JP6089026B2 - 湿式電気集塵機用の耐浸食性導電性複合材料集塵電極 - Google Patents

Description

本発明は、湿式電気集塵機（wet electrostatic precipitator：ＷＥＳＰ）用の導電性複合材料に関する。

湿式電気集塵機は、静電手段によって、水飽和空気及びその他の気体から、埃、酸性ミストおよびその他の粒子を除去するために長年使用されてきた。ＷＥＳＰの中で、粒子および／またはミストを帯びた水飽和空気は、放電電極と集塵電極との間の集塵機の領域を流れ、そこにおいて粒子および／またはミストは、高電圧の放電電極から出射されたコロナによって電気的に帯電される。水飽和ガスがＷＥＳＰ内をさらに流れると、電荷を帯びた粒子状物質および／またはミストは、接地された集塵板または電極に静電的に引き付けられて、そこに集められる。蓄積された物質は、継続的に、水が流れる（irrigating）水膜及び周期的フラッシングの両方によって洗い流される。

ＷＥＳＰは、焼却炉、木材製品製造業、コークス炉、ガラス炉、非鉄冶金プラント、石炭火力発電所、林産物施設、食品乾燥工場、及び石油化学プラントなどの様々な産業源から排出されるガス流から、汚染物質を除去するために使用されている。

従来、プロセスガス流にさらされる電気集塵機の集塵面及び他の部分は、炭素鋼、ステンレス鋼、耐腐食耐熱合金および鉛から製造されている。しかし、このような材料は、経時的に、特に電気集塵機が厳しい環境で使用されている間に、腐食（corrode）および／または劣化する傾向にある。炭素およびステンレス鋼は、厳しい酸性条件下で腐食または浸食（erode）する傾向がある。強化熱可塑性プラスチックは厳しい腐食条件およびスパーク領域での局所的な高温によって、浸食および／または剥離する傾向がある。

他の方法が、プラスチック材料の使用を含む、集塵面を製造するために使用されている。しかし、これらの材料は、機器の電気的接地を確保するために連続的な水膜に依存しており、それが問題であることが判明している。ＰＶＣ、ポリプロピレンおよび他の似たような材料が用いられてきたが、孔とフラッシオーバ誘起火災が禍していることから、広くは使用されていない。

本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ公開番号ＷＯ２００８／１５４７３５とＷＯ２０１０／１０８２５６において、導電性、耐腐食性と耐温度・スパーク性を備え、ＷＥＳＰ中において使用される構成部品の組み立てに使用される、熱放散性に優れた複合材料が記載されている。このような材料は、一般に、架橋構造中に熱硬化性樹脂とともに炭素繊維を含む。

そこに記載されているように、本明細書において使用される導電性複合材料は、高温下での乾燥した環境及び飽和ミスト環境を含む、腐食性の高い運転条件のために設計された、導電性複合材料である。その複合材料は、湿式電気集塵機のために開発された熱硬化性樹脂と炭素繊維のブレンド物であり、そのような材料は、コロナ電圧フラッシオーバ（corona voltage flash over）、スパーク、浸食、腐食やパワーアーク（power arc）に曝される。

特に、複合材料は、熱硬化性樹脂中にカーボン繊維を含み、熱硬化性樹脂中では、非常に強い分子構造ブロック（molecular building blocks）が、互に結合した、かつインターコネクト（interconnects）における、完全に架橋された構造を形成している。その結果として得られる網目（network）は、電気集塵器の管内でのコロナ発生後に、導電性ハイブリッド複合材料を孔食せずに電圧フラッシオーバを得て、高電圧電流に耐えることが証明されている。このような耐スパーク性（spark resistance）及びアークオーバー（arc-over）は、約１ミリ秒の間、最大５００〜１０００ミリアンペアで約６０から９５ＫＶの電圧で、生成されることができる。その複合材料は、同様に、最大で４〜５秒までの期間、持続的なアーク放電に耐性がある。これらの特性は、腐食を最小限に抑え、高強度の発熱を抑制し、導電性ハイブリッド複合材料に対する構造的、機械的又は化学的な変化を防ぐために、非常に望ましい。

