Precipitatori Elettrostatici (ESP) Spiegati

Cos'è un precipitatori elettrostatici (ESP)?

Un precipitatori elettrostatici (ESP) è un dispositivo utilizzato per catturare le particelle di polvere generate o rilasciate da vari processi industriali. L'obiettivo di un ESP è impedire che queste particelle vengano emesse nell'atmosfera, dove possono causare inquinamento. Gli ESP sono installati in molti tipi di impianti industriali, ma sono particolarmente comuni nelle centrali termoelettriche, dove fanno parte del sistema di depurazione dei gas di scarico.  

Precipitatori Elettrostatici

Il diagramma seguente mostra la posizione di un ESP all'interno di un sistema di gas di scarico di una centrale a carbone. Un altro componente importante per la depurazione dei gas di scarico è il desolforatore dei gas di scarico (FDG), noto anche come ‘scrubber’; lo scrubber è mostrato a sinistra dell'ESP nel diagramma sottostante.

Sistema di Gas di Scarico con ESP Evidenziato

Ti sta piacendo questo articolo? Allora assicurati di dare un'occhiata ai nostri Corsi Video di Ingegneria! Ogni corso include un quiz, manuale, e riceverai un certificato al completamento del corso. Buon divertimento!

ESPs nelle Centrali a Carbone

Nelle centrali a carbone (e in altri impianti termoelettrici), il carbone viene bruciato nella camera di combustione (caldaia o forno) in forma solida o polverizzata. Il carbone (combustibile) viene tipicamente alimentato alla camera di combustione tramite un ventilatore a tiraggio forzato che fornisce l'aria di combustione necessaria. I prodotti della combustione consistono tipicamente in gas di scarico composto da fumo, ceneri volanti e ceneri pesanti. Le ceneri pesanti cadono sul fondo del forno e vengono rimosse periodicamente in tramogge per ceneri. La combinazione di ceneri volanti e fumo viene rimossa da un ventilatore a tiraggio indotto (o ventilatori) e smaltita tramite il camino. Se un ESP è installato come parte del sistema di depurazione dei gas di scarico, si trova tra il ventilatore a tiraggio indotto e la camera di combustione.

Diagramma di Flusso del Processo della Centrale a Carbone

In alcune industrie, la polvere catturata da un ESP può essere venduta anziché smaltita, ma ciò dipende da molti fattori come posizione, proprietà della polvere, domanda ecc.

Storia

In passato, non si prestava attenzione alle emissioni di polvere dagli impianti industriali. Successivamente, i governi hanno reagito ai rapporti delle agenzie di protezione ambientale e dell'industria medica riguardo agli effetti nocivi delle particelle rilasciate nell'atmosfera dagli impianti industriali. Un esempio di tale particella è la cenere volante.

La cenere volante è composta da ossidi di silicio, ferro, calcio e alluminio; sostanze nocive come il zolfo sono anche contenute nella cenere volante. Studi sugli effetti della cenere volante sugli esseri umani hanno rilevato che può causare malattie respiratorie, nonché cancro, insufficienza cardiaca e alcune reazioni immunologiche. Altre polveri emesse dai processi industriali, come la polvere di carbone, sono anche note per causare malattie polmonari come la pneumoconiosi. Ma i problemi derivanti dalla cenere volante non sono solo legati agli esseri umani. Lo scarico della cenere volante sul terreno aumenta il pH del suolo e causa danni alle piante e agli animali nell'ecosistema immediato. Lo scarico di grandi volumi di cenere volante è noto per causare lisciviazione chimica nel suolo, con conseguenti effetti nocivi sulla vita marina acquatica.

Data la negatività degli effetti dell'inquinamento incontrollato, in molti paesi sono state emanate leggi per ridurre le particelle nocive che entrano completamente nell'atmosfera. Le leggi sull'inquinamento atmosferico emanate anni fa hanno portato a ulteriori sviluppi del precipitatori elettrostatici e alla sua adozione diffusa. Poiché molte culture ora danno priorità alla protezione dell'ambiente, è probabile che la legislazione diventi ancora più rigorosa, il che porterà a ulteriori progressi nella separazione delle particelle e a ESP sempre più efficienti.

