Elektrofilter

Filterets ydeevne er meget følsom over for to partikelegenskaber: 1) elektrisk resistivitet og 2) partikelstørrelsesfordeling. Disse egenskaber kan måles økonomisk og nøjagtigt i laboratoriet ved hjælp af standardtests. Resistivitet kan bestemmes som en funktion af temperaturen i overensstemmelse med IEEE-standard 548. Denne test udføres i et luftmiljø med en bestemt fugtighedskoncentration. Testen udføres som en funktion af stigende eller faldende temperatur, eller begge dele. Dataene indsamles ved hjælp af et gennemsnitligt elektrisk felt i askelaget på 4 kV/cm. Da der anvendes en relativt lav anvendt spænding, og der ikke er svovlsyredampe til stede i prøvningsmiljøet, angiver de opnåede værdier den maksimale askemodstand.

I en ESP, hvor partikelopladning og -afladning er nøglefunktioner, er modstandsevnen en vigtig faktor, der i væsentlig grad påvirker opsamlingseffektiviteten. Mens resistivitet er et vigtigt fænomen i området mellem elektroderne, hvor den største del af partikelopladningen finder sted, har den en særlig vigtig virkning på støvlaget ved opsamlingselektroden, hvor afladningen finder sted. Partikler, der udviser høj resistivitet, er vanskelige at oplade. Men når de først er opladet, afgiver de ikke uden videre deres opladning, når de ankommer til opsamlingselektroden. På den anden side bliver partikler med lav resistivitet let opladet og afgiver let deres ladning til den jordede opsamlingselektrode. Begge ekstremer i resistivitet forhindrer ESP’er i at fungere effektivt. ESP’er fungerer bedst under normale resistivitetsforhold.

Resistivitet, som er en egenskab ved partikler i et elektrisk felt, er et mål for en partikels modstand mod overførsel af ladning (både modtagelse og afgivelse af ladninger). Resistivitet er en funktion af en partikels kemiske sammensætning samt af røggasdriftsbetingelser som f.eks. temperatur og fugt. Partikler kan have en høj, moderat (normal) eller lav resistivitet.

Bulkvægresistivitet defineres ved hjælp af en mere generel version af Ohm’s lov, som angivet i ligning (1) nedenfor:

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)

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

En bedre måde at vise dette på ville være at løse resistiviteten som en funktion af den påførte spænding og strøm, som angivet i ligning (2) nedenfor:

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).

Resistivitet er den elektriske modstand i en støvprøve 1.0 cm2 i tværsnitsareal, 1,0 cm tyk, og registreres i enheder af ohm-cm. En metode til måling af resistivitet vil blive beskrevet i denne artikel. Nedenstående tabel viser værdiintervaller for lav, normal og høj resistivitet.

StøvlagsmodstandRediger

Modstanden påvirker de elektriske forhold i støvlaget ved, at der dannes et potentielt elektrisk felt (spændingsfald) på tværs af laget, når negativt ladede partikler ankommer til dets overflade og lader deres elektriske ladninger slippe ud til opsamlingspladen. Ved metaloverfladen af den elektrisk jordede opsamlingsplade er spændingen nul, mens den elektrostatiske spænding forårsaget af gasionerne kan være ret høj ved støvlagets ydre overflade, hvor der kommer nye partikler og ioner til, og hvor gasionerne kan være ret høje. Styrken af dette elektriske felt afhænger af støvlagets modstand og tykkelse.

I støvlag med høj modstand er støvet ikke tilstrækkeligt ledende, så elektriske ladninger har svært ved at bevæge sig gennem støvlaget. Derfor ophobes de elektriske ladninger på og under støvlagets overflade, hvilket skaber et stærkt elektrisk felt.

Spændingerne kan være større end 10.000 volt. Støvpartikler med høj modstand holdes for stærkt fast til pladen, hvilket gør det vanskeligt at fjerne dem og giver problemer med rappning.

I støvlag med lav modstand ledes koronastrømmen let videre til den jordede opsamlingselektrode. Derfor opretholdes et relativt svagt elektrisk felt på flere tusinde volt over støvlaget. Indsamlede støvpartikler med lav modstand klæber ikke stærkt nok til opsamlingspladen. De løsnes let og bliver tilbageholdt i gasstrømmen.

