電気集塵機

電気集塵機（ESP ）は、誘導された静電気の力を利用して、ユニットを通るガスの流れを最小限に妨げる、流れるガスからほこりや煙などの微粒子を除去するフィルターレス装置です。 ^[1]

流れる流体媒体に直接エネルギーを適用する湿式スクラバーとは対照的に、ESP は収集される粒子状物質にのみエネルギーを適用するため、エネルギー（電気の形で）の消費が非常に効率的です。^[要出典]

コロナ放電をエアロゾルから粒子を除去するために初めて使用したのは、1824年にホルフェルトでした。 ^[2]しかし、それが商業化されたのはほぼ1世紀後のことでした。

1907年、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授フレデリック・ガードナー・コトレルは、粒子を帯電させて静電気で引き寄せて集める装置、つまり最初の静電集塵機の特許を申請した。コトレルは最初にこの装置を、さまざまな酸製造や製錬活動から排出される硫酸ミストと酸化鉛の煙の収集に応用した。^[3]北カリフォルニアのワイン生産ブドウ園は鉛の排出によって悪影響を受けていた。^[要出典]

コットレルの発明当時は、動作の理論的根拠は理解されていませんでした。動作理論は後にドイツでウォルター・ドイチュの研究とルルギ社の設立によって発展しました。^[4]

コットレルは、1912 年にリサーチ コーポレーションという財団を設立し、その特許を譲渡して、発明による収益を科学研究の資金に充てました。この組織の目的は、教育者 (コットレルなど) の発明を商業の世界に持ち込み、社会全体の利益を図ることでした。リサーチ コーポレーションの運営資金は、商業化後に営利企業から支払われるロイヤリティによって賄われています。リサーチ コーポレーションは、ゴダードのロケット実験、ローレンスのサイクロトロン、ビタミン AとB ₁の製造方法など、数多くの科学プロジェクトに不可欠な資金を提供してきました。

リサーチ社は、この技術の製造業者のために、ウエスタン・プレシピテーション（ロサンゼルス）、ロッジ・コットレル（イギリス）、ルルギ・アッパラテバウ・ゲゼルシャフト（ドイツ）、ジャパニーズ・コットレル社（日本）を含む地域を設定し、プロセス改善のための情報センターとなっていた。しかし、反トラスト法の懸念から、リサーチ社は1946年に地域制限を撤廃せざるを得なかった。^[5]

電気泳動とは、直流の静電場におけるガス中に浮遊する荷電粒子の移動を指す用語です。従来のCRTテレビでは、この現象により画面にほこりがたまる傾向があります (CRT は約 15 キロボルトで動作する直流機器です)。

集塵装置には主に 2 つの種類があります。

• 高電圧、シングルステージ - シングルステージ集塵装置は、イオン化と収集ステップを組み合わせたものです。これらは一般にコットレル集塵装置と呼ばれます。
• 低電圧、2 段階 - 2 段階集塵装置は同様の原理を使用しますが、イオン化セクションの後に収集プレートが続きます。

以下では、鉱物処理作業で広く使用されている高電圧の単段式集塵装置について説明します。低電圧の二段式集塵装置は、一般的に空調システムの濾過に使用されます。

設置されている電気集塵機の大部分はプレート型です。粒子は、2 つの隣接するプレートの中心線に沿って間隔をあけて配置された一連の放電電極によって、8 ～ 12 インチ (20 ～ 30 cm) 離れた平らで平行な表面に集められます。汚染されたガスはプレート間の通路を通過し、粒子は帯電して収集プレートに付着します。集められた粒子は通常、プレートを叩くことによって除去され、集塵機の底部にある容器またはホッパーに集められます。

最も基本的な集塵装置には、細い垂直ワイヤの列と、それに続く垂直方向に配置された大きな平らな金属板のスタックが含まれます。プレート間の間隔は通常、用途に応じて約 1 cm ～ 18 cm です。空気流はワイヤ間のスペースを水平に流れ、次にプレートのスタックを通過します。

数千ボルトの負電圧がワイヤとプレートの間に印加されます。印加電圧が十分に高い場合、コロナ放電によって電極の周囲の空気がイオン化され、空気流内の粒子がイオン化されます。

