A szűrő teljesítménye nagyon érzékeny a részecskék két tulajdonságára: 1) az elektromos ellenállás; és 2) a részecskék méreteloszlása. Ezek a tulajdonságok gazdaságosan és pontosan mérhetők laboratóriumban, szabványos vizsgálatokkal. Az ellenállás meghatározható a hőmérséklet függvényében az IEEE 548 szabvány szerint. Ezt a vizsgálatot meghatározott nedvességkoncentrációt tartalmazó légkörben kell elvégezni. A vizsgálatot a hőmérséklet emelkedő vagy csökkenő, vagy mindkettő függvényében végzik. Az adatgyűjtés 4 kV/cm átlagos hamuréteg elektromos térrel történik. Mivel viszonylag alacsony alkalmazott feszültséget használnak, és a vizsgálati környezetben nincs kénsavgőz, a kapott értékek a hamu maximális ellenállását jelzik.
Egy ESP-ben, ahol a részecskék töltése és kisütése kulcsfontosságú funkciók, az ellenállás fontos tényező, amely jelentősen befolyásolja a gyűjtési hatékonyságot. Míg az ellenállás fontos jelenség az elektródok közötti tartományban, ahol a legtöbb részecsketöltés történik, különösen fontos hatása van a porrétegre a gyűjtőelektródnál, ahol a kisülés történik. A nagy fajlagos ellenállású részecskéket nehéz feltölteni. Ha azonban egyszer feltöltődtek, a gyűjtőelektródhoz érve nem adják le könnyen a megszerzett töltésüket. Másrészt az alacsony fajlagos ellenállású részecskék könnyen feltöltődnek, és könnyen leadják töltésüket a földelt gyűjtőlemezre. Mindkét szélsőséges fajlagos ellenállás akadályozza az ESP-k hatékony működését. Az ESP-k normál fajlagos ellenállás mellett működnek a legjobban.
A fajlagos ellenállás, amely az elektromos térben lévő részecskék jellemzője, a részecskék töltésátvitellel szembeni ellenállásának mérőszáma (mind a töltésfelvétel, mind a töltésleadás). Az ellenállás a részecske kémiai összetételének, valamint a füstgáz üzemi körülményeinek, például a hőmérsékletnek és a nedvességnek a függvénye. A részecskéknek lehet magas, közepes (normál) vagy alacsony a fajlagos ellenállása.
A fajlagos ellenállást az Ohm-törvény egy általánosabb változatával határozzák meg, az alábbi (1) egyenlet szerint:
|
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)
Az ábrázolás jobb módja lenne, ha az ellenállást az alkalmazott feszültség és áram függvényében oldanánk meg, az alábbi (2) egyenletben megadott módon:
|
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).
A rezisztivitás a porminta elektromos ellenállása 1.0 cm2 keresztmetszetű, 1,0 cm vastagságú, és ohm-cm egységben van megadva. Ebben a cikkben az ellenállás mérésére szolgáló módszert ismertetjük. Az alábbi táblázat, az alacsony, normál és magas fajlagos ellenállás értéktartományait adja meg.
| ellenállás | Mérési tartomány |
|---|---|
| alacsony | 104 és 107 ohm között.cm |
| Normális | 107 és 2×1010 ohm-cm között |
| Magas | 2×1010 ohm fölött-cm |
Porréteg ellenállásSzerkesztés
Az ellenállás úgy befolyásolja a porréteg elektromos viszonyait, hogy a réteg felett potenciális elektromos tér (feszültségesés) alakul ki, amikor negatív töltésű részecskék érkeznek a felületére, és elektromos töltésüket a gyűjtőlemezre szivárogtatják. Az elektromosan földelt gyűjtőlemez fémfelületén a feszültség nulla, míg a porréteg külső felületén, ahová új részecskék és ionok érkeznek, a gázionok által okozott elektrosztatikus feszültség igen nagy lehet. Ennek az elektromos térnek az erőssége a porréteg ellenállásától és vastagságától függ.
