Le prestazioni del precipitatore sono molto sensibili a due proprietà del particolato: 1) resistività elettrica; e 2) distribuzione delle dimensioni delle particelle. Queste proprietà possono essere misurate economicamente e accuratamente in laboratorio, utilizzando test standard. La resistività può essere determinata in funzione della temperatura secondo lo standard IEEE 548. Questo test è condotto in un ambiente d’aria contenente una concentrazione di umidità specificata. Il test viene eseguito in funzione della temperatura ascendente o discendente, o di entrambe. I dati vengono acquisiti utilizzando un campo elettrico medio dello strato di cenere di 4 kV/cm. Poiché viene utilizzata una tensione applicata relativamente bassa e non sono presenti vapori di acido solforico nell’ambiente di prova, i valori ottenuti indicano la massima resistività delle ceneri.
In un ESP, dove la carica e la scarica delle particelle sono funzioni chiave, la resistività è un fattore importante che influenza significativamente l’efficienza di raccolta. Mentre la resistività è un fenomeno importante nella regione inter-elettrodo dove avviene la maggior parte della carica delle particelle, ha un effetto particolarmente importante sullo strato di polvere all’elettrodo di raccolta dove avviene la scarica. Le particelle che mostrano un’alta resistività sono difficili da caricare. Ma una volta caricate, non cedono facilmente la carica acquisita all’arrivo all’elettrodo di raccolta. D’altra parte, le particelle con bassa resistività si caricano facilmente e rilasciano prontamente la loro carica alla piastra di raccolta messa a terra. Entrambi gli estremi della resistività impediscono il funzionamento efficiente degli ESP. Gli ESP funzionano meglio in condizioni di resistività normali.
La resistività, che è una caratteristica delle particelle in un campo elettrico, è una misura della resistenza di una particella a trasferire la carica (sia accettando che cedendo la carica). La resistività è una funzione della composizione chimica di una particella e delle condizioni operative dei gas di scarico, come la temperatura e l’umidità. Le particelle possono avere alta, moderata (normale), o bassa resistività.
La resistività delle particelle è definita usando una versione più generale della legge di Ohm, come data dall’equazione (1) qui sotto:
|
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)
Un modo migliore di visualizzare questo sarebbe quello di risolvere la resistività in funzione della tensione e della corrente applicate, come indicato nell’equazione (2) qui sotto:
|
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).
La resistività è la resistenza elettrica di un campione di polvere 1.0 cm2 in sezione trasversale, 1,0 cm di spessore, ed è registrata in unità di ohm-cm. Un metodo per misurare la resistività sarà descritto in questo articolo. La tabella qui sotto, dà intervalli di valori per bassa, normale e alta resistività.
| Restività | Campo di misura |
|---|---|
| Basso | tra 104 e 107 ohm-cm |
| Normale | tra 107 e 2×1010 ohm-cm |
| Alto | oltre 2×1010 ohm-cm |
Resistenza dello strato di polvereModifica
La resistenza influenza le condizioni elettriche nello strato di polvere attraverso un campo elettrico potenziale (caduta di tensione) che si forma attraverso lo strato quando le particelle caricate negativamente arrivano alla sua superficie e perdono le loro cariche elettriche alla piastra di raccolta. Sulla superficie metallica della piastra di raccolta elettricamente messa a terra, la tensione è zero, mentre sulla superficie esterna dello strato di polvere, dove arrivano nuove particelle e ioni, la tensione elettrostatica causata dagli ioni del gas può essere piuttosto alta. La forza di questo campo elettrico dipende dalla resistenza e dallo spessore dello strato di polvere.
Negli strati di polvere ad alta resistenza, la polvere non è sufficientemente conduttiva, quindi le cariche elettriche hanno difficoltà a muoversi attraverso lo strato di polvere. Di conseguenza, le cariche elettriche si accumulano sulla superficie dello strato di polvere e sotto di essa, creando un forte campo elettrico.
Le tensioni possono essere maggiori di 10.000 volt. Le particelle di polvere con un’alta resistenza sono trattenute troppo fortemente alla piastra, rendendole difficili da rimuovere e causando problemi di rapping.
Negli strati di polvere a bassa resistenza, la corrente corona viene facilmente passata all’elettrodo di raccolta messo a terra. Pertanto, un campo elettrico relativamente debole, di diverse migliaia di volt, viene mantenuto attraverso lo strato di polvere. Le particelle di polvere raccolte con bassa resistenza non aderiscono abbastanza fortemente alla piastra di raccolta. Vengono facilmente rimosse e trattenute nel flusso di gas.
