Budapest, Kiss István

Átírás

1 ELEKTROSZTATIKUS PORLEVÁLASZTÓ BERENDEZÉSEK ÚJSZERŰ MODELLEZÉSE DOKTORI (PH.D.) ÉRTEKEZÉS KISS ISTVÁN BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK NAGYFESZÜLTSÉGŰ TECHNIKA ÉS BERENDEZÉSEK CSOPORT KONZULENSEK: DR. BERTA ISTVÁN EGYETEMI TANÁR DR. KOLLER LÁSZLÓ EGYETEMI DOCENS BUDAPEST, 2004

2 NYILATKOZAT Alulírott Kiss István kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, Kiss István TÁJÉKOZTATÓ A jelen értekezésről készített hivatalos bírálatok, valamint a doktori munka védéséről készült jegyzőkönyv a védést követően a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karának Dékáni Hivatalában érhetők el. (Budapest, XI. ker. Egry J. u. 18.) Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 22

3 Tartalom Nyilatkozat...2 Tájékoztató Bevezetés ESP alapismeretek Az elektrosztatikus porleválasztás története Az ESP működésének alapgondolata Koronakisülés A porszemcsék töltődése A szennyező szemcsék mozgása Ellenkorona-kisülés Leválasztás és porvisszalépés PPCP, DeNOx, DeSOx folyamatok ESP modellezés A Deutch modell Összetett leválasztó modellek A villamos térerősség meghatározása Koronamodellek Portöltődés modellek A gázáramlás modellezése A villamos szél figyelembevétele Portranszport modellek Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 33

4 Ellenkorona modellek Porvisszalépés-modellek Az átütés modellezése Összetett modellek moduljainak rendszerbe szervezése Az ESP modellek megbízhatóságának problémái Újszerű elektrosztatikus porleválasztó modell Numerikus ESP modell A potenciál- és térerősségeloszlás meghatározása Az iontöltéssűrűség meghatározása A portértöltéssűrűség és a pormozgás számítása Az ellenkorona és a villamos szél figyelembe vétele A porvisszalépés figyelembevétele A leválasztási fok meghatározása ESP szakértői rendszer Az összetet modell működése Modellhitelesítés és alkalmazás Laboratóriumi modell A feszültség-áram karakterisztika Az áramlási sebesség mérése A részecskék mozgásának megfigyelése A ESP modell hitelesítése A potenciál- és térerősségeloszlás meghatározása A koronaáram számítása Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 44

5 A sebességeloszlás számítása A pormozgás számítása Az ESP modell összevetése a szakirodalommal Az újszerű modell alkalmazása ipari ESP vizsgálatára Tézisek Tézis Tézis Tézis Tézis Összefoglalás Köszönetnyilvánítás Irodalom A szerző témával kapcsolatos publikációi Függelék... I F1. A fuzzy logika alapjainak áttekintése... I Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 55

6 1. BEVEZETÉS Az értekezés témájának különleges időszerűségét az egyre szigorodó környezetvédelmi adják [KöM EüM FVM, 2001]. Miután hazánk az Európai Unió tagja lett, alkalmazkodnia kell annak levegőtisztaság-védelmi előírásaihoz. A követelmények szigorodása érzékenyen érinti a villamos gáztisztító (elektrofilter), vagy elterjedtebb nevén az elektrosztatikus porleválasztó (ESP 1 ) berendezéseket is, amelyekkel nem csupán az összes porkibocsátást kell határérték alatt tartani, de a néhány mikron egyenértékű átmérőjűnél 2 kisebb szemcsék kilépő koncentrációja sem haladhatja meg az előírt nagyságot. Ez utóbbinak azért van nagy jelentősége, mert az ilyen kisméretű szemcséket az emberi légutak már nem képesek kiszűrni, így azok az egészségre rendkívül károsak, noha kis méretük miatt a kibocsátott por összes tömegében részarányuk csekély. Kezdetben a 10 mikronos szemcseméret alatti tartományban kibocsátható mennyiséget szabályozták (jelölésére az angol Particulate Matter kifejezés alapján a PM10 rövidítést vezették be). Mára azonban megjelentek a PM2,5-re vonatkozó követelmények is, sőt várhatóan a PM0,1-re irányuló szabályozás is hamarosan napvilágot lát. A évi, 9. Nemzetközi Elektrosztatikai Konferencián J. S. Chang professzor (McMaster University, Kanada) felszólalásában az elektrosztatikus porleválasztók modellezésének rendkívüli időszerűségét azzal indokolta, hogy az eddigi berendezések mindegyike PM10-re készült, ezért a szigorúbb, PM2,5 szabályozás eredményeképpen a professzor - kissé sarkított - véleménye szerint az összes meglévő berendezést ki kell cserélni, vagy fel kell újítani. Figyelembe véve, hogy egy új berendezés ára a 40 millió dollárt is meghaladhatja, egyáltalán nem mindegy, hogy a kívánt cél eléréséhez mekkora befektetés szükséges. Ennek megítélésében nagy segítséget nyújt egy megfelelő ESP modell. A kellő alaposságú modellezés ugyanis hozzásegíthet az elektrosztatikus porleválasztó berendezésekben lejátszódó folyamatok alaposabb megértéséhez, rámutathat olyan 1 A kifejezések közül a villamos gáztisztító a szabatos megfogalmazás, mert az értekezésben foglaltak a villamos erőtérrel végzett por- pernye- és cseppleválasztásra is kiterjednek. Elterjedtsége és az angol Electrostatic Precipitation (ESP) kifejezésével azonos rövidítése miatt mégis inkább az elektrosztatikus porleválasztó megnevezést részesítem előnyben. 2 A fogalom magyarázatát lásd [Storch, 1977] 18. oldalán Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 66

7 összefüggésekre, amelyek a szükséges további fejlesztések során a gyakorlatban hasznosíthatók. Chang professzor sarkított megfogalmazása egyébként egyáltalán nem véletlen, mert több számítási és mérési eredmény [Gallimberti, 2004] utal arra, hogy a gyakorlatban alkalmazott porleválasztó berendezések az egy-két mikronos, vagy annál kisebb szemcséket sokkal rosszabb hatékonysággal választják le, mint nagyobb méretű társaikat. Ez azért is kellemetlen, mert a kisméretű szemcsék nagy fajlagos felülettel rendelkeznek, így a molekuláris szennyeződések jelentős részét ezek köthetik meg. Amerikai és ausztrál szakemberek ezért olyan berendezést (ún. agglomerátort) készítettek, amely az elektrosztatikus porleválasztó bemenete előtt található, és a belépő szemcséket több csoportra osztva, azokat ellentétes előjelű töltéssel látja el. Ezt követően az ellentétesen töltött részecskék összekeverednek, így a finom (1-2 mikronos, vagy annál kisebb) részecskék egymással, vagy a durvább szemcsékkel összetapadnak, tehát hatékonyabb leválasztás válik lehetővé [Harrison, 2004]. Különösen érdekes a modellezést rendkívül megnehezítő bizonytalanságok kezelése. Ilyen bizonytalanságot okoz a por és az áramló gáz tulajdonságainak időbeli változása, a részecskék alakjának változatossága, illetve a különböző mérési eredmények bizonytalansága. Többek között ezeknek köszönhető, hogy - Senichi Masuda professzor (Tokio University, Japán) szavaival élve - az elektrosztatikus porleválasztó berendezések méretezése jelenleg inkább művészet, mint tudomány. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék, Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoportjában Dr. Berta Istvánnak, a Nemzetközi Porleválasztási Társaság Igazgató Tanácsa tagjának vezetésével évtizedek óta foglalkoznak ezzel a művészettel. A kutatások eredményeit több hazai berendezés táplálásának korszerűsítésében hasznosították. (Pl. a Mátrai Erőmű - ill. jogelődje -, a váci Dunai Cement Művek, a Borsodi Ércelőkészítő Művek, legutóbb pedig 2004-ben a Pécsi Hőerőmű esetében.) Jelenleg az Áramlástan Tanszékkel együttműködve további intenzív kutatómunka folyik. Ennek egyik eredménye a doktori értekezés tárgyául szolgáló újszerű porleválasztó modell. Az értekezés első felében áttekintem az elektrosztatikus porleválasztás történetét, ismertetem a porleválasztókban zajló fizikai folyamatokat (koronakisülés, portöltődés, pormozgás) beleértve a leválasztást döntően befolyásoló jelenségeket is (ellenkorona, villamos szél hatása). Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 77

