静電集塵機

設置されている電気集塵機の大部分はプレート式です。粒子は、20  ～30cm間隔で配置された平らな平行面に集塵されます。 隣接する2枚のプレートの中心線に沿って、放電電極が間隔を置いて配置されています。汚染ガスはプレート間の通路を通過し、粒子は帯電して集塵プレートに付着します。集塵された粒子は通常、プレートを軽く叩いて取り除き、集塵機の底部にある容器またはホッパーに排出されます。

最も基本的な集塵装置は、細い垂直のワイヤーが一列に並び、その後ろに垂直に配置された大きな平らな金属板が積み重ねられています。金属板の間隔は用途に応じて通常1cm から18cm 程度です。空気の流れはワイヤー間の隙間を水平方向に流れ、その後金属板の積み重ね部分を通過します。

数千ボルトの負電圧が電線と電極板の間に印加される。印加電圧が十分に高ければ、コロナ放電によって電極周辺の空気が電離され、それが空気流中の粒子を電離させる。

静電気力によってイオン化された粒子は、接地されたプレートの方へ誘導されます。粒子は収集プレート上に蓄積され、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独立した充電セクションがある）は、密閉空間で作業する人員の健康に悪影響を及ぼすオゾン生成を最小限に抑えるという利点があります。^{[ 6 ]}船のエンジンルームでは、ギアボックスからオイルミストが発生するため、2段階式電気集塵機を使用して空気を浄化し、作業環境を改善し、可燃性オイルミストが蓄積するのを防ぎます。収集されたオイルはギア潤滑システムに戻されます。^{[ 7 ]}

管状集塵装置は、円筒形の集塵電極と、その軸上に配置された放電電極から構成されています。汚染ガスは放電電極の周囲を流れ、円筒内部を上昇します。帯電した粒子は、接地された円筒の壁面に集塵されます。集塵された粉塵は、円筒底部から除去されます。

管状集塵機は、霧や靄の捕集、あるいは粘着性物質、放射性物質、極めて毒性の高い物質の捕集によく用いられる。

抵抗は、負に帯電した粒子がダスト層の表面に到達し、その電荷を収集板に漏出させる際に、ダスト層全体に電位差（電圧降下）が生じることで、ダスト層の電気的状態に影響を与えます。電気的に接地された収集板の金属表面では電圧はゼロですが、新たな粒子やイオンが到達するダスト層の外表面では、ガスイオンによって生じる静電電圧が非常に高くなる可能性があります。この電位差の強さは、ダスト層の抵抗と厚さに依存します。

高抵抗の塵層では、塵の導電性が十分ではないため、電荷が塵層を通過するのが困難になります。その結果、電荷が塵層の表面および内部に蓄積され、強い電界が発生します。

電圧は1万ボルトを超えることがあります。抵抗値の高い粉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、捕捉の問題を引き起こします。

抵抗の低い粉塵層では、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、粉塵層全体に数千ボルト程度の比較的弱い電界が維持されます。抵抗の低い集塵粒子は集塵板に十分に付着せず、容易に剥離してガス流中に留まります。

粒子層の電気伝導率は、表面積と体積の両方の要因に依存します。体積伝導、すなわち粒子内部における電荷の移動は、主に粒子の組成と温度に依存します。500 °F（260 ° C）以上の高温領域では、体積伝導が伝導機構を支配します。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。  

図では、体積伝導は500 °F（260 °C）以上の温度で直線として表されます。約450 °F（230 °C）以下の温度では、電荷が粒子表面に吸着した水分や化学膜を介して流れ始めます。表面伝導により抵抗率の値が低下し、 500 °F（260 °C）以下の温度で曲線が下向きに曲がります。      

これらの膜は、吸着現象により、物理的にも化学的にも粒子内部とは異なります。理論計算によると、わずか数分子の厚さの水分膜でも、所望の表面伝導率を得るのに十分です。粒子の表面伝導は、電気絶縁体で発生する表面漏洩電流と密接に関連しており、これは広く研究されています。^{[ 8 ]}表面漏洩の興味深い実用的応用例の1つは、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によって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たことを示します。この方法は、少量の硫酸蒸気を雰囲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きました（市販の露点計が市販されています）。