La conducibilità elettrica di uno strato di particelle dipende da fattori di superficie e di volume. La conduzione di volume, o i movimenti delle cariche elettriche attraverso l’interno delle particelle, dipende principalmente dalla composizione e dalla temperatura delle particelle. Nelle regioni a temperatura più alta, sopra i 500 °F (260 °C), la conduzione di volume controlla il meccanismo di conduzione. La conduzione di volume coinvolge anche fattori accessori, come la compressione dello strato di particelle, la dimensione e la forma delle particelle e le proprietà della superficie.
La conduzione di volume è rappresentata nelle figure come una linea retta a temperature superiori a 500 °F (260 °C). A temperature inferiori a circa 450 °F (230 °C), le cariche elettriche iniziano a scorrere attraverso l’umidità superficiale e i film chimici adsorbiti sulle particelle. La conduzione superficiale comincia ad abbassare i valori di resistività e a piegare la curva verso il basso a temperature inferiori a 500 °F (260 °C).
Questi film di solito differiscono sia fisicamente che chimicamente dall’interno delle particelle a causa di fenomeni di adsorbimento. I calcoli teorici indicano che i film di umidità spessi solo poche molecole sono adeguati a fornire la conduttività superficiale desiderata. La conduzione superficiale sulle particelle è strettamente legata alle correnti di dispersione superficiale che si verificano sugli isolanti elettrici, che sono state ampiamente studiate. Un’interessante applicazione pratica delle perdite superficiali è la determinazione del punto di rugiada attraverso la misurazione della corrente tra elettrodi adiacenti montati su una superficie di vetro. Un forte aumento della corrente segnala la formazione di un film di umidità sul vetro. Questo metodo è stato usato efficacemente per determinare il marcato aumento del punto di rugiada, che si verifica quando piccole quantità di vapore di acido solforico vengono aggiunte ad un’atmosfera (sono disponibili sul mercato dei misuratori di punto di rugiada commerciali).
La seguente discussione sulla resistenza normale, alta e bassa si applica agli ESP funzionanti in uno stato secco; la resistenza non è un problema nel funzionamento degli ESP bagnati a causa della concentrazione di umidità nell’ESP. La relazione tra il contenuto di umidità e la resistenza è spiegata più avanti in questo lavoro.
Resistività normaleModifica
Come detto sopra, gli ESP funzionano meglio in condizioni di resistività normale. Le particelle con resistività normale non perdono rapidamente la loro carica all’arrivo all’elettrodo di raccolta. Queste particelle perdono lentamente la loro carica verso le piastre a terra e sono trattenute sulle piastre di raccolta da forze adesive e coesive intermolecolari. Questo permette la formazione di uno strato di particelle che viene poi rimosso dalle piastre con il rapping. All’interno della gamma di resistività normale della polvere (tra 107 e 2 x 1010 ohm-cm), la cenere volante viene raccolta più facilmente della polvere con bassa o alta resistività.
Alta resistivitàModifica
Se la caduta di tensione attraverso lo strato di polvere diventa troppo alta, possono verificarsi diversi effetti negativi. In primo luogo, l’alta caduta di tensione riduce la differenza di tensione tra l’elettrodo di scarico e l’elettrodo di raccolta, e quindi riduce l’intensità del campo elettrostatico utilizzato per guidare le particelle cariche di ioni di gas verso lo strato di polvere raccolto. Man mano che lo strato di polvere si accumula e le cariche elettriche si accumulano sulla superficie dello strato di polvere, la differenza di tensione tra l’elettrodo di scarica e quello di raccolta diminuisce. Le velocità di migrazione delle piccole particelle sono particolarmente influenzate dalla ridotta intensità del campo elettrico.
Un altro problema che si verifica con gli strati di polvere ad alta resistività è chiamato corona posteriore. Questo si verifica quando la caduta di potenziale attraverso lo strato di polvere è così grande che le scariche a corona iniziano ad apparire nel gas che è intrappolato all’interno dello strato di polvere. Lo strato di polvere si rompe elettricamente, producendo piccoli buchi o crateri da cui si verificano scariche a corona posteriore. Gli ioni positivi del gas sono generati all’interno dello strato di polvere e sono accelerati verso l’elettrodo di scarica “caricato negativamente”. Gli ioni positivi riducono alcune delle cariche negative sullo strato di polvere e neutralizzano alcuni degli ioni negativi sulle “particelle cariche” dirette verso l’elettrodo di raccolta. Le interruzioni del normale processo corona riducono notevolmente l’efficienza di raccolta dell’ESP, che in casi gravi può scendere sotto il 50%. Quando è presente la corona posteriore, le particelle di polvere si accumulano sugli elettrodi formando uno strato di isolamento. Spesso questo non può essere riparato senza mettere l’unità offline.
