Sähkösuodattimien tyypillisimmät viat ja vauriot

Ilmansuojelu on jo vuosikausia ollut yksi kestopuheenaiheista niin median kuin teollisuudenkin keskuudessa. Yhä tiukkenevat päästömääräykset merkitsevät usein kasvavia investointikustannuksia uusia voima- tai teollisuuslaitoksia suunniteltaessa ja toteutettaessa. Oma lukunsa ovat myös ne jo olemassa olevat laitokset, jotka joutuvat vanhentuvilla puhdistusyksiköillään tulemaan toimeen kiristyvien päästörajojen kanssa. Tämän artikkelin tarkoituksena on tuoda esiin yhdessä tyypillisimmässä savu- ja prosessikaasujenpuhdistuslaitteessa – sähkösuodattimessa – esiintyviä tyypillisiä vikoja ja ongelmia, sekä korostaa näille laitteille suunnattavan kunnossapidon merkitystä. Yksi yleisimmin käytetyistä savu- ja prosessikaasujen puhdistuslaitteista on sähkösuodatin, jonka varhaisimmat sovellukset tehtiin jo 1800-luvun alkupuolella. Sähkösuodattimen toiminta perustuu sähköstaattisten voimien avulla tapahtuvaan kiinteiden pölyhiukkasten (ei kaasumaisten)sähköiseen varaamiseen ja sitä kautta niiden erottamiseen puhdistettavasta kaasusta. Pölyhiukkasten varaamiseen käytetään yleensä hyvinkin korkeita jännitteitä välillä 50–110 kV, virta-arvojen ollessa laitteiston koosta riippuen vain välillä 200–2000 mA. Rakenteensa ja ominaisuuksiensa johdosta on sähkösuodatin yleisimmin käytetty puhdistin tyyppi mm. kivihiili- ja biopolttovoimaloissa, selluteollisuuden soodakattiloissa ja meesa uuneissa, sekä myös sementti- ja terästeollisuuden keskuudessa. Suomessa on käytössä useita satoja eri kokoisiaja -tyyppisiä sähkösuodattimia.

Korroosio

Savukaasut sisältävät tyypillisesti useita eri kemiallisia yhdisteitä käsittäviä ainesosia, kuten klorideja ja rikin oksideja, jotka jo sellaisenaankin reagoivat terästen kanssa. Kun olosuhteisiin lisätään vielä vaihtelevat lämpötilat ja kaasujen kosteudet on ”maaperä” otollinen korroosion syntymiselle. Tyypillisimmät korroosiolle altistuvat alueet sähkösuodattimissa ovat suodatinkammion nurkat, alareunat ja pohjasuppilot, sekä huolto- ja tarkastusluukkuja ympäröivät alueet. Kuvassa korroosiota kammiossa

Korroosiovaurioiden syitä on useita mutta totuus kuitenkin on, että suurin osa vaurioista kyettäisiin ehkäisemään estämällä kaikki ylimääräiset ilmavuodot kammioissa. Helposti vuotavia kohtia ovat ravistuslaitteiden läpiviennit, huolto- ja tarkastusluukkujen tiivisteet, sekä erotetun pölyn edelleenkuljetuslaitteet. Suodattimessa tehtyjen korjaustöiden yhteydessä mahdollisesti poistettujen eristysmateriaalientakaisin asennuksessa on niin ikään noudatettava tarkkuutta ns. kylmäsiltojen ehkäisemiseksi. Usein vähemmälle huomiolle jäänyt korroosion aiheuttaja on savukaasujen jakautuminen kokosuodattimessa. Mikäli suuri osa savukaasuista kulkee esim. suodattimen yläosassa, ei alaosassa ole välttämättä lainkaan kaasuvirtausta, jolloin korroosio voi vaurioittaa hyvinkin nopeasti suodatinkammion rakenteita. On myös muistettava, että suodattimeen optimaalisesti jakautuvat kaasut parantavat merkittävästi koko yksikön pölynerotustehokkuutta.

