Precipitador Eletrostático (ESP) Explicado

O que é um precipitador eletrostático (ESP)?

Um precipitador eletrostático (ESP) é um dispositivo utilizado para capturar partículas de poeira geradas ou liberadas por diversos processos industriais. O objetivo de um ESP é impedir que essas partículas sejam emitidas na atmosfera, onde podem causar poluição. ESPs são instalados em muitos tipos de instalações industriais, mas são mais comumente encontrados em usinas termelétricas, onde fazem parte do sistema de controle de emissões.  

Precipitador Eletrostático

O diagrama abaixo mostra a posição de um ESP dentro de um sistema de gases de combustão de uma usina a carvão. Outro componente importante usado para controle de emissões é o dessulfurizador de gases de combustão (FDG), também conhecido como ‘torre de lavagem’; a torre de lavagem é mostrada à esquerda do ESP no diagrama abaixo.

Sistema de Gases de Combustão com ESP Destacado

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ESPs em Usinas a Carvão

Em usinas de geração de energia a carvão (e outros projetos de usinas termelétricas), o carvão é queimado na câmara de combustão (caldeira ou fornalha) em forma sólida ou pulverizada. O carvão (combustível) é geralmente alimentado na câmara de combustão com um ventilador de tiragem forçada fornecendo o ar de combustão necessário. Os produtos da combustão geralmente consistem em gases de combustão compostos de fumaça, cinzas volantes e cinzas pesadas. As cinzas pesadas caem no fundo da fornalha e são removidas periodicamente em caçambas de cinzas. A combinação de cinzas volantes e fumaça é removida por um ventilador de tiragem induzida (ou ventiladores) e descartada através da chaminé. Se um ESP for instalado como parte do sistema de controle de emissões, ele está localizado entre o ventilador de tiragem induzida e a câmara de combustão.

Diagrama de Fluxo de Processo de Usina a Carvão

Em certas indústrias, a poeira capturada de um ESP pode ser vendida em vez de descartada, mas isso depende de muitos fatores, como localização, propriedades da poeira, demanda, etc.

História

No passado, não havia consideração para emissões de poeira de plantas industriais. Mais tarde, os governos reagiram a relatórios de agências de proteção ambiental e da indústria médica sobre os efeitos nocivos das partículas que estavam sendo liberadas na atmosfera por plantas industriais. Um exemplo de tal tipo de partícula é a cinza volante.

Cinzas volantes consistem em óxidos de silício, ferro, cálcio e alumínio; substâncias nocivas como enxofre também estão contidas nas cinzas volantes. Estudos sobre os efeitos das cinzas volantes em humanos descobriram que elas podem causar doenças respiratórias, bem como câncer, insuficiência cardíaca e algumas reações imunológicas. Outras poeiras emitidas por processos industriais, como poeira de carvão, também são conhecidas por causar doenças pulmonares como pneumoconiose. Mas os problemas decorrentes das cinzas volantes não estão apenas ligados aos humanos. O despejo de cinzas volantes no solo aumenta o pH do solo e causa danos às plantas e animais no ecossistema imediato. O despejo em grande volume de cinzas volantes é conhecido por causar lixiviação química no solo, com efeitos nocivos resultantes na vida marinha aquática.

Diante dos efeitos negativos da poluição descontrolada, legislações foram promulgadas na maioria dos países para reduzir completamente as partículas nocivas que entram na atmosfera. As leis de poluição do ar promulgadas anos atrás levaram ao desenvolvimento do precipitador eletrostático e sua ampla adoção. Como muitas culturas agora estão priorizando a proteção do meio ambiente, é provável que a legislação se torne ainda mais rigorosa, o que, por sua vez, levará a mais avanços na separação de partículas e ESPs cada vez mais eficientes.

Hoje, as eficiências típicas para remoção de poeira de um sistema de gases de combustão variam entre 98% e 99,9%. Em algumas indústrias, a poeira gerada pela planta tem valor monetário e os ESPs podem capturar essa valiosa mercadoria em vez de deixá-la ser expelida para a atmosfera.

Como Funcionam os Precipitadores Eletrostáticos - Básico

O precipitador eletrostático funciona carregando partículas dentro de um fluxo de gás à medida que o gás flui através do ESP. Essas partículas carregadas negativamente são atraídas para placas planas grandes carregadas positivamente dentro do ESP, onde se acumulam gradualmente nas superfícies das placas. Uma vez que um número significativo de partículas se acumulou nas placas, um mecanismo mecânico (sistema de batida) atinge as placas, com a vibração resultante sacudindo as partículas das placas; as partículas então caem devido à gravidade e são coletadas em caçambas na base do ESP.

Animação de Montagem do ESP

Como Funcionam os Precipitadores Eletrostáticos - Avançado

Os precipitadores eletrostáticos geralmente têm uma forma retangular com caçambas coletoras de poeira instaladas na base. Os principais componentes de um ESP consistem em eletrodos/placas coletoras, eletrodos de descarga, telas perfuradas de entrada e saída, isoladores para os eletrodos de descarga, batidas e um ou mais transformadores elétricos.

Componentes Típicos de um Precipitador Eletrostático de Usina Termelétrica

Telas Perfuradas de Entrada e Saída

Os ESPs têm uma entrada de gás e uma saída de gás. O fluxo de gás que entra no ESP passa por telas perfuradas e é distribuído uniformemente no interior do ESP; partículas contidas no fluxo de gás são consequentemente também distribuídas uniformemente dentro do ESP.

