De prestaties van stofvangers zijn zeer gevoelig voor twee eigenschappen van deeltjes: 1) de elektrische weerstand en 2) de deeltjesgrootteverdeling. Deze eigenschappen kunnen economisch en nauwkeurig worden gemeten in het laboratorium, met behulp van standaardtests. Het weerstandsvermogen kan worden bepaald als functie van de temperatuur, overeenkomstig IEEE Standaard 548. Deze test wordt uitgevoerd in een luchtomgeving met een gespecificeerde vochtconcentratie. De test wordt uitgevoerd als functie van stijgende of dalende temperatuur, of beide. De gegevens worden verkregen met gebruikmaking van een gemiddeld aslaag-elektrisch veld van 4 kV/cm. Aangezien een relatief laag toegepast voltage wordt gebruikt en er geen zwavelzuurdamp in de testomgeving aanwezig is, geven de verkregen waarden de maximale asweerstand aan.
In een ESP, waar het opladen en ontladen van deeltjes sleutelfuncties zijn, is het weerstandsvermogen een belangrijke factor die het opvangrendement aanzienlijk beïnvloedt. Terwijl het weerstandsvermogen een belangrijk fenomeen is in het gebied tussen de elektroden waar de meeste deeltjes worden opgeladen, heeft het een bijzonder belangrijk effect op de stoflaag bij de verzamelelektrode waar de ontlading plaatsvindt. Deeltjes met een hoog weerstandsvermogen zijn moeilijk op te laden. Maar eenmaal opgeladen geven zij hun verworven lading niet gemakkelijk meer af bij aankomst bij de verzamelelektrode. Anderzijds worden deeltjes met een laag weerstandsvermogen gemakkelijk opgeladen en geven hun lading gemakkelijk af aan de geaarde verzamelplaat. Beide uitersten van het weerstandsvermogen belemmeren de efficiënte werking van ESP’s. ESP’s werken het best bij een normaal weerstandsvermogen.
Weerstandsvermogen, dat een kenmerk is van deeltjes in een elektrisch veld, is een maat voor de weerstand van een deeltje tegen het overbrengen van lading (zowel het aanvaarden als het afstaan van ladingen). Het weerstandsvermogen is een functie van de chemische samenstelling van een deeltje en van de bedrijfsomstandigheden van het rookgas, zoals temperatuur en vochtigheid. Deeltjes kunnen een hoog, matig (normaal) of laag weerstandsvermogen hebben.
Bulkweerstand wordt gedefinieerd met behulp van een meer algemene versie van de wet van Ohm, zoals gegeven in vergelijking (1) hieronder:
|
E → = ρ j → {\displaystyle {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)
Een betere manier om dit weer te geven zou zijn om op te lossen voor het weerstandsvermogen als een functie van de toegepaste spanning en stroom, zoals gegeven in vergelijking (2) hieronder:
|
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).
Resistiviteit is de elektrische weerstand van een stofmonster 1.0 cm2 in doorsnede, 1,0 cm dik, en wordt gemeten in eenheden van ohm-cm. Een methode voor het meten van het weerstandsvermogen zal in dit artikel worden beschreven. Onderstaande tabel geeft de waarden voor laag, normaal en hoog weerstandsvermogen.
| Weerstandsvermogen | Bereik van meting |
|---|---|
| Laag | tussen 104 en 107 ohm-cm |
| Normaal | tussen 107 en 2×1010 ohm-cm |
| Hoog | boven 2×1010 ohm-cm |
Weerstand stoflaagEdit
De weerstand beïnvloedt de elektrische omstandigheden in de stoflaag doordat een potentiaal elektrisch veld (spanningsval) over de laag wordt gevormd wanneer negatief geladen deeltjes op het oppervlak aankomen en hun elektrische ladingen naar de verzamelingsplaat lekken. Aan het metalen oppervlak van de elektrisch geaarde verzamelingsplaat is de spanning nul, terwijl aan het buitenoppervlak van de stoflaag, waar nieuwe deeltjes en ionen aankomen, de elektrostatische spanning veroorzaakt door de gasionen vrij hoog kan zijn. De sterkte van dit elektrisch veld hangt af van de weerstand en de dikte van de stoflaag.
