Elektrostatisk avskiljare

Avskiljarens prestanda är mycket känslig för två partikelegenskaper: 1) Elektrisk resistivitet och 2) Partikelstorleksfördelning. Dessa egenskaper kan mätas ekonomiskt och noggrant i laboratoriet med hjälp av standardtester. Resistiviteten kan bestämmas som en funktion av temperaturen i enlighet med IEEE Standard 548. Detta test utförs i en luftmiljö som innehåller en specificerad fuktkoncentration. Testet utförs som en funktion av stigande eller sjunkande temperatur, eller båda. Data samlas in med hjälp av ett genomsnittligt elektriskt fält i askskiktet på 4 kV/cm. Eftersom relativt låg tillämpad spänning används och ingen svavelsyraånga finns i testmiljön, anger de erhållna värdena den maximala resistiviteten för aska.

I en ESP, där laddning och urladdning av partiklar är nyckelfunktioner, är resistiviteten en viktig faktor som i hög grad påverkar insamlingseffektiviteten. Medan resistiviteten är ett viktigt fenomen i området mellan elektroderna där den mesta partikelladdningen sker, har den en särskilt viktig effekt på stoftskiktet vid uppsamlingselektroden där urladdning sker. Partiklar som uppvisar hög resistivitet är svåra att ladda. Men när de väl är laddade ger de inte lätt upp sin laddning när de når uppsamlingselektroden. Å andra sidan blir partiklar med låg resistivitet lätt laddade och avger lätt sin laddning till den jordade uppsamlingsplattan. Båda extremerna i resistivitet hindrar ESP:er från att fungera effektivt. ESP:er fungerar bäst vid normal resistivitet.

Resistivitet, som är en egenskap hos partiklar i ett elektriskt fält, är ett mått på en partikels motstånd mot att överföra laddning (både acceptera och avge laddningar). Resistiviteten är en funktion av partikelns kemiska sammansättning samt av driftsförhållandena i rökgasen, t.ex. temperatur och fukt. Partiklar kan ha hög, måttlig (normal) eller låg resistivitet.

Bulkresistivitet definieras med hjälp av en mer allmän version av Ohms lag, enligt ekvation (1) nedan:

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)

Ett bättre sätt att visa detta skulle vara att lösa resistiviteten som en funktion av tillämpad spänning och ström, enligt ekvation (2) nedan:

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).

Resistivitet är det elektriska motståndet hos ett dammprov 1.0 cm2 i tvärsnittsarea, 1,0 cm tjockt, och redovisas i enheterna ohm-cm. En metod för att mäta resistivitet kommer att beskrivas i denna artikel. I tabellen nedan anges värdeintervall för låg, normal och hög resistivitet.

Dammskiktets motståndEdit

Resistansen påverkar de elektriska förhållandena i dammskiktet genom att ett potentiellt elektriskt fält (spänningsfall) bildas över skiktet när negativt laddade partiklar anländer till dess yta och läcker sina elektriska laddningar till samlingsplattan. Vid metallytan på den elektriskt jordade uppsamlingsplattan är spänningen noll, medan den elektrostatiska spänningen som orsakas av gasjonerna kan vara ganska hög vid stoftlagrets yttre yta, där nya partiklar och joner anländer. Styrkan på detta elektriska fält beror på dammlagrets resistans och tjocklek.

I dammlager med hög resistans är dammet inte tillräckligt ledande, så elektriska laddningar har svårt att röra sig genom dammlagret. Följaktligen ackumuleras elektriska laddningar på och under dammlagrets yta, vilket skapar ett starkt elektriskt fält.

Voltagen kan vara större än 10 000 volt. Dammpartiklar med hög resistans hålls för starkt fast vid plattan, vilket gör dem svåra att avlägsna och orsakar rappningsproblem.

I dammskikt med låg resistans leds koronaströmmen lätt till den jordade uppsamlingselektroden. Därför upprätthålls ett relativt svagt elektriskt fält, på flera tusen volt, över stoftlagret. Insamlade dammpartiklar med låg resistans fäster inte tillräckligt starkt vid insamlingsplattan. De lossnar lätt och blir kvar i gasströmmen.

