Contributii Privind Retinerea Emisiilor de Pulberi In Instalatii de Desprafuire Electrica

CUPRINS

Introducere

Dezvoltarea continuă a activităților industriale din ultimele decenii, a avut urmări tot mai îngrijorătoare asupra echilibrului ecologic al planetei, datorită cantităților uriașe de substanțe poluante emise zilnic în atmosferă.

După cum se știe, poluarea mediului înconjurător este un fenomen extrem de complex deoarece din cantitățile enorme de noxe eliminate zilnic în atmosferă prin coșurile de fum, o parte se răspândesc în jurul surselor de poluare rămânând pe teritoriul țării respective, iar o altă parte este purtată de curenții aerieni și de ape, peste granițe.

În acest context responsabilitățile și măsurile de prevenire și combatere a poluării mediului înconjurător revin tuturor statelor și opiniei publice mondiale.

Primul semnal de alarmă privind situația sistemului ecologic al planetei a fost tras la Conferința Mondială asupra Mediului de la Stokholm din anul 1972. Treptat omenirea a început să fie conștientă de importanța problematicii protecției mediului înconjurător dar și de faptul că aceste probleme ale mediului nu pot fi separate de activitatea economică și socială și că acestea au implicații directe asupra calității vieții.

Ca urmare, a luat ființă pe lângă Organizația Națiunilor Unite ,,Comisia Mondială asupra Mediului și Dezvoltării″. Rolul acestei organizații este de a supraveghea evoluția calității mediului înconjurător și de a atenționa statele care prin activitățile lor economice pun în pericol echilibrul ecologic al planetei.

În prezent se pare că poluarea mediului înconjurător prin activitatea necontrolată a omului se apropie de ,,pragul critic” depășind limitele de apărare ale naturii, punându-se în pericol existența vieții pe Terra[5].

După cum se știe cea mai mare parte din emisiile poluante evacuate anual în atmosferă, se datorează combustibililor fosili utilizați ca formă primară de energie.

Din acest motiv, consumul de energie trebuie monitorizat în corelație cu emisiile poluante înregistrate anual la nivel mondial, cu efecte dezastruoase asupra mediului înconjurător: poluarea aerului, apei și solului, încălzirea globală prin efectul de seră, ploile acide, deteriorarea stratului de ozon, schimbările climaterice (inundații în unele zone, topirea unor ghețari, uragane, secetă, incendii naturale, etc).

Întrucât centralele termoelectrice și mai ales cele care funcționează cu combustibili clasici (lignit, cărbune brun, huilă) dețin, peste tot, în întreaga lume, o cotă importantă din sursele de emisii poluante (pulberi, CO2, SO2, Nox, etc.) în mediul ambiant, s-a considerat normal să se fixeze pentru acestea, valori limită ale emisiilor în gazele evacuate prin coșul de fum.

Aceste norme au fost elaborate în majoritatea țărilor industrializate din lume, ele fiind mai severe sau mai puțin severe, în funcție de specificul fiecărei țări, de combustibilii utilizați, puterea termică unitară a grupului energetic, durata de viață restantă a instalațiilor, nivelul de dezvoltare a instalațiilor de ardere și tehnologiile de desprăfuire. De aceea cea mai mare parte a reglementărilor pe plan internațional și național vizează sectorul energetic, astfel încât ele trebuie cunoscute și mai ales respectate întocmai de către cei care își desfășoară activitatea în acest sector, începând de la proiectare și cercetare până la exploatarea termocentralelor.

În prezent, în Europa Occidentală este practic generalizat nivelul de 50 mg/m3N de pulberi în gazele desprăfuite, iar în unele țări puternic industrializate, există deja tendința de a se trece la nivelul de 40 mg/m3N.

În România, până în anul 2012, pentru instalațiile de ardere, nivelul permisiv al emisiilor de pulberi este de 100 mg/m3N pentru instalațiile vechi și 50 mg/m3N pentru instalațiile noi de ardere a combustibililor solizi.

Înăsprirea normelor de protecția mediului a condus la o accelerare a lucrărilor de cercetare–proiectare, în vederea îmbunătățirii performanțelor echipamentelor de depoluare, existând o preocupare foarte intensă de introducere de tehnici, tehnologii și echipamente adecvate pentru reținerea poluanților la sursă.

Ca urmare, se constată de la an la an progrese importante în performanțele pe care le realizează instalațiile de desprăfuire electrică (denumite în mod uzual și electrofiltre) ce intră în componența grupurilor energetice de medie și mare putere, din centralele termoelectrice.

În România instalațiile industriale realizate până la sfârșitul anului 1993, erau în general prevăzute cu tehnologii, echipamente și aparatură corespunzătoare tratării emisiilor poluante, dar numai până la nivelul permisiv al standardelor din acea perioadă.

După această perioadă, ca urmare a programelor de integrare a țării noastre în structurile Uniunii Europene, s-a pus acut problema limitării emisiilor de poluanți solizi și gazoși în atmosferă, luând în considerație legislația europeană și națională în domeniu, ținând totuși seama de posibilitățile financiare ale țării.

În România înlocuirea instalațiilor de desprăfuire electrică ce echipează grupurile energetice de medie și mare putere cu altele noi, moderne, performante care să asigure un conținut de cenușă în gaze la coș, în concordanță cu normele internaționale de protecția mediului, implică cheltuieli materiale destul de mari, iar la marea majoritate a centralelor electrice nu se pot realiza datorită spațiilor existente reduse aferente electrofiltrelor și spațiilor ocupate de celelalte instalații componente ale centralei termoelectrice, instalații la care nu se poate renunța și nu se pot muta.

Ca alternativă la înlocuirea electrofiltrelor existente cu unele noi este soluția de reparație cu îmbunătățirea performanțelor a celor existente. Soluția conduce la cheltuieli de investiție mai mici, dar implică o angajare mai profundă a ingineriei de specialitate pentru a găsi noi soluții tehnice care să conducă la performanțe ridicate, reutilizând totodată o parte din echipamentul existent.

Pentru realizarea obiectivului sus amintit, s-a demarat un amplu program de îmbunătățire a performanțelor instalațiilor de desprăfuire electrică ce intră în componența cazanelor energetice cu funcționare pe combustibil solid.

În mai multe etape, au fost elaborate documentații de reparație cu modernizare a electrofiltrelor ce intră în componența grupurilor energetice de mare putere în funcție de nivelul emisiilor impuse de legislația în domeniu la vremea respectivă.

Proiectele de reparație cu modernizare, implementate în instalațiile existente, au dus la rezultate bune, fapt ce a permis realizarea de noi lucrări cu performanțe din ce în ce mai bune.

În acest context, o cercetare privind îmbunătățirea performanțelor instalațiilor de desprăfuire electrică este deosebit de importantă și actuală, înscriindu-se pe o direcție prioritară pe plan mondial referitoare la controlul poluării și dezvoltarea durabilă.

România urmărește îndeaproape politica Uniunii Europene în domeniul energiei, cu scopul de a dezvolta o piață națională energetică competitivă integrată în piața internă europeană.

În transpunerea și aplicarea prevederilor legislației comunitare în domeniul energiei, România ține cont de aquis-ul comunitar de mediu, pentru sectoarele de mediu privind calitatea aerului, controlul poluării industriale și managementul riscului de poluare, de obligațiile asumate prin semnarea Protocolului de la Kyoto la Convenția Cadru a Națiunilor Unite privind schimbările climaterice, ratificat prin Legea nr.3/2001, de Tratatul Cartei Energiei, ratificat prin Legea nr.4/1997 și de Tratatul EURATOM.

În acest context retehnologizarea instalațiilor de desprăfuire electrică din centralele termoelectrice românești pentru a satisface cerințele din Hotărârea Guvernului nr. 647/2001 și nr.541/2005 este un obiectiv principal și care nu poate fi amânat.

Studiile și cercetările în cadrul prezentei lucrări, se înscriu pe această linie și privesc în principal soluțiile ce s-au aplicat, dar mai ales ce trebuie implementate, pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere, în concordanță cu normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului.

Aceste performanțe de desprăfuire se pot obține numai, analizând teoretic toate procesele fundamentale ce stau la baza funcționării electrofiltrelor (generarea purtătorilor de sarcină, încărcarea particulelor de praf cu sarcină, deplasarea acestora spre electrodul de depunere și captarea lor), factorii care le condiționează și optimizându-le prin experimentări, având în vedere că nu pot fi prinse în expresii matematice toate condițiile existente în electrofiltru.

Ca mod de organizare, lucrarea este împărțită în șapte capitole repartizate pe 183 pagini și se încheie cu o bibliografie reprezentativă și anexe.

În introducere se prezintă pe scurt efectele poluării mediului la nivel global precum și importanța instalațiilor de desprăfuire electrică în reducerea poluării atmosferei. Sunt prezentate principalele aspecte abordate în lucrare.

Primul capitol este destinat stadiului actual în domeniul instalațiilor de desprăfuire care cuprinde: un scurt istoric al dezvoltării procesului de desprăfuire electrică, progresele tehnice realizate în acest domeniu precum și tipurile de electrofiltre, cu specificarea domeniilor de aplicabilitate. În continuare se face referire la situația existentă în țara noastră privind reținerea pulberilor rezultate din arderea combustibililor inferiori cu ajutorul instalațiile de desprăfuire electrică precum și performanțele obținute cu aceste instalații. Este prezentată schema de amplasare a unui electrofiltru în ansamblul unui grup energetic, bilanțul material al cenușii rezultate din arderea combustibililor în cazanele energetice de mare putere, acordând-se o atenție deosebită granulometriei particulelor. S-au determinat, prin măsurători, parametrii gazo-dinamici precum și conținutul de pulberi din gazele de ardere ale unui grup energetic de mare putere la funcționare pe combustibil solid inferior (lignit) la sarcină nominală.

În capitolul 2 se prezintă un studiu bibliografic privind construcția și funcționarea instalațiilor de desprăfuire electrică. Pentru înțelegerea complexității fenomenelor au fost prezentate diferite probleme ce apar în funcționarea instalaților de desprăfuire electrică. S-a analizat eficiența acestor instalații prin definirea noțiunii de eficacitate-viteză de migrație, precum și factorii limitativi ce afectează performanțele instalațiilor de desprăfuire electrică. Este prezentat detaliat un model al eficienței de separare pentu o curgere turbulentă. În continuare se prezintă comparativ efectele obținute prin energizarea cu echipamente convenționale ce funcționează la frecvența rețelei și o generație nouă de echipamente ce furnizează energie folosind tehnologia transformatorului redresor clasic îmbinată cu tehnologia sursei de alimentare în regim de comutație, având o frecvență a tensiunii de ordinul zecilor de kHz (între 20 și 30 kHz). O atenție specială în acest capitol este acordată principiilor de alegere și dimensionare al echipamentelor de înaltă tensiune precum și modului de alegere al câmpurilor de desprăfuire.

În capitolul 3 sunt analizate principalele procese ce stau la baza funcționării instalațiilor de desprăfuire electrică, insistându-se pe fenomenul de încărcare a particulelor cu electricitate ca efect al descărcării de tip corona între electrozii de polaritate diferită, fiind expuse modalitățile prin care are loc încărcarea.

Capitolul 4 este destinat studiilor efectuate pe instalația experimentală, insistându-se pe comportarea în exploatare pentru diverse configurații de electrozi de emisie și depunere utilizați în tehnica desprăfuirii electrostatice. Sunt prezentate soluțiile și rezultatele obținute în urma studiilor și testelor efectuate.

Pentru stabilirea dependenței vitezei de migrație de parametrii gazo-dinamici care nu pot fi prinși în expresii matematice pentru a putea fi modelați, s-au efectuat măsurători pe instalația pilot. Experimentările efectuate cu cele două probe de cenușă au avut drept scop stabilirea dependenței vitezei de migrație la pas 2h=380mm de parametrii care o influențează, temperatura și viteza de curgere a gazelor prin electrofiltru.

În capitolul 5 este descris un model de calcul numeric privind distribuția câmpului electric în spațiul dintre electrozii de polaritate diferită în vederea obținerii unor informații cu privire la dispunerea optimă a echipamentului interior.

În capitolul 6 sunt prezentate pe scurt soluțiile propuse pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere în concordanță cu normele internaționale de protecția mediului, cu referire specială la un grup energetic de mare putere.

Capitolul 7 este destinat concluziilor generale și contribuțiilor personale.

STADIUL ACTUAL ÎN DOMENIUL INSTALAȚIILOR DE DESPRĂFUIRE ELECTRICĂ

1.1 Încercări și evoluții ale procesului de desprăfuire electrică

Primele demonstrații de laborator privind fenomenul de separare electrică, au fost efectuate în anul 1824 de către matematicianul german M. Hohlfeld. El a eliminat fumul de țigară dintr-un borcan, în interiorul căruia era montat un electrod de emisie alimentat cu tensiune electrică.

În anul 1885 savanții O. Lodge și H. Woalker au făcut primele încercări de aplicare a procesului de separare electrostatică pe scară industrială. Utilizarea practică a fenomenului a întâmpinat dificultăți destul de mari, în privința obținerii unui curent continuu de înaltă tensiune pe care mașina electrostatică, folosită la acea vreme, nu putea să-l debiteze. Informațiile cu privire la experiențele efectuate au fost prezentate la o conferință care a avut loc la Liverpool în anul 1886.

Separarea electrostatică modernă este legată de numele lui Frederick Gardner Cottrel, care în perioada 1904-1915 a avut o intensă activitate de cercetare în domeniul desprăfuirii electrostatice la Universitatea din California.

În anul 1906 F.G Cottrel a introdus alimentarea electrofiltrelor cu tensiune alternativă înaltă redresată și tot el a realizat în anul 1907 primul electrofiltru industrial pentru captarea cu randament ridicat a ceței de acid sulfuric. Reușita experienței lui F.G Cottrell s-a datorat faptului că a folosit, pentru prima dată, ca sursă de curent un transformator cu redresor mecanic. Tensiunile transformatoarelor din acea perioadă puteau atinge numai 10-15 kV.

Inginerul german E. Möller a construit în 1912 primul electrofiltru cu electrozi de depunere plani. Tot pentru prima dată a utilizat electrozi de emisie cu vârfuri, asigurând descărcări corona intense.

În anul 1912 W. A. Schmidt a inventat și realizat primul electrofiltru în două trepte cu electrozi de depunere plani și electrozi de ionizare din sârmă subțire.

Este de remarcat faptul că în anul 1913, F.G. Cottrel utilizează descărcarea Corona în tensiune continuă de polaritate negativă pentru ionizarea gazelor din electrofiltru, demonstrând că ea este superioară descărcării Corona pozitive, prin obținerea de tensiuni și curenți de emisie mult mai mari.

Succesul îmbucurător al experiențelor efectuate în prima decadă a secolului XIX, demonstrarea practică a utilității desprăfuirii electrostatice, au deschis calea pentru dezvoltarea și extinderea aplicării electrofiltrelor la scară industrială.

Datorită avantajelor necontestate, electrofiltrele și-au găsit o utilizare pe scară largă pentru desprăfuirea gazelor în multe ramuri industriale cum ar fi: desprăfuirea gazelor arse de la cazanele din industria energetică, desprăfuirea gazelor evacuate din cuptoarele fabricilor de ciment, desprăfuirea gazelor din cuptoarele rotative în industria chimică și metalurgică, epurarea gazului de furnal, utilizarea electrofiltrelor în combinatele de prelucrare a plumbului, epurarea gazului în procesul de producție a acidului sulfuric, etc.

În anul 1916 în SUA, s-au realizat primele electrofiltre industriale ce tratează debite mari de gaze, mai întâi la fabrica de ciment din Pinole și apoi la uzina de topit plumb din Selby, care în acea perioadă a avut dificultăți mari din cauza poluării atmosferice.

În tabelul 1.1 sunt redate în rezumat, gama de variație și condițiile de funcționare a electrofiltrelor cu plăci pentru diverse ramuri industriale.

Tabelul 1.1

În Anglia F.G. Cottrell și H. Lodge au înființat o societate constructoare de electrofiltre cu sediul în Birmingham.

Profesorul Oppen și prof. Kirchhoff înființează la Hanovra societatea OSKI care se specializează în construcția de electrofiltre.

În aceeași perioadă începe producția de electrofiltre și firma Lurgi la Frankfurt în Germania.

E.K.Erikson de la laboratorul firmei ASEA a pus bazele construcției de electrofiltre în Suedia, în anul 1918.

Germanul Deutsch a dedus în anul 1922 ecuația exponențială a randamentului de desprăfuire.

Primele studii de bază asupra încărcării electrice a particulelor aflate în suspensie în gaze în prezența descărcării Corona au fost făcute în anul 1923 de către H. Rohmann.

În SUA primul electrofiltru destinat desprăfuirii gazelor din industria energetică a fost construit în anul 1923.

În anul 1932 Wintermude a introdus în componența electrofiltrului circuitul redresor cu două semialternanțe.

Sistemul de alimentare prin impulsuri de înaltă tensiune a fost conceput H.J.White în anul 1950.

Între anii 1949-1950 s-au montat primele electrofiltre, construite complet în Polonia, pentru desprăfuirea gazelor de la cazanele energetice din termocentrala din Chorzow.

Până în anul 2006, în SUA au fost construite în jur de 3000 de electrofiltre, destinate reținerii particulelor de praf rezultate din diverse procese tehnogice. Este de remarcat faptul că cel mai reprezentativ electrofiltru modernizat pe teritoriul american, până în acest moment, are un grad de reținere de 99,92%, respectiv un conținut de cenușă în gazele de ardere de 45-50 mg/m3N la ieșirea din electrofiltru.

În anul 1968 în România, în cadrul licenței pentru cazanul de 1035 t/h cu funcționare pe lignit, a fost achiziționată (de la firma Babkok-Germania) și documentația pentru electrofiltrele ce echipează acest cazan. Pe baza acestei documentații au fost construite instalațiile de desprăfuire de la primele patru blocuri energetice de la F.E.Rovinari și primele patru blocuri de la F.E.Turceni.

Începând cu anul 1970, ICPET București a preluat activitatea de proiectare a instalațiilor de desprăfuire electrică pentru: industria materialelor de construcții, metalurgică, chimie, energetică, prepararea materiilor prime în alte industrii.

Conform documentației de la acea vreme conținutul de praf în gazele de ardere la ieșirea din electrofiltre era de 540 mg/m3N de gaz epurat pentru electrofiltrele cu două câmpuri și 470 mg/m3N pentru electrofiltrele cu trei câmpuri. Pentru echipamentele de înaltă tensiune s-a achiziționat licența Siemens.

Începând cu anul 1993 în țara noastră a demarat activitatea de reabilitare a grupurilor energetice de mare putere, în cadrul acestei activități fiind cuprinsă și reparația cu modernizare a instalațiilor de desprăfuire ce intră în componența acestor grupuri.

Astfel, se poate exemplifica pentru energetică, unde de la soluțiile din etapa 1-a de modernizare a grupurilor 5 și 6 S.E Rovinari când s-a redus emisia de la 595 mg/m3N la 300 mg/m3N, s-a trecut la etapa a 2-a de modernizare a grupurilor 3si 4 din S.E Turceni, unde s-a redus emisia de la 595 mg/m3N la 180-200 mg/m3N și apoi la etapa a-3-a, grupul 4 din SE Rovinari și grupurile nr. 4 si 7 din S.E Turceni unde s-a redus emisia de pulberi la ieșire din electrofiltre la 100 mg/m3N.

Prin reparația cu modernizare a electrofiltrelor cazanului de apă fierbinte (CAF) nr. 2 din cadrul S.E. Craiova concentrația de praf în gaze la ieșire s-a redus de la 700 mg/m3N la 100 mg/m3N.

La grupul nr. 5 din S.E Turceni și grupul nr. 3 din S.E Rovinari, după reparația capitală concentrația de praf la ieșirea din electrofiltru a scăzut la 50mg/m3N.

De remarcat este faptul că majoritatea performanțelor s-au obținut în condițiile refolosirii volumului existent (carcasa existentă), deci cu costuri minime, dar aplicând soluții tehnice moderne care au vizat în principal:

Dispunerea echipamentului interior la pas 2h = 400 mm. În Europa s-au generalizat electrofiltrele cu pas 2h = 400 mm, în Japonia și Statele Unite s-a trecut și la electrofiltre cu pas de 2h=600 mm;

Reducerea turbulenței în electrofiltre (s-au realizat sisteme de uniformizare a curgerii gazelor la intrarea în câmpul electric al electrofiltrului cu site variabile și scuturare mecanică);

Scuturarea eficientă a electrozilor de emisie și depunere prin sisteme de scuturare moderne cu fiabilitate ridicată și consumuri energetice reduse;

Utilizarea electrozilor de emisie și depunere cu eficiență ridicată, adecvați proceselor de epurare electrostatică și tendință de creștere a pasului dintre doi electrozi de emisie pe aceiași ramă;

Utilizarea unor echipamente de înaltă tensiune mai fiabile și cu gabarit redus;

Energizarea electrofiltrelor cu impulsuri de înaltă tensiune pentru epurarea prafurilor înalt rezistive.

Firmele constructoare de electrofiltre europene (F.S Smidth, Cottrel, Lurghi) au realizat generatoare de impulsuri de înaltă tensiune în domeniul microsecundelor și tablouri de comandă pentru agregatele de înaltă tensiune cu impulsuri în domeniu milisecundelor pentru a face față utilizării cărbunilor cu conținut mic de sulf și apă.

În SUA electrofiltrele au fost proiectate pentru a avea o suprafață minimă a plăcilor cu costuri de investiție minime. Aceste electrofiltre au avut în structură electrozi de depunere îmbinați între ei (opzel) și electrozi de emisie din sârmă, întinși cu contragreutăți.

Pentru a îndeplini cerințele de eficiență a desprăfuirii deosebit de ridicată, de realizare a unei construcții robuste, precum și de obținere a unei fiabilități maxime, fabricanții și proiectanții europeni, care erau în posesia patentelor primare ale lui Frederick Gardner Cottrell, au dezvoltat electrofiltrul cu electrozi de emisie fixați rigid în rame. Acest design european este mai apropiat de design-ul original dezvoltat de Cottrell decât sunt în prezent electrofiltrele construite în SUA. Termenul de “cadru rigid” se referă la modul de fixare a electrozilor într-o ramă construită din țeavă.

În prezent se depun eforturi importante, în lume, pentru micșorarea dimensiunilor electrofiltrelor, prin optimizarea procesului de separare electrostatică și găsirea de noi soluții pentru creșterea gradului de reținere astfel încât electrofiltrele să facă față exigențelor impuse de normele internaționale de protecția mediului.

1.2 Utilizarea instalațiilor de desprăfuire electrică

1.2.1. Tipuri de electrofiltre. Domenii de utilizare

În funcție de destinația electrofiltrului, precum și în funcție de soluțiile adoptate pentru instalația în ansamblu elementelor ei, instalațiile de desprăfuire electrică pot fi clasificate din punct de vedere constructiv după mai multe criterii:

După așezarea zonelor de încărcare și de depunere:

– electrofiltre cu o treaptă

– electrofiltre cu două trepte

După direcția de curgere a gazului în raport cu pământul:

– electrofiltre orizontale

– electrofiltre verticale

După geometria sistemului de electrozi:

– cu sistem concentric de electrozi (electrofiltre tubulare)

– cu sistem plan de electrozi

După numărul de câmpuri independente care se pot forma într-o cameră:

– cu un câmp (zone electrice)

– cu două sau mai multe câmpuri

După modul în care se captează impuritățile din gaze:

– uscate

– umede.

Fig.1.2.1 Schema de principiu a unui electrofiltru plan cu o treaptă

Electrofiltrele orizontale ocupă spații mari, dar permit amplasarea în serie a două sau mai multor camere de depunere sau câmpuri de desprăfuire, asigurând stabilitate și fiabilitate în funcționare și grade ridicate de epurare.

Electrofiltrele verticale sunt construite în general pentru debite mici de gaze și pentru impurități ce se pot reține relativ ușor, cu un singur câmp. Acestea ocupă spații mici, dar au instabilitate mare în funcționare.

Pentru desprăfuirea gazelor industriale se folosesc electrofiltre, în care încărcarea și depunerea particulelor de praf se face într-un câmp electric comun, denumite și electrofiltre cu o treaptă (fig.1.2.1).

Electrofiltrele cu zone separate de încărcare și depunere, denumite și electrofiltre cu două trepte (fig. 1.2.2), se folosesc aproape în exclusivitate la instalațiile de climatizare pentru purificarea aerului.

Fig.1.2.2 Schema de principiu a unui electrofiltru cu două trepte

După descoperirea metodei electrostatice de desprăfuire s-au folosit în majoritatea construcțiilor electrofiltre cu electrozi tubulari.

Acest tip de electrofiltru, reprezentat schematic în fig. 1.2.3, prezintă inconvenientul că este utilizată doar suprafața interioară a tubului pentru colectarea prafului, ceea ce presupune un consum mare de materiale pentru construcție.

Fig.1.2.3 Modul de intrare al gazelor într-un electrofiltru tubular

În anii următori au apărut electrofiltre cu plăci, echipate cu electrozi de colectare și de ionizare de diferite tipuri.

Spre deosebire de sistemul cu plăci, electrofiltrele cu tuburi cu toate că lucrează la viteze mai mari ale gazului ocupă un spațiu mai mare.

Din acest motiv, construcțiile moderne de electrofiltre se execută exclusiv de tipul cu plăci și sunt structurate în mai multe câmpuri de desprăfuire.

Față de un electrofiltru cu un singur câmp, electrofiltrele cu două sau mai multe câmpuri prezintă o siguranță mult mai mare în exploatare. Ele se folosesc pentru desprăfuirea unor debite mari de gaze și asigură un grad superior de separare.

Fig.1.2.4 Modul de intrare al gazelor într-un electrofiltru plan cu o treaptă

cu electrozi întinși cu contragreutăți

Integrarea electrofiltrelor în ansamblul unui grup energetic

Schema bloc a circuitului aer- gaze. Descrierea fluxului tehnologic

Pentru a asigura independența energetică a țării prin utilizarea rațională a resurselor naturale ale subsolului nostru și pentru satisfacerea cu energie electrică a consumatorilor industriali, în ultimi 30 de ani s-au construit și funcționează un număr important de termocentrale echipate cu grupuri energetice de medie și mare putere.

Cazanele de abur cu care sunt dotate grupurile energetice din România, funcționează pe combustibil solid inferior, cu o putere calorifică scăzută și un conținut foarte mare de cenușă și sunt amplasate lângă orașe mari cu populație densă.

Cărbunele este transportat din depozit cu ajutorul unui sistem de benzi la cele șase mori de cărbune cu care este echipat cazanul. Viteza benzilor și înălțimea stratului sunt corelate cu debitul de cărbune necesar și puterea lui calorifică. În morile de cărbune are loc procesul de măcinare și uscare parțială. Morile, în general, sunt de tipul cu ciocane și ventilator.

Fig.1.3.1 Schema bloc a circuitului aer-gaze:1- cazan,2- canal gaze ieșire cazan,3-preîncălzitor de aer,4- buncăr preîncălzitor de aer,5- buncăr mecanofiltru,6-canal gaze amonte electrofiltru,7- electrofiltru,8- ventilator de gaze,9- ventilator de aer,10- canal aer,11- traseu cenușă,12- traseu aer,13- moara de cărbune,14- pâlnia cazanului,15- buncăr cap gaze

Prin efectul de ventilator praful de cărbune este dirijat spre arzătoarele cazanului. Împreună cu aerul primar, praful de cărbune este pulverizat în focar, unde are loc procesul de aprindere și ardere. Prin arzătoare se introduce și aerul secundar necesar procesului de ardere. Prin arderea cărbunelui rezultă un anumit debit de gaze cu temperatura ridicată. În aceste gaze se găsește cenușa rezultată din arderea cărbunelui. O parte din cenușă, compusă din particule mai mari cade la baza cazanului de unde este evacuată cu ajutorul unui transportor special. Fracțiunea de cenușă cu particule având dimensiuni de 5÷200 m (diametrul mediu cuprins între 15÷30 m) este antrenată de gaze în drumul lor prin schimbătoarele de căldură ale cazanului, sistemul fierbător din focar, supraîncălzitoare, economizoare, preîncălzitoare de aer rotative. Gazele arse cedează căldură apei care circulă prin țevi și se transformă în abur.

La ieșirea din cazan gazele de ardere au o temperatură de circa 270oC și conțin o importantă cantitate de cenușă aflată în suspensie. O cotă parte din cenușa din gazele de ardere este reținută mecanic în buncărele de la capul de gaze al cazanului iar o altă parte în buncărele de la preîncălzitoarele de aer rotative. Din buncăre cenușa este evacuată hidraulic la groapa de cenușă cu ajutorul unor pompe de tip Bager.

În drumul lor spre coș gazele trec prin cele două electrofiltre ale instalației de desprăfuire electrică, care rețin praful din gaze până la nivelul impus de datele din proiect. Din electrofiltre gazele epurate sunt vehiculate și dirijate către coș cu ajutorul a două ventilatoare de gaze arse VG1 și VG2.

Aerul necesar arderii este asigurat de două ventilatoare de aer de tip orizontal VA1 și VA2. În drumul lui spre cazan aerul trece prin două preîncălzitoare de aer rotative PAR1 și PAR 2 pentru a fi preîncălzit.

1.3.2 Bilanțul de cenușă la arderea combustibililor solizi în centralele termoelectrice

În cazul arderii combustibililor solizi în cazanele energetice de mare putere din centralele termoelectrice, gazele rezultate conțin importante cantități de cenușă. Concentrația acesteia în gazele de ardere depinde în principal de conținutul de cenușă al combustibilului și de tehnologia de ardere.

În figura 1.3.2 se prezintă schema bilanțului de combustibil solid corespunzător unui cazan de 1035t/h, cu următoarele considerații:

Combustibilul ars efectiv (Bef) se compune din cenușă (Aef), apă (Wef) și parte combustibilă (Cef):

(1.1)

Pierderile mecanice (qm) se vor considera în proporție de 60 % căzute în pâlnie (qm1) și în proporție de 40 % antrenate la ieșire din cazan (qm2).

(1.2)

Particulele căzute în pâlnie (qm1) se compun din cenușă (A qm1), apă (W qm1) și parte combustibil (C qm1):

(1.3)

Particulele antrenate la ieșirea din cazan (qm2) se compun din cenușă (A qm2), apă (W qm2) și parte combustibil (C qm2):

(1.4)

Cenușa rezultată din ardere (Aef) se repartizează la ieșirea din cazan, spre capul de gaze (A2ef) și pâlnia cazanului (A1ef), după cum urmează:

(1.5)

pentru dimensionarea grătarului:

(1.6)

pentru dimensionarea electrofiltrului se consideră:

A2ef = 0,85 Aef (1.7)

Fig.1.3.2 Schema bilanțului de combustibil solid la un cazan de 1035t/h

În figura 1.3.1 este reprezentat schematic traseul cenușii la un generator de abur cu arderea cărbunelui în stare pulverizată (cazanul de 1035t/h).

Pentru cazanele energetice de 1035 t/h, bilanțul material al cenușii este dat de următoarea relație:

(1.8)

Unde: Q – debitul total de cenușă rezultat în urma arderii combustibilului solid

– debitul de cenușă reținut la pâlnia cazanului

– debitul de cenușă reținută la buncărele de la ieșire din cazan

– debitul de cenușă reținută la buncărele preîncălzitoarelor de aer rotative

– debitul de cenușă reținută în electrofiltru

– debitul de cenușă care iese din electrofiltru

Caracteristicile și cantitatea de cenușă depind de combustibilul utilizat, compoziția minerală a cărbunelui și de tipul arderii.

Performanțele instalației de desprăfuire electrică sunt influențate de rezistivitatea și aderența cenușii zburătoare.

Modul de conducere al arderii influențează distribuția granulometrică a cenușii și prin urmare și emisiile de pulberi.

Particulele foarte fine pot conține concentrații mult mai mari de microelemente decât particule grosiere. Aceasta se explică prin faptul că particulele fine au o suprafață specifică totală mai mare pe care se condensează microelementele cum ar fi mercurul.

Gradul de desprăfuire și caracteristicile fundamentale ale instalației de desprăfuire electrică, sunt determinate în mare măsură de ansamblul sistemului.

În consecință factorii ca: temperatura și umiditatea gazelor, caracteristicile fizice și chimice ale particulelor aflate în suspensie, mărimea pariculelor, rezistivitatea, corozivitatea, debitul total de gaze au un rol major în construcția, exploatarea și performanțele electrofiltrelor.

Din aceste motive, cercetarea și proiectarea rațională a electrofiltrelor trebuie să țină seama de toate cunoștințele fundamentale privind instalația tehnologică și materiile prime utilizate.

1.3.3 Mărimea particulelor și structura lor

Unele din caracteristicile cele mai importante ale norilor de particule este gradul lor de dispersare sau finețea, care se exprimă prin suprafața specifică definită ca suprafață expusă pe unitatea de masă a substanței dispersate.

Formele particulelor din dispersoizii industriali cuprind o infinitate de tipuri, de la sfera simplă la stele complexe și agregate înlănțuite[3].

Multe particule de cenușă, produse la arderea cărbunelui pulverizat, sunt mantale sferice sau conosfere având atașate pe suprafață multe particule satelit mai mici. Particulele de praf sunt de obicei de formă neregulată, ca urmare a multiplelor ruperi ce apar la concasare sau măcinare.

Multe fumuri metalurgice au formă de stea sau placă, în timp ce altele au formă de ace tinzând să formeze aglomerări în formă de lanțuri.

Cețurile și fumurile sunt de obicei picături sferice, iar particulele de praf (cenușă) pot fi și sferice dar în general au forme neregulate.

În definirea acestor particule neregulate se utilizează diametrul echivalent, definit ca media dimensiunilor pe trei axe perpendiculare sau diametrul sferei care are acelaș volum sau aceiași suprafață ca a particulei neregulate.

Pentru cazul particulelor nesferice, mărimea particulelor poate fi definită în mai multe feluri, pe baza diametrelor echivalente care depind de diferite proprietăți geometrice sau fizice ale particulelor.

În depunerea electrostatică se utilizează viteza de deplasare a particulei în câmpul electric, astfel că cel mai util este diametru Stokes sau viteza de sedimentare. (1.9)

Unde: – densitatea prafului

– densitatea mediului bifazic

– accelerația gravitațională.

În practica desprăfuirii electrice se întâlnesc următoarele tipuri de prafuri, funcție de dimensiunea particulei:

Caracterizarea dispersoizilor din punct de vedere al mărimii particulelor se face prin reprezentarea distribuției lor granulometrice pe fracții continue și discontinue.

În tehnologia epurării gazelor, în general este indicat să se ia în considerație numai distribuții continue de particule pentru care tratarea matematică este mai simplă.

Analiza repartiției granulometrice a prafului depus în lungul electrofiltrului reprezintă o problemă importantă în dimensionarea electrofiltrelor[68].

Pentru a stabili modul în care se depun particulele de cenușă rezultate din arderea lignitului în cazane energetice în lungul electrofiltrului în funcție de mărimea lor s-au făcut determinări pe instalațiile de desprăfuire electrică cele mai reprezentative din România (Turceni, Rovinari, Craiova).

Din analiza bazei de date deținută de S.C. Complexul Energetic Turceni, ICPET București și ISPE București, se poate sintetiza că cenușa rezultată din arderea lignitului din bazinul Olteniei se reține în lungul unui electrofiltru în felul următor:

Pentru un electrofiltru cu două câmpuri având pasul între electrozii de polaritate diferită h=200mm și înălțimea câmpului H=15000mm

Pentru un electrofiltru cu trei câmpuri având pasul între electrozii de polaritate diferită h=200mm și înălțimea câmpului H=12450mm:

Pentru un electrofiltru cu 4 câmpuri având pasul între electrozii de polaritate diferită h=200mm și înălțimea câmpului H=10500mm:

Din analiza datelor se observă că particulele grosiere se depun în primul câmp al electrofiltrului iar particulele cele mai fine se depun în ultimul câmp. Este de remarcat faptul că cenușa ce nu este reținută în electrofiltru este foarte fină având o mărime cuprinsă între 2m și 5m. Pentru reținerea acestei fracțiuni de cenușă este necesară o analiză a rezistivității prafului în vederea utilizării unor forme de undă de tensiune care să favorizeze reținerea particulelor fine cu rezistivitate ridicată, o redistribuire a echipamentului interior care să elimine zonele neionizate precum și utilizarea unor forme de electrozi de ionizare adecvați.

Determinarea parametrilor gazo-dinamici și conținutul de pulberi din gaze

Condițiile în care s-au efectuat măsurătorile

În timpul efectuării măsurătorilor la care am participat grupul energetic nr. 6 din Turceni (acest grup a fost luat ca referință) funcționa la o sarcină de 300 Mw în schema normală având în funcțiune cinci mori de cărbune și două arzătoare de gaze. Scopul măsurătorilor a fost determinarea gradului de reținere al electrofiltrelor și a concentrației de pulberi în gaze la ieșirea din electrofiltre precum și parametrii gazo-dinamici. Metodologia de efectuare a probelor are la bază normele și standardele internaționale de specialitate.

Pe toată durata probelor au fost consemnați parametrii de funcționare ai cazanului și parametrii electrici ai echipamentelor de înaltă tensiune.

Probele s-au efectuat la debitul cazanului de 1007600 kg/h (abur viu) cu 5 mori în funcțiune, la un debit de combustibil de 371545 kg/h cu lignit având puterea calorifică inferioară de 1834 kcal/kg.

În timpul probelor, s-au efectuat următoarele măsurători și determinări cu aparatura din dotarea S.C.C Energetic Turceni:

măsurători pentru determinarea parametrilor gazo-dinamici (temperatura, presiunea statică, viteza gazelor);

analiza gazelor de ardere;

analiza tehnică a cărbunelui;

măsurători pentru determinarea concentrației de pulberi în gazele de ardere.

Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în tabelul de mai jos.

B. Parametrii determinați în urma măsurătorilor

ELEMENTE CONSTRUCTIVE ȘI FUNCȚIONALE

2. 1 Descrierea simpificată a procesului de separare electrică

Funcționarea instalației de desprăfuire electrică are la bază principiul separării electrice a particulelor de cenușă suspendate în gaze ce străbat un câmp electric foarte puternic produs prin emisie corona.

Electrofiltrele cu o treaptă combină într-o singură etapă faza de ionizare cu cea de colectare, principiul de funcționare fiind prezentat schematic în fig.2.1.2.

În general, o instalație de desprăfuire electrică se compune din două părți principale (fig. 2.1.1): camera de separare în care are loc procesul de bază, precum și din echipamentul de alimentare cu energie electrică a acestei camere.

Fig. 2.1.1 Prezentarea schematică a formei de bază a unui

electrofiltru clasic cu o treaptă

Camera de separare este de formă prismatică sau cilindrică terminată la partea inferioară cu buncărele pentru colectarea particulelor de praf depuse pe electrozii de depunere. În interiorul camerei sunt amplasate echipamentele principale ale electrofiltrului, sistemul de emisie și sistemul de depunere.

Electrozii de depunere sunt table profilate sau netede cu suprafață mare pe care se depune praful. Electrozii de depunere sunt așezați întotdeauna vertical la o distanță constantă între ei numită pasul electrozilor de aceiași polaritate sau pasul electrofiltrului.

La mijlocul distanței dintre două plăci colectoare se găsesc electrozii de emisie sau de ionizare, cel mai adesea alimentați cu tensiune continuă de polaritate negativă.

Această tensiune electrică, de ordinul zecilor de kilovolți (30÷70)kV, determină apariția unor descărcări corona în imediata apropiere a electrozilor de ionizare.

Are loc o puternică ionizare a gazului ce străbate electrofiltrul, lucru care conduce la formarea unei sarcini ionice spațiale foarte dense în apropierea electrozilor de ionizare.

Ionii negativi migrează către electrozii de depunere și ionii pozitivi migrează către electrozii de emisie.

Particulele de praf aflate în suspensie în gaz, captează o parte din acești ioni până când sarcina electrică acumulată atinge o valoare maximă, numită în general sarcină limită.

Sub influența câmpului electric dintre electrozii de emisie și depunere particulele de praf ionizate negativ se deplasează în direcția electrodului de polaritate opusă, adică spre electrodul de depunere.

Fig. 2.1.2 Prezentarea simplificată a procesului de separare electrostatică

Particulele sunt accelerate spre electrodul de depunere de către forțele electrice de tip Coulomb, dar forțele de inerție și cele datorate vâscozității se opun deplasării.

În consecință, particulele din câmpul de depunere ating viteze ce depind de echilibrul mecanic dintre forțele electrice de tip Coulomb și forțele de natură vâscoasă date de legea lui Stokes.

Această viteză se numește convențional viteza de migrare sau viteza de depunere a particulei notată cu w și depinde de foarte mulți factori printre care: mărimea particulei, sarcina particulei, intensitatea câmpului de depunere, viteza gazelor, etc.

Marea eficacitate și randamentul ridicat al electrofiltrelor se atribuie forțelor lui Coulomb de separație, ce acționează asupra fiecărei particule.

După atigerea suprafeței de depunere, particula de praf se neutralizează și cade teoretic sub influența gravitației în buncărul de praf de unde este evacuată în exteriorul electrofiltrului.

Pentru a menține curate ambele sisteme de electrozi ele sunt înzestrate cu câte o instalație de scuturare funcționând pe principiul șocurilor mecanice.

La colectarea uscată care reprezintă majoritatea aplicațiilor, particulele pot fi reantrenate cu ușurință în circuitul de gaze, aceasta constituind una din problemele tehnice majore ale filtrării electrice. Reantrenarea poate apare datorită erodării directe a suprafețelor de depunere de către curentul de gaze prin reîmprăștierea particulelor colectate în momentul scuturării electrozilor și prin antrenarea prafului depus în buncăre.

La electrofiltrele în două trepte faza de ionizare și faza de colectare sunt separate. Acestă structură a electrofiltrului este folosită pentru conținut redus de particule în gaze și cu producere minimă de ozon.

Principiul de funcționare expus în acest subcapitol, în realitate, este mult mai complicat. Fenomenele secundare ce intervin în proces pot influența în mod hotărâtor eficiența de funcționare a electrofiltrului.

Pentru simplificare, separarea particulelor într-un electrofiltru poate fi împărțită în 5 etape individuale care se desfășoară simultan:

– generarea descărcării corona și formarea ionilor de gaz;

– încărcarea electrică a particulelor;

– deplasarea particulelor spre electrozi;

– depunerea particulelor;

– îndepărtarea stratului de particule colectate prin scuturarea mecanică a plăcilor.

O bună înțelegere a funcționării instalațiilor de desprăfuire electrică, în vederea îmbunătățirii performanțelor, necesită un studiu aprofundat al fiecărui fenomen ce se produce în interiorul camerei de separare. Un astfel de studiu întâmpină dificultăți majore deoarece între fenomenele ce se produc în timpul funcționării unui electrofiltru există interacțiuni importante.

2.2 Eficiența de separare. Viteza de migrație

Colectarea particulelor de praf prin separare electrică se produce atunci când particulele în suspensie și încărcate electric se deplasează suficient de aproape de suprafața electrodului de depunere pentru a fi reținute sub acțiunea câmpului electric. Traiectoriile particulelor sunt determinate de efectele combinate ale curgerii gazelor și câmpului electric.

În principiu, curgerea gazelor poate fi laminară sau turbulentă, dar curgerea laminară nu apare în condițiile reale ale electrofiltrelor industriale.

Efectul vântului electric produs de descărcarea Corona și mișcarea masei de particule încărcate, accentuează și mai mult turbulența inițială dar nu modifică tipul de curgere al gazelor. Prin urmare, curgerea turbulentă poate fi luată drept normală pentru electrofiltrele industriale cu o singură treaptă, iar curgerea laminară ca o condiție limită realizabilă în experiențele de laborator.

2.2.1 Randamentul de desprăfuire

Pentru determinarea calității unui proces de desprăfuire se folosește în tehnică noțiunea de randament de desprăfuire sau, cu toate că nu este absolut corect, grad de desprăfuire.

Prin randament de desprăfuire al unui electrofiltru se înțelege raportul gravimetric dintre greutatea prafului colectat și greutatea prafului introdus împreună cu gazul în instalația de desprăfuire[1].

(2.1)

Unde: N0 – concentrația de praf la intrarea în electrofiltru

Qi – debitul de gaze la intrarea în electrofiltru

N – concentrația de praf la ieșirea din electrofiltru

Qf – debitul de gaze la ieșirea din electrofiltru

Dacă debitul de gaz înainte și după desprăfuire este același , formula randamentului va fi:

(2.2)

2.2.2 Viteza de migrație

Întrucât gazul încărcat cu particule trece prin câmpul electric al electrofiltrului, fiecare particulă încărcată are o componentă a vitezei îndreptată către electrodul de depunere. Această componentă a vitezei se numește viteză de deviere electrică sau viteză de migrație w și rezultă din echilibrul dintre forțele de natură electrică și forțele de natură vâscoasă dată de legea lui Stokes[87].

