La performance du précipitateur est très sensible à deux propriétés des particules : 1) la résistivité électrique ; et 2) la distribution de la taille des particules. Ces propriétés peuvent être mesurées de manière économique et précise en laboratoire, à l’aide de tests standard. La résistivité peut être déterminée en fonction de la température, conformément à la norme IEEE 548. Ce test est effectué dans un environnement d’air contenant une concentration d’humidité spécifiée. Le test est effectué en fonction de la température ascendante ou descendante, ou des deux. Les données sont acquises en utilisant un champ électrique moyen de la couche de cendres de 4 kV/cm. Étant donné qu’une tension appliquée relativement faible est utilisée et qu’aucune vapeur d’acide sulfurique n’est présente dans l’environnement d’essai, les valeurs obtenues indiquent la résistivité maximale des cendres.
Dans un ESP, où la charge et la décharge des particules sont des fonctions clés, la résistivité est un facteur important qui affecte considérablement l’efficacité de la collecte. Alors que la résistivité est un phénomène important dans la région inter-électrode où la plupart des charges de particules ont lieu, elle a un effet particulièrement important sur la couche de poussière à l’électrode de collecte où la décharge a lieu. Les particules qui présentent une résistivité élevée sont difficiles à charger. Mais une fois chargées, elles n’abandonnent pas facilement la charge acquise à leur arrivée à l’électrode de collecte. D’autre part, les particules présentant une faible résistivité se chargent facilement et libèrent aisément leur charge sur la plaque de collecte mise à la terre. Les deux extrêmes de résistivité empêchent le fonctionnement efficace des ESP. Les ESP fonctionnent mieux dans des conditions de résistivité normale.
La résistivité, qui est une caractéristique des particules dans un champ électrique, est une mesure de la résistance d’une particule au transfert de charge (à la fois accepter et céder des charges). La résistivité est fonction de la composition chimique d’une particule ainsi que des conditions d’exploitation des gaz de combustion telles que la température et l’humidité. Les particules peuvent avoir une résistivité élevée, modérée (normale) ou faible.
La résistivité volumique est définie en utilisant une version plus générale de la loi d’Ohm, comme indiqué dans l’équation (1) ci-dessous :
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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)
Une meilleure façon d’afficher ceci serait de résoudre la résistivité en fonction de la tension et du courant appliqués, comme indiqué dans l’équation (2) ci-dessous :
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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).
La résistivité est la résistance électrique d’un échantillon de poussière 1.0 cm2 de section transversale, d’une épaisseur de 1,0 cm, et est enregistrée en unités d’ohm-cm. Une méthode pour mesurer la résistivité sera décrite dans cet article. Le tableau ci-dessous, donne des plages de valeurs pour une résistivité faible, normale et élevée.
| Résistivité | Gamme de mesure |
|---|---|
| faible | entre 104 et 107 ohm-cm |
| Normal | entre 107 et 2×1010 ohm-cm |
| Haut | au-dessus de 2×1010 ohm-cm |
Résistance de la couche de poussièreEdit
La résistance affecte les conditions électriques dans la couche de poussière par un champ électrique potentiel (chute de tension) qui se forme à travers la couche lorsque des particules chargées négativement arrivent à sa surface et font fuir leurs charges électriques vers la plaque collectrice. Au niveau de la surface métallique de la plaque de collecte mise à la terre, la tension est nulle, alors qu’au niveau de la surface extérieure de la couche de poussière, où de nouvelles particules et de nouveaux ions arrivent, la tension électrostatique causée par les ions gazeux peut être assez élevée. L’intensité de ce champ électrique dépend de la résistance et de l’épaisseur de la couche de poussière.
Dans les couches de poussière à haute résistance, la poussière n’est pas suffisamment conductrice, les charges électriques ont donc du mal à se déplacer à travers la couche de poussière. Par conséquent, les charges électriques s’accumulent sur et sous la surface de la couche de poussière, créant un fort champ électrique.
Les tensions peuvent être supérieures à 10 000 volts. Les particules de poussière à haute résistance sont maintenues trop fortement sur la plaque, ce qui les rend difficiles à enlever et provoque des problèmes de rappage.
Dans les couches de poussière à faible résistance, le courant corona est facilement transmis à l’électrode de collecte mise à la terre. Par conséquent, un champ électrique relativement faible, de plusieurs milliers de volts, est maintenu à travers la couche de poussière. Les particules de poussière collectées à faible résistance n’adhèrent pas assez fortement à la plaque de collecte. Elles sont facilement délogées et sont retenues dans le flux de gaz.
