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FILTRO
ELECTROSTÁTICO
Un precipitador electrostático
es un dispositivo para el control de partículas que utiliza fuerzas eléctricas
para movilizar las partículas de una corriente de emisión hacia las superficies
de recolección.
Se aplican a gases conteniendo
partículas menores o igual a 10 micras (μm) de diámetro aerodinámico y
contaminantes del aire en forma de partículas, tales como la mayoría de los
metales (el mercurio es la excepción notable, ya que una porción importante de
las emisiones se encuentran en forma de vapor elemental).
Una carga eléctrica es aplicada
a las partículas cuando pasan a través de una “corona”, esto es, la región
donde fluyen los iones en fase gaseosa. Los electrodos ubicados en el centro
del plano del flujo se mantienen a un alto voltaje y generan un campo eléctrico
que fuerza a las partículas hacia las paredes recolectoras. Los recolectores
son golpeados, o “martillados”, por varios métodos mecánicos para desprender las
partículas, que se desliza descendiendo hacia una tolva en donde es
recolectado.
La forma en que se disponen
dichos electrodos y el método para limpiar los colectores (golpes o agua),
marcan la diferencia entre los distintos tipos de precipitadores.
Las eficiencias típicas varían
entre el 90 y 99,9% de eliminación. Aunque son varios los factores que
determinan la eficiencia de recolección el más importante es el tamaño, que
determina el tiempo de tratamiento; entre más tiempo permanezca una partícula
en el filtro, es más probable que ésta sea atrapada. Al maximizar la fuerza del
campo eléctrico, se maximiza la eficiencia de recolección. La eficiencia de
recolección también se ve afectada en cierto grado por la resistividad del
polvo, la temperatura del gas, la composición química (del polvo y del gas) y
por la distribución del tamaño de las partículas.
Las partículas recolectadas se
deslizan descendiendo hacia la tolva. La tolva es evacuada periódicamente a medida
que se llena. El polvo se retira a través de una válvula hacia un sistema que
se lleva el polvo, tal como un transportador neumático, y después se desecha de
una manera apropiada.
En el precipitador tipo
tubo-alambre, también llamado tubular, el gas emitido fluye verticalmente a
través de tubos conductivos, generalmente con varios tubos operando en paralelo.
Los tubos pueden estar alineados en formación circular, cuadrada, o en forma de
panal hexagonal. La tubería cuadrada y la hexagonal se pueden compactar más
estrechamente que la tubería cilíndrica, reduciendo el espacio desaprovechado.
Los tubos son normalmente de hasta
Los electrodos de alto voltaje
son alambres largos o “mástiles” rígidos, suspendidos de un marco en la parte
superior que atraviesa el eje de cada tubo. Los electrodos rígidos están generalmente
sostenidos tanto por un marco superior como por uno inferior. En los diseños
modernos, se añaden puntas filosas a los electrodos, ya sea a la entrada o a lo
largo del tubo, en forma de estrellas para proporcionar sitios de ionización
adicionales.
Las fuentes de energía
convierten el voltaje AC industrial (230 a 400 voltios) a voltaje DC pulsante
en el rango de
Se suele impartir una
polaridad negativa a los electrodos porque una corona negativa tolera un
voltaje más alto antes de producir chispa que una corona positiva. Los iones
generados en la corona siguen las líneas del campo eléctrico desde el electrodo
hasta las superficies colectoras. Por lo tanto, cada combinación de tubo y
electrodo establece una zona de carga a través de la cual deben pasar las
partículas.
Puesto que las partículas
mayores (>10 μ m de diámetro) absorben varias veces más iones que las
menores (>1 μ m de diámetro), las fuerzas eléctricas son mucho más fuertes
en las partículas mayores.
Debido a los espacios libres
necesarios para los componentes internos no electrificados en la parte superior
del precipitador electrostático, una parte del gas puede desviarse alrededor de
las zonas de carga. A esto se le llama “fuga furtiva” e impone un límite máximo
a la eficiencia de recolección. El precipitador electrostático no tiene
trayectorias de fuga alrededor de la región recolectora, pero las
irregularidades en la uniformidad del campo pueden permitir que algunas
partículas eviten cargarse durante una fracción considerable de la longitud del
tubo.
Sin embargo, el precipitador
electrostático provoca el reencauzamiento del material recolectado después de limpiar
los recolectores con un mecanismo de martilleo o acústico.
Otro factor principal en el
funcionamiento es la resistividad del material recolectado. Debido a que las
partículas forman una capa continua sobre la tubería del precipitador
electrostático, toda la corriente iónica debe atravesar la capa.
El precipitador electrostático,
debido a que actúan únicamente sobre las partículas a eliminar, y sólo impiden
el flujo de la corriente de gas de manera mínima, tienen pérdidas de presión
muy pequeñas (típicamente menores de
Los flujos de aire típicos
para los de tipo tubo-alambre varían de
Cuando gran parte del
cargamento de contaminantes consiste en partículas relativamente grandes se
pueden utilizar recolectores mecánicos, tales como los ciclones o las torres
lavadoras, para reducir la carga sobre el electrofiltro, especialmente a
concentraciones altas de entrada.
Pueden operar a temperaturas
muy altas, hasta los 700°C.
