Precipitator electrostatic

Performanța precipitatorului este foarte sensibilă la două proprietăți ale particulelor: 1) Rezistivitatea electrică; și 2) Distribuția dimensiunilor particulelor. Aceste proprietăți pot fi măsurate în mod economic și precis în laborator, folosind teste standard. Rezistivitatea poate fi determinată în funcție de temperatură în conformitate cu standardul IEEE 548. Acest test se efectuează într-un mediu de aer care conține o concentrație de umiditate specificată. Testul se execută în funcție de temperatura ascendentă sau descendentă, sau de ambele. Datele se obțin folosind un câmp electric mediu al stratului de cenușă de 4 kV/cm. Deoarece se utilizează o tensiune aplicată relativ scăzută și nu sunt prezenți vapori de acid sulfuric în mediul de testare, valorile obținute indică rezistivitatea maximă a cenușii.

Într-un ESP, unde încărcarea și descărcarea particulelor sunt funcții cheie, rezistivitatea este un factor important care afectează semnificativ eficiența de colectare. În timp ce rezistivitatea este un fenomen important în regiunea dintre electrozi, unde are loc cea mai mare parte a încărcării particulelor, ea are un efect deosebit de important asupra stratului de praf de la electrodul de colectare, unde are loc descărcarea. Particulele care prezintă o rezistivitate ridicată sunt dificil de încărcat. Dar, odată încărcate, acestea nu renunță cu ușurință la sarcina dobândită la sosirea la electrodul de colectare. Pe de altă parte, particulele cu rezistivitate scăzută se încarcă ușor și își eliberează cu ușurință sarcina pe placa colectoare împământată. Ambele extreme de rezistivitate împiedică funcționarea eficientă a ESP-urilor. ESP-urile funcționează cel mai bine în condiții de rezistivitate normală.

Rezistivitatea, care este o caracteristică a particulelor într-un câmp electric, este o măsură a rezistenței unei particule la transferul de sarcină (atât la acceptarea cât și la cedarea sarcinilor). Rezistivitatea este o funcție de compoziția chimică a unei particule, precum și de condițiile de funcționare a gazelor de ardere, cum ar fi temperatura și umiditatea. Particulele pot avea o rezistivitate ridicată, moderată (normală) sau scăzută.

Rezistivitatea în masă este definită folosind o versiune mai generală a Legii lui Ohm, așa cum este dată în Ecuația (1) de mai jos:

E → = ρ j → {\displaystyle {\vec {\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)

O modalitate mai bună de a afișa acest lucru ar fi să rezolvăm rezistivitatea în funcție de tensiunea și curentul aplicat, așa cum este prezentat în ecuația (2) de mai jos:

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).

Rezistența este rezistența electrică a unei probe de praf 1.0 cm2 în secțiune transversală, cu o grosime de 1,0 cm, și se înregistrează în unități de ohm-cm. În acest articol va fi descrisă o metodă de măsurare a rezistivității. Tabelul de mai jos, oferă intervale de valori pentru rezistivitatea scăzută, normală și ridicată.

Rezistența stratului de prafEdit

Rezistența afectează condițiile electrice din stratul de praf printr-un câmp electric potențial (cădere de tensiune) care se formează de-a lungul stratului pe măsură ce particulele încărcate negativ ajung la suprafața sa și își scurg sarcinile electrice către placa colectoare. La suprafața metalică a plăcii colectoare împământate electric, tensiunea este zero, în timp ce la suprafața exterioară a stratului de praf, unde sosesc noi particule și ioni, tensiunea electrostatică cauzată de ionii de gaz poate fi destul de mare. Intensitatea acestui câmp electric depinde de rezistența și de grosimea stratului de praf.

În straturile de praf cu rezistență mare, praful nu este suficient de conductiv, astfel încât sarcinile electrice au dificultăți în deplasarea prin stratul de praf. În consecință, sarcinile electrice se acumulează pe și sub suprafața stratului de praf, creând un câmp electric puternic.

Tensiunile pot fi mai mari de 10.000 de volți. Particulele de praf cu rezistență ridicată sunt ținute prea puternic de placă, ceea ce face dificilă îndepărtarea lor și cauzează probleme de rapel.

În straturile de praf cu rezistență scăzută, curentul corona este trecut cu ușurință la electrodul de colectare împământat. Prin urmare, un câmp electric relativ slab, de câteva mii de volți, este menținut peste stratul de praf. Particulele de praf colectate cu rezistență scăzută nu aderă suficient de puternic la placa de colectare. Ele sunt ușor dislocate și sunt reținute în fluxul de gaz.

