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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SECCION AMBIENTAL CONTROL DE EMISIONES

PDVSA N°

TITULO

MDP–09–AI–05

0

NOV.96

REV.

FECHA

APROB.

E PDVSA, 1983

DISEÑO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS

APROBADA

44 DESCRIPCION FECHA NOV.96

PAG. REV. APROB.

F.R. APROB. APROB. FECHA NOV.96

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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PDVSA MDP–09–AI–05 REVISION

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5 INTRODUCCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

6 CLASIFICACION DE LOS PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Tipo de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dirección de flujo de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Remoción de las partículas adheridas a los electrodos colectores . . . . . Tipo de deposición del material separado de los electrodos colectores .

7 7 9 9 9

7 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

7.1 7.2

Ventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 12

8 APLICACION DE LOS PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

9 DISEÑO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS ECUACION DE EFICIENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

10 SELECCION DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS . . . . . .

18

10.1 Factores a considerar en el proceso de selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Parámetros que son especificados para la selección de precipitadores electrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Factores que afectan el desempeño de los precipitadores electrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Acondicionamiento para mejorar desempeño de los precipitadores electrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 20 28 31


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11 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN EL MANEJO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

12 CONSIDERACIONES DE COSTOS EN EL DISEÑO Y SELECCION DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS . . . . . .

33

13 INFORMACION ADICIONAL QUE SE DEBE ESPECIFICAR A LA HORA DE SOLICITAR UN PRECIPITADOR ELECTROSTATICO AL FABRICANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

14 INFORMACION QUE DEBE SUMINISTRAR EL FABRICANTE . . .

36

15 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

16 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVO Presentar los tipos de precipitadores electrostáticos de mayor uso, sus aplicaciones y los criterios para la adecuada selección de los mismos.

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ALCANCE En esta sección está contenida información básica y consideraciones para la selección de precipitadores electrostáticos. Se hace énfasis en los precipitadores electrostáticos secos de placas.

3

REFERENCIAS S APCA TC–1 Particulate Committee, “Information required for the selection and application of electrostatic precipitators for the collection of dry particulate material” report Nº 6. Journal of the Air Pollution Control Association. 25, 4, 362–368. S American Petroleum Institute. “Manual on disposal of refinery wastes” volume on atmospheric emissions, chapter 12.,1974. S Base de datos grupo de costos Intevep S.A., 1996. S Bönm, Jaroslav.,” Electrostatic precipitators”. Elservier scientific publishing company”. New York, 1982. S Goodfellow, Howard., “Advanced design of ventilation systems for contamination control”. S McDonald, Jack R., y Alan H. Dean., “Electrostatic precipitator manual”. Noyes Data Corporation, New Jersey, 1982. S Potter, Edmund C., “Electrostatic precipitation technology: a different viewpoint”, J. of the Air Pollution Control Association, 28, 1, 40–46, (1978). S Questimate es un producto de Icarus Corporation, primer trimestre 1996. S Schneider, Gilbert G., Theodore I. Horzella, Jack Cooper y Phillip J. Striegl., “Selecting and specifying electrostatic precipitators”. Chemical Engineering, may 26, 94–108, 1975. S Theodore, L y A.J. Buonicore., Industrial air pollution control equipment for particullates”. CRC Press,1976. (Capítulo 5: precipitadores electrostáticos) S White, Harry J., “Electrostatic precipitation of fly ash”. J. of the Air Pollution Control Association, 27,1, 15–21, 1977 S White, Harry J., “Electrostatic precipitation of fly ash”. J. of the Air Pollution Control Association, 27,4, 308–318, 1977

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DEFINICIONES Accesos: mecanismo instalado en el precipitador de accionamiento manual o automático, que permite la entrada al interior de la cámara.


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Altura de recolección: distancia medida desde el fondo hasta el tope de las superficies recolectoras. Ancho efectivo: número total de pasos para el flujo de gas multiplicado por el espaciado entre las superficies colectoras. Area superficial de recolección: área total proyectada de la superficie recolectora que está expuesta al campo electrostático (longitud X altura X 2 X número de pasajes de gas) Cámara: región demarcada por la división longitudinal interna del precipitador. Campo: porción física del precipitador, en la dirección del flujo de gas, que es energizada por una fuente de poder. Un campo puede denotar un arreglo de secciones “bus” en paralelo o en serie, siempre y cuando este arreglo sea energizado por una fuente de poder. Un campo también puede describir a un conjunto de secciones “bus” en paralelo energizadas por un número de fuentes de poder también en paralelo. Sección “bus”: porción más pequeña del precipitador que puede ser energizada independientemente, esto se logra mediante la subdivisión del sistema de alto voltaje y el arreglo adecuado de los sistemas de soporte y aislantes. “bus” se refiere a un conductor contenido en un ducto que a su vez está conectado a tierra. Carcasa: cubierta exterior del equipo que permite confinar el gas a tratar, proteger y proveer soporte estructural a los electrodos, superficies recolectoras y demás elementos y evitar pérdidas de calor al ambiente. Corona: bajo la aplicación de cierto diferencial potencial, las moléculas de gas absorben energía suficiente para liberar sus electrones más débiles, esto genera partículas cargadas, ya sea positivas o negativas. Estas partículas pueden convertirse en agentes ionizantes del gas por impacto, lo cual se conoce como descarga de corona o simplemente corona. Este fenómeno se produce para un voltaje inferior al voltaje crítico inicial o voltaje de corona. Se mencionan dos tipos de corona, corona positiva y corona negativa. Se habla de corona positiva cuando el electrodo de descarga es positivo, y corona negativa cuando el electrodo de descarga es negativo. La más empleada a nivel industrial es la corona negativa, ya que sus características de voltaje y corriente son superiores a la de la corona positiva. La corona negativa va acompañada de la generación de ozono, por lo que no se emplea en aplicaciones para limpieza de aire en ambientes habitados. Eficiencia de recolección: es la masa de material sólido recolectado por unidad de tiempo dividido por la cantidad total de sólido que entra en el precipitador referido a la misma unidad de tiempo, expresada esta relación en porcentaje. Esta cantidad no permite una evaluación puntual del funcionamiento del equipo sino más bien expresa en promedio el desempeño global del mismo, durante un período de operación.


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Electrodos colectores: componentes que conforman la superficie total destinada a la deposición del material particulado. Se denominan también superficies colectoras. Generalmente están conectados a tierra. Electrodo de descarga: componente que desempeña la función de ionizar el gas y crear el campo eléctrico. Son muchos los tipos de electrodos de descarga para precipitadores, pero la diferencia más importante entre ellos radica en la forma como son sujetos o soportados. En diseños europeos, los electrodos están sujetos a un marco de tubos, mientras que en diseños americanos los electrodos están suspendidos de un soporte y se mantienen en su posición mediante pesos y guías colocadas en la parte inferior. Fuente de alto voltaje: fuente de poder que produce el voltaje requerido para la precipitación. En general consiste de cuatro elementos: transformador, rectificador, un elemento de control y un sensor para el elemento de control. Humo: partículas sólidas que son formadas por algún proceso químico o físico que involucra un cambio de fase, usualmente procesos térmicos de oxidación, sublimación o evaporación y condensación. El tamaño de las partículas está en el orden de 0.05 a 0.5 micrones. El humo presenta un mecanismo de aglomeración que genera partículas de tamaño similar a las de polvo. Longitud efectiva: longitud total de la superficie recolectora, medida en la dirección del flujo de gas. Niebla: partículas líquidas atomizadas o suspendidas en un gas, formando gotas diminutas, cuyo tamaño puede variar entre 0.01 y 10 micrones. Pasaje de gas: espacio comprendido entre dos superficies colectoras. Precipitador: equipo empleado para la remoción de material particulado de corrientes gaseosas industriales y de procesos. En forma general es un arreglo de superficies recolectoras y electrodos de descarga contenidos en una carcasa. Polvo: sólidos finamente divididos suspendidos en un gas, producto de la fractura del material original. Los tamaños de partículas están entre 0.25 a 300 micrones. Relación de longitudes: (aspect ratio) profundidad total de los electrodos recolectores entre la altura de los electrodos colectores. Resistividad: de las propiedades de las partículas, la más importante es la conductividad eléctrica, aunque en la terminología de precipitación electrostática se emplea como parámetro la resistividad, que es la propiedad recíproca de la conductividad eléctrica. Las partículas no conductoras son altamente resistivas, mientras que las partículas conductoras, tienen una resistividad baja. Una resistividad superior a 2 x 1011 ohm/cm es considerada generalmente el límite para una apropiada precipitación electrostática.


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Velocidad de gas en el precipitador: resulta de dividir el flujo de gas entrante al equipo por el área transversal efectiva del precipitador. Esta es una cantidad descriptiva y no es rigurosamente la velocidad del gas dentro del equipo. Vibrador (rapper) de la superficie de recolección: mecanismo que imparte vibración o sacudidas a la superficie recolectora para separar el material depositado. Vibrador (rapper) del electrodo de descarga: mecanismo para generar vibración o sacudidas en el electrodo de descarga de manera de separar el material adherido.

