Elektrostatický odlučovač

Výkonnost odlučovače je velmi citlivá na dvě vlastnosti částic: 1) elektrický odpor a 2) distribuci velikosti částic. Tyto vlastnosti lze ekonomicky a přesně měřit v laboratoři pomocí standardních testů. Elektrický odpor lze stanovit jako funkci teploty podle normy IEEE 548. Tato zkouška se provádí ve vzdušném prostředí se stanovenou koncentrací vlhkosti. Zkouška se provádí jako funkce vzestupné nebo sestupné teploty, případně obou. Údaje se získávají při použití průměrného elektrického pole vrstvy popela 4 kV/cm. Protože se používá relativně nízké přiložené napětí a ve zkušebním prostředí nejsou přítomny páry kyseliny sírové, získané hodnoty udávají maximální odpor popela.

V ESP, kde jsou nabíjení a vybíjení částic klíčovými funkcemi, je odpor důležitým faktorem, který významně ovlivňuje účinnost sběru. Zatímco odpor je důležitým jevem v oblasti mezi elektrodami, kde probíhá většina nabíjení částic, má obzvláště důležitý vliv na vrstvu prachu u sběrné elektrody, kde dochází k vybíjení. Částice, které vykazují vysoký odpor, se obtížně nabíjejí. Jakmile se však nabije, po příchodu ke sběrné elektrodě se nabitého náboje snadno nevzdá. Naproti tomu částice s nízkým odporem se snadno nabíjejí a snadno odevzdávají svůj náboj na uzemněné sběrné elektrodě. Oba extrémy odporu brání účinnému fungování ESP. ESP nejlépe fungují za podmínek normální rezistivity.

Rezistivita, která je charakteristikou částic v elektrickém poli, je mírou odporu částice při přenosu náboje (přijímání i odevzdávání náboje). Rezistivita je funkcí chemického složení částice a také provozních podmínek spalin, jako je teplota a vlhkost. Částice mohou mít vysoký, střední (normální) nebo nízký odpor.

Objemový odpor je definován pomocí obecnější verze Ohmova zákona, jak je uvedeno v následující rovnici (1):

E → = ρ j → {\displaystyle {\vec {E}}={\rho }\,{\vec {j}}}

(1)

 Where: E is the Electric field strength (V/cm); j is the Current density (A/cm2); and ρ is the Resistivity (Ohm-cm)

Lepším způsobem zobrazení by bylo řešení odporu jako funkce přiloženého napětí a proudu, jak je uvedeno v rovnici (2) níže:

ρ = A V I l {\displaystyle \rho ={\frac {AV}{Il}}}}.

(2)

 Where: ρ = Resistivity (Ohm-cm) V = The applied DC potential, (Volts); I = The measured current, (Amperes); l = The ash layer thickness, (cm); and A = The current measuring electrode face area, (cm2).

Rezistivita je elektrický odpor vzorku prachu 1. Je to elektrický odpor vzorku prachu.0 cm2 v průřezu o tloušťce 1,0 cm a zaznamenává se v jednotkách ohm-cm. V tomto článku bude popsána metoda měření měrného odporu. V následující tabulce jsou uvedeny rozsahy hodnot pro nízký, normální a vysoký odpor.

Odpor prachové vrstvyEdit

Odpor ovlivňuje elektrické podmínky v prachové vrstvě tím, že se na vrstvě vytváří potenciální elektrické pole (úbytek napětí), protože záporně nabité částice přicházejí na její povrch a propouštějí své elektrické náboje na sběrnou desku. Na kovovém povrchu elektricky uzemněné sběrné desky je napětí nulové, zatímco na vnějším povrchu prachové vrstvy, kam přicházejí nové částice a ionty, může být elektrostatické napětí způsobené ionty plynu poměrně vysoké. Síla tohoto elektrického pole závisí na odporu a tloušťce prachové vrstvy.

V prachových vrstvách s vysokým odporem není prach dostatečně vodivý, takže elektrické náboje se obtížně pohybují prachovou vrstvou. V důsledku toho se elektrické náboje hromadí na povrchu a pod povrchem prachové vrstvy a vytvářejí silné elektrické pole.

Napětí může být větší než 10 000 voltů. Prachové částice s vysokým odporem se příliš silně drží na desce, což ztěžuje jejich odstranění a způsobuje problémy s rapováním.

