ELEKTROFILTR

ELEKTROFILTR DOMOWY – JAK DZIAŁA?

Spalane w domowych kotłowniach paliwa stałe, szczególnie te gorszej jakości, przyczyniają się do powstawania smogu klasycznego. Elektrofiltry montowane w układzie instalacji grzewczej skutecznie ograniczają emisję pyłu i toksycznych zanieczyszczeń.

Elektrofiltr – odpylacz elektrostatyczny (skrótowo EF lub ang. ESP czyli electrostatic precipitator) to  rodzaj odpylacza, w którym usuwanie pyłu z gazu (gazu technologicznego, spalin lub innych gazów odlotowych, powietrza) następuje poprzez wykorzystanie siły elektrostatycznej zgodnie z prawem Coulomba, działającej na cząstki tego pyłu.

Elektrofiltry – PODSTAWY TEORETYCZNE

– Elektrofiltry są konstrukcjami specjalistycznymi, przystosowanymi do pracy w określonej instalacji spalin. Dobór konstrukcji elektrofiltru, zastosowane w nim elektrody ulotowe i zbiorcze oraz system zasilania zdeterminowane są przez rodzaj kotła, dla którego pracuje, jak również rodzaj spalanego w tym kotle paliwa, a w konsekwencji rodzaj powstających pyłów.

– Elektrofiltr płytowy, składa się z komory, zespołu elektrod zbiorczych, elektrod ulotowych, układu regeneracji (oczyszczania pyłu) elektrod zbiorczych i ulotowych, systemu odbioru pyłu oraz doprowadzania i odprowadzania spalin wraz z układem ich dystrybucji. Układ zasilania elektrofiltru składa się z transformatora wysokiego napięcia, układu prostowniczego oraz obwodów kontrolno-pomiarowych. Skrajnie niekorzystne warunki pracy elektrofiltrów takie jak wysoka temperatura, duże zapylenie i znaczne zanieczyszczenie agresywnymi gazami stawiają przed konstruktorami i producentami  wymagania w zakresie doboru materiałów, prefabrykacji poszczególnych elementów oraz montażu tych urządzeń.

– Elektrostatyczny proces separacji pyłu ze spalin zachodzi w wyniku oddziaływaniu pola elektrycznego na naładowane elektrycznie ziarna zanieczyszczeń.

– Ziarna pyłu uzyskują ładunek elektryczny w polu elektrycznym przestrzeni międzyelektrodowej elektrofiltru m.in. na skutek emisji elektronów z ostrz elektrod ulotowych.

– Elektrony w wyniku działania sił pola elektrycznego powstałego pomiędzy ujemną elektrodą ulotową i uziemioną elektrodą zbiorczą uzyskują energię wystarczającą do jonizacji gazu. Elektrony ładują elektrycznie cząstki zanieczyszczeń w tzw. mechanizmie polowym i dyfuzyjnym.

– Naładowane cząstki zanieczyszczeń pyłowych pod wpływem pola elektrostatycznego poruszają się w kierunku elektrod.

– Osadzony na powierzchni elektrod pył jest usuwany w wyniku drgań mechanicznych elektrod, generowanych głównie przez uderzenia młotków strzepujących do lejów zsypowych pod elektrofiltrem, skąd odprowadzany jest specjalistycznymi instalacjami do transportu pyłu.

Przyjęte w procesie konstruowania elektrofiltrów rozwiązania mają na celu stworzenie warunków takich, aby zgromadzony na elektrodach zbiorczych elektrofiltru pył był w całości sprowadzony do zbiorników pyłu, z których może być odprowadzany z układu odpylającego.

Zadaniu temu powinny być podporządkowane wszystkie procesy towarzyszące usuwaniu pyłu z gazu, zachodzące w komorze elektrofiltru. Jeżeli z analizy procesu odpylania wynika, że ze względów technicznych i ekonomicznych skuteczne usuwanie pyłu z elektrod wymaga zmiany warunków wytrącania pyłu z gazu, działania powinny obejmować również proces technologiczny będący źródłem zapylenia.

Warunkiem prawidłowego działania elektrofiltru jest:

– wytworzenie pola elektrycznego o możliwie dużym natężeniu,

-przyjęcie przez ziarna pyłu ładunku elektrycznego, umożliwiającego ich migrację i osadzenie na elektrodzie zbiorczej (w elektrofiltrach jest to z zasady ładunek ujemny),

– możliwość usunięcia osadzonego pyłu z powierzchni elektrody.