8 Ezek alapján összefoglalom azokat a problémákat, amelyeket modellezéskor meg kellett oldani. Röviden tárgyalom a jelenleg ismert porleválasztó modelleket, azokat összehasonlítva és rámutatva alkalmazásuk korlátjaira. Részletesen bemutatom az általam alkotott új porleválasztó modellt, annak felépítését, hitelesítését valamint a bizonytalanságok kezelésére szolgáló fuzzy logika alapú megközelítést. A modell használhatóságát és hatékonyságát mérési valamint számítási eredményekkel támasztom alá. A modellszámítások eredményeinek ismeretében négy tézist fogalmazok meg. Az értekezés érdemi részét a tézisekben foglaltak gyakorlati alkalmazásával kapcsolatos tapasztalatok ismertetésével zárom. (Pécsi Hőerőmű ESP berendezését érintő számítások; a berendezés felújításában, a korszerű impulzusüzemű táplálás üzembe állításában személyesen is részt vettem.) Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 88

9 2. ESP ALAPISMERETEK Az elektrosztatikus por- pernye- és cseppleválasztás az ipari elektrosztatika környezetvédő technológiái közé tartozik, amelynél a kisméretű szemcsék villamos feltöltésének, mozgatásának valamint a Coulomb erőt kihasználó leválasztásának elsődleges célja a szennyeződések eltávolítása áramló közegekből (jellemzően gázokból). Ezek a technológiák tehát közvetlenül környezetvédelmi célokat szolgálnak. A feltöltés, mozgatás, leválasztás folyamata a környezetbarát (vagy környezetkímélő) technológiáknál szintén megjelenik. Ott azonban e folyamatok elsődleges célja az alkalmazott anyagok (bevonatul szolgáló por, festék, vagy permet) hatékonyabb felhasználása. Ez viszont egyben a környezetbe kerülő hulladék mennyiségének csökkenését is eredményezi, tehát ebben az esetben a környezetvédelem közvetett. (Ilyen az elektrosztatikus porszórás, festékszórás ill. az elektrosztatikus permetezés.) A levegő tisztítására természetesen nem csak az ESP technológiát alkalmazzák, hiszen a leválasztási feladattól függően ejtőkamrákkal, zsalus porleválasztókkal, ciklonokkal, gázszűrőkkel, zsákos porleválasztókkal, nedves mosókkal az ipar számos területén találkozhatunk. Mégis, az elektrofilterek a gáztisztító berendezések egyik legnépszerűbb csoportját alkotják, viszonylag egyszerű konstrukciójuknak és nagy (akár %-ot meghaladó) porleválasztási hatékonyságuknak köszönhetően. Használatosak a cementiparban, az alumíniumgyártásban (fluoridok visszanyerése [Gjortheim, 1987]), az ércfeldolgozó üzemekben és a széntüzelésű erőművekben egyaránt. Napjainkban az ESP berendezések egyre több helyen egy integrált légtisztító rendszer részét képezik [Fujishima 2001, Chang 2002]. (Jó példa erre a Mátrai Erőmű, ahol a porleválasztó berendezés a száraz Heller-Forgó hűtőtoronyban elhelyezett kéntelenítő előtt található.) Az elektrofiltereknek kisméretű változatai is léteznek, amelyek szobák, termek légtisztítására alkalmasak és kereskedelmi forgalomban is kaphatók. Fejlesztésük és vizsgálatuk jelenleg is folyik. [Niu, 2001] Az ESP technológia jelenlegi állapotának kialakulásához hosszú út vezetett, amelyet a következő fejezetben tekintek át. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 99

10 2.1. Az elektrosztatikus porleválasztás története Az elektrosztatikával kapcsolatos jelenségeket már az ókori görögök is ismerték. A villamos erőtér porleválasztásra való felhasználásában azonban az esztendőt tekinthetjük mérföldkőnek, hiszen először ekkor jelent meg a füstrészecskékre ható villamos erő tapasztalati leírása, William Gilbert jóvoltából. Később Giovanni B. Beccaria foglalkozott a füstös gázok villamos kisüléseivel és a villamos szél jelenségével, 1772-ben megjelent könyvében. Hohlfeld és Guitard évi kísérletei után a tapasztalatokat Sir Oliver J. Lodge javaslatára hasznosították ipari célra, egy ólomkohászati üzemben, 1884-ben. A múlt század elején a frankfurti Lurgi cég Cottrell és Möller közös tapasztalatait egyesítő szabadalom alapján megkezdte az elektrofilterek gyártását (egyenfeszültség, negatív koronázó elektródok) ben Smidt már olyan berendezést fejlesztett ki, amely körülbelül 100 tonna/nap porterhelést kezelt. A technológiai fejlődés mellett az elektrosztatikus porleválasztóban lejátszódó jelenségek modellezését, a berendezések paramétereinek számítását célzó kutatások igénye is egyre fokozódott ban W. Deutch és E. Anderson számítási módszert dolgozott ki a porleválasztó leválasztási fokának meghatározására ban H. J. White megjelentette az ESP technológia akkori állását összefoglaló könyvét [White, 1963], amelyben ismertette az általa kidolgozott, összefüggő elméletet, amely figyelembe veszi a klasszikus ismereteket és az új megfontolásokat is. Ezt az időszakot tekintve a téma magyar úttörői közül Dr. Koncz Istvánt, Hirsch Lajost, Horváth Károlyt, Raschovszki Lajost és Czibók Ernőt kell megemlíteni, akik a technológia hazai bevezetését és kutatását ösztönözték, ill. megalapozták a hazai fejlesztéseket (1954, 1968). Az elektrofilter leválasztó terében döntő jelentőségű tértöltések vizsgálata I. P. Verescsagin nevéhez fűződik (1974), 1975-ben pedig Senichi Masuda professzor az ellenkorona jelenséget tanulmányozta. Rendkívüli jelentőségű eredményei kimutatták az ellenkorona leválasztási hatékonyságot rontó hatását. A további kutatások során a szakemberek rájöttek az impulzusüzemű táplálás előnyeire, és ennek alapján lehetővé vált egy olyan, gazdaságosabb táplálási mód kialakítása, amely kisebb energiaigény mellett nagyobb leválasztási fokot biztosít [Berta, 1987]. (Az ezzel kapcsolatos legújabb fejlesztési eredményeket a évi porleválasztó világkonferencián mutatták be [Berry, 2001].) Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1100