Den elektriske ledningsevne af et bulklag af partikler afhænger af både overflade- og volumenfaktorer. Volumenledning, dvs. bevægelser af elektriske ladninger gennem partiklers indre, afhænger hovedsagelig af partiklernes sammensætning og temperatur. I de højere temperaturområder, over 260 °C (500 °F), styrer volumenledning ledningsmekanismen. Volumenledning involverer også supplerende faktorer, såsom kompression af partikellaget, partikelstørrelse og -form samt overfladeegenskaber.

Volumeledning er i figurerne repræsenteret som en ret linje ved temperaturer over 260 °C (500 °F). Ved temperaturer under ca. 230 °C (450 °F) begynder elektriske ladninger at strømme gennem overfladefugt og kemiske film, der er adsorberet på partiklerne. Overfladekonduktion begynder at sænke resistivitetsværdierne og bøje kurven nedad ved temperaturer under 260 °C (500 °F).

Disse film adskiller sig normalt både fysisk og kemisk fra partiklernes indre på grund af adsorptionsfænomener. Teoretiske beregninger viser, at fugtighedsfilm, der kun er få molekyler tykke, er tilstrækkelige til at give den ønskede overfladeledningsevne. Overfladeledning på partikler er nært beslægtet med overfladelækstrømme, der forekommer på elektriske isolatorer, og som er blevet undersøgt indgående. En interessant praktisk anvendelse af overfladelækage er bestemmelse af dugpunktet ved måling af strømmen mellem tilstødende elektroder, der er monteret på en glasoverflade. En kraftig stigning i strømmen signalerer, at der er dannet en fugtighedsfilm på glasset. Denne metode er blevet anvendt effektivt til bestemmelse af den markante stigning i dugpunktet, som opstår, når små mængder svovlsyredamp tilsættes en atmosfære (der findes kommercielle dugpunktsmålere på markedet).

Den følgende diskussion af normal, høj og lav modstand gælder for ESP’er, der drives i tør tilstand; modstand er ikke et problem ved drift af våde ESP’er på grund af fugtkoncentrationen i ESP’en. Forholdet mellem fugtindhold og modstand forklares senere i dette arbejde.

Normal resistivitetRediger

Som nævnt ovenfor fungerer ESP’er bedst under normale resistivitetsforhold. Partikler med normal resistivitet mister ikke hurtigt deres ladning ved ankomsten til opsamlingselektroden. Disse partikler lækker langsomt deres ladning til jordede plader og fastholdes på opsamlingspladerne ved hjælp af intermolekylære klæbende og kohæsive kræfter. Dette gør det muligt at opbygge et partikellag, som derefter løsnes fra pladerne ved at banke dem. Inden for området med normal støvresistivitet (mellem 107 og 2 x 1010 ohm-cm) opsamles flyveaske lettere end støv med enten lav eller høj resistivitet.

Høj resistivitetRediger

Hvis spændingsfaldet over støvlaget bliver for stort, kan der opstå flere negative virkninger. For det første reducerer det høje spændingsfald spændingsforskellen mellem udladningselektroden og opsamlingselektroden og reducerer dermed den elektrostatiske feltstyrke, der bruges til at drive de gasionladede partikler over til det opsamlede støvlag. Efterhånden som støvlaget opbygges, og de elektriske ladninger ophobes på overfladen af støvlaget, falder spændingsforskellen mellem udladnings- og opsamlingselektroderne. De små partiklers vandringshastigheder påvirkes især af den reducerede elektriske feltstyrke.

Et andet problem, der opstår med støvlag med høj resistivitet, kaldes back corona. Dette opstår, når potentialfaldet på tværs af støvlaget er så stort, at der begynder at opstå koronaudladninger i den gas, der er fanget i støvlaget. Støvlaget går elektrisk i stykker, hvorved der dannes små huller eller kratere, hvorfra der opstår koronaudladninger. Positive gasioner dannes i støvlaget og accelereres mod den “negativt ladede” udladningselektrode. De positive ioner reducerer nogle af de negative ladninger på støvlaget og neutraliserer nogle af de negative ioner på de “ladede partikler”, der er på vej mod opsamlingselektroden. Forstyrrelser af den normale corona-proces reducerer i høj grad ESP’ens opsamlingseffektivitet, som i alvorlige tilfælde kan falde til under 50% . Når der er tale om bagkorona, ophobes støvpartiklerne på elektroderne og danner et isoleringslag. Ofte kan dette ikke repareres uden at sætte enheden ud af drift.