Elektrofiltr DOMOWY – KONSTRUKCJA

W energetyce zawodowej elektrofiltr jest powszechnie stosowanym urządzeniem pomocniczym kotła opalanego pyłem lub miałem węglowym. W metalurgii odpyla np. gazy odlotowe ze spiekania surowców, a przy otrzymywaniu miedzi z kruszców siarczkowych odpyla gaz z konwertorowania kamienia miedziowego, zawierający dwutlenek siarki, kierowany do produkcji kwasu siarkowego.

W koksowniach znalazł zastosowanie do odpylania i odsmalania surowego gazu koksowniczego. Bywa też stosowany do odpylania gazów odlotowych z pieców obrotowych w cementowniach.

Elektrofiltr przemysłowy BETH o mocy 1-2,5 MW, wymiary wys. 6,0 – 7,0 m.

Elektrofiltr domowy – to urządzenie odpylające o niewielkich gabarytach, które montuje się w układzie instalacji grzewczej. W jego wnętrzu znajduje się elektroda wytwarzająca wysokie napięcie, przy niskim, bezpiecznym natężeniu prądu, która w uproszczeniu odpycha na ścianki wszelkie pyły wytrącane ze spalin, a następnie osadza je na powierzchni elektrod zbiorczych pod wpływem siły elektrostatycznej.

Elektrofiltr instaluje się w prosty sposób, a jego obsługa nie jest uciążliwa. Jego skuteczność waha się od 70% do nawet 95% wychwytywanych pyłów, nie emitowanych do środowiska.

Upowszechnienie tego typu rozwiązań może realnie pomóc skuteczniej walczyć z zanieczyszczeniami powietrza. Elektrofiltry domowe zyskały już dużą popularność w takich krajach jak Austria, Szwajcaria czy Niemcy.

 

Elektrofiltr DOMOWY – JAK DZIAŁA?

Zasilanie 220/240V przez cały czas eksploatacyjny.

Tryby pracy: stan gotowości do działania i stan pracy.

Stan pracy wykorzystuje pełną moc elektrofiltra, natomiast stan gotowości pracuje na minimalnym poborze mocy, niezbędnym do podtrzymania układu automatyki.

Modelowo stan pracy powinien pokrywać się z okresem palenia węgla w kotłowni i emisji spalin, przy czym proces ten powinien przypadać podczas pełnego i całkowitego procesu spalania aż do jego zanikania.

W czasie szybkiego i nieprawidłowego rozpalenia, na skutek niskich temperatur spalania w palenisku, braku dopalania spalin i słabego dostępu powietrza następuje wyrzut niedopalonych cząstek węgla wraz z substancjami smolistymi (efekt wędzarni). Stan ten jest niewskazany zarówno dla przewodu spalinowego komina (następuje obrastanie komina) jak i dla samego elektrofiltra.

Dopiero przejście kotła w stan pełnego spalania powinien uruchomić pracę elektrofiltra i jego działanie już ze zbliżoną , stałą i wysoką sprawnością.

Start pracy uruchamiany przez czujnik temperatury spalin w kominie po osiągnięciu granicznej temperatury spalin. Stan pracy sygnalizowany światłem diodowym widocznym z poziomu parteru.

Po zakończeniu proces spalania i spadku temperatury spalin w kominie poniżej temperatury granicznej automatyczne przejście elektrofiltra ze stanu pracy w stan gotowości. Sygnalizacja świetlna pozwala na pełną kontrolę i monitoring stanu pracy urządzenia.

Automatyczne włączanie/wyłączanie  w zależności od potrzeb, odpowiednio do okresów rozpalania i gaśnięcia paleniska kotła.

W przypadku problemów z zarastaniem komina, nadmiernej wilgoci i innych zjawisk może nastąpić przebicie elektrofiltra z możliwym pojawieniem się łuku elektrycznego. Wówczas automatyka wyłączy zasilanie i po chwili nastąpi samoczynne ponowne załączenie elektrofiltra.

W razie konieczności proces ten może powtarzać się wielokrotnie a w skrajnych przypadkach jeżeli nie ustąpią przyczyny, konieczne będzie zasygnalizowanie tego problemu i przeprowadzenie przeglądu przez kominiarza uprawnionego.

 

Elektrofiltr DOMOWY – SCHEMAT

Elementy montażowe elektrofiltru (oznaczenia elementów stalowych wg katalogu wyrobów Tarnawa Sp. J. Tarnów)

J1 – rura nasadkowa L = 1000 mm, J4 – trójnik rurowy 87°, J6 – otwór kontrolny (skrzynka) L = 400 mm, J13 – blacha zamykająca, J15 – uchwyt dystansowy, J17 – opaska zaciskowa, J18 – ochrona przed deszczem z siatką stalową, J19 – pokrywa zamykająca, J21 – skrzynka z drzwiami, 1 – izolator, 2 – zasilacz, sterowanie, 3 – układ strzepywania pyłu z elektrody zbiorczej, 4 – elektroda ulotowa, 5 – przepust kablowy.