11 Az impulzusüzemű táplálás vizsgálata közben felismerték a meredekhomlokú impulzusok gázbontó hatását és az ESP szerepét a DeNOx, DeSOx folyamatokban (kén- ill. nitrogénoxid-mentesítés). Olyan újítások jelentek meg, mint a kétfokozatú porleválasztó, a bevezetőben már említett agglomerátor, vagy a skew gas flow technológia (a belépő gáz sebességének iránya nem párhuzamos a leválasztó utcájával). A látványos fejlődés ellenére még mindig akadnak olyan nem várt jelenségek, nehezen magyarázható tapasztalatok, amelyek az ESP berendezésekben lejátszódó folyamatok alaposabb megismerését igénylik. A nyolcvanas évek lején klasszikus példa volt erre, hogy két teljesen azonos konstrukciójú, ugyanúgy működtetett ESP berendezés esetenként drasztikusan eltérő porleválasztási hatékonyságot produkált (pl. egyikük 70, míg másikuk 99%-ot) ben Oglesby professzor Montrey-ben az iménti jelenséget - a racionális magyarázatokból kifogyva - azzal indokolta, hogy az egyik berendezésben gonosz manó (vagy szörnyecske: gremlin) üldögél, és a leválasztási fok lerontásán mesterkedik. A kutatások előrehaladtával, amelyet a mérés- és számítástechnika fejlődése gyorsított, kiderült, hogy a porleválasztókban több gonosz manó is tanyát ütött. Sokukat sikerült is fülön csípni (például ellenkorona és másodlagos áramlás manókat), de akadnak még néhányan, akik rejtőzködve garázdálkodnak. Tetten érésükhöz szükség van az ESP működésének alapos ismeretére Az ESP működésének alapgondolata Az elektrosztatikus porleválasztás alapgondolata igen egyszerű. Lássuk el az áramló közeg által szállított szennyezőanyag-szemcséket töltéssel és helyezzünk el az áramlásban egy vagy több földelt elektródot úgy, hogy a töltött szemcséket a rájuk ható Coulomb erő a földelt elektród felé hajtva kiragadja a gázáramból. A gyakorlatban ezt legtöbbször úgy valósítják meg, hogy a szennyezett gázt párhuzamos lemezek között vezetik el, ekkor beszélünk utcás porleválasztóról. Egy utca két lemez között található, és az utca közepén nagyfeszültségre kapcsolt elektródsor helyezkedik el. Az elektródok felületén a nagy villamos térerősség hatására koronakisülés jön létre, ami a szemcsékre rakódó töltéshordozók keletkezéséért felelős (2.1. ábra). A leválasztott szemcsék a földelt gyűjtőelektródokon töltésüket elvesztik, összetapadnak, és az így felhalmozódó porréteget valamilyen mechanikus módszerrel, pl. kopogtatással távolítják el a gyűjtőelektródról. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1111

12 2.1. ábra: az ESP működésének szemléltetése Léteznek más elrendezésű porleválasztók is, mint amilyen például a hengeres típus. Ennél a földelt hengerpalást gyűjti össze a szennyező anyagot és a nagyfeszültségű huzalelektród a henger tengelyvonalában helyezkedik el. A porleválasztás folyamatának tehát három főszereplője van. Az első maga a leválasztandó szennyeződés, a rá jellemző szemcsemérettel (d p ), relatív permittivitással (ε r ), vezetőképességgel (ρ el ). Ez lehet por (többnyire ezt fogom példának használni a továbbiakban), de lehet pernye, füst, vagy köd is. A második szereplő az áramló közeg, adott viszkozitással (µ F ), belépési sebességgel (v), hőmérséklettel (T), páratartalommal (η). A harmadik pedig a villamos erőtér, amely nem csak az elektródok által létrehozott, ún. külső erőtérből áll, hanem a koronakisülés miatt keletkező ionok és a töltött porszemcsék alkotta tértöltés hatását is magában foglalja. (A villamos erőteret jellemző E térerősség meghatározásánál tehát figyelembe kell venni a j ionáram által szállított töltések és a pormozgás által szállított töltések hatását is.) Igazság szerint van egy negyedik szereplő is, ez pedig a gravitáció. Az esési sebesség számítása alapján azonban kimutatható, hogy a gravitáció hatása néhány mikron átmérőjű vagy annál kisebb szemcsék esetén elhanyagolható. (Nagyobb szemcséknél viszont már figyelembe kell venni.) [Suda, 1997]. A porleválasztás folyamatát a szereplők közötti kölcsönhatások szabják meg. Így az áramló közeg és a leválasztandó por közötti kölcsönhatás eredménye a por diffúziója és diszperziója; a villamos erőtér és a por kölcsönhatása okozza a szemcsék feltöltődését; a villamos erőtér - áramló közeg kölcsönhatás pedig az elektrohidrodinamikus áramlási teret alakítja ki. Utóbbiba a villamos szél jól ismert jelensége is beletartozik. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1122

13 A por és a villamos erőtér kölcsönhatáshoz sorolható az ellenkorona jelensége is, amelyet a későbbiekben részletesen kifejtek. Az előbbi kölcsönhatások együttesen határozzák meg a por mozgását, a porleválást és a porvisszalépést, ezeken keresztül pedig a leválasztási fokot. A fentieket a 2.2. ábra szemlélteti. POR d p, ε r, ρ el Szemcsetöltődés VILLAMOS ERŐTÉR j, E Elektrosztatikus porleválasztás EHD Áramlási tér Pordiffúzió, diszperzió ÁRAMLÓ KÖZEG v, η, µ F, T Riehle 2.2. ábra: az elektrosztatikus porleválasztás szereplői Az első ESP berendezésekben az alkalmazott tápfeszültség nagy egyenfeszültség volt, az elektrosztatikus név erre vezethető vissza. Használata azonban még ma, az impulzusüzemű táplálás korában is indokolt, annak ellenére, hogy a porleválasztó berendezésekben töltésmozgás van. Az ipari elektrosztatika ugyanis, mint tudományág, nem csupán a nyugvó töltések erőterével foglalkozik, hanem minden olyan esettel is, ahol a jelenségeket a villamos töltések nagysága és térbeli elhelyezkedése idézi elő (és nem az általuk létrehozott áram) [Berta, 1987]. A működéssel kapcsolatban már itt érdemes megjegyezni azt, hogy a leválasztás nem elsősorban a koronázó elektród és a földelt ellenelektród közötti térerősségnek köszönhető. Kísérletekkel és számításokkal igazolható ugyanis, hogy a leválasztásban a keletkező portértöltés játszik elsődleges szerepet [Berta, 1987]. Ez a portértöltés azonban csak a földelt ellenelektródok közelében tud megfelelő nagyságú térerősséget létrehozni ahhoz, hogy a porszemcsék a gázáramlásból kiváljanak, és az ellenelektródokra tapadjanak. A turbulens áramlásnak köszönhetően azonban mindig lesz olyan portömeg, amely az ellenelektródokhoz kellőképpen közel kerül. Ezt a tényt használja ki az impulzusüzemű táplálás. Az ipari gyakorlatban többnyire nagy egyenfeszültségre szuperponált impulzusokat alkalmaznak, ilyenkor a koronaelektródokon csak az impulzusok idején lép fel koronakisülés. Ennél a táplálási módnál az állandó egyenfeszültségű táplálási teljesítmény Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1133

