Elektrostatischer Abscheider (ESP) erklärt

Was ist ein elektrostatischer Abscheider (ESP)?

Ein elektrostatischer Abscheider (ESP) ist ein Gerät, das zur Abscheidung von Staubpartikeln eingesetzt wird, die bei verschiedenen industriellen Prozessen entstehen oder freigesetzt werden. Der Zweck eines ESP ist es, zu verhindern, dass diese Partikel in die Atmosphäre gelangen und Verschmutzung verursachen. ESPs sind in vielen Industrieanlagen installiert, am häufigsten jedoch in thermischen Kraftwerken, wo sie Teil des Rauchgasreinigungssystems sind.  

Elektrostatischer Abscheider

Das untenstehende Diagramm zeigt die Position eines ESP innerhalb eines kohlebefeuerten Kraftwerks Rauchgassystems. Eine weitere wichtige Komponente der Rauchgasreinigung ist der Rauchgasentschwefler (FDG), auch bekannt als ‘Waschturm’; der Waschturm ist im Diagramm links vom ESP zu sehen.

Rauchgassystem mit hervorgehobenem ESP

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Kohlebefeuerte Kraftwerks-ESPs

In kohlebefeuerten Kraftwerken (und anderen thermischen Kraftwerksdesigns) wird Kohle im Verbrennungsraum (Kessel oder Ofen) in fester oder pulverisierter Form verbrannt. Kohle (Brennstoff) wird typischerweise mit einem Zwangslüfter in den Verbrennungsraum gefördert, der die erforderliche Verbrennungsluft liefert. Die Verbrennungsprodukte bestehen typischerweise aus Rauchgas, das aus Rauch, Flugasche und Schwerasche besteht. Schwerasche fällt auf den Boden des Ofens und wird periodisch in Aschetrichter entfernt. Die Kombination aus Flugasche und Rauch wird durch einen Saugzugventilator (oder Ventilatoren) entfernt und über den Rauchabzug entsorgt. Wenn ein ESP als Teil des Rauchgasreinigungssystems installiert ist, befindet es sich zwischen dem Saugzugventilator und dem Verbrennungsraum.

Prozessablaufdiagramm eines kohlebefeuerten Kraftwerks

In bestimmten Industrien kann der vom ESP erfasste Staub verkauft werden, anstatt entsorgt zu werden, aber dies hängt von vielen Faktoren ab, z.B. Standort, Staubeigenschaften, Nachfrage usw.

Geschichte

In der Vergangenheit wurde den Staubemissionen aus Industrieanlagen keine Beachtung geschenkt. Später reagierten Regierungen auf Berichte von Umweltschutzbehörden und der Medizinbranche über die schädlichen Auswirkungen von Partikeln, die aus Industrieanlagen in die Atmosphäre freigesetzt wurden. Ein Beispiel für eine solche Partikelart ist Flugasche.

Flugasche besteht aus Siliziumoxiden, Eisen, Kalzium und Aluminium; schädliche Substanzen wie Schwefel sind ebenfalls in Flugasche enthalten. Studien über die Auswirkungen von Flugasche auf den Menschen haben gezeigt, dass sie Atemwegserkrankungen sowie Krebs, Herzversagen und einige immunologische Reaktionen verursachen kann. Andere Stäube, die bei industriellen Prozessen freigesetzt werden, wie Kohlestaub, sind ebenfalls dafür bekannt, Lungenerkrankungen wie Pneumokoniose zu verursachen. Aber Probleme, die von Flugasche ausgehen, sind nicht nur auf Menschen beschränkt. Das Ablagern von Flugasche auf Oberboden erhöht den pH-Wert des Oberbodens und schädigt die Pflanzen und Tiere im unmittelbaren Ökosystem. Großvolumige Ablagerungen von Flugasche sind bekannt dafür, chemisches Auslaugen in den Boden zu verursachen, mit daraus resultierenden schädlichen Auswirkungen auf das aquatische Meeresleben.

Angesichts der negativen Auswirkungen unkontrollierter Verschmutzung wurde in den meisten Ländern Gesetzgebung erlassen, um schädliche Partikel vollständig aus der Atmosphäre zu reduzieren. Die vor Jahren erlassenen Luftverschmutzungsgesetze führten zur Weiterentwicklung des elektrostatischen Abscheiders und seiner weit verbreiteten Einführung. Da viele Kulturen nun den Umweltschutz priorisieren, ist es wahrscheinlicher, dass die Gesetzgebung noch strenger wird, was wiederum zu weiteren Fortschritten in der Partikeltrennung und immer effizienteren ESPs führen wird.