Sarcina limită dobândită de o particulă sferică de rază a aflată într-un câmp electric , este dată de următoarea relație:

(2.3)

Unde:

– permitivitatea electrică a vidului

– permitivitatea electrică relativă a particulei

Dacă se presupune că, câmpul electric de ionizare servește la separarea prafului (cazul electrofiltrelor cu o treaptă) atunci forța electrică aplicată unei particule de sarcină q se scrie:

(2.4) (2.5)

După legea lui Stokes, pentru o particulă sferică de rază a, forța de frecare vâscoasă este dată de relația:

(2.6) Unde: – vâscozitatea dinamică a gazului

Pentru particulele cu dimensiuni ce prezintă interes practic, timpul necesar unei particule pentru a ajunge la o viteză de migrație constantă este neglijabil.

Din egalitatea celor două forțe rezultă expresia vitezei de migrație a particulei:

(2.7)

Atunci când câmpul electric de ionizare este diferit de câmpul eletric de separare (de precipitare) , cum este cazul electrofiltrelor cu două trepte, viteza de migrație w este dată de:

(2.8)

Această relație este aplicabilă particulelor pentru care este valabilă legea lui Stokes.

Se observă că viteza de migrație w este proporțională cu pătratul intensității câmpului electric aplicat, cu raza particulei a și invers proporțională cu vâscozitatea gazului, implicit și cu temperatura.

Pentru particule de alte forme decât sfere și cu constanta dielectrică diferită de 1, ecuația trebuie multiplicată cu coeficienți corespunzători, care însă nu modifică forma expresiei vitezei de migrație.

Dacă mărimea particulei atinge valoarea pentru care fluidul își pierde caracterul de mediu continuu (distanța medie între molecule ), legea de mișcare a lui Stokes trebuie corectată cu factorul de corecție Cuningham () dat de relația:

(2.9)

În aceste condiții relația vitezei de migrație capătă următoarea formă:

sau (2.10)

Din literatura de specialitate se știe că vâscozitatea gazului este dependentă de presiunea gazului, într-un domeniu larg, care include toate presiunile întâlnite în electrofiltre.

Pe de altă parte, crește cu temperatura gazului. La temperaturi foarte mari, vâscozitatea are valori duble față de cele în condiții atmosferice normale, factor care va reduce proporțional viteza de migrație a particulelor și gradul de depunere la temperaturi ridicate ale gazului.

Valorile reprezentative ale lui w calculate din ecuația (2.8) în condiții tipice electrofiltrelor, pentru Ei =5 kV/cm și Ep=4 kV/cm, sunt prezentate orientativ în tabelul 2.1.

Viteza de migrație este 0,04 m/s pentru o particulă de 0,5 µm în gaze fierbinți și 4,88 m/s pentru o particulă de 50 µm în aer atmosferic.

Particulele de mărime mijlocie de 10 µm au valori pentru w de ordinul (0,6÷0,9) m/s, iar pentru particule mari de 50µm w este de ordinul (3÷6 ) m/s.

Valorile lui utilizate la determinarea vitezei de migrație sunt preluate din literatura de specialitate [7].

Tabel 2.1

În fig 2.2.1 este reprezentată variația vitezei de migrație teoretică în funcție de mărimea particulelor, pentru diverse valori ale câmpului electric. Se observă că, creșterea intensității câmpului electric are ca efect creșterea vitezei de migrație.

Fig 2.2.1 Variația vitezei de migrare teoretică w, în funcție de

mărimea particulelor

Pentru electrofiltre reale situația este, bineînțeles, mult mai complicată. Gazul însuși se deplasează cu o mișcare turbulentă, peste care se suprapune efectul vântului electric al descărcării corona. Problema este de domeniul fenomenelor bazate pe probabilitate și trebuie tratată prin metode statistice[1].

2.2.3 Modelul eficienței de desprăfuire Deutch pentru o curgere turbulentă

Pentru deducerea ecuației randamentului de desprăfuire al unui electrofiltru se presupun câteva ipoteze simplificatoare[7] [13] [20] :

– Secțiunea electrofiltrului este compusă din două zone: o zonă care limitează grosimea stratului depus pe electrozii colectori și o zonă care reprezintă zona activă a electrofiltrului în care are loc o curgere turbulentă a gazului cu o viteză medie uniformă Vg.

– Electrofiltru are lungimea câmpului electric L, înălțimea H și secțiunea transversală A, așa cum este reprezentat schematic în figura 2.2.2.

– Concentrația de particule este uniformă în fiecare secțiune transversală a electrofiltrului.

– Se presupune că viteza de migrație w și câmpul de depunere sunt constante în zona plăcii colectoare.

– Se neglijează efectele perturbatoare, a coronei inversă, a aglomerării de particule sau a descărcării corona instabile.

– Se presupune că vor fi captate toate particulele care intră în zona limită.

Dacă se face un bilanț de masă (fig.2.2.4) rezultă următoarea expresie:

(2.11)

În volumul se disting:

– fluxul de particule care intră prin secțiunea situată pe abscisa x

– fluxul de particule necolectate ieșite prin secțiunea situată

pe abscisa x +dx

– fluxul de particule captate pe distanța dx

H – înălțimea electrozilor de depunere

Prin integrare pe toată lungimea L a electrofiltrului se obține dependența dintre concentrația de praf la intrare și concentrația de praf la ieșire:

(2.12)

Unde: N reprezintă concentrația de particule la ieșirea din electrofiltru.

Dacă se presupune că reprezintă timpul de parcurs mediu al gazului pe lungimea L și înlocuind relația (2.12) în ecuația (2.2) se obține formula randamentului de desprăfuire a lui Deutsch:

(2.13)

Fig.2.2.2. Reprezentarea schematică a modelului lui Deutsch

Dacă se notează cu Qv debitul de gaz, suprafața de colectare (pe cele două fețe în cazul plăcilor) și S/2 suprafața de depunere pentru o față, se obține o a doua expresie a ecuației randamentului lui Deutsch:

(2.14)

Ținând cont de caracteristicile geometrice ale electrofiltrelor, relația (2.14) poate fi scrisă [30]:

– pentru un electrofiltru tubular având raza cilindrului Rc :

(2.15)

– pentru un electrofiltru cu plăci

(2.16)

Comparând relațiile (2.15) și (2.16) se poate trage concluzia că electrofiltrele tubulare lucrează la viteze ale gazelor de două ori mai mari decât electrofiltrele cu plăci de lungime egală și cu aceeași distanță între electrozi. Mai mult decât atât, ecuațiile arată că pentru un debit de gaze dat, randamentul electrofiltrului cu plăci este dependent de lățimea canalelor, iar la electrofiltru tubular randamentul crește cu diametrul tubului. Invers, pentru un randament dat, debitul de gaze ce poate fi desprăfuit într-un canal este dependent de lățimea acestuia, dar pentru un tub el crește cu diametrul tubului.

Datele experimentale obținute în concordanță cu ipotezele simplificatoare de mai sus și criteriile de execuție ale echipamentelor, au demonstrat că ecuația (2.14) descrie în mod adecvat colectarea particulelor fine într-un electrofiltru în anumite condiții idealizate.

Deși ignoră toate fenomenele ce pot contribui la scăderea randamentului de desprăfuire, acest model destul de vechi, este folosit și în zilele noastre ca primă etapă în proiectarea electrofiltrelor noi cu o treaptă în care faza de ionizare și faza de colectare se desfășoară într-un câmp electric comun.

În decursul anilor, unii specialiști au încercat să facă mai precisă relația lui Deutsch prin introducerea unor coeficienți de corecție.

În acest sens se poate aminti că Dicev propune în cazul unui praf cu o rezistivitate de peste , folosirea relației: 

(2.17)

Unde: în care: este intensitatea câmpului în cazul electrozilor de depunere fără praf și este intensitatea câmpului electric în cazul când pe electrodul de depunere este așezat un strat de grosime .

Pe baza unor experiențe de laborator firma suedeză Flakt a arătat că viteza de migrație din relația lui Deutsch scade cu creșterea suprafeței specifice de depunere și, ca urmare a propus o relație similară cu cea a lui Deutsch[99]:

(2.18)

Unde: k=0,4 ÷0,6 cu luarea în considerație pentru calcul a valorii k=0,5.

2.2.4 Influența curgerii gazelor asupra funcționării electrofiltrelor

Eficiența de funcționare a unui electrofiltru este influențată nemijlocit și sensibil de gradul de neuniformitate a repartiției atât al vitezelor cât și a concentrației de praf. Indiferent de calitățile de concepție și de execuție a părții electrice care, de regulă condiționează realizarea gradului de separare impus, acesta nu se va putea încadra în limitele cerute dacă circulația gazelor ce trebuie desprăfuite și implicit concentrația de praf sunt neuniforme[81].

Distribuția neuniformă a vitezelor în electrofiltru reduce performanța pe două căi.

– În primul rând, tratarea neuniformă a gazului reduce randamentul în zonele cu viteză mare mai mult decât se compensează în zonele cu viteză redusă.

– În al doilea rând, apare reantrenarea sau chiar îndepărtarea particulelor depuse pe electrozii de depunere în zonele cu viteză mare a gazelor.

Ambele efecte sunt importante dar de obicei al doilea predomină acolo unde distribuția este neuniformă și poate produce scăderea randamentului cu până la 60 %.

La creșterea vitezei, randamentul scade mai întâi în mod neînsemnat, iar pe urmă, după depășirea vitezei de reantrenare apare o înrăutățire subită a funcționării electrofiltrelor.

Ecuația lui Deutsch (2.19) este valabilă numai în cazul când electrofiltru lucrează cu un debit de gaze uniform repartizat în zona activă a electrofiltrului, adică atunci când viteza gazelor este constantă în fiecare punct „i” al câmpului electrofiltrului:

(2.19)

Unde: CE este constanta electrofiltrului (CE = L/h), L este lungimea câmpului, h este distanța dintre electrozi de emisie și depunere ,V este viteza gazului în electrofiltru și W este viteza de depunere a particulei.

În realitate repartiția gazelor ce trec prin electrofiltru este caracterizată printr-un anumit grad de neuniformitate, iar aplicarea ecuației nu dă rezultate corecte.

Formula de mai jos permite aprecierea influenței neuniformității câmpului de viteze asupra valorilor calculate cu relația lui Deutsch[82].

În acest scop se împarte secțiunea electrofiltrului A într-o serie de suprafețe elementare dA în care gazele curg cu viteza constantă (fig.2.2.2).

În acest caz ecuația (2.19.) se poate scrie:

(2.20)

Această relație se poate utiliza dacă este cunoscută repartiția vitezelor gazelor în electrofiltru și dacă viteza de migrație ar avea o valoare constantă, indiferent de viteza gazelor.

Deoarece W CE are valori diferite pentru fiecare electrofiltru, pentru fiecare sarcină și fiecare repartiție a vitezei, relația nu permite stabilirea randamentului electrofiltrului considerat. În consecință trebuie găsită o caracteristică a repartiției de viteze care să nu conțină produsul W CE[3].

Pornind de la aproximarea arcului de cerc cu segmentul tangent la curbă, când se împarte în unități foarte mici și analizând astfel curba randamentului de desprăfuire în funcție de viteza prezentată în fig. 2.2.3, se observă că în punctul de contact, este valabilă relația:

(2.21)

În acest caz se obține o relație pentru randament de forma:

(2.22)

Unde: Vy = este viteza echivalentă care ține seama de neuniformitatea repartiției vitezelor și care se introduce în formula lui Deutsch.

În acest caz, formula randamentului are următoarea formă:

(2.23)

Deoarece neuniformitatea repartiției vitezei produce o scădere a randamentului, rezultă că , raportul acestor mărimi fiind m și este denumit gradul de utilizare al secțiunii din punct de vedere al uniformității vitezei.

(2.24)

Se poate determina secțiunea necesară a electrofiltrului AN, în cazul unui câmp neuniform de viteze:

AN = Ateor. / m (2.25)

Se face următorul raționament:

Dacă prin electrofiltru trece un debit de gaze uniform repartizat, pentru care W/V = 0,3, randamentul de desprăfuire η = f(k.V), conform fig. 2.2.1 va fi 96,5 %.

Dacă același debit este repartizat neuniform, așa încât într-o anumită zonă viteza să crească cu V1, iar în altă zonă să scadă cu V2, randamentul de desprăfuire în aceste zone se va schimba. În prima porțiune randamentul va scădea cu 1, iar în cea de a doua va crește cu 2. În acest caz aplicarea relației (2.19) înlocuind „V” cu viteza medie, dă valori prea mari pentru randamentul de desprăfuire. Substituind pe „V” cu „Vy” eroarea poate fi redusă în mare măsură.

Pentru a ține seama de neuniformitatea vitezelor la calculul de desprăfuire, K. Remmers propune un procedeu puțin schimbat.

Pe baza valorilor măsurate ale vitezei gazelor Vi, se determină eroarea medie raportată la valoarea medie a vitezei gazelor:

V'med = pentru n 1 (2.25) unde: n – număr de puncte de măsurare a vitezei

Vi – viteza măsurată a gazelor în pct. "i" m/s

Vmed – viteza medie aritmetică măsurată a gazelor m/s

Fig. 2.2.3 Randamentul de desprăfuire al electrofiltrului în funcție de viteza gazelor[3].

Reducerea , datorită neuniformității vitezelor se poate determina în acest caz prin relația:

= (2.26) Unde: F este suprafața de depunere în [m2]

Randamentul realizat în electrofiltru în acest caz va fi:

(2.27) Experimental s-a aratăt că la o creștere mai mare a neuniformității câmpului de viteze, randamentul scade în mod corespunzător.

Aprecierea influenței repartiției vitezei gazelor asupra randamentului de desprăfuire a unui electrofiltru a fost efectuată de I.E. Idelcik pe baza unui coeficient MK, definit ca raportul dintre energia de impuls a debitului de gaze calculată din vitezele reale ale gazelor în punctele cercetate ale secțiunii „Vi” și energia de impuls calculată din viteza medie a gazelor[3].

MK = (2.28)

Repartiția vitezelor poate fi determinată în mod similar și prin coeficientul ce caracterizează energia cinetică a curentului de gaze;

NK = (2.29)

Coeficienții MK și NK pot fi egali sau mai mari ca unitatea. Cu cât valoarea acestor coeficienți este mai mare ca unitatea cu atât gradul de neuniformitate al vitezelor crește și randamentul de desprăfuire scade.

Pentru a ține cont de neuniformitatea câmpului de viteze se introduce în formula lui Deutsch, V'med.

(2.30)

Fig.2.2.4 Randamentul de desprăfuire în funcție de coeficientul de neuniformitate

a câmpului de viteze, MK ,determinat experimental de Indelcik

Majoritatea cercetătorilor din domeniu acceptă o curgere uniformă în secțiunea transversală a electrofiltrului în zonele de intrare și ieșire din electrofiltre dacă se respectă:

încadrarea a 85% din valorile vitezei locale măsurate în limita de 20% față de valoarea vitezei medii;

99% din valorile vitezelor locale să se încadreze în limita de 40% față de valoarea vitezei medii.

În fig.2.2.4 se prezintă variația randamentului de desprăfuire în funcție de coeficientul de neuniformitate a câmpului de viteze, MK conform relației (2.28).

Randamentul de desprăfuire s-a calculat cu relația:

(2.31)

Formula arată că, cu cât este mai mare MK, adică cu cât este mai mare neuniformitatea vitezei gazelor, cu atât este mai mic, în aceleași condiții, randamentul de desprăfuire.

În fig.2.2.5 este reprezentată influența randamentului de desprăfuire al unui electrofiltru ce desprăfuiește gazele în urma arderii lignitului în cazanele de 1035t/h, pentru echipament interior dispus la pas de 400 mm , în două variante:

– când electrofiltru este echipat cu sistem de uniformizare a curgerii gazelor (curba 1)

– când electrofiltru nu este echipat cu sistem de uniformizare a curgerii gazelor (curba 2)

Se poate observa că rezultatele obținute concordă cu concluziile teoretice privind influența neuniformității câmpului de viteze asupra randamentului de desprăfuire.

Fig. 2.2.5 Randamentul de desprăfuire funcție de viteza gazelor pentru electrofiltre

orizontale având pas 2h=400mm

O importanță deosebită în scăderea randamentului de desprăfuire o reprezintă reantreanarea în zonele cu viteză mare a gazelor. Pierderile prin reantrenare devin importante acolo unde viteza maximă a gazelor depășește viteza critică de îndepărtare a particulelor de pe electrozi.

Pe lângă curgerea neuniformă și reantrenarea particulelor de praf, datorită repartiție neuniforme a vitezelor în secțiunea activă a electrofiltrului, pot apare și alte efecte dezavantajoase. Cele mai importante dintre acestea sunt pierderile de particule din buncăre datorită reantrenării din cauza baleierii buncărelor și turbulenței din ele. De asemenea, căderea mare de presiune formată în lungul electrofiltrului tinde să împingă o parte din gaze pe sub plăcile de depunere. De aceea este necesar ca buncărele să fie echipate cu un sistem pentru evitarea reantrenărilor de praf.

Scăpările de gaze pe la partea superioară a electrozilor de depunere, pe marginile electrozilor de depunere de lângă pereți și carcasă și aspirațiile false determină scăderi ale randamentului de desprăfuire prin circulația necorespunzătoare a gazelor în zona activă. De exemplu, dacă 5% din debitul de gaze trece pe lângă zonele active (zonele de descărcare corona), randamentul de desprăfuire nu poate fi mai mare de 95%.

Pe lângă efectul direct asupra randamentului de desprăfuire al electrofiltrului, repartiția neuniformă a vitezelor produce și un efect negativ indirect asupra eficienței procesului electrostatic de desprăfuire. În spațiile active în care gazul are viteza mică, se menține permanent un conținut de praf redus și un grad ridicat de ionizare a gazului. Aceasta duce la un curent mai intens, care reduce și rigiditatea dielectrică a întregii zone, legate la un agregat de înaltă tensiune.

Electrofiltrul lucrează neliniștit, cu descărcări, ceea ce impune reducerea tensiunii de alimentare și, în consecință scăderea randamentului de desprăfuire. Fenomene similare apar și în curentul de gaze ceea ce este legat în mare măsură de repartiția de viteze la admisie. Aceste fenomene nedorite se întâlnesc frecvent în tehnica desprăfuirii electrostatice și au ca efect reducerea randamentului de desprăfuire cu implicații majore asupra poluării mediului înconjurător.

2.2.5 Efectul prezenței particulelor asupra funcționării electrofiltrului

În acest paragraf se examinează efectele deosebit de importante produse de particulele în suspensie și depunerile de particule pe electrozii colectori asupra funcționării electrofiltrelor. Aceste efecte apar, într-o anumită măsură, în orice electrofiltru și în unele cazuri predomină față de toți ceilalți factori, făcând uneori ca electrofiltru să devină ineficace datorită perturbării descărcării corona.

Conductivitatea electrică a cenușii zburătoare și rigiditatea dielectrică a cenușii colectate sunt două proprietăți importante pentru procesul de colectare electrostatică[31]. Pentru o funcționare eficientă, este necesar un curent electric mic, sub formă de sarcini purtate de ioni de gaz și de particule, care curg între electrozii de emisie și cei de depunere. Acest curent trebuie să treacă prin straturile de cenușă colectată (depusă), care în mod normal acoperă plăcile. Iată de ce cenușa trebuie să conducă curentul ionic către suprafața plăcii legată la pământ. Conductivitatea electrică necesară este foarte mică: aproximativ 10-10 [1/Ω.cm]. În practică este mai comod să se utilizeze termenul de rezistivitate care este inversul conductivității.

Rigiditatea dielectrică a cenușii colectate pe electrozii de depunere este și ea o proprietate electrică importantă a cenușii. Creșterea sarcinii electrice prin acumularea de sarcini în stratul de cenușă produce o cădere de tensiune sau de potențial pe grosimea stratului, dată de legea lui Ohm și scrisă de Cross sub următoarea formă[11]:

(2.32)

Unde: ρl – rezistivitatea stratului depus pe electrod (Ω.cm)

ld – grosimea stratului (cm)

Js – densitatea curentului ionic (A/cm2)

Când rezistivitatea cenușii este în zona critică (aproape de 1010 Ω.cm) căderea de tensiune de-a lungul stratului de cenușă poate ajunge până la câțiva kV.

Existența acestei căderi de tensiune pe grosimea stratului poate fi suficientă pentru a cauza aici o descărcare electrică. Dacă se întâmplă acest lucru, o scânteie străbate stratul de praf și se propagă până la electrodul de emisie. Aceasta este sursa creșterii numărului de scântei, care apar la funcționarea cu praf de rezistivitate ridicată.

În acest caz, descărcarea corona poate să înceteze datorită faptului că intensitatea câmpului electric nu este suficient de mare pentru a întreține multiplicarea electronică. Când grosimea stratului de particule crește, căderea de tensiune pe strat devine superioară tensiunii disruptive a gazului din pătură, ceea ce duce la străpungerea acestuia și la creearea unor mici cratere. Acest fenomen poartă numele de “emisie inversă” sau “corona inversă” și se manifestă conform figurii 2.2.6.

Fig.2.2.6. Efectul descărcării corona inversă asupra stratului de praf

Fenomenul corona invers este extrem de nociv pentru performanțele electrofiltrului. Apare atunci când o particulă migrează către suprafața de colectare dar nu reușește să-și descarce sarcina electrică, provocând astfel un gradient de potențial mare în stratul de praf de pe suprafața plăcii. Acest strat puternic încărcat negativ, întrerupe câmpul electric care provoacă migrarea particulelor de cenușă încărcate negativ spre electrodul de depunere și respinge particulele cu o asemenea sarcină care încearcă să migreze către suprafața de colectare[7].

Corona inversă în faza incipientă reduce tensiunea de apariție a arcului, în vreme ce corona inversă intensă reprezintă o descărcare cu ioni pozitivi la electrodul colector, care tinde să neutralizeze ionii negativi ai electrodului corona. În această ultimă situație încărcarea electrică a particulelor este redusă în mare măsură, particulele pozitive sau neutre putând să se afle în număr mare depășind chiar pe cele negative.

În mod cert, cu cât este mai mare rigiditatea dielectrică sau tensiunea de străpungere a stratului de praf cu atât mai mare este rezistivitatea care poate fi acceptată pentru o valoare dată a curentului corona. De aceea, praful cu o valoare relativ mare pentru tensiunea de străpungere este mai puțin sensibil la efectele rezistivității decât praful cu rigiditatea dielectrică mică.

Rigiditatea dielectrică a cenușii colectate din termocentrale variază, pentru straturi subțiri cu grosimea între 0,6 cm și 1,3 cm, de la câteva sute de V/cm până la 20 kV/cm. Valoarea medie a rigidității dielectrice este cuprinsă între 5 și 10 kV/cm.

În legătură cu emisia inversă, câmpul maxim înainte de străpungere pentru cenușa din termocentrală poate fi de 10 kV/cm, ceea ce la o grosime medie a prafului de cca 0,5 cm duce la o tensiune maximă în strat de 5 kV. Tensiuni mai mari decât acestea pot apare numai la depuneri de praf deosebit de poroase sau cu rigiditate dielectrică mai mare decât media pentru straturi de praf. Căderea de tensiune din stratul de particule depuse se scade efectiv din tensiunea de alimentare a electrozilor corona, cu toate că această reducere este compensată parțial de reducerea distanței datorită prezenței prafului.

Rezultatul net la particulele înalt rezistive, este reducerea cu câțiva kV a tensiunii eficace aplicată, care la rândul ei poate avea ca urmare reducerea curentului corona cu până la 20 % sau mai mult și implicit scăderea eficienței de colectare.

Pentru diminuarea efectului mai sus menționat trebuie utilizate tipuri speciale de electrozi, sau mai uzual trebuie luate măsuri pentru a reduce rezistivitatea. Este de remarcat faptul că rezistivitatea electrică a stratului de particule variază considerabil cu temperatura și umiditatea gazului.

2.2.6 Efectul rezistivității cenușii aflată în suspensie în gaze

În cazul arderii combustibililor în focarele cazanelor din centralele termoelectrice, gazele rezultate conțin importante cantități de cenușă. Caracteristicile și proprietățile cenușii, inclusiv rezistivitatea, variază mult în funcție de tipul de cărbune, construcția și funcționarea focarului și debitul de abur al cazanului. Asfel rezistivitatea cenușilor diferă de la centrală la centrală sau uneori chiar în aceiași centrală. Trebuie făcută o diferență între rezistivitatea materialului din care este constituită particula de praf și rezistivitatea stratului de praf depus pe electrozi, care este influențată și de alți factori. În practică, se pot deosebi trei domenii de rezistivitate[79]:

Domeniul favorabil desprăfuirii electrostatice din punct de vedere a rezistivității electrice este cuprins între 104 cm și 1011cm.

În cazul particulelor cu rezistivitate , acestea cedează ușor sarcina lor electrică captată în spațiu dintre electrozii de polaritate diferită și nu ajung să se depună pe electrodul de depunere.

La funcționarea electrofiltrelor, rezistivitatea ridicată () a particulelor se manifestă de obicei prin condiții electrice perturbatoare sub forma apariției de descărcări electrice excesive la tensiuni puțin coborâte, sau curent excesiv de mare la tensiuni mult mai coborâte.

Factorii care afectează rezistivitatea sunt: conținutul de sulf din cărbune, temperatura, umiditatea din gazele de ardere și unii constituenți ai cenușii ca: sodiul, potasiul, calciul, carbonul, alumină, silice, oxidul de fier, etc.

În figura 2.2.7 este reprezentată curba tipică a influenței conținutului de sulf asupra rezistivității prafului[1].

Fig. 2.2.7 Influența conținutului de sulf asupra rezistivității prafului

Rezistivitatea cenușii este invers proporțională cu concentrația de SO3 și de apă în gazele de ardere precum și de sodiu, potasiu și carbon în cenușă și direct proporțională cu conținutul de magneziu, calciu, alumină și silice din cenușă.

Fig. 2.2.8 Influența temperaturii asupra rezistivității prafului

În fig.2.2.8 este reprezentată curba tipică a influenței temperaturii asupra rezistivității prafului.

Vârful de rezistivitate al cenușii apare între 126°C și 210°C, în funcție de caracteristicile cenușii de cărbune și ale gazelor de ardere. Peste 232°C–288°C, rezistivitatea cenușii este invers proporțională cu temperatura absolută, în timp ce sub 126°C – 149°C, rezistivitatea este direct proporțională cu temperatura absolută.

2.3 Particularități constructive ale camerei electrice de separare

2.3.1 Schema bloc de energizare a camerei de separare electrică

În tehnica separării electrostatice există o multitudine de soluții constructive care sunt adoptate în funcție de natura particulelor ce trebuie separate, caracteristicile gazelor, tipul de praf ce urmează a fi epurat, parametrii electrofiltrului (gradul de separare sau eficiența), fiabilitatea cerută precum și de experiența acumulată de constructori în rezolvarea fiecărei probleme[3], [4].

După cum se știe, electrofiltrul orizontal uscat reprezintă tipul de electrofiltru cel mai răspândit, având utilizare în domenii foarte variate ale industriei.

Fig. 2.3.1 – Schema electrică bloc de energizare modernizată a unui electrofiltru cu plăci

Deși între diversele electrofiltre ce intră în această categorie există deosebiri constructive provenind din soluțiile adoptate, există elemente constructive și funcționale care se regăsesc la majoritatea construcțiilor și anume: carcasa, sistemul cu electrozi de emisie și depunere, dispozitivele de scuturare a prafului, instalația electrică, ilustrate în figurile din capitolele următoare. În figura 2.3.1 este prezentată schema electrică de comandă și alimentare cu energie electrică a unui electrofiltru cu plăci destinat desprăfuirii gazelor de la un grup energetic de 330 Mw.

Camera de separare este partea instalației în care se desfășoară procesul de separare a particulelor de praf, delimitează mediul bifazic și cuprinde toate elementele importante ale instalației și anume: carcasa (camera), echipamentul interior, susținerea și izolarea electrică a electrozilor corona, sistemele de scuturare a electrozilor.

Sistemul de emisie și depunere reprezintă partea activă a electrofiltrului, aflată sub înaltă tensiune, în care praful din fluxul de gaze este separat electrostatic, reținut și evacuat în exterior.

Echipamentul interior este structurat în unul sau mai multe zone dispuse în lungul electrofiltrului. Fiecare zonă constituie o grupare de electrozi de emisie și depunere cu susținerile proprii ale acestora, cu alimentare proprie de înaltă tensiune și cu sistem propriu de îndepărtare a particulelor (fig. 2.3.2).

Pentru a asigura funcționarea electrofiltrelor, sistemul de emisie este cuplat la sursa de alimentare cu curent continuu de înaltă tensiune redresat și reglat de către instalația de comandă și automatizare cu care este echipat electrofiltru, în timp ce sistemul de depunere este legat la pământ prin intermediul carcasei. Alimentarea sistemului de emisie se face individual pentru fiecare zonă electrică în parte sau, în cazul în care câmpurile cu electrozi sunt secționate în două semizone, este necesară alimentarea individuală a fiecărei semizone.

Fig. 2.3.2 Prezentarea simplificată a modului de alimentare cu energie

electrică a unei grupe de electrozi

Echipamentul de producere al înaltei tensiuni poate fi amplasat într-o încăpere special amenajată, așa cum s-a practicat la toate instalațiile de desprăfuire electrică din România sau poate fi amplasat direct pe acoperișul electrofiltrului (soluție propusă de autor).

În primul caz, curentul de înaltă tensiune este adus pentru fiecare semizonă în parte, pe electrofiltru prin intermediul cablului de înaltă tensiune până la capătul terminal. De aici este preluat și condus la punctul de alimentare al zonei electrice prin intermediul unei bare sau țeavă din cupru sau alamă. Acestea sunt neizolate și plasate în grinzile de acoperiș de tip cheson. În scopul de a proteja echipamentul de înaltă tensiune față de descărcările ce au loc în camera de separare se intercalează pe circuitul de alimentare, între agregatul de înaltă tensiune și camera de separare o rezistență specială de amortizare. În situația în care sursa de alimentare este amplasată pe acoperiș, traseul de alimentare este mult mai simplu, incluzând porțiuni scurte de cablu și un izolator.

Fig.2.3.3 – Schema de principiu a camerei de separare a unui electrofiltru orizontal cu trei câmpuri: 1- distanțier ramă emisie, 2- rama cu electrozi, 3- panouri depunere, 4- sistem scuturare depunere, 5- izolator susținere, 6- consolă rama emisie, 7- sistem scuturare emisie, 8- sistem susținere emisie

Elementele carcasei camerei electrice de separare

Carcasa camerei electrice de separare este acel element constructiv al electrofiltrului care conduce mediul bifazic, susține echipamentul interior și colectează particulele separate [79].

După materialul din care sunt construite carcasele pot fi: carcase din table și profile din oțel și carcase din beton. Pentru desprăfuirea debitelor mari de gaze se utilizează carcasele din table și profile de oțel.

Carcasa electrofiltrului (fig.2.3.4) este compusă din următoarele subansamble: racordul de intrare, racordul de ieșire, pereții laterali, buncărele de cenușă, grinzile de acoperiș.

Conducerea mediului bifazic de la canalul de aducțiune către spațiul unde are loc separarea prafului, se realizează printr-un racord de intrare în formă de difuzor. Rolul racordului este acela de a diminua viteza de curgere a gazelor de la o viteză de turbulență până la o valoare a vitezei admisă în electrofiltru. În racord se poate obține și o eventuală schimbare de direcție dacă este cazul (atunci când gazele nu ajung în zona activă a electrofiltrului). În practică există mai multe variante constructive de racorduri de intrare și anume: racord de intrare axial, racord de intrare vertical și racord de intrare oblic. Construcția racordului de intrare se realizează din tablă și profile sudate ca și celelalte elemente ale carcasei.

La începutul și sfârșitul fiecărui câmp respectiv între câmpuri, stâlpii sunt uniți la partea superioară prin grinzile de acoperiș de formă chesonată, situate perpendicular pe direcția fluxului de gaze. Aceste grinzi sunt încărcate pe lângă greutatea lor proprie cu greutatea echipamentului interior, inclusiv praful depus pe electrozi și cu greutatea acoperișului de etanșare.

Buncărele pentru colectarea prafului sunt amplasate de obicei la partea inferioară a electrofiltrului sub echipamentul interior, pentru a permite evacuarea materialului colectat. La construcția buncărului trebuie avute în vedere: capacitatea de înmagazinare, unghiul de curgere, împiedicarea condensării umidității pe mijloacele corespunzătoare de evacuare a prafului.

Fig.2.3.4 Electrofiltru cu două câmpuri- vedere axonometrică[:

1- sistem uniformizare, 2- racord intrare, 3- buncăr, 4- perete despărțitor, 5-ax cu ciocane scuturare depunere, 6- panou depunere, 7- racord ieșire, 8- acoperiș etanșare, 9- sistem scuturare emisie,

10-agregat I.T, 11- acoperiș ploaie, 12- izolator susținere

.

Pentru evitarea reantrenărilor de praf acestia sunt prevăzute cu pereți despărțitori perpendiculari pe direcția de curgere a gazului. La partea inferioară sunt montate dispozitivele de evacuare a prafului din buncăre.

Pereții laterali trebuie să reziste sarcinilor la care sunt supuși: efortul vertical provenit din susținerea acoperișului care transmite greutatea echipamentului interior al electrofiltrului, inclusiv a cenușii depuse pe acesta, ca și forța provenită din depresiune, eforturi transmise de racorduri și buncăre prin dilatare. La partea inferioară aceste eforturi sunt transmise construcției de susținere. Ca urmare pereții laterali se construiesc de regulă, din stâlpi de oțel pe care se sudează panouri din tablă.

La partea superioară electrofiltrul este prevăzut cu un acoperiș de etanșare care închide camera carcasei.

Racordul de ieșire conduce gazele epurate de la camera electrofiltrului la tubulatura de evacuare. Prin forma de confuzor provoacă creșterea vitezei de la valoarea existentă la electrofiltru la valoarea necesară transportului prin conducte. Construcția curentă este de formă piramidală, asemănătoare cu cea a racordului de intrare.

Sistemul cu electrozi de depunere

În construcția de electrofiltre, separarea prafului ca urmare a fenomenului Corona se face pe electrozi de depunere, care împreună cu grinzile de susținere și organele de asamblare formează panoul cu electrozi de depunere.

Panourile de depunere sunt, în principiu, niște pereți verticali, montați paralel și echidistant în direcția de curgere a gazelor așa cum sunt prezentați în fig.2.3.5.

Fig. 2.3.5 Dispunerea sugestivă a echipamentului interior: 1- panou cu electrozi

depunere, 2- rama cu electrozi de emisie, 3- electrod emisie

Principalele cerințe fundamentale pentru asigurarea bunei funcționări sunt următoarele[4]:

caracteristici favorabile fenomenului corona și realizarea de tensiuni de străpungere mari

să creeze zone ecranate sau umbrite pentru depunerea particulelor, menținând la minim pirderile prin reantrenare

suprafață de depunere mare și caracteristici bune de scuturare

elasticitate și rigiditate mecanică bună.

Realizarea acestor condiții multiple și în unele situații chiar contradictorii au făcut ca în decursul dezvoltării construcției de electrofiltre să apară o multitudine de forme de electrozi de depunere. Factorii de bază care pot influența alegerea tipului de electrod de depunere pot fi: compoziția mediului bifazic, debitul și temperatura gazelor.

La electrofiltrele „uscate” care tratează debite mari de gaze se folosesc electrozi de tipul CSV,CSH2,V având lățimea de 510 mm și lungimea egală cu înălțimea câmpului electric (10,5 m÷15 m). Electrofiltrele din România sunt echipate cu electrozi de tip CSV (fig. 2.3.6)

Fiecare panou este format din 8÷15 electrozi de depunere având posibilitatea transmiterii vibrației de la unul la altul.

Fig. 2.3.6 Electrod depunere tip CSV

Susținerea electrozilor de depunere în electrofiltru se face în așa fel încât să se asigure în același timp păstrarea poziției corecte a electrozilor în timpul funcționării, precum și asigurarea unei eficiențe maxime a scuturării. În acest scop, majoritatea soluțiilor prevăd susținerea liberă a fiecărui electrod în două puncte cu ajutorul unor bolțuri care permit vibrarea electrodului. Pentru susținere sunt prevăzute grinzi speciale, fixate pe părțile laterale ale grinzilor de acoperiș ale electrofiltrului. Trebuie menționat faptul că aceste grinzi au posibilitatea de dilatare, astfel încât să nu apară deformarea panoului de electrozi din cauza temperaturii gazelor din electrofiltru.

Deoarece scuturarea electrozilor de depunere se face prin aplicarea unor lovituri la partea inferioară a fiecărui panou, toți electrozii ce constituie panoul sunt fixați la partea inferioară de o bară de solidarizare și ciocănire în capătul căreia se găsește montată nicovala utilizată pentru scuturare.

2.3.4 Scuturarea electrozilor de depunere

Pentru a obține un randament ridicat de epurare, praful trebuie evacuat cât mai îngrijit de pe suprafața electrozilor de depunere. În acest scop sunt prevăzute instalații speciale, care poartă denumirea de sisteme de scuturare a electrozilor de depunere. Acțiunea unei instalații de scuturare constă în aceea că electrodului i se imprimă o accelarație ce desprinde praful depus. Trebuie să se știe care sunt valorile accelarațiilor produse de scuturare, necesare pentru curățirea suprafeței electrozilor de depunere.

Scuturarea poate fi clasificată în general în două categorii: scuturarea prin șoc provocată de o lovitură de ciocan și scuturarea prin vibrație care produce o vibrație continuă a electrozilor de depunere.

Pentru scuturarea electrozilor de depunere este aproape general adoptat modelul de scuturare prin ciocănire, în timp ce pentru scuturarea electrozilor de emisie există constructori care utilizează dispozitive vibratoare.

Un tip de scuturare frecvent întâlnit în tehnica desprăfuirii electrostatice, utilizat și în țara noastră, este cel cu ciocane rotative articulate pe un arbore (fig. 2.3.7) cu viteza de rotație redusă și care în cădere lovesc nicovalele montate la capătul barelor de solidarizare ale fiecărui rând de electrozi.

Fig.2.3.7 Sistem de scuturare depunere cu ciocane

Acționarea se realizează cu ajutorul unui motoreductor cuplat cu arborele cu ciocane. Arborele este susținut în interiorul carcasei de lagăre de alunecare uscate, având în vedere condițiile din electrofiltru, dar care asigură o durată lungă de funcționare.

La electrozii de depunere trebuie să se utilizeze metoda scuturării programate, adică funcționarea scuturării într-un câmp sau într-o secțiune de câmp are loc o anumită perioadă de timp, după care urmează un interval de pauză și apoi reluarea ciclului. Procedeul are drept scop adaptarea timpilor de scuturare și a intervalelor optime la caracteristicile fiecărui praf ce trebuie separat precum și la poziția câmpului respectiv în interiorul electrofiltrului, ceea ce, după cum s-a demonstrat are o mare influență asupra gradului de separare al electrofiltrului.

Sistemul cu electrozi de emisie

În electrofiltre descărcarea Corona care stă la baza fenomenului de separare electrică se face prin intermediul elementelor constructive denumite electrozi de emisie care sunt legați la sursa de înaltă tensiune.

Construcția electrodului de emisie este determinată în special de condițiile întâlnite în funcționare precum: temperatura gazelor, felul și concentrația dispersoidului, prezența gazelor și particulelor corozive.

Majoritatea electrofiltrelor industriale utilizează electrozii corona din sârmă subțire, bare sau alte profile, prevăzute cu margini sau cu vârfuri ascuțite cu o rază mică de curbură.

În principiu, se deosebesc electrozi cu muchii sau suprafețe active continue, precum și electrozi cu vârfuri ascuțite, având puncte concentrate și localizate de emisie.

Electrozii de emisie trebuie să îndeplinească o serie de condiții, dintre care cele mai importante sunt: asigurarea curentului și tensiunii de descărcare corona optimă pentru soluția constructivă în care sunt utilizați determinată de natura particulelor și a gazelor, temperatura acestora, conținutul de praf din gaze, rezistivitatea particulelor, temperatura mediului din electrofiltru, finețea particulelor, etc.

Cel mai frecvent sunt folosite sârme cu suprafețe active continue și sârme cu vârfuri ascuțite, în funcție de curentul necesar.

Electrozii din sârmă rotundă sunt folosiți în general în electrofiltrele umede. Pentru prafuri care formează ușor aderențe, se folosesc electrozi cu muchii ascuțite.

Electrozii cu secțiunea stelată au o răspândire deosebit de largă, în special pentru gazele de ardere de la cazane. Un astfel de electrod se caracterizează printr-o rigiditate însemnată și asigură o emisie și în cazul când electrodul este acoperit de praf.

Dacă praful se adună deosebit de ușor pe electrozii corona se recomandă folosirea electrozilor cu vârfuri ascuțite. În cazul folosirii unor astfel de electrozi trebuie ținut seama de poziția corespunzătoare a vârfului sau a electrozilor în întregime față de ansamblul electrozilor de depunere. Electrozii cu vârfuri permit în general realizarea unui curent mai mare în comparație cu sârme rotunde cu diametrul mai mare.

Alegerea unui anumit tip de electrozi într-un electrofiltru trebuie să se bazeze pe cunoașterea aprofundată a condițiilor de funcționare ale electrofiltrului precum și a caracteristicilor gazului și prafului. Într-un singur electrofiltru, se aleg în prezent, electrozi diferiți pentru diferite câmpuri așezate în serie. Acolo unde este mult praf, unde gazul este rece, se recomandă electrozi ce produc un curent mare. La o concentrație mică a prafului și la temperaturi înalte se folosesc electrozi cu emisie mai mică de curent.

Pentru intensificarea efectului de autocurățire a electrodului în timpul funcționării, unele firme folosesc sârme ondulate de secțiune continuă. Părțile de sârmă, apropiate de electrozii de depunere, constituie oarecum puncte de emisie intensificată.

Autocurățirea electrozilor se bazează pe fenomenul vibrării electrozilor în timpul descărcării Corona.

În cazul unui conținut mare de praf, când sunt necesari curenți mari, se folosesc de asemenea sisteme de electrozi cu vârfuri de la sârmă ghimpată la profile cu vârfuri ascuțite. Aceștia din urmă se disting printr-o rigiditate însemnată și o duritate mare.

Pentru gazele de ardere de la cazane, se folosesc electrozi confecționați din oțel obișnuit sau oțel aliat care asigură o durată de viață mai mare și o rezistență mai mare la electroeroziune.

În cazul folosirii unor materiale dure, trebuie acordată o atenție mare îndoirii sârmelor la punctele de fixare. Îndoirea la rece prezintă pericolul unor defecțiuni interioare, care reduc durata de viață a electrozilor și duce la crăparea sârmelor în timpul funcționării, ceea ce produce opriri în funcționarea electrofiltrului.

Pentru gaze fierbinți (la o temperatură de peste 350oC), se recomandă folosirea unor materiale refractare. Pentru gaze care conțin sulf, trebuie evitate materialele în compoziția cărora intră nichel și care sunt puțin rezistente la coroziune intercristalină, neasigurând în consecință o durată de viață suficientă.

Electrozii Corona din electrofiltre sunt împărțiți de obicei în mai multe secțiuni. Aceste secțiuni sunt alimentate individual prin grupuri separate de redresoare, pentru a reduce efectul defavorabil al descărcărilor în filtru și pentru o mai bună adaptare a tensiunilor și curenților de alimentare corona la caracteristicile electrice ale sistemului gaz – praf.

În mod ideal, randamentul maxim al electrofiltrului se obține prin alimentarea separată a fiecărui electrod de emisie de la un redresor separat, ceea ce este o schemă neeconomică. În practică este necesară o soluție ponderată între gradul de secționare, mărimea filtrului și cheltuieli.

Influența separării în mai multe zone de înaltă tensiune, asupra randamentului de desprăfuire al electrofiltrului este foarte mare.

Din punct de vedere al modului de fixare al electrozilor de emisie, care în timpul funcționării electrofiltrului trebuie să-și păstreze poziția lor prestabilită față de electrozii de depunere, există două soluții:

– fixare prin întinderea electrozilor în rame sau cadre rigide cum este reprezentat sugestiv în fig. 2.3.5. În acest caz, fiecare ramă de emisie este susținută de două console fixate pe țevile exterioare ale ramei și prin două distanțiere fixate de ramă în partea ei de jos. Consolele și distanțierele se reazemă pe ramele de susținere care sunt suspendate la capetele fiecărui câmp.

