KR20140034167A - 습식 전기 집진기용 내부식 전도성 복합재료 집전 전극 - Google Patents

습식 전기 집진기용 내부식 전도성 복합재료 집전 전극 Download PDF

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Abstract

탄소섬유 및 열경화성 교차결합 수지를 포함하는 전기-전도성, 부식 저항성 그리고 온도 및 스파크 저항성의 복합재료는 직조형태 및 섬유두께를 제어함에 의해 부식 밀도 및 방향의 관점에서 아크 저항성이 향상되었다. 이 발명의 범위 내에서의 변경은 가능하다.

Description

습식 전기 집진기용 전도성 복합재료{Conductive Composite Material for Wet Electrostatic Precipitator(ＷＥＳＰ)}
본 발명은 습식 전기 집진기 응용을 위한 전도성 복합재료에 관한 것이다.
습식 전기 집진기는 정전기수단에 의해 물-포화 공기 및 다른 가스들로부터 먼지, 산성안개 및 다른 미립자들을 제거하기 위하여 수년 동안 사용되어 왔다. 습식 전기 집진기에 있어서, 미립자들 및/또는 안개가 가득한 물-포화 공기는 집진기의 방전 및 집전 전극들 사이의 영역으로 흐르고, 여기서 미립자들 및/또는 안개는 고전압 방전전극들로부터 방사되는 코로나에 의해 전기적으로 충전된다. 물-포화 가스가 습식 전기 집진기 내를 더 흐르기 때문에, 충전된 미립자들 및/또는 안개는 접지된 집전 판들 또는 전극들로 정전기적으로 끌어들여 져 수집된다. 축적된 물질들은 물의 두레질 필름 및 주기적 플러싱(flushing)에 의해 계속적으로 세탁되어진다.
습식 전기 집진기들은, 소각로들, 나무제품제조소, 코크스 제조 가마, 유리용광로들, 비철 야금플랜트들, 석탄연소 발전플랜트들, 목재시설들, 식품건조플랜트들 및 석유화학플랜트들과 같은, 다양한 산업원들로부터 발생하는 가스 흐름으로부터의 오염물질들을 제거하는데 사용되었다.
전통적으로, 처리가스 흐름에 노출되는 전기 집진기의 집전표면들 및 다른 부분들은 탄소강, 스테인레스강, 부식 및 온도 저항 합금 그리고 납으로 제조되었다. 그러나, 그러한 물질들은 특히 집진기들이 극심한 환경에서 사용될 때 시간이 흐르면서 부식되거나 및/또는 품질이 저하되는 경향이 있다. 탄소 및 스테인레스 강은 극심한 산성조건 하에서 부식하거나 침식되는 경향이 있다. 강화 열가소성수지는 심각한 부식조건 및 불꽃의 영역들에서의 국부적 고온에 기인하여 침식 및/또는 얇은 조각으로 갈라지는 경향이 있다.
플라스틱 물질의 사용을 포함하는 집전표면들을 제조하기 위한 다른 방법들이 사용되어 왔다. 그러나, 이들 물질들은 장비의 전기적 접지를 보장하기 위하여 계속되는 물 막을 필요로 하고, 이것이 문제가 있는 것으로 나타났다. PVC, 폴리프로필렌 및 기타 유사물질들이 사용되어 왔지만 구멍들 및 섬락-유도 불꽃들로 시달려서 광범위하게 사용되지 않는다.
본 출원인에게 양도된 PCT 공개공보 WO2008/154,735 및 WO2010/108,256호에는, 습식 전기 집진기에 사용된 부품을 제조하는데 사용하기 위한 좋은 열 소멸을 갖는 전기적-전도성의, 부식 저항성의 그리고 온도 및 스파크 저항성의 복합재료가 개시되어 있다. 그러한 물질들은 일반적으로 교차결합 구조로 열경화성 수지와 함께 탄소섬유를 포함한다.