Det tredje og generelt mest almindelige problem med støv med høj resistivitet er øget elektrisk gnistdannelse. Når gnisthastigheden overstiger den “indstillede gnisthastighedsgrænse”, begrænser de automatiske styringer driftsspændingen i feltet. Dette medfører reduceret partikelopladning og reducerede migrationshastigheder mod opsamlingselektroden. Høj resistivitet kan generelt reduceres ved at gøre følgende:

• Justering af temperaturen;
• Hævelse af fugtindholdet;
• Tilførsel af konditioneringsmidler til gasstrømmen;
• Forøgelse af opsamlingsoverfladen; og
• Anvendelse af hot-side udskillere (lejlighedsvis og med forhåndsviden om natriumudtømning).

Tynde støvlag og støv med høj resistivitet begunstiger især dannelsen af bagkoronakratere. Der er observeret alvorlig bagkorona med støvlag så tynde som 0,1 mm, men et støvlag, der kun er lidt over én partikel tykt, kan reducere gnistspændingen med 50%. De mest markante virkninger af bagkorona på strøm-spændingsegenskaberne er:

1. Reduktion af gnistoverspændingen med op til 50% eller mere;
2. Spring eller afbrydelser i strømmen forårsaget af dannelsen af stabile bagkoronakratere; og
3. stor stigning i den maksimale koronastrøm, som lige under gnistoverkoronaåbningen kan være flere gange så stor som den normale strøm.

Figuren nedenfor og til venstre viser variationen i resistivitet med skiftende gastemperatur for seks forskellige industristøvstoffer sammen med tre kulfyrede flyveasker. Figuren til højre illustrerer resistivitetsværdier, der er målt for forskellige kemiske forbindelser, som blev fremstillet i laboratoriet.

Resistivitetsværdier for repræsentativt støv og røg fra industrianlæg

Resistivitet Værdier for forskellige kemikalier og reagenser som en funktion af temperaturen

Resultaterne for flyveaske A (i figuren til venstre) blev opnået i stigende temperaturtilstand. Disse data er typiske for en aske med et moderat til højt indhold af brændbare stoffer. Data for flyveaske B er fra den samme prøve, som er optaget ved faldende temperatur.

Forskellene mellem den stigende og den faldende temperatur skyldes tilstedeværelsen af uforbrændte brændstoffer i prøven. Mellem de to prøvningstilstande afbalanceres prøverne i tør luft i 14 timer (natten over) ved 450 °C (850 °F). Denne udglødningsproces over natten fjerner typisk mellem 60 % og 90 % af eventuelle uforbrændte brændbare stoffer i prøverne. Præcis hvordan kulstof fungerer som ladningsbærer er ikke fuldt ud forstået, men det er kendt, at det reducerer støvets resistivitet betydeligt.

Resistivitet målt som funktion af temperaturen i varierende fugtighedskoncentrationer (fugtighed)

Kulstof kan i første omgang virke som et støv med høj resistivitet i udfældningsanlægget. Der kan være behov for højere spændinger, for at koronadannelse kan begynde. Disse højere spændinger kan være problematiske for TR-Set-styringen. Problemet består i, at koronaen forårsager store mængder strøm, der strømmer gennem støvlaget (med lav resistivitet). Kontrolenhederne opfatter denne strømstød som en gnist. Da udskillere drives i gnistbegrænsningstilstand, afbrydes strømmen, og koronaproduktionscyklussen starter igen. Der konstateres således lavere effektmålinger (strøm) med relativt høje spændingsmålinger.

Det samme menes at ske ved laboratoriemålinger. Der anvendes parallel pladegeometri ved laboratoriemålinger uden koronagenerering. En kop af rustfrit stål indeholder prøven. En anden elektrodevægt af rustfrit stål sidder oven på prøven (direkte kontakt med støvlaget). Når spændingen øges fra små mængder (f.eks. 20 V), måles der ingen strøm. Derefter nås et tærskelspændingsniveau. Ved dette niveau stiger strømmen gennem prøven … så meget, at spændingsforsyningsenheden kan gå i stå. Efter fjernelse af de uforbrændte brændstoffer under ovennævnte udglødningsprocedure viser kurven for den nedadgående temperaturtilstand den typiske omvendte “V”-form, som man kunne forvente.