– fixare pe un sistem de bare la partea superioară, în timp ce la partea inferioară electrozii sunt întinși cu ajutorul unor contragreutăți și menținuți în poziție verticală cu ajutorul unor ghidaje, așa cum sunt prezentate schematic în fig.2.3.9. Sârmele astfel încărcate atârnă liber în poziție verticală, paralel cu planul electrozilor de depunere.

Susținerea ramelor sau a barelor ce poartă electrozii de emisie se face cu ajutorul unor cadre numite cadre de înaltă tensiune.

Cadrele de înaltă tensiune trebuie să fie suficient de rigide pentru a oferi stabilitate construcției, permițând însă scuturarea sau vibrarea electrozilor corona. Având în vedere potențialul electric al electrozilor de emisie, acestea trebuie izolate electric față de elementele carcasei pe care se susțin. În acest scop se utilizează izolatori de susținere de formă cilindrică sau tronconică a căror înălțime este adecvată cerinței de a se evita pericolul conturnărilor, iar suprafețele interioare și exterioare ale acestora trebuie să fie lipsite de pori.

Materialele cele mai utilizate pentru fabricarea acestor izolatori sunt porțelanul aluminos și cuarțul turnat, care au o rezistență ridicată la compresiune și păstrează caracteristicile dielectrice la temperaturile de funcționare ale electrofiltrelor.

Fig 2.3.9 Întinderea electrozilor de emisie prin contragreutăți

Scuturarea electrozilor de emisie

Pentru a asigura funcționarea continuă a electrofiltrului electrozii de emisie trebuie menținuți în stare curată.

Dacă pe suprafața lor se adună prea mult praf curentul corona care condiționează randamentul de desprăfuire poate să se anuleze sau să se micșoreze.

Pentru menținerea în stare curată, electrofiltrul este echipat cu un sistem pentru scuturarea electrozilor de emisie. Un sistem de scuturare larg răspândit este cel cu ciocane articulate pe un arbore și care căzând lovesc nicovalele fixate pe ramele cu electrozi de emisie.

La electrofiltrele de fabricație românească, ciocanele se mișcă numai pe un sector de cerc, fiind acționate de un sistem de tije vericale ce efectuează o mișcare de translație, deoarece sunt ridicate și apoi lăsate să cadă de către o camă în mișcare de rotație, antrenată de către un motoreductor. Toți electrozii de emisie dintr-o secție sunt scuturați simultan.

Pe traseul tijelor este intercalat un izolator ceramic având în vedere că ramele de emisie sunt sub înaltă tensiune.

Fig.2.3.10 Scuturarea electrozilor de emisie prin impact cu ciocane

Firmele americane utilizează dispozitive cu impuls magnetic pentru scuturarea electrozilor de emisie. Acest mod de scuturare se aplică la electrozii întinși prin contragreutăți.

Principalele condiții pe care trebuie să le îndeplinească dispozitivele de scuturare sunt:

să asigure îndepărtarea prafului depus pe întreaga suprafață a electrozilor;

să nu provoace deteriorarea în timp a electrozilor sau a sistemelor de susținere;

în timpul scuturării, gradul de separare al electrofiltrului să fie cât mai puțin afectat, motiv pentru care se preferă în general ca panourile cu electrozi de depunere să nu fie scuturați simultan, ci pe rând.

2.4 Sisteme pentru energizarea electrofiltrelor

Sistemul de alimentare cu energie electrică a electrofiltrului, realizarea lui constructivă, schemele funcționale și sistemul de reglare al tensiunii sunt factori ce determină siguranța și eficacitatea procesului de epurare electrică a gazelor. Ridicarea gradului de eficiență al electrofiltrului se datorește în mare măsură, îmbunătățirii regimului lor electric de alimentare.

Sisteme de energizare la frecvența rețelei

Schema electrică de bază a unui echipament de înaltă tensiune (denumit în mod uzual ,,EIT convențional,,) ce funcționează la frecvența rețelei este prezentată în fig. 2.4.1

Sistemul de alimentare cu energie electrică trebuie să asigure:

cuplarea și decuplarea electrofiltrului de la panoul de comandă, atât local cât și de la distanță:

reglarea tensiunii de ieșire necesară pentru alimentarea electrofiltrului într-o plajă mare;

limitarea și apoi stingerea arcului electric ce apare ca urmare a străpungerilor în electrofiltre;

cuplarea automată a înaltei tensiuni după stingerea arcului în electrofiltru;

menținerea tensiunii la electrozii electrofiltrului cât mai aproape posibil de cea de străpungere.

Fig.2.4.1. Alimentarea convențională a electrofiltrului la frecvența rețelei

Sistemul de energizare prin echipamente ce functioneaza la frecvența rețelei (de tip EIT) este compus din două grupe de echipamente: agregatul de înaltă tensiune (AIT) și tabloul de comandă (T.C).

A). Agregatul de înaltă tensiune (A.I.T)

Este un convertor de tip ca-cc cu alimentare monofazată. Aceste agregate funcționează la frecvența din circuit (50/60 Hz), fiind alimentate cu tensiune alternativă monofazată variabilă de la un tablou de comandă (TC). Valoarea tensiunii de ieșire din E.I.T este reglată prin modificarea tensiunii alternative de intrare[82].

Reglajul puterii se face cu tiristori în montaj antiparalel în circuitul primar al transformatorului.

Tensiunea secundară a transformatorului este redresată cu un redresor bialternanță. Înalta tensiune este transmisă la electrozii de emisie. Acești electrozi formează împreună cu electrozii de depunere, care sunt legați la pământ o capacitate.

Un agregat de înaltă tensiune se compune din următoarele subansamble:

– transformator ridicător de tensiune;

– bobina de filtrare de joasă tensiune;

– punte redresoare monofazată cu diode de înaltă tensiune;

– bobină de filtrare de înaltă tensiune;

– releu de gaze;

– regulator de temperatură;

– instrument de măsură al curentului;

– divizor de tensiune.

Elementele componente ale agregatului sunt montate într-o cuvă de oțel sudată, umplută cu ulei de transformator.

A1). Transformatorul de înaltă tensiune.

Este elementul de bază al echipamentului de înaltă tensiune având rolul de a ridica tensiunea rețelei la valoarea necesară pentru desfășurarea corespunzătoare a procesului de filtrare pentru producerea descărcării corona și pentru realizarea unei intensități corespunzătoare a câmpului în spațiul dintre electrozi.

Condițiile specifice de funcționare ale electrofiltrelor impun unele caracteristici transformatorului și, mai ales, înfășurării de înaltă tensiune. De exemplu, înfășurările transformatorului trebuie să reziste foarte bine la șocurile electrodinamice de lungă durată, precum și la suprasarcinile ce apar în electrofiltru pe timpul descărcărilor și străpungerilor.

Mărimea suprasarcinii și durata ei, în foarte mare măsură sunt determinate de sistemul de protecție al agregatului, adică de viteza cu care este tăiată tensiunea pe timpul străpungerilor în electrofiltru.

A2). Redresorul de înaltă tensiune.

În practica desprăfuirii electrostatice pentru redresarea tensiunii alternative de valoare ridicată se folosesc diode din siliciu montate în punte pe secundarul transformatorului de înaltă tensiune.

Pentru obținerea tensiunilor înalte se realizează coloane din diode legate în serie, introduse în tuburi peste care se toarnă rășini polimerice. Unele coloane conțin chiar mai multe circuite, ceea ce permite folosirea în scheme de tip punte. Pentru asigurarea unei funcționări sigure a celulelor se recurge la egalizare artificială a căderilor de tensiune pe diode cu ajutorul unor șunturi formate din rezistențe de aceiași valoare și se cuplează în paralel pe fiecare diodă.

În funcție de schemă, redresoarele pot fi: monoalternanță, bialternanță, cu puncte, multiplicatoare de tensiune.

A3). Bobina de șoc de înaltă tensiune.

Este destinată limitării curentului de scurtcircuit, îmbunătățirii factorului de formă a curentului și pentru controlul formei de undă a tensiunii și curentului.

Impedanța ei împreună cu cea a transformatorului de înaltă tensiune trebuie să asigure stabilitate circuitului în condiții de descărcare distructivă în electrofiltru.

De obicei, bobina de șoc este realizată din conductor de cupru fără miez de fier montată în partea superioară a agregatului, fiind fixată sub capac.

A4). Șuntul.

Servește la măsurarea valorii medii a curentului din filtru.

Pe capacul cuvei sunt prevăzute următoarele accesorii: un convertor de ulei, robinet pentru circulația uleiului, protector de gaz, termoregulator, releu bucholz, bobina de legare la pământ, izolator de înaltă tensiune, doi izolatori de joasă tensiune pentru înfășurarea de joasă tensiune, trei izolatori de joasă tensiune pentru circuitele de măsură.

Fig. 2.4.2 Agregat de înaltă tensiune

B). Tabloul de comandă pentru controlul și reglarea tensiunii (TC)

Tabloul de control digital (Unitatea de control digital) este compus din: sistemul de control digital SCE, module de putere cu răcire forțată, trafo de alimentare pentru circuitele de joasă tensiune, trafo de măsură a curentului primar, trafo de măsură a tensiunii primare, elemente de comutare de joasă tensiune și siguranțe, traductoare pentru curent și tensiuni secundare, traductoare pentru măsură și tensiuni primare.

B1). Sistemul de control digital este alcătuit din: modulul digital, bloc de afișare și tastare BATE, bloc interfață BIE.

– Modulul digital se bazează pe un microcontroler dotat cu: memorie EPROM 32 K, memorie RAM- CMOS 32K alimentare independentă, memorie EPROM 512×8, cinci canale de intrare analogice multiplexate (tensiune primar Up, curent primar Ip, tensiune secundară U2, curent secundar I2, tensiune de ieșire vârf U2v), interfață cu displey și tastatură, circuit specializat pentru supravegherea tensiunii de alimentare, circuit de intrare logic, circuit de ieșire logic.

– Blocul de afișare și tastatura conține 2×20 caractere și 6 chei pentru comunicarea locală cu microcalculatorul.

– Blocul de interfață BIE adaptează semnalele procesului la intrare în computer și constă în: circuitul de sincronizare cu rețeaua, circuitul de aprindere SCR, circuite de interfață pentru curent și tensiune din primar și secundar, circuit de protecție la supracurent (partea de primar), detectoare de scânteie și arc, tensiuni de alimentare 15 Vcc de supraveghere, circuite pentru transmiterea optică a semnalelor de intrare.

C). Software

Resursele programului sunt: programul de pornire, programul monitor, programul aplicației.

D). Principiul de funcționare al echipamentului de înaltă tensiune

Redresorul de înaltă tensiune este alimentat cu o tensiune alternativă, printr-o schemă antiparalelă cu tiristoare. Tensiunea se reglează de la un variator de curent alternativ, prin impulsuri sincrone cu rețeaua, aplicate pe electrodul de comandă al tiristorului (pe grilă). Pentru îmbunătățirea factorului de formă al curentului, în serie cu transformatorul de înaltă tensiune se montează o bobină de filtrare care servește și la limitarea curentului.

Gradul de desprăfuire al electrofiltrului depinde, între altele, de tensiunea dintre electrodul corona și electrodul de depunere, care trebuie să fie sub limita de străpungere (în pragul descărcărilor). Valoarea optimă se poate stabili numai prin străpungere și se măsoară în momentul apariției arcului.

Întrucât tensiunea de străpungere se modifică odată cu schimbarea condițiilor de exploatare a electrofiltrului (cantitate de praf, temperatură, umiditate, forma și natura particulelor de praf, etc) ea trebuie modificată corespunzător condițiilor din elctrofiltru.

Comanda automată crește tensiunea în mod continuu într-un timp ales până la limita de străpungere și o coboară după aceea cu o valoare prestabilită în momentul atingerii valorii nominale a curentului din electrofiltru.

Străpungerea reprezintă pentru agregatul de înaltă tensiune și pentru circuitul principal, un scurcircuit. Curentul de scurtcircuit depinde de rezistențele circuitului de forță și de natura descărcărilor în electrofiltru.

Pot apare străpungeri de curenți mici care se sting singure și descărcări care nu se sting singure. Mai pot apare și scurtcircuite metalice (ruperea electrozilor).

În ultimele două cazuri partea de comandă preia protecția agregatului de înaltă tensiune.

Străpungerile sunt sesizate și prelucrate după valoarea curentului și a tensiunii pe primarul agregatului de înaltă tensiune și sunt elaborate comenzi de reducere a tensiunii din electrofiltru, deconectarea temporară a tensiunii sau deconectarea totală a tensiunii.

Tensiunea de ieșire a dulapului poate fi controlată după o rampă de pornire impusă, după limita de curent, după limita de tensiune, după procedura de detecție a scânteii și arcului ce pot apărea în electrofiltru sau o combinație a acestora.

Pe partea de I.T. se măsoară tensiunea [kV], curentul [mA], unghiul de aprindere al tiristorilor fiind recalculat la fiecare semiperioadă.

Evident că un EIT convențional, după redresarea pe partea de secundar, alimentează electrofiltrul la fiecare jumătate de perioadă cu “pulsuri de curent” .

În figura 2.4.3 sunt prezentate formele tipice de undă obținute cu un EIT convențional.

Partea de comandă și reglarea este numerică. Echipamentul poate fi comandat local sau de la distanță prin interfața serială.

Fig. 2.4.3. Forme de undă tipice obținute cu un EIT convențional

2.4.2 Energizarea electrofiltrelor prin convertoare de înaltă frecvență

Aceste echipamente fac parte dintr-o generație nouă și anume cea a echipamentelor ce furnizează energie folosind tehnologia transformatorului/redresor clasic îmbinată cu tehnologia sursei de alimentare în regim de comutație, având o frecvență a tensiunii furnizată la ieșire de ordinul zecilor de kHz (între 20 și 50kHz) [80] [83] [87].

În figura 2.4.4 este prezentată simplificat diagrama bloc a convertorului de înaltă frecvență. Funcționarea este foarte asemănătoare cu cea din primar la EIT la frecvența rețelei. Diferențele cele mai semnificative constau în adăugarea unui redresor pe intrare și a faptului că transformatorul funcționează la înaltă frecvență (>20 kHz).

Redresorul pe intrare crează o tensiune continuă intermediară care este convertită de comutatorul cu semiconductori în tensiune alternativă de înaltă frecvență. Această tensiune este introdusă în primarul transformatorului. Secundarul de înaltă tensiune al transformatorului este conectat la redresorul de ieșire.

Fig. 2.4.4. Schema bloc a convertorului de putere de înaltă frecvență.

Înalta tensiune de curent continuu de la ieșirea din redresorul de ieșire este transmisă ca tensiune de alimentare la electrofiltru. Capacitatea secțiunii de electrofiltru alimentate, formează un filtru pentru frecvențele joase, care reduce componenta alternativă (ondularea) a tensiunii de ieșire. Curentul (sau tensiunea) de ieșire este reglat prin variația timpilor de închidere și respectiv deschidere ai comutatoarelor cu semiconductori din circuitul primar al transformatorului.

Componenta alternativă a tensiunii, , transmisă către electrofiltru poate fi calculată cu relația:

(2.21)

Unde: – frecvența

– capacitatea secțiunii de electrofiltru alimentate.

Ecuația (2.21) arată că este invers proporțională cu frecvența. În consecință un convertor de înaltă frecvență ar reduce tensiunea componentei alternative în raportul de 400 :1 (20000 Hz împărțit la 50 Hz).

În figura 2.4.5. sunt reprezentate tensiunile de funcționare pentru cazurile „frecvența rețelei“ și „înalta frecvență“. S-au măsurat două oscilograme, pe rând, pe același electrofiltru cu cele două moduri diferite de alimentare în funcțiune și apoi au fost suprapuse[72]. Este clară diferența foarte mare între forma de undă a tensiunilor.

Fig. 2.4.5. Tensiunea în electrofiltru obținută cu un agregat de înaltă tensiune la frecvența rețelei (EIT) și un convertor de înaltă frecvență (HFPC) în timpul unei funcționări

normale cu limitare prin nivelul de apariție a descărcării.

Când electrofiltrul funcționează cu alimentare de înaltă frecvență curentul de descărcare corona atinge o valoare dublă în comparație cu situația când se alimentează la frecvența rețelei. În plus, nivelul valorii medii a tensiunii de alimentare în electrofiltru crește cu 30%.

În figura 2.4.6 este redată creșterea de curent pe baza curbelor tensiune–curent ale celor două tipuri de alimentări.

Fig. 2.4.6. – Diferența de formă de undă (ondulare) între un SIR și un EIT convențional în același câmp dă un curent mai mare cu SIR când curentul este limitat de descărcări.

Energia transferată de la intrarea în convertor până la electrofiltru în timpul fiecărui ciclu poate fi calculată cu formula:

(2.22)

Unde: – este puterea transferată către electrofiltru.

Ecuația (2.22) scoate în evidență că o frecvență mai înaltă reduce cantitatea de energie transferată într-un ciclu. Componentele proiectate ca să stocheze această energie (sau o parte din ea) pot fi reduse dimensional, atunci când energizarea se face cu înaltă frecvență.

Cea mai semnificativă componentă din acest punct de vedere este transformatorul de înaltă tensiune. Partea de înaltă tensiune a unui convertor de înaltă frecvență cântărește aproximativ 100 kg în comparație cu 1500 kg pentru un EIT convențional, la aceeași putere. Timpul de răspuns al sistemului descrește cu creșterea frecvenței de alimentare și de aceea convertoarele de înaltă frecvență conferă electrofiltrului posibilitatea folosirii unui reglaj îmbunătățit al puterii.

Principalele beneficii ale folosirii alimentării cu înaltă frecvență sunt:

Tensiune practic continuă a curentului redresat, fără ondulare;

Dimensiuni și greutăți reduse;

Reglaj al puterii rapid și précis;

Alimentare trifazată.

În fig 2.4.7 sunt reprezentate formele de undă obținute cu un convertor de înaltă frecvență și cu un echipament de înaltă tensiune.

Cu un convertor de înaltă frecvență “pulsurile de curent” se produc de aproximativ 500 de ori mai des și ondularea tensiunii rezultante în kV va fi în consecință foarte redusă.

Fig. 2.4.7. Forma de undă obținută cu un convertor de înaltă frecvență (curba de sus)

și cu un T/R convențional (curba de jos)

Principii de alegere a instalațiilor de desprăfuire electrică

În principiu, problema tehnică de alegere a instalației de desprăfuire electrică constă în adaptarea construcției sale la o serie de condiții sau prescripții de performanță.

Sunt posibile mai multe căi de dimensionare, gama variind între simple extrapolări față de experiența dobândită anterior și dimensionarea prin analogie pe baza unor metode mai rafinate, deduse din teorie și principii de bază. În acest subcapitol se va face o scurtă descriere a principiilor de alegere a instalațiilor de desprăfuire electrică și principalii parametrii de dimensionare.

A). Proprietățile de bază ale mediului dispers (sistemul gaz-praf) pentru alegerea corectă al tipului de electrofiltru.

Principalele proprietăți ale particulelor și gazelor ce trebuie determinate sunt:

– granulometria particulelor

– concentrația particulelor

– compoziția și natura particulelor

– sursa sau procesul

– rezistivitatea particulelor

– presiunea, temperatura și compoziția gazului.

Toate aceste proprietăți pot fi determinate prin metode cunoscute. Există însă multe cazuri în care granulometria sau rezistivitatea pot varia în limite largi datorită variațiilor normale ale procesului, al materiilor prime utilizate s-au încărcărilor cu care funcționează.

Din aceste motive se recomandă efectuarea unor măsurători la fața locului și încercări pe electrofiltru pilot ori de câte ori este posibil.

B) Alegerea mărimii câmpurilor de desprăfuire

Practica a demonstrat că pentru aceleași condiții tehnologice electrofiltrele de dimensiuni mai mici funcționează mai eficace decât cele cu dimensiuni mai mari. Acest lucru este în legătură și cu înrăutățirea regimului de alimentare electrică a electrofiltrului.

Horne, citat în lucrarea[3], a făcut experimentări, mediul gazos fiind aerul, pe un electrofiltru cilindric având lungimea electrozilor de depunere de 6,87m și distanța dintre electrozi 2h=200mm. Acest electrofiltru era alimentat de la un redresor bialternanță. El a studiat variația tensiunii de străpungere în funcție de numărul de electrozi. Din analiza datelor a constatat că odată cu creșterea numărului de electrozi tubulari de la 1 la 91 tensiunea maximă a scăzut cu 34%, ceea ce a făcut ca eficacitatea electrofiltrului să scadă.

White[2], pe baza unor studii experimentale, a ajuns la concluzia că odată cu mărirea numărului de câmpuri electrice electrofiltru funcționează la tensiuni mai ridicate.

La aceleași concluzii a ajuns și autorul în urma analizei funcționării instalației de desprăfuire electrică aferentă grupului nr. 4 din Turceni care desprăfuiește debite mari de gaze, rezultatele obținute fiind sintetizate în tabelul de mai jos.

Este de remarcat faptul că, în situația în care fiecare zonă de electrozi a fost energizată separat de la un agregat de înaltă tensiune (AIT) concentrația de cenușă în gazele de ardere a fost de 67 mg/m3N de gaz epurat la ieșirea din electrofiltru, iar prin energizarea a două zone învecinate de la un singur agregat de înaltă tensiune, concentrația de cenușă în gazele de ardere a crescut la 99 mg/m3N de gaz epurat la ieșirea din electrofiltru.

Prin compararea parametrilor electrici din secundar se observă că la energizarea individuală a fiecărei zone, valoarea tensiunii U2 și curentului I2 sunt superioare față de energizarea a două zone de la acelaș agregat de înaltă tensiune(AIT).

Determinările de concentrații de pulberi au fost efectuate cu un opacimetru cu laser din dotarea S.C.C.Energetic Turceni, la o sarcină de 300Mw cu funcționare în schema normală, deci fără modificarea parametrilor tehnologici.

Electrofiltrele grupului nr.4 desprăfuiesc un debit de gaze de 1200 000m3N /h fiind secționate în 12 zone, alimentate din surse independente de energie electrică dar cu posibilitatea de comutare. Primele patru zone ale fiecărui electrofiltru au în compunere electrozi de depunere de tip CSV cu o înălțime de 13,5 m, amplasați la o distanță de 0,200 m de ramele cu electrozi de emisie de tip Isodyn B5 S. Zonele de ieșire 5 și 6 au în compunere electrozi de depunere de tip CSV amplasați la o distanță de 200mm de ramele cu electrozi Isodyn B15 S.

Odată cu mărirea dimensiunilor electrofiltrului, eficacitatea lui este influențată de imprecizia construcției și montajului, abaterea distanței dintre electrozi față de valoarea nominală, vibrațiile electrozilor corona, etc. Oricare din acești factori pot duce la o micșorare sensibilă a tensiunii de vârf.

Pentru asigurarea unui regim normal de funcționare al electrofiltrului, zona activă trebuie împărțită în mai multe câmpuri de electrozi.

Pentru determinarea numărului de câmpuri electrice este necesar să se țină seama de următoarele:

a) Puterea consumată de câmp trebuie să corespundă agregatelor de înaltă tensiune

b) Rezistența activă a câmpului este un alt factor ce îi limitează dimensiunile. Rezistența activă a câmpului electric se determină cu ajutorul relației:

(2.23)

Pentru a se asigura o funcționare liniștită a electrofiltrului fără descărcări sub formă de arc în spațiul dintre electrozi este necesar să se respecte următoarele condiții:

– Rezistența activă electrică a agregatului de alimentare trebuie să reprezinte 30÷40% din rezistența activă a câmpului.

(0,3÷0,4) (2.24)

Reiese că în cazul alimentării câmpurilor electrofiltrelor mari pentru obținerea unui curent mare este necesar să se utilizeze surse de curent cu impedanța mică.

– Capacitatea mare a electrofiltrelor duce la apariția arcurilor în timpul decuplării alimentării.

Dimensiunile câmpului electric nu trebuie să fie relativ prea mari pentru a se evita descărcările electrice puternice de tip arc electric și a asigura un înalt grad de eficacitate.

Ecuația lui Ramsdell ce leagă eficacitatea electrofiltrului de puterea consumată pe timpul descărcării corona are următoarea formă:

(2.25)

Unde: – puterea consumată de descărcarea corona

– numărul de câmpuri electrice

– constantă

La alegerea numărului și dimensiunilor câmpurilor electrice este necesar să se țină seama că micșorarea numărului de electrozi alimentați de la o singură sursă de alimentare îmbunătățește totdeauna funcționarea electrofiltrului sau, cu alte cuvinte, eficacitatea electrofiltrului crește odată cu mărirea numărului de câmpuri electrice alimentate de la agregate separate.

Practic este necesar să se aleagă numărul și dimensiunile câmpurilor electrice în electrofiltru, plecând de la tendința de a asigura o funcționare optimă pe baza unei fundamentări economice ce ia în considerare cheltuieli de investiții și de exploatare.

C). Alegerea mărimii agregatelor de înaltă tensiune (AIT)

Se face în funcție de dimensiunile camerei de separare, de caracteristicile zonei electrice, precum și de natura sistemului gaz-praf. Chiar și pentru același electrofiltru, necesarul de putere poate să difere dacă se schimbă condițiile de funcționare ale instalației.

Curentul nominal al agregatului trebuie să corespundă oricărui regim de funcționare. El se determină cu expresia:

(2.26)

Unde: – curentul nominal al electrofiltrului, în mA

– lungimea activă a electrozilor corona alimentați de la un singur agregat, în m

– curentul corona pe unitatea de lungime de electrod, în mA/m

Diferențele între caracteristica sursei și caracteristica electrofiltrului își găsesc expresia prin diferiți curenți specifici pe unitate de lungime de electrod corona iL sau pe suprafața de unitate de depunere iF .

Relația dintre curentul specific liniar și cel raportat la suprafața de depunere se poate exprima prin următoarele relații:

– pentru electrofiltru cu plăci:

(2.27)

– pentru un electrofiltru cu electrozi tubulari:

(2.28)

Unde: d – distanța dintre electrozii de emisie

R – raza electrodului tubular

Curentul specific iL pentru un metru de lungime de electrod corona variază, în funcție de tipul electrofiltrului și de felul mediului bifazic, de la 0,10÷1,2 mA/m. Adoptând pentru un electrofiltru o mărime determinată curentului specific liniar și înmulțind-o cu lungimea activă a electrozilor corona în întregul electrofiltru (câmp) Lu , se obține absorbția aproximativă de curent I pe întregul electrofiltru.

(2.29)

În mod similar, se poate calcula I, plecând de la curentul specific pe suprafața de depunere iF (0,10…..3 mA/m2).

(2.30)

Unde: Fz – este suprafața de depunere a câmpului.

După determinarea curentului necesar I, se poate determina aproximativ numărul total de echipamente pentru un electrofiltru.

(2.31)

Unde: Iz – curentul nominal al unui agregat de înaltă tensiune.

Dacă alegerea mărimii agregatului de înaltă tensiune este limitată, trebuie procedat pe baza numărului calculat de grupuri nz, la împărțirea întregului electrofiltru în mai multe zone electrice separate.

După cum s-a observat în exploatare, absorbția de curent al câtorva câmpuri electrice conectate la un singur agregat de înaltă tensiune nu se adună aritmetic. În general suma curenților de alimentare individuali este mult mai mare decât curentul de alimentare cu un singur agregat.

(2.32)

Unde: Il – curentul fiecărui câmp

nZ – numărul de grupuri de alimentare individuală

IE – intensitatea curentului electrofiltrului

Din aceste relații rezultă concluzia că alimentarea individuală a câmpurilor permite obținerea unei absorbții mai mari de curent, deci condiții mai bune de desprăfuire. Numărul de grupuri necesare pentru alimentarea unui electrofiltru se poate determina, cunoscând absorbția de putere P (kVA) pentru epurarea gazelor la un debit al acestuia de 1000 m3 /h.

Absorbția de putere este:

(2.33)

Unde: V – debitul de gaze epurate

Vl – cantitatea de gaze epurate de unitatea de putere în cursul unei ore m3/hkVA

Mărimea Vl depinde de asemenea, de viteza de trecere a gazului, deci de timpul cât acesta stă în câmpul electric, variind între 1000 și 10000 m3/hkVA. Pentru viteze mici ale gazelor, și deci pentru o durată mai mare a rămânerii gazelor în câmpul electric, Vl se situează în apropierea limitei inferioare, iar pentru viteze mari în apropierea limitei superioare.

Numărul necesar de agregate de înaltă tensiune va fi în consecință:

(2.34)

Unde: Pz – puterea nominală a unui agregat de înaltă tensiune.

Puterea totală consumată de electrofiltru poate fi calculată cu ajutorul formulei: (2.35)

Unde: – valoarea maximă a tensiunii, în kV

– valoarea medie a curentului consumat de electrofiltru, în A

(2.36)

– densitatea liniară de curent, în A/m

– lungimea activă a electrozilor corona, în m

– coeficientul de formă al curbei de curent, = 1,2÷1,5

– randamentul agregatului de înaltă tensiune

= 0,7÷0,75

Pentru un sistem trifazat puterea unui agregat de înaltă tensiune, ales pe baza curentului specific caracteristic, se poate calcula cu ajutorul formulei empirice:

(2.37)

ANALIZA PROCESELOR FUNDAMENTALE CE STAU LA BAZA FUNCȚIONĂRII ELECTROFILTRELOR

3.1 Ionizarea gazelor în prezența descărcării corona

3.1.1 Generarea descărcării corona și formarea ionilor de gaz

Primul pas în procesul de depunere îl constituie crearea unui câmp electric și al unui curent corona. Aceasta se face prin aplicarea unei diferențe mari de potențial între un electrod din sârmă subțire (electrod de emisie) și un electrod de depunere sub formă de cilindru sau placă, între care se află un gaz[30].

La aplicațiile industriale electrodul de emisie este legat la potențialul negativ al sursei de producere a tensiunii înalte, iar electrodul de depunere este legat la potențialul pământului și constituie polul pozitiv, așa cum este reprezentat simplificat în figura 3.1.1.

Fig.3.1.1 Schema zonelor pasive și active ale descărcării corona

Într-o asemenea situație, pentru tensiuni aplicate mai mici decât o valoarea U0 denumită ,,tensiune de începere corona,, în spațiul dintre electrozi ia naștere un câmp electrostatic.

Dacă înalta tensiune crește treptat, la un moment dat, în apropierea electrodului cu raza de curbură mică apar electroni fie prin detașare de la un ion negativ fie prin emisie secundară[6]. Acești electroni primesc energie de la câmpul electric creat între electrodul de emisie și electrodul de depunere și se ciocnesc violent cu moleculele gazului, aruncând efectiv electronii în afara moleculei. Rezultatul este crearea de electroni liberi suplimentari și ioni de gaz încărcați pozitiv (fig.3.1.2). Acest proces fizic se manifestă prin apariția unui punct luminos numit punct de luminiscență corona și apare la suprafața electrodului de emisie (se poate spune că s-a inițializat descărcarea corona).

Pe măsură ce tensiunea crește punctele luminoase devin din ce în ce mai numeroase. În această situație ionii pozitivi, care se găsesc în spațiul dintre electrozi, se deplasează spre electrodul de emisie, acumulând în apropierea acestuia o energie cinetică mare. La ciocnirea unui ion pozitiv cu suprafața catodului, se produc alți electroni. În jurul electrodului de emisie apar electroni și datorită efectului fotoelectric, prin cuantele de lumină ultravioletă din luminiscența corona.

Pe măsură ce electronii ies din vecinătatea electrozilor de emisie apar noi coliziuni între electroni și moleculele neutre ale gazului.

Fig.3.1.2 Generarea descărcării corona

Într-o regiune limitată din câmpul electric înalt de lângă electrodul de emisie, fiecare coliziune între un electron și o moleculă neutră prezintă o anumită probabilitate de formare a unui ion pozitiv și a altui electron, formându-se o reacție în lanț (fig 3.1.3), numită avalanșă de electroni [12].

Fig. 3.1.3 Multiplicarea în avalanșă a electronilor și moleculelor de gaz

Tensiunea la care se inițializează descărcarea corona se numește ,,tensiune de prag” sau “tensiune de apariție a descărcării corona” a cărei valoare depinde de forma și dimensiunile electrozilor, natura mediului dispers, presiune și temperatură.

Avalanșa de electroni se formează doar până la o distanță la care intensitatea câmpului electric nu este suficient de mare pentru multiplicarea electronică.

În spatele acestei regiuni, electronii iau rapid o mare parte din energie și pătrund în zona cu intensitate redusă a câmpului, iar când unul dintre ei se lovește de o moleculă de gaz există probabilitatea atașării, formându-se un ion negativ de gaz.

Astfel ionii negativi împreună cu electronii care nu se atașează de o moleculă neutră, migrează sub influența câmpului electric către electrodul cu suprafața mare, formând curentul necesar procesului de depunere.

Fig.3.1.4 Formarea ionului negativ de gaz

În această situație avem molecule de gaz ionizate atât în jurul electrodului de emisie (zona activă) cât și în zona cu intensitate mai redusă a câmpului (zona pasivă) dar cu o mare diferență, ionii de lângă electrodul de emisie sunt pozitivi și rămân în această zonă, ionii din afara zonei de luminiscență se mișcă de-a lungul liniilor de câmp electric spre electrodul colector.

Aspectul vizual al descărcării corona contrastează izbitor față de corona pozitivă. Luminozitatea difuză liniștită, învelitoare a coronei pozitive, este înlocuită de o serie de puncte luminoase localizate, care la electrozii curați par să efectueze o mișcare rapidă de dans de-a lungul suprafeței sârmei (fig.3.1.5).

Pentru sârme rotunde fine cu diametru mic smocurile corona sunt distribuite aproximativ uniform de-a lungul sârmei și numărul lor crește pe măsură ce tensiunea și curentul corona cresc. Studii detaliate[43], au arătat că descărcarea corona este caracterizată prin apariția de impulsuri intermitente numite impulsuri Trinchel, care pot avea frecvențe destul de ridicate. Natura pulsatorie a coronei negative este indicată de zgomotul șuierător caracteristic acestui tip de descărcare. Apariția acestor șuierături este una dintre metodele cele mai sensibile de detectare a efectului corona negativ în laborator.

Existența unor strimeri locali vizibili în emisia corona negativă, arată drumul lung de ionizare al moleculelor de gaz, care la tensiuni mari poate fi de 10 mm sau mai lung [10]. Acești strimeri nu se termină brusc, ci se sting progresiv în zonele de câmp mai slab. La tensiuni ridicate, apropiate de străpungere, un procent important de electroni liberi produși în zona activă a coronei, parcurg întreaga distanță până la electrodul de depunere, fapt care poate mări curentul corona total cu mult peste valoarea realizabilă dacă toți purtătorii de sarcină ar fi ioni negativi.

În consecință, descărcarea corona în tensiune continuă de polaritate negativă, așa cum există în electrofiltru, poate fi reprezentată ca fiind compusă din două zone diferite:

– prima zonă, cea activă sau luminoasă din jurul fiecărei sârme de emisie este umplută de o învălmășeală de ioni pozitivi și negativi, electroni liberi și molecule normale și excitate;

– zona a doua, cea pasivă, se întinde între electrodul de depunere și zona luminoasă. Această zonă conține molecule neutre și o fracțiune de ioni negativi și electroni liberi care au fost creați în zona din jurul sârmei de emisie și sub influența câmpului electric ei se deplasează spre electrodul de depunere.

În condiții normale, zona activă este foarte mică și fiind o plasmă fără încărcare netă, ea joacă rolul unei surse ample de electroni pentru apariția coronei, neavând altă funcțiune.

Fig 3.1.5 – Forma vizibilă a descărcării Corona într-un electrofiltru plan aferent

unui grup energetic de 330 MW din Turceni, echipat cu electrozi de emisie cu vârfuri

Astfel procesul de ionizare se realizează numai în zona de plasmă.

Regiunea pasivă ocupă pe de alta parte practic, întregul volum al descărcării și posedă o sarcină electrică spațială mare. În această regiune câmpul electric nu este suficient de puternic pentru ionizare și ionii unipolari sunt dirijați de forța electrică spre electrodul de depunere. În această regiune se desfășoară mecanismele fundamentale de încărcare și colectare a particulelor dintr-un electrofiltru.

În ambele zone, valoarea câmpului electric are un rol important și este singura mărime fundamentală, în afara debitului de gaze, care poate influența dimensionarea și construcția electrofiltrului.

Caracteristica curent – tensiune a descărcării corona

O caracteristică importantă a descărcării corona este relația dintre curentul de descărcare și tensiunea dintre electrozi denumită și caracteristica tensiune-curent[17].

Această relație depinde de foarte multe variabile, dintre care: compoziția gazelor, temperatura și presiunea gazelor, geometria sistemului de electrozi, forma de undă a tensiunii și polaritatea ei, filme de particule depuse pe electrozi și suspensiile de particule din gaze.

Caracteristica tensiune–curent determină puterea consumată și permite evaluarea gradului de eficiență al unui electrofiltru[30].

Curentul descărcării corona este un parametru după care se reglează procesul de separare electrică a prafului din electrofiltre.

Determinarea teoretică a caracteristicii tensiune-curent se face prin rezolvarea sistemului de ecuații diferențiale, care este valabil pentru toate configurațiile de electrozi:

(3.1)

Curentul corona dintre o sârmă și un cilindru coaxial poate fi calculat în ipoteza că zona mică activă sau luminoasă, de lângă sârmă, acționează numai ca sursă de ionizare, iar restul spațiului este umplut cu ioni de aceeași polaritate care, din cauza efectului lor relativ mare de sarcină spațială, consumă majoritatea tensiunii aplicate electrozilor. În aceste condiții, creșterea de curent este limitată de sarcina spațială.

Mărirea tensiunii crește în anumită măsură câmpul electric de lângă sârmă, dar majoritatea creșterii este compensată de sarcina spațială mărită, astfel că numai un procent redus este eficace pentru a mări ionizarea din apropierea electrodului de emisie.

În cazul coronei negative, curentul poate cuprinde o fracțiune importantă de electroni liberi, de care se poate ține seama prin termeni de corecție la ecuația curentului în funcție de tensiune valabilă pentru curentul creat de deplasarea ionilor.

Pentru determinarea caracteristicii curent-tensiune a descărcării corona la electrozii cilindrici concentrici curați în gaze de genul aerului, au fost deduse ecuații. Sunt de asemenea posibile calcule aproximative pentru sistemul cu electrozi în treceri paralele utilizat la electrofiltrele cu plăci, dar pentru toate celelalte cazuri unde intervin diverse profile de electrozi cu vârfuri calculele sunt destul de complicate. În această situație caracteristicile trebuie determinate experimental.

F.W.Peek generalizând rezultatele experimentale a dat formulele pentru intensitatea inițială a câmpului electric și a tensiunii de apariție a descărcării corona [47].

[kV/cm] (3.2)

(3.3)

[kV] (3.4)

Aceste relații sunt concretizate de Peek pentru:

un conductor perfect neted de rază r0 situat în axul unui cilindru de rază R:

(3.5)

un conductor situat la distanța h de sol:

(3.6)

Townsend, plecând de la cele prezentate mai sus a dedus relația dintre tensiune și curentul de descărcare corona, pentru o configurație simplă fir-cilindru:

(3.7)

Unde: este tensiunea de apariție a descărcării corona, este raza electrodului emisiv, este raza cilidrului, este mobilitatea ionilor, este tensiunea aplicată, , este temperatura și presiunea atmosferică normală.

Relația dintre curentul de descărcare corona și tensiune, pentru geometria fir -placă a fost determinată de Dupuy:

(3.8)

În figura 3.1.6 este reprezentată valoarea lui U0 pentru gama de sârme care apar cel mai frecvent în practică[7].

Fig. 3.1.6 Tensiunea de amorsare a descărcării corona funcție de diametrul sârmei, distanța dintre electrozi fiind de 200 mm

Din ecuația (3.4) și figura 3.1.6 rezultă că tensiunea de amorsare a descărcării corona crește cu mărirea diametrului sârmei. Se atinge la un moment dat un diametru, la care U0 devine egal cu tensiunea de descărcare prin scânteie și nu mai poate apare efectul corona. Zona descărcării corona se lărgește pe măsură ce se micșorează diametrul.

În figura 3.1.7 este redată grafic ecuația (3.5) pentru E0, funcție de diametrul sârmei 2r și densitatea relativă a aerului δ. La sârme foarte fine, de cca. 0,25 la 0,50 mm, apar valori foarte mari ale lui E0, dar câmpul scade rapid în apropierea sârmei. La sârme mari valoarea lui E0 este mai mică, dar câmpul scade mai încet. În acest fel există o compensație între E0 și gradientul de câmp în apropierea sârmei corona.

Fig.3.1.7 Câmpul electric la suprafața sârmei pentru amorsarea

descărcării Corona în aer

Intensitatea de apariție a câmpului electric pentru descărcarea corona de polaritate negativa E0 în diferite medii de gaze se poate calcula cu relația (3.4).

Dificultatea principală, care se întâlnește la utilizarea practică a acestei formule este determinarea mobilității ionilor pentru diferite medii gazoase și diferite sisteme de electrozi. În literatura de specialitate sunt prezentate încercări făcute de diverși autori pentru găsirea unor formule, care să se apropie cât mai mult de curbele obținute pe cale experimentală.

Încărcarea particulelor în câmpul de descărcare corona

Introducere

Încărcarea particulelor în spațiul dintre electrozii de polaritate diferită dintr-un electrofiltru, este o etapă de bază în procesul de separare electrică a gazelor, întrucât forța electrică ce determină migrația particulei către electrodul colector este direct proporțională cu sarcina particulei[20][7].

(3.6)

Cum forța electrică este o mărime ce influențează randamentul de separare, este de dorit ca sarcina particulei să fie cât mai mare și încărcarea să se facă într-un timp cât mai scurt, deci la un potențial de valoare ridicată.

Teoria, ca și experiența îndelungată au arătat că descărcarea corona unipolară de înaltă tensiune continuă este metoda cea mai eficace și universal aplicabilă pentru atingerea unei încărcări foarte mari a particulelor în scopul separării cu efect ridicat a prafului din gazele de ardere.

Prin urmare, expunerea va fi concentrată asupra metodei de încărcare prin efect corona.

În zona din jurul descărcării corona din electrofiltru acționează două procese fizice distincte de încărcare, încărcarea prin alipirea ionilor în câmp electric și încărcarea prin difuzie.

3.2.2 Procesul de încărcare prin alipirea ionilor în câmp electric

Acest proces presupune captarea de către particulele aflate în suspensie în gaz a ionilor care se mișcă pe direcția liniilor de câmp electric[10][20].

Ionii negativi, după cum este precizat și în capitolul anterior, apar ca urmare a unor fenomene ce intervin în stratul descărcării corona, iar mișcarea lor este efectul câmpului electric aplicat, sau este o mișcare provocată de o diferență de temperatură.

În practică, procesul de încărcare prin câmp predomină pentru particule cu diametre mai mari de 0,5 µm [13]. 

Pentru explicarea procesului de încărcare cu sarcină electrică, se consideră o particulă suspendată în gaz, aflată în câmpul de descărcare corona de intensitate .

Într-o primă fază particula va începe imediat să fie încărcată de ionii gazului și acest proces va continua până când câmpul propriu al sarcinilor acumulate pe particulă devine suficient de puternic pentru a împiedica orice alt ion să mai atingă particula[89].

În figura 3.2.1 este reprezentat schematic procesul de încărcare prin câmp, când câmpul electric aplicat este eficient pentru încărcarea particulelor (particula este parțial încărcată). În acest caz toți ionii gazului, care se deplasează în lungul liniei câmpului electric, pot să se fixeze pe suprafața particulei. Fiecare ion care atinge particula schimbă distribuția locală a câmpului electric și prin urmare modifică ritmul încărcării [17].

Procesul de acumulare de sarcină nu se face instantaneu, necesitând un anumit timp pentru ca particula să ajungă la valoarea limită. Viteza de încărcare scade succesiv pe măsură ce crește mărimea sarcinii acumulate.

Pe măsură ce particula continuă să primească sarcini electrice, câmpul de încărcare se micșorează atât ca secțiune cât și ca mărime până când, în final, încărcarea încetează cu desăvârșire, procesul fiind încheiat. Încărcarea se face foarte rapid și se termină când particula ajunge la sarcina limită de saturație notată cu .

