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Tecnologías de depuración de partículas Prof. Dr. Luis Cañadas Serrano Catedrático de la E.T.S.I. de Sevilla Director de Ingeniería y Operaciones de INERCO, S.A. Jornadas sobre “Tecnologías medioambientales aplicadas al sector eléctrico” (Algeciras, 2008)

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Tecnologías de depuración de partículas

Prof. Dr. Luis Cañadas SerranoCatedrático de la E.T.S.I. de Sevilla

Director de Ingeniería y Operaciones de INERCO, S.A.

Jornadas sobre“Tecnologías medioambientales aplicadas al 

sector eléctrico”(Algeciras, 2008)

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Conceptos básicos

Las partículas son el 10% de la masa total de contaminantes emitidos a la atmósfera

Fuentes antropogénicas: industrias, centrales térmicas, incineración de residuos, vehículos a motor

Fuentes naturales: aerosoles marinos, volcanes, desiertos, incendios forestales, polen

Son partículas líquidas y sólidas, con tamaño y composición química muy variable

Su comportamiento en la atmósfera depende fundamentalmente de su tamaño:

Las mayores de 20 micras sedimentan por la gravedadLas menores de 0,1 micra permanecen en la atmósfera como un gasLas comprendidas entre 0,1 y 20 micras siguen las corrientes de aire

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Criterios legales

La normativa fija límites de emisión y límites de inmisión para partículas

Los límites de emisión fijan las concentraciones máximas de emisión continua en el gas portador a la salida de los focos correspondientes

Directiva 2001/80/CE sobre Grandes Instalaciones de CombustiónValores Límite de Emisión de partículas para:• Combustibles sólidos (> 100 MWt) y líquidos (> 50 MWt) = 50 mg/Nm3

• Combustibles gaseosos (> 50 MWt) = 5 mg/Nm3

Los limites de inmisión fijan las concentraciones máximas en el aire a nivel del suelo en base a criterios de calidad del aire

Directiva 99/30/CE relativa a valores límite de SO2, NO2 - NOx, partículas y plomo en el aire ambienteValores Límite de Inmisión anuales, diarios y horarios con número máximo de superaciones por año

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Sistemas de captación de partículas

Existen 4 grandes grupos de sistemas de captación de partículas:

Separadores mecánicos: gravitatorios, inerciales y centrífugos (ciclones)Separadores húmedos (torres de lavado; lavadores venturi)Precipitadores electrostáticos (de placas; tubulares; de dos etapas)Filtros de gases (filtros de mangas; filtros de candelas)

Los sistemas aplicables al sector eléctrico, debido al caudal de gases a depurar, los rendimientos de depuración requeridos y otros condicionantes tecnológicos, se limitan, básicamente, a:

Electrofiltros de placasFiltros de mangas

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Electrofiltros: Conceptos generales ‐ 1

La electrofiltración es la separación de partículas sólidas o líquidas suspendidas en corrientes gaseosas por la acción de un campo eléctrico

El principio de operación consiste en dotar a las partículas de cargaeléctrica, para, bajo la acción de un campo eléctrico, depositarlas sobre superficies de captación y, posteriormente, separarlas definitivamentede la corriente gaseosa

Los electrofiltros son los únicos equipos de desempolvado en los que las fuerzas encargadas de la separación actúan exclusivamente sobre las partículas y no sobre la totalidad de la masa del gas, produciendo muy bajas pérdidas de carga

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La técnica data de 1907, año en que el Dr. F.G. Cottrell desarrolló un pequeño precipitador electrostático para depurar nieblas de ácido sulfúrico

En los años 20 aparece su principal aplicación industrial: las calderas de carbón pulverizado

Otras aplicaciones tradicionales son: la depuración de gases de fábricas de cemento, altos hornos e industrias metalúrgicas, industrias de la pulpa y el papel y aplicaciones diversas en industrias químicas

Los electrofiltros encuentran aplicación cuando se requiere:El tratamiento de grandes caudales de gas (hasta 3.000.000 m3/h)La depuración de partículas de pequeño tamaño (10-2 a 100 micras)Alta eficacia de depuración (hasta un 99,8%)

