Avancerade beräkningsverktyg för elektrofilter

Transkript

1 Avancerade beräkningsverktyg för elektrofilter ABB Corporate Research har utvecklat en avancerad numerisk modell för att studera elektrofilter. Modellen ger djupare förståelse för de komplicerade processerna och gör det möjligt att förbättra tekniken ytterligare. Modellen kopplar samman elektrofiltrets faktiska geometri (emissionselektroder och utfällningsplåtar), elektrofiltrets driftparametrar (huvudflödeshastighet, gasdata och elektrisk uppladdning) med avskiljningsprocessens prestanda. Resultaten redovisas grafiskt med hjälp av visualiserings- och animeringsverktyg. Med avancerad numerisk simulering blir det möjligt att avstå från dyra pilotinstallationer och fältförsök i framtiden. M ånga industriella processer måste enligt lag avskilja fina suspenderade stoftpartiklar eller droppar från avgasströmmarna [1]. Bland de industriprocesser som kräver effektiv stoftavskiljning kan nämnas kraftverk, stål- och cementproduktion, massaproduktion och övrig metallindustri. Inom den kemiska industrin används elektrofilter exempelvis vid fosfattillverkning och i oljeraffinaderier liksom vid tillverkning av svavelsyra. Den viktigaste tillämpningen för elektrofilter är dock att avskilja flygaska ur den heta rökgasströmmen från koleldade kraftverk 1. Ett stort kraftverk med en elektrisk uteffekt på 500 MW bränner typiskt 200 ton kol per timme. Kolets askhalt ligger mellan 10 och 40 %, beroende på kvaliteten. Det mesta av askan följer med rökgasströmmen i form av fina stoftpartiklar med storlek mellan 0,1 och 100 µm. Rökgasströmmens volymflöde är ca 2,5 miljoner kubikmeter i timmen. Det innebär att åtskilliga ton flygaska måste avskiljas varje timme. Detta görs med hjälp av elektrofilter som har en avskiljningseffektivitet på närmare 99,9 %. Elektrofilter utnyttjar elektriska urladdningar i gasen för att ladda stoftpartiklarna. De laddade partiklarna passerar ett elektriskt fält som utövar en kraft på dem. Partiklarna dras ut ur rökgasflödet och bildar kakor på stora utfällningsplåtar. Kakorna faller efter hand ner i stoftfickor och fortsätter till ett askhanteringssystem. Hela processen kräver förvånansvärt lite energi. I ett modernt kraftverk går det åt mindre än 0,1% av den genererade elenergin för stoftuppladdning och avskiljning i elektrofiltret. ABB är ledande leverantör av utrustning för rökgasrening och har mer än 60 års erfarenhet av stoftavskiljning. Hittills har företaget levererat mer än 3500 stora elektrofilter. Dr. Ulrich Kogelschatz Walter Egli ABB Corporate Research, Switzerland Dr. Edgar A. Gerteisen Swiss Center for Scientific Computing (CSCS), Manno, Switzerland Grundläggande konfiguration av ett elektrofilter Rökgasströmmen bromsas i inloppet till elektrofiltret och kanaliseras till flera parallellt löpande passager. Passagerna kan vara upp till 15 m höga och är typiskt mellan 0,3 och 0,4 m breda 2. Passagernas väggar är vanligen utförda i olegerat kolstål. I centrum av varje passage finns emissionselektroder med hög negativ potential. En koronaurladdning sker mellan elektroderna och de jordade utfällningsplåtarna. Askpartiklarna laddas i koronaurladdningen och förs under inverkan Elektrofilter för miljöskydd Inom industrin används elektrofilter för att rena rökgaser från pannor och masugnar. Filtrets funktion är att avskilja stoftpartiklar från rökgaserna. Huvudsyftet med ett elektrofilter är alltså att skydda miljön genom att hindra största delen av de förorenande partiklarna från att ta sig ut i atmosfären. Elektrofilter används också i stor utsträckning för att återvinna värdefulla kemikalier eller metaller från rökgaserna. Elektrofilter är utrustade med stora utfällningsplåtar som ligger på jordpotential. Mellan utfällningsplåtarna finns tunna trådar, så kallade emissionselektroder, som har en negativ potential på kv. När spänningen i filtret blir tillräckligt hög inträder en koronaurladdning. Joner bildas nära elektroderna. Dessa får omedelbart negativ laddning i rökgasmiljön. Jonerna förflyttar sig mot utfällningsplåtarna och fastnar på de suspenderade stoftpartiklarna på vägen. Följden är att partiklarna