Soluciones Avanzadas de Limpieza de Gases de Combustión: Tecnologías y Sistemas para Aire Más Limpio

La contaminación ambiental es uno de los mayores problemas mundiales actuales. Ante una serie de problemas globales, cada vez más personas reconocen que el medio ambiente y los recursos son necesidades básicas para la supervivencia y desarrollo humano. Los gases de combustión, producto de la mayoría de procesos tecnológicos, están contaminados con variedad de partículas sólidas. Para reutilizar los gases (si tienen poder calorífico suficiente) o liberarlos a la atmósfera, es necesario limpiarlos. Sin embargo, el control de emisiones atmosféricas cuesta dinero, rara vez con retorno financiero para la organización operadora.

Evolución de actitudes y regulaciones

En los últimos años ha habido un cambio completo en actitudes, educación, responsabilidad y regulaciones en control de emisiones. Las normativas se vuelven más estrictas con el tiempo para proteger a generaciones futuras contra efectos nocivos de la contaminación atmosférica. Muchas organizaciones cambian rápidamente su actitud hacia la contaminación atmosférica y participan proactivamente en actividades de control. Ahora quieren ser percibidas por el público como organizaciones responsables que producen productos "limpios". Esto es parcialmente impulsado por el mercado, que demanda cada vez más productos "limpios". Los clientes actuales están más educados, tanto en su responsabilidad ambiental como en los beneficios de un entorno limpio.

Propósito de sistemas de limpieza de gases

Reducir emisiones atmosféricas de sustancias peligrosas para medio ambiente y salud: metales pesados, dioxinas, sustancias causantes de acidificación y eutrofización. Como algunas sustancias en gases de combustión son tóxicas y cancerígenas, es importante reducir sus emisiones. La acidificación de bosques y lagos se ha reducido sustancialmente eliminando óxidos de azufre y nitrógeno de gases de combustión.

Composición de gases de combustión

Procesos tecnológicos de plantas metalúrgicas, químicas y termoeléctricas generan gases residuales normalmente cargados de polvo y a altas temperaturas. Composición y cantidad dependen de la naturaleza de procesos y materias primas. Emisiones son resultado de materias primas, procesos y reacciones en estas plantas. Los gases pueden contener: dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de azufre (SO₂, SO₃) y nitrógeno (NOx), hidrógeno, sulfuro de hidrógeno (H₂S), flúor (HF), cloro (HCl), arsénico, mercurio, compuestos orgánicos volátiles (COV), vapor de agua, polvo, etc. El vapor de agua es inofensivo pero contribuye a pluma visible en salida chimenea.

Necesidad de control de emisiones

Varios procesos operan a altas temperaturas y manejan materias primas en forma de finos → propensos a emitir gases contaminantes y materia particulada a la atmósfera, afectando calidad del aire alrededor de la planta. Para mejorar y proteger la calidad del aire, se usan diferentes dispositivos de control de contaminación para reducción de emisiones. Anteriormente, equipos de control solo se usaban donde contaminantes eran muy altos o tóxicos, o tenían valor de recuperación. Hoy, con regulaciones más estrictas y creciente preocupación social, es necesario examinar emisiones de todos los procesos e instalar equipos en todas las áreas para reducir emisiones a niveles mínimos posibles.

Cinco grandes agrupaciones de fuentes de contaminación

Al menos cinco agrupaciones principales de fuentes atmosféricas atribuibles a procesos tecnológicos, cada una con tecnologías de mejor práctica para reducción:

1. Control emisiones polvo y materia particulada
2. Control gases ácidos (SO₂/HCl/HF)
3. Control abatimiento NOx
4. Control nieblas ácidas y otros aerosoles
5. Control mercurio, dioxinas/furanos y COV

No constituyen lista exhaustiva: donde hay fuertes concentraciones de gases ácidos, se requieren tecnologías alternativas como plantas ácido sulfúrico. En tecnologías fijación gases ácidos, disposición del producto sigue siendo un desafío. En mayoría de aplicaciones, residuos van a vertedero con costes operativos asociados. Equipos control emisiones para estos cinco grupos son básicamente de dos tipos: (i) control emisiones polvo/particulados, (ii) control emisiones gaseosas. Este artículo se centra en sistemas control emisiones polvo y particulados.

Problema de limpieza de gases a alta temperatura

Quizás el más desconcertante para la industria. Difícil por partículas extremadamente finas dispersas en gases a 700-1.500°C (incluso más). Por aerosol fino y altas temperaturas, enfoques habituales no resuelven el problema → progreso no tan rápido. Problemas básicos: economía y requisitos fundamentales de limpieza.

En algunos casos, limpieza necesaria porque gas representa valor sustancial o, eliminando particulado, queda gas combustible recuperable como calor/energía. En otros, valor económico del efluente (particulado, gaseoso, o combinación) es tan pequeño que coste disposición representa problema importante. Limpieza/remoción para prevenir contaminación atmosférica solo tiene retorno intangible.

En segunda categoría, industria desea limpieza a coste mínimo sin cargar costes de producción. Coste prevención contaminación comunitaria y posibles daños a propiedad/público normalmente sin recuperación tangible salvo buenas relaciones públicas.

Diseño de sistemas de limpieza de gases

La limpieza efectiva presenta serios problemas técnicos por variedad de impurezas. Sistemas de alta eficiencia vitales para operación fiable y vida prolongada de plantas metalúrgicas y termoeléctricas de alta temperatura, permitiendo cumplir estándares control contaminación. Selección de plantas enfriamiento y limpieza crítica: factibilidad técnica, aceptabilidad económica, compatibilidad ambiental. Sistemas deben diseñarse para máximos niveles de eficiencia, seguridad, fiabilidad y mejor protección ambiental posible.