거기에 개시된 바와 같이, 여기서 이용된 전기 전도성 복합재료는 상승된 온도와 함께 건조 및 포화 안개환경을 포함하는 높은 부식성 작동조건을 위하여 설계된 전도성 복합재료이다. 이 복합재료는 습식 전기 집진기를 위하여 개발된 탄소섬유 및 열경화성 수지의 혼합물이고, 여기서 이러한 물질들은 코로나전압 섬락, 스파크, 침식, 부식 및 전력 아크의 주제로 된다.
특히, 이 복합재료는 열경화성 수지 내에 탄소섬유를 포함하고 매우 강한 분자 구성요소들이 서로 결합 된 전체적으로 교차결합 구조를 형성한다. 이 합성망은, 전도성 혼합 복합재료를 구멍 냄 없이 전압 섬락을 얻는, 전기 집진기의 튜브들 내에서 코로나의 개시 후 고전압 전류에 견디어내는 것을 나타냈다. 이러한 스파크 저항 및 호락(arc-over)은 대략 1 밀리초(ms) 동안 500 내지 1000 밀리암페어 까지에서 대략 60 내지 95 KV의 전압에서 발생될 수 있다. 이 복합재료는 또한 4 내지 5초까지의 기간 동안 지속적인 아크에 저항성이 있다. 이들 특성들은 부식을 최소화하고 고강도 열 발생을 억제하는데 그리고 전도성 혼합 복합재료에 대하여 구조적, 기계적 또는 화학적 변화를 방지하는데 매우 바람직하다.
이음매 없는 쌍축 물질 슬리브 속으로 짜여진 탄소섬유는 전기 전도 및 열 분산을 전하는 조밀한 망을 창조한다.
강한 분자 구성요소들은, 라미네이트의 두께를 통해 철해진, 3차원 망을 생성하면서, 서로 결합 된 전체적으로 교차결합 구조를 형성한다. 탄소섬유들은 이음매 없는 쌍축 및 삼축 물질속으로 짜여진다. 이 배열은 라미네이트를 통한 우수한 전기 전도성 및 탁월한 열 분산을 수행한다.
전기-전도 특성 및 우수한 내부식 특성에 부가하여, 전도성 혼합 복합재료는 또한, 스테인레스스틸 및 더 좋은 티타늄으로부터 만들어진 튜브 다발들을 위해 특히 이점이 있는 설치 전 경제적 이점을 갖는 탄소섬유의 경량 및 고강도 품질 때문에, 고정하중을 반 이상으로 줄이는, 구조재료로서의 다른 이점을 제공한다.
이 조성물은, 이 물질이 진공주입, 필라멘트 와인딩 및 고압살균 등으로 알려진 선행 공정들에 의해 튜브 및 시트인 형상들로 형성될 수 있는 반면, 진동수를 사용하는 진동을 통한 위이빙, 꿰맴, 배열에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 이 도전성 복합재료는, 100,000 볼트까지에 코로나 전압 섬락 및 전력 아크를 지탱할 수 없는 종래기술의 열경화성 수지 및 탄소유리섬유 조성물을 개량함에 의해, 포화 된 안개 및 상승된 온도의 높은 부식 환경 내에서도 스테인레스스틸, 합금 및 티타늄에 영향을 주는 부식의 문제를 극복한다.
그러한 전기-전도성, 부식 저항성 그리고 온도 및 스파크 저항성 물질로부터 제조된 습식 전기 집진기 집전전극들의 부식 방향 및 밀도가 탄소섬유의 위이브 패튼(직조 형태) 및 섬유두께를 제어함에 의해 제어될 수 있다는 사실을 발견하였다. 이와 관련하여, 더 조밀한 직조가 집전전극 내의 부식라인의 더 높은 밀도를 가져오는 한편 더 두꺼운 탄소섬유가 더 적은 갈림길 및 분기를 갖는 부식선들을 가져온다.
