Elektrofiltr

Wydajność elektrofiltru jest bardzo wrażliwa na dwie właściwości cząstek stałych: 1) Oporność elektryczna; oraz 2) Rozkład wielkości cząstek. Te właściwości mogą być mierzone ekonomicznie i dokładnie w laboratorium, przy użyciu standardowych testów. Rezystywność można określić jako funkcję temperatury zgodnie z normą IEEE 548. Test ten przeprowadzany jest w środowisku powietrza zawierającego określone stężenie wilgoci. Test przeprowadza się w funkcji wzrastającej lub malejącej temperatury, lub obu tych wielkości. Dane uzyskuje się stosując średnie pole elektryczne warstwy popiołu o wartości 4 kV/cm. Ponieważ stosowane jest stosunkowo niskie przyłożone napięcie, a w środowisku testowym nie występują pary kwasu siarkowego, uzyskane wartości wskazują maksymalną rezystywność popiołu.

W ESP, gdzie ładowanie i rozładowywanie cząstek jest kluczową funkcją, rezystywność jest ważnym czynnikiem, który znacząco wpływa na wydajność zbierania. Chociaż rezystywność jest ważnym zjawiskiem w obszarze międzyelektrodowym, gdzie odbywa się większość ładowania cząstek, ma ona szczególnie ważny wpływ na warstwę pyłu przy elektrodzie zbiorczej, gdzie następuje rozładowanie. Cząstki, które wykazują wysoką rezystywność są trudne do naładowania. Jednak raz naładowane, nie oddają łatwo nabytego ładunku po dotarciu do elektrody zbiorczej. Z drugiej strony, cząstki o niskiej rezystywności łatwo się ładują i łatwo oddają swój ładunek do uziemionej płytki zbierającej. Obie skrajne wartości rezystywności utrudniają efektywne działanie ESP. ESP działają najlepiej w warunkach normalnej rezystywności.

Resistywność, która jest cechą charakterystyczną cząstek w polu elektrycznym, jest miarą odporności cząstki na przenoszenie ładunku (zarówno przyjmowanie, jak i oddawanie ładunków). Rezystywność jest funkcją składu chemicznego cząstek, a także warunków pracy gazów spalinowych, takich jak temperatura i wilgotność. Cząstki mogą mieć wysoką, umiarkowaną (normalną) lub niską rezystywność.

Rezystywność cząstek jest definiowana przy użyciu bardziej ogólnej wersji prawa Ohma, jak podano w równaniu (1) poniżej:

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)

Lepszym sposobem wyświetlenia tego byłoby rozwiązanie dla rezystywności jako funkcji przyłożonego napięcia i prądu, jak podano w równaniu (2) poniżej:

(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).

Resistywność jest to opór elektryczny próbki pyłu o powierzchni 1.0 cm2 powierzchni przekroju poprzecznego, o grubości 1,0 cm i jest zapisywana w jednostkach om-cm. Metoda pomiaru rezystywności zostanie opisana w tym artykule. W poniższej tabeli podano zakresy wartości dla niskiej, normalnej i wysokiej rezystywności.

Oporność warstwy pyłuEdit

Oporność wpływa na warunki elektryczne w warstwie pyłu przez potencjalne pole elektryczne (spadek napięcia) tworzące się w poprzek warstwy, gdy ujemnie naładowane cząstki docierają do jej powierzchni i przeciekają swoje ładunki elektryczne do płytki zbierającej. Na metalowej powierzchni uziemionej elektrycznie płyty zbierającej napięcie to wynosi zero, natomiast na zewnętrznej powierzchni warstwy pyłu, gdzie docierają nowe cząstki i jony, napięcie elektrostatyczne wywołane przez jony gazu może być dość wysokie. Siła tego pola elektrycznego zależy od rezystancji i grubości warstwy pyłu.

W warstwach pyłu o wysokiej rezystancji, pył nie jest wystarczającym przewodnikiem, więc ładunki elektryczne mają trudności z przemieszczaniem się przez warstwę pyłu. W konsekwencji ładunki elektryczne gromadzą się na i pod powierzchnią warstwy pyłu, tworząc silne pole elektryczne.

