Suodattimen suorituskyky on hyvin herkkä kahdelle hiukkasten ominaisuudelle: 1) sähköinen resistiivisyys ja 2) hiukkaskokojakauma. Nämä ominaisuudet voidaan mitata taloudellisesti ja tarkasti laboratoriossa vakiotesteillä. Resistiivisyys voidaan määrittää lämpötilan funktiona IEEE-standardin 548 mukaisesti. Tämä testi suoritetaan ilmaympäristössä, jossa on tietty kosteuspitoisuus. Testi suoritetaan nousevan tai laskevan lämpötilan tai molempien lämpötilojen funktiona. Tiedot saadaan käyttämällä keskimääräistä tuhkakerroksen sähkökenttää, joka on 4 kV/cm. Koska testiympäristössä käytetään suhteellisen pientä jännitettä ja koska testiympäristössä ei ole rikkihappohöyryä, saadut arvot ilmaisevat tuhkan maksimiresistanssin.
Tuhkakerroksen sähköisen erotuksen järjestelmässä, jossa hiukkasten latautuminen ja purkautuminen ovat keskeisiä toimintoja, resistiivisyys on tärkeä tekijä, joka vaikuttaa merkittävästi keräystehokkuuteen. Vaikka resistiivisyys on tärkeä ilmiö elektrodien välisellä alueella, jossa suurin osa hiukkasten latautumisesta tapahtuu, sillä on erityisen tärkeä vaikutus keräyselektrodin pölykerrokseen, jossa purkautuminen tapahtuu. Hiukkasia, joilla on suuri resistiivisyys, on vaikea ladata. Kun ne on kuitenkin ladattu, ne eivät helposti luovuta hankkimaansa varausta saapuessaan keräyselektrodille. Toisaalta hiukkaset, joilla on alhainen ominaisvastus, latautuvat helposti ja luovuttavat varauksensa helposti maadoitettuun keräyslevyyn. Molemmat ääripäät resistiivisyydessä haittaavat ESP:n tehokasta toimintaa. Sähkömagneettiset suodattimet toimivat parhaiten normaaleissa resistiivisyysolosuhteissa.
Resistiivisyys, joka on hiukkasten ominaisuus sähkökentässä, on mitta, joka kuvaa hiukkasen vastusta varauksen siirtämiselle (sekä varausten vastaanottamiselle että luovuttamiselle). Resistiivisyys on hiukkasen kemiallisen koostumuksen sekä savukaasun käyttöolosuhteiden, kuten lämpötilan ja kosteuden, funktio. Hiukkasilla voi olla korkea, kohtalainen (normaali) tai matala resistiivisyys.
Kappalekohtainen resistiivisyys määritellään käyttäen Ohmin lain yleisempää versiota, joka on esitetty alla olevassa yhtälössä (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)
Parempi tapa esittää tämä olisi ratkaista resistiivisyys sovelletun jännitteen ja virran funktiona, kuten alla olevassa yhtälössä (2) on esitetty:
|
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).
Resistenssi on pölynäytteen sähköinen vastus 1.0 cm2 poikkipinta-alaltaan, 1,0 cm paksu, ja se kirjataan yksiköissä ohm-cm. Tässä artikkelissa kuvataan resistiivisyyden mittausmenetelmä. Alla olevassa taulukossa annetaan arvoalueet matalalle, normaalille ja korkealle resistiivisyydelle.
| Ominaisvastus | Mittausalue |
|---|---|
| Alhainen | välillä 104-107 ohmia-cm |
| Normaali | välillä 107 ja 2×1010 ohm-cm |
| Korkea | yli 2×1010 ohm-cm-cm |
Pölykerroksen resistanssiEdit
Resistanssi vaikuttaa pölykerroksessa vallitseviin sähköisiin olosuhteisiin siten, että kerroksen poikki muodostuu potentiaalinen sähkökenttä (jännitehäviö) negatiivisesti varautuneiden hiukkasten saapuessa kerroksen pinnalle ja vuotaessa sähkövarauksensa keräyslevylle. Sähköisesti maadoitetun keräyslevyn metallipinnalla jännite on nolla, kun taas pölykerroksen ulkopinnalla, jonne saapuu uusia hiukkasia ja ioneja, kaasuionien aiheuttama sähköstaattinen jännite voi olla varsin suuri. Tämän sähkökentän voimakkuus riippuu pölykerroksen resistanssista ja paksuudesta.
