utilizados en centrales...

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


INDICE 2


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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.1. CARGA POR DIFUSIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3.2. CARGA POR EFECTO CAMPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.3. COMBINACIÓN DE AMBOS EFECTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.4. CARGA ESPACIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4. MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS HACIA EL ELECTRODOCOLECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5. DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA DEL PRECIPITADORELECTROSTÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 ELECTRODOCOLECTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE LOS HUMOS

SOBRE LA RESISTIVIDAD DE LAS CENIZAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

10. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA Y REGULACIÓN AUTOMÁTICA


INDICE 3

DE LA TENSIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

11 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA A IMPULSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3911.1. IMPULSOS LARGOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4111.2 IMPULSOS CORTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

12. DETECCIÓN DEL EFECTO BACK CORONA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

13. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN “SIR”(SWITCHED INTEGRATED RECTIFIER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

14. COMPONENTES PRINCIPALES DEL EQUIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4914.1. LA CARCASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4914.2. ELECTRODOS COLECTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

15. SEPARACIÓN DE LA PELÍCULA DE POLVO DE LOS ELECTRODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60


1


1. HISTORIA DE LA PRECIPITACIÓN ELECTROSTÁTICALa 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 losmétodos de separación de polvo más comúnmente empleados en la industria.

En 1828, el matemático alemán Hohlfeld propuso la aplicación de descargas eléctricascomo 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 fenómenoy 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 precipitaciónelectrostática de la materia suspendida en un chorro de gas en movimiento. Según parece, elaparato usado no dio buenos resultados en la práctica, pues no se volvió a tener noticia delmétodo. El defecto más importante del proyecto fue probablemente que dependía de la maquinaelectrostática de Wimshurst, que acababa de ser inventada y que no fue tan eficiente como seesperaba, según demostró la experiencia. Casi al mismo tiempo que Lodge y Walker realizabansus investigaciones, Karl Moeller en Alemania obtuvo una patente sobre la precipitacióneléctrica.

Desde 1886 hasta 1906 hubo un período de inactividad en este terreno, volviendo adespertar el interés gracias a los experimentos del doctor Cottrell, quien en la Universidad deCalifornia estudiaba la extracción de ácido de la neblina, del proceso de fabricación del ácidosulfúrico por contacto. Repitió los mismos experimentos que Lodge y se convenció de laposibilidad 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 plantasde ácido sulfúrico por contacto. Esta demostración tuvo un éxito importante y otras empresascomenzaron a interesarse por él.

2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOEl 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 conteniendopartículas en suspensión se hacen pasar por una cámara que contiene placas de acero (electrodoscolectores) colocadas verticales, en la dirección paralela al flujo de humos, formando entre ellasuna serie de pasillos. En cada pasillo se sitúan un conjunto de alambres verticales (electrodos dedescarga) situados en un plano paralelo y equidistante a las placas. Los electrodos de descargade todos los pasillos están soportados por una estructura única. Esta estructura se apoya enaisladores para que quede aislada eléctricamente del resto de los componentes, los cuales estánconectados a tierra. La estructura aislada que soporta todos los electrodos de descarga estáalimentada 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, estánconectados a tierra, se crea un campo eléctrico intenso entre los electrodos de descarga y lasplacas.


2

Figura 1: Disposición de los elementos principales en un precipitador electrostático


3

Figura 2: Distribución del campo eléctrico en un precipitador electrostático

Tal como se puede ver en la figura 2, el campo eléctrico es mucho más intenso en laproximidad de los electrodos de descarga, tan intenso que en esa zona tiene lugar una descargaeléctrica. En la obscuridad se puede ver una luminosidad tenue azulada, del orden de 1 mm deespesor, alrededor del electrodo. Esto es el efecto corona. El gas se ioniza en esta zona y se

forman gran cantidad de iones positivos y negativos. Los iones positivos son atraídos y atrapadosinmediatamente 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 lasplacas (electrodos colectores, polo positivo). Por lo tanto hay un flujo de iones negativos desdelos electrodos de descarga. En el camino hacia las placas, los iones negativos chocan con laspartículas de polvo y se adhieren a ellas. Estas partículas, por lo tanto, quedan cargadaseléctricamente y comienzan a moverse hacia las placas en la misma dirección que los ionesnegativos. La fuerza eléctrica que actúa sobre cada partícula es mucho mayor que la fuerzagravitatoria 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 seráadecuada para competir con la velocidad de avance de los humos. El polvo se adhiere a lasplacas colectoras y mediante un golpeo periódico se hace que la capa de polvo depositada sobreellas, 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 lossiguientes 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 encondiciones ideales viene dada por las siguientes ecuaciones:


4

E' U

r.lnrc

rd

E' Ud

- Si el electrodo emisor es un alambre y el colector un tubo:

(1)

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:

(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 campoeléctrico. Sin embargo siempre existe alguna molécula ionizada, ya sea por radiaciónelectromagnética o como consecuencia de elevadas temperaturas anteriores. Estas moléculasionizadas (iones gaseosos) y los electrones separados de ellas se mueven hacia los electrodos depolaridad opuesta, donde se descargan. Es decir se genera una corriente eléctrica, pero ésta estan 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 lasproximidades del emisor aumenta hasta el punto que los iones y los electrones son aceleradospudiendo 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 unadeterminada frecuencia, de forma que se generen una gran cantidad de iones y de electroneslibres en la zona próxima al electrodo emisor, se produce una descarga eléctrica, denominadadescarga corona. Una descarga corona es fácilmente apreciable en la oscuridad por un destelloluminoso de color azul de un espesor aproximado de 1 mm.

La aceleración de los electrones es función de la intensidad de campo y como éstadisminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia al electrodo emisor (figura 2) Elproceso de ionización está limitado a una pequeña región del espacio muy próxima al electrodode ionización (emisor).


5

Figura 3: Relación I - V en una avalancha

v'E.u

Ec'K1δ 1%K2

δrd

En la mayoría de los precipitadores industriales, la tensión negativa se aplica al electrodode descarga, mientras que los electrodos colectores suelen estar conectados al polo positivo o atierra. En este caso en la región corona se producen iones de ambas polaridades, sin embargo los

positivos son atraídos por el emisor, y sólo los iones negativos atraviesan esta región hacia elcolector.

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. Suvelocidad instantánea varía mucho, puesto que primero son acelerados y luego decelerados porel impacto contra una molécula o partícula , sin embargo su velocidad media se puede calcularcomo:

(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 temperaturaabsoluta y disminuye al aumentar la presión. Así en las mismas condiciones de presión ytemperatura 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 puedecalcular por medio de la siguiente ecuación propuesta por Whitehead y Brown:

(4)


6

δ'T0

TPP0

Figura 4: Tensión umbral de corona en función de la temperatura para distintos radios delelectrodo de descarga

Uc' Ec dr

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, deltipo de gas y de su estado.δ = Peso relativo del gas:

(5)

T0 = Temperatura de referencia del gas (K).T = Temperatura del gas (K).P0 = Presión de referencia (Pa).P = Presión del gas (Pa).

El valor de Ec depende de la polaridad de la descarga, pero siempre aumenta con lapresión 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 calculaintegrando el campo eléctrico Ec en el espacio comprendido entre los dos electrodos.

(6)


7

Uc'Ec rd ln Rrd

Figura 5: Característica Tensión-Corriente de un precipitador

Uc'31 1% 0.308rd

rd lnrc

rd

Resultando :

(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 alambrey placa si el electrodo colector es una placa.

En la figura 4 se representas la variación de la tensión umbral de descarga corona enfunción de la temperatura del gas y el radio del electrodo emisor.

En el caso de un precipitador de alambre y tubo, basándose en el campo críticodeterminado experimentalmente, publicado por Whitehead y Brown, la tensión umbral para quese produzca la descarga corona se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:

(8)


8

Figura 6: Relación entre la tensión umbral de corona y la tensión de arco con larelación r/R

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 coronatambién aumentará, y también el número de iones que abandonan esta región, es decir queaumentará la corriente entre los electrodos.

El valor de la corriente que se establece, depende de la tensión aplicada según lacaracterística 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 otrolado la tensión de arco depende principalmente del tipo de gas y del diseño y disposición de los

electrodos. En general este voltaje disminuirá con el tiempo y aumentará con la movilidad de losiones. 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


9

Qd'ne'dp KT

2eln 1%

dpπcNe 2 t2KT

c' 3KTm

pueden encontrar con otras moléculas de gas, que los atrapen formándose iones negativos. Loscomponentes gaseosos que absorben electrones se convierten en electronegativos, este es el casodel oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono o dióxido de azufre, y son necesarios para quese 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 laspartículas de polvo que atraviesan el campo eléctrico. Los mecanismos principales por los quelas partículas de polvo adquieren la carga son dos: carga por difusión, y carga por efecto decampo.

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 comoconsecuencia 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:

(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:

(10)

m = Masa de los iones (kg).

De acuerdo con la ecuación anterior, la carga por difusión de una partícula esaproximadamente proporcional a su diámetro y a su temperatura, por otro lado, se puede apreciarcomo la velocidad de carga es muy rápida inicialmente, para ir disminuyendo después con eltiempo.

Si se hace el desarrollo en serie de esta ecuación se llega a la siguiente aproximación, enla que se aprecian cómo al principio del proceso de carga, Qd es directamente proporcional altiempo y a la superficie de la partícula.


10

Qd'dpπcNet

4

Figura 7: Distribución de las líneas de campo en las proximidades de una partículaesférica

(11)

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 esfunción 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 distorsiónen las líneas de campo. Transcurrido un tiempo t, la cantidad de carga de esa partícula será igualal 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 distorsiónen las líneas de campo, de forma que la mayoría de los iones y electrones son atraídos por lapartícula 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.

Kinkelin resumió los resultados obtenidos por varios investigadores, y asumiendo un gascon una constante dieléctrica, kH = 1, presentó la siguiente ecuación para la carga eléctrica deuna partícula esférica debido a este efecto:


11

Qf'3εp

2%εp

Ed 2

p

4

1% 1πNeui t

Qf s'3εp

2%εp

Ed 2

p

4'

3εp

2%εp

Er 2p

Qf s'12πεH r 2p E

εp

2%εp

Qf s'34

Ed 2p

(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:

(13)

En caso de un medio gaseoso con una constante dieléctrica, kH, distinta de la unidad, Equeda dividida por kH = 1/(4πεH) y la expresión (13) para calcular la máxima carga es lasiguiente:

(14)

La carga de saturación es una función lineal de la intensidad de campo y de la superficiede 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 dela siguiente manera:

(15)

En una atmósfera normal, incluso partículas de un material no conductor, pueden serconsideradas conductoras, debido a la conductividad superficial, causada por la absorción dehumedad.