Napięcia mogą być większe niż 10 000 woltów. Cząstki pyłu o wysokiej rezystancji są zbyt mocno przytrzymywane na płycie, co utrudnia ich usuwanie i powoduje problemy z rappingiem.

W warstwach pyłu o niskiej rezystancji, prąd koronowy jest łatwo przekazywany do uziemionej elektrody zbiorczej. Dlatego w warstwie pyłu utrzymuje się stosunkowo słabe pole elektryczne, rzędu kilku tysięcy woltów. Zbierane cząstki pyłu o niskiej rezystancji nie przylegają wystarczająco mocno do płyty zbierającej. Są one łatwo usuwane i zatrzymywane w strumieniu gazu.

Przewodnictwo elektryczne warstwy cząstek zależy zarówno od czynników powierzchniowych, jak i objętościowych. Przewodnictwo objętościowe, czyli ruch ładunków elektrycznych przez wnętrze cząstek, zależy głównie od składu i temperatury cząstek. W regionach o wyższej temperaturze, powyżej 500 °F (260 °C), przewodnictwo objętościowe kontroluje mechanizm przewodzenia. Przewodnictwo objętościowe obejmuje również czynniki pomocnicze, takie jak kompresja warstwy cząstek, wielkość i kształt cząstek oraz właściwości powierzchni.

Przewodnictwo objętościowe jest przedstawione na rysunkach jako linia prosta w temperaturach powyżej 500 °F (260 °C). W temperaturach poniżej około 450 °F (230 °C), ładunki elektryczne zaczynają przepływać przez wilgoć powierzchniową i filmy chemiczne zaadsorbowane na cząstkach. Przewodnictwo powierzchniowe zaczyna obniżać wartości rezystywności i zaginać krzywą w dół w temperaturach poniżej 500 °F (260 °C).

Te filmy zazwyczaj różnią się zarówno fizycznie jak i chemicznie od wnętrza cząstek z powodu zjawisk adsorpcyjnych. Obliczenia teoretyczne wskazują, że warstwy wilgoci o grubości zaledwie kilku molekuł są wystarczające do zapewnienia pożądanego przewodnictwa powierzchniowego. Przewodnictwo powierzchniowe na cząsteczkach jest ściśle związane z powierzchniowymi prądami upływu występującymi na izolatorach elektrycznych, które zostały obszernie zbadane. Interesuj±cym praktycznym zastosowaniem zjawiska upływu powierzchniowego jest okre¶lanie punktu rosy poprzez pomiar pr±du pomiędzy przylegaj±cymi elektrodami zamontowanymi na szklanej powierzchni. Gwałtowny wzrost prądu sygnalizuje tworzenie się warstwy wilgoci na szkle. Metoda ta była skutecznie wykorzystywana do określania wyraźnego wzrostu punktu rosy, który występuje, gdy do atmosfery dodawane są niewielkie ilości pary kwasu siarkowego (na rynku dostępne są komercyjne mierniki punktu rosy).

Poniższe omówienie normalnej, wysokiej i niskiej rezystancji dotyczy ESP pracujących w stanie suchym; rezystancja nie stanowi problemu w działaniu mokrych ESP ze względu na stężenie wilgoci w ESP. Związek pomiędzy zawartością wilgoci a opornością wyjaśniono w dalszej części pracy.

Normalna opornośćEdit

Jak stwierdzono powyżej, ESP działają najlepiej w warunkach normalnej oporności. Cząstki o normalnej rezystywności nie tracą gwałtownie ładunku po dotarciu do elektrody zbierającej. Cząstki te powoli odprowadzają swój ładunek do uziemionych płyt i są zatrzymywane na płytach zbierających przez międzycząsteczkowe siły adhezji i spójności. Pozwala to na tworzenie się warstwy cząstek stałych, które następnie są usuwane z płytek przez zgarnianie. W zakresie normalnej rezystywności pyłu (pomiędzy 107 a 2 x 1010 om-cm), popiół lotny jest zbierany łatwiej niż pył o niskiej lub wysokiej rezystywności.