14 60%-a közelében jelentős porkibocsátás-csökkenés volt tapasztalható a 100%-os esethez képest [Berta, 1987]. Ennek oka az, hogy az impulzusmentes időszak alatt (amikor a villamos szél - ld. később - is megszűnik) a keletkezett töltéshordozók lassabban mozognak a koronaidoszakhoz viszonyítva, így jobban megtapadhatnak a szemcsék felületén. Mivel egyúttal az ellenelektródot közvetlenül elérő, tehát kárba vesző töltéshordozók száma is csökken, a leválasztás villamos hatásfoka is javul. Ezzel magyarázható továbbá az is, hogy a leválasztási foka akkor is jobb lesz, ha az utcaszélességet bizonyos határok között megnöveljük. Az előbbi felismerések eredménye a többfokozatú porleválasztó is, amelynek első felében a portömeg feltöltése zajlik, míg második felében a porleválasztás folyamata játszódik le. A továbbiakban vizsgáljuk meg részletesebben az egyes kölcsönhatásokat, illetve jelenségeket! 2.3. Koronakisülés A porszemcsék feltöltéséhez szükséges töltéseket az elektrosztatikus leválasztókban koronakisülés segítségével állítják elő. Attól függően, hogy a koronázó elektród a földelt ellenelektródnál kisebb vagy nagyobb potenciálú, negatív ill. pozitív koronakisülésről beszélünk. Mindét eset közös jellemzője, hogy a kis görbületi sugarú koronázó elektródok közelében létrejövő, erősen inhomogén villamos erőtér hatására részletörés keletkezik, ennek következtében töltéshordozók jelennek meg a leválasztó térben. Pozitív korona esetén a koronázó elektród környezetében lévő ún. startelektronok a villamos erőtér hatására az elektród felé indulnak, egyre növekvő sebességgel. Bizonyos távolság megtétele után ütköznek a levegőben található molekulákkal és kinetikus energiájuktól függően azokról lepattannak, vagy azokat gerjesztik, illetve adott energiaszint felett ionozzák. Az ionozáskor leszakított elektronokat szintén gyorsítja a villamos erőtér és ezek újabb ütközések révén további elektronokat szakíthatnak le, ezáltal pozitív ionokat hagyva hátra. Az elektronok hamar elérik a koronázó elektródot, míg az ellenelektród felé mozgó, nagyobb tömegük miatt lomhább pozitív ionok egy olyan tértöltéses zónát hoznak létre, amely jelentősen csökkentheti a villamos térerősséget a koronázó elektród közelében, és ezzel akadályozza magát a koronakisülést is. A folyamatot és a keletkező töltések számának (N+) változását az elektródtól mért távolság (X) függvényében a 2.3. ábra szemlélteti. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1144

15 N+ X 2.3. ábra: pozitív koronakisülés A koronakisülés kialakulásának folyamata negatív korona esetén az iméntitől eltérő. A koronázó elektródokból a térerősség hatására elektronok lépnek ki, amelyek az ismert mechanizmus révén ionozzák az útjukba eső csatornát. A keletkező elektronlavinák sebessége a koronázó elektródtól távolodva egyre inkább csökken, míg végül fejlődésük megáll. Az ellenelektród felé haladó elektronok egy része ezt követően a levegő molekuláival negatív ionokat hoz létre. Ezek az ionok a maradék elektronokkal együtt azok a töltéshordozók, amelyek a nem atomi méretű részecskék felületére jutva azokat töltéssel látják el. Az ellenelektródot viszonylag kis számban érik el a molekulák által vagy a részecskék felszínén meg nem kötött elektronok. A koronázó elektród közelében pozitív töltések maradnak vissza, amelyek a negatív potenciálú elektród felé haladnak. Tömegük ugyan nagy, de a nagy térerősség miatt viszonylag gyorsan mozognak, és rövid idő alatt elérik a koronázó elektródot. Ennek eredményeképpen érvényre jut a negatív tértöltés erőtércsökkentő hatása, ami gátolja a koronajelenséget. Ahhoz, hogy a negatív töltés eltávolodjon a koronázó elektródtól, időre van szükség, ami alatt az elektronlavinák képződése szünetel. Ezzel magyarázható, hogy a koronajelenség egyenfeszültség esetén is impulzus-szerűen jön létre mindaddig, amíg el nem érjük a folyamatos koronához szükséges (kellően nagy) kritikus feszültséget (ekkor ugyanis a térerősség hatására a negatív tértöltés megfelelő gyorsasággal távolodik a koronázó elektródtól). A folyamat vázlatát és az egy adott időpillanatban érvényes tértöltéseloszlást (N+ és N- a pozitív és negatív töltéshordozók száma az elektródtól mért X távolságban) a 2.4. ábra szemlélteti. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1155

16 N N N- X 2.4. ábra: negatív koronakisülés A koronakisülés kialakulása jól nyomon követhető, ha a koronaáramot a tápfeszültség függvényében ábrázoljuk (2.5. ábra). A kisebb feszültségek tartományában töltéshordozók csak külső ionozó hatások (pl. háttérsugárzás miatti fotoionozás) következtében keletkeznek, amelyek közül a villamos erőtér a növekvő feszültség (térerősség) hatására egyre többet tud elorozni a rekombináció elől, így a görbe első szakasza jó közelítéssel lineáris. Amikor az összes külső hatásra keletkezett töltéshordozó részt vesz az áramvezetésben, az áram elér egy telítési értéket, és nagysága a feszültség növekedésének ellenére állandósul. Tovább növelve a tápfeszültséget elérkezünk a kisülési tartományig, ahol az áram az ütközési ionozás megindulásának köszönhetően ismét növekedni kezd. I telítési tartomány kisülési tartomány ohmos jellegű tartomány U gy U 2.5. ábra: az emissziós áram feszültségfüggése A kisülési tartomány egy adott feszültségszint, a gyújtófeszültség felett kezdődik. Az ilyenkor kialakuló koronaáram sokkal nagyobb az előző két feszültségtartományban mérhető emissziós áramnál, hiszen itt már kialakulnak az ionozási folyamatok. Az U gy gyújtófeszültség elérése után meginduló koronakisüléskor mérhető áram az (1.1) egyenlet szerint változik Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1166