Rozwiązanie konstrukcyjne elektrody ulotowej elektrofiltru na potrzeby gospodarstw domowych.

 

Elektrofiltr DOMOWY – KONSTRUKCJA

Elementem o największym stopniu komplikacji jest elektroda ulotowa, będąca krytycznym podzespołem elektrofiltru.

Na podstawie badań przeprowadzonych przez specjalistów AGH, opracowano model elektrody o zoptymalizowanym kształcie, gwarantującym maksymalną efektywność odpylania.

Zastosowano konstrukcję masztową z ostrzowymi elementami emisyjnymi. Baza elektrody wykonana z rury o średnicy ø = 6÷8 mm. Elementy emisyjne wykonane ze stali nierdzewnej, mocowane na maszcie nośnym metodą zgrzewania.

Alternatywnym rozwiązaniem jest wykonanie przelotowych, poprzecznych otworów w maszcie i wbicie do nich elementów emisyjnych o długości większej niż wymagana, a następnie odpowiednie ich zagięcie przy ścianie masztu nośnego elektrody. Rozwiązanie konstrukcyjne elektrody ulotowej przedstawiono na rysunku.

Zasilacz wysokiego napięcia – generowanie pola elektrostatycznego:

Analiza wyników badań skuteczność odpylania elektrofiltru wskazuje, że napięcie zasilania elektrofiltru powinno wynosić od 15÷30 kV DC (z możliwością zmian napięcia w tym zakresie) o maksymalnej wydajności prądowej ok. 1 mA. Umożliwi to dobór napięcia zasilania elektrody ulotowej w znacznym zakresie średnic komory elektrofiltru, własności fizykochemicznych oraz stężeń pyłów na jego wlocie.

Zasilacz wysokiego napięcia posiada zabezpieczenie umożliwiające chwilowe obniżenie napięcia zasilania elektrody ulotowej w przepadku wystąpienia zwarcia międzyelektrodowego.

Źródła zwarć mogą być krótkoczasowe (przeskok elektryczny pomiędzy ziarnami przewodzącymi, np. niespalonego węgla), długookresowe (np. kondensacja wody na izolatorach) lub stałe, wynikające z uszkodzenia elektrody, kabli, zasilacza itp.

Elementy oczyszczania elektrofiltru – usuwanie pyłów:

Usunięcie pyłu osadzonego na elektrodzie zbiorczej następuje wskutek udaru mechanicznego, skierowanego prostopadle do osi komory elektrofiltru. Elementem wykonawczym jest podzespół elektromagnetyczny umieszczony w komorze elektrofiltru.

Ze względów ekonomicznych, jako element strzepujący zastosowano ogólnie dostępny podzespół stosowany w motoryzacji element wykonawczy centralnego zamka. Dobór tego elementu podyktowany jest głównie jego ceną, przy czym należy stosować siłowniki o możliwie małej długości, dużej sile udźwigu oraz jak największej szybkości działania – przykładowo siłownik centralnego zamka 2-przewodowy firmy BLOK (lub firmy Mono Tech).

Obwody kontrolno-pomiarowe – sterowanie urządzeniem:

System automatyki zapewnia możliwość pomiarów temperatury w kanale elektrofiltru oraz prądu zasilacza WN.

W algorytmie pracy układu kontrolno-pomiarowego uwzględniono zakaz włączenia wysokiego napięcia w przypadku, jeśli temperatura w komorze elektrofiltru jest niższa od ustalonej przez obsługę.

Informacja o gwałtownym wzroście temperatury w komorze elektrofiltru może świadczyć o wystąpieniu samozapłonu sadzy i powoduje automatyczne przejście w tryb alarmowy.

Wartość prądu płynącego w obwodzie zasilacza WN wskazuje na stan pracy urządzenia. Gwałtowny wzrost prądu świadczy o zwarciu w komorze elektrofiltru – zasilacz przechodzi w tryb próbkowania. Jeśli po kilku próbach załączenia prąd przekracza wartość zadaną w czasie instalacji urządzenia, zasilacz zostaje wyłączony generuje sygnał alarmu.

Ograniczenie emisji pyłów zawieszonych

Średnio przy spaleniu 1 tony węgla, emitujemy ok  10 kg pyłów. Przy założeniu spaleniu 3 ton węgla przez jedno gospodarstwo mamy 30 kg emisji pyłu który wdychamy.