Fig.3.2.1 Liniile de câmp electric în jurul unei particule parțial încărcată

aflată într-un spațiu de gaz

În figura 3.2.2 este prezentată o particulă aflată într-un câmp electric, când particula ajunge la sarcina de saturație. În acest caz liniile câmpului electric ocolesc particulele și ionii se deplasează de-a lungul lor în jurul particulei.

Fig 3.2.2 Distorsiunea liniilor de câmp electric când particula ajunge la sarcina de saturație

3.2.3 Ecuațiile procesului de încărcare prin câmp

Pentru descrierea matematică a procesului de încărcare a particulelor în câmpul de descărcare corona se consideră câteva ipoteze simplificatoare [7][20].

– Toate particulele sunt solide, au forma sferică de rază rp .

– Distanța dintre particule este suficient de mare astfel încât interacțiunile dintre ele să fie neglijate.

– Particulele sunt încărcate în aceiași măsură.

Calculul sarcinii electrice a particulei necesită cunoașterea intensității câmpului electric, a densității sarcinii libere, cât și a altor factori care pot influența traiectoria acestei particule. Există mai multe modele ce permit calculul sarcinii unei particule sferice, dar deocamdată, măsurătorile experimentale ce permit calibrarea acestor modele nu sunt foarte precise.

Se consideră o particulă conductoare, de forma unei sfere de rază rp care posedă o sarcină electrică negativă de valoare –q și care este plasată într-un câmp electric [20].

Se dorește identificarea forțelor care se exercită asupra unui ion negativ de gaz de sarcină (– e), situat într-un punct A. Se va considera numai componenta radială a fiecărei forțe, considerându-le pozitive pe cele care caută să îndepărteze ionul de particulă.

În aceste condiții asupra ionului vor acționa următoarele patru forțe[7] [20]:

a) Forța exercitată de câmpul electric exterior și a cărei componentă radială are valoarea:

(3.7)

Unde: θ reprezintă unghiul dintre axa Ox și dreapta OA.

Fig. 3.2.3 – Forțele care se exercită asupra unui ion negativ în vecinătatea

unei particule încărcate cu sarcină electrică.

b) Forța ce acționează ca rezultat al polarizării particulei conductoare într-un câmp omogen (forța datorată repartiției inegale a sarcinii pe sferă) și a cărei componentă radială are valoarea:

( 3.8)

c) Forța ce apare ca urmare a respingerii sarcinilor de același semn, imediat ce particula începe să se încarce cu sarcină negativă.

(3.9)

d) Forța ce ia naștere ca urmare a inducției electrice, numită și forța câmpului imagine și care ajunge la valoarea maximă când r =a.

(3.10)

Rezultanta forțelor care acționează asupra ionului este:

(3.11)

Componenta radială a forței totale este:

(3.12)

Forțele F1, F2 și F4 determină mărimea atracției ionului spre particulă. Acțiunii acestor forțe i se opune numai forța F3, al cărui modul depinde de mărimea sarcinii acumulate deja pe particulă și sarcina ionului.

Dacă:

a) atunci ionul cedează sarcina particulei

b) ionul se apropie de particula sferică numai dacă distanța dintre ele este suficient de mică.

Procesul de acumulare a sarcinilor sub acțiunea forței F nu se face instantaneu, necesitând, din contră un anumit timp ca particula să ajungă la sarcina limită. Viteza de încărcare scade succesiv pe măsură ce crește sarcina acumulată. Încărcarea încetează în momentul în care câmpul propriu al sarcinii acumulate echilibrează câmpul electric exterior.

Sarcina electrică acumulată de particulă va atinge o valoare limită atunci când , adică în momentul în care ionii nu mai pot ajunge până la suprafața sferei. În acest caz, expresia sarcinii electrice limită se poate scrie [3].

(3.13)

unde: εr – permitivitatea electrică a particulei

– intensitatea câmpului de descărcare corona

Mărimea sarcinii electrice la un moment t este dată de relația obținută de Pauthenier:

(3.14)

unde: N – numărul de sarcini elementare dintr-un cm3 de gaz

k – mobilitatea ionilor [cm2/ V.s]

t – timp caracteristic de încărcare [s]

Se definește raportul:

(3.15)

unde: – constanta de timp la încărcarea particulei

Fig.3.2.4 Viteza de încărcare a particulei în procesul încărcării prin câmp [7]

Mersul procesului de încărcare în câmpul de descărcare corona pentru o particulă sferică este reprezentat în fig.3.2.4[7].

Utilizând relațiile de mai sus s-au realizat curbele de încărcare (1,6×10-19 C) în funcție de diametrul particulei pentru diverse valori ale intensității câmpului electric, la temperatura de 140˚C (Fig. 3.2.5) (permitivitatea este considerată convențional: εr = 10)

Observații:

După cum rezultă din formulele de mai sus, sarcina particulei este în orice moment proporțională cu pătratul razei particulei, câmpul electric aplicat, densitatea ionilor, timpul de expunere, mobilitatea ionilor și constanta dielectrică a particulei. În consecință, particulele mari primesc sarcini considerabil mai mari în comparație cu particulele mai mici.

Se observă de asemenea că: pentru t = t0 și că t0 poate fi considerat o constantă de timp care determină proporția sau viteza de încărcare. Cu cât t0 este mai mic, cu atât este mai scurt timpul de încărcare și viceversa.

Fig. 3.2.5 Sarcina particulei funcție de diametrul particulei [13]

Ecuația (3.15) este redată grafic în figura 3.2.4 cu ca abscisă și ca ordonată. Rezultă că viteza de încărcare este relativ mare pentru  t < 2t0 și relativ mică pentru t > 4t0.

Aceasta înseamnă că o particulă va atinge aproximativ 75% din sarcina sa limită într-un timp relativ scurt, dar necesită un timp relativ lung pentru a atinge 90% din sarcina limită.

Prezintă interes determinarea valorii ce o poate avea t0 în condițiile întâlnite în practica depunerii electrice. Mobilitatea ionilor k variază într-o oarecare măsură, dar nu prea mult, la diferite gaze. Pentru scopul enunțat, valoarea lui k în aer la temperatura atmosferică pentru ionii de gaz negativi formați poate fi luată ca reprezentativă.

Valori tipice pentru N și k sunt [7][31]:

               N = 5 x 108 ioni/cm3, k = 2,2 cm/s/volt/cm,   e = – 1,6021 x 10-19 C

      Prin urmare, pentru aceste valori constanta de timp a încărcării este:

                   = 0,002 secunde 

 o durată foarte scurtă față de timpul afectat desprăfuirii gazului în electrofiltru.

Este evident că, timpul de încărcare al unei particule suspendate în gaz este atât de scurt încât poate fi neglijat în comparație cu timpul în care gazul parcurge zonele active ale electrofiltrului.

3.3 Procesul de încărcare prin difuzie

Difuzia ionică asigură încărcarea particulelor aflate în suspensie în gaze în absența unui câmp electric aplicat din exterior [10].

În aceste condiții, ionii prezenți în gaz primesc energie termică de la moleculele gazului și în general se supun legilor teoriei cinetice[4][7]. Mișcarea termică a ionilor îi face să difuzeze în gaz și să se ciocnească cu diferite particule solide ce se află acolo. Asemenea ioni aderă la particule datorită forțelor electrice de atracție de tip imagine (F4), care intră în joc în momentul în care ionii se apropie de particule. Acumularea sarcinii electrice pe particulă duce la creșterea câmpului propriu al particulei, care tinde să impiedice ionii suplimentari să atingă particula. Viteza de încărcare descrește pe măsură ce sarcina se acumulează pe particulă, în final devenind neglijabilă, iar procesul se oprește în întregime. Încărcarea prin acest mecanism se face pe toată suprafața particulei și necesită un timp îndelungat pentru a produce o valoare care să limiteze încărcarea.

Fig.3.3.1 Configurația liniilor de câmp și distribuția ionilor pentru

încărcarea particulei fără câmp electric exterior

Într-o regiune din spațiu fără câmp electric, putem considera că ionii au o repartiție uniformă în vecinătatea unei particule. În aceste condiții, pentru fiecare element de suprafață al unei particule, probabilitatea ciocnirii cu ioni este aceeași și particula poate acumula o anumită energie. Acest mecanism de încărcare prin difuzie are o importanță mai mare pentru particulele foarte fine, cu un diametru < 0,5 µm [10].

Cantitatea de sarcină acumulată depinde în acest caz de densitatea de ioni, viteza de agitație termică a acestora, de temperatura absolută a gazului, de timpul prezenței particulelor în regiunile unde se găsesc ionii și de talia particulelor.

Pe baza acestei teorii P.Arendt a dedus relația matematică privind mersul procesului de încărcare a particulelor în absența unui câmp electric aplicat din exterior, având forma următoare[3]:

(3.14)

Unde: – este constanta lui Boltzmann

– este temperatura absolută ()

– masa ionului (g)

– timpul de încărcare (s)

Având în vedere că în electrofiltre, particulele rămân în câmpul de descărcare corona numai un timp limitat de ordinul câtorva secunde, încărcarea particulelor cu raza pentru precum și a particulelor cu cu , intervine practic numai sub acțiunea câmpului electric de descărcare corona.

Fig. 3.3.2 Estimarea numărului de sarcini elementare acumulate de particule în

procesul de încărcare prin câmp și prin difuzie în aerul atmosferic

(T=293 0K, ,)[13]

Pentru mărimile particulelor și a câmpului electric indicate mai sus, valoarea sarcinilor trebuie determinată cu formulele indicate la încărcarea prin câmp electric în subcapitolul precedent. Pentru particulele fine cu cm, mărimea sarcinii este determinată de agitația termică a ionilor, calculul fiind efectuat cu relațiile indicate la încărcarea prin difuzie.

În figura 3.3.2 sunt reprezentate grafic ecuațiile de încărcare prin câmp pentru valori diferite ale lui E și ecuația de încărcare prin difuziune pentru [20].

Mecanismul termic de încărcare depinde de coliziunile dintre particule și ioni care se mișcă dezordonat datorită energiei cinetice termice.

În acest mecanism ritmul de încărcare al particulei este determinat de probabilitatea coliziunilor dintre o particulă și ioni. Dacă sunt ioni disponibili, încărcarea particulei se poate face în absența unui câmp electric aplicat.

Deci, ritmul de încărcare este lent, dar nu are niciodată valoarea zero ca în cazul mecanismului de încărcare prin alipirea ionilor în câmpul electric aplicat. Încărcarea prin acest mecanism se face pe toată suprafața particulei și necesită un timp relativ îndelungat pentru a produce o valoare care să limiteze încărcarea.

3.4 Mișcarea particulelor în prezența descărcării corona

În spațiul dintre electrozii de emisie și depunere asupra unei particule încărcate cu sarcină electrică vor acționa următoarele forțe[10]:

Forța de antrenare a particulei determinată de viteza curentului de gaze ce trece prin câmpul electric și se poate determina cu relația:

(3.15)

Unde: d – diametrul particulei

– masa specifică [kg/m3]

– viteza de deplasare a gazului

Fig.3.4.1. Deplasarea particulei spre electrodul de depunere

Forța gravitației F2 care acționează în sensul accelerației este dată de următoarea relație:

(3.16)

Unde: – masa specifică a particulei de praf, [kg/m3]

– masa specifică a mediului gazos,

Pentru praf, forța are o valoare relativ redusă, datorită dimensiunilor mici ale particulelor. Vitezele de cădere în aer atinse de particule, prin efectul forței de gravitație, depind de dimensiunile și de greutatea lor specifică.

Efectul mecanic al curentului de ioni asupra unei particule de gaz în câmpul de descărcare corona, care produce mișcarea gazului de la electrodul corona spre electrodul de depunere, este denumit vânt electric și determină forța .

Forța vântului electric este dată de produsul dintre sarcina spațială a gazului ionizat și intensitatea câmpului electric și reprezintă efectul mecanic al curenților de ioni asupra unei particule de praf în câmpul de descărcare corona. Vântului electric poate varia între 0,5 și 1m/s; acest vânt duce la o egalizare a concentrației ionilor, ușurând procesul de depunere al particulelor în suspensie. Influența forței F3 are importanță numai în cazul în care viteza de curgere a gazului în electrofiltru este sub 1 m/s.

Forța cu care câmpul acționează asupra particulei aflată în suspensie, încărcată cu sarcină electrică este exprimată de relația:

(3.17)

Fig.3.4.2 Forțele ce acționează asupra unei particule

de praf în electrofiltru

Forța de polarizație este o forță ce acționează asupra particulei neîncărcate aflată într-un spațiu de câmp neuniform. Aceasta înseamnă că în dreptul electrodului corona, unde particula nu este încărcată va avea o valoare mai ridicată urmând să scadă accentuat pe măsură ce se apropie de electrodul de depunere și se încarcă.

Forța produsă de polarizarea particulei are forma:

(3.18)

unde: r – raza particulei, Ep – câmpul electric.

Forța de rezistență a mediului gazos F6 care se opune deplasării particulei spre electrodul de depunere este dată de relația:

(3.19)

Unde : – masa specifică a particulei

– viteza de deplasare a particulei

A – suprafața proiecției pe direcția mișcării

– coeficientul de rezistență care depinde de: viteza particulelor,

dimensiunea lor, densitatea și vâscozitatea gazelor

Din analiza forțelor care acționează asupra unei particule, ținându-se seama de faptul că și făcându-se abstracție de , ca urmare a dimensiunilor mici ale particulelor, deplasarea devine bidimensională. În electrofiltre gazele având o mișcare turbulentă și prin urmare, direcția forței care este predominantă va varia în timp.

Efectul forței este un efect de sedimentare direct proporțional cu diametrul particulei și se poate neglija sub domeniul de aplicare al legii lui Stokes.

Prin urmare o influență hotărâtoare asupra procesului electric de separare o au în principiu forțele tirajului de gaz , acțiunea câmpului electric asupra sarcinii particulei , precum și forța de rezistență a mediului gazos .

3.5 Depunerea particulelor pe electrodul de depunere

Sub influența forțelor câmpului electric, particulele încărcate ajung la electrodul de depunere cu o anumită viteză condiționată de mărimea și de materialul particulelor, precum și de intenstatea câmpului din spațiul dintre electrozii de emisie și depunere.

Pe suprafața electrodului de depunere, particulele cedează sarcinile acumulate și sub influența gravitației sau a forțelor produse de mecanismele de scuturare, cad în buncărul colector. Mersul procesului de descărcare este în realitate mult mai complicat, din cauză că intervine concomitent și un proces de încărcare cu ioni venind din spațiul dintre electrozi, precum și alte fenomene, rezultând menținerea prafului pe suprafața de depunere.

În momentul când particula vine în contact cu planul electrodului de depunere intervine, datorită polarității lor contrare, scurgerea sarcinilor particulei spre placă. Tot odată însă, împreună cu scurgerea sarcinii intervine și un proces de încărcare a particulei prin ionii de gaz care vin din spațiul dintre electrozi.

Ca rezultat al descărcării și încărcării concomitente, pe particulă se poate menține o anumită sarcină electrică, aceasta fiind una dintre cauzele acumulării prafului pe electrodul de depunere.

Dacă procesul de descărcare predomină față de încărcare după un anumit timp, care depinde de rezistența electrică între particulă și electrodul colector, intervine pierderea sarcinii particulei și se creează condiții care permit căderea particulei în buncărul de praf.

Fig.3.5.1. Forțele ce acționează asupra particulei de praf pe

electrodul de depunere

În momentul în care particula intră în contact cu electrodul de depunere asupra particulei vor acționa următoarele forțe:

Forța , rezultă din acțiunea reciprocă dintre sarcina particulei și dintre o sarcină indusă de particula încărcată, care constituie o imagine în oglindă a sarcinii particulei și care o atrage spre suprafața electrodului de depunere.

(3.20)

Unde: d – diametrul particulei

qp – sarcina particulei

Forța de atracție a particulei de placă și care acționează în imediata apropiere a electrodului de depunere. Aceasta este o forță de proveniență mecanică și reprezintă atracția intermoleculară a forțelor capilare de aderență. Forța vântului electric nu se ia în considerare, întrucât aceasta nu ajunge la electrodul de depunere.

(3.21)

unde : C și C1 – constante adimensionale

Contactul cu suprafața de depunere se realizează cu o viteză condiționată atât de mărimea și materialul particulei, cât și de intensitatea câmpului.

În raționamentul ce urmează se vor neglija forțele intermoleculare ale moleculelor mari, care se întâlnesc în practică, ținând cont de valoarea lor relativ mică în comparație cu alte forțe ().

Condiția de echilibru a forțelor ce acționează asupra unei particule de praf, care se găsește pe un electrod de depunere neted, vertical, este:

(3.22)

(3.23)

În momentul echilibrului, particula sub acțiunea gravitației sau sub acțiunea concomitentă a forțelor mecanice de scuturare și a forței de gravitație părăsește suprafața electrodului colector și cade în buncărul de praf.

Forța principală care determină menținerea în momentul respectiv a unei particule pe electrod, este forța a câmpului electric de la electrod, acționând asupra sarcinii pe care particula o are.

Mărimea sarcini particulei depinde de raportul dintre viteza de încărcare și viteza de descărcare pe suprafața electrodului colector.

În momentul în care particula încărcată vine în contact cu planul elctrodului, particula începe să se descarce prin rezistența R dată de următoarea relație:

(3.24)

Unde: – este rezistența de volum a particulei

– este rezistența de suprafață a particulei

– este rezistența de contact dintre particulă și electrodul colector

Ecuația pentru variația sarcinii particulei dQ după trecerea timpului are forma:

(3.25)

Unde: J – este curentul de descărcare a particulei prin rezistența R

– este creșterea sarcinii prin adaosul de ioni care provin din spațiul dintre electrozi

Deoarece curentul de descărcare J și creșterea sarcinii nu sunt constante în timp, depinzând de mărimea sarcinii care se găsește deja pe particulă, după un anumit timp dQ=0. În acest caz rezultă următoarea relație:

(3.26)

Această ecuație determină momentul când procesul de încărcare echilibrează descărcarea. În acest caz particula rămâne la sarcina finală Q(r) care depinde de valoarea rezistenței R. Mărimea acestei sarcini se exprimă prin inegalitatea:

(3.27)

Unde: este intensitatea câmpului electric la electrodul de depunere în punctul în care se găsește particula, este constanta dielectrică a materialului particulei și este numărul de sarcini elementare într-un cm3 de gaze.

Intensitatea câmpului este suma vectorială dintre câmpul determinat de sistemul de electrozi și câmpul electric produs de sarcinile particulelor ce se găsesc pe electrod:

(3.28)

Pentru o intensitate determinată a câmpului și a curentului corona, sarcina depinde evident de rezistență, deci de materialul particulei.

Mărimea sarcinii finale Q(r), precum și forța cu care va fi apăsată pe electrod, vor depinde de rezistența particulei de praf:

(3.29)

Considerentele de mai sus arată că pe electrodul de depunere rămân numai particulele foarte fine, pentru care forțele de adeziune sunt importante, celelalte sunt antrenate de forța de gravitație și forța aerodinamică și cad în buncăre.

3.6 Eliminarea materialului colectat

La depunerea uscată eliminarea materialului colectat de pe plăcile de colectare și

din dispozitivele de transport al materialului din electrofiltru, reprezintă trepte fundamentale ale procesului de depunere, pentru că materialul colectat trebuie eliminat din electrofiltru și pentru că acumulările excesive de straturi groase pe plăci trebuie evitate pentru a asigura condiții optime de funcționare.

Materialul depus pe plăcile de colectare este de obicei dislocat mecanic sau prin vibrarea plăcilor, proces ce se numește scuturare. Materialul dislocat cade datorită forței gravitaționale în buncărele ce se află sub plăci, fiind astfel îndepărtat din electrofiltre.

Fig.3.6.1 Stratul de particule depus pe electrodul de depunere

Efectul scuturării asupra procesului de colectare este determinat în primul rând de

intensitatea și frecvența forței aplicate plăcilor. În mod ideal, intensitatea de scuturare trebuie să fie suficient de mare pentru a îndepărta o parte importantă a materialului colectat, dar nu atât de mare încât să împingă materialul înapoi în curentul principal de gaze.

Frecvența de scuturare trebuie reglată astfel încât să se poată îndepărta un strat mai gros între scuturări cu mai multă ușurință, fără a deregla condițiile electrice din interiorul electrofiltrului.

În practică, intensitatea și frecvența optimă de scuturare trebuie determinate experimental. În cazul unei scuturări perfecte stratul de material colectat nu ar fi reantrenat, n-ar migra în jos către placa de colectare prin alunecare, fiind menținut de forțele electrice și lăsat să cadă datorită forțelor de scuturare.

În prezent nu există modele care să permită în mod adecvat distribuția accelarației pe electrozii de depunere datorită forței de scuturare precum și mărimii și direcției accelerației necesară eliminării unui strat cu anumite proprietăți fizice și electrice. Astfel de modele sunt necesare pentru îmbunătățirea sistemelor de scuturare.

Fig. 3.6.2 Colectarea prafului în buncăre

De asemenea, este nevoie de modele pentru prevederea efectelor scuturării asupra performanței electrofiltrului și pentru prevederea mărimii particulelor și distribuției concentrațiilor materialului reantrenat.

În prezent efectele asupra performanței electrofiltrului datorită reantrenării prin scuturare sunt prevăzute empiric pe baza măsurătorilor la fața locului.

STUDII EFECTUATE PE INSTALAȚII EXPERIMENTALE

4.1 Necesitatea investigării experimentale

Relația dintre randamentul de desprăfuire al unui electrofiltru și factorii de influență este exprimată de formula exponențială stabilită de Deutsch [9]:

(4.1)

Din analiza modelului lui Deutsch, se constată că randamentul depinde de mărimea electrofiltrului (zona activă aflată sub înaltă tensiune). Teoretic rezultă că, cu cât va fi mai mare câmpul (camera electrofiltrului) cu atât mai mare va fi randamentul de separare care se obține.

Pentru electrofiltrele ce echipează grupurile energetice din țara noastră, la care datorită spațiului redus în care sunt amplasate nu se pot mări dimensiunile câmpului (camerei), un rol foarte important în stabilirea randamentului de desprăfuire îl are optimizarea câmpului electric din zona activă a electrofiltrului.

Forma și dimensiunile electrozilor de emisie, poziția relativă a electrozilor de emisie și depunere, forma și dimensiunile electrozilor de depunere, parametrii gazo-dinamici ai sistemului gaz-praf, natura și rezistivitatea electrică a pulberilor sunt caracteristici importante pentru câmpul electric și suprafața de colectare.

Din ecuația teoretică a lui Deutsch, randamentul este invers proporțional cu distanța dintre electrozi.

Dacă se micșorează spațiul dintre electrozii de depunere, se micșorează drumul pe care particula de praf încărcată cu sarcină electrică îl are de străbătut de la electrodul de emisie la electrodul de depunere. Posibilitatea ca o particulă încărcată să se depună este cu atât mai mare cu cât pasul este mai mic, dar rigiditatea dielectrică a mediului dispers gaz-praf condiționează pe de altă parte valoarea tensiunii de alimentare și implicit intensitatea câmpului electric din electrofiltru.

Dacă pentru obținerea unui randament s-ar adopta o distanță mult mai mică, permițând însă apariția descărcării corona, ar trebui să se pună condiția ca electrozii să aibă o suprafață foarte netedă. Această condiție nu poate fi realizată la electrofiltrele industriale din cauza cantității mari de praf care acumulându-se pe suprafețele de depunere poate forma straturi locale, fapt ce conduce la străpungeri între electrozi. În afară de aceasta, electrozii de depunere frecvent folosiți la electrofiltrele industriale au o construcție cu denivelări ale suprafeței, cum sunt de exemplu electrozii de tip CSV.

La electrofiltrele cu distanțe mici între electrozii în funcționare apar străpungeri, ceea ce necesită reducerea tensiunii de alimentare și implicit reducerea intensității câmpului electric în interiorul electrofiltrului. Asigurarea stabilității de funcționare a electrofiltrului determină limita inferioară a distanței dintre electrozi (h).

Electrofiltrele cu valori mari ale distanței dintre electrozii de semn diferit (h), realizează un curent considerabil mai mare pe unitatea de lungime a electrozilor, deci intensități mai mari a câmpului electric din electrofiltru. Mărirea în continuare a distanței dintre electrozi conduce la un electrofiltru care, pentru un randament dat, consumă prea multă energie electrică. Acest considerent și cele menționate mai sus, stabilește limita superioară economică a distanței dintre electrozi.

Alegerea distanței optime dintre electrozii de emisie și depunere se bazează pe obținerea curentului specific maxim pe unitatea de suprafață de depunere. Este cunoscut faptul că, în cazul unei descărcări corona într-un sistem plan de electrozi, apare o neomogenizare a câmpului electric. Astfel, în spațiile care se găsesc între sârme și în apropierea axei care trece prin acestea, câmpul electric este slab din cauza fenomenului de ecranare a sârmelor având aceeași polaritate. Fiecare din sârme (electrod de emisie) provoacă o scurgere a curentului descărcat prin efect corona spre o anumită suprafață a plăcii de unde rezultă că intensitatea dată a câmpului electric se poate obține la o densitate liniară mai mică de curent decât într-un câmp simetric.

În consecință, alegerea pasului dintre electrozi se face pe bază de experimentări, făcându-se un compromis între asigurarea unei suprafețe de depunere cât mai mare și realizarea unor câmpuri electrice intense.

Până acum s-a presupus că tot curentul continuu furnizat de sursa de alimentare este distribuit în mod egal pe întreaga suprafață a electrodului de depunere. Totuși nu acesta este adevărul. Figura 4.1.1 arată cum este realitatea. Comparăm două tipuri de electrozi de emisie E.E, din sârmă subțire rotundă față de un electrod cu vârfuri pronunțate (tip Isodyn B5). Bineînțeles că densitatea de curent este mai mare pe electrodul de depunere ED, chiar în dreptul electrodului de emisie, așa cum se vede în figură.

În ambele cazuri densitatea medie este aceiași IA. Această valoare este cea pe care o vedem pe aparatul de măsură al puterii de alimentare. Electrodul din sârmă are emisia Corona bine distribuită în lung și pe circumferință. Ca urmare curba sa de distribuție a densității de curent este mai aplatizată decât cea a electrodului cu vârfuri. Suprafața netedă a sârmei constituie milioane de puncte Corona disponibile pe când la celălalt electrod numărul acestora este limitat la doar câteva sute de vârfuri.

.

Fig. 4.1.1- Distribuția de curent pentru un electrod din sârmă

și un electrod cu vârfuri

Am arătat mai înainte că densitatea curentului nu trebuie să fie prea scăzută. Să presupunem că densitatea de curent nu trebuie să fie mai mică decât IL pentru tipul de praf studiat. În același timp densitatea de curent nu trebuie să fie nici prea mare, se presupune că nu trebuie să fie mai mare decât IH pentru a împiedica corona inversă sau astuparea electrodului de depunere. Curba de distribuție pentru sârmă este situată între limitele IL și IH. Cealaltă curbă are zone în care densitatea de curent I este prea scăzută și zone în care densitatea de curent este prea ridicată.

Toate aceste zone locale din întreg electrofiltrul fac să scadă performanțele globale ale desprăfuirii. Alegerea electrodului de emisie este importantă în special pentru praf cu rezistivitate mare. Prin urmare densitatea de curent poate fi evaluată numeric pentru multe combinații de electrozi de emisie și electrozi de depunere. Pe astfel de măsurători se bazează soluțiile de echipare a electrofiltrelor industriale care să asigure un randament ridicat. Pentru a minimiza numărul zonelor în care densitatea de curent este în afara limitelor este necesară o geometrie a electrozilor de emisie, aleasă în urma unor testări complete de laborator sau pe instalații reale.

În ultimii ani, firmele specializate în construcția electrofiltrelor au trecut la comercializarea electrofiltrelor cu pas mărit. În Europa și SUA majoritatea firmelor utilizează pasul de 400 mm, în Japonia se utilizează pasul de 600 mm.

Având în vedere tendința pe plan mondial și național de a generaliza pasul de 400 mm, scopul acestui studiu a fost acela de a efectua cercetări pentru trecerea la pași cuprinși între 300 mm și 400 mm pentru anumiți electrozi de depunere și o amplasare optimă a electrozilor de emisie în structura ramei cu electrozi de emisie, pentru ca întreg spațiu din zona activă a electrofiltrului să fie ocupat de un câmp electric eficient.

Pentru atingerea obiectivului sus amintit este a fost necesară determinarea caracteristicii tensiune-curent pentru toate tipurile de electrozi de emisie utilizați în practica desprăfuirii electrostatice, utilizați de marile firme și institute de specialitate din domeniul electrofiltrelor.

Această caracteristică numită legea de variație a curentului de descărcare corona funcție de tensiunea aplicată (caracteristica Towched) [6], este deosebit de importantă pentru dimensionarea agregatelor de înaltă tensiune care alimentează electrofiltru [4].

Prin ridicarea acestei caracteristici se poate recomanda, la o anumită distanță între electrozii de polaritate diferită și anumiți electrozi de depunere, tipul de elctrozi de emisie care să asigure o descărcare corona eficientă. Pe de altă parte din curbele curent-tensiune se pot obține informații cu privire la tensiunea de amorsare corona (tensiunea de prag) și domeniul de funcționare sigură și economică a electrofiltrului [12].

Aceste caracteristici necesare în dimensionarea instalației de desprăfuire electrică sunt deosebit de dificil de determinat prin calcul din relații matematice. Spre exemplu este deosebit de dificil să se pună în evidență prin relații matematice simple influența vârfurilor sau muchiilor electrozilor asupra distribuției câmpului electric și densității de curent, de multe ori ipotezele simplificatoare introduse conduc la erori mari.

Toate aceste considerații conduc la necesitatea investigării experimentale a caracteristicii curent–tensiune pentru diferite configurații de electrozi de emisie și depunere, în vederea stabilirii corecte a punctului de funcționare din punct de vedere al parametrilor electrici și a dimensionării echipamentului de înaltă tensiune.

4.2 Descrierea instalației experimentale

Instalația experimentală pilot necesară stabilirii tehnologiei de desprăfuire, prezentată schematic în figura de mai jos, a fost construită în laboratorul de protecția mediului din cadrul ICPET București, pe programul RELANSIN și programul MENER, în colaborare ICPET București- F.E Turceni și constă din trei subansamble importante:

Instalația pentru obținerea gazelor tehnologice care simulează parametrii tehnologici de funcționare din instalațiile reale

Electrofiltru pilot cu plăci

Instalația de alimentare cu energie electrică

Fig. 4.2.1 Schema instalației experimentale destinată reținerii poluanților gazoși

din gazele tehnologice

Instalația pentru obținerea gazelor tehnologice

Generator de gaze de ardere. Furnizează gazele de ardere necesare simulării proceselor industriale generatoare de noxe gazoase și praf  și este prevăzut cu un arzător de tip APR45 ce funcționează cu combustibil lichid ușor (CLU). Cu ajutorul generatorului de gaze de ardere se asigură totodată, temperatura dorită a gazelor ce urmează a fi supuse epurării electrostatice.

Sistemul de preparare și injecție aditivi este alcătuit din pulverizatorul de apă și dispozitivul de reglare al debitului de apă și are un dublu rol: asigură concentrația de vapori de apă necesară regimului de lucru, deci condiționarea cu vapori de apă a gazelor și răcirea gazelor poluante până la temperatura dorită. Apa este livrată la pulverizator de o pompă de tip SADU M50-40-105×2 cu următoarele caracteristici: Q=2 m3/h, H=20m, N=1,5 Kw, n=2900 rot/min, motor tip B3 U220/380V.

Fig. 4.2.2 . Schema instalației de generare și condiționare gaze industriale (IGCGI)

1 –arzător ACLU 26, 2 – cuptor, 3 – rezervor CLU cu încălzire, 4 – injector apă, 5 – punct măsură, 6 – instalație experimentală tratare gaze,7, 8 – clapeta închidere, 9 – ventilator evacuare, 10 – coș gaze,

Ventilatorul de gaze arse asigură transportul mediului dispers gaze-praf prin electrofiltru. El poate asigura transportul unui debit de gaze de max. 6300 m3/h cu o depresiune maximă de 500mmCA.

Sistemul de evacuare praf: compus dintr-un transportor elicoidal și un dozator celular.

Instalația de dozare a prafului are drept scop asigurarea unei concentrații de cenușă în gazele de ardere la nivelul cerut de proces. Se compune din: buncăr de praf, dozator și ejector de praf cu diuză care folosește aer comprimat pentru insuflarea prafului.

Cu ajutorul acestei instalații se realizează dispersia prafului în curentul de gaze, deci concentrația de praf la intrarea în electrofiltru.

Electrofiltru pilot

Poate desprăfui un debit de gaze de 2000 m3/h și este compus din următoarele subansamble: carcasă, buncăre de colectare praf, sistemul de evacuare a prafului, echipamentul interior, sistemul de alimentare și distribuție energie electrică.

Carcasa, este o construcție metalică, cu dimensiunile 5000 x 1314 x 1038 mm și este dotată cu 6 uși demontabile, câte 3 pe fiecare latură, facilitând accesul la echipamentul interior.

Buncărele au rolul de a colecta praful separat electrostatic. Ele sunt în număr de trei, câte unul pentru fiecare câmp al electrofiltrului pilot.

Echipamentul interior este structurat în trei zone electrice (câmpuri) alimentate de la un echipament de înaltă tensiune tip AIT 560mA/78 KV, prin intermediul a trei capete terminale și șase izolatori de susținere.

Fig. 4.2.3 .Model experimental pentru testarea tehnologiei de reținere a particulelor de cenușă din gaze:1- echipament interior, 2- buncăr praf, 3- conducta admisie gaz+praf

Echipamentul interior se compune din nouă panouri de depunere și șase rame de emisie (electrofiltru pilot este un electrofiltru cu două treceri, cu pas reglabil între 300 și 400 mm). Ramele de emisie sunt prevăzute cu dispozitive de scuturare cu came, acționate cu motoare de curent alternativ cu putere de 0,37KW și turație n= 300 rot/min.

Acționarea se face prin intermediul a două reductoare de turație cu raport de transmisie z=1/50. Datorită sistemului flexibil de fixare, ramele de emisie pot fi echipate în funcție de doleanță cu diverse tipuri de electrozi, dispuși în schema dorită și la distanțe variabile între 140 mm și 600 mm (între doi electrozi succesivi aflați pe aceiași ramă).

Prinderea echipamentului interior este realizată astfel încât schimbarea electrozilor de emisie și depunere să se facă ușor și la un pas adaptiv. Ca electrozi de colectare se folosesc electrozii de tip CSV.

.

Fig. 4.2.4. Electrofiltrul pilot în etapă intermediară de montaj

Caracteristicilor constructive ale electrofiltrului pilot sunt redate în tabelul 4.1

Tabel 4.1

Sistemul de alimentare cu energie electrică

Toate utilitățile precum și echipamentul de înaltă tensiune sunt alimentate cu energie electrică dintr-un dulap de servicii auxiliare care permite deservirea automată a standului (scuturarea echipamentului interior, alimentarea cu înaltă tensiune, evacuarea prafului, alimentarea ventilatorului de gaze). Circuitele de alimentare sunt prevăzute cu protecții la suprasarcină, scurtcircuit și supratensiune.

Alimentarea cu energie electrică a ramelor de emisie se face de la un echipament de înaltă tensiune de tip A.I.T 560 mA / 78 kV prevăzut cu un redresor de înaltă tensiune negativă, prin intermediul a două capete terminale (unul pentru alimentarea câmpului 1 și altul pentru alimentarea câmpurilor 2 și 3). Echipamentul de înaltă tensiune poate fi dotat cu sistem de pulsare și poate furniza tensiuni în curent continuu și impulsuri de înaltă tensiune în domeniul milisecundelor cu frecvențe variabile. Sistemul de alimentare cu energie electrică al standului experimental este prezentat schematic în figura 4.2.5

Fig.4.2.5. Schema electrică de principiu a instalației pilot

4.2.4 Tipuri de electrozi de emisie utilizati la teste

După cum se știe electrodul de emisie este electrodul în jurul căruia se produce descărcarea Corona. În majoritatea cazurilor, electrozii corona se execută sub formă de sârme, bare sau alte profile, prevăzute cu margini sau vârfuri ascuțite cu o rază mică de curbură.

Se deosebesc două clase de electrozi de emisie:

– electrozi cu muchii sau suprafețe active continue (=1,5mm; 2mm; 2,5mm), electrod spiralat, electrod tip Fe-Stern, electrod tip lamelă cu secțiune dreptunghiulară și electrodul tip lamelă cu secțiune pătrată).

– electrozi cu vârfuri ascuțite având puncte concentrate de emisie( electrod Isodyn B5, Isodyn B5M, electrod Isodyn W22, electrod cu țepi, electrod tip sârmă ghimpată, electrod cu dornuri).

Electrozii din sârmă rotundă sunt folosiți în general în electrofiltrele umede, în special în cele pentru reținerea lichidelor: gudroane, uleiuri, emulsii. Diametrul sârmei se alege în funcție de curentul necesar. De asemenea, electrozii rotunzi se pot utiliza cu succes la electrofiltrele uscate pentru prafuri neaderente.

Pentru prafuri care formează ușor aderențe se folosesc electrozi cu muchii ascuțite. Electrozii cu secțiune stelată (Fe-Stern) au răspândire largă în special pentru gazele de ardere de la cazane.

Electrozii cu vârfuri se disting în general prin realizarea unui curent mai mare în comparație cu sârme rotunde cu diametru mai mare.

Alegerea unui anumit tip de electrozi într-un electrofiltru trebuie să se bazeze pe cunoașterea aprofundată a condițiilor de funcționare a electrofiltrului, precum și a caracteristicilor mediului bifazic.

În funcție de condițiile de funcționare electrozii de emisie se execută din diferite materiale: oțel carbon, oțel special, crom-nichel, nichelină, cupru, plumb, etc.

Pentru gazele de ardere de la cazane se folosește oțel obișnuit sau oțel aliat, care asigură o durată de viață mai mare și prezintă rezistență mai mare la electroeroziune și uzură prin frecare. În cazul utilizării oțelurilor inoxidabile pe lângă înlăturarea coroziunii rapide se asigură o netezime mai mare a suprafeței, fapt ce contribuie la menținerea curată a electrozilor de emisie.

Fig.4.2.6 – Profile de electrozi de emisie

Pentru gaze fierbinți (la temperaturi peste 3000C) se recomandă folosirea unor materiale refractare. Pentru gaze conținând sulf, trebuie evitate materialele în compoziția cărora intră nichel și care sunt puțin rezistente la coroziunea intercristalină, neasigurând în consecință o durată de viață suficientă.

Pentru desprăfuirea pe cale umedă a gudroanelor, uleiurilor se folosește oțel inoxidabil, iar pentru gaze de furnal electrozii se realizează din sârmă de cupru.

Pentru desprăfuirea umedă a gazelor de la prăjire în cazul producției de acid sulfuric se folosesc electrozi bimetalici (manta din plumb iar inima din sârmă de cupru sau de oțel). În cazul proceselor din industria chimică se mai utilizează: aluminiu, ferosiliciu, aliaje cu wolfram, etc.

4.3 Variante analizate și rezultate obținute

Pe instalația pilot prezentată în laboratorul din cadrul SC ICPET-SA Divizia Protecția mediului s-au testat toate tipurile de electrozi de emisie utilizați în tehnica desprăfuirii electrostatice în următoarele variante:

– Varianta 1, pentru pas 2h=300 mm ( conform figurii fig.4.3.2.b)

– Varianta 2, pentru pas 2h=380 mm (conform figurii fig.4.3.2.b)

– Varianta 3, pentru pas 2h=400 mm (conform dispunerii din figura 4.3.2 a)

Testele au fost efectuate pe un electrofiltru model din plexiglas cu circulație de aer și fără circulație de aer, alimentat cu tensiune înaltă de la un agregat clasic tip EIT 560 mA/78 kV. Electrozii de depunere (tip CSV) care au fost utilizați la teste au o suprafață de depunere de 0,5 m2 și sunt conectați la masă prin intermediul unui miliampermetru. Lungimea electrozilor de emisie este de 0,7 m.

În lucrare sunt prezentate doar primele 2 variante de teste întrucât rezultatele obținute la varianta 3 sunt identice cu rezultatele obținute în varianta 2.

a. b.

Fig.4.3.2 – Dispunerea panourilor de depunere față de electrozii de emisie

Electrozii tip sârmă

Au fost testați electrozii de emisie tip sârmă confecționați din OL37, având diametrele: = 1,5 mm (montați în câmpul nr 1), = 2 mm (montați în câmpul nr 2), = 2,5 mm (montați în câmpul nr 3) la pas de 2h= 300 mm, 2h= 380 mm (cf. fig. 4.3.2.b) și 2h= 400 mm (cf. fig.4.3.2. a). Valorile determinate prin măsurători și prin calcule sunt redate în tabelele 4.2 și 4.3.

Tabel 4.2

În figura 4.3.3 și figura 4.3.4 se prezintă comparativ capacitatea de emisie a sârmelor de diverse diametre, la pas de 300 mm, respectiv 380 mm.

Așa cum se poate observa din curbele curent-tensiune prezentate, mărirea distanței (pasului) dintre electrozii de aceeași polaritate deplasează caracteristica curent-tensiune spre dreapta astfel că, se poate obține aceeași capacitate de emisie la tensiuni înalte mai mari cu cca. 5-12 kV. În plus spațierea mai largă reduce panta de creștere a curentului, deci lărgește plaja de funcționare stabilită (cuprinsă între tensiunea de amorsare a efectului Corona și finalul cotului curbei). Curentul specific mai mare apare în cazul sârmelor mai subțiri pe când în cazul diametrelor mai mari, curentul este mult mai mic.

Fig. 4.3.3 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip sârmă

diametru de 1,5 ; 2 ; 2, 5 mm, la pas de 2h = 300 mm

Fig.4.3.4 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip sârmă

diametru de 1,5; 2; 2,5 mm, la pas de 2h = 380 mm

Acest lucru permite utilizarea electrozilor cu diametre mari în cazurile când diferența între tensiunea de apariție a efectului corona și tensiunea de străpungere este relativ mică.

Tabel 4.3

Electrodul spiralat

Pentru intensificarea efectului de autocurățire a electrofiltrului în timpul funcționării unele firme folosesc sârme ondulate cu secțiune continuă. Autocurățirea electrozilor se bazează pe fenomenul vibrării electrozilor în timpul descărcării corona. Praful desprins prin vibrare alunecă în acest caz pe electrod, căzând apoi în buncăr.

Electrozii spiralați testați au fost realizați din sârmă de oțel cu = 3 mm, prin îndoire pe dorn cu = 30 mm. Rezultatele obținute în urma testărilor sunt redate în tabelul 4.4, iar curbele curent-tensiune la pas de 300 mm, respectiv 380 mm sunt redate în figura 4.3.5.

Tabel 4. 4

În timpul determinărilor s-a observat că, părțile de sârmă apropiate de electrozii de depunere constituie oarecum puncte de emisie intensificată. Electrozii de emisie spiralați se recomandă în cazul prafurilor cu aderență relativ mare. Așa cum se poate observa și din caracteristicile trasate la pas de 380 mm, caracteristica curent-tensiune este mult mai puțin abruptă, fapt ce indică folosirea cu succes a acestui tip de electrod în cazul unor instalații cu conținut scăzut de praf.

Fig. 4.3.5 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

spiralat la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Electrodul Fe-Stern

Acest tip de electrod se distinge printr-o rigiditate însemnată și o emisie bună. Așa cum se poate vedea și din tabelul 4.5 creșterea de curent este mai lentă, fapt ce contribuie la lărgirea benzii de dezvoltare a fenomenului corona. În plus muchiile ascuțite permit autocurățirea electrozilor de emisie.

Tabel 4.5

Fig. 4.3.6 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

Fe- Stern la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Caracteristicile curent-tensiune pentru electrozii Fe-Stern sunt prezentate în figura 4.3.6. Acest tip de electrod se recomandă a fi folosiți în special pentru desprăfuirea gazelor de ardere de la cazanele din industria energetică.

Electrodul Isodyn B5

Electrodul Isodyn B5 face parte din categoria electrozilor cu vârfuri. Datorită vârfurilor acest tip de electrod prezintă puncte de a emisie concentrate.

Capacitatea de emisie depinde în acest caz de poziția vârfurilor față de ansamblul electrozilor de depunere.

Așa cum se poate observa și din caracteristicile curent-tensiune, acest tip de electrod se caracterizează printr-un curent mai mare decât cel dat de electrozii netezi.

Rezultatele experimentale obținute pentru acest tip de electrod sunt redate în tabelul 4.5.

Caracteristicile curent-tensiune la pas de 300 mm, respectiv 380 mm sunt prezentate în figura 4.3.7.