따라서, 본 발명의 하나의 관점에 있어서, 집전전극이 제공되는데, 이 집전전극은 교차결합된 열경화성 수지 내에 탄소섬유를 포함하는 전기-전도성, 부식 저항성 그리고 온도 및 스파크 저항성 복합재료를 포함하고, 여기서 이 전극의 부식 방향 및 밀도는 제어된다.
이 부식 방향 및 밀도의 제어는 탄소섬유들의 직조형태 및/또는 섬유두께를 제어함에 의해 수행된다. 이 탄소섬유들은 바람직하게는 2x2의 능직배열로 직조되지만, 4x4의 능직과 같은 다른 직조형태가 사용되어 져도 좋고, 평직 및 수자직이 사용되어 져도 좋다.
본 발명의 집전 전극은 전기-전도 특성이 좋고 우수한 내 부식 특성이 있으며 그리고 온도 및 스파크 저항성이 있을 뿐만 아니라 부가하여 종래기술의 것에 비해 탄소섬유의 경량 및 고 강도 품질 때문에, 고정하중을 반 이상으로 줄이는 구조재료로서의 다른 이점도 제공한다.
도 1은 전력-아크 저항성을 위한 샘플들을 평가하는데 사용된 전력-아크 시험설비의 개요도이고, 및
도 2 내지 도 6은 이하의 실시예들에 기재된 바와 같이 시험된 샘플들의 광학현미경으로 촬영한 사진들이다.
도 1을 참조하면, 단일의 3m 길이 250mm 육각형 집합관이, 50kV, 8mA NWL 변압기/정류기(T/R)세트에 의해 전력이 공급된, 실험실 시험소에 설치되어 졌다.
육각형 관에 병렬로 콘덴서 뱅크가 설치되었다. 정전용량은 각각이 5m 길이 및 250mm 등가지름의 대략 277 관들에 등가 하였다. 합성물 샘플들이 시험 집합관 상에 탑재되어 진 인접한 곳의 주(에미팅)전극 상에 날카로운 방전 스파이크를 시행하였다. 샘플 상의 아크 접촉점에서 소멸되는 전력-아크는 약 67 Joules 발생되었다. T/R 세트 상의 제어기는 아크가 측정될 수 있었던 것이었다. 이들 전력-아크들은 제어기 상에서 독출되는 통합된 아크 계수가 스톱워치 및 수동 스파크 계수기를 사용하여 증명될 수 있을 만큼 본질적으로 충분히 큰 강력한 것이었다.
실시예들
실시예 1
이 실시예는 304L 스테인레스스틸(SS304L)을 위하여 획득된 시험결과를 개시하고 있다.
SS304L로 구성된 샘플은 비교목적을 위하여 도 1의 시험설비로 테스트되어졌다. 3400 아크는 점 부식을 일으켰고, 10000 아크는 심각한 부식을 일으켰고, 그리고 13000 아크는 광범위한 금속 손상을 일으켰음이 발견되었다. 10000 아크에서의 손상은 아주 의미가 있었다. 아크의 이 레벨은 습식 전기 집진기 조작의 전 스케일에서 통상적으로 경험 되지 않는다. 이 레벨은 추가 아크 저항 비교시험을 위한 표준으로 임의대로 사용되어졌다.
실시예 2
이 실시예는 부식 방향 및 밀도에 대한 섬유직조형태 및 섬유두께의 효과를 보여준다.
네 샘플들의 복합재료들이 집전전극들 속으로 형성되었고 도 1에 도시된 전력-아크 시험설비에 배치되었다. 두 샘플들은 고열 왜곡 온도, 부식 저항성, 에폭시 비닐 에스테르 수지와 함께 2x2 능직 탄소섬유로부터 만들어졌다(샘플 1 및 샘플 2). 추가의 두 샘플들(샘플 B1-A 및 B1-B)은 1x4 능직 탄소섬유로부터 동일하게 구성되었고 3000 및 13000 아크에 놓여졌다. 아크 시험 후, 이 샘플들은 아크 내구성의 높은 레벨과 함께 탄소 합성 라미네이트들을 제공하는 메카니즘을 더 이해하기 위하여 광학현미경으로 분석되었다.
