USO DE PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS PARA REDUCIR LAS EMISIONES EN CHIMENEAS INTRODUCCION En el presente trabajo se tratarán diversos tópicos que están referidos a los electrofiltros, teniendo en cuenta, los principios de funcionamiento, sus características principales y diversos factores que se deberán tener en cuenta para la correcta aplicación de los mismos, de manera tal de lograr una clara interpretación del importante papel que desarrollan dentro de los procesos industriales. Por ejemplo en una central térmica alimentada con carbón, el proceso de combustión se realiza en la caldera, donde la capacidad calorífica del combustible se libera generando calor. La mayor parte de las centrales termoeléctricas utilizan el calor para producir vapor de agua a alta temperatura y presión. Este fluido operante produce el accionamiento de las turbinas que, a su vez mueven los generadores produciendo corriente eléctrica. Todo el proceso de combustión produce un impacto ambiental, y en particular el de los carbones con la producción de residuos sólidos. Estos problemas no solo afectan al ordenamiento del territorio, si no que, provocan riesgo de emisiones fugitivas de partículas hacia la atmósfera y la contaminación del terreno y de las aguas subterráneas por un proceso de lavado que realiza el agua que se infiltra en el suelo llamado lixiviación. En función de la tecnología de combustión del carbón empleada, podemos distinguir entre los residuos generados en la combustión de lecho fluidizado y los residuos originados a partir del carbón pulverizado. Aunque todas las categorías son importantes, se da particular importancia a las cenizas volantes que por si solas constituyen el mayor porcentaje, aproximadamente el 80%, de los residuos originados a partir del carbón pulverizado y principalmente porque son el material en el cual se basa el sistema de filtrado estudiado en este trabajo.
MARCO TEORICO 1. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
Los precipitadores electrostáticos (o ESP por sus siglas en inglés) son dispositivos
que
se
utilizan
para
atrapar
partículas
mediante
su ionización, atrayéndolas por una carga electrostática inducida. Se emplean para reducir la contaminación atmosférica producida por humos y otros desechos industriales gaseosos, especialmente en las fábricas que funcionan con combustibles fósiles. Los precipitadores electrostáticos son dispositivos de filtración altamente eficientes, que mínimamente impiden el flujo de los gases a través del dispositivo, y pueden eliminar fácilmente finas partículas como polvo y humo de la corriente de aire. 1.1.
INVENCIÓN DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO En 1907 el Dr. Frederick G. Cottrell solicitó una patente de un dispositivo para cargar partículas y después recolectarlas a través de la atracción electrostática: el primer precipitador electrostático. Él era entonces profesor de Química en la Universidad de California en Berkeley. Cottrell primero utilizó el dispositivo para la recolección de niebla de ácido sulfúrico emitida de varias actividades de fábricas de ácido y de la fundición. Cottrell reconoció el potencial de negocio de su invento y decidió utilizar eso para financiar la investigación científica mediante la creación en 1912 de la fundación llamada Research Corporation a la que él asignó las patentes. Research Corporation ha proporcionado el financiamiento
vital
de
muchos
proyectos
científicos:
los
experimentos sobre cohetería de Goddard, ciclotrón de Lawrence, la métodos de producción para vitaminas A y B1, entre otros. 1.2.
EL PRECIPITADOR DE PLACA El precipitador más básico contiene una fila de alambres finos, seguido por pilas de placas planas de metal espaciadas
aproximadamente 1 centímetro. La corriente de aire pasa a través de los espacios entre los alambres y después atraviesa el apilado de placas. Una fuente de alto voltaje transfiere electrones de las placas hacia los alambres, desarrollando así una carga negativa de varios miles de voltios en los alambres, relativa a la carga positiva de las placas. Mientras que la materia de partículas atraviesa la fuerte carga negativa de los alambres, la materia de partículas toma la carga negativa y se ioniza. Las partículas ionizadas entonces pasan a través de las placas cargadas positivamente, siendo atraídas por estas placas. Una vez que las partículas están en contacto con la placa positiva, entonces ceden sus electrones y se convierten en partículas cargadas positivamente como la placa, y comienzan a actuar así como parte del colector. Debido a este mecanismo, los precipitadores electrostáticos pueden tolerar grandes cantidades de acumulación de residuo en las placas de recolección y seguir funcionando eficientemente, puesto que la materia por sí misma ayuda a recolectar más materia de la corriente de aire. La falla del precipitador usualmente solo ocurre una vez que se haya formado en las placas una acumulación muy pesada de material. La circulación de aire, o puede ser bastante densa como para ocasionar un corto circuito al permitir que la corriente atraviese el aislamiento. (esto típicamente no daña la fuente de alimentación,
pero
detiene
efectivamente
la
precipitación
electrostática adicional) 1.3.
