El rendimiento del precipitador es muy sensible a dos propiedades de las partículas: 1) La resistividad eléctrica; y 2) La distribución del tamaño de las partículas. Estas propiedades pueden medirse de forma económica y precisa en el laboratorio, utilizando pruebas estándar. La resistividad puede determinarse en función de la temperatura de acuerdo con la norma IEEE 548. Esta prueba se realiza en un entorno de aire que contiene una concentración de humedad determinada. La prueba se realiza en función de la temperatura ascendente o descendente, o de ambas. Los datos se adquieren utilizando un campo eléctrico medio de la capa de ceniza de 4 kV/cm. Dado que se utiliza una tensión aplicada relativamente baja y que no hay vapor de ácido sulfúrico en el entorno de la prueba, los valores obtenidos indican la máxima resistividad de las cenizas.
En un ESP, donde la carga y la descarga de partículas son funciones clave, la resistividad es un factor importante que afecta significativamente a la eficacia de la recogida. Aunque la resistividad es un fenómeno importante en la región entre electrodos, donde tiene lugar la mayor parte de la carga de partículas, tiene un efecto especialmente importante en la capa de polvo del electrodo de recogida, donde se produce la descarga. Las partículas que presentan una alta resistividad son difíciles de cargar. Pero una vez cargadas, no ceden fácilmente la carga adquirida al llegar al electrodo de recogida. Por otro lado, las partículas con baja resistividad se cargan fácilmente y ceden su carga a la placa de recogida conectada a tierra. Ambos extremos de resistividad impiden el funcionamiento eficaz de los ESP. Los precipitadores electrostáticos funcionan mejor en condiciones normales de resistividad.
La resistividad, que es una característica de las partículas en un campo eléctrico, es una medida de la resistencia de una partícula a la transferencia de carga (tanto aceptando como cediendo cargas). La resistividad es una función de la composición química de una partícula, así como de las condiciones de funcionamiento de los gases de combustión, como la temperatura y la humedad. Las partículas pueden tener una resistividad alta, moderada (normal) o baja.
La resistividad de las partículas se define utilizando una versión