A nagy ellenállású porrétegekben a por nem eléggé vezető, ezért az elektromos töltések nehezen mozognak a porrétegen keresztül. Következésképpen az elektromos töltések felhalmozódnak a porréteg felületén és alatta, erős elektromos mezőt létrehozva.
A feszültségek meghaladhatják a 10 000 voltot. A nagy ellenállású porszemcsék túl erősen tapadnak a lemezhez, ami megnehezíti eltávolításukat, és kopogtatási problémákat okoz.
A kis ellenállású porrétegekben a koronaáram könnyen átjut a földelt gyűjtőelektródára. Ezért egy viszonylag gyenge, néhány ezer voltos elektromos mezőt tartanak fenn a porrétegen keresztül. Az alacsony ellenállású összegyűjtött porszemcsék nem tapadnak elég erősen a gyűjtőlemezhez. Könnyen elmozdulnak és visszamaradnak a gázáramban.
A részecskék ömlesztett rétegének elektromos vezetőképessége a felületi és a térfogati tényezőktől egyaránt függ. A térfogati vezetés, vagyis az elektromos töltések mozgása a részecskék belsejében elsősorban a részecskék összetételétől és hőmérsékletétől függ. A magasabb hőmérsékleti tartományokban, 260 °C (500 °F) felett a térfogatvezetés irányítja a vezetési mechanizmust. A térfogatvezetés olyan járulékos tényezőket is figyelembe vesz, mint a részecskeréteg tömörödése, a részecskék mérete és alakja, valamint a felületi tulajdonságok.
A térfogatvezetés az ábrákon egyenes vonalként van ábrázolva 500 °F (260 °C) feletti hőmérsékleten. Körülbelül 450 °F (230 °C) alatti hőmérsékleten az elektromos töltések a részecskékre adszorbeálódott felületi nedvességen és kémiai filmeken keresztül kezdenek áramlani. A felületi vezetés 500 °F (260 °C) alatti hőmérsékleten elkezdi csökkenteni a fajlagos ellenállás értékeit és lefelé hajlítja a görbét.
Ezek a filmek általában mind fizikailag, mind kémiailag különböznek a részecskék belsejétől az adszorpciós jelenségek miatt. Elméleti számítások azt mutatják, hogy a kívánt felületi vezetőképesség eléréséhez már néhány molekula vastagságú nedvességfilmek is elegendőek. A részecskék felületi vezetése szoros kapcsolatban áll az elektromos szigetelőkön fellépő felületi szivárgási áramokkal, amelyeket széles körben tanulmányoztak. A felületi szivárgás érdekes gyakorlati alkalmazása a harmatpont meghatározása az üvegfelületre szerelt szomszédos elektródák közötti áram mérésével. Az áram hirtelen emelkedése az üvegen lévő nedvességfilm kialakulását jelzi. Ezt a módszert hatékonyan alkalmazták a harmatpont jelentős emelkedésének meghatározására, amely akkor következik be, amikor kis mennyiségű kénsavgőz kerül a légkörbe (kereskedelmi forgalomban kaphatók harmatpontmérők).
A normál, magas és alacsony ellenállás alábbi tárgyalása száraz állapotban üzemeltetett ESP-kre vonatkozik; az ellenállás nem jelent problémát a nedves ESP-k működése során az ESP nedvességkoncentrációja miatt. A nedvességtartalom és az ellenállás közötti összefüggés a munka későbbi részében kerül kifejtésre.
Normál ellenállásSzerkesztés
A fentiek szerint az ESP-k normál ellenállás mellett működnek a legjobban. A normál fajlagos ellenállású részecskék nem veszítik el gyorsan a töltésüket a gyűjtőelektródhoz érve. Ezek a részecskék a töltésüket lassan a földelt lemezekre szivárogtatják, és az intermolekuláris tapadó- és kohéziós erők révén a gyűjtőlemezeken maradnak. Ez lehetővé teszi egy részecskeréteg kialakulását, majd kopogtatással történő leválását a lemezekről. A normál porellenállás tartományában (107 és 2 x 1010 ohm-cm között) a pernye könnyebben összegyűjthető, mint az alacsony vagy magas ellenállású por.