5

INTRODUCCION Los precipitadores electrostáticos son equipos empleados para la remoción de material particulado de corrientes gaseosas industriales y de procesos. El funcionamiento de los precipitadores se basa en el principio de que un campo eléctrico ejerce una cierta fuerza sobre una partícula cargada que penetre en éste. La magnitud de esa fuerza es proporcional a la carga de la partícula y a la fuerza del campo, mientras que la dirección de la fuerza depende de la polaridad de la carga de la partícula y de la dirección del campo. En un precipitador electrostático las fuerzas más importantes que actúan sobre una partícula son: aerodinámicas, referidas a la condiciones de flujo de la corriente gaseosa dentro del equipo y electrostáticas, referidas al campo eléctrico dentro del precipitador. Hay otras fuerzas que actúan sobre la partícula, entre las cuales están la fricción, la inercia, colisiones con moléculas neutras del gas y con iones generados en el campo eléctrico. La carga eléctrica necesaria para separar a la partícula de la corriente gaseosa no es un atributo de la partícula en sí, debe ser adquirida mediante algún mecanismo espontáneo o la partícula ser cargada deliberadamente. Para que un precipitador electrostático trabaje de forma eficiente y controlable, tanto el campo eléctrico como la carga de la partícula deben ser inducidos deliberadamente. El campo debe orientarse permanentemente en cierto sentido y la carga de todas las partículas debe ser de la misma polaridad, ya que se trabaja con una sola polaridad.

6

CLASIFICACION DE LOS PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS Existen varios criterios para clasificar los precipitadores electrostáticos: tipo de voltaje aplicado, forma de la superficie recolectora, dirección del flujo de gas, temperatura de operación, forma de remoción de las partículas y tipo de deposición del material separado de los electrodos colectores. A continuación se detalla esta clasificación.


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6.1

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Tipo de Voltaje

6.1.1

Precipitadores de alto voltaje, una etapa: son los más empleados tanto para la recolección de partículas sólidas como líquidas en diversas aplicaciones: refinerías, plantas cementeras, plantas generadoras de potencia, incineradores, quemadores industriales, etc. Dentro de esta categoría y según la forma de la superficie recolectora, se clasifican en dos grupos:

a.

Precipitadores tubulares: las superficies o electrodos de recolección son de forma tubular, con área transversal circular o poligonal (siendo la forma hexagonal de las más empleadas), con un electrodo de descarga que pasa por el centro. El precipitador como tal está constituido por un conjunto de tubos con este arreglo, conectados eléctricamente en paralelo y dispuestos en forma paralela con respecto al flujo de gas. Se emplean para aplicaciones especiales como la recolección de neblinas radioactivas, sustancias tóxicas, altas presiones, materiales pegajosos, humo, entre otras y también cuando el rociado de agua es el mecanismo para remover el material recolectado. Los diámetros de los tubos suelen variar entre 0.5 y 1 pie, con longitudes entre 6 y 15 pies. En la figura 1 se presenta un esquema de este tipo de precipitador.

b.

Precipitadores de platos: la mayoría de los precipitadores son de este tipo. Los electrodos de recolección tienen forma de láminas colocadas paralelamente y separadas a una cierta distancia, creándose una especie de ducto por donde fluye el gas. El sistema de electrodos de descarga se coloca en el plano equidistante de las superficies colectoras.

6.1.2

Precipitadores de bajo voltaje, dos etapas: son menos empleados y su uso está restringido casi exclusivamente a la recolección de diminutas partículas líquidas descargadas en aplicaciones muy particulares. Se conocen también como filtros electrónicos de aire. Debido a la dificultad que presentan para el manejo de sólidos o materiales pegajosos, su uso en aplicaciones para control de la contaminación ambiental es muy reducido y poco práctico.

6.2

Dirección de Flujo del Gas Esta es una categoría dentro de los precipitadores de placas o platos, y de acuerdo a la dirección del flujo gaseoso a tratar:


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Fig 1. DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UN PRECIPITADOR TUBULAR

1. electrodo de descarga,

2. pesos guías,

3. marco de soporte,

4. eje de soporte,

5. aislante,

6. envoltura del soporte,

7. marco guía espaciador de los pesos,

8. electrodo colector,

9. carcasa,

10. tubería entrada cámara,

11. tubería salida cámara,

12. tolva,

13. región entrada cámara,

14. región salida cámara.

15. compuerta descarga de la tolva, (tomado de “Electrostatic precipitators”. Böhm, Jaroslav. Elservier scientific publishing company. New York, 1982).


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6.2.1

Flujo horizontal: el gas pasa horizontalmente entre los placas. En la figura 2 se presenta un esquema de este tipo de equipo.

6.2.2

Flujo vertical: el gas pasa verticalmente hacia arriba entre los placas. Ver esquema en la figura 3.

6.3

Temperatura de Operación Esta clasificación se utiliza sobre todo para precipitadores en aplicaciones de plantas generadoras de potencia, donde la corrientes gaseosas contienen importantes cantidades de ceniza, provenientes de la combustión de carbón pulverizado. Esta ceniza se conoce como “fly ash”, y de acuerdo a la temperatura del gas, las partículas tienen mayor o menor resistividad.

6.3.1

Operación en frío (cold side): constituye la opción más económica y confiable para la recolección de ceniza con resistividades bajas o moderadas (0.1 a 5.0 x 10 10 ohm–cm). Se trabaja a temperaturas entre 120 y 180 °C.

6.3.2

Operación en caliente (hot–side): opera a altas temperaturas, entre 315 a 480 °C, permite alcanzar altas eficiencias en la recolección de cenizas, cuyas resistividades a bajas temperaturas pueden ser muy altas.

6.4

Remoción de las Partículas Adheridas a los Electrodos Colectores

6.4.1

Precipitadores secos: las partículas recolectadas son removidas mediante agitación o sacudidas de la superficie colectora y electrodo de descarga.

6.4.2

Precipitadores húmedos: las partículas son removidas por una película de líquido rociada en la superficie de los electrodos colectores, formándose una suspensión de sólido en el líquido, que se denomina lodo. La irrigación puede ser continua durante el proceso de precipitación o se puede detener la operación del precipitador y rociar las superficies y electrodos.

6.5

Tipo de Deposición del Material Separado de los Electrodos Colectores

6.5.1

De fondo seco: el sólido se deposita en estructuras semejantes a marcos o tolvas colocadas en el fondo del equipo.

6.5.2

De fondo húmedo: el sólido se deposita en una película de líquido, a manera de piscina, ubicada en el fondo del equipo.


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Fig 2. DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UN PRECIPITADOR DE PLATOS CON FLUJO HORIZONTAL



3. marcos de suspensión,

4. eje de suspensión,

5. aislante,



8. barra guía del electrodo colector,

9. guías inferiores,

10. rejilla de distribución de flujo de gas,

11. viga de la carcasa,

12. techo de la carcasa,

13. cubierta interna del techo,

14. protección del aislante,

15. acceso,

16. tolva.

(tomado de “Electrostatic precipitators”. Böhm, Jaroslav. Elservier scientific publishing company. New York, 1982).


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Fig 3. DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UN PRECIPITADOR DE PLATOS CON FLUJO VERTICAL



3. marco de suspensión,

4. eje de suspensión,

5. aislante,


7. marco guía espaciador de los pesos,


9. barra quía del electrodo colector,

10. distribuidor de flujo en el ducto,

11. entrada cámara,

12. salida cámara,

13. baffles,

14. tolva.

(tomado de “Electrostatic precipitators”. Böhm, Jaroslav. Elservier scientific publishing company. New York, 1982).


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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS En esta sección se presenta un resumen de las características que favorecen el uso de los precipitadores electrostáticos en aplicaciones para la remoción de material particulado de corrientes de gas. También se mencionan desventajas asociadas al uso de estos equipos.

7.1

Ventajas – Pueden ser diseñados para trabajar a altas eficiencias de recolección con tamaños de partículas desde submicroscópicas hasta las más grandes presentes en la corriente de gas (en casos favorables alcanzan eficiencias hasta de 99%). – El proceso puede operar de forma continua, separando las partículas del gas sin necesidad de tratar el gas por cargas. – Las partículas pueden separarse en procesos secos o húmedos, dependiendo de su naturaleza y utilización posterior. – Baja caída de presión a través del precipitador, estando en el orden de 2 a 3 cm de agua (0.5–1 pulgada de agua). – Los requerimientos de potencia, si bien dependen de la distribución de tamaño de partícula, la eficiencia de recolección y las condiciones del proceso, son generalmente bajos. El gasto energético asociado al proceso de precipitación en sí ( sin incluir el proceso de agitación o de rociado) está en el orden de 0.1 a 0.35 kW h por 1000 metros cúbicos de gas tratado. – Pueden tratar flujos de gas altos, entre 2000 y 1.000.000 pie3/min, así como adaptarse para operar con temperaturas de gas entre 120 y 480 °C. – Pueden trabajar en procesos que involucren corrientes corrosivas. – Son equipos de larga duración, con movilidad mínima de las piezas debido a mantenimiento, ya que no hay mucho desgaste por rotación o movimientos. (básicamente las piezas del mecanismo de agitación, en los precipitadores secos).

7.2

Desventajas – Alto costo inicial, en especial para aplicaciones que requieran materiales de construcción costosos, para proveer aislamiento térmico o capacidad en el manejo de sustancias corrosivas. – Riesgo de explosión cuando se manejan gases o partículas sólidas combustibles. – Formación de ozono durante la ionización del gas, en los casos en que se trabaja con electrodos de descarga negativos.


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– Son equipos que deben ser ajustados de forma precisa por especialistas, ya que la carga de las partículas, generación del campo eléctrico y desprendimiento del material recolectado son procesos delicados. – Para un mejor desempeño del equipo conviene tener un sistema previo para mejorar el patrón de flujo del gas a la entrada o puede ser necesario el acondicionamiento de las partículas para disminuir su resistividad, de manera que las condiciones sean adecuadas antes de entrar al precipitador. Esto requiere difusores o distribuidores para el flujo gaseoso y adición de agentes acondicionadores, respectivamente.