Il terzo, e generalmente più comune problema con la polvere ad alta resistività è l’aumento delle scintille elettriche. Quando il tasso di scintille supera il “limite di scintille impostato”, i controllori automatici limitano la tensione operativa del campo. Questo causa una ridotta carica delle particelle e una ridotta velocità di migrazione verso l’elettrodo di raccolta. L’alta resistività può essere generalmente ridotta facendo quanto segue:
- Regolazione della temperatura;
- Aumento del contenuto di umidità;
- Aggiungimento di agenti di condizionamento al flusso di gas;
- Aumento della superficie di raccolta; e
- Utilizzo di precipitatori a caldo (occasionalmente e con conoscenza dell’esaurimento del sodio).
Strati di polvere sottili e polvere ad alta resistività favoriscono specialmente la formazione di crateri a corona posteriore. Una grave corona posteriore è stata osservata con strati di polvere sottili fino a 0,1 mm, ma uno strato di polvere spesso poco più di una particella può ridurre la tensione di scintilla del 50%. Gli effetti più marcati della corona posteriore sulle caratteristiche corrente-tensione sono:
- Riduzione della tensione di scintilla fino al 50% o più;
- Salti o discontinuità di corrente causati dalla formazione di crateri stabili di corona posteriore; e
- Grande aumento della corrente massima di corona, che appena sotto lo spark over corona gap può essere diverse volte la corrente normale.
La figura sotto e a sinistra mostra la variazione di resistività con il cambiamento della temperatura del gas per sei diverse polveri industriali insieme a tre ceneri volanti di carbone. La figura a destra illustra i valori di resistività misurati per vari composti chimici che sono stati preparati in laboratorio.
I risultati per la cenere volante A (nella figura a sinistra) sono stati acquisiti in modalità temperatura ascendente. Questi dati sono tipici di una cenere con un contenuto di combustibili da moderato ad alto. I dati per la cenere volante B provengono dallo stesso campione, acquisito durante la modalità di temperatura discendente.
Le differenze tra le modalità di temperatura ascendente e discendente sono dovute alla presenza di combustibili incombusti nel campione. Tra le due modalità di prova, i campioni sono equilibrati in aria secca per 14 ore (durante la notte) a 850 °F (450 °C). Questo processo di ricottura notturna rimuove tipicamente tra il 60% e il 90% di qualsiasi combustibile incombusto presente nei campioni. Esattamente come funziona il carbonio come portatore di carica non è completamente compreso, ma è noto che riduce significativamente la resistività di una polvere.
Il carbonio può agire, inizialmente, come una polvere ad alta resistività nel precipitatore. Possono essere necessarie tensioni più elevate per far sì che la generazione di corona abbia inizio. Queste tensioni più elevate possono essere problematiche per i controlli TR-Set. Il problema risiede nel fatto che l’insorgere della corona provoca una grande quantità di corrente che attraversa lo strato di polvere (a bassa resistività). I controlli percepiscono questa ondata come una scintilla. Poiché i precipitatori funzionano in modalità di limitazione delle scintille, l’alimentazione viene interrotta e il ciclo di generazione della corona si riavvia. Così, si notano letture di potenza (corrente) più basse con letture di tensione relativamente alte.
Si ritiene che la stessa cosa accada nelle misurazioni di laboratorio. La geometria della piastra parallela è usata nelle misure di laboratorio senza generazione di corona. Una tazza di acciaio inossidabile tiene il campione. Un altro peso di elettrodo in acciaio inossidabile si trova sopra il campione (contatto diretto con lo strato di polvere). Quando la tensione viene aumentata a partire da piccole quantità (ad esempio 20 V), non viene misurata alcuna corrente. Poi, viene raggiunto un livello di tensione di soglia. A questo livello, la corrente aumenta attraverso il campione… così tanto che l’alimentatore di tensione può scattare. Dopo la rimozione dei combustibili incombusti durante la procedura di ricottura di cui sopra, la curva della modalità di temperatura discendente mostra la tipica forma a “V” rovesciata che ci si potrebbe aspettare.
Bassa resistivitàModifica
Le particelle che hanno bassa resistività sono difficili da raccogliere perché si caricano facilmente (molto conduttive) e perdono rapidamente la loro carica all’arrivo all’elettrodo di raccolta. Le particelle assumono la carica dell’elettrodo di raccolta, rimbalzano sulle piastre e si reinseriscono nel flusso di gas. Così, le forze elettriche attrattive e repulsive che sono normalmente all’opera a resistività normali e superiori mancano, e le forze di legame alla piastra sono notevolmente diminuite. Esempi di polveri a bassa resistività sono il carbonio incombusto nella cenere volante e il nerofumo.
Se queste particelle conduttive sono grossolane, possono essere rimosse a monte del precipitatore usando un dispositivo come un collettore meccanico a ciclone.