In stoflagen met een hoge weerstand, is het stof niet voldoende geleidend, zodat elektrische ladingen moeite hebben zich door de stoflaag te bewegen. Dientengevolge, accumuleren de elektrische lasten op en onder het stoflaagoppervlak, veroorzakend een sterk elektrisch veld.
De voltages kunnen groter zijn dan 10.000 volt. Stofdeeltjes met een hoge weerstand worden te sterk tegen de plaat gehouden, waardoor ze moeilijk te verwijderen zijn en rappingproblemen veroorzaken.
In stoflagen met een lage weerstand, wordt de coronastroom gemakkelijk doorgegeven aan de geaarde verzamelelektrode. Daarom wordt een betrekkelijk zwak elektrisch veld, van enkele duizenden volts, over de stoflaag gehandhaafd. Verzamelde stofdeeltjes met een lage weerstand hechten zich niet sterk genoeg aan de verzamelplaat. Zij worden gemakkelijk losgemaakt en in de gasstroom vastgehouden.
De elektrische geleiding van een bulklaag van deeltjes hangt af van zowel oppervlakte- als volumefactoren. Volumegeleiding, of de bewegingen van elektrische ladingen door het binnenste van deeltjes, hangt voornamelijk af van de samenstelling en de temperatuur van de deeltjes. In de hogere temperatuurgebieden, boven 500 °F (260 °C), beheerst volumegeleiding het geleidingsmechanisme. Bij volumegeleiding spelen ook bijkomende factoren een rol, zoals compressie van de deeltjeslaag, de grootte en vorm van de deeltjes, en oppervlakte-eigenschappen.
Volumegeleiding wordt in de figuren weergegeven als een rechte lijn bij temperaturen boven 500 °F (260 °C). Bij temperaturen lager dan ongeveer 450 °F (230 ° C), beginnen elektrische ladingen te stromen over oppervlaktevocht en chemische films geadsorbeerd op de deeltjes. Oppervlaktegeleiding begint de weerstandswaarden te verlagen en de curve neerwaarts te buigen bij temperaturen lager dan 500 °F (260 °C).
Deze films verschillen gewoonlijk zowel fysisch als chemisch van het binnenste van de deeltjes ten gevolge van adsorptieverschijnselen. Theoretische berekeningen wijzen uit dat vochtfilms met een dikte van slechts enkele moleculen voldoende zijn om de gewenste oppervlaktegeleiding te verkrijgen. Oppervlaktegeleiding op deeltjes is nauw verwant met oppervlakte-lekstromen die optreden op elektrische isolatoren, en die uitgebreid zijn bestudeerd. Een interessante praktische toepassing van oppervlakte-lekkage is de bepaling van het dauwpunt door meting van de stroom tussen naast elkaar geplaatste elektroden op een glasoppervlak. Een sterke stijging van de stroom wijst op de vorming van een vochtfilm op het glas. Deze methode is doeltreffend gebleken voor de bepaling van de duidelijke stijging van het dauwpunt, die optreedt wanneer kleine hoeveelheden zwavelzuurdamp aan een atmosfeer worden toegevoegd (er zijn in de handel verkrijgbare dauwpuntmeters).
De volgende bespreking van normale, hoge en lage weerstand is van toepassing op ESP’s die in droge toestand werken; weerstand is geen probleem bij de werking van natte ESP’s vanwege de vochtconcentratie in de ESP. De relatie tussen vochtgehalte en weerstand wordt verderop in dit werk toegelicht.
Normaal weerstandsvermogenEdit
Zoals hierboven vermeld, werken ESP’s het best bij normale weerstandsomstandigheden. Deeltjes met een normaal weerstandsvermogen verliezen hun lading niet snel bij aankomst bij de opvangelektrode. Deze deeltjes lekken langzaam hun lading naar geaarde platen en worden op de verzamelplaten vastgehouden door intermoleculaire kleef- en cohesiekrachten. Hierdoor kan een deeltjeslaag worden opgebouwd die vervolgens door rapping van de platen wordt losgemaakt. Binnen het bereik van de normale stofweerstand (tussen 107 en 2 x 1010 ohm-cm), wordt vliegas gemakkelijker verzameld dan stof met een lage of hoge weerstand.