Estas ecuaciones sólo son válidas cuando un único tipo de iones está presente, porejemplo, iones negativos en el caso del efecto corona negativo. Sin embargo bajo ciertascondiciones, el electrodo positivo, puede emitir un segundo grupo de iones, activos en el campo


12

Qf s'34

Ed 2p

1& c1% c

Qf

Qf s

'

tt0

1% tt0

tt0

'πNeuit y t0'1

πNeui

eléctrico, que pueden chocar con las partículas de polvo. En este caso se generan una coronapositiva y una negativa, la positiva se denomina back corona, o corona inversa. La carga desaturación entonces, se puede obtener por medio de la siguiente fórmula:

(16)

Donde c es el coeficiente de corona inversa, y puede variar entre 0 (cuando no hay flujode iones positivos) y 1 (cuando hay el mismo flujo de iones positivos que negativos) Estecoeficiente, puede ser interpretado como una relación entre el número de iones positivos y elnúmero de iones negativos. Para c = 1, la partícula no queda cargada, ya que las cargasnegativas, se compensan con las positivas, y por lo tanto no se puede separar esta partícula dela corriente de gas.

Una de las conclusiones más importantes de las investigaciones teóricas yexperimentales, es que la carga de saturación, bajo la mayoría de las condiciones prácticas, sealcanza en una décima de segundo o incluso menos. Esto es debido al gran número de ioneslibres (N), en un precipitador. Consecuentemente se puede considerar que las partículas de polvoalcanzan la carga de saturación instantáneamente. Este efecto se puede demostrar por medio delcociente ente (12) y (13):

(17)

Donde:

(18)

e es la carga del electrón que es constante (e = 1.602 10-19 C), ui es la movilidad de los iones, queaunque varía ligeramente con la composición del aire, se puede considerar aproximadamenteconstante (ui = 2.2 10-4 (m2/V s)), N es el número de iones en un campo eléctrico, y en unprecipitador convencional N varía entre 1013 y 1014 (iones/m3 ). Usando estos datos se puedeobtener 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 essolamente 2, la carga de la partícula es ya 2/3 de la de saturación.


13

Figura 8: Relación de carga en función del tiempo

QTOTAL'Qf%Qd

Las fórmulas expuestas anteriormente solamente son válidas si las partículas tienen unostamaños determinados. Las partículas más pequeñas no tienen un efecto de importancia en ladistribución del campo por lo que se cargarán fundamentalmente por el efecto del movimientotérmico de los iones. Este tipo de carga que es independiente del campo eléctrico se le llamacarga por difusión. Una expresión matemática de esta forma de carga resulta complicada perose constata que no muestra un límite definido para la carga máxima, aunque la velocidad decarga 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

la partícula. Para partículas de tamaños inferiores a 1 µm la carga se realiza fundamentalmentepor difusión y para partículas de tamaños superiores a 1 µm se realiza fundamentalmente porefecto campo.

2.3.3. COMBINACIÓN DE AMBOS EFECTOS.

El polvo procedente de procesos industriales, contiene generalmente partículas en unrango de tamaños en el que ambos procesos son importantes. Por lo que ambos mecanismosafectan la carga del conjunto de partículas,

(19)


14

ρp'Kqp

m dvdt'qp EEXT%

1Cu

6πµr ( vGAS&vp )

2.3.4. CARGA ESPACIALUn 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 elespacio activo de una unidad de precipitación electrostática. Esta carga espacial ρp, para unaconcentración dada de polvo en el gas, K, se define como:

(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 delprecipitador alcanza su máximo cuando en el espacio libre entre ellos, no hay polvo, o este noestá cargado; a medida que va adquiriendo una carga eléctrica, se va formando una cargaespacial ρp, que contrarresta el campo inducido en un precipitador, en otras palabras, tiende areducir la pendiente de la curva de la figura 3.

Se puede considerar que mientras se mantenga una tensión constante, la carga espacialpermanecerá 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 sobrela partícula actúan dos fuerzas, una de arrastre causada por el gas que la rodea y una deCoulomb, que depende de su carga y de la intensidad de campo local. Así una ecuación vectorialsimplificada del movimiento de las partículas queda de la siguiente manera:

(21)

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).


15

Figura 9: Movimiento de partículas cargadas en un flujo turbulento

qp EEXT'1

Cu

6πµr (vp&vGAS )' 1Cu

6πµrw

w'Cu3ε

2%εE 2 d12πµ

Cuando las fuerzas eléctricas, comienzan a acelerar la partícula, la fuerza de arrastre esnula ya que vGAS = vp, pero a medida que vp aumenta, aumentan también estas fuerzas y laaceleración que las partículas experimentan disminuye. En el momento en que se igualen lasfuerzas eléctricas y las de arrastre, se alcanzará la velocidad límite, o velocidad de migración,w, que para una única partícula esférica será.

(22)

Combinando entonces las fórmulas de carga de una partícula y de movimiento, utilizando

como fórmula de carga más adecuada a la realidad del precipitador la fórmula (13), se puedellegar a la siguiente expresión para la velocidad de migración:

(23)

Según la expresión anterior las partículas de mayor tamaño alcanzan una velocidad demigración mayor, que las partículas menores. Si todas las partículas fuesen esféricas y todas secargaran por el efecto de campo, la velocidad de migración sería proporcional al radio de lapartícula y al cuadrado de la intensidad de campo. Este fenómeno se aprecia bien en losprecipitadores reales, ya que las partículas de mayor tamaño se recogen en los primeros campos,mientras que las más finas se separan en los últimos.


16

Figura 10: : Deducción de la fórmula de los precipitadores electrostáticos

El cálculo de esta velocidad es útil como una referencia pero puede no estar dando laverdadera velocidad de migración de las partículas. En una trayectoria curva, varía estavelocidad con la distancia al electrodo colector, por lo que se calcula un valor medio, que ademássólo 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 decirentonces que el movimiento de las partículas hacia los electrodos colectores es un procesoestadístico, con una componente media debida al campo eléctrico y una fluctuación debida al

flujo turbulento del gas. Éste influye enormemente en el movimiento de las partículas cuandoestán en una zona alejada del electrodo colector y deja de tener importancia en una capa próximaal mismo, capa límite donde el flujo es laminar. En la capa límite la velocidad tiene unacomponente decreciente paralela al electrodo colector debida a la fuerza de fricción. Unapartícula cargada únicamente sigue las líneas de campo en una zona muy próxima al electrodocolector, donde la velocidad del fluido se hace cero. Ver la figura 9.

2.5. DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICOMediante ensayos a escala de laboratorio se ha determinado que la cantidad de polvo

recogida en las placas de un precipitador electrostático disminuye exponencialmente desde laentrada 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 cuyaaltura de placas o electrodos colectores y electrodos de descarga es "h", longitud en el sentidode flujo de humos "L" y separación entre electrodos de descarga y colectores "R". Supóngase un


17

St%∆t'S.h.(R&wdt)dx

h.R.dx'

S(R&wdt)R

dS'St%dt&St'S(R&wdt)

R&S'& Sw

Rdt

.dSS'&

wR

dt

U

I

dSS'&

t

0

wR

dt

lnSU&lnSI'&wR

t

.

SU'SI e&

wR

t

elemento diferencial de volumen de humos que avanza en régimen estacionario desde la entradahasta la salida de una "calle" de un precipitador. Supóngase que las partículas de polvo sedesplazan 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 laconcentración de polvo en dicho elemento diferencial, es St = S. Considérese el mismo elementodiferencial en el instante "t + dt", en el tiempo transcurrido "dt", el polvo se habrá desplazadohacia la placa una distancia "wdt", que equivale a decir que se ha depositado en ella el contenidoen el volumen "h(wdt)dx" y quedará en el elemento diferencial de volumen una cantidad depolvo:

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 elmismo que el inicial, por lo que ahora la concentración de polvo en el elemento diferencial es:

(25)

La variación de la concentración de polvo en el tiempo "dt” será:

(26)

(27)

Integrando esta ecuación desde la entrada al precipitador "I", hasta la salida "U", se tiene:

(28)

(29)

(30)

Si consideramos un precipitador con electrodo colector cilíndrico y electrodo de descargacentral, 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.


18

wR

t ' wR

Lv'

wR

Lv

hh'

wAQ

' wf

η'SI&SU

SI.

η'100 1&e&

wt100R

.

η'100 1&e&

wf100

f' 100w

ln 100100&η

SI = Concentración de polvo en la entrada.L = Longitud de las placas en la dirección del flujo de humos (m).e = Base de los logaritmos naturales.R = Distancia entre los electrodos de descarga y las placas (m).t = Tiempo de permanencia de los humos en la zona activa del precipitador

electrostático (s).v = Velocidad de los humos (m/s).w = Velocidad de migración (m/s).A = Área total de colección (m2).Q = Caudal total de los gases (m3/s).f = 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:

(31)

L, R, y A representan las dimensiones geométricas del electrofiltro, v y Q dependen dela 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 encm/s, se puede calcular de la forma siguiente:

(32)

(33)

(34)

De la expresión (34) se puede calcular la superficie específica del electrofiltro:

(35)


19

Figura 11

P'SU

SI

' e&

wR

Lv

.lnP'&w

RLv

Según la expresión (35) la superficie específica necesaria, para alcanzar un rendimientodeterminado, 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 humoscuyo valor práctico se sitúa entre 4 y 20 cm/s. Como se vio anteriormente, el valor de w no sepuede calcular de una forma precisa. El problema real para dimensionar el electrofiltro, es ladeterminación del valor de w. Como hay varios factores que influyen en el valor de la velocidadde migración y por tanto en el dimensionado del precipitador, trataremos de examinar cada unode ellos más adelante.