blir negativt laddade och att de under inverkan av det elektriska fältet drivs mot utfällningsplåtarna där de fastnar. Fälterfarenhet och omfattande forskningsprogram har fört elektrofiltertekniken långt framåt. Pågående utvecklingsarbete, med hjälp av avancerade simuleringar, minskar ytterligare mängden reststoft i rökgasströmmen. Genom att optimera elektrodgeometrin och matningen kan stoftavskiljningen påverkas systematiskt sett till partikelstorlek. Dessa simuleringar leder också till nya elektrodarrangemang och driftsätt som gör det möjligt att avskilja även så kallat problemstoft på ett effektivt sätt. ABB Tidning 4/

2 Kraftverket Fayette som tillhör Lower Colorado River Authority i La Grange i den amerikanska delstaten Texas. Det koleldade kraftverket har tre pannor med de nominella effekterna 600, 600 och 450 MW. Alla tre är utrustade med elektrofilter från ABB. 1 av de starka elektriska fälten till passagernas väggar, vilka fungerar som utfällningsplåtar. Partiklarna bildar ett allt tjockare stoftskikt på passagernas väggar. Väggarna bearbetas regelbundet med slagverkshammare så att stoftkakorna faller ner. För effektiv avskiljning passerar rökgaserna upp till åtta filtersegment, även kallade fält. Varje fält är maximalt 5 m långt. Filtrets bredd beror på antalet passager som behövs för önskad flödeshastighet på ca 1 m/s. Ett stort filter kan ha en total bredd på upp till 45 m, vanligen indelat i sektioner om 3 x 15 m. Grundläggande processer i ett elektrofilter Processen i ett elektrofilter är komplex och för att optimera den krävs expertis inom många områden. Koronaurladdningsteknik kräver djupa kunskaper inom plasmafysik, medan behandlingen av gasflödet ligger inom flödesmekanikens område. Interaktionen mellan jontransporten och huvudflödet ger upphov till uttalade sekundärflödesmönster. Laddningen av partiklarna faller inom den statiska elektricitetens område, medan elingenjörerna får ta hand om optimeringen av den högspänningsmatning som specificeras av elektrofilterkonstruktörerna. Inom ABB finns internationella forskarlag med olika yrkesbakgrund som samarbetar med ingenjörerna vid företagets teknikcentra för att lösa de problem som blir aktuella. Sådant samarbete förenar ABB:s forskningsresurser med den praktiska erfarenheten från många fältprojekt, prototypförsök och laboratorietest. Schweiziska ABB Corporate Research har inlett ett samarbetsprojekt med nystartade Swiss Center for Scientific Computing i Manno i södra Schweiz. Syftet med samarbetet är att utveckla avancerade beräkningsverktyg för elektrofilterprocessen som helhet. Sistnämnda institution ägnar sig framför allt åt databehandling med hög kapacitet och tillhör administrativt Eidgenössische Technische Hochschule" i Zürich. Förutom sin kompetens inom numeriska metoder har institutionen tillgång till en superdator NEC SX4, en av de snabbaste i världen. Målet för projektet var att förutsäga vad som händer med inkommande stoftpartiklar genom att följa deras trajektorior (banor) genom de olika koronasektionerna tills de fastnar på utfällningsplåtarna eller lämnar filtret. Tanken var att ett sådant beräkningsverktyg skulle användas för att optimera elektrodgeometrier och driftsparametrar för varje godtycklig tillämpning. Problemets tvärveteskapliga natur kräver avancerade databaskoncept för att kunna hantera och sammankoppla de olika programpaketen och ansluta flera arbetsstationer till Manno. Det modulära koncep- 34 ABB Tidning 4/1999

3 tet som valdes gör det möjligt att utveckla programpaket oberoende av varandra. 