シームレスな２軸材料スリーブ（seamless biaxial sleeve）に織った炭素繊維は、熱硬化性樹脂の中に、電気伝導性と熱分散性を付与する密な網目を生成する。

強い分子構造ブロックは、互いに結合した、そしてインターコネクトとしての、完全に架橋された構造を形成し、積層体の厚みにわたって縫われた三次元網目を生成する。炭素繊維は、シームレスな２軸材料や３軸材料に織り込まれる。この配置は、積層体全体に、優れた電気伝導性と優れた熱放散性を付与する。

導電特性と優れた耐食性に加えて、炭素繊維の軽量かつ高強度の品質のおかげで、導電性のハイブリッド複合材料は、建設材料として、さらなる利点も提供し、死荷重を半分以上低減させ、それによって、特にステンレス鋼、及び、さらには高いグレードのチタンから製造される管束に対して有益な、経済的利益がもたらされる。

複合材料は、真空注入、引抜成形、フィラメントワインディング及びオートクレーブ処理として知られている従来技術の方法によって、チューブとシートである形状に形成することができるが、その一方、周波数を用いる振動を介したアライメント（alignment）、ステッチ、製織、により製造することができる。

最大１００，０００ボルトにおけるパワーアーク及びコロナ電圧フラッシオーバに耐えることができない、熱硬化性樹脂と炭素繊維ガラス組成物の先行技術を改善することにより、この導電性複合材料は、腐食性の高い環境中、飽和ミストと高温の中での、ステンレス鋼、合金、及びチタンに及ぼす腐食の問題を克服するものである。

そのような導電性、耐食性、耐温度・スパーク性の材料から調製されたＷＥＳＰ集塵電極における浸食方向及び浸食密度（erosion direction and density）は、炭素繊維の織パターン及び織物の厚みを制御することによって制御することができることが、今や見出された。これに関して、より緊密な（tighter）織物は集塵電極においてより高密度の浸食線（erosion lines）を生み出すが、その一方、より厚い炭素繊維織物は、より少ないターン（turns）と分岐を持つ浸食線を生成する。

したがって、本発明の一態様では、架橋された熱硬化性樹脂中に存在する炭素繊維を含む、導電性、耐腐食性、耐温度・スパーク性の複合材料を含む集塵電極が提供され、この電極における浸食方向及び浸食密度は、制御される。

浸食密度および浸食方向の制御は、炭素繊維の織物の厚みおよび／または織りパターンを制御することによって行うことができる。炭素繊維は好ましくは２×２の綾織配置で織られるが、他の織りパターン、例えば４×４綾織り、平織り及びサテン織りが採用できる。

サンプルの耐パワーアーク性を評価するために使用されるパワーアーク試験リグの概略図である。 以下の例に記載され試験されたサンプルについて、光学顕微鏡によって撮影された写真である。 以下の例に記載され試験されたサンプルについて、光学顕微鏡によって撮影された写真である。 以下の例に記載され試験されたサンプルについて、光学顕微鏡によって撮影された写真である。 以下の例に記載され試験されたサンプルについて、光学顕微鏡によって撮影された写真である。 以下の例に記載され試験されたサンプルについて、光学顕微鏡によって撮影された写真である。

好ましい形態の説明
図１に示すように、長さ３メートル、２５０ｍｍの六角形集塵管（collecting tube）１本を、５０ｋＶ、８ｍＡのＮＷＬ変圧器／整流器（Ｔ／Ｒ）セットを備える、実験室の試験台上に設置した。

コンデンサ群（bank）を、六角形の管と並列に設置した。容量は約２７７個の管（それぞれ５ｍ長、２５０ｍｍ相当径）と同等であった。尖った放電スパイクがマスト型（放電）電極（mast (emitting) electrode）上に設置されており、その隣にて、複合材料サンプルが試験集塵管に装着された。パワーアークが約６７ジュールを生成し、これはサンプル上のアーク接触点で放散されることになる。Ｔ／Ｒセット上のコントローラは、アークがカウントできるようなものだった。これらのパワーアークは、本質的に堅牢で、コントローラの内蔵アークカウントの読み取りをストップウォッチと手動のスパークカウントを使用して検証することができるように十分な音量があった。