La temperatura de operación del gas y la composición química del polvo son los
factores clave que influencian la resistividad del polvo y deben ser
cuidadosamente considerados en el diseño.
Son capaces de alcanzar
eficiencias muy altas, aún con partículas muy pequeñas. En general, los
electrofiltros operan más eficientemente con resistividades de polvo entre 5 x
103 y 2 x 1010 ohm-cm. En general, las partículas más
difíciles de recolectar son aquéllas con diámetros aerodinámicos entre 0,1 y
1,0 μ m. Las partículas entre 0,2 y 0,4 μ m por lo general presentan
la mayor penetración.
Algunos de los iones en
movimiento, se adhieren a las partículas suspendidas en el gas entre los
electrodos. Las partículas de polvo se cargan mediante el bombardeo de los
iones que se están desplazando por la influencia del campo eléctrico, o por
medio de la difusión de los iones, produciéndose simultáneamente ambos tipos de
carga. El tamaño de las partículas determina el tipo de carga predominante. La
difusión de iones es el mecanismo más importante para las partículas inferiores
a una micra.
Luego las partículas con carga
negativa se desplazan hacia las placas colectoras, a las cuales se adhieren
mientras se descargan. Estas partículas se acumulan y forman una capa de polvo
en la superficie de la placa, que se elimina mediante vibraciones o lavado
dependiendo del tipo de precipitador electrostático.
Las partículas desprendidas
caen por gravedad hacia el fondo del filtro, depositándose finalmente en la
tolva de fondo, desde donde el polvo se extrae por un aparato de transporte
mecánico (por ejemplo, una cinta transportadora), o por un sistema neumático.
La recolección y eliminación
del residuo en seco permite una manipulación fácil. Los costos de operación son
relativamente bajos.
El precipitador electrostático
es capaz de operar bajo presiones altas (hasta 1 030 kPa) o condiciones de
vacío. Las velocidades de flujo relativamente grandes se pueden manejar de
manera efectiva, aunque son poco comunes en los precipitadores electrostáticos.
En general
los precipitadores electrostático no son muy apropiados para uso en procesos
que sean demasiado variables, debido a que son muy sensibles a las
fluctuaciones en las condiciones de la corriente de gas (velocidad,
temperatura, composición de las partículas y del gas, y el carga de las
partículas). Son difíciles de instalar en sitios con espacio limitado puesto
que deben ser relativamente grandes para obtener las bajas velocidades de gas
necesarias para la recolección eficiente de partículas.
Ciertas partículas son
difíciles de recolectar debido a sus características de resistividad demasiado
altas o bajas. Puede existir un peligro de explosión al tratar gases
combustibles y/o recolectar partículas combustibles. Se requiere personal de
mantenimiento relativamente sofisticado, así como de precauciones especiales
para proteger al personal del alto voltaje. No son recomendables para la
eliminación de partículas pegajosas o húmedas. Se produce ozono por el
electrodo de carga negativa durante la ionización del gas.
A veces se utiliza equipo para
acondicionamiento de gases para mejorar el funcionamiento al cambiar la
resistividad del polvo como parte integral del diseño original. El equipo
inyecta un agente dentro de la corriente gaseosa anterior al filtro. Por lo
general, el agente se mezcla con las partículas y altera su resistividad para
promover una velocidad de migración más alta, y por lo tanto, una mayor
eficiencia de recolección. Los agentes acondicionadores utilizados incluyen SO3,
H2SO4, compuestos de sodio, amoníaco, y agua; el agente
acondicionador de mayor uso es el SO3
Los polvos
con resistividades muy altas (mayores de 10 10 ohm-cm) tampoco son idóneos para
la recolección en los precipitadores electrostáticos. Estas partículas no se
cargan fácilmente, y por lo tanto no se recolectan fácilmente. Además, las
partículas de alta resistividad generan capas con pendientes de voltaje muy
altas sobre los electrodos colectores. Las averías eléctricas en estas capas de
ceniza conducen a la inyección de iones cargados positivamente dentro del
espacio entre los electrodos de descarga y de colección (corona reversa),
reduciendo de este modo la carga en las partículas en este espacio y
disminuyendo la eficiencia de recolección. La ceniza flotante proveniente de la
combustión del carbón bajo en azufre tiene típicamente una resistividad alta, y
por ello es difícil de recolectar.
Si se considera un flujo
laminar de los gases por el precipitador, las partículas adquirirán una
velocidad trasversal al ser cargadas eléctricamente y atraídas por el campo
eléctrico
No es muy aventurado afirmar
que la mayoría de las partículas tiene forma esférica, y así se considerarán al
calcular la velocidad de migración y la eficiencia.
Al desplazarse una partícula
hacia la placa de colección se somete a una fuerza de aceleración provocada por
el campo electrostático y a otra fuerza de retardo a causa de la viscosidad del
gas
Para un campo eléctrico dado,
la velocidad de migración está usualmente en un mínimo para partículas de
diámetro de cerca de 0,5 μm. Las partículas más pequeñas se mueven más
rápido porque la carga no decrece mucho.
Las principales formas de aumentar la
eficiencia son:
·
Reduciendo el espacio entre placas.
·
Reduciendo la velocidad de los gases.
·
Aumentando el área de recolección.
·
Aumentando la velocidad de migración.
·
Aumentando el voltaje.
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