V prachových vrstvách s nízkým odporem se koronový proud snadno přenáší na uzemněnou sběrnou elektrodu. Proto se přes vrstvu prachu udržuje relativně slabé elektrické pole o napětí několika tisíc voltů. Shromážděné prachové částice s nízkým odporem nepřilnou dostatečně silně ke sběrné desce. Snadno se uvolňují a zadržují se v proudu plynu.

Elektrická vodivost objemové vrstvy částic závisí na povrchových i objemových faktorech. Objemová vodivost neboli pohyby elektrických nábojů vnitřkem částic závisí především na složení a teplotě částic. V oblastech s vyššími teplotami, nad 260 °C (500 °F), řídí mechanismus vodivosti objemová vodivost. Objemová vodivost zahrnuje také pomocné faktory, jako je stlačení vrstvy částic, velikost a tvar částic a povrchové vlastnosti.

Objemová vodivost je na obrázcích znázorněna jako přímka při teplotách nad 260 °C (500 °F). Při teplotách nižších než přibližně 450 °F (230 °C) začínají elektrické náboje proudit přes povrchovou vlhkost a chemické filmy adsorbované na částicích. Povrchová vodivost začíná snižovat hodnoty odporu a ohýbá křivku směrem dolů při teplotách pod 260 °C (500 °F)

Tyto filmy se obvykle fyzikálně i chemicky liší od vnitřku částic díky adsorpčním jevům. Teoretické výpočty ukazují, že k zajištění požadované povrchové vodivosti postačují filmy vlhkosti o tloušťce pouze několika molekul. Povrchová vodivost na částicích úzce souvisí s povrchovými svodovými proudy vyskytujícími se na elektrických izolátorech, které byly podrobně studovány. Zajímavou praktickou aplikací povrchových úniků je stanovení rosného bodu měřením proudu mezi sousedními elektrodami namontovanými na skleněném povrchu. Prudký nárůst proudu signalizuje tvorbu vlhkého filmu na skle. Tato metoda byla účinně použita pro stanovení výrazného nárůstu rosného bodu, ke kterému dochází, když se do atmosféry přidá malé množství par kyseliny sírové (na trhu jsou k dispozici komerční měřiče rosného bodu).

Následující diskuse o normálním, vysokém a nízkém odporu se vztahuje na ESP provozované v suchém stavu; odpor není problémem při provozu mokrých ESP kvůli koncentraci vlhkosti v ESP. Vztah mezi obsahem vlhkosti a odporem je vysvětlen dále v této práci.

Normální odporEdit

Jak je uvedeno výše, ESP pracují nejlépe za podmínek normálního odporu. Částice s normálním odporem neztrácejí rychle svůj náboj při příchodu ke sběrné elektrodě. Tyto částice pomalu propouštějí svůj náboj na uzemněné desky a jsou udržovány na sběrných deskách mezimolekulárními adhezními a kohezními silami. To umožňuje vytvoření vrstvy částic a jejich následné odstranění z destiček pomocí rappingu. V rozsahu normálního odporu prachu (mezi 107 a 2 x 1010 ohm-cm) se popílek zachycuje snadněji než prach s nízkým nebo vysokým odporem.

Vysoký odporEdit

Pokud je úbytek napětí na vrstvě prachu příliš vysoký, může dojít k několika nepříznivým účinkům. Zaprvé, vysoký úbytek napětí snižuje rozdíl napětí mezi vybíjecí elektrodou a sběrnou elektrodou, a tím snižuje intenzitu elektrostatického pole, které slouží k převádění částic nabitých ionty plynu na sběrnou vrstvu prachu. Jak vrstva prachu narůstá a elektrické náboje se hromadí na povrchu vrstvy prachu, rozdíl napětí mezi vybíjecí a sběrnou elektrodou se snižuje. Snížená intenzita elektrického pole ovlivňuje zejména migrační rychlosti malých částic.

Další problém, který se vyskytuje u prachových vrstev s vysokým odporem, se nazývá zpětná korona. K tomu dochází, když je pokles potenciálu napříč prachovou vrstvou tak velký, že se v plynu, který je zachycen uvnitř prachové vrstvy, začnou objevovat koronové výboje. Vrstva prachu se elektricky rozpadá a vytváří malé otvory nebo krátery, ze kterých vznikají zpětné koronové výboje. V prachové vrstvě vznikají kladné ionty plynu, které jsou urychlovány směrem k „záporně nabité“ výbojové elektrodě. Kladné ionty snižují některé záporné náboje na vrstvě prachu a neutralizují některé záporné ionty na „nabitých částicích“ směřujících ke sběrné elektrodě. Narušení normálního koronového procesu značně snižuje účinnost sběru ESP, která může v závažných případech klesnout pod 50 % . Při zpětné koróně se prachové částice hromadí na elektrodách a vytvářejí izolační vrstvu. Tu často nelze opravit bez vyřazení jednotky z provozu.