Hoge weerstandEdit
Als de spanningsval over de stoflaag te hoog wordt, kunnen verschillende nadelige effecten optreden. Eerst, vermindert de hoge voltagedaling het voltageverschil tussen de lossingselektrode en de inzamelelektrode, en daardoor vermindert de elektrostatische veldsterkte die wordt gebruikt om de gas ion-geladen deeltjes over naar de verzamelde stoflaag te drijven. Aangezien de stoflaag opbouwt, en de elektrische lasten op de oppervlakte van de stoflaag accumuleren, vermindert het voltageverschil tussen de lossings en inzamelelektroden. De migratiesnelheden van kleine deeltjes worden vooral beïnvloed door de verminderde elektrische veldsterkte.
Een ander probleem dat met stoflagen met hoog weerstandsvermogen voorkomt wordt back corona genoemd. Dit doet zich voor wanneer de potentiële daling over de stoflaag zo groot is dat corona-ontladingen beginnen te verschijnen in het gas dat binnen de stoflaag is opgesloten. De stoflaag breekt elektrisch af, waardoor kleine gaten of kraters ontstaan van waaruit corona-ontladingen ontstaan. De positieve gasionen worden geproduceerd binnen de stoflaag en worden versneld naar de “negatief geladen” lossingselektrode. De positieve ionen verminderen enkele van de negatieve lasten op de stoflaag en neutraliseren enkele van de negatieve ionen op de “geladen deeltjes” die naar de verzamelelektrode gaan. Verstoringen van het normale coronaproces verminderen het opvangrendement van de ESP aanzienlijk; in ernstige gevallen kan dit dalen tot minder dan 50%. Bij achterwaartse corona hopen de stofdeeltjes zich op de elektroden op en vormen zo een isolatielaag. Vaak kan dit niet worden hersteld zonder de eenheid offline te brengen.
Het derde, en over het algemeen meest voorkomende probleem met stof met hoog weerstandsvermogen is verhoogde elektrische vonken. Wanneer de vonksnelheid de “ingestelde vonksnelheidslimiet” overschrijdt, beperken de automatische regelaars het bedrijfsvoltage van het veld. Dit veroorzaakt verminderde deeltjeslading en verminderde migratiesnelheden naar de verzamelelektrode toe. Hoge weerstand kan in het algemeen worden verminderd door het volgende te doen:
- Aanpassen van de temperatuur;
- Verhogen van het vochtgehalte;
- Toevoeging van conditioneringsmiddelen aan de gasstroom;
- Vergroten van het verzameloppervlak; en
- Gebruik van precipitators aan hete zijde (af en toe en met voorkennis van natriumdepletie).
Dunne stoflagen en stof met hoge resistiviteit bevorderen vooral de vorming van achterwaartse coronakraters. Ernstige back corona is waargenomen met stoflagen zo dun als 0,1 mm, maar een stoflaag iets meer dan een deeltje dik kan de vonken spanning te verminderen met 50%. De meest opvallende effecten van back corona op de stroom-spanning kenmerken zijn:
- Vermindering van de vonk over voltage met maar liefst 50% of meer;
- Stroom sprongen of discontinuïteiten veroorzaakt door de vorming van stabiele back-corona kraters; en
- Grote toename van de maximale corona stroom, die net onder de vonk over corona kloof kan enkele malen de normale stroom zijn.
De Figuur hieronder en links toont de variatie in weerstandsvermogen met veranderende gastemperatuur voor zes verschillende industriële stofsoorten samen met drie kolengestookte vliegas. De figuur rechts illustreert de weerstandswaarden gemeten voor verschillende chemische verbindingen die in het laboratorium werden bereid.
Resultaten voor vliegas A (in de figuur links) werden verkregen in de stijgende temperatuurmodus. Deze gegevens zijn typisch voor een as met een matig tot hoog gehalte aan brandbare stoffen. De gegevens voor vliegas B zijn afkomstig van hetzelfde monster, verkregen in de dalende temperatuurmodus.