2.6. PRECIPITACIÓNConsideremos el precipitador electrostático dividido en secciones tal como se muestra

en la figura 11. La primera sección imaginaria colectará parte del polvo de entrada. Unadeterminada fracción “A” del polvo de entrada no es colectada y penetra en la segunda seccióndonde es precipitado excepto una fracción “B”. Esta última fracción se va a la sección siguientey así sucesivamente, resultando que de al última sección se escapa sin precipitar una fracción

“C”. La penetración en cada sección, definiendo ésta como SU /SI , decrece exponencialmentea lo largo del precipitador. De la formulación deducida anteriormente (30) se obtiene que lapenetración en una sección es:

(36)

(37)


20

Pr'e&F L

v

Pe'P%Pr

2.7. REENTRADAEn 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 enla primera sección es necesario conducirlo a la tolva. Se golpea la placa colectora y el polvocomienza a caer. Esta caída no se realiza sin pérdidas. Al caer una fracción del polvo vuelve aentrar en la corriente de humos y vuelve a ser transportado por ella. Esta cantidad de reentradadebe de ser precipitada en la siguiente sección. El proceso se repite a través de todas lassecciones. La penetración, Pr , después de la última sección, debida a la reentrada, se puederepresentar por una función exponencial:

(38)

Siendo:Pr = Penetración debida a la reentradaF = Número fraccionario independiente de R

Durante el funcionamiento normal la precipitación y la reentrada se producensimultáneamente. Por lo tanto la penetración efectiva será:

(39)

2.8. DIMENSIONADO DEL PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICOLas 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 puedetener 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. Deacuerdo 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 conocidaspor el suministrador del precipitador.

Usando las ecuaciones (36), (38) y (39), se selecciona una longitud aceptable paraobtener la penetración requerida, Pe. El resto de operaciones consiste en ajustar la altura, anchuray 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 aproximaciónsimple.

2.9. EVALUACIÓN DE w Y FComo 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...


21

Pe'SU

SI

we'&RvL

lnPe

Pe'e&M L

v 'e &Mt

Las fórmulas han sido verificadas bajo condiciones controladas en el laboratorio. Sinembargo, hay mucha información necesaria que no puede ser conocida durante la fase deproyecto y montaje de la instalación.

Hasta la actualidad no se conoce ningún método teórico para calcular el factor dereentrada, F.

En un precipitador existente es posible, mediante toma de muestras, medir lasconcentraciones de entrada SI , y salida SU , con lo cual se puede calcular el coeficiente Pe :

(40)

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 :

(41)

Cuando se calcula we , se encuentra que su valor es mucho menor que el teórico, w. Esteresultado es el que se encuentra en la mayoría de las plantas comerciales. La conclusión es quela influencia del factor de reentrada, F, sobre Pe , es mucho más importante que el valor de w. Porlo tanto es conveniente reescribir la ecuación (38) de la forma:

(42)

Donde M es un factor que depende del polvo y engloba la influencia de la velocidad demigración, 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 cuandoM es grande estaremos tratando con un “polvo difícil”.

- El valor de t (dependiente del tamaño del precipitador) necesario para alcanzar el Peespecificado es inversamente proporcional a M.

Evidentemente, M, es un factor específico de cada tipo de polvo y proceso. Se obtienemediante costosos ensayos en plantas ya existentes o mediante ensayos en planta piloto (estasplantas son mucho mayores que las escalas normales de laboratorio, con objeto de no perderprecisión).

2.10. ECUACIÓN MODIFICADALa 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 defracciones de varios grados de dificultad. Nuestro análisis debería de hacerse para cada fracción


22

Pe'e &(Mk t)k

Pe'e & Mk t

.(lnPe)

2'Mk t.

η'100 1&e & Mk t

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 latercera será aun más difícil y así sucesivamente a lo largo de todo el precipitador. Nosencontramos una situación donde M va disminuyendo desde la entrada del precipitador hasta lasalida. El valor de M medido es un valor medio que depende de cuanto polvo difícil somoscapaces a colectar. Por lo tanto M será una función de Pe. Pero modifiquemos la fórmula de laforma siguiente:

(43)

Miles de ensayos en muchos tipos de procesos han mostrado que si se hace k = 0.5, Mkse hace independiente de Pe. A diferencia de M, el valor de Mk es independiente de Pe. Por lotanto Mk es válido para polvo no uniforme. Entonces, se puede escribir:

(44)

(45)

(46)

Las ecuaciones (44) y (45) son casi universalmente aceptadas. Mediante ellas losinvestigadores sobre precipitadores electrostáticos pueden obtener resultados similares. Ademásestas ecuaciones son buenas herramientas a utilizar cuando se analiza el funcionamiento de losprecipitadores electrostáticos.

Los archivos de valores de M son mantenidos como de alta confidencialidad por losrespectivos diseñadores. Ello representa una parte muy importante de su “Know-how”.

3. POLVO DIFÍCILUna 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 elcomportamiento de la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector.

Muchos tipos de polvo presentan una resistividad muy alta. Al tener que atravesar la capade polvo depositada sobre el electrodo colector, la corriente de precipitación, se reducirá debidoa la resistividad, para una determinada tensión aplicada al precipitador. Este límite para lacorriente puede llegar a valores tan bajos que sea insuficiente para que se distribuyauniformemente a lo largo de los electrodos. El resultado de esto es una fuerte caída del valor deM y el consecuente deterioro en el funcionamiento del precipitador. Los sistemas modernos dealimentación eléctrica suministran impulsos de alta tensión. Este sistema reduce el problema dela mala distribución de corriente y mejora el valor de M. Con estos sistemas se puede precipitarpolvo que hace algunos años era considerado como “imposible”. Se volverá sobre este tema más


23

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 menosuniformes, que se caen a la tolva cuando se golpea el electrodo colector. En condicionesnormales la reentrada será moderada. Algunos tipos de polvo carecen de la propiedad deaglomerar y en tales casos la reentrada es excesiva y los valores de M resultantes son pequeñosy erráticos. No se conoce ninguna teoría para predecir este fenómeno. El ajuste lo más finoposible del precipitador, no soluciona en absoluto el problema. La aglomeración del polvo sepuede mejorar mediante aditivos inyectados en la corriente de humos antes del precipitadorelectrostático. El amoniaco y el trióxido de azufre suelen ser bastante efectivos cuando seinyectan en cantidades del orden de 20 ppm

4. ADHESIÓN DE LAS PARTÍCULAS CARGADAS AL ELECTRODOCOLECTORLas 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 quedanadheridas a esa capa, perdiendo posteriormente, más o menos rápido su carga. Mientras tenganuna determinada carga, permanecerán adheridas al electrodo colector debido a la fuerza ejercidapor el campo eléctrico que se establece entre la carga eléctrica de la superficie de la capa depolvo y el electrodo colector (Figura 12). Debido a la existencia de este campo, se genera unacorriente eléctrica a través de la capa de polvo, cuyo valor dependerá de la resistividad de lamisma. Si esta resistividad es muy baja, la corriente será alta y las partículas perderánrápidamente su carga, pudiendo incluso adquirir una carga de signo contrario. Si esto sucede, laspartículas resultarán repelidas y entrarán de nuevo en la corriente gaseosa. Allí adquirirán denuevo carga y este proceso se puede repetir una o varias veces y la mayor parte de ellasterminarán abandonando el precipitador electrostático y saliendo por la chimenea. Por estemotivo, existe un límite inferior de la resistividad eléctrica de las partículas, por debajo de lacual el precipitador no funcionará.

Desde un punto de vista teórico, sólo considerando las fuerzas eléctricas, este límite esdel orden de 109 Ωcm, para un diseño normal del precipitador, pero gracias a la existencia deotras fuerzas que mantienen unidas las partículas de la capa de polvo entre sí, el límite es muchomenor, 106 a 107 Ωcm.

5. EFECTO BACK-CORONAPor 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 lacaída de tensión a través de la capa de polvo acumulada sobre el electrodo colector. Comoconsecuencia, el campo eléctrico soportado por dicha capa también será intenso y podrá alcanzarun valor para el cual se produzca la ruptura dieléctrica de la misma. La descarga consecuentetiene el mismo efecto local, sobre la capa de polvo, que una explosión (figura 13). Estoprovocará la reinyección de las partículas en la corriente de humos. Este fenómeno se conoce conel nombre de "Back-corona" o corona inversa, y establece el límite superior de la resistividaddel 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 laresistividad de las cenizas mediante aditivos inyectados en la corriente de humos antes del


24

Figura 12: El flujo de cargas a través de la resistencias de la capa de polvo, produceuna caída de tensión a través de ella

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 espesorde la capa, se puede decir que a cada densidad de corriente corresponde una intensidad de campoeléctrico. Por tanto, si se eleva la densidad de corriente, hay un límite para el cual la intensidaddel campo eléctrico es tan alta que se produce una perforación de la capa de polvo por unadescarga eléctrica. Esta intensidad de campo eléctrico es del orden de 1 a 3 kV/mm, dependiendodel gas y del polvo.

Considerando una resistividad de 1010 Ω.cm (= 108 Ω.m) y que la intensidad de campomáxima que soporta la capa de polvo es de 1 kV/mm (= 106 V/m), se puede alcanzar unaintensidad máxima de 0.01 A/m2 (= 10 mA/m2 ). Este valor es tan alto que no implica un límitereal para el precipitador electrostático. Pero si la resistividad es de 1012 Ω.cm (= 1010 Ω.m) y el

mismo límite para la rigidez dieléctrica de la capa de polvo, se podrá alcanzar una intensidadmáxima de 0.0001 A/m2 (= 0.1 mA/m2 ). Este límite es inferior a la corriente normal delprecipitador e implicará un problema considerable porque el funcionamiento del precipitador esmucho peor con esta corriente tan baja.

Debe de tenerse en cuenta que cuando se discute el efecto back-corona, no se estahablando de corrientes medias. Las corrientes locales determinan el campo eléctrico local en la


25

Figura 13: El efecto back-corona disminuye la intensidad de precipitación y aumenta el consumo energético

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 dependede la intensidad de campo eléctrico y la fuerza que actúa sobre cada carga también depende dela intensidad de campo eléctrico, el descenso de la densidad de corriente actúa por dos caminosdesfavorablemente sobre la velocidad de migración. Como consecuencia es necesario aumentar

el tamaño del precipitador.

