Elektrostaatiline filter

Elektrostaatiline filter ehk elektrifilter (inglise keeles electrostatic precipitator, lühend ESP) on elektrostaatikal põhinev seade tahkete osakeste eraldamiseks gaasist, peamiselt suitsugaasist või õhust.

Vardakujuliste aktiivelektroodide ja plaadikujuliste kogumiselektroodidega elektrostaatilise filtri skeem.
Kõrgepingelise elektrivälja toimel tekib elektroodide vahelt läbivoolavas gaasis negatiivse laenguga molekule (ioone), mis tahkete osakestega põrkudes annavad neile laengu edasi ja negatiivselt laetud osakesed tõmbuvad positiivsele kogumiselektroodile

Elektrostaatilise filtri tööpõhimõte pakuti välja aastal 1824 ja 1907 patenteeris Frederick Cottrell esimese tööstusliku mudeli.

Tööpõhimõte

Gaasivoolust tahkete osakeste elektrostaatilise eraldamise protsessi saab jagada viieks faasiks:

1. vabade negatiivsete elektrilaengute (elektronide ja gaasi ioonide) saamine kõrgepingelises elektriväljas;
2. tahkete osakeste laadimine (ioniseerimine);
3. negatiivselt laetud osakeste triivimine kogumiselektroodi poole;
4. osakeste sadenemine kogumiselektroodile;
5. sadenenud kihi eemaldamine elektroodilt.

Kuigi gaasis liikuvatel osakestel on sageli loomulik elektrostaatiline laeng, ei piisa sellest kaugeltki nende kiireks jõudmiseks vastassuunaliselt laetud elektroodini. Seepärast suurendatakse nende laengut elektriväljas. Selleks vajalik väli tekitatakse negatiivse aktiivelektroodi ja maandatud kogumiselektroodi vahelise kõrge, kuni 100 kV alalispingega. Kui rakendatud pinge on piisavalt kõrge, tekib elektriline koroonalahendus, milles vabanenud elektronid ioniseerivad gaasimolekule elektroodide läheduses.

Uute laengute tekitamise mehhanismis on otsustav osa põrkeionisatsioonil. Gaasis leiduvad vabad elektronid saavad elektrostaatilises väljas aktiivelektroodi läheduses suure kiirenduse (vt gaaslahendus). Kui kiire elektron tabab gaasi molekuli, võib see eraldada molekulist elektrone või liituda molekuliga. Esimesel juhul tekivad uued vabad elektronid ja positiivne gaasi ioon, teisel juhul negatiivne gaasi ioon. Positiivsed gaasi ioonid neutraliseeritakse pihustusvõrega, negatiivsed laengud (vabad elektronid ja gaasi ioonid) aga liiguvad kogumiselektroodi poole.

Tahkete osakeste laadimine toimub nende põrkumisel negatiivsete laengutega (gaasi ioonide ja elektronidega). Laadimisprotsess võib põhineda elektrivälja toimel või difusioonil. Elektriväljas tabavad gaasi ioonid oma suunatud liikumisel tahkeid osakesi ja laevad neid (annavad neile edasi oma negatiivse laengu). Väga väikesed osakesed (d < 0,1 µm) välja toimel ei laadu ja osakesed saavad difusioonlaengu (Browni liikumisest tingitud kokkupõrgetest).

Negatiivse laenguga tahked osakesed suunduvad neile elektriväljas rakenduva jõu mõjul (Coulomb'i seadus) risti gaasi voolusuunaga kogumiselektroodile, kus vabanevad oma laengust. Kuna osakeste triivi kiirus kogumiselektroodi poole on suhteliselt väike, peab filtreerimisrada olema piisava pikkusega ja puhastatav gaas ei tohi sellest liiga kiiresti läbi voolata.

Pärast seda, kui osakesed on oma laengust vabanenud, rakendub neile adhesioonijõud, mille määrab põhiliselt elektrivälja tugevus elektroodi külge „kleepuvas“ osakeste kihis. Tahke osake sadeneb elektroodile, kui adhesioonijõud on suurem kui gaasi voolust põhjustatud jõud.

Ehitus

Elektrijaama elektrostaatiline filter

Elektrostaatilised filtrid erinevad omavahel filtreerimisvahemikke moodustavate elektroodide kuju ja suuruse poolest. Kogumiselektroodideks on õhukesed vertikaalsed metallplaadid, mis on enamasti tasapinnalised, harvemini silindrilised. Aktiivelektroodiks võib olla metallvarras, samuti kruvijooneliselt, laineliselt või siksakiliselt painutatud traat.

Elektrijaama filter võib olla mõnekümne meetri kõrgune, elektroodide vahe kuni mõnikümmend sentimeetrit ning paralleelselt võib olla ühendatud kuni mitusada filtreerimisvahemikku.

Elektrifiltrite tähtsaim tunnussuurus on eraldusaste (ingl separation efficiency). See näitab, kui tõhusalt elektrostaatiline filter gaasivoolust tahkeid osakesi eraldab. Eraldusaste sõltub eelkõige aktiivelektroodi ja kogumiselektroodi vahelisest pingest, milleks enamasti on alalispinge. Seda tekitav pingemuundur koosneb pinget kõrgendavast trafost, alaldist ja reguleermissüsteemist. Trafo primaarahelasse on tarbitava võimsuse reguleerimiseks ühendatud türistorkontroller. Tööpõhimõttest tulenevalt suudavad võrgutrafo ja türistorkontrolleriga töötavad süsteemid reageerida umbes 10 ms jooksul. Kasutusel on ka impulssrežiimis töötavaid pingemuundureid, mille reageerimiskiirust mõõdetakse mikrosekundites. Pingemuundamissüsteem hoiab kõrgepinge maksimaalsel võimalikul väärtusel, mis on veidi väiksem läbilöögiväärtusest.

Filtri tööpingeks võib peale püsiva alalispinge olla pulseeriv alalispinge või impulsspinge.

Sadestuselektroodile tekkivat osakeste kihti tuleb perioodiliselt eemaldada. Enamasti tehakse seda haamermehhanismiga raputades, aga ka veega uhtudes.

Kasutamine

Elektrostaatilisi filtreid kasutatakse peamiselt suitsugaaside puhastamiseks, näiteks soojuselektrijaamades, tahke kütusega (puit, puiduhake, puidugraanulid) köetavates katlamajades, jäätmepõletusjaamades, metallurgia- ja tsemenditehastes.

Suhteliselt madala, kuni mõnekilovoldise pingega kompaktseid filterseadmeid kasutatakse ruumide õhu puhastamiseks selles sisalduvatest võõrosakestest (tolm, tahm, tubakasuits, aerosoolid).