precipitador electrostático

La mayoría de los precipitadores electrostáticos instalados son del tipo de placas. Las partículas se recogen en superficies planas y paralelas separadas entre 20 y 30  cm (8 a 12  pulgadas), con una serie de electrodos de descarga espaciados a lo largo del eje central de dos placas adyacentes. Los gases contaminados pasan a través del conducto entre las placas, y las partículas se cargan y se adhieren a ellas. Las partículas recogidas se suelen retirar golpeando las placas y se depositan en contenedores o tolvas en la base del precipitador.

El precipitador más básico consta de una hilera de finos alambres verticales, seguida de una pila de grandes placas metálicas planas orientadas verticalmente, con una separación típica entre las placas de entre 1  cm y 18  cm, según la aplicación. La corriente de aire fluye horizontalmente a través de los espacios entre los alambres y luego pasa a través de la pila de placas.

Se aplica una tensión negativa de varios miles de voltios entre el cable y la placa. Si la tensión aplicada es lo suficientemente alta, una descarga de corona eléctrica ioniza el aire alrededor de los electrodos, lo que a su vez ioniza las partículas presentes en la corriente de aire.

Debido a la fuerza electrostática , las partículas ionizadas se desvían hacia las placas conectadas a tierra. Las partículas se acumulan en las placas colectoras y se eliminan de la corriente de aire.

Un diseño de dos etapas (sección de carga separada antes de la sección de recolección) tiene la ventaja de minimizar la producción de ozono, ^{[ 6 ]} que afectaría negativamente la salud del personal que trabaja en espacios cerrados. En las salas de máquinas de los buques donde las cajas de engranajes generan neblina de aceite , se utilizan precipitadores electrostáticos de dos etapas para limpiar el aire, mejorando el entorno operativo y evitando la acumulación de neblina de aceite inflamable. El aceite recolectado se devuelve al sistema de lubricación de engranajes. ^{[ 7 ]}

Los precipitadores tubulares constan de electrodos colectores cilíndricos con electrodos de descarga ubicados en el eje del cilindro. Los gases contaminados fluyen alrededor del electrodo de descarga y ascienden por el interior del cilindro. Las partículas cargadas se acumulan en las paredes conectadas a tierra del cilindro. El polvo acumulado se retira por la parte inferior del cilindro.

Los precipitadores tubulares se utilizan a menudo para la recogida de niebla o bruma, o para materiales adhesivos, pegajosos, radiactivos o extremadamente tóxicos.

La resistencia afecta las condiciones eléctricas en la capa de polvo al generarse un campo eléctrico potencial (caída de voltaje) a través de ella, a medida que las partículas con carga negativa llegan a su superficie y transfieren sus cargas eléctricas a la placa colectora. En la superficie metálica de la placa colectora, conectada a tierra, el voltaje es cero, mientras que en la superficie exterior de la capa de polvo, donde llegan nuevas partículas e iones, el voltaje electrostático causado por los iones de gas puede ser bastante alto. La intensidad de este campo eléctrico depende de la resistencia y el espesor de la capa de polvo.

En capas de polvo de alta resistencia, el polvo no es suficientemente conductor, por lo que las cargas eléctricas tienen dificultades para atravesarlo. En consecuencia, las cargas eléctricas se acumulan sobre y debajo de la superficie de la capa de polvo, creando un fuerte campo eléctrico.

Los voltajes pueden superar los 10.000 voltios. Las partículas de polvo con alta resistencia se adhieren con demasiada fuerza a la placa, lo que dificulta su eliminación y provoca problemas de atrapamiento.

En capas de polvo de baja resistencia, la corriente de corona se transmite fácilmente al electrodo colector conectado a tierra. Por lo tanto, se mantiene un campo eléctrico relativamente débil, de varios miles de voltios, a través de la capa de polvo. Las partículas de polvo recolectadas, al tener baja resistencia, no se adhieren con suficiente fuerza a la placa colectora. Se desprenden fácilmente y quedan retenidas en la corriente de gas.

La conductividad eléctrica de una capa de partículas depende tanto de factores superficiales como volumétricos. La conducción volumétrica, es decir, el movimiento de cargas eléctricas a través del interior de las partículas, depende principalmente de su composición y temperatura. A temperaturas superiores a 260 °C (500 °F) , la conducción volumétrica controla el mecanismo de conducción. La conducción volumétrica también involucra factores secundarios, como la compresión de la capa de partículas, el tamaño y la forma de las partículas, y las propiedades superficiales.  