Conductivitatea electrică a unui strat masiv de particule depinde atât de factori de suprafață, cât și de factori de volum. Conducția de volum, sau mișcările sarcinilor electrice prin interiorul particulelor, depinde în principal de compoziția și temperatura particulelor. În regiunile cu temperaturi mai ridicate, peste 260 °C (500 °F), conducția de volum controlează mecanismul de conducție. Conducția de volum implică, de asemenea, factori auxiliari, cum ar fi compresia stratului de particule, dimensiunea și forma particulelor și proprietățile de suprafață.

Conducția de volum este reprezentată în figuri sub forma unei linii drepte la temperaturi de peste 500 °F (260 °C). La temperaturi mai mici de aproximativ 450 °F (230 °C), sarcinile electrice încep să curgă prin umezeala de la suprafață și prin filmele chimice adsorbite pe particule. Conducția de suprafață începe să scadă valorile rezistivității și să curbeze curba în jos la temperaturi mai mici de 500 °F (260 °C).

Aceste pelicule diferă de obicei atât din punct de vedere fizic cât și chimic de interiorul particulelor datorită fenomenelor de adsorbție. Calculele teoretice indică faptul că peliculele de umiditate cu o grosime de numai câteva molecule sunt adecvate pentru a asigura conductivitatea de suprafață dorită. Conducția de suprafață pe particule este strâns legată de curenții de scurgere de suprafață care apar pe izolatori electrici, care au fost studiați pe larg. O aplicație practică interesantă a scurgerii de suprafață este determinarea punctului de rouă prin măsurarea curentului dintre electrozii adiacenți montați pe o suprafață de sticlă. O creștere bruscă a curentului semnalează formarea unei pelicule de umiditate pe sticlă. Această metodă a fost utilizată în mod eficient pentru determinarea creșterii accentuate a punctului de rouă, care apare atunci când cantități mici de vapori de acid sulfuric sunt adăugate într-o atmosferă (pe piață sunt disponibile aparate comerciale de măsurare a punctului de rouă).

Discuția următoare despre rezistența normală, ridicată și scăzută se aplică ESP-urilor care funcționează în stare uscată; rezistența nu reprezintă o problemă în funcționarea ESP-urilor umede din cauza concentrației de umiditate din ESP. Relația dintre conținutul de umiditate și rezistență este explicată mai târziu în această lucrare.

Rezistivitate normalăEdit

După cum s-a spus mai sus, ESP-urile funcționează cel mai bine în condiții de rezistivitate normală. Particulele cu rezistivitate normală nu își pierd rapid sarcina la sosirea la electrodul de colectare. Aceste particule își scurg încet sarcina către plăcile împământate și sunt reținute pe plăcile de colectare prin forțe intermoleculare adezive și coezive. Acest lucru permite formarea unui strat de particule care este apoi îndepărtat de pe plăci prin lovire. În intervalul de rezistivitate normală a prafului (între 107 și 2 x 1010 ohm-cm), cenușa zburătoare este colectată mai ușor decât praful care are fie o rezistivitate mică, fie una mare.

Rezistivitate mareEdit

Dacă căderea de tensiune pe stratul de praf devine prea mare, pot apărea mai multe efecte adverse. În primul rând, căderea mare de tensiune reduce diferența de tensiune dintre electrodul de descărcare și electrodul de colectare și, prin urmare, reduce intensitatea câmpului electrostatic utilizat pentru a conduce particulele încărcate cu ioni de gaz peste stratul de praf colectat. Pe măsură ce stratul de praf se acumulează, iar sarcinile electrice se acumulează pe suprafața stratului de praf, diferența de tensiune dintre electrodul de descărcare și electrodul de colectare scade. Vitezele de migrare ale particulelor mici sunt afectate în special de intensitatea redusă a câmpului electric.

O altă problemă care apare în cazul straturilor de praf cu rezistivitate ridicată se numește coroană dorsală. Aceasta apare atunci când căderea de potențial pe stratul de praf este atât de mare încât încep să apară descărcări corona în gazul care este prins în stratul de praf. Stratul de praf se descompune din punct de vedere electric, producând mici găuri sau cratere din care apar descărcări de coroană dorsală. Ionii pozitivi ai gazului sunt generați în stratul de praf și sunt accelerați spre electrodul de descărcare „încărcat negativ”. Ionii pozitivi reduc o parte din sarcinile negative de pe stratul de praf și neutralizează o parte din ionii negativi de pe „particulele încărcate” care se îndreaptă spre electrodul de colectare. Perturbările procesului corona normal reduc foarte mult eficiența de colectare a ESP, care, în cazuri grave, poate scădea sub 50% . Atunci când este prezentă coroana din spate, particulele de praf se acumulează pe electrozi formând un strat de izolație. Adesea, acest lucru nu poate fi reparat fără a scoate unitatea din funcțiune.

