Jornadas sobre Tecnologías medioambientales aplicadas al sector eléctrico (Algeciras, 2008) Tecnologías de depuración de partículas Prof. Dr. Luis Cañadas Serrano Catedrático de la E.T.S.I. de Sevilla Director de Ingeniería y Operaciones de INERCO, S.A.
Conceptos básicos Las partículas son el 10% de la masa total de contaminantes emitidos a la atmósfera Fuentes antropogénicas: industrias, centrales térmicas, incineración de residuos, vehículos a motor Fuentes naturales: aerosoles marinos, volcanes, desiertos, incendios forestales, polen Son partículas líquidas y sólidas, con tamaño y composición química muy variable Su comportamiento en la atmósfera depende fundamentalmente de su tamaño: Las mayores de 20 micras sedimentan por la gravedad Las menores de 0,1 micra permanecen en la atmósfera como un gas Las comprendidas entre 0,1 y 20 micras siguen las corrientes de aire
Criterios legales La normativa fija límites de emisión y límites de inmisión para partículas Los límites de emisión fijan las concentraciones máximas de emisión continua en el gas portador a la salida de los focos correspondientes Directiva 2001/80/CE sobre Grandes Instalaciones de Combustión Valores Límite de Emisión de partículas para: Combustibles sólidos (> 100 MWt) y líquidos (> 50 MWt) = 50 mg/nm 3 Combustibles gaseosos (> 50 MWt) = 5 mg/nm 3 Los limites de inmisión fijan las concentraciones máximas en el aire a nivel del suelo en base a criterios de calidad del aire Directiva 99/30/CE relativa a valores límite de SO 2, NO 2 -NO x, partículas y plomo en el aire ambiente Valores Límite de Inmisión anuales, diarios y horarios con número máximo de superaciones por año
Sistemas de captación de partículas Existen 4 grandes grupos de sistemas de captación de partículas: Separadores mecánicos: gravitatorios, inerciales y centrífugos (ciclones) Separadores húmedos (torres de lavado; lavadores venturi) Precipitadores electrostáticos (de placas; tubulares; de dos etapas) Filtros de gases (filtros de mangas; filtros de candelas) Los sistemas aplicables al sector eléctrico, debido al caudal de gases a depurar, los rendimientos de depuración requeridos y otros condicionantes tecnológicos, se limitan, básicamente, a: Electrofiltros de placas Filtros de mangas
Electrofiltros: Conceptos generales 1 La electrofiltración es la separación de partículas sólidas o líquidas suspendidas en corrientes gaseosas por la acción de un campo eléctrico El principio de operación consiste en dotar a las partículas de carga eléctrica, para, bajo la acción de un campo eléctrico, depositarlas sobre superficies de captación y, posteriormente, separarlas definitivamente de la corriente gaseosa Los electrofiltros son los únicos equipos de desempolvado en los que las fuerzas encargadas de la separación actúan exclusivamente sobre las partículas y no sobre la totalidad de la masa del gas, produciendo muy bajas pérdidas de carga
Electrofiltros: Conceptos generales 2 La técnica data de 1907, año en que el Dr. F.G. Cottrell desarrolló un pequeño precipitador electrostático para depurar nieblas de ácido sulfúrico En los años 20 aparece su principal aplicación industrial: las calderas de carbón pulverizado Otras aplicaciones tradicionales son: la depuración de gases de fábricas de cemento, altos hornos e industrias metalúrgicas, industrias de la pulpa y el papel y aplicaciones diversas en industrias químicas Los electrofiltros encuentran aplicación cuando se requiere: El tratamiento de grandes caudales de gas (hasta 3.000.000 m 3 /h) La depuración de partículas de pequeño tamaño (10-2 a 100 micras) Alta eficacia de depuración (hasta un 99,8%)