Precipitadores industriales modernos Los ESPs continúan siendo dispositivos excelentes para el control de muchas emisiones de partículas industriales, incluyendo el humo de instalaciones de generación eléctricas (alimentados por carbón o aceite), recolección de torta salina de los calentadores
de licor negro en las plantas de pulpa de celulosa y recolección del catalizador de las unidades de conversión catalítica de lecho fluidizado
en
las
refinerías
por
nombrar
algunos.
Estos
dispositivos tratan volúmenes del gas de varios cientos de miles de ACFM (pies cúbicos por minuto actuales, por sus siglas en inglés) a 2.5 millones de ACFM en las aplicaciones de caldera más grandes (alimentadas por carbón). La placa paralela original - el diseño cargado del alambre (descrito arriba) ha evolucionado a medida que nuevos diseños del electrodo de descarga más eficientes (y robustos) han sido desarrollados. Hoy en día estos desarrollos se han concentrado en electrodos de descarga rígida a los que se adhieren muchas púas puntiagüdas, maximizando la producción de la corona. Los sistemas del transformación - rectificación aplican voltajes de 50100 kilovoltios en las densidades relativamente de gran intensidad. Los controles modernos reducen al mínimo el chisporroteo y previenen la formación de arcos, evitando daño a los componentes. Los sistemas automáticos de golpeo y los sistemas de la evacuación de la tolva quitan la materia de partículas recogida mientras que están en línea, permitiendo que ESPs permanezca en funcionamiento por años a la vez. 1.4.
Precipitador electrostático húmedo La precipitación electrostática es típicamente un proceso seco, pero el rocío de agua ayuda al flujo entrante a recoger partículas excepcionalmente finas, y ayuda a reducir la resistencia eléctrica del material seco entrante para hacer el proceso más efectivo. Un precipitador electrostático húmedo combina el método operacional de un depurador mojado con el de un precipitador electrostático para hacer autolimpieza, autolavado aún con un dispositivo de alto voltaje.
1.5.
Filtros de aire electrostáticos orientados para al consumidor Las placas precipitadores son comúnmente ofertadas al público como dispositivos purificadores o como reemplazo permanente para los filtros de horno, pero todos tienen el indeseable atributo de ser difíciles de limpiar. Un efecto secundario indeseable de los dispositivos de precipitación electrostática es la producción de ozono. Sin embargo, los precipitadores electrostáticos ofrecen beneficios sobre otras tecnologías de purificación de aire, como la filtración HEPA que requiere filtros caros y puede convertirse en una producción inmensa de muchas formas dañinas de bacteria. Con los precipitadores electrostáticos, si la colección de las placas permiten acumular grandes cantidades de partículas de materia, las partículas a menudo se enlazan tan firmemente a las placas metálicas, que un lavado vigoroso y una depuración serán necesarias para la completa limpieza de las placas. El espacio cerrado entre las placas pueden convertir la limpieza en algo difícil, y el apilado de placas a menudo puede ser difícil de desmontar para la limpieza.