A treia și, în general, cea mai frecventă problemă cu praful de înaltă rezistivitate este creșterea scânteilor electrice. Atunci când rata de scânteiere depășește „limita stabilită pentru rata de scânteiere”, controlerele automate limitează tensiunea de funcționare a câmpului. Acest lucru determină o încărcare redusă a particulelor și viteze reduse de migrare spre electrodul de colectare. Rezistivitatea ridicată poate fi redusă, în general, prin următoarele măsuri:

• Ajustarea temperaturii;
• Creșterea conținutului de umiditate;
• Aducerea de agenți de condiționare în fluxul de gaz;
• Creșterea suprafeței de colectare; și
• Utilizarea precipitatoarelor la cald (ocazional și cu cunoașterea prealabilă a epuizării sodiului).

Capacele subțiri de praf și praful de înaltă rezistivitate favorizează în special formarea craterelor coroanei dorsale. Coroana dorsală severă a fost observată cu straturi de praf de până la 0,1 mm, dar un strat de praf cu o grosime de puțin peste o particulă poate reduce tensiunea de scânteie cu 50%. Cele mai accentuate efecte ale coroanei dorsale asupra caracteristicilor curent-tensiune sunt:

1. Reducerea tensiunii de scânteie peste tensiune cu până la 50% sau mai mult;
2. Salturi de curent sau discontinuități cauzate de formarea craterelor stabile de coroană dorsală; și
3. Creșterea mare a curentului maxim de coroană, care chiar sub distanța dintre scânteie și coroană poate fi de câteva ori mai mare decât curentul normal.

Figura de mai jos și din stânga arată variația rezistivității în funcție de schimbarea temperaturii gazului pentru șase pulberi industriale diferite împreună cu trei cenușă zburătoare de cărbune. Figura din dreapta ilustrează valorile rezistivității măsurate pentru diverși compuși chimici care au fost preparați în laborator.

Valori ale rezistivității unor pulberi și fumuri reprezentative din instalații industriale

Rezistivitate Valorile diferitelor substanțe chimice și reactivi în funcție de temperatură

Rezultatele pentru cenușa zburătoare A (în figura din stânga) au fost obținute în modul de temperatură ascendentă. Aceste date sunt tipice pentru o cenușă cu un conținut moderat spre ridicat de combustibili. Datele pentru cenușa zburătoare B provin din același eșantion, achiziționate în timpul modului de temperatură descendentă.

Diferențele dintre modurile de temperatură ascendentă și descendentă se datorează prezenței combustibililor necombustibili în eșantion. Între cele două moduri de testare, probele sunt echilibrate în aer uscat timp de 14 ore (peste noapte) la 450 °C (850 °F). Acest proces de recoacere peste noapte elimină, de obicei, între 60 % și 90 % din combustibilii necombustiți prezenți în probe. Modul exact în care funcționează carbonul ca purtător de sarcină nu este pe deplin înțeles, dar se știe că reduce semnificativ rezistivitatea unui praf.

Rezistivitatea măsurată în funcție de temperatură în concentrații variabile de umiditate (umezeală)

Carbonul poate acționa, la început, ca un praf cu rezistivitate ridicată în precipitator. Pot fi necesare tensiuni mai mari pentru ca generarea coroanei să înceapă. Aceste tensiuni mai mari pot fi problematice pentru comenzile TR-Set. Problema constă în faptul că debutul coroanei provoacă apariția unor cantități mari de curent prin stratul de praf (cu rezistivitate scăzută). Comenzile detectează această supratensiune ca pe o scânteie. Deoarece precipitatoarele funcționează în modul de limitare a scânteilor, alimentarea este întreruptă și ciclul de generare a coroanei se reinițiază. Astfel, se observă citiri de putere (curent) mai mici cu citiri de tensiune relativ ridicate.

Se crede că același lucru se întâmplă și în măsurătorile de laborator. Geometria plăcilor paralele este utilizată în măsurătorile de laborator fără generare de corona. O cupă din oțel inoxidabil conține proba. O altă greutate de electrod din oțel inoxidabil este așezată deasupra probei (contact direct cu stratul de praf). Pe măsură ce tensiunea este crescută de la valori mici (de exemplu, 20 V), nu se măsoară niciun curent. Apoi, se atinge un nivel de tensiune de prag. La acest nivel, curentul trece brusc prin eșantion… atât de mult încât unitatea de alimentare cu tensiune se poate declanșa. După îndepărtarea combustibililor necombustibili în timpul procedurii de recoacere menționate mai sus, curba modului descrescător al temperaturii prezintă forma tipică de „V” inversat la care ne-am putea aștepta.

