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 TEMA 1 ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS (parte III)

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TEMA 1

ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS (parte III)

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4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS (ELECTROFILTROS)

4.1. Introducción

Fundamento:

TEMA 1. ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS

Fuerzas eléctricas actuando sobre partículas con carga

Airecontaminado

Aire limpio

Partículas

Tolvas

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4.1. Introducción

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Aplicaciones:APLICACIONES TRADICIONALES DE LOS ELECTROFILTROS

Industria Caudal de gas (m3 /min) Rendimiento (%)

Centrales térmicas de carbón 10.000-45.000 98 - 99,6

Fábricas de cemento 1.500-28.000 95 - 99,9

Siderurgia 500-6.000 95 - 99,9

Metalurgia no férrea 200-28.00090 - 98

Pulpa y papel 1.500-4.000 90 - 95

Refinerías (FCC) 1.500-4.000 98 - 99,9

Nieblas ácidas 70-600 95 - 99

Industria química 100-600 90 - 99

Ventajas

Desventajas

General: grandes Q, bajo Dp y altas eficacias

 

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4.2. ETAPAS en la separación electrostática

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Generación de carga (descarga corona)Ionización del gas

Carga de las PS

Migración de PSCaptación de PS

Limpieza de placas colectoras

 

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4.2. ETAPAS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

a) Descarga o efecto corona

Diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos:

- Descarga o Corona- Captura

Consecuencia: Movimiento e-, ionización moléculas de gas

Descarga excesiva o gas no facilmente ionizable: chispazos

 

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4.2. ETAPAS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

b) Carga de las partículas

Carga por colisión :

- Choque PS con gas- a través de lineas del campo- saturación de carga en 10-2 s

Dos mecanismos:

- Colisión (DP>2µm)

- Difusión (DP<2µm)

Eεdπ2ε+

ε3q = 0p

2

⋅⋅⋅

Carga por difusión: 

Colisiones por movimiento Browniano de PS pequeñas y gas

(Ecuación de carga: Bibliografía)

[1.15]

 

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4.2. ETAPAS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

c) Migración y captación de los sólidos

Concepto de Velocidad de migración ww

 

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4.2. ETAPAS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

c) Migración y captación de los sólidos

Obtención de la velocidad de migración teórica w:

Eq=F ⋅ C

1 wρ

2

1 d

4

π c=F 2

p

2

D ⋅⋅⋅

)dπρc

EqC8(=w

1/2

p

2

D

Re

24 =cD

Eεdπ2+ε

 =q C0p

2

⋅⋅⋅

µ

Eεd 

2+ε

εC =w

20p

Fuerza electrica Rozamiento

Laminar

[1.16]

 

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4.2. ETAPAS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

d) Limpieza de los electrodos de captura

Dos alternativas:

- Depuración húmeda

Más eficaz

Gestión de aguas residuales

- Depuración seca

Ciclos de golpeo de frecuencia estudiada

 

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4.3. FACTORES LIMITANTES: RESISTIVIDAD DE LOS SÓLIDOS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Resistividad: Resistencia a la conducción de la electricidad

Sólidos de alta resistividad: acumulados en las placas sin transferir su carga alas mismas

Valores adecuados: 106 a 109 ohm·cm

150 200

Efecto de la humedad:

 

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4.3. FACTORES LIMITANTES: RESISITIVIDAD DE LOS SÓLIDOS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Efecto de la concentración dedeterminados componentes gaseosos:

 

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4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

a) Cálculo teórico de la eficacia a partir de la velocidad de migración:

• Suponiendo w teórica conocida y constante(E y q ctes en todo el equipo y en el tiempo)

• Movimiento en dirección x, velocidad u uniforme• Concentración uniforme de PS

Hipótesis de partida

Q

u

L

dxC0CL

C

x

dx+dC) = wCPuAC - uA(C

 

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4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

a) Cálculo teórico de la eficacia a partir de la velocidad de migración:Operando e integrando (x=0, C0 hasta x=L, CL) :

uA

wP =

dx

dC

C

1-

uA

wPL-=

C

Cln

0

L

Au=Q ⋅

LP=S ⋅

CC -1=

CC-C =η

0

L

0

L0

)

Q

Sexp(-w-1=ηEcuación de DEUTSCH

• Eficacia global: η η ii

i

G   x= ⋅∑

• Concepto de Superficie Específica de Captura: S/Q (m2/(m3/h))

[1.17]

 

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Limitaciones: Ecuación teórica de w aplicable sólo en un intervalo concreto de condiciones

(esferas > 2 micras, flujo pistón ideal y campo constante)

w depende del tamaño; válida para eficacia fraccional

Régimen turbulento

Reintroducción de PS en los golpeos, caminos preferenciales, zonas muertas, etc.

4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

b) Limitaciones del planteamiento teórico. Aplicabilidad práctica.