8

APLICACION DE LOS PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA La principal aplicación de los precipitadores electrostáticos en la industria petrolera consiste en la remoción de material particulado de las corrientes gaseosas de descarga asociadas al proceso de craqueo catalítico fluidizado (FCC) y en los procesos de coquificación. Existen también otras posibles aplicaciones para los precipitadores como por ejemplo, remoción de partículas de los gases de incineración, de los quemadores y de los hornos y calderas. En el proceso de craqueo catalítico fluidizado se emplean los precipitadores electrostáticos como componentes secundarios de separación y recolección de partículas, después de un proceso de separación mecánica que se lleva a cabo mediante otros equipos colocados en el tope del regenerador de catalizador. Estos equipos son normalmente ciclones de una o dos etapas. Estos ciclones no son capaces de remover la partículas más finas de catalizador que son transportadas por el gas, de manera que estas partículas, llamadas finos , escaparían a la atmósfera. Los precipitadores empleados para la recolección de partículas en este proceso suelen ser del tipo placas con flujo horizontal, de una sola etapa. Son capaces de manejar cargas de sólido de 0.3 a 15 granos/pie3 y el tamaño de las partículas es, en un 90 a 99% de la distribución total de tamaño de partícula, menor de 44 micrones en diámetro. El equipo puede trabajar en un rango de temperaturas entre 400 y 800 °F y la corriente puede tener entre 10 y 35% de contenido de humedad. Otra aplicación donde se emplean precipitadores electrostáticos es la reducción de polvo de coque en las unidades de coquificación fluidizada, que procesan residuos de vacío, residuos atmosféricos o asfaltos. En este caso se retienen partículas de coque de la corriente de salida del quemador, que tienden a formar aglomerados. El gas contiene cantidades apreciables de compuestos de azufre, como por ejemplo, sulfuro de hidrógeno (H2S), sulfuro de carbonilo (COS) , disulfuro de carbono (CS2), monóxido de carbono (CO), coque, trazas de vapores orgánicos y los productos usuales de combustión. La corriente de coque a la entrada del precipitador puede tener una carga de sólido entre 6 a 90 granos/pie3,


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la temperatura de la corriente puede llegar a ser de hasta 1100 °F y se alcanzan eficiencias de recolección entre 68 y 98%.

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DISEÑO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS ECUACION DE EFICIENCIA Los precipitadores electrostáticos son diseñados utilizando el modelo de Deutsch–Anderson, más comúnmente conocido como la ecuación de eficiencia de Deutsch, la cual se deduce de estudios probabilísticos de partículas moviéndose en un campo eléctrico. La ecuación de eficiencia es: n 100 (1–e

–wAV

)

(1)

n

=

eficiencia de recolección

w

=

velocidad de migración o recolección

A

=

área de recolección

V

=

flujo de gas

En unidades inglesas

En unidades SI

porcentaje

porcentaje

pie/min

m/min

pie2

m2

1000 pie3/min

1000 m3/min

La ecuación (1) se emplea para calcular el área colectora (A) cuando se conocen el volumen de gas a tratar (V) y la eficiencia requerida en la separación (n). El diseñador del equipo calculará una velocidad de migración (w), la cual puede variar de acuerdo a las condiciones de operación, características del material particulado, composición química y temperatura del gas. La velocidad de migración es la velocidad promedio a la cual las partículas son cargadas y arrastradas a la superficie colectora, donde pierden su carga eléctrica y son removidas. Dentro de la velocidad de migración seleccionada por el diseñador, se pueden consideran factores empíricos como tamaño y propiedades físicas y químicas de las partículas, aglomeración de partículas, velocidad, temperatura y composición del gas. Igualando la fuerza de arrastre y la fuerza electrostática de una partícula en un campo eléctrico se tiene: w= qEp ( 1+ (λ /a )) / 6 π θ a

(2)

y se tiene la siguiente ecuación para: = 1.257 + 0.4 e

–1.10 a/λ

(3)


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donde: En unidades inglesas

En unidades SI

Coulomb

Coulomb

V/pie

V/m

q

=

carga de la partícula

Ep

=

campo de precipitación

a

=

radio de la partícula

micrones

micrones

θ

=

viscosidad del gas

Lb/pie s

cP

λ

=

camino libre medio de las moléculas de gas

micrones

micrones

=

parámetro adimensional

adim.

adim.

π

=

número adimendional igual a 3.1416

adim.

adim.

Este parámetro adicional se encuentra alrededor de 0.86 para el aire atmosférico. La ecuación (2) es bastante precisa para partículas esféricas en aire, con radios comprendidos entre 0.05 y 30 micrones. El término (1+ ( λ /a) se conoce como factor de corrección de Cunningham a la ley de Stokes o factor de deslizamiento. El camino libre medio de las moléculas de gas ,λ, depende de la composición, temperatura y presión del medio gaseoso. Para aire a presión normal de 760 mmHg, los valores típicos de se encuentran entre 0.069 micrones a 70 °F, 0.0106 micrones a 300 °F y 0.128 micrones a 600 °F. El camino libre de las moléculas varía inversamente con la presión del gas, por lo que a una presión igual a la mitad de la normal, los valores de serán el doble. A pesar de que la composición de los gases puede diferir de la del aire, para la mayoría de los casos se calculan y emplean velocidades de migración con caminos libres medios correspondientes al aire. Varias suposiciones asociadas a este modelo son: – Debido a la turbulencia se supone que el mezclado en cualquier porción del área transversal del precipitador es uniforme, por lo que no hay distribución de la concentración de partículas. – Con un valor fijo para el radio de la partícula no se toma en cuenta la distribución de tamaños de partículas ni sus variaciones a lo largo del precipitador. – No se consideran las variaciones de la velocidad de bulto del gas. – No se considera la distribución de la fuerza electrostática. – La ecuación (2) está desarrollada para partículas esféricas, pero se emplea también para otro tipo de partículas que pueden tener forma de agujas o estrellas. Para partículas no esféricas se emplea el diámetro de Stokes, que es el diámetro de una esfera de igual densidad que el material tratado y que se


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comporta aerodinámicamente como la partícula de interés. Por otro lado, la máxima carga que puede obtener una partícula esférica es: qs= 4π εo p a2

(4)

y se tiene que: p= 2 [(K–1) / (K+2)]+1

(5)


En unidades SI

qs

=

carga máxima de una partícula

Coulomb

Coulomb

q

=

carga real de una partícula

Coulomb

Coulomb

εο

=

permisividad de espacio libre

Ec

=

campo eléctrico de carga

V/pie

V/m

K

=

constante dieléctrica de la partícula

adim.

adim.

p

=

parámetro ecuación (4) definido en la

adim.

adim.

2,72 x10 F/pie

–12

8.86 x10 F/m

–12

ecuación (5)

Para la mayoría de los materiales la constante dieléctrica de la partícula se encuentra entre 2.0 y 8.0. La carga instantánea o local de la partícula está relacionada con la carga de saturación a través de la siguiente ecuación: q= qs (t / (t + τ))

(6)


En unidades SI

t

=

tiempo

s

s

τ

=

constante de tiempo de carga de

s

s

la partícula


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Como τ es en la práctica muy pequeña, se considera que: q = qs

(7)

Hay otros enfoques para la descripción y diseño de precipitadores, los cuales están basados en métodos semiempíricos. El concepto de tamaño de partícula no uniforme es extendido para incluir variaciones en la velocidad del gas, densidad de corriente en la corona y campo eléctrico. Este tipo de metodología conduce a una ecuación de eficiencia de la siguiente forma: n = 100 ( 1–e

–w A / V) k k

(8)


En unidades SI

porcentaje

porcentaje

m2

pie2

1000 pie3/min

1000 m3/min

n

=


A

=


V

=

volumen de gas a tratar

wk

=

velocidad de migración equivalente

m/min

pie/min

k

=

medida de la desviación estadística

adim

adim

de las variables

Para el caso de cenizas (fly ash) k=0.5. En este enfoque, se toma un precipitador de área conocida y fijando los valores de n y V, se calcula wk , que puede luego emplearse para el diseño de futuros precipitadores. Este procedimiento es similar al utilizado con la ecuación (1), ya que la ecuación (3) es una extensión de ésta. Otro enfoque consiste en caracterizar estadísticamente el análisis y diseño de precipitadores. Se recopilan datos de cierto número de precipitadores y se someten a análisis de regresión para aislar y evaluar variables significativas como, por ejemplo, velocidad y temperatura de gas. Entre las desventajas de esta metodología están la ausencia de basamentos teóricos y la posibilidad de perpetuar debilidades en el diseño por el deterioro gradual de la base estadística de diseño, además de que se requieren datos de operación sobre unidades existentes, lo cual no siempre es accesible. Esta metodología no es empleada comúnmente para diseño y selección de equipos a nivel de procesos.


