precipitadores electrostáticos utilizados en centrales termoeléctricas
Anuncio
CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS UTILIZADOS EN CENTRALES TERMOELÉCTRICAS Ismael Prieto Fernández Oviedo Agosto de 2000 ÁREA DE MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ÍNDICE DE MATERIAS 1. HISTORIA DE LA PRECIPITACIÓN ELECTROSTÁTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2.1. GENERACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2. GENERACIÓN DE IONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3. CARGA ELÉCTRICA DE LAS PARTÍCULAS DE POLVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.1. CARGA POR DIFUSIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.2. CARGA POR EFECTO CAMPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.3. COMBINACIÓN DE AMBOS EFECTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.4. CARGA ESPACIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4. MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS HACIA EL ELECTRODO COLECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5. DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.6. PRECIPITACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. REENTRADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.8. DIMENSIONADO DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.9. EVALUACIÓN DE w Y F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.10. ECUACIÓN MODIFICADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. POLVO DIFÍCIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4. ADHESIÓN DE LAS PARTÍCULAS CARGADAS AL ELECTRODO COLECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5. EFECTO BACK-CORONA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6. DESCARGAS ELÉCTRICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 7. DISTRIBUCIÓN DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 8. PRESIÓN ELECTROSTÁTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 9. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 9.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE LOS HUMOS SOBRE LA RESISTIVIDAD DE LAS CENIZAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 10. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA Y REGULACIÓN AUTOMÁTICA INDICE 2 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO DE LA TENSIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 11 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA A IMPULSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 11.1. IMPULSOS LARGOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 11.2 IMPULSOS CORTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 12. DETECCIÓN DEL EFECTO BACK CORONA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 13. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN “SIR” (SWITCHED INTEGRATED RECTIFIER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 14. COMPONENTES PRINCIPALES DEL EQUIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 14.1. LA CARCASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 14.2. ELECTRODOS COLECTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 15. SEPARACIÓN DE LA PELÍCULA DE POLVO DE LOS ELECTRODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 INDICE 3 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS 1. HISTORIA DE LA PRECIPITACIÓN ELECTROSTÁTICA La precipitación electrostática de los polvos se conoce desde el siglo pasado, y desde esa época sus aplicaciones industriales han ido en aumento, siendo en este momento uno de los métodos de separación de polvo más comúnmente empleados en la industria. En 1828, el matemático alemán Hohlfeld propuso la aplicación de descargas eléctricas como medio para suprimir los humos ordinarios. En 1850, Guitard, escribió sobre este fenómeno. En 1886, sir Oliver Lodge, sin tener conocimiento de sus predecesores, redescubrió el fenómeno y trató de aplicarlo industrialmente a un problema de Dee Bank Lead Works, en Gran Bretaña. Alfredo O. Walker de la Lead Company patentó el principio general de la precipitación electrostática de la materia suspendida en un chorro de gas en movimiento. Según parece, el aparato usado no dio buenos resultados en la práctica, pues no se volvió a tener noticia del método. El defecto más importante del proyecto fue probablemente que dependía de la maquina electrostática de Wimshurst, que acababa de ser inventada y que no fue tan eficiente como se esperaba, según demostró la experiencia. Casi al mismo tiempo que Lodge y Walker realizaban sus investigaciones, Karl Moeller en Alemania obtuvo una patente sobre la precipitación eléctrica. Desde 1886 hasta 1906 hubo un período de inactividad en este terreno, volviendo a despertar el interés gracias a los experimentos del doctor Cottrell, quien en la Universidad de California estudiaba la extracción de ácido de la neblina, del proceso de fabricación del ácido sulfúrico por contacto. Repitió los mismos experimentos que Lodge y se convenció de la posibilidad de ponerlos industrialmente en práctica. La primera demostración práctica del proceso se realizó en la fábrica Hercules, de la E.I. Dupont de Nemours Powder Company, en Pinole, California, con los gases de una de las plantas de ácido sulfúrico por contacto. Esta demostración tuvo un éxito importante y otras empresas comenzaron a interesarse por él. 2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO El precipitador electrostático utiliza la fuerza electrostática para separar las partículas de polvo de los humos que las arrastran. Según se puede ver en la figura 1, los humos conteniendo partículas en suspensión se hacen pasar por una cámara que contiene placas de acero (electrodos colectores) colocadas verticales, en la dirección paralela al flujo de humos, formando entre ellas una serie de pasillos. En cada pasillo se sitúan un conjunto de alambres verticales (electrodos de descarga) situados en un plano paralelo y equidistante a las placas. Los electrodos de descarga de todos los pasillos están soportados por una estructura única. Esta estructura se apoya en aisladores para que quede aislada eléctricamente del resto de los componentes, los cuales están conectados a tierra. La estructura aislada que soporta todos los electrodos de descarga está alimentada con una tensión continua negativa, que puede alcanzar valores del orden de 50/60 kV, desde un conjunto transformador-rectificador. Como los electrodos colectores o placas, están conectados a tierra, se crea un campo eléctrico intenso entre los electrodos de descarga y las placas. 1 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Figura 1: Disposición de los elementos principales en un precipitador electrostático 2 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Tal como se puede ver en la figura 2, el campo eléctrico es mucho más intenso en la proximidad de los electrodos de descarga, tan intenso que en esa zona tiene lugar una descarga eléctrica. En la obscuridad se puede ver una luminosidad tenue azulada, del orden de 1 mm de espesor, alrededor del electrodo. Esto es el efecto corona. El gas se ioniza en esta zona y se Figura 2: Distribución del campo eléctrico en un precipitador electrostático forman gran cantidad de iones positivos y negativos. Los iones positivos son atraídos y atrapados inmediatamente por los electrodos de descarga, cargados negativamente. Los iones negativos, sin embargo, tienen que atravesar todo el espacio que hay entre los electrodos de descarga y las placas (electrodos colectores, polo positivo). Por lo tanto hay un flujo de iones negativos desde los electrodos de descarga. En el camino hacia las placas, los iones negativos chocan con las partículas de polvo y se adhieren a ellas. Estas partículas, por lo tanto, quedan cargadas eléctricamente y comienzan a moverse hacia las placas en la misma dirección que los iones negativos. La fuerza eléctrica que actúa sobre cada partícula es mucho mayor que la fuerza gravitatoria y por tanto su "velocidad de migración" hacia la placa es mucho mayor que la "velocidad de sedimentación" y, si se diseña adecuadamente el precipitador, también será adecuada para competir con la velocidad de avance de los humos. El polvo se adhiere a las placas colectoras y mediante un golpeo periódico se hace que la capa de polvo depositada sobre ellas, se desprenda y se deslice hacia una tolva situada en la parte inferior. El proceso de precipitación en un precipitador electrostático se puede dividir en los siguientes pasos: - Generación de un campo eléctrico. - Generación de cargas eléctricas. - Transferencia de las cargas eléctricas a las partículas de polvo. - Movimiento de las partículas de polvo cargadas hacia la superficie de los electrodos. - Adhesión de la partícula a la superficie colectora. - Separación de la capa de polvo de la superficie colectora. - Recogida de polvo en las tolvas. - Vaciado de las tolvas. Una unidad elemental de precipitación electrostática formada por un electrodo colector y uno de descarga, debe cumplir con eficiencia al menos los 6 primeros puntos. 2.1. GENERACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO. Si se conectan unos electrodos a una fuente de alta tensión continua, se forma entre ellos un fuerte campo eléctrico. Este campo puede ser caracterizado por su intensidad, E, que en condiciones ideales viene dada por las siguientes ecuaciones: 3 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO - Si el electrodo emisor es un alambre y el colector un tubo: U E' rc r.ln (1) rd Donde: U = Tensión aplicada (V). r = Radio considerado, distancia del electrodo emisor a la que se está considerando el campo eléctrico (m). rc = Radio del electrodo colector (m). rd = Radio del electrodo emisor (m). E = Intensidad de campo eléctrico a una distancia r del electrodo emisor (V/m). - Si los electrodos son dos placas paralelas: E' U d (2) Donde: U = Tensión aplicada (V). d = Distancia entre las placas (m). E = Intensidad de campo eléctrico en el espacio comprendido entre dos placas (V/m). 2.2. GENERACIÓN DE IONES. El gas con partículas de polvo en suspensión fluye entre los electrodos. Este gas está formado normalmente por moléculas neutras y su movimiento no se ve afectado por el campo eléctrico. Sin embargo siempre existe alguna molécula ionizada, ya sea por radiación electromagnética o como consecuencia de elevadas temperaturas anteriores. Estas moléculas ionizadas (iones gaseosos) y los electrones separados de ellas se mueven hacia los electrodos de polaridad opuesta, donde se descargan. Es decir se genera una corriente eléctrica, pero ésta es tan débil que casi no puede ser detectada por los aparatos de medida. Si se aumenta el voltaje aplicado a los electrodos, la intensidad de campo en las proximidades del emisor aumenta hasta el punto que los iones y los electrones son acelerados pudiendo provocar la ionización de otras partículas neutras por impacto con ellas. Este fenómeno se conoce con el nombre de avalancha (figura 3), y si se repite con una determinada frecuencia, de forma que se generen una gran cantidad de iones y de electrones libres en la zona próxima al electrodo emisor, se produce una descarga eléctrica, denominada descarga corona. Una descarga corona es fácilmente apreciable en la oscuridad por un destello luminoso de color azul de un espesor aproximado de 1 mm. La aceleración de los electrones es función de la intensidad de campo y como ésta disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia al electrodo emisor (figura 2) El proceso de ionización está limitado a una pequeña región del espacio muy próxima al electrodo de ionización (emisor). 4 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En la mayoría de los precipitadores industriales, la tensión negativa se aplica al electrodo de descarga, mientras que los electrodos colectores suelen estar conectados al polo positivo o a tierra. En este caso en la región corona se producen iones de ambas polaridades, sin embargo los Figura 3: Relación I - V en una avalancha positivos son atraídos por el emisor, y sólo los iones negativos atraviesan esta región hacia el colector. La forma en que un ion se mueve en un campo eléctrico depende de muchos factores, como la intensidad de campo, su masa, su carga y el recorrido libre entre dos colisiones. Su velocidad instantánea varía mucho, puesto que primero son acelerados y luego decelerados por el impacto contra una molécula o partícula , sin embargo su velocidad media se puede calcular como: v ' E.u (3) Donde: v = velocidad media del ion (m/s). E = Intensidad de campo (V/m). u = Movilidad del ion (m2/V.s). La movilidad del ion, disminuye al aumentar la masa, aumenta con la temperatura absoluta y disminuye al aumentar la presión. Así en las mismas condiciones de presión y temperatura un ion negativo (suele ser un electrón) tiene más movilidad que uno positivo. La intensidad crítica de campo para que se inicie el proceso de ionización, se puede calcular por medio de la siguiente ecuación propuesta por Whitehead y Brown: Ec ' K1 δ 1 % K2 δ rd 5 (4) CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Donde: Ec = Intensidad crítica de campo (V/m). rd = Radio del electrodo de descarga (m). K1, K2 = Constantes empíricas, que dependen de la configuración de los electrodos, del tipo de gas y de su estado. δ = Peso relativo del gas: δ' T0 P T P0 (5) T0 = Temperatura de referencia del gas (K). T = Temperatura del gas (K). P0 = Presión de referencia (Pa). P = Presión del gas (Pa). Figura 4: Tensión umbral de corona en función de la temperatura para distintos radios del electrodo de descarga El valor de Ec depende de la polaridad de la descarga, pero siempre aumenta con la presión del gas y el diámetro del electrodo, y disminuye al aumentar la temperatura. A cada Ec le corresponde una Uc, tensión umbral de la descarga corona, que se calcula integrando el campo eléctrico Ec en el espacio comprendido entre los dos electrodos. Uc ' Ec dr (6) 6 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Resultando : Uc ' Ec rd ln R rd (7) Donde: Uc = Tensión umbral de descarga corona (V). Ec = Intensidad de campo crítica (V/m). rd = Radio del electrodo emisor (m). R = Radio del electrodo colector (rc) si este es un tubo, y 4/3 de la distancia entre alambre y placa si el electrodo colector es una placa. En la figura 4 se representas la variación de la tensión umbral de descarga corona en función de la temperatura del gas y el radio del electrodo emisor. Figura 5: Característica Tensión-Corriente de un precipitador En el caso de un precipitador de alambre y tubo, basándose en el campo crítico determinado experimentalmente, publicado por Whitehead y Brown, la tensión umbral para que se produzca la descarga corona se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: Uc ' 31 1 % 0.308 rd rd ln 7 rc rd (8) CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Donde: Uc = Tensión umbral (kV). rd = Radio del alambre emisor (cm). rc = Radio del tubo colector (cm). Si se aumenta la tensión aplicada por encima del valor Uc, la región de descarga corona también aumentará, y también el número de iones que abandonan esta región, es decir que aumentará la corriente entre los electrodos. El valor de la corriente que se establece, depende de la tensión aplicada según la característica representada en la figura 5. La característica Tensión-Corriente también depende de las características del gas. Cuanto mayor sea la movilidad de sus moléculas, más pendiente tendrá la característica. Por otro lado la tensión de arco depende principalmente del tipo de gas y del diseño y disposición de los Figura 6: Relación entre la tensión umbral de corona y la tensión de arco con la relación r/R electrodos. En general este voltaje disminuirá con el tiempo y aumentará con la movilidad de los iones. En la figura 6. se puede ver cómo varía con la relación r/R. 2.3. CARGA ELÉCTRICA DE LAS PARTÍCULAS DE POLVO. En el espacio entre los electrodos, los electrones liberados en la región corona, se dirigen hacia los electrodos colectores, siguiendo las líneas de campo. Sin embargo en su camino, se 8 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO pueden encontrar con otras moléculas de gas, que los atrapen formándose iones negativos. Los componentes gaseosos que absorben electrones se convierten en electronegativos, este es el caso del oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono o dióxido de azufre, y son necesarios para que se forme una carga espacial adecuada para que se origine un efecto corona negativo estable. La carga eléctrica en forma de electrones y de iones de gas, tiene que ser transferida a las partículas de polvo que atraviesan el campo eléctrico. Los mecanismos principales por los que las partículas de polvo adquieren la carga son dos: carga por difusión, y carga por efecto de campo. 