以下に述べる、正常抵抗、高抵抗、低抵抗に関する議論は、乾燥状態で運転される電気集塵機（ESP）に適用されるものです。湿潤状態のESPでは、ESP内部の水分濃度が高いため、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、本稿の後半で説明します。

前述のとおり、電気集塵機（ESP）は通常の抵抗率条件下で最も効果的に機能します。通常の抵抗率を持つ粒子は、集塵電極に到達しても電荷を急速に失いません。これらの粒子は、接地されたプレートにゆっくりと電荷を漏らし、分子間接着力と凝集力によって集塵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、プレートを叩くことで剥離されます。通常の粉塵抵抗率の範囲（10⁷ ^～ 2× ^10¹⁰Ω・cm）では、低抵抗率または高抵抗率の粉塵よりもフライアッシュの方が容易に集塵されます。

粉塵層における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、電圧降下が大きくなると、放電電極と集塵電極間の電圧差が小さくなり、ガスイオンを帯電させた粒子を集塵層まで移動させる静電場の強度が低下します。粉塵層が厚くなり、その表面に電荷が蓄積されるにつれて、放電電極と集塵電極間の電圧差は小さくなります。特に微粒子の移動速度は、この電界強度の低下によって大きな影響を受けます。

高抵抗率の粉塵層で発生するもう一つの問題は、逆コロナ放電と呼ばれるものです。これは、粉塵層全体の電位差が非常に大きくなり、粉塵層内に閉じ込められたガス中でコロナ放電が発生し始めると起こります。粉塵層は電気的に破壊され、小さな穴やクレーターができ、そこから逆コロナ放電が発生します。粉塵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。正イオンは粉塵層の負電荷の一部を減らし、集塵電極に向かう「帯電粒子」上の負イオンの一部を中和します。通常のコロナ放電プロセスが阻害されると、電気集塵機の集塵効率が大幅に低下し、深刻な場合は50%を下回ることもあります。逆コロナ放電が発生すると、粉塵粒子が電極上に堆積し、絶縁層を形成します。多くの場合、これは装置を停止せずに修復することはできません。

高抵抗粉塵における3つ目の、そして一般的に最も一般的な問題は、電気火花の増加です。火花発生率が「設定された火花発生率制限」を超えると、自動制御装置は電界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、捕集電極への移動速度が低下します。高抵抗は、一般的に以下の方法で低減できます。

• 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。
• 収集表面積を増やすこと、そして
• 高温側集塵装置を使用する（ナトリウム枯渇を事前に認識した上で、時折使用する）。

薄い塵層や高抵抗の塵は、特に逆コロナクレーターの形成を促進する。0.1  mmという薄い塵層でも深刻な逆コロナが観測されているが、わずか1粒子分の厚さの塵層でも放電電圧を50%低下させる可能性がある。逆コロナが電流-電圧特性に及ぼす最も顕著な影響は以下のとおりである。

1. スパーク過電圧を50％以上低減する。
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激な変化または不連続性。
3. コロナギャップでの火花放電の直前では、最大コロナ電流が大幅に増加し、通常の電流の数倍になる場合がある。

下の左側の図は、6種類の工業用粉塵と3種類の石炭燃焼灰について、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、実験室で調製した様々な化合物の抵抗率の測定値を示しています。

フライアッシュA（左図）の測定結果は、昇温モードで取得されたものです。これらのデータは、可燃性物質含有量が中程度から高い灰に典型的なものです。フライアッシュBのデータは、同じサンプルから降温モードで取得されたものです。

温度上昇モードと温度下降モードの違いは、サンプル中に未燃焼の可燃物が存在するためです。2 つのテスト モードの間には、サンプルは850 °F (450 °C)で 14 時間 (一晩) 乾燥空気中で平衡化されます。この一晩のアニーリング処理により、サンプル中に存在する未燃焼の可燃物の 60% ～ 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、粉塵の抵抗率を大幅に低下させることは知られています。  