La conducción volumétrica se representa en las figuras como una línea recta a temperaturas superiores a 260 °C (500 °F) . A temperaturas inferiores a unos 230 °C (450 °F) , las cargas eléctricas comienzan a fluir a través de la humedad superficial y las películas químicas adsorbidas en las partículas. La conducción superficial comienza a disminuir los valores de resistividad y a curvar la curva hacia abajo a temperaturas inferiores a 260 °C (500 ° F) .      

Estas películas suelen diferir tanto física como químicamente del interior de las partículas debido a fenómenos de adsorción. Los cálculos teóricos indican que películas de humedad de tan solo unas pocas moléculas de espesor son suficientes para proporcionar la conductividad superficial deseada. La conducción superficial en partículas está estrechamente relacionada con las corrientes de fuga superficial que se producen en los aislantes eléctricos, las cuales han sido ampliamente estudiadas. ^{[ 8 ]} Una aplicación práctica interesante de la fuga superficial es la determinación del punto de rocío mediante la medición de la corriente entre electrodos adyacentes montados en una superficie de vidrio. Un aumento brusco de la corriente indica la formación de una película de humedad en el vidrio. Este método se ha utilizado eficazmente para determinar el marcado aumento del punto de rocío que se produce cuando se añaden pequeñas cantidades de vapor de ácido sulfúrico a una atmósfera (hay medidores de punto de rocío comerciales disponibles en el mercado).

La siguiente discusión sobre la resistencia normal, alta y baja se aplica a los precipitadores electrostáticos (ESP) que operan en seco; la resistencia no representa un problema en el funcionamiento de los ESP húmedos debido a la concentración de humedad en el sistema. La relación entre el contenido de humedad y la resistencia se explica más adelante en este trabajo.

Como se indicó anteriormente, los precipitadores electrostáticos (ESP) funcionan mejor en condiciones de resistividad normal. Las partículas con resistividad normal no pierden rápidamente su carga al llegar al electrodo colector. Estas partículas liberan lentamente su carga hacia las placas conectadas a tierra y se retienen en las placas colectoras mediante fuerzas adhesivas y cohesivas intermoleculares. Esto permite que se acumule una capa de partículas que luego se desprende de las placas mediante golpes. Dentro del rango de resistividad normal del polvo (entre 10⁷ ^y 2 × ^10¹⁰ ohm-cm), las cenizas volantes se recolectan con mayor facilidad que el polvo con resistividad baja o alta.

Si la caída de tensión a través de la capa de polvo es excesiva, pueden producirse varios efectos adversos. En primer lugar, la elevada caída de tensión reduce la diferencia de potencial entre el electrodo de descarga y el electrodo de recolección, disminuyendo así la intensidad del campo electrostático necesario para impulsar las partículas cargadas con iones de gas hacia la capa de polvo recolectada. A medida que la capa de polvo se acumula y las cargas eléctricas se depositan en su superficie, la diferencia de potencial entre los electrodos de descarga y recolección disminuye. La reducción de la intensidad del campo eléctrico afecta especialmente a la velocidad de migración de las partículas pequeñas.

Otro problema que se presenta con capas de polvo de alta resistividad se denomina efecto corona inverso. Este se produce cuando la caída de potencial a través de la capa de polvo es tan grande que comienzan a aparecer descargas de corona en el gas atrapado en su interior. La capa de polvo se degrada eléctricamente, generando pequeños orificios o cráteres desde los cuales se producen las descargas de corona inverso. Se generan iones de gas positivos dentro de la capa de polvo, los cuales se aceleran hacia el electrodo de descarga, que tiene carga negativa. Estos iones positivos reducen algunas de las cargas negativas de la capa de polvo y neutralizan algunos de los iones negativos de las partículas cargadas que se dirigen hacia el electrodo colector. Las interrupciones en el proceso normal de corona reducen considerablemente la eficiencia de recolección del ESP, que en casos graves puede caer por debajo del 50 %. Cuando se presenta el efecto corona inverso, las partículas de polvo se acumulan en los electrodos, formando una capa aislante. A menudo, esto no se puede reparar sin desconectar la unidad.

