¿Qué es un precipitador electrostático (ESP)?
Un precipitador electrostático (ESP) es un dispositivo utilizado para capturar partículas de polvo generadas o liberadas en diversos procesos industriales. El objetivo de un ESP es prevenir que estas partículas sean liberadas a la atmósfera, donde pueden causar contaminación. Los ESP se instalan en muchos tipos de plantas industriales, siendo más comunes en centrales térmicas, donde forman parte del sistema de depuración de gases de combustión.
Precipitador Electrostático
El diagrama a continuación muestra la ubicación de un ESP dentro de un sistema de gases de combustión de una central térmica de carbón. Otro componente importante para la depuración de gases de combustión es el desulfurador de gases de combustión (FDG), también conocido como ‘torre de lavado’; la torre de lavado se muestra a la izquierda del ESP en el diagrama a continuación.
Sistema de Gases de Combustión con ESP Destacado
¿Disfrutando de este artículo? ¡Entonces asegúrate de revisar nuestros Cursos de Video de Ingeniería! Cada curso incluye un cuestionario, manual, y recibirás un certificado al completar el curso. ¡Disfruta!
ESPs en Centrales Térmicas de Carbón
En plantas de generación de energía a carbón (y otros tipos de centrales térmicas), el carbón se quema en la cámara de combustión (caldera o horno) en forma sólida o pulverizada. El carbón (combustible) se introduce típicamente en la cámara de combustión mediante un ventilador de tiro forzado que suministra el aire de combustión necesario. Los productos de combustión consisten típicamente en gases de combustión compuestos de humo, ceniza volante y ceniza pesada. La ceniza pesada cae al fondo del horno y se retira periódicamente en tolvas de ceniza. La combinación de ceniza volante y humo se elimina mediante un ventilador de tiro inducido (o ventiladores) y se expulsa a través de la chimenea. Si se instala un ESP como parte del sistema de depuración de gases de combustión, se encuentra entre el ventilador de tiro inducido y la cámara de combustión.
Diagrama de Flujo del Proceso de Planta de Carbón
En ciertas industrias, el polvo capturado por un ESP puede venderse en lugar de desecharse, pero esto depende de muchos factores, como ubicación, propiedades del polvo, demanda, etc.
Historia
En el pasado, no se consideraban las emisiones de polvo de las plantas industriales. Más tarde, los gobiernos reaccionaron a los informes de las agencias de protección ambiental y la industria médica sobre los efectos nocivos de las partículas liberadas a la atmósfera desde las plantas industriales. Un ejemplo de este tipo de partícula es la ceniza volante.
La ceniza volante consiste en óxidos de silicio, hierro, calcio y aluminio; sustancias nocivas como el azufre también están contenidas en la ceniza volante. Los estudios sobre los efectos de la ceniza volante en los humanos han encontrado que puede causar enfermedades respiratorias, así como cáncer, insuficiencia cardíaca y algunas reacciones inmunológicas. Otros polvos emitidos por procesos industriales, como el polvo de carbón, también se sabe que causan enfermedades pulmonares como la neumoconiosis. Pero los problemas derivados de la ceniza volante no solo están relacionados con los humanos. El vertido de ceniza volante sobre el suelo aumenta el pH del suelo y causa daño a las plantas y animales en el ecosistema inmediato. El vertido de grandes volúmenes de ceniza volante ha sido conocido por causar lixiviación química en el suelo, con efectos nocivos resultantes sobre la vida marina acuática.
Dado los efectos negativos de la contaminación descontrolada, se ha promulgado legislación en la mayoría de los países para reducir las partículas nocivas que ingresan a la atmósfera por completo. Las leyes de contaminación del aire promulgadas hace años llevaron al desarrollo adicional del precipitador electrostático y su adopción generalizada. A medida que muchas culturas ahora priorizan la protección del medio ambiente, es probable que la legislación se vuelva aún más estricta, lo que a su vez conducirá a más avances en la separación de partículas y ESPs cada vez más eficientes.