Wysoka rezystywnośćEdit

Jeśli spadek napięcia na warstwie pyłu staje się zbyt wysoki, może wystąpić kilka niekorzystnych efektów. Po pierwsze, wysoki spadek napięcia zmniejsza różnicę napięcia między elektrodą wyładowczą a elektrodą zbierającą, a tym samym zmniejsza natężenie pola elektrostatycznego wykorzystywanego do kierowania naładowanych jonami gazu cząstek do zebranej warstwy pyłu. W miarę narastania warstwy pyłu i gromadzenia się ładunków elektrycznych na powierzchni warstwy pyłu, różnica napięć pomiędzy elektrodą wyładowczą i zbiorczą maleje. Zmniejszone natężenie pola elektrycznego ma szczególny wpływ na prędkości migracji małych cząstek.

Innym problemem występującym w przypadku warstw pyłu o wysokiej rezystywności jest tzw. korona wsteczna. Występuje on, gdy spadek potencjału w warstwie pyłu jest tak duży, że w gazie uwięzionym w warstwie pyłu zaczynają pojawiać się wyładowania koronowe. Warstwa pyłu pęka elektrycznie, tworząc małe otwory lub kratery, z których powstają wyładowania koronowe. W warstwie pyłu powstają dodatnie jony gazowe, które są przyspieszane w kierunku „ujemnie naładowanej” elektrody wyładowczej. Dodatnie jony redukują część ładunków ujemnych na warstwie pyłu i neutralizują część jonów ujemnych na „naładowanych cząstkach” zmierzających w kierunku elektrody zbiorczej. Zakłócenia normalnego procesu koronowego znacznie zmniejszają wydajność zbierania ESP, która w ciężkich przypadkach może spaść poniżej 50%. Gdy występuje korona wsteczna, cząsteczki pyłu gromadzą się na elektrodach tworząc warstwę izolacji. Często nie można tego naprawić bez wyłączenia urządzenia z eksploatacji.

Trzecim i ogólnie najczęstszym problemem związanym z pyłem o wysokiej rezystywności jest zwiększone iskrzenie elektryczne. Gdy szybkość iskrzenia przekracza „ustawiony limit szybkości iskrzenia”, automatyczne sterowniki ograniczają napięcie robocze pola. Powoduje to zmniejszone ładowanie cząstek i zmniejszoną prędkość migracji w kierunku elektrody zbierającej. Wysoką rezystywność można generalnie zmniejszyć, wykonując następujące czynności:

• Dostosowanie temperatury;
• Zwiększenie zawartości wilgoci;
• Dodanie środków kondycjonujących do strumienia gazu;
• Zwiększenie powierzchni gromadzenia; oraz
• Użycie elektrofiltrów gorącej strony (okazjonalnie i z uprzedzeniem o zubożeniu sodu).

Cienkie warstwy pyłu i pył o wysokiej rezystywności szczególnie sprzyjają powstawaniu kraterów tylnej korony. Silna korona wsteczna została zaobserwowana przy warstwach pyłu tak cienkich jak 0,1 mm, ale warstwa pyłu o grubości nieco ponad jednej cząstki może zmniejszyć napięcie iskrzenia o 50%. Najbardziej wyraźne skutki działania korony wstecznej na charakterystykę prądowo-napięciową to:

1. Zmniejszenie napięcia przeskoku iskry nawet o 50% lub więcej;
2. Skoki lub nieciągłości prądu spowodowane tworzeniem się stabilnych kraterów korony wstecznej; oraz
3. Duży wzrost maksymalnego prądu korony, który tuż poniżej przerwy między iskrą a koroną może być kilkakrotnie większy od prądu normalnego.

