DE102007038967A1

DE102007038967A1 - Method for enhancing the combustion of a solid fuel

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Publication number: DE102007038967A1
Application number: DE102007038967A
Authority: DE
Inventors: Stolyarenko Hennadiy Stepanovich; Viazovik Vitalii Chervona Sloboda Nikolaevich; Vodyanyk Oleg Volodymyrovich; Martsinyshyn Velyki Gai Danylovych; Badko Gennady Jurievich
Original assignee: LIMITED LIABILITY RESEARCH-AND-PRODUCTION Co UKRTRANSKOM; Ltd LIABILITY RES AND PRODUCTI; PRIVATE ENTERPRISE "RADICAL PLUS"; PRIVATE ENTPR RADICAL PLUS
Current assignee: LIMITED LIABILITY RESEARCH-AND-PRODUCTION Co UKRTRANSKOM; Ltd LIABILITY RES AND PRODUCTI; PRIVATE ENTERPRISE "RADICAL PLUS"; PRIVATE ENTPR RADICAL PLUS
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-02-28
Also published as: RU2457395C2; RU2007131068A; US20080044781A1; CN101135439A; UA78474C2; FR2905001A1; PL383156A1

Abstract

Verfahren zur Verstärkung der Verbrennung eines Festbrennstoffes. Das Verfahren findet seine Anwendung auf dem Gebiet der Energietechnik, der Metallurgie und insbesondere der Verbrennung eines Festbrennstoffes wie Kohle, Torf und Holz. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Brennstoffluftgemisch in einem elektrischen Feld mittels eines Katalysators zu verbrennen, der sich in der Verbrennungszone befindet und an dem eine hohe Spannung liegt, was zu einer Abnahme der Aktivierungsenergien aller endothermischen Verbrennungsphasen in Folge der Bildung von Sauerstoffatomen, Kohlenstoffradikalen und sauerstoffenthaltenden Radikalen führt. Das technische Ergebnis besteht darin, dass die Einführung des Katalysators in die Verbrennungszone den Energieaufwand für die Erzeugung des Niedrigtemperaturplasmas so gering wie möglich hält, die Temperatur in der Verbrennungszone erhöht, die Aktivierungsenergie der endothermischen Prozesse in der Anfangsphase der Verbrennung herabsetzt und den Kohlenstoffgehalt in der Asche verringert und eine erhebliche Wirtschaftlichkeit des Brennstoffs erlaubt.Method for enhancing the combustion of a solid fuel. The method finds application in the field of energy engineering, metallurgy and, in particular, the combustion of a solid fuel such as coal, peat and wood. The basic idea of the invention is to burn a fuel-air mixture in an electric field by means of a catalyst which is in the combustion zone and at which there is a high voltage, resulting in a decrease in the activation energies of all endothermic combustion phases as a result of the formation of oxygen atoms, carbon radicals and oxygen-containing radicals. The technical result is that the introduction of the catalyst into the combustion zone minimizes the energy required to produce the low temperature plasma, raises the temperature in the combustion zone, lowers the activation energy of the endothermic processes in the initial combustion phase and reduces the carbon content in the combustion zone Ashes are reduced and a significant fuel economy is allowed.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Energietechnik und Metallurgie, nämlich mit der Verbrennung eines Festbrennstoffes wie Kohle, Torf und Holz.The Invention is concerned with power engineering and metallurgy, namely with the burning of a solid fuel such as coal, peat and wood.

Der Prozess der Verbrennung eines Festbrennstoffes ist allgemein bekannt. Es ist auch eine beträchtliche Anzahl von Verfahren zur Verstärkung der Verbrennung eines Festbrennstoffes bereits bekannt. Eines dieser Verfahren besteht darin, dass die Verbrennung dadurch verstärkt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Flamme erhöht wird, was zu einer Zunahme an Atomen und sauerstoffenthaltenden Radikalen in der Verbrennungszone führt.Of the Process of burning a solid fuel is well known. It is also a considerable one Number of methods for amplifying the Combustion of a solid fuel already known. One of these Method is that the combustion is thereby enhanced that the oxygen concentration in the flame is increased, resulting in an increase in atoms and oxygen-containing radicals in the combustion zone leads.