Hoy en día, las eficiencias típicas para la eliminación de polvo de un sistema de gases de combustión varían entre 98% y 99.9%. En algunas industrias, el polvo creado por la planta tiene valor monetario y los ESPs pueden capturar esta valiosa mercancía en lugar de dejarla ser expulsada a la atmósfera.
Cómo Funcionan los Precipitadores Electrostáticos - Básico
El precipitador electrostático funciona cargando partículas dentro de una corriente de gas a medida que el gas fluye a través del ESP. Estas partículas cargadas negativamente son atraídas hacia grandes placas planas cargadas positivamente dentro del ESP, donde se acumulan gradualmente sobre las superficies de las placas. Una vez que un número significativo de partículas se ha acumulado en las placas, un mecanismo mecánico (sistema de golpeo) golpea las placas, con la vibración resultante sacudiendo las partículas de las placas; las partículas luego caen por gravedad y se recogen en tolvas en la base del ESP.
Animación de Montaje de ESP
Cómo Funcionan los Precipitadores Electrostáticos - Avanzado
Los precipitadores electrostáticos suelen tener una forma rectangular con tolvas de recolección de polvo instaladas en su base. Los componentes principales de un ESP consisten en electrodos/placas colectoras, electrodos de descarga, pantallas perforadas de entrada y salida, aisladores para los electrodos de descarga, golpeadores, y uno o más transformadores eléctricos.
Componentes Típicos de un Precipitador Electrostático de Planta Térmica
Pantallas Perforadas de Entrada y Salida
Los ESPs tienen una entrada de gas y una salida de gas. La corriente de gas que entra al ESP pasa a través de pantallas perforadas y se distribuye uniformemente en el interior del ESP; las partículas arrastradas dentro de la corriente de gas también se distribuyen uniformemente dentro del ESP.
Electrodos de Descarga
Los electrodos de descarga consisten en una serie de alambres que están dispuestos horizontalmente a través del ESP e instalados en varias filas. Cada electrodo de descarga está conectado a un suministro de alto voltaje, que se alimenta desde un sistema eléctrico ubicado en la parte superior de la carcasa del ESP. Transformadores eléctricos aumentan el voltaje primario suministrado (usualmente ≈380V) a varios miles de voltios (usualmente entre 20 kV a 70 kV).
.png)
Partes Típicas de un Precipitador Electrostático de Planta Térmica (detalle)
Unidad de Rectificación
El sistema eléctrico incorpora una unidad de rectificación para transformar voltaje AC a voltaje DC. Esta transformación de voltaje AC a DC es necesaria para lograr el campo eléctrico requerido que ionizará las partículas a medida que pasan a través del ESP. El voltaje DC se alimenta a los electrodos de descarga, lo que resulta en un campo eléctrico negativo que se genera a su alrededor. El campo eléctrico negativo alrededor de los electrodos de descarga causa que una carga negativa se imparta a las partículas, lo que hace que sean atraídas hacia las placas colectoras cargadas positivamente.
Cómo Funcionan los Precipitadores Electrostáticos
Electrodos Colectores
Los electrodos colectores tienen una forma rectangular larga y delgada y también se conocen como placas colectoras. El material particulado es atraído a las placas por fuerza electrostática. Una vez que el material particulado se ha acumulado en las placas, hay un mecanismo para sacudir las placas, lo que hace que las partículas caigan por gravedad en las tolvas de recolección en la base del ESP.
Fuerza Electrostática
Sistema de Golpeo
El mecanismo utilizado para sacudir (golpear/impactar) las placas se conoce como el sistema de golpeo mientras que el proceso se conoce como golpeo. Otros sistemas de golpeo están disponibles, los ESPs húmedos usan agua para enjuagar las placas, mientras que los ESPs secos no usan agua (el mecanismo mencionado anteriormente es del tipo seco).
Sistema de Golpeo de Placas Colectoras
Golpeadores/martillos están conectados a un motor eléctrico a través de una caja de engranajes reductora con un eje común. Cuando se inicia el sistema, los martillos giran y colisionan con las placas colectoras. A medida que el martillo impacta con las placas colectoras, las partículas acumuladas en las superficies de las placas colectoras son liberadas por las vibraciones resultantes, y caen en las tolvas de recolección en la base del ESP.