Oggi, le efficienze tipiche per la rimozione della polvere da un sistema di gas di scarico variano tra il 98% e il 99,9%. In alcune industrie, la polvere creata dall'impianto ha valore monetario e gli ESP possono catturare questa preziosa merce anziché lasciarla espellere nell'atmosfera.

Come Funzionano i Precipitatori Elettrostatici - Base

Il precipitatori elettrostatici funziona caricando le particelle all'interno di un flusso di gas mentre il gas scorre attraverso l'ESP. Queste particelle caricate negativamente sono attratte da grandi piastre piane caricate positivamente all'interno dell'ESP, dove si accumulano gradualmente sulle superfici delle piastre. Una volta che un numero significativo di particelle si è accumulato sulle piastre, un meccanismo meccanico (sistema di battitura) colpisce le piastre, con la conseguente vibrazione che scuote le particelle dalle piastre; le particelle poi cadono per gravità e vengono raccolte in tramogge alla base dell'ESP.

Animazione Assemblaggio ESP

Come Funzionano i Precipitatori Elettrostatici - Avanzato

I precipitatori elettrostatici hanno solitamente una forma rettangolare con tramogge di raccolta della polvere installate alla loro base. I componenti principali di un ESP consistono in elettrodi/piastre di raccolta, elettrodi di scarica, schermi perforati di ingresso e uscita, isolatori per gli elettrodi di scarica, battitori e uno o più trasformatori elettrici.

Componenti Tipici di un Precipitatori Elettrostatici in una Centrale Termoelettrica

Schermi Perforati di Ingresso e Uscita

Gli ESP hanno un ingresso gas e un uscita gas. Il flusso di gas che entra nell'ESP passa attraverso schermi perforati e viene distribuito uniformemente all'interno dell'ESP; le particelle intrappolate nel flusso di gas sono conseguentemente distribuite uniformemente all'interno dell'ESP.

Elettrodi di Scarica

Gli elettrodi di scarica consistono in una serie di fili disposti orizzontalmente attraverso l'ESP e installati in diverse file. Ogni elettrodo di scarica è collegato a un'alimentazione ad alta tensione, che è alimentata da un sistema elettrico situato sulla parte superiore dell'alloggiamento dell'ESP. Trasformatori elettrici aumentano la tensione primaria fornita (di solito ≈380V) a diverse migliaia di volt (di solito tra 20 kV e 70 kV).

Parti Tipiche di un Precipitatori Elettrostatici in una Centrale Termoelettrica (dettaglio)

Unità di Rettifica

Il sistema elettrico incorpora un'unità di rettifica per trasformare la tensione AC in tensione DC. Questa trasformazione da tensione AC a DC è necessaria per ottenere il campo elettrico richiesto che ionizzerà le particelle mentre passano attraverso l'ESP. La tensione DC viene alimentata agli elettrodi di scarica, il che porta alla generazione di un campo elettrico negativo intorno a loro. Il campo elettrico negativo intorno agli elettrodi di scarica provoca una carica negativa sulle particelle, che le fa essere attratte dalle piastre di raccolta caricate positivamente.

Come Funzionano i Precipitatori Elettrostatici

Elettrodi di Raccolta

Gli elettrodi di raccolta hanno una forma rettangolare lunga e sottile e sono anche chiamati piastre di raccolta. La materia particellare è attratta dalle piastre tramite forza elettrostatica. Una volta che la materia particellare si è accumulata sulle piastre, c'è un meccanismo per scuotere le piastre, che fa cadere le particelle per gravità nelle tramogge di raccolta alla base dell'ESP.

Forza Elettrostatica

Sistema di Battitura

Il meccanismo utilizzato per scuotere (battere/colpire) le piastre è chiamato sistema di battitura mentre il processo è noto come battitura. Altri sistemi di battitura sono disponibili, gli ESP umidi utilizzano acqua per risciacquare le piastre, mentre gli ESP secchi non utilizzano acqua (il meccanismo menzionato in precedenza è il tipo di ESP secco).

Sistema di Battitura delle Piastre di Raccolta

Le battiture/martelli sono collegati a un motore elettrico tramite un riduttore con un albero comune. Quando il sistema viene avviato, i martelli ruotano e collidono con le piastre di raccolta. Quando il martello impatta con le piastre di raccolta, le particelle accumulate sulle superfici delle piastre di raccolta vengono liberate dalle vibrazioni risultanti e cadono nelle tramogge di raccolta alla base dell'ESP.