Deoarece panta de creștere a curentului este mare, acest tip de electrod se recomandă pentru prafurile care aderă ușor pe electrozii de emisie sau unde cantitatea de praf este mare.

Tabelul 4.5

Fig. 4.3.7 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

Isodyn B5 la pas de 2h = 350 mm și 2h = 380 mm

Electrodul Isodyn W22

Acest tip de electrod este prevăzut cu vârfuri numai pe o singură parte. Pentru a asigura corona uniformă în tot spațiul dintre electrozii de depunere, vârfurile electrozilor trebuie orientate corespunzător. Pe rama de emisie se va alterna orientarea vârfurilor, în caz contrar datorită concentrării câmpului electric într-un singur semispațiu, unul din electrozii de depunere va fi încărcat cu praf, iar celălalt va ramane curat.

Acumularea prafului pe electrod favorizează apariția descărcării chiar la nivele scăzute de tensiune, fenomenul de reantrenare ducând la scăderea randamentului de desprafuire.

Datorită dispersiei mai mari a punctelor de concentrare a emisiei de-a lungul ramei de emisie, caracteristicile curent-tensiune nu mai sunt atât de abrupte ca la electrodul Isodyn B5.

Rezultatele experimentale sunt redate în tabelul 4.6, iar curbele curent – tensiune sunt redate în figura 4.3.8.

Tabel 4.6

Fig. 4.3.8 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

Isodyn W22 la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Având în vedere modul în care este distribuit câmpul electric în lungul filtrului, precum și dispersia punctelor de concentrare a emisiei acest tip de electrod se recomandă pentru viteze mari ale gazului portant și cantități mari de praf. La pas de 380 mm electrodul se comportă mai bine din punct de vedere al tensiunii de lucru asigurând Corona uniformă în banda 28-44 kV.

Electrod Isodyn B5M

Acest electrod nu a fost utilizat până în prezent în tehnica desprăfuirii electrice a gazelor și nici nu este menționat în literatura de specialitate.

Pentru testarea și verificarea capacității de emisie a fost realizat un set de electrozi din bandă de oțel cu lățimea de 5mm și grosimea de 1,5mm. Forma electrodului este prezentata în figura 4.2.6.a.

Datorită distanțelor mici între două vârfuri succesive (30mm) se obține în acest caz o concentrare mai puternică a câmpului electric, deci o emisie mai puternică la nivele relativ scăzute ale tensiunii. Ionizarea mediului dispers se produce la valori mici ale tensiunii, amorsarea fenomenului Corona făcâdu-se în jurul valorii de 10 kV.

Tabelul 4.7

Rezultatele obținute în cazul testării acestui tip de electrod sunt redate în tabelul 4.7.

Fig. 4.3.9 Depunerea de praf pe electrodul de depunere în dreptul

electrodului de emisie Isodyn B5

Fig. 4.3.10 Depunerea de praf pe electrodul de depunere în dreptul

electrodului de emisie Isodyn B5M

Fig.4.3.11 Comparație între stratul de praf depus pe electrodul de depunere în dreptul unui electrod de emisie Isodyn B5 și în dreptul unui electrod Isodyn B 5M.

Fig. 4.3.12 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor

Isodyn B5M la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Pe baza datelor experimentale, au fost ridicate curbele curent-tensiune pentru aceeași configurație geometrică, la pas de 2h=300 mm, respectiv 2h=380 mm.

Pe instalația pilot dar si pe o instalatie industriala, a fost analizat stratul de praf depus pe electrodul de depunere în situația în care electrofiltrul a fost echipat cu electrozi de tip Isodyn B5M (electrodul a fost montat pe o rama tubulara) și stratul de praf depus pe electrodul de depunere în situația în care electrofiltrul a fost echipat cu electrozi de tip Isodyn B5.

Din analiza cantitativă a celor două straturi (figurile 4.3.9, 4.3.10 și 4.3.11) se constată că, prin utilizarea electrozilor Isodin B5M unde vârfurile de emisie sunt dispuse la pas de 30mm, cantitatea de praf depusă pe electrodul de depunere este mult mai mare în comparație cu cantitatea de praf depusă pe electrodul de depunere prin utilizarea electrozilor Isodyn B5 care au vârfurile amplasate la o distanță de 50 mm (dunele de praf sunt mai dese în situația utilizării electrozilor Isodyn B5M).

În urma acestei analize se constată că utilizarea electrodului de emisie de tip Isodyn B5M în locul electrodului Isodyn B5 conduce la îmbunătățirea randamentului de separare al electrofiltrului.

Acest tip de electrod poate fi folosit cu succes la electrofiltrele din industria energetică, pe câmpul nr. 1 și câmpul nr. 2 și în industria cimentului, deoarece realizează curenți mari la tensiuni relativ scăzute și într-un domeniu de rezistivitate cuprins între 104 ÷1011 cm.

Utilizarea noului tip de electrod de emisie în structura echipamentului interior constituie un element de noutate al soluție de echipare a electrofiltrelor ce desprăfuiesc debite mari de gaze.

Electrod tip sârmă ghimpată

În cazul acestui tip de electrod se realizează zone alternative cu emisie puternică și emisie scăzută.

Prezența vârfurilor duce la concentrarea liniilor de câmp electric, deci la creșterea intensității câmpului electric în jurul electrodului de emisie. Variația câmpului electric provoacă modificări ale vitezei de depunere, deci implicit modificarea randamentului de epurare.

Așa cum se observă și din datele prezentate în tabelul 4.8 apare o creștere bruscă a curentului la valori mici ale tensiunii (20 ÷ 30 kV).

Emisia este puternică în jurul ghimpilor, în timpul experimentărilor observându-se clar zone luminiscente pe vârfurile acestora.

Orientarea, lungimea ghimpilor și distanța dintre ei influențează caracteristica curent-tensiune. Curba curent-tensiune este redată în figura 4.3.13.

Fig. 4.3.13 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

sârmă ghimpată la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Tabel 4.8

Electrod cu dornuri

Acest tip de electrod este mai puțin cunoscut în practică, dar menționat în literatura de specialitate. În vederea testării caracteristicii curent-tensiune în cazul echipării electrofiltrului pilot cu electrozi cu dornuri, a fost necesar să se confecționeze un set de astfel de electrozi.

Pentru realizarea acestui tip de electrod s-a utilizat sârmă de oțel cu = 5 mm. Dornurile au fost sudate pe suport la distanța de 50 mm (de aceeași parte a suportului). Lungimea părții ascuțite reprezintă 2/3 din lungimea totală a dornului.

Rezultatele experimentale obținute, redate în tabelul 4.9 ca și caracteristica curent-tensiune prezentată în figura 4.3.14.

Corona utilă se situează în domeniul 20÷32 kV la pas de 300 mm și între 25÷43 kV la pas de 380 mm. Curentul mare, face ca acest tip de electrod să fie recomandat în cazurile în care se epurează gaze la temperatura mediului ambiant și cu conținut mare de praf.

Fig. 4.3.14 Caracteristicile curent – tensiune ale electrozilor tip

dorn la pas de 2h = 300 mm și 2h = 380 mm

Tabel 4.9

4.4 Interpretarea rezultatelor

Așa cum se poate observa din figurile prezentate în subcapitolul precedent, la pas 2h=300 mm, electrozii cu vârfuri prezintă emisii mai puternice decât electrozii cu suprafețele active continue. Concentrarea emisiei în diverse puncte ale electrodului, face ca străpungerea spațiului dintre electrozi să apară la valori ale tensiunii aplicate cuprinse între 35 kV și 44 kV, în timp ce pentru electrozii cu suprafețele active continue tensiunea de străpungere se plasează între 43 kV și 52 kV.

Fig.4.4.1 Caracteristici curent- tensiune pentru electrozi de emisie cu

suprafața activă continuă la pas 2h=300mm

În cazurile electrozilor cu vârfuri caracteristicile sunt mai abrupte decât cele ale electrozilor netezi (cu suprafețele active continue).

Fenomenul corona se amorsează la tensiuni cuprinse între 6 și 16 kV, în timp ce la electrozii netezi tensiunea de amorsare a fenomenului corona este plasată între 10kV și 22 kV.

Fig.4.4.2 Caracteristici curent tensiune pentru electrozi de emisie cu

suprafața activă continuă la pas 2h=380mm

În cazul dispunerii la pas de 380 mm, străpungerea spațiului dintre electrozii de emisie și depunere apare la tensiuni aplicate cuprinse între 49kV și 57 kV pentru electrozii cu suprafețe active continue în timp ce pentru electrozii cu vârfuri tensiunea de străpungere apare la valori cuprinse între 40kV și 53kV.

Tensiunea de amorsare a descărcării corona la electrozii cu vârfuri apare la valori ale tensiunii aplicate cuprinse între 6kV și 16kV, în timp ce la electrozii cu suprafețe active continuie tensiunea de apariție a descărcării corona apare la valori ale tensiunii aplicate cuprinse între 22kV și 30kV.

În cazul electrozilor cu țepi, capacitatea de emisie este cu atât mai mare cu cât distanța dintre țepi este mai mică, iar numărul acestora mai mare. În plus, prin observația vizuală a descărcării prin efect corona s-a putut constata că pentru o sârmă ghimpată punctele cu luminiscență mare (emisie puternică) se localizează în primul rând pe vârfuri, pe când restul suprafeței devine vizibilă abia la valori mai mari ale tensiunii de alimentare. La sârmele rotunde însă aceste puncte luminiscente s-au deplasat de-a lungul sârmei.

Pentru sârme cu diametru = 2 mm, curentul este mult mai mic, acești electrozi putând fi utilizați în cazurile când diferența între tensiunea de apariție a efectului corona și tensiunea de străpungere este relativ mică pentru condițiile considerate.

În ceea ce privește electrozii cu suprafețele continue, trebuie subliniat faptul că electrodul cu secțiune stelată (Fe-Stern), deși are muchii ascuțite, dă un curent mai mic decât o sârmă circulară cu diametrul de 2 mm. În plus tensiunea inițială de descărcare prin efect corona are pentru electrodul stelat o valoare mai mică, ceea ce constitue o caracteristică pozitivă importantă.

Electrozii spiralați au cea mai mare capacitate de emisie, fapt datorat neuniformității câmpului electric și concentrării acestuia în zonele de curbură. Acest tip de electrod se poate utiliza pentru medii disperse cu rigiditate dielectrică mică.

În cazul electrozilor cu vârfuri, emisia cea mai puternică o are electrodul Isodin B5M, iar cea mai scăzută electrodul Isodyn W22.

Fig.4.4.3 Caracteristici curent –tensiune pentru electrozi de emisie cu

proeminențe pe suprafața activă la pas 2h=300mm

Așa cum este cunoscut, valoarea critică a câmpului electric, deci apariția fenomenului ,,corona inversă,, depinde de densitatea curentului corona. Intensitatea curentului la care se amorsează descărcarea inversă se numește valoarea critică a curentului. În practică, apariția emisiei inverse se manifestă printr-o creștere bruscă a curentului corona, până la descărcarea sub formă de arc.

Fig.4.4.4 Caracteristici curent –tensiune pentru electrozi de emisie cu

proeminențe pe suprafața activă la pas 2h=380mm

Astfel, pentru separarea prafurilor cu rezistivitate mare sunt indicați electrozi cu suprafețele active continue deoarece câmpul electric are intensitate constantă pe toată lungimea drumului gazului. Pentru o bună desprăfuire se recomandă în acest caz electrozii care au intensitate mică a câmpului.

La pas de 380 mm, tensiunea de străpungerea crește, Corona inversă apare la valori mai mari pentru JK, deci creșterea pasului favorizează desprăfuirea electrică, mărind totodată plaja de funcționare în siguranță a electrofiltrului.

Testele pe stand efectuate au arătat că nu sunt diferențe mari între caracteristicile tensiune – intensitate, determinate cu circulație de aer și fără circulație de aer.

Nivelul tensiunii de străpungere, ca și nivelul tensiunii de lucru sunt influențate de mărimea pasului dintre electrozii de depunere.

Caracteristicile determinate arată că odată cu creșterea pasului crește și nivelul tensiunii de străpungere și de lucru.

Intervalul de tensiune între tensiunea inițială de apariție a descărcării corona și tensiunea de străpungere este intervalul de lucru al electrofiltrului care crește odată cu creșterea pasului.

Nivelul tensiunii de descărcare, intervalul de lucru pentru electrofiltru și densitatea de curent corona sunt dependente de tipul electrozilor de emisie. Nivelul tensiunii de descărcare și intervalul de lucru pentru electrofiltru sunt mai mari pentru electrozii cu suprafețe active continui față de electrozii cu vârfuri.

Este de remarcat faptul că electrozii de emisie au fost testați și la pas 2h=400mm cu o orientare a electrozilor de depunere conform figuri 4.3.2.a. Rezultatele în urma măsurătorilor au fost aceleași ca în cazul dispunerii la pas de 380mm (conform figuri 4.3.2.a. ) ceea ce indică o soluție mult mai avantajoasă de echipare a electrofiltrelor industriale (aceasta solutie constituind un element de noutate propusă de autor).

Densitatea de curent corona este mai mică pentru electrozii cu suprafețe active continui față de electrozii cu vârfuri.

Peste aceste valori electrofiltru functionează ,, nelinistit ۥۥ, numarul descărcarilor cresc si implicit scade randamentul de desprăfuire.

Soluția avantajoasă de echipare a electrofiltrelor cu electrozi de emisie este: câmpul nr. 1 și câmpul nr. 2 se va echipa cu electrozi Isodyn B5M (soluție nouă de echipare), câmpul nr. 3 se va echipa cu electrozi de tip Fe-Stern, ținând seama de rezistivitatea cenușii distribuită în lungul electrofiltrului.

Pentru alegerea corectă a echipamentului interior al unui electrofiltru care urmează să desprăfuiească un mediu dispers dat, nu este suficientă doar cunoașterea caracteristicii curent-tensiune în regim staționar.

Definitivarea soluției constructive pentru o aplicație dată se va face numai după efectuarea testărilor pe electrofiltru in conditii apropiate de cele ale instalatiilor reale.

Pe de altă parte, cercetările efectuate au pus în evidență factorii care influențează capacitatea de emisie: geometria electrodului, starea electrodului, dimensiunile sârmei de emisie, pasul dintre electrozii de aceeași polaritate, etc, precum și nivelele de tensiune la care apare fenomenul corona și cel de străpungere.

4.5 Studii pe standul experimental privind stabilirea parametrilor tehnologici de reducere a emisiilor de pulberi

Modul în care se desfășoară procesul de încărcare al particulelor, mărimea câmpului electric din spațiul de ionizare influențează prin viteza de migrație procesul de epurare electrică.

Pentru dimensionarea riguroasă a electrofiltrelor din industria energetică la pasul de 380mm și pasul de 400mm au fost necesare și lucrări de cercetare care au constat în testări pe electrofiltru pilot în vederea stabilirii influenței parametrilor gazo-dinamici asupra vitezei de migrație și determinarea acesteia.

Aceste lucrări de cercetare la care am participat din partea S.C.C Energetic Turceni, (fiind responsabil de proiect), au fost finanțate prin diverse programe naționale de cercetare (RELANSIN, MENER).

4.5.1. Determinarea caracteristicilor fizico-chimice și electrice ale probelor de cenușă utilizate la teste

Pentru efectuarea testărilor pe instalația pilot au fost colectate probe de cenușă de la centralele termice funcționând pe lignit și huilă.

PROBA 1: SE Turceni și SE Rovinari – Cenușa rezultată din arderea lignitului din minele din bazinul Olteniei(putere calorifică 1600 –1700Kcal/Kg).

PROBA 2: Cenușă de mixte de huilă CET Paroșeni – rezultată din arderea mixtelor de huilă din minele din Valea Jiului (putere calorifică 2992 – 3044 Kcal/Kg).

S-au efectuat următoarele determinări de laborator:

– analiza chimică

densitatea în vrac

variația rezistivității electrice cu temperatura la punct de rouă apă constant.

A). Densitatea în vrac

Densitatea în vrac pentru cele două probe este prezentată în tabelul 4.10.

Tabel 4.10

B). Analiza chimică a probelor de cenușă

Analiza chimică a celor două probe de cenușă a fost făcută în laboratorul S.C.C Energetic Turceni, rezultatele fiind prezentate în tabelul 4.11.

Tabelul 4.11

C). Variația rezistivității electrice a probelor de cenușă

Pentru dimensionarea instalației de desprăfuire electrică este imperios necesar să se cunoască rezistivitatea prafului ce trebuie reținut.

Determinarea calitativă în laborator a rezistivității electrice a cenușii captate în electrofiltru, este important să se facă în condiții apropiate, dacă nu identice cu cele din electrofiltru, pentru a caracteriza cât mai complet procesul electrostatic.

Firmele producătoare de electrofiltre și-au dezvoltat sisteme de măsurare pentru rezistivitatea electrică a prafului reținut în electrofiltre care să țină seama de parametrii care o influențează: comprimarea stratului depus, tensiunea din probă, temperatura și concentrația de vapori din gaze).

Metoda de determinare a rezistivității electrice a prafului utilizată în laboratorul ICPET București este una clasică: se așează proba de praf într-un strat uniform de câțiva milimetrii pe electrodul placă al unei celule de măsurare. Se reglează temperatura și umiditatea din incinta de măsurare la valorile dorite și se determină curentul care trece prin stratul de praf, ridicându-se o curbă de variație a rezistivității electrice în funcție de temperatură, la punct de rouă apă constant.

Pentru probele medii de cenușă lignit și mixte de huilă, s-au determinat curbele de variație a rezistivității electrice cu temperatura la punct de rouă apă constant, cu aparatul Maihak în circuit închis.

Pentru proba 1, la punct de rouă apă ζ = 16oC valoarea maximă a rezistivității electrice este 4,5 x 1012Ωcm, temperatura fiind cuprinsă între 120 ÷ 150oC ( Fig. 4.5.1).

Fig.4.5.1 Variația rezistivității cu temperatura pentru proba 1

La punctul de rouă apă ζ=50oC, valoarea maximă a rezistivității electrice 1,2 x 1012Ωcm, este atinsă la temperaturi cuprinse între 160÷170oC, coborând sub valoarea critică 1×1011Ωcm pentru temperaturi ale mediului mai mici de 100oC sau mai mari de 270oC.

Fig. 4.5.2 Variația rezistivității cu temperatura pentru proba 1

Cenușa din proba 2, pentru punctul de rouă apă ζ = 16oC are valoarea rezistivității electrice 1,3 x 1013Ωcm în intervalul de temperaturi cuprinse între 100 ÷ 130oC (figura 4.5.2). Valoarea rezistivității electrice este maximă 1,8 x 1012Ωcm la temperaturi ale mediului 140 ÷ 150 oC pentru punctul de rouă apă ζ = 50oC, scăzând sub critic 1 x 1011Ωcm, la temperaturi mai mici de 70oC sau mai mari de 260oC.

4.5.2. Teste pentru obținerea pe stand a compoziției gazelor de ardere similare cu cele rezultate din instalațiile reale

În tabelul 4.13. este redat nivelul real al emisiilor de noxe determinat prin măsurări la cazane de 1035 t/h din două centrale reprezentative Turceni și Rovinari, iar în tabelul 4.12 este redată compoziția teoretică a gazelor de ardere (CLU, ardere completă, fără exces de aer) debit de combustibil 20 l/h.

Pentru obținerea pe standul de electrofiltre a compoziției reale a gazelor de ardere s-a realizat un model propriu de calcul de ardere și s-a conceput un sistem de aditivare al combustibilului utilizat care este o contribuție personală la efectuarea testelor.

Întrucât această lucrare este în domeniul electric am considerat că rezultatele obținute în urma testelor să fie trecute în anexă.

Tabelul 4.12

Tabelul 4.13

Dependența vitezei de migrație de viteza de curgere a gazelor în electrofiltru

Parametrul de bază pentru dimensionarea instalației de epurare electrostatică este viteza de migrație.

Pentru stabilirea dependenței vitezei de migrație de parametrii gazo-dinamici care nu pot fi cuprinși în ecuații matematice pentru a putea fi modelați, s-au efectuat măsurări pe instalația pilot.

Experimentările efectuate cu cele două probe de cenușă au avut drept scop stabilirea dependenței vitezei de migrație la pasul 2h = 380 mm de parametrii care o influențează: viteza de curgere a gazelor prin electrofiltru și temperatura gazelor care are efect important asupra rezistivității prafului.

Viteza de curgere a gazelor în zona activă a electrofiltrului este proporțională cu debitul de gaze epurat. Pentru a obține eficiența maximă de captare a prafului, este necesar un timp suficient de mare de reținere a particulelor în interiorul zonei active a electrofiltrului.

Practic mărimea vitezei de curgere a gazelor este limitată superior de valoarea la care apare fenomenul de reantrenare a prafului de pe electrozii de depunere. Viteza de reantrenare este o mărime caracteristică fiecărui tip de praf depinzând de greutatea lui specifică, diametrul mediu și densitatea mediului portant.

Caracteristicile principale ale particulelor de praf care modifică viteza de reantrenare sunt mărimea acestora ( diametrul mediu) și conductivitatea.

Este important ca în instalațiile industriale să nu apară fenomenul de reantrenare care se poate evita prin:

realizarea unei distribuții uniforme a gazelor în secțiunea activă a electrofiltrului, fără zone de curgere în buncăre.

scuturarea diferențiată a electrozilor de emisie și depunere în funcție de poziționarea câmpului electric în zona activă a electrofiltrului;

un număr corespunzător de zone de alimentare cu înaltă tensiune,

energizarea cu diverse forme de undă de tensiune a câmpului electric în funcție de caracteristicile mediului dispers și poziția acestuia în zona activă a electrofiltrului.

Testările pe stand si pe instalatiile industriale au urmărit să se determine pentru probele de cenușă cercetate, viteza de curgere optimă, pentru o bună desprăfuire electrică, considerându-se că distribuția gazelor de ardere în zona activă a electrofiltrului este optimă.

Pentru cenușile de lignit având o distribuție granulometrică mai grosieră, diametrul mediu fiind cuprins între 30÷35 μm, face ca la viteze de curgere diferite să apară procese de separare diferite.

Viteza optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru este de 1,2 m/s, iar rezultatele testărilor sunt prezentate în tabelul 4.14.

Din datele obținute și sintetizate în tabelul 4.15 pentru mediul dispers gaze de ardere – cenușă mixte huilă, la care diametrul mediu se situează între 20÷25 μm, rezultă o viteză optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru de 1 m/s.

Acest parametru este foarte important pentru funcționarea în bune condiții a electrofiltrelor deoarece, în practica industrială de multe ori se neglijează acest parametru în favoarea altora și se funcționează la viteze mult peste limita rezultată din această lucrare, ceea ce conduce la o creștere însemnată a conținutului de pulberi în gazele de ardere la ieșirea în electrofiltre. Spre exemplificare, autorul, în urma analizei funcționării electrofiltrelor de la grupul nr. 1 din Turceni a constatat că o creștere cu 8÷10 % a debitului de gaze de ardere care trec prin electrofiltre a condus la o creștere a concentrației de praf în gaze la ieșirea din electrofiltru de la 80mg/m3N la 180mg/m3N. Cresterea debitului de gaze implică viteze decurgere mari si implicit scaderea randamentului de desprafuire.

Acest debit a rezultat în urma reglării necorespunzătoare a procesului tehnologic de ardere a combustibilului solid (lignit) în cazan prin încărcarea necorespunzătoare a ventilatoarelor de aer și ventilatoarelor de gaze la funcționarea în regim tranzitoriu (creșterea de sarcină pe grup) precum și neetanșeităților de pe circuitul de aer-gaze. Tabelul 4.14

Tabelul 4.15

ANALIZA CÂMPULUI ELECTRIC DIN ZONA ACTIVĂ A ELECTROFILTRULUI

Generalități

Parametrul central ce guvernează mișcarea particulelor încărcate cu sarcină, sub influența câmpului electric și care intervine direct în modelarea funcționării electrostatice, este viteza de migrare a particulelor notată cu w.

(5.1)

Expresia vitezei de migrare a particulelor (5.1) arată, în mod evident, importanța majoră a repartiției spațiale a câmpului electric asupra mișcării particulelor în interiorul electrofiltrului. Pe de altă parte, sarcina de încărcare qp depinde la rândul ei atât de distribuția sarcinii ionice create de descărcarea Corona cât și de cea a câmpului electric , determinat de nivelul înalt de tensiune cu care este energizat electrofiltrul.

Problema fizică propusă spre a fi studiată în acest capitol, este aceea de a determina repartiția potențialului și câmpului electric, a cărui distribuție este influențată de sarcina ionică spațială.

Scopul studiului din acest capitol este acela de a obține informații prețioase cu privire la modul de dispunere a sistemului de emisie si depunere in vederea optimizarii repartitiei câmpului electric din zona activă a electrofiltrului in vederea cresterii eficientei de separare.

Se menționează faptul că electrofiltrele ce trebuiesc modernizate sunt componente ale unui sistem încadrate într-un spațiu și volum limitat.

În cele ce urmează se prezintă un model de studiu al câmpului electric pe un domeniu de calcul prezentat în figura 5.1.1.

5. 1 Modelul fizic real și domeniul de calcul

Modelul fizic este reprezentat de un electrofiltru industrial compus din rânduri de plăci dispuse paralel care formează căi prin care curg gazele de ardere. Aceste plăci formează panoul cu electrozi de depunere fiind legați la pământ.

Așa cum se poate observa din figura 5.1.1 în mijlocul distanței dintre plăcile colectoare se găsesc electrozii de ionizare cel mai adesea alimentați cu tensiune continuă de polaritate negativă. Acești electrozi se prezintă sub forma unor rețele de sârmă de diverse forme. Între electrozii de emisie și electrozii de depunere se generează un câmp electric foarte puternic produs prin emisie corona.

Fenomenul electric este caracterizat de neunformitatea câmpului electrostatic în spațiul dintre electrozi.

Modelul fizic este reprezentat simplificat în figura 5.1.2.

Fig 5.1.1 Reprezentarea simplificată a modelului fizic real

Modelul fizic este caracterizat de următoarele proprietăți fizice[6] [21]:

distanța dintre electrozii de emisie este 2d ;

distanța dintre electrozii de emisie și electrozii de depunere este h ;

înălțimea electrozilor de depunere este Hc= 12450mm ;

lățimea câmpului lc= 4500 mm;

lungimea câmpului Lc= 17480 mm;

latura secțiunii electrodului de ionizare este l=4mm;

potențialul electric Vi,j în fiecare punct al spațiului dintre electrozi;

potențialul electric la electrozii de emisie este V0;

electrozii de ionizare sunt sub formă de tije verticale cu secțiunea pătrată cu vârfuri ionizante, în secțiune având latura de 4 mm;

S-au neglijat efectele de capăt (la marginea sistemului de electrozi), ipoteza de calcul curent acceptată, dată fiind înălțimea și lungimea lor foarte mare față de lățimea canalului. În acest fel, problema poate fi tratată plan-paralel, cu exprimarea în coordonate carteziene. Este suficient să se studieze numai domeniul D delimitat de OABC, care este prezentat schematic în figura 5.3.1.

5. 2 Modelul fenomenologic al procesului

Studiul general al câmpului electromagnetic se face cu ajutorul ecuațiilor lui Maxwell, ecuații cu derivate parțiale de ordinul 2, completate cu relațiile de material[60] .

Într-un mediu imobil și fără discontinuitate, câmpul electromagnetic este caracterizat cu ajutorul sistemului de ecuații Maxwell[53]:

(5.2)

Unde: H – este intensitatea câmpului magnetic, B – este inducția magnetică, E – este intensitatea câmpului electric, D – este inducția electrică, – este densitatea de sarcină, j – densitatea de curent.

a). Dar utilizarea practică a sistemului de ecuații cu derivate parțiale de mai sus, pentru calculul distribuției câmpului electric din electrofiltru impune unele ipoteze simplificatoare [6] [21] [42] :

sistemul este valabil pentru stările staționare, deci ;

zona de transport dintre electrodul de emisie și depunere, zona sarcinii electrice spațiale, este un domeniu de curenți slabi, omogen și linear;

câmpul din zona de transport dintre electrodul de emisie și depunere este monoionizat;

zona de luminiscență corona (din jurul electrodului de emisie) este o sursă puternică de ioni bipolari și nu intră în calcul în aceste exemple;

inducția magnetică influențează foarte puțin sarcina electrică spațială, deoarece B este foarte mic, deci , nu se ia în calcul;

în situația când mediul investigat este caracterizat printr-o conductivitate electrică foarte redusă sau printr-o densitate a curentului electric mică și timpi caracteristici mari (cum este cazul gazului din interiorul electrofiltrului), câmpul magnetic poate fi neglijat și o foarte bună aproximație se poate face considerând și  ;

în domeniul de calcul D, gazul este un mediu izotrop și omogen, cu permitivitatea electrică foarte apropiată de cea a vidului ;

Conform regimului electrostatic: (5.3)

Conform legii fluxului electric:

; (5.4)

(5.5)

În cazul de față, în regim electrocinetic staționar, repartiția câmpului electric este influențat de sarcina spațială ionică și sistemul de ecuații (5.2) poate fi scris astfel:

(5.6)

b). Pentru situația mediului dispers din electrofiltru se consideră următoarele ipoteze simplificatoare [20]: 

mobilitatea ionilor negativi este cea din aer , deoarece se neglijează influența curgerii gazului asupra mișcării purtătorilor de sarcini ;

coeficientul de difuzie Di se neglijează;

sarcina electrică este unipolară (negativă);

coeficientul de difuzie raportat la mobilitatea ionică se scrie:Di/Ki=K.Ө/e;

(constanta lui Boltzmann k =1,38.10 -23J/K ; Ө=300K; e =1,6 .10-19C );

În aceste condiții sistemul (5.5) devine:

(5.7)

c). Condițiile de limită impuse de simetria din electrofiltru pentru primele două ecuații din sistemul 5.7 [6] [21] [36] :

– pentru potențialul electric există două tipuri de condiții:

a) pe axele de simetrie (OA, OC și AB) de tipul Newmann ;

pe OC și AB (5.8)

pe OA

b). pe suprafața electrozilor corona și la suprafața electrozilor de depunere condiții la limită de tip Dirichlet ;

– la electrodul corona (5.9)

– la electrodul de depunere

5.3 Rezolvarea numerică a problemei

În acest subcapitol se va examina determinarea efectivă a soluțiilor sistemului de ecuații (5.7 ) cu condițiile la limită aferente.

Pentru obținerea soluției s-a optat pentru o metodă clasică de calcul numeric, care asigură o precizie de calcul suficientă în cazul de față.

Pentru rezolvarea ecuației lui Poisson din sistemul (5.7), ca metodă de discretizare a fost aleasă metoda diferențelor finite, prin care se aproximează ecuațiile cu derivate parțiale cu diferențe finite centrate pe semiintervale.

Aceste aproximări se introduc în ecuațiile cu derivate parțiale și se obține un sistem de ecuații algebrice liniare.

Matricea acestui sistem de ecuații este o matrice tridiagonală și poate fi rezolvată cu ajutorul algoritmului Thomas sau TDMA (Tri-Diagonal- Matrix Algorithm).

Mai întâi sunt analizate și determinate aproximațiile discrete ale operatorilor ce intervin în sistemul de ecuații.

Domeniul de calcul este discretizat într-un număr finit de puncte pe care se aproximează operatorii de derivat ai ecuațiilor prin dezvoltări în serii Taylor trunchiate la un ordin de precizie ales.

Pentru aceasta, s-a ales o rețea de discretizare uniformă pe domeniul de calcul D, având 5 noduri pe direcția axei Ox și 6 noduri pe direcția axei Oy, astfel încât pasul rețelei de discretizare să fie constant de-a lungul celor două axe. El este notat cu pe direcția axei Ox, respectiv pe direcția axei Oy.

Fig.5.3.1 Rețeaua de discretizare pentru calculul câmpului electric

pe domeniul de calcul D

Discretizarea domeniului este carteziană și fiecare nod este reprezentat prin indicii (i,j). Valorile variabilelor care intervin în sistemul de ecuații sunt calculate în fiecare nod al rețelei.

O bună precizie a calculului necesită însă, așa cum s-a arătat anterior, pași de discretizare cât mai mici pe cele două direcții Ox și Oy.

Trebuie remarcat faptul că, cu cât numărul de noduri este mai mare cu atât timpii de calcul sunt mai lungi. De aceea este necesar găsirea unui compromis între precizia de calcul și timpii caracteristici aferenți acestuia.

A). Obținerea ecuațiilor algebrice pentru un nod interior:

Ecuația care guvernează regimul electrostatic staționar este următoarea:

Ecuația discretizată pentru un nod interior este:

unde: , , ,

(W – vest, E – est, S – sud, N- nord)

,

Ecuațiile discretizate pentru nodurile 8,9,10,11,14,15,16,17,20,21,22,23 sunt:

B). Obținerea ecuațiilor algebrice pentru un nod situat pe frontiera de EST

Ecuația care guvernează regimul electrostatic staționar este următoarea:

Înmulțind ambii membrii cu rezultă:

Se separă termenii care conțin pe de ceilalți termeni și rezultă:

Ecuația discretizată pentru un nod de pe frontiera din EST este:

unde : , ,

,

Ecuațiile discretizate pentru nodurile 26,27,28,29 sunt:

C). Obținerea ecuațiilor algebrice pentru un nod situat pe frontiera de SUD

Ecuația care guvernează regimul electrostatic staționar este următoarea:

Înmulțind ambii membrii cu rezultă:

Se separă termenii care conțin pe de ceilalți termeni și rezultă:

Ecuația discretizată pentru un nod de pe frontiera de SUD este:

unde: , ,

,

Ecuațiile discretizate pentru nodurile 7, 13, 19 sunt:

D). Obținerea ecuațiilor algebrice pentru un nod situat pe frontiera de VEST

Înmulțim ambii membrii cu și rezultă:

Se separă termenii care conțin pe de ceilalți termeni și rezultă:

Ecuația discretizată pentru un nod de pe frontiera de VEST este:

unde: , ,

,

Ecuațiile discretizate pentru nodurile 2, 3, 4, 5 sunt:

E). Obținerea ecuațiilor algebrice pentru un nod situat pe frontiera SUD – EST

Ecuația care guvernează regimul electrostatic staționar este următoarea:

și

Se înmulțesc ambii membrii cu și rezultă:

-2

Separăm termenii care conțin pe de ceilalți termeni și rezultă:

Ecuația discretizată pentru nodul SUD – EST este:

unde: ,

,

Ecuația discretizată în nodul 25 este:

Pentru fiecare nod al rețelei de discretizare s-a obținut o ecuație care exprimă potențialul în nodul respectiv și anume Vi,j . Astfel în final s-a format sistemul de 24 de ecuații care trebuie rezolvat.

(5.10)

Pentru a rezolva ecuația Poisson (sub forma sa discretă), este necesară cunoașterea densității de sarcină spațială ionică în fiecare nod.

Calculul intensității câmpului electric necesită discretizarea operatorului gradient în ecuația (2) a sistemului 5.7.

Acest lucru echivalează cu a stabili relații de calcul pentru derivata de ordinul întâi a potențialului electric[63].

Se ajunge la expresiile următoare:

(5.11)

(5.12)

Ecuația conservării sarcinii se scrie sub forma[20]:

(5.13)

Pentru a obține o aproximare discretă stabilă a ecuației conservării sarcinii, care este aici de ordinul întâi, s-a folosit metoda caracteristicilor [20]. Din cauza gradientului puternic al potențialului electric, ionii se deplasează de-a lungul liniilor de câmp (în domeniul de calcul, și ).

Notând , ecuația 5.13 devine:

(5.14)

Dacă considerăm un nod (i,j) al domeniului, se presupune că în interiorul unei celule elementare câmpul electric este constant.

Traiectoriile ionilor sunt determinate de:

(15)

(16)

În cazul domeniului de calcul ales, trebuie determinată dreapta tangentă și caracteristica pentru fiecare celulă.

Se determină apoi intersecția cea mai apropiată de punctul M al caracteristicii cu o linie i, sau cu o coloana j.

Traiectoria ionilor va fi aceea pentru care „timpul” necesar de a ajunge pe linie/ coloană va fi minim:

(5.17)

(5.18)

Pentru o celulă cunoscută a domeniului, există cele două situații ilustrate în figura 5.10.

Fig. 5.10 Cele două situații posibile ale caracteristicii la nivelul

unei celule cunoscute a domeniului.

Densitatea de sarcină în punctele R1 și R2 se poate scrie[21];

Dacă , rezultă: (5.19)

Dacă , (5.20)

Unde

Printr-o interpolare liniară, plecând de la valori ale densității de sarcină în nodurile celulei, se obțin relațiile următoare pentru calculul și :

(5.21)

Cele două sisteme (5.21) și sistemul (5.10) format din cele 24 de ecuații discretizate prezintă relații dependente unele de altele.

Pentru rezolvarea cu acuratețe a sistemelor este necesar să se cunoască intensitatea câmpului electric și sarcina electrică spațiala la momentul inițial.

Relația sarcinii limită acumulată pe particulă este dată de prof. Pouthenier pe baza căreia s-a calculat valoarea densității sarcinii spațiale inițiale ținând seama de câmpul electric inițial, concentrația de particule în spațiul testat și suprafața specifică a particulelor.

Densitatea inițială de sarcină se va calcula în urma unui proces interativ respectând condiția E=E0

S-a presupus că intensitatea câmpului electric E0 în momentul inițial este cel dat de tensiunea aplicată electrodului de emisie (în cazul modelat tensiunea aplicată electrodului de emisie este U=50kV).

Cu aceste precizări se poate trece la calculul valorii densității sarcinii electrice inițiale în punctul O,

(5.22)

Rezolvarea problemei se face prin aplicarea algoritmului Thomas pentru problemele 2D (sau linie cu linie) descris în anexă.

Se combină metoda directă a algoritmului Thomas într-o direcție cu metoda iterativă Gauss-Seidel în cealaltă direcție.

Programul de rezolvare a fost făcut în limbajul FORTRAN.

În funcție de datele inițiale alese, acesta furnizează soluția sistemului de ecuații algebrice discretizate, aceasta reprezentând matricea potențialelor în punctele domeniului de calcul.

Rezultatele pentru potențial, câmp electric și sarcina spațială sunt obținute prin citirea în programul Mathcad Professional a datelor furnizate de programul FORTRAN .

Cazurile modelate și rezultatele obținute

Considerându-se electrozii de emisie tije de secțiune pătrată având latura de 4 mm și sarcina ionică injectată uniform în lungul electrodului s-a determinat influența distanței dintre electrozii de depunere (2h) și dintre electrozii de emisie de pe aceeași ramă asupra mărimilor electrice care caracterizează funcționarea electrofiltrului.

Pentru stabilirea influenței distanței dintre electrozii de depunere asupra câmpului din electrofiltru s-au făcut următoarele determinări:

Fig. 5.4.1 Variația intensității câmpului electric în direcția perpendiculară pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie (2h = 350 mm și 2d = 300 mm).

Fig. 5.4.2 Variația intensității câmpului electric în direcția perpendiculară pe electrodul

de depunere în dreptul electrodului de emisie ( 2h =380 mm și 2d = 300 mm).

Fig.5.4.3 Variația intensității câmpului electric la suprafața electrodului de depunere între doi electrozi de emisie alăturați ( 2h = 350 mm și 2d = 300 mm).

Fig 5.4.4 Variația intensității câmpului electric la suprafața electrodului de depunere

între doi electrozi de emisie alăturați ( 2h = 380 mm și 2d = 300 mm).

Fig. 5.4.5 Repartiția spațială a sarcinii ionice adimensionale în planul orizontal

( 2h = 350 mm și 2d = 300 mm).

Fig.5.4.6 Variația densității de volum a sarcinii spațiale ionice în direcția perpendiculară pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie ( 2h = 350 mm și 2d = 300 mm).

Fig. 5.4.7 Repartiția spațială a sarcinii ionice adimensionale în planul orizontal

(2h = 380 mm și 2d = 300 mm).

Fig.5.4.8 Variația densității de volum a sarcinii spațiale ionice în direcția perpendiculară

pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie ( 2h =380 mm și

2d = 300 mm).

Fig.5.4.9 Variația intensității câmpului electric în direcția perpendiculară pe electrodul

de depunere în dreptul electrodului de emisie ( 2h = 380 mm și 2d = 600 mm).

Fig.5.4.10 Variația intensității câmpului electric la suprafața electrodului de depunere între doi electrozi de emisie alăturați (2h =380 mm și 2d = 600 mm).

Fig.5.4.11 Repartiția spațială a sarcinii ionice adimensionale în planul

orizontal ( 2h = 380 mm și 2d = 600 mm).

Fig.5.4.12 Variația densității de volum a sarcinii spațiale ionice în direcția

perpendiculară pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie

( 2h = 380 mm și 2d = 600 mm).

5.5 Interpretarea rezultatelor

Aceste determinări s-au executat pentru aceeași tensiune de alimentare (U=50kV) și se constată o scădere a intensității câmpului electric în zona activă a electrofiltrului, a sarcinii spațiale ionice odată cu mărirea distanței dintre electrozii de emisie (2d).

Se constată că intensitatea câmpului electric și densitatea de volum a sarcinii spațiale cresc odată cu descreșterea pasului.

Intensitatea câmpului electric în dreptul electrodului de emisie în direcția electrodului de depunere are o scădere nesemnificativă în cazul dispunerii echipamentului interior la pas de 350mm și la pas de 380mm, dar scade destul de mult pe suprafața electrodului de depunere, la jumătatea distanței dintre cei doi electrozi de emisie.

Corespunzător intensității câmpului electric se constată o scădere nesemnificativă a densității de volum a sarcinii spațiale ionice în direcția perpendiculară pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie.

S-a determinat și variația intensității câmpului electric în direcția electrodului de depunere în dreptul electrodului de emisie în cazul dispunerii electrozilor de depunere la pas de 400 mm. Nu s-au constatat diferențe valorice semnificative în comparație cu valorile obținute în cazul dispunerii la pas de 380mm.

Din determinările efectuate privind influența distanței dintre electrozii de emisie s-a constatat că există o scadere semnificativă a densității de sarcină în cazul dispunerii electrozilor la pas de 600mm în comparație cu dispunerea la pas de 300mm.

Rezultatele teoretice obținute în acest capitol coroborate cu rezultatele obținute în studiul experimental conduc la ideea că dispunerea electrozilor de depunere la pas 2h= 380 mm și a electrozilor de emisie la pas 2d=300mm reprezintă soluția cea mai bună de amplasare a echipamentului interior al electrofiltrului astfel încât să se obțină un câmp electric eficient.

Deci este necesar ca odată cu creșterea distanței dintre electrozii de depunere 2h=380mm echipamentele de înaltă tensiune să aibă posibilitatea de a livra potențial electric electrozilor de emisie mai mare, electrofiltrul să fie energizat cu un nivel de tensiune mărit proporțional cu creșterea pasului. În caz contrar particulele de praf se vor încărca cu o sarcină electrică mai mică și forțele de natură electrică vor fi mai mici, deci se vor înrăutăți performanțele de desprăfuire ale electrofiltrului.

Prin modelul propus se poate optimiza modul de dispunere a echipamentului interior (corelarea dintre h și d) astfel încât să se obțină parametri electrici maximi cu efecte economice majore.

SOLUȚII PROPUSE PENTRU ECHIPAREA UNEI INSTALAȚII DE DESPRĂFUIRE ELECTRICĂ CARE SĂ CONDUCĂ LA

UN GRAD RIDICAT DE REȚINERE A PULBERILOR

DIN GAZELE DE ARDERE

Introducere

Prin proiectul inițial Grupul nr. 6 de la Complexul Energetic Turceni (acest grup a fost ales ca model de studiu) a fost echipat, cu o instalație de desprăfuire electrostatică compusă din două electrofiltre de tip orizontal uscat cu trei câmpuri, amplasate în paralel cu fluxul de gaze.

Cele două electrofiltre sunt denumite electrofiltru 1 și electrofiltru 2, electrofiltru 1 fiind amplasat în dreapta privind în sensul fluxului de gaze. Fiecare electrofiltru este prevăzut cu câte trei câmpuri de desprăfuire dispuse pe direcția fluxului de gaze și sunt denumite câmpul nr.1, câmpul nr.2 și câmpul nr.3. Fiecare câmp este secționalizat în două zone independente (doua semicampuri) din punct de vedere electric cu alimentare electrică separată conform figurii 6.2.15.

În primii ani de funcționare aceste instalații au asigurat gradul de desprăfuire prevăzut în proiect (470mg/m3N de gaz epurat la ieșirea din electrofiltru). Ulterior au apărut probleme care au condus la creșterea concentrației de cenușă în gaze la coș.