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10 SELECCION DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS 10.1

Factores a Considerar en el Proceso de Selección La integración de un precipitador electrostático a los demás equipos que conforman el proceso está signada por las siguientes consideraciones generales: – Las materias primas y de otro tipo procesadas en la planta. – El tipo de proceso y equipos asociados, así como estado técnico de éstos. – Las técnicas de procesamiento, las cuales pueden diferir de una planta a otra, a pesar de que manejen los mismos insumos o los mismo equipos de proceso. – Las prácticas de manufactura de la planta, que en la mayoría de los casos están gobernadas por consideraciones económicas más que técnicas. – La clase de partículas emitidas, sus propiedades físicas y fisicoquímicas. – La concentración, distribución de tamaño de partícula y composición morfológica del sólido o líquido suspendido. – El grado de toxicidad o peligro que reviste para el ambiente la contaminación con el material particulado. – El nivel de separación establecido para la limpieza del gas, es decir, la eficiencia de recolección. – La posibilidades de reutilizar el material colectado, y los requerimientos asociados a esta reutilización. – Determinar si los precipitadores serán componentes integrados de un sistema para tratar el gas o serán los únicos equipos empleados en esta tarea. En la tabla 1 se resumen aspectos importantes del diseño y selección de precipitadores electrostáticos, desde el punto de vista del fabricante y del ingeniero u otra persona que evalúa la opción de un precipitador electrostático para un proceso determinado. Los diseñadores de precipitadores electrostáticos utilizan los siguientes datos generales como guía: S Precipitadores secos: – Velocidad del gas a través del precipitador : entre 1 a 15 pie/s, dependiendo de la fuente del sólido suspendido. – Menores relaciones de longitud mejoran desempeño de los precipitadores. – El número de campos se estima según la eficiencia de manera empírica: 1 campo para eficiencias entre 90 y 97%, dos campos para eficiencias entre 97 y 99%, y tres o cuatro campos para eficiencias superiores a 99%. – En general se suministran 55mA por cada 1000 pie2 de superficie colectora. S Precipitadores húmedos: Pueden ser diseñados similarmente a los precipitadores secos, pero incluyendo los rociadores de agua que operan de forma continua o


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periódica, en el proceso de limpieza de las superficies colectoras y del electrodo de descarga. Los precipitadores húmedos se diseñan muy a menudo como una serie de tubos en paralelo, cada uno de los cuales contiene un electrodo de descarga en el centro. En la tabla 2 se presentan los parámetros típicos de diseño que se emplean en precipitadores electrostáticos. TABLA 1. FACTORES CLAVES EN EL DISEÑO Y SELECCION DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Factores gobernados por el ingeniero

Factores gobernados por fabricante

Factor

Comentario

Factor

Eficiencia de recolección requerida

Especificar la eficiencia mínima requerida. Un incremento en la eficiencia de 98 a 99% significa un aumento aprox. del 15% en el tamaño del precipitador.

Espaciado de los electrodos colectores

Cada fabricante tiene espaciados standard. El espaciado no es crítico siempre y cuando el resto de la instrumentación eléctrica esté diseñada de acuerdo a dicho espaciado.

Volumen de gas a tratar

Se deben cuantificar la caída de presión y escapes dentro del precipitador. Minimizar las fugas para mejorar eficiencia. Solicitar curvas de desempeño de eficiencia en función de volumen a tratar.

Area de los electrodos colectores

Depende del volumen de gas a tratar, eficiencia requerida y características del gas y del ducto.

Temp. del gas a tratar

Afecta el volumen del gas y la eficiencia. Se deben especificar la temp. normal de operación, la máxima y la mínima posibles.

Tipo de electrodo de descarga

Muchos tipos disponibles y la mayoría funcionan satisfactoriamente.

Tamaño de partícula en el polvo

Las partículas más grandes son recolectadas con más facilidad que las pequeñas. La distribución de tamaño de partícula debe determinarse in–situ, no tomando muestra de las tolvas.

Velocidad del gas en la zona de recolección

Debe ser baja, para prevenir reingreso del material particulado durante el proceso de desprendimiento por sacudida. (0.3 – 2 m/s)

Comp. del gas

Especificar contenido de humedad, punto de rocío y composición del gas en porcentaje de volumen.

Número de zonas

Relacionado con el número de cámaras y número de campos. Es común tener de 3 a 4 zonas en serie.

Comentario


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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Factores gobernados por el ingeniero

Factores gobernados por fabricante

Factor

Factor

Comentario

Comentario

Característic as del material particulado

Especificar la carga del material en el gas, tanto el valor promedio como valores máximos, así como análisis químico del material.

Sacudida de los electrodos colectores

Se aplica sacudida a los electrodos cada 2 a 4 minutos.

Cond. de diseño

Especificar datos de espacio disponible, así como esquemas preliminares del diseño y ensamblaje en planta.

Equipo de alto voltaje

Se debe tener un equipo para cada zona y debe estar dimensionado para proveer suficiente poder a cada zona. Controladores automáticos.

TABLA 2. PARAMETROS TIPICOS DE DISEÑO PARA PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Parámetro

Rango de valores

Velocidad de migración

0.1–0.7 pie/s

Espaciado entre placas

8–11 in

Velocidad de gas

2–8 pie/s

Altura de las placas

12–45 pie

Longitud de las placas Voltaje aplicado

Fuerza de la corona Fuerza del campo

Tiempo de residencia Caída de presión Eficiencia

30–75 kV

0.01–0.1 mA/pie de cable 7–15 kV/in 2–10 s

0.1–0.5 pulgadas de agua hasta 99.9%

Temperatura de gas

10.2

0.5–2 veces la altura de las placas

hasta 700°F (Standard), 1000°F(alta temperatura), 1300 °F (especial)

Parámetros que son Especificados para la Selección de Precipitadores Electrostáticos En el proceso de selección de un precipitador electrostático es necesario determinar las características más apropiadas para los componentes importantes del equipo, a través de parámetros como área, número y tipo. Esta sección


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comprende una lista de los parámetros claves para los principales componentes de los precipitadores electrostáticos. 1.

Electrodos colectores: tipo, tamaño, es decir, área; montura y propiedades mecánicas y aerodinámicas.

2.

Electrodos de descarga: tipo, tamaño, espaciado y soporte.

3.

Soportes para los electrodos de descarga: tipo, número, disposición.

4.

Carcasa: dimensiones, requerimientos de aislante y accesos.

5.

Otros componentes eléctricos: rectificadores, transformadores, sistema de control automático, número, instrumentación y sistema de monitoreo.

6.

Vibradores para los electrodos de descarga y colectores: tipo, tamaño, rango de frecuencia e intensidad, número y arreglo.

7.

Tolvas: geometría, tamaño, aislamiento, número y colocación.

8.

Sistema de remoción del sólido: tipo, capacidad, protección para evitar fugas de aire, protección para evitar retorno del material colectado. A continuación se presenta una breve descripción de cada uno de los puntos arriba señalados: Electrodos colectores: Se emplean comercialmente una gran variedad de electrodos colectores en los precipitadores de platos. Estos electrodos deben: a.

Minimizar el retorno del material colectado a la corriente gaseosa.

b.

Ser uniformes y carecer de bordes agudos que puedan causar chispas y reducir el voltaje y deben ser mecánicamente rígidos para soportar la acción de sacudida y los esfuerzos asociados al flujo del gas.

c.

Favorecer el flujo de gas evitando la formación de zonas de turbulencia, deben ser lo suficientemente rígidos para mantener su forma, posición y espaciado. Los electrodos recolectores más empleados consisten de una lámina a la cual se adicionan baffles para fortalecerla y para eliminar zonas de turbulencia. Entre las geometrías de los baffles se tienen baffles triangulares (Opzel plates), baffles rectos, en zigzag, baffles inclinados en forma de V, baffles superpuestos o con escudos. Ver figura 4. El diseño debe permitir ajustes en la alineación de los electrodos, así como expansión debido a variaciones de temperatura. Electrodos de descarga: La forma y tamaño de los electrodos de descarga está gobernada por la corriente de corona y por los requerimientos mecánicos del sistema. Los electrodos de


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descarga más empleados comercialmente son del tipo cables de área transversal circular o rectangular, de aproximadamente 0.1 pulgadas de diámetro o ancho. Existen otras configuraciones entre las cuales están en forma de estrella, con flecos o barbas, en forma de lazos, espirales alargadas, etc. Algunas de estas configuraciones se presentan en la figura 5. Generalmente los electrodos de descarga son fabricados con aleaciones de acero, aunque también se emplean materiales como cobre, plata, aluminio, hierro cubierto de plomo, aleaciones con titanio, y materiales identificados comercialmente como Hastelloy y Nichrome. Carcasa: Se emplean los standares de la AISC (American Institute of Steel Construction) para la estimación de esfuerzos y deflecciones para la carcasa. Esta consiste de paneles reforzados diseñados para soportar la carga de presión y viento. En el techo de la carcasa, sobre una lámina de cobertura, se localizan el sistema de descarga eléctrica, la unidad rectificador–transformador , los elementos de control, etc. La estructura completa está sometida a varios esfuerzos, entre los cuales es importante señalar los esfuerzos térmicos. Puede presentarse deformación de la carcasa debido a los gradientes de temperatura en el material, que generarán expansiones en los elementos metálicos de la misma.


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Fig 4. DIFERENTES GEOMETRIAS DE ELECTRODOS RECOLECTORES

(tomado de McDonald, Jack R., y Alan H. Dean., “Electrostatic precipitator manual”. Noyes Data Corporation, New Yersey, 1982)

Fig 5. DIFERENTES GEOMETRIAS DE ELECTRODOS DE DESCARGA O CORONA

(tomado de McDonald, Jack R., y Alan H. Dean., “Electrostatic precipitator manual”. Noyes Data Corporation, New Yersey, 1982)

Esta deformación puede acarrear la desalineación de los electrodos de descarga y de recolección, modificándose así el campo eléctrico en el precipitador.


