MORFOLOGIA WYŁADOWANIA WSTECZNEGO

VI KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA ELEKTROFILTRY 2002 Kraków, 19-21 września 2002, 71-78 MORFOLOGIA WYŁADOWANIA WSTECZNEGO Doc. dr hab. inż. Anatol JAWOREK 1, Dr Tadeusz CZECH 1, Dr inż. Andrzej KRUPA 1, Mgr Marcin LACKOWSKI 1, Mgr Eryk RAJCH 2 1 Instytut Maszyn Przepływowych, PAN, 80-952 Gdańsk, ul. Fiszera 14, tel. 058 3460881 w.292, fax. 058 3416144, jaworek@imp.gda.pl 2 Instytut Fizyki, Pomorska Akademia Pedagogiczna, 76-200 Słupsk, ul. Arciszewskiego 22 Streszczenie: Wyładowanie wsteczne powstaje przy elektrodzie biernej pokrytej warstwą dielektryczną o dużej rezystywności w obecności wyładowania koronowego. Jony dodatnie emitowane przez wyładowanie wsteczne do obszaru międzyelektrodowego neutralizują ujemny ładunek cząstek pyłu, zmniejszając skuteczność elektrofiltru. Przedstawiono wyniki badań wyładowania wstecznego dla elektrody uziemionej pokryta płytką miki lub warstwą pyłu z elektrofiltru. Strimery w wyładowaniu wstecznym rozwijają się pomiędzy elektrodą ulotową a przypadkowo powstałym kraterem w warstwie dielektrycznej. Przy zwiększaniu napięcia, wyładowanie strimerowe może przejść w wyładowanie łukowe. Stwierdzono, że w wyniku wyładowania łukowego w warstwie pyłu powstają spieki z materiału tworzącego warstwę. W wyniku wyładowania do atmosfery mogą być wtórnie emitowane do atmosfery metale ciężkie z pyłu osadzonego na elektrodzie. Wyładowanie wsteczne (typu back-corona) występuje w obecności normalnego wyładowania koronowego prądu stałego wówczas, gdy elektroda bierna pokryta jest warstwą dielektryczną o dużej rezystywności. Wyładowanie wsteczne różni się od zwykłego wyładowania koronowego prądu stałego z powodu obecności dielektryka. Prąd jonowy nie przepływa swobodnie w obszarze międzyelektrodowym ponieważ ładunek pochodzący od jonów generowanych w wyładowaniu koronowym gromadzi się na powierzchni warstwy dielektrycznej powodując wzrost natężenia pola elektrycznego w obszarze dielektryka i zmniejszenie natężenia pola elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej. Przy dostatecznie dużej wartości natężenia pola elektrycznego następuje przebicie warstwy dielektryka w postaci wąskich kanałów (kraterów) sięgających do powierzchni elektrody biernej. W kanałach tych następuje jonizacja gazu i materiału dielektryka. Z powodu jonizacji gazu w obszarze kanału oraz materiału tworzącego warstwę dielektryczną następuje emisja jonów o znaku przeciwnym do polaryzacji elektrody ulotowej. Skutkiem tego jest skokowy wzrost natężenia prądu wyładowania. Wyładowanie wsteczne zainicjowane zostaje przy niższym napięciu niż normalne wyładowanie koronowe. Problem wyładowania wstecznego, oprócz wielu aspektów poznawczych o charakterze fizycznym jest zagadnieniem o dużym znaczeniu praktycznym, którego rozwiązanie umożliwi podwyższenie skuteczności i sprawności energetycznej elektrofiltrów. Wyładowanie wsteczne w elektrofiltrach powstaje w przypadku osadzania drobnych cząstek wysokorezystywnego pyłu na elektrodzie zbiorczej. Prąd ulotu oraz prąd niesiony przez cząstki pyłu powodują gromadzenie się ładunku elektrycznego na warstwie pyłu. Na skutek zgromadzonego ładunku elektrycznego zmniejsza się natężenie pola elektrycznego w obszarze międzyelektrodowym i zwiększa natężenie pola w warstwie pyłu. Jeżeli pole elektryczne w warstwie pyłu jest dostatecznie duże, zwykle większe od 5 kv/cm, to następuje lokalne przebicia warstwy pyłu, co prowadzi do emisji jonów dodatnich, które zobojętniają ładunek ujemny naładowanych cząstek pyłu. Zjawisko to powoduje zmniejszenia skuteczności elektrofiltru. Przy wyższych napięciach zasilania mogą powstać strimery przeskokowe. Jeśli temperatura w kraterze powstałym w warstwie pyłu jest dostatecznie duża to wyładowanie strimerowe