Criterios importantes de diseño

• Volumen gas en Nm³/h
• Composición química gases
• Contenido humedad gases
• Temperatura gases
• Contenido polvo en kg/h
• Características polvo (corrosivo, abrasivo, etc.)
• Rango tamaño partícula polvo
• Estándares emisión
• Característica explosión gas
• Diseño higiénico
• Sistemas en línea o fuera de línea
• Materiales construcción

Tres consideraciones principales

1. Campana (hood) diseñada para capturar polvo y gases emitidos y evitar área de trabajo llena de humo.
2. Gas y polvo capturados por campana deben limpiarse antes de liberar a atmósfera.
3. Polvo colectado debe disponerse de forma que no re-entren en aire o corriente volviendo a ser problema contaminación.

Enfriamiento de gases de combustión

Gases de hornos metalúrgicos frecuentemente a altas temperaturas (700-1.500°C o más) y alto contenido polvo. Antes de tratar en sistema limpieza, deben enfriarse por debajo 400°C. Métodos enfriamiento:

1. Caldera recuperación calor residual
2. Enfriamiento indirecto con aire
3. Enfriamiento indirecto con agua
4. Enfriamiento evaporativo con agua

Calderas recuperación calor residual

Principalmente para enfriar gases de procesos con caudales continuos. Permite enfriamiento con buenos resultados operativos.

Enfriamiento indirecto con aire

Poco usado en práctica por desventajas: (i) aire enfriamiento temperatura inferior a punto rocío gas proceso → condensación ácido en paredes enfriador → corrosión, (ii) riesgo incrustaciones y bloqueos por polvo pegajoso, (iii) tiempo retención gas alta temperatura (>550°C) largo → formación adicional SO₃ y eleva punto rocío gas, (iv) caudal gas fluctuante → difícil controlar temperatura salida.

Enfriamiento indirecto con agua

Frecuentemente usado. Conducto gases tiene tubos agua alrededor por donde fluye agua enfriamiento. Dimensionamiento tubos y parámetros agua (presión, caudal) para que temperatura agua calentada siempre permanezca por debajo evaporación. Evita vapor y problemas regulatorios manejo vapor, pero desventaja: equipos más voluminosos y manejo mayor volumen agua enfriamiento.

Enfriamiento evaporativo con agua

Alternativa técnica adecuada a enfriamiento indirecto aire o calderas calor residual para gases con caudal fluctuante. Equipos modernos usan boquillas bicomponente (agua y aire presurizado), permitiendo operación flexible y control sensible temperatura gas en salida enfriador. Característica importante para evitar caída excesiva temperatura que cause condensación niebla ácida → humedecimiento polvo y depósitos polvo húmedo en precipitadores electrostáticos calientes y corrosión. Ventajas: (i) reduce formación adicional SO₃ por corto tiempo retención gas antes enfriador a alta temperatura (>550°C) con compuestos metálicos particulados actuando como catalizadores, (ii) downstream enfriador formación SO₃ inhibida, (iii) acondicionamiento gas con agua para mejor rendimiento precipitador electrostático (ESP), (iv) no necesita internos como álabes guía.

Dispositivos de limpieza de gases

~40 tipos dispositivos disponibles, agrupados en cinco tipos principales por características compartidas: (i) eliminadores niebla, (ii) extractores polvo (colectores polvo) y ciclones, (iii) deduster húmedos, (iv) filtros, (v) ESP. Además, sistemas basados en tecnologías separación polvo seco o húmedo. En separación seca, acondicionamiento gas con agua puede necesitarse según requerimientos proceso. Acondicionamiento: inyección agua + nitrógeno en torre acondicionamiento para producir niebla agua gotas ~150 µm. Tiempo residencia gas controlado para que todas gotas evaporen en salida torre.

Principios físicos de separación particulada

Dispositivos eliminación particulados operan principio: corriente gas con partículas pasa por región donde partículas son actuadas por fuerzas externas o causadas a interceptar obstáculos, separándolas de corriente gas. Bajo fuerzas externas, partículas adquieren componente velocidad dirección diferente a corriente gas. Para diseñar dispositivo separación por fuerzas externas, esencial calcular movimiento partícula bajo esas condiciones.

Selección preliminar sistemas control emisiones particuladas

Basada en conocimiento de cuatro ítems: (i) concentración particulada en corriente a limpiar, (ii) distribución tamaño partículas a remover, (iii) caudal gas, (iv) tasa final admisible emisión particulada. Una vez elegidos sistemas capaces de eficiencias requeridas a caudales dados, selección final basada en coste total construcción y operación. Tamaño colector, y por tanto coste, directamente proporcional a caudal volumétrico gas a limpiar. Factores operativos que influyen coste: caída presión través unidad, potencia requerida, cantidad agua necesaria (scrubbers húmedos). Dispositivos eliminan partículas basándose en uno o más mecanismos físicos:

• Sedimentación: Corriente gas con partículas introducida en dispositivo/cámara donde partículas sedimentan por gravedad al fondo. Dispositivos = cámaras sedimentación.
• Migración partícula cargada en campo eléctrico: Corriente gas introducida en dispositivo donde partículas se cargan y someten a campo eléctrico. Fuerza electrostática resultante causa migración a superficie dispositivo, donde se retienen y colectan. Dispositivos = ESP.
• Deposición inercial: Cuando corriente gas cambia dirección fluyendo alrededor objeto en su camino, partículas suspendidas tienden a seguir dirección original por inercia. Dispositivos: ciclones, scrubbers, filtros.
• Difusión browniana: Partículas suspendidas en gas siempre en movimiento browniano. Movimiento aleatorio de partículas en medio. Patrón: fluctuaciones aleatorias posición partícula en sub-dominio fluido, seguido reubicación a otro sub-dominio. Cuando gas fluye alrededor obstáculos, movimiento aleatorio natural lleva partículas a contacto con obstáculos, donde se adhieren y colectan. Difusión browniana más pronunciada partículas pequeñas → dispositivos basados difusión más efectivos partículas pequeñas.