Das Verfahren der Stahlschmelzung in einem Sauerstoffkonverter ist bekannt. (siehe Kazakov Z. Ts, Osokin A. M., Shishkov A. P. Technology of metals and other structured materials, 1975, Seite 688 ). Der wesentliche Gedanke dieses Verfahrens besteht darin, dass über eine Lanze Sauerstoff auf das Roheisen geblasen wird. Während große Mengen von Sauerstoff auf hoher Temperatur aufgeblasen werden, wird eine Oxidation der schwer zu oxidierenden Zusatzstoffe erreicht. Die stärkste Oxidation der Zusatzstoffe tritt an der Grenzfläche zwischen dem Sauerstoffstrahl und dem Metall auf.The process of molten steel in an oxygen converter is known. (please refer Kazakov Z. Ts, Osokin AM, Shishkov AP Technology of metals and other structured materials, 1975, page 688 ). The main idea of this method is that oxygen is blown onto the pig iron via a lance. While high amounts of oxygen are being inflated at high temperature, oxidation of the difficult to oxidize additives is achieved. The strongest oxidation of the additives occurs at the interface between the oxygen jet and the metal.

Der Nachteil besteht darin, dass ein mit hohen Kosten verbundenes Oxidationsmittel verwandt wird, dass Verluste an nicht produktivem Oxidationsmittel aufgrund des großen Sauerstoffdurchsatzes auftreten und dass die Notwendigkeit besteht, das Oxidationsmittel unter Verwendung zusätzlicher komplizierter und metallverbrauchender Techniken zu erhalten.Of the Disadvantage is that an associated with high cost oxidizing agent is related to losses of non-productive oxidant because of the big one Oxygen throughput occur and that there is a need the oxidant using additional complicated and Metal-consuming techniques to obtain.

Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren zum Verstärken von chemischen katalytischen Heterophasenprozessen bekannt, bei dem die katalytische Zone mit einer elektrischen Entladung bearbeitet wird ( Certificate of Othership Nr. 1036347, KI. B01D35/06/B01D51/00, electrical filter 30.04.1982 und H. S. Stolyarenko, mechanism of chemical radical reactions in heterophase, ozone systems H2O-O3-O2-NOx-SO2 // Bulletin Cherkassy engineering technology institute Nr. 2, 1999, Seite 81-85 ). Der Einfluss der elektrischen Entladung auf chemische Heterophasenprozesse führt zu der Möglichkeit, dass Reaktionen bei Temperaturen auftreten, die um 300 bis 500°C niedriger verglichen mit dem Fall ohne diesen Einfluss sind, was sich durch eine zusätzliche elektronische, wellenartige Lichtaktivierung des Prozesses zusätzlich zu der Temperaturaktivierung erklären lässt.The prior art discloses a method for enhancing chemical heterophase catalytic processes in which the catalytic zone is processed with an electrical discharge ( Certificate of Othership No. 1036347, KI. B01D35 / 06 / B01D51 / 00, electrical filter 30.04.1982 and HS Stolyarenko, mechanism of chemical radical reactions in heterophase, ozone systems H2O-O3-O2-NOx-SO2 // Bulletin Cherkassy engineering technology institute No. 2, 1999, page 81-85 ). The influence of electrical discharge on chemical heterophasic processes leads to the possibility that reactions occur at temperatures that are lower by 300 to 500 ° C compared to the case without this influence, resulting in additional electronic, wavelike light activation of the process in addition to the Explains temperature activation.

Diese Technik wurde bei niedrigen Konzentrationen der Reaktionskomponenten untersucht und es zeigte sich eine Zunahme im Energieaufwand zur Erzeugung der elektrischen Entladung, was nachteilig ist.These Technique was at low concentrations of the reaction components examined and there was an increase in energy consumption for production the electric discharge, which is disadvantageous.

Als Prototyp wird das Verfahren der Flammenverstärkung und Steuerung gemäß RUPS2125682, MKIF 23 Nr. 005/00 F 236005/00 herangezogen.When Prototype is the process of flame amplification and control according to RUPS2125682, MKIF 23 no. 005/00 F 236005/00.