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La carcasa es normalmente de forma rectangular en los precipitadores de platos, y en forma de tubo en los precipitadores tubulares. Se construye de acero a menos que el servicio involucre materiales corrosivos o requerimientos significativos de aislamiento térmico. En estos casos se emplean aleaciones especiales de aceros resistentes a la corrosión y se aísla la carcasa para mantener la temperatura por encima del punto de rocío de la sustancia corrosiva. Se puede acondicionar la carcasa con platos difusores para mejorar el flujo de gas y se pueden colocar baffles en el techo y las paredes para minimizar la cantidad de gas que escapa o no pasa por los electrodos de descarga. Soportes para los electrodos de descarga: Existen dos diseños básicos para el sistema de soporte de los electrodos de descarga. El sistema americano de electrodos suspendidos con guías o pesos y el sistema europeo de marcos rígidos. En el sistema de guías y pesos, cada electrodo es individualmente suspendido de un marco superior y se mantienen en posición y elongados mediante pesos suspendidos en la parte de abajo del cable. Los pesos están separados entre sí por marcos o guías y tienen un sistema de estabilización para impedir el balanceo producto del flujo de gas y del campo eléctrico. En el sistema de marcos rígidos los electrodos son sujetados en ambos extremos a un marco de tubos o barras rígidas, y estos marcos a su vez pueden colocarse para formar arreglos bidimensionales o tridimensionales. Las estructuras de soporte a su vez están adheridas a la carcasa mediante un arreglo de aislantes de voltaje, que proveen aislamiento del alto voltaje y rigidez estructural para sostener los marcos. Por lo general el sistema de aislantes está localizado en el techo del precipitador y se utilizan materiales como cerámica, pirocerámica y alúmina en su fabricación. Otros componentes eléctricos: Son los elementos requeridos para generar y controlar el alto voltaje que da lugar al campo eléctrico y a la corriente de corona. Estos equipos deben ser estables en operación y por lo general tienen una vida útil de 20 años o más. Estos componentes son: el sistema transformador–rectificador, equipos de control de voltaje y conductores de alto voltaje. Los precipitadores electrostáticos operan con corriente directa, con voltajes que están entre 30 y 100 kV. Normalmente están equipados con control automático de potencia. Las unidades para energizar y controlar el sistema se presentan en conjuntos o paquetes ya instrumentados. Los transformadores normalmente son enfriados con aceite y están integrados a rectificadores con diodos de silicón. Se emplean sistemas de control con retroalimentación automática, para mantener el sistema regulado y tener una rápida respuesta a posibles alteraciones.


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Los componentes eléctricos son diseñados por los fabricantes del precipitador. Entre las casas fabricantes están Research–Cottrell Inc, CE–Walther y Buell. En la tabla 3 se presentan las especificaciones para diseño y operación de los componentes de alto voltaje que constituyen el sistema eléctrico de los precipitadores electrostáticos Vibradores (rappers): Los vibradores son elementos mecánicos empleados para producir sacudidas o vibraciones en los electrodos y así desprender el material depositado. El principio de funcionamiento está basado en transmitir a los electrodos de descarga y recolectores impulsos debidos a impacto o a vibración. Los mecanismos son activados eléctrica, magnética o neumáticamente. Los tipos más comúnmente empleados son: – De impulso electromagnético (solenoide), simple o múltiple. – Vibradores eléctricos. – De impulso neumático. – Mecánicos, semejantes a martillos. Cada fabricante ha desarrollado diseños particulares de acuerdo a la aplicación, compatibilidad con el sistema de suspensión de los electrodos colectores y de descarga y con la frecuencia de vibración. En general se emplean vibradores de impulso neumático, mecánico o electromagnético para los electrodos colectores y vibradores eléctricos para los electrodos de descarga. Los vibradores mecánicos imparten más energía que los vibradores eléctricos o magnéticos y es por ello que se emplean en aplicaciones donde el aglomerado de sólido es difícil de desprender de las superficies colectoras. El control de los vibradores se traduce en establecer la secuencia correcta de sacudida y la intensidad del impacto o vibración. Para ello los vibradores poseen un sistema de control con tecnología de microprocesadores que permite el monitoreo continuo de la operación del sistema. Estos sistemas de control se colocan en el techo de la carcasa, previa evaluación de las condiciones atmosféricas externas. Los electrodos son sacudidos bajo las siguientes consideraciones: los electrodos colectores se sacuden una sola vez dentro de un ciclo y electrodos adyacentes no deben ser sacudidos sucesivamente, es decir, una operación de sacudida no debe depositar los sólidos en la misma tolva que la operación anterior. Estos ciclos no son fáciles de programar y dependen del número de electrodos en el sistema. En los precipitadores horizontales, los electrodos de secciones individuales son sacudidos a diferentes frecuencias y con diferentes intensidades, seleccionadas para alcanzar el nivel de desprendimiento de sólido y llenado de tolva apropiados. En las secciones más cercanas a la entrada las sacudidas son más cortas en tiempo pero más frecuentes e intensas, mientras que en la secciones más internas el comportamiento es el contrario. En


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los equipos de flujo vertical los electrodos son sacudidos también en ciclos, con la misma intensidad y a iguales intervalos de tiempo. El número de vibradores se encuentra entre 0.25 a 0.90 por 1000 pie2 de electrodos colectores y de 0.09 a 0.66 por 1000 pie de electrodos de descarga. Tolvas: Son empleadas para recolectar el material removido de las superficies colectoras. En las mayoría de los precipitadores secos, el material recolectado se deja acumular por un tiempo en la tolva y luego éstas son vaciadas TABLA 3. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO Y OPERACION PARA LOS EQUIPOS MODERNOS DE ALTO VOLTAJE, EMPLEADOS EN PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Item

Voltaje de operación del precipitador Densidad de corriente del precipitador Tipo de onda de voltaje Carga del precipitador Entrada de la linea Circuito del rectificador Voltaje de salida

Transformador de alto voltaje Capacidad individual por juego Corriente directa de salida Aislamiento transformador–rectificador Trabajo Temperatura ambiente

Especificación

30–100 kV (40–65 kV más comunes) 10–100 mA/1000 pie2 pulsante, polaridad negativa, onda completa o doble media onda. Capacitiva 0.02– 0.125 FD/sección 460/480 V, 1 Ph, 60 Hz una fase, puente FW, diodos de silicón 70 kV máximo, 45 kV dc promedio, más comúnmente 105 kV máximo, 67.5 kV dc promedio 400 V/53 kV rms o 400 V/78 kV rms 15– 100 kVa 250– 1500 mA por juego enfriamiento convectivo con aceite continuo tanto en interiores como en exteriores 50°C máximo para Transformadores–Rectificadores enfriados con aceite, 55°C máximo para el cajetín de control.

continuamente o a intervalos. Si se vacían muy lentamente podría ocurrir que el nivel de material alcance el tope de la tolva y haya reingreso a la cámara del precipitador. Existen ciertas aplicaciones donde las tolvas deben estar aisladas térmicamente o mantenidas a cierta temperatura, para prevenir la compactación del material sólido por enfriamiento, ya que la formación de tortas en la tolva dificulta la extracción del material. Para otras aplicaciones es necesaria la construcción de tolvas resistentes a la corrosión. Para el diseño de tolvas adecuadas se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:


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– El manejo del sólido recolectado, es decir, si se va a recuperar como sólido seco o como lodo. – Garantizar una pendiente adecuada en las paredes de la tolva, requerimiento no siempre considerado ya que a mayor pendiente aumenta la altura de la tolva y la cantidad de material de fabricación. El ángulo mínimo especificado es de 60° entre el plano inclinado de la tolva y la horizontal. Este ángulo se conoce como ángulo valle. En el interior de la tolva las paredes deben ser lisas y sin canales que favorezcan la acumulación de sólido. – Temperatura adecuada del material acumulado, lo cual puede lograrse con aislamiento térmico y si no es suficiente, administrando calor a la tolva. – Mecanismos complementarios que impidan la formación de “montones” de sólido depositado, por ejemplo, se puede proveer un mecanismo de agitación o vibración para la tolva. – El sistema de descarga de las tolvas debe estar correctamente diseñado y adherido a las mismas. Las tolvas más comunes tienen forma piramidal y convergen en una región de salida rectangular o cuadrada. Durante el proceso de descarga, la salida de la tolva debe impedir o al menos minimizar el ingreso de aire del exterior a la cámara del precipitador. Es útil tener un detector y una alarma de nivel que indique el rebose de la tolva. El llenado en exceso favorece el reingreso de material al precipitador y afecta la eficiencia del mismo. Para cierto tipo de polvos como los pirofóricos o con altos contenidos de carbón, el rebose de las tolvas puede incrementar el riesgo de combustión en el precipitador, debido a la cercanía del material con las chispas generadas por los electrodos de descarga. Los sistemas detectores de nivel y alarma pueden ser de varios tipos, siendo los más comunes aquellos que trabajan bajo el principio de absorción de un haz delgado de rayos gamma. Sistema de remoción de material de las tolvas: Existen muchos tipos de sistemas para la remoción del material acumulado en las tolvas, estos sistemas contemplan el vaciado de contenedores, sistema de vacío seco, de vacío húmedo y tornillos transportadores. A continuación se presenta una breve descripción de estos mecanismos. – Remoción del contenedor: este sistema se emplea en instalaciones pequeñas, con tolvas piramidales o cónicas. El sistema consiste en colocar un recipiente transportable debajo de la tolva. El contenido de la tolva es transferido al contenedor mediante una válvula o compuerta, y una vez lleno se retira para vaciarlo. – Sistema de vacío seco: el material recolectado es transferido a un sistema de tuberías que se encuentra al vacío. El vacío se produce por una bomba de aire y se emplea aire como medio para transportar el sólido, el cual es descargado en un silo para almacenamiento temporal.


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– Sistema de vacío húmedo: El sistema de tuberías es mantenido al vacío mediante un aspirador de agua. Para mantener el sólido suspendido se emplea una corriente de gas o aire. El material transportado se mezcla con el agua para aspiración, formándose un lodo que se maneja luego como desecho. – Tornillos transportadores: un sistema de tornillos transportadores se instala después de las tolvas y maneja el sólido recolectado hasta trasladarlo a un silo para almacenaje.

10.3

Factores que Afectan el Desempeño de los Precipitadores Electrostáticos Factores claves que determinan la adecuada operación de los precipitadores electrostáticos comprenden el flujo, temperatura, composición química y contenido de agua del gas, así como factores asociados al sólido suspendido, por ejemplo, concentración, composición , características físicas y distribución de tamaños de partículas. Estos factores se describen a continuación. a.