イオン化された粒子は、静電気力により、接地されたプレートの方向に逸らされます。粒子は収集プレート上に蓄積され、空気流から除去されます。

2段階設計（収集セクションの前に別の充電セクションがある）には、密閉された空間で作業する人の健康に悪影響を与えるオゾン生成を最小限に抑えるという利点があります。^[6]ギアボックスがオイルミストを生成する船の機関室では、2段階ESPを使用して空気を浄化し、動作環境を改善し、可燃性のオイルミストの蓄積を防ぎます。収集されたオイルはギア潤滑システムに戻されます。^[7]

管状集塵機は、円筒状の集塵電極と、円筒の軸上に設置された放電電極で構成されています。汚染されたガスは放電電極の周りを流れ、円筒の内部を通って上昇します。帯電粒子は、円筒の接地された壁に集められます。集められた塵は、円筒の底から除去されます。

管状集塵機は、ミストや霧の収集、または粘着性、粘着性、放射性、または極めて有毒な物質の収集によく使用されます。

すべての電気集塵機の 4 つの主要コンポーネントは次のとおりです。

• 高電圧DC電源を供給する電源ユニット
• イオン化セクション、ガス流中の粒子に電荷を与える
• 集められた微粒子を除去する手段
• 集塵ゾーンを囲むハウジング

電極に集められた物質は、集塵電極を連続的にまたは所定の間隔で叩いたり振動させたりすることで除去されます。集塵装置の清掃は、通常、空気の流れを中断することなく行うことができます。

電気集塵機の効率に影響を与える要因は次のとおりです。

• 収集表面積が大きくなり、ガス流量が低くなると、電気活動によって塵粒子を処理する時間が長くなるため、効率が向上します。
• 集塵電極へのダスト粒子の移動速度が増加すると、効率が向上します。移動速度は、次の方法で増加できます。
  • ガス粘度を下げる
  • ガス温度の上昇
  • 電圧場の増加

集塵機の性能は、2 つの粒子特性、1) 電気抵抗率、および 2)粒度分布に非常に左右されます。これらの特性は、標準テストを使用して、実験室で経済的かつ正確に測定できます。抵抗率は、IEEE 標準 548 に従って温度の関数として決定できます。このテストは、指定された水分濃度を含む空気環境で実施されます。テストは、上昇温度または下降温度、あるいはその両方の関数として実行されます。データは、平均灰層^{[詳細な説明が必要]}の 4 kV/cm の電界を使用して取得されます。比較的低い印加電圧が使用され、テスト環境には硫酸蒸気が存在しないため、得られた値は最大の灰抵抗率を示します。

粒子の充電と放電が重要な機能である ESP では、抵抗率は収集効率に大きく影響する重要な要素です。抵抗率は、ほとんどの粒子の充電が発生する電極間領域では重要な現象ですが、放電が発生する収集電極のダスト層に特に重要な影響を及ぼします。抵抗率の高い粒子は充電されにくいですが、いったん充電されると、収集電極に到着しても獲得した電荷を簡単には放出しません。一方、抵抗率の低い粒子は簡単に充電され、接地された収集プレートに電荷を簡単に放出します。抵抗率が両極端になると、ESP の効率的な機能が妨げられます。ESP は、通常の抵抗率の条件下で最もよく機能します。

電界内の粒子の特性である抵抗率は、電荷の移動（電荷の受け取りと放出の両方）に対する粒子の抵抗の尺度です。抵抗率は、粒子の化学組成と、温度や湿度などの排気ガスの動作条件の関数です。粒子の抵抗率は、高、中（標準）、低のいずれかになります。

体積抵抗率は、オームの法則のより一般的なバージョンを使用して定義され、以下の式（1）で示されます。

ここで、
  E は電界強度です。単位: (V/cm)、
  j は電流密度です。単位: (A/cm 2 )、
  ρは抵抗率です。単位: (オーム-cm)

これを表すより良い方法は、以下の式（ 2） に示すように、印加電圧と電流の関数として抵抗率を解くことです。

どこ：
 ρ = 抵抗率。単位:-(オーム-cm)
 V = 印加された DC 電位。単位: (ボルト)
 I = 測定された電流。単位: (アンペア)
 l = 灰層の厚さ。単位:-(cm);
 A = 電流測定電極の面積。単位: (cm 2 )。