2.3.1. CARGA POR DIFUSIÓN. Se dice que una partícula de polvo se carga por medio de un mecanismo de difusión, cuando los iones que chocan con la partícula transfiriéndole su carga, llegan a ella como consecuencia del movimiento térmico aleatorio. La cantidad de carga que una partícula adquiere por difusión, aumenta con el tiempo, pero es independiente de la intensidad de campo. Según Kinkelin, la carga eléctrica, Qd, de una partícula de polvo inicialmente neutra, viene dada por la siguiente expresión: Qd ' n e ' dp K T 2e ln 1 % dp π c N e 2 t 2K T (9) Donde: Qd = Carga alcanzada por difusión (C). n = nº de cargas eléctricas. dp = Diámetro de la partícula (m). K = Constante de Boltzman. K=1.38 10-23 (J/C). T = Temperatura absoluta (K). N = Concentración iónica en las proximidades de la partícula (iones/m3). e = Carga del electrón e=1.67 10-19 (C). t = Tiempo (s). c = Parámetro que caracteriza la velocidad de los iones: c' 3KT m (10) m = Masa de los iones (kg). De acuerdo con la ecuación anterior, la carga por difusión de una partícula es aproximadamente proporcional a su diámetro y a su temperatura, por otro lado, se puede apreciar como la velocidad de carga es muy rápida inicialmente, para ir disminuyendo después con el tiempo. Si se hace el desarrollo en serie de esta ecuación se llega a la siguiente aproximación, en la que se aprecian cómo al principio del proceso de carga, Qd es directamente proporcional al tiempo y a la superficie de la partícula. 9 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS Qd ' ISMAEL PRIETO dp π c N e t (11) 4 2.3.2. CARGA POR EFECTO CAMPO. La carga de una partícula es debida al efecto de campo, "Field charging", cuando los iones y electrones que provocan su carga, se mueven como consecuencia del campo eléctrico, a lo largo de las líneas de campo. Por lo tanto la carga eléctrica que alcanza una partícula es función de la intensidad de campo eléctrico E, y de las propiedades dieléctricas del polvo. Una partícula no conductora, con una constante dieléctrica k = 1, no provoca distorsión en las líneas de campo. Transcurrido un tiempo t, la cantidad de carga de esa partícula será igual al número de iones que atraviesan un área igual a la sección de la partícula. Sin embargo una partícula con una constante dieléctrica 1 < k < 4, provoca una distorsión en las líneas de campo, de forma que la mayoría de los iones y electrones son atraídos por la partícula de polvo. Esta distorsión, disminuye a medida que aumenta la carga de la partícula, alcanzándose la saturación cuando ninguna línea intercepta la trayectoria de la partícula. Figura 7: Distribución de las líneas de campo en las proximidades de una partícula esférica Kinkelin resumió los resultados obtenidos por varios investigadores, y asumiendo un gas con una constante dieléctrica, kH = 1, presentó la siguiente ecuación para la carga eléctrica de una partícula esférica debido a este efecto: 10 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO 2 Qf ' E 3 εp dp 4 2 % εp 1 1% π N e ui t (12) Donde: Qf = Carga debida al efecto de campo (C). εp = Constante dieléctrica de la partícula de polvo. dp = Diámetro de la partícula (m). E = Intensidad de campo (kV/m). N = Concentración iónica (iones/m3). e = Carga del electrón (C) ui = Movilidad de los iones (m2/V s). t = Tiempo transcurrido (s). Cuando Neuit >> 1, se alcanza la saturación y la expresión (12) queda: Qf s ' 3 εp 2 % εp 2 E dp 4 ' 3 εp 2 % εp 2 E rp (13) En caso de un medio gaseoso con una constante dieléctrica, kH, distinta de la unidad, E queda dividida por kH = 1/(4πεH) y la expresión (13) para calcular la máxima carga es la siguiente: 2 Qf s ' 12 π εH rp E εp 2 % εp (14) La carga de saturación es una función lineal de la intensidad de campo y de la superficie de la partícula, la constante dieléctrica tiene una influencia muy leve. Con εP variando de 2 a 4, la carga de la partícula sólo se multiplica por un factor 2. Para partículas con εp = 4, en un medio con kH = 1, la carga de saturación se calcula de la siguiente manera: Qf s ' 3 2 E dp 4 (15) En una atmósfera normal, incluso partículas de un material no conductor, pueden ser consideradas conductoras, debido a la conductividad superficial, causada por la absorción de humedad. Estas ecuaciones sólo son válidas cuando un único tipo de iones está presente, por ejemplo, iones negativos en el caso del efecto corona negativo. Sin embargo bajo ciertas condiciones, el electrodo positivo, puede emitir un segundo grupo de iones, activos en el campo 11 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO eléctrico, que pueden chocar con las partículas de polvo. En este caso se generan una corona positiva y una negativa, la positiva se denomina back corona, o corona inversa. La carga de saturación entonces, se puede obtener por medio de la siguiente fórmula: Qf s ' 3 2 1& c E dp 4 1% c (16) Donde c es el coeficiente de corona inversa, y puede variar entre 0 (cuando no hay flujo de iones positivos) y 1 (cuando hay el mismo flujo de iones positivos que negativos) Este coeficiente, puede ser interpretado como una relación entre el número de iones positivos y el número de iones negativos. Para c = 1, la partícula no queda cargada, ya que las cargas negativas, se compensan con las positivas, y por lo tanto no se puede separar esta partícula de la corriente de gas. Una de las conclusiones más importantes de las investigaciones teóricas y experimentales, es que la carga de saturación, bajo la mayoría de las condiciones prácticas, se alcanza en una décima de segundo o incluso menos. Esto es debido al gran número de iones libres (N), en un precipitador. Consecuentemente se puede considerar que las partículas de polvo alcanzan la carga de saturación instantáneamente. Este efecto se puede demostrar por medio del cociente ente (12) y (13): Qf Qf s t t0 ' 1% (17) t t0 Donde: t ' π N e u it t0 y t0 ' 1 π N e ui (18) e es la carga del electrón que es constante (e = 1.602 10-19 C), ui es la movilidad de los iones, que aunque varía ligeramente con la composición del aire, se puede considerar aproximadamente constante (ui = 2.2 10-4 (m2/V s)), N es el número de iones en un campo eléctrico, y en un precipitador convencional N varía entre 1013 y 1014 (iones/m3 ). Usando estos datos se puede obtener los siguientes valores para t0 : N (iones/m3 ) t0 (s) 1013 0.1 1014 0.01 En la figura 8 se representa Qf /Qf,s frente a t/t0, observándose, cómo cuando t/t0 es solamente 2, la carga de la partícula es ya 2/3 de la de saturación. 12 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Las fórmulas expuestas anteriormente solamente son válidas si las partículas tienen unos tamaños determinados. Las partículas más pequeñas no tienen un efecto de importancia en la distribución del campo por lo que se cargarán fundamentalmente por el efecto del movimiento térmico de los iones. Este tipo de carga que es independiente del campo eléctrico se le llama carga por difusión. Una expresión matemática de esta forma de carga resulta complicada pero se constata que no muestra un límite definido para la carga máxima, aunque la velocidad de carga disminuye con el tiempo. El número de cargas es proporcional al radio de la partícula. Para aplicaciones prácticas la importancia del mecanismo de carga depende del radio de Figura 8: Relación de carga en función del tiempo la partícula. Para partículas de tamaños inferiores a 1 µm la carga se realiza fundamentalmente por difusión y para partículas de tamaños superiores a 1 µm se realiza fundamentalmente por efecto campo. 2.3.3. COMBINACIÓN DE AMBOS EFECTOS. El polvo procedente de procesos industriales, contiene generalmente partículas en un rango de tamaños en el que ambos procesos son importantes. Por lo que ambos mecanismos afectan la carga del conjunto de partículas, (19) QTOTAL ' Qf % Qd 13 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO 2.3.4. CARGA ESPACIAL Un factor crucial en los procesos de precipitación electrostática, es la carga espacial que consiste en la existencia de unas partículas de polvo cargadas eléctricamente dispersas en el espacio activo de una unidad de precipitación electrostática. Esta carga espacial ρp, para una concentración dada de polvo en el gas, K, se define como: ρp ' K q p (20) Donde: ρp = Carga espacial. qp = Carga total de las partículas (C). K = Concentración de polvo (mg/m3 ). Para cualquier tensión aplicada a los electrodos, el flujo de corriente a través del precipitador alcanza su máximo cuando en el espacio libre entre ellos, no hay polvo, o este no está cargado; a medida que va adquiriendo una carga eléctrica, se va formando una carga espacial ρp, que contrarresta el campo inducido en un precipitador, en otras palabras, tiende a reducir la pendiente de la curva de la figura 3. Se puede considerar que mientras se mantenga una tensión constante, la carga espacial permanecerá aproximadamente constante. 2.4. MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS HACIA EL ELECTRODO COLECTOR. Las fuerzas que actúan sobre una partícula suspendida en un gas son las siguientes: - Fuerza de Coulomb. - Fuerza de arrastre. - Fuerzas gravitatorias. Las fuerzas gravitatorias, debidas al propio peso de la partícula, se pueden despreciar, porque actúan en un plano paralelo a los electrodos. Por lo tanto, se puede considerar que sobre la partícula actúan dos fuerzas, una de arrastre causada por el gas que la rodea y una de Coulomb, que depende de su carga y de la intensidad de campo local. Así una ecuación vectorial simplificada del movimiento de las partículas queda de la siguiente manera: m dv 1 ' qp EEXT % 6π µ r ( vGAS & vp ) dt Cu Donde: vp = Velocidad de la partícula (m/s). vGAS = Velocidad del gas (m/s). qp = Carga de las partículas (C). EEXT = Intensidad de campo en las proximidades de la partícula (V/m). m = Viscosidad del gas (kg/ms). Cu = Corrección de Cunningham a la ley de Stokes (adimensional). m = Masa de la partícula (kg). r = Radio de la partícula (m). 14 (21) CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Cuando las fuerzas eléctricas, comienzan a acelerar la partícula, la fuerza de arrastre es nula ya que vGAS = vp, pero a medida que vp aumenta, aumentan también estas fuerzas y la aceleración que las partículas experimentan disminuye. En el momento en que se igualen las fuerzas eléctricas y las de arrastre, se alcanzará la velocidad límite, o velocidad de migración, w, que para una única partícula esférica será. qp EEXT ' 1 1 6π µ r (vp & vGAS ) ' 6π µ r w Cu Cu (22) Combinando entonces las fórmulas de carga de una partícula y de movimiento, utilizando Figura 9: Movimiento de partículas cargadas en un flujo turbulento como fórmula de carga más adecuada a la realidad del precipitador la fórmula (13), se puede llegar a la siguiente expresión para la velocidad de migración: w ' Cu 3ε E 2 d 2 % ε 12π µ (23) Según la expresión anterior las partículas de mayor tamaño alcanzan una velocidad de migración mayor, que las partículas menores. Si todas las partículas fuesen esféricas y todas se cargaran por el efecto de campo, la velocidad de migración sería proporcional al radio de la partícula y al cuadrado de la intensidad de campo. Este fenómeno se aprecia bien en los precipitadores reales, ya que las partículas de mayor tamaño se recogen en los primeros campos, mientras que las más finas se separan en los últimos. 15 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO El cálculo de esta velocidad es útil como una referencia pero puede no estar dando la verdadera velocidad de migración de las partículas. En una trayectoria curva, varía esta velocidad con la distancia al electrodo colector, por lo que se calcula un valor medio, que además sólo será aplicable para esa partícula en concreto. Por otro lado las propiedades fluidodinámicas o la geometría, también influyen en ella, haciéndose muy difícil dar valores exactos para la misma. Además en estas expresiones no se ha tenido en cuenta el flujo turbulento del gas, fenómeno que se produce normalmente en todos los precipitadores industriales, se puede decir entonces que el movimiento de las partículas hacia los electrodos colectores es un proceso estadístico, con una componente media debida al campo eléctrico y una fluctuación debida al Figura 10: : Deducción de la fórmula de los precipitadores electrostáticos flujo turbulento del gas. Éste influye enormemente en el movimiento de las partículas cuando están en una zona alejada del electrodo colector y deja de tener importancia en una capa próxima al mismo, capa límite donde el flujo es laminar. En la capa límite la velocidad tiene una componente decreciente paralela al electrodo colector debida a la fuerza de fricción. Una partícula cargada únicamente sigue las líneas de campo en una zona muy próxima al electrodo colector, donde la velocidad del fluido se hace cero. Ver la figura 9. 