Třetím a obecně nejčastějším problémem s vysokoodporovým prachem je zvýšené elektrické jiskření. Když rychlost jiskření překročí „nastavený limit rychlosti jiskření“, automatické regulátory omezí provozní napětí pole. To způsobuje snížení nabíjení částic a snížení migrační rychlosti směrem ke sběrné elektrodě. Vysoký odpor lze obecně snížit následujícími způsoby:

• Úpravou teploty;
• Zvýšením obsahu vlhkosti;
• Přidáním kondicionérů do proudu plynu;
• Zvětšením sběrné plochy a
• Použitím srážedel na horké straně (příležitostně a s vědomím vyčerpání sodíku).

Tenké vrstvy prachu a prach s vysokou rezistivitou podporují zejména vznik zadních kráterů koróny. Silná zadní korona byla pozorována u vrstev prachu tenkých až 0,1 mm, ale vrstva prachu silná jen něco málo přes jednu částici může snížit jiskřící napětí o 50 %. Nejvýraznější účinky zpětné korony na proudově-napěťové charakteristiky jsou:

1. Snížení jiskrového napětí až o 50 % nebo více;
2. Přeskoky nebo nespojitosti proudu způsobené tvorbou stabilních kráterů zpětné korony a
3. Velký nárůst maximálního koronového proudu, který těsně pod jiskřištěm nad koronou může být několikanásobkem normálního proudu.

Na obrázku níže a vlevo je znázorněna změna odporu s měnící se teplotou plynu pro šest různých průmyslových prachů spolu se třemi popílky z uhelných elektráren. Obrázek vpravo znázorňuje hodnoty odporu naměřené pro různé chemické sloučeniny, které byly připraveny v laboratoři.

Hodnoty odporu reprezentativních prachů a kouřových plynů z průmyslových závodů

Odpory Hodnoty různých chemických látek a činidel v závislosti na teplotě

Výsledky pro popílek A (na obrázku vlevo) byly získány ve vzestupném teplotním režimu. Tyto údaje jsou typické pro popílek se středním až vysokým obsahem hořlavin. Údaje pro popílek B pocházejí ze stejného vzorku a byly získány v sestupném teplotním režimu.

Rozdíly mezi vzestupným a sestupným teplotním režimem jsou způsobeny přítomností nespálených hořlavin ve vzorku. Mezi oběma zkušebními režimy se vzorky vyrovnávají v suchém vzduchu po dobu 14 hodin (přes noc) při teplotě 450 °C (850 °F). Tímto nočním žíháním se obvykle odstraní 60 až 90 % všech nespálených hořlavin přítomných ve vzorcích. Jak přesně funguje uhlík jako nosič náboje, není zcela jasné, ale je známo, že výrazně snižuje odpor prachu.

Odpor měřený jako funkce teploty při různých koncentracích vlhkosti (vlhkosti)

Uhlík se může zpočátku chovat jako prach s vysokým odporem ve srážedle. K tomu, aby se začala vytvářet koróna, může být zapotřebí vyšší napětí. Tato vyšší napětí mohou být pro řídicí jednotky TR-Set problematická. Problém spočívá v tom, že nástup koróny způsobuje velký proud, který prochází (nízkoodporovou) vrstvou prachu. Řídicí jednotky tento nárůst vnímají jako jiskru. Vzhledem k tomu, že odlučovače pracují v režimu omezování jisker, je napájení přerušeno a cyklus generování korony se znovu spustí. Proto jsou zaznamenány nižší hodnoty výkonu (proudu) při relativně vysokých hodnotách napětí.

Předpokládá se, že k témuž dochází při laboratorních měřeních. Při laboratorních měřeních se používá geometrie paralelních desek bez generování koróny. Vzorek je uložen v misce z nerezové oceli. Další závaží elektrody z nerezové oceli leží na horní části vzorku (přímý kontakt s vrstvou prachu). Při zvyšování napětí od malých hodnot (např. 20 V) není měřen žádný proud. Pak se dosáhne prahové úrovně napětí. Při této úrovni vzroste proud ve vzorku natolik, že může dojít k vypnutí napěťové jednotky. Po odstranění nespálených hořlavin během výše uvedeného postupu žíhání vykazuje křivka klesajícího teplotního režimu typický tvar obráceného „V“, který lze očekávat.