Korkean resistanssin pölykerroksissa pöly ei ole riittävän johtavaa, joten sähkövarausten on vaikea liikkua pölykerroksen läpi. Näin ollen sähkövaraukset kerääntyvät pölykerroksen pintaan ja sen alle luoden voimakkaan sähkökentän.
Jännitteet voivat olla yli 10 000 volttia. Pölyhiukkaset, joilla on korkea vastus, kiinnittyvät liian voimakkaasti levyyn, jolloin niitä on vaikea poistaa ja ne aiheuttavat rapautumisongelmia.
Matalan vastuksen pölykerroksissa koronavirta kulkee helposti maadoitettuun keräyselektrodiin. Tämän vuoksi pölykerroksen poikki säilyy suhteellisen heikko, useiden tuhansien volttien sähkökenttä. Kerätyt pölyhiukkaset, joilla on alhainen vastus, eivät tartu riittävän voimakkaasti keräyslevyyn. Ne irtoavat helposti ja jäävät kaasuvirtaan.
Hiukkaskerroksen sähkönjohtavuus riippuu sekä pinta- että tilavuustekijöistä. Tilavuusjohtavuus eli sähkövarausten liikkuminen hiukkasten sisätilojen läpi riippuu pääasiassa hiukkasten koostumuksesta ja lämpötilasta. Korkeammissa lämpötiloissa, yli 260 °C (500 °F), tilavuusjohtuminen hallitsee johtumismekanismia. Tilavuusjohtumiseen liittyy myös aputekijöitä, kuten hiukkaskerroksen kokoonpuristuminen, hiukkasten koko ja muoto sekä pintaominaisuudet.
Tilavuusjohtuminen on kuvissa esitetty suorana linjana yli 500 °F (260 °C) lämpötiloissa. Alle noin 230 °C:n (450 °F) lämpötiloissa sähkövaraukset alkavat virrata hiukkasiin adsorboituneen pintakosteuden ja kemiallisten kalvojen läpi. Pinnan johtuminen alkaa alentaa resistiivisyysarvoja ja taivuttaa käyrää alaspäin alle 500 °F:n (260 °C) lämpötiloissa.
Nämä kalvot eroavat yleensä sekä fysikaalisesti että kemiallisesti hiukkasten sisäosista adsorptioilmiöiden vuoksi. Teoreettiset laskelmat osoittavat, että vain muutaman molekyylin paksuiset kosteuskalvot riittävät tuottamaan halutun pinnanjohtavuuden. Hiukkasten pinnanjohtavuus liittyy läheisesti sähköeristimissä esiintyviin pintavuotovirtoihin, joita on tutkittu laajasti. Pintavuodon mielenkiintoinen käytännön sovellus on kastepisteen määrittäminen mittaamalla lasipinnalle asennettujen vierekkäisten elektrodien välistä virtaa. Virran jyrkkä nousu on merkki kosteuskalvon muodostumisesta lasin pinnalle. Tätä menetelmää on käytetty tehokkaasti kastepisteen huomattavan nousun määrittämiseen, joka tapahtuu, kun ilmakehään lisätään pieniä määriä rikkihappohöyryä (kaupallisia kastepistemittareita on saatavilla markkinoilla).
Seuraavassa esitetty keskustelu normaalista, korkeasta ja matalasta resistanssista koskee kuivassa tilassa käytettäviä elektrolyyttisiä paineentasaajia; resistanssi ei ole ongelma märän elektrolyyttisen paineentasauslaitteen toiminnassa elektrolyyttisen paineentasauslaitteen kosteuspitoisuuden vuoksi. Kosteuspitoisuuden ja resistanssin välinen suhde selitetään myöhemmin tässä työssä.
Normaali resistiivisyys Muokkaa
Kuten edellä todettiin, ESP:t toimivat parhaiten normaaleissa resistiivisyysolosuhteissa. Hiukkaset, joilla on normaali resistiivisyys, eivät menetä nopeasti varaustaan saapuessaan keräyselektrodille. Nämä hiukkaset vuotavat hitaasti varauksensa maadoitettuihin levyihin ja pysyvät keräyslevyillä molekyylien välisten liima- ja koheesiovoimien avulla. Tämä mahdollistaa hiukkaskerroksen muodostumisen ja sen jälkeen sen irtoamisen levyiltä koputtelemalla. Pölyn normaalin resistiivisyyden alueella (välillä 107-2 x 1010 ohm-cm) lentotuhka kerätään helpommin kuin pöly, jolla on joko matala tai korkea resistiivisyys.