例１
この例は、３０４Ｌステンレス鋼（ＳＳ３０４Ｌ）について得られた試験結果を記載している。

ＳＳ３０４Ｌで構成されたサンプルを、比較のために、図１の試験装置で試験した。３４００のアークが孔あけ（pitting）を引き起こしたことが判明した、１００００のアークが激しい孔あけと金属損傷をもたらし、そして１３０００のアークが広範囲な金属損傷をもたらした。１００００のアークによる損傷は非常に顕著であった。このレベルのアーク発生は、通常、フルスケールのＷＥＳＰの運転では経験されない。このレベルは、随時、更なる耐アーク性比較試験の標準として使用された。

例２
この例は、浸食密度と浸食方向に及ぼす繊維の織りパターンと織物の厚みの影響を示すものである。

複合材料の４つのサンプルが、集塵電極に形成され、図１に示すパワーアーク試験装置に配置された。２つのサンプル（サンプル１及びサンプル２）が、高い熱変形温度、及び耐食性を有する、エポキシビニルエステル樹脂とともに、２×２綾織りカーボン繊維から製造された。さらに２つのサンプル（サンプルＢ１−Ａ及びＢ１−Ｂ）が、１×４綾織り炭素繊維織物から同様に製造され、３０００アークおよび１３０００アークに曝された。アーク試験後、その炭素複合材料の積層体が高レベルのアーク耐久性を提供するメカニズムを更に理解するために、そのサンプルを光学顕微鏡で分析した。

全体的に、全てのサンプルにおいて電気アーク浸食の総量は、積層体の試験された全表面積及び厚さに比べて、比較的小さかった。図２は試験領域の周囲に見出された典型的なアークピンホールの上面図を示し、図３はその断面図を示す。サンプル１について浸食表面１ｍｍ^２当たり２００から１４００のアークを与えて、表面浸食領域の粗い見積もりを行った。サンプル１におけるアーク浸食の量は、サンプルＢ１−Ａについて３０００アークを行った場合と、比較的近かった。

サンプル１において、繊維の横方向の束において進行する浸食の断面は、３９μｍから２８５μｍの開口を伴う４６μｍから１１３μｍの範囲の観測された熱傷の深さを有する、輪郭明瞭なＶ型（well defined "V"）（図５）であることがわかった。観察された最大浸食深さは、比較的に小さく、ラミネートの厚みのわずか３．９％であり、浸食された表面薄層（surface lamina）の厚みの１５．６％であった。トウの長手方向に進行する浸食の断面はあまり輪郭明瞭でないことが分かった（図６）。観測された熱傷の長さは約３８０μｍであり、その長さを横切って深さが変化した。

更なるアークを加えると（サンプル１＠２１２０アーク対サンプル２＠１００４１アーク）、以前に見られた特徴の大部分が再現されたが、浸食の長さと幅が増加し、観測された浸食の断面深さの最大値は３６４．２μｍに増加した。これは、積層体の１１％であり表面薄層の２／３であると言い換えられる。

サンプル１および２では、アーク浸食の集積が、標的の表面トウに対して横方向に進行する直線を形成した（図４を参照）。２×２の綾織りサンプル中の浸食は２本の平行線（図４の丸で囲まれた対の線）となって浸食する傾向を示した。これらの浸食線の各々は、その下の層における対応するトウと関連していた。図４では、横糸の単一トウ及び縦糸方向の単一トウの両方の縁をたどるように、点線が描かれている。これらのトウを追跡することによって、２アップと２ダウンの綾織りパターンのサイクルが浸食線の方向をどのように制御するかを見ることが可能であった。

１００４１のアークが与えられたサンプル２は、２１２０アークが与えられたサンプル１で見られた傾向に対して、追加の傾向があった（図４を参照）。浸食深さが、織物の反対方向に走る下方のトウに一旦達すると、浸食の進路は、新たに標的とされたトウの進路を横切るように変更された。これによって、縦糸方向及び横糸方向の一方を進行する浸食線において直角なターンや分枝が生成された。