17 I = AU(U - U gy ), (1.1) mígnem a feszültség eléri az adott elrendezésre érvényes U üt átütési feszültségértéket, és a teljes elektródközt áthidaló kisülés jön létre. Az A állandó értéke függ az elektródelrendezéstől, a nyomástól, a hőmérséklettől és a leválasztó térben található gáz összetételétől. Az elektrosztatikus porleválasztókat természetesen az U gy - U üt közötti feszültségtartományban (lehetőleg U üt közelében, de még nagy biztonsággal alatta) igyekeznek működtetni, hisz a sorozatos átütés drasztikusan rontja a leválasztás hatékonyságát. Ezt a gyakorlatban úgy valósítják meg, hogy a feszültséget bizonyos időközönként átütésig növelik, majd visszaszabályozzák az átütési érték alá. A 2.6. ábra tanúsága szerint a pozitív és negatív koronakisülés gyújtó- és átütési feszültsége között jelentős különbség van, mégpedig U gy+ > U gy- és U üt+ < U üt-, vagyis a negatív koronakisülés a porleválasztás szempontjából kedvezőbb, hisz a leválasztó berendezés nagyobb feszültségtartományban, nagyobb koronaárammal működtethető. I U U U U gy- gy+ üt+ üt ábra: pozitív és negatív koronaáram adott elrendezésre U A gyakorlatban épp ezért a negatív koronakisüléssel működő porleválasztók terjedtek el. Meg kell azonban említeni, hogy a negatív koronakisülésnél az ózontermelés is fokozottabb, ezért az olyan ESP-k, amelyeket légszűrésre, pl. tisztaszobák légellátására használnak, pozitív koronakisüléssel üzemelnek, hogy az emberi szervezetre káros ózonból minél kevesebb kerüljön a belélegzendő levegőbe [Niu, 2001]. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1177

18 2.4. A porszemcsék töltődése Az elektrosztatikus leválasztó berendezések működésének szempontjából lényeges folyamat a szennyező szemcse töltődése, hiszen ez teszi lehetővé, hogy a töltött szennyeződésre ható erő a gázáramból kiragadja azt. (Itt meg kell jegyeznem, hogy amint azt a bevezetőben is említettem, az ESP berendezések segítségével nem csak port, hanem folyadékcseppeket is leválaszthatunk. Emellett azt is meg kell említenem, hogy a töltéssel nem rendelkező szemcsékre is hat az elektródok villamos erőteréből származó erő - gradiens erő [Masuda, 1995] - amit a későbbiekben részletezek.) Elvileg többféle lehetőség lenne a porszemcsék feltöltésére, hisz azt sokfajta folyamat eredményezheti [Horváth, 1984]. Jól ismert tény, hogy szilárd anyagok aprításakor, őrlésekor jelentős töltésszétválás jön létre csakúgy, mint a porok szállításakor, a csőfallal való érintkezés és elválás során. Ezen kívül a porrészecske feltöltődhet szilárd halmazállapotból való diszperzió, lángionizáció, termikus elektronemisszió vagy fotoelektromos emisszió által is. Folyadékok esetén a nagy hőmérsékletű elpárolgást valamint a porlasztást kell tipikus töltődési folyamatként megemlítenünk. Ha a porszemcsék vagy folyadékcseppek mérete 0,01 és 1 µm közötti, akkor füstről beszélünk. A füstök a már említett lángionizáció, termikus elektronemisszió vagy fotoelektromos emisszió útján töltődhetnek fel. A gyakorlati tapasztalat azonban azt mutatja, hogy az elektrosztatikus porleválasztó berendezésekben a leválasztandó por- vagy folyadékszemcsék koronakisülés segítségével tölthetők fel a leghatékonyabban, így a létező konstrukciókban ez a töltési mód terjedt el. A töltődést két különböző mechanizmus eredményezi, az ion- vagy tértöltődési és a diffúziós töltődési folyamat, illetve ezek kombinációja. Az ionizált tartományon áthaladó részecskék a villamos erőteret torzítják és az erővonalak közül bizonyos számú rajtuk halad keresztül. Mivel a töltéshordozók az erővonalak mentén mozognak, egy részük rugalmatlanul ütközik a porszemcsékkel és megtapad azok felületén. A szemcsék felületén megtapadt töltések a velük azonos előjelű töltéssel rendelkező többi töltéshordozóra taszítóerőt fejtenek ki (Coulomb erő) és csökkentik a töltődési folyamat intenzitását. Amikor a felületi töltések száma elér egy telítési értéket, a taszítóerőnek köszönhetően a töltéshordozók elkerülik a részecskét, a töltődési folyamat befejeződik. A töltődési folyamat számos paraméter függvénye. Ilyen a részecske alakja, mérete, sebessége, felületi vezetőképessége, a térerősség és egyéb paraméterek. A tapasztalat szerint a részecskék töltése általában gyorsan (a leválasztó térbe lépést követően rövid idő Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1188

19 múlva) eléri a telítési értéket. Ez a töltődési folyamat az 1-2 µm-nél nagyobb átmérőjű szemcsékre jellemző. (Az 1. fejezet után itt ismét felhívom rá a figyelmet, hogy a részecskék alakja változatos lehet, de a legtöbb elmélet gömb alakú részecskéket tételez fel, amelyeknek átmérőjét úgy határozzák meg, hogy ezek és a modellezett részecskék azonos esési sebességgel, telítési töltéssel, vagy más paraméterrel rendelkezzenek.) Érdemes megjegyeznünk, hogy a felületi töltéseloszlás a viszonylag kis fajlagos ellenállású szemcsék esetében másképp alakul ki, mint a szigetelő poroknál. Az előbbi esetben ugyanis a töltéshordozók a szemcse felületén viszonylag gyorsan mozoghatnak, így a végső töltésképet a felületi áramok alakítják ki. A nagy fajlagos ellenállású szemcséknél azonban a felületre érkező töltéshordozók nem tudnak könnyen elmozdulni, ezért a szemcsén egyenetlen töltéseloszlás jön létre. Ennek következtében a szemcsére forgatónyomaték hat, amely azt megperdíti, így a szemcse forogni kezd. Forgás közben újabb töltésmennyiség érkezik a felületre, amíg be nem áll a telítési állapot [Zevenhoven, 1999]. A néhány tized µm-nél kisebb átmérőjű részecskék esetén a diffúziós töltődés dominál. Itt a részecske feltöltődése a gázmolekulákkal időről-időre ütköző töltéshordozók szabálytalan termikus sajátmozgásától függ. A töltődés sebességét nagymértékben befolyásolja a töltéshordozók szabad úthossza, így közvetve az arra ható fizikai paraméterek (pl. a gáz hőmérséklete). A néhány mikron ill. tizedmikron közötti részecskeméret esetén a két töltődési folyamat együttesen játszódik le. A töltődési folyamatokat a 2.7. ábra szemlélteti. Ion- vagy tértöltődés Diffúziós töltődés - Szemcse Ion - Villamos erővonalak E - Ion - Szemcse - - Az ionok pályája 2.7. ábra: a porszemcsék töltődési módjai Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 1199