przechodzi w słaboprądowe wyładowanie łukowe. Natężenie prądu w tego typu wyładowaniu łukowym nie przekracza zwykle kilku miliamperów. Wyładowanie wsteczne prowadzi także do wtórnej emisji pyłu, w wyniku czego pył osadzony na elektrodzie zbiorczej jest ponownie wprowadzany do strumienia gazu odpylanego, zmniejszając całkowitą skuteczność elektrofiltru. Duża rezystywność pyłu jest wynikiem spalania węgla o niskiej zawartości siarki, zwykle poniżej 1% [1]. Najczęściej stosowanym sposobem na uniknięcie wyładowania wstecznego w elektrofiltrze jest kondycjonowanie spalin. Polega ono na dodawaniu do gazów odlotowych składników znacznie zmniejszających oporność warstwy pyłu na elektrodzie zbiorczej. Do kondycjonowania spalin używane są głównie SO 3 lub NH 3, jednak ze względu na śladową emisję tych związków do atmosfery metoda ta nie jest popularna [2]. W literaturze spotyka się także doniesienia o innych składnikach używanych do kondycjonowania spalin, między innymi: pary wodnej, chlorku sodu (NaCl), kwasu solnego (HCl), kwasu siarkowego (H 2 SO 4 ), chlorku wapnia (CaCl 2 ), siarczanu amonu ((NH 4 ) 2 SO 4 ), kwaśnego siarczanu amonu (NH 4 HSO 4 ), kwaśnego siarczynu amonu (NH 2 SO 3 H), siarczanu sodu (Na 2 SO 4 ), siarczanu żelaza (FeSO 4 ), jodku litu (LiI), pięciotlenku fosforu (P 2 O 5 ), węglanu sodu (Na 2 CO 3 ), trójetyloaminy lub cyklohexylaminy [3-9]. Innym sposobem uniknięcia wyładowania wstecznego jest zastosowanie elektrofiltru mokrego, w którym elektrody bierne pokryte są filmem wodnym, zmniejszającym rezystywność pyłu i jednocześnie usuwającym warstwę pyłu. Skutecznym środkiem uniknięcia wyładowania wstecznego jest również chłodzenie spalin, prowadzące do zwiększenia wilgotności pyłu na elektrodzie zbiorczej [10]. Wadą tych metod jest konieczność zastosowania materiałów odpornych na elektrokorozję oraz otrzymanie odpadu w postaci mokrego szlamu, którego składowanie bądź utylizacja jest kosztowna. Obecnie coraz częściej w celu eliminacji wyładowania wstecznego i jego skutków stosuje się ciągłą kontrolę prądu ulotu poprzez sterowanie napięciem zasilania. W momencie wystąpienia wyładowania wstecznego obniża się napięcie zasilające elektrofiltr, aż do wygaszenia wyładowania wstecznego, co jednak okresowo pogarsza skuteczność elektrofiltru. Techniczne rozwiązania identyfikacji wyładowania wstecznego oraz zastosowanie takiego systemu w elektrofiltrach przedstawiono w pracy Wojtyły et al. [11]. Pomimo tych technicznie skutecznych środków, dalsza poprawa skuteczności elektrofiltrów poprzez eliminację wyładowania wstecznego wymaga dobrej znajomości zjawisk fizycznych zachodzących w warstwie pyłu i w obszarze międzyelektrodowym, a w szczególności rozkładu ładunku przestrzennego i powierzchniowego w elektrofiltrze. W literaturze brak jest jednak wystarczających danych dotyczących powstawania, rozwoju i fizycznych właściwości wyładowania wstecznego. Pierwsze badania wyładowania wstecznego przypadają na połowę lat siedemdziesiątych. Masuda i Mizuno [12,13] zajęli się problemem fenomenologii wyładowania wstecznego oraz charakterystyk prądowo napięciowych wyładowania a także warunkami jego inicjacji w zależności od rezystywności warstwy pyłu. Zaobserwowali, że istnieją dwa rodzaje strimerów: rozchodzące się w obszarze międzyelektrodowym i ślizgające się po powierzchni warstwy dielektrycznej [14]. Może też występować wyładowanie mieszane będące złożeniem dwu poprzednich form. Według aktualnego stanu wiedzy podstawowa forma wyładowań elektrycznych związana jest ze strukturą warstwy i powstaniem wyładowań plazmowych na powierzchni i wewnątrz warstwy. Szybkość gromadzenia się ładunku na warstwie pyłu zależna jest od elektrycznych procesów relaksacyjnych zachodzących w warstwie pyłu decydujących o stałej czasowej zaniku ładunku elektrycznego na powierzchni warstwy, a więc od iloczynu stałej dielektrycznej i rezystywności warstwy pyłu. Masuda i Mizuno

