Download precipitadores electrostáticos utilizados en centrales termoeléctricas

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