3 visar den databasstruktur som valdes. Huvudfördelarna med en sådan öppen struktur är att de enskilda programpaketen när som helst kan bytas mot mer avancerade varianter. Data överförs på enkelt sätt mellan olika datorer, och avancerade visualiserings- och animeringsverktyg kan användas för att redovisa resultaten. Den numeriska behandlingen av sådana komplicerade problem ger upphov till enorma datafiler. Med hjälp av moderna visualiseringsverktyg går det att presentera resultaten på ett intuitivt sätt, som gör det enkelt för konstruktörerna att jämföra resultaten med mätdata. Färgkodade snitt och perspektivvyer används för att illustrera resultaten, som komplement till datoranimationerna av de huvudsakliga fysiska processerna, presenterade i videosekvenser. Datormodellen behandlar teoretiskt de primära fysiska aspekterna. Modellen beskriver de fysiska fenomenen i ett rent filter. I realiteten tillkommer ytterligare problem i form av närvaro av utfällt stoft på plåtarna, stoftets resistansegenskaper, partiklar som lossnar från plåtarna och återinträder i gasströmmen, agglomerering samt driftsförhållanden nära överslagsgränsen. Detta hanteras av elektrofilterkonstruktörerna och har stor inverkan på filtrets prestanda. Konstruktionsritning av ett elektrofilter av typ FAA från ABB. När rökgaserna kommer in i elektrofiltret bromsas strömmen och kanaliseras till passager som är upp till 15 m höga. Avancerat databaskoncept för att sammankoppla programpaket och datorer på olika platser HPC Kraftfull dator MPM Massiv parallellprocessormaskin WS Arbetsstation PC Persondator 2 3 Geometri Nät HPC NEC SX4 Användargränssnitt / informationssystem Kapsling Potential WS cluster WS Rad Grafisk WS Koronamodellen Ett viktigt steg var utvecklingen av en koronamodell som beskriver fördelningen av strömtätheten, de elektriska fälten och jondensiteterna i ett elektrofilter med komplicerad geometri [2, 3]. Många moderna elektrofilter från ABB har spiralformade emissionselektroder, vilket kräver tredimensionell behandling. När spänningen stiger över koronabildningsspänningen initieras en koronaurladdning. Detta innebär att ström flyter från den högspända elektroden till de jordade utfällningsplåtarna. Ett mycket tunt aktivt plasmaskikt i anslut- Coronaladdning Partikelladdning Partikelbanor MPM Monitor Granska kurva Data- och nätverkshanterare för flera installationer och maskiner / Databas PC ABB Tidning 4/

4 Elektriska fältlinjer för cylindriska emissionselektroder i en passage med plana väggar 4 Den elektriska potentialen för spiralformade emissionselektroder mellan specialutformade utfällningsplåtar (g-plåtar) 5 ning till de högspända emissionselektroderna genererar såväl elektroner som positiva och negativa joner. Eftersom emissionselektroderna har negativ polaritet rör sig de positiva jonerna endast mycket kort sträcka, till emissionselektroden, medan elektronerna och de negativa jonerna inleder sin färd mot de jordade utfällningsplåtarna. I luft eller rökgas omvandlas fria elektroner snabbt till negativa joner genom en process som kallas attachment. Som följd av detta fylls största delen av passagens volym av negativa joner som förbinder de aktiva plasmaregionerna med jordpotentialen på utfällningsplåtarna. Eftersom den aktiva plasmaregionen endast tar upp en obetydlig del av den tillgängliga passagevolymen kan koronaeffekten beskrivas med samma ekvationer som beskriver en unipolär jondriftregion: E = Φ = grad Φ (1) 2 Φ = div grad Φ = ρ/ε 0 (2) j = ρv = ρµe (3) j = div j = 0 (4) I dessa ekvationer står E för det elektriska fältet, Φ för potentialen, ρ för laddningsdensiteten, j för strömdensiteten, v för jonhastigheten, µ för jonmobiliteten och ε 0 för kapacitiviteten i vakuum. Laddningsdensiteten ρ innefattar jonladdningen och de laddningar som ackumuleras på de fasta partiklarna. Dessa ekvationer ger stark koppling mellan strömmen j, rymdladdningen ρ och det elektriska fältet E. Egenskaper för det aktiva plasmaskiktet som täcker emissionselektroden kommer in i ekvationen i form av randvillkor. I den aktuella koronamodellen beräknas placeringen och utsträckningen i sidled för de aktiva plasmaregionerna samtidigt med egenskaperna för jondriftregionen. Plasmaregionen beskrivs väl genom att i modellen införa joniserings- och attachment -koefficienter. Dessa är karakteristiska egenskaper för den aktuella gasen, t.ex. luft eller rökgas. Den beräkningsmässiga utmaningen var att hitta en lösning för denna uppsättning differentialekvationer som skulle ha tillräcklig noggrannhet genom hela passagevolymen. Adaptiva finmaskiga beräkningsnät genererades för att hantera de branta gradienterna närmast emissionselektroderna och för att hantera elektrodernas komplicerade form. 4 visar ett