Eletrodos de Descarga

Eletrodos de descarga consistem em uma série de fios que são dispostos horizontalmente através do ESP e instalados em várias fileiras. Cada eletrodo de descarga é conectado a uma fonte de alta tensão, que é alimentada por um sistema elétrico localizado no topo da carcaça do ESP. Transformadores elétricos aumentam a tensão primária fornecida (geralmente ≈380V) para vários milhares de volts (geralmente entre 20 kV a 70 kV).

Partes Típicas de um Precipitador Eletrostático de Usina Termelétrica (close-up)

Unidade de Retificação

O sistema elétrico incorpora uma unidade de retificação para transformar tensão CA em tensão CC. Essa transformação de CA para CC é necessária para alcançar o campo elétrico necessário que ionizará as partículas à medida que passam pelo ESP. A tensão CC é alimentada aos eletrodos de descarga, o que resulta em um campo elétrico negativo sendo gerado ao redor deles. O campo elétrico negativo ao redor dos eletrodos de descarga causa uma carga negativa a ser transferida para as partículas, o que as faz serem atraídas para as placas coletoras carregadas positivamente.

Como Funcionam os Precipitadores Eletrostáticos

Eletrodos Coletores

Eletrodos coletores têm uma forma retangular longa e fina e também são chamados de placas coletoras. Material particulado é atraído para as placas por força eletrostática. Uma vez que o particulado se acumulou nas placas, há um mecanismo para sacudir as placas, o que faz com que as partículas caiam devido à gravidade nas caçambas de coleta na base do ESP.

Força Eletrostática

Sistema de Batida

O mecanismo usado para sacudir (bater/golpear) as placas é chamado de sistema de batida, enquanto o processo é conhecido como batida. Outros sistemas de batida estão disponíveis, ESPs úmidos usam água para enxaguar as placas, enquanto ESPs secos não usam água (o mecanismo mencionado anteriormente é do tipo seco ESP).

Sistema de Batida de Placas Coletoras

Batidas/martelos são conectados a um motor elétrico via uma caixa de engrenagens de redução com um eixo comum. Quando o sistema é iniciado, os martelos giram e colidem com as placas coletoras. À medida que o martelo impacta as placas coletoras, as partículas acumuladas nas superfícies das placas coletoras são liberadas pelas vibrações resultantes e caem nas caçambas de coleta na base do ESP.

Sistema de Transporte

Partículas/poeira são removidas das caçambas por um sistema de transporte; elas podem então ser descarregadas diretamente em um caminhão de carga, vagão de trem, barca ou navio. Outra opção é descarregar o particulado coletado em caçambas de planta de polpa, onde é misturado com água para formar uma polpa. Se o particulado tiver valor monetário, ele pode ser transportado e armazenado a seco em um grande silo; isso geralmente ocorre com cinzas volantes porque podem ser vendidas para fabricantes de cimento.  

Resumo de Como Funcionam os ESPs

O processo que ocorre em um ESP pode ser resumido pelo esquema abaixo.

 Fluxo de Processo do Precipitador Eletrostático

Manutenção do Precipitador Eletrostático

A manutenção de um precipitador eletrostático é focada principalmente nos componentes mecânicos e elétricos. Os seguintes problemas comuns podem levar a uma redução na eficiência do ESP:

• Perda do campo elétrico devido à quebra do fio de descarga - isso geralmente acontece devido à erosão das partes por partículas de poeira ou devido ao excesso de enchimento das caçambas de coleta, o que leva a curtos-circuitos em alguns dos fios de descarga; um cenário de excesso de enchimento é mostrado na imagem abaixo.

Precipitador Eletrostático Excedido (lado dos eletrodos coletores)

• Incapacidade do sistema de batida de limpar a poeira das placas coletoras devido à perda de acionamento no sistema de batida - isso geralmente acontece quando o pino de cisalhamento do motor se rompe devido a um rolamento travado no eixo comum.

Os defeitos acima só podem ser corrigidos quando o ESP está fora de carga (offline). O trabalho de manutenção envolve entrar dentro do ESP e inspecionar visualmente os componentes e partes. Para entrar no ESP, as caçambas podem precisar ser esvaziadas primeiro. Por essa razão, o trabalho de manutenção é geralmente concluído ao longo de alguns dias. Durante uma parada de longo prazo, as seguintes tarefas de manutenção são geralmente realizadas (dependendo do design do ESP):

• Lavagem/enxágue do precipitador.
• Testes de ar parado para verificar a força do campo elétrico desenvolvido ao redor dos eletrodos de descarga.
• Endireitamento de eletrodos de descarga e coleta dobrados.
• Substituição de placas coletoras desgastadas.
• Substituição de eletrodos de descarga danificados.
• Reforma de conjuntos de rolamentos de batida.
• Substituição de martelos de batida danificados.

A manutenção dos componentes elétricos no ESP geralmente envolve verificar os isoladores dos eletrodos de descarga para danos e funcionalidade de motores e transformadores de tensão. Transformadores de tensão são geralmente do tipo transformador hermético e devem ser mantidos de acordo com o plano de manutenção de máquinas elétricas da planta.

Dica – a manutenção de transformadores elétricos do ESP é frequentemente negligenciada devido à sua localização (no topo do ESP). Embora os transformadores elétricos sejam muito confiáveis, houve casos em que transformadores do ESP falharam e pegaram fogo; isso é particularmente um problema com transformadores herméticos, pois contêm óleo mineral. Devido à localização do transformador do ESP no topo do ESP, é difícil extinguir o fogo mesmo quando o corpo de bombeiros chega com equipamentos e máquinas especializadas. Por essa razão, o fogo pode ser deixado para ‘queimar’ de forma controlada, com um tempo de inatividade significativo (tempo de parada não programada) ocorrendo como resultado.

Recursos Adicionais

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