Parámetro clave que influye elección dispositivo: diámetro partícula "Dp". Mecanismos físicos varían mucho en efectividad según tamaño partícula. Efectividad dispositivos eliminación particulados = función tamaño partícula.

Eficiencia colecta "N(Dp)" para partículas diámetro "Dp": N(Dp) = 1 - (partículas diámetro Dp por m³ gas salida) / (partículas diámetro Dp por m³ gas entrada). Eficiencia global "N" basada en número partículas: N = 1 - (partículas por m³ gas salida) / (partículas por m³ gas entrada). Eficiencias expresables en funciones distribución tamaño partícula en entrada y salida dispositivo.

Clases de equipos control particulados

Dispositivo control particulado más simple: cámara sedimentación, cámara grande donde velocidad gas reducida permitiendo partículas sedimentar por gravedad. Ciclón: hace fluir toda corriente gas en patrón espiral dentro tubo cónico. Por fuerza centrífuga, partículas migran hacia afuera y colectan en pared tubo. Partículas deslizan pared y caen al fondo, donde se remueven. Gas limpio normalmente invierte flujo y sale por cima ciclón.

ESP usa fuerza electrostática sobre partículas cargadas en campo eléctrico para separar partículas de corriente gas. Alto voltaje entre dos electrodos; partículas pasando por campo adquieren carga. Partículas cargadas migran y colectan en placa opuestamente cargada mientras gas limpio fluye a través. Periódicamente, placas limpiadas por golpeteo (rapping) para sacudir capa polvo acumulada.

Variedad filtros operan principio: gas con particulados forzado a través conjunto elementos colectores (fibra, tapiz filtro). Al pasar gas, partículas se acumulan en colectores.

Dispositivos colecta húmeda (scrubbers) operan base colisión partículas con gotas agua fácilmente separables del gas por su mayor tamaño.

Colectores mecánicos (cámaras sedimentación, ciclones) típicamente mucho más baratos pero moderadamente eficientes. Mejores para partículas grandes que pequeñas → usados frecuentemente como pre-limpiadores para dispositivos finales más eficientes, especialmente en altas cargas particuladas. ESP tratan grandes caudales volumétricos a caídas presión relativamente bajas con eficiencias muy altas. Pero ESP caros y relativamente inflexibles a cambios condiciones operativas proceso. Filtros tela (filtros manga) tienden a muy altas eficiencias pero caros y normalmente limitados condiciones secas, baja temperatura. Lavado (scrubbing) también alta eficiencia y ventaja auxiliar: contaminantes gaseosos eliminados simultáneamente con partículas. Pero scrubbers caros operar por alta caída presión y producen lodo húmedo que debe tratarse/disponerse.

Cámaras de sedimentación

Sedimentación gravitacional: medio más obvio separar partículas de corriente gas fluida. Cámara sedimentación: cámara horizontal por donde fluye gas con partículas y al fondo sedimentan partículas polvo. En principio, gran caja por donde fluye gas efluente y partículas sedimentan por gravedad. Velocidades gas deben mantenerse lo suficientemente bajas para que partículas sedimentando no re-entren. Velocidad reducida expandiendo conducto en cámara lo suficientemente grande para velocidades suficientemente bajas. Aunque en principio pueden eliminar incluso partículas más pequeñas, limitaciones prácticas longitud cámaras restringen aplicabilidad a partículas >50 µm. Normalmente usadas como pre-limpiadores para eliminar partículas grandes y posiblemente abrasivas, antes de pasar gas por otros dispositivos colecta.

Ventajas: (i) construcción simple y bajo coste, (ii) pequeñas caídas presión, (iii) colecta partículas sin necesidad agua. Desventaja principal: gran espacio necesario. Cámara puede contener varias placas horizontales estrechamente espaciadas para que distancia partícula debe sedimentar para ser colectada sea considerablemente menor que altura dispositivo total.

Análisis rendimiento cámara sedimentación

Clave: naturaleza flujo gas a través del dispositivo. Tres situaciones flujo idealizadas básicas: (i) flujo laminar, (ii) flujo pistón (velocidad uniforme sección transversal) sin mezcla vertical partículas, (iii) flujo pistón con mezcla vertical completa partículas.

Flujo laminar: perfil velocidad parabólico. Solo realizado para números Reynolds debajo transición flujo turbulento. En flujo laminar, tiempo partícula altura "h" sobre fondo para sedimentar = "h/V" donde V = velocidad sedimentación partícula. Mezcla vertical ausente. Efecto movimiento browniano normalmente despreciable vs movimiento descendente constante sedimentación.

Cámara sedimentación flujo laminar: perfil velocidad parabólico. Partícula por debajo línea central sedimentando encuentra fluido moviéndose más lento → tiempo residencia aumenta sobre línea superior. Partículas inicialmente por encima línea central encuentran líneas corriente más rápidas al caer hasta pasar línea central.

Segunda categoría: flujo pistón sin mezcla vertical partículas. Aproximación a flujo laminar: mezcla vertical ignorada, pero perfil velocidad plano asumido y partículas sedimentan a sus velocidades. Se asume partículas distribuidas uniformemente en entrada cámara. Si partícula colectada determinado solo por altura "h" en entrada sobre superficie colectora. Altura crítica "h*" definible: partículas con "h" ≤ "h*" colectadas; "h" > "h*" escapan.