horisontellt snitt genom en passage med raka emissionselektroder och plana utfällningsplåtar. De krökta linjerna representerar de elektriska fältlinjerna som praktiskt taget sammanfaller med banorna för de negativa jonerna som rör sig från emissionselektroderna mot passagens väggar. Tredimensionella beräkningar med spiralformade elektroder och speciellt utformade utfällningsplåtar uppvisar mer komplicerade fenomen. Den elektriska potentialen, plottad i 5 avslöjar ett kraftigt potentialfall mellan intill varandra liggande elektroder i passagens centrumplan. Emissionselektrodernas spiralform ger en väldefinierad strömtäthetsfördelning i passagen och på utfällningsplåtarna. Elektroderna är som fjädrar uppspända i metallstommar. Fjäderspän- 36 ABB Tidning 4/1999

5 ningen har en självcentrerande verkan. Dessutom är spiralformade elektroder mindre känsliga för bristande uppriktning än tunna trådar eller elektroder i form av plana band. Slagen på metallstommen, som har till syfte att lossa stoftskiktet, försätter också elektroderna i vibration, vilket effektivt rensar dem från ansamlat stoft. De fria parametrar som kan optimeras är tråddiametern och spiralens stigning och diameter. Formen på utfällningsplåtarna, så kallade g-plåtar påverkas av mekaniska överväganden (styvhet och mekanisk styrka), förutom av de elektriska och flödesdynamiska aspekterna. Jonfördelning och strömtäthet Joner som lämnar de aktiva plasmaregionerna vid emissionselektroderna följer de elektriska fältlinjerna mot utfällningsplåten. Koronamodellen fastställer positionen och utsträckningen i sidled för dessa aktiva plasmaregioner längs den spiralformade elektroden. 6 visar en förstorad bild av ett spiralsegment. De aktiva regionerna ligger huvudsakligen utanför spiralen eftersom det elektriska fältet blir mycket svagare inuti spiralen. Detta beror på den avskärmande inverkan från intilliggande Beräknad jonladdningsfördelning på ett segment av den spiralformade emissionselektroden. De aktiva regionerna ligger huvudsakligen på spiralens utsida eftersom det elektriska fältet minskar kraftigt mot insidan, på grund av den avskärmande effekten från intilliggande delar av spiralen. Färgskala: 0<ρ< As/m 3 6 delar av spiralen. Effekten illustreras också av fotot av koronaurladdningen på de spiralformade elektroderna 7. En svag mörk linje på spiralens insida är ett tecken på kraftigt reducerad koronaaktivitet. Detta har mycket ofördelaktig inverkan på fördelningen av jondensiteten i passagen 8. Den röda färgen visar var jonladdningstätheten är högst. Dessa regioner ligger nära spiralens tråd och pekar i en riktning bestämd av utfällningsplåtens form och det inbördes avståndet mellan emissionselektroderna. Beräkningarna visar på stora blå områden med försumbar jondensitet. Det inbördes avståndet mellan emissionselektroderna måste optimeras samtidigt med formen på utfällningsplåtarna. Under årens lopp har elektrofiltrens prestanda avstämts med hjälp av strömfördelningar uppmätta i laboratorium. Beräkningar av strömtätheten 9 visar fördelningen över passagevolymen och vid utfällningsplåtarna. Liknande mönster kan observeras i stoftet på utfällningsplåten. Resultaten har en tydlig relation till de spiralformade elektrodernas stigning och inbördes avstånd. Tidigare strömmätningar, med en segmenterad utfällningsplåt, som genomförts av ABB:s teknikcentrum för rökgasrening i Foto av koronaurladdning på spiralformade högspända elektroder. Den svaga mörka linjen på spiralens insida påvisar kraftigt reducerad koronaaktivitet. 7 Datorberäknad jonladdningsdensitet i en passage med spiralformade emissionselektroder, representerad av tre olika horisontella snitt Färgskala: 0<ρ<10 4 As/m 3 8 ABB Tidning 4/