^{抵抗率は、断面積 1.0 cm 2} 、厚さ 1.0 cm のダスト サンプルの電気抵抗であり、オーム-cm 単位で記録されます。この記事では、抵抗率の測定方法について説明します。下の表は、低抵抗率、通常抵抗率、高抵抗率の値の範囲を示しています。

抵抗は、負に帯電した粒子がダスト層の表面に到達し、その電荷を収集プレートに漏らすと、層全体に電位電界（電圧降下）が形成されるため、ダスト層の電気的状態に影響を及ぼします。電気的に接地された収集プレートの金属表面では電圧はゼロですが、新しい粒子とイオンが到着するダスト層の外面では、ガスイオンによって生じる静電電圧が非常に高くなることがあります。この電界の強さは、ダスト層の抵抗と厚さによって異なります。

高抵抗のダスト層では、ダストの導電性が不十分なため、電荷がダスト層を移動しにくくなります。その結果、電荷がダスト層の表面上および表面下に蓄積され、強い電界が形成されます。

電圧は 10,000 ボルトを超える場合があります。抵抗の高い塵粒子はプレートに強く付着するため、除去が困難になり、捕捉の問題が発生します。

抵抗の低いダスト層では、コロナ電流は接地された集塵電極に容易に流れます。そのため、数千ボルトの比較的弱い電界がダスト層全体に維持されます。抵抗の低い集塵されたダスト粒子は、集塵プレートに十分に強く付着しません。簡単に剥がれ落ち、ガス流に留まります。

粒子のバルク層の電気伝導性は、表面積と体積の両方の要因に依存します。体積伝導、つまり粒子内部を通る電荷の動きは、主に粒子の組成と温度に依存します。500 °F (260 °C) を超える高温領域では、体積伝導が伝導メカニズムを制御します。体積伝導には、粒子層の圧縮、粒子のサイズと形状、表面特性などの補助的な要因も関係します。

体積伝導は、図では 500 °F (260 °C) を超える温度では直線として表されます。約 450 °F (230 °C) 未満の温度では、電荷が表面の水分と粒子に吸着された化学膜を流れ始めます。表面伝導により、500 °F (260 °C) 未満の温度で抵抗値が下がり始め、曲線が下向きに曲がります。

これらの膜は、通常、吸着現象により、粒子の内部とは物理的にも化学的にも異なります。理論計算によると、数分子の厚さの水分膜で、望ましい表面導電性が得られます。粒子の表面伝導は、電気絶縁体で発生する表面漏れ電流と密接に関連しており、広く研究されています。^[8]表面漏れの興味深い実用的応用は、ガラス表面に取り付けられた隣接する電極間の電流を測定することで露点を決定することです。電流の急激な上昇は、ガラス上に水分膜が形成されていることを示します。この方法は、少量の硫酸蒸気を大気に加えたときに発生する露点の顕著な上昇を決定するために効果的に使用されています (市販の露点計が市販されています)。

以下の通常、高、低抵抗に関する説明は、乾燥状態で動作する ESP に適用されます。湿式 ESP の動作では、ESP 内の水分濃度により抵抗は問題になりません。水分含有量と抵抗の関係については、この研究の後半で説明します。

前述のように、ESP は標準抵抗条件下で最もよく機能します。標準抵抗の粒子は、収集電極に到着しても急速に電荷を失うことはありません。これらの粒子はゆっくりと電荷を接地プレートに漏らし、分子間の接着力と凝集力によって収集プレート上に保持されます。これにより、粒子層が形成され、その後、叩くことでプレートから取り除かれます。標準ダスト抵抗の範囲 (10 ⁷～ 2 × 10 ¹⁰オーム cm) では、フライアッシュは低抵抗または高抵抗のダストよりも簡単に収集されます。

ダスト層での電圧降下が大きくなりすぎると、いくつかの悪影響が生じる可能性があります。まず、電圧降下が大きいと放電電極と集塵電極間の電圧差が小さくなり、ガスイオンで帯電した粒子を集塵層まで移動させるために使用される静電場の強度が低下します。ダスト層が厚くなり、ダスト層の表面に電荷が蓄積されると、放電電極と集塵電極間の電圧差が減少します。小さな粒子の移動速度は、電界強度の低下によって特に影響を受けます。