20 2.5. A szennyező szemcsék mozgása A leválasztást meghatározó kölcsönhatások együttesen szabják meg a szennyező szemcsék mozgását az ESP-n belül. A szemcsék mozgását előidéző erőhatások közül F g súlyerő meghatározása a legegyszerűbb, hisz az a részecske tömegének és a nehézségi gyorsulásnak a szorzata, értékét a jól ismert F g = m g összefüggés adja. Általában a néhány száz µm-nél nagyobb átmérőjű szemcsék tömege olyan nagy, hogy F g hatására azok a gázáramból külső villamos erőtér nélkül is kihullanak. (Ez az egyik oka annak, hogy a porleválasztó berendezések leválasztási foka a tápfeszültség kikapcsolásakor is viszonylag jó marad.) Ezek a durva szemcsék az ESP bemeneténél kialakított ülepítő térben gyűlnek össze. Más a helyzet a mikronos, szubmikronos részecskék mérettartományában. Itt a gravitációs erőkomponens jelentősen kisebb az áramlás illetve a villamos erőtér által előidézett erőnél, emiatt azt el is hanyagolják a számítások során. A villamos erőtér következtében létrejövő F E összetevő több erőhatás eredménye. Legalapvetőbb része a Coulomb erő amely a töltött részecskék és a villamos erőtér közötti kölcsönhatásnak köszönhető. A villamos erőtér azonban itt nem csak az elektródelrendezés erőterét jelenti, hanem a tértöltések erőterét is. Ez az erőtér pedig időben és térben egyaránt változik. A koronázó elektródok közelében a szemcséket pozitív és negatív ionok egyaránt bombázzák így a Coulomb erő jelentősen lecsökken. A porszemcsékre vagy folyadékcseppekre azonban egy másik erő is hat az ún. gradiens erő, amely itt válik meghatározóvá és a szemcséket a nagyobb térerősség felé hajtja. Dielektrikum esetén a polarizáció, vezető anyagú csepp esetén a megosztás miatt dipólus keletkezik. Inhomogén erőtérben a dipólusra ható erő a dipólusmomentummal és a térerősség gradiensével arányos [Budó, 1979], innen ered a gradiens erő kifejezés. Ennek következtében a leválasztandó szemcsék nem csupán a földelt ellenelektródokra rakódnak le, hanem a koronázó elektródokra is, így azokat időközönként szintén tisztítani kell. Ez azért is fontos, mert a koronázó elektródokra rakódó porréteg megnöveli a görbületi sugarat, ezáltal csökkenti a térerősséget és amennyiben vastagsága egy adott értéket meghalad, a koronajelenség meg is szűnik. A 2.8. ábra egy r KE = 0.5 mm sugarú, U = 20 kv-ra kapcsolt koronázó elektród közelében a különböző méretű, ε r = 10 relatív permittivitású szemcsékre ható gradiens erőt (F) ábrázolja az elektródtól mért r távolság függvényében (saját számítás a [Budó, 1979]-ben található összefüggés alapján). Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2200

21 2.8. ábra: a gradiens erő a koronaelektród tengelyétől r távolságban A koronakisülés következtében kialakuló, és az inhomogén villamos erőtér által felgyorsított ionok a gázmolekulákkal ütközve olyan légáramlatot hoznak létre, amely a koronázó elektródoktól a gyűjtőelektródok felé irányul. Ez az ún. villamos szél, amely főleg a csúcs-sík elrendezésű ESP berendezésekben módosítja jelentősen az áramlási viszonyokat. A porleválasztó belsejében turbulens gázáramlás alakul ki. A turbulens diffúzió jelentős hatást gyakorol a porszemcsék mozgására. A gázmolekulák sorozatosan ütköznek a porszemcsékkel, ezáltal befolyásolják azok sebességének nagyságát és irányát. Ebből fakad F v erőösszetevő, melynek pillanatértéke függ a gázjellemzőktől (pl. hőmérséklet, áramlási sebesség, stb.) valamint a helytől és az időtől. Az előbbi erőhatások eredőjeképpen a porszemcsék előrehaladásuk és az ellenelektród felé vándorlásuk közben nehezen leírható, véletlenszerű mozgásokat végeznek. Ezek a mozgások a leválasztó téren belüli koncentráció-eloszlás kiegyenlítése felé hatnak, így csak azok a porszemcsék válnak ki az áramlásból, amelyek belépnek az ellenelektród közelében lévő határrétegbe [Masuda, 1995]. Ott ugyanis a szemcsékre ható Coulomb erő a félutca közepén fellépőnek a többszöröse. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2211

22 2.6. Ellenkorona-kisülés Mielőtt rátérnék a poreltávolítás folyamatára, tekintsünk át egy lényeges jelenséget, az ellenkorona-kisülést, mert az a leválasztás hatékonysága és a poreltávolítás gyakorisága szempontjából döntő fontosságú. Nagyobb szigetelőképességű poroknál a szemcsék felületéről a töltések csak rendkívül lassan tudnak eltávozni az ellenelektród felé. Így előbbutóbb a felhalmozódó töltések helyenként akkora térerősséget hoznak létre, hogy átütik a porréteget. Az átütési pontok - első közelítésben - olyan tűelektródokként működnek, amelyek csúcsán koronakisülés jön létre, mégpedig a valódi koronázó elektródoknál lévő kisüléssel ellentétes előjelű. Ez a jelenség az ellenkorona-kisülés, amelynek hatására a porréteg töltésével ellentétes előjelű ionok jutnak a leválasztó térbe, rontva ezzel a leválasztási fokot. A leírtakat a 2.9. ábra illusztrálja ábra: ellenkorona kisülés Minthogy általában a porleválasztókban a koronázó elektródokra nagy negatív feszültséget kapcsolnak, az ellenkorona következtében pozitív töltések jelennek meg. A folyamat kezdetén kialakuló átütés jelentékeny mennyiségű port robbanthat vissza a leválasztó térbe. Az ellenkorona kisülés a tapasztalat szerint akkor indul meg, ha a porréteg fajlagos ellenállása legalább Ωm. Negatív koronázó elektródok esetén a különálló (porréteg-) átütési pontokból pozitív pamatos kisülés indul ki, amely könnyen átalakulhat a teljes leválasztó teret áthidaló átütéssé. Ezen kívül a porréteg nagy negatív felületi töltéssűrűsége miatt felületi terjedő kisülés is kialakulhat (surface streamer). Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2222