Flujo de Gas: El flujo de gas es un factor crítico en el diseño y operación de los precipitadores. El principio bajo el cual trabaja el precipitador, la migración de las partículas a la superficie recolectora, involucra un lapso de tiempo finito, si la velocidad del gas en cualquier pasaje alrededor de las superficies recolectoras excede la velocidad de diseño, algunas partículas no tendrán el tiempo suficiente para alcanzar el electrodo de recolección. Después que las partículas han sido colectadas en la superficie, se requiere tener buenos patrones de flujo del gas, de tal forma que prevengan el retorno de las partículas a la corriente gaseosa durante el proceso de sacudida de los electrodos colectores. Hay otros problemas asociados a flujo de gas y patrón de flujo inadecuados como, por ejemplo, re–entrada de las partícula recolectadas de las tolvas y circulación del gas en las tolvas. La mejor condición de operación para un precipitador ocurre cuando la distribución de velocidad del gas es uniforme. La calidad de la distribución de flujo del gas se determina generalmente por medición en campo de la distribución de velocidades del gas a la entrada del precipitador o en los ductos cercanos a la entrada del mismo, siguiendo los criterios de la División Electrostática del Instituto de Limpieza de Gas Industrial de E.E.U.U. El área transversal de entrada del precipitador se divide en subsecciones rectangulares, y la velocidad del gas se mide en el centro de cada rectángulo. Se establece que la distribución del gas es aceptable cuando el 85% de la velocidades locales están dentro del 25% del promedio, y ninguna medida de velocidad excede el promedio en más de 40%. Otro enfoque se basa en la determinación de la velocidad promedio y la dispersión de la velocidad. La velocidad promedio se expresa como:


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1 v mm

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n 1

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m

v ij

(10)

1

En unidades inglesas v v ij

= =

nm n m

= = =

velocidad promedio velocidad en cada subregión o rectángulo número de zonas filas columnas

En unidades SI

pie/min pie/min

m/min m/min

adim. adim. adim.

adim. adim. adim.

La dispersión de la velocidad puede definirse de varias maneras pero la más empleada y conveniente es la norma de la raíz cuadrada del promedio o cuadrado de la desviación estándar, definida por: s

2

1 mm

n

m

1

1

v ij – v 2 v

(11)

En unidades inglesas σ2 v v ij

= = =

mn n m

= = =

cuadrado de la desviación estándar velocidad promedio velocidad en cada subregión o rectángulo número de zonas filas columnas


adim. pie/min pie/min

adim. m/min m/min

adim. adim. adim.

adim. adim. adim.

En la práctica los valores de σ están entre 10 y 50%. Un 10% es lo mejor que se obtiene en la práctica, 15% es bueno, 25% es regular y más allá de 25% es inaceptable. Para alcanzar un flujo uniforme en un ducto, de acuerdo a los procedimientos de la ASME (American Asociation of Mechanical Engineers), se debe contar con una distancia equivalente al menos a 10 diámetros de ducto antes y después de una interrupción u obstáculo, tal como codos, expansiones o contracciones. Esto no siempre es posible debido a limitaciones de espacio o de tipo económico, por lo que se recurre al uso de accesorios como separadores, platos difusores, enderezadores y baffles.


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b.

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Temperatura del gas: La temperatura del gas que ingresa al precipitador es importante ya que variaciones de ésta afectan el desempeño por la alteración de las propiedades eléctricas de las partículas, flujo de gas, y velocidad de corrosión del equipo. Temperaturas entre 200 a 400 °F producen partículas de alta resistividad, en ausencia de agentes acondicionadores. Por ello la temperatura del gas a tratar en el precipitador puede modificarse para disminuir la resistividad de la partícula y mejorar la recolección. La temperatura del gas es también de importancia en la selección de los materiales de construcción del equipo, para hacerlo resistente a esfuerzos térmicos. La temperatura determinará posibles expansiones del material, las cuales deben tomarse en cuenta a la hora del diseño para prevenir deformaciones de las piezas, desajuste y desalineación de los componentes que generan el campo eléctrico.

c.

Contenido de agua de los gases: Conocer el contenido de agua presente en la corriente de gas es imperativo en los casos donde existen condiciones desfavorables en cuanto a la resistividad de las partículas. La adición de agua como agente acondicionador de partículas, es una práctica frecuente debido a que es un agente económico que contribuye a mejorar el desempeño de precipitadores en situaciones de partículas con altas resistividades. Se recomiendan aproximadamente de 6 a 8 Kg de agua por 1000 m3 de gas a tratar.

d.

Composición química del gas y del material suspendido: Se requieren análisis químicos para determinar las características del sólido, desde el punto de vista eléctrico (resistividad), así como desde el punto de vista químico (corrosión). Esto permitirá estimar las condiciones de operación del precipitador así como los materiales de construcción, el manejo de los sólidos recolectados y la posible reutilización de éstos. En la figura 1 del anexo 1 se presenta la variación de la velocidad de migración en función de la resistividad del material a separar, y en la figura 2 del mismo anexo se muestra la variación en la eficiencia de recolección como función de la resistividad del material sólido.

e.

Concentración de partículas: Cuando se requiere un proceso de precipitación de alta eficiencia es imperativo determinar mediante mediciones locales la concentración de material particulado. Los métodos empleados para este tipo de mediciones deben ser tales que cuantifiquen la cantidad de partículas filtrables existentes en la corriente gaseosa, bajo las condiciones a las cuales operará el precipitador electrostático. Es de señalar que las normas y regulaciones sobre emisiones a la atmósfera pueden especificar métodos que arrojen resultados diferentes de los obtenidos con los métodos que se emplean para determinar el nivel real de particulados en el precipitador. También puede ocurrir que reacciones o condensación en la corriente


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gaseosa induzcan la aparición de partículas más allá del precipitador, las cuales no están presentes en el punto donde se localiza el equipo.

10.4

f.

Distribución del tamaño de partícula: Es importante conocer la distribución de tamaños de partículas a ser recolectadas, especialmente si se pretende colocar un equipo previo de separación mecánica antes del precipitador electrostático. También en aplicaciones donde las características visuales de la corriente gaseosa de descarga sean relevantes, debe conocerse esta distribución de tamaños de partículas.

g.

Características físicas del material particulado: Es de utilidad en la especificación y diseño del equipo conocer la forma, densidad, adherencia y características superficiales del material a recolectar, ya que esto influye en las propiedades de los aglomerados que se forman en las superficies del precipitador. Por ejemplo, algunos humos de materiales metálicos como zinc y plomo, forman láminas de baja densidad que se rompen durante el proceso de sacudida de la superficie recolectora, generando aglomerados livianos que son suspendidos y reingresan a la corriente gaseosa, lo cual afecta notablemente el rendimiento de la separación. Otros polvos son pegajosos y difíciles de remover de las superficies recolectoras. Estos factores deben ser estudiados a la hora de seleccionar el mecanismo de desprendimiento y deposición final del sólido, así como al establecer la velocidad de gas dentro del precipitador.

Acondicionamiento para Mejorar Desempeño de los Precipitadores Electrostáticos El acondicionamiento del gas mediante la adición de productos químicos permite modificar las propiedades, de superficie de las partículas y en consecuencia se afectan las propiedades de las láminas de sólido depositado en los electrodos colectores. Esto permite mantener uniforme el campo eléctrico en el precipitador, a pesar de la deposición de material en las superficies colectoras. Además de modificar propiedades físicas de las láminas depositadas, también se emplea el acondicionamiento del gas para modificar la resistividad de las partículas y así mejorar el proceso de carga y deposición de las mismas. El acondicionamiento para modificar la resistividad de las partículas puede clasificarse en: S Adición de productos químicos a la corriente de gas. Agentes como agua, amoníaco, ácido sulfúrico, cloruro de sodio, trióxido de sodio y otras sustancias, añadidas en trazas, mejoran notablemente el desempeño de los precipitadores. En la mayoría de los casos estos productos químicos son adsorbidos sobre la superficie de las partículas. S Modificación de los materiales que producen el sólido o líquido suspendido, mediante la adición de agentes acondicionadores como, por ejemplo, sulfatos. En este caso se trata directamente la fuente de particulados y no la corriente gaseosa que los transporta.


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S Modificación de la temperatura del gas. Como ya se discutió con anterioridad, la modificación en la temperatura del gas incide directamente sobre la resistividad de las partículas y por ende en el proceso de carga y migración a los electrodos colectores.

11 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN EL MANEJO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS Riesgos en la operación de precipitadores: Como la operación de precipitadores electrostáticos involucra el uso de alto voltaje, se debe tener especial cuidado en las labores de mantenimiento e inspección para prevenir shocks eléctricos. Son equipos susceptibles a explosiones y fuego, que pueden ocasionar importantes pérdidas. Existe el peligro asociado a la inspección interna del equipo por la exposición a gases tóxicos, especialmente ozono y óxidos de azufre. Otros potenciales riesgos son la activación del sistema de vibración durante inspecciones, quemaduras por contacto con superficies internas de la carcasa que estén calientes, inflamación de los ojos y daños al sistema respiratorio por contacto en inhalación de material particulado. A continuación se explican con más detalles los riesgos asociados a los precipitadores. a.

Riesgos de fuego y explosión: En el manejo de precipitadores hay tres elementos químicos combustibles de importancia: carbón, azufre e hidrógeno. El azufre es el de menor relevancia en lo que se refiere a generación de calor, mientras que la combustión de carbón e hidrógeno genera una cantidad de calor significativa (14.100 Btu/lb de carbón y 61.100 Btu/lb de hidrógeno). Si los gases que entran al precipitador electrostático provienen de un equipo de combustión donde el proceso haya sido deficiente, la corriente gaseosa tendrá contenidos de material combustible tales que las condiciones en el precipitador pueden favorecer la combustión dentro de la cámara. En la mayoría de los casos las prácticas deficientes de mantenimiento y operación en la planta son las causas de explosión y fuego en los precipitadores. La combustión inadecuada, debida principalmente a cantidades desproporcionadas de aire en exceso, es la condición de operación más frecuente que produce este tipo de accidentes

b.

