Die Leistung eines Elektrofilters hängt sehr stark von zwei Partikeleigenschaften ab: 1) den elektrischen Widerstand und 2) die Partikelgrößenverteilung. Diese Eigenschaften können im Labor mit Standardtests kostengünstig und genau gemessen werden. Der spezifische Widerstand kann als Funktion der Temperatur gemäß IEEE-Standard 548 bestimmt werden. Dieser Test wird in einer Luftumgebung durchgeführt, die eine bestimmte Feuchtigkeitskonzentration enthält. Der Test wird als Funktion der ansteigenden oder abfallenden Temperatur oder beider durchgeführt. Die Daten werden mit einem durchschnittlichen elektrischen Feld der Ascheschicht von 4 kV/cm erfasst. Da eine relativ niedrige Spannung angelegt wird und kein Schwefelsäuredampf in der Testumgebung vorhanden ist, geben die erhaltenen Werte den maximalen Aschewiderstand an.
In einem Elektrofilter, in dem das Laden und Entladen der Partikel eine Schlüsselfunktion darstellt, ist der spezifische Widerstand ein wichtiger Faktor, der die Abscheideleistung erheblich beeinflusst. Während der spezifische Widerstand ein wichtiges Phänomen im Bereich zwischen den Elektroden ist, wo die meisten Partikel aufgeladen werden, wirkt er sich besonders stark auf die Staubschicht an der Sammelelektrode aus, wo die Entladung stattfindet. Partikel, die einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen, sind schwer aufzuladen. Wenn sie jedoch einmal aufgeladen sind, geben sie ihre erworbene Ladung bei der Ankunft an der Sammelelektrode nicht ohne Weiteres wieder ab. Andererseits lassen sich Partikel mit niedrigem spezifischen Widerstand leicht aufladen und geben ihre Ladung an die geerdete Sammelplatte ab. Beide Extreme des spezifischen Widerstandes behindern das effiziente Funktionieren von Elektrofilteranlagen. ESPs funktionieren am besten unter normalen Widerstandsbedingungen.
Der spezifische Widerstand, der eine Eigenschaft von Partikeln in einem elektrischen Feld ist, ist ein Maß für den Widerstand eines Partikels bei der Übertragung von Ladung (sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Abgabe von Ladungen). Der spezifische Widerstand ist eine Funktion der chemischen Zusammensetzung eines Partikels sowie der Betriebsbedingungen des Rauchgases wie Temperatur und Feuchtigkeit. Partikel können einen hohen, mäßigen (normalen) oder niedrigen spezifischen Widerstand haben.
Der spezifische Widerstand wird durch eine allgemeinere Version des Ohmschen Gesetzes definiert, wie in Gleichung (1) unten angegeben:
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E → = ρ j → {\displaystyle {\vec {E}}={\rho }\,{\vec {j}}}
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(1) |
Where: E is the Electric field strength (V/cm); j is the Current density (A/cm2); and ρ is the Resistivity (Ohm-cm)
Ein besserer Weg, dies darzustellen, wäre, den Widerstand als Funktion der angelegten Spannung und des Stroms zu lösen, wie in Gleichung (2) unten angegeben:
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ρ = A V I l {\displaystyle \rho ={\frac {AV}{Il}}}
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(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).
Die Resistivität ist der elektrische Widerstand einer Staubprobe 1.0 cm2 Querschnittsfläche, 1,0 cm dick, und wird in der Einheit Ohm-cm angegeben. Eine Methode zur Messung des spezifischen Widerstandes wird in diesem Artikel beschrieben. Die nachstehende Tabelle enthält Wertebereiche für niedrigen, normalen und hohen spezifischen Widerstand.
| Widerstand | Messbereich |
|---|---|
| Niedrig | zwischen 104 und 107 Ohm-cm |
| Normal | zwischen 107 und 2×1010 Ohm- cm |
| Hoch | über 2×1010 Ohm-cm |
StaubschichtwiderstandEdit
Der Widerstand beeinflusst die elektrischen Bedingungen in der Staubschicht durch ein potenzielles elektrisches Feld (Spannungsabfall), das sich über der Schicht ausbildet, wenn negativ geladene Teilchen an ihrer Oberfläche ankommen und ihre elektrischen Ladungen an die Sammelplatte abgeben. An der Metalloberfläche der elektrisch geerdeten Sammelplatte ist die Spannung gleich Null, während an der äußeren Oberfläche der Staubschicht, wo neue Teilchen und Ionen ankommen, die von den Gasionen verursachte elektrostatische Spannung recht hoch sein kann. Die Stärke dieses elektrischen Feldes hängt vom Widerstand und der Dicke der Staubschicht ab.