Rysunek poniżej i po lewej stronie pokazuje zmianę rezystywności przy zmieniającej się temperaturze gazu dla sześciu różnych pyłów przemysłowych wraz z trzema popiołami lotnymi opalanymi węglem. Rysunek po prawej stronie ilustruje wartości rezystywności zmierzone dla różnych związków chemicznych, które zostały przygotowane w laboratorium.

Resistivity Values of Representative Dusts and Fumes From Industrial Plants

Resistivity Wartości różnych związków chemicznych i odczynników w funkcji temperatury

Wyniki dla popiołu lotnego A (na rysunku po lewej) uzyskano w trybie rosnącej temperatury. Dane te są typowe dla popiołu o umiarkowanej lub wysokiej zawartości substancji palnych. Dane dla popiołu lotnego B pochodzą z tej samej próbki, uzyskane w trybie temperatury malejącej.

Różnice pomiędzy trybami temperatury rosnącej i malejącej wynikają z obecności niespalonych składników palnych w próbce. Pomiędzy tymi dwoma trybami badania, próbki są równoważone w suchym powietrzu przez 14 godzin (przez noc) w temperaturze 850 °F (450 °C). Ten nocny proces wyżarzania zazwyczaj usuwa od 60% do 90% wszelkich niespalonych substancji palnych obecnych w próbkach. Dokładnie jak węgiel działa jako nośnik ładunku nie jest w pełni zrozumiały, ale wiadomo, że znacznie zmniejsza rezystywność pyłu.

Rezystywność mierzona jako funkcja temperatury w zmiennych stężeniach wilgoci (wilgotność)

Węgiel może działać, na początku, jak pył o wysokiej rezystywności w elektrofiltrze. Wyższe napięcia mogą być wymagane w celu rozpoczęcia generowania korony. Te wyższe napięcia mogą być problematyczne dla sterowników TR-Set. Problem polega na tym, że pojawienie się korony powoduje przepływ dużych ilości prądu przez warstwę pyłu (o niskiej rezystywności). Sterowniki wyczuwają ten przeskok jako iskrę. Ponieważ elektrofiltry pracują w trybie ograniczania iskry, zasilanie zostaje przerwane i cykl generowania korony rozpoczyna się ponownie. Tak więc, niższe odczyty mocy (prądu) są odnotowywane przy stosunkowo wysokich odczytach napięcia.

Uważa się, że to samo występuje w pomiarach laboratoryjnych. Geometria równoległej płyty jest używana w pomiarach laboratoryjnych bez generowania korony. W kubku ze stali nierdzewnej znajduje się próbka. Inny odważnik elektrodowy ze stali nierdzewnej jest umieszczony na górze próbki (bezpośredni kontakt z warstwą pyłu). Gdy napięcie jest zwiększane od niewielkich wartości (np. 20 V), nie jest mierzony żaden prąd. Następnie, zostaje osiągnięty progowy poziom napięcia. Przy tym poziomie przez próbkę zaczyna płynąć prąd… tak duży, że zasilacz może się wyłączyć. Po usunięciu niespalonych składników palnych podczas wspomnianej procedury wyżarzania, krzywa trybu temperatury malejącej pokazuje typowy kształt odwróconej litery „V”, którego można się spodziewać.

Niska rezystywnośćEdit

Cząstki o niskiej rezystywności są trudne do zebrania, ponieważ łatwo się ładują (bardzo dobrze przewodzą) i szybko tracą ładunek po dotarciu do elektrody zbierającej. Cząstki przyjmują ładunek elektrody zbierającej, odbijają się od płyt i zostają ponownie uwięzione w strumieniu gazu. W ten sposób, przyciągające i odpychające siły elektryczne, które normalnie działają przy normalnej i wyższej rezystywności, nie występują, a siły wiążące do płyty są znacznie zmniejszone. Przykładami pyłów o niskiej rezystywności są niespalony węgiel w popiele lotnym i sadza.

Jeśli te cząstki przewodzące są duże, można je usunąć przed elektrofiltrem za pomocą urządzenia takiego jak mechaniczny kolektor cyklonowy.