Riesgos de shock eléctrico: El shock eléctrico de los operadores de precipitadores electrostáticos se debe a la falla, mal uso o condición defectuosa de los componentes que integran el equipo y pueden provocar accidentes como: shock doloroso por contacto, quemaduras de la piel y hasta la muerte por imposibilidad de retirarse del conductor energizado.


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Por lo general los precipitadores electrostáticos de alto voltaje tienen un sistema doble de control de seguridad, que restringe el acceso al interior del equipo a menos que la unidad haya sido desenergizada. Si el primer sistema de control falla y la puerta de acceso al interior del equipo está abierta, inmediatamente el segundo elemento de control conecta el transformador a tierra y el equipo se desenergiza. Sin embargo pueden presentarse malas prácticas al activar este sistema de control, acrecentando el riesgo de accidentes eléctricos. Otro riesgo potencial asociado al sistema de seguridad es la falta de inspección y mantenimiento periódico de éste, en especial si las aplicaciones involucran especies corrosivas o temperaturas considerables. c.

Riesgo por manejo de gases tóxicos: Es necesario purgar con aire la cámara del precipitador electrostático antes de que el personal ingrese al interior del equipo, esto para evacuar gases tóxicos. Pueden encontrarse ozono y óxidos de azufre en concentraciones significativas como para causar daños a los operadores. Entre los gases más frecuentes que se manejan en los precipitadores están el dióxido de azufre y el trióxido de azufre. El trióxido de azufre puede combinarse con agua para formar una niebla de ácido sulfúrico, altamente corrosiva y peligrosa. Por otro lado concentraciones de dióxido de azufre superiores a 5 ppm causan irritaciones respiratorias y reacciones espasmódicas. En el caso del ozono, el cuerpo humano es muy sensible a este gas, produciéndose irritaciones nasales y de la garganta cuando las concentraciones están alrededor de 0.3 ppm y en concentraciones superiores a 1 ppm ocurren daños más graves a los pulmones.

Otros riesgos presentes en la operación de precipitadores son la presencia de partes móviles que constituyen el sistema de vibración de los electrodos colectores, quemaduras graves y sofocación por ingresar a la cámara aún caliente del precipitador, daños en los ojos por la presencia de partículas y caídas de las áreas elevadas del precipitador que no tienen barandas.

12 CONSIDERACIONES DE COSTOS EN EL DISEÑO Y SELECCION DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS El costo inicial de un precipitador electrostático depende principalmente del área de recolección requerida, la cual como se discutió con anterioridad, depende de la eficiencia de recolección y del volumen de gas a tratar. Una vez que se conoce este dato, se establece la configuración más apropiada del equipo. Esta configuración sin embargo, está restringida a cumplir ciertas especificaciones como: relación de altura a longitud (H/L), tiempo de contacto o residencia, número de campos y velocidad de gas. Los precipitadores constituyen una tecnología madura que conserva los mismos principios fundamentales desarrollados hace 20 años, por ello las innovaciones en este tipo de equipos se traducen en maximizar


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la corriente de corona, mejorar la distribución del gas, optimizar las técnicas de vibración y prevenir el retorno del material particulado recolectado a la corriente gaseosa. El cambio más drástico de la tecnología en los últimos años tiene que ver con la adecuación de estos equipos para la operación en condiciones límite, es decir, para altas eficiencias de separación, manejo de sustancias tóxicas y corrosivas así como resistencias a altas temperaturas. La mayoría de las curvas que relacionan costo inicial de un precipitador con eficiencia requerida fueron desarrolladas hace 20 años, cuando se trabajaba en un rango de eficiencias entre 80 y 90%. En los últimos años, debido a las estrictas regulaciones ambientales, las eficiencias estándares de precipitadores electrostáticos se encuentran por encima de 98%, lo que se traduce en aumentos exponenciales del costo inicial de los equipos. Según Schneider et al. (1975) y Theodore et al (1976), el costo inicial de un equipo precipitador en el rango de 100.000 pie3/min es de 0.80 a 1.5 $ por pie3/min. En el rango de 1.000.000 pie3/min el costo inicial es aproximadamente 0.5 $ por pie3/min. Los costos de instalación normalmente están entre 0.75 1.5 veces el costo inicial. Los costos totales pueden llegar a estar entre 1 y 3 $ por pie3/min. Estimados obtenidos a través del programa Questimate (1996) y de la base de datos del grupo de costos de Intevep S.A., indican que el costo inicial de un equipo precipitador en el rango de 100.000 pie3/min está entre 8.5 y 14 $ por pie3/min, mientras que para precipitadores en el rango de 1.000.000 pie3/min el costo inicial es de aproximadamente 18 $ por pie3/min. El costo operacional asociado a los precipitadores se refiere al gasto de electricidad que se requiere para ionizar el gas, activar los sistemas de vibración (si éstos son eléctricos) y demás sistemas de control. Los costos de operación son relativamente bajos, estando entre 0.03 y 0.05 $/ año/ capacidad en pie3/min. Los costos de mantenimiento están entre 0.02 y 0.03 $/año/ capacidad en pie3/min. El mantenimiento comprende básicamente elementos como los vibradores, cables de los electrodos de descarga, tolvas y sistemas de recolección de material particulado y controles eléctricos. El costo teórico de operación y mantenimiento para los precipitadores está dado por la siguiente ecuación: $ CPCM [jtp M]

(12)


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En unidades SI

pie3/min

m3/min

requerimientos de potencia

kW/CPCM

kW/CPCM

=

tiempo de operación anual

horas

horas

p

=

costos de potencia

$/kW hora

$/kW hora

M

=

costos de mantenimiento

$/CPCM

$/KW hora

CPCM

=

capacidad de diseño

j

=

t

Sin duda, los mejores estimados de costos pueden obtenerse directamente de los fabricantes.

13 INFORMACION ADICIONAL QUE SE DEBE ESPECIFICAR A LA HORA DE SOLICITAR UN PRECIPITADOR ELECTROSTATICO AL FABRICANTE La información que debe suplir el ingeniero, comprador o diseñador al fabricante sobre el precipitador electrostático que requiere y la aplicación de éste en planta, es en forma general la siguiente: Información general: En este apartado se incluye información concerniente a la localización de la planta, fecha requerida de entrega del equipo y lugar de entrega del equipo. Información sobre la planta: En esta sección se especifican datos referentes al proceso en el cual se incluirá el precipitador, descripción de las materias primas y elaboradas que son procesadas en la planta, variaciones en el suministro de estas materias, descripción y características de operación de equipos colectores de partículas, si es que existen. Información sobre las condiciones de operación: en esta sección se incluye información más detallada de las condiciones de operación bajo las cuales trabajará el precipitador. Se requiere especificar el volumen continuo de gas que entrará al equipo, así como los valores máximo y mínimo en que este volumen de gas puede variar; condiciones de temperatura y presión, contenido de humedad en porcentaje por volumen o por peso, condición de volumen que se utilizada en el diseño del precipitador, análisis del gas, análisis químico del sólido o líquido a ser colectado, incluyendo información sobre densidad, gravedad específica, análisis de distribución de tamaño de partícula y carga o concentración de material particulado a la entrada del equipo.


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Información sobre las condiciones del equipo: En esta sección se especifican la eficiencia requerida de recolección y la máxima concentración permitida a la salida de la corriente a tratar. Información sobre diseño preliminar: a.

Referente al precipitador: se precisa información sobre el requerimiento de número de cámaras, caída de presión máxima permitida, presión de diseño, presión de operación, temperatura de diseño, material y espesor de la carcasa, material y espesor de las tolvas, ángulo mínimo de inclinación de las paredes de la tolva con respecto a la horizontal (ángulo valle), tipo de fondo (seco o húmedo) y capacidad de almacenamiento de sólido.

b.

Referente a los componentes auxiliares: se debe especificar el tipo de estructura de soporte, aislamiento térmico, accesos a la cámara y demás partes del precipitador, presencia y característica de los ductos y expansiones, sistemas de control en uso, instrumentación requerida, ventiladores y válvulas para control de descarga de las tolvas.

Información sobre instalación: a.

General: se debe especificar si el equipo debe ser instalado por el fabricante o por personal de la planta así como la fecha estimada de instalación, fecha de disponibilidad del área destinada a almacenamiento de componentes durante instalación del equipo, posibles obstáculos en el área de instalación, y facilidades para la instalación (agua, luz, aire).

b.

Referente a la instalación eléctrica: se provee información referente al tipo de corriente eléctrica disponible para el equipo y para los sistemas de instrumentación y control (voltios, fase, ciclos, kVA).

En el anexo 2 se presenta un ejemplo de una hoja de especificación de un precipitador electrostático.

14 INFORMACION QUE DEBE SUMINISTRAR EL FABRICANTE El siguiente segmento se refiere, en forma general , a la información que debe detallar o confirmar el fabricante sobre el precipitador seleccionado: a.

Datos de desempeño del equipo, referentes a las condiciones de operación: flujo de gas en volumen, temperatura del gas, concentración de sólidos, concentración de agua en el gas, presión, reingreso de sólido, eficiencia de recolección garantizada a las condiciones de operación, eficiencia esperada, caída de presión, velocidad del gas dentro del precipitador y tiempo de residencia.

b.

Datos de diseño estructural del equipo: máxima cargas debidas al flujo de gas, peso del equipo, sólido recolectado, temperatura y presión.


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c.