2.5. DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO Mediante ensayos a escala de laboratorio se ha determinado que la cantidad de polvo recogida en las placas de un precipitador electrostático disminuye exponencialmente desde la entrada hasta la salida. En Alemania se desarrolló la fórmula que se deduce a continuación: Supóngase, según se esquematiza en la figura 10, un precipitador electrostático cuya altura de placas o electrodos colectores y electrodos de descarga es "h", longitud en el sentido de flujo de humos "L" y separación entre electrodos de descarga y colectores "R". Supóngase un 16 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO elemento diferencial de volumen de humos que avanza en régimen estacionario desde la entrada hasta la salida de una "calle" de un precipitador. Supóngase que las partículas de polvo se desplazan en la dirección "electrodos de descarga hacia electrodos colectores", a una velocidad "w" que denominaremos velocidad de migración. En un instante "t", se supone que la concentración de polvo en dicho elemento diferencial, es St = S. Considérese el mismo elemento diferencial en el instante "t + dt", en el tiempo transcurrido "dt", el polvo se habrá desplazado hacia la placa una distancia "wdt", que equivale a decir que se ha depositado en ella el contenido en el volumen "h(wdt)dx" y quedará en el elemento diferencial de volumen una cantidad de polvo: S.h.R.dx - S.h.(wdt)dx = S.h(R - w.dt)dx (24) El polvo no precipitado sigue ocupando la totalidad del volumen, que se mantiene el mismo que el inicial, por lo que ahora la concentración de polvo en el elemento diferencial es: St%∆t ' S.h.(R & wdt)dx S(R & wdt) ' h.R.dx R (25) La variación de la concentración de polvo en el tiempo "dt” será: S( R & wdt) Sw &S'& dt R R . dS w ' & dt S R dS ' St% dt & St ' (26) (27) Integrando esta ecuación desde la entrada al precipitador "I", hasta la salida "U", se tiene: U t dS '& S I w dt R (28) w t R (29) 0 ln SU&ln SI ' & . SU ' SI e & w t R (30) Si consideramos un precipitador con electrodo colector cilíndrico y electrodo de descarga central, aplicando los mismos criterios, se llega a la misma expresión. Recuérdese el significado de los distintos símbolos utilizados: SU = Concentración de polvo en la salida. 17 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS SI L e R t v w A Q f ISMAEL PRIETO = Concentración de polvo en la entrada. = Longitud de las placas en la dirección del flujo de humos (m). = Base de los logaritmos naturales. = Distancia entre los electrodos de descarga y las placas (m). = Tiempo de permanencia de los humos en la zona activa del precipitador electrostático (s). = Velocidad de los humos (m/s). = Velocidad de migración (m/s). = Área total de colección (m2). = Caudal total de los gases (m3/s). = A/Q, es la superficie específica de precipitación, (m2 /m3 s-1 = s m-1 ). El exponente de la ecuación (30) se puede expresar de varias maneras, todas ellas útiles, según lo que se trate de razonar, si se tienen en cuenta las siguientes consideraciones: L/v = t (tiempo de permanencia, s) Lh = A (Longitud por altura de la placa = Área de la misma, m2 ) Rh = AP (Área perpendicular al flujo de humos, m2 ) Rhv = Apv = Q (Caudal de humos, m3 /s) A/Q = f (superficie específica de precipitación, m2 /m3 s-1 = s/m) Por lo tanto: w wL wLh wA t ' ' ' ' wf R R v R v h Q (31) L, R, y A representan las dimensiones geométricas del electrofiltro, v y Q dependen de la cantidad de humos a tratar, w se puede considerar una característica de las partículas de polvo, que hemos llamado velocidad de migración. El rendimiento del electrofiltro, expresando w en cm/s, se puede calcular de la forma siguiente: η' SI & SU . (32) SI η ' 100 1 & e & wt 100R (33) . η ' 100 1 & e & wf 100 (34) De la expresión (34) se puede calcular la superficie específica del electrofiltro: f' (35) 100 100 ln w 100 & η 18 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Según la expresión (35) la superficie específica necesaria, para alcanzar un rendimiento determinado, solo depende de la velocidad de migración, w, que se ha definido anteriormente. Se puede considerar como una velocidad perpendicular a la velocidad de avance de los humos cuyo valor práctico se sitúa entre 4 y 20 cm/s. Como se vio anteriormente, el valor de w no se puede calcular de una forma precisa. El problema real para dimensionar el electrofiltro, es la determinación del valor de w. Como hay varios factores que influyen en el valor de la velocidad de migración y por tanto en el dimensionado del precipitador, trataremos de examinar cada uno de ellos más adelante. 2.6. PRECIPITACIÓN Consideremos el precipitador electrostático dividido en secciones tal como se muestra en la figura 11. La primera sección imaginaria colectará parte del polvo de entrada. Una determinada fracción “A” del polvo de entrada no es colectada y penetra en la segunda sección donde es precipitado excepto una fracción “B”. Esta última fracción se va a la sección siguiente y así sucesivamente, resultando que de al última sección se escapa sin precipitar una fracción Figura 11 “C”. La penetración en cada sección, definiendo ésta como SU /SI , decrece exponencialmente a lo largo del precipitador. De la formulación deducida anteriormente (30) se obtiene que la penetración en una sección es: P' . SU SI 'e ln P ' & & w L R v (36) (37) wL R v 19 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO 2.7. REENTRADA En epígrafes anterior se describe como se precipita el polvo, pero es solo parte de la historia. Siguiendo con el sistema imaginario de secciones. El polvo precipitado por ejemplo en la primera sección es necesario conducirlo a la tolva. Se golpea la placa colectora y el polvo comienza a caer. Esta caída no se realiza sin pérdidas. Al caer una fracción del polvo vuelve a entrar en la corriente de humos y vuelve a ser transportado por ella. Esta cantidad de reentrada debe de ser precipitada en la siguiente sección. El proceso se repite a través de todas las secciones. La penetración, Pr , después de la última sección, debida a la reentrada, se puede representar por una función exponencial: Pr ' e &F L v (38) Siendo: Pr = Penetración debida a la reentrada F = Número fraccionario independiente de R Durante el funcionamiento normal la precipitación y la reentrada se producen simultáneamente. Por lo tanto la penetración efectiva será: (39) Pe ' P % Pr 2.8. DIMENSIONADO DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO Las restricciones medioambientales impuestas en cada región, limitan la concentración de polvo en los humos emitidos a la atmósfera y eto es lo que limita la penetración que puede tener el precipitador. La velocidad, v, de los humos dentro del precipitador debe de ser relativamente baja, generalmente inferior a 1.2 m/s, para evitar una reentrada excesiva del polvo ya precipitado. De acuerdo con este dato deben de ser seleccionadas la altura y anchura del precipitador. Los valores de w y F para las correspondientes características del polvo son conocidas por el suministrador del precipitador. Usando las ecuaciones (36), (38) y (39), se selecciona una longitud aceptable para obtener la penetración requerida, Pe. El resto de operaciones consiste en ajustar la altura, anchura y longitud de la mejor forma posible para adaptarse al espacio y las condiciones disponibles. En el siguiente párrafo se discutirán algunos problemas que surgen de esta aproximación simple. 2.9. EVALUACIÓN DE w Y F Como se ha vista anteriormente, el valor numérico de w se puede calcular teóricamente, para lo cual se necesita: Composición, temperatura y viscosidad de los humos. Granulometría del polvo y forma de las partículas. Distribución del campo eléctrico entre los electrodos. Etc, etc, etc... 20 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Las fórmulas han sido verificadas bajo condiciones controladas en el laboratorio. Sin embargo, hay mucha información necesaria que no puede ser conocida durante la fase de proyecto y montaje de la instalación. Hasta la actualidad no se conoce ningún método teórico para calcular el factor de reentrada, F. En un precipitador existente es posible, mediante toma de muestras, medir las concentraciones de entrada SI , y salida SU , con lo cual se puede calcular el coeficiente Pe : Pe ' SU (40) SI P y Pr no se pueden medir separadamente. Se suele utilizar únicamente la ecuación (37) de donde se puede obtener la velocidad de migración efectiva, we : we ' & Rv ln Pe L (41) Cuando se calcula we , se encuentra que su valor es mucho menor que el teórico, w. Este resultado es el que se encuentra en la mayoría de las plantas comerciales. La conclusión es que la influencia del factor de reentrada, F, sobre Pe , es mucho más importante que el valor de w. Por lo tanto es conveniente reescribir la ecuación (38) de la forma: Pe ' e &M L v (42) ' e &M t Donde M es un factor que depende del polvo y engloba la influencia de la velocidad de migración, w, y del factor de reentrada, F. De la ecuación (42) se deduce lo siguiente: - Con largos tiempos de permanencia se obtienen bajas penetraciones. - Para valores grandes de M se obtienen penetraciones bajas, implicando que el polvo presenta reentrada baja (y alta migración). Este será un “polvo fácil”. En consecuencia cuando M es grande estaremos tratando con un “polvo difícil”. - El valor de t (dependiente del tamaño del precipitador) necesario para alcanzar el Pe especificado es inversamente proporcional a M. Evidentemente, M, es un factor específico de cada tipo de polvo y proceso. Se obtiene mediante costosos ensayos en plantas ya existentes o mediante ensayos en planta piloto (estas plantas son mucho mayores que las escalas normales de laboratorio, con objeto de no perder precisión). 2.10. ECUACIÓN MODIFICADA La ecuación de los precipitadores electrostáticos discutida más arriba solamente es válida para polvo muy uniforme. Un polvo natural no es uniforme, generalmente es una mezcla de fracciones de varios grados de dificultad. Nuestro análisis debería de hacerse para cada fracción 21 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO separadamente. Volvamos al precipitador constituido por secciones visto anteriormente en la figura 11. La primera sección captará más polvo de las fracciones fáciles que de las fracciones difíciles. Como consecuencia a la segunda sección llegará un polvo algo más difícil, el que llegue a la tercera será aun más difícil y así sucesivamente a lo largo de todo el precipitador. Nos encontramos una situación donde M va disminuyendo desde la entrada del precipitador hasta la salida. El valor de M medido es un valor medio que depende de cuanto polvo difícil somos capaces a colectar. Por lo tanto M será una función de Pe. Pero modifiquemos la fórmula de la forma siguiente: Pe ' e (43) &(M k t)k Miles de ensayos en muchos tipos de procesos han mostrado que si se hace k = 0.5, Mk se hace independiente de Pe. A diferencia de M, el valor de Mk es independiente de Pe. Por lo tanto Mk es válido para polvo no uniforme. Entonces, se puede escribir: (44) & M t k Pe ' e . (ln Pe)2 ' Mk t . η ' 100 1 & e (45) & Mk t (46) Las ecuaciones (44) y (45) son casi universalmente aceptadas. Mediante ellas los investigadores sobre precipitadores electrostáticos pueden obtener resultados similares. Además estas ecuaciones son buenas herramientas a utilizar cuando se analiza el funcionamiento de los precipitadores electrostáticos. Los archivos de valores de M son mantenidos como de alta confidencialidad por los respectivos diseñadores. Ello representa una parte muy importante de su “Know-how”. 3. POLVO DIFÍCIL Una conclusión de los párrafos previos es que es más fácil recoger el polvo sobre el electrodo colector que precipitarlo desde éste a la tolva, por lo que merece la pena estudiar el comportamiento de la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector. Muchos tipos de polvo presentan una resistividad muy alta. Al tener que atravesar la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector, la corriente de precipitación, se reducirá debido a la resistividad, para una determinada tensión aplicada al precipitador. Este límite para la corriente puede llegar a valores tan bajos que sea insuficiente para que se distribuya uniformemente a lo largo de los electrodos. El resultado de esto es una fuerte caída del valor de M y el consecuente deterioro en el funcionamiento del precipitador. Los sistemas modernos de alimentación eléctrica suministran impulsos de alta tensión. Este sistema reduce el problema de la mala distribución de corriente y mejora el valor de M. Con estos sistemas se puede precipitar polvo que hace algunos años era considerado como “imposible”. Se volverá sobre este tema más 22 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO adelante. Cuando las partículas de polvo alcanzan el electrodo colector, permanecen sobre él y aglomeran formando protuberancias o en el caso de buen funcionamiento, capas más o menos uniformes, que se caen a la tolva cuando se golpea el electrodo colector. En condiciones normales la reentrada será moderada. Algunos tipos de polvo carecen de la propiedad de aglomerar y en tales casos la reentrada es excesiva y los valores de M resultantes son pequeños y erráticos. No se conoce ninguna teoría para predecir este fenómeno. El ajuste lo más fino posible del precipitador, no soluciona en absoluto el problema. La aglomeración del polvo se puede mejorar mediante aditivos inyectados en la corriente de humos antes del precipitador electrostático. El amoniaco y el trióxido de azufre suelen ser bastante efectivos cuando se inyectan en cantidades del orden de 20 ppm 4. ADHESIÓN DE LAS PARTÍCULAS CARGADAS AL ELECTRODO COLECTOR Las partículas cargadas por los iones negativos del gas, se moverán hacia los electrodos colectores, donde formarán una capa de polvo. El resto de partículas que van llegando, se quedan adheridas a esa capa, perdiendo posteriormente, más o menos rápido su carga. Mientras tengan una determinada carga, permanecerán adheridas al electrodo colector debido a la fuerza ejercida por el campo eléctrico que se establece entre la carga eléctrica de la superficie de la capa de polvo y el electrodo colector (Figura 12). Debido a la existencia de este campo, se genera una corriente eléctrica a través de la capa de polvo, cuyo