6 Beräknad strömtäthet i en passage med spiralformade emissionselektroder och g-plåtar. Mönstren är relaterade till de spiralformade elektrodernas stigning och inbördes avstånd. Växjö, visade inte bara samma strömtäthetsmönster utan så gott som identiska mätvärden jämförda med modellberäkningarna. Såväl experimenten som beräkningarna påvisade zoner där strömtätheten praktiskt taget var noll vid utfällningsplåtarna [4]. Emissionselektrodernas spiralform ger stabil fördelning av koronaströmmen, och spiralformen är därför överlägsen varje annan elektrodform. Den elektriska vinden Jonerna, som transporteras genom gasen med hastigheter kring 100 m/s, ger upphov till en elektrisk vind, som ibland kallas jonvinden eller koronavinden. Den elektriska volymetriska kraften, ρe, agerar i rät vinkel mot huvudflödet och ger upphov till kraftiga sekundärflöden. De förändrar fullständigt det ursprungliga turbulenta kanalflödet och ger upphov till flödesseparation och turbulens vid plåtarnas för- Frontvy (a) och perspektivvy (b) av några flödesströmlinjer i en passage med spiralformade emissionselektroder och g-plåtar 9 10 styvningar och vid emissionselektroderna. Eftersom jonerna har ungefär samma massa som neutrala gasmolekyler blir det effektiv momentöverföring mellan de accelererade jonerna och bakgrundsgasen. Genom att kombinera ett flödeslösningspaket med koronamodellen kunde de resulterande strömlinjerna beräknas 10. Resultatet är uttalade tredimensionella spiralstrukturer. Beräkningarna underlättades av att ABB har tillgång till en omfattande databas för validering. Databasen innehåller såväl kvalitativ information från laserljusvisualisering som kvantitativa data från hastighetsmätning med dopplerteknik [5]. Det är intressant att konstatera att det ursprungliga flödet förändras kraftigt redan efter passage av ett fåtal emissionselektroder. 11 visar ett vertikalt snitt mellan den andra och den tredje spiralelektroden efter inloppet till ett elektrofilter. Ju högre koronaspänningar desto kraftigare tvärriktade hastighetskomponenter uppstår, jämförbara med huvudflödets hastighet. Partikelladdning Flygaskpartiklar i elektrofiltret passerar många koronasektioner på sin väg genom passagen. Partiklarna kolliderar med negativa joner med varierande koncentration och hastighet. Även den lokala elektriska fältstyrkan förändras längs stoftpartiklarnas trajektorior. Två grundläggande fysiska mekanismer står för laddningsackumuleringen på stoftpartiklarna. En process som kallas fältladdning driver jonerna mot partikelytorna till dess att mättnadsladdning uppnås (detta beror på stoftpartikelns storlek och den elektriska fältstyrkan). Den initiala processhastigheten beror på jonkoncentrationerna som partikeln utsätts för under sin passage genom koronaregionerna. Efterhand som stoftpartiklarna ackumulerar laddning via jon- attachment börjar joner i ökande grad att repelleras av partikeln så att laddningshastigheten minskar. Så snart mättningsladdning uppnåtts inträder ett jämviktstill- 38 ABB Tidning 4/1999

7 stånd där alla ytterligare joner repelleras och laddningshastigheten sjunker till noll. Fältladdning är den huvudsakliga laddningsmekanismen för partikelstorlekar överstigande 1 µm. För mindre partiklar förekommer en effektivare fysisk mekanism som kallas diffusionsladdning. Processen drivs av jonernas slumpvisa termiska rörelser och de resulterande kollisionerna med stoftpartiklar. I strikt mening sker fält- och diffusionsladdning samtidigt så snart en partikel har kommit in i elektrofiltret. Det betyder att differentialekvationerna som beskriver laddningsmekanismerna måste lösas samtidigt med dem som bestämmer partikeltrajektorian [6]. Beräkningarna visar att en partikel på 5 µm i ett stort elektrofilter kan ackumulera tusentals elementarladdningar, medan en partikel på 0,3 µm sällan samlar på sig mer än 100 elementarladdningar. Partiklar som passerar nära emissionselektroderna kan nå relativt höga laddningsnivåer redan efter en kort sträcka. I 12 används en färgkod för att visa laddningsnivån för enskilda Tvärflödesmönster i ett vertikalt plan vinkelrät mot huvudflödet mellan den andra och den tredje emissionselektroden v x Flödeskomponent vinkelrät mot huvudflödesriktningen partiklar längs sina trajektorior. Rött visar på hög ackumulerad laddning, blått nolladdning och grönt och gult mellanliggande värden. 11 Partikeltrajektorior Så snart flödesfältet, koronaegenskaperna och partiklarnas laddningar, q p E, har fastställts går det att beräkna de totala Trajektorior för 2 µm-partiklar, sedda ovanifrån. Färgerna visar elementarladdningar (0 975) som ansamlas på en flygaskpartikel. Röd pil Gasflödets riktning 12 Perspektivvy av partikeltrajektorior Toppnivå: 10 µm-partiklar Mellannivå: 2 µm-partiklar Bottennivå: 0,5 µm-partiklar 13 1 Utfällningsplåt 2 Emissionselektrod ABB Tidning 4/