抵抗率の高いダスト層で発生するもう 1 つの問題は、バック コロナと呼ばれるものです。これは、ダスト層全体の電位降下が非常に大きいために、ダスト層内に閉じ込められたガスにコロナ放電が発生し始める場合に発生します。ダスト層は電気的に分解し、小さな穴またはクレーターを形成し、そこからバック コロナ放電が発生します。ダスト層内で正のガス イオンが生成され、「負に帯電した」放電電極に向かって加速されます。正イオンはダスト層の負電荷の一部を減らし、収集電極に向かう「帯電粒子」の負イオンの一部を中和します。通常のコロナ プロセスが中断されると、ESP の収集効率が大幅に低下し、深刻な場合には 50% 未満に低下することがあります。バック コロナが発生すると、ダスト粒子が電極上に蓄積して絶縁層を形成します。多くの場合、ユニットをオフラインにしないと修復できません。

3 番目で、一般的に高抵抗の粉塵で最も一般的な問題は、電気火花の増加です。火花率が「設定された火花率制限」を超えると、自動コントローラがフィールドの動作電圧を制限します。これにより、粒子の帯電が減少し、収集電極への移動速度が低下します。高抵抗は、通常、次の操作を行うことで軽減できます。

• 温度を調整する;
• 水分含有量の増加;
• ガス流に調整剤を添加する。
• 収集面積を増やすこと
• ホットサイド集塵機を使用する（ナトリウム枯渇を事前に認識した上で、随時）。

薄いダスト層と高抵抗ダストは、特にバックコロナクレーターの形成を促します。0.1 mm ほどの薄いダスト層でも深刻なバックコロナが観測されていますが、1 粒子を超える厚さのダスト層でもスパーク電圧が 50% 低下する可能性があります。バックコロナが電流電圧特性に及ぼす最も顕著な影響は次のとおりです。

1. スパーク過電圧を最大 50% 以上低減します。
2. 安定したバックコロナクレーターの形成によって引き起こされる電流の急上昇または不連続性。
3. 最大コロナ電流が大幅に増加し、コロナギャップ上のスパークのすぐ下で通常の電流の数倍になる可能性があります。

下の図と左側の図は、6 種類の異なる産業粉塵と 3 種類の石炭燃焼フライアッシュについて、ガス温度の変化に伴う抵抗率の変化を示しています。右側の図は、実験室で調製されたさまざまな化合物について測定された抵抗率の値を示しています。

フライアッシュ A (左の図) の結果は、温度上昇モードで取得されました。これらのデータは、中程度から高い可燃物含有量の灰の典型的なデータです。フライアッシュ B のデータは同じサンプルから取得され、温度下降モードで取得されました。

温度上昇モードと温度下降モードの違いは、サンプル内に未燃焼の可燃物が存在するためです。2 つのテスト モードの間に、サンプルは乾燥空気中で 850 °F (450 °C) で 14 時間 (一晩) 平衡化されます。この一晩のアニーリング プロセスにより、サンプル内に存在する未燃焼の可燃物の 60% から 90% が除去されます。炭素が電荷キャリアとしてどのように機能するかは完全には解明されていませんが、炭素は粉塵の抵抗率を大幅に低下させることが知られています。

炭素は、最初は集塵機内で高抵抗のダストのように作用します。コロナ生成を開始するには、より高い電圧が必要になる場合があります。これらの高電圧は、TR-Set 制御にとって問題となる可能性があります。問題は、コロナの発生により、(低抵抗の) ダスト層に大量の電流が流れ込むことです。制御はこの電流の急増をスパークとして感知します。集塵機はスパーク制限モードで動作するため、電力が停止され、コロナ生成サイクルが再開されます。したがって、比較的高い電圧の読み取り値とともに、より低い電力 (電流) の読み取り値が記録されます。