Das Verfahren der Verbrennungsverstärkung besteht darin, die Flamme mit einem starken elektrischen Längsfeld von 2 kV/m oder mehr und einem starken transversalen elektrischen Feld zu behandeln, das beispielsweise über ein Drei-Phasen-Elektrodensystem und eine Drei-Phasen-Hochspannungsquelle gedreht wird. Das Verfahren umfasst auch die Messung der Flammenhöhe und ihrer weiteren Parameter, die Änderung des Zwischenelektrodenabstandes beim Anlegen des Längsfeldes an die Flamme mit gleichzeitiger Feldstärkensteuerung. Das Verfahren erlaubt es ebenfalls, die Flamme durch das transversale elektrische Feld zu drehen, was die Vermischung und den Grad der Brennstoffluftreduktion erhöht und zusätzlich die Verbrennung verstärkt. Das vorgeschlagene neue Verfahren der elektrostatischen Einbringung des Brennstoffes in die Verbrennungszone durch das elektrische Längsfeld auf molekularem Niveau verstärkt zusätzlich den Verbrennungsprozess und setzt den Brennstoffverbrauch herab. Dieses Verfahren erlaubt es auch, die Flammengeometrie, die Temperatur und die Wärmeleitung über eine Änderung der Geometrie und der elektrischen Parametern der oben genannten elektrischen Felder zu steuern, um beispielsweise die Flamme so einzustellen, dass sie z.B. für die Wärmebehandlung von Metallen und Legierungen geeignet ist.The There is a method of combustion amplification in it, the flame with a strong electric longitudinal field of 2 kV / m or more and a strong transverse electric Field to treat, for example, via a three-phase electrode system and a three-phase high voltage source is rotated. The procedure includes measurement of the flame height and its other parameters, the change the interelectrode distance when creating the longitudinal field to the flame with simultaneous field strength control. The procedure also allows the flame through the transverse electric Field to turn, indicating the mixing and the degree of fuel air reduction elevated and additionally the combustion intensified. The proposed new method of electrostatic incorporation fuel into the combustion zone through the longitudinal electric field reinforced at the molecular level additionally the combustion process and reduce fuel consumption. This method also allows the flame geometry, the temperature and the heat conduction via a change the geometry and electrical parameters of the above control electric fields, for example, the flame so adjust that they e.g. For the heat treatment of metals and alloys is suitable.

Der Nachteil besteht in der hohen spezifischen Eingangsleistung, die den Leistungswirkungsgrad des Prozesses herabsetzt, der Notwendigkeit der Brennstoffvermischung und der elektrischen, statischen Zer stäubung und der Kompliziertheit der Regulierung des Verbrennungsprozesses.Of the Disadvantage is the high specific input power, the the efficiency of the process minimizes the need for Fuel mixing and electrical, static atomization and the complexity of regulating the combustion process.

Durch die Erfindung wird der thermischen Komponente der Aktivierung des Verbrennungsprozesses eine elektronische wellenartige lichtartige, elektrokatalytische Aktivierung hinzugefügt, um ein maximales Maß an Kohlenstoffverbrennung vom Festbrennstoff zu erzielen.By the invention will be the thermal component of the activation of the Combustion process an electronic wave-like light-like, electrocatalytic Activation added, to a maximum degree To achieve carbon combustion from solid fuel.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Verbrennung des Brennstoffluftgemisches in einem elektrischen Feld mittels eines Katalysators, der sich in der Verbrennungszone befindet und an dem eine hohe Spannung liegt, was zu einer Abnahme der Aktivierungsenergien aller endothermischer Phasen der Verbrennung führt, da Sauerstoffatome, Kohlenstoffradikale und sauerstoffenthaltende Radikale erzeugt werden.Of the The basic idea of the invention is the combustion of the fuel-air mixture in an electric field by means of a catalyst which is located in the combustion zone and at which there is a high voltage, resulting in a decrease in the activation energies of all endothermic Phases of combustion leads, since oxygen atoms, carbon radicals and oxygen-containing Radicals are generated.