La conductivité électrique d’une couche de particules en vrac dépend à la fois de facteurs de surface et de volume. La conduction volumique, ou les mouvements des charges électriques à l’intérieur des particules, dépend principalement de la composition et de la température des particules. Dans les régions à haute température, au-dessus de 260 °C (500 °F), la conduction volumique contrôle le mécanisme de conduction. La conduction volumique fait également intervenir des facteurs auxiliaires, tels que la compression de la couche de particules, la taille et la forme des particules, et les propriétés de surface.
La conduction volumique est représentée dans les figures comme une ligne droite aux températures supérieures à 500 °F (260 °C). À des températures inférieures à environ 450 °F (230 °C), les charges électriques commencent à circuler à travers l’humidité de surface et les films chimiques adsorbés sur les particules. La conduction de surface commence à abaisser les valeurs de résistivité et à infléchir la courbe vers le bas à des températures inférieures à 500 °F (260 °C).
Ces films diffèrent généralement à la fois physiquement et chimiquement de l’intérieur des particules en raison de phénomènes d’adsorption. Les calculs théoriques indiquent que des films d’humidité de seulement quelques molécules d’épaisseur sont suffisants pour fournir la conductivité de surface souhaitée. La conduction de surface sur les particules est étroitement liée aux courants de fuite de surface qui se produisent sur les isolants électriques et qui ont été largement étudiés. Une application pratique intéressante des fuites de surface est la détermination du point de rosée par la mesure du courant entre des électrodes adjacentes montées sur une surface en verre. Une forte augmentation du courant signale la formation d’un film d’humidité sur le verre. Cette méthode a été utilisée efficacement pour déterminer l’élévation marquée du point de rosée, qui se produit lorsque de petites quantités de vapeur d’acide sulfurique sont ajoutées à une atmosphère (des mesureurs de point de rosée commerciaux sont disponibles sur le marché).
La discussion suivante sur la résistance normale, élevée et faible s’applique aux ESP fonctionnant à l’état sec ; la résistance n’est pas un problème dans le fonctionnement des ESP humides en raison de la concentration d’humidité dans l’ESP. La relation entre la teneur en humidité et la résistance est expliquée plus loin dans ce travail.
Résistivité normaleEdit
Comme indiqué ci-dessus, les ESP fonctionnent mieux dans des conditions de résistivité normale. Les particules à résistivité normale ne perdent pas rapidement leur charge à leur arrivée à l’électrode de collecte. Ces particules perdent lentement leur charge vers les plaques mises à la terre et sont retenues sur les plaques de collecte par des forces adhésives et cohésives intermoléculaires. Cela permet la formation d’une couche de particules, qui est ensuite délogée des plaques par les coups de marteau. Dans la plage de résistivité normale de la poussière (entre 107 et 2 x 1010 ohm-cm), les cendres volantes sont collectées plus facilement que la poussière ayant une résistivité faible ou élevée.
Résistivité élevéeEdit
Si la chute de tension à travers la couche de poussière devient trop élevée, plusieurs effets indésirables peuvent se produire. Tout d’abord, la chute de tension élevée réduit la différence de tension entre l’électrode de décharge et l’électrode de collecte, et réduit ainsi l’intensité du champ électrostatique utilisé pour entraîner les particules chargées d’ions gazeux sur la couche de poussière collectée. Au fur et à mesure que la couche de poussière s’accumule et que les charges électriques s’accumulent à la surface de la couche de poussière, la différence de tension entre les électrodes de décharge et de collecte diminue. Les vitesses de migration des petites particules sont particulièrement affectées par la réduction de l’intensité du champ électrique.
Un autre problème qui se produit avec les couches de poussière à haute résistivité est appelé back corona. Cela se produit lorsque la chute de potentiel à travers la couche de poussière est si importante que des décharges corona commencent à apparaître dans le gaz qui est piégé dans la couche de poussière. La couche de poussière se décompose électriquement, produisant de petits trous ou cratères à partir desquels des décharges corona arrière se produisent. Des ions de gaz positifs sont générés dans la couche de poussière et sont accélérés vers l’électrode de décharge « chargée négativement ». Les ions positifs réduisent certaines des charges négatives de la couche de poussière et neutralisent certains des ions négatifs des « particules chargées » qui se dirigent vers l’électrode de collecte. Les perturbations du processus normal de l’effet corona réduisent considérablement l’efficacité de la collecte de l’ESP, qui, dans les cas graves, peut tomber en dessous de 50%. En cas d’effet corona inverse, les particules de poussière s’accumulent sur les électrodes en formant une couche d’isolation. Souvent, cela ne peut pas être réparé sans mettre l’unité hors ligne.