炭素は、最初は集塵機内で高抵抗の粉塵のように振る舞うことがあります。コロナ放電を開始するには、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制御装置にとって問題となる可能性があります。問題は、コロナ放電の発生によって、（低抵抗の）粉塵層に大量の電流が急激に流れることにあります。制御装置はこの急激な電流を火花として感知します。集塵機は火花制限モードで動作しているため、電源が遮断され、コロナ放電サイクルが再び開始されます。そのため、比較的高い電圧値で低い電力（電流）値が記録されます。

実験室での測定でも同様のことが起こると考えられています。コロナ放電を伴わない実験室での測定では、平行平板ジオメトリが使用されます。サンプルはステンレス鋼のカップに保持されます。別のステンレス鋼の電極ウェイトがサンプルの上に置かれます（ダスト層と直接接触）。電圧を少量（例えば20V）から増加させると、電流は測定されません。その後、閾値電圧レベルに達します。このレベルでは、電流がサンプルを流れ、電圧供給ユニットがトリップする可能性があります。上記の焼きなまし手順中に未燃焼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（導電性が非常に高い）、捕集電極に到達するとすぐに電荷を失うため、捕集が困難です。粒子は捕集電極の電荷を帯び、電極板から跳ね返り、ガス流に再び混入します。そのため、通常の抵抗率やそれ以上の抵抗率で作用する引力や斥力といった電気的な力が働かず、電極板への結合力が著しく低下します。抵抗率の低い粉塵の例としては、フライアッシュ中の未燃焼炭素やカーボンブラックなどが挙げられます。

これらの導電性粒子が粗い場合は、サイクロン式機械式集塵機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る。

液体アンモニア（ NH）の添加₃ ) ガス流への調整剤としての使用は近年広く普及している。アンモニアはH₂ SO₄排ガス中に含まれる硫酸アンモニウム化合物を形成し、粉塵の凝集性を高める。この凝集性の向上により、電気的な引力の損失が補われる。

下の表は、低抵抗率、標準抵抗率、高抵抗率の粉塵に関連する特性をまとめたものです。

排ガス流の水分含有量も粒子抵抗率に影響を与えます。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ガス流の水分含有量を増やすと、抵抗率が低下します。温度調整と水分調整の両方において、ESP または下流の機器の腐食問題を防ぐために、ガスの状態を露点以上に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及ぼす影響を示しています。ガス流の水分含有率が 6% から 20% に増加すると、粉塵の抵抗率は劇的に低下します。また、温度を上げたり下げたりすることで、示されているすべての水分含有率においてセメント粉塵の抵抗率を低下させることができます。

SOの存在_{ガス流中の3は}、高抵抗の問題が発生した場合に静電沈殿プロセスを促進することが示されている。燃焼源として燃焼される石炭中の硫黄の大部分はSO_2．しかし、硫黄の約1％はSO₂_3．SOの量排ガス中の_{3は通常、石炭の硫黄含有量の増加に伴って増加する。粒子の抵抗率は石炭の硫黄含有量の増加に伴って減少する。}

硫酸、アンモニア、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム（場合によっては未精製トロナ）などの他の調整剤も、粒子抵抗率を低減するために使用されてきました。したがって、排ガス流の化学組成は、電気集塵機（ESP）で捕集される粒子の抵抗率に関して重要です。下の表に、さまざまな調整剤とその作用機序を示します。

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解離が生じる。灰分によっては、SO₂も  _2はSOとしてフライアッシュと優先的に相互作用する可能性がある_3.調整。残りの物質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。

近年、静電集塵機の効率低下の主な原因は、集塵板に加えて充電線への粒子の蓄積であることが認識されている（Davidson and McKinney、1998）。これは、集塵板を清掃する際に充電線自体も同時に清掃することで容易に解決できる。^{[ 9 ]}

硫酸蒸気（SO₂）₃）水蒸気の表面伝導への影響を増強します。粒子表面の水分層内に物理的に吸着されます。比較的少量の酸性蒸気の影響は、下の図と右側の図に示されています。

試料の300 °F（150 °C）における固有抵抗率は5× ^10¹²Ω・cmである。硫酸蒸気の平衡濃度がわずか1.9ppmの場合、その値は約7×10⁹Ω^・cmまで低下する。