Situación real:

1. Modelización teóricacomplejaCálculo de w para cada cortegranulométrico y paraelementos diferenciales

2. Ecuaciones empíricasModelos sencillos con ajustede parámetros empíricosbasados en datos reales

 

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4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Modelos empíricos simples:Ecuación de Deutsch-Andersen:

)Q

S

wexp(--1=η eG

we: Velocidad Efectiva de migración

S/Q: Superficie específica de captura (m2/(m3/h))

Ecuación de Matts-Ohnfeldt

wk y k: parámetros experimentales

)Q

S w(-exp-1=η k 

G

[1.18]

[1.19]

 

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4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Modelos empíricos simples: Ecuación de Deutsch-Andersen:

TABLA .II. VELOCIDAD EFECTIVA DE MIGRACION EN DIVERSAS

APLICACIONES INDUSTRIALES

Aplicación we

(cm/s)

Cenizas volantes de carbón pulverizado 4 - 13,5

Molinos de pulpa y papel 6 - 9,5

Nieblas de ácido sulfúrico 5,5 - 8

Cemento (proceso húmedo) 10 - 11,5

Cemento (proceso seco) 5,5 - 7

Yeso 15,5 - 19,5

Altos hornos 6 - 14

Hornos Siemens-Martin 4,5 - 6

Polvo de catalizador 7 - 8

 

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4.4. CALCULO DE LA EFICACIA

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Modelos empíricos simples: Ecuación de Deutsch-Andersen:

 

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Tipos:

Precipitadores de una o dos etapas

 

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Tipos: Precipitadores tubulares o de placas paralelas:

 

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Componentes:

Visión exterior:

 

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Componentes: Electrodos de descarga:

 

Á

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Componentes: Electrodos de captura: “Flat-Plate” “Plate-Wire”

Espaciados de 300 a 400 mm

entre placas colectoras

 

Á

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Componentes:

Electrodos de captura:

Unión de las placas y generación

de espacios muertos

 

Á

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4.5. DESCRIPCIÓN DE ELECTROFILTROS

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Componentes: Seccionalización:

Pérdida de carga:

- Varios canales paralelos (aumento de S/Q)

-Electrofiltros en serie, optimizando eficacias sucesivas- General: Aumento de eficacia y de costes

Componente ∆∆∆∆P típico (pulgadas H2O)

Mínimo Máximo

Distribuidor 0.01 0.09

Entrada 0.07 0.14

Salida 0.007 0.015

Electrodos corona 0.0006 0.123

Rozamiento con las placas 0.0003 0.008

Total 0.09 0.38

 

P E P E E E Á

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4.5. DISEÑO BÁSICO

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Objetivos: Dimensionado básico (S/Q)

Configuración de electrodos de carga y captura

Necesidades de energía eléctricaCálculo estructural, materiales

Sistema de limpieza: golpeos, gestión del polvo

Sistemas de monitorización

1. Rendimiento

2. Superficie específica (modelos simplificados de Deutsch-Andersen ó Matts-Ohnfeldt)

3. Superficie Total

4. Calculos de las dimensiones de las placas y número de calles

5. Otros: Cálculo estructural, golpeos, gasto energético (Tabla III)

Pasos:

 

4 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

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4.5. DISEÑO BÁSICO

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Tabla 3. RANGO USUAL DE LOS PARAMETROS DE DISEÑO DEELECTROFILTROS DE PLACAS

Parámetro Rango de valores

Velocidad efectiva de migración, we 1,5 - 18 cm/s

Anchura de calles, D 150 - 400 mm

Superficie específica de captura, S/Q 15 - 160 m2 /(m3 /s)

Velocidad del gas, u 1 - 2,5 m/s

Relación de aspecto, R (Longitud/Altura) 0,5 - 2(superior a 1 para > 99%)

Potencia específica de corona, PC /Q 100 - 1000 W/(m 3 /s)

Densidad de corriente, IC /S 5 - 75 nA/cm 2

 

4 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

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Densidad de potencia en función de la resistividad:

Resistividad de la ceniza, ohm.cm Densidad de potencia, W/m2

104 - 107 43

107 - 108 32

109 - 1010 27

1011 22

1012 16

1013 10,8

Superficie de captura por cada sección eléctrica, AS 460 - 7400 m2

Número de secciones eléctricas, NS:

a) En dirección del flujo de gas 2 - 8b) Secciones totales (por cada 1000 m3 /min) 1 - 10

4.5. DISEÑO BÁSICO

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

RANGO USUAL DE LOS PARAMETROS DE DISEÑO DEELECTROFILTROS DE PLACAS

 

4 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

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4.5. DISEÑO BÁSICO

4. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

- Costes (EPA, 2000)

Gran variación en función del tipo de precipitador (húmedo, seco,placas, circular, etc..)

a) Equipo: Coste en $ por m3/sb) Operación y mantenimiento anual: Coste en $/ m3 s