Dazu werden gemäß der Erfindung die Entladezone, die Verbrennungszone und die elektrokatalytischen Prozesse der Synthese eines Niedrigtemperaturplasmas überlagert, das zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, indem eine hohe Spannung an die Elektroden gelegt wird, wobei die Elektroden aus Metallen verschiedenen Valenzen oder ihren Oxiden oder anderen leitenden Materialien mit aufgebrachtem Katalysator bestehen. Die Spannung an den Elektroden liegt zwischen 5 und 20 kV.To be according to the invention the unloading zone, the combustion zone and the electrocatalytic Processes of the synthesis of a low-temperature plasma superimposed, which is generated between two electrodes by applying a high voltage is placed on the electrodes, the electrodes of metals different valences or their oxides or other conductive Materials with applied catalyst exist. The voltage at the electrodes is between 5 and 20 kV.

Die vergleichende Analyse mit dem Prototyp lässt den Schluss zu, dass die beanspruchte technische Lösung sich vom Prototyp durch die Erzeugung des Niedrigtemperaturplasmas und die elektrokatalytischen Prozesse in der Verbrennungszone unterscheidet. Dies führt zu einer Annäherung der Geschwindigkeiten der Thermozersetzung und der elektrokatalytischen Zersetzung des Kohlenstoffs und der Kohlenwasserstoffe, die von der Kohle desorbiert werden, zu einer Zunahme des Maßes an Oxidation der kohlenstofftragenden Verbindungen in Kohlendioxid und Wasser und zwar aufgrund einer hohen Konzentration von sauerstoffenthaltenden Radikalen, sowie zu einer Zunahme des Maßes an Kohlenstoffverbrennung vom Festbrennstoff und einer höheren Wirtschaftlichkeit des Festbrennstoffes. Da das katalytische Plasma und die Oxidationsprozesse in eine Zone zusammengeführt werden, werden verglichen mit dem Prototyp die Energieaufwendungen um drei Größenordnungen herabgesetzt, was eine hohe spezifische Brennstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen erlaubt. Der Brennstoffaufwand für die Erzeugung des Niedrigtemperaturplasmas überschreitet nicht 2 bis 5% des Energieeffektes, der mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzielt wird.The Comparative analysis with the prototype suggests that the claimed technical solution from the prototype through the generation of low-temperature plasma and distinguishes the electrocatalytic processes in the combustion zone. this leads to to an approximation the rates of thermal decomposition and electrocatalytic Decomposition of carbon and hydrocarbons produced by of the coal are desorbed, leading to an increase in the degree of oxidation of the carbon bearing compounds in carbon dioxide and water and though due to a high concentration of oxygen-containing Radicals, as well as to an increase in the level of carbon combustion from solid fuel and a higher one Economy of the solid fuel. Because the catalytic plasma and the oxidation processes are brought together in one zone, are compared to the prototype energy costs by three orders of magnitude lowered what a high specific fuel economy allowed to achieve. The fuel cost for the generation of low temperature plasma exceeds not 2 to 5% of the energy effect that comes with the proposed Method is achieved.

Das Verbrennungsverfahren besteht in folgendem:
Das Verfahren setzt sich im Wesentlichen aus physikalischen und thermochemischen Phasen zusammen. Es erfolgt ein Zerkleinern des Brennstoffes, ein Transport von Brennstoff und Luft zur Verbrennungszone, eine Luftvermischung und eine Verbrennung in einer Verbrennungskammer unterschiedlicher Ausgestaltung. Die Verstärkung des Verbrennungsprozesses bei dem Prototyp unter Verwendung des elektrischen Feldes bezog sich auf die Vermischungs- und Verbrennungszone. Die Verstärkung bei dem erfindungsgemäßen beanspruchten Verfahren bezieht sich auf die Verbrennungszone, wo die Verbrennungsprozesse, die Oxidationsprozesse von Radikalen, die katalytische Aktivierung des Brennstoffes zusammengeführt werden.The combustion process consists of the following:
The process consists essentially of physical and thermochemical phases. There is a crushing of the fuel, a transport of fuel and air to the combustion zone, air mixing and combustion in a combustion chamber of different design. The enhancement of the combustion process in the prototype using the electric field related to the mixing and combustion zone. The enhancement in the claimed method of the invention relates to the combustion zone where the combustion processes, the oxidation processes of radicals, the catalytic activation of the fuel are combined.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der zugehörigen Zeichnung näher beschrieben, in denenThe Invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which

1 schematisch den Aufbau einer Anlage zeigt und 1 schematically shows the structure of a plant and

2 in einer Vergleichsdarstellung die Abhängigkeit der Temperaturänderung des Wärmeübertragungsmediums zeigt. 2 in a comparative representation shows the dependence of the temperature change of the heat transfer medium.

