases sharply for a short period, which can significantly increase the efficiency of gas purification with reduced requirements for the electric strength of the EF and increase the voltage level, which leads to the appearance of reverse breakdowns. At the same time, there is a strong relationship between the amplitude value of the pulse and its duration - the shorter the pulse, the greater the voltage withstand breakdown without breakdowns. At the same time, given that the electric capacitance of the electrode system of powerful EFs, used, for example, in large thermal power plants, is quite large (of the order of 50-100 nF), it is practically impossible to achieve a significant increase in the amplitude of the pulse voltage while reducing its duration, since in order to charge the electrode system of one field with a capacity of 100 nF, for example, from 30 to 70 kV of the amplitude value per 1 μs, the pulse generator must ensure the passage of a charging current of 4000 A with the corresponding conductive power pulser 200 MW. Moreover, one does not have to talk about providing this nature with the pulse power supply of several fields at the same time, the number of which in the EF at a power plant can reach several tens.

Достигаемым результатом изобретения является обеспечение возможности повышения амплитуды импульсного напряжения при одновременном уменьшении его длительности. Это обеспечивается тем, что в устройстве для электроочистки запыленных газов, содержащем по меньшей мере один ЭФ, каждый из которых имеет по меньшей мере одно поле с системой корронирующих и осадительных электродов, источники питания ЭФ постоянным и импульсным напряжением, по меньшей мере один разделительный конденсатор и токоограничительные элементы, согласно изобретению корронирующие электроды каждого поля разделены по меньшей мере на две соединенные индуктивными элементами группы, каждая из которых содержит по меньшей мере один корронирующий электрод. The achieved result of the invention is the possibility of increasing the amplitude of the pulse voltage while reducing its duration. This is ensured by the fact that in the device for electric cleaning of dusty gases containing at least one EF, each of which has at least one field with a system of corona and precipitation electrodes, the EF power supply with constant and pulse voltage, at least one isolation capacitor and current-limiting elements, according to the invention, the corona electrodes of each field are divided into at least two groups connected by inductive elements, each of which contains at least one dropping electrode.

Применительно к по меньшей мере двум ЭФ, каждый из которых имеет по меньшей мере два поля с системами корронирующих и осадительных электродов, согласно изобретению электродные системы полей с одинаковыми для каждого ЭФ порядковыми номерами могут быть соединены параллельно. In relation to at least two EFs, each of which has at least two fields with systems of corona and precipitation electrodes, according to the invention, electrode field systems with the same serial numbers for each EF can be connected in parallel.

На чертеже в качестве примера реализации изобретения схематически изображена система из трех параллельно включенных по газопылевому потоку ЭФ 1 - 3, каждый из которых имеет четыре поля А, Б, В, Г с системой корронирующих 4 и осадительных 5 электродов. К каждому полю подключены независимые источники питания 6 и 7 соответственно постоянным и импульсным напряжением, причем электродные системы 4, 5 полей с одинаковыми номерами электрофильтров (1 - 3) соединены параллельно и подключены к источнику 6 питания постоянным напряжением через ограничительные элементы 8 - 10, а к источнику 7 питания импульсным напряжением - через разделительные конденсаторы 11 - 13, одновременно выполняющие функцию накопления энергии импульса. При этом корронирующие электроды 4 каждого поля А, Б, В, Г разделены на четыре соединенные индуктивными элементами 14 группы (ячейки), каждая из которых содержит в изображенном на чертеже примере один корронирующий электрод. The drawing as an example implementation of the invention schematically shows a system of three in parallel connected by a dust and gas stream EF 1 - 3, each of which has four fields A, B, C, D with a system of 4 corona and 5 sedimentation electrodes. Independent power supplies 6 and 7 are connected to each field, respectively, by constant and pulse voltage, and the electrode systems 4, 5 of the fields with the same number of electrostatic precipitators (1 - 3) are connected in parallel and connected to the power supply 6 by constant voltage through the limiting elements 8 - 10, and to the power supply 7 of the pulse voltage through the separation capacitors 11 - 13, simultaneously performing the function of accumulating pulse energy. Moreover, the corona electrodes 4 of each field A, B, C, D are divided into four groups (cells) connected by inductive elements 14, each of which contains one corona electrode in the example shown in the drawing.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии геометрическая емкость электродной системы каждого поля ЭФ заряжена от источника 6 через ограничительные элементы 8 - 10 постоянным напряжением, величина которого определяется технологическими условиями и электрическими параметрами ЭФ. Разделительные (накопительные) конденсаторы 11, 12, 13 заражены до напряжения, равного сумме напряжений на источниках 6 и 7. При помощи не показанной на чертеже схемы управления заряженные высоким напряжением разделительные конденсаторы периодически на короткое время отключают от источника 7 импульсного напряжения и подключают к электронной системе параллельно с источником 6 постоянного напряжения. Амплитуда накладываемых на постоянную часть напряжения импульсов определяется выходным напряжением источник 7, частота следования импульсов - отмеченной выше схемой управления. Вследствие разделения корронирующих электродов индуктивными элементами 14 сосредоточенная емкость электродной системы каждого из полей А, Б, В, Г преобразуется в формирующую L-C линию с распределенными параметрами, представляющую собой L-фильтр высоких частот, где L-индуктивность, C-емкость ячейки распределенных параметров. Частоты выше