Calitatea cărbunelui a scăzut simțitor de-a lungul anilor, ceea ce a condus la modificarea proprietăților electrice ale cenușii zburătoare, creșterea debitului de gaze de ardere și implicit creșterea concentrației de praf în gaze la intrarea și ieșirea din electrofiltre.

Frecvența relativ ridicată a spargerilor de țevi din cazan a condus la creșterea gradului de umiditate a cenușii reținute, ceea ce de multe ori a creat probleme prin modificarea pragului de apariție a fenomenului Corona și la sistemul de evacuare a cenușii, afectând în mod serios buna funcționare a electrofiltrelor.

Factorii enumerați mai sus au afectat în timp funcționarea instalației de desprăfuire și au condus la degradarea progresivă a unor subansamble importante ce compun aceste instalații. La marea majoritate a instalațiilor de desprăfuire electrică din termocentrale, instalația electrică și de automatizare, care are rolul de a asigura alimentarea cu energie electrică, a prezentat în timp o serie de deficiențe în funcționare afectând randamentul pe care trebuiau să-l asigure conform proiectului.

Fiabilitatea destul de scăzută a echipamentelor de IT, a tablourilor de comandă, a dulapurilor de servicii auxiliare, a cablurilor de înaltă tensiune, datorată în primul rând nivelului concepției specifice anilor 1970 – 1990 cât și a unei execuții neîngrijite, au contribut la obținerea unor randamente scăzute de desprăfuire.

Pentru înlăturarea deficiențelor de la partea mecanică și electrică ale instalațiilor de desprăfuire electrică, în perioada 1985-1993, au fost întocmite programe speciale pentru creșterea fiabilității echipamentelor mecanice și electrice. S-au propus o serie de măsuri pentru aducerea instalațiilor la parametrii proiectați cu intervenții minime asupra echipamentelor mecanice și electrice.

Din păcate toate aceste propuneri și programe nu au fost finalizate de-a lungul timpului din mai multe motive, fapt pentru care în prezent un număr important de instalații de desprăfuire electrică ce echipează grupurile energetice de medie și mare putere din cadrul termocentralelor cu funcționare pe lignit, necesită mari eforturi materiale și financiare pentru rezolvarea completă și de fond a tuturor problemelor tehnice, care să conducă la o funcționare sigură și de calitate și să corespundă noilor norme internaționale de protecția mediului.

Înlocuirea instalațiilor de desprăfuire electrică ce echipează grupurile energetice de medie și mare putere cu instalații de desprăfuire noi, moderne, performante care să asigure un conținut de cenușă în gaze la coș în limitele admise de normele în vigoare implică cheltuieli materiale destul de mari, iar la marea majoritate a centralelor electrice nu se pot realiza datorită spațiilor existente reduse aferente electrofiltrelor și spațiilor ocupate de celelalte instalații componente ale centralei termoelectrice, instalații la care nu se poate renunța și nu se pot muta.

Ca alternativă la înlocuirea electrofiltrelor existente cu unele noi, este soluția de reparație cu modernizare a celor existente. Soluția conduce la cheltuieli de investiție mai mici, dar implică o angajare mai profundă a ingineriei de specialitate pentru a găsi noi soluții tehnice care să conducă la performanțe ridicate, reutilizându-se o parte din echipamentul existent.

În cele ce urmează se va face o scurtă descriere a soluțiilor ce au fost aplicate dar mai ales a celor ce trebuie implementate pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere în concordanță cu normele internaționale de protecția mediului.

Câteva din aceste soluții au rezultat în urma unei activitati de peste 20 de ani pe care autorul a desfasurato în domeniul instalațiilor de desprăfuire electrică (exploatare, întreținere reparații, retehnologizare), dar și în urma studiilor teoretice și experimentale realizate pe diverse programe de cercetare la care a participat ca responsabil din partea S.C.C Energetic Turceni, împreună cu reprezentanții unor institute din țară: ICPET București, ISPE București, COMELF Bistrița, ELECTROTEHNICA București) dar și din străinătate: ALSTOM POWER – Suedia, BABKOC -Germania.

Unele din studiile prezentate în această lucrare au fost făcute în paralel cu cele realizate prin colaborare.

Prin programele de cercetare ANSTI, MENER, RELANSIN dar și prin contribuția complexelor energetice Turceni și Rovinari s-a asigurat suportul financiar pentru construcția instalației experimentale amplasată în laboratorul ICPET București, autorul având o contribuție importantă în ceea ce privește concepția și realizarea acesteia (electrozii de emisie utilizați la teste au fost executați pe cheltuiala proprie, nefiind incluși în programele de cercetare amintite).

6.2 Descrierea soluției de modernizare a instalației de desprăfuire electrică aferentă unui grup energetic de mare putere

6.2.1 Soluții pentru dispunerea echipamentului interior

A). Creșterea distanței dintre electrozii de depunere

Matematic s-a stabilit că potențialul de descărcare dintre electrozi este direct proporțional cu distanța dintre electrozii de polaritate diferită (2h), iar viteza de migrație este proporțională cu pătratul tensiunii de alimentare prin următorul algoritm[30]:

w k E0 qp

E0 k1 Ualim. w = k2 (Ual)2 (6.1)

qp =

Cu cât tensiunea de alimentare Ual este mai mare, cu atât crește și valoarea vitezei de migrație, iar tensiunea de energizare a electrofiltrului este mai mare dacă potențialul de descărcare dintre electrozii de polaritate diferită este mai mare. s-a stabilit teoretic de către specialiștii în domeniu că acesta depinde de distanța dintre electrozii de polaritate diferită.

practic, relația dintre potențialul dintre electrozii de polaritate diferită și curentul de descărcare corona se exprimă prin caracteristica de sarcină curent-tensiune, pentru diverse geometrii ale echipamentului interior.

Relația lui Deutsch se poate exprima ca funcție de puterea corona sau de curentul corona pe volum de gaz:

(6.2)

Intensitatea curentului corona depinde de tipul de electrozi de emisie, de configurația acestora, pasul 2h și distanța dintre electrozii de emisie d.

Cooperman a determinat o relație de legătură dintre curentul specific corona, distanța dintre electrozii de emisie și distanța dintre electrozii de depunere și electrozii de emisie h:

(6.3)

Dacă se menține constantă distanța d, odată cu creșterea lui h crește curentul corona și tensiunea, ceea ce impune utilizarea unor echipamente de înaltă tensiune de mare putere pentru a obține câmpuri electrice intense în zona activă a electrofiltrelor.

Între creșterea curentului și a tensiunii nu există o relație lineară. La anumite valori ale curentului puterea furnizată de echipamentul de înaltă tensiune nu mai este utilizată eficient, iar pierderile corona sunt importante. Există un raport optim h/d pentru care curenul corona este utilizat cu maximă eficiență.

Pentru a stabili influența pasului asupra tensiunii de alimentare dintre electrozii de polaritate diferită s-au determinat caracteristicile curent-tensiune pe standul de electrofiltre pentru tipurile de electrozi în condiții apropiate cu cele la care funcționează instalațiile reale (electrofiltru pilot a fost echipat cu electrozi de emisie conform soluțiilor obținute din studiile efectuate pe instalația experimentală, pe instalații reale și din modelele teoretice).

În câmpul nr.1 și câmpul nr.2 echipat cu electrozi Isodyn B5M (fig. 6.2.1) se constată că pentru J= 0,4 mA/mp trecerea de la 2h=300mm la 2h= 350mm are ca efect creșterea tensiunii de la 39kV la 44,2kV. Trecerea de la pas 2h=350 mm la pas 2h=380mm conduce la o creștere a tensiunii de la 44,2kV la 48,1kV.

Fig 6.2.1. Caracteristica tensiune –curent electrofiltru pilot câmp 1 (Isodyn B5M) cu

circulație de aer la temperatura t=20ºC

Pentru densități mai mari de curent (J>0,5 mA/m2) indiferent de pas, se constată o modificare a aspectului curbelor curent-tensiune (curentul crește brusc în comparație cu creșterea lentă a tensiunii).

La câmpul nr.3 echipat cu electrozi Fe-Stern (fig. 6.2.2), pentru un J=0,4mA/mp trecerea de la pas 2h=300mm la pas 2h=350mm are ca efect creșterea tensiunii de la 43,8kV la 48,4kV. Trecerea de la 2h=350mm la 2h=380mm conduce la o creștere de tensiune de la 48,4KV la 54,2 kV.

Pentru acelaș nivel de tensiune aplicat electrofiltrului (40-50)kV creșterea pasului duce la o scădere a densității de curent.

Ca și în cazul câmpului nr.1 după depășirea densității de curent de 0,4-0,45 mA/m2, dependența curent-tensiune devine lineară, deci pericolul amorsării arcului electric crește.

Zona de lucru pentru electrofiltru este util să fie situată sub 0,5 mA/m2 pentru electrozii Isodyn B5M, Isodyn B5 și respectiv sub 0,4 mA/m2 pentru electrozii Fe – Stern, indiferent de pas (aceste limite sunt cansiderate de autor ca fiind optime pentru o desprafuire eficientă si au au rezultat in urma unor indelungi studii privind comportarea in exploatare a tuturor electrozilor de emisie utilizați la electrofiltrele de la grupurile de 330 Mw din Turceni si Rovinari) .

Fig.6.2.2 Caracteristica tensiune–curent electrofiltru pilot câmp 3 (Fe-Stern)

cu circulație de aer la temperatura t=20ºC

Se constată că odată cu creșterea pasului de la 300 mm la 380 mm pentru același curent specific 0,4 mA/m2, tensiunea de alimentare crește de la 39 kV la 48,1 pentru electrozii Isodyn B5M și de la 43,8 kV la 54,2 kV pentru electrozii de tip Fe-Stern.

Raportul pentru creșterea pasului este de kh =1,14 iar raportul pentru creșterea tensiunii este kU = 1,21.

Raportul creșterii tensiunii de alimentare este mai mare decât raportul creșterii pasului dintre electrozii de polaritate diferită, deci valoarea vitezei de migrație va crește cu o valoare mai mare decât raportul pașilor. Performanțele electrofiltrului vor fi îmbunătățite substanțial prin creșterea valorii vitezei de migrație care este proporțională cu pătratul tensiunii de alimentare, a cărei valoare depinde direct proporțional de distanța dintre electrozii de polaritate diferită, așadar odată cu creșterea pasului de la 300 mm la 380 mm, viteza de migrație crește cu (11÷20) %.

Efectul pasului mărit asupra procesului de desprăfuire electrostatică se manifestă cu precădere în zona finală a electrofiltrului, în câmpul final. În această zonă în gaze se regăsesc cele mai fine particulele de praf cu rezistivitate ridicată. Pentru reținerea lor este nevoie de un plus de tensiune, de un câmp electrostatic mai puternic ce se obține prin creșterea distanței dintre electrozii de emisie și depunere.

Probabilitatea de a reține din gaze și acea fracțiune care este mai puțin favorabilă desprăfuirii electrostatice este cu atât mai mare cu cât câmpul electrostatic este mai intens.

În zona finală a electrofiltrului densitatea particulelor de praf din gaze este sensibil mai mică în comparație cu zona de intrare. Este nevoie de ioni puternic accelerați care să întâlnească în calea lor particulele de praf rarefiate și în plus greu desprăfuibile.

În plus cu cât pasul este mai mare cu atât zona de turbulență locală este mai redusă și probabilitatea reantrenării particulelor de praf de pe electrozii de depunere este mai mică.

Pentru un electrofiltru nou, pasul mărit conduce la o instalație interioară mai ușoară și deci la costuri mai mici. Este de la sine înțeles că și costurile de reparație sunt mai reduse.

Nu este de neglijat nici aspectul unei mai bune conservări în timp a geometriei unei instalații interioare cu pas mărit, (efectul unei abateri de + 5 mm este cu mult mai redus dacă este raportat la 380 mm față de 300 mm).

În prezent este generalizat pasul de 400 mm. Sunt însă și aplicații cu pas de 500 mm, iar în Japonia s-au realizat electrofiltre cu pas de până la 600 mm.

Autorul consideră că pasul optim este 2h=380mm, întrucât s-a renunțat destul de ușor la o suprafață de depunere în loc să se pună accentul pe un centraj perfect al echipamentului interior (în interiorul electrofiltrului fiind peste 10 000 de repere care trebuie centrate).

La un grup energetic insistând asupra unui centraj al echipamentului interior dispus la pas de 300 mm (grup nr.6 Turceni- nemodernizat), s-au obținut performanțe apropiate de cele ale unui electrofiltru al cărui echipament interior era dispus la pas de 400 mm (grup nr. 1 Turceni parțial- modernizat).

În cazul particular al grup 6 Turceni probabilitatea de a obține performanțe ridicate (40 mg/m3N) este cu atât mai mare cu cât se vor creea condiții favorabile pentru reținerea tuturor fracțiunilor componente ale cenușii.

În continuare se prezintă algoritmul de procesare a unor activități experimentale și testări care să conducă la o concepție și diagnosticare corectă a unei instalații de epurare electrostatică cu randamente maxime prin ridicarea caracteristicilor de sarcină curent- tensiune [12][21]:

a). la proiectarea unui electrofiltru pentru stabilirea tipului de echipament interior (electrozi de emisie și depunere, pasul, distanța dintre electrozii de emisie pe aceeași rama, etc.);

b). după montajul electrofiltrului, așa numita caracteristică curent-tensiune în gol fără gaze tehnologice, pentru verificarea corectitudinii montajului, caracteristica etalon nr.1;

c). după punerea în funcțiune a electrofiltrului cu gaze tehnologice, cu toate sistemele de scuturare funcționând, pentru fiecare câmp electric sau zonă, caracteristică curent-tensiune etalon nr.2;

d). după fiecare reparație sau oprire, caracteristica va fi comparată cu cea de la punctul „b”sau „c”, constatându-se abaterile de montaj sau de tehnologie.

În continuare se expune simplificat modelul propus de echipare al unui electrofiltru (Grup nr 6 Turceni) care în condiții de funcționare normală să realizeze un randament de desprăfuire sub limitele impuse de legislația privind protecția mediului, mai concret sub 40 mg/m3N de gaz epurat la ieșirea din electrofiltre.

A1. Dispunerea optimă a electrozilor de emisie și depunere pentru obținerea unei suprafețe de depunere maximă într-un spațiu și volum limitat.

Fig.6.2.3 Dispunerea optima a electrozilor de depunere

Elementul de noutate al soluției tehnice la proiectul instalației interioare a electrofiltrelor constă în aceea că electrozii de depunere sunt dispuși la pas 2h=380 mm conform figurii 6.2.3 (în vechea soluție electrozii erau dispuși la 2h=400mm, conform figurii 6.2.4).

Prin această nouă soluție, raza de acțiune a câmpului electrostatic este identică cu cea care rezultă din dispunerea clasică a electrozilor de depunere la pas 2h=400mm. Efectul electric obținut prin aplicarea acestei noi soluții este identic cu cel ce se obține prin dispunerea clasică a electrozilor de depunere la pas de 400 mm, rezultând tot odată și un plus de suprafață de depunere.

Fig.6.2.4 Dispunerea clasica a electrozilor de depunere

Un alt element de noutate al soluției, constă în creșterea eficienței de colectare a prafului în buzunarele electrozilor. Prin modelare și vizualizare se poate evidenția o curgere mai bună a gazelor în sensul că particulele de praf sunt mai bine orientate spre electrozii de depunere.

Prin dispunerea electrozilor la pas de 2h=380mm blocul de comandă cu microprocesor implementat în tablourile de comandă ale echipamentelor de înaltă tensiune acționează identic ca la pasul de 400 mm, raza câmpului electrostatic fiind practic aceiași.

În plus prin suplimentul de suprafață de depunere oferit de această nouă soluție se obține o desprăfuire mai bună (conform ecuației randamentului de desprăfuire).

Prin dispunerea electrozilor la pas de 380 mm se obține aceiași viteză de migrație ca la dispunerea electrozilor la pas de 400 mm în varianta clasică (raza de acțiune a câmpului electrostatic în cele două variante este aceeași).

Utilizând pasul de 380 mm numărul trecerilor pentru gaze este de 46 față de 43 cât ar fi fost la pasul de 400 mm, ceea ce înseamnă un spor de suprafață de depunere de 2, 92 %

– simbolul electrofiltrului la pas 2h=400mm

43/12/3 * 9/0,400

– simbolul electrofiltrului la pas 2h=380mm

46/12/3 * 9/0,380

– lățimea utilă a electrofiltrului la pas 2h=400mm

lu = 18200 mm

număr de treceri în cazul utilizării pasului 400 mm

n400 = 43

număr de treceri în cazul utilizării pasului 380 mm

n380 = 46

– suprafața de depunere pentru pasul de 400 mm (electrozi de depunere dispuși conform figurii 6.2.4)

S400 = 15668 m2

– suprafața de depunere în cazul utilizării pasului 2h=380 mm (electrozi de depunere dispuși conform figurii 6.2.3)

S380 = 16431,4 m2

plusul de suprafață de depunere este:

Sp= S380 –S400=763 m2 – pentru un electrofiltru

Pentru cele doua electrofiltre aferente instalatiei de desprafuire electrica de la grupul nr 1 din Turceni plusul de suprafata de depunere este:

Spt=1178m2

Din acest plus de suprafata de depunere se scade suprafata de depunere de langa perete care este inactiva(prin zona dintre perete si primul electrod de depunere nu circula praf) si rezulta un plus de suprafata de depunere activa:

Spta=1178m2

În noua variantă dimensiunile geometrice frontale ale câmpului de desprăfuire rezultate în urma dispunerii la pas de 380 mm sunt redate în figura 6.2.5.

.

Fig.6.2.5 Dimensiunile geometrice ale câmpului de desprăfuire în direcție frontală

B). Utilizarea unui nou tip de electrod de emisie, Isodyn B5M având forma modificată față de electrodul de emisie Isodyn B5S frecvent utilizați la electrofiltrele existente.

Acest tip de electrod este propus de autor să se utilizeze la echiparea câmpului nr 1 și câmpul nr. 2 al electrofiltrului prin care trece o mare cantitate de praf având o rezistivitate mică și care poate fi reținut cu ușurință. Justificarea soluției este prezentată în capitolul nr.4 .

Forma constructivă este prezentată în figura 6.2.6 a.

Fig. 6.2.6 Electrozi de emisie:

a-electrod Isodyn B5M, b- electrod Fe-Stern, c- electrod Isodyn B5

C). Echiparea câmpului nr. 3 al electrofiltrului cu electrozi de tip Fe-Stern

Acest tip de electrod (fig.6.2.6.b). este același tip de electrod cu care a fost echipat electrofiltrul grupului nr 6 din Turceni.

Autorul consideră că acest tip de elctrod (deși s-a renunțat la el) are caracteristici electrice favorabile desprăfuirii prafurilor cu rezistivitate ridicată și prin forma constructivă posedă o aerodinamică mai bună în comparație cu electrodul tip lamelă frecvent utilizat în ultimul timp de diverse firme de specialitate din lume și utilizat la grupurile 1,4,5 și 7 din Turceni.

În plus prin urmărirea în timpul funcționării a celor două tipuri de electrozi, la funcționarea cu cazanul spart (acest fenomen se întâlnește destul de des în funcționarea grupurilor energetice) electrodul de emisie de tip lamelă menține pe suprafața frontală o importantă cantitate de cenușă umedă ce poate fi un izolator. Acoperirea electrodului de emisie cu praf duce la diminuarea randamentului de desprăfuire prin suprimarea efectului corona.

D). Distanța dintre electrozii de emisie de pe aceiași ramă va fi de 300 mm, această distanță fiind utilizată cu succes la proiectele electrofiltrelor de la grupul 4 și 5 din Complexul Energetic Turceni. Electrozii de emisie vor fi montați în rame din țeavă ф=32 după o tehnologie bine definită pentru a se evita ruperile în timpul funcționării.

Fig.6.2.7 Modelul dispunerii electrozilor de emisie și depunere în structura

unui câmp de desprăfuire

Câmpurile de desprăfuire vor fi reorientate în același volum astfel încât toate particulele să treacă prin zona de ionizare. Dimensiunile geometrice ale unui câmp de desprăfuire în direcția de curgere a gazelor sunt prezentate în figura 6.2.8.

Fig.6.2.8 Dispunerea câmpurilor de desprăfuire pe direcția de curgere a gazelor

În concluzie soluția adoptată permite:

luarea în considerație la calculul de dimensionare a electrofiltrului a vitezei de migrație corespunzătoare pasului de 400 mm.

obținerea unei suprafețe de depunere mai mare cu 1178 m2, ceea ce înseamnă o îmbunătățire a randamentului de separare.

plusul de suprafață de depunere servește la reținerea unei importante cantitați de cenușă și implicit la creșterea randamentului de desprăfuire.

6.2.2 Soluții de echipare a carcasei camerei de separare

A). Creșterea eficienței de separare prin eliminarea scăpărilor de gaze

Scăpările de gaze („Furișările”) de gaze pe la partea superioară a electrozilor de depunere, pe marginile electrozilor de depunere de lângă pereți și carcasă și aspirațiile false determină scăderi ale randamentului de desprăfuire prin circulația necorespunzătoare a gazelor în zona activă. De exemplu, dacă 5% din debitul de gaze trece pe lângă zonele active, randamentul de desprăfuire poate fi diminuat cu până la 95%.

Pentru a evita „furișările” datorate spațiului liber dintre electrozii de depunere și pereții electrofiltrului în secțiunea transversală a electrofiltrului se montează table de obturare pentru a obține dirijarea optimă a gazelor spre zona de ionizare și a preîntâmpina zonele de turbulențe locale.

Configurația tablelor de obturare a fost modelată pe instalația experimentală împreună cu reprezentanții ICPET București și reprezentanții COMELF Bistrița. Această fază de modelare a fost realizată pe programul RELANSIN și MENER în două etape.

În cazul inexistenței acestor table de obturare în spațiul carcasă-electrod de depunere cantitatea de cenușă ce trece de-a lungul pereților by-passând zona activă de ionizare, conduce la creșterea substanțială a emisiilor.

În continuare se va prezenta un model de calcul pentru creșterea emisiei datorată spațiului liber dintre electrozii de depunere și carcasă pentru modelul electrofiltrului de la grupul nr 6 din Turceni.

Fig.6.2.9 Traiectoria particulelor înainte de montarea sistemului pentru

eliminarea scăpărilor de gaze în electrofiltru

Dacă se notează cu:

c1 – cantitatea de cenușă ce by-passează zona de ionizare [g/m3 N]

ci – conțintul de cenușă în gazele brute după presepararea mecanică 67,7 g/mN3

s – sectiunea activă a electrofiltrului, ( s = 217,626m2)

sl – secțiunea prin care se „furișează” gazele [m2]

sl = 0,220 x 12,450 = 2,739 m2

Unde :

0,220m reprezintă distanța de la perete la electrozii de depunere

12,450m reprezintă înălțimea electrofiltrului

Cantitatea de praf ce by-passează zona de ionizare, la intrarea în câmpul 1, c1,1 va fi:

c1,1 = ci x 0,002 = 67,7 x 0,002 = 0,1354 g/m3N

0,2 % reprezintă procentul din debitul de gaze ce by-passează zona de ionizare.

Cantitatea de praf ce by-passează zona de ionizare, la intrarea în câmpul 2, c1,2 va fi:

c1,2 = 0,002 (67,7 x 0,998 x 0,20 + 0,1354 x 0,05) = 0,027 g/m3N

99,8% reprezintă procentul din debitul de gaze ce trece prin zona activă a electrofiltrului;

20 % reprezintă procentul din cantitatea de cenușă ce nu este reținută în câmpul 1.

Cantitatea de praf ce by-passează zona de ionizare, la intrarea în câmpul 3 , c1,3 va fi

c13= 0,002(67,7×0,998 x 0,05+0,027×0,05) =0,006 g/m3N

Având în vedere că în zonă există o oarecare ionizare, cenușa din gazele ce se “furișează” conduce la o creștere a emisiei cu până la 50 % din 0,006 g/m3N.

Ca urmare atenția s-a concentrat asupra soluției de obturare a tuturor zonelor parazite și eliminarea scăpărilor de gaze din zona activă a electrofiltrului.

Fig.6.2.10 Model de echipare a carcasei cu elemente de uniformizare (1,2,8), elemente pentru eliminarea reantrenărilor de praf (4,5,6) și elemente pentru eliminarea furișărilor de gaz (9,10).

În urma modelării curgerii gazelor în electrofiltru realizată împreună cu personalul ICPET București a rezultat amplasarea și configurația tablelor de obturare tip 9 și 10 prezentată în figura 6.2.10 [14].

În lipsa echipării suplimentare cu table de obturare a grinzilor de coperiș, cantitatea de cenușă datorată „furișărilor” gazelor la partea superioară a secțiunii transversale ce by-passează zona câmpului electrostatic poate fi calculată altfel:

Cantitatea de praf c2,1 ce by-passează zona de ionizare la intrarea în câmpul 1:

c2,1 = ci x 0,0101 = 67,7 x 0,0101 = 0,6837 g/m3N

1,01 % reprezintă procentul din debitul de gaze ce by-passează zona de ionizare

Cantitatea de praf c2,2 ce by-passează zona de ionizare la intrarea în câmpul 2:

c2,2 = 0,0101 (67,7 x 0,9899 x 0,20 + 0,6837 x 0,50) = 0,138 g/m3N

98,99 % reprezintă procentul din debitul de gaze ce trece prin zona activă a electrofiltrului;

20 % reprezintă procentul din cantitatea de cenușă ce nu este reținută în câmpul 1

Cantitatea de praf c2,3 ce by-passează zona de ionizare la intrarea în câmpul 3:

c2,3 = 0,0101 (67,7 x 0,9899 x 0,05 + 0,138 x 0,50) = 0,0345 g/m3N

5 % reprezintă procentul din cantitatea de cenușă ce nu este reținută în câmpul 2

c2 reprezintă cantitatea de cenușă ce by-passează zona de ionizare

s – secțiunea prin care se „furișează” gazele

s = 17,7m x 0,140 = 2,478 m2

unde: 17,7m reprezintă lățimea electrofitrului

0,140m reprezintă distanța de la electrozii de depunere la grindă

Ca urmare a celor prezentate mai sus și având în vedere că în zonă există o oarecare ionizare, rezultă că lipsa echipării cu table de obturare a grinzilor de acoperiș conduce la o creștere a emisiei cu până la 50 % din 0,145 g/m3N.

Pentru a evita „furișările” gazelor în buncăre, la partea inferioară a electrofiltrului se pun table de dirijare a curgerii, câte una pentru fiecare platformă (la intrare în primul câmp, ieșire din primul câmp, intrare câmp 2, ieșire din câmpul doi, intrare câmp 3 și ieșire câmp 3).

În lipsa acestora, cantitatea de cenușă ce scapă din buncăre și reintră în zona activă a electrofiltrului va fi:

c3 = 0,300 x 17,7 x 1,5 x 67,7 x 0,05 = 26,91 g/m3N

unde: 1,5m/s este viteza medie a gazelor în secțiunea transversală

0,300m reprezintă distanța dintre electrozii de depunere și buncăre

0,05 reprezintă coeficientul de scăpări cenușă din buncăre

242,25 m3N/s este debitul de gaze ce trece printr-un electrofiltru

c3 reprezintă cantitatea de cenușă ce scapă din buncăre

c3 = 26,91 g/m3N : 244,25 = 0,110 g/m3N

Ca urmare, lipsa echipării la partea inferioară a electrofiltrului poate conduce la o reantrenare de praf de 0,110 g/m3 din buncărele de colectare.

În vederea reducerii fenomenului de reantrenare din buncăre, datorate baleiajului și a vârtejurilor locale, este necesar să se monteze în buncăre pereți despărțitori. Această soluție de echipare a rezultat în urma modelării curgerii gazelor pe instalația pilot efectuată pe programul MENER și la care am participat din partea S.E Turceni împreună cu reprezentanții ICPET București. Această soluție s-a aplicat cu rezultate foarte bune la electrofiltrele grupului energetic nr 5 din Turceni.

B. Soluție pentru echiparea racordului de intrare și ieșire în vederea optimizării distribuției gazului la intrarea în zona activă a electrofiltrului cu ocuparea completă a acestuia și eliminarea reantrenărilor de praf.

Printre factorii care influențează performanțele electrofiltrului un rol important îl ocupă optimizarea curgerii gazelor. Este suficient să se menționeze că atât teoretic cât și experimental s-a dovedit că o curgere adecvată a gazelor prin electrofiltru îmbunătățește considerabil gradul de desprăfuire electrostatică.

Desfășurarea procesului electrostatic de desprăfuire a gazelor de ardere este determinată printre altele și de spectrul cinematic al curgerii în zona activă a electrofiltrului.

Experimental s-a arătat că la creșterea neuniformității câmpului de viteze în secțiunea activă, randamentul electrofiltrelor scade în mod semnificativ.

Randamentul realizat în acest caz va fi:

(6.4)

Randamentul teoretic se poate calcula cu relația Deutsch:

(6.5)

Reducerea randamentului datorată neuniformității vitezelor se poate determina prin relația:

(6.6)

(6.7)

Pe lângă scăderea eficienței arătată mai sus, neuniformitatea câmpului vitezelor locale în electrofiltrul, dar și distribuții de viteze locale necorespunzătoare în racordurile de acces în electrofiltru pot genera alte efecte dezavantajoase procesului de reținere a particulelor solide din gazele de ardere, cum ar fi reantrenarea în zonele cu viteze locale mari.

Pierderile prin reantrenare devin importante acolo unde vitezele locale depășesc viteza de îndepărtare a particulelor de pe electrozi. De asemenea, în racordurile de acces, se pot forma zone de circulație locală, cauzate de macroturbulența intensă, care conduc la reantrenarea particulelor depuse în buncăr.

În vederea reducerii gradului de neuniformitate a vitezelor, pentru găsirea unor soluții optime din punct de vedere gazo-dinamic[79], care să conducă la îmbunătățirea curgerii gazelor în electrofiltru au fost necesare studii complete de laborator, pentru fiecare caz în parte, studii bazate pe metode și modele aerodinamice. Aceste cercetari la care am participat din partea S.E Turceni in colaborare cu ICPET Bucuresti au fost facute pe instalatia pilot realizata pe prgramul de cercetare MENER.

Pentru modelare, au fost utile unele observații generale[22][88]:

geometria sistemelor analizate (canale de transport ale gazelor de ardere, racorduri de intrare-ieșire din electrofiltru), din cauza cerințelor tehnologice de ansamblu ale centralelor este "chinuită" din punct de vedere gazo-dinamic fapt ce generează dificultăți în curgerea gazelor, secțiunile de trecere sunt mari, de ordinul zecilor, chiar al sutelor de metri pătrați.

curgerea are un caracter puternic neuniform, evidențiat prin distribuții neuniforme în secțiuni ale câmpurilor vectoriale de viteze (apar mișcări convective, transversale dar și longitudinale în anumite zone), apare o instabilitate spațială a mișcării determinată de geometria sistemului și compresibilitatea gazelor de ardere, această instabilitate spațială conduce la instabilitatea în timp a mișcării, cu perioade de variație de ordinul secundelor sau chiar a zecilor de secunde pe zone mai largi.

Îmbunătățirea curgerii în sistemele de desprăfuire poate fi structurată pe două cerințe majore:

a). ordonarea mișcării în canalele de acces la electrofiltre, pe de o parte pentru a asigura condițiile necesare de acces în racordul electrofiltrului și pe de altă parte, pentru controlul transportului suspensiilor solide;

b). realizarea unei distribuții de viteze convenabile în secțiunea activă a electrofiltrului, prin utilizarea de difuzoare/confuzoare de racordare de construcție specială sau introducerea pe admisia/evacuarea electrofiltrului a unor elemente care crează rezistențe hidraulice controlate ca: table perforate, grătare, jaluzele de dirijare etc, sau folosirea unor elemente de dirijare ca: pale, pereți desprăfuitori, sisteme de ecrane.

Fig.6.2.11 Mărimea vitezelor în secțiunea de intrare înainte de modelare[82]

Uniformizarea curgerii gazelor în zona activă a electrofiltrului impune echiparea cu elemente de dirijare/uniformizare atât a traseelor de gaze amonte/aval ale electrofiltrului cât și a racordurilor de intrare/ieșire. De cele mai multe ori obținerea unei curgeri corespunzătoare necesită aplicarea simultană a două sau mai multe sisteme dirijare /uniformizare.

Modelele s-au realizat pe baza legilor similitudinii. Similitudinea dinamică este realizată prin asigurarea similitudinii geometrice și a celei cinematice.

S-au elaborat soluții eficiente, unele deja implementate, altele în curs de implementare. În fig. 6.2.11 și 6.2.13 sunt prezentate valorile vitezelor în racodul de intrareî înainte și după montarea pe sistemului de uniformizare în racordul de intrare.

În figura 6.2.14 este prezentat un model de echipare al racordului de ieșire efectuat de ICPET București pe programul RELANSIN și aplicat la electrofiltrele grupului nr 6 Turceni.

Optimizarea din punct de vedere gazo-dinamic a instalațiilor de desprăfuire electrică aferente cazanelor pe lignit se poate evidenția la electrofiltrele de la S.E.Rovinari-Grup 4, 5, 6, S.E.Turceni-Grup 1, 3, 4, 5), precum și cazanul pe huilă de 640 t/h (SE Deva-Grup 1).

Fig.6.2.12 Model de echipare a racordului de intrare[82]

Fig.6.2.13 Mărimea vitezelor în secțiunea de intrare a electrofiltrului după modelare[82]

Fig. 6.2.14 Model de echipare a racordului de ieșire[81]

6.2.3 Descriere soluției propuse pentru modernizarea echipamentului de automatizare și alimentare cu energie electrică

A). Această soluție vizează o multitudine de elemente componente:

▪ înlocuirea echipamentelor de înaltă tensiune existente cu echipamente noi, moderne, performante și adaptate pasului mărit al electrofiltrelor ;

Autorul a propus energizarea electrofiltrelor cu echipamente de inalta frecventa descrise in capitolul 2 si distribuite conform figurii 6.2.15. Tablourile de comandă aferente acestor echipamente de înaltă tensiune vor fi dotate cu elemente de automatizare moderne care sa conducă funcționarea echipamentelor în funcție de caracteristicile fizice, chimice și electrice pe care le posedă la un moment dat gazele de ardere cu praf ce străbat interiorul electrofiltrului[90];

Aceste echipamente de înaltă tensiune pot fi amplasate pe acoperișul electrofiltrelor, fapt ce conduce la eliminarea cablurilor de înaltă tensiune (cablurile de înaltă tensiune fiind un echipament electric scump, necesită un montaj atent cu cheltuieli mari, etc);

Echipamentele de înaltă tensiune ce vor fi utilizate vor fi de ultima generație și vor trebui să poată asigura toate îmbunătațirile posibile în ceea ce privește modul de operare și de lucru, adică vor putea opera în regim normal sau pulsatoriu în funcție de condițiile de lucru, putând fi comandate local sau de la distanță, manual sau automat.

Dimensionarea echipamentelor de înaltă tensiune trebuie să corespundă suprafeței de depunere pe secțiune și condițiilor de lucru ale acesteia. Trebuie luat in seama pasul 2h=380 mm la alegerea tensiunii și curentului de alimentare.

prin dispunerea câmpurilor de desprăfuire comform figurii 6.2.15 sunt necesare 12 echipamente de înaltă tensiune, rezonabil având în vedere mărimea electrofiltrelor și caracteristicile constructive și funcționale[31].

în situația montării echipamentelor de înaltă tensiune pe acoperișul electrofiltrului, numai tablourile de comandă ale echipamentelor de înaltă tensiune vor fi amplasate în camera electrică a electrofiltrelor;

▪ îmbunătățirea automatizării instalației de desprăfuire electrică prin utilizarea unor elemente de automatizare performante, fiabile și moderne ca de exemplu: automate programabile, calculatoare electronice, etc, care permit urmărirea și conducerea funcționării electrofiltrelor în mod centralizat din camera de comandă a centralei;

▪ modernizarea circuitelor de alimentare motoare și încălzire izolatori din dulapurile de servicii auxiliare (DSA) prin înlocuirea aparaturii existente cu aparatură modernă cu un înalt grad de fiabilitate (disjunctoare magneto-termice, disjunctoare magnetice în loc de siguranțe fuzibile tip MPR și relee termice);

▪ înlocuirea dulapurilor de comandă și semnalizări uzate fizic și moral cu un dulap de control tehnologic (DCT) echipat cu automat programabil care realizează interfața de comandă și acționare dintre dulapurile DISTRIBLOC și consumatorii electrici, precum și cu tablourile de comandă a echipamentelor de înaltă tensiune. Acest dulap de control tehnologic prin automatul programabil va realiza funcțiile de programare (continuu-intermitent) a scuturărilor de depunere din câmpurile electrofiltrului;

▪ dotarea izolatorilor de susținere corespunzători pasului mărit cu sisteme de încălzire noi în concordanță cu dimensiunile izolatorilor de susținere;

▪ înlocuirea cablurilor de joasă tensiune existente între dulapurile de alimentare și consumatorii electrici ai electrofiltrului cu cabluri noi ecranate;

▪ panoul de comandă din camera de comandă a grupului energetic se va echipa cu o consolă grafică pentru conducerea de la distanță a electrofiltrului care va afișa pe ecran starea consumatorilor electrici, situația avariilor, nivele de praf în buncăre, etc.

Fig. 6.2.15 Dispunerea schematică a câmpurilor la o instalație de desprăfuire electrică modernizată

Echipamentele de joasă tensiune vor fi constituite din : dulapul de control tehnologic, motoarele dispozitivelor de scuturare a electrozilor de emisie, depunere și panourile de distribuție a gazelor precum și a dozatoarelor celulare, rezistențele de încălzire a izolatorilor, cutii de comandă locală, întrerupătoare, termorezistențe, etc.

Fiecare tablou de comandă va fi prevăzut cu o consolă grafică cu funcționalitate complexă și anume:

Afișarea parametrilor principali de tensiune și curent.

Este posibilă și recomandabilă selectarea unor echipamente care să permită afișarea unei multitudini de parametri cum sunt: tensiune secundar minimă, tensiune secundar efectivă, tensiune secundar de vârf, curent secundar efectiv, unghi de aprindere, perioada de stingere a arcurilor, creșterea rapidă a tensiunii de revenire, creșterea lentă a tensiunii de revenire, setarea tensiunii de revenire, numărul de arcuri pe minut, numărul programului, perioada activă și perioada inactivă a pulsului.

Setarea parametrilor de grup: de stingere a arcurilor (perioada de stingere, tensiunea de revenire, creșterea tensiunii, modul de stingere); limitări (tensiunea de vârf secundară, curentul efectiv secundar, unghiul de aprindere a tiristoarelor, numărul de descărcări pe minut, etc.), operarea prin pulsare (durata pulsării, intervalul de pulsare, tensiunea fundamentală, selectarea manuală sau automată a regimurilor presetate), setarea funcțiunilor de scuturare și încălzire, setarea parametrilor de monitorizare.

Setarea parametrilor de sistem: parametrii de timp și adresă, parametrii nominali de tensiune, curent și putere, frecvența de lucru, durata coronei inverse, modul de operare, unghiul de aprindere maxim, factorii pentru semnalele traductoarelor de tensiune și curent, ieșirile pentru măsurători la distanță.

Vizualizarea grafică a parametrilor principali.

Afișarea alarmelor si mesajelor eroare.

Alte facilități: detecția descărcării CORONA inverse, scăderea automată a tensiunii la apariția arcurilor, ridicarea automată a tensiunii la stingerea arcurilor, optimizarea consumului de energie funcție de condițiile existente în electrofiltru.

Posibilitatea conexiunii cu un calculator pentru monitorizarea funcționării întregii instalații de desprăfuire electrică.

Fig. 6.2.13 Schema conceptuală de automatizare a instalației de desprăfuire electrică

În funcție de producătorul echipamentului de înaltă tensiune ce va fi selectat, unele dintre funcțiunile de mai sus pot lipsi sau pot fi realizate la un nivel de complexitate sporită.

Pe partea de joasă tensiune instalația urmează să fie echipată cu un dulap de control tehnologic pentru deservirea ambelor electrofiltre.

Aparatajul și conexiunile electrice pentru alimentarea generală, distribuția tensiunii de forță, realizarea tensiunilor de serviciu și distribuirea lor, ansamblul dispozitiv de conducere automat programabil și interfață operator sunt obiectele și funcțiunile care se vor amplasa și efectua în compartimentul central al dulapului. Cele două compartimente laterale vor cuprinde aparatajul și conexiunile electrice destinate celor două electrofiltre. Cele trei compartimente vor fi legate fix și interconectate funcțional.

Dulapul de control tehnologic va trebui să asigure realizarea următoarelor funcțiuni:

Desfășurarea secvențială a pornirii, operării și opririi instalației de desprăfuire electrică.

Acționarea consumatorilor: rezistențele de încălzire izolatori, motoarele dispozitivelor de scuturare emisie și depunere, dozatoare celulare, sesizoarele nivelului de praf.

Rezolvarea blocajelor tehnologice și de înaltă tensiune din instalație.

Indicarea stării momentane a fiecărui element de execuție de pe electrofiltre prin citirea stării intrărilor automatului programabil.

Măsurarea diverșilor parametri electrici din câmp.

Realizarea interfeței cu camera de comandă centrală și camera de comandă a blocului.

Culegerea de diferite alte date privind funcționarea instalației.

Pornirea și transmiterea în camera de comandă centrală a diverșilor parametri.

B). Stabilirea mărimii agregatului de înaltă tensiune (AIT)

Mărimea agregatului se stabilește funcție de curentul necesar câmpului (camerei) de separare.

Curentul necesar pe câmp se calculează cu relația:

Ic = i x Fnc în care:

"i" este curentul specific mA/m2.

Din cercetările proprii și din literatura de specialitate în funcție de caracteristicile combustibilului, de tipul electrofiltrului, de tipul electrozilor de emisie și de natura gazelor și a prafului rezultă:

i = 0,6 mA/m2

– Fnc este suprafața de depunere a unui câmp și se determină cu relația:

Fn c= Fn/3 în care 3 este numărul de câmpuri al electrofiltrului

Fn c= 5799 m2

Ic= 0,6 x 5797 = 3478 mA/câmp

Pentru creșterea disponibilității, a siguranței și a fiabilității în funcționare a electrofiltrelor se vor secționa mecanic și electric câmpurile electrofiltrelor, adică fiecare câmp va fi împărțit din punct de vedere electric în două semicâmpuri.

În acest sens fiecare câmp al electrofiltrului va fi dotat cu două echipamente de înaltă tensiune (EIT). Curentul necesar pe un semicâmp este:

Isc = Ic /2 = 1800 mA/semicâmp

Funcție de această valoare se alege mărimea echipamentului de IT. Se alege un agregat de tipul EIT 1800mA – 105kV.

Caracteristicile tehnice ale unui agregat de înaltă tensiune de fabricație românească utilizat la electrofiltre, aferent cazanului de 1035 t /h sunt redate în tabelul de mai jos:

Creșterea performanțelor instalațiilor de desprăfuire prin eliminarea efectului ,,corona inversă,,

Pentru energizarea electrofiltrelor sunt utilizate în general echipamente de înaltă tensiune care livrează tensiune continuă. Dar înăsprirea normelor privind emisia de pulberi în atmosferă a impus găsirea unor noi soluții pentru reținerea pulberilor cu randamente ridicate[14].

Creșterea randamentului de epurare impune viteză de migrație mare, intensitatea câmpului electric mare și deci nivelul tensiunii de alimentare ridicat, care este determinat de forma undei de tensiune și conductivitatea mediului.

Alimentarea cu înaltă tensiune este un factor important în atingerea performanței electrofiltrului.

Deși satisfacerea condițiilor mecanice, precum și o bună curgere a gazelor prin electrofiltre, un sistem de scuturare optim, o concepție justă a sistemului de electrozi cu o alimentare corectă sunt absolut necesare pentru atingerea unor performanțe ridicate, acestea nu pot substitui o alimentare cu înaltă tensiune corespunzătoare caracteristicilor fizico-chimice și electrice ale mediului dispers.

Rezolvarea practică a corelării formei undei de tensiune cu viteza de migrație se face aproximativ pornind de la dependența vitezei de migrație de nivelul de tensiune continuă. Valorile top values ale tensiunii sunt utilizate pentru generarea de purtători de sarcină, iar valorile medii pentru transportul particulelor încărcate cu sarcină electrică[27]:

deci : (6.9)

Se constată astfel că valorile maxime pentru viteza de migrație se obțin când tensiunea de vârf și medie sunt maxime.

În cazul particulelor conducătoare, nivelul tensiunii continue de lucru este ridicat, dar în cazul particulelor înalt rezistive acesta scade și este necesară utilizarea altor forme de undă.