Le troisième problème, et généralement le plus commun avec la poussière à haute résistivité est l’augmentation des étincelles électriques. Lorsque le taux d’étincelles dépasse la « limite de taux d’étincelles fixée », les contrôleurs automatiques limitent la tension de fonctionnement du champ. Cela entraîne une réduction de la charge des particules et des vitesses de migration vers l’électrode de collecte. Une résistivité élevée peut généralement être réduite en faisant ce qui suit :
- Régler la température ;
- Augmenter la teneur en humidité ;
- Ajouter des agents de conditionnement au flux gazeux ;
- Augmenter la surface de collecte ; et
- Utiliser des précipitateurs à chaud (occasionnellement et en ayant connaissance de l’appauvrissement en sodium).
Les couches de poussière minces et les poussières à haute résistivité favorisent particulièrement la formation de cratères de couronne arrière. Une sévère couronne arrière a été observée avec des couches de poussière aussi fines que 0,1 mm, mais une couche de poussière d’un peu plus d’une particule d’épaisseur peut réduire la tension d’étincelle de 50%. Les effets les plus marqués de l’effet corona arrière sur les caractéristiques courant-tension sont:
- Réduction de la tension d’étincelle jusqu’à 50% ou plus;
- Sauts ou discontinuités de courant causés par la formation de cratères stables d’effet corona arrière ; et
- Grande augmentation du courant corona maximum, qui juste en dessous de l’éclatement de l’étincelle sur l’effet corona peut être plusieurs fois le courant normal.
La figure ci-dessous et à gauche illustre la variation de la résistivité en fonction de la température du gaz pour six poussières industrielles différentes ainsi que trois cendres volantes de charbon. La figure de droite illustre les valeurs de résistivité mesurées pour divers composés chimiques qui ont été préparés en laboratoire.
Les résultats pour la cendre volante A (dans la figure de gauche) ont été acquis en mode de température ascendante. Ces données sont typiques d’une cendre à teneur modérée à élevée en combustibles. Les données pour la cendre volante B proviennent du même échantillon, acquis pendant le mode de température descendante.
Les différences entre les modes de température ascendante et descendante sont dues à la présence de combustibles non brûlés dans l’échantillon. Entre les deux modes de test, les échantillons sont équilibrés dans l’air sec pendant 14 heures (nuit) à 850 °F (450 °C). Ce processus de recuit nocturne élimine généralement entre 60 et 90 % des combustibles non brûlés présents dans les échantillons. La façon exacte dont le carbone fonctionne en tant que porteur de charge n’est pas entièrement comprise, mais on sait qu’il réduit considérablement la résistivité d’une poussière.
Le carbone peut agir, au début, comme une poussière à haute résistivité dans le précipitateur. Des tensions plus élevées peuvent être nécessaires pour que la génération de corona commence. Ces tensions plus élevées peuvent être problématiques pour les commandes TR-Set. Le problème réside dans le fait que l’apparition de l’effet corona provoque une forte augmentation du courant à travers la couche de poussière (à faible résistivité). Les commandes détectent cette surtension comme une étincelle. Comme les précipitateurs fonctionnent en mode de limitation des étincelles, l’alimentation est interrompue et le cycle de génération de l’effet corona recommence. Ainsi, des lectures de puissance (courant) plus faibles sont notées avec des lectures de tension relativement élevées.
On pense que la même chose se produit dans les mesures en laboratoire. La géométrie de plaque parallèle est utilisée dans les mesures de laboratoire sans génération de corona. Une coupelle en acier inoxydable contient l’échantillon. Un autre poids d’électrode en acier inoxydable est posé sur le dessus de l’échantillon (contact direct avec la couche de poussière). Lorsque la tension est augmentée à partir de petites quantités (par exemple 20 V), aucun courant n’est mesuré. Ensuite, un niveau de tension seuil est atteint. À ce niveau, le courant traverse l’échantillon… à tel point que l’unité d’alimentation en tension peut se déclencher. Après élimination des combustibles imbrûlés au cours de la procédure de recuit mentionnée ci-dessus, la courbe du mode de température décroissante présente la forme typique en « V » inversé à laquelle on peut s’attendre.
Faible résistivitéEdit
Les particules qui ont une faible résistivité sont difficiles à collecter car elles se chargent facilement (très conductrices) et perdent rapidement leur charge en arrivant à l’électrode de collecte. Les particules prennent la charge de l’électrode de collecte, rebondissent sur les plaques et sont ré-entraînées dans le flux gazeux. Ainsi, les forces électriques attractives et répulsives qui sont normalement à l’œuvre à des résistivités normales et plus élevées font défaut, et les forces de liaison à la plaque sont considérablement réduites. Des exemples de poussières de faible résistivité sont le carbone non brûlé dans les cendres volantes et le noir de carbone.
Si ces particules conductrices sont grossières, elles peuvent être éliminées en amont du précipitateur en utilisant un dispositif tel qu’un collecteur mécanique à cyclone.
L’addition d’ammoniac liquide (NH
3) dans le flux gazeux comme agent de conditionnement a trouvé une large utilisation ces dernières années. Selon la théorie, l’ammoniac réagit avec le H
2SO
4 contenu dans les gaz de combustion pour former un composé de sulfate d’ammonium qui augmente la cohésivité de la poussière. Cette cohésivité supplémentaire compense la perte des forces d’attraction électrique.
Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques associées aux poussières de résistivité faible, normale et élevée.
La teneur en humidité du flux de gaz de combustion affecte également la résistivité des particules. L’augmentation de la teneur en humidité du flux de gaz en pulvérisant de l’eau ou en injectant de la vapeur dans les conduits précédant l’ESP abaisse la résistivité. Dans l’ajustement de la température comme dans le conditionnement de l’humidité, il faut maintenir les conditions du gaz au-dessus du point de rosée pour éviter les problèmes de corrosion dans l’ESP ou dans l’équipement en aval. La figure de droite montre l’effet de la température et de l’humidité sur la résistivité d’une poussière de ciment. Lorsque le pourcentage d’humidité dans le flux gazeux passe de 6 à 20 %, la résistivité de la poussière diminue de façon spectaculaire. De plus, l’augmentation ou la diminution de la température peut diminuer la résistivité de la poussière de ciment pour tous les pourcentages d’humidité représentés.
Il a été démontré que la présence de SO
3 dans le flux gazeux favorise le processus de précipitation électrostatique lorsque des problèmes de résistivité élevée se produisent. La plupart du contenu en soufre du charbon brûlé pour les sources de combustion se convertit en SO
2. Cependant, environ 1% du soufre se convertit en SO
3. La quantité de SO
3 dans les gaz de combustion augmente normalement avec l’augmentation de la teneur en soufre du charbon. La résistivité des particules diminue lorsque la teneur en soufre du charbon augmente.
| Résistivité | Plage de mesure | Caractéristiques du précipitateur |
|---|---|---|
| faible | entre 104 et 107 ohm-cm |
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| Normal | entre 107 et 2 x 1010 ohm-cm |
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| Marginal à élevé | entre 2 x 1010 et 1012 ohm-cm |
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| High | au-dessus de 1012 ohm-cm |
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D’autres agents de conditionnement, tels que l’acide sulfurique, l’ammoniac, le chlorure de sodium et la soude (parfois sous forme de trona brut), ont également été utilisés pour réduire la résistivité des particules. Par conséquent, la composition chimique du flux de gaz de combustion est importante en ce qui concerne la résistivité des particules à collecter dans l’ESP. Le tableau ci-dessous énumère divers agents de conditionnement et leurs mécanismes d’action.
| Agent de conditionnement | Mécanisme(s) d’action |
|---|---|
| Trioxyde de soufre et/ou acide sulfurique |
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| Ammonia |
Mécanisme non clair, divers proposés;
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| Sulfate d’ammonium | On sait peu de choses sur le mécanisme ; des revendications sont faites pour les éléments suivants :
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| Triéthylamine | Allégation de l’agglomération des particules revendiquée ; pas de données à l’appui. |
| Composés de sodium |
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| Composés de métaux de transition | Position selon laquelle ils catalysent l’oxydation de SO 2 en SO 3 ; aucun essai définitif avec des cendres volantes pour vérifier cette postulation. |
| Sulfate de potassium et chlorure de sodium | Dans les ESP des fours à ciment et à chaux :
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Si l’injection de sulfate d’ammonium se produit à une température supérieure à environ 600 °F (320 °C), il en résulte une dissociation en ammoniac et en trioxyde de soufre. Selon les cendres, le SO
2 peut interagir préférentiellement avec les cendres volantes sous forme de conditionnement en SO
3. Le reste se recombine avec l’ammoniac pour ajouter à la charge d’espace ainsi que pour augmenter la cohésivité de la cendre.
Plus récemment, il a été reconnu qu’une raison majeure de la perte d’efficacité du précipitateur électrostatique est due à l’accumulation de particules sur les fils de charge en plus des plaques de collecte (Davidson et McKinney, 1998). On peut facilement y remédier en s’assurant que les fils eux-mêmes sont nettoyés en même temps que les plaques collectrices.
La vapeur d’acide sulfurique (SO
3) renforce les effets de la vapeur d’eau sur la conduction de surface. Elle est physiquement adsorbée au sein de la couche d’humidité sur les surfaces des particules. Les effets de quantités relativement faibles de vapeur d’acide sont visibles sur la figure ci-dessous et à droite.
La résistivité inhérente de l’échantillon à 300 °F (150 °C) est de 5×1012 ohm-cm. Une concentration à l’équilibre de seulement 1,9 ppm de vapeur d’acide sulfurique abaisse cette valeur à environ 7 x 109 ohm-cm.
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