Una forma de reducir este problema es la alimentación eléctrica mediante impulsos detensión. Utilizando este tipo de alimentación se consigue al menos, un campo de carga alto, loque permite que aumente la carga de cada partícula, pero manteniendo un valor de la corrientemedia 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 depolvo. Se puede utilizar para este fin trióxido de azufre e incluso agua, lo que se vino haciendodurante décadas.

6. DESCARGAS ELÉCTRICASIncluso cuando el precipitador electrostático funciona con un polvo óptimo, cuando se


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aumenta la corriente se alcanza un punto para el cual salta un arco entre los electrodos. Una delas causas por las que se produce esto es porque pueden aparecer aumentos incontrolados de laintensidad de campo eléctrico en la proximidad del electrodo colector de manera que se generaniones positivos y se produce una corriente de sentido contrario a la de los iones negativosprocedentes del electrodo emisor.

Otra causa puede ser que los iones negativos se concentran y aumentan el campo de unaforma incontrolada que eventualmente permite la formación de una descarga que equivale a uncortocircuito. 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 modoscada descarga provocará un impulso en el electrofiltro. El número de impulsos por unidad detiempo de puede utilizar como señal primaria de control.

7. DISTRIBUCIÓN DE LA DENSIDAD DE CORRIENTEDe 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 campoeléctrico cuyo valor máximo depende de la rigidez dieléctrica. ¿Cual es entonces el efecto de lacorriente?

Se ha visto que la carga de las partículas se produce en una fracción de segundo, delorden 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 bajaresistividad, es debido a la rápida descarga de las partículas cuando alcanzan el electrodocolector. Por tanto la densidad de corriente juega un papel muy importante en el buenfuncionamiento del precipitador electrostático.

Desafortunadamente la distribución de corriente en un precipitador electrostático estálejos de ser uniforme, se pueden encontrar zonas en las que prácticamente no existe corriente yotras 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 propiedadesideales. Para corrientes altas la distribución será mejor y la reentrada será mínima.

Como ilustración de las diferencias de densidad de corriente comparemos dos tipos deelectrodos de descarga, uno constituido por una alambre lisa y otro formado por una pletina conpúas (ver la figura 14). Naturalmente la densidad de corriente será mayor en aquellas zonas delelectrodo colector enfrentadas con el electrodo emisor. En ambos casos la densidad media decorriente es la misma, IM. Esta corriente sera la que se pueda determinar midiendo la intensidaddel precipitador. El electrodo de alambre tendrá su efecto corona distribuido tanto radial comolongitudinalmente. Además su curva de distribución de corriente es más plana que lacorrespondiente al electrodo con picos pronunciados. La geometría suave del electrodo dealambre provee millones de puntos en los que aparece el efecto corona, mientras en el otroelectrodo se reduce a algunos cientos, tantos como picos.

Ya se ha visto que la densidad de corriente no debe ser demasiado baja, supóngase quela densidad de corriente no debe de ser inferior a IL, para el tipo de polvo considerado. Ladensidad de corriente tampoco puede ser demasiado alta, consideremos un valor IH, para evitarla aparición del efecto back-corona.

La curva de distribución de densidad de corriente para el electrodo de alambre seencuentra entre los límites IH e IL. La curva de distribución del otro electrodo tiene áreas en lascuales la densidad de corriente es inferior a IL y otras en las que dicha densidad es superior a IH.


27

Figura 14: Distribución de corriente

En todas estas áreas del precipitador electrostático el funcionamiento estará deteriorado. El tipode electrodos de descarga es importante, especialmente para polvo de alta resistividad.

La densidad de corriente se puede medir por cada cm de electrodo colector encondiciones de laboratorio, por lo que pueden ser probadas muchas combinaciones de electrodosemisores y electrodos colectores.

Hay más razones para que se produzca una desigual distribución de corriente. Una es laacumulación excesiva de polvo, por lo cual es necesario un sistema de golpeo de los electrodosque elimine periódicamente las acumulaciones. Otra razón es la fuerte reducción de la densidadde corriente en la parte inicial del precipitador electrostático, debido a la alta concentración depolvo, por razones que veremos en el próximo párrafo. La densidad de corriente puede ser variasveces mayor en la zona final que en la zona de entrada. Para minimizar este efecto, se divide elprecipitador en varias secciones, teniendo cada una so propio sistema de alimentación eléctrica

y de control de la tensión.

La coriente está constituida principalmente por el transporte de iones negativos que semueven 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 electrodosque de la corriente. Es muy importante tanto la carga espacial como su distribución. Cuando seproduce un aumento de la corriente transportada como partículas cargadas, a baja velocidad, lacarga espacial aumenta a corriente constante. Por tanto cuanto mayor es la cantidad de polvomenor es el valor de la corriente máxima. Por regla general la primera sección tendrá la corrientemáxima más baja y la última sección tendrá la corriente máxima más alta. Un ejemplo quemuestra la relación entre corriente y el voltaje para las cuatro secciones del precipitadorconsideradas 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


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Figura 15: Voltaje que se puede alcanzar en el precipitador en función de lacorriente para las distintas secciones

a lo largo del electrodo emisor. Fijémonos en la figura 16 donde se ve una determinada longituddel electrodo emisor. Mientras la tensión aumenta desde valores bajos llega un momento en queaparece el efecto corona en un único punto como de muestra en el electrodo A. La precipitaciónde 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 comose puede ver en el electrodo B y si se sigue aumentando el efecto corona cubrirá la totalidad delelectrodo tal como se muestra en el C. Llegado a este punto el funcionamiento del precipitadorelectrostático será bueno. Esto ocurre cuando la densidad de corriente alcanza valorescomprendidos entre 1.5 y 2.0·10-4 A/m2. El sistema de alimentación del precipitador se diseña

para valores entre 2.0 y 3.0·10-4 A/m2.

Los modernos sistemas de molido de carbón y las técnicas de combustión producencenizas de partículas muy finas con resistividades muy altas. Recordemos que la alta resistividadnos obliga a utilizar densidades de corriente bajas para mantener una intensidad de campoeléctrico baja en la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector. Actualmente lacorriente debe de ser tan baja como 0.1 a 0.5·10-4 A/m2. Para estos niveles de corriente el efectocorona tiene una categoría como la representada el electrodo B de la figura 16. En talescondiciones la defectuosa distribución de corriente empeorará drásticamente el funcionamientodel precipitador.

Este problema se resuelve controlando los tiristores utilizados en el sistema derectificación de la corriente: No se suministra tensión (enciende el tiristor) en cada semiondacorrespondiente a la frecuencia de la tensión de alimentación. Se puede encender el tiristor, enun momento que suministre una tensión alta, por ejemplo una vez cada nueve semiondas. En tal


29

Figura 16: La distribución de corriente como una función de la corriente total

caso la corriente media será 1/9 de la corriente que correspondería a cada semionda. Cuando sesuministra tensión la corriente produce un efecto como el del electrodo C en la figura 16. Sepuede 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 elelectrodo colector tiene una capacidad equivalente y también tiene una resistencia con lo que sepuede calcular la constante de tiempo. Para las condiciones de polvo de alta resistividad, laconstante de tiempo es mayor de 1 s. Por lo tanto el polvo no reacciona a variaciones de la

tensión de alimentación que tienen una duración muy inferior a 1 s. Se puede considerar que elelectrodo emisor reacciona ante las variaciones de tensión de pequeña duración, pero el electrodocolector no reacciona ante estas variaciones, reacciona a su valor medio.

Con objeto de mantener una buena distribución de corriente, los electrodos deben de sermantenidos razonablemente limpios. Para desprender la capa de polvo de los electrodos, senecesitan aceleraciones superiores a 100g. Siendo g =9.81 m/s2. Tales aceleraciones se alcanzangolpeando los electrodos con martillos llamados golpeadores. Los golpeadores causan unaenorme fatiga en la infraestructura que soporta los electrodos. Por lo tanto, para evitar fallosprematuros, son necesarios amplios estudios y gran cantidad de ensayos para diseñar dichaestructura.

Como ya se ha visto en epígrafes anteriores, parte del polvo acumulado vuelve a reentrar


30

Figura 17: Constante de tiempo de la capa de polvo

en la corriente de humos en lugar de caer a la tolva. Para minimizar esta pérdida es muyimportante la secuencia de golpeo y el espaciado. Diferentes condiciones de operación requierendiferentes secuencias y espaciados. El sistema de control del electrofiltro debe de ser capaz deestablecer automáticamente la secuencia y la temporización para cada modo de operación.

Las variaciones de la carga y condiciones de operación de la planta requieren cambiospara que el funcionamiento del precipitador se mantenga en su valor óptimo. La secuencia degolpeo debe cambiar. El suministro de corriente debe de ajustarse más alto o más bajo. Lassituaciones anormales deben de ser detectadas por medio de alarmas, etc. Lo relativo a laalimentación eléctrica y al sistema de control se verá en apartados posteriores.

8. PRESIÓN ELECTROSTÁTICALas cargas eléctricas se atraen o se repelen entre si. Si las cargas que se atraen no se

pueden poner en contacto, será a costa de ejercer una fuerza que compense la de atracción. Estoes aplicable a lo que sucede en la capa de polvo depositada sobre el electrodo colector. Si existeuna determinada carga sobre la superficie, la capa de polvo será presionada contra el electrodocolector. Esta presión aumenta si lo hace la resistividad de las cenizas o la corriente del


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Figura 18: Variación del coeficiente Mk en función de la temperatura

precipitador. Se pueden apreciar en las placas del precipitador electrostático zonas uniformes ybrillantes entre montículos de aspecto poco compacto y obscuro. Las zonas uniformes estáncomprimidas y tienen alta densidad de corriente, los montículos obscuros son zonas de bajadensidad 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 de10000 Pa (= 1 m de H2 O). Esto solo es válido para capas de polvo de alta resistividad. Sin dudala presión electrostática juega un papel importante en el funcionamiento del precipitadorelectrostático.

9. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURACuando aumenta la temperatura, las propiedades del gas se deterioran. Su rigidez

dieléctrica disminuye, lo que disminuye la tensión máxima de trabajo del precipitador. Comoconsecuencia se debilita la intensidad del campo eléctrico y la fuerza que actúa sobre laspartículas de polvo. La viscosidad del gas y la resistencia que se opone al movimiento de laspartículas de polvo también aumentan. Estas dos circunstancias contribuyen a que la velocidadde migración de las partículas disminuya. De una forma muy simple, se puede considerar quela velocidad de migración efectiva, we y también el valor de Mk , descienden linealmente con latemperatura, tal como se representa en la figura 18, para dos tipos distintos de polvo, uno finoy otro grueso.

Ciertos tipos de carbones tienen cenizas con puntos de fusión relativamente bajos. Lamateria mineral contenida en cada partícula de carbón puede fundir y permanecer unida hastala solidificación, originando una partícula de ceniza de forma más o menos esférica y cuyotamaño depende del de la partícula de carbón original. En este caso, el resultado promedio de lacombustión de un carbón, son unas cenizas volantes de tamaños relativamente grandes, que


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Figura 19: Rigidez dieléctrica de los humos en función de su densidad

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 dispersaal no formarse una fase líquida que la aglomere. Como consecuencia, independientemente deltamaño 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 unavelocidad de migración pequeña y una constante de polvo también pequeña. Más extremo es elcaso de los óxidos alcalinos, que se subliman en el hogar y luego condensan, cuando los humosya se han enfriado suficientemente, en tamaños comprendidos en el rango de 0,1 a 0,5 µm. Elcomportamiento 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 laproporción de 1 a 2. Las cenizas volantes representadas por la curva Y de la figura 18 necesitanun 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

comportamiento de los electrofiltros a altas temperaturas y presiones, con el fin de ver laposibilidad de aplicarlos a los sistemas de lecho fluido presurizado, se puede dar aquí unareferencia 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 dedescarga. Aumenta con la presión y disminuye con la temperatura.

Para conseguir un buen funcionamiento, se pretende aplicar al electrofiltro una tensiónsuperior a la de aparición del efecto corona y ligeramente inferior a la de descarga. La separaciónde estas dos tensiones es de importancia vital para el buen funcionamiento del electrofiltro. En


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Figura 20: Tensión de ruptura e inicio del efecto corona en funciónde la temperatura de los humos

la figura 20 se puede ver la influencia de la temperatura, a distintas presiones, sobre estaseparación.

En epígrafes anteriores se ha visto la influencia de la magnitud de la corriente sobre elbuen funcionamiento del electrofiltro. Es necesario que la corriente sea superior a un valormínimo y que la tensión correspondiente sea superior a la aparición del efecto corona e inferiora la de ruptura. La relación corriente-tensión para distintas presiones y temperaturas, se puedever en la figura 21.

La resistividad de las cenizas que es el factor más importante en cuanto alfuncionamiento del precipitador, disminuye con la temperatura, como veremos más adelante.


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Figura 21: Relación entre la intensidad y la tensión para distintastemperaturas

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 ytemperaturas, no se ha conseguido el funcionamiento de forma satisfactoria. La explicaciónpuede estar en la variación del módulo de elasticidad de los materiales a alta temperatura, quehace que la limpieza de los electrodos, por golpeo, no sea efectiva.

9.1. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE LOS HUMOS SOBRE LA

RESISTIVIDAD DE LAS CENIZAS

Ya se ha visto reiteradamente como la resistividad de las cenizas es un factor muyimportante en el funcionamiento de los precipitadores electrostáticos. En la figura 22 se muestrauna curva típica de resistividad en función de la temperatura. Como sucede con los aislantes y


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Figura 22: Resistividad en función de la temperatura

los semiconductores, la resistencia de las cenizas también disminuye con la temperatura, comomuestra la curva de trazo fino, en forma de hipérbola de la figura 22. Normalmente, en loshumos de combustión hay una cantidad de vapor de agua cuyo punto de rocío es del orden de40º C. Además hay pequeñas cantidades de SO3, que hacen que aumente el punto de rocío, a noser que sean neutralizadas por los compuestos alcalinos de los humos. Aun a temperaturassuperiores al punto de rocío, el polvo puede absorber humedad debido a absorción física oquímica. A medida que el polvo absorbe humedad, la curva real de resistividad del polvo en unacorriente de humos se aparta de la que daría el polvo aislado, se va reduciendo la resistividadalcanzando valores muy bajos cuando la temperatura alcanza el punto de rocío (curva de trazogrueso de la figura 22). A temperaturas medias del orden de 150º C, la resistividad alcanza elvalor máximo.

Desgraciadamente la temperatura con la que tienen que trabajar los precipitadoreselectrostáticos en las grandes instalaciones de combustión, de las centrales térmicas de

generación de energía eléctrica son del orden aunque algo inferiores a 150 ºCPara el propósito de este texto, es suficiente establecer que las dificultades aumentan

cuando los precipitadores trabajan con cenizas volantes de resistividades extremadamente altas.


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Figura 23: Relación entre Mk y la resistividad

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

intervalo de temperaturas T1 - T2 dentro del cual la resistividad es mayor y se puede considerarque 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 vistoanteriormente en la figura 19 . La experiencia establece que un precipitador que trabaje en elpunto B necesita un tamaño cuatro veces mayor que uno que trabaje en el punto A.


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Figura 24: Alimentación eléctrica de un precipitador electrostático

10. ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA Y REGULACIÓN AUTOMÁTICA DE LATENSIÓNLa 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 sealimenta 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. Laregulación de tensión actúa sobre los tiristores variando el punto de encendido a distintos puntosde la onda de tensión como se puede ver en la figura 25. Cuanto más cerca del máximo de laonda, se encienda el tiristor, mayor será la tensión resultante y a medida que el encendido deltiristor se retrasa respecto al máximo de la onda, va disminuyendo la tensión resultante.

La variación de la corriente del electrofiltro con la tensión aplicada, se puede ver en lafigura 26. Para un valor determinado aparece el efecto corona (Tensión Umbral de Corona) y apartir de este valor se establece una intensidad de corriente que irá aumentando a medida que lova haciendo la tensión. Para otro valor de la tensión (Tensión Umbral de Descarga) comienzana producirse descargas de pequeña energía, que se extinguen rápidamente cuyo numero por


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Figura 25: Variación de la tensión y de la intensidad en el circuito de alimentación y en el electrofiltro.

unidad de tiempo irá aumentando a medida que lo va haciendo la tensión. Finalmente la tensiónllega a un valor (Tensión de Ruptura) para el que se establece un arco permanente y elelectrofiltro queda en cortocircuito.

Como ya se ha visto anteriormente, el electrofiltro trabaja con una tensión ligeramenteinferior a la rigidez dieléctrica, siempre y cuando no la limite antes el efecto back-corona. Larigidez dieléctrica varía influenciada por muchos factores como son el caudal de humos, sucontenido en polvo, la composición de los humos y del polvo, la humedad y la temperatura, enla aparición del efecto back-corona influye fundamentalmente la resistividad del polvo. Elmecanismo de regulación, que debe de conseguir que la tensión sea, en todo momento, muypróxima a estos límites, para conseguir que el rendimiento sea máximo, necesariamente deberáde ser automático, para que sea posible lograr tales objetivos.

El mecanismo de regulación debe de mantener la tensión ligeramente por debajo de loslímites considerados más arriba, aun cuando éstos, a veces, varíen rápidamente y entre límites

bastante amplios. Este valor debe de ser determinado por el sistema de control. Después de poneren servicio el sistema de regulación, este hace que la tensión aumente lentamente hasta que sedetecte el efecto back-corona o se cebe el arco de cortocircuito. El efecto inmediato es ladesconexión 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 formaque después de la reconexión, se sitúa en un valor ligeramente inferior al que tenía cuando seprodujo la desconexión. Después de transcurrir un periodo de tiempo, que se puede regular avoluntad, entre límites, se hace un nuevo intento de aumentar la tensión hasta que de nuevo sevuelva a alcanzar el límite y se repite el ciclo. Si antes de transcurrir el tiempo para producir un


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Figura 26: Variación de la corriente del electrofiltro con la tensión aplicada

nuevo intento, se alcanza el límite, se produce la desconexión del electrofiltro y se inicia unnuevo ciclo. La figura 27 muestra esquemáticamente la regulación de la tensión. Las descargasdébiles y aisladas, que no son más que simples efluvios de corriente, no producen reducciónsignificativa de la tensión, e incluso pueden obedecer a transitorios del funcionamiento del hogaro de la caída del polvo de las placas; de todos modos la frecuencia con que se producen esfunción de la tensión. Cada descarga de estas produce una oscilación (impulso) y por ello el

sistema de control esta dotado de un integrador de impulsos, y cuando el número de ellos, entreintentos de elevar la tensión, sobrepasa un límite prefijado, el sistema de control produce elmismo corte de tensión que cuando se alcanza el límite, y se inicia un nuevo ciclo.

11 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA A IMPULSOSSupongamos que el electrofiltro trabaja con polvo de alta resistividad. Entonces se hace

necesario reducir sustancialmente la corriente para evitar los problemas que comienzan con elefecto back-corona y terminan con el alcance de la tensión de ruptura. Como consecuencia dela reducción de corriente, su distribución resulta pobre, como se había visto anteriormente y elfuncionamiento del precipitador se deteriora. En estas condiciones el rendimiento delelectrofiltro es malo. La nueva generación de sistemas de alimentación eléctrica, que aparecióen los años 80, puede mejorar la distribución de corriente. Supongamos que la alimentación


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Figura 27: Esquema de la variación de la tensión de un electrofiltro por efecto de la regulación.

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 estorepetidamente. La corriente media resultante es de 0,02 mA/m2. Con este procedimiento dealimentación no se produce el efecto back-corona. El lecho de polvo, como ya se ha visto en elepígrafe 7, se comporta como un condensador cuya constante de tiempo es superior a unsegundo. Para que se produzca el efecto "back-corona" se necesita por tanto, que durante untiempo mínimo del orden de un segundo, exista la corriente mínima que haga que aparezca elefecto "back-corona".

Durante los 100 µs que dura la corriente de 2 mA/m2, la distribución de corriente esbuena, como la que corresponde al electrodo C en la figura 16. Asumiendo que polvo esarrastrado por los humos a través del precipitador con una velocidad media del orden de 1,5 m/s,

durante el tiempo de 10 ms que transcurre entre cada dos impulsos de 2 mA/m2, el polvo avanzasolamente 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 hayefectos 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 lascenizas 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 seríaventajoso. Pero el equipo electrónico que produce impulsos cortos de alta potencia, a voltajeselevados, mediante componentes de estado sólido, no se ha conseguido de forma aceptable hastaentrados los años 80.