23 Nagyobb fajlagos ellenállás ( Ωm) esetén az átütési pontok száma annyira megnő, hogy az egész felületet beborító, parázsló (ún. general mode) ellenkorona-kisülés jön létre, ugyanakkor a pozitív pamatok eltűnnek. A jelenség rendkívül sok pozitív töltést juttat a leválasztó térbe, így erősen csökken a leválasztásban kulcsfontosságú negatív tértöltés, ezzel pedig jelentősen romlik a leválasztási fok. Pozitív koronázó elektródok esetén az ellenkorona kisülés negatív töltéshordozókat juttat a leválasztó térbe, de a porréteg felületén az előbb leírtakkal ellentétben nem különálló pontok, hanem parázsló foltok jelennek meg. [Masuda, 1995] Leválasztás és porvisszalépés Az ellenelektródok felületén felhalmozódó porréteget többféleképpen lehet eltávolítani. Az egyik módszer a lemezek rezegtetése vagy kopogtatása, amikor a porréteg elválik a gyűjtőelektródtól. A leválasztott por így visszajut ugyan a leválasztó térbe, de mivel a porszemcsék legnagyobb része más szemcsékkel összetapadt, együttes tömegük akkora, hogy a garatba hullanak. Egyes konstrukciókban a gyűjtőelektródok felületét vízsugárral mossák. Olyan alkalmazás is létezik, amikor az ESP-be vizet porlasztanak (erre még visszatérek, amikor a porok tulajdonságainak befolyásolásáról írok). Ilyenkor a finom, töltött porszemcsék a vízcseppekre rakódnak [Adamiak, 2001]. A poreltávolítás (kopogtatás) során azonban olyan porszemcsék is újra beléphetnek a gázáramba, amelyek nem tudnak megtapadni egy-egy szemcsegóc felületén, és így nem tudnak a garatba zuhanni, mert az áramlás magával sodorja azokat. Az ilyen szemcséket újra le kell választani, ami egy felesleges újratöltési folyamatot, vagyis hatásfokromlást jelent. Porvisszalépést idéz elő a gázáramlás miatt keletkező Bernoulli-erő is, amely a gyűjtőelektródon megtapadt porréteg tetejéről ragadja el a szemcséket. Fokozott porvisszalépést tapasztalunk a nagy vezetőképességű és a nagy fajlagos ellenállású porok esetében egyaránt. Az első esetben a leváló szemcsék túlságosan hamar veszítik el töltésüket, így nem tudnak kellő ideig a gyűjtőelektródon maradni, hogy ott a többi porszemmel összetapadjanak. Ráadásul a porszem az ellenelektródhoz érve - az eredetileg szállított és később leadott töltéssel ellentétes előjelű - töltésre tesz szert, és így az erőtér a szemcsét visszataszítja a poráramba. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2233

24 A második esetben a gyűjtőelektródon kialakuló, összefüggő szigetelő porréteg átütése visszarobbantja a szemcsék egy részét és megindul az ellenkorona. A poreltávolítás (többnyire kopogtatás) gyakoriságának megválasztásakor ezért arra törekednek, hogy a gyűjtőelektródokon felhalmozódó porréteg töltéssűrűsége ne haladja meg az ellenkoronakisülés kialakulásához szükséges küszöbértéket. Ez a porok anyagától függően más-más rétegvastagságot jelent. Az összetapadt porréteg töltése a gyűjtőelektródok kopogtatásakor azért is kellemetlen, mert a földelt elektród és a porréteg közötti nagy vonzóerő miatt a porrétegnek csak egy része szakad le, bizonyos hányada a fémlemezeken marad. Ezért az ionáram csökkentése érdekében közvetlenül a kopogtatás előtt és az alatt a tápfeszültséget kikapcsolják [Mauritzon, 2004]. Az előzőek már részben magyarázatot adnak arra, hogy a leválasztási fok a nagyon kicsi illetve a nagyon nagy fajlagos ellenállások tartományában erőteljes csökkenést mutat. Nem véletlen, hogy a leválasztandó por vezetőképességét igyekeznek az ideális tartományban, vagyis Ωm között tartani. Nagy szigetelőképességű szemcsék esetén például kéntrioxidot használnak, mert a porszemcsék felületén megkötött SO 3 vegyület javítja a szemcse vezetőképességét, ezáltal a leválasztási fokot is [Kim, 2001] PPCP, DeNOx, DeSOx folyamatok Az impulzusüzemű táplálással végzett kísérletek során a nanoszekundumos impulzusok hatására a koronakisülések olyan hidegplazmát hoztak létre, amely rendkívül érdekes tulajdonságokkal rendelkezik: az általa megindított kémiai folyamatok segítségével lehetővé válik bizonyos gázok bontása, OH, O, HO 2 gyökök előállítása. Ezeket a plazmafolyamatokat az angol Pulse-induced Plasma-Chemical Processes kifejezés alapján röviden PPCP néven emlegetik. A PPCP segítségével a porleválasztó nem csak a porszennyeződés leválasztására válik alkalmassá, hanem a gázban található káros vegyületek kezelésére is. Tipikus példa, hogy a koronaplazma által létrehozott gyökök hatására a kén-dioxid SO 3 vagy H 2 SO 4 gőzzé alakul, amely megköthető a porleválasztón áthaladó szemcsék felületén, így azok leválaszthatóvá válnak. Hasonlóképpen a nitrogénoxidok is eltávolíthatók a tisztítandó gázból. A kén- és nitrogénoxidok eltávolítását biztosító folyamatokat összefoglaló néven DeNOx-DeSOx folyamatokként használja a szakirodalom. A meredekhomlokú impulzusok gázbontó hatását több magyar kutató is vizsgálja, egy japán kutatóintézettel kialakított együttműködés keretében. A vizsgálatok eredményei azt Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2244

25 mutatják, hogy a szennyezett gázban előforduló káros anyagok nagy hatékonysággal olyan vegyületekre bonthatók, amelyek nem, vagy kevésbé toxikusak [Nifuku, 1997]. A PPCP vizsgálata és alkalmazása igen széles körben folyik. Csak néhány példa: a szagkibocsátás szabályozása, a kipufogó gázok (elsősorban dízel motorok) NOx, SOx mentesítése, az illékony szerves vegyületek kibocsátásának szabályozása, biogáz kondicionálás [Yan, 2001]. Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2255

26 3. ESP MODELLEZÉS Tekintettel arra, hogy a porleválasztóban zajló folyamatok nagyon összetettek és egymással szoros kölcsönhatásban vannak, fizikai-matematikai leírásuk rendkívül nehéz feladat. A porleválasztás mértékét napjainkban többnyire modulokból álló modellek segítségével határozzák meg. Egy-egy modul egy adott részfolyamatra alkotott fizikai, matematikai összefüggést takar, a modulok közötti kapcsolatot pedig a folyamatok kölcsönhatása határozza meg. A részfolyamatok három nagy csoportja a porszemcsék töltéséhez, mozgatásához és leválasztásához kötődik. A továbbiakban elsősorban az utcás porleválasztók leírására alkotott modelleket tekintem át. Mivel ezek legtöbbje jól ismert, a korlátozott terjedelem miatt csak a leglényegesebb tudnivalókat közlöm. Mielőtt azonban rátérnék a modulrendszerű modellek bemutatására, egy egyszerű, régóta használt számítási eljárásról kell beszélnem, amely úttörő szerepet töltött be a leválasztó berendezések kvantitatív vizsgálatában A Deutch modell A létező porleválasztó modellek közül az egyik legrégibb és talán legismertebb, a leválasztási fok (η) számítására alkalmas Deutch modell (Deutch-Anderson egyenlet) [White, 1963; Storch, 1977]. A (3.1) egyenletben szereplő kifejezések közül w a részecske villamos térerősség hatására kialakuló sodródási sebessége, L a leválasztó hossza (a porleválasztó hossztengelye mentén), h a koronázó és a gyűjtőelektródok közötti távolság (félutcaszélesség), míg v a gázáram sebességét jelöli. A sodródási sebesség (3.2) szerint határozható meg, ahol q és r a szemcsék töltése illetve sugara, E a villamos térerősség a porszemcsék tartózkodási helyén, µ az áramló közeg viszkozitása, C pedig a Cunnigham féle korrekciós együttható [Oglesby, 1978]. Ezen egyszerű modell gyenge pontja, hogy a porleválasztó utcájában adott, a gázáramlás irányára merőleges keresztmetszetben egyenletes por- illetve töltéskoncentráció-eloszlást tételez fel (teljes keveredés, turbulencia, amit jól szemléltet a 3.1. ábra, amelyet [Feldman, 1996] alapján készítettem), ami a gyakorlatban általában nem teljesül. Ennek ellenére a Deutch modellt egyszerűsége miatt ma is széles körben használják. wl η = 1 e hν (3.1) qec w = (3.2) 6πµ r Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2266