Die Darstellung der 1 umfasst eine Verbrennungskammer 1, eine Brennstoffverbrennungszone 2, ein elektrothermisches Zündrohr 3 für das Brennstoffluftgemisch, einen Vorratsbehälter 4 mit erwärmtem Wasser, einen Bodenrost 5, eine thermostatische Isolierung 6, eine Hochspannungselektrode 7, eine Energieversorgung 8 und einen Masseanschluss 9.The presentation of the 1 includes a combustion chamber 1 , a fuel combustion zone 2 , an electrothermal ignition tube 3 for the fuel air mixture, a reservoir 4 with heated water, a bottom grid 5 , a thermostatic insulation 6 , a high voltage electrode 7 , a power supply 8th and a ground connection 9 ,

Im Folgenden wird ein spezielles Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben.in the Following is a specific embodiment of the method described.

Der Luftstrom, der pulverisierten Festbrennstoff enthält, erreicht die Verbrennungskammer 1. Er geht durch das Gitter 7, den Bodenrost 5 und erreicht die Zone 2. Die elektrische Zündung 3 liefert die Zündtemperatur für das Brennstoffluftgemisch und wird danach abgeschaltet. Der stationäre Verbrennungsprozess wird eingerichtet, der durch das Maß an Erwärmung eines genau bemessenen Volumens des Wärmeübertragungsmediums 4 (im vorliegenden Fall Wasser) bestimmt ist.The air stream containing pulverized solid fuel reaches the combustion chamber 1 , He goes through the grid 7 , the floor grid 5 and reaches the zone 2 , The electric ignition 3 supplies the ignition temperature for the fuel air mixture and is then switched off. The stationary combustion process is established by the amount of heating of a precisely measured volume of the heat transfer medium 4 (in the present case water) is determined.

Eine Spannung von 5 bis 20 kV wird von der Energieversorgung 8, 9 an das Gitter 7 gelegt, das mit dem Katalysator überzogen ist, wodurch der Verbrennungsprozess verstärkt wird. Diese Arbeitsweise ist durch das Maß an Erwärmung des gleichen Volumens des Wärmeübertragungsmediums definiert.A voltage of 5 to 20 kV is supplied by the power supply 8th . 9 to the grid 7 which is coated with the catalyst, whereby the combustion process is enhanced. This operation is defined by the degree of heating of the same volume of the heat transfer medium.

2 zeigt die Abhängigkeit der Änderung der Wassertemperatur mit der Zeit bei einem Leerexperiment und mit der Entladung. Wenn Kohle mit Entladung verbrannt wird, wird die Wassererwärmung beschleunigt, da eine größere Wärmemenge freigesetzt wird als es verglichen mit dem Leerexperiment der Fall ist. (Die Kurven zeigen drei Zonen, nämlich A, eine Zone der Einrichtung des gleichmäßigen Verbrennungsprozesses (Beginn der Kurven von 0 bis 2 Minuten) B, Zone der gleichmäßigen Verbrennung: Geradliniger Teil in der Mitte der Kurven von 2 bis 16 Minuten und Zone C, Erlöschen des Verbrennungsprozesses (nach 16 Minuten)). Für die Berechnungen der Leistung der Kohleverbrennung und des Wirkungsgrades der elektrischen Aktivierung wird der Abschnitt der gleichmäßigen Verbrennung herangezogen. 2 shows the dependence of the change of the water temperature with the time in an emptying experiment and with the discharge. When charcoal is burned with discharge, the warming of the water is accelerated because a larger amount of heat is released than is the case with the void experiment. (The curves show three zones, namely A, a zone of uniform combustion setup (beginning of curves of 0 to 2 minutes) B, zone of uniform combustion: straight line in the middle of the curves of 2 to 16 minutes and zone C, Extinction of the combustion process (after 16 minutes)). For the calculation of the power of the coal combustion and the efficiency of the electrical activation, the section of the uniform combustion is used.