Dodawanie ciekłego amoniaku (NH
3) do strumienia gazu jako środka kondycjonującego znalazło szerokie zastosowanie w ostatnich latach. Uważa się, że amoniak reaguje z H
2SO
4 zawartym w gazach spalinowych, tworząc związek siarczanu amonu, który zwiększa spoistość pyłu. Ta dodatkowa spoistość rekompensuje utratę sił przyciągania elektrycznego.

W poniższej tabeli podsumowano charakterystyki związane z pyłami o niskiej, normalnej i wysokiej rezystywności.

Na rezystywność cząstek wpływa również zawartość wilgoci w strumieniu gazów spalinowych. Zwiększenie zawartości wilgoci w strumieniu gazu poprzez rozpylanie wody lub wstrzykiwanie pary do kanałów poprzedzających ESP powoduje obniżenie oporności. Zarówno w przypadku regulacji temperatury, jak i kondycjonowania wilgotności, należy utrzymywać warunki gazu powyżej punktu rosy, aby zapobiec problemom z korozją w ESP lub urządzeniach za nim. Rysunek po prawej stronie pokazuje wpływ temperatury i wilgotności na rezystywność pyłu cementowego. Wraz ze wzrostem procentowej zawartości wilgoci w strumieniu gazu z 6 do 20%, rezystywność pyłu drastycznie spada. Również podniesienie lub obniżenie temperatury może zmniejszyć rezystywność pyłu cementowego dla wszystkich reprezentowanych procentów wilgotności.

Wykazano, że obecność SO
3 w strumieniu gazu sprzyja procesowi wytrącania elektrostatycznego, gdy występują problemy z wysoką rezystywnością. Większość siarki zawartej w węglu spalanym w źródłach spalania przekształca się w SO
2. Jednak około 1% siarki przekształca się w SO
3. Ilość SO
3 w gazach spalinowych zwykle wzrasta wraz ze wzrostem zawartości siarki w węglu. Rezystywność cząstek maleje wraz ze wzrostem zawartości siarki w węglu.

Inne środki kondycjonujące, takie jak kwas siarkowy, amoniak, chlorek sodu i soda kalcynowana (czasami jako surowa trona), były również stosowane w celu zmniejszenia rezystywności cząstek. Dlatego też skład chemiczny strumienia gazów spalinowych jest ważny w odniesieniu do oporności cząstek, które mają być gromadzone w ESP. W poniższej tabeli wymieniono różne środki kondycjonujące i mechanizmy ich działania.

Jeśli wstrzykiwanie siarczanu amonu odbywa się w temperaturze wyższej niż około 600 °F (320 °C), następuje dysocjacja na amoniak i trójtlenek siarki. W zależności od popiołu, SO
2 może preferencyjnie oddziaływać z popiołem lotnym jako kondycjonowanie SO
3. Reszta rekombinuje z amoniakiem, aby dodać do ładunku przestrzennego, jak również zwiększyć spoistość popiołu.

Ostatnio uznano, że głównym powodem utraty wydajności elektrofiltru jest nagromadzenie cząstek na przewodach ładujących oprócz płyt zbierających (Davidson i McKinney, 1998). Można temu łatwo zaradzić upewniając się, że same druty są czyszczone w tym samym czasie, w którym czyszczone są płyty zbierające.

Opary kwasu siarkowego (SO
3) wzmacniają wpływ pary wodnej na przewodnictwo powierzchniowe. Jest on fizycznie adsorbowany w warstwie wilgoci na powierzchniach cząstek. Efekty działania stosunkowo niewielkich ilości pary kwasu można zobaczyć na rysunku poniżej i po prawej stronie.

Oporność właściwa próbki w temperaturze 300 °F (150 °C) wynosi 5×1012 ohm-cm. Stężenie równowagowe zaledwie 1,9 ppm pary kwasu siarkowego obniża tę wartość do około 7 x 109 ohm-cm.

Rezystywność modelowana jako funkcja warunków środowiskowych – w szczególności pary kwasu siarkowego

.