De verschillen tussen de stijgende en dalende temperatuurmodi zijn het gevolg van de aanwezigheid van onverbrande brandbare stoffen in het monster. Tussen de twee testfasen worden de monsters gedurende 14 uur (een nacht) in droge lucht bij 850 °F (450 °C) geëgaliseerd. Dit nachtelijke gloeiproces verwijdert gewoonlijk tussen 60% en 90% van alle onverbrande brandbare stoffen die in de monsters aanwezig zijn. Hoe koolstof precies werkt als ladingsdrager wordt niet volledig begrepen, maar het is bekend dat het de weerstand van een stof aanzienlijk vermindert.
Koolstof kan zich in het begin gedragen als een stof met hoge weerstand in de precipitator. De hogere voltages kunnen worden vereist om coronageneratie te beginnen. Deze hogere spanningen kunnen problematisch zijn voor de TR-Set controles. Het probleem is dat de corona grote hoeveelheden stroom door de (laagohmige) stoflaag doet vloeien. De besturing voelt deze stroomstoot als een vonk. Aangezien de precipitators in vonkbegrenzende modus werken, wordt de stroomtoevoer beëindigd en begint de corona-generatiecyclus opnieuw. Aldus, worden de lagere macht (stroom) lezingen genoteerd met vrij hoge voltage readings.
Het zelfde ding wordt verondersteld om in laboratoriummetingen voor te komen. De parallelle plaatmeetkunde wordt gebruikt in laboratoriummetingen zonder coronageneratie. Een roestvrij staalkop houdt de steekproef. Een ander gewicht van de roestvrij staalelektrode zit bovenop het monster (direct contact met de stoflaag). Wanneer de spanning wordt verhoogd vanaf kleine hoeveelheden (b.v. 20 V), wordt geen stroom gemeten. Vervolgens wordt een drempelspanningsniveau bereikt. Bij dit niveau loopt er een stroomstoot door het monster… zoveel dat de voedingseenheid kan uitschakelen. Na verwijdering van de onverbrande brandbare stoffen tijdens de bovengenoemde gloeiprocedure, vertoont de dalende temperatuurmoduscurve de typische omgekeerde “V”-vorm die men zou verwachten.
Laag weerstandsvermogenEdit
Deeltjes met een laag weerstandsvermogen zijn moeilijk te verzamelen omdat zij gemakkelijk worden geladen (zeer geleidend) en snel hun lading verliezen bij aankomst bij de verzamelelektrode. De deeltjes nemen de lading van de verzamelelektrode aan, stuiteren van de platen, en worden opnieuw opgenomen in de gasstroom. Aldus ontbreken de aantrekkende en afstotende elektrische krachten die normaal bij normale en hogere weerstanden werkzaam zijn, en zijn de bindingskrachten aan de plaat aanzienlijk verminderd. Voorbeelden van stof met een laag weerstandsvermogen zijn onverbrande koolstof in vliegas en roet.
Als deze geleidende deeltjes grof zijn, kunnen ze stroomopwaarts van de precipitator worden verwijderd met behulp van een apparaat zoals een mechanische cyclooncollector.
De toevoeging van vloeibare ammoniak (NH
3) aan de gasstroom als conditioneringsmiddel wordt de laatste jaren op grote schaal gebruikt. De theorie is dat ammoniak reageert met H
2SO
4 in het rookgas om een ammoniumsulfaatverbinding te vormen die het cohesievermogen van het stof verhoogt. Dit extra cohesievermogen compenseert het verlies aan elektrische aantrekkingskrachten.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de kenmerken van stof met een laag, normaal en hoog weerstandsvermogen.
Het vochtgehalte van de rookgasstroom is ook van invloed op het weerstandsvermogen van de deeltjes. Het verhogen van het vochtgehalte van de gasstroom door water te sproeien of stoom te injecteren in de kanalen die aan de ESP voorafgaan, verlaagt het weerstandsvermogen. Zowel bij de temperatuurregeling als bij de vochtigheidsregeling moet het gas boven het dauwpunt worden gehouden om corrosieproblemen in de ESP of de stroomafwaartse apparatuur te voorkomen. De figuur rechts toont het effect van temperatuur en vochtigheid op de weerstand van een cementstof. Als het percentage vocht in de gasstroom stijgt van 6 tot 20%, daalt de weerstand van het stof drastisch. Ook kan het verhogen of verlagen van de temperatuur de weerstand van cementstof verlagen voor alle vertegenwoordigde vochtpercentages.