27 3.1. ábra: A teljes keveredésű és a lamináris áramlási modell szemléltetése 3.2. Összetett leválasztó modellek A villamos térerősség meghatározása A legtöbb elektrosztatikus leválasztó modell célja tehát a leválasztás fokának meghatározása. Ennek érdekében általában igyekeznek a leválasztó belsejében áramló por útját követni és megadni, hogy a porból mennyi éri el a gyűjtőelektródot és mennyi lép ki a leválasztó berendezésből. Ehhez a gázáramlás sebességeloszlása mellett elsősorban a szemcsék w sodródási sebességét kell ismerni a leválasztó egyes pontjaiban. A modellek nagy része felhasználja a (3.2) összefüggést, vagy annak valamilyen módosított változatát, de ilyenkor a képletben szereplő E térerősség és q telítési töltés nem állandó érték, hanem a leválasztó belsejében a hely függvényében változik. Így minden modellben központi szerepet kap ennek a két mennyiségnek a meghatározása. Az ESP félutcájának bármely pontján az E térerősségvektor három összetevőből áll: E = E g + E p + E i. (3.3) Itt a g index az elektródelrendezés geometriájától és az alkalmazott tápfeszültségtől függő összetevőt jelöli, p index azonosítja a portértöltésből származó komponenst i Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2277

28 index pedig az iontértöltésből adódó összetevőt. Ha ρ por a töltött por, ρ ion pedig az ionok töltéssűrűségét jelöli, akkor az egyes térerősség-összetevőkre egy ε permittivitású közegben (a félutca belsejében) az alábbi egyenleteket írhatjuk fel: dive g = 0 (3.4) dive p = ρ por /ε (3.5) dive i = ρ ion /ε (3.6) A három egyenlet összevonva, és a töltésáramlás j áramsűrűségére érvényes kifejezéseket [Egli, 1997] felhasználva, az alábbi egyenletrendszert nyerjük: dive = (ρ ion +ρ por )/ε, j=ρ ion µ E + ρ por v por, divj = 0, E = -gradϕ, (3.7) ahol µ az ionmozgékonyság, v por a porszemcsék sebessége, ϕ a villamos potenciál. Az egyenletrendszer megoldásához azonban szükség van a peremfeltételekre. Ez a potenciál esetében egyszerűen megadható, hiszen, a gyűjtőelektród földelt (ϕ=0), a koronázó elektródok feszültsége pedig ismert (ϕ=-u). A koronakisülés következtében keletkezett és az erőtér hatására áramló töltések áramsűrűségnek meghatározásához azonban a koronakisülés alaposabb, számszerű leírása szükséges Koronamodellek Ahhoz, hogy a porleválasztóban jelenlévő iontértöltést meghatározzuk, olyan modellre van szükségünk, amely adott koronázó elektród esetén adott feszültség mellett megadja a keletkező töltéshordozók mennyiségét. Maga a korona nem egyértelmű fogalom, az erősen inhomogén erőtérben létrejövő pamatos és csatornakisülésre egyaránt alkalmazzák ezt a megnevezést. A folyamatot bevezető elektronlavina leírása Towsend nevéhez fűződik, azonban az általa megalkotott egyenlet (3.8) homogén erőtérre vonatkozik [Horváth, 1986]: n( x ) αx = n0e. (3.8) A fenti egyenletben n 0 az elektronok száma a kiindulási x=0 koordinátájú pontban, x a kiindulási ponttól mért távolság, α az ionozás foka (egy elektron egységnyi hosszúságú út alatt hány darab ionozást idéz elő) n(x) pedig az elektronok száma az x koordinátájú helyen. Inhomogén erőtérben a helyzet bonyolultabb, mert α nem állandó érték, hanem a hely függvényében változik, így (3.8) az alábbi képlet szerint módosul: Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2288

29 x e 0 n( x ) = n 0 x αdx (3.9) Ezt veszi figyelembe [Gallimberti, 1997] is, amikor a korona által létrehozott töltésmennyiséget számítja. A számítások során azonban α helyébe (3.9)-ben α γ kifejezést helyettesít, ahol γ paraméterrel a megkötődő elektronokat veszi figyelembe. Modellje szerint a nagyfeszültségű elektródot adott sugarú koronatartomány veszi körül, amelyben a töltéshordozók száma a (3.9) összefüggés szerint növekszik. A tartomány határát elhagyva az elektronok lelassulnak, és a térerősségnek megfelelően sodródnak a gyűjtőelektród felé. Megad továbbá egy számítási eljárást arra az esetre is, amikor a koronázó elektród felületéről csatornakisülés indul meg. A legtöbb porleválasztó modellben azonban a koronakisülés következtében keletkező töltésmennyiséget nem a fenti módon számítják, hanem az adott elektródelrendezésre érvényes feszültség-áram karakterisztikát igyekeznek közelíteni. Ehhez a Peek-törvényt alkalmazzák [Peek, 1929]. Először az elektród felületén fellépő, a kisülés megindulásához szükséges E kr kritikus térerősség értéket határozzák meg. A sima, hengeres elektródokra érvényes (3.10) összefüggésben ρ g a gáz (levegő) p 0 nyomású, T 0 hőmérsékletre vonatkoztatott relatív sűrűségét jelöli (ρ g = ρ g (p,t)/ρ g (p 0,T 0 ) ), r KE pedig a koronázó elektród sugarát. (Megjegyzem, hogy bár a szakirodalom széles körben használja a (3.10) képletet, az ebben a formában, B dimenziója miatt, nem szerencsés.) E kr ρ g = Aρ g + B, A = 3, V/m, B = V/ m (3.10) r KE Ha hengerszimmetrikus lenne az erőtér és a földelt ellenelektród r 0 sugarú henger volna, akkor a korona létrejöttéhez szükséges U kr tápfeszültség a (3.11) szerint lenne kifejezhető. U kr felhasználásával kiszámítható a koronázó elektród egységnyi hosszúságú szakaszából az U > U kr feszültség hatására kilépő áram I erőssége (3.12). Az utóbbi képletben µ i az ionok mozgékonyságát jelöli. U kr r0 = Ekr rke ln (3.11) r KE 8 πε 0µ i I = r0 rke ln r KE U(U U kr ) (3.12) Dookkttoorri i ((PPhh..D.)) éérrtteekkeezzééss 2299