2. DESCRIPCION DEL FENOMENO FISICO Un precipitador electrostático es un dispositivo utilizado para el control de partículas basado en fuerzas eléctricas. Un alto voltaje (45.000 a 70.000 V) es aplicado a un alambre ubicado en el centro del precipitador. La pared externa del precipitador se conecta a tierra a potencial cero. Al alambre en el centro del precipitador se lo denomina electrodo de descarga y a la pared externa electrodo colector. El electrodo de descarga mantiene un potencial negativo respecto del electrodo colector y así el campo eléctrico está dirigido hacia el alambre. El campo eléctrico cerca del alambre alcanza valores suficientemente altos como para provocar una corona de descarga en torno a él y la formación de electrones e iones negativos como por ejemplo los del O2. A medida que los electrones y los iones negativos son acelerados hacia el electrodo
colector por las líneas del campo eléctrico no uniforme las partículas que se encuentran suspendidas en la corriente de gas ingresante, que fluye horizontalmente y paralelo a las placas verticales, se cargan por las colisiones y la captura de iones y llegan a depositarse en la superficie de los electrodos colectores. De este modo el gas sale del precipitador prácticamente libre de impurezas. Puesto que las partículas mayores de 10 m de diámetro absorben varias veces más iones que las menores de 1 m de diámetro, las fuerzas eléctricas son mucho más fuertes en las partículas mayores. El hecho de impartir una polaridad negativa a los electrodos se debe a que una corona negativa tolera un voltaje más alto antes de producir chispa a que una corona positiva. Debido al espacio libre necesario en la parte superior del precipitador electrostático una fracción del gas se desvía alrededor de las zonas de carga. A este fenómeno se lo llama “fuga furtiva” e impone un límite máximo a la eficiencia de recolección. A medida que las partículas comienzan a depositarse sobre la superficie colectora, el espesor de la capa de material particulado se incrementa. Como consecuencia de esto el campo eléctrico va disminuyendo por lo que es necesario golpear periódicamente las superficies colectoras, el material cae y se recoge en el fondo, en tolvas de recolección. Sin este golpe periódico y la consecuente disminución en la recolección, la eficiencia del precipitador electrostático se ve disminuida.
Los precipitadores electroestáticos se usan mucho para eliminar la contaminación atmosférica de las chimeneas de los equipos industriales como, por ejemplo, las calderas de vapor y los hornos de cemento. Además se utilizan para recoger vapores de ácido sulfúrico y de ácido fosfórico, y para recuperar compuestos de sodio en la sosa y en molinos de pasta de sulfato.
Partes principales de un precipitador electroestático
Se logrará una precipitación exitosa solamente si se conocen sus fundamentos y se perciben todos los factores que afectan las características adecuadas de la corriente eléctrica para ese colector. Las partículas se eliminan en forma eficiente del flujo de gas por medio de las fuerzas eléctricas que actúan en el precipitador. La optimización de estas fuerzas es lo que debe buscar cada planta con el objeto de lograr una baja emisión. En la operación de ESP (se usará la abreviatura ESP para significar Precipitador Electrostático) debe tener claro varios aspectos principales, que son brevemente los siguientes: 1. Los factores de proceso pueden tener tanta influencia sobre el comportamiento del ESP como la condición mecánica del mismo. 2. Por consiguiente, tanto el operador como el personal de mantenimiento deben estar al tanto de los efectos que tienen sus respectivas áreas de responsabilidad sobre el comportamiento exitoso del ESP. 3. La precipitación es un proceso que cambia continuamente y el comportamiento del ESP puede variar apreciablemente en períodos cortos. El personal de operación y el de mantenimiento deben tener un lenguaje común sobre la terminología de precipitación para asegurar una comunicación efectiva. Una
comprensión mutua de los fundamentos de los ESP y una comunicación eficiente entre los dos grupos son esenciales para lograr una operación exitosa del ESP. 4. Es importante tener en claro que una buena parte de las dificultades con ESP se han debido a la confusión y los distintos puntos de vista sobre su funcionamiento. Un conocimiento de los siguientes fundamentos minimizará estas dificultades. El estar bien indoctrinado sobre los fundamentos correctos le permitirá identificar los cambios en la operación y el comportamiento del ESP y tomar las medidas apropiadas para contrarrestarlos. Deben conocerse los aspectos y componentes mecánicos de los ESP, como también la forma en que las distintas partes se relacionan entre si. La sección siguiente describe el sistema básico e incluye algunos comentarios introductores sobre cada uno de los componentes.