Tercera categoría: flujo pistón con mezcla vertical completa = flujo turbulento. Velocidad gas asumida uniforme por mezcla turbulenta. Mezcla turbulenta en núcleo abruma tendencia partículas sedimentar y mantiene concentración uniforme verticalmente. Remoción sedimentación asumida en capa delgada fondo cámara.

Flujo canal rectangular asumido turbulento si número Reynolds >4.000. En cámara flujo laminar, partículas sedimentan a todas alturas, clave calcular tiempo residencia global al caer a través líneas corriente. Mecanismo colecta cámara turbulenta, aunque basado en sedimentación gravedad, bastante diferente de laminar. Diferencia por flujo turbulento. En flujo bulk, mezcla turbulenta suficientemente vigorosa para que partículas abrumadas por flujo no sedimenten. Se asume mezcla turbulenta mantiene concentración uniforme partículas sobre altura cámara. Muy cerca fondo, capa delgada donde partículas sedimentan corta distancia al fondo. Así, partícula vigorosamente mezclada en núcleo al entrar esta capa, sedimenta al fondo.

Separadores ciclónicos

Dispositivos limpieza gas que usan fuerza centrífuga creada por corriente gas giratoria para separar partículas de gas. Ciclón estándar entrada tangencial vertical flujo reverso mostrado Fig 2. Flujo gas forzado seguir geometría curva ciclón mientras inercia partículas causa movimiento hacia pared exterior, donde colisionan y colectan. Partícula masa "m" moviéndose camino circular radio "r" velocidad tangencial "vA" sometida a fuerza centrífuga "m(vA)²/r". Valor típico vA=10 m/s, r=0,5m → fuerza 20,4 veces gravedad misma partícula. Fuerza sustancialmente mejorada sobre sedimentación sola lograda para geometría ciclón.

En ciclón, partículas en corriente giratoria se mueven progresivamente más cerca pared exterior al fluir a través. Gas puede ejecutar varias vueltas completas fluyendo de un extremo a otro. Diseño: dado caudal gas y radios interior/exterior, longitud cuerpo ciclón debe asegurar eficiencia colecta deseada para partículas tamaño dado. Longitud cuerpo relacionada a través caudal gas con número vueltas ejecutadas por corriente gas → diseño frecuentemente consiste calcular número vueltas necesarias para eficiencia colecta especificada.

Variedad diseños ciclones difieren en cómo movimiento rotatorio impartido a corriente gas. Ciclones convencionales tres categorías: (i) ciclones flujo reverso (entrada tangencial y axial), (ii) ciclones flujo directo, (iii) colectores impulsor.

Fig 2: ciclón reverso flujo convencional entrada tangencial. Gas sucio entra cima ciclón y recibe movimiento giratorio por entrada tangencial. Partículas forzadas a pared por fuerza centrífuga y caen por gravedad. Fondo ciclón: flujo gas invierte formando núcleo interior que sale cima. Ciclón reverso entrada axial: gas entrada introducido por eje ciclón, movimiento centrífugo impartido por álabes permanentes en cima.

Ciclones flujo directo: vórtice interior aire sale fondo (en vez invertir dirección), movimiento centrífugo inicial impartido por álabes cima. Usado frecuentemente como pre-limpiador eliminar partículas grandes. Ventajas: baja caída presión, altos caudales volumétricos.

Colector impulsor: gases entran normal a impulsor multipala y son barridos por impulsor alrededor circunferencia mientras partículas lanzadas a ranura anular alrededor periferia ciclón. Ventaja principal: compacidad. Desventaja principal: tendencia taponamiento por acumulación sólidos en ciclón.

Ciclones construibles cualquier material, metal o cerámica. Resisten altas temperaturas, partículas abrasivas, atmósferas corrosivas. Interior debe ser liso para que partículas colectadas deslicen fácilmente pared a tolva. Sin partes móviles → operación simple, relativamente libre mantenimiento. Bajo coste capital y operación libre mantenimiento → ideales como pre-limpiadores para dispositivos finales más eficientes (ESP). Aunque ciclones tradicionalmente considerados colectores baja eficiencia, algunos disponibles actualmente logran eficiencias >98% para partículas >5 µm. Rutinariamente logran 90% para partículas >15-20 µm.

Modelos flujo ciclón

Partícula entrando tangencialmente plano horizontal corriente giratoria en r3. Por fuerza centrífuga "m(vA)²/r", partícula sigue camino hacia afuera a través líneas corriente. Vector velocidad: componente tangencial (vA), radial (Vr), axial (vZ).

Ciclón "flujo laminar" no tiene flujo laminar en sentido cámara sedimentación, sino flujo sin fricción donde líneas corriente siguen contornos ciclón.

Modelo ciclón flujo turbulento: por mezcla turbulenta, concentración partícula asumida uniforme a través ciclón, y como cámara sedimentación turbulenta, remoción ocurre a través capa delgada pared exterior.

Eficiencia colecta ciclón aumenta con aumento: (i) tamaño partícula, (ii) densidad partícula, (iii) velocidad gas entrada, (iv) longitud cuerpo ciclón, (v) número revoluciones gas, (vi) lisura pared ciclón. Disminuye con aumento: (i) diámetro ciclón, (ii) diámetro conducto salida gas, (iii) área entrada gas. Para ciclón específico con razón dimensiones fija, eficiencia aumenta al disminuir diámetro. Dimensiones requeridas especificar ciclón entrada tangencial flujo reverso mostradas Fig 4.

Además eficiencia colecta, otra consideración mayor: caída presión. Eficiencias mayores forzando gas a mayores velocidades → mayor caída presión. Caída presión aumentada necesita mayor aporte energético → compromiso económico entre eficiencia colecta y coste operativo. Caídas presión ciclón típicamente 250-4.000 Pa.