11.1. IMPULSOS LARGOS


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Figura 28: Gráfico de la variación de la tensión del electrofiltro en la alimentación por impulsos.

En la parte superior de la figura 25 se muestra la tensión y la corriente del transformador-rectificador de un precipitador electrostático con un sistema stándar de alimentación eléctrica.La tensión se controla mediante tiristores situados en el primario del transformador de altatensión. Los controles modernos usan microprocesadores que determinan el mejor momento parael encendido del tiristor en cada medio ciclo de la curva de voltaje. Entre los sistemas modernoshay varias estrategias que pueden ser programadas en el "software" del microprocesador. Unaes 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 parteinferior de la figura 28. Se pueden obtener valores de pico de dos, tres o más veces el valorpromedio de la corriente. Este sistema de trabajo se llama SPC (Semi Pulse Concept).

Para este tipo de control de tensión se han determinado experimentalmente variosextremos que expondremos a continuación.

En la figura 28 se han representado los valores característicos de la tensión durante elf uncio namient od eu nprecipi t adorelec t rostá t ico,"tensió nd ep u

nta o cresta", "tensión media" y "tensión de valle. En la figura 29, se representan las tensionesde cresta, alcanzables y de valle para distintas relaciones de carga. Se llama, Reacción deCorona, el grado en que el efecto corona se mantiene después de que el tiristor corte la tensiónaplicada al primario del transformador. En los precipitadores electrostáticos que funcionan sinreacción de corona, el efecto corona desaparece antes de un nuevo encendido del tiristor, y tantola tensión de cresta como la de valle, aumentan cuando lo hace la corriente del precipitador. Enla figura 29 se pueden ver las tensiones máximas de cresta y las de valle para tres relaciones decarga 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 alcanzanvalores más altos para relaciones de carga más bajas, aun con densidades de corriente muy


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Figura 29: Valores de la tensión de cresta y valle en función de la densidad de corriente y de larelación de carga

inferiores. La tensión de valle, en lugar de aumentar con la densidad de corriente, disminuye ylo hace muy rápido con la relación de carga 1/1 que es la que tiene una densidad de corrientemayor. Esto indica que la reacción de corona es muy alta con la relación de carga 1/1 y quetodavía existe algo con la relación 1/7. Según las curvas de la figura 29, hay una considerablereacción de corona para la relación de carga 1/1 y menor para las otras. Las tres curvas seregistran dentro de la misma gama de corrientes de impulso, la corriente media más alta para 1/1fue siete veces superior a la corriente media para 1/7 y 15 veces superior a la corriente media

para 1/15, por tanto es evidente que las tensiones de cresta más bajas para 1/1, comparadas conlas correspondientes a 1/7 y 1/15, para la misma corriente de impulso, indican una fuertereacción de corona, la cresta máxima disminuye porque el efecto corona ayuda a la aparición dela descarga. El intervalo entre los impulsos inferior a 10 ms es demasiado pequeño para quedesaparezca 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 precipitadorelectrostático, indicó claramente una incandescencia masiva por la reacción de corona a unadensidad de corriente de 200 µA/m2 y una relación de carga de 1/1. Pero a 50 µA/m2 con lamisma relación de carga, la distribución de la corona a lo largo de los electrodos de descarga es


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Figura 30: Esquema de un tipo de alimentación mediante impulsos.

muy irregular. Las manchas del efecto corona de los electrodos colectores siguen la misma pautade incandescencia de los electrodos de descarga. Con la misma densidad de corriente de 50µA/m2 y una relación de carga de 1/15, la distribución del efecto corona es muy uniforme en loselectrodos de descarga, debido al nivel momentáneo de corriente muy alto. Así se confirma queuna de las principales ventajas del funcionamiento por impulsos es la mejor distribución de lacorriente en el precipitador electrostático a bajas densidades de corriente media.

11.2 IMPULSOS CORTOSEn 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 2000m2 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 circuitoreso nantec ompuest oporu nac ap acida dexterna yu naindu cción( otransformador de impulsos). La alimentación de impulsos se puede superponer a la normal. Laapertura y el cierre del circuito se hace mediante tiristores. El alto nivel de potencia que se poneen juego significa una fuerte demanda para el equipo. Por lo tanto el precio del sistema dealimentación es alto en comparación con los sistemas convencionales. Pero si el precipitador sepuede fabricar más pequeño, el coste total resultará equilibrado.

Hay varios sistemas de alimentación en el mercado. En algunos la energía se almacenaen el circuito resonante, figura 30, y cuando éste se cierra repentinamente, se produce unaoscilación. Se obtiene una serie de impulsos con amplitudes decrecientes, figura 31. Este sistemase llama MPC (Multi Pulse Concept). Los impulsos son muy cortos, de 50 a 100 µs, de tensionesmuy altas, de 80 a 100 KV y de corrientes instantáneas también muy altas. Ello requiere un


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Figura 31: Variación de las tensiones en los circuitos de alimentación y en el precipitador con la alimentaciónmediante impulsos

equipo de alta tecnología que cuesta aproximadamente cinco veces más que los equipos normalestransformador-rectificador.

La exposición del epígrafe anterior relativa a los fenómenos de corona en combinaciónc onimpul sos,e sv álidap ar aesto simpul so smá sr áp idos .De sd ee lpunto de vista de comportamiento, este sistema, MPC, es muy parecido al SPC (Semi PulseConcept), que se describió anteriormente. La precipitación con el SPC es casi tan buena, enmuchos casos, pero el precio es inferior, ya que el SPC solo necesita algún Software además dela unidad de control estándar.

12. DETECCIÓN DEL EFECTO BACK CORONAEl 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 eltransformador, 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


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Figura 32: Modificación de la curva intensidad-tensión por la aparición del efecto back-corona.

en la figura 26, se modifica cuando aparece el efecto back-corona y se puede utilizar conpropósitos de diagnóstico y de control. La curva discontinua de la figura 32 representa lavariación normal de esta tensión con la corriente y el mejor rendimiento del precipitador seobtiene en el punto más alto posible de la curva. Cuando la resistividad del polvo es alta apareceel efecto "back-corona" para valores pequeños de la corriente, punto A, y a partir de estemomento la tensión en el precipitador disminuye. Ya se ha visto como aparecen iones positivosy como aumenta la corriente consumida al mismo tiempo que disminuye la útil de precipitación.

El fuerte aumento de corriente, hace que disminuya la tensión en el precipitador. Desde el puntoA, a medida que aumenta la corriente, la tensión entre electrodos se modifica debido a que elefecto back-corona es cada vez más importante. EL funcionamiento óptimo se alcanza en elpunto B, cerca del máximo de la curva. Los microprocesadores modernos de control puedendetectar el máximo y automáticamente disminuir la corriente manteniéndola próxima al valordel máximo de tensión.

13. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN “SIR” (SWITCHED INTEGRATEDRECTIFIER)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).


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Figura 33: Esquema del sistema SIR y su circuito eléctrico simplificado

En el agregado SIR se ha sustituido el sistema convencional de tiristores por unrectificador trifásico al que se ha postconectado un ondulador con frecuencia máxima deconmutación de 50 kHz. El resultado es que el transformador de alta tensión funciona con unafrecuencia considerablemente mayor que la frecuencia normal de 50 ó 60 Hz, lo que reduceconsiderablemente su peso y por tanto el espacio necesario para la instalación. El transformadory el rectificador de alta tensión de un agregado SIR de 60 kW pesan un total de 65 kg incluidoel aceite de aislamiento, mientras que una unidad convencional de transformador-rectificadorpesa unos 1200 kg. Considerado en su conjunto incluyendo el armario de mando, un agregadoconvencional 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

potencia (1 kW) de alimentación, fue necesario alcanzar la potencia de 100 kW. Por otro ladocomo las descargas parciales en los electrofiltros, tienen el mismo efecto que un cortocircuitoen el lado de carga, era necesario construir un equipo capaz de soportar hasta 5 cortocircuitospor segundo. Para dominar una frecuencia de conmutación suficientemente alta, sin pérdidasdemasiado grandes en los semiconductores de potencia, el ondulador debe estar en condicionesde resonar. A mediados de los años 90 aparecieron nuevos tipos de transistores con los que se


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Figura 35: Comparación entre las tensiones medias de impulso que se pueden alcanzar en un sistema dealimentación convencional y en un sistema SIR

Figura 34: tensión rectificada suministrada al electrofiltro por un sistema de alimentación convencional y porun sistema SIR

consiguió este tipo de onduladores. Llegado a este punto se vio que el gran problema era eltransformador que ha de dominar al mismo tiempo una potencia, una tensión y una frecuencia

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


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Figura 36: Forma de los impulsos en un sistema convencional y en un sistema SIR

adaptados a la carga y a la característica del ondulador. El problema se ha resuelto con uncuidadoso diseño mecánico de la parte magnética.

Las ventajas de estos equipos para el sistema de funcionamiento de los precipitadoreselectrostáticos, es que simplifican la optimización del punto óptimo de trabajo y mejoran elrendimiento del electrofiltro debido fundamentalmente a que suministran una tensión aplanadasin ondulación residual, como se puede ver en la figura 34 y permiten controlar libremente lalongitud y periodo de los impulsos, como se puede ver en la figura 36.

Volviendo a conceptos vistos anteriormente, para que el procedimiento de filtrado serealice correctamente es importante mantener la tensión media en el electrofiltro en un valor tan

alto como sea posible, generando así una intensidad alta de corona. En los rectificadoresconvencionales, esta tensión está limitada por la fuerte ondulación de la alta tensión. Las crestascorrespondientes a cada impulso de tensión no deben superar el valor límite de descargas entrelos electrodos de emisión y colector. Por tanto la tensión media de impulso estará claramente pordebajo del límite de descarga. Un agregado SIR proporciona una tensión alta aplanada. Latensión media y la tensión de cresta de cada impulso son por lo tanto iguales y pueden tenervalores próximos al límite de descarga.