valor dependerá de la resistividad de la misma. Si esta resistividad es muy baja, la corriente será alta y las partículas perderán rápidamente su carga, pudiendo incluso adquirir una carga de signo contrario. Si esto sucede, las partículas resultarán repelidas y entrarán de nuevo en la corriente gaseosa. Allí adquirirán de nuevo carga y este proceso se puede repetir una o varias veces y la mayor parte de ellas terminarán abandonando el precipitador electrostático y saliendo por la chimenea. Por este motivo, existe un límite inferior de la resistividad eléctrica de las partículas, por debajo de la cual el precipitador no funcionará. Desde un punto de vista teórico, sólo considerando las fuerzas eléctricas, este límite es del orden de 109 Ωcm, para un diseño normal del precipitador, pero gracias a la existencia de otras fuerzas que mantienen unidas las partículas de la capa de polvo entre sí, el límite es mucho menor, 106 a 107 Ωcm. 5. EFECTO BACK-CORONA Por otro lado, si la resistividad del polvo es demasiado alta, para mantener la corriente iónica en valores adecuados para la buena la carga de las partículas, ha de ser también alta la caída de tensión a través de la capa de polvo acumulada sobre el electrodo colector. Como consecuencia, el campo eléctrico soportado por dicha capa también será intenso y podrá alcanzar un valor para el cual se produzca la ruptura dieléctrica de la misma. La descarga consecuente tiene el mismo efecto local, sobre la capa de polvo, que una explosión (figura 13). Esto provocará la reinyección de las partículas en la corriente de humos. Este fenómeno se conoce con el nombre de "Back-corona" o corona inversa, y establece el límite superior de la resistividad del polvo, por encima del cual no se puede llevar a cabo una separación eficaz de las partículas. Para evitar el efecto back-corona resulta obligado disminuir la densidad de corriente. Otras posibles vías de solución son aumentar el tamaño del precipitador y disminuir la resistividad de las cenizas mediante aditivos inyectados en la corriente de humos antes del 23 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO precipitador electrostático. Cuanto mayor es la resistencia de la capa de polvo mayor será la caída de tensión a través de la misma para que se pueda mantener una determinada corriente. Prescindiendo del espesor de la capa, se puede decir que a cada densidad de corriente corresponde una intensidad de campo eléctrico. Por tanto, si se eleva la densidad de corriente, hay un límite para el cual la intensidad del campo eléctrico es tan alta que se produce una perforación de la capa de polvo por una descarga eléctrica. Esta intensidad de campo eléctrico es del orden de 1 a 3 kV/mm, dependiendo del gas y del polvo. Considerando una resistividad de 1010 Ω.cm (= 108 Ω.m) y que la intensidad de campo máxima que soporta la capa de polvo es de 1 kV/mm (= 106 V/m), se puede alcanzar una intensidad máxima de 0.01 A/m2 (= 10 mA/m2 ). Este valor es tan alto que no implica un límite real para el precipitador electrostático. Pero si la resistividad es de 1012 Ω.cm (= 1010 Ω.m) y el Figura 12: El flujo de cargas a través de la resistencias de la capa de polvo, produce una caída de tensión a través de ella mismo límite para la rigidez dieléctrica de la capa de polvo, se podrá alcanzar una intensidad máxima de 0.0001 A/m2 (= 0.1 mA/m2 ). Este límite es inferior a la corriente normal del precipitador e implicará un problema considerable porque el funcionamiento del precipitador es mucho peor con esta corriente tan baja. Debe de tenerse en cuenta que cuando se discute el efecto back-corona, no se esta hablando de corrientes medias. Las corrientes locales determinan el campo eléctrico local en la 24 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO capa de polvo y consecuentemente el inicio del efecto back-corona. Desafortunadamente el límite de corriente nos obliga a utilizar voltajes más bajos, debido a la relación existente entre corriente y voltaje. Como el nivel de carga de las partículas depende de la intensidad de campo eléctrico y la fuerza que actúa sobre cada carga también depende de la intensidad de campo eléctrico, el descenso de la densidad de corriente actúa por dos caminos desfavorablemente sobre la velocidad de migración. Como consecuencia es necesario aumentar Figura 13: El efecto back-corona disminuye la intensidad de precipitación y aumenta el consumo energético el tamaño del precipitador. Una forma de reducir este problema es la alimentación eléctrica mediante impulsos de tensión. Utilizando este tipo de alimentación se consigue al menos, un campo de carga alto, lo que permite que aumente la carga de cada partícula, pero manteniendo un valor de la corriente media que atraviesa la capa de polvo baja. Como se comentó anteriormente, también se puede inyectar en la corriente de humos, antes del precipitador, algún agente acondicionador que mejore la resistividad de la capa de polvo. Se puede utilizar para este fin trióxido de azufre e incluso agua, lo que se vino haciendo durante décadas. 6. DESCARGAS ELÉCTRICAS Incluso cuando el precipitador electrostático funciona con un polvo óptimo, cuando se 25 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO aumenta la corriente se alcanza un punto para el cual salta un arco entre los electrodos. Una de las causas por las que se produce esto es porque pueden aparecer aumentos incontrolados de la intensidad de campo eléctrico en la proximidad del electrodo colector de manera que se generan iones positivos y se produce una corriente de sentido contrario a la de los iones negativos procedentes del electrodo emisor. Otra causa puede ser que los iones negativos se concentran y aumentan el campo de una forma incontrolada que eventualmente permite la formación de una descarga que equivale a un cortocircuito. Si la alimentación de corriente tiene suficiente capacidad se producirá un arco, pero si tal alimentación tiene una limitación de corriente, el arco se extingue. De todos modos cada descarga provocará un impulso en el electrofiltro. El número de impulsos por unidad de tiempo de puede utilizar como señal primaria de control. 7. DISTRIBUCIÓN DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE De los epígrafes anteriores, se desprende que la carga final de las partículas y la velocidad de migración, según las fuerzas eléctricas, dependen de la intensidad del campo eléctrico cuyo valor máximo depende de la rigidez dieléctrica. ¿Cual es entonces el efecto de la corriente? Se ha visto que la carga de las partículas se produce en una fracción de segundo, del orden de 0.01 s, pero sin duda, este tiempo de carga depende de la densidad iónica (ecuación 12), la cual depende de la corriente. Por lo tanto a más corriente, la carga será más rápida. También se ha tratado como el fenómeno de la reentrada, sin efecto back-corona, a baja resistividad, es debido a la rápida descarga de las partículas cuando alcanzan el electrodo colector. Por tanto la densidad de corriente juega un papel muy importante en el buen funcionamiento del precipitador electrostático. Desafortunadamente la distribución de corriente en un precipitador electrostático está lejos de ser uniforme, se pueden encontrar zonas en las que prácticamente no existe corriente y otras en la que ésta es mucho mayor que la media del precipitador. Debido a esta circunstancia, es de esperar la existencia de reentradas incluso cuando se trate de separar polvo de propiedades ideales. Para corrientes altas la distribución será mejor y la reentrada será mínima. Como ilustración de las diferencias de densidad de corriente comparemos dos tipos de electrodos de descarga, uno constituido por una alambre lisa y otro formado por una pletina con púas (ver la figura 14). Naturalmente la densidad de corriente será mayor en aquellas zonas del electrodo colector enfrentadas con el electrodo emisor. En ambos casos la densidad media de corriente es la misma, IM. Esta corriente sera la que se pueda determinar midiendo la intensidad del precipitador. El electrodo de alambre tendrá su efecto corona distribuido tanto radial como longitudinalmente. Además su curva de distribución de corriente es más plana que la correspondiente al electrodo con picos pronunciados. La geometría suave del electrodo de alambre provee millones de puntos en los que aparece el efecto corona, mientras en el otro electrodo se reduce a algunos cientos, tantos como picos. Ya se ha visto que la densidad de corriente no debe ser demasiado baja, supóngase que la densidad de corriente no debe de ser inferior a IL, para el tipo de polvo considerado. La densidad de corriente tampoco puede ser demasiado alta, consideremos un valor IH, para evitar la aparición del efecto back-corona. La curva de distribución de densidad de corriente para el electrodo de alambre se encuentra entre los límites IH e IL. La curva de distribución del otro electrodo tiene áreas en las cuales la densidad de corriente es inferior a IL y otras en las que dicha densidad es superior a IH. 26 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En todas estas áreas del precipitador electrostático el funcionamiento estará deteriorado. El tipo de electrodos de descarga es importante, especialmente para polvo de alta resistividad. La densidad de corriente se puede medir por cada cm de electrodo colector en condiciones de laboratorio, por lo que pueden ser probadas muchas combinaciones de electrodos emisores y electrodos colectores. Hay más razones para que se produzca una desigual distribución de corriente. Una es la acumulación excesiva de polvo, por lo cual es necesario un sistema de golpeo de los electrodos que elimine periódicamente las acumulaciones. Otra razón es la fuerte reducción de la densidad de corriente en la parte inicial del precipitador electrostático, debido a la alta concentración de polvo, por razones que veremos en el próximo párrafo. La densidad de corriente puede ser varias veces mayor en la zona final que en la zona de entrada. Para minimizar este efecto, se divide el precipitador en varias secciones, teniendo cada una so propio sistema de alimentación eléctrica Figura 14: Distribución de corriente y de control de la tensión. La coriente está constituida principalmente por el transporte de iones negativos que se mueven a alta velocidad y por partículas cargadas que se mueven a velocidad mucho más baja. El límite de descarga (formación de arcos) depende más de la carga espacial entre los electrodos que de la corriente. Es muy importante tanto la carga espacial como su distribución. Cuando se produce un aumento de la corriente transportada como partículas cargadas, a baja velocidad, la carga espacial aumenta a corriente constante. Por tanto cuanto mayor es la cantidad de polvo menor es el valor de la corriente máxima. Por regla general la primera sección tendrá la corriente máxima más baja y la última sección tendrá la corriente máxima más alta. Un ejemplo que muestra la relación entre corriente y el voltaje para las cuatro secciones del precipitador consideradas anteriormente en la figura 11, se muestra en la figura 15. Otro efecto relacionado con la densidad de corriente es la distribución del efecto corona 27 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO a lo largo del electrodo emisor. Fijémonos en la figura 16 donde se ve una determinada longitud del electrodo emisor. Mientras la tensión aumenta desde valores bajos llega un momento en que aparece el efecto corona en un único punto como de muestra en el electrodo A. La precipitación de polvo será efectiva en este punto pero no existirá en el resto del precipitador electrostático. Si se sigue aumentando el voltaje, el efecto corona aparecerá también en otros puntos tal como se puede ver en el electrodo B y si se sigue aumentando el efecto corona cubrirá la totalidad del electrodo tal como se muestra en el C. Llegado a este punto el funcionamiento del precipitador electrostático será bueno. Esto ocurre cuando la densidad de corriente alcanza valores comprendidos entre 1.5 y 2.0·10-4 A/m2. El sistema de alimentación del precipitador se diseña Figura 15: Voltaje que se puede alcanzar en el precipitador en función de la corriente para las distintas secciones para valores entre 2.0 y 3.0·10-4 A/m2. Los modernos sistemas de molido de carbón y las técnicas de combustión producen cenizas de partículas muy finas con resistividades muy altas. Recordemos que la alta resistividad nos obliga a utilizar densidades de corriente bajas para mantener una intensidad de campo eléctrico baja en la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector. Actualmente la corriente debe de ser tan baja como 0.1 a 0.5·10-4 A/m2. Para estos niveles de corriente el efecto corona tiene una categoría como la representada el electrodo B de la figura 16. En tales condiciones la defectuosa distribución de corriente empeorará drásticamente el funcionamiento del precipitador. Este problema se resuelve controlando los tiristores utilizados en el sistema de rectificación de la corriente: No se suministra tensión (enciende el tiristor) en cada semionda correspondiente a la frecuencia de la tensión de alimentación. Se puede encender el tiristor, en un momento que suministre una tensión alta, por ejemplo una vez cada nueve semiondas. En tal 28 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO caso la corriente media será 1/9 de la corriente que correspondería a cada semionda. Cuando se suministra tensión la corriente produce un efecto como el del electrodo C en la figura 16. Se puede pensar que durante el tiempo en el que no se suministra tensión, se deja de colectar polvo. En realidad no ocurre así. Fijémonos en la figura 17. La capa de polvo depositada sobre el electrodo colector tiene una capacidad equivalente y también tiene una resistencia con lo que se puede calcular la constante de tiempo. Para las condiciones de polvo de alta resistividad, la constante de tiempo es mayor de 1 s. Por lo tanto el polvo no reacciona a variaciones de la Figura 16: La distribución de corriente como una función de la corriente total tensión de alimentación que tienen una duración muy inferior a 1 s. Se puede considerar que el electrodo emisor reacciona ante las variaciones de tensión de pequeña duración, pero el electrodo colector no reacciona ante estas variaciones, reacciona a su valor medio. Con objeto de mantener una buena distribución de corriente, los electrodos deben de ser mantenidos razonablemente limpios. Para desprender la capa de polvo de los electrodos, se necesitan aceleraciones superiores a 100g. Siendo g =9.81 m/s2. Tales aceleraciones se alcanzan golpeando los electrodos con martillos llamados golpeadores. Los golpeadores causan una enorme fatiga en la infraestructura que soporta los electrodos. Por lo tanto, para evitar fallos prematuros, son necesarios amplios estudios y gran cantidad de ensayos para diseñar dicha estructura. Como ya se ha visto en epígrafes anteriores, parte del polvo acumulado vuelve a reentrar 29 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO en la corriente de humos en lugar de caer a la tolva. Para minimizar esta pérdida es muy importante la secuencia de golpeo y el espaciado. Diferentes condiciones de operación requieren diferentes secuencias y espaciados. El sistema de control del electrofiltro debe de ser capaz de establecer automáticamente la secuencia y la temporización para cada modo de operación. Las variaciones de la carga y condiciones de operación de la planta requieren cambios para que el funcionamiento del precipitador se mantenga en su valor óptimo. La secuencia de golpeo debe cambiar. El suministro de corriente debe de ajustarse más alto o más bajo. Las situaciones anormales deben de ser detectadas por medio de alarmas, etc. Lo relativo a la alimentación eléctrica y al sistema de control se verá en apartados posteriores. 