Efektywność redukcji tej emisji przez elektrofiltr wynosi 70%-95%

 

 

 

 

 

Opis SYSTEMU monitorującego i sterującego pracę elektrofiltru domowego (ED).

Komunikacja odbywać się będzie w standardzie komunikacyjnym LoRa. Każdy sterownik ED będzie wyposażony w mikrokontroler LoRa.

Każdy ED będzie posiadać unikalny numer, do którego będzie przyporządkowany adres pocztowy gospodarstwa domowego i numer telefonu mobilnego. Wszystkie ED będą naniesione na edytowalną mapę miejscowości, w której pracuje klaster ED.

MONITORING

Pierwsza funkcja polegać będzie na monitorowaniu, czy ED jest podłączony do sieci, czy urządzenie znajduje się w stanie czuwania. Monitoring wskazywać będzie stan podłączony/nie podłączony. Aplikacja użytkowa będzie lokalizować wszystkie urządzenia nie podłączone w czasie rzeczywistym; przesyłany będzie alert do administratora z wykazem gospodarstw domowych, w których odłączono elektrofiltr z sieci. Równocześnie będą wysyłane informacje sms do GD „włącz elektrofiltr do sieci”. Administrator klastra elektrofiltrów w miejscowości będzie dysponował numerami telefonów wskazanych przez GD. Jeżeli w ciągu 24 godzin elektrofiltr nie zostanie podłączony do sieci, to administrator skieruje osobę z interwencją do poszczególnych GD, które nie włączyły ED do sieci.

Druga funkcja polegać będzie na tym monitorowaniu, że mimo dyspozycji uruchomienia zasilacza ED przez czujnik temperatury ED nie został włączony. Świadczyć to będzie o awarii układu elektrycznego (najczęściej zasilacza). Aplikacja użytkowa będzie lokalizować wszystkie urządzenia, które tak się zachowały w czasie rzeczywistym; przesłany zostanie alert do administratora z wykazem gospodarstw domowych, które nie rozpoczęły pracy mimo dyspozycji czujnika temperatury. Ten alert spowoduje działania służb serwisowych.

Trzecia funkcja polegać będzie na zliczaniu godzin pracy ED. Po przekroczeniu zdefiniowanej przez administratora liczby godzin pracy dla każdego ED (pojedynczo bądź grupowo) administrator otrzyma alert z listą ED, których praca przekroczyła założony limit godzin. Ten alert będzie uruchamiał służby serwisowe do dokonania przeglądu technicznego elektrofiltru i przeprowadzenia czyszczenia. Po dokonaniu czyszczenia ED licznik pracy zostanie wyzerowany.

Czwarta funkcja polegać będzie na tym monitorowaniu czujnika temperatury elektrofiltru, który wskaże krytyczne przekroczenie temperatury powyżej 300 stopni. Świadczyć to będzie o zapaleniu się sadzy w kominie. Aplikacja użytkowa będzie lokalizować w czasie rzeczywistym wszystkie kominy, na których zostały zainstalowane elektrofiltry. Po przekroczeniu temperatury krytycznej przesłany zostanie alert do administratora. Ten alert spowoduje działania służb serwisowych, kominiarskich i straży pożarnej.

STEROWANIE

Funkcja polegać będzie na możliwości zdalnego wyłączenia wybranych ED. Mimo dyspozycji uruchomienia przez czujnik temperatury ED nie będzie uruchamiany. Decyzję taką będzie podejmował uprawniony administrator w oparciu o dyspozycje właściciela klastra ED.

ANALITYKA

Mierzony będzie czas pracy każdego ED i dowolnie sumowane wybranych grup ED. Na tej podstawie przeprowadzona zostanie szacunkowa analiza ilości usuniętych pyłów przez wybrane ED w wybranym okresie (dzień, tydzień, miesiąc, rok). Każdy kocioł, w którym zainstalowano ED zostanie zdefiniowany pod względem emisji pyłów przy godzinie pracy kotła ze względu na używany opał (pojedynczo bądź grupowo). Przyjęta zostanie uśredniona ilość powstających pyłów w wyniku spalania założonej (uśrednionej) ilości opału (w kg). Uwzględniona zostanie także sprawność ED (np. 95% redukcji pyłów). Algorytm będzie dokonywał automatycznych obliczeń i prezentacji na ekranie i le w danym czasie zostało usuniętych emitowanych pyłów (w kg).

Właściciel klastra ED (gmina) będzie nadawać prawa dostępu do poszczególnych poziomów alertów systemu informatycznego. Należy założyć, że najczęściej będą to współpracujące z gminą zakłady kominiarskie, które będą prowadzić prace instalacyjne i serwisowe. Funkcja analityczna może być dostępna dla wszystkich mieszkańców miejscowości.