実験室での測定でも同じことが起こると考えられています。コロナを生成しない実験室での測定では、平行板形状が使用されます。ステンレス スチールのカップがサンプルを保持します。別のステンレス スチールの電極重りがサンプルの上にあります (ダスト層と直接接触)。電圧が小さい値 (例: 20 V) から増加すると、電流は測定されません。その後、しきい値電圧レベルに達します。このレベルで、サンプルに電流が急増します... 電圧供給ユニットがトリップするほどです。上記のアニーリング手順中に未燃焼の可燃物を除去した後、下降温度モード曲線は、予想される典型的な逆「V」字型を示します。

抵抗率の低い粒子は、帯電しやすく（導電性が高い）、収集電極に到達すると急速に電荷を失うため、収集が困難です。粒子は収集電極の電荷を帯び、プレートから跳ね返り、ガス流に再び巻き込まれます。そのため、通常、通常の抵抗率やより高い抵抗率で作用する電気的な引力と反発力がなくなり、プレートへの結合力が大幅に減少します。低抵抗の粉塵の例としては、フライアッシュ内の未燃焼炭素やカーボンブラックなどがあります。

これらの導電性粒子が粗い場合は、サイクロン機械式コレクターなどの装置を使用して、集塵機の上流で除去することができます。

液体アンモニア（NH
₃）をガス流に添加するコンディショニング剤は近年広く利用されている。アンモニアはHと反応し、
₂それで
₄排気ガスに含まれる硫酸アンモニウム化合物を形成し、粉塵の凝集力を高めます。この追加された凝集力により、電気吸引力の損失が補われます。

以下の表は、低抵抗、通常抵抗、高抵抗の粉塵に関連する特性をまとめたものです。

排気ガス流の水分含有量も粒子抵抗率に影響します。ESP の前のダクトに水を噴霧したり蒸気を注入したりして排気ガス流の水分含有量を増やすと、抵抗率は下がります。温度調整と水分調整の両方において、ESP または下流の機器での腐食問題を防ぐために、ガス状態を露点より高く維持する必要があります。右の図は、温度と水分がセメント粉塵の抵抗率に与える影響を示しています。排気ガス流の水分率が 6% から 20% に増加すると、粉塵の抵抗率は大幅に低下します。また、温度を上げたり下げたりすると、示されているすべての水分率でセメント粉塵の抵抗率が低下する可能性があります。

SOの存在
₃ガス流中の硫黄分は、高抵抗の問題が発生した場合に静電集塵プロセスに有利であることが示されています。燃焼源として燃焼された石炭中の硫黄分のほとんどはSOに変換されます。
₂しかし、硫黄の約1％はSOに変換されます。
₃. SOの量
₃煙道ガス中の粒子の抵抗は通常、石炭の硫黄含有量の増加とともに増加します。粒子の抵抗は石炭の硫黄含有量の増加とともに減少します。

粒子の抵抗率を下げるために、硫酸、アンモニア、塩化ナトリウム、ソーダ灰（場合によっては未精製トロナ）などの他の調整剤も使用されています。したがって、ESP で収集される粒子の抵抗率に関しては、排気ガス流の化学組成が重要です。次の表に、さまざまな調整剤とその動作メカニズムを示します。

硫酸アンモニウムの注入が約600°F（320°C）を超える温度で行われると、アンモニアと三酸化硫黄への分解が起こります。灰分によっては、SO
₂フライアッシュとSOとして優先的に相互作用する可能性がある
₃残りはアンモニアと再結合して空間電荷を増加させ、灰の凝集性を高めます。

最近では、電気集塵機の効率低下の主な原因は、集塵板に加えて充電ワイヤにも粒子が蓄積することであることが認識されています (Davidson and McKinney, 1998)。これは、集塵板の洗浄と同時にワイヤ自体も洗浄することで簡単に解決できます。^[9]

硫酸蒸気（SO
₃) は、水蒸気が表面伝導に与える影響を高めます。水蒸気は、粒子表面の水分層内に物理的に吸着されます。比較的少量の酸蒸気の影響は、下の図と右側の図に示されています。

300 °F (150 °C) でのサンプルの固有抵抗は 5 × 10 ¹² ohm-cm です。硫酸蒸気の平衡濃度がわずか 1.9 ppm の場合、この値は約 7 × 10 ⁹ ohm-cm まで下がります。