Heute liegen die typischen Effizienzen für die Staubentfernung aus einem Rauchgassystem zwischen 98% und 99,9%. In einigen Industrien hat der von der Anlage erzeugte Staub monetären Wert und ESPs können diese wertvolle Ware erfassen, anstatt sie in die Atmosphäre abzugeben.

Wie elektrostatische Abscheider funktionieren - Grundlegend

Der elektrostatische Abscheider funktioniert, indem er Partikel im Gasstrom auflädt, während das Gas durch den ESP strömt. Diese negativ geladenen Partikel werden von positiv geladenen großen flachen Platten im ESP angezogen, wo sie sich allmählich auf den Oberflächen der Platten ansammeln. Sobald sich eine signifikante Anzahl von Partikeln auf den Platten angesammelt hat, schlägt ein mechanischer Mechanismus (Klopfsystem) auf die Platten, wobei die resultierende Vibration die Partikel von den Platten abschüttelt; die Partikel fallen dann aufgrund der Schwerkraft und werden in Trichtern am Boden des ESP gesammelt.

ESP-Montage-Animation

Wie elektrostatische Abscheider funktionieren - Fortgeschritten

Elektrostatische Abscheider haben normalerweise eine rechteckige Form mit Staubsammeltrichtern an ihrer Basis. Die Hauptkomponenten eines ESP bestehen aus Sammelplatten, Entladungsdrähten, Ein- und Auslass-Lochblechen, Isolatoren für die Entladungsdrähte, Klopfern und einem oder mehreren elektrischen Transformatoren.

Typische Komponenten eines elektrostatischen Abscheiders in einem thermischen Kraftwerk

Einlass- und Auslass-Lochbleche

ESPs haben einen Gaseinlass und einen Gasauslass. Der Gasstrom, der in den ESP eintritt, passiert Lochbleche und wird gleichmäßig im Inneren des ESP verteilt; Partikel, die im Gasstrom mitgeführt werden, werden folglich auch gleichmäßig im ESP verteilt.

Entladungsdrähte

Entladungsdrähte bestehen aus einer Reihe von Drähten, die horizontal über den ESP angeordnet und in mehreren Reihen installiert sind. Jeder Entladungsdraht ist mit einer Hochspannungsversorgung verbunden, die von einem elektrischen System auf dem Dach des ESP-Gehäuses gespeist wird. ElektrischeTransformatoren erhöhen die primär gelieferte Spannung (normalerweise ≈380V) auf mehrere tausend Volt (normalerweise zwischen 20 kV und 70 kV).

Typische Teile eines elektrostatischen Abscheiders in einem thermischen Kraftwerk (Nahaufnahme)

Gleichrichtungseinheit

Das elektrische System enthält eine Gleichrichtungseinheit, um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Diese Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung ist notwendig, um das erforderliche elektrische Feld zu erzeugen, das die Partikel beim Durchgang durch den ESP ionisiert. Gleichspannung wird an die Entladungsdrähte geleitet, was dazu führt, dass ein negatives elektrisches Feld um sie herum erzeugt wird. Das negative elektrische Feld um die Entladungsdrähte bewirkt, dass den Partikeln eine negative Ladung verliehen wird, wodurch sie von den positiv geladenen Sammelplatten angezogen werden.

Wie elektrostatische Abscheider funktionieren

Sammelplatten

Sammelplatten haben eine lange, dünne rechteckige Form und werden auch als Sammelplatten bezeichnet. Partikel werden durch elektrostatische Kraft zu den Platten hingezogen. Sobald sich Partikel auf den Platten angesammelt haben, gibt es einen Mechanismus zum Schütteln der Platten, wodurch die Partikel aufgrund der Schwerkraft in die Sammeltrichter am Boden des ESP fallen.

Elektrostatische Kraft

Klopfsystem

Der Mechanismus, der zum Schütteln (Schlagen/Treffen) der Platten verwendet wird, wird als Klopfsystem bezeichnet, während der Prozess als Klopfen bekannt ist. Andere Klopfsysteme sind verfügbar, nasse ESPs verwenden Wasser, um die Platten zu spülen, während trockene ESPs kein Wasser verwenden (der zuvor erwähnte Mechanismus ist der trockene Typ ESP).