8 krafterna som påverkar enskilda partiklar. De uppstår av de elektriska krafterna q p E plus tröghets- och friktionskrafterna i flödet. Ett speciellt particle pusher package används för ändamålet. Det utvecklades ursprungligen för att spåra individuella partiklar vid experiment med nukleär fusion. Här samverkar olika programpaket för att lösa rörelseekvationen för enskilda askpartiklar. Av 13, som visar en perspektivbild av partikeltrajektoriorna, är det uppenbart att partikelrörelsen kraftigt påverkas av koronan och av sekundärflödena, förutom av huvudflödet. Tre olika partikelstorlekar med diametrarna 10 µm, 2 µm och 0,5 µm, kommer in i elektrofiltret vid olika horisontalplan. Många av de större partiklarna samlar på sig tillräcklig laddning för att drivas mot väggen av de elektriska krafterna redan efter en kort sträcka. Några av de mellanstora partiklarna och ändå fler av de små partiklarna fångas i en virvel som till en början för dem mot passagens centrum, bort från utfällningsplåtarna. 12 visar ett stort antal partiklar på 2 µm i olika plan, sedda ovanifrån. De flesta partiklarna samlar på sig en medelstor laddning (grön) mycket snart efter att de har kommit in i elektrofiltret. Några tar upp större laddning (gult, rött) och böjs av kraftigt mot utfällningsplåtarna av de elektriska krafterna. Redan efter tre elektroder konstateras en betydande minskning av partikelkoncentrationen. I det visade exemplet når 22 % av partiklarna utfällningsplåtarna redan efter att ha passerat tre emissionselektroder. Penetreringskurvor De kraftfulla beräkningsverktygen som beskrivits kan användas för att undersöka olika parametrars inverkan på ett elektrofilters prestanda. För detta ändamål beräknades trajektoriorna för 2000 partiklar av varje storleksklass genom ett stort elektrofilter med längden 12 m. Flödet passerar 45 spiralformade emissionselektroder a 1 F b m/s 1.0 m/s 0.5 m/s 46 kv 56 kv 76 kv c µm 10 D Penetreringskurvor som visar inverkan av olika geometriska och driftsmässiga parametrar på partikelavskiljningen a b c D F Inverkan av flödeshastighet (plana plåtar, 40 cm öppning, längden 12 m, 45 elektroder) Inverkan av applicerad spänning (plana plåtar, 40 cm öppning) Med (1) och utan (2) den elektriska vinden (56 kv, g-plåtar) Partikeldiameter Fraktionspenetrering Resultaten kan sammanfattas i form av delpenetreringskurvor 14, där en del av partiklarna som lämnar filtret plottas efter partikelstorlek. Dessa kurvor uppvisar ett maximum för partiklar med en diameter på ca 0,5 µm. Resultatet överensstämmer kvalitativt sett med mätningar nedströms fullstora elektrofilter i moderna kolkraftverk som eldas med pulveriserat kol. 14a visar inverkan av det inkommande flödets hastighet. För en partikel på 4 µm minskar penetreringen med en faktor 10 om flödeshastigheten minskas med en faktor 3. 14b visar den stora inverkan av den applicerade spänningen. På grund av denna inverkan hålls elektrodspänningen alltid så nära den maximala som möjligt. Den maximala spänningen är då överslag och spänningskollaps sker. Moderna elektrofilter har styrsystem som håller spänningen strax under överslagsgränsen men som tillåter ett visst antal överslag (typiskt 10 per minut, i vissa tillämpningar upp till 150 per minut). De mest anmärkningsvärda resultaten framgår av 14c, som visar inverkan av den elektriska vinden. Diagrammet visar även hur nära sanningen de avancerade numeriska simuleringarna kommer. I beräkningen går det att stänga av den elektriska vinden genom att eliminera kopplingen mellan koronaurladdning och gasflöde. I verkligheten är detta naturligtvis inte möjligt. Tricket gav emellertid svar på en fråga som har debatterats i årtionden, nämligen hur mycket den elektriska vinden påverkar processerna i ett elektrofilter. Är den elektriska vinden till fördel eller nackdel för partikelavskiljningen, eller är inverkan försumbar? Modellberäkningarna visar att inverkan av den elektriska vinden på processen är negativ och mycket stor. En jämförelse mellan de båda kurvorna i 14c avslöjar att stoftavskiljningen skulle kunna förbättras med omkring två storleksordningar om den elektriska vinden eliminerades. Därför är det värt att tänka på geometri och driftsförhållanden som skulle kunna minska inverkan av den elektriska vinden. 40 ABB Tidning 4/1999