[12] stwierdzili, że wyładowanie wsteczne z kraterów w warstwie pyłu zachodzi jeżeli spełniony jest warunek: ρ d J E ds (1) gdzie: J - gęstość prądu, E ds - natężenie pola elektrycznego warstwy pyłu, ρ d - rezystywność pyłu. Rezystywność pyłu w elektrofiltrze zależna jest od składu chemicznego oraz od wilgotności względnej. Natężenie pola elektrycznego, dla którego następuje przebicie warstwy pyłu zależne jest od wielu czynników, między innymi od fizycznych właściwości pyłu, grubości warstwy i stopnia upakowania. Duże znaczenie ma także zawartość wilgoci, parametr, który jest trudny do skontrolowania w warunkach eksploatacyjnych. Przykładowe wykresy zależności natężenia pola przebicia od grubości warstwy pyłu z elektrofiltru przedstawione są na rys.1. Średnia wartość wytrzymałości dielektrycznej pyłu tylko nieznacznie zmienia się z grubością warstwy, lecz rozrzut wyników pomiarowych sięga nawet do 30%. Charakterystyki prądowo napięciowe wyładowania wstecznego dla pyłu z elektrofiltru przedstawiono na rys. 2. Ze wzrostem napięcia zasilającego wyładowanie wsteczne, podobnie jak normalne wyładowanie koronowe [15], rozpoczyna się od strimerów początkowych, pomiędzy elektrodą ulotową a przypadkowo umiejscowionym kraterem w pyle. Następnie rozwija się wyładowanie jarzeniowe, strimery przeskokowe oraz wyładowanie łukowe lub iskrowe. Dla pyłu z elektrofiltru nie zaobserwowano wyładowania jarzeniowego lecz od razu przejście strimerów początkowych w przeskokowe. Wyładowanie strimerowe ma charakter impulsowy. Przykładowy przebieg impulsów prądowych w wyładowaniu strimerowym przedstawiono na rys. 3. W momencie przebicia warstwy dielektrycznej następuje szybki wzrost natężenia prądu, ograniczony tylko wartością rezystancji obciążenia. Wyładowanie strimerowe może przejść w wyładowanie łukowe jeśli temperatura w jednym z kanałów wzrośnie na tyle, że zachodzi jonizacja termiczna molekuł zawartych w warstwie pyłu i molekuł gazowych, oraz jeśli rezystancja obciążenia jest dostatecznie duża. Można zauważyć histerezę na charakterystyce prądowo napięciowej, która powoduje, że w celu wygaszenia wyładowania wstecznego należy znacznie obniżyć napięcie zasilania. Przykładowe zdjęcia różnych form wyładowań przedstawiono na rys.4-6 dla obu polaryzacji napięcia na elektrodzie ulotowej. Badania wyładowania wstecznego wykonano dla elektrody uziemionej pokrytej płytką miki o grubości 80 µm lub warstwą pyłu z elektrofiltru o grubości 8 mm. W płytce mikowej wykonanych zostało 7 otworów o średnicy ok. 200 µm: 6 ułożonych równomiernie na okręgu o średnicy ok. 5 mm i jeden w centrum tego okręgu. Warstwa pyłu ułożona została wewnątrz pierścienia dielektrycznego o średnicy 65 mm. W obu przypadkach elektrodą ulotową była igła o średnicy 0.8 mm ze stali nierdzewnej. Rezystywność skrośna miki wynosi w/g danych literaturowych ρ d =10 13-10 14 Ωcm [16]. Rezystywność warstwy pyłu wygrzewanego w temperaturze 200 o C przez okres 2 godz. wynosiła 5*10 11-3*10 12 Ωm. Odległość pomiędzy elektrodą ulotową a elektrodą zbiorczą wynosiła 20 mm dla płytki mikowej i 22 mm dla pyłu z elektrofiltru. Można zaobserwować znaczne ubytki materiału dielektrycznego (np. płytki mikowej) przejawiające się ponad dwukrotnym poszerzeniem średnicy otworów po kilkuminutowej ekspozycji płytki na wyładowanie łukowe. W przypadku warstwy pyłu stwierdzono, że w wyniku wyładowania łukowego w pyle powstają spieki o dużej porowatości z materiału tworzącego warstwę, co świadczy o wysokiej temperaturze