Nagy ellenállásSzerkesztés
Ha a porrétegen túl nagy lesz a feszültségesés, számos káros hatás léphet fel. Először is, a nagy feszültségesés csökkenti a kisülési elektróda és a gyűjtőelektróda közötti feszültségkülönbséget, és ezáltal csökkenti a gázionokkal töltött részecskéknek a gyűjtött porrétegbe való átvezetésére használt elektrosztatikus térerősséget. Ahogy a porréteg felhalmozódik, és az elektromos töltések felhalmozódnak a porréteg felületén, a kisülési és a gyűjtőelektródák közötti feszültségkülönbség csökken. A kis részecskék vándorlási sebességét különösen befolyásolja a csökkent elektromos térerősség.
A másik probléma, amely a nagy ellenállású porrétegeknél jelentkezik, az úgynevezett visszakorona. Ez akkor következik be, amikor a porrétegen keresztüli potenciálcsökkenés olyan nagy, hogy a porrétegen belül rekedt gázban koronakisülések kezdenek megjelenni. A porréteg elektromosan megbomlik, és kis lyukak vagy kráterek keletkeznek, amelyekből visszakoronakisülések keletkeznek. A porrétegen belül pozitív gázionok keletkeznek, amelyek a “negatív töltésű” kisülési elektróda felé gyorsulnak. A pozitív ionok csökkentik a porréteg negatív töltéseinek egy részét, és semlegesítik a gyűjtőelektróda felé tartó “töltött részecskék” negatív ionjainak egy részét. A normál koronafolyamat megzavarása nagymértékben csökkenti az ESP gyűjtési hatékonyságát, amely súlyos esetekben 50% alá csökkenhet. Visszafelé irányuló korona esetén a porszemcsék az elektródákon szigetelőréteget képezve felhalmozódnak. Ez gyakran nem javítható a készülék leállítása nélkül.
A harmadik, és általában a nagy ellenállású porral kapcsolatos leggyakoribb probléma a fokozott elektromos szikrázás. Amikor a szikrázás mértéke meghaladja a “beállított szikrázási sebességhatárt”, az automatikus vezérlők korlátozzák a mező üzemi feszültségét. Ez a részecskék töltésének csökkenését és a gyűjtőelektróda felé történő migrációs sebesség csökkenését okozza. A magas ellenállás általában a következőkkel csökkenthető:
- A hőmérséklet beállítása;
- A nedvességtartalom növelése;
- Kondicionálószerek hozzáadása a gázáramhoz;
- A gyűjtőfelület növelése; és
- Hőoldali kicsapók használata (esetenként és a nátrium kimerülésének előzetes ismeretében).
A vékony porrétegek és a nagy ellenállású por különösen kedveznek a hátsó koronakráterek kialakulásának. Súlyos hátkoronát már 0,1 mm vékony porrétegeknél is megfigyeltek, de egy alig több mint egy részecske vastagságú porréteg 50%-kal csökkentheti a szikrafeszültséget. A hátkorona legmarkánsabb hatásai az áram-feszültség karakterisztikára a következők:
- a szikra túlfeszültség akár 50%-kal vagy annál is nagyobb mértékben történő csökkenése;
- a stabil hátkorona-kráterek kialakulása által okozott áramugrások vagy megszakítások; és
- a maximális koronaáram nagymértékű növekedése, amely közvetlenül a szikra-korona rés alatt a normál áram többszöröse lehet.
Az alábbi és a bal oldali ábra az ellenállás változását mutatja a gáz hőmérsékletének változásával hat különböző ipari por, valamint három széntüzelésű pernye esetében. A jobb oldali ábra a laboratóriumban előállított különböző kémiai vegyületekhez mért fajlagos ellenállás értékeket szemlélteti.
Az A légyhamu (a bal oldali ábrán) eredményeit emelkedő hőmérsékleti üzemmódban vettük. Ezek az adatok egy közepes vagy magas égéstermék-tartalmú hamura jellemzőek. A “B” pernye adatai ugyanabból a mintából származnak, és csökkenő hőmérsékleti üzemmódban vettük őket.