8. PRESIÓN ELECTROSTÁTICA Las cargas eléctricas se atraen o se repelen entre si. Si las cargas que se atraen no se Figura 17: Constante de tiempo de la capa de polvo pueden poner en contacto, será a costa de ejercer una fuerza que compense la de atracción. Esto es aplicable a lo que sucede en la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector. Si existe una determinada carga sobre la superficie, la capa de polvo será presionada contra el electrodo colector. Esta presión aumenta si lo hace la resistividad de las cenizas o la corriente del 30 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO precipitador. Se pueden apreciar en las placas del precipitador electrostático zonas uniformes y brillantes entre montículos de aspecto poco compacto y obscuro. Las zonas uniformes están comprimidas y tienen alta densidad de corriente, los montículos obscuros son zonas de baja densidad de corriente y cuando alcanzan un determinado tamaño, al estar faltos de compresión, se caen contribuyendo al aumento de la reentrada. Como límite superior de la presión electrostática, se puede estimar un valor del orden de 10000 Pa (= 1 m de H2 O). Esto solo es válido para capas de polvo de alta resistividad. Sin duda la presión electrostática juega un papel importante en el funcionamiento del precipitador electrostático. 9. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Cuando aumenta la temperatura, las propiedades del gas se deterioran. Su rigidez Figura 18: Variación del coeficiente Mk en función de la temperatura dieléctrica disminuye, lo que disminuye la tensión máxima de trabajo del precipitador. Como consecuencia se debilita la intensidad del campo eléctrico y la fuerza que actúa sobre las partículas de polvo. La viscosidad del gas y la resistencia que se opone al movimiento de las partículas de polvo también aumentan. Estas dos circunstancias contribuyen a que la velocidad de migración de las partículas disminuya. De una forma muy simple, se puede considerar que la velocidad de migración efectiva, we y también el valor de Mk , descienden linealmente con la temperatura, tal como se representa en la figura 18, para dos tipos distintos de polvo, uno fino y otro grueso. Ciertos tipos de carbones tienen cenizas con puntos de fusión relativamente bajos. La materia mineral contenida en cada partícula de carbón puede fundir y permanecer unida hasta la solidificación, originando una partícula de ceniza de forma más o menos esférica y cuyo tamaño depende del de la partícula de carbón original. En este caso, el resultado promedio de la combustión de un carbón, son unas cenizas volantes de tamaños relativamente grandes, que 31 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO tienen velocidades de migración altas y constantes del polvo altas (curva X de la figura 18). Para otros tipos de carbón el punto de fusión es alto, la materia mineral de las partículas no funde durante la combustión y por tanto, la que hay en cada partícula de carbón, se dispersa al no formarse una fase líquida que la aglomere. Como consecuencia, independientemente del tamaño de las partículas de carbón, las partículas de ceniza son pequeñas. En este segundo caso el resultado promedio es de cenizas de tamaños muy finos con una velocidad de migración pequeña y una constante de polvo también pequeña. Más extremo es el caso de los óxidos alcalinos, que se subliman en el hogar y luego condensan, cuando los humos ya se han enfriado suficientemente, en tamaños comprendidos en el rango de 0,1 a 0,5 µm. El comportamiento de estas partículas finas corresponde a la curva Y de la figura 18. La experiencia muestra que dependiendo del tipo de carbón, el valor de Mk varia en la proporción de 1 a 2. Las cenizas volantes representadas por la curva Y de la figura 18 necesitan un precipitador de doble tamaño que el que necesitan las cenizas representadas por la curva X, si se quiere alcanzar el mismo rendimiento en la precipitación. Como en las últimas décadas se realizaron algunos estudios para determinar el Figura 19: Rigidez dieléctrica de los humos en función de su densidad comportamiento de los electrofiltros a altas temperaturas y presiones, con el fin de ver la posibilidad de aplicarlos a los sistemas de lecho fluido presurizado, se puede dar aquí una referencia de la variación de algunas propiedades con dichas variables. En la figura 19 se puede ver como influye la presión y la temperatura en la tensión de descarga. Aumenta con la presión y disminuye con la temperatura. Para conseguir un buen funcionamiento, se pretende aplicar al electrofiltro una tensión superior a la de aparición del efecto corona y ligeramente inferior a la de descarga. La separación de estas dos tensiones es de importancia vital para el buen funcionamiento del electrofiltro. En 32 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO la figura 20 se puede ver la influencia de la temperatura, a distintas presiones, sobre esta separación. En epígrafes anteriores se ha visto la influencia de la magnitud de la corriente sobre el buen funcionamiento del electrofiltro. Es necesario que la corriente sea superior a un valor mínimo y que la tensión correspondiente sea superior a la aparición del efecto corona e inferior a la de ruptura. La relación corriente-tensión para distintas presiones y temperaturas, se puede ver en la figura 21. Figura 20: Tensión de ruptura e inicio del efecto corona en función de la temperatura de los humos La resistividad de las cenizas que es el factor más importante en cuanto al funcionamiento del precipitador, disminuye con la temperatura, como veremos más adelante. 33 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO A pesar de que no parece que la variación de estos parámetros, vista de una forma global, tenga que afectar desfavorablemente al funcionamiento del electrofiltro a altas presiones y temperaturas, no se ha conseguido el funcionamiento de forma satisfactoria. La explicación puede estar en la variación del módulo de elasticidad de los materiales a alta temperatura, que hace que la limpieza de los electrodos, por golpeo, no sea efectiva. 9.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE LOS HUMOS SOBRE LA Figura 21: Relación entre la intensidad y la tensión para distintas temperaturas RESISTIVIDAD DE LAS CENIZAS Ya se ha visto reiteradamente como la resistividad de las cenizas es un factor muy importante en el funcionamiento de los precipitadores electrostáticos. En la figura 22 se muestra una curva típica de resistividad en función de la temperatura. Como sucede con los aislantes y 34 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO los semiconductores, la resistencia de las cenizas también disminuye con la temperatura, como muestra la curva de trazo fino, en forma de hipérbola de la figura 22. Normalmente, en los humos de combustión hay una cantidad de vapor de agua cuyo punto de rocío es del orden de 40º C. Además hay pequeñas cantidades de SO3, que hacen que aumente el punto de rocío, a no ser que sean neutralizadas por los compuestos alcalinos de los humos. Aun a temperaturas superiores al punto de rocío, el polvo puede absorber humedad debido a absorción física o química. A medida que el polvo absorbe humedad, la curva real de resistividad del polvo en una corriente de humos se aparta de la que daría el polvo aislado, se va reduciendo la resistividad alcanzando valores muy bajos cuando la temperatura alcanza el punto de rocío (curva de trazo grueso de la figura 22). A temperaturas medias del orden de 150º C, la resistividad alcanza el valor máximo. Desgraciadamente la temperatura con la que tienen que trabajar los precipitadores electrostáticos en las grandes instalaciones de combustión, de las centrales térmicas de Figura 22: Resistividad en función de la temperatura generación de energía eléctrica son del orden aunque algo inferiores a 150 ºC Para el propósito de este texto, es suficiente establecer que las dificultades aumentan cuando los precipitadores trabajan con cenizas volantes de resistividades extremadamente altas. 35 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Si se supone que R' (figura 23) es la resistividad por encima de la cual aparecen las dificultades (que es del orden de 1010 Ωm/cm), éstas existirán siempre que nos encontremos dentro del Figura 23: Relación entre Mk y la resistividad intervalo de temperaturas T1 - T2 dentro del cual la resistividad es mayor y se puede considerar que se produce una disminución de la velocidad de migración y de la constante del polvo, la cual, como se puede ver en la figura 23, se desvía desfavorablemente de las rectas que se habían visto anteriormente en la figura 19 . La experiencia establece que un precipitador que trabaje en el punto B necesita un tamaño cuatro veces mayor que uno que trabaje en el punto A. 36 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO 10. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA Y REGULACIÓN AUTOMÁTICA DE LA TENSIÓN La alimentación eléctrica al electrofiltro responde al esquema que se representa en la figura 24, consta de un sistema de tiristores situados en baja tensión (400 V) desde donde se alimenta un conjunto transformador-rectificador, en donde la tensión se eleva hasta 50/60 kV. Desde la salida del transformador rectificador se alimentan los electrodos de descarga. La regulación de tensión actúa sobre los tiristores variando el punto de encendido a distintos puntos de la onda de tensión como se puede ver en la figura 25. Cuanto más cerca del máximo de la onda, se encienda el tiristor, mayor será la tensión resultante y a medida que el encendido del tiristor se retrasa respecto al máximo de la onda, va disminuyendo la tensión resultante. Figura 24: Alimentación eléctrica de un precipitador electrostático La variación de la corriente del electrofiltro con la tensión aplicada, se puede ver en la figura 26. Para un valor determinado aparece el efecto corona (Tensión Umbral de Corona) y a partir de este valor se establece una intensidad de corriente que irá aumentando a medida que lo va haciendo la tensión. Para otro valor de la tensión (Tensión Umbral de Descarga) comienzan a producirse descargas de pequeña energía, que se extinguen rápidamente cuyo numero por 37 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO unidad de tiempo irá aumentando a medida que lo va haciendo la tensión. Finalmente la tensión llega a un valor (Tensión de Ruptura) para el que se establece un arco permanente y el electrofiltro queda en cortocircuito. Como ya se ha visto anteriormente, el electrofiltro trabaja con una tensión ligeramente inferior a la rigidez dieléctrica, siempre y cuando no la limite antes el efecto back-corona. La rigidez dieléctrica varía influenciada por muchos factores como son el caudal de humos, su contenido en polvo, la composición de los humos y del polvo, la humedad y la temperatura, en la aparición del efecto back-corona influye fundamentalmente la resistividad del polvo. El mecanismo de regulación, que debe de conseguir que la tensión sea, en todo momento, muy próxima a estos límites, para conseguir que el rendimiento sea máximo, necesariamente deberá de ser automático, para que sea posible lograr tales objetivos. El mecanismo de regulación debe de mantener la tensión ligeramente por debajo de los límites considerados más arriba, aun cuando éstos, a veces, varíen rápidamente y entre límites Figura 25: Variación de la tensión y de la intensidad en el circuito de alimentación y en el electrofiltro. bastante amplios. Este valor debe de ser determinado por el sistema de control. Después de poner en servicio el sistema de regulación, este hace que la tensión aumente lentamente hasta que se detecte el efecto back-corona o se cebe el arco de cortocircuito. El efecto inmediato es la desconexión eléctrica del electrofiltro para volver a ser conectado casi inmediatamente después. Durante los tres o cuatro ciclos que dura la desconexión, la tensión baja ligeramente, de forma que después de la reconexión, se sitúa en un valor ligeramente inferior al que tenía cuando se produjo la desconexión. Después de transcurrir un periodo de tiempo, que se puede regular a voluntad, entre límites, se hace un nuevo intento de aumentar la tensión hasta que de nuevo se vuelva a alcanzar el límite y se repite el ciclo. Si antes de transcurrir el tiempo para producir un 38 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO nuevo intento, se alcanza el límite, se produce la desconexión del electrofiltro y se inicia un nuevo ciclo. La figura 27 muestra esquemáticamente la regulación de la tensión. Las descargas débiles y aisladas, que no son más que simples efluvios de corriente, no producen reducción significativa de la tensión, e incluso pueden obedecer a transitorios del funcionamiento del hogar o de la caída del polvo de las placas; de todos modos la frecuencia con que se producen es función de la tensión. Cada descarga de estas produce una oscilación (impulso) y por ello el Figura 26: Variación de la corriente del electrofiltro con la tensión aplicada sistema de control esta dotado de un integrador de impulsos, y cuando el número de ellos, entre intentos de elevar la tensión, sobrepasa un límite prefijado, el sistema de control produce el mismo corte de tensión que cuando se alcanza el límite, y se inicia un nuevo ciclo. 