Klopfsystem für Sammelplatten

Klopfer/Hämmer sind über ein Reduktionsgetriebe mit einem gemeinsamen Schaft mit einem Elektromotor verbunden. Wenn das System gestartet wird, rotieren die Hämmer und kollidieren mit den Sammelplatten. Wenn die Hämmer auf die Sammelplatten treffen, werden die angesammelten Partikel auf den Oberflächen der Sammelplatten durch die resultierenden Vibrationen freigesetzt und fallen in die Sammeltrichter am Boden des ESP.

Fördersystem

Partikel/Staub wird über ein Fördersystem aus den Trichtern entfernt; es kann dann direkt in einen Lastwagen, Eisenbahnwagen, Barge oder Schiff entladen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die gesammelten Partikel in Schlammwerkstrichter zu entladen, wo sie mit Wasser gemischt werden, um einen Schlamm zu bilden. Wenn die Partikel monetären Wert haben, können sie trocken in einem großen Silo gelagert werden; dies ist normalerweise der Fall bei Flugasche, da sie an Zementhersteller verkauft werden kann.  

Wie ESPs funktionieren - Zusammenfassung

Der Prozess, der in einem ESP stattfindet, kann durch das untenstehende Schema zusammengefasst werden.

 Prozessablauf eines elektrostatischen Abscheiders

Wartung von elektrostatischen Abscheidern

Die Wartung eines elektrostatischen Abscheiders konzentriert sich hauptsächlich auf die mechanischen und elektrischen Komponenten. Die folgenden häufigen Probleme können zu einer Verringerung der ESP-Effizienz führen:

• Verlust des elektrischen Feldes aufgrund von Drahtbrüchen - dies geschieht typischerweise aufgrund von Erosion von Teilen durch Staubpartikel oder durch Überfüllung der Sammeltrichter, was zu Kurzschlüssen einiger Entladungsdrähte führt; ein Überfüllungsszenario ist im untenstehenden Bild zu sehen.

Überfüllter elektrostatischer Abscheider (Sammelplattenseite)

• Unfähigkeit des Klopfsystems, Staub von den Sammelplatten zu entfernen aufgrund von Antriebsverlust am Klopfsystem - dies geschieht normalerweise, wenn der Motorscherstift aufgrund eines festgefahrenen Lagers am gemeinsamen Schaft abschert.

Die oben genannten Defekte können nur behoben werden, wenn der ESP außer Betrieb (offline) ist. Wartungsarbeiten beinhalten das Betreten des ESP und die visuelle Inspektion der Komponenten und Teile. Um den ESP zu betreten, müssen die Trichter möglicherweise zuerst geleert werden. Aus diesem Grund werden Wartungsarbeiten typischerweise über mehrere Tage abgeschlossen. Während eines langfristigen Stillstands werden in der Regel die folgenden Wartungsaufgaben durchgeführt (abhängig vom ESP-Design):

• Waschen/Spülen des Abscheiders.
• Stilllufttests zur Überprüfung der Stärke des entwickelten elektrischen Feldes um die Entladungsdrähte.
• Begradigung von verbogenen Entladungs- und Sammelplatten.
• Austausch von abgenutzten Sammelplatten.
• Austausch von beschädigten Entladungsdrähten.
• Überholung der Klopflagerbaugruppen.
• Austausch von beschädigten Klopfhämmern.

Die Wartung der elektrischen Komponenten am ESP umfasst typischerweise die Überprüfung der Entladungsdraht-Isolatoren auf Schäden und die Funktionalität von Motoren und Spannungswandlern. Spannungswandler sind normalerweise vom hermetischen Transformator-Design und sollten gemäß dem Wartungsplan der elektrischen Maschinen der Anlage gewartet werden.

Tipp – die Wartung von ESP-elektrischen Transformatoren wird oft vernachlässigt aufgrund ihrer Lage (auf dem ESP). Obwohl elektrische Transformatoren sehr zuverlässig sind, gab es Fälle, in denen ESP-Transformatoren ausgefallen sind und Feuer gefangen haben; dies ist besonders ein Problem bei hermetischen Transformatoren, da sie Mineralöl enthalten. Aufgrund der Lage eines ESP-Transformators auf dem ESP ist es schwierig, das Feuer zu löschen, selbst wenn die Feuerwehr mit Spezialausrüstung und Maschinen eintrifft. Aus diesem Grund kann das Feuer kontrolliert "ausbrennen" gelassen werden, was zu erheblichen Ausfallzeiten (ungeplante Ausfallzeit) führt.

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_precipitator

https://www.babcock.com/resources/learning-center/basic-esp-operation

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Electrostatic_precipitator

https://power.mhi.com/products/aqcs/lineup/dust-collector