Odlučovač popílku
V kotli energetického bloku se spaluje velké množství uhlí. Plynné spaliny vzniklé hořením práškového uhlí unáší drobné částečky nespálených tuhých zbytků, obecně nazývaných popeloviny neboli popílek. Nebezpečnost popílku není jen v tom, že se po vypuštění z komína usazuje na všem okolo, ale především v tom, že na mikroskopické částečky popílku mohou být vázány jiné nebezpečné látky (například těžké kovy nebo karcinogenní látky vznikající při nedokonalém spalování) a ty se dostávají do ovzduší, které dýcháme. Proto je výskyt tuhých znečišťujících látek vypouštěných ve spalinách do ovzduší důsledně kontrolován a jejich limitní množství je definováno zákonem.
Z uvedeného vyplývá, že spaliny vypouštěné z energetických bloků musí být předem dostatečně vyčištěny – tuhé složky musí být odloučeny z proudu spalin. K tomu slouží odlučovače popílku – speciální filtry nacházející se mezi kotlem a komínem.
Podle principu práce můžeme odlučovače rozdělit na mechanické a elektrické. Mechanické odlučovače nepotřebují k práci energii, ale jejich účinnost klesá se zmenšujícími se rozměry částic. Typickým zařízením této kategorie je cyklonový odlučovač – vertikální válcová nádoba se spodní částí ve tvaru obráceného kužele. Spaliny se velkou rychlostí přivádějí do cyklonu tangenciálně a vlivem odstředivé síly se z nich vyseparují částečky popílku, které klesnou po stěnách cyklonu do dolní výsypky. Vyčištěné spaliny se odvádí středem horní části v ose cyklonu. Účinnost cyklonových odlučovačů je uspokojivá u větších částic popílku, u menších dosahuje jen 70 až 90 %. Proto se k čištění spalin již prakticky nepoužívají. K mechanickým odlučovačům patří ještě setrvačné odlučovače a usazovací komory.
Jiným typem mechanického odlučovače je tkaninový filtr – vaky utkané ze speciálních vláken, které jsou umístěny v proudu vypouštěných spalin. Částečky popílku se v nich zachytí podobně jako prach v sáčku vysavače. Aby se podařilo odfiltrovat i nejmenší částečky popílku, musí být tkanina filtru poměrně hustá, což zvyšuje celkový aerodynamický odpor filtru i doplňkovou energii potřebnou k jeho překonání kouřovým ventilátorem.
Na rozdíl od domácího vysavače se tkaninové filtry po zanesení nevyhazují, ale regenerují a čistí pomocí proudu čistého vzduchu. Odlučivost tkaninového filtru závisí hlavně na kvalitě použité tkaniny a u energetických zařízení (menšího výkonu, s menším objemem spalin) se pohybuje kolem 99 %.
Elektrický odlučovač popílku
Nejpoužívanějším typem v energetice je elektrický odlučovač popílku – objemný box se soustavou vysokonapěťových elektrod, umístěný za kotlem na kouřovodu. K oddělení částic popílku z kouřových plynů využívá přitažlivé síly působící v elektrostatickém poli mezi elektricky nabitými částicemi a elektrodami. Jako první jsou do cesty spalinám v komoře odlučovače postaveny záporné tyčové elektrody, které vyzařovanými elektrony nabíjí prolétající částečky popílku. Když jsou kontaktem s ionty částečky záporně nabity, začínají na ně působit elektrostatické síly a jsou přitahovány ke kladně nabitým deskovým sběrným elektrodám. Těm odevzdají svůj náboj a zůstanou na nich opět jako neutrální částice. Po nahromadění většího množství popílku na sběrných elektrodách se tyto mechanicky oklepávají, přičemž uvolněné shluky popílku padají do spodní části odlučovače do výsypky, odkud jsou pneumaticky dopravovány k dalšímu zpracování. Výsypky svou konstrukcí zabraňují proudění plynů mimo aktivní část odlučovače. Kouřové plyny zbavené pevných částic pokračují dál do komína nebo na další čištění na odsiřovací jednotce.
Na konstrukci pracovní skříně odlučovače jsou kladeny značné nároky po stránce pevnosti i těsnosti. Skříň musí nést těžké systémy elektrod, zabezpečit jejich elektrickou izolaci, odolávat korozi i vnějším povětrnostním vlivům. Systém sběrných elektrod většinou tvoří profilované plechové desky o síle 1–1,5 mm, volně zavěšené v řadách po směru toku kouřových plynů. Jejich spodní části jsou pevně spojeny profilem, který na ně přenáší rázy oklepávacích kladiv. Vysokonapěťové nabíjecí elektrody jsou většinou různě profilované dráty, napnuté v pevném trubkovém rámu. Vyrábí se z legovaných materiálů odolných proti korozi a mechanickému namáhání při oklepávání.
Napětí mezi elektrodami elektrického odlučovače se pohybuje v řádu desítek až stovek kV. Doporučená rychlost spalin v odlučovači je kolem 1 m/s, což je asi jen desetina rychlosti spalin v kouřovodu. Pomalý průtok spalin odlučovačem je nutný, aby nedocházelo ke strhávání jemných částic proudícím plynem při oklepávání sběrných elektrod. Elektrický příkon celého zařízení středně velké elektrárny může dosáhnout až 1 MW. Vzhledem k omezeným výkonům napájecích stejnosměrných zdrojů jsou elektrické odlučovače pro velké objemy spalin často rozděleny na samostatné sekce s vlastním napájením. Odlučivost je velmi dobrá pro všechny velikosti prachových částic, vysoká účinnost je dosahována i pro velmi malé částice s průměrem pod 1 μm. V praxi se účinnost pohybuje kolem skoro neuvěřitelných 99,9 %. Dalšími výhodami elektrických odlučovačů jsou nízká tlaková ztráta filtru, nezávislost na teplotě kouřových plynů a poměrně dlouhá životnost. K nevýhodám můžeme přiřadit značné vstupní pořizovací náklady na stavbu odlučovače, velkou zastavěnou plochu a především horní hranici koncentrace tuhých částic popílku na přibližně 100 g/m3.
Fyzikální principy
Proudící spaliny se skládají z molekul nosného plynu a prachových částic – popelovin. Po vstupu do elektrického odlučovače a snížení rychlosti, spaliny obtékají první drátové vysokonapěťové elektrody, na které je přiveden záporný potenciál velmi vysokého stejnosměrného napětí. Mezi vysokonapěťové elektrody (jsou uspořádány v pevných roztečích) jsou dále vloženy plošné sběrné elektrody, připojené na kladný, uzemněný pól zdroje. Pokud bude přivedené napětí nižší než kritické napětí Ukrit, bude mezi elektrodami určité elektrostatické pole, ale odlučování částic nebude probíhat. Po překročení Ukrit dochází na záporné elektrodě ke vzniku stabilního korónového výboje, emitované elektrony ionizují molekuly nosného plynu, které nabíjí prachové částice. Ty následně putují ke kladné usazovací elektrodě, kde odevzdávají svůj náboj – mezi elektrodami teče proud. Dalším zvyšováním napětí se zvyšuje hodnota intenzity elektrického pole i protékající proud, roste Coulombova síla přitahující částice a tím se zvyšuje odlučovací rychlost částic. Hraničním napětím je napětí přeskokové Up, při kterém dochází k jiskrovému výboji mezi elektrodami. Cílem řízení elektrických odlučovačů je jejich provoz těsně pod hranicí přeskokového napětí. Vztah mezi napětím a proudem elektrického odlučovače vyjadřuje jeho základní provozní voltampérová charakteristika.
Při korónovém výboji vznikají volné pohyblivé elektrony s vysokou rychlostí, které na svém putování od záporné elektrody narážejí na neutrální molekuly nosného plynu a dochází k lavinové ionizaci. Výsledkem je velké množství záporných iontů pohybujících se od nabíjecí (sršící) elektrody, kladné ionty se pohybují zpět k vysokonapěťové elektrodě. Pokud se v prostoru mezi elektrodami v kouřových plynech vyskytují prachové částice, jsou vystaveny toku záporných iontů a získávají záporný náboj. U velmi malých částeček prachu dochází k difuzi iontů na částice. Elektricky nabité částice prachu jsou působením elektrického pole odkloněny z proudu spalin směrem ke sběrným elektrodám, kde se usazují a odevzdávají svůj záporný náboj.