11 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA A IMPULSOS Supongamos que el electrofiltro trabaja con polvo de alta resistividad. Entonces se hace necesario reducir sustancialmente la corriente para evitar los problemas que comienzan con el efecto back-corona y terminan con el alcance de la tensión de ruptura. Como consecuencia de la reducción de corriente, su distribución resulta pobre, como se había visto anteriormente y el funcionamiento del precipitador se deteriora. En estas condiciones el rendimiento del electrofiltro es malo. La nueva generación de sistemas de alimentación eléctrica, que apareció en los años 80, puede mejorar la distribución de corriente. Supongamos que la alimentación 39 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO eléctrica la hacemos de una manera diferente y para más claridad supongamos un caso numérico. Se establece una corriente de 2 mA/m2 durante 100 µs y 0 mA/m2 durante 10 ms y se hace esto repetidamente. La corriente media resultante es de 0,02 mA/m2. Con este procedimiento de alimentación no se produce el efecto back-corona. El lecho de polvo, como ya se ha visto en el epígrafe 7, se comporta como un condensador cuya constante de tiempo es superior a un segundo. Para que se produzca el efecto "back-corona" se necesita por tanto, que durante un tiempo mínimo del orden de un segundo, exista la corriente mínima que haga que aparezca el efecto "back-corona". Durante los 100 µs que dura la corriente de 2 mA/m2, la distribución de corriente es buena, como la que corresponde al electrodo C en la figura 16. Asumiendo que polvo es arrastrado por los humos a través del precipitador con una velocidad media del orden de 1,5 m/s, Figura 27: Esquema de la variación de la tensión de un electrofiltro por efecto de la regulación. durante el tiempo de 10 ms que transcurre entre cada dos impulsos de 2 mA/m2, el polvo avanza solamente 1.5 cm, por lo que no se puede escapar sin haber sido cargado. Una buena distribución de corriente y la ausencia de "back-corona" significa que no hay efectos perjudiciales para el funcionamiento. En tal sentido es necesario hacer hincapié en que, cuando se trabaja con impulsos, se soluciona el deterioro en el funcionamiento que producen las cenizas de alta resistividad, pero cuando el polvo es "fácil", la mejoría es muy pequeña. Ya era conocido desde los años 50, el hecho de que el funcionamiento con impulsos sería ventajoso. Pero el equipo electrónico que produce impulsos cortos de alta potencia, a voltajes elevados, mediante componentes de estado sólido, no se ha conseguido de forma aceptable hasta entrados los años 80. 11.1. IMPULSOS LARGOS 40 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En la parte superior de la figura 25 se muestra la tensión y la corriente del transformadorrectificador de un precipitador electrostático con un sistema stándar de alimentación eléctrica. La tensión se controla mediante tiristores situados en el primario del transformador de alta tensión. Los controles modernos usan microprocesadores que determinan el mejor momento para el encendido del tiristor en cada medio ciclo de la curva de voltaje. Entre los sistemas modernos hay varias estrategias que pueden ser programadas en el "software" del microprocesador. Una es encender el tiristor únicamente cada dos, tres o más medios ciclos (relación de carga, RC, igual a 1/2, 1/3, etc), resultando una tensión en el precipitador como la representada en la parte inferior de la figura 28. Se pueden obtener valores de pico de dos, tres o más veces el valor promedio de la corriente. Este sistema de trabajo se llama SPC (Semi Pulse Concept). Para este tipo de control de tensión se han determinado experimentalmente varios extremos que expondremos a continuación. En la figura 28 se han representado los valores característicos de la tensión durante el f u nci on am ien t o de un pre cip ita dor ele ctr ost áti co, "te nsi ón de pu Figura 28: Gráfico de la variación de la tensión del electrofiltro en la alimentación por impulsos. nta o cresta", "tensión media" y "tensión de valle. En la figura 29, se representan las tensiones de cresta, alcanzables y de valle para distintas relaciones de carga. Se llama, Reacción de Corona, el grado en que el efecto corona se mantiene después de que el tiristor corte la tensión aplicada al primario del transformador. En los precipitadores electrostáticos que funcionan sin reacción de corona, el efecto corona desaparece antes de un nuevo encendido del tiristor, y tanto la tensión de cresta como la de valle, aumentan cuando lo hace la corriente del precipitador. En la figura 29 se pueden ver las tensiones máximas de cresta y las de valle para tres relaciones de carga para las cuales hay reacción de corona. Como se puede ver, los valores de cresta aumentan, dentro de la misma relación de carga, cuando lo hace la densidad de corriente, pero alcanzan valores más altos para relaciones de carga más bajas, aun con densidades de corriente muy 41 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO inferiores. La tensión de valle, en lugar de aumentar con la densidad de corriente, disminuye y lo hace muy rápido con la relación de carga 1/1 que es la que tiene una densidad de corriente mayor. Esto indica que la reacción de corona es muy alta con la relación de carga 1/1 y que todavía existe algo con la relación 1/7. Según las curvas de la figura 29, hay una considerable reacción de corona para la relación de carga 1/1 y menor para las otras. Las tres curvas se registran dentro de la misma gama de corrientes de impulso, la corriente media más alta para 1/1 fue siete veces superior a la corriente media para 1/7 y 15 veces superior a la corriente media Figura 29: Valores de la tensión de cresta y valle en función de la densidad de corriente y de la relación de carga para 1/15, por tanto es evidente que las tensiones de cresta más bajas para 1/1, comparadas con las correspondientes a 1/7 y 1/15, para la misma corriente de impulso, indican una fuerte reacción de corona, la cresta máxima disminuye porque el efecto corona ayuda a la aparición de la descarga. El intervalo entre los impulsos inferior a 10 ms es demasiado pequeño para que desaparezca el efecto corona. 10 ms es la duración de una semionda en Europa. La observación visual a través de ventanas instaladas en el techo del precipitador electrostático, indicó claramente una incandescencia masiva por la reacción de corona a una densidad de corriente de 200 µA/m2 y una relación de carga de 1/1. Pero a 50 µA/m2 con la misma relación de carga, la distribución de la corona a lo largo de los electrodos de descarga es 42 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO muy irregular. Las manchas del efecto corona de los electrodos colectores siguen la misma pauta de incandescencia de los electrodos de descarga. Con la misma densidad de corriente de 50 µA/m2 y una relación de carga de 1/15, la distribución del efecto corona es muy uniforme en los electrodos de descarga, debido al nivel momentáneo de corriente muy alto. Así se confirma que una de las principales ventajas del funcionamiento por impulsos es la mejor distribución de la corriente en el precipitador electrostático a bajas densidades de corriente media. 11.2 IMPULSOS CORTOS En el ejemplo del epígrafe 10 se hablaba de 100 µs y de 2 mA/m2 como un ejemplo de duración y de amplitud de impulsos. Esto equivale a 4 A en alta tensión para una unidad de 2000 m2 de sección de precipitación. Por tanto a 50 kV la potencia del impulso es de 200 kW. Estos impulsos pueden ser muy cortos, se generan cerrando y abriendo un circuito res on ant e c o mp ues t o por un a c a p a cid a d ext ern a y un a ind u c ció n Figura 30: Esquema de un tipo de alimentación mediante impulsos. ( o transformador de impulsos). La alimentación de impulsos se puede superponer a la normal. La apertura y el cierre del circuito se hace mediante tiristores. El alto nivel de potencia que se pone en juego significa una fuerte demanda para el equipo. Por lo tanto el precio del sistema de alimentación es alto en comparación con los sistemas convencionales. Pero si el precipitador se puede fabricar más pequeño, el coste total resultará equilibrado. Hay varios sistemas de alimentación en el mercado. En algunos la energía se almacena en el circuito resonante, figura 30, y cuando éste se cierra repentinamente, se produce una oscilación. Se obtiene una serie de impulsos con amplitudes decrecientes, figura 31. Este sistema se llama MPC (Multi Pulse Concept). Los impulsos son muy cortos, de 50 a 100 µs, de tensiones muy altas, de 80 a 100 KV y de corrientes instantáneas también muy altas. Ello requiere un 43 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO equipo de alta tecnología que cuesta aproximadamente cinco veces más que los equipos normales transformador-rectificador. La exposición del epígrafe anterior relativa a los fenómenos de corona en combinación co n im pu l s os, es vá lid a pa ra est os im pu l s os m ás rá pi do s . D es de Figura 31: Variación de las tensiones en los circuitos de alimentación y en el precipitador con la alimentación el mediante impulsos pu nto de vista de comportamiento, este sistema, MPC, es muy parecido al SPC (Semi Pulse Concept), que se describió anteriormente. La precipitación con el SPC es casi tan buena, en muchos casos, pero el precio es inferior, ya que el SPC solo necesita algún Software además de la unidad de control estándar. 12. DETECCIÓN DEL EFECTO BACK CORONA El precipitador se regula actuando sobre la tensión primaria, eligiendo adecuadamente el punto de la onda para el encendido del tiristor. La tensión secundaria se reparte entre el transformador, el sistema de rectificación y el propio precipitador (tensión entre electrodos). Cuando se varía la tensión primaria/secundaria, se varía también la intensidad La característica tensión entre electrodos (kV), intensidad (mA) del precipitador, vista 44 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO en la figura 26, se modifica cuando aparece el efecto back-corona y se puede utilizar con propósitos de diagnóstico y de control. La curva discontinua de la figura 32 representa la variación normal de esta tensión con la corriente y el mejor rendimiento del precipitador se obtiene en el punto más alto posible de la curva. Cuando la resistividad del polvo es alta aparece el efecto "back-corona" para valores pequeños de la corriente, punto A, y a partir de este momento la tensión en el precipitador disminuye. Ya se ha visto como aparecen iones positivos y como aumenta la corriente consumida al mismo tiempo que disminuye la útil de precipitación. Figura 32: Modificación de la curva intensidad-tensión por la aparición del efecto back-corona. El fuerte aumento de corriente, hace que disminuya la tensión en el precipitador. Desde el punto A, a medida que aumenta la corriente, la tensión entre electrodos se modifica debido a que el efecto back-corona es cada vez más importante. EL funcionamiento óptimo se alcanza en el punto B, cerca del máximo de la curva. Los microprocesadores modernos de control pueden detectar el máximo y automáticamente disminuir la corriente manteniéndola próxima al valor del máximo de tensión. 13. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN “SIR” (SWITCHED INTEGRATED RECTIFIER) Está formado por un rectificador trifásico, un ondulador para regular la tensión, un transformador, un rectificador de alta tensión y un ordenador de control (figura 33). 45 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En el agregado SIR se ha sustituido el sistema convencional de tiristores por un rectificador trifásico al que se ha postconectado un ondulador con frecuencia máxima de conmutación de 50 kHz. El resultado es que el transformador de alta tensión funciona con una frecuencia considerablemente mayor que la frecuencia normal de 50 ó 60 Hz, lo que reduce considerablemente su peso y por tanto el espacio necesario para la instalación. El transformador y el rectificador de alta tensión de un agregado SIR de 60 kW pesan un total de 65 kg incluido el aceite de aislamiento, mientras que una unidad convencional de transformador-rectificador pesa unos 1200 kg. Considerado en su conjunto incluyendo el armario de mando, un agregado convencional alcanza los 1400 kg mientras que un agregado SIR solo pesa 180 kg. Para llegar a poder construir este sistema, partiendo de sistemas existentes de baja Figura 33: Esquema del sistema SIR y su circuito eléctrico simplificado potencia (1 kW) de alimentación, fue necesario alcanzar la potencia de 100 kW. Por otro lado como las descargas parciales en los electrofiltros, tienen el mismo efecto que un cortocircuito en el lado de carga, era necesario construir un equipo capaz de soportar hasta 5 cortocircuitos por segundo. Para dominar una frecuencia de conmutación suficientemente alta, sin pérdidas demasiado grandes en los semiconductores de potencia, el ondulador debe estar en condiciones de resonar. A mediados de los años 90 aparecieron nuevos tipos de transistores con los que se 46 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO consiguió este tipo de onduladores. Llegado a este punto se vio que el gran problema era el transformador que ha de dominar al mismo tiempo una potencia, una tensión y una frecuencia Figura 34: tensión rectificada suministrada al electrofiltro por un sistema de alimentación convencional y por un sistema SIR muy elevadas, teniendo que satisfacer exigencias muy estrictas. Los componentes parásitos, como la inductancia de fuga y el acoplamiento capacitivo entre devanados, han de estar Figura 35: Comparación entre las tensiones medias de impulso que se pueden alcanzar en un sistema de alimentación convencional y en un sistema SIR 47 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO adaptados a la carga y a la característica del ondulador. El problema se ha resuelto con un cuidadoso diseño mecánico de la parte magnética. Las ventajas de estos equipos para el sistema de funcionamiento de los precipitadores electrostáticos, es que simplifican la optimización del punto óptimo de trabajo y mejoran el rendimiento del electrofiltro debido fundamentalmente a que suministran una tensión aplanada sin ondulación residual, como se puede ver en la figura 34 y permiten controlar libremente la longitud y periodo de los impulsos, como se puede ver en la figura 36. Volviendo a conceptos vistos anteriormente, para que el procedimiento de filtrado se realice correctamente es importante mantener la tensión media en el electrofiltro en un valor tan Figura 36: Forma de los impulsos en un sistema convencional y en un sistema SIR alto como sea posible, generando así una intensidad alta de corona. En los rectificadores convencionales, esta tensión está limitada por la fuerte ondulación de la alta tensión. Las crestas correspondientes a cada impulso de tensión no deben superar el valor límite de descargas entre los electrodos de emisión y colector. Por tanto la tensión media de impulso estará claramente por debajo del límite de descarga. Un agregado SIR proporciona una tensión alta aplanada. La tensión media y la tensión de cresta de cada impulso son por lo tanto iguales y pueden tener valores próximos al límite de descarga. En este sistema se aplican al electrofiltro impulsos de 1 a 30 Hz de modo que entre dos impulsos puede descargarse la carga de la superficie de la capa de polvo. Con el fin de optimizar la pulsación se han desarrollado programas que controlan el sistema. Los agregados SIR permiten realizar muchas otras mejoras. En los sistemas tradicionales, los tiristores solo pueden ser encendidos una vez por semiperiodo. Si se desea tener un intervalo de impulsos es necesario saltar varios semiperiodos; por tanto, la frecuencia de los impulsos está relacionada con los subarmónicos de la frecuencia de la red. Con los agregados SIR, por el contrario, es posible controlar de forma continua, sin escalones, la duración de los impulsos y los intervalos entre los mismos a partir de unos 50 µs, siendo posible optimizar el desarrollo del proceso. 