El tercer problema, y ​​generalmente el más común, con el polvo de alta resistividad es el aumento de las chispas eléctricas. Cuando la frecuencia de las chispas supera el límite establecido, los controladores automáticos limitan la tensión de funcionamiento del campo. Esto provoca una menor carga de partículas y una reducción de la velocidad de migración hacia el electrodo colector. La alta resistividad generalmente se puede reducir de la siguiente manera:

• Ajustar la temperatura;
• Aumento del contenido de humedad;
• Agregar agentes acondicionadores al flujo de gas;
• Aumentar la superficie de recolección; y
• Utilizando precipitadores del lado caliente (ocasionalmente y con conocimiento previo del agotamiento del sodio).

Las capas delgadas de polvo y el polvo de alta resistividad favorecen especialmente la formación de cráteres de corona inversa. Se ha observado una corona inversa severa con capas de polvo de tan solo 0,1  mm de espesor, pero una capa de polvo de poco más de una partícula puede reducir el voltaje de chispa en un 50 %. Los efectos más notables de la corona inversa en las características corriente-voltaje son:

1. Reducción de la sobretensión de la chispa hasta en un 50% o más;
2. Saltos o discontinuidades de corriente causados ​​por la formación de cráteres de retrocorona estables; y
3. Gran aumento en la corriente corona máxima, que justo por debajo de la chispa sobre el espacio corona puede ser varias veces la corriente normal.

La figura inferior izquierda muestra la variación de la resistividad con la temperatura del gas para seis polvos industriales diferentes, junto con tres cenizas volantes de combustión de carbón. La figura de la derecha ilustra los valores de resistividad medidos para diversos compuestos químicos preparados en el laboratorio.

Los resultados de la ceniza volante A (en la figura de la izquierda) se obtuvieron en el modo de temperatura ascendente. Estos datos son típicos de una ceniza con un contenido de materiales combustibles de moderado a alto. Los datos de la ceniza volante B corresponden a la misma muestra, pero se obtuvieron en el modo de temperatura descendente.

Las diferencias entre los modos de temperatura ascendente y descendente se deben a la presencia de combustibles sin quemar en la muestra. Entre ambos modos de prueba, las muestras se equilibran en aire seco durante 14 horas (durante la noche) a 450 °C (850 °F) . Este proceso de recocido nocturno elimina normalmente entre el 60 % y el 90 % de los combustibles sin quemar presentes en las muestras. Aún no se comprende completamente cómo funciona el carbono como portador de carga, pero se sabe que reduce significativamente la resistividad del polvo.  

El carbono puede comportarse inicialmente como un polvo de alta resistividad en el precipitador. Para que se inicie la generación de corona, pueden ser necesarios voltajes más altos. Estos voltajes elevados pueden resultar problemáticos para los controles TR-Set. El problema radica en que, al iniciarse la corona, se produce un pico de corriente considerable a través de la capa de polvo (de baja resistividad). Los controles detectan este pico como una chispa. Dado que los precipitadores funcionan en modo de limitación de chispas, se interrumpe la alimentación y se reinicia el ciclo de generación de corona. Por lo tanto, se observan lecturas de potencia (corriente) más bajas con lecturas de voltaje relativamente altas.

Se cree que ocurre lo mismo en las mediciones de laboratorio. En las mediciones de laboratorio se utiliza una geometría de placas paralelas sin generación de corona. Una copa de acero inoxidable sostiene la muestra. Otro electrodo de acero inoxidable se coloca sobre la muestra (en contacto directo con la capa de polvo). Al aumentar el voltaje desde pequeñas cantidades (por ejemplo, 20 V), no se mide corriente. Luego, se alcanza un nivel de voltaje umbral. A este nivel, la corriente fluye a través de la muestra... tanto que la unidad de suministro de voltaje puede desconectarse. Después de eliminar los combustibles no quemados durante el procedimiento de recocido mencionado anteriormente, la curva del modo de temperatura descendente muestra la típica forma de "V" invertida que cabría esperar.