Lav resistivitetRediger

Partikler med lav resistivitet er vanskelige at opsamle, fordi de er let ladede (meget ledende) og hurtigt mister deres ladning ved ankomsten til opsamlingselektroden. Partiklerne optager opsamlingselektrodens ladning, preller af på pladerne og bliver igen inddraget i gasstrømmen. De tiltrækkende og frastødende elektriske kræfter, der normalt virker ved normal og højere resistivitet, er således ikke til stede, og bindingskræfterne til pladen er betydeligt reduceret. Eksempler på støv med lav resistivitet er uforbrændt kulstof i flyveaske og carbon black.

Hvis disse ledende partikler er grove, kan de fjernes opstrøms for udskilleren ved hjælp af en anordning som f.eks. en mekanisk cyklonopsamler.

Tilsætning af flydende ammoniak (NH
3) i gasstrømmen som konditioneringsmiddel har fundet bred anvendelse i de senere år. Det er en teori, at ammoniak reagerer med H
2SO
4 i røggassen og danner en ammoniumsulfatforbindelse, der øger støvets kohesivitet. Denne ekstra kohesivitet kompenserer for tabet af elektriske tiltrækningskræfter.

Nedenstående tabel opsummerer de egenskaber, der er forbundet med støv med lav, normal og høj resistivitet.

Fugtindholdet i røggasstrømmen påvirker også partikelresistiviteten. Hvis gasstrømmens fugtindhold øges ved at sprøjte vand eller indsprøjte damp i kanalerne forud for ESP’en, sænkes resistiviteten. Både ved temperaturjustering og fugtkonditionering skal man holde gasforholdene over dugpunktet for at undgå korrosionsproblemer i ESP’en eller det efterfølgende udstyr. Figuren til højre viser virkningen af temperatur og fugt på resistiviteten af cementstøv. Når fugtprocenten i gasstrømmen stiger fra 6 til 20 %, falder støvets resistivitet drastisk. Ligeledes kan en forøgelse eller sænkning af temperaturen mindske cementstøvets resistivitet for alle de repræsenterede fugtprocenter.

Fors tilstedeværelsen af SO
3 i gasstrømmen har vist sig at begunstige den elektrostatiske udfældningsproces, når der opstår problemer med høj resistivitet. Det meste af svovlindholdet i det kul, der brændes til forbrændingskilder, omdannes til SO
2. Ca. 1% af svovlet omdannes dog til SO
3. Mængden af SO
3 i røggassen stiger normalt med stigende svovlindhold i kulet. Partiklernes resistivitet falder, når svovlindholdet i kulet stiger.

Andre konditioneringsmidler, såsom svovlsyre, ammoniak, natriumklorid og soda (undertiden som rå trona), er også blevet anvendt til at reducere partikelmodstanden. Derfor er røggasstrømmens kemiske sammensætning vigtig med hensyn til resistiviteten af de partikler, der skal opsamles i ESP’en. Nedenstående tabel indeholder en liste over forskellige konditioneringsmidler og deres virkningsmekanismer.

Hvis indsprøjtning af ammoniumsulfat sker ved en temperatur på over ca. 320 °C (600 °F), sker der dissociation til ammoniak og svovltrioxid. Afhængigt af asken kan SO
2 fortrinsvis interagere med flyveaske som SO
3-konditionering. Resten rekombineres med ammoniak for at tilføje til rumladningen samt øge askens kohesivitet.

For nylig er det blevet erkendt, at en væsentlig årsag til tab af effektivitet i elektrofilteret skyldes partikelophobning på ladetrådene ud over på opsamlingspladerne (Davidson og McKinney, 1998). Dette kan let afhjælpes ved at sørge for, at selve ledningerne rengøres samtidig med, at opsamlingspladerne rengøres.

Svovlsyredamp (SO
3) forstærker vanddampens virkninger på overfladeledningen. Den adsorberes fysisk i laget af fugt på partikeloverfladerne. Virkningerne af relativt små mængder syredamp kan ses i figuren nedenfor og til højre.

Provens iboende resistivitet ved 300 °F (150 °C) er 5×1012 ohm-cm. En ligevægtskoncentration på blot 1,9 ppm svovlsyredamp sænker denne værdi til ca. 7 x 109 ohm-cm.

Modelleret resistivitet som en funktion af miljøforhold – især svovlsyredamp