48 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS 14. ISMAEL PRIETO COMPONENTES PRINCIPALES DEL EQUIPO Los componentes principales de cualquier precipitador electrostático son: - La carcasa - Los electrodos colectores - Los electrodos de descarga - Los soportes de ambos sistemas de electrodos - Los sistemas de golpeo. A continuación se tratará separadamente cada uno de ellos. 14.1. LA CARCASA La carcasa de un precipitador es la envoltura hermética dentro de la cual están alojados todos los elementos internos, electrodos y sistemas de golpeo, y que dispone de unas tolvas para recoger el polvo colectado. En el diseño de la carcasa de un precipitador hay que tener en cuenta una serie de factores: La velocidad de los humos en el interior debe estar entre 1/7 y 1/10 de la velocidad que los humos tenían en los conductos anteriores, lo que se consigue mediante la instalación de un difusor de expansión entre el conducto de humos y el precipitador. Al reducirse la velocidad, las partículas de mayor tamaño, pueden precipitar en el fondo del conducto, formándose aglomeraciones de polvo. Para evitarlo, el fondo del difusor de expansión debe tener una cierta inclinación de modo que el polvo se deslice sobre ella hacia la primera tolva. Además de reducir la velocidad, el difusor debe estar diseñado para asegurar una distribución uniforme del flujo en el precipitador. Para ello se instalan unas rejillas distribuidoras y unos deflectores inmediatamente antes de la entrada del precipitador. Las rejillas son de gran importancia cuando se requieren eficiencias de precipitación elevadas, ya que con un buen diseño de la distribución de humos se pueden alcanzar rendimientos elevados, disminuyendo el tamaño del equipo necesario. Sin embargo, ciertos tipos de polvo tienen tendencia a pegarse en la rejilla, obstruyendo así el paso y modificando la distribución de los humos, por lo tanto la rejilla debe estar provista de un sistema de golpeo, que permita su limpieza. La carcasa tiene que ser capaz de soportar esfuerzos de distinta naturaleza. Por un lado tiene que soportar el peso de los dos sistemas de electrodos, teniendo en cuenta que el de los electrodos colectores puede ser muy elevado. Por otro lado hay que considerar que los precipitadores suelen trabajar con un vacío parcial, lo que expone a las paredes a unas esfuerzos considerables, proporcionales al diferencial de presión. Además debe soportar los diversos fenómenos meteorológicos como nieve, viento y lluvia que pueden aumentar las cargas sobre la carcasa. Las deformaciones que puedan producirse, deben ser como máximo de magnitudes tales que no lleguen a modificar la posición de los electrodos dentro de la carcasa. Normalmente están asentadas en apoyos deslizantes de teflón para facilitar las expansiones y contracciones térmicas Para mantener un vacío parcial, y evitar la entrada de aire atmosférico, la carcasa debe ser estanca. Si entra aire en su interior, supondría una inestabilidad en el funcionamiento del precipitador, y una disminución en la eficiencia del mismo, al aumentar la velocidad de paso de los humos. Además, la entrada de aire podría producir enfriamientos locales en el gas, de modo que si la temperatura descendiese por debajo del punto de rocío, el riesgo de corrosión sería sumamente elevado. La entrada de aire también produciría un aumento de la cantidad de humos que necesitan manipular los ventiladores inducidos El cierre del techo no sólo tiene que mantener la estanqueidad, sino que además debe tener la pendiente adecuada para evitar las acumulaciones 49 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO de agua en su superficie. Otro factor que complica el diseño de las carcasas es la necesidad de numerosas puertas de acceso, con las cerraduras de seguridad adecuadas. El diseño de las tolvas debe ser tal que evite la reentrada de polvo en la corriente de humos y que parte de los humos escape de la zona activa del precipitador, bypasándola por la parte inferior (interior de la tolva). Para ello tienen que tener unas paredes con una inclinación determinada y un conjunto de deflectores. Dentro de las tolvas suele haber un sistema de calefacción regulado por medio de un termostato para evitar la formación de condensaciones que dificulten la extracción de las cenizas. figura 37: Secciones transversales de algunos tipos de precipitadores tubulares El material de construcción de las carcasas suele ser chapas de acero estructural, o aleaciones especiales de aluminio o acero inoxidable, en caso de riesgo de corrosión claro. Además suelen estar recubiertas con un aislamiento térmico, sobre todo cuando la diferencia entre la temperatura de los humos y la atmosférica es muy elevada. 14.2. ELECTRODOS COLECTORES Los electrodos colectores son uno de los componentes principales de un precipitador electrostático. Sus formas pueden ser muy diversas, sin embargo se pueden distinguir dos grupos bien diferenciados, que a su vez dan lugar a dos tipos distintos de precipitadores: -Tubulares. -Placas. 50 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En los precipitadores tubulares, los electrodos colectores, forman siempre un sistema de canales paralelos, agrupados por bloques. Existe una gran variedad de diseños, Las secciones transversales de algunos de ellos se muestran en la figura 37, entre los que destacan los tubos cilíndricos, dispuestos en filas, si la carcasa es de sección rectangular, o formando círculos en torno a uno central si la carcasa es cilíndrica. Otras disposiciones habituales son, los electrodos de sección hexagonal, unidos en forma de panal de abeja y los sistemas de cilindros coaxiales con divisiones radiales. Este último diseño representa la mejor forma de utilización del espacio disponible, con carcasas cilíndricas. Los electrodos colectores de precipitadores tubulares deben cumplir como características más importante: -Los canales de flujo individuales han de tener exactamente las dimensiones especificadas. -El conjunto de electrodos debe permanecer siempre correctamente alineado. Los electrodos colectores en precipitadores de placas están formados por tiras discretas alineadas, para formar una superficie plana. La evolución a través de los años de estos electrodos ha dado lugar también a una gran variedad de formas de los mismos. Los requerimientos principales para un electrodo colector son los siguiente: -Asegurar el cumplimiento de las propiedades eléctricas deseadas, en cuanto a la tensión de descarga y a la distribución del campo eléctrico. -Tener una rigidez adecuada para evitar las vibraciones. El grado de rigidez de los electrodos es muy importante ya que afecta a la vibración de las placas especialmente cuando se golpean. Un golpeo será tanto más eficiente cuanto más uniforme sea la distribución de las aceleraciones transversales máximas a lo largo de toda la superficie del electrodo. Este es un aspecto muy cuidado actualmente ya que las aceleraciones pueden exceder 500·g, siendo g la aceleración de la gravedad. Hace algunos años raramente alcanzaban valores de 100·g. -Bajo peso: Es muy importante que los electrodos colectores no sean muy pesados, para disminuir las cargas que debe soportar la carcasa y los apoyos. -El perfil del electrodo debe ser tal que impida la reentrada del polvo en la corriente de humos cuando se produce la limpieza por golpeo. Evolución histórica: Inicialmente las superficies colectoras eran chapas perfectamente planas, pero fueron abandonadas porque limitaban mucho la velocidad de migración y la hacían muy dependiente de la superficie colectora. La reentrada de polvo en la corriente de gas tras el golpeo, era muy elevada. Tratando de solucionar este problema, se llegó a un nuevo diseño de los electrodos colectores, los electrodos cerrados: Los electrodos estaban formados por dos chapas que dejaban entre ellas un espacio con el fondo abierto, y tenían una especie de bolsillos, de varias formas y tamaños, orientados en todas las direcciones. Cuando estos electrodos eran golpeados, el polvo acumulado resbalaba por la superficie y era recogido en los bolsillos, por donde pasaba hacia el espacio interior y de allí a las tolvas inferiores. Ofrecían las siguientes ventajas: -Se podían alcanzar mayores velocidades de migración, especialmente cuando la velocidad de flujo era alta. -Las perdidas con polvos poco adherentes eran pequeñas. Los inconvenientes eran: 51 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO -Peso elevado. -Baja tensión de arco debido a los bolsillos. -Fabricación laboriosa. -Problemas con partículas de polvo muy adherentes. La presencia de este tipo de partículas hace que se colapsen los bolsillos y sólo una pequeña proporción del polvo separado del electrodo durante el golpeo, pasa a través de los huecos del mismo, con lo que se anulan las ventajas que este tipo de electrodos podían ofrecer. El siguiente paso en la evolución fue perforar agujeros circulares en las chapas que constituían cada electrodo, combinándolos a veces con bolsillos colocados estratégicamente para no afectar a la tensión de arco. A pesar de las ventajas que ofrecían, nunca se llegaron a instalar en equipos reales, debido a que presentaban dos grandes problemas. Por un lado eran demasiado pesados y caros, elevando el coste y peso del conjunto del precipitador, y por otro tenían una Figura 38: Electrodos colectores antiguos escasa eficiencia en la separación de partículas muy finas. A medida que la legislación en materia de contaminación atmosférica se iba haciendo más rigurosa y aumentaba la demanda de eficiencia de los filtros, las superficies colectoras continuaban evolucionando hacia perfiles laminados (o electrodos semicerrados como los mostrados en la figura 39). Las mejoras que se lograban con ellos eran, disminuir el peso, mejorar las propiedades eléctricas y disminuir el riesgo de reentrada. 52 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO En conjunto, el comportamiento de los perfiles más modernos es muy superior al de sus predecesores, en particular se consiguen con ellos mayores velocidades de migración, especialmente con velocidades altas de los humos. También son substancialmente más ligeros Figura 39: Electrodos colectores semicerrados y de fabricación más fácil y barata. En la figura 40 se puede ver uno de los perfiles de uso más frecuente en la actualidad como electrodos colectores. Con ellos se consiguen, en el golpeo, una distribución de aceleraciones transversales casi uniforme a lo largo de toda la superficie, incluso cuando se alcanzan valores superiores a 100·g. Esto significa que incluso cuando el polvo tiene una gran adherencia y pequeño tamaño se puede desprender de la superficie sin problemas. En cuanto a los electrodos de descarga, en los precipitadores tubulares, los electrodos de descarga son unos hilos situados en el centro de los conductos colectores, que están suspendidos por la parte superior y llevan un peso en la parte inferior para darles la tensión necesaria. El alineamiento de cada hilo en el centro del tubo, debe ser muy preciso, por lo que los pesos deben ser suficientes para mantenerlos rectos y tensos. Para evitar que los electrodos oscilen como un péndulo durante el funcionamiento de la unidad, tienen unas estructuras en la parte inferior, que limitan su desplazamiento. En los precipitadores de placas los sistemas de alta tensión están formados en la mayoría de los casos por matrices de alambres verticales situados en filas y equidistantes de los adyacentes. La corriente total que puede pasar a través de un precipitador depende, entre otros factores, del espacio entre electrodos en la dirección del flujo. Cuanto más cerca estén cada uno del siguiente, mayor podrá ser la corriente de trabajo. Sin embargo si le espacio entre ellos es muy pequeño cada uno puede hacer de escudo del otro disminuyendo así la corriente por unidad de longitud que pueden suministrar. Por lo tanto el valor máximo de la corriente sólo se alcanza con un espaciamiento entre electrodos emisores determinado. En la práctica actual, se suele 53 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO mantener la distancia entre ellos aproximadamente entre 1.1 y 1.2 veces la distancia al electrodo colector más próximo. El montaje de los electrodos emisores ha ido evolucionando por dos caminos diferentes. Uno de los sistemas consiste en la sujeción de los alambres paralelos verticales, por medio de Figura 40: Electrodos de descarga soportados en marco un marco tubular, reforzándose también por medio de unos tubos tanto horizontales como verticales, tal como se puede ver en la figura 40. El objetivo de este refuerzo es dar la rigidez suficiente y mantener el conjunto suficientemente plano para conservar las alineaciones. 