En este sistema se aplican al electrofiltro impulsos de 1 a 30 Hz de modo que entre dosimpulsos puede descargarse la carga de la superficie de la capa de polvo. Con el fin de optimizarla 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 intervalode impulsos es necesario saltar varios semiperiodos; por tanto, la frecuencia de los impulsos estárelacionada con los subarmónicos de la frecuencia de la red. Con los agregados SIR, por elcontrario, es posible controlar de forma continua, sin escalones, la duración de los impulsos ylos intervalos entre los mismos a partir de unos 50 µs, siendo posible optimizar el desarrollo delproceso.


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14. COMPONENTES PRINCIPALES DEL EQUIPOLos 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 CARCASALa 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 pararecoger el polvo colectado.

En el diseño de la carcasa de un precipitador hay que tener en cuenta una serie defactores:

La velocidad de los humos en el interior debe estar entre 1/7 y 1/10 de la velocidad quelos humos tenían en los conductos anteriores, lo que se consigue mediante la instalación de undifusor de expansión entre el conducto de humos y el precipitador. Al reducirse la velocidad, laspartículas de mayor tamaño, pueden precipitar en el fondo del conducto, formándoseaglomeraciones de polvo. Para evitarlo, el fondo del difusor de expansión debe tener una ciertainclinación 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 unadistribución uniforme del flujo en el precipitador. Para ello se instalan unas rejillas distribuidorasy unos deflectores inmediatamente antes de la entrada del precipitador. Las rejillas son de granimportancia cuando se requieren eficiencias de precipitación elevadas, ya que con un buendiseño de la distribución de humos se pueden alcanzar rendimientos elevados, disminuyendo eltamaño del equipo necesario. Sin embargo, ciertos tipos de polvo tienen tendencia a pegarse enla rejilla, obstruyendo así el paso y modificando la distribución de los humos, por lo tanto larejilla 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 ladotiene que soportar el peso de los dos sistemas de electrodos, teniendo en cuenta que el de loselectrodos colectores puede ser muy elevado. Por otro lado hay que considerar que losprecipitadores suelen trabajar con un vacío parcial, lo que expone a las paredes a unas esfuerzosconsiderables, proporcionales al diferencial de presión. Además debe soportar los diversosfenómenos meteorológicos como nieve, viento y lluvia que pueden aumentar las cargas sobrela carcasa. Las deformaciones que puedan producirse, deben ser como máximo de magnitudestales que no lleguen a modificar la posición de los electrodos dentro de la carcasa. Normalmenteestán asentadas en apoyos deslizantes de teflón para facilitar las expansiones y contraccionestérmicas

Para mantener un vacío parcial, y evitar la entrada de aire atmosférico, la carcasa debeser estanca. Si entra aire en su interior, supondría una inestabilidad en el funcionamiento delprecipitador, y una disminución en la eficiencia del mismo, al aumentar la velocidad de paso delos humos. Además, la entrada de aire podría producir enfriamientos locales en el gas, de modoque si la temperatura descendiese por debajo del punto de rocío, el riesgo de corrosión seríasumamente elevado. La entrada de aire también produciría un aumento de la cantidad de humosque necesitan manipular los ventiladores inducidos El cierre del techo no sólo tiene que mantenerla estanqueidad, sino que además debe tener la pendiente adecuada para evitar las acumulaciones


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figura 37: Secciones transversales de algunos tipos de precipitadorestubulares

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 laparte inferior (interior de la tolva). Para ello tienen que tener unas paredes con una inclinacióndeterminada y un conjunto de deflectores. Dentro de las tolvas suele haber un sistema decalefacción regulado por medio de un termostato para evitar la formación de condensaciones quedificulten la extracción de las cenizas.

El material de construcción de las carcasas suele ser chapas de acero estructural, oaleaciones 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 diferenciaentre la temperatura de los humos y la atmosférica es muy elevada.

14.2. ELECTRODOS COLECTORESLos electrodos colectores son uno de los componentes principales de un precipitador

electrostático. Sus formas pueden ser muy diversas, sin embargo se pueden distinguir dos gruposbien diferenciados, que a su vez dan lugar a dos tipos distintos de precipitadores:

-Tubulares.-Placas.


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En los precipitadores tubulares, los electrodos colectores, forman siempre un sistema decanales paralelos, agrupados por bloques. Existe una gran variedad de diseños, Las seccionestransversales de algunos de ellos se muestran en la figura 37, entre los que destacan los tuboscilíndricos, dispuestos en filas, si la carcasa es de sección rectangular, o formando círculos entorno a uno central si la carcasa es cilíndrica. Otras disposiciones habituales son, los electrodosde sección hexagonal, unidos en forma de panal de abeja y los sistemas de cilindros coaxialescon divisiones radiales. Este último diseño representa la mejor forma de utilización del espaciodisponible, con carcasas cilíndricas.

Los electrodos colectores de precipitadores tubulares deben cumplir como característicasmás importante:

-Los canales de flujo individuales han de tener exactamente las dimensionesespecificadas.-El conjunto de electrodos debe permanecer siempre correctamente alineado.

Los electrodos colectores en precipitadores de placas están formados por tiras discretasalineadas, para formar una superficie plana. La evolución a través de los años de estos electrodosha dado lugar también a una gran variedad de formas de los mismos. Los requerimientosprincipales para un electrodo colector son los siguiente:

-Asegurar el cumplimiento de las propiedades eléctricas deseadas, en cuanto a la tensiónde descarga y a la distribución del campo eléctrico.-Tener una rigidez adecuada para evitar las vibraciones. El grado de rigidez de loselectrodos es muy importante ya que afecta a la vibración de las placas especialmentecuando se golpean. Un golpeo será tanto más eficiente cuanto más uniforme sea ladistribución de las aceleraciones transversales máximas a lo largo de toda la superficiedel electrodo. Este es un aspecto muy cuidado actualmente ya que las aceleracionespueden exceder 500·g, siendo g la aceleración de la gravedad. Hace algunos añosraramente alcanzaban valores de 100·g.-Bajo peso: Es muy importante que los electrodos colectores no sean muy pesados, paradisminuir 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 dehumos cuando se produce la limpieza por golpeo.

Evolución histórica: Inicialmente las superficies colectoras eran chapas perfectamenteplanas, pero fueron abandonadas porque limitaban mucho la velocidad de migración y la hacíanmuy dependiente de la superficie colectora. La reentrada de polvo en la corriente de gas tras elgolpeo, era muy elevada. Tratando de solucionar este problema, se llegó a un nuevo diseño delos electrodos colectores, los electrodos cerrados: Los electrodos estaban formados por doschapas 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 erangolpeados, el polvo acumulado resbalaba por la superficie y era recogido en los bolsillos, pordonde pasaba hacia el espacio interior y de allí a las tolvas inferiores. Ofrecían las siguientesventajas:

-Se podían alcanzar mayores velocidades de migración, especialmente cuando lavelocidad de flujo era alta.-Las perdidas con polvos poco adherentes eran pequeñas.

Los inconvenientes eran:


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Figura 38: Electrodos colectores antiguos

-Peso elevado.-Baja tensión de arco debido a los bolsillos.-Fabricación laboriosa.-Problemas con partículas de polvo muy adherentes. La presencia de este tipo departículas hace que se colapsen los bolsillos y sólo una pequeña proporción del polvoseparado del electrodo durante el golpeo, pasa a través de los huecos del mismo, con loque 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 parano afectar a la tensión de arco. A pesar de las ventajas que ofrecían, nunca se llegaron a instalaren equipos reales, debido a que presentaban dos grandes problemas. Por un lado eran demasiadopesados y caros, elevando el coste y peso del conjunto del precipitador, y por otro tenían una

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 colectorascontinuaban evolucionando hacia perfiles laminados (o electrodos semicerrados como losmostrados 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.


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Figura 39: Electrodos colectores semicerrados

En conjunto, el comportamiento de los perfiles más modernos es muy superior al de suspredecesores, en particular se consiguen con ellos mayores velocidades de migración,especialmente con velocidades altas de los humos. También son substancialmente más ligeros

y de fabricación más fácil y barata. En la figura 40 se puede ver uno de los perfiles de uso másfrecuente en la actualidad como electrodos colectores. Con ellos se consiguen, en el golpeo, unadistribución de aceleraciones transversales casi uniforme a lo largo de toda la superficie, inclusocuando se alcanzan valores superiores a 100·g. Esto significa que incluso cuando el polvo tieneuna 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 dedescarga son unos hilos situados en el centro de los conductos colectores, que están suspendidospor la parte superior y llevan un peso en la parte inferior para darles la tensión necesaria. Elalineamiento de cada hilo en el centro del tubo, debe ser muy preciso, por lo que los pesos debenser suficientes para mantenerlos rectos y tensos. Para evitar que los electrodos oscilen como unpéndulo durante el funcionamiento de la unidad, tienen unas estructuras en la parte inferior, quelimitan su desplazamiento.

En los precipitadores de placas los sistemas de alta tensión están formados en la mayoríade los casos por matrices de alambres verticales situados en filas y equidistantes de losadyacentes. La corriente total que puede pasar a través de un precipitador depende, entre otrosfactores, del espacio entre electrodos en la dirección del flujo. Cuanto más cerca estén cada unodel siguiente, mayor podrá ser la corriente de trabajo. Sin embargo si le espacio entre ellos esmuy pequeño cada uno puede hacer de escudo del otro disminuyendo así la corriente por unidadde longitud que pueden suministrar. Por lo tanto el valor máximo de la corriente sólo se alcanzacon un espaciamiento entre electrodos emisores determinado. En la práctica actual, se suele


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Figura 40: Electrodos de descarga soportados en marco

mantener la distancia entre ellos aproximadamente entre 1.1 y 1.2 veces la distancia al electrodocolector 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

un marco tubular, reforzándose también por medio de unos tubos tanto horizontales comoverticales, tal como se puede ver en la figura 40. El objetivo de este refuerzo es dar la rigidezsuficiente y mantener el conjunto suficientemente plano para conservar las alineaciones.