Kaasunjakoverho

Sähkösuodattimen kaasunjakoverho, joka sijaitsee suodattimen tulosuppilossa, on suodattimenstaattisista osista useimmiten kaikkein vaurioherkin osa. Pölypitoisista kaasuista ei kaasunjakoverholle tultaessa ole vielä erottunut pois hiukkastakaan joten verho on alttiinajatkuvalle pölykuormalle, joka voi olla hyvinkin kuluttavaa tai kiinnitarrautuvaa. Kuvassa tuloverhon eroosio

Savukaasukanavissa vaihtelevat kaasujen nopeudet yleensä n. 14–18 m/s välillä eikä kaasunjakoverholle tultaessa niiden nopeus ole vielä ehtinyt laskea samalle tasolle kuin sähkösuodattimen sisällä (vrt. 0,5–1,0 m/s). Näin ollen on luonnollista, että savukaasujen sisältämän pölyn aikaansaama eroosiovaikutus voi olla paikoin hyvinkin voimakasta ja kuluttavaa. Jotkut prosessikaasut voivat sisältää myös suuria määriä tahmeaa tai tarrautuvaa pölyä joka voi helposti tukkia osan tai koko kaasunjakoverhon. Näissä tapauksissa verho on yleensä varustettu omalla ravistuslaitteistolla, joka auttaa sen auki pysymisessä, mutta aiheuttaa aikaa myöden myös mekaanisia vaurioita. Kaasunjakoverhon ravistuslaitteet on usein säädetty jatkuvatoimisiksi, joka kuluttaa nopeasti ravistuslaitteiston osia ja voi vaurioittaa myös kaasunjakoverhoa.

Korkeajännite- l. emissiojärjestelmät

Sähkösuodattimen emissiojärjestelmät näyttelevät merkittävää osuutta koko suodattimentoiminnassa – kulkeehan niiden kautta suodattimiin syötetty korkeajännitteinen sähkövirta jollakaasuista erotettavaa pölyä varataan. Ensiarvoisen tärkeää onkin, että kaikki suodattimen Sähkösuodattimien tyypillisimmät viat ja vauriot emissiojärjestelmät ovat oikein rihdattuja ja suoria, jotta jännitevälit erotuslevyjen väleissä pysyvät tasaisina. Näin varmistetaan mahdollisimman suuren toisiojännitearvot (kV) suodattimessa. Korkeajännitteiset emissiojärjestelmät ripustetaan yleensä 3-4:n porsliini eristimen varaan roikkumaan, jolloin rakenne pysyy erotettuna (+)maadoitetusta rungosta. Eristimiä on syytä aina käsitellä varoen ja ne on myös syytä puhdistaa määrävälein esim. saippuavedellä tai tarkoitukseen soveltuvilla liuottimilla. Eristimien pinnalle kertyvä pöly voi johtaa helposti sähköä ja polttaa eristimen pinnan rikki halkaisten eristimen.

Haljennut kannatineristin

Yleinen syy kannatineristimien rikkoontumiselle on kuitenkin rikkoutuneet eristimien lämmitysvastukset, jotka sijaitsevat eristinkammioissa. Lämmitysvastuksia käytetään kosteudenpoistoon, sekä tasaamaan lämpötilaeroja eristimen sisä- ja ulkopintojen välillä. Mikäli suodattimella on käytössä ns. lämminilmahuuhtelujärjestelmä, on em. järjestelmän imuilman esisuodattimen tarkastus/puhdistus hyvä lisätä säännölliseen huolto ohjelmaan. Emissiojärjestelmien kehikot on usein rakennettu jäykiksi käyttäen teräsprofiileja, joten niissä ei juuri esiinny muita vikoja kuin ravistuslaitteiden aiheuttamia kulumia ja satunnaisia ravistusvärähtelyjen aikaansaamia murtumia. Eräitä poikkeuksia on kuitenkin ollut havaittavissa sähkösuodattimissa, joissa kaikki ravistuslaitteet sijaitsevat kenttien päällä. Näissä suodattimissa suurimassaiset emissiojärjestelmät roikkuvat neljän kannatineristimen läpi johdetun kannatintankorakennelman varassa, ja ajan saatossa on em. tankoja murtunut poikki. Alemmassa kuvassa vasemmalla katkennut emissiokannatintanko

Vaurioherkin kohta emissiojärjestelmissä on usein itse emissioelektrodit, joita yhdessä järjestelmässä on suodatintyypistä riippuen aina muutamaan tuhanteen kappaleeseen saakka. Emissioelektrodityyppejä on myös useita erilaisia, joiden materiaalit ja muoto valitaan aina tapauskohtaisesti kuhunkin prosessiin soveltuvaksi. Varsin tyypillinen vaurio on yhden tai useamman emissioelektrodin katkeaminen, joka lähes poikkeuksetta aiheuttaa suodattimessa oikosulun. Oikosulun poistamiseksi ei yleensä ole muuta keinoa kuin laitoksen alas ajaminen ja katkenneen elektrodin poistaminen suodattimesta. Yhden tai muutaman poistetun elektrodin vaikutus koko sähkösuodattimen tehokkuuteen ei vielä ole merkittävää, mutta usein toistuvien oikosulkujen ja alasajojen määrä voi rahassa mitattuna olla hyvinkin huomattava. Koko suodattimen emissioelektrodien uusiminen tulee kyseeseen silloin, kunne ovat menettäneet jäykkyytensä, tai niiden katkeilu on säännöllisen toistuvaa.