De aanwezigheid van SO
3 in de gasstroom blijkt het elektrostatische neerslagproces te bevorderen wanneer zich problemen met een hoog weerstandsvermogen voordoen. Het grootste deel van het zwavelgehalte in de voor verbrandingsbronnen verbrande steenkool zet zich om in SO
2. Ongeveer 1% van de zwavel zet zich echter om in SO
3. De hoeveelheid SO
3 in het rookgas neemt normaal toe met toenemend zwavelgehalte van de steenkool. De weerstand van de deeltjes neemt af naarmate het zwavelgehalte van de steenkool toeneemt.
| Resistiviteit | Gebied van meting | Precipitatorkenmerken |
|---|---|---|
| Laag | tussen 104 en 107 ohm-cm |
|
| Normaal | tussen 107 en 2 x 1010 ohm-cm |
|
| Marginaal tot hoog | tussen 2 x 1010 en 1012 ohm-cm |
|
| hoog | boven 1012 ohm-cm |
|
Andere conditioneringsmiddelen, zoals zwavelzuur, ammoniak, natriumchloride, en natriumcarbonaat (soms als ruwe trona), zijn ook gebruikt om de deeltjesweerstand te verminderen. De chemische samenstelling van de rookgasstroom is dus belangrijk voor de weerstand van de deeltjes die in de ESP moeten worden opgevangen. In de onderstaande tabel zijn verschillende conditioneringsmiddelen en hun werkingsmechanismen opgesomd.
| Conditioneringsmiddel | Werkingsmechanisme(s) |
|---|---|
| Zwaveltrioxide en/of zwavelzuur |
|
| Ammonia |
Het mechanisme is niet duidelijk, verschillende zijn voorgesteld;
|
| Ammoniumsulfaat | Er is weinig bekend over het mechanisme; er worden beweringen gedaan over het volgende:
|
| Triethylamine | Er wordt beweerd dat deeltjes agglomereren; geen ondersteunende gegevens. |
| Natriumverbindingen |
|
| Compounds of Transition Metals | Gedacht wordt dat zij oxidatie van SO 2 tot SO 3 katalyseren; geen definitieve tests met vliegas om deze bewering te verifiëren. |
| Kaliumsulfaat en natriumchloride | In cement- en kalkovens ESP’s:
|
Als ammoniumsulfaat wordt geïnjecteerd bij een temperatuur van meer dan ongeveer 600 °F (320 °C), leidt dit tot dissociatie in ammoniak en zwaveltrioxide. Afhankelijk van de as, kan SO
2 bij voorkeur reageren met vliegas als SO
3 conditionering. De rest recombineert met ammoniak om aan de ruimtelading toe te voegen en de samenhang van de as te vergroten.
Meer recentelijk is erkend dat een belangrijke reden voor het verlies aan efficiëntie van de elektrostatische precipitator te wijten is aan de opbouw van deeltjes op de laaddraden naast de verzamelplaten (Davidson en McKinney, 1998). Dit kan gemakkelijk worden verholpen door ervoor te zorgen dat de draden zelf worden gereinigd op hetzelfde moment dat de verzamelplaten worden gereinigd.
Zwavelzuurdamp (SO
3) versterkt de effecten van waterdamp op oppervlaktegeleiding. Het wordt fysisch geadsorbeerd binnen de vochtlaag op de deeltjesoppervlakken. De effecten van relatief kleine hoeveelheden zure damp zijn te zien in de figuur hieronder en rechts.
De inherente weerstand van het monster bij 300 °F (150 °C) is 5×1012 ohm-cm. Een evenwichtsconcentratie van slechts 1,9 ppm zwavelzuurdamp verlaagt die waarde tot ongeveer 7 x 109 ohm-cm.