A felszálló és a csökkenő hőmérsékleti üzemmódok közötti különbségek a mintában lévő el nem égett éghető anyagok jelenlétéből adódnak. A két vizsgálati mód között a mintákat száraz levegőn 14 órán át (egy éjszakán át) 850 °F (450 °C) hőmérsékleten egyensúlyban tartják. Ez az éjszakai izzítási folyamat általában a mintákban lévő éghetetlen éghető anyagok 60-90%-át eltávolítja. Az, hogy a szén pontosan hogyan működik töltéshordozóként, nem teljesen ismert, de ismert, hogy jelentősen csökkenti a por fajlagos ellenállását.
A szén eleinte úgy viselkedhet, mint egy nagy fajlagos ellenállású por a kicsapóban. Nagyobb feszültségre lehet szükség ahhoz, hogy a koronaképződés megkezdődjön. Ezek a magasabb feszültségek problémásak lehetnek a TR-Set vezérlők számára. A probléma abban rejlik, hogy a korona kialakulása nagy mennyiségű áramot okoz a (kis ellenállású) porrétegen keresztül. A vezérlők ezt a túlfeszültséget szikraként érzékelik. Mivel a csapadékelosztók szikrakorlátozó üzemmódban működnek, az áramellátás megszűnik, és a koronaképződési ciklus újraindul. Így alacsonyabb teljesítmény (áram) mérések figyelhetők meg viszonylag magas feszültségmérések mellett.
Vélhetően ugyanez történik a laboratóriumi mérések során is. A laboratóriumi mérések során párhuzamos lemezgeometriát használnak koronageneráció nélkül. Egy rozsdamentes acél csésze tartja a mintát. Egy másik rozsdamentes acél elektródasúly a minta tetején helyezkedik el (közvetlen érintkezés a porréteggel). Ahogy a feszültséget kis értékekről (pl. 20 V) növeljük, nem mérünk áramot. Ezután elérünk egy küszöbfeszültségi szintet. Ezen a szinten az áram megugrik a mintán keresztül… olyannyira, hogy a feszültségellátó egység lekapcsolódhat. Miután a fent említett izzítási eljárás során eltávolították az el nem égett éghető anyagokat, a csökkenő hőmérsékleti üzemmód görbéje a tipikus fordított “V” alakot mutatja, amit elvárhatunk.
Alacsony fajlagos ellenállásSzerkesztés
A kis fajlagos ellenállású részecskéket nehéz összegyűjteni, mert könnyen feltöltődnek (nagyon vezetőképesek), és a gyűjtőelektródhoz érve gyorsan elveszítik töltésüket. A részecskék átveszik a gyűjtőelektród töltését, lepattannak a lemezekről, és újra a gázáramba kerülnek. Így hiányoznak a vonzó és taszító elektromos erők, amelyek normál és nagyobb ellenállásoknál általában működnek, és a lemezhez kötődő kötőerők jelentősen csökkennek. Az alacsony ellenállású porokra példa a pernyében lévő elégetetlen szén és a korom.
Ha ezek a vezető részecskék durvák, akkor a csapadékelszívó előtt eltávolíthatók egy olyan berendezéssel, mint például egy ciklon mechanikus gyűjtő.
A folyékony ammónia (NH
3) hozzáadása a gázáramhoz, mint kondicionálószer, az utóbbi években széles körben elterjedt. Az elmélet szerint az ammónia a füstgázban található H
2SO
4-gyel reakcióba lépve ammónium-szulfát vegyületet képez, amely növeli a por összetartó képességét. Ez a többlet kohézivitás ellensúlyozza az elektromos vonzóerők elvesztését.
Az alábbi táblázat összefoglalja az alacsony, normál és magas ellenállású porokhoz kapcsolódó jellemzőket.