L’aggiunta di ammoniaca liquida (NH
3) nel flusso di gas come agente di condizionamento ha trovato largo uso negli ultimi anni. Si è teorizzato che l’ammoniaca reagisce con H
2SO
4 contenuto nel gas di scarico per formare un composto di solfato di ammonio che aumenta la coesività della polvere. Questa coesività aggiuntiva compensa la perdita di forze di attrazione elettrica.
La tabella seguente riassume le caratteristiche associate alle polveri a bassa, normale e alta resistività.
Anche il contenuto di umidità del flusso di gas di scarico influenza la resistività delle particelle. Aumentare il contenuto di umidità del flusso di gas spruzzando acqua o iniettando vapore nei condotti che precedono l’ESP abbassa la resistività. Sia nella regolazione della temperatura che nel condizionamento dell’umidità, si devono mantenere le condizioni del gas al di sopra del punto di rugiada per evitare problemi di corrosione nell’ESP o nelle attrezzature a valle. La figura a destra mostra l’effetto della temperatura e dell’umidità sulla resistività di una polvere di cemento. Quando la percentuale di umidità nel flusso di gas aumenta dal 6 al 20%, la resistività della polvere diminuisce drasticamente. Inoltre, l’aumento o l’abbassamento della temperatura può diminuire la resistività della polvere di cemento per tutte le percentuali di umidità rappresentate.
La presenza di SO
3 nel flusso di gas ha dimostrato di favorire il processo di precipitazione elettrostatica quando si verificano problemi di alta resistività. La maggior parte dello zolfo contenuto nel carbone bruciato per le fonti di combustione si converte in SO
2. Tuttavia, circa l’1% dello zolfo si converte in SO
3. La quantità di SO
3 nel gas di scarico normalmente aumenta con l’aumentare del contenuto di zolfo del carbone. La resistività delle particelle diminuisce all’aumentare del contenuto di zolfo del carbone.
| Restività | Campo di misura | Caratteristiche del precipitatore |
|---|---|---|
| Basso | tra 104 e 107 ohm-cm |
|
| Normale | tra 107 e 2 x 1010 ohm-cm |
|
| Marginale ad alta | tra 2 x 1010 e 1012 ohm-cm |
|
| Alte | oltre 1012 ohm-cm |
|
Altri agenti di condizionamento, come acido solforico, ammoniaca, cloruro di sodio e soda (a volte come trona grezza), sono stati utilizzati anche per ridurre la resistività delle particelle. Pertanto, la composizione chimica del flusso di gas di scarico è importante per quanto riguarda la resistività delle particelle da raccogliere nell’ESP. La tabella seguente elenca vari agenti di condizionamento e i loro meccanismi di funzionamento.
| Agente di condizionamento | Meccanismo(i) di azione |
|---|---|
| Triossido di zolfo e/o acido solforico |
|
| Ammonia |
Il meccanismo non è chiaro, ne sono stati proposti diversi
|
| Solfato di ammonio | Si sa poco del meccanismo; sono state fatte affermazioni su quanto segue:
|
| Trietilamina | Afferma l’agglomerazione di particelle; nessun dato di supporto. |
| Composti del sodio |
|
| Composti di metalli di transizione | Posato che catalizzano l’ossidazione di SO 2 a SO 3; nessun test definitivo con cenere volante per verificare questa postulazione. |
| Solfato di potassio e cloruro di sodio | Negli ESP dei forni di cemento e calce:
|
Se l’iniezione di solfato di ammonio avviene a una temperatura maggiore di circa 600 °F (320 °C), ne risulta la dissociazione in ammoniaca e triossido di zolfo. A seconda della cenere, SO
2 può interagire preferenzialmente con la cenere volante come condizionamento SO
3. Il resto si ricombina con l’ammoniaca per aggiungere alla carica spaziale e aumentare la coesione della cenere.
Di recente, è stato riconosciuto che una delle ragioni principali della perdita di efficienza del precipitatore elettrostatico è dovuta all’accumulo di particelle sui fili di carica oltre che sulle piastre di raccolta (Davidson e McKinney, 1998). Questo è facilmente rimediabile assicurandosi che i fili stessi vengano puliti nello stesso momento in cui vengono pulite le piastre di raccolta.
Il vapore dell’acido solforico (SO
3) aumenta gli effetti del vapore acqueo sulla conduzione superficiale. È fisicamente adsorbito all’interno dello strato di umidità sulle superfici delle particelle. Gli effetti di quantità relativamente piccole di vapore acido possono essere visti nella figura sotto e a destra.
La resistività intrinseca del campione a 300 °F (150 °C) è 5×1012 ohm-cm. Una concentrazione di equilibrio di appena 1,9 ppm di vapore di acido solforico abbassa quel valore a circa 7 x 109 ohm-cm.