Tabelul 6.1

Mediul dispers care conține particule cu conductivitate mare este epurat cu randament ridicat în cazul alimentării cu tensiune continuă, iar cel care conține particule cu conductivitate mică (rezistivitate mare, peste 5 x 1010cm) în cazul alimentării electrofiltrului cu impulsuri de înaltă tensiune.

Impulsurile de înaltă tensiune se pot aplica în două domenii:

– impulsuri de înaltă tensiune în domeniul milisecundelor pentru medii disperse care conțin prafuri cu rezistivitate în domeniul (5 x 1010) ÷ ( 5 x 1011) cm;

impulsuri de înaltă tensiune în domeniul microsecundelor pentru medii disperse care conțin prafuri foarte înalt rezistive peste 5 x 1011 cm.

Cu cât rezistivitatea electrică a prafului este mai mare cu atât mai mare trebuie să fie și pauza dintre pulsuri pentru a asigura timpul necesar cedării sarcinii electrice acumulată pe particulele de praf electrodului de depunere și pentru a stinge descărcarea corona inversă.

Caracteristicile curent-tensiune pentru electrofiltru, la funcționarea lui nominală corelate cu eficiența de colectare sunt cele care impun practic forma undei de tensiune de alimentare a electrofiltrului.

În tabelul 6.1 sunt prezentate testele efectuate la SE Turceni grup nr 4 și rezultatele obținute.

A. Alegerea formei de undă

Se pot stabili în linii mari cerințele de satisfăcut și criteriile de urmat, fără a exista însă o metodă exactă de stabilire a optimului de alimentare cu energie electrică la fiecare caz în parte. Trebuie luați în seamă următorii factori:

debitul de gaze și randamentul cerut

proprietățile particulelor, îndeosebi rezistivitatea particulelor și concentrația

tipul și mărimea electrofiltrului

tipul de redresoare.

În continuare vor fi prezentate principalele moduri de operare ce pot fi aplicate în tehnica desprăfuirii electrostatice astfel încât randamentul să fie maxim[81].

A1. Modul de operare continuu

Tensiunea de ieșire a tabloului de comandă (Up) în acest regim este prezentată în fig. 6.2.14 (în cazul funcționării pe o sarcină rezistivă). Unghiul de aprindere a tiristoarelor este determinat prin calcul în funcție de un set de valori impuse și de valori măsurate (tensiunea înaltă și curentul de ieșire a agregatului, tensiunea și curentul de ieșire al tabloului).

Fig.6.2.14 Tensiunea primară în modul de operare continuu

A2. Modul de operare cu trenuri de impulsuri

Tensiunea de ieșire în modul de operare cu trenuri de impulsuri este prezentată în figura 6.2.15 (în cazul funcționării pe o sarcină rezistivă). Unghiul de aprindere este modificat astfel încât un număr variabil de alternanțe au unghi de aprindere mai mare (tensiunea de ieșire este mică atunci când unghiul de aprindere este mare).

Sistemul de control permite operarea în regim 75% (trei alternanțe au unghi mic de deschidere și o alternanță are unghi mare de deschidere), 66,6%; 50%; 33,3%; 25%.

Fig.6.2.15 Tensiunea primară în modul de operare cu trenuri de impulsuri

Metoda de control este prezentată în figura 6.2.16 (pentru unghi 33%) în intervalul de timp t1, tensiunea înaltă Uhv (de la ieșirea agregatului) are valoarea U2 care produce ionizarea gazului în camera filtrului, iar în intervalul de timp t2 are valoare U1 mai mică decât U2, dar suficientă pentru a filtra particulele de praf.

Avantajele acestui mod de operare sunt:

– evitarea efectului Corona invers;

– creșterea eficienței filtrării;

– reducerea consumului energetic ;

Filtrarea poate fi optimizată și prin alegerea regimului (raportul t1/t2) și a valorilor U1 și U2). Această metodă este indicat să se utilizeze în câmpul nr 2 al electrofiltrului.

Fig.6.2.16 Tensiunea primară și tensiunea de ieșire a agregatului în modul de operare

cu trenuri de impulsuri la 33,3%

A3. Modul de operare pulsat

Sistemul de control permite operarea cu pulsații de tensiune cu frecvența: 50 Hz/3; 50 Hz/5; 50Hz/7; 50 Hz/9; 50Hz/11; 50 Hz/13.

Fig.6.2.17 Tensiunea primară în modul de operare pulsat

Tensiunea de ieșire a tabloului de comandă în modul de operare pulsat cu diviziunea 50 Hz/5 este prezentat în fig. 6.2.17 în cazul funcționării pe o sarcină rezistivă.

Modul de operare constă în blocarea unui anumit număr de alternanțe.

Strategia de control a scânteii și arcului în funcție de nivelul tensiunii și condițiilor de lucru ale electrofiltrului pot apărea descărcări electrice de scurtă durată (scântei mici) descărcări de durată mai mare (scântei) sau arc electric.

Există de asemenea un nivel de tensiune la care au loc ionizări locale reverse (efectul Corona invers), iar curentul din electrofiltru este semnificativ. Pentru a atrage o înaltă eficiență a filtrării electrostatice este necesar să se mărească tensiunea de ieșire la un nivel suficient de mare dar, sub nivelul la care apare arcul electric sau efectul Corona. Pentru a determina nivelul optim, este necesară creșterea tensiunii finale de ieșire cu panta lină, până la descărcare sau apariția efectului Corona invers. Când nivelul este atins, tensiunea scade la zero pentru un interval de timp și gazul este deionizat.

Apoi tensiunea a crescut cu o pantă rapidă până la un nivel mai scăzut față de nivelul anterior cu U1. Tensiunea înaltă de ieșire este crescută cu o pantă lentă până la următoarea descărcăre.

Fig.6.2.18 Strategia de control a tensiunii de ieșire

Fig.6.2.19 Strategia de control a scânteii

Fenomenul care are loc la scânteie sau arc în fig.6.2.18 este prezentat mărit în figurile 6.2.19 și 6.2.20.

Există trei tipuri de pante:

Panta inițială, la pornire, în timpul acestui interval nu există intervenția sistemului de control, cu excepția limitării de curent

Panta rapidă prin care tensiunea înaltă este crescută până la un nivel, mai jos decât nivelul anterior.

Panta lentă prin care tensiunea înaltă de ieșire este crescută mai departe, până la următoarea descărcare.

Dacă sunt detectate două scântei succesive (figura 6.2.20) sistemul consideră apariția unui arc electric. După fiecare semiperioadă (10 ms) continuarea arcului este testată aplicând o tensiune joasă testare.

Dacă testul durează mai mult decât 5 – 10 s, sistemul decide că există un scurtcircuit și intervine în circuitul de protecție.

Dacă arcul s-a terminat, procesul este controlat în același mod ca în cazul unei scântei. Există o legatură fizică între valorile pantei lente, pasul tensiunii și frecvența descărcării, determinată de parametrii fizici și chimici din camera filtrului.

Sistemul controlat stabilește frecvența descărcării la nivelul care asigură efectul maxim al filtrării și buna funcționare a echipamentului. Sistemul calculează apoi valoarea pantei lente și pasului tensiunii.

Fig.6.2.20 Strategia de control a arcului

CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUȚII PERSONALE

Obiectivul principal al acestei lucrări a fost acela de a aduce o serie de contribuții în ceea ce privește soluțiile ce trebuie implementate pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere de la cazanele energetice de mare putere din centralele termoelectrice cu funcționare pe combustibil solid inferior, în scopul încadrării în normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului.

Concluzii generale. Contribuții aduse de autor

În urma realizării unui studiu bibliografic în domeniul desprăfuirii electrostatice s-a constatat că există o serie de probleme legate de funcționarea instalațiilor de desprăfuire electrică. S-a evidențiat faptul că cele mai importante efecte care influențează eficiența de colectare sunt: repartiția gazelor în racordul de intrare, depunerea particulelor pe electrozii de depunere, reantrenarea prafului depus pe electrozii de depunere, reantrenarea prafului din buncărele colectoare, furișările de gaze prin zone neelectrizate și rezistivitatea ridicată a prafului ce trebuie epurat. Au fost identificate principalele surse de turbulență din interiorul electrofiltrului și au fost evidențiate principalele mijloace de prevenire.

S-a realizat un model de calcul al pierderilor de particule din zona activă a electrofiltrului datorate scăpărilor de gaze prin zonele neelectrizate și s-a prezentat un model de echipare al carcasei astfel încât aceste pierderi să fie minime.

În lucrare este prezentat convertorul de înaltă frecvență care este propus pentru energizarea câmpului nr 1 și 2 al unui electrofiltru. Acest tip de echipament face parte dintr-o generație nouă și anume cea a echipamentelor ce furnizează energie, folosind tehnologia transformatorului/redresor clasic îmbinată cu tehnologia sursei de alimentare în regim de comutație, având o frecvență a tensiunii furnizată la ieșire de ordinul (20÷50) kHz. Când electrofiltrul funcționează cu alimentare de înaltă frecvență curentul de descărcare corona atinge o valoare dublă în comparație cu situația când se alimentează cu frecvența rețelei. În plus, nivelul valorii medii a tensiunii de alimentare în electrofiltru crește cu 30%. Este de remarcat că acest tip de echipamente nu au fost utilizate în țara noastră pentru energizarea electrofiltrelor ce desprăfuiesc debite mari de gaze și pot fi amplasate pe acoperișul electrofiltrului eliminând în acest fel traseele de cable ce pot fi surse de scurgeri de curent.

Pentru a înțelege modul în care particulele acumulează sarcina spre a fi captatate, s-a realizat un studiu bibliografic privind procesele fundamentale ce au loc în interiorul electrofiltrului, generarea descărcării corona și formarea ionilor de gaz, încărcarea particulelor în interiorul electrofiltrului, depunerea particulelor pe electrozii de depunere și evacuarea materialului colectat. Au fost identificate principalele forțe care acționează asupra particulelor de praf în interiorul electrofiltrelor.

Fenomenul corona invers este extrem de nociv pentru performanțele electrofiltrului. Apare atunci când o particulă migrează către suprafața de colectare, dar nu reușește să-și descarce sarcina electrică, provocând astfel un gradient de potențial mare în stratul de praf de pe suprafața plăcii, fenomen care apare în cazul mediului dispers înalt rezistiv. Acest strat, puternic încărcat negativ, întrerupe câmpul electric, care provoacă migrarea particulelor de cenușă încărcate negativ spre electrodul de depunere și respinge particulele cu o asemenea sarcină, care încearcă să migreze către suprafața de colectare.

Corona inversă în faza incipientă reduce tensiunea de apariție a arcului, în vreme ce corona inversă intensă reprezintă o descărcare cu ioni pozitivi la electrodul colector, care tinde să neutralizeze ionii negativi ai electrodului corona. În această ultimă situație încărcarea electrică a particulelor este redusă în mare măsură, particulele pozitive sau neutre putând să se afle în număr mare, depășind chiar pe cele negative.

Acest fenomen, “corona inversă” amendează drastic randamentul instalațiilor de desprăfuire. În lucrare se prezintă soluția de eliminare a apariției fenomenului “corona inversă” prin utilizarea energizării electrofiltrelor cu impulsuri de înaltă tensiune.

Efectuarea de teste pe standul experimental ce a permis determinarea capacității de emisie a tuturor electrozilor de emisie utilizați în tehnica desprăfuirii electrostatice și anume: electrozi cu suprafețe active continue (electrozi din sârmă având diametrele: 2r=1,5 mm, 2r=2 mm și 2r=2,5 mm, electrozi spiralați construiți din sârmă având diametrul 2r=3 mm, electrozi Fe-Stern) și electrozi cu vârfuri (electrod Isodyn B5, Isodyn B5M, electrod Isodyn W22, electrod tip sârmă ghimpată, electrod cu dornuri).

Așa cum se poate observa din graficele ce reprezintă caracteristicile curent-tensiune prezentate în capitolul 4, electrozii cu vârfuri prezintă emisii mai puternice decât electrozii cu suprafețele active continue.

Prin amplasarea echipamentului interior la pas 2h=380mm concentrarea emisiei în diverse puncte ale electrodului cu vârfuri, face ca străpungerea spațiului dintre electrozi să apară la valori ale tensiunii aplicate cuprinse între 40 kV și 53kV, în timp ce pentru electrozii cu suprafețele active continue tensiunea de străpungere se plasează între 49 kV și 57 kV.

În cazurile electrozilor cu vârfuri caracteristicile sunt mai abrupte decât cele ale electrozilor netezi (cu suprafețele active continue). Fenomenul corona se amorsează la tensiuni cuprinse între 6 și 16 kV, în timp ce la electrozii netezi, tensiunea de amorsare a fenomenului corona este plasată între 22 și 30 kV.

În cazul electrozilor cu vârfuri, capacitatea de emisie este cu atât mai mare cu cât distanța dintre vârfuri este mai mică, iar numărul acestora mai mare. În plus, prin observația vizuală a descărcării prin efect corona s-a putut constata că pentru un electrod cu varfuri, punctele cu luminiscența mare (emisie puternică) se localizează în primul rând pe vârfuri, pe când restul suprafeței devine vizibilă abia la valori mai mari ale tensiunii de alimentare. La sârmele rotunde însă aceste puncte luminiscente s-au deplasat de-a lungul sârmei.

În ceea ce privește electrozii cu suprafețele continue, trebuie subliniat faptul că electrodul cu secțiune stelată (Fe-Stern), deși are muchii ascuțite, dă un curent mai mic decât o sârmă circulară cu diametrul de 2 mm. În plus tensiunea inițială de descărcare prin efect corona are pentru electrodul stelat o valoare mai mică, ceea ce constituie o caracteristică pozitivă importantă.

Pentru sârme cu diametru =2 mm, curentul este mult mai mic, acești electrozi putând fi utilizați în cazurile când diferența între tensiunea de apariție a efectului corona și tensiunea de străpungere este relativ mică pentru condițiile considerate.

Electrozii spiralați au cea mai mare capacitate de emisie, fapt datorat neuniformității câmpului electric și concentrării acestuia în zonele de curbură. Acest tip de electrod se poate utiliza pentru medii disperse cu rigiditate dielectrică mică.

Așa cum este cunoscut, valoarea critică a câmpului electric, deci apariția fenomenului corona inversă, depinde de densitatea curentului corona. Intensitatea curentului la care se amorsează descărcarea corona inversă se numește valoare critică a curentului. În practică apariția emisiei inverse se manifestă printr-o creștere bruscă a curentului corona, până la descărcarea sub formă de arc.

Astfel, pentru precipitarea prafurilor cu rezistivitate mare sunt indicați electrozii cu suprafețele active continue deoarece câmpul electric are intensitate constantă pe toată lungimea drumului gazelor. Pentru o bună desprăfuire se recomandă în acest caz electrozii care au intensitate mică a câmpului.

Pe de altă parte, cercetările efectuate au pus în evidență factorii care influențează capacitatea de emisie: geometria electrodului, starea electrodului, dimensiunile sârmei de emisie, pasul dintre electrozii de aceeași polaritate, rigiditatea dielectrică a prafului, rezistivitatea sa, etc, precum și nivelele de tensiune la care apare fenomenul corona și cel de străpungere.

Testele și studiile efectuate, privind stratul de praf depus pe electrodul de depunere, au scos în evidență faptul că în practică este necesară utilizarea unui nou tip de electrod de emisie și anume electrodul Isodyn B5M care s-a dovedit superior electrodului Isodyn B5 utilizat frecvent de multe firme de specialitate din domeniu din țară și străinătate.

Acest nou tip de electrod Isodyn B5M (propus de autor) nu a mai fost utilizat până în prezent în practica desprăfuirii electrice și a rezultat în urma analizei caracteristicilor electrice și a stratului de praf depus pe electrozii de depunere.

După cum rezultă din fig. 4.3.9, fig. 4.3.10 și fig.4.3.11 din capitolul 4 se observă că prin utilizarea electrodului Isodyn B5M având distanța între vârfuri de 30mm stratul de praf este mai compact și mai uniform față de electrodul Isodyn B5 care are distanța între vârfuri de 50mm, ceea ce conduce la creșterea eficienței de separare a instalației de desprăfuire electrică prin cantitatea mai mare de praf colectată pe elctrozii de depunere.

Acest tip de electrod este indicat să se utilizeze în componența câmpului nr 1 și câmpului nr 2 al electrofiltrului ce desprăfuiește debite mari de gaze, iar electrodul Fe-Stern să se utilizeze în câmpul nr 3.

Introducerea noului tip de electrod de emisie în structura echipamentului interior în vederea optimizării câmpului electric din zona activă a electrofiltrului constituie o contribuție personală a autorului.

Este de remarcat faptul că electrozii de emisie au fost testați și la pas 2h=400mm cu o orientare a electrozilor de depunere conform figurii 6.2.4. Rezultatele în urma măsurătorilor au scos în evidență faptul că, condițiile electrice sunt aceleași ca în cazul dispunerii la pas de 380 mm conform figurii 6.2.3, ceea ce arată că dispunerea echipamentului interior la pas de 2h=380mm este o soluție mai avantajoasă decât prin dispunerea la pas de 2h=400mm utilizat de marile firme de specialitate în domeniu.

Prin redistribuirea echipamentului interior la pas 2h=380mm (această soluție propusă de autor nu a mai fost folosită și constituie o contribuție personală) rezultă un plus de suprafață de depunere de 811 mp , care se obține prin trecerea de la pas 2h=400mm (soluție care este folosită de majoritatea firmelor specializate în construcția de electrofiltre) la pas 2h=380mm, având în vedere că se utilizează aceiași carcasă, neexistând posibilitatea extinderii datorită altor instalații aflate în jurul electrofiltrelor. Mărirea suprafeței de depunere în aceleași condiții electrice impune un randament superior de separare a prafului din gazele de ardere.

Aceste performanțe se pot justifica prin introducerea în modelul eficienței de separare a datelor obținute în lucrare.

Un alt element de noutate al soluției, constă în creșterea eficienței de colectare a prafului în buzunarele electrozilor. Prin modelare și vizualizare se poate evidenția o curgere mai bună a gazelor în sensul că particulele de praf sunt mai bine orientate spre electrozii de depunere.

Modul în care se desfășoară procesul de încărcare al particulelor, mărimea câmpului electric din spațiul de ionizare influențează prin viteza de migrație procesul de epurare electrică.

Pentru dimensionarea riguroasă a electrofiltrelor din industria energetică la pasul 2h= 380 mm au fost necesare și lucrări de cercetare care au constat în studii pe electrofiltru pilot sip e instalatii industrial în vederea stabilirii influenței parametrilor gazo-dinamici asupra vitezei de migrație și estimarea acesteia.

Din datele analizate în capitolul 4 din această lucrare pot trage următoarele concluzii:

– pentru mediul dispers gaze de ardere – cenușă de lignit având o distribuție granulometrică mai grosieră, diametrul mediu fiind cuprins între (30÷35)μm, viteza optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru este 1,2 m/s.

– pentru mediul dispers gaze de ardere – cenușă de mixte de huilă, la care diametrul mediu se situează (20÷25)μm, viteza optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru este 1 m/s.

Acest parametru este foarte important pentru funcționarea în bune condiții a electrofiltrelor deoarece, în practica industrială de multe ori se neglijează acest parametru în favoarea altora și se funcționează la viteze mult peste limita rezultată din această lucrare, ceea ce conduce la o creștere însemnată a conținutului de pulberi în gazele de ardere la ieșirea în electrofiltre. Spre exemplificare, autorul, în urma analizei funcționării electrofiltrelor de la grupul nr 1 din Turceni a constatat că o creștere cu (8÷10) % a debitului de gaze de ardere care trec prin electrofiltre a condus la o creștere a concentrației de praf în gaze la ieșirea din electrofiltru de la 80mg/m3N la 180mg/m3N .

Analiza caracteristicilor fizice și electrice ale mediului dispers ce trebuie epurat este o etapă importantă ce trebuie parcursă pentru realizarea unui randament optim de separare.

În urma testelor efectuate pe instalația experimentală la care am participat s-a constatat că particulele înalt rezistive sunt destul de greu de reținut. Aceasta implică utilizarea unor tipuri de electrozi emisivi adecvați (electrozi isodyn 5BM si electrozi Fe- Stern) și utilizarea unor noi surse de energizare (echipamentele de inalta frecventa) care să fie capabile să livreze o tensiune și un curent ridicat.

Realizarea unui program de calcul numeric ce a permis calculul repartiției bidimensionale a câmpului electric.

În ceea ce privește evaluarea reală a câmpului electric din zona activă a electrofiltrului, acesta este influențat de elementele de distorsiune care apar în funcționarea instalației și care nu pot fi cuprinse în expresii matematice prelucrabile pe calculator. De aceea s-au utilizat ipoteze simplificatoare și aproximări prezentate pe larg în capitolul 5, unanim acceptate pe plan internațional.

Ecuațiile care guvernează fenomenul electric și ipotezele simplificatoare specifice stărilor staționare din zona activă a electrofiltrului sunt puse într-o formă care permite rezolvarea numerică a acestora. Pentru rezolvarea ecuației lui Poisson ca metodă de discretizare a fost aleasă metoda diferențelor finite, prin care s-au aproximat ecuațiile cu derivate parțiale cu diferențe finite centrate pe semiintervale. Matricea acestui sistem este o matrice tridiagonală și s-a rezolvat cu algoritmul TDMA (Tri-Diagonal-Matrix-Algoritm) prin intermediul programului FORTRAN . Rezultatele au fost obținute prin citirea în programul Matchad Profesional al matricii sistemului de ecuații discretizate pe domeniul de calcul ales.

Din rezultatele prezentate se observă că intensitatea câmpului electric crește odată cu descreșterea pasului dintre electrozii de emisie și depunere. Deci este necesar ca odată cu creșterea distanței dintre electrozii de emisie și depunere echipamentele de înaltă tensiune să aibă posibilitatea de a livra potențial electric mai mare electrozilor de emisie, electrofiltrul să fie energizat cu un nivel de tensiune mărit proporțional cu creșterea pasului. În caz contrar particulele se vor încărca cu sarcină electrică mai mică și forțele de natură electrică vor fi mai mici, deci se vor înrăutăți performanțele de separare ale instalației de desprăfuire electrică.

Modelul de echipare propus în capitolul 6 precum și rezultatele teoretice și experimentale obținute și prezentate în lucrare pot constitui o bază de date pentru cerectarile ulterioare din domeniul desprafuirii electrostatice si un punct de plecare pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere în conformitate cu normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului, cu adaptările specifice fiecărui proces tehnologic și evaluarea amănunțită a normelor de proiectare.

BIBLIOGRAFIE

[1] H.J. White: Industrial Electrostatic Precipitation, International Society for Electrostatic Precipitation, 1990. p. 18-20, 48-68.

[2] H. Wesley, H.J. White: Electrostatic precipitation of fly ash, APCA Reprint Serie. Journal of Air Pollution Control Association, Pitsburgh, 1977.

[3] S. Nibeleanu, A. Artino, S. Napu: Instalații de separare a prafului cu electrofiltre, Editura tehnică, București, 1994.

[4] I. Lutinschi: Desprăfuirea electrică a gazelor, Varșovia 1962, Centrul de Documentare și Propagandă Tehnică pentru materiale de construcții, 1973.

[5] D.S. Beachler, J.A. Jahnke, G.T. Joseph, M.M. Peterson: Air Pollution control Systems for Selected Industries, Self-Instructional Guidebook, APTI Course SI:431, EPA 450/2-82-006. U.S. Environmental Protection Agency 1983.

[6] P.Tochon, Etude numérique et expérimentale d’electrofiltres industriels, Thése de docteur de l’Université Joseph Fourier, Grenoble 1, 1997.

[7] H.J. White: Desprăfuirea electrică industrială, Portland 1962, Centrul de Documentare și propagandă Tehnică pentru materiale de construcții,

[8] A. Medlin : Electrohydrodinamic Modelling of Fine Particle Collection in Electrostatic Precipitators, Thesis Doctor, May 1998.

[9] L.M. Dumitran, P. Atten, D. Blanchard: Drift velocity of fine particles estimated from fracctional efficiency measuraments in a laboratory-scale electrostatic precipitator, International conference on Electrostatic Precipitation, Birmingham, 2001.

[10] G. Drăgan: Tehnica tensiunilor înalte, vol 1, Editura tehnică București, 1996.

[11] S.Oglesby. & G.B Nichols: Electrostatic precipitation, 1978.

[12] K. Parker, N. Plaks: Electrostatic Precipitator Training Manual, US Environmental Protection Agency, Washington, 11.2003.

[13] H. Pang: Depoussierage electrostatique pour les particules submicroniques en atmosphere usuelle ete rarefiere, Thése de docteur, de l’Université Joseph Fourier, 18.12.2006.

[14] M. Constantin, M. Motocu,V. Bănică, V. Osiac: Soluții și realizări pentru reducerea impactului negativ asupra mediului ambiant la grupurile de 330 Mw din Turceni, Revista Energetica, Martie 2004, ISSN1453-2360.

[15] T .Yamamoto, H.R. Velkoff: Electrohydrodynamics an electrostatic precipitator, J. Fluid Mech., 108, p. 1-18, 1981.

16 H.J. Hall: Design and application of high voltage power supplies in electrostatic precipitation, 1975.

[17] S.M. Digă: Instalații de desprăfuire electrostatică, Editura Universitaria, Craiova, 2001.

[18] D. Cristescu, E. Olah: Supratensiuni și izolația rețelelor electrice, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1992.

[19] I. Ionel, C. Ungureanu: Termoenergetica și mediul, Editura Tehnică, București, 1996.

[20] L.M. Dumitran : Collection des fines particules dans un depoussiereur electrostatique, Thése en co-tutelle, 31.12.2001.

[21] Rodica Macarie: Cercetări privind optimizarea instalațiilor de electrofiltre, teză de doctorat, București, 1996.

[22] A. Radu, Metode și echipamente de separare a mediilor disperse înalt rezistive, 1979.

[23] M. Durham, C.J. Bustard, R. Schlager, K. Baldrey, D. Mason: Succes with Non-Traditional flue Gas Conditioning for Hot and Cold-side ESPs, Combined Power Plant Control Mega Symposium, May 19-22, 2003, Washington, DC, USA.

[24] V. Osiac, M. Enache: Influența curgerii gazelor asupra functionarii electrofiltrelor, Conferința Națională și Expoziția de Energetică, CNEE 2007.

[25] P.L. Feldman, K.S. Kumar, D.J. Helfritch: Recent experience in controlling fine particles in ESP, 6-th ICESP, Budapest, Hungary, 18-21 June 1996.

[26] C. Iamandi, V. Petrescu, V. Damian , L. Sandu: Hidraulica instalațiilor, 1994.

[27] Rodica Macarie, Ghe. Ignat, M. Herlea, D. Iliescu, V. Osiac: Realizări românești în domeniul desprăfuirii electrostatice în vederea reabilitării electrofiltrelor din sectorul energetic pentru încadrarea emisiilor în normele în vigoare, Articol prezentat la consfătuirea ”Zece ani de protecția mediului în jud. Brăila,, 4-8 octombrie, 2000.

28 H.J. Hall: Design and application of high voltage power supplies in electrostatic precipitation, 1975.

[29] V.Osiac (Responsabil proiect din partea S.E Turceni): Electrofiltre cu capacítate ridicată a prafului din gaze, prin utilizarea pasului mărit, Ctr. 1604/1.12.2001, ICPET-S.E Turceni, fond RELANSIN.

[30] M. Motocu, Valerica Bănică, L. Danciu, V. Osiac: Optimizarea activitatii termocentralei Turceni in concordant cu standardele de mediu, Articol prezentat in revista Energetica, Iulie 2005, ISSN 14353-2365.

[31] Rodica Macarie, Ghe. Ignat, E. Zisulescu, D. Iliescu, V. Osiac: Noi aspecte privind creșterea performanțelor electrofiltrelor (reducerea vitezei de curgere, modelare, sisteme optime de scuturare, utilizarea eficientă a descărcării corona), Articol prezentat la ,,Târgul științei și inventicii românești din cadrul Săptămânii Științei Românești, Complexul Expozițional ROMEXPO București, 4-10 Octombrie, 2000, și Sesiunea științifică jubiliară ,,50 de ani de învățământ energetic în Universitatea Politehnica București,,.

[32] S.M. Digă: Analiza unor noi tipuri constructive de electrozi și a modului de amplasare a acestora, cu rezolvarea modelelor matematice aferente, în vederea găsirii soluțiilor optime de echipare și funcționare a electrofiltrelor din centralele termoelectrice, Revista Energetica, București, Aprilie 2000.

[33] S.M. Digă: Modelarea matematică cu metode numerice și studiul influenței câmpului electric asupra performanțelor electrofiltrelor din centralele termoelectrice, Sesiunea știintifică ,,Dezvoltarea durabilă în domeniul energiei. Impactul asupra mediului înconjurator,, februarie 1996.

34 M. Rodica Macarie, M. Bota, N. Gheorghe, G. Hristescu: Îmbunătățirea performanțelor electrofiltrelor prin alimentarea cu impulsuri de înaltă tensiune, Sesiune omagială ICPET, Octombrie, 1995.

[35] M. Berry, W.A. Harrison, D.H. Pontius, W.R. Cravey: A New Pulse Energisation System for Electrostatic Precipitators, Combined Power Plant Control Mega Symposium, May 19-22, 2003, Washington, DC, USA.

[36] L. Dăscălescu, M. Mihăilescu: Mathematical modelling of conductive particle in loading corona, Jurnal of Electrostatics, 30, 1993, 297-3006, Elsevier.

37 L. Sandu, L. Hațegan, S. Zisulescu, E. Zisulescu: Aspecte aerodinamice privind optimizarea funcționării electrofiltrelor, CNER Neptun, 1996.

[38] M. Jędrusik, A. Świerczok, R. Teisseyre: Experimental study of fly ash precipitation in a model electrostatic precipitator with discharge electrodes of different design, Powder Technology 135-136, 2000, 295-301.

[39] K. Parker: Technological advances in high efficiency particulate collection, Clear Stacks, Reinhold Environmental Ltd. (USA), July 1997.

[40] A.G. Hein, D. Gibson: Electrostatic precipitator skewed gas flow technology – Eskom experience in South Africa, 89-th Annual Meeting and Exhibition, Nashville, Tennessee, June 13-28, 1996, (96-RA105A.07).

[41] M. Constantin, Valerica Bănică, V. Osiac: Energie curată pentru ziua de maine, Revista Energetica, 2003.

[42] L. Dăscălescu: Numerical analysis of the electricfield of roll-type electrostatics separators, Jurnal of electrostatics, vol 29-no-3, p. 255-267, Junie 1993.

[43] M. Pothenier : Theori de la vitesse de precipitation des particules submicroniques dans les champs electrques ionises, In, C.R, Acad. Sci., 13 avril 1995

[44] A. Wojtyła, T. Wojtyła, M. Field: Wprowadzenie i rozwój systemów quasi impulsowego zasilania, Materiały V Konferencji Naukowo-Technicznej Elektrofiltry 2000, Kraków, 14-16 wrzesień 2000 r.

[45] Ghe. Ignat, Rodica Macarie, G. Nicula, M. Chiriacescu, M. Herlea, Georgeta Hristescu, I. Ilie, R. Teodorescu, A. Medintu, V. Osiac: Perspective privind satisfacerea exigențelor actuale în energetică pentru limitarea emisiilor de pulberi în atmosferă prin utilizarea electrofiltrelor de concepție românescă, Revista Energetica, August 2001.

[46] A. Alaa: Simulation of Space Charge in Unbounded Geometries, IEEE tranzaction on industry applications., Vol 26, 1990.

[47] Rodica Macarie, D.Mihai: Modele mathematique pour calcul des performances d’un electrofiltre en base des donnes obtinues experimentalent 1987, Rev. Roum Sci. Techn. Electrotehn at Energi.

[48] Fl. Tănăsescu: Contribuția măsurării unor fenomene caracteristice în tehnica descărcărilor parțiale, Teză de doctorat, Iasi 1968.

[49] Rodica Macarie, Al. Artino, D. Martin: Application of HV pulses in Romanian technologies of electrostatic cleaning used in energetic and cement industry, International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest-Hungary 18-21 june 1996.

[50] Al. Cogalniceanu, D. Cogalniceanu: Energie, Economie, Ecologie, Editura tehnica, Bucuresti1998

[51] R. Răduleț, A. Avramescu: Zona de transport în problemele dimensionării filtrelor electrice, Editura tehnică, 1962.

[52] G. Nichols: Energization Technologies for ESP, The State-of-the-Art., Combined Power Plant Control Mega Symposium, May 19-22, 2003, Washington, DC, USA.

[53] C. Sora: Bazele electroehnici, Editura didatica si peagogica, Bucuresti, 1982.

[54] M. Schioth: Modernizacja istniejących elektrofiltrów, materiały V. Konferencji Naukowo-Technicznej Elektrofiltry 2000, Kraków, 14-16 wrzesień 2000 r.

[55] Rodica Macarie, E. Zisulescu, D. Martin, D. Inghineanu, T. Apostol, , C. Marin, V. Osiac, A. Medințu, R. Teodorescu: Cercetări și dezvoltarea ingineriei în vederea elaborării unei tehnologii moderne pentru reținerea simultană a oxizilor de sulf și azot prin utilizarea plasmei reci, Sesiunea stiintifica MENER 2002, Bucuresti 21-22 Noiembrie si Revista Energetica, Februarie 2003.

[56] P. Atten, Mc. Cluskey M.J, A.C Lahjomri: The electrohydronynamic origin of turbulence in electrostatic precipitator, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA23, (4) p. 705-711, 1987.

[57] S.C.Complexul Energetic Turcenii: Probe de performanta electrofiltre grup nr. 5, 2007.

[58] A .Yabe, Y Mori & K. Hijikata: EHD study of corona wire between wire and plate electrodes, AIA Journal, 16, (4), p. 340-345, 1977.

[59] Electrostatic precipitator training manual, United States Environmetal Protection Agency, July2004

[60] Rodica Macarie, P. Notingher, L.M Dumitran: Modelarea geometriei electrozilor în verderea optimizării echipamentului interior al electrofiltrelor și efectele asupra performanțelor acestora, utilizând aceleași dimensiuni de gabarit a electrofiltrelor, Conferința Națională de Energie, Neptun, 2004.

[61] H. Krupp: Particles adhesion theory and experiment. Advanced Colloid Interface Science, 1, p. 111-239, 1967.

[62] M. Slănină: Particularități ale descărcarii corona în electrofiltre, Teză de doctorat, Institutul Politehnic Bucuresti, 1978.

[63] P. Pao: Fluid Dynamiccs, Ch.E.Merrill Books Inc. Columbus, Ohio, 1967.

[64] G. Leonard, M. Mitchner: Particle transport in electrostatic precipitators Atmospheric environment, Vol. 14, p. 1289-1299, 1980.

[65] P. Atten: Etude mathématique du problème du champ électrique affecté par un flux permanent d’ions unipolaires et application à la théorie de la sonde froide, Thèse d’Etat, Université de Grenoble, 1969.

[66] R. Răduleț, A. Avramescu: Echipamente pentru electrofiltre, 1963.

[67] J. Mc Cain, K.M. Cushing, R.F. Altman: Improvements in Predicting the Effects of Sulfur Trioxide Vapor on Fly ash Resistivity, Combined Power Plant Control Mega Symposium, May 19-22,2003, Washington, DC, USA.

68] K. Porie: Utilizing spiral discharge electrodes in ABB Flakt electrostatic precipitators, Proceedings of the American Power Conference, Chicago-Ilinois, aprilie 1992.

69] C. Botez, T. Sajin, A. Leca, Ghe. Ducă, A. Crăciun: Noi tehnologii electrofizice de reducere a emisiilor poluante din instalațiile de ardere, Conferința Națională a Energiei, 13-17 iunie 2004, Neptun.

[70] C. Marin, A. Florica, V. Osiac: Acționare scuturare depunere echipată cu cuplaj de sens unic, Cerere de brevet de invenție, A/00175, 4.03.2003.

[71] R. Răduleț, A. Avramescu: Zona de transport în problemele dimensionării filtrelor electrice , Editura tehnică, 1962.

[72] K. Porle: High frequency power conversion a new technique for ESP energization, EPRI/DOE International conference on managing hazardous and particulate air pollutants, Toronto, august 1995.

[73] P. Lawless: Modelling particulate charging in eps., IEEE Trans. on industry application, Vol. 24, No. 5, p. 922 – 927, 1988.

[74] V. Osiac (Resposabil proiect din partea S.E Turceni): Modernizarea electrofiltrului pentru cazane de 1035t/h- grup nr 5, funcționând pe lignit, pentru creșterea performanțelor de desprăfuire (de la 180 mg/mN3 la 50 mg/mN3), Ctr 7859/2001//MENER 046/20, ICPET- F.E. Turceni – I.P București, sub patronajul și finanțarea AMCSIT din fonduri bugetare.

[75] Lelia Dobjanschi : Aspecte privind retehnologizarea unei instalatii de desprafuire electrica la o centrala pe combustibili solizi, Revista Energetica, Martie 2004

[76] P. Ranstad: On high-frequency soft-switching converters for high-voltage applications, Licentiate thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2004.

[77] M. Slănină: Field-charge interaction in electrial precipiators, Proc. IEEE, 126, p. 855-860, 1979.

[78] Grass, Hartmann, Klöckner: Application of Different Types of High Voltage Supplies on Industrial Electrostatic Precipitators IAS Annual meeting, 2002.

[79] Modernizare electrofiltre grup 5 Turceni, Proiect ICPET Bucuresti, 2002.

[80] M. Cruceru, B. Diaconu, V. Palita: Analiza funcționării electrofiltrelor prin analogie electrotermică, International Conference, Tg Jiu, Mai 2002.

[81] Reparație cu modernizare a instalației de desprăfuire electrică bloc nr. 1 Turceni, Proiect ICPET SA, 2000.

[82] Reparație cu modernizare a instalației de desprăfuire electrică bloc nr. 4 Turceni, Proiect ICPET SA, 1996.

[83] H. Jacobsson: Back-corona control with help of advanced microprocessor nhances performance, 6th International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary, June 1996.

[84] V. Osiac (Resposabil proiect din partea S.E Turceni): Proiect de execuție pentru reparația cu îmbunătațirea performanțelor de la electrofiltrele 1 si 2 bloc 1 Turceni, ICPET Bucuresti-S.E Turceni, Ctr.7846/2001// RELANSIN 1604/2001.

[85] P. Ranstad: High frequency power conversion, A new technique for ESP energization, EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particle Air Polluants, Toronto, Ontario, Canada, August, 1995.

[86] A. Gustavsson, et al: Recent advancements in micro-processor controls for Electrostatic Precipitators, EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particle Air Polluants, Toronto, Ontario, Canada, August 1995.

[87] Gherghina Vladescu, Daniela Iordache, Victorița Iordache, I Ilie, C. Motiu:Monitorizarea și inventarierea emisiilor de poluanți din centralele termoelectrice, Revista Energetica, Mai 2001.

[88] K. Porle, et al: Modern Electrode Geometries and Voltage Waveforms Minimize the required SCA, The Eighth Symposium on the Transfer and Utilization of Particle Control Technology, San Diego, California, March 1990.

[89] V. Voicu, Combaterea noxelor în industrie, Editura Tehnică, Bucuresti 2002.

[90] K. Porle, et al: Experience with Pulsed Energization of Precipitators for a wide range of process operating conditions, International Conference on Electrostatic Precipitation, Abano, Italy, October 1987.

ANEXA 1

A.1.1 Algoritmul lui Thomas sau TDMA

Acest algoritm permite calcularea soluției unui sistem liniar a cărui matrice este tridiagonală.

Este și cazul nostru deoarece ecuațiile discretizate în sistemul liniar se scriu sub forma următoare:

(1)

Fig. 1.a Aplicarea algoritmului lui Thomas sau TDMA in cazul 1D

Potențialul este exprimat în funcție de potențialele vecine și . Pentru a lua în considerare forma specială a ecuațiilor pentru punctele de frontieră 1 și N trebuie ca:

și

Dacă, de exemplu, potențialul este cunoscut, avem;

.

Ecuația pentru i=2 este o relație între V1, V2 și V3 dar deoarece V1 este exprimat în funcție de V2 care este cunoscut, relația între V1 , V2 și V3 este redusă la o relație între V2 și V3, cu alte cuvinte V2 este exprimat în funcție de V3.

Procesul de substituție continuă până când VN este exprimat în funcție de VN+1 care nu are nici un rol (), deci obținem, în această etapă, valoarea lui VN.

Se începe acum procesul invers în care determinăm VN-1 în funcție de VN, VN-2 în funcție de VN-1 și continuăm până la V2 în funcție de V3 și V1 în funcție de V2.

În procesul de substituție ecuațiile sunt următoarele:

(3)

În această etapă se caută relații de tipul sub forma:

(4)

Se poate scrie de asemenea relația următoare:

(5)

Înlocuind ecuația (5) în ecuația (1) se obține:

(6)

Regrupând termenii în ecuația (6) sub forma generală (5) se obțin coeficienții

În funcție de coeficienții :

(7)

Pentru a începe procesul de recurență se constată că pentru i=1 ecuația (1) este deja sub forma (4) și valorile lui sunt date de următoarele formule:

și (8)

Relațiile (8) sunt obținute înlocuind pe în relațiile (7).

La sfârșitul procesului de recurență se costată că și deci din ecuația (4) se obține:

(9)

În acest punct suntem în situația de a începe procesul de substituție în înapoi utilizând relația (4).

Rezumatul algoritmului:

Calculul lui utilizând relațiile (8);

Calculul lui , pentru , cu relațiile de recurență (7);

Se dă lui ;

Utilizarea ecuației cu pentru a obține

Aplicarea algoritmului Thomas la problemele 2D

Algoritmul Thomas poate fi aplicat iterativ pentru a rezolva un sistem de ecuații algebrice în cazul problemelor 2D. Se combină metoda directă a algoritmului Thomas într-o direcție cu metoda iterativă Gauss-Seidel în cealaltă direcție. Ca exemplu considerăm rețeaua de discretizare din figura următoare:

Fig.1.b Aplicarea algoritmului lui Thomas in cazul 2D

Ecuațiile discretizate pe linia 3 de exemplu, sunt următoarele:

Dacă , se rezolvă m probleme 1D în direcția „x” prin TDMA, baleind toți indicii . Potențialele sunt ultimele valori ale potențialului calculate (iterația precedentă) pe liniile vecine cu linia de aplicare a TDMA.