Datos mecánicos de diseño: número de cámaras, número de campos, número de fuentes de poder por campo, número de secciones “bus” por campo, número total de secciones “bus”, arreglo de éstas, pasos de gas, espaciamiento entre los pasajes de gas, número y tipo de tolvas, inclinación de las paredes de la tolva, material de construcción para la tolva y la carcasa, puertas de acceso (número y colocación), techo y paredes laterales del precipitador, material de aislamiento del equipo, ductos y transiciones y otros sistemas de distribución del flujo de gas.

d.

Datos de las superficies recolectoras: tipo, presencia de baffles (tamaño y colocación), número, tamaño y espesor de las superficies colectoras.

e.

Datos de los electrodos de descarga: tipo y diámetro, longitud efectiva por electrodo, número de electrodos por pasaje de gas, número total de electrodos, longitud efectiva total, método de soporte, peso necesario para tensión de los cables de los electrodos (en el caso de sistema de soporte con guías y pesos) y espaciado de los electrodos en la dirección del flujo de gas.

f.

Datos del sistema de vibración: tipo de vibrador (neumático, eléctrico, magnético o mecánico); cantidad y tipo de vibradores, según se trate de las superficies recolectoras o los electrodos de descarga, panel de control de los vibradores, variables de control para los vibradores, requerimientos eléctricos de los vibradores, máximo poder instantáneo requerido.

g.

Datos eléctricos: sistema de transformadores–rectificadores (tipo, número, tamaño), rango de voltaje promedio, inferior y superior; tipo de onda de salida, fluido de aislamiento, sistema de control para los transformadores–rectificadores, máxima temperatura ambiente para transformadores–rectificadores y sistemas de control, fuente de poder para los transformadores–rectificadores, gasto de poder esperado (precipitador, vibradores y otros componentes), tipo de aislante para los soportes.


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15 ANEXOS ANEXO 1 Fig 1. VARIACION DE LA EFICIENCIA EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD

(tomado de “Electrostatic precipitator manual”. McDonald, J, R. y A. H. Dean., Data Corporation,1982)

Noyes

Fig 2. VARIACION DE LA VELOCIDAD DE PRECIPITACION EN FUNCION DE LA RESISTIVIDAD

(tomado de “Industrial air pollution control equipment for particulates” L. Theodore y A. J. Buonicore. CRC. Press 1976)


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ANEXO 2 A continuación se presenta un ejemplo de una hoja de especificación de equipo que puede emplearse para hacer la solicitud de un precipitador electrostático al fabricante: A.2. HOJA DE ESPECIFICACION PARA PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS SECCION A Información general: 1.

Comprador______________________ Dirección___________________ a.

Usuario (Si difiere del comprador)_____________________________

Dirección_________________________________________________ 2.

Localización de la planta______________________________________

3.

Persona a quien se enviará la propuesta y cotización (cargo, dirección):____________________________________________________

4.

Fecha requerida para entrega del equipo:_________________________

5.

Lugar de entrega del equipo:____________________________________

SECCION B Procesos de la Planta: 1.

Proceso al cual será incorporado el precipitador:____________________ Horno, quemador, klink, otro:______________________________________ Datos de diseño: tipo ____________________________________________ salida continua: __________________________________ valores máximos y mínimos:________________________

2.

Descripción de las materias primas o combustibles:_________________

3.

Variaciones permisibles en las características de la materia prima: ______

4.

Descripción y capacidad de sistema colector de partículas (si existe):____

SECCION C Condiciones de operación: 1.

Volumen de gas a la entrada del precipitador (medido con tubo pitot): a.

Continuo pie3/min:__________________a_____________ °F___________psia

b.

Variación máxima en pie⋅3/min:________a________ °F_________psia

Contenido de humedad en el gas % en volumen:_______%en peso:______

en


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Volumen para el cual se garantizará el desempeño del precipitador, continuo o variación máxima:____________________________________________ 2.

Análisis del gas, Orsat o calculado: _______________________________

3.

Análisis químico de las partículas sólidas o líquidas a ser recolectadas: densidad de bulto, gravedad específica,______________________________ a.

¿Hay muestra representativa del material? si________ no ___________

4.

Análisis de tamaño de partícula del material: _______________________

5.

Carga o concentración de partícula a la entrada de precipitador:________ a.

Continuo granos/pie3:________________________________________

b.

Variación máxima en granos/pie3:_____________________________

en

Condiciones para la cuales se garantizará desempeño del precipitador, continuo o variación máxima: _____________________________________ 6.

Presión barométrica o elevación de la planta: _______________________

SECCION D Desempeño: 1.

Eficiencia de recolección: ______________________________________

2.

Máxima concentración de partículas permitida en la descarga:_________

SECCION E Diseño preliminar: 1.

El precipitador será instalado de acuerdo a lo especificado en el plano anexo suministrado Nº ___________________________________________

2.

Caída de presión máxima permisible en el equipo, pulgadas de agua:___________

3.

Requerimiento de cámara: una cámara________múltiples cámaras:____

SECCION F Otros elementos de diseño requeridos por el comprador: El precipitador tendrá las siguientes características estructurales: 1.

Presión de operación:____________

2.

Presión de diseño: ___________________________________________

3.

Temperatura de diseño:__________°F

4.

Material de la carcasa:___________________espesor:_________________


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5.

Material de las tolvas:_____________espesor:_____________________

6.

Angulo de valle mínimo para tolvas:____° con respecto a la horizontal

7.

Tipo de fondo: tolvas, depósito de líquido:_________________________

8.

Capacidad de almacenamiento sistema recolector de fondo: ____________hr

SECCION G Equipos auxiliares

por

comprador

suplidor

descripción

Acero de soporte

_________

_________

_________

Accesos

_________

_________

________

Ductos y expansiones

_________

_________

________

Compuertas

_________

_________

________

Válvulas de las tolvas

_________

_________

________

Instrumentación:

_________

_________

________

Ventiladores y auxiliares:

_________

_________

________

Otros

_________

_________

________

SECCION H Instalación: 1.

Instalación por el comprador o por fabricante:________________________

2.

Supervisión de la instalación, incluir en presupuesto:___________________

3.

Arranque y pruebas iniciales incluir en presupuesto:___________________

4.

Gastos de traslado de equipos requeridos para la instalación:__________

5.

Período de instalación: fecha de inicio:______fecha de culminación:______

6.

Información local: Area de almacenamiento:_______distancia del lugar de instalación:________ Disponibilidad de área de almacenamiento cerrada:____________________ Obstáculos de altura en lugar de instalación:__________________________ ¿Existe vía de acceso pavimentada o vía ferroviaria entre el lugar de almacenamiento y el lugar de instalación?:___________________________

7.

Responsabilidad de la instalación: Fundaciones:

comprador

_______________

suplidor __________

Material a almacenar:

_______________

_______________

Cableado:

_______________

_______________


PDVSA



REVISION

FECHA

0

NOV.96


Indice manual

Aislamiento:

Indice volumen

_______________

Indice norma

_______________

Ductos, compuertas, expansiones y uniones:

_______________

_______________

instalación (grúas, plumas, etc.): _______________

_______________

Equipos para Facilidades de instalación (agua, luz, aire):

_______________

_______________

Anexar una descripción de los puntos antes mencionados si no aparecen en el plano a suministrar. 8.

Corriente eléctrica disponible: Para el precipitador:______________Voltios_________fase________ciclos Para la instalación: Para los sistemas de control:_______Voltios_________fase________ciclos Para la instrumentación:___________Voltios_________fase________ciclos

9.

¿Anexa estándares de planta? Especificar aparte.

10. Comentarios adicionales.

16 NOMENCLATURA En unidades inglesas

En unidades SI

A

=


pie2

m2

a

=

radio de la partícula

micrón

micrón

CPCM

=

capacidad de diseño

pie3/min

m3/min

Ec

=

campo electrico de carga

V/pie

V/m

Ep

=

campo de precipitación

V/pie

V/m

j

=

requerimientos de potencia

kW/CPCM

kW/CPCM

K

=

constante dieléctrica de la partícula

adim.

adim.

k

=

medida de la desviación estadística de las variables

adim

adim.

n

=


porcentaje

porcentaje

M

=

costos de manteimiento

$/CPCM

$/CPCM


PDVSA



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FECHA

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Indice manual

Indice volumen


Indice norma

En unidades SI

m

=

columnas

adim.

adim.

n

=


porcentaje

porcentaje

n

=

filas

adim.

adim.

nm

=

número de zonas

adim.

adim.

p

=

costos de potencia

$/kWh

$/kWh

q

=

carga de la partícula

Coulomb

Coulomb

qs

=

carga máxima de la partícula

Coulomb

Coulomb

t

=

tiempo

s

s

t

=

tiempo de operación anual

h

h

V

=

flujo de gas

10e3pie3/min

10e3m3/min

v

=

velocidad promedio

pie/min

m/min

v ij

=

velocidad en cada subregión o rectángulo

pie/min

m/min

w

=

velocidad de migración o recolección

pie/min

m/min

wk

=

velocidad de migración equivalente

pie/min

m/min

Letras griegas θ

=

viscosidad del gas

lb/pie s

cP

λ

=

camino libre medio de las moléculas de gas

micrón

micrón

=

parámetro adimensional

adim.

adim.

π

=

número adimendional igual a 3.1416

adim.

adim.

τ

=

constante de tiempo de carga de la partícula

s

s

ε0

=

permisividad de espacio libre

2,72 x 10–12 F/pie

8.86 x10 –12 F/m

ρp

=

densidad de la partícula sólida

lb/pie3

gr/cm3

σ2

=

cuadrado de la desviación estándar

adim.

adim.


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Indice manual

Indice volumen


Indice norma

En unidades SI

Conversiones 1 cp

=

6.72 e–4 lb/pie s

1 grano/pie3 = 1 lb 1 micrón

= =

2.29 g/m3 7000 granos 10 e–6 m = 10 e–3 m

diseño de precipitadores electrostaticos.pdf

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