wewnątrz krateru. Widok krateru powstałego w pyle dla dodatniej polaryzacji elektrody ulotowej przedstawiono na rys.7. Charakterystyczną cechą spieków powstałych w wyniku wyładowania łukowego jest ich kształt geometryczny. Dla polaryzacji ujemnej elektrody ulotowej spieki mają kształt walcowy (rys.8a), a dla polaryzacji dodatniej kształt stożkowy (rys.8b). Świadczyć to może o innym rozkładzie prądu wewnątrz warstwy pyłu dla obu polaryzacji. Przypuszczalnie stożkowy kształt kraterów powstaje w wyniku bombardowania warstwy pyłu przez dodatnie jony, które stopniowo tracą energię po zderzeniu z powierzchnią. Natomiast dla polaryzacji ujemnej dominujący będzie prąd elektronowy. Mechanizm fizyczny generacji jonów w warstwie dielektrycznej nie został dotychczas dostatecznie poznany. Z przeprowadzonych badań wynika, że z uwagi na wysoką temperaturę panującą w kraterach, może to być jonizacja termiczna. Istnieje jednak możliwość występowania jonizacji zderzeniowej na skutek dużej gęstości plazmy powstającej w obszarze przebicia. Innym problemem, który pojawia się w przypadku wyładowania wstecznego jest rodzaj jonów jakie zostają wyemitowane do przestrzeni międzyelektrodowej. Badania spektroskopowe wskazują, że w wyniku wyładowania emitowane są jony metali ciężkich zawarte w pyle osadzonym na elektrodzie biernej, powstające w wyniku odparowania materiału dielektryka i elektrody biernej. W przypadku elektrofiltru oznacza to przedostanie się do gazów odlotowych metali ciężkich, zawartych w warstwie pyłu, w postaci klasterów, albo w postaci innych związków powstających w plazmie wyładowania elektrycznego w kraterach. Wytrzyma³oœæ elektryczna (kv/ 25 20 15 10 5 py³z elektrofiltru 0 0 5 10 15 20 gruboœæ warstwy (mm) Rys.1. Zależność wytrzymałości na przebicie pyłu z elektrofiltru od grubości warstwy.

6 5 positive negative Current [ma] 4 3 2 1 Decreasing source voltage Increasing source voltage 0 0 5 10 15 20 25 30 Voltage [kv] Rys.2. Charakterystyki prądowo-napięciowe wyładowania wstecznego dla pyłu z elektrofiltru. 10 10 8 6 Wyładowanie wsteczne polaryzacja dodatnia 8 6 Wyładowanie wsteczne polaryzacja ujemna Prąd (A) 4 2 Prąd (A) 4 2 0 0 20 40 60 80-2 0 0 20 40 60 80-2 -4 Czas (ns) -4 Czas (ns) Rys.3. Impulsy prądowe formy strimerowej wyładowania wstecznego o polaryzacji elektrody ulotowej ujemnej i dodatniej dla płytki miki.

Rys.4. Zdjęcia wyładowania wstecznego w układzie z płytką miki: strimery początkowe. Napięcie zasilania elektrody ulotowej -19 kv i +17 kv. Rys.5. Zdjęcia wyładowań strimerowych dla pyłu z elektrofiltru. Napięcie zasilania elektrody ulotowej -24 kv i +29 kv.

Rys.6. Zdjęcia wyładowań łukowych dla pyłu z elektrofiltru. Napięcie zasilania elektrody ulotowej -25 kv i +30 kv. Rys.7. Widok krateru powstałego w warstwie pyłu z elektrofiltru w wyniku wyładowania łukowego o polaryzacji dodatniej.