54 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO La otra técnica alternativa es suspender los alambres de una rejilla en la parte superior de la unidad y colocar en cada uno de ellos un peso en la parte inferior. Por medio de otra rejilla en el fondo, se permiten los desplazamientos verticales, pero no los laterales. Además estas dos rejillas deben estar rígidamente interconectadas por medio de espaciadores tubulares, para evitar que le conjunto de los electrodos y pesos oscilen como un péndulo. En cuanto a los electrodos de descarga con marco soporte existe una gran diversidad, ya que su forma y disposición tienen una gran influencia en los parámetros principales del funcionamiento del equipo como son la tensión crítica inicial, la característica tensión-corriente o la tensión de arco. En la figura 41 se representan las características tensión-corriente típicas correspondientes a distintos tipos de electrodos de descarga. Figura 41: Característica tensión corriente de diversos tipos de electrodos de descarga En su forma más simple, los electrodos son alambres de sección circular, de manera que cuanto menor sea su diámetro, menor será la tensión crítica, más pronunciada será la pendiente de la curva Tensión-corriente y mayor será la tensión de arco. Sin embargo a pesar de estas ventajas eléctricas de un alambre delgado, son neutralizadas por su pobre comportamiento mecánico. Los hilos más delgados pueden romper por los efectos del golpeo y también pueden se fácilmente dañados por la corrosión. Por lo tanto se deben fabricar con un material de gran resistencia mecánica y con una excelente resistencia a la corrosión y a las descargas eléctricas, lo que se traduce en el uso de superaleaciones de acero inoxidable como aleaciones de Kanthal. Para evitar el mal comportamiento mecánico de los electrodos de sección circular, los 55 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO diseñadores fueron sustituyéndolos por hilos con secciones no circulares como asteroidales, cuadradas, etc, consiguiendo con las aristas el mismo efecto que conseguían con hilos de muy pequeño diámetro. Otro tipo especial de electrodos también muy empleado, es el de forma de espiral. Cuando el polvo a separar es demasiado fino, ninguno de los diseños anteriores tiene un comportamiento excelente, y se suele recurrir a los electrodos de picos, con los que se consiguen corrientes muy superiores y menores niveles de tensión crítica inicial. La forma más sencilla que puede adoptar un electrodo de picos es el denominado alambre de espino, cuyo comportamiento no es muy bueno, debido a la aleatoriedad de la orientación de los picos, y a las dificultades encontradas en su montaje. La principal ventaja que presenta este tipo de electrodos es el retardo de la formación de la capa de polvo, sobre todo en aquellos que tienen los picos orientados en la dirección paralela al flujo. De cualquier manera, el mejor de los electrodos, sería de poca utilidad si no se colocasen correctamente en su soporte. La sujeción al soporte tubular debe ser lo suficientemente fuerte, al tiempo que debe asegurar el máximo contacto entre las dos superficies. Otra consideración vital es la tensión de arco, no sólo determinada por el diseño de los electrodos de descarga, sino también por los tubos de la estructura. En la figura 6. se observaba como varían la tensión de arco y la tensión crítica para la aparición del efecto corona, con el diámetro del alambre emisor. En los precipitadores tubulares, los electrodos colectores están normalmente suspendidos por medio de una placa horizontal fijada a la carcasa de la unidad. En la parte inferior del equipo los electrodos se retienen y guían mediante otra chapa horizontal, que permite expansiones o contracciones de origen térmico, tanto de cada chapa en particular como del conjunto de ellas. En los precipitadores verticales de placas, las chapas van sujetas en vigas verticales que permiten las dilataciones y contracciones térmicas. En la mayoría de los horizontales, la sujeción de placas se realiza por medio de unas vigas horizontales. Las chapas están suspendidas por la parte superior, soportadas por medio de unas vigas de suspensión. Los pasadores están colocados de manera tal que mantengan cada una de las tiras que forman las chapas en una posición de equilibrio ligeramente inclinada. Además llevan en la parte inferior unas guías para impedir que se balanceen. En la figura 1 se puede ver una idea de la suspensión de las placas en los precipitadores horizontales. El problema de esta disposición está en que las vigas en carga, tienden a deformarse debido a las distintas dilataciones que experimenta cada una de las tiras que forman una placa. Para adaptarse a estas diferencias, lo que se suele hacer es fijar a las guías inferiores tan sólo la primera y la última tira. Para mantener el espaciamiento adecuado entre electrodos, se separan las vigas de suspensión, mediante bastidores o barras ranuradas, con las ranuras situadas a la distancia deseada para los electrodos. El sistema de sujeción de los electrodos emisores, puede estar formado por una rejilla soporte superior y otra de retención inferior, como se muestra en la figura 42a, cuando se trata de electrodos suspendidos o bien por una estructura transversal en la que apoyan los marcos tal como se esquematiza en la figura 42b. Cualquiera que sea la disposición, se necesitan unos aisladores, para evitar que las barras de suspensión, entren en contacto con la carcasa. Estos aisladores son uno de los puntos que más problemas de funcionamiento dan, ya que es relativamente frecuente que salte un arco a su travé; para evitar esto, los aisladores deben tener un diámetro suficientemente grande y nunca tener aristas, sino bordes redondeados. 56 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO Los aisladores que soportan el sistema de descarga, están sometidos a esfuerzos mecánicos, eléctricos y térmicos. La resistencia eléctrica de un aislador, depende de la resistencia eléctrica del material empleado en su construcción, pero también de la conductividad superficial del mismo, por ello se suelen hacer de un diámetro mucho mayor del necesario, si sólo se Figura 42: Formas de suspensión de los electrodos emisores considerase la resistividad del material de construcción. Además de esto, hay que tener en cuenta que la resistividad se puede ver muy disminuida por la presencia de polvo o de humedad sobre la superficie. En cuanto a los esfuerzos térmicos, estos son debidos a que por el interior, los aisladores tienen que soportar unas temperaturas muy elevadas. Ya que por definición un aislador es un mal conductor del calor, se ven sometidos a unos gradientes de temperatura considerables, con las consiguientes dilataciones y contracciones, que pueden provocar su rotura. En la actualidad se han ido sustituyendo los clásicos aisladores de cerámica, por aisladores de cuarzo con una mayor resistencia mecánica, eléctrica y térmica. Como ya se ha mencionado en los apartados anteriores, para asegurar el buen comportamiento de un equipo de precipitación electrostática, es necesario eliminar periódicamente la capa de polvo que se va acumulando sobre ambos sistemas de electrodos. El método más comúnmente empleado para realizar esta tarea, consiste en golpear un yunque solidario con los electrodos mediante unos martillos golpeadores. 57 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO La limpieza de los electrodos emisores se suele hacer por medio de golpeo con martillos. Las dos formas más frecuentes de llevar a cabo la limpieza, son el golpeo en la parte superior del bastidor y el golpeo en el marco soporte, a distintas alturas como se puede ver en la figura 40. En este caso los motores de accionamiento se sitúan en el techo del precipitador, con el eje vertical, y después se cambia la dirección del giro mediante un acoplamiento cardam. La Figura 43: Diagrama de aceleraciones de la placa colectora cuando se golpea en la parte inferior 58 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO penetración del eje motor a través de la carcasa se realiza mediante aisladores, unidos al eje mediante acoplamientos universales, para evitar roturas por desalineaciones o diferentes dilataciones. El uso de estos aisladores se hace imprescindible al encontrarse los electrodos bajo Figura 44: Diagrama de aceleraciones de la placa colectora cuando se golpea en la parte superior tensión. Por ejemplo: una disposición típica podría ser la de un motor por cada semicampo y con dos sistemas de golpeo, uno situado a 1/3 de la altura total y otro situado a 2/3. En el caso de las placas, el golpeo se realiza con una serie de martillos, uno por placa, 59 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO que golpea o bien en las guías inferiores o bien en las vigas de suspensión, según los casos. Todos los martillos de las placas de un campo están unidos a un eje accionado por un motorreductor situado en el exterior de la carcasa. Los martillos se van situando en el eje de forma que golpeen escalonadamente (según distintas posiciones angulares) y no se golpeen todas las placas del campo simultáneamente. La velocidad de giro del motor se suele ajustar a velocidades en torno a 2 rpm. Tras una vuelta del motor se habrán golpeado todas las placas pero en distintos instantes. La forma de golpear es la siguiente: El giro del eje lleva a un martillo a su posición más alta y luego por gravedad cae, golpeando a través de yunques la superficie colectora, que por el choque hará vibrar el conjunto produciéndose el desprendimiento de la ceniza acumulada. Los mecanismos de limpieza se ubican en el espacio entre cada campo, situándose el primero después del primer campo, ya que de esta forma resultan menos afectados por la erosión. En la Figura 43 se puede ver un diagrama típico de aceleraciones, cuando el golpeo se realiza en la parte inferior de las superficies, y en la figura 44 el diagrama de aceleraciones cuando se golpea en la parte superior. Otro método diferente de separación de la capa de cenizas de los electrodos colectores, es el que utiliza bocinas acústicas de alta frecuencia o de baja frecuencia), sin embargo éste no ha tenido mucho éxito, y su empleo en aplicaciones industriales es muy escaso, o nulo. 15. SEPARACIÓN DE LA PELÍCULA DE POLVO DE LOS ELECTRODOS El proceso de separación del polvo de los electrodos tiene una importancia crucial en el funcionamiento de un precipitador. Si este no se retira eficientemente, el rendimiento de la separación disminuirá. Los depósitos de polvo sobre el electrodo de descarga aumentan el diámetro efectivo de los alambres y debido a la caída de tensión que se produce en ellos, disminuye el voltaje efectivo en su superficie. Esto provocará un aumento de la tensión crítica y una disminución del efecto ionizante, por lo que las partículas quedaran insuficientemente cargadas. Tampoco son aceptables las acumulaciones grandes de polvo sobre los electrodos colectores. Si estas se producen, se provoca una caída de tensión y una disminución del voltaje efectivo y de la intensidad de corriente para un nivel de tensión dado. Por todo lo comentado anteriormente se necesita golpear los electrodos, tanto los colectores como los de descarga, repitiendo el golpeo en intervalos de tiempo suficientemente cortos. Los dos factores que deciden el éxito y la eficiencia del golpeo, son la intensidad de golpeo en términos de aceleración transversal en la superficie del electrodo y los intervalos de golpeo (espacio de tiempo entre dos golpeos consecutivos). La intensidad de golpeo, obviamente, debe ser la adecuada para asegurar la completa separación de la película de polvo de la superficie de los electrodos. Hay que tener en cuenta que las partículas de polvo son muy finas, tienen tendencia a aglomerarse y la carga electrostática tiende a mantenerlas pegadas a la placa . Por otro lado, la intensidad de golpeo, debe ser suficiente, pero nunca excesiva. Un golpeo demasiado intenso rompería la capa de polvo, formándose nubes de partículas, que mayoritariamente reentrarían en la corriente gaseosa, abandonando la unidad, sin ser atrapadas. Un cierto grado de reentrada en el gas es inevitable ya que la corriente gaseosa siempre va a arrastrar parte del polvo en el momento de desprenderse, sin embargo, si se elige bien la intensidad de golpeo se puede minimizar esta cantidad. La elección del intervalo óptimo, depende de la velocidad de formación de la capa. Cuanto más gruesa sea ésta, estará más compactada y la cantidad de polvo que se escape durante 60 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO el golpeo, será menor. Capas muy finas no deberían ser separadas del electrodo, ya que su compactación es muy débil y se escaparía una gran cantidad de partículas al golpear. Si la cantidad de polvo acumulada en los electrodos es demasiado elevada, la caída de tensión en la capa es muy alta, y si la tensión de alimentación se mantiene constante, el gradiente de potencial en el gas disminuye. Al disminuir la diferencia de tensión en el gas, disminuye la corriente y la intensidad de campo, y como consecuencia de ello más partículas saldrán del equipo sin ser atrapadas. El control automático de la tensión puede, al menos hasta cierto punto, contrarrestar los efectos de la caída de tensión en la película acumulada, manteniendo más o menos constante el Figura 45: Relación entre las emisiones y el intervalo de golpeo cuando no hay control automático de tensión gradiente de tensión en el gas, mediante la variación de la tensión de alimentación. Sin control automático, hay que realizar una comparación entre el aumento de emisiones debidas al golpeo, cuando este se realiza prematuramente, y el aumento de emisiones debidas a la caída de tensión en el material acumulado, cuando se tarda en golpear. En la figura 45 se representa la variación típica de las emisiones, con el intervalo de golpeo, cuando no se emplea control automático de la tensión. En ella se observa la existencia de un intervalo óptimo de golpeo. Representando una gráfica similar a la de la figura 46, pero en el caso de emplear control automático de la tensión, se puede apreciar, que la curva de las emisiones debidas al aumento de la caída de tensión con la acumulación de polvo, tiene una pendiente mucho menor. Así mismo una diferencia importante con el caso anterior, es que en el actual no existe un intervalo óptimo de golpeo, es decir, no tiene demasiada importancia cuanto se amplíe el espacio de tiempo entre dos golpeos consecutivos. 61 CENTRALES TÉRMICAS. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ISMAEL PRIETO El polvo desprendido de los electrodos colectores y de los electrodos emisores, cae hacia las tolvas situadas en la parte inferior del precipitador. Las tolvas tienen una forma troncocónica para favorecer el descenso de las cenizas y evitar que la corriente de humos las recoja y arrastre de nuevo al interior de la zona activa del precipitador, otra forma de evitar este arrastre, es mediante un conjunto de chapas deflectoras, Figura 46: Relación entre las emisiones y el intervalo de golpeo cuando existe control automático de tensión situadas en las tolvas. 62