Emissioelektrodien kohdalla saattaa joskus tulla kysymykseen myös valmistusmateriaalin vaihto johonkin kestävämpään, esim. haponkestävään materiaaliin. Elektrodien tyypin vaihtaminen johonkin toiseen on myös mahdollista, mutta edellyttää usein pieniä muutoksia myös emissiojärjestelmän rakenteissa. Kuvassa katkennut emissioelektrodi

Erotusjärjestelmä

Toinen sähkösuodattimen ”ytimestä” muodostuu erotusjärjestelmästä, missä suodattimen katosta tai rungosta roikkuvat erotuslevyt muodostavat yhtenäisiä kaasusolia, joissa aiemmin mainitut emissioelektrodit sijaitsevat. Erotuslevyt muodostavat erotuspinnan, johon sähkövarauksen avulla varattu pöly kerääntyy. Erotuslevyt ovat usein varsin pitkäikäisiä, vaihdellen kuitenkin prosesseittain. Kuiva ja karkea pölyirtoaa helpommin levyjen pinnoilta kuin öljymäinen ja tarrautuva pöly, jolloin ensin mainitussa olosuhteissa olevat erotuslevyt usein kestävätkin pidempään. Tyypillisimmät vauriot erotuslevyissä ovat korroosion, kaasujen ylilämmön tai levyravistus järjestelmän aiheuttamia. Satunnaisesti myös korkean jännitteen aikaansaamavalokaari voi polttaa niihin reikiä.

Erotuslevyjen korroosiovaurioiden ehkäisemiseksi toimivat samat ohjeet kuin koko suodattimenkin kohdalla. Ilmavuotojen minimointi ja optimaalinen kaasujen jakautuminen suodattimessa lisäävät merkittävästi elinikää. Savukaasujen ylilämmön, tai pohjasuppilossa palamaan syttyneen pölyn aiheuttamia levyjen vääntymiä esiintyy varsinkin biopolttolaitosten sähkösuodattimien yhteydessä. Vääntyneiden erotuslevyjen oikaiseminen on aina työlästä ja usein mahdotonta. Näin ollen ainoaksi korjaavaksi toimenpiteeksi jääkin usein vääntyneiden levyjen poistaminen suodattimesta. Poistetut levyt luonnollisesti laskevat sähkösuodattimen erotuskykyä, mutta toisaalta mahdollistavat myös korkeampien jännitteiden käytön koko suodattimessa jännitevälien ”normalisoiduttua”.
Kuvassa kipinöinnin polttama erotuslevy

Ravistuslaitteet

Sekä emissio- että erotusjärjestelmiä tulee puhdistaa niihin kertyneestä pölystä aika ajoin. Yleisin käytetty tapa on ravistella em. rakenteita ns. pudotusvasaroilla, jolloin vasarat lyövät järjestelmissä oleviin iskukohtiin säädetyin väliajoin. Koska ravistusjärjestelmät ovat käytännössä ainoita liikkuvia osia koko sähkösuodattimessa (pl. pölyn edelleenkuljetuslaitteet) on selvää, että suurin osa vioista ja vaurioista keskittyykin juuri tälle alueelle. Vaativat prosessiolosuhteet yhdessä ravistuselimienpyörivän liikkeen kanssa aikaansaavat yhtälön, jonka seurauksena ravistusjärjestelmiä joudutaan käytännössä huoltamaan vuosittain. Mikäli esim. emissioravistuslaitteistossa on ongelmia voielektrodeille muodostua paksuja pölymakkaroita heikentäen laitteiston toimintaa.

Tyypillisimmät vauriot ovat pudotusvasaroiden rikkoontuminen, iskuvasteiden eli iskupalojen, tai iskupalkkien tyssääntyminen, sekä ravistusakselin laakereiden ja akselin kuluminen. Vasara- ja laakerivaurioista ei yleensä selvitä muuten kuin uusimalla ko. osat, mutta iskupalkkien tyssääntymät voidaan täyte hitsata ja hioa uudelleen sileiksi. Kuvassa pölymakkaroita emissiolangoilla

Jos sähkösuodattimen emissiojärjestelmän ravistuskäytöt sijaitsevat suodattimen katolla, on ko.ravistusjärjestelmässä käytössä lisäksi ns. tappipyöräkytkin muuntamassa vertikaalin ravistusakselin pyörimisen vaakasuuntaiselle ravistusakselille. Ko. tappipyörien ollessa jatkuvasti pölyille alttiina on niiden mekaaninen kuluminenkin itsestään selvyys. Kuvassa kulumaa ravistuselimissä