Electrofiltros: Conceptos generales 3 Existen dos grandes categorías de electrofiltros: Precipitadores de una etapa y alto voltaje (30 a 100 kv) Precipitadores de dos etapas y bajo voltaje (10 a 12 kv) Los precipitadores de dos etapas operan con corona positiva y se emplean para depuración de aire respirable Los de una etapa operan con corona negativa y existen dos tipologías: Precipitadores tubulares, minoritarios, en aplicaciones con bajo caudal de gases y, normalmente, con limpieza por vía húmeda Precipitadores de placas, mayoritarios
Electrofiltros: Geometría de precipitadores de placas
Electrofiltros: Proceso de precipitación electrostática
Electrofiltros: Factores limitantes del proceso de precipitación electrostática Un precipitador debe operar con la máxima diferencia de potencial entre electrodos que pueda ser aplicada (máx. intensidad de campo eléctrico; máx. velocidad de carga y carga de las partículas; y, en consecuencia, máx. velocidad de migración) El voltaje del precipitador se encuentra limitado por: La rotura eléctrica del gas entre los electrodos (arco eléctrico) La rotura eléctrica del gas contenido en los intersticios de la capa de polvo captado (arco eléctrico, para baja o media resistividad, o corona inversa, para resistividad superior a 2 10 11 ohm cm) El arco eléctrico es fácil de detectar y corregir. La corona inversa, no y produce una notable pérdida de rendimiento del electrofiltro
Electrofiltros: Esquema de un precipitador de placas
Electrofiltros: Tipos de electrodos de descarga
Electrofiltros: Precipitador de placas
S η G = 1 - exp (- w e ) Q Tecnologías de depuración de partículas Electrofiltros: Cálculo de la superficie de captura Dos vías: Complejos modelos matemáticos Modelos empíricos simplificados (Deutsch-Andersen; Matts-Ohnfeldt;...) Ecuación de Deutsch-Andersen: η G = 1 - exp (-w e S/Q) con: η G, rendimiento global S, superficie de captura Q, caudal de gas w e, velocidad de migración efectiva del caso concreto Cenizas volantes de carbón pulverizado w e depende de las características del gas y las partículas a depurar Existen datos empíricos de w e para las aplicaciones habituales
Electrofiltros: Estado actual de la técnica Electrofiltros de placas con bastidores de electrodos rígidos Electrodos de media energía (tipo tubo con puntas) Gran ancho de calle (típicamente 400 mm) Control de la energización por microprocesador en el voltaje límite del arco eléctrico (típicamente unas 60 descargas/min) Energización intermitente para reducción de consumo eléctrico y de corona inversa Alta seccionalización del electrofiltro
Filtros de mangas: Conceptos generales 1 La filtración es, probablemente, el más antiguo, simple y eficaz procedimiento de separación de polvo de una corriente de gas La operación consiste en forzar el paso de la corriente de gas a través de un medio filtrante (tejido), que produce un cierto efecto filtrante, aunque su principal misión es soportar la capa de polvo (torta) que se acumula sobre él y que es la responsable real del proceso de filtración Su denominación proviene de que las superficies filtrantes tienen forma de bolsa o de manga Se emplean en múltiples aplicaciones en las que se requiere: El tratamiento de gases con temperatura baja o media (menor a 260 ºC) La depuración de partículas de pequeño tamaño (10-2 a 100 micras) Alta eficacia de depuración (típicamente 99,9%)
Filtros de mangas: Conceptos generales 2 Operados correctamente alcanzan una eficacia del 99,9% con pérdidas de carga de unos 150 mm c.a. A medida que el tejido se carga de partículas, la pérdida de carga del gas va aumentando hasta que hay que proceder a la limpieza del filtro y comenzar un nuevo ciclo de filtración Existen tres grandes familias de filtros de mangas en función del mecanismo de limpieza empleado: Filtros con limpieza por sacudidas mecánicas Filtros con limpieza por flujo o chorro inverso Filtros con limpieza por pulsos de aire comprimido En la actualidad, los filtros con limpieza por pulsos son el referente tecnológico