3. ASPECTOS FÍSICOS DEL PRECIPITADOR La mayoría de los precipitadores tienen características de diseño similares. Se observarán diferencias en los aspectos físicos debido a que los fabricantes son distintos. Puede considerarse que el ESP consiste de tres partes principales: A. La Fuente de Poder. B. El Precipitador. C. El Sistema de Eliminación del Material Recolectado. A.- La Fuente de Poder Ya que el ESP efectúa su trabajo por medio de fuerzas eléctricas, existe un transformador y rectificador de alto voltaje para cada área específica del precipitador. La capacidad de cada conjunto T-R (abreviatura para transformador-rectificador) está definida por la superficie del ESP que será energizada por ese conjunto, como también por la ubicación de esa área dentro de la disposición física del precipitador. Por ejemplo, es corriente en un sistema bien diseñado encontrar conjuntos T-R de mayor capacidad en los campos de salida que en los de entrada de un ESP. La placa de identificación del conjunto T-R contiene información apropiada respecto a los límites de su capacidad. Estos límites se fijan
para la protección del equipo y los voltajes y amperajes que se observan durante la operación normalmente no llegan a los niveles de capacidad especificados. Las consolas de control, donde se ubican los instrumentos de panel y los circuitos de control automático de voltaje, forman la otra parte de la fuente de poder. Los instrumentos de panel constituyen el lenguaje del ESP al indicar como se relaciona el voltaje a la corriente y otras relaciones. Algunos puntos claves: La corriente y el voltaje de CA en el lado de bajo voltaje (primario) del conjunto T-R refleja lo que sucede en el lado de alto voltaje (secundario). Esta relación directa puede usarse para la mayor parte del trabajo de análisis. Es solamente necesario juzgar el comportamiento del ESP por medio de una lectura de voltaje y de corriente. Los valores de voltaje y de corriente deben estar siempre relacionados a que si hay o no una falla eléctrica interna, o chispa, lo que se detecta por un movimiento rápido de la aguja del medidor. Un pequeño número de movimientos rápidos de la aguja por minuto es generalmente satisfactorio
y,
en
algunos
casos,
necesario
para
lograr
un
comportamiento de recolección satisfactorio en el ESP. El transformador y el rectificador de alto voltaje están normalmente ubicados dentro de un estanque lleno con aceite, ubicado en la parte superior del precipitador. La salida del rectificador, a potencial negativo, constituye la fuente de alto voltaje pulsante del ESP. La carga eléctrica cruza el espacio interno del ESP hacia el lado de tierra del sistema. La corriente de tierra de retorno pasa a través del amperímetro de corriente continua (CC), mostrado como MA, y este flujo de electrones regresa al rectificador para completar el circuito eléctrico. Los medidores de voltaje y amperaje de corriente alterna de baja se indican como V y A respectivamente. El voltaje del precipitador se mide a veces por medio de un voltímetro de corriente continua que recibe una señal de la salida del rectificador.
CONCLUSIONES La mayoría de los precipitadores antiguos utilizan diseños similares de construcción con electrodos de alambre con pesas como se indica en la figura 3 y 4, actualmente estos electrodos se han sustituido por lo electrodos espiralados montados en estructuras verticales, para asegurar una operación mas efectiva y confiable; en otras palabras, poseen ciertas ventajas sobre los electrodos con pesas que son: la aerodinámica, la fatiga mecánica debido al sacudido y la efectividad en términos de la limpieza. El electrodo es un alambre doblado en espiral fabricado de acero inoxidable de alta aleación. El
precipitador
electrostático,
es
un
equipo
eléctrico
desarrollado
industrialmente a partir de 1906 utilizado para eliminar impurezas como polvo, humo o vapor que se encuentran suspendidas en el aire o en otros gases. A pesar de ser más caros que otros colectores mecánicos, como los filtros de aire, los precipitadores electroestáticos son más eficientes, sobre todo en la eliminación de partículas muy pequeñas y permiten trabajar a mayores temperaturas que los filtros de manga.
BIBLIOGRAFIA Manual de costos de operación de control de la contaminación del aire de la E.P.A. Tecno ambiente, el portal tecnológico de la revista Induambiente. Estudio de reducción de cadmio y plomo en los homos de la fundición de plomo de la Oroyola,