a. b. Rys.8. Zdjęcia spieków powstałych z pyłu z elektrofiltru w wyładowaniach łukowych przy polaryzacji ujemnej i dodatniej. LITERATURA [1] SZWED H., V Konferencja Naukowo Techniczna, ELEKTROFILTRY 2000, Kraków, 14-16 września 2000 [2] FILIPOWSKI F., III Konferencja Elektrofiltry w Energetyce, ELEKTROFILTRY 92, Kraków, 20-21 listopada 1992 [3] WATSON K.S., BLECHER K.J., Air Water Poll. Int. J. 10 (1966), No.9, 573 [4] REESE J.T., GRECO J., J. Air Poll. Contr. Assoc. 18 (1968), No.8, 523-8 [5] DISMUKES E.B., J. Air Poll. Contr. Assoc. 25 (1975), No.2, 152-6 [6] BAXTER W.A., J. Air Poll. Control Assoc. 18 (1968), No.12, 817-20 [7] CASTLE G.S.P., IEEE Trans. Ind. Appl. 16 (1980), No.2, 297-302 [8] MAYER-SCHWINNING G., Chem. Ing. Tech. 57 (1985), No.6, 493-500 [9] MCLEAN K.J., IEE Rev. 135 (1988), Pt.A, No.6, 347-61 [10] CHANG J., KELLY A. J., CROWLEY J. M., Handbook of Electrostatic Processes, New York, Basel, Hong Kong, Ed.: Marcel Dekker Inc. 1995 [11] WOJTYŁA A., WOJTYŁA T., FIELD M., V Konferencja Naukowo Techniczna, ELEKTROFILTRY 2000, Kraków, 14-16 września 2000 [12] MASUDA S., MIZUNO A., J. Electrostat. 4 (1977/1978), 35-52 [13] MIZUNO A., AKIMOTO M., J. Electrostat. 6, (1979), 333-347 [14] MASUDA S., Static Electrification 1975, Inst. Phys. Conf. Series No. 27 1975, 154 [15] LIDMANOWSKI W., Zarys teorii wyladowan w dielektrykach. Warszawa 1984 [16] ANTONIEWICZ J., Własności dielektryków. Tablice i wykresy. Warszawa 1971 Recenzent: Stanisław Bach

VI KONFERENCJA ELEKTROFILTRY 2002 AGH KRAKÓW Doc. dr hab. inż. Anatol JAWOREK 1 Dr Tadeusz CZECH 1 Dr inż. Andrzej KRUPA 1 Mgr Marcin LACKOWSKI 1 Mgr Eryk RAJCH 2 1 Instytut Maszyn Przepływowych, PAN 80-952 Gdańsk, ul. Fiszera 14 tel. 058 3460881 w.292, fax. 058 3416144, jaworek@imp.gda.pl 2 Instytut Fizyki, Pomorska Akademia Pedagogiczna 76-200 Słupsk, ul. Arciszewskiego 22 MORFOLOGIA WYŁADOWANIA WSTECZNEGO Streszczenie Wyładowanie wsteczne powstaje przy elektrodzie biernej pokrytej warstwą dielektryczną o dużej rezystywności w obecności wyładowania koronowego. Ładunki elektryczne generowane przez normalne wyładowanie koronowe nie spływają swobodnie do elektrody uziemionej lecz gromadzą się na warstwie dielektrycznej. Przy dostatecznie dużej wartości natężenia pola w warstwie dielektrycznej następuje jej przebicie. W dielektryku powstają kratery o podwyższonej temperaturze, z których następuje emisja jonów. W momencie powstania wyładowania wstecznego następuje znaczny wzrost natężenia prądu. Wyładowanie wsteczne powstające w elektrofiltrach znacznie obniża skuteczność elektrofiltru. Z powodu jonizacji gazu oraz materiału zawartego w warstwie, do obszaru międzyelektrodowego emitowane są jony o znaku przeciwnym do polaryzacji elektrody ulotowej, które powodują rozładowanie cząstek pyłu. Wyładowanie wsteczne, podobnie jak normalne wyładowanie koronowe, rozpoczyna się od strimerów początkowych, które przy wzroście napięcia przechodzą w strimery przeskokowe a następnie w wyładowanie łukowe. Wyładowanie łukowe może powstać jeśli temperatura w kraterze wzrośnie do takiej wartości, że następuje termiczna generacja jonów gazowych i jonów z materiału tworzącego warstwę dielektryczną. Badania wyładowania wstecznego przeprowadzono dla przypadków, gdy elektroda uziemiona była pokryta płytką miki lub warstwą pyłu z elektrofiltru. Zaobserwowano, że w wyniku wyładowania łukowego w warstwie pyłu powstają spieki z materiału tworzącego warstwę. Charakterystyczną cechą jest kształt powstałych spieków, które dla polaryzacji dodatniej elektrody ulotowej przyjmują kształt stożkowy, a dla polaryzacji ujemnej kształt walcowy, co świadczyć może o odmiennym charakterze przepływu prądu przez warstwę pyłu. Badania spektroskopowe wskazują, że w wyniku wyładowania do atmosfery przedostają się jony metali ciężkich zawarte w pyle osadzonym na elektrodzie biernej.