затухают, ниже - проходят, но появляются на выходе фильтра (линии) с определенной задержкой

где n - количество ячеек. Если длительность импульса

он дойдет до конца линии, не затухая, за время, равное τ_лин. Физически перенос энергии в линии с распределенными параметрами заключается в том, что каждый конденсатор (межэлектродная емкость 4-5) перезаряжается через индуктивность 14 на последующий. При этом длительность импульса τ_яч на каждой ячейке линии с распределенными параметрами при практически одном и том же значении амплитуды уменьшается в n раз. Соответственно в том же отношении уменьшаются и требования к импульсному генератору (источнику 7 импульсного напряжения) по энергоемкости и амплитуде импульсного тока, что значительно упрощает схему импульсного генератора, обеспечивая возможность его надежной работы даже при одновременном питания от одного генератора нескольких полей. Нагрузочную способность линии определяет ее волновое сопротивление

Каждый накопительный конденсатор 11, 12, 13 должен быть 1,2 - 1,5 раза больше емкости ячейки распределительной линии, т.е. в 10 - 20 раз меньше, чем емкость ЭФ в целом. При срабатывании ключа управляющей схемы энергии, накопленная в накопительном конденсаторе передается в первую ячейку энергии, накопленная в накопительном конденсаторе передается в первую ячейку линии, проходит подобно бегущей волне по всей линии, отражается от конца и через предусмотренный управляющей волне по всей линии, отражается от конца и через предусмотренный управляющей схемой диод возвращается в соответствующий накопительный конденсатор. Поскольку импульсное устройство заряжает до амплитудного значения не все поле, а только одну-две ячейки, энергоемкость импульсного устройства оказывается примерно на порядок меньше по сравнению с известным устройством [1].The device operates as follows. In the initial state, the geometric capacitance of the electrode system of each field of the EF is charged from the source 6 through the limiting elements 8 to 10 with a constant voltage, the value of which is determined by the technological conditions and electrical parameters of the EF. The isolation (storage) capacitors 11, 12, 13 are infected to a voltage equal to the sum of the voltages at the sources 6 and 7. Using a control circuit not shown in the drawing, the high-voltage isolation capacitors are periodically briefly disconnected from the pulse voltage source 7 and connected to the electronic system in parallel with a source 6 of constant voltage. The amplitude of the impulses superimposed on the constant part of the voltage is determined by the output voltage of source 7, the pulse repetition rate is determined by the control circuit noted above. Due to the separation of the corona electrodes by inductive elements 14, the concentrated capacitance of the electrode system of each of the fields A, B, C, D is converted into an LC line with distributed parameters, which is an L-filter of high frequencies, where L-inductance, C-capacitance of a cell of distributed parameters. Frequencies above

fade, lower - pass, but appear at the output of the filter (line) with a certain delay

where n is the number of cells. If the pulse duration

it will reach the end of the line without decaying in a time equal to τ _lin . Physically, the energy transfer in a line with distributed parameters consists in the fact that each capacitor (interelectrode capacitance 4-5) is recharged through inductance 14 to the next. In this case, the pulse duration τ _cells on each cell of the line with distributed parameters at almost the same amplitude value decreases n times. Accordingly, in the same respect, the requirements for a pulse generator (source 7 pulse voltage) are reduced in terms of energy intensity and amplitude of the pulse current, which greatly simplifies the pulse generator circuit, making it possible to operate reliably even when several fields are supplied from a single generator. The load capacity of the line determines its wave resistance

Each storage capacitor 11, 12, 13 should be 1.2-1.5 times more than the capacity of the cell of the distribution line, i.e. 10 - 20 times less than the capacity of the EF as a whole. When the key of the control circuit is activated, the energy stored in the storage capacitor is transferred to the first cell of energy, the energy stored in the storage capacitor is transferred to the first cell of the line, passes like a traveling wave along the entire line, is reflected from the end and reflected through the provided control wave along the entire line, is reflected from the end and through the control circuit provided, the diode returns to the corresponding storage capacitor. Since the pulsed device charges not the entire field to the amplitude value, but only one or two cells, the energy intensity of the pulsed device is approximately an order of magnitude lower than in the known device [1].