Nízký odporEdit

Částice, které mají nízký odpor, se obtížně sbírají, protože se snadno nabíjejí (jsou velmi vodivé) a po příchodu na sběrnou elektrodu rychle ztrácejí svůj náboj. Částice přebírají náboj sběrné elektrody, odrážejí se od desek a znovu se dostávají do proudu plynu. Chybí tedy přitažlivé a odpudivé elektrické síly, které normálně působí při normálních a vyšších odporech, a vazebné síly na desky jsou podstatně menší. Příkladem prachu s nízkým odporem je nespálený uhlík v popílku a saze.

Jsou-li tyto vodivé částice hrubé, lze je odstranit před odlučovačem pomocí zařízení, jako je cyklonový mechanický sběrač.

V posledních letech našlo široké uplatnění přidávání kapalného amoniaku (NH
3) do proudu plynu jako upravujícího činidla. Předpokládá se, že amoniak reaguje s H
2SO
4 obsaženým ve spalinách za vzniku sloučeniny síranu amonného, která zvyšuje soudržnost prachu. Tato dodatečná soudržnost vyrovnává ztrátu elektrických přitažlivých sil.

Následující tabulka shrnuje charakteristiky spojené s prachem s nízkým, normálním a vysokým odporem.

Vlhkost proudu spalin rovněž ovlivňuje odpor částic. Zvýšení obsahu vlhkosti proudu plynů rozprašováním vody nebo vstřikováním páry do potrubí před ESP snižuje rezistivitu. Jak při úpravě teploty, tak při úpravě vlhkosti je třeba udržovat podmínky plynu nad rosným bodem, aby se předešlo problémům s korozí ESP nebo navazujících zařízení. Obrázek vpravo ukazuje vliv teploty a vlhkosti na odpor cementového prachu. S nárůstem procenta vlhkosti v proudu plynu z 6 na 20 % se odpor prachu dramaticky snižuje. Také zvýšení nebo snížení teploty může snížit rezistivitu cementového prachu pro všechna zastoupená procenta vlhkosti.

Ukázalo se, že přítomnost SO
3 v proudu plynu podporuje proces elektrostatického srážení při problémech s vysokou rezistivitou. Většina obsahu síry v uhlí spalovaném pro spalovací zdroje se přeměňuje na SO
2. Přibližně 1 % síry se však přeměňuje na SO
3. Množství SO
3 ve spalinách se obvykle zvyšuje s rostoucím obsahem síry v uhlí. Odpor částic klesá s rostoucím obsahem síry v uhlí.

K snížení odporu částic se používají také další kondicionéry, jako je kyselina sírová, amoniak, chlorid sodný a uhličitan sodný (někdy jako surový tron). Proto je chemické složení proudu spalin důležité s ohledem na odpor částic, které mají být zachyceny v ESP. V následující tabulce jsou uvedeny různé kondicionéry a mechanismy jejich působení.

Pokud dojde ke vstřikování síranu amonného při teplotě vyšší než přibližně 600 °F (320 °C), dochází k disociaci na amoniak a oxid sírový. V závislosti na popílku může SO
2 přednostně interagovat s popílkem jako SO
3 kondicionér. Zbytek rekombinuje s amoniakem a zvyšuje prostorový náboj i soudržnost popílku.

Nedávno bylo zjištěno, že hlavní příčinou ztráty účinnosti elektrostatického odlučovače je kromě sběrných desek také hromadění částic na nabíjecích vodičích (Davidson a McKinney, 1998). To lze snadno napravit tím, že se zajistí, aby se samotné dráty čistily současně s čištěním sběrných desek.

Páry kyseliny sírové (SO
3) zesilují účinky vodních par na povrchovou vodivost. Fyzikálně se adsorbuje ve vrstvě vlhkosti na povrchu částic. Účinky relativně malého množství kyselých par jsou vidět na obrázku níže a vpravo.

Vlastní odpor vzorku při 300 °F (150 °C) je 5×1012 ohm-cm. Rovnovážná koncentrace pouhých 1,9 ppm par kyseliny sírové sníží tuto hodnotu na přibližně 7 x 109 ohm-cm.

Rezistivita modelovaná jako funkce podmínek prostředí – zejména par kyseliny sírové

.