Electrofiltros: Conceptos generales ‐ 2

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Electrofiltros: Conceptos generales ‐ 3

Existen dos grandes categorías de electrofiltros:

Precipitadores de una etapa y alto voltaje (30 a 100 kV)Precipitadores de dos etapas y bajo voltaje (10 a 12 kV)

Los precipitadores de dos etapas operan con corona positiva y se emplean para depuración de aire respirable

Los de una etapa operan con corona negativa y existen dos tipologías:

Precipitadores tubulares, minoritarios, en aplicaciones con bajo caudal de gases y, normalmente, con limpieza por vía húmedaPrecipitadores de placas, mayoritarios

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Electrofiltros: Geometría de precipitadores de placas

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Electrofiltros: Proceso de precipitación electrostática

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Electrofiltros: Factores limitantes del proceso de  precipitación electrostática

Un precipitador debe operar con la máxima diferencia de potencial entre electrodos que pueda ser aplicada (máx. intensidad de campo eléctrico; máx. velocidad de carga y carga de las partículas; y, en consecuencia, máx. velocidad de migración)

El voltaje del precipitador se encuentra limitado por:

La rotura eléctrica del gas entre los electrodos (arco eléctrico)La rotura eléctrica del gas contenido en los intersticios de la capa de polvo captado (arco eléctrico, para baja o media resistividad, o corona inversa, para resistividad superior a 2·1011 ohm·cm)

El arco eléctrico es fácil de detectar y corregir. La corona inversa, no y produce una notable pérdida de rendimiento del electrofiltro

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Electrofiltros: Esquema de un precipitador de placas

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Electrofiltros: Tipos de electrodos de descarga

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Electrofiltros: Precipitador de placas

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Dos vías:Complejos modelos matemáticosModelos empíricos simplificados (Deutsch-Andersen; Matts-Ohnfeldt; ...)

Electrofiltros: Cálculo de la superficie de captura 

)QS

w(- - 1 = eG expη )QS

w(- - 1 = eG expη

Ecuación de Deutsch-Andersen:

ηG= 1 - exp (-we · S/Q)con: ηG, rendimiento global

S, superficie de capturaQ, caudal de gaswe, velocidad de migración efectiva del caso concreto

we depende de las características del gas y las partículas a depurar

Existen datos empíricos de we para las aplicaciones habituales

Cenizas volantes de carbón pulverizado

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Electrofiltros: Estado actual de la técnica

Electrofiltros de placas con bastidores de electrodos rígidos

Electrodos de media energía (tipo tubo con puntas)

Gran ancho de calle (típicamente 400 mm)

Control de la energización por microprocesador en el voltaje límite del arco eléctrico (típicamente unas 60 descargas/min)

Energización intermitente para reducción de consumo eléctrico y de corona inversa

Alta seccionalización del electrofiltro

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Filtros de mangas: Conceptos generales ‐ 1

La filtración es, probablemente, el más antiguo, simple y eficaz procedimiento de separación de polvo de una corriente de gas

La operación consiste en forzar el paso de la corriente de gas a través de un medio filtrante (tejido), que produce un cierto efecto filtrante, aunque su principal misión es soportar la capa de polvo (torta) que se acumula sobre él y que es la responsable real del proceso de filtración

Su denominación proviene de que las superficies filtrantes tienen forma de bolsa o de manga

Se emplean en múltiples aplicaciones en las que se requiere:El tratamiento de gases con temperatura baja o media (menor a 260 ºC)La depuración de partículas de pequeño tamaño (10-2 a 100 micras)Alta eficacia de depuración (típicamente 99,9%)

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Filtros de mangas: Conceptos generales ‐ 2

Operados correctamente alcanzan una eficacia del 99,9% con pérdidas de carga de unos 150 mm c.a.