A.1.2 Programul FORTRAN

program electrofiltru

parameter(nnx=21,nny=26,nit=25000)

double precision pot(nnx,nny)

double precision a(nnx,nny),b(nnx,nny)

double precision c(nnx,nny),wk(nnx,nny)

double precision a1(nny),b1(nny),c1(nny),wk1(nny),pot1(nny)

double precision dif(nnx,nny),pot2(nnx,nny)

double precision dx,dy,vb,l,h,eps0,rov,err

data vb/0.0/,l/0.1/,h/0.15/,eps0/0.9/

data rov/1.486.0e-4/,err/0.01/,v0/45000.0/

c CALCULUL PASULUI IN SPATIU

dx=l/(nnx-1)

dy=h/(nny-1)

write(*,*)'dx=',dx

write(*,*)'dy=',dy

c INITIALIZAREA POTENTIALULUI

do i=1,nnx

do j=1,nny

pot(i,j)=0.01

enddo

enddo

c INTRODUCEREA CONDITIILOR LA LIMITA DE TIP DIRICHLET

c ––––––PE FRONTIERA NORD––––––

do i=1,nnx

pot(i,nny)=vb

enddo

pot(1,1)=v0

c BUCLA DE ITERATIE

do k=1,nit

c FORMAREA VECTORILOR DIAGONALELOR

do i=1,nnx-1

if(i.eq.1)then

c–––diagonala inferioara––––––––––

do j=2,nny-1

if(j.eq.2) then

a(i,j)=0.0

a1(j-1)=a(i,j)

else

a(i,j)=-eps0*dx*dx

a1(j-1)=a(i,j)

endif

enddo

c–––diagonala superioara––––––––––

do j=2,nny-2

if(j.eq.2) then

c(i,j)=-eps0*dx*dx

c1(j-1)=c(i,j)

else

c(i,j)=-eps0*dx*dx

c1(j-1)=c(i,j)

endif

enddo

c(i,nny-1)=0.0

c1(nny-2)=c(i,nny-1)

c–––diagonala principala––––––––––

do j=2,nny-1

if(j.eq.2) then

b(i,j)=2*eps0*dy*dy+eps0*dx*dx+eps0*dx*dx

b1(j-1)=b(i,j)

else

b(i,j)=2*eps0*dy*dy+eps0*dx*dx+eps0*dx*dx

b1(j-1)=b(i,j)

endif

enddo

c–––-formarea initiala a vectorului termenului liber–

do j=2,nny-2

if(j.eq.2) then

wk(i,j)=(2*eps0*dy*dy)*pot(i+1,j)+

* rov*dx*dx*dy*dy+(eps0*dx*dx)*pot(i,j-1)

wk1(j-1)=wk(i,j)

else

wk(i,j)=(eps0*dy*dy)*pot(i+1,j)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(j-1)=wk(i,j)

endif

enddo

wk(i,nny-1)=(eps0*dy*dy)*pot(i+1,nny-1)+

* (eps0*dx*dx)*pot(i,nny)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(nny-2)=wk(i,nny-1)

c–––-Rezolvarea sistemului––––––––––

call tridag(a1,b1,c1,wk1,pot1,nny-2)

c–––-Formarea solutiei pe toata linia verticala(linia de aplicatie a TDMA)–––

do j=2,nny-1

pot(i,j)=pot1(j-1)

enddo

else

c––––Diagonala inferioara––––––––––

do j=1,nny-1

if(j.eq.1) then

a(i,j)=0.0

a1(j)=a(i,j)

else

a(i,j)=-eps0*dx*dx

a1(j)=a(i,j)

endif

enddo

c––––Diagonala superioara––––––––––

do j=1,nny-2

if(j.eq.1) then

c(i,j)=-2*eps0*dx*dx

c1(j)=c(i,j)

else

c(i,j)=-eps0*dx*dx

c1(j)=c(i,j)

endif

enddo

c(i,nny-1)=0.0

c1(nny-1)=c(i,nny-1)

c––––Diagonala principala–––––––––

do j=1,nny-1

if(j.eq.1) then

b(i,j)=eps0*dy*dy+eps0*dy*dy+2*eps0*dx*dx

b1(j)=b(i,j)

else

b(i,j)=eps0*dy*dy+eps0*dy*dy+eps0*dx*dx+eps0*dx*dx

b1(j)=b(i,j)

endif

enddo

c––––Formarea initiala a vectorului termenului liber–

do j=1,nny-2

if(j.eq.1) then

wk(i,j)=(eps0*dy*dy)*pot(i-1,j)+

* (eps0*dy*dy)*pot(i+1,j)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(j)=wk(i,j)

else

wk(i,j)=(eps0*dy*dy)*pot(i-1,j)+

* (eps0*dy*dy)*pot(i+1,j)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(j)=wk(i,j)

endif

enddo

wk(i,nny-1)=(eps0*dy*dy)*pot(i-1,nny-1)+

* (eps0*dy*dy)*pot(i+1,nny-1)+

* (eps0*dx*dx)*pot(i,nny)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(nny-1)=wk(i,nny-1)

c––––Rezolvarea sistemului––––––––––

call tridag(a1,b1,c1,wk1,pot1,nny-1)

c––––Formarea solutiei pe toata linia verticala–––

do j=1,nny-1

pot(i,j)=pot1(j)

enddo

endif

enddo

c============Pentru 'i=nnx'====================================

c––––Diagonala inferioara––––––––––

do j=1,nny-1

if(j.eq.1) then

a(nnx,j)=0.0

a1(j)=a(nnx,j)

else

a(nnx,j)=-eps0*dx*dx

a1(j)=a(nnx,j)

endif

enddo

c––––Diagonala superioara––––––––––

do j=1,nny-2

if(j.eq.1) then

c(nnx,j)=-2*eps0*dx*dx

c1(j)=c(nnx,j)

else

c(nnx,j)=-eps0*dx*dx

c1(j)=c(nnx,j)

endif

enddo

c(nnx,nny-1)=0.0

c1(nny-1)=c(nnx,nny-1)

c––––Diagonala principala––––––––––-

do j=1,nny-1

if(j.eq.1) then

b(nnx,j)=2*eps0*dy*dy+2*eps0*dx*dx

b1(j)=b(nnx,j)

else

b(nnx,j)=2*eps0*dy*dy+eps0*dx*dx+

* eps0*dx*dx

b1(j)=b(nnx,j)

endif

enddo

c–––-Formarea initiala a vectorului termenului liber wk–-

do j=1,nny-2

if(j.eq.1) then

wk(nnx,j)=(2*eps0*dy*dy)*pot(nnx-1,j)+

* rov*dx*dx*dy*dy

wk1(j)=wk(nnx,j)

else

wk(nnx,j)=(2*eps0*dy*dy)*pot(nnx-1,j)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(j)=wk(nnx,j)

endif

enddo

wk(nnx,nny-1)=(2*eps0*dy*dy)*pot(nnx-1,nny-1)+

*(eps0*dx*dx)*pot(nnx,nny)+rov*dx*dx*dy*dy

wk1(nny-1)=wk(nnx,nny-1)

c–––-Rezolvarea sistemului–––––––––––-

call tridag(a1,b1,c1,wk1,pot1,nny-1)

c–––-Formarea solutiei pe toata linia verticala––––-

do j=1,nny-1

pot(i,j)=pot1(j)

enddo

enddo

c–––-Verificarea criteriului de convergenta––––––––-

do i=1,nnx-1

do j=1,nny-1

dif(i,j)=abs(100.0*(pot(i,j)-pot2(i,j))/pot(i,j))

enddo

enddo

difmax=dif(1,1)

do i=1,nnx

do j=1,nny

if(dif(i,j).gt.difmax) then

difmax=dif(i,j)

else

endif

enddo

enddo

write(*,*)'iter,difmax,err',k,difmax,err

write(*,*)'iter,difmax,err',difmax,err

if(difmax.le.err) then

write(*,*)'Iesire prin criteriul de convergenta k=',k

goto 100

else

endif

c––––––Initializarea temperaturii de la pasul precedent––

do i=1,nnx-1

do j=1,nny-1

pot2(i,j)=pot(i,j)

enddo

enddo

c––––––SFARSITUL BUCLEI DE ITERATIE–––––––––

100 CONTINUE

c––––––scrierea solutiei––––––––––-

open(20,file='potential.prn')

do i=1,nnx

write(20,101)(pot(i,j),j=1,nny)

enddo

close(20)

101 format(26(1x,f8.2))

stop

end

subroutine tridag(a,b,c,r,u,n)

parameter(nmax=2000000)

integer j

double precision a(n),b(n),c(n),r(n),u(n)

double precision bet,gam(nmax)

if(b(1).eq.0)pause'tridag:rewrite equations!'

bet=b(1)

u(1)=r(1)/bet

do j=2,n

gam(j)=c(j-1)/bet

bet=b(j)-a(j)*gam(j)

if(bet.eq.0)pause'tridag failed'

u(j)=(r(j)-a(j)*u(j-1))/bet

enddo

do j=n-1,1,-1

u(j)=u(j)-gam(j+1)*u(j+1)

enddo

return

end

ANEXA 2

A.2.1 Teste pentru obținerea pe stand a compoziției gazelor de ardere similare cu cele rezultate din instalațiile reale

În tabelul 4.13. este redat nivelul real al emisiilor de noxe determinat prin măsurări la cazane de 1035 t/h din două centrale reprezentative Turceni și Rovinari.

Pentru obținerea pe standul de electrofiltre a compoziției reale a gazelor de ardere s-a realizat un model propriu de calcul de ardere și s-a conceput un sistem de aditivare al combustibilului utilizat care este o contribuție personală la efectuarea testelor.

Așa cum se observă compoziția gazelor de ardere reale este mult diferită de compoziția chimică teoretică a gazelor obținută pe IGCGI.

De aceea s-au executat experimentări preliminare care au avut ca scop:

analiza condițiilor de ardere;

modifica compoziția combustibilului lichid ușor pentru a obține, după diluarea gazelor de ardere cu aer, un amestec de gaze care să corespundă compoziției gazelor reale, (obținute prin arderea cărbunilor într-un cazan energetic);

determina necesarul de apă de injecție pentru a se ajunge la un conținut de vapori de apă în gaze până la 25 % sau exprimat în grade punct de rouă apă până la 60 0C.

Din analizele efectuate si prezentate în diagramele A.2.1 si A.2.2 , se observă că în IGCGI se obțin gaze cu conținut ridicat de oxizi de sulf și azot.

Pentru această compoziție s-a calculat debitul de gaze de ardere și compoziția (ardere completă, fără exces de aer), rezultatele fiind prezentate în tabelul A.2.1.

Figura A.2.1.

Tabelul A.2.1

Din datele obținute (debite de gaze și concentrații) se poate determina excesul real de aer existent în instalație, fie din concentrația reală de CO2 fie din volumele de gaze.

În continuare se presupune ca real excesul de aer determinat din raportul concentrațiilor de CO2 :

Figura A.2.2

Unde: este excesul de aer;

V0 este volumul teoretic al gazelor de ardere uscate;

b0 este conținutul în CO2 al acestor gaze în procente volumetrice;

b1 este conținutul în CO2 al gazelor de ardere uscate, în procente volumetrice;

A0 este volumul de aer necesar teoretic pentru ardere.

Deoarece nu se cunoaște compoziția exactă a combustibilului lichid ușor (CLU) folosit la ardere (îndeosebi conținutul de sulf și de azot) s-a presupus următoarea compoziție (% gr): C-86; H-13; S-1; N-0 care se încadrează în indicii de calitate ai CLU conform STAS prezentati in tabelul A.2.1.

Tabelul A.2.2

Funcție de excesul de aer, în tabelele A.2. 2 și A.2.3 se prezintă concentrația reală de SO2 și NOx din gazele de ardere (condiții ideale, ardere completă, fără exces de aer) și respectiv conținutul de sulf și azot al CLU.

Tabelul A.2.3

In aceste condiții, compoziția gazelor de ardere pentru testele efectuate pe stand în vederea stabilirii tehnologiei de reținere a cenușii cu randamente maxime va fi cea prezentata în tabelul A.2.4.

Tabelul A.2.4.

Pentru obținerea (în aceste condiții de ardere și cu acest exces de aer) unui gaz de ardere care să simuleze gazele obținute într-o termocentrală (conținut minim de SO2-2000mg/m3N și NOx – 700 mg/m3N) compoziția teoretică a CLU va fi de 3,8 % sulf și 1,22 % azot, conform tabelului A.2.5.

Tabelul A.2.5

În aceste condiții compoziția gazelor de ardere (condiții ideale, ardere completă, fără exces de aer) va fi cea prezentată în tabelul A.2.6.

Tabelul A.2.6

Pentru a obține conținutul de oxizi de sulf și de azot existent în gazele industriale reale, este necesară aditivarea combustibilului CLU.

Ca agenți de aditivare, s-au folosit sulf, pulberi și anilină.

De asemenea asigurarea unui punct de rouă apă de 600C ( 200 mg apă/m3N gaze) în gazele poluante a necesitat injecția de apă de până la 200 ml apă/m3N gaze.

TEZĂ DE DOCTORAT

(REZUMAT)

Autor: Ing. Osiac Viorel

CONTRIBUȚII PRIVIND REȚINEREA EMISIILOR DE PULBERI ÎN INSTALAȚII DE DESPRĂFUIRE ELECTRICĂ AFERENTE GRUPURILOR ENERGETICE DE MARE PUTERE DIN CENTRALELE TERMOELECTRICE

Obiectivul principal al acestei lucrări, a fost acela de a aduce o serie de contribuții, în ceea ce privește soluțiile ce trebuie implementate, pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică, cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere, de la cazanele energetice de mare putere din centralele termoelectrice cu funcționare pe combustibil solid inferior, în scopul încadrării în normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului.

După cum se știe prevenirea și combaterea poluării mediului înconjurător sunt considerate printre cele mai importante probleme cu care se confruntă societatea românească și umanitatea, în general. În prezent se pare că poluarea mediului înconjurător, prin activitatea necontrolată a omului, se apropie de ,,pragul critic” depășind limitele de apărare ale naturii, punându-se în pericol existența vieții pe Terra.

După cum se știe cea mai mare parte din emisiile poluante evacuate anual în atmosferă, se datorează combustibililor fosili utilizați ca formă primară de energie.

Din acest motiv, consumul de energie trebuie monitorizat în corelație cu emisiile poluante înregistrate anual la nivel mondial, cu efecte dezastruoase asupra mediului înconjurător: poluarea aerului, apei și solului, încălzirea globală prin efectul de seră, ploile acide, deteriorarea stratului de ozon, schimbările climaterice (inundații în unele zone, topirea unor ghețari, uragane, secetă, incendii naturale, etc).

În domeniul producerii energiei electrice și termice, prin utilizarea drept combustibil a cărbunilor, obiectivul general al politicii de mediu, în prezent și în viitorul apropiat, este reducerea impactului asupra mediului prin micșorarea cantităților de praf emise în atmosferă până la nivelul permisiv al standardelor internaționale și naționale de mediu.

România urmărește îndeaproape politica Uniunii Europene în domeniul energiei, cu scopul de a dezvolta o piață națională energetică competitivă, integrată în piața internă europeană. În acest context retehnologizarea instalațiilor de desprăfuire electrică din centralele termoelectrice românești pentru a satisface cerințele din Directiva EC/80/Ec și Hotărârea Guvernului nr.322/2005, este un obiectiv principal și care nu poate fi amânat.

Studiile și cercetările în cadrul prezentei lucrări, se înscriu pe această linie și privesc în principal soluțiile ce s-au aplicat, dar mai ales ce trebuie implementate, pentru realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere, în concordanță cu normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului.

Aceste performanțe de desprăfuire se pot obține numai analizând teoretic toate procesele fundamentale ce stau la baza funcționării electrofiltrelor (generarea purtătorilor de sarcină, încărcarea particulelor de praf cu sarcină, deplasarea acestora spre electrodul de depunere și captarea lor), factorii care le condiționează și optimizându-le prin experimentări, având în vedere că nu pot fi prinse în expresii matematice toate condițiile existente în interiorul electrofiltrului.

Ca mod de organizare lucrarea este împărțită pe 7 capitole, o lista bibliografica cu 90 de titluri si 2 anexe.

Primul capitol este destinat stadiului actual în domeniul instalațiilor de desprăfuire care cuprinde: un scurt istoric al dezvoltării procesului de desprăfuire electrică, progresele tehnice realizate în acest domeniu precum și tipurile de electrofiltre, cu specificarea domeniilor de aplicabilitate. În continuare se face referire la situația existentă în țara noastră privind reținerea pulberilor rezultate din arderea combustibililor inferiori, cu ajutorul instalațiilor de desprăfuire electrică, precum și performanțele obținute cu aceste instalații. Este prezentată schema de amplasare a unui electrofiltru în ansamblul unui grup energetic, bilanțul material al cenușii rezultate din arderea combustibililor în cazanele energetice de mare putere, acordându-se o atenție deosebită granulometriei particulelor. S-au determinat, prin măsurători, parametrii gazo-dinamici, precum și conținutul de pulberi din gazele de ardere ale unui grup energetic de mare putere, la funcționare pe combustibil solid inferior (lignit) la sarcină nominală, rezultatele fiind prezentate în lucrare sub formă de tabele.

În capitolul 2 se prezintă un studiu bibliografic privind construcția și funcționarea instalațiilor de desprăfuire electrică. Pentru înțelegerea complexității fenomenelor, au fost prezentate diferite probleme ce apar în funcționarea instalațiilor de desprăfuire electrică. S-a analizat eficiența acestor instalații prin definirea noțiunii de eficacitate-viteză de migrație, precum și factorii limitativi ce afectează performanțele instalațiilor de desprăfuire electrică. Este prezentat detaliat un model al eficienței de separare pentu o curgere turbulentă.

S-a evidențiat faptul că cele mai importante efecte care influențează eficiența de colectare sunt: repartiția gazelor în racordul de intrare, depunerea particulelor pe electrozii de depunere, reantrenarea prafului depus pe electrozii de depunere, reantrenarea prafului din buncărele colectoare, furișările de gaze prin zone neelectrizate și rezistivitatea ridicată a prafului ce trebuie epurat. Au fost identificate principalele surse de turbulență din interiorul electrofiltrului și au fost evidențiate principalele mijloace de prevenire.

Fenomenul corona invers este extrem de nociv pentru performanțele electrofiltrului. Apare atunci când o particulă migrează către suprafața de colectare, dar nu reușește să-și descarce sarcina electrică, provocând astfel un gradient de potențial mare în stratul de praf de pe suprafața plăcii, fenomen care apare în cazul mediului dispers înalt rezistiv. Acest strat, puternic încărcat negativ, întrerupe câmpul electric, care provoacă migrarea particulelor de cenușă încărcate negativ spre electrodul de depunere și respinge particulele cu o asemenea sarcină, care încearcă să migreze către suprafața de colectare. Corona inversă, în faza incipientă, reduce tensiunea de apariție a arcului, în vreme ce corona inversă intensă reprezintă o descărcare cu ioni pozitivi la electrodul colector, care tinde să neutralizeze ionii negativi ai electrodului corona. În această ultimă situație, încărcarea electrică a particulelor este redusă în mare măsură, particulele pozitive sau neutre putând să se afle în număr mare, depășind chiar pe cele negative.

Acest fenomen, “corona inversă” amendează drastic randamentul instalațiilor de desprăfuire. În lucrare se prezintă soluția de eliminare a apariției fenomenului “corona inversă” prin energizarea electrofiltrelor cu impulsuri de înaltă tensiune (cap.6).

În continuare, în lucrare se prezintă comparativ efectele obținute prin energizarea cu echipamente convenționale ce funcționează la frecvența rețelei și o generație nouă de echipamente ce furnizează energie folosind tehnologia transformatorului redresor clasic, îmbinată cu tehnologia sursei de alimentare în regim de comutație, având o frecvență a tensiunii de ordinul zecilor de kHz (între 20 și 30 kHz). O atenție specială în acest capitol este acordată principiilor de alegere și dimensionare a echipamentelor de înaltă tensiune, precum și modului de alegere al câmpurilor de desprăfuire.

În capitolul 3 intitulat ,,Analiza proceselor fundamentale ce stau la baza funcționării electrofiltrelor” se face un studiu bibliografic privind procesele fundamentale ce au loc în interiorul electrofiltrului: generarea descărcării corona și formarea ionilor de gaz, încărcarea particulelor în interiorul electrofiltrului, depunerea particulelor pe electrozii de depunere și evacuarea materialului colectat. Au fost identificate principalele forțe care acționează asupra particulelor de praf în interiorul electrofiltrelor.

Capitolul 4 este destinat studiilor experimentale prezentate detaliat în teză.

Având în vedere tendința, pe plan mondial și național, de a generaliza pasul de 400 mm, scopul acestui studiu a fost acela de a efectua cercetări pentru trecerea la pași cuprinși între 300 mm și 400 mm pentru anumiți electrozi de depunere și o amplasare optimă a electrozilor de emisie în structura ramei cu electrozi de emisie, pentru ca întreg spațiu din zona activă a electrofiltrului să fie ocupat de un câmp electric eficient.

Pentru atingerea obiectivului sus amintit a fost necesară determinarea caracteristicii tensiune-curent pentru toate tipurile de electrozi de emisie, utilizați în practica desprăfuirii electrostatice, utilizați de marile firme și institute de specialitate din domeniul electrofiltrelor.

Această caracteristică, numită legea de variație a curentului de descărcare corona funcție de tensiunea aplicată (caracteristica Towched), este deosebit de importantă pentru dimensionarea agregatelor de înaltă tensiune care alimentează electrofiltru. Prin ridicarea acestei caracteristici se poate recomanda, la o anumită distanță între electrozii de polaritate diferită și anumiți electrozi de depunere, tipul de elctrozi de emisie care să asigure o descărcare corona eficientă. Pe de altă parte, din curbele curent-tensiune se pot obține informații cu privire la tensiunea de amorsare corona (tensiunea de prag) și domeniul de funcționare sigură și economică a electrofiltrului.

Aceste caracteristici necesare în dimensionarea instalației de desprăfuire electrică sunt deosebit de dificil de determinat prin calcul, din relații matematice, ipotezele simplificatoare ce ar trebui introduse conducând la erori mari. Spre exemplu, este deosebit de dificil să se pună în evidență prin relații matematice simple, influența vârfurilor sau muchiilor electrozilor asupra distribuției câmpului electric și densității de curent, de multe ori ipotezele simplificatoare introduse conduc la erori mari.

Aceste considerații, împreună cu cele prezentate în teză, au condus la necesitatea investigării experimentale a caracteristicii curent–tensiune, pentru diferite configurații de electrozi de emisie și depunere, în vederea stabilirii corecte a punctului de funcționare, din punct de vedere al parametrilor electrici și a dimensionării echipamentului de înaltă tensiune.

După cum se știe, electrodul de emisie este electrodul în jurul căruia se produce descărcarea Corona. În lucrare se prezintă tipurile de electrozi de emisie utilizați la teste și anume:

– electrozi cu muchii sau suprafețe active continue: electrod sârmă rotundă (=1,5mm; 2mm; 2,5mm), electrod spiralat, electrod tip Fe-Stern, electrod tip lamelă cu secțiune dreptunghiulară și electrodul tip lamelă cu secțiune pătrată.

– electrozi cu vârfuri ascuțite având puncte concentrate de emisie: electrod Isodyn B5, Isodyn B5M, electrod Isodyn W22, electrod cu țepi, electrod tip sârmă ghimpată, electrod cu dornuri.

a. b.

Fig. 1 Dispunerea panourilor de depunere față de electrozii de emisie:

a– dispunerea optimă, b-. dispunerea clasică

Pe instalația experimentală prezentată în teză s-au testat toate tipurile de electrozi de emisie utilizați în tehnica desprăfuirii electrostatice și prezentați simpificat în figura 1, în următoarele variante:

Varianta 1 pentru dispunerea electrozilor de depunere la pas 2h=300 mm (conform dispunerii din figurii 1.a).

Varianta 2 pentru dispunerea electrozilor de depunere la 2h=380 mm (conform dispunerii din figura 1.a).

Varianta 3 pentru 2h=400 mm (conform dispunerii din figurii 1.b).

Testele au fost efectuate pe un electrofiltru model, din plexiglas, cu circulație de aer și fără circulație de aer, alimentat cu tensiune înaltă de la un agregat clasic tip EIT 560 mA/78 kV. Electrozii de depunere (de tip CSV) utilizați la teste au avut o suprafață de depunere de 0,5 m2 și au fost conectați la masă prin intermediul unui microampermetru. Lungimea electrozilor de emisie este de 0,7 m. În lucrare sunt prezentate doar primele 2 variante de teste, întrucât rezultatele obținute la varianta 3 sunt identice cu rezultatele obținute în varianta 2.

Din analiza datelor experimentale, se constată că la pas 2h=380 mm electrozii cu vârfuri prezintă emisii mai puternice decât electrozii cu suprafețele active continue. Concentrarea emisiei în diverse puncte ale electrodului cu vârfuri, face ca străpungerea spațiului dintre electrozi să apară la valori ale tensiunii aplicate cuprinse între 40 kV și 53 kV, în timp ce pentru electrozii cu suprafețele active continue, tensiunea de străpungere se plasează între 49V și 57 kV.

În cazurile electrozilor cu vârfuri caracteristicile sunt mai abrupte decât cele ale electrozilor netezi (cu suprafețele active continue).

Fenomenul corona se amorsează la tensiuni cuprinse între 6 și 16 kV, în timp ce la electrozii netezi tensiunea de amorsare a fenomenului corona este plasată între 22 și 30 kV.

În ceea ce privește electrozii cu suprafețele continue trebuie subliniat faptul că electrodul cu secțiune stelată (Fe-Stern), deși are muchii ascuțite, dă un curent mai mic decât o sârmă circulară cu diametrul de 2 mm. În plus, tensiunea inițială de descărcare, prin efect corona, are pentru electrodul stelat o valoare mai mică, ceea ce constitue o caracteristică pozitivă importantă.

a). b).

Fig. 2 Caracteristici curent-tensiune pentru electrozi de emisie cu suprafața activă continuă (a) și cu vârfuri (b) la pas 2h=380mm

Electrozii spiralați au cea mai mare capacitate de emisie, fapt datorat neuniformității câmpului electric și concentrării acestuia în zonele de curbură. În cazul electrozilor cu vârfuri emisia cea mai puternică o are electrodul Isodin B5M, iar cea mai scăzută electrodul Isodyn W22.

În practică apariția emisiei inverse se manifestă printr-o creștere bruscă a curentului corona, până la descărcarea sub formă de arc. Astfel, pentru separarea prafurilor cu rezistivitate mare sunt indicați electrozii cu suprafețele active continue, deoarece câmpul electric are intensitate constantă pe toată lungimea drumului gazului.

Pe instalația pilot, dar și pe o instalație industrială, a fost analizat stratul de praf depus pe electrodul de depunere, în situația în care electrofiltrul a fost echipat cu electrozi de tip Isodyn B5M și stratul de praf depus pe electrodul de depunere, în situația în care electrofiltrul a fost echipat cu electrozi de tip Isodyn B5 (pentru teste electrozii au fost fixați pe o ramă din țeavă) . Din analiza cantitativă a celor două straturi (fig. 3.a, fig. 3.b și fig. 4) se constată că, prin utilizarea electrozilor Isodin B5M unde vârfurile de emisie sunt dispuse la pas de 30mm, cantitatea de praf depusă pe electrodul de depunere este mult mai mare în comparație cu cantitatea de praf depusă pe electrodul de depunere, prin utilizarea electrozilor Isodyn B5 care au vârfurile amplasate la o distanță de 50 mm (dunele de praf sunt mai dese în situația utilizării electrozilor Isodyn B5M). În urma acestei analize, se constată că utilizarea electrodului de emisie de tip Isodyn B5M în locul electrodului Isodyn B5 conduce la îmbunătățirea randamentului de separare al electrofiltrului prin creșterea cantității de paf depusă pe electrodul de depunere.

Acest tip de electrod poate fi folosit cu succes în industria energetică pe câmpul nr. 1 și câmpul nr. 2 și în industria cimentului, deoarece realizează curenți mari, la tensiuni relativ scăzute și într-un domeniu de rezistivitate cuprins între 104 ÷1011 cm.

Utilizarea noului tip de electrod de emisie în structura echipamentului interior constituie un element de noutate al soluție de echipare a electrofiltrelor ce desprăfuiesc debite mari de gaze.

a). b).

Fig. 3 Depunerea de praf pe electrodul de depunere în dreptul electrodului de emisie

Isodyn B5 (a) și Isodyn B5M (b)

Fig. 4 Comparație între stratul de praf depus pe electrodul de depunere în dreptul unui electrod de emisie Isodyn B5 și în dreptul unui electrod Isodyn B5M.

Intervalul de tensiune, între tensiunea inițială de apariție a descărcării corona și tensiunea de străpungere, este intervalul de lucru al electrofiltrului care crește odată cu creșterea pasului.

Este de remarcat faptul că electrozii de emisie au fost testați și la pas 2h=400mm mm cu o orientare a electrozilor de depunere conform figuri 1.b. Rezultatele obținute în urma măsurătorilor au fost aceleași ca în cazul dispunerii la pas de 380 mm, ceea ce indică o soluție mult mai avantajoasă de echipare a electrofiltrelor industriale (această soluție propusă de autor constituind un element de noutate).

Soluția de echipare a unui electrofiltru, propusă de autor, este: câmpul nr. 1 și câmpul nr. 2 se va echipa cu electrozi Isodyn B5M (soluție nouă de echipare), câmpul nr. 3 se va echipa cu electrozi de tip Fe-Stern.

Modul în care se desfășoară procesul de încărcare al particulelor, mărimea câmpului electric din spațiul de ionizare, influențează prin viteza de migrație procesul de epurare electrică.

Pentru dimensionarea riguroasă a electrofiltrelor, din industria energetică, la pasul de 380 mm, au fost necesare și lucrări de cercetare, care au constat în testări pe electrofiltru pilot, în vederea stabilirii influenței parametrilor gazo-dinamici asupra vitezei de migrație și determinarea acesteia.

Pentru efectuarea testărilor pe instalația pilot au fost colectate probe de cenușă, de la centralele termice funcționând pe lignit și huilă.

PROBA 1: SE Turceni și SE Rovinari – Cenușa rezultată din arderea lignitului din minele din bazinul Olteniei (putere calorifică 1600 –1700Kcal/Kg).

PROBA 2: Cenușă de mixte de huilă CET Paroșeni – rezultată din arderea mixtelor de huilă din minele din Valea Jiului (putere calorifică 2992 – 3044 Kcal/Kg).

Pentru stabilirea dependenței vitezei de migrație de parametrii gazo-dinamici care nu pot fi cuprinși în ecuații matematice pentru a putea fi modelați, s-au efectuat măsurări pe instalația pilot.

Pentru cenușile de lignit având o distribuție granulometrică mai grosieră, diametrul mediu fiind cuprins între 30÷35 μm, viteza optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru este de 1,2 m/s, iar rezultatele testărilor sunt prezentate în teză în tabelul 4.15.

Pentru mediul dispers gaze de ardere – cenușă mixte huilă, la care diametrul mediu se situează între 20÷25 μm, rezultă o viteză optimă de curgere a gazelor prin electrofiltru de 1 m/s.

Acest parametru este foarte important pentru funcționarea în bune condiții a electrofiltrelor deoarece, în practica industrială de multe ori se neglijează acest parametru în favoarea altora și se funcționează la viteze mult peste limita rezultată din această lucrare, ceea ce conduce la o creștere însemnată a conținutului de pulberi în gazele de ardere la ieșirea în electrofiltre.

Capitolul 5 este destinat analizei câmpului electric din zona activă a electrofiltrului.

Problema fizică propusă spre a fi studiată în acest capitol, a fost aceea de a determina repartiția potențialului și câmpului electric, a cărui distribuție este influențată de sarcina ionică spațială. Scopul studiului este acela de a obține informații prețioase cu privire la modul de dispunere optimă a sistemului de emisie și sistemului de depunere și implicit realizarea unui randament de desprăfuire maxim, păstrând aceleași dimensiuni de gabarit ale carcasei.

Modelul fizic real este reprezentat de un electrofiltru industrial compus din rânduri de plăci dispuse paralel, care formează căi prin care curg gazele de ardere. Aceste plăci formează panoul cu electrozi de depunere, fiind legați la pământ. La mijlocul distanței dintre plăcile colectoare se găsesc electrozii de ionizare, cel mai adesea alimentați cu tensiune continuă de polaritate negativă. Acești electrozi se prezintă sub forma unor rețele de sârmă de diverse forme. Între electrozii de emisie și electrozii de depunere se generează un câmp electric foarte puternic produs prin emisie corona.

Fenomenul electric este caracterizat de neunformitatea câmpului electrostatic în spațiul dintre electrozi. Modelul fizic și domeniul de calcul este reprezentat simplificat în figura 5. Modelul fizic este caracterizat de proprietățile fizice prezentate în teză.

Fig. 5 Reprezentarea simplificată a modelului fizic real și al domeniul de calcul D

S-au neglijat efectele de capăt (la marginea sistemului de electrozi), ipoteza de calcul curent acceptată, dată fiind înălțimea și lungimea lor foarte mare, față de lățimea canalului. În acest fel, problema poate fi tratată plan-paralel, cu exprimarea în coordonate carteziene.

Studiul general al câmpului electromagnetic se face cu ajutorul ecuațiilor lui Maxwell, ecuații cu derivate parțiale de ordinul 2, completate cu relațiile de material. În teză sunt prezentate unele ipotezele simplificatoare impuse de utilizarea practică a sistemului de ecuații și cele impuse de mediul dispers din electrofiltru.

În condițiile specificate ecuațiile au următoarea formă:

(1)

Domeniul de calcul ales D, este discretizat într-un număr finit de puncte pe care se aproximează operatorii de derivat ai ecuațiilor prin dezvoltări în serii Taylor trunchiate la un ordin de precizie ales. Pentru aceasta, s-a ales o rețea de discretizare uniformă pe domeniul de calcul D, având 5 noduri pe direcția axei Ox și 6 noduri pe direcția axei Oy, astfel încât pasul rețelei de discretizare să fie constant de-a lungul celor două axe. El este notat cu pe direcția axei Ox, respectiv pe direcția axei Oy. Discretizarea domeniului este carteziană și fiecare nod este reprezentat prin indicii (i,j). Valorile variabilelor care intervin în sistemul de ecuații sunt calculate în fiecare nod al rețelei. Pentru fiecare nod al rețelei de discretizare s-a obținut o ecuație care exprimă potențialul în nodul respectiv și anume Vi,j .

Condițiile de limită impuse de simetria din electrofiltru pentru primele două ecuații din sistemul (1) sunt :

Pentru potențialul electric există două tipuri de condiții:

a) pe axele de simetrie (OA, OC și AB) de tipul Newmann

pe OC și AB și pe OA (2)

b) pe suprafața electrozilor corona și la suprafața electrozilor de depunere, condiții la limită de tip Dirichlet:

V=V0 , ρ=ρ0 – la electrodul corona (3)

V=0 – la electrodul de depunere (4)

Pentru rezolvarea ecuației lui Poisson din sistemul (2), ca metodă de discretizare a fost aleasă metoda diferențelor finite, prin care se aproximează ecuațiile cu derivate parțiale cu diferențe finite centrate pe semiintervale. Aceste aproximări se introduc în ecuațiile cu derivate parțiale și se obține un sistem de ecuații algebrice liniare.

Matricea acestui sistem de ecuații este o matrice tridiagonală și poate fi rezolvată cu ajutorul algoritmului Thomas sau TDMA (Tri-Diagonal- Matrix Algorithm).

Pentru a rezolva ecuația Poisson (sub forma sa discretă), este necesară cunoașterea densității de sarcină spațială ionică ρij în fiecare nod.

Calculul intensității câmpului electric necesită discretizarea operatorului gradient în ecuația (2) a sistemului (2). Acest lucru echivalează cu a stabili relații de calcul pentru derivata de ordinul întâi a potențialului electric.

Se ajunge la expresiile următoare:

; (5)

Pentru rezolvarea cu acuratețe a sistemelor este necesar să se cunoască intensitatea câmpului electric și a sarcinii electrice spațiale la momentul inițial.

Mărimea sarcinii limită acumulată pe particulă este dată de relația obținută de prof. Pouthenier pe baza căreia s-a calculat valoarea densității sarcinii spațiale inițiale, ținând seama de câmpul electric inițial, concentrația de particule în spațiul testat și suprafața specifică a particulelor

Densitatea inițială de sarcină ρ0 se va calcula în urma unui proces interativ respectând condiția E=E0. S-a presupus că intensitatea câmpului electric E0 în momentul inițial este cel dat de tensiunea aplicată electrodului de emisie (în cazul modelat tensiunea aplicată electrodului de emisie este U=50kV). Cu aceste precizări se poate trece la calculul valorii densității sarcinii electrice inițiale ρ0 în punctul O.

Rezolvarea problemei se face prin aplicarea algoritmului Thomas pentru problemele 2D (sau linie cu linie) descris în anexă. Se combină metoda directă a algoritmului Thomas într-o direcție cu metoda iterativă Gauss-Seidel în cealaltă direcție.

Programul de rezolvare a fost făcut în limbajul FORTRAN. În funcție de datele inițiale alese, acesta furnizează soluția sistemului de ecuații algebrice discretizate.

Rezultatele pentru potențial, câmp electric și sarcina spațială sunt obținute prin citirea în programul Mathcad Professional a datelor furnizate de programul FORTRAN.

Considerându-se electrozii de emisie tije de secțiune pătrată având latura de 4 mm și sarcina ionică injectată uniform în lungul electrodului s-a determinat influența distanței dintre electrozii de depunere (2h) și dintre electrozii de emisie (2d) de pe aceeași ramă asupra mărimilor electrice care caracterizează funcționarea electrofiltrului.

Aceste determinări s-au executat pentru aceeași tensiune de alimentare (U=50kV) și se constată că intensitatea câmpului electric și densitatea de volum a sarcinii ionice spațiale cresc odată cu descreșterea pasului dintre electrozii de depunere.

Deci, este necesar ca odată cu creșterea distanței dintre electrozii de depunere, echipamentele de înaltă tensiune să aibă posibilitatea de a livra potențial electric electrozilor de emisie mai mare, electrofiltrul să fie energizat cu un nivel de tensiune mărit, proporțional cu creșterea pasului. În caz contrar, particulele de praf se vor încărca cu o sarcină electrică mai mică și forțele de natură electrică vor fi mai mici, deci se vor înrăutăți performanțele de desprăfuire ale electrofiltrului.

După cum se observă din graficele przentate în teză, distribuția intensității câmpului electric prezintă valori ridicate în jurul electrodului corona și valori coborâte în cea mai mare parte a intervalului.

În continuarea lucrării în capitolele 6 și 7 sunt prezentate soluțiile propuse de autor pentru echiparea unei instalații de desprăfuire electrică, care să conducă la un grad ridicat de reținere a pulberilor din gazele de ardere precum și principalele contribuții personale.

Este prezentat un model concret de echipare al unui electrofiltru rezultat în urma studiilor teoretice și experimentale efectuate, dar și în urma unei activități de peste 20 de ani desfășurată de autor în domeniul instalațiilor de desprăfuire electrică.

Pe instalația pilot a fost determinată capacitatea de emisie a tuturor electrozilor de emisie utilizați în practica desprăfuirii electrostatice.

Se descrie soluția optimă de amplasare a sistemului de emisie față de sistemul de depunere precum și avantajele obținute prin trecerea de la pas 2h= 400 mm la pas de 2h= 380mm.

Prin redistribuirea echipamentului interior la pas 2h=380mm (această soluție constituie o contribuție personală) rezultă un plus de suprafață de depunere de 1178 mp. Mărirea suprafeței de depunere în aceleași condiții electrice impune un randament superior de separare a prafului din gazele de ardere. Aceste performanțe se pot justifica prin introducerea în modelul eficienței de separare a datelor obținute în lucrare.

Un alt element de noutate al soluției, constă în creșterea eficienței de colectare a prafului în buzunarele electrozilor. Prin modelare și vizualizare se poate evidenția o curgere mai bună a gazelor în sensul că particulele de praf sunt mai bine orientate spre electrozii de depunere.

Testele și studiile efectuate, privind stratul de praf depus pe electrodul de depunere, au scos în evidență faptul că în practică este necesară utilizarea unui nou tip de electrod de emisie și anume electrodul Isodyn B5M, care s-a dovedit superior electrodului Isodyn B5 utilizat frecvent de multe firme de specialitate din domeniu din țară și străinătate. Acest nou tip de electrod Isodyn B5M propus de autor a se implementa în structura câmpului 1 și 2 al electrofiltrului nu a mai fost utilizat până în prezent în practica desprăfuirii electrice și a rezultat în urma analizei caracteristicilor electrice și a stratului de praf depus pe electrozii de depunere.

Introducerea noului tip de electrod de emisie în structura echipamentului interior în vederea optimizării câmpului electric din zona activă a electrofiltrului constituie o contribuție personală a autorului.

O contribuție importantă este și realizarea unui program de calcul numeric ce a permis calculul repartiției bidimensionale a câmpului electric din electrofiltru.

În ceea ce privește evaluarea reală a câmpului electric din zona activă a electrofiltrului, acesta este influențat de elementele de distorsiune care apar în funcționarea instalației și care nu pot fi cuprinse în expresii matematice prelucrabile pe calculator. De aceea s-au utilizat ipoteze simplificatoare și aproximări prezentate pe larg în capitolul 5 din teză, unanim acceptate pe plan internațional.

Prin modelul propus se poate optimiza modul de dispunere a echipamentului interior (corelarea dintre h și d) astfel încât să se obțină parametri electrici maximi cu efecte economice majore.

O contribuție importantă este și studiul efectuat pe instalația pilot privind determinările valorilor optime a vitezei de curgere a gazelor prin electrofiltru pentru două medii disperse frecvent întâlnite în practica desprăfuirii electrostatice din România, precum și dependența vitezei

de migrație de temperatură.

Rezultatele teoretice obținute în capitolul 5, coroborate cu rezultatele obținute în studiul experimental conduc la ideea că dispunerea electrozilor de depunere la pas 2h= 380 mm și a electrozilor de emisie la pas 2d=300mm reprezintă soluția cea mai bună de amplasare a echipamentului interior al electrofiltrului, astfel încât să se obțină un câmp electric eficient în tot volumul ocupat de echipamentul interior.

Modelul de echipare propus în capitolul 6, precum și rezultatele teoretice și experimentale obținute și prezentate în teza de doctorat pot constitui o bază de date pentru cercetările ulterioare din domeniul desprăfuirii electrostatice și un punct de plecare pentru dimensionarea și realizarea unor instalații de desprăfuire electrică cu un grad ridicat de reținere a prafului din gazele de ardere în conformitate cu normele actuale și cele de perspectivă privind protecția mediului, cu adaptările specifice fiecărui proces tehnologic și evaluarea amănunțită a normelor tehnice de proiectare.

CURRICULUM VITAE

1. Nume: Osiac

2. Prenume: Viorel

3. Data și locul nașterii: 21 Iulie 1961, Comuna Dobrești, Jud. Dolj

4. Domiciliul: Localitatea Craiova, Str. Ghe. Magheru, Nr. 22, Bl 118, Ap15

5. Cetățenie: română

6. Stare civilă: căsatorit

7. Telefon: 0722639294, 0745418565

8. Adresa e-mail: [anonimizat]

9. Studii:

10. Locul de muncă:

11. Experiența acumulată – În domeniul instalațiilor de desprăfuire (electrofiltre), având și funcția de responsabil urmărire lucrări, elaborare soluții, avizare proiecte program A1, A2, A3 S.C. Complexul Energetic Turceni, începând cu anul 1990 și până în prezent:

Reabilitare, prin reparație, cu modernizare electrofiltre grup 3 – F.E Turceni, Ctr. 7765- 53-00/1994, (realizat în perioada 1994-1996);

Reparație, cu îmbunătățirea performanțelor electrofiltrului nr. 2, grup 6 Turceni,

Ctr. 7824/2000, (realizat în perioada 2000-2001);

Instalație electrică și de automatizare electrofiltre, grup 4 Turceni, Ctr.7829/2000

(realizat în perioada 2001-2002);

Documentație de execuție pentru reparația cu îmbunătățirea performanțelor – lucrări de inginerie tehnologică și de automatizare, de la electrofiltre grup 7 Turceni, câmp 1, 2, Ctr. 7843/2001, (realizat în perioada 2001-2002);

Reducerea concentrației de praf reținută în gazele de ardere de la 150 mg/mN3 la 100 mg/mN3, grup 4 Turceni, Ctr.7857/2001 (realizat în perioada 2001 – 2003);

Reducerea concentrației de praf reținut în gazele de desprăfuire de la 150 mg/mN3 la 100 mg/mN3 inclusiv activitățile pentru finalizarea modernizării I.D.E pentru grup 4 S.E Turceni – Ctr. 7857/2001 (realizat în perioada 2001 – 2003);

Sistem Hardware, performant, cu program Software de aplicație control și afișare incluse, tip Allen Bradley, la instalația electrică și de automatizare a electrofiltrelor de la grupul nr. 5;

Modernizarea electrofiltrelor pentru cazanul de 1035 t/h, pentru creșterea performanțelor de desprăfuire de la 180 mg/mN3 la 50 mg/mN3- Turceni 5, Ctr. 7859/2001/MENER 046/2001 (Realizat în perioada 2002 – 2004);

12. Vechime la locul de muncă actual: 21 ANI

13. Experiența acumulată în alte programe /proiecte naționale/internaționale:

14. Brevete și invenții:

Acționare scuturare depunere echipată cu cuplaj de sens unic- cerere de brevet de invenție A/001175/4.03.2003

15. Lucrări publicate și comunicări științifice:

Autor – 1 lucrare

Coautor – 8 lucrări

16. Membru al asociațiilor profesionale – Membru SIER

17. Limbi străine cunoscute: Engleză, Germană

18. Alte competențe:

Automate programabile Allen-Bradley și Siemens, Console de afișare, Echipamente de monitorizare, Informatică (Windows, Microsoft Office, MathLab, MathCAD).

19. Specializări și calificări:

– Pregătirea, organizarea și programarea lucrărilor de reparații (Curs RENEL –CFP 1992);

– Introducere în electrotehnica aplicată (Curs, Etp 3, RENEL –CFP, iunie 1995);

– Expert armonizare legislativă (Curs, Ministerul Educației, Cercetării și Tineretului+ Ministerul Muncii și Solidarității Sociale, 2005);

– Aplicarea, în unitățile industriale, a legislației transpusă din directivele Uniunii Europene (Curs Ministerul Educației, Cercetării și Tineretului + Institutul Național de Cercetare și Dezvoltare pentru utilaj petrolier, 2005);

Data: 11.09.2007 Semnătura,