Sistema de Transporte
El material particulado/polvo se elimina de las tolvas a través de un sistema de transporte; luego puede descargarse directamente a un camión de carga, vagón de tren, barcaza o barco. Otra opción es descargar el material particulado recogido en tolvas de planta de lodos, donde se mezcla con agua para formar un lodo. Si el material particulado tiene valor monetario, puede ser transportado y almacenado en seco en un gran silo; este suele ser el caso con la ceniza volante porque puede venderse a fabricantes de cemento.
Resumen de Cómo Funcionan los ESPs
El proceso que tiene lugar en un ESP se puede resumir en el esquema a continuación.
Flujo del Proceso del Precipitador Electrostático
Mantenimiento del Precipitador Electrostático
El mantenimiento de un precipitador electrostático se centra principalmente en los componentes mecánicos y eléctricos. Los siguientes problemas comunes pueden llevar a una reducción en la eficiencia del ESP:
- Pérdida del campo eléctrico debido a la rotura del alambre de descarga - esto ocurre típicamente debido a la erosión de las partes por partículas de polvo, o debido al sobrellenado de las tolvas de recolección que lleva a cortocircuitos de algunos de los alambres de descarga; un escenario de sobrellenado se muestra en la imagen a continuación.
.png)
Precipitador Electrostático Sobrecargado (lado de los electrodos colectores)
- Incapacidad del sistema de golpeo para limpiar el polvo de las placas colectoras debido a la pérdida de accionamiento en el sistema de golpeo - esto suele ocurrir cuando el pasador de cizallamiento del motor se rompe debido a un rodamiento atascado en el eje común.
Los defectos anteriores solo pueden corregirse cuando el ESP está fuera de servicio (fuera de línea). El trabajo de mantenimiento implica entrar dentro del ESP e inspeccionar visualmente los componentes y partes. Para entrar al ESP, es posible que primero se deban vaciar las tolvas. Por esta razón, el trabajo de mantenimiento se completa típicamente en unos pocos días. Durante una parada a largo plazo, las siguientes tareas de mantenimiento se realizan generalmente (dependiendo del diseño del ESP):
- Lavado/enjuague del precipitador.
- Pruebas de aire quieto para verificar la fuerza del campo eléctrico desarrollado alrededor de los electrodos de descarga.
- Enderezamiento de electrodos de descarga y colectores doblados.
- Reemplazo de placas colectoras desgastadas.
- Reemplazo de electrodos de descarga dañados.
- Reacondicionamiento de conjuntos de rodamientos de golpeadores.
- Reemplazo de martillos de golpeadores dañados.
El mantenimiento de los componentes eléctricos en el ESP generalmente implica verificar los aisladores de los electrodos de descarga para detectar daños y la funcionalidad de motores y transformadores de voltaje. Los transformadores de voltaje suelen ser del diseño de transformador hermético y deben mantenerse de acuerdo con el plan de mantenimiento de maquinaria eléctrica de la planta.
Consejo – el mantenimiento de los transformadores eléctricos del ESP a menudo se descuida debido a su ubicación (en la parte superior del ESP). Aunque los transformadores eléctricos son muy confiables, ha habido casos en los que los transformadores del ESP han fallado y se han incendiado; esto es particularmente un problema con los transformadores herméticos ya que contienen aceite mineral. Debido a la ubicación de un transformador del ESP en la parte superior del ESP, es difícil extinguir el fuego incluso cuando el cuerpo de bomberos llega con equipo y maquinaria especializada. Por esta razón, el fuego puede dejarse ‘quemar’ de manera controlada, con un tiempo de inactividad significativo (tiempo de parada no programada) como resultado.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_precipitator
https://www.babcock.com/resources/learning-center/basic-esp-operation
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Electrostatic_precipitator
https://power.mhi.com/products/aqcs/lineup/dust-collector