Sähkösuodattimen emissioravistussysteemeissä on myös käytössä korkeajännitteisen osan ja rungon erottava eristinakseli. Porsliinisten eristinakseleiden kestoikä on yleensä useita vuosia, mutta emissioravistusjärjestelmässä olevat liian tiukat välykset lämpölaajenemisen kanssa voivat katkaista eristinakselin hyvinkin helposti. Kuvassa kulunut tappipyöräpari

Erotetun pölyn edelleenkuljetuslaitteet

Sähkösuodattimissa käytetään yleensä vain kolmentyyppisiä pohjasuppiloratkaisuja; kartiomaistapohjasuppiloa sulkusyöttimellä, pitkittäistä pohjataskua sulkusyöttimellä, sekä ns. laahapohjaa joka on tyypillinen ratkaisu soodakattilan sähkösuodattimissa, jossa siirrettävät pölymassat ovat suuriaja mekaaninen kuluminen voimakasta

Pölyjen edelleenkuljetukseen voidaan lisäksi käyttää erilaisia pneumaattisia kuljetinjärjestelmiä, mutta ne soveltuvat vain kuiville pölyille. On kuitenkin syytä muistaa, että pneumaattista pölynkuljetusta ei tulisi soveltaa sellaisissa kohteissa, joissa savukaasujen tuhkan seassa on vaaraolla runsaasti palamattomia, tai hehkuvia partikkeleja. Kaikissa tuhkankuljetinjärjestelmissä on usein ongelmana materiaalien nopea mekaaninen kuluminen niissä osissa, jotka ovat suoraan kosketuksissa erotettuun pölyyn. Pölyn seassa sijaitsevat ketjupyörät, ketjut ja laakerit ovatkin luokiteltavissa kulutusosiin, joiden vaihtoväli on 1-3 vuotta. Kuljettimien käyttölaitteet ovat usein ketjuvetoisia, joten käyttöketjut ja ketjupyörät tulee myös tarkastaa säännöllisin väliajoin.

Kuvassa ylempänä kulunut laahan grafiittilaakeri
Kuvassa alempana kulunut käytön ketjupyörä

Muuntaja/tasasuuntaajat ja ohjausjärjestelmät

Sähkösuodattimien erotuskyvyn kannalta oleellinen osa ovat niiden sähköiset säätö- ja ohjausjärjestelmät. Perinteisessä sähkösuodattimessa säätö- ja ohjausjärjestelmä koostuu muuntaja /tasasuuntaajasta, säädinlaitteesta ja muista suodattimen sähköisistä apulaitteista. Nykyisin on tarjolla myös korkeataajuudella toimivia virtalähteitä, joiden toiminta on pääpiirteissään sama kuin perinteisillä muuntaja/tasasuuntaaja -yksiköillä. Suodattimen sisällä pölypartikkelit varataan sähköisesti syöttämällä muuntajalla erotustilaankorkeaa tasasuunnattua jännitettä. Jännitteen arvo on tyypillisimmillään välillä 80-150 kV. Korkeajännite syötetään erotuskenttään jolloin erotuslevyjen ja emissiolaitteiden välille muodostuu virta, joka prosessista riippuen on välillä 0.2 - 2.0 A (200 - 2000 mA). Erotustilassa erotettava pöly muodostaa sähköpiirin kolmannen osan, eli resistanssin. Erotuskentän sisältä johdetaan jännitteen ja virran takaisinkytkentätietoja ko. suodatinkentänsäätimelle, joka säätää ja valvoo tietojen pohjalta syötettävää tehoa. Säätö tapahtuu yleensä ohjauskeskuksessa sijaitsevilla tyristoreilla. Muuntajan, muiden apulaitteiden ja säätimentoimivuutta tarkkailevat eri hälytyspiirit. Kunnossapidon kannalta oleellista on valvoa muuntajan kuntoa. Yleisimpinä vikoina muuntajissa esiintyy tiivisteiden öljyvuotoja, ylikuumenemista tai ulkoisen maalipinnan lohkeiluja. Vioista johtuen muuntaja alkaa nopeasti hälyttää öljynpinnan ja paineen laskiessa muuntajan sisällä. Joissakin tapauksissa muuntajan sisällä voi tapahtua oikosulkuja, jolloin sen toiminta lakkaa yleensä heti. Muuntajan öljypintaa ja lämpötilaa tulisikin seurata jatkuvasti. Varsinkin Suomenkylmissä olosuhteissa saattaa kyseinen ongelma olla hyvin yleistä ja öljyn kutistuessa talvella muuntajassa sitä pitää lisätä – tosin ilmojen lämmetessä tulisi lisätty määrä myös poistaa, koska ylipaineinen muuntaja alkaa yleensä nopeasti vuotamaan. Lisäksi muuntajalle kannattaa aika ajoin tehdä rasituskoe ja ajaa kV/mA- käyrät kunnon tarkastamiseksi. Muuntajan hälytyspiirit tulee testata aina kun se on mahdollista. Yleensä kaikki em. testit tehdään laitosseisokkien aikana.