9 Utgående från formen av penetreringskurvorna följer att partiklarna i diameterområdet från 0,1 µm till 1 µm är de som är svårast att avskilja. Stora partiklar samlar på sig många elementärladdningar och påverkas därför starkt av det elektriska fältet. Det något förvånande resultatet att mycket små stoftpartiklar också kan avskiljas effektivt beror på minskningen i den aerodynamiska eftersläpningen ( Cunningham slip ) för partiklar inom detta storleksområde. Intermittent och pulsad spänningsmatning De resultat som diskuterats hittills gäller kontinuerlig drift där konstant högspänning appliceras på emissionselektroderna. I verkligheten fluktuerar högspänningen från en konventionell nätspänningstransformator/likriktare med en frekvens motsvarande dubbla nätfrekvensen. I mer avancerade högfrekvenslikriktare ligger spänningen nära i ren likspänning [7]. I många tillämpningar används intermittent spänningsmatning. Det går att skapa pulser i laddningsströmmen genom att undertrycka ett visst antal halvvågor i likriktarkretsen. Detta resulterar i kraftigare fluktuation i högspänningen, med millisekundlånga pulser. Med speciella pulsbildande nätverk går det att åstadkomma ännu mycket kortare högspänningspulser. Pulsad spänningsmatning bygger på kortvariga högspänningspulser som överlagras på en baslikspänning. Dessa metoder har i första hand utvecklats för att förbättra avskiljningen av högresistivt stoft. Som sidoeffekt minskar energiförbrukningen ytterligare. Det fysiska resonemanget bakom valet att överge likspänningsmatningen i vissa tillämpningar är följande: i en koronaurladdnings stabila tillstånd är ström och spänning styvt kopplade till varandra genom ström/spännings-karakteristiken, vilken i sin tur huvudsakligen bestäms av elektrodarrangemanget och gasegenskaperna. Användningen av transienta spänningsformer inför en ny frihetsgrad för optimerad stoftavskiljning. Intermittent och pulsad spänningsmatning ger möjligheter att minska strömmens tidsmedelvärde och ändå få god strömfördelning, vilket beror på intensiteten i koronabildningen (högspänningstoppar). Särskilda effekter kan förväntas när pulsvaraktigheten är kortare än jontransporttiden, dvs. den tid som jonerna behöver för att förflyttas från emissionselektroden till utfällningsplåten. I en typisk elektrofilterkonfiguration tar detta flera millisekunder. Sådana effekter kan också undersökas med koronamodellen [8, 9]. 15 visar formen på det transporterade jonmolnet som orsakas av en högspänningspuls med varaktigheten 300 µs vid tre olika tider under överföringen. Jonmolnet har väldefinierade fram- och bakkanter och en form huvudsakligen bestämd av elektrod- och passagegeometrin, liksom naturligtvis av pulslängden. Huvudgasflödet med suspenderade partiklar förflyttar sig endast ett fåtal millimeter under denna jonöverföringstid. Med hjälp av korta pulser går det att lägga laddningar till stoftpartiklarna utan att applicera något större tvärriktat moment på flödet och på så sätt få en mer homogen strömfördelning vid utfällningsplåtarna. Detta ger högre avskiljningseffektivitet, framför allt för högresistivt stoft [10]. Formen av ett transporterat jonmoln, skapat av en högspänningspuls med varaktigheten 300 µs. Z visar positionen för den raka emissionselektroden. 15 ABB Tidning 4/