Korkea resistiivisyysEdit
Jos jännitehäviö pölykerroksen poikki nousee liian suureksi, voi ilmetä useita haitallisia vaikutuksia. Ensinnäkin suuri jännitehäviö pienentää purkauselektrodin ja keräyselektrodin välistä jännite-eroa ja siten pienentää sähköstaattisen kentän voimakkuutta, jota käytetään kaasuionilla ladattujen hiukkasten siirtämiseen kerättyyn pölykerrokseen. Kun pölykerros kerääntyy ja sähkövaraukset kerääntyvät pölykerroksen pinnalle, purkaus- ja keräyselektrodien välinen jännite-ero pienenee. Sähkökentän voimakkuuden pieneneminen vaikuttaa erityisesti pienten hiukkasten siirtymisnopeuksiin.
Toinen ongelma, jota esiintyy suuren resistiivisyyden omaavissa pölykerroksissa, on niin sanottu takakorona. Tämä tapahtuu, kun pölykerroksen poikki oleva potentiaalipudotus on niin suuri, että pölykerroksen sisään jäävässä kaasussa alkaa esiintyä koronapurkauksia. Pölykerros hajoaa sähköisesti, jolloin syntyy pieniä reikiä tai kraattereita, joista syntyy takakoronapurkauksia. Pölykerroksessa syntyy positiivisia kaasuioneja, jotka kiihdytetään kohti ”negatiivisesti varattua” purkauselektrodia. Positiiviset ionit vähentävät osan pölykerroksen negatiivisista varauksista ja neutraloivat osan keräyselektrodia kohti suuntaavien ”varattujen hiukkasten” negatiivisista ioneista. Normaalin koronaprosessin häiriöt heikentävät huomattavasti ESP:n keräystehokkuutta, joka voi vakavissa tapauksissa laskea alle 50 prosenttiin. Kun takakoronaa esiintyy, pölyhiukkaset kerääntyvät elektrodien päälle muodostaen eristyskerroksen. Usein tätä ei voida korjata ottamatta laitetta pois käytöstä.
Kolmas ja yleensä yleisin korkean resistiivisyyden pölyn aiheuttama ongelma on lisääntynyt sähköinen kipinöinti. Kun kipinöintinopeus ylittää ”asetetun kipinöintinopeusrajan”, automaattiset säätimet rajoittavat kentän käyttöjännitettä. Tämä heikentää hiukkasten varausta ja vähentää siirtymisnopeutta kohti keräyselektrodia. Korkeaa resistiivisyyttä voidaan yleensä vähentää seuraavilla toimilla:
- Lämpötilan säätäminen;
- Kosteuspitoisuuden lisääminen;
- Kehitysaineiden lisääminen kaasuvirtaan;
- Keräyspinta-alan kasvattaminen; ja
- Kuumanpuoleisten saostimien käyttäminen (satunnaisesti ja natriumin ehtymisestä etukäteen tietoisena).
Hienot pölykerrokset ja korkean resistiivisyyden omaava pöly suosivat erityisesti takakoronakraattereiden muodostumista. Vakavia takakoronoita on havaittu jopa 0,1 mm:n ohuilla pölykerroksilla, mutta reilun hiukkasen paksuinen pölykerros voi vähentää kipinöintijännitettä 50 %. Selkeimmät takakoronan vaikutukset virta-jännite-ominaisuuksiin ovat:
- kipinän ylijännitteen pieneneminen jopa 50 % tai enemmän;
- vakainten takakoronakraattereiden muodostumisen aiheuttamat virran hyppäykset tai epäjatkuvuudet;
- maksimikoronavirran suuri kasvu, joka juuri kipinän yli koronaväliä alempana voi olla moninkertainen normaaliin virtaan verrattuna.
Alhaalla ja vasemmalla olevassa kuvassa on esitetty resistiivisyyden vaihtelu kaasun lämpötilan muuttuessa kuudella eri teollisuuspölyllä sekä kolmella hiilipolton lentotuhkalla. Oikeanpuoleisessa kuvassa esitetään vastusarvot, jotka on mitattu erilaisille laboratoriossa valmistetuille kemiallisille yhdisteille.
Lentotuhkan A (kuvassa vasemmalla) tulokset saatiin nousevassa lämpötilassa. Nämä tiedot ovat tyypillisiä kohtalaisen tai korkean polttoainepitoisuuden omaavalle tuhkalle. Lentotuhkan B tiedot on saatu samasta näytteestä, mutta ne on otettu laskevassa lämpötilassa.