Säädin on koko sähkösuodattimen ”aivot” ja sen tulee luonnollisesti olla aina kunnossa. Säädin valvoo ja säätää lähes kaikkia suodattimen toimintoja, ja näin ollen säätimen asetusarvot ja kunto tulee tarkastaa vähintään pari kertaa vuodessa. Jopa pienetkin säätimen väärät parametriasetukset, voivat saada aikaan erotuskyvyn kannalta huonoja tuloksia. Säätimenparametriarvot, hälytyspiirit ja säätimen testiajot kannattaa tehdä aina kun siihen on mahdollisuus, vähintään vuosiseisokkien yhteydessä. Kuvassa vasemmalla maalilohkeama muuntajan jäähdytysrivassa.

Muut sähkösuodattimessa olevat sähköiset apulaitteet ovat mm. lämmitysjärjestelmät, ravistuslaitteet ja kuljettimet. Näiden laitteiden moottorilähdöt sijaitsevat omassa apulaitekeskuksessa ja niitä ohjataan joko suoraan säätimeltä, tai koko laitoksenautomaatiojärjestelmästä. Lisäksi suodattimen lämpötiloja, alipaineita ja kaasumääriä voidaan seurata erillisillä laitoksen automaatiojärjestelmään johdotetuilla antureilla. Sähkösuodattimen apulaitteet tulee tarkastaa vähintään kerran vuodessa. Tarkastuksessa tulee kiinnittää erityistä huomiota apulaitteiden vaihevirtoihin, hälytyspiireihin, keskuksensähkökomponenttien kulumiseen ja tarkastaa muutenkin laitteiden mekaaninen ja visuaalinen kunto. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kaikki moottorit pyöritetään, kuljettimien mekaaninen kunto tarkastetaan ja lämmitysjärjestelmät mitataan sekä tarkastetaan visuaalisesti. Kaikista tarkastuksista kannattaa aina laatia mittauspöytäkirjat. Kirjattuja arvoja voidaan näin verrata seuraavissa tarkastuksissa ja mahdolliset eroavuudet huomataan heti.

Sähkösuodattimien kunnossapito

Sähkösuodattimet mielletään vielä tänä päivänäkin useilla laitoksilla kunnossapitokohteiksi, joihin ei mielellään kosketa. Syy lienee se, että laitteissa käytetään suuria jännitteitä ja ne ovat erittäin pölyisiä työkohteita. Tästä huolimatta on sähkösuodattimille hyvä suorittaa tarkastuksia määräajoin, jolloin kyetään paremmin ennakoimaan mahdollisia suuria korjauksia. Kerran vuodessa tehdyt mekaaniset ja sähköiset tarkastukset riittävät yleensä pitämään käyttäjänsä ajan tasalla laitteiston kunnosta, sekä tarvittavista korjauksista. Ennakoivan kunnossapidon tarkastukset voidaan luonnollisesti tehdä ”oman väen” toimesta, mutta suositeltavaa on käyttää alanasiantuntijoiden tarjoamia palveluja.
Sähkösuodattimien varaosat voidaan käytännössä jakaa kahteen ryhmään; helposti saataviin teräskomponentteihin, sekä pitkän toimitusajan omaaviin erikoisosiin. Suositeltavaa onkin, että laitoksella säilytetään vähintään niitä varaosia joilla on pitkä toimitusaika, kuten eristimet, erikoislaakerit ja joissakin tapauksissa jopa muuntaja/tasasuuntaaja -yksiköt. Säännöllisesti tarkastettuna ja huollettuna on sähkösuodattimen mahdollisuus toimia optimaalisesti ja ongelmattomasti aina seuraavan pitkän ajokauden yli. On enemmänkin sääntö kuin poikkeus, että huoltamaton sähkösuodatin oireilee yllätyksellisesti ja vieläpä pahimpaan mahdolliseen aikaan, jolloin prosessin alasajon aiheuttamat kustannukset nousevat kymmeniin, jopa satoihin tuhansiin euroihin.