Die spezifische Leistung der Wärmefreisetzung beim Leerexperiment beträgt 73 W/h, während diese mit der Entladung im Mittel bei 95,5 W/h beträgt, was eine Steigerung von 18,6% bedeutet und wiederum den Brennstoffaufwand in gleichem Maße herabsetzt.The specific power of heat release during the emptying experiment 73 w / h while this with the average discharge at 95.5 W / h, an increase of 18.6% means and in turn reduces fuel costs to the same extent.

Während zweier Experimente wurde das Maß an Kohleverbrennung bestimmt. Zu diesem Zweck wurden die Kohleasche und das Maß an Kohleverbrennung mit und ohne Entladung gemessen. Das Maß an Kohleverbrennung beim Leerexperiment betrug etwa 72% (was annähernd den Brennern mit integriertem Rost entspricht) während das Maß an Kohleverbrennung bei der Verwendung der Entladung 89% betrug. Im Mittel nahm das Maß an Verbrennung um 17,45% zu.During two experiments that became Measure of coal combustion determined. For this purpose, coal washes and the amount of coal combustion with and without discharge were measured. The amount of coal combustion in the emptying experiment was about 72% (which approximates the burners with integrated rust), while the amount of coal burning when using the discharge was 89%. On average, the level of combustion increased by 17.45%.

Wenn das katalytische Gitter der Hochspannungselektrode aus der Verbrennungszone entfernt wurde, wurden die mittleren Wärmeträgererwärmungsraten erreicht und nahm der Verstärkungseffekt der Brennstoffverbrennung ab, wobei der Kohlenstoffgehalt in der Asche in der Nähe der Werte lag, die beim Leerexperiment erhalten werden.If the catalytic grid of the high voltage electrode from the combustion zone was removed, the average heat carrier heating rates were reached and took the reinforcement effect the fuel combustion, the carbon content in the Ashes nearby of the values obtained during the emptying experiment.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Verstärkung des Verbrennungsprozesses führt daher zu einer Brennstoffwirtschaftlichkeit, einer vollständigeren Verbrennung des Festbrennstoffes und zu einer Zunahme des Wirkungsgrades des Verbrennungsprozesses.The inventive method the reinforcement the combustion process leads therefore fuel economy, a more complete one Combustion of solid fuel and an increase in efficiency the combustion process.

Die erfindungsgemäße technische Lösung erlaubt es, eine Anlage für die Verstärkung der Verbrennung eines Festbrennstoffes für bestehende Brenner jeder Kapazität zu schaffen. Die Ausführung dieser technischen Lösung macht es nicht erforderlich, dass die Brenneröfen verändert oder umgebaut werden. Die elektrische Ausrüstung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung und des Niedrigtemperaturplasmas sind Standardanlagen. Katalysatoren, die auf ein Hochspannungsgitter gesprüht sind, sind auf dem Markt erhältlich.The inventive technical Solution allowed it, a facility for the reinforcement the burning of a solid fuel for existing burners each capacity to accomplish. The execution of this technical solution It does not require that the burners be changed or rebuilt. The electrical equipment for generating an electrical discharge and the low temperature plasma are standard systems. Catalysts on a high voltage grid sprayed are available in the market.

Ein Experiment des Modells in Form einer Testinstallation wurde von den Anmeldern hergestellt und geprüft.One Experiment of the model in the form of a test installation was made by produced and checked by the notifying parties.

Claims

A method for enhancing the combustion of a solid fuel, wherein an air fuel mixture is burned in an electric field, characterized in that the combustion process is carried out by means of a catalyst which is located in the combustion zone and at which there is a high voltage, resulting in the decrease of the activation energies all endothermic combustion processes resulting from the formation of oxygen atoms, carbon radicals and oxygen-containing radicals.

Method according to claim 1, characterized in that that the catalyst is based on electrodes of metals of different valence, their oxides or other conductive materials is applied.

Method according to claim 1, characterized in that that the voltage applied to the electrodes is between 5 and 20 kV is.