Precipitador electrostático (ESP)

Uno de los dispositivos control particulado más usados. Amplios rangos tamaño. Cámara ESP: dos electrodos, descarga y colecta. Entre electrodos, gas contiene electrones libres, iones, partículas cargadas. Especies contribuyendo densidad carga espacial: iones, electrones, partículas cargadas. Moléculas gas capturan todos electrones libres → solo iones y partículas cargadas contribuyen densidad carga. Corriente iónica fluye dirección campo eléctrico: iones cargados misma polaridad electrodo carga moviéndose a electrodo colecta. Iones migran a electrodo colecta con velocidad suficiente para no verse afectados por flujo turbulento cámara.

Principio básico operación ESP

Partículas se cargan, luego campo eléctrico impuesto en región por donde fluye gas con partículas, ejerciendo fuerza atractiva causando migración a electrodo opuestamente cargado en ángulo recto a dirección flujo gas. ESP difiere métodos mecánicos separación: fuerza externa aplicada directamente a partículas individuales, no indirectamente a través fuerzas aplicadas a toda corriente gas (ej. ciclón). Partículas colectan en electrodo. Si partículas líquidas: fluyen por gravedad electrodo abajo, removidas fondo dispositivo. Si sólidas: capa colectada en electrodo removida periódicamente golpeteo (rapping) electrodo.

Carga partículas

Lograda generando iones mediante corona establecida alrededor electrodo altamente cargado (hilo). Campo eléctrico aplicado entre ese electrodo y electrodo colecta. Si mismo par electrodos sirve para carga y colecta = ESP monoetapa (Fig 4). Hilo como electrodo descarga suspendido eje cilindro, sujeto por peso en fondo. Lados cilindro = electrodo colecta. Partículas colectadas formando capa en electrodo colecta removidas a tolva polvo golpeteo electrodo colecta. ESP dos etapas: pares electrodos separados realizan funciones carga y colecta.

Generación corona y carga

Partículas generadas industrialmente cargadas durante formación por ionización llama, fricción, pero normalmente grado bajo/moderado. Cargas naturales demasiado bajas para precipitación electrostática. Corona DC alto voltaje = medio más efectivo carga partículas, universalmente usado. Corona formada entre electrodo activo alto voltaje (hilo fino) y electrodo pasivo tierra (placa/tubo). Corona alrededor electrodo descarga puede formar iones positivos o negativos que migran a electrodo colecta. Iones, migrando descarga a colecta, colisionan con materia particulada y cargan partículas.

Iones molécula gas muchos órdenes magnitud menores que partículas más pequeñas y por gran número → virtualmente todas partículas fluyendo a través dispositivo se cargan. Partículas cargadas transportadas a electrodo colecta, retenidas por atracción electrostática. Partículas forman capa engrosante en electrodo. Carga lentamente se filtra partículas a electrodo. A medida capa crece, cargas partículas más recientemente colectadas deben conducirse a través capa partículas previamente colectadas. Resistencia capa polvo = resistividad polvo.

A medida capa crece espesor, partículas más cercanas placas pierden mayor carga a electrodo → atracción eléctrica debilitada. Pero partículas recién llegadas capa exterior tienen carga completa. Por capa aislante partículas, nuevas partículas no pierden carga inmediatamente → mantienen capa completa contra electrodo. Finalmente, capa removida por golpeteo (rapping), rompiéndose y cayendo en tolva colecta. ESP normalmente empleados limpieza gas cuando rendimiento volumétrico gas alto.

Mecanismos carga partícula en ESP

Generación suministro iones que se adhieren a partículas. Corona = mecanismo formación iones. Corona puede ser positiva o negativa. Gas normalmente tiene pocos electrones libres y igual número iones positivos → explotado generando corona. Gas entre dos electrodos → pequeña corriente resulta: electrones libres migran a electrodo positivo, iones positivos a negativo.

Corona positiva: Hilo ESP cilíndrico (Fig 4) potencial positivo. Pocos electrones libres gas migran hacia hilo. Electrones se acercan hilo → energía aumentada por fuerza atractiva. Colisionan moléculas gas → en algunos casos expulsión electrón molécula → 2 electrones libres + 1 ión positivo. 2 electrones continúan hacia electrodo positivo, ganando energía, colisionan 2 moléculas más → 4 electrones + 2 iones positivos. Proceso = avalancha electrónica. Iones positivos formados migran a electrodo negativo. Estos iones positivos migran a través dispositivo completo a electrodo negativo colisionando y adhiriéndose a partículas en gas. Región alrededor hilo donde avalancha establecida = corona. Con corona positiva, partículas se cargan positivamente. Término "corona" por avalancha frecuentemente acompañada producción luz.

Corona negativa: Electrodo descarga mantenido potencial negativo. Avalancha comienza superficie exterior hilo y procede radialmente hacia afuera. Cerca hilo electrones suficientemente energéticos forman iones positivos colisionando moléculas gas → inician avalancha. Iones positivos migran corta distancia a hilo. Electrones migran hacia región menor fuerza campo → frenados por colisiones moléculas gas. Electrones energía menor que acelerados hacia electrodo positivo en corona positiva. Electrones baja energía, en vez expulsar electrón molécula gas colisión, son absorbidos por moléculas gas produciendo iones negativos. Formación iones negativos, comenzando borde exterior corona, esencialmente absorbe todos electrones libres producidos avalancha en superficie hilo. Iones negativos migran a electrodo positivo, adhiriéndose a moléculas gas formando iones negativos.

Para corona negativa efectiva, necesario moléculas gas absorban electrones libres formar iones negativos. Dióxido azufre uno mejores gases absorbentes electrones en gases combustión. Oxígeno, CO₂, H₂O también absorbentes efectivos. Corona negativa normalmente más estable que positiva → preferida mayoría aplicaciones industriales. Subproducto corona negativa: producción ozono (O₃). Corona positiva no necesita gas absorbente electrones.