Den elektriska ledningsförmågan hos ett bulklager av partiklar beror på både yt- och volymfaktorer. Volymkonduktion, eller rörelser av elektriska laddningar genom partiklarnas inre, beror främst på partiklarnas sammansättning och temperatur. I de högre temperaturområdena, över 260 °C (500 °F), styr volymledningsförmågan ledningsmekanismen. Volymledningsförmågan inbegriper också andra faktorer, t.ex. kompression av partikelskiktet, partikelstorlek och -form samt ytegenskaper.

Volymledningsförmågan representeras i figurerna som en rät linje vid temperaturer över 260 °C (500 °F). Vid temperaturer under 230 °C (450 °F) börjar elektriska laddningar flöda över ytfukt och kemiska filmer som adsorberats på partiklarna. Ytkonduktion börjar sänka resistivitetsvärdena och böja kurvan nedåt vid temperaturer under 260 °C (500 °F).

Dessa filmer skiljer sig vanligen både fysiskt och kemiskt från partiklarnas inre på grund av adsorptionsfenomen. Teoretiska beräkningar visar att fuktfilmer med en tjocklek på endast några få molekyler är tillräckliga för att ge den önskade ytledningsförmågan. Ytledningsförmåga på partiklar är nära besläktad med ytläckageströmmar som uppstår på elektriska isolatorer och som har studerats ingående. En intressant praktisk tillämpning av ytläckage är bestämning av daggpunkten genom mätning av strömmen mellan intilliggande elektroder monterade på en glasyta. En kraftig ökning av strömmen signalerar att det bildas en fuktfilm på glaset. Denna metod har använts effektivt för att bestämma den markanta ökningen av daggpunkten, som inträffar när små mängder svavelsyraånga tillsätts till en atmosfär (kommersiella daggpunktsmätare finns på marknaden).

Den följande diskussionen om normalt, högt och lågt motstånd gäller ESP:er som drivs i torrt tillstånd; motståndet är inget problem vid drift av våta ESP:er på grund av fuktkoncentrationen i ESP:erna. Förhållandet mellan fukthalt och motstånd förklaras senare i detta arbete.

Normal resistivitetEdit

Som anges ovan fungerar ESP:er bäst under normala resistivitetsförhållanden. Partiklar med normal resistivitet förlorar inte snabbt sin laddning vid ankomsten till uppsamlingselektroden. Dessa partiklar läcker långsamt sin laddning till jordade plattor och hålls kvar på uppsamlingsplattorna genom intermolekylära adhesiva och kohesiva krafter. Detta gör att ett partikelskikt kan byggas upp och sedan lossas från plattorna genom rappning. Inom området för normal dammresistivitet (mellan 107 och 2 x 1010 ohm-cm) samlas flygaska upp lättare än damm med antingen låg eller hög resistivitet.

Hög resistivitetRedigera

Om spänningsfallet över dammskiktet blir för stort kan flera negativa effekter uppstå. För det första minskar det höga spänningsfallet spänningsskillnaden mellan urladdningselektroden och insamlingselektroden, och därmed minskar den elektrostatiska fältstyrka som används för att driva de gasjonladdade partiklarna över till det insamlade stoftlagret. När dammskiktet byggs upp och de elektriska laddningarna ackumuleras på ytan av dammskiktet minskar spänningsskillnaden mellan urladdnings- och uppsamlingselektroderna. Migrationshastigheterna hos små partiklar påverkas särskilt av den minskade elektriska fältstyrkan.

Ett annat problem som uppstår med dammskikt med hög resistivitet kallas backkorona. Detta inträffar när potentialfallet över stoftlagret är så stort att koronaurladdningar börjar uppstå i den gas som är instängd i stoftlagret. Stoftskiktet bryts ner elektriskt och ger upphov till små hål eller kratrar, varifrån koronaurladdningar uppstår. Positiva gasjoner bildas i stoftskiktet och accelereras mot den ”negativt laddade” urladdningselektroden. De positiva jonerna minskar en del av de negativa laddningarna i stoftskiktet och neutraliserar en del av de negativa jonerna i de ”laddade partiklarna” som är på väg mot uppsamlingselektroden. Störningar av den normala koronaprocessen minskar avsevärt ESP:s uppsamlingseffektivitet, som i allvarliga fall kan sjunka under 50 %. När backkorona förekommer samlas dammpartiklarna på elektroderna och bildar ett isoleringsskikt. Ofta kan detta inte repareras utan att enheten tas ur drift.