Las partículas de baja resistividad son difíciles de recolectar porque se cargan fácilmente (son muy conductoras) y pierden rápidamente su carga al llegar al electrodo de recolección. Estas partículas adquieren la carga del electrodo, rebotan en las placas y se reincorporan a la corriente de gas. Por lo tanto, las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión que normalmente actúan a resistividades normales y elevadas están ausentes, y las fuerzas de unión a la placa se reducen considerablemente. Ejemplos de polvos de baja resistividad son el carbono no quemado en las cenizas volantes y el negro de humo.

Si estas partículas conductoras son gruesas, se pueden eliminar antes del precipitador utilizando un dispositivo como un colector mecánico ciclónico .

La adición de amoníaco líquido ( NH₃ ) en la corriente de gas como agente acondicionador ha encontrado un amplio uso en los últimos años. Se teoriza que el amoníaco reacciona conH₂ SO₄ contenidos en los gases de combustión para formar un compuesto de sulfato de amonio que aumenta la cohesión del polvo. Esta cohesión adicional compensa la pérdida de fuerzas de atracción eléctrica.

La tabla que figura a continuación resume las características asociadas a los polvos de baja, normal y alta resistividad.

El contenido de humedad del flujo de gases de combustión también afecta la resistividad de las partículas. Aumentar el contenido de humedad del flujo de gases rociando agua o inyectando vapor en el conducto previo al precipitador electrostático (ESP) reduce la resistividad. Tanto en el ajuste de temperatura como en el acondicionamiento de la humedad, es necesario mantener las condiciones del gas por encima del punto de rocío para prevenir problemas de corrosión en el ESP o en los equipos posteriores. La figura de la derecha muestra el efecto de la temperatura y la humedad en la resistividad del polvo de cemento. A medida que el porcentaje de humedad en el flujo de gases aumenta del 6 % al 20 %, la resistividad del polvo disminuye drásticamente. Asimismo, aumentar o disminuir la temperatura puede reducir la resistividad del polvo de cemento para todos los porcentajes de humedad representados.

La presencia de SO_{Se ha demostrado que la presencia de 3} en la corriente de gas favorece el proceso de precipitación electrostática cuando se presentan problemas de alta resistividad. La mayor parte del contenido de azufre en el carbón quemado para fuentes de combustión se convierte enSO_2. Sin embargo, aproximadamente el 1% del azufre se convierte enSO₂._3. La cantidad deSO_{La resistividad de las partículas} en los gases de combustión normalmente aumenta con el incremento del contenido de azufre del carbón. La resistividad de las partículas disminuye a medida que aumenta el contenido de azufre del carbón.

También se han utilizado otros agentes acondicionadores, como ácido sulfúrico, amoníaco, cloruro de sodio y carbonato de sodio (a veces en forma de trona cruda), para reducir la resistividad de las partículas. Por lo tanto, la composición química de la corriente de gases de combustión es importante en relación con la resistividad de las partículas que se recogerán en el precipitador electrostático (ESP). La tabla siguiente enumera varios agentes acondicionadores y sus mecanismos de funcionamiento.

Si la inyección de sulfato de amonio se produce a una temperatura superior a unos 600 °F (320 °C) , se produce la disociación en amoníaco y trióxido de azufre. Dependiendo de la ceniza, SO  ₂ puede interactuar preferentemente con cenizas volantes comoSO_3. Acondicionamiento. El remanente se recombina con amoníaco para aumentar la carga espacial y la cohesión de la ceniza.

Más recientemente, se ha reconocido que una de las principales causas de la pérdida de eficiencia del precipitador electrostático se debe a la acumulación de partículas en los cables de carga, además de en las placas colectoras (Davidson y McKinney, 1998). Esto se soluciona fácilmente asegurándose de limpiar los cables al mismo tiempo que las placas colectoras. ^{[ 9 ]}

Vapor de ácido sulfúrico ( SO₃ ) Potencia los efectos del vapor de agua sobre la conducción superficial. Se adsorbe físicamente dentro de la capa de humedad en la superficie de las partículas. Los efectos de cantidades relativamente pequeñas de vapor ácido se pueden observar en la figura inferior y a la derecha.

La resistividad intrínseca de la muestra a 150 °C (300 °F) es de 5 × ^10¹² ohm-cm. Una concentración de equilibrio de tan solo 1,9 ppm de vapor de ácido sulfúrico reduce ese valor a aproximadamente 7 × 10⁹ ^ohm -cm.