In Staubschichten mit hohem Widerstand ist der Staub nicht ausreichend leitfähig, so dass sich elektrische Ladungen nur schwer durch die Staubschicht bewegen können. Folglich sammeln sich elektrische Ladungen auf und unter der Oberfläche der Staubschicht und erzeugen ein starkes elektrisches Feld.
Die Spannungen können mehr als 10.000 Volt betragen. Staubpartikel mit hohem Widerstand werden zu stark an der Platte festgehalten, was ihre Entfernung erschwert und Probleme beim Abklopfen verursacht.
Bei Staubschichten mit niedrigem Widerstand wird der Koronastrom leicht an die geerdete Sammelelektrode weitergeleitet. Daher wird ein relativ schwaches elektrisches Feld von mehreren tausend Volt über der Staubschicht aufrechterhalten. Gesammelte Staubpartikel mit geringem Widerstand haften nicht stark genug an der Sammelplatte. Sie lassen sich leicht ablösen und werden im Gasstrom zurückgehalten.
Die elektrische Leitfähigkeit einer Partikelschicht hängt sowohl von Oberflächen- als auch von Volumenfaktoren ab. Die Volumenleitung, d. h. die Bewegung elektrischer Ladungen durch das Innere der Teilchen, hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung und der Temperatur der Teilchen ab. In den höheren Temperaturbereichen über 260 °C (500 °F) bestimmt die Volumenleitung den Leitungsmechanismus. Bei der Volumenleitung spielen auch zusätzliche Faktoren eine Rolle, wie z. B. die Kompression der Partikelschicht, die Partikelgröße und -form sowie die Oberflächeneigenschaften.
Die Volumenleitung wird in den Abbildungen bei Temperaturen über 260 °C (500 °F) als eine gerade Linie dargestellt. Bei Temperaturen unter 230 °C (450 °F) beginnen die elektrischen Ladungen durch die Oberflächenfeuchtigkeit und die auf den Partikeln adsorbierten chemischen Filme zu fließen. Die Oberflächenleitung beginnt die Widerstandswerte zu senken und die Kurve bei Temperaturen unter 260 °C (500 °F) nach unten zu biegen.
Diese Filme unterscheiden sich in der Regel sowohl physikalisch als auch chemisch vom Inneren der Partikel aufgrund von Adsorptionsphänomenen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass Feuchtigkeitsfilme mit einer Dicke von nur wenigen Molekülen ausreichen, um die gewünschte Oberflächenleitfähigkeit zu erreichen. Die Oberflächenleitung auf Partikeln steht in engem Zusammenhang mit den Oberflächenleckströmen auf elektrischen Isolatoren, die ausgiebig untersucht worden sind. Eine interessante praktische Anwendung der Oberflächenleckströme ist die Bestimmung des Taupunkts durch Messung des Stroms zwischen benachbarten Elektroden, die auf einer Glasoberfläche angebracht sind. Ein starker Anstieg des Stroms signalisiert die Bildung eines Feuchtigkeitsfilms auf dem Glas. Diese Methode hat sich bei der Bestimmung des deutlichen Anstiegs des Taupunkts bewährt, der auftritt, wenn einer Atmosphäre kleine Mengen Schwefelsäuredampf zugesetzt werden (kommerzielle Taupunktmessgeräte sind auf dem Markt erhältlich).
Die folgende Diskussion über normalen, hohen und niedrigen Widerstand gilt für ESPs, die in trockenem Zustand betrieben werden; der Widerstand ist beim Betrieb von nassen ESPs aufgrund der Feuchtigkeitskonzentration im ESP kein Problem. Die Beziehung zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Widerstand wird später in dieser Arbeit erklärt.
Normaler WiderstandBearbeiten
Wie oben erwähnt, funktionieren Elektrofilter am besten unter normalen Widerstandsbedingungen. Partikel mit normalem Widerstand verlieren ihre Ladung bei Ankunft an der Sammelelektrode nicht so schnell. Diese Partikel geben ihre Ladung langsam an geerdete Platten ab und werden durch intermolekulare Adhäsions- und Kohäsionskräfte auf den Sammelplatten gehalten. Dadurch kann sich eine Partikelschicht aufbauen, die dann durch Klopfen von den Platten abgelöst wird. Im Bereich des normalen Staubwiderstandes (zwischen 107 und 2 x 1010 Ohm-cm) wird Flugasche leichter gesammelt als Staub mit niedrigem oder hohem Widerstand.
Hoher WiderstandEdit
Wenn der Spannungsabfall über der Staubschicht zu hoch wird, können mehrere nachteilige Auswirkungen auftreten. Erstens verringert der hohe Spannungsabfall die Spannungsdifferenz zwischen der Entladungselektrode und der Sammelelektrode und damit die elektrostatische Feldstärke, mit der die gasionengeladenen Partikel in die gesammelte Staubschicht getrieben werden. Wenn sich die Staubschicht aufbaut und sich die elektrischen Ladungen auf der Oberfläche der Staubschicht ansammeln, verringert sich der Spannungsunterschied zwischen der Entladungs- und der Sammelelektrode. Die Migrationsgeschwindigkeiten kleiner Partikel werden durch die verringerte elektrische Feldstärke besonders beeinträchtigt.
Ein weiteres Problem, das bei Staubschichten mit hohem Widerstand auftritt, ist die sogenannte Rückkorona. Sie tritt auf, wenn der Potenzialabfall über der Staubschicht so groß ist, dass es zu Koronaentladungen im Gas kommt, das in der Staubschicht eingeschlossen ist. Die Staubschicht bricht elektrisch zusammen und erzeugt kleine Löcher oder Krater, aus denen Rückkoronaentladungen entstehen. In der Staubschicht entstehen positive Gasionen, die in Richtung der „negativ geladenen“ Entladungselektrode beschleunigt werden. Die positiven Ionen reduzieren einen Teil der negativen Ladungen in der Staubschicht und neutralisieren einen Teil der negativen Ionen auf den „geladenen Teilchen“, die auf die Sammelelektrode zufliegen. Störungen des normalen Koronaprozesses verringern die Abscheideleistung des Elektrofilters erheblich, die in schweren Fällen unter 50 % fallen kann. Wenn eine Rückkorona vorhanden ist, lagern sich die Staubpartikel auf den Elektroden ab und bilden eine Isolierschicht. Dies kann oft nicht repariert werden, ohne das Gerät vom Netz zu nehmen.
Das dritte und im Allgemeinen häufigste Problem mit hochohmigem Staub ist die erhöhte elektrische Funkenbildung. Wenn die Funkenbildung den „Grenzwert für die Funkenbildung“ überschreitet, begrenzen die automatischen Steuerungen die Betriebsspannung des Feldes. Dies führt zu einer verminderten Aufladung der Partikel und einer geringeren Wanderungsgeschwindigkeit in Richtung der Sammelelektrode. Ein hoher Widerstand kann im Allgemeinen durch folgende Maßnahmen verringert werden:
- Anpassung der Temperatur;
- Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts;
- Zugabe von Konditionierungsmitteln zum Gasstrom;
- Vergrößerung der Sammelfläche; und
- Verwendung von Heißseitenabscheidern (gelegentlich und bei Kenntnis der Natriumverarmung).
Dünne Staubschichten und Staub mit hohem Widerstand begünstigen besonders die Bildung von Rückkorona-Kratern. Starke Rückkorona wurde bei Staubschichten von nur 0,1 mm Dicke beobachtet, aber eine Staubschicht von etwas mehr als einem Teilchen Dicke kann die Funkenspannung um 50 % verringern. Die deutlichsten Auswirkungen der Rückkorona auf die Strom-Spannungs-Charakteristik sind:
- Reduzierung der Funkenüberschlagsspannung um 50 % oder mehr;
- Stromsprünge oder Diskontinuitäten, die durch die Bildung stabiler Rückkoronakrater verursacht werden; und
- großer Anstieg des maximalen Koronastroms, der knapp unterhalb des Funkenüberschlagsspaltes ein Mehrfaches des normalen Stroms betragen kann.
Die Abbildung unten und links zeigt die Veränderung des spezifischen Widerstands bei wechselnder Gastemperatur für sechs verschiedene Industriestäube und drei kohlebefeuerte Flugaschen. Die Abbildung rechts zeigt die gemessenen Widerstandswerte für verschiedene chemische Verbindungen, die im Labor hergestellt wurden.
Die Ergebnisse für Flugasche A (in der Abbildung links) wurden bei steigender Temperatur ermittelt. Diese Daten sind typisch für eine Asche mit mittlerem bis hohem Gehalt an brennbaren Stoffen. Die Daten für Flugasche B stammen von der gleichen Probe, die bei sinkender Temperatur gemessen wurde.
Die Unterschiede zwischen der aufsteigenden und der absteigenden Temperatur sind auf das Vorhandensein von unverbrannten Brennstoffen in der Probe zurückzuführen. Zwischen den beiden Prüfphasen werden die Proben 14 Stunden lang (über Nacht) in trockener Luft bei 450 °C (850 °F) geglüht. Durch dieses Ausglühen über Nacht werden in der Regel zwischen 60 % und 90 % der in den Proben vorhandenen unverbrannten Brennstoffe entfernt. Die genaue Wirkungsweise von Kohlenstoff als Ladungsträger ist noch nicht vollständig geklärt, aber es ist bekannt, dass er den spezifischen Widerstand eines Staubs erheblich verringert.
Kohlenstoff kann sich im Abscheider zunächst wie ein Staub mit hohem spezifischen Widerstand verhalten. Es können höhere Spannungen erforderlich sein, damit die Koronaerzeugung einsetzt. Diese höheren Spannungen können für die TR-Set-Steuerung problematisch sein. Das Problem liegt darin, dass beim Einsetzen der Korona große Strommengen durch die (niederohmige) Staubschicht fließen. Die Steuerung empfindet diesen Stromstoß als Funken. Da die Abscheider im funkenbegrenzenden Modus betrieben werden, wird die Stromzufuhr unterbrochen und der Koronaerzeugungszyklus beginnt von neuem. Daher werden niedrigere Leistungs- (Strom-) Werte bei relativ hohen Spannungswerten gemessen.
Das Gleiche wird bei Labormessungen vermutet. Bei Labormessungen ohne Koronaerzeugung wird eine parallele Plattengeometrie verwendet. Ein Becher aus rostfreiem Stahl nimmt die Probe auf. Ein weiteres Elektrodengewicht aus rostfreiem Stahl sitzt auf der Probe (direkter Kontakt mit der Staubschicht). Wenn die Spannung von kleinen Beträgen (z. B. 20 V) erhöht wird, wird kein Strom gemessen. Dann wird ein Schwellenwert für die Spannung erreicht. Bei diesem Wert fließt ein Stromstoß durch die Probe, und zwar so viel, dass das Spannungsversorgungsgerät abschalten kann. Nach der Entfernung der unverbrannten Brennstoffe während des oben erwähnten Glühvorgangs zeigt die Kurve des absteigenden Temperaturmodus die typische umgekehrte „V“-Form, die man erwarten könnte.
Niedriger spezifischer WiderstandEdit
Partikel mit niedrigem spezifischem Widerstand sind schwer zu sammeln, da sie leicht aufgeladen werden (sehr leitfähig) und ihre Ladung bei Ankunft an der Sammelelektrode schnell verlieren. Die Teilchen nehmen die Ladung der Sammelelektrode an, prallen von den Platten ab und werden wieder in den Gasstrom eingeschlossen. Somit fehlen die elektrischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die normalerweise bei normalen und höheren Widerständen wirken, und die Bindungskräfte an der Platte sind erheblich geringer. Beispiele für Stäube mit niedrigem Widerstand sind unverbrannter Kohlenstoff in Flugasche und Ruß.
Wenn diese leitfähigen Partikel grob sind, können sie vor dem Abscheider mit einer Vorrichtung wie einem mechanischen Zyklonabscheider entfernt werden.
Die Zugabe von flüssigem Ammoniak (NH
3) in den Gasstrom als Konditionierungsmittel hat in den letzten Jahren breite Anwendung gefunden. Es wird angenommen, dass Ammoniak mit dem im Rauchgas enthaltenen H
2SO
4 reagiert und eine Ammoniumsulfatverbindung bildet, die die Kohäsivität des Staubes erhöht. Dieses zusätzliche Kohäsionsvermögen gleicht den Verlust der elektrischen Anziehungskräfte aus.
Die nachstehende Tabelle fasst die Eigenschaften von Stäuben mit niedrigem, normalem und hohem spezifischen Widerstand zusammen.
Der Feuchtigkeitsgehalt des Rauchgasstroms wirkt sich ebenfalls auf den spezifischen Widerstand der Partikel aus. Die Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts des Gasstroms durch Besprühen mit Wasser oder Einspritzen von Dampf in das dem E-Filter vorgeschaltete Rohrleitungssystem senkt den spezifischen Widerstand. Sowohl bei der Temperatureinstellung als auch bei der Feuchtigkeitskonditionierung müssen die Gasbedingungen oberhalb des Taupunkts gehalten werden, um Korrosionsprobleme im Elektrofilter oder in den nachgeschalteten Anlagen zu vermeiden. Die Abbildung auf der rechten Seite zeigt die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf den spezifischen Widerstand eines Zementstaubs. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Gasstrom von 6 auf 20 % ansteigt, sinkt der spezifische Widerstand des Staubes drastisch. Auch eine Erhöhung oder Senkung der Temperatur kann den spezifischen Widerstand von Zementstaub für alle dargestellten Feuchtigkeitsgehalte verringern.
Das Vorhandensein von SO
3 im Gasstrom begünstigt nachweislich den elektrostatischen Ausfällungsprozess, wenn Probleme mit hohem spezifischen Widerstand auftreten. Der größte Teil des Schwefelgehalts in der für Verbrennungszwecke verbrannten Kohle wandelt sich in SO
2 um. 1 % des Schwefels wandelt sich jedoch in SO
3 um. Die Menge an SO
3 im Rauchgas steigt normalerweise mit zunehmendem Schwefelgehalt der Kohle. Der spezifische Widerstand der Partikel nimmt mit steigendem Schwefelgehalt der Kohle ab.
| Widerstand | Messbereich | Filtereigenschaften |
|---|---|---|
| Niedrig | zwischen 104 und 107 Ohm-cm |
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| Normal | zwischen 107 und 2 x 1010 Ohm-cm |
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| Gering bis hoch | zwischen 2 x 1010 und 1012 Ohm-cm |
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| Hoch | über 1012 Ohm-cm |
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Auch andere Konditionierungsmittel wie Schwefelsäure, Ammoniak, Natriumchlorid und Soda (manchmal als Rohtrona) wurden zur Verringerung des Partikelwiderstands verwendet. Daher ist die chemische Zusammensetzung des Rauchgasstroms im Hinblick auf den Widerstand der im Elektrofilter abzuscheidenden Partikel wichtig. In der nachstehenden Tabelle sind verschiedene Konditionierungsmittel und ihre Wirkungsmechanismen aufgeführt.
| Konditionierungsmittel | Wirkungsmechanismen |
|---|---|
| Schwefeltrioxid und/oder Schwefelsäure |
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| Ammoniak |
Mechanismus ist nicht klar, verschiedene vorgeschlagen;
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| Ammoniumsulfat | Über den Mechanismus ist wenig bekannt; es werden folgende Behauptungen aufgestellt:
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| Triethylamin | Behauptete Partikelagglomeration; keine unterstützenden Daten. |
| Natriumverbindungen |
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| Verbindungen von Übergangsmetallen | Postuliert, dass sie die Oxidation von SO 2 zu SO 3 katalysieren; keine definitiven Tests mit Flugasche, um diese Postulierung zu überprüfen. |
| Kaliumsulfat und Natriumchlorid | In Zement- und Kalkofen-ESPs:
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Wenn die Injektion von Ammoniumsulfat bei einer Temperatur von mehr als etwa 600 °F (320 °C) erfolgt, kommt es zur Dissoziation in Ammoniak und Schwefeltrioxid. Je nach Asche kann SO
2 bevorzugt mit Flugasche als SO
3-Konditionierung reagieren. Der Rest rekombiniert mit Ammoniak, um die Raumladung zu erhöhen und den Zusammenhalt der Asche zu verbessern.
In jüngster Zeit hat man erkannt, dass ein Hauptgrund für den Wirkungsgradverlust des Elektrofilters in der Ablagerung von Partikeln auf den Ladedrähten zusätzlich zu den Sammelplatten liegt (Davidson und McKinney, 1998). Dies lässt sich leicht beheben, indem man sicherstellt, dass die Drähte selbst zur gleichen Zeit wie die Sammelplatten gereinigt werden.
Schwefelsäuredampf (SO
3) verstärkt die Wirkung von Wasserdampf auf die Oberflächenleitung. Er wird physikalisch in der Feuchtigkeitsschicht auf den Partikeloberflächen adsorbiert. Die Auswirkungen relativ geringer Mengen von Säuredampf sind in der Abbildung unten und rechts zu sehen.
Der Eigenwiderstand der Probe bei 300 °F (150 °C) beträgt 5×1012 Ohm-cm. Bei einer Gleichgewichtskonzentration von nur 1,9 ppm Schwefelsäuredampf sinkt dieser Wert auf etwa 7 x 109 ohm-cm.