종합적으로, 모든 샘플들에 있어서 전기아크부식의 총량은 라미네이트의 시험된 총 표면영역 및 두께에 비교하여 비교적 작았다. 도 2는 상면 도를 보여주고 도 3은 시험영역의 주변에서 발견된 전형적인 아크 핀홀(pinhole, 작은 구멍)의 단면도를 보여준다. 대충의 표면부식영역평가는 표면부식의 mm2당 200 내지 1400 아크를 준 샘플 1에서 수행되었다. 샘플 1에서의 아크부식의 량은 3000 아크와 함께의 샘플 B1-A와 비교적 근접했다.
샘플 1에 있어서, 횡방향의 섬유들의 다발에 시행된 부식의 단면은 39 내지 285μm의 개구와 함께 46 내지 113μm의 범위의 관찰된 불탄 곳의 깊이로 잘 나타난 "V"(도 5)가 발견되었다. 관찰된 이 최대 부식깊이는 라미네이트 두께의 단지 3.9% 및 침식된 표면 라미나 두께의 15.6%로 비교적 작았다. 토우(tow)의 길이방향으로 시행된 침식의 단면은 덜 잘 나타나는 것으로 발견되었다(도 6). 관찰된 불탄 곳의 길이는 그것의 길이를 가로지르는 깊이가 가변함과 함께 약 380μm였다.
아크의 부가(2120 아크의 샘플 1 대 10041 아크의 샘플 2)와 함께, 앞서 보여준 특성의 대부분은 다시 나타났지만, 그러나, 부식의 길이와 폭이 증가 되었고 부식의 관찰된 최대 단면 깊이가 364.2μm로 증가 되었다. 이것은 라미네이트의 11% 및 표면 라미나의 2/3로 된다.
샘플 1 및 샘플 2와 함께, 아크 부식의 집합체가 목표로 된 표면 토우에 횡으로 시행된 직선들을 형성했다(도 4 참조). 2x2 능직 샘플들의 부식은 두 평행선들로 부식하는 경향을 가졌다(도 4에서 원으로 된 쌍의 선들). 이들 부식 선들의 각각은 층 아래에 있는 대응하는 토우와 연합되었다. 도 4에 있어서, 점선들은 씨실에 있는 단일 토우의 그리고 날실 방향에 있는 단일 토우의 양 가장자리를 따라 도시된 것이다. 이들 토우들을 따라 두 상 하 능직 패튼의 사이클링이 부식선들의 방향을 어떻게 제어하는지에 대해 아는 것이 가능해졌다.
10041 아크의 샘플 2는 2120 아크의 샘플 1에서 보여 준 것들로부터 추가적 경향을 가졌다(도 4 참조). 부식깊이가 그 아래에서 반대 섬유방향으로 움직이는 토우들에 닿는 즉시, 부식의 통로가 새로이 목표로 한 토우의 것에 횡으로 변경되었다. 이것은 직각회전을 그리고 씨실 또는 날실 방향으로 움직이는 부식 선들에 있어서의 분기들을 만들었다.
1x4 능직 샘플들에 관하여, 샘플들 B1-A 와 B1-B(1x4능직) 및 앞서 논의된 샘플들 1과 2(2x2 능직)의 아크 부식 사이의 차이는 주 부식 집중의 위치였다. 샘플 B1-A 와 B1-B 부식은 주로 능직-1 방향으로 움직이는 섬유의 토우들 상에 맞추어 졌고 능직-4 방향은 어떤 주 부식이 비교적 명확했다. 이 샘플 1(2x2 능직)에 대조적으로, 아크 부식은 씨실 및 날실 두 방향 상에 균등하게 배분되었다.