Det tredje och i allmänhet vanligaste problemet med damm med hög resistivitet är ökad elektrisk gnistbildning. När gnistfrekvensen överskrider den ”inställda gränsen för gnistfrekvensen” begränsar de automatiska styrenheterna fältets driftsspänning. Detta orsakar minskad partikelladdning och minskad vandringshastighet mot uppsamlingselektroden. Hög resistivitet kan i allmänhet minskas genom att göra följande:

• Justera temperaturen;
• Öka fuktinnehållet;
• Ansätta konditioneringsmedel i gasströmmen;
• Öka insamlingsytan; och
• Använda hot-side precipitators (emellanåt och med förkunskap om natriumdepletion).

Tunna stoftskikt och stoft med hög resistivitet gynnar särskilt bildandet av bakre koronakratrar. Allvarlig backkorona har observerats med så tunna stoftskikt som 0,1 mm, men ett stoftskikt som är drygt en partikel tjockt kan minska gnistspänningen med 50 %. De mest påtagliga effekterna av backkorona på ström- och spänningsegenskaperna är:

1. Förlust av gnistöverspänningen med så mycket som 50 % eller mer;
2. Strömshopp eller diskontinuiteter som orsakas av bildandet av stabila backkoronakratrar; och
3. Stor ökning av den maximala koronaströmmen, som strax under gnist-över-koronagapet kan vara flera gånger större än den normala strömmen.

Figuren nedan och till vänster visar variationen i resistivitet med förändrad gastemperatur för sex olika industridamm tillsammans med tre koleldade flygaskor. Figuren till höger illustrerar resistivitetsvärden som uppmätts för olika kemiska föreningar som framställts i laboratoriet.

Resistivitetsvärden för representativt damm och rök från industrianläggningar

Resistivitet. Värden för olika kemikalier och reagenser som en funktion av temperaturen

Resultaten för flygaska A (i figuren till vänster) erhölls i stigande temperaturläge. Dessa data är typiska för en aska med måttlig till hög halt av brännbara ämnen. Data för flygaska B är från samma prov, som förvärvats i det fallande temperaturläget.

Differenserna mellan det stigande och det fallande temperaturläget beror på förekomsten av oförbrända brännbara ämnen i provet. Mellan de två testlägena jämnas proverna ut i torr luft i 14 timmar (över natten) vid 450 °C (850 °F). Denna glödgningsprocess över natten avlägsnar vanligtvis mellan 60 och 90 % av alla oförbrända brännbara ämnen som finns i proverna. Exakt hur kol fungerar som laddningsbärare är inte helt klarlagt, men det är känt att det avsevärt minskar dammets resistivitet.

Resistivitet mätt som en funktion av temperaturen i varierande fuktkoncentrationer (luftfuktighet)

Kol kan till en början fungera som ett damm med hög resistivitet i utfällaren. Högre spänningar kan krävas för att koronagenerering ska börja. Dessa högre spänningar kan vara problematiska för TR-Set-reglerna. Problemet ligger i att korona uppstår och att stora strömmar strömmar genom stoftskiktet (med låg resistivitet). Kontrollerna känner av denna strömstöt som en gnista. Eftersom avskiljare drivs i gnistbegränsande läge, avbryts strömmen och koronagenereringscykeln startar på nytt. Således noteras lägre effektmätningar (ström) med relativt höga spänningsmätningar.

Det antas att samma sak inträffar vid laboratoriemätningar. Parallell plattgeometri används vid laboratoriemätningar utan koronagenerering. En kopp av rostfritt stål innehåller provet. En annan elektrodvikt av rostfritt stål sitter ovanpå provet (direktkontakt med stoftskiktet). När spänningen ökas från små mängder (t.ex. 20 V) mäts ingen ström. Därefter uppnås en tröskelspänningsnivå. Vid denna nivå ökar strömmen genom provet… så mycket att spänningsförsörjningsenheten kan utlösas. Efter avlägsnande av de oförbrända brännbara ämnena under den ovan nämnda glödgningsproceduren visar kurvan för det fallande temperaturläget den typiska inverterade ”V”-formen som man kan förvänta sig.