Rezistivitate scăzutăEdit

Particulele care au o rezistivitate scăzută sunt dificil de colectat deoarece se încarcă ușor (sunt foarte conductoare) și își pierd rapid sarcina la sosirea la electrodul de colectare. Particulele preiau sarcina electrodului de colectare, ricoșează de pe plăci și sunt reintroduse în fluxul de gaz. Astfel, forțele electrice de atracție și de respingere care acționează în mod normal la rezistivități normale și mai mari lipsesc, iar forțele de legare la placă sunt considerabil diminuate. Exemple de pulberi cu rezistivitate scăzută sunt carbonul nears din cenușa zburătoare și negrul de fum.

Dacă aceste particule conductoare sunt grosiere, ele pot fi îndepărtate în amonte de precipitator prin utilizarea unui dispozitiv cum ar fi un colector mecanic cu ciclon.

Adaosul de amoniac lichid (NH
3) în fluxul de gaz ca agent de condiționare a găsit o largă utilizare în ultimii ani. Este teoretizat faptul că amoniacul reacționează cu H
2SO
4 conținut în gazele de ardere pentru a forma un compus de sulfat de amoniu care crește coeziunea prafului. Această coezivitate suplimentară compensează pierderea forțelor de atracție electrică.

Tabelul de mai jos rezumă caracteristicile asociate pulberilor cu rezistivitate scăzută, normală și ridicată.

Conținutul de umiditate al fluxului de gaze de ardere afectează, de asemenea, rezistivitatea particulelor. Creșterea conținutului de umiditate al fluxului de gaze prin pulverizarea de apă sau prin injectarea de abur în conductele care preced ESP scade rezistivitatea. Atât în cazul ajustării temperaturii, cât și în cazul condiționării umidității, trebuie să se mențină condițiile de gaz peste punctul de rouă pentru a preveni problemele de coroziune în ESP sau în echipamentele din aval. Figura din dreapta arată efectul temperaturii și al umidității asupra rezistivității unui praf de ciment. Pe măsură ce procentul de umiditate din fluxul de gaz crește de la 6 la 20%, rezistivitatea prafului scade dramatic. De asemenea, creșterea sau scăderea temperaturii poate scădea rezistivitatea prafului de ciment pentru toate procentele de umiditate reprezentate.

S-a demonstrat că prezența SO
3 în curentul de gaz favorizează procesul de precipitare electrostatică atunci când apar probleme cu rezistivitatea ridicată. Cea mai mare parte a conținutului de sulf din cărbunele ars pentru sursele de ardere se transformă în SO
2. Cu toate acestea, aproximativ 1% din sulf se transformă în SO
3. Cantitatea de SO
3 din gazele de ardere crește, în mod normal, odată cu creșterea conținutului de sulf al cărbunelui. Rezistivitatea particulelor scade pe măsură ce crește conținutul de sulf al cărbunelui.

Alți agenți de condiționare, cum ar fi acidul sulfuric, amoniacul, clorura de sodiu și cenușa de sodă (uneori ca trona brută), au fost, de asemenea, utilizați pentru a reduce rezistivitatea particulelor. Prin urmare, compoziția chimică a fluxului de gaze de ardere este importantă în ceea ce privește rezistivitatea particulelor care urmează să fie colectate în ESP. Tabelul de mai jos enumeră diverși agenți de condiționare și mecanismele lor de funcționare.

Dacă injectarea de sulfat de amoniu are loc la o temperatură mai mare de aproximativ 320 °C (600 °F), rezultă disocierea în amoniac și trioxid de sulf. În funcție de cenușă, SO
2 poate interacționa preferențial cu cenușa zburătoare sub formă de condiționare SO
3. Restul se recombină cu amoniacul pentru a se adăuga la încărcătura spațială, precum și pentru a crește coeziunea cenușii.

Mai recent, s-a recunoscut că un motiv major pentru pierderea eficienței precipitatorului electrostatic se datorează acumulării de particule pe firele de încărcare, în plus față de plăcile de colectare (Davidson și McKinney, 1998). Acest lucru este ușor de remediat asigurându-se că firele în sine sunt curățate în același timp cu curățarea plăcilor colectoare.

Vaporul de acid sulfuric (SO
3) sporește efectele vaporilor de apă asupra conducției de suprafață. Acesta este adsorbit fizic în cadrul stratului de umiditate de pe suprafața particulelor. Efectele unor cantități relativ mici de vapori de acid pot fi observate în figura de mai jos și în dreapta.

Rezistența inerentă a probei la 300 °F (150 °C) este de 5×1012 ohm-cm. O concentrație de echilibru de doar 1,9 ppm de vapori de acid sulfuric scade această valoare la aproximativ 7 x 109 ohm-cm.

Rezistivitatea modelată în funcție de condițiile de mediu – în special de vaporii de acid sulfuric

.