상기와 같은 발견들은 섬유직조형태 및 섬유두께를 제어함에 의해 부식 방향 및 밀도를 제어할 수 있는 가능성을 제공한다. 샘플 2에서 알 수 있는 바와 같이, 직조에 있어서의 각 교차점은 하나의 부식 선을 포함했다. 여기서, 더 조밀한 직조가 더 높은 밀도의 부식 선들을 만든다는 것으로 결론될 수 있었다. 또한, 더 두꺼운 섬유들이 더 적은 회전 및 분기들을 갖는 부식 선들을 만들 것이다.
샘플 2의 아크시험(10041 아크) 후, 단지 육안관찰에 의한 것은 샘플의 광택의 상실로 인한 표면퇴색이었다. 손상이 너무 작았기 때문에, 새로운 도전성 합성물은 SS304L보다 아크 부식에 대한 저항성이 더 좋았다.
실시예 3
이 실시예는 습식 전기 집진기 부품들 사이의 접합에 대한 아크 이행을 보여준다.
탄소섬유 복합재료로부터 습식 전기 집진기의 조립에 있어서, 부품들은 결합제를 사용하여 함께 점착된다. 그러한 습식 전기 집진기의 조립은 본 출원인에게 양도된 PCT 공개 제 WO 2011/029186호에 개시되어 있다. 점착제로서 사용을 위한 제재들은 PCT 공개 제 WO 2011/147016호에 개시되어 있다.
보조 부품들의 점착결합은 새로운 습식 전기 집진기 설계의 조립에 있어서 중대한 영향이 있다. 접합의 아크 수행을 평가하기 위하여, 두 샘플 플라크들이 도전성 접합제를 사용하여 함께 접합 되었다. 한 샘플은 가능한 한 얇은 접합선을 가졌고(<0.25mm) 다른 하나는 두꺼운 접합선을 가졌다(대략 1.25mm).
두 내부식 전도성 접합제가 하나는 도전성 탄소섬유들의 혼합물과 함께 그리고 다른 하나는 탄소 나노튜브/도전성 탄소섬유 혼합물과 함께 테스트되었고, 이것은 처음으로 동일한 재료비 관점에서 배합되어졌다.
접합제를 적용하기 전에, 기판 플라크들이 절연성의 표면 수지를 제거하기 위하여 사포로 닦여졌다. 사포가 끝나고 한동안 표면의 80%는 탄소섬유들의 노출에 의해 일어난 이방성 반사를 보여주었다. 이 표면의 전도성은 절연성 수지의 대부분이 제거되어 졌는지를 확인하기 위하여 다수의 위치들에서 테스트 되어졌다.
이 접합은 풀 스케일 적용에 근접하는 전기조건에서 테스트 설비 내의 10000 전력-아크에 놓였다. 육안 관찰은 상기에 언급한 비-접합 라미네이트들과 유사한 아크식을 보였다.

Claims (3)

  1. 습식 전기 집진기용 집전 전극에 있어서, 교차결합된 열경화성 수지 내에 탄소섬유를 포함하는 전기-전도성, 부식 저항성 그리고 온도 및 스파크 저항성의 복합재료를 포함하고, 이 전극 상에서 부식 밀도 및 방향이 제어되는 습식 전기 집진기용 집전 전극.
  2. 제 1항에 있어서, 부식 밀도 및 방향의 제어는 탄소섬유들의 직조형태 및/또는 섬유두께에 의해 제어되는 집전 전극.
  3. 제 1항에 있어서, 탄소섬유들은 2x2 능직 배열로 직조 된 집전 전극.
KR1020137027935A 2011-03-28 2012-03-28 습식 전기 집진기용 내부식 전도성 복합재료 집전 전극 KR101993177B1 (ko)

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