A medida que el tejido se carga de partículas, la pérdida de carga del gas va aumentando hasta que hay que proceder a la limpieza del filtro y comenzar un nuevo ciclo de filtración

Existen tres grandes familias de filtros de mangas en función del mecanismo de limpieza empleado:

Filtros con limpieza por sacudidas mecánicasFiltros con limpieza por flujo o chorro inversoFiltros con limpieza por pulsos de aire comprimido

En la actualidad, los filtros con limpieza por pulsos son el referente tecnológico

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Filtros de mangas: Sistema de limpieza por pulsos

PULSO DE AIRE

BURBUJA

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Filtros de mangas: Filtro con limpieza por pulsos

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Filtros de mangas: Características de los tejidos

Máxima temperatura (ºC)Resistencia a

ácidosResistencia a

álcalisResistencia a

flexiónSostenida Puntual

Algodón 80 - M R B

Polipropileno 95 120 MB MB B a MB

Nylon 115 - R B MB

Poliester 135 - B R MB

Nomex 205 230 R B MB

Teflón 260 290 MB MB B

Fibra de vidrio 290 315 MB R M a R

M = mala; R = regular; B = buena; MB = muy buena

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Filtros de mangas: Rendimiento de depuración

El proceso de captación de partículas es muy complejo de modelar, aunque esto no es relevante porque un filtro correctamente diseñado y mantenido alcanza rendimientos de depuración del 99,9%

Cuando en la práctica no se alcanza esa eficacia se debe a:Rotura de mangasCortocircuito por fugasExcesiva limpiezaExcesivo flujo de gas

El dimensionado del filtro se realiza usando una velocidad de filtración adecuada (parámetro empírico en función del tipo de filtro y del proceso)

Vf = Q / Acon: Vf , velocidad de filtración

Q , caudal de gas a depurarA , área de filtración del equipo

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Filtros de mangas: Velocidad de filtración para filtros limpiados por pulsos

Polvo Velocidad de filtración (m/min)

Carbono, Grafito, Polvos metalúrgicos, Jabón,Detergentes, Oxido de Zinc 1,5 - 1,8

Crudo de cemento, Arcilla, Plásticos, Pigmentos, Almidón, Azúcar, Serrín, Zinc (metálico) 2,1 - 2,5

Oxido de aluminio, Cemento, Arcilla vitrificada, Cal, Caliza, Yeso, Mica, Cuarzo, Haba de Soja, Talco 2,8 - 3,3

Cacao, Chocolate, Harina, Granos, Polvo de Pieles, Arena, Tabaco 3,6 - 4,2

NOTA: Las velocidades indicadas se deben reducir en 0,3 m/min si la carga de polvo es muy alta o si las partículas son muy pequeñas

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Filtros de mangas: Estado actual de la técnica

Filtros con limpieza por pulsos de aire comprimido

Diferentes estrategias de limpieza (HPLV, MPMV, LPHV)

Tejidos con resistencia a temperatura elevada (hasta 250 – 280 ºC)

Mangas de fieltro punzonado de alta porosidad

Posibilidad de empleo de mangas con película exterior con microporo(filtración superficial)

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Tecnologías de depuración de partículas

ElectrofiltroVentajas:•operación más económica•menor consumo de energía•muy baja resistencia al paso del gas•resiste altas temperaturas

Desventajas:•alta inversión para bajos caudales•muy sensible a las condiciones del proceso

•una vez construido, tiene dificultades para ser modificado y lograr mayor rendimiento de depuración

Filtro de mangasVentajas:•simple•fiable•alcanza altas eficiencias de captación con facilidad

Desventajas:•es muy sensible a la temperatura•gran resistencia al paso del gas•consume más energía para operar que un electrofiltro

•requiere del cambio periódico de mangas

Comparativa Electrofiltro vs. Filtro de mangas ‐ 1

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Comparativa Electrofiltro vs. Filtro de mangas ‐ 2

Conversión de electrofiltros a filtros de mangas

En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de tejidos filtrantes permite construir filtros de mangas con mayor resistencia al desgaste, a la temperatura y con menor resistencia al paso del gas

Los nuevos límites de emisión sumados a la baja flexibilidad que presenta el electrofiltro hace que muchas plantas con electrofiltrosconsideren el cambio de esta tecnología por la del filtro de mangas

La conversión de un electrofiltro a filtro de mangas es menos costosa y de plazo de ejecución menor que la ampliación o renovación del electrofiltro y que la instalación completa de un filtro de mangas