ESP は、発電設備 (石炭および石油燃焼) からの煙、パルプ工場の黒液ボイラーからの塩ケーキ収集、石油精製所の流動床接触分解装置からの触媒収集など、多くの産業粒子状排出物を制御するための優れた装置であり続けています。これらの装置は、最大の石炭燃焼ボイラー用途で数十万ACFMから 250 万 ACFM (1,180 m³/s) のガス量を処理します。石炭燃焼ボイラーの場合、収集は通常、空気予熱器の下流で約 160 °C (320 °F) で行われ、これにより石炭灰粒子の抵抗が最適になります。低硫黄燃料を使用するいくつかの困難な用途では、370 °C (698 °F) を超える温度で動作するホットエンド ユニットが構築されています。

オリジナルの平行板加重ワイヤ設計（上記のプレートアンドバー集塵機の図を参照）は、より効率的（かつ堅牢）な放電電極設計が開発されるにつれて進化し、今日では、コロナ生成を最大化するために、多数の鋭利なスパイク（有刺鉄線）が取り付けられた剛性（パイプフレーム）放電電極に重点が置かれています。変圧器整流器システムは、比較的高い電流密度で50～100 kVの電圧を適用します。自動電圧制御などの最新の制御により、電気火花が最小限に抑えられ、アーク放電が防止され（火花はTR セットの 1/2 サイクル以内に消滅します）、コンポーネントの損傷が回避されます。自動プレートラッピングシステムとホッパー排出システムは、オンライン中に収集された粒子状物質を除去するため、理論的には ESP を一度に何年も連続運転できます。^[要出典]

電気集塵機は、生物学的浮遊粒子またはエアロゾルを分析用に採取するために使用できます。バイオエアロゾルの採取には、液体対電極で最適化された集塵機の設計が必要です。液体対電極を使用すると、ウイルスなどの生物学的粒子を少量の液体に直接採取して、不必要なサンプル希釈を減らすことができます。^{[10] [11]}詳細については、 バイオエアロゾルを参照してください。

湿式電気集塵機（WESPまたは湿式ESP）は、水蒸気飽和空気流（相対湿度100％）で作動します。WESPは、工業用プロセスガス流から硫酸ミストなどの液滴を除去するためによく使用されます。WESPは、ガスの水分含有量が高い場合、可燃性粒子を含む場合、または粒子が粘着性である場合にも一般的に使用されます。^[12]

プレート式集塵機は、空気清浄機や炉のフィルターの恒久的な代替品として一般に販売されているが、いずれも掃除が面倒であるという望ましくない特性がある。静電集塵機のマイナス面は、有毒なオゾン^[13]とNO
_x^[14]しかし、電気集塵機は、高価なフィルターを必要とし、多くの有害な細菌の「生産シンク」になる可能性があるHEPAフィルターなどの他の空気浄化技術よりも利点があります。 ^{[15] [16]}

電気集塵機では、集塵プレートに大量の粒子状物質が蓄積されると、粒子が金属プレートに非常にしっかりと付着することがあり、集塵プレートを完全に洗浄するには、激しい洗浄とこすり洗いが必要になる場合があります。プレートの間隔が狭いと、徹底的な洗浄が困難になる可能性があり、プレートの積み重ねは洗浄のために簡単に分解できないことがよくあります。複数のメーカーが提案している解決策の 1 つは、食器洗い機で集塵プレートを洗浄することです。

消費者向け沈殿フィルターの中には、特殊なソークオフクリーナーが付属しているものがあり、プレートアレイ全体を沈殿器から取り外し、大きな容器に一晩浸して、固く結合した粒子を緩めます。

カナダ住宅金融公社がさまざまな強制空気炉フィルターをテストした研究では、ESPフィルターが強制空気システムを使用して空気を浄化する最も優れた、最も費用対効果の高い手段であることが判明しました。^[17]

家庭用の最初のポータブル静電空気清浄システムは1954年にレイセオン社によって販売されました。^[18]

• 空気イオン化装置
• エアパージシステム
• オゾン発生器
• スクラバー

ウィキメディア・コモンズには、電気集塵機に関連するメディアがあります。

• パーカー、KR (1997)。応用静電集塵。シュプリンガー。ISBN 0751402664。