Sistema di Trasporto

Le particelle/polvere vengono rimosse dalle tramogge tramite un sistema di trasporto; possono quindi essere scaricate direttamente su un camion merci, vagone ferroviario, chiatta o nave. Un'altra opzione è scaricare le particelle raccolte nelle tramogge dell'impianto di fanghi, dove vengono mescolate con acqua per formare un fango. Se le particelle hanno valore monetario, possono essere trasportate e immagazzinate a secco in un grande silo; questo è di solito il caso della cenere volante perché può essere venduta ai produttori di cemento.  

Come Funzionano gli ESP Sommario

Il processo che avviene in un ESP può essere riassunto dallo schema seguente.

 Flusso di Processo del Precipitatori Elettrostatici

Manutenzione dei Precipitatori Elettrostatici

La manutenzione di un precipitatori elettrostatici si concentra principalmente sui componenti meccanici ed elettrici. I seguenti problemi comuni possono portare a una riduzione dell'efficienza dell'ESP:

• Perdita del campo elettrico a causa della rottura del filo di scarica - questo accade tipicamente a causa dell'erosione delle parti da parte delle particelle di polvere, o, a causa del riempimento eccessivo delle tramogge di raccolta che porta al cortocircuito di alcuni dei fili di scarica; uno scenario di riempimento eccessivo è mostrato nell'immagine sottostante.

Precipitatori Elettrostatici Sovraccarico (lato elettrodi di raccolta)

• Incapacità del sistema di battitura di rimuovere la polvere dalle piastre di raccolta a causa della perdita di trasmissione sul sistema di battitura - questo di solito accade quando il perno di taglio del motore si rompe a causa di un cuscinetto bloccato sull'albero comune.

I difetti sopra menzionati possono essere corretti solo quando l'ESP è fuori carico (offline). Il lavoro di manutenzione comporta l'ingresso all'interno dell'ESP e l'ispezione visiva dei componenti e delle parti.  Per entrare nell'ESP, le tramogge potrebbero dover essere svuotate prima. Per questo motivo, il lavoro di manutenzione viene tipicamente completato in pochi giorni. Durante un'interruzione a lungo termine, vengono solitamente eseguiti i seguenti compiti di manutenzione (a seconda del design dell'ESP):

• Lavaggio/risciacquo del precipitatori.
• Test in aria ferma per controllare la forza del campo elettrico sviluppato intorno agli elettrodi di scarica.
• Raddrizzamento degli elettrodi di scarica e raccolta piegati.
• Sostituzione delle piastre di raccolta usurate.
• Sostituzione degli elettrodi di scarica danneggiati.
• Ristrutturazione degli assemblaggi dei cuscinetti dei battitori.
• Sostituzione dei martelli dei battitori danneggiati.

La manutenzione dei componenti elettrici sull'ESP comporta tipicamente il controllo degli isolatori degli elettrodi di scarica per danni e funzionalità dei motori e dei trasformatori di tensione. I trasformatori di tensione sono di solito del design trasformatore ermetico e devono essere mantenuti in conformità con il piano di manutenzione delle macchine elettriche dell'impianto.

Consiglio – la manutenzione dei trasformatori elettrici degli ESP è spesso trascurata a causa della loro posizione (sopra l'ESP). Sebbene i trasformatori elettrici siano molto affidabili, ci sono stati casi in cui i trasformatori degli ESP hanno fallito e preso fuoco; questo è particolarmente un problema con i trasformatori ermetici poiché contengono olio minerale. A causa della posizione del trasformatore dell'ESP sopra l'ESP, è difficile spegnere l'incendio anche quando i vigili del fuoco arrivano con attrezzature e macchinari specializzati. Per questo motivo, l'incendio può essere lasciato a ‘bruciare’ in modo controllato, con un significativo tempo di inattività (tempo di interruzione non programmato) che si verifica di conseguenza.

Corsi di Ingegneria Online Correlati

Precipitatori Elettrostatici (ESP)

Come Funzionano le Centrali a Carbone Parte

Risorse Aggiuntive

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