10 Slutsatser Industrin har i många år försökt modellera och förutsäga vad som händer i ett elektrofilter. Tidiga undersökningar resulterade i Walther Deutschs berömda ekvation (1925) som relaterade avskiljningseffektiviteten för ett elektrofilter till den specifika utfällningsarean och en fiktiv förflyttningshastighet mot utfällningsplåten. Denna relation förfinades under årens lopp och har i stor utsträckning använts för att dimensionera elektrofilter. I sådana integrerade modeller utnyttjas tidigare erfarenheter och pilotförsök för att förutsäga förflyttningshastigheten för en ny tillämpning. Den datormodell som nu har utvecklats bygger i stället på de grundläggande fysiska processerna för stoftutfällning. Modellen är inriktad på att förutsäga okända situationer och att förklara och kvantifiera olika geometriska inverkande faktorer. Modellen används för att undersöka inverkan av olika elektriska parametrar, gassammansättning, temperatur och flödeshastighet. För närvarande förutsätter modellerna att driftsförhållandena för elektrofiltren inte ger upphov till bakåtriktade koronafenomen. Detta arbetssätt har blivit genomförbart först på senare tid tack vare framstegen inom plasmafysik, datorstödd flödesdynamik och allt kraftfullare datorer. Det förefaller nu vara möjligt att behandla hela elektrodynamiken för en koronaurladdning i ett motriktat gasflöde tillsammans med ekvationerna för partikelladdning och partikelrörelse. Det är självklart att så komplicerade programpaket måste valideras med experiment. Resultaten från de försök som hittills har genomförts i form av jämförelse mellan uppmätta strömmar/spänningar, uppmätt strömtäthetsfördelning och uppmätta penetreringskurvor är mycket uppmuntrande. Exemplen visar att det nu går att genomföra numeriska experiment för att optimera ett elektrofilters prestanda och att kvantifiera inverkan av olika parametrar. Det är sannolikt att numerisk simulering minskar behovet av dyrbara pilotinstallationer och fältförsök. Det är redan uppenbart att sådana datamodeller används av konstruktionsingenjörer som kompletterande verktyg för att kontrollera nya idéer om avancerade elektrofilterprocesser. Eftersom en del praktiska effekter ännu inte har behandlats i datamodellen kommer praktisk erfarenhet och pilotförsök även fortsättningsvis vara viktiga tillgångar vid utveckling av elektrofilter. Referenser [1] Porle, K.; Parker, K. R.: 'Dry type precipitator applications' in Applied Electrostatic Precipitation. K. R. Parker, Ed. Blackie Academic & Professional, London, 1997, [2] Egli, W.; Riccius, O.; Kogelschatz, U.; Gruber, R.; Merazzi, S.: Computation of the charge density distribution in a 3D electric field. 6th Joint EPS-APS Intern. Conf. on Physics Computing (PC'94), Lugano 1994, [3] Egli, W.; Kogelschatz, U.: Corona current and space charge distribution in precipitator configurations. XXII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG XXII), Hoboken, NJ, 1995, vol 1, [4] Egli, W.; Kogelschatz, U.; Persson, T.: Three-dimensional corona current distribution in complex ESP configurations. 6th Intern. Conf. on Electrostatic Precipitation (ICESP VI), Budapest 1996, [5] Halldin, C.; Håkansson, R.; Johansson, L. E.; Porle, K.: Particle flow field in a commercial design ESP during intermittent energization. 6th Intern. Conf. on Electrostatic Precipitation (ICESP VI), Budapest 1996, [6] Egli, W.; Kogelschatz, U.; Gerteisen, E. A.; Gruber, R.: 3D computation of corona, ion induced secondary flows and particle motion in technical ESP configurations. Journal of Electrostatics 40&41 (1997), [7] Pihl, M.: Ny högspänningsmatning för elektrofilter betyder enklare montering och ökad reglerdynamik. ABB Tidning 2/98, [8] Egli, W.; Kogelschatz, U.; Gerteisen, E. A.: Pulsed corona in an electrostatic precipitator configuration. XXIII Proc., XXIII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG XXIII), Toulouse, 1997, vol II, [9] Gerteisen, E. A.; Egli, W.; Kogelschatz, U.: Solution methods for ion flows in electrostatic precipitators. Proc. Fourth Europ. Computational Fluid Dynamics Conf. (ECCOMAS), Athens, 1998, [10] Klippel, N.; Stutz, S.; Kogelschatz, U.: ESP efficiency measurements with a flexible pulsed power supply. 7th Intern. Conf. on Electrostatic Precipitation (ICESP VII), Kyongju, Korea, 1998, Författarnas adresser Dr. Ulrich Kogelschatz Walter Egli ABB Corporate Research Ltd CH-5405 Baden-Dättwil Fax: ulrich.kogelschatz@chcrc.abb.com walter.egli@chcrc.abb.com Dr. Edgar A. Gerteisen Swiss Center for Scientific Computing (CSCS) CH-6928 Manno egerteis@cscs.ch 42 ABB Tidning 4/1999