Resistividad polvo colectado

Durante operación ESP, capa material colectado se acumula en electrodo colecta. Depósitos partícula en superficie colecta precipitador deben poseer al menos pequeño grado conductividad eléctrica para conducir corrientes iónicas corona a tierra. Conductividad mínima ~10⁻¹⁰ por ohm-cm (resistividad 10¹⁰ ohm-cm). Conductividad pequeña vs metales ordinarios pero mucho mayor que buenos aislantes (sílice, plásticos). Resistividad material determinada estableciendo flujo corriente a través lámina espesor conocido material.

Mientras resistividad capa polvo colectado <~10¹⁰ ohm-cm, capa cede carga a electrodo. Temperatura ambiente, polvo típico resistividad ~10⁸ ohm-cm por capa agua superficie partículas. Temperatura >100°C → agua evapora → resistividad aumenta a valor característico sólidos colectados. Resistividad capa >~10¹⁰ ohm-cm → potencial través capa aumenta → voltaje mantenible a través ESP disminuye → eficiencia colecta disminuye. Resistividad eléctrica materia particulada colectada depende composición química, constituyentes gas, temperatura.

Nivel carga partícula

Carga partícula ESP ocurre en espacio gas entre electrodos donde iones gas generados por corona bombardean y adhieren a partículas. Iones gas concentraciones hasta 10¹⁵ iones/m³. Nivel carga partícula depende: concentración iones gas, fuerza campo eléctrico, propiedades conductoras partícula, tamaño partícula. Partícula 1 µm típicamente adquiere ~300 cargas electrón; 10 µm puede alcanzar 30.000 cargas. Predecir nivel carga necesario para predecir velocidad migración, base para calcular eficiencia colecta dadas condiciones operación.

Dos mecanismos carga partícula

Carga por bombardeo iónico (carga campo): Iones migrando hacia electrodo colecta encuentran partículas a las que se adhieren. Migrando entre electrodos, iones siguen líneas flujo eléctrico (curvas tangentes vector campo eléctrico). Partícula entra dispositivo sin carga → líneas flujo desvían hacia partícula → captura mayor número iones que si siguieran camino normal. Partícula se carga → iones comienzan repelerse por partícula → reduce tasa carga. Finalmente partícula adquiere carga saturación → carga cesa.

Carga por difusión: Partícula adquiere carga por movimiento térmico aleatorio iones y colisión/adherencia a partículas. Iones en movimiento térmico aleatorio colisionan partícula y ceden carga. Mecanismo idéntico a difusión moléculas vapor no cargadas a superficie partícula. Pero partícula e iones cargados → movimiento térmico aleatorio iones vecindad partícula influenciado por fuerza electrostática. Fuerza da tendencia iones migrar lejos partícula al aumentar carga. Flujo total iones a partícula = movimiento difusivo aleatorio + migración eléctrica.

Teorías carga campo y difusión, en generalidad completa, complejas y mucho estudiadas. Estrictamente, ambas ocurren simultáneamente al entrar partícula ESP → para predecir carga total, considerar ambas juntas. Pero carga difusión predominante partículas <~1 µm; carga campo predominante >~1 µm → frecuentemente tratadas en diseño ESP como independientes. Carga total estimada = suma cargas resultantes cada mecanismo por separado.

Filtración de partículas en corrientes gas

Clase principal dispositivos control contaminación aire particulada: filtración partículas corrientes gas. Variedad medios filtrantes: lechos fibrosos, lechos empaquetados, telas. Lechos fibrosos colectan partículas aerotransportadas: empaquetamiento disperso, típicamente ~10% volumen lecho fibras. Filtros lecho empaquetado: empaquetado sólido normalmente tubo, densidades empaquetamiento mayores que filtros fibrosos. Ambos ampliamente usados sistemas ventilación. Filtros tela frecuentemente usados eliminar partículas sólidas gases industriales: gas polvoriento fluye a través bolsas tela, partículas se acumulan en tela.

Mecanismos físicos filtración

Varían según modo filtración. Lechos fibrosos dispersos convencionales vistos como ensamblajes cilindros. Espaciado característico entre fibras mucho mayor que tamaño partículas colectadas. Mecanismo colecta NO es simplemente tamizado (partículas atrapadas espacios vacíos entre fibras). Eliminación ocurre por transporte partículas gas a superficie elemento colector individual. Como mecanismos filtración lecho fibroso analizables en términos colector individual, describibles en detalle teórico considerable.

Filtros lecho empaquetado a veces vistos como ensamblajes esferas colectoras interaccionantes pero esencialmente separadas, aunque proximidad elementos empaquetado pone duda validez enfoque. Por empaquetamiento relativamente cercano y dificultad describir proceso colecta partículas en términos teóricos limpios, predicción colecta más empírica que filtros fibrosos. Eficiencias filtro tela deben predecirse estrictamente empíricamente ya capa partículas acumulada realmente hace la colecta.

Análisis lecho filtro fibroso

Visto como ensamblaje suelto cilindros individuales. Aunque fibras orientadas todas direcciones en lecho, teóricamente tratado como si cada fibra normal a flujo gas. Fracción sólida filtro normalmente orden 10%. Cada fibra actúa más/menos independientemente como colector. Para calcular eliminación partícula lecho filtro: determinar número fibras por unidad volumen lecho y multiplicar por eficiencia fibra individual.