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Figura 41: Característica tensión corriente de diversos tipos de electrodos de descarga

La otra técnica alternativa es suspender los alambres de una rejilla en la parte superiorde la unidad y colocar en cada uno de ellos un peso en la parte inferior. Por medio de otra rejillaen el fondo, se permiten los desplazamientos verticales, pero no los laterales. Además estas dosrejillas deben estar rígidamente interconectadas por medio de espaciadores tubulares, para evitarque 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, yaque su forma y disposición tienen una gran influencia en los parámetros principales delfuncionamiento del equipo como son la tensión crítica inicial, la característica tensión-corrienteo la tensión de arco. En la figura 41 se representan las características tensión-corriente típicascorrespondientes a distintos tipos de electrodos de descarga.

En su forma más simple, los electrodos son alambres de sección circular, de manera quecuanto menor sea su diámetro, menor será la tensión crítica, más pronunciada será la pendientede la curva Tensión-corriente y mayor será la tensión de arco. Sin embargo a pesar de estasventajas eléctricas de un alambre delgado, son neutralizadas por su pobre comportamientomecánico. Los hilos más delgados pueden romper por los efectos del golpeo y también puedense fácilmente dañados por la corrosión. Por lo tanto se deben fabricar con un material de granresistencia 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


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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 muypequeño 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 consiguencorrientes muy superiores y menores niveles de tensión crítica inicial. La forma más sencilla quepuede adoptar un electrodo de picos es el denominado alambre de espino, cuyo comportamientono es muy bueno, debido a la aleatoriedad de la orientación de los picos, y a las dificultadesencontradas en su montaje.

La principal ventaja que presenta este tipo de electrodos es el retardo de la formación dela capa de polvo, sobre todo en aquellos que tienen los picos orientados en la dirección paralelaal flujo.

De cualquier manera, el mejor de los electrodos, sería de poca utilidad si no se colocasencorrectamente 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 consideraciónvital es la tensión de arco, no sólo determinada por el diseño de los electrodos de descarga, sinotambién por los tubos de la estructura. En la figura 6. se observaba como varían la tensión dearco 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 suspendidospor medio de una placa horizontal fijada a la carcasa de la unidad. En la parte inferior del equipolos electrodos se retienen y guían mediante otra chapa horizontal, que permite expansiones ocontracciones 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 quepermiten las dilataciones y contracciones térmicas.

En la mayoría de los horizontales, la sujeción de placas se realiza por medio de unasvigas horizontales. Las chapas están suspendidas por la parte superior, soportadas por medio deunas vigas de suspensión. Los pasadores están colocados de manera tal que mantengan cada unade las tiras que forman las chapas en una posición de equilibrio ligeramente inclinada. Ademásllevan en la parte inferior unas guías para impedir que se balanceen. En la figura 1 se puede veruna 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 deformarsedebido 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 laprimera y la última tira.

Para mantener el espaciamiento adecuado entre electrodos, se separan las vigas desuspensión, mediante bastidores o barras ranuradas, con las ranuras situadas a la distanciadeseada para los electrodos.

El sistema de sujeción de los electrodos emisores, puede estar formado por una rejillasoporte superior y otra de retención inferior, como se muestra en la figura 42a, cuando se tratade electrodos suspendidos o bien por una estructura transversal en la que apoyan los marcos talcomo se esquematiza en la figura 42b.

Cualquiera que sea la disposición, se necesitan unos aisladores, para evitar que las barrasde suspensión, entren en contacto con la carcasa. Estos aisladores son uno de los puntos que másproblemas 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 teneraristas, sino bordes redondeados.


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Figura 42: Formas de suspensión de los electrodos emisores

Los aisladores que soportan el sistema de descarga, están sometidos a esfuerzosmecánicos, eléctricos y térmicos. La resistencia eléctrica de un aislador, depende de la resistenciaeléctrica del material empleado en su construcción, pero también de la conductividad superficialdel mismo, por ello se suelen hacer de un diámetro mucho mayor del necesario, si sólo se

considerase la resistividad del material de construcción. Además de esto, hay que tener en cuentaque la resistividad se puede ver muy disminuida por la presencia de polvo o de humedad sobrela superficie. En cuanto a los esfuerzos térmicos, estos son debidos a que por el interior, losaisladores tienen que soportar unas temperaturas muy elevadas. Ya que por definición unaislador es un mal conductor del calor, se ven sometidos a unos gradientes de temperaturaconsiderables, con las consiguientes dilataciones y contracciones, que pueden provocar su rotura.

En la actualidad se han ido sustituyendo los clásicos aisladores de cerámica, poraisladores de cuarzo con una mayor resistencia mecánica, eléctrica y térmica.

Como ya se ha mencionado en los apartados anteriores, para asegurar el buencomportamiento de un equipo de precipitación electrostática, es necesario eliminarperiódicamente la capa de polvo que se va acumulando sobre ambos sistemas de electrodos. Elmétodo más comúnmente empleado para realizar esta tarea, consiste en golpear un yunquesolidario con los electrodos mediante unos martillos golpeadores.


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Figura 43: Diagrama de aceleraciones de la placa colectora cuandose golpea en la parte inferior

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 superiordel bastidor y el golpeo en el marco soporte, a distintas alturas como se puede ver en la figura40. En este caso los motores de accionamiento se sitúan en el techo del precipitador, con el ejevertical, y después se cambia la dirección del giro mediante un acoplamiento cardam. La


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Figura 44: Diagrama de aceleraciones de la placa colectora cuando se golpea en la partesuperior

penetración del eje motor a través de la carcasa se realiza mediante aisladores, unidos al ejemediante acoplamientos universales, para evitar roturas por desalineaciones o diferentesdilataciones. El uso de estos aisladores se hace imprescindible al encontrarse los electrodos bajo

tensión. Por ejemplo: una disposición típica podría ser la de un motor por cada semicampo y condos 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,


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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 unmotorreductor situado en el exterior de la carcasa. Los martillos se van situando en el eje deforma que golpeen escalonadamente (según distintas posiciones angulares) y no se golpeen todaslas placas del campo simultáneamente. La velocidad de giro del motor se suele ajustar avelocidades en torno a 2 rpm. Tras una vuelta del motor se habrán golpeado todas las placaspero en distintos instantes.

La forma de golpear es la siguiente: El giro del eje lleva a un martillo a su posición másalta y luego por gravedad cae, golpeando a través de yunques la superficie colectora, que por elchoque hará vibrar el conjunto produciéndose el desprendimiento de la ceniza acumulada. Losmecanismos de limpieza se ubican en el espacio entre cada campo, situándose el primero despuésdel 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 serealiza en la parte inferior de las superficies, y en la figura 44 el diagrama de aceleracionescuando 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 noha tenido mucho éxito, y su empleo en aplicaciones industriales es muy escaso, o nulo.

15. SEPARACIÓN DE LA PELÍCULA DE POLVO DE LOS ELECTRODOSEl 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 laseparación disminuirá.

Los depósitos de polvo sobre el electrodo de descarga aumentan el diámetro efectivo delos alambres y debido a la caída de tensión que se produce en ellos, disminuye el voltaje efectivoen su superficie. Esto provocará un aumento de la tensión crítica y una disminución del efectoionizante, por lo que las partículas quedaran insuficientemente cargadas. Tampoco sonaceptables las acumulaciones grandes de polvo sobre los electrodos colectores. Si estas seproducen, se provoca una caída de tensión y una disminución del voltaje efectivo y de laintensidad de corriente para un nivel de tensión dado.

Por todo lo comentado anteriormente se necesita golpear los electrodos, tanto loscolectores como los de descarga, repitiendo el golpeo en intervalos de tiempo suficientementecortos. Los dos factores que deciden el éxito y la eficiencia del golpeo, son la intensidad degolpeo en términos de aceleración transversal en la superficie del electrodo y los intervalos degolpeo (espacio de tiempo entre dos golpeos consecutivos).

La intensidad de golpeo, obviamente, debe ser la adecuada para asegurar la completaseparación de la película de polvo de la superficie de los electrodos. Hay que tener en cuenta quelas partículas de polvo son muy finas, tienen tendencia a aglomerarse y la carga electrostáticatiende a mantenerlas pegadas a la placa .

Por otro lado, la intensidad de golpeo, debe ser suficiente, pero nunca excesiva. Ungolpeo demasiado intenso rompería la capa de polvo, formándose nubes de partículas, quemayoritariamente 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 aarrastrar parte del polvo en el momento de desprenderse, sin embargo, si se elige bien laintensidad 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


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Figura 45: Relación entre las emisiones y el intervalo de golpeo cuando no hay controlautomático de tensión

el golpeo, será menor. Capas muy finas no deberían ser separadas del electrodo, ya que sucompactación es muy débil y se escaparía una gran cantidad de partículas al golpear. Si lacantidad de polvo acumulada en los electrodos es demasiado elevada, la caída de tensión en lacapa es muy alta, y si la tensión de alimentación se mantiene constante, el gradiente de potencialen el gas disminuye. Al disminuir la diferencia de tensión en el gas, disminuye la corriente y laintensidad de campo, y como consecuencia de ello más partículas saldrán del equipo sin seratrapadas.

El control automático de la tensión puede, al menos hasta cierto punto, contrarrestar losefectos de la caída de tensión en la película acumulada, manteniendo más o menos constante el

gradiente de tensión en el gas, mediante la variación de la tensión de alimentación. Sin controlautomático, 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 tensiónen el material acumulado, cuando se tarda en golpear. En la figura 45 se representa la variacióntípica de las emisiones, con el intervalo de golpeo, cuando no se emplea control automático dela 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 controlautomático de la tensión, se puede apreciar, que la curva de las emisiones debidas al aumentode la caída de tensión con la acumulación de polvo, tiene una pendiente mucho menor. Asímismo una diferencia importante con el caso anterior, es que en el actual no existe un intervaloóptimo de golpeo, es decir, no tiene demasiada importancia cuanto se amplíe el espacio detiempo entre dos golpeos consecutivos.


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Figura 46: Relación entre las emisiones y el intervalo de golpeo cuando existecontrol automático de tensión

El polvo desprendido de los electrodos colectores y de los electrodos emisores, cae hacialas tolvas situadas en la parte inferior del precipitador.

Las tolvas tienen una forma troncocónica para favorecer el descenso de las cenizas yevitar que la corriente de humos las recoja y arrastre de nuevo al interior de la zona activa delprecipitador, otra forma de evitar este arrastre, es mediante un conjunto de chapas deflectoras,

situadas en las tolvas.

utilizados en centrales...

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