Filtros de mangas: Sistema de limpieza por pulsos PULSO DE AIRE BURBUJA
Filtros de mangas: Filtro con limpieza por pulsos
Filtros de mangas: Características de los tejidos Máxima temperatura (ºC) Sostenida Puntual Resistencia a ácidos Resistencia a álcalis Resistencia a flexión Algodón 80 - M R B Polipropileno 95 120 MB MB B a MB Nylon 115 - R B MB Poliester 135 - B R MB Nomex 205 230 R B MB Teflón 260 290 MB MB B Fibra de vidrio 290 315 MB R M a R M = mala; R = regular; B = buena; MB = muy buena
Filtros de mangas: Rendimiento de depuración El proceso de captación de partículas es muy complejo de modelar, aunque esto no es relevante porque un filtro correctamente diseñado y mantenido alcanza rendimientos de depuración del 99,9% Cuando en la práctica no se alcanza esa eficacia se debe a: Rotura de mangas Cortocircuito por fugas Excesiva limpieza Excesivo flujo de gas El dimensionado del filtro se realiza usando una velocidad de filtración adecuada (parámetro empírico en función del tipo de filtro y del proceso) V f = Q / A con: V f, velocidad de filtración Q, caudal de gas a depurar A, área de filtración del equipo
Filtros de mangas: Velocidad de filtración para filtros limpiados por pulsos Polvo Velocidad de filtración (m/min) Carbono, Grafito, Polvos metalúrgicos, Jabón, Detergentes, Oxido de Zinc 1,5-1,8 Crudo de cemento, Arcilla, Plásticos, Pigmentos, Almidón, Azúcar, Serrín, Zinc (metálico) 2,1-2,5 Oxido de aluminio, Cemento, Arcilla vitrificada, Cal, Caliza, Yeso, Mica, Cuarzo, Haba de Soja, Talco 2,8-3,3 Cacao, Chocolate, Harina, Granos, Polvo de Pieles, Arena, Tabaco 3,6-4,2 NOTA: Las velocidades indicadas se deben reducir en 0,3 m/min si la carga de polvo es muy alta o si las partículas son muy pequeñas
Filtros de mangas: Estado actual de la técnica Filtros con limpieza por pulsos de aire comprimido Diferentes estrategias de limpieza (HPLV, MPMV, LPHV) Tejidos con resistencia a temperatura elevada (hasta 250 280 ºC) Mangas de fieltro punzonado de alta porosidad Posibilidad de empleo de mangas con película exterior con microporo (filtración superficial)
Comparativa Electrofiltro vs. Filtro de mangas 1 Electrofiltro Ventajas: operación más económica menor consumo de energía muy baja resistencia al paso del gas resiste altas temperaturas Desventajas: alta inversión para bajos caudales muy sensible a las condiciones del proceso una vez construido, tiene dificultades para ser modificado y lograr mayor rendimiento de depuración Filtro de mangas Ventajas: simple fiable alcanza altas eficiencias de captación con facilidad Desventajas: es muy sensible a la temperatura gran resistencia al paso del gas consume más energía para operar que un electrofiltro requiere del cambio periódico de mangas
Comparativa Electrofiltro vs. Filtro de mangas 2 Conversión de electrofiltros a filtros de mangas En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de tejidos filtrantes permite construir filtros de mangas con mayor resistencia al desgaste, a la temperatura y con menor resistencia al paso del gas Los nuevos límites de emisión sumados a la baja flexibilidad que presenta el electrofiltro hace que muchas plantas con electrofiltros consideren el cambio de esta tecnología por la del filtro de mangas La conversión de un electrofiltro a filtro de mangas es menos costosa y de plazo de ejecución menor que la ampliación o renovación del electrofiltro y que la instalación completa de un filtro de mangas