Base predicción eficiencia colecta lecho filtro = eficiencia colecta elemento filtro individual en lecho. Elemento filtro = cilindro aislado normal a flujo gas. Tres mecanismos distintos identificados donde partículas gas alcanzan superficie cilindro:

1. Difusión browniana: Partículas gas experimentan difusión browniana → algunas contactan cilindro por movimiento aleatorio al ser arrastradas pasado cilindro por flujo. Gradiente concentración establecido tras colecta pocas partículas actúa fuerza impulsora aumentando tasa deposición vs ausencia difusión browniana. Difusividad browniana partículas aumenta al disminuir tamaño → mecanismo más importante partículas muy pequeñas. Analizando colecta difusión browniana, partículas tratadas como puntos sin masa difusivos.
2. Intercepción: Partícula siguiendo líneas corriente flujo alrededor cilindro, tamaño suficientemente grande que su superficie y cilindro contactan. Si línea corriente donde centro partícula está dentro distancia Dp/2 del cilindro → intercepción. Dp = diámetro partícula.
3. Impactación inercial: Partícula no puede seguir líneas corriente rápidamente curvas alrededor obstáculo y, por inercia, continúa moviéndose hacia obstáculo camino menor curvatura que líneas corriente. Colisión por momentum partícula. Nota: impactación inercial basada premisa partícula tiene masa pero no tamaño; intercepción basada premisa partícula tiene tamaño pero no masa.

Colecta también por atracción electrostática cuando partículas o fibra o ambas poseen carga estática. Fuerzas electrostáticas: directas (ambas cargadas) o inducidas (solo una cargada). Cargas normalmente no presentes salvo introducidas deliberadamente durante producción fibra.

Rangos tamaño donde mecanismos colecta importantes: (i) Impactación inercial >1 µm, (ii) Intercepción >1 µm, (iii) Difusión <0,5 µm, (iv) Atracción electrostática 0,01-5 µm. Normal analizar mecanismos por separado y combinar eficiencias individuales → eficiencia colecta global cilindro u obstáculo.

La mayoría desarrollos colecta partículas asumen, por falta mejor información, que partículas transportadas a superficie fibra retenidas por fibra. Experimentos muestran que para variedad sustancias y medios filtrantes, fracción partículas golpeando superficie colectora que se adhieren generalmente <1 y en algunos casos tan bajo como 0,5.

Filtración industrial tela (Baghouses)

Normalmente en "casa bolsas" (bag-house): gases con partículas forzados a través bolsas filtro. Partículas normalmente removidas bolsas por gravedad. Fig 5 muestra tres diseños bag-house: limpieza vibración (Fig 5a), chorro aire [Fig 5b), anillo viajero [Fig 5c).

Proceso filtración tela - Tres fases

1. Partículas colectan en fibras individuales por mecanismos descritos.
2. Etapa intermedia: partículas acumulan sobre partículas previamente colectadas, puentear fibras.
3. Partículas colectadas forman "torta" (capa polvo) actuando como filtro lecho empaquetado para partículas entrantes.

Al acumularse capa polvo, caída presión a través filtro aumenta, y periódicamente capa debe desalojarse en tolva fondo para "regenerar" bolsa tela. Altas eficiencias alcanzables con filtros tela, especialmente tratando gases combustión procesos tecnológicos. En la medida que operación efectiva ESP depende presencia SO₂ en gas como especie ionizable, filtros tela operan sin pérdida eficiencia con bajo nivel azufre.

Medios filtros tela

Materiales semipermeables tejidos o afieltrados constituyendo soporte para partículas a remover. Tela filtro tejida nueva: fibras ~100-150 µm diámetro, espacios abiertos entre fibras 50-75 µm. Inicialmente, eficiencia colecta baja porque mayoría partículas pasan directamente a través tela. Pero partículas depositadas se acumulan rápido, y es capa partícula depositada la que permite eliminación alta eficiencia una vez establecida capa superficial uniforme.

Aunque filtros tapiz fibra similares en algunos aspectos a filtros tela, no dependen capa partículas acumulada para alta eficiencia. Filtros tapiz generalmente no limpiados, desechados. Usados cuando concentraciones partículas bajas para vida servicio razonable antes desechar.

En filtro tela, capa partícula realiza tarea eliminación. Al crecer espesor capa partículas colectadas, aumenta caída presión a través capa partícula y tela subyacente. Dos consideraciones mayores diseño conjunto filtro tela: eficiencia colecta y caída presión función tiempo operación (desde última limpieza). Eficiencia colecta depende velocidad gas local y carga partícula en tela.

Ventajas y limitaciones filtros tela

Ventajas: (i) Muy altas eficiencias colecta incluso partículas muy pequeñas, (ii) amplia variedad partículas, (iii) amplio rango caudales volumétricos, (iv) caídas presión moderadas.

Limitaciones: (i) Operación a temperaturas inferiores a destrucción tela o acortamiento vida antieconómico, (ii) Constituyentes gas/partículas que ataquen tela o impidan limpieza adecuada (partículas pegajosas difíciles desalojar) deben evitarse, (iii) Baghouses necesitan grandes áreas suelo. Ventajas superan claramente limitaciones.

Colectores húmedos (Scrubbers)

Emplean lavado agua para remover partículas directamente de corriente gas. Scrubbers agrupados en dos clases principales: (i) array gotas líquido (aspersiones) forma medio colecta, (ii) superficies humedecidas varios tipos constituyen medio colecta. Primera clase: torres aspersión y scrubbers Venturi. Segunda: torres platos y lechos empaquetados.

Lavado (scrubbing) medio muy efectivo eliminar partículas pequeñas gas. Eliminación resulta colisiones partículas-gotas agua. Ambiente húmedo scrubber: partículas secas pequeñas también crecen tamaño por condensación agua → más fáciles remover. Re-entrainment partículas evitado: atrapadas gotas o capa líquida. Scrubber también permite eliminar simultáneamente contaminantes gaseosos solubles. Líquido lavado con partículas debe disponerse → problema no encontrado métodos secos limpieza gas.