Практически одно поле современного ЭФ в зависимости от конструкции имеет емкость в пределах 0,05 - 0,2 мкФ и содержит 32 - 36 рамок корронирующих электродов, чередующихся с осадительными. При емкости поля 0,1 - 0,12 мкФ емкость одной рамки составляет ≈3 - 4 нФ. Оптимальное значение индуктивности 14 ячейки линии лежит в пределах 20 - 80 мкГн. При меньших значениях может сказаться влияние индуктивности рамки корронирующего электрода, а большие значения индуктивности трудно реализовать технически. Almost one field of modern EF, depending on the design, has a capacitance in the range of 0.05 - 0.2 μF and contains 32 - 36 frames of corona electrodes, alternating with precipitation. With a field capacitance of 0.1 - 0.12 μF, the capacitance of one frame is ≈3 - 4 nF. The optimal value of the inductance of the 14 cell of the line lies in the range of 20 - 80 μH. At lower values, the influence of the inductance of the frame of the corona electrode can affect, and large values of the inductance are difficult to realize technically.

Для C≈3 нФ (одна рамка на ячейку)
L - 30 мкГн, n - 36,

τ_яч= 0,3 мкс, ρ = 100 Ом.
Для C≈10 нФ (три рамка на ячейку)
L - 50 мкГн, n - 12,

τ_яч= 0,7 мкс, ρ = 70 Ом.
Следует учитывать, что каждая ячейка линии шунтируется активным сопротивлением соответствующих электродов ЭФ, возникающим при прохождении тока короны. Величину активного сопротивления можно определить ориентировочно как Ra - U_поля/I_поля≈40000/0,2 - 200 кОм. Активное сопротивление ячейки линии с распределенными параметрами соответственно в n раз больше. Таким образом, Ra ≫ ρ, т.е. потери энергии при прохождении импульса от ячейки к ячейке лини будут пренебрежимо малы. В связи с тем, что при использовании предлагаемого устройства меняется роль источников 6 постоянного напряжения, величина этого напряжения может устанавливаться ниже уровня коронного разряда, что значительно разгружает их по току. Это дает возможность питать одним источником постоянного напряжения несколько полей различных ЭФ.For C≈3 nF (one frame per cell)
L - 30 μH, n - 36,

τ _cell = 0.3 μs, ρ = 100 Ohms.
For C≈10 nF (three frames per cell)
L - 50 μH, n - 12,

τ _cell = 0.7 μs, ρ = 70 Ohms.
It should be borne in mind that each cell of the line is shunted by the active resistance of the corresponding electrodes of the EF that occurs when the corona current passes. The value of active resistance can be determined approximately as Ra - U _field / I _field ≈40000 / 0.2 - 200 kOhm. The active resistance of the cell line with distributed parameters, respectively, is n times greater. Thus, Ra ≫ ρ, i.e., energy losses during the passage of the pulse from cell to cell of the line will be negligible. Due to the fact that when using the proposed device the role of sources 6 of constant voltage changes, the magnitude of this voltage can be set below the level of corona discharge, which significantly unloads them in current. This makes it possible to feed several fields of different EFs with a single source of constant voltage.

Claims

1. Device for electric cleaning of dusty gases, containing at least one electrostatic precipitator, each of which has at least one field with a system of corona and precipitation electrodes, a power source for electrostatic precipitators with constant and pulse voltage, at least one isolation capacitor and current limiting elements, characterized the fact that the corona electrodes of each field are divided into at least two groups connected by inductive elements, each of which contains at least one corona uyuschy electrode.

2. The device according to claim 1, containing at least two electrostatic precipitators, each of which has at least two fields with systems of corona and precipitation electrodes, characterized in that the electrode field systems with the same serial numbers for each electrostatic precipitator are connected in parallel.