Låg resistivitetRedigera

Partiklar som har låg resistivitet är svåra att samla in, eftersom de lätt laddas upp (är mycket konduktiva) och snabbt förlorar sin laddning när de anländer till insamlingselektroden. Partiklarna tar emot uppsamlingselektrodens laddning, studsar från plattorna och återfinns i gasströmmen. De attraherande och repellerande elektriska krafter som normalt verkar vid normala och högre resistiviteter saknas således, och bindningskrafterna till plattan är betydligt mindre. Exempel på damm med låg resistivitet är oförbränt kol i flygaska och kimrök.

Om dessa ledande partiklar är grova kan de avlägsnas uppströms avskiljaren med hjälp av en anordning som t.ex. en mekanisk uppsamlare i form av en cyklon.

Tillägget av flytande ammoniak (NH
3) till gasströmmen som ett konditioneringsmedel har under de senaste åren fått en bred användning. Det är en teori att ammoniak reagerar med H
2SO
4 som finns i rökgasen för att bilda en ammoniumsulfatförening som ökar stoftets kohesivitet. Denna ytterligare kohesivitet kompenserar för förlusten av elektriska attraktionskrafter.

Tabellen nedan sammanfattar egenskaperna hos damm med låg, normal och hög resistivitet.

Fuktighetsinnehållet i rökgasströmmen påverkar också partikelresistiviteten. Att öka fukthalten i gasströmmen genom att spruta vatten eller injicera ånga i kanalerna före ESP:n sänker resistiviteten. Vid både temperaturjustering och fuktkonditionering måste man hålla gasförhållandena över daggpunkten för att förhindra korrosionsproblem i ESP:n eller utrustning i efterföljande led. Figuren till höger visar effekten av temperatur och fukt på resistiviteten hos ett cementdamm. När fuktprocenten i gasströmmen ökar från 6 till 20 % minskar dammets resistivitet dramatiskt. Även en höjning eller sänkning av temperaturen kan minska cementdammets resistivitet för alla de representerade fuktprocenterna.

Närvaron av SO
3 i gasströmmen har visat sig gynna den elektrostatiska utfällningsprocessen när problem med hög resistivitet uppstår. Det mesta av svavelinnehållet i det kol som bränns för förbränningskällor omvandlas till SO
2. Ungefär 1 % av svaveln omvandlas dock till SO
3. Mängden SO
3 i rökgasen ökar normalt med ökande svavelinnehåll i kolet. Partiklarnas resistivitet minskar när kolets svavelhalt ökar.

Andra konditioneringsmedel, t.ex. svavelsyra, ammoniak, natriumklorid och soda (ibland som råtrona), har också använts för att minska partikelresistiviteten. Därför är rökgasströmmens kemiska sammansättning viktig med avseende på resistiviteten hos de partiklar som ska samlas in i ESP. I tabellen nedan listas olika konditioneringsmedel och deras verkningsmekanismer.

Om injektion av ammoniumsulfat sker vid en temperatur som är högre än cirka 320 °C (600 °F) uppstår dissociation till ammoniak och svaveltrioxid. Beroende på askan kan SO
2 föredra att interagera med flygaska som SO
3-konditionering. Resten rekombineras med ammoniak för att lägga till rymdladdningen samt öka askans kohesivitet.

På senare tid har man insett att en viktig orsak till att den elektrostatiska fällaren förlorar sin effektivitet beror på att partiklar ansamlas på laddningstrådarna förutom på uppsamlingsplattorna (Davidson och McKinney, 1998). Detta kan lätt avhjälpas genom att se till att själva ledningarna rengörs samtidigt som uppsamlingsplattorna rengörs.

Svavelsyraånga (SO
3) förstärker vattenångans effekter på ytledningsförmågan. Den adsorberas fysiskt i fuktskiktet på partikelytorna. Effekterna av relativt små mängder syraånga kan ses i figuren nedan och till höger.

Provets inneboende resistivitet vid 300 °F (150 °C) är 5×1012 ohm-cm. En jämviktskoncentration på bara 1,9 ppm svavelsyraånga sänker detta värde till cirka 7 x 109 ohm-cm.

Resistivitet modellerad som en funktion av miljöförhållanden – särskilt svavelsyraånga

.