Scrubber aspersión

Dispositivo donde corriente líquida rota en gotas ~0,1-1 mm diámetro, introducidas en gas con partículas. Array gotas móviles = conjunto blancos colecta partículas gas. Eficiencia calculada considerando eficiencia colector esférico individual y sumando sobre número gotas por unidad volumen flujo gas. Movimiento relativo gotas-partículas factor importante eficiencia: captura por impactación e intercepción directa. Difusión también importante partículas pequeñas.

Dos tipos generales scrubbers aspersión:

1. Aspersión preformada: Gotas formadas boquillas atomizadoras rociadas en corriente gas. Incluyen: (i) torre gravedad contracorriente: gotas sedimentan verticalmente contra gas ascendente, (ii) torre cruzada: gotas sedimentan a través flujo gas horizontal, (iii) torre concorriente: aspersión horizontal en flujo gas horizontal.
2. Atomización por corriente gas: Líquido introducido más/menos en masa en flujo gas alta velocidad que rompe líquido en gotas. Dispositivos = scrubbers Venturi (alta velocidad gas lograda en Venturi - contracción). Fig 6 muestra cuatro tipos equipos colecta húmeda.

Tipos equipos colecta húmeda

Scrubber placas: Torre vertical con uno o más platos horizontales (bandejas). Gas entra fondo y debe pasar perforaciones cada plato fluyendo contracorriente a agua descendente. Nombrados por tipo placas (ej. torre platos cribados). Eficiencia aumenta al disminuir diámetro perforaciones. Diámetro corte (50% eficiencia) ~1 µm diámetro aerodinámico con agujeros 3,2mm plato criba.

Scrubber lecho empaquetado: Opera similar absorbedor gas lecho empaquetado. Eficiencia aumenta al disminuir tamaño empaquetado. Diámetro corte 1,5 µm alcanzable columnas empaquetadas elementos 2,5cm.

Scrubber aspersión: Partículas colectadas gotas líquido atomizadas boquillas. Flujos gas horizontal/vertical, aspersión concorriente, contracorriente, cruzada. Eficiencia depende tamaño gota, velocidad gas, ratio líquido/gas, trayectorias gota. Gotas cayendo velocidad terminal: diámetro óptimo gota colecta partículas finas 100-500 µm. Scrubbers sedimentación gravedad logran diámetros corte ~2 µm. Ratio líquido/gas 0,001-0,01 m³ por m³ gas tratado.

Scrubber Venturi: Corriente gas móvil atomiza líquido en gotas. Altas velocidades gas (60-120 m/s) → altas velocidades relativas gas-partículas promueven colecta.

Scrubber ciclónico: Gotas introducidas corriente gas ciclón para colectar partículas. Aspersión dirigida hacia afuera desde colector central o hacia adentro desde pared colector.

Scrubber deflectores (baffle): Cambios velocidad y dirección flujo gas inducidos superficies sólidas.

Scrubber impacto-entrainment: Gas forzado impactar superficie líquida para alcanzar salida gas. Parte líquido atomiza en gotas arrastradas por gas. Salida diseñada minimizar pérdida gotas arrastradas.

Scrubber lecho fluidizado: Zona empaquetado fluidizado donde gas y líquido mezclan íntimamente. Gas pasa hacia arriba través empaquetado, líquido rociado desde fondo y/o fluye hacia abajo sobre cima capa empaquetado fluidizado.

Eficiencia colectores húmedos

Relacionada con pérdida total energía en equipo. Mayor potencia scrubber por unidad volumen gas tratado → mejor eficiencia. Casi toda energía introducida en gas → pérdida energía medible por caída presión gas a través unidad. Ventaja principal: amplia variedad tipos, permitiendo selección unidad adecuada problema remoción particular. Desventajas: altas caídas presión (requerimientos energéticos) mantenerse, manejo y disposición grandes volúmenes líquido lavado.

Scrubber Venturi - Detalle

Usados cuando altas eficiencias colecta necesarias y mayoría partículas <2 µm diámetro. Ejemplos donde Venturi único dispositivo práctico aplicación limpieza gas. Si partículas pegajosas, inflamables, altamente corrosivas → ESP y filtros tela no usables. Venturi también únicos colectores particulados alta eficiencia que eliminan simultáneamente especies gaseosas corriente efluente.

Característica distintiva: sección transversal constreñida (garganta) donde gas forzado fluir alta velocidad. Configuración típica Venturi (Fig 7): sección cónica convergente (gas acelerado velocidad garganta), garganta cilíndrica, expansor cónico (gas frenado). Líquido introducido orificios tangenciales cono entrada o garganta. Primer caso: líquido entra como película pared, fluye pared abajo a garganta, atomizado por gas alta velocidad. Segundo: líquido inyectado perpendicular flujo gas en garganta, atomizado, acelerado. Velocidades gas 60-120 m/s. Alta velocidad relativa gas-partículas/gotas promueve colecta. Proceso colecta esencialmente completo fin garganta. Operan velocidades mucho mayores que ESP o baghouses → físicamente más pequeños, económicamente fabricables materiales resistentes corrosión. Venturis configuración más simple scrubbers y menores tamaño. Fig 7 muestra comparación eficiencia Venturi vs otros dispositivos limpieza gas.

Rango típico ratio caudal líquido/gas Venturi: 0,001-0,003 m³ líquido por m³ gas. Ratios líquido/gas altos → velocidad gas a dada caída presión reducida; ratios bajos → velocidad aumentada. Caudales gas >~1.000 m³/min → Venturi normalmente configuración rectangular para mantener distribución igual líquido sobre área garganta.