A füstgázáram nedvességtartalma szintén befolyásolja a részecskék ellenállását. A gázáram nedvességtartalmának növelése víz permetezésével vagy gőz befecskendezésével az ESP-t megelőző csatornarendszerbe csökkenti a fajlagos ellenállást. Mind a hőmérséklet-szabályozás, mind a nedvességkondicionálás során a gázállapotokat a harmatpont felett kell tartani, hogy megelőzzük a korróziós problémákat az ESP-ben vagy az utána következő berendezésekben. A jobb oldali ábra a hőmérséklet és a nedvesség hatását mutatja a cementpor fajlagos ellenállására. Ahogy a gázáram nedvességtartalma 6 és 20% között növekszik, a por fajlagos ellenállása drámaian csökken. A hőmérséklet emelése vagy csökkentése is csökkentheti a cementpor ellenállását az összes ábrázolt nedvességszázalék esetében.
A SO
3 jelenléte a gázáramban bizonyítottan kedvez az elektrosztatikus kicsapási folyamatnak, amikor a nagy ellenállású problémák jelentkeznek. A tüzelőanyagként elégetett szén kéntartalmának nagy része SO
2-vé alakul át. A kén körülbelül 1%-a azonban SO
3-vá alakul át. A füstgázban lévő SO
3 mennyisége általában a szén kéntartalmának növekedésével nő. A részecskék ellenállása a szén kéntartalmának növekedésével csökken.
| Rezisztivitás | Mérési tartomány | Mérési jellemzők |
|---|---|---|
| alacsony | 104 és 107 ohm-cm között |
|
| Normális | 107 és 2 x 1010 ohm-cm között |
|
| Marginal to High | 2 x 1010 és 1012 ohm-cm között |
|
| magas | 1012 ohm-cm felett |
|
A részecskék ellenállásának csökkentésére más kondicionálószereket, például kénsavat, ammóniát, nátrium-kloridot és szódabikarbónát (néha nyers tronaként) is használtak. Ezért a füstgázáram kémiai összetétele fontos az ESP-ben összegyűjtendő részecskék ellenállása szempontjából. Az alábbi táblázat a különböző kondicionálószereket és hatásmechanizmusaikat sorolja fel.
| Kondicionálószer | Hatásmechanizmus(ok) |
|---|---|
| Kén-trioxid és/vagy kénsav |
|
| Ammónia |
A mechanizmus nem egyértelmű, többféle javasolt;
|
| Ammónium-szulfát | A mechanizmusról keveset tudunk; a következőkre vonatkozó állítások vannak:
|
| Trietil-amin | Részecskeagglomerációt állítanak; nincs alátámasztó adat. |
| Nátriumvegyületek |
|
| Átmeneti fémek vegyületei | Feltételezik, hogy katalizálják az SO 2 oxidációját SO 3-vá; nincsenek végleges vizsgálatok pernyével a posztuláció igazolására. |
| Kálium-szulfát és nátrium-klorid | Cement- és mészégető kemencék ESP-iben:
|
Ha az ammónium-szulfát befecskendezése körülbelül 320 °C-nál (600 °F) magasabb hőmérsékleten történik, ammóniává és kéntrioxiddá történő disszociáció következik be. A hamutól függően az SO
2 előnyösen kölcsönhatásba léphet a pernyével SO
3 kondicionálás formájában. A maradék rekombinálódik az ammóniával, hogy növelje a tértöltést, valamint növelje a hamu összetartó képességét.
A közelmúltban felismerték, hogy az elektrofilter hatékonyságvesztésének egyik fő oka az, hogy a gyűjtőlemezek mellett a töltőhuzalokon is felhalmozódnak a részecskék (Davidson és McKinney, 1998). Ez könnyen orvosolható, ha gondoskodunk arról, hogy magukat a huzalokat a gyűjtőlemezek tisztításával egy időben tisztítsák.
A kénsavgőz (SO
3) fokozza a vízgőznek a felületi vezetésre gyakorolt hatását. Fizikailag adszorbeálódik a részecskék felületén lévő nedvességrétegen belül. A viszonylag kis mennyiségű savgőz hatása az alábbi és a jobb oldali ábrán látható.
A minta saját ellenállása 300 °F (150 °C) hőmérsékleten 5×1012 ohm-cm. Egy mindössze 1,9 ppm kénsavgőz egyensúlyi koncentrációja ezt az értéket körülbelül 7 x 109 ohm-cm-re csökkenti.