１×４の綾織サンプルについては、サンプルＢｌ−ＡおよびＢｌ−Ｂ（１×４綾織）と以前に議論したサンプル１および２（２×２綾織）とのアーク浸食の違いは、主要な浸食集中（concentrations）の場所であった。サンプルＢｌ−ＡおよびＢｌ−Ｂの浸食は、主に、綾織―１の方向に進行する織物のトウに集中しており、綾織―４の方向は、主要な浸食が比較的に無い。対照的に、このサンプル１（２×２綾織）では、アーク浸食は横糸方向と緯糸方向の両方に均一に分布していた。

上記の知見は、織物の織りパターンと厚みを制御することにより、浸食密度と浸食方向を制御する可能性を提供している。サンプル２に見られるように、織りの各交差点は、一つの浸食線を含んでいた。従って、織りが密であるほど、浸食線の密度が大きくなる、と結論付けることができる。織物が厚いほど、より少ないターンや分岐を伴う浸食ラインを生成する。

サンプル２（１００４１アーク）のアークテスト後、肉眼では、サンプルの艶（sheen）、または光沢（luster）の喪失による、表面の変色だけが観察された。損傷は非常に小さかったので、新たな導電性複合体はＳＳ３０４Ｌよりもアーク腐食耐性が良好であると結論された。

例３
この例は、ＷＥＳＰコンポーネント間の接合部のアーク性能を示している。

複合炭素繊維材料からのＷＥＳＰの組立体において、コンポーネントは、結合配合物（bonding formulation）を用いて接着されている。このようなＷＥＳＰの組立体は、本願の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれた、ＰＣＴ公開番号ＷＯ２０１１／０２９１８６に記載されている。接着剤として使用するための配合物は、本願の譲受人に譲渡され参照により本明細書に組み込まれた、ＰＣＴ公開番号ＷＯ２０１１／１４７０１６に記載されている。

サブコンポーネントの接着性の結合が新しいＷＥＳＰ設計の組立体における主要な事項である。結合部のアーク性能を評価するために、２つのサンプルのプラーク（plaque）が、導電性接着配合物を用いて結合された。ひとつのサンプルは、できるだけ細い（＜０．２５ｍｍ）結合線（joint line）を有しており、別のサンプルは、太い（約１．２５ｍｍ）結合線を有していた。

二つの耐食性導電性接着配合物を試験した。一つは導電性炭素繊維の混合系であり、他の一つは、最初のものと材料コストが同じになるように配合された、カーボンナノチューブ／導電性炭素繊維の混合系である。

結合配合物を塗布する前に、基板プラークは、表面の絶縁性樹脂を除去するために紙やすりで磨いた。表面の８０％が炭素繊維の曝露によって引き起こされる異方性反射を示したところで、研磨を停止した。表面の導電率を、絶縁性樹脂の大部分が除去されたことを確認するために、複数の場所で測定した。

その結合部は、試験設備内において、フルスケールでの適用に近似する電気的条件で、１００００パワーアークに曝された。上で議論された、非結合の積層体と同様のアーク浸食が、視覚で観察された。

発明の概要
本開示を要約すると、炭素繊維と架橋された熱硬化性樹脂を含む、導電性、耐食性かつ耐温度・アーク性の複合材料が、織りパターンと織物の厚みを制御することにより、浸食密度および浸食方向について、改善された耐アーク性を有している。本発明の範囲内での変更は可能である。

Claims (2)

1. 導電性、耐食性、耐温度及び耐スパーク性を備えた複合材料から作られた湿式電気集塵装置のための集塵電極の浸食方向および浸食密度を制御する方法であって、
   前記複合材料が、架橋構造にある熱硬化性樹脂中に織り炭素繊維を含み、
   前記方法が、炭素繊維の織りパターンおよび／または炭素繊維の織り厚さを変化させることを含み、
   ここで、炭素繊維の織りパターンの緊密さの増加が、前記電極の浸食密度を増加させ、
   炭素繊維の織り厚さの増加が、より少ないターンと分岐を持つ浸食線を生成させる、
   方法。
2. 前記炭素繊維が２×２の綾織配置で織られていることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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