Nousevan ja laskevan lämpötilan moodien väliset erot johtuvat siitä, että näytteessä on palamattomia palavia aineita. Kahden testitilan välillä näytteitä tasapainotetaan kuivassa ilmassa 14 tuntia (yön yli) 850 °F:n (450 °C) lämpötilassa. Tämä yön yli kestävä hehkutusprosessi poistaa yleensä 60-90 prosenttia näytteissä mahdollisesti olevista palamattomista palavista aineista. Sitä, miten hiili toimii varauksenkuljettajana, ei täysin ymmärretä, mutta sen tiedetään alentavan pölyn resistiivisyyttä merkittävästi.
Hiili voi aluksi käyttäytyä kuin korkean resistiivisyyden omaava pöly saostimessa. Koronan synnyn aloittamiseksi voidaan tarvita korkeampia jännitteitä. Nämä korkeammat jännitteet voivat olla ongelmallisia TR-Set-säätimille. Ongelmana on se, että koronan alkaminen aiheuttaa suuria virtamääriä pölykerroksen (alhaisen resistiivisyyden) läpi. Ohjaimet havaitsevat tämän virtapiikin kipinänä. Koska saostimia käytetään kipinänrajoitustilassa, virta katkeaa ja koronanmuodostussykli käynnistyy uudelleen. Siten havaitaan alhaisemmat tehon (virran) lukemat suhteellisen korkeiden jännitteen lukemien kanssa.
Saman asian uskotaan tapahtuvan laboratoriomittauksissa. Laboratoriomittauksissa käytetään rinnakkaista levygeometriaa ilman koronanmuodostusta. Näytettä pidetään ruostumattomasta teräksestä valmistetussa kupissa. Toinen ruostumattomasta teräksestä valmistettu elektrodipaino istuu näytteen päällä (suora kosketus pölykerrokseen). Kun jännitettä nostetaan pienistä määristä (esim. 20 V), virtaa ei mitata. Sitten saavutetaan kynnysjännitetaso. Tällä tasolla virta virtaa näytteen läpi niin paljon, että jännitteensyöttöyksikkö voi laueta. Kun palamattomat palavat aineet on poistettu edellä mainitun hehkutusprosessin aikana, laskeva lämpötilamoodikäyrä osoittaa tyypillistä käänteistä ”V”-muotoa, jota voidaan odottaa.
Alhainen resistiivisyys Muokkaa
Hiukkasia, joilla on alhainen resistiivisyys, on vaikea kerätä, koska ne latautuvat herkästi (ovat hyvin sähköä johtavia) ja menettävät nopeasti varauksensa saapuessaan keräyselektrodille. Hiukkaset ottavat vastaan keräyselektrodin varauksen, kimpoavat levyistä ja joutuvat takaisin kaasuvirtaan. Näin ollen vetävät ja hylkivät sähköiset voimat, jotka normaalisti vaikuttavat normaalissa ja suuremmissa resistiivisyyksissä, puuttuvat, ja levyyn sitoutuvat voimat ovat huomattavasti pienemmät. Esimerkkejä alhaisen resistiivisyyden omaavista pölyistä ovat lentotuhkan palamaton hiili ja hiilimusta.
Jos nämä johtavat hiukkaset ovat karkeita, ne voidaan poistaa ennen saostinta käyttämällä laitetta, kuten mekaanista syklonikeräintä.
Nesteellisen ammoniakin (NH
3) lisääminen kaasuvirtaan ilmastointiaineena on viime vuosina saanut laajaa käyttöä. Teorian mukaan ammoniakki reagoi savukaasun sisältämän H
2SO
4:n kanssa muodostaen ammoniumsulfaattiyhdisteen, joka lisää pölyn koossapysyvyyttä. Tämä lisäkohesiivisuus korvaa sähköisten vetovoimien menetyksen.
Alla olevassa taulukossa on yhteenveto alhaisen, normaalin ja korkean resistiivisyyden omaaviin pölyihin liittyvistä ominaisuuksista.
Savukaasuvirran kosteuspitoisuus vaikuttaa myös hiukkasten resistiivisyyteen. Kaasuvirran kosteuspitoisuuden lisääminen suihkuttamalla vettä tai ruiskuttamalla höyryä ESP:tä edeltävään kanavistoon alentaa resistiivisyyttä. Sekä lämpötilan säätämisessä että kosteuden säätämisessä kaasun olosuhteet on pidettävä kastepisteen yläpuolella, jotta estetään korroosio-ongelmat sähkösuodattimessa tai tuotantoketjun loppupään laitteissa. Oikealla olevassa kuvassa esitetään lämpötilan ja kosteuden vaikutus sementtipölyn ominaisvastukseen. Kun kaasuvirran kosteusprosentti kasvaa 6 prosentista 20 prosenttiin, pölyn ominaisvastus laskee dramaattisesti. Myös lämpötilan nostaminen tai laskeminen voi pienentää sementtipölyn resistiivisyyttä kaikilla esitetyillä kosteusprosenttiosuuksilla.
SO
3:n läsnäolon kaasuvirrassa on osoitettu suosivan sähköstaattista saostumisprosessia, kun esiintyy ongelmia korkean resistiivisyyden kanssa. Suurin osa polttolähteissä poltettavan hiilen rikkipitoisuudesta muuttuu SO
2:ksi. Kuitenkin noin 1 % rikistä muuttuu SO
3:ksi. SO
3:n määrä savukaasussa kasvaa yleensä hiilen rikkipitoisuuden kasvaessa. Hiukkasten ominaisvastus pienenee hiilen rikkipitoisuuden kasvaessa.
| Ominaisvastus | Mittausalue | Suodattimen ominaisuudet |
|---|---|---|
| Matalat | välillä 104-107 ohm-cm |
|
| Normaali | välillä 107 ja 2 x 1010 ohm-cm |
|
| Marginaalinen tai korkea | välillä 2 x 1010 ja 1012 ohm-cm |
|
| High | above 1012 ohm-cm |
|
Muita ilmastointiaineita, kuten rikkihappoa, ammoniakkia, natriumkloridia ja soodaa (joskus raakatronana), on myös käytetty hiukkasten resistiivisyyden alentamiseen. Savukaasuvirran kemiallisella koostumuksella on siis merkitystä ESP:hen kerättävien hiukkasten resistiivisyyden kannalta. Alla olevassa taulukossa on lueteltu erilaisia ilmastointiaineita ja niiden toimintamekanismeja.
| Kunnostusaine | Toimintamekanismi(t) |
|---|---|
| Rikkitrioksidi ja/tai rikkihappo |
|
| Ammonia |
Mekanismi ei ole selvä, erilaisia on ehdotettu;
|
| Ammoniumsulfaatti | Mekanismista tiedetään vähän; väitteitä esitetään seuraavista:
|
| Trietyyliamiini | Väitetään hiukkasten agglomeroitumista; ei tukevia tietoja. |
| Natriumyhdisteet |
|
| Yhdisteet siirtymämetalleista | Positellaan, että ne katalysoivat SO 2:n hapettumista SO 3:ksi; ei ole tehty lopullisia testejä lentotuhkalla tämän postulaation vahvistamiseksi. |
| Kaliumsulfaatti ja natriumkloridi | Sementti- ja kalkkiuunien sähkösuodattimissa:
|
Jos ammoniumsulfaatin injektointi tapahtuu yli 320 °C:n (noin 600 °F) lämpötilassa, seurauksena on dissosiaatio ammoniakiksi ja rikkitrioksidiksi. Tuhkasta riippuen SO
2 voi vuorovaikuttaa mieluiten lentotuhkan kanssa SO
3-konditiona. Jäljelle jäävä osa yhdistyy uudelleen ammoniakin kanssa ja lisää avaruusvarausta sekä lisää tuhkan koheesiota.
Viime aikoina on tunnustettu, että merkittävä syy sähkösuodattimen tehokkuuden heikkenemiseen on hiukkasten kertyminen keräyslevyjen lisäksi latauslankoihin (Davidson ja McKinney, 1998). Tämä on helppo korjata varmistamalla, että itse johdot puhdistetaan samaan aikaan, kun keräyslevyt puhdistetaan.
Rikkihappohöyry (SO
3) tehostaa vesihöyryn vaikutuksia pinnanjohtavuuteen. Se adsorboituu fysikaalisesti hiukkasten pinnoilla olevaan kosteuskerrokseen. Suhteellisen pienten happohöyrymäärien vaikutukset näkyvät alla olevassa ja oikealla olevassa kuvassa.
Näytteen ominaisvastus 300 °F:n (150 °C:n) lämpötilassa on 5×1012 ohm-cm. Vain 1,9 ppm rikkihappohöyryn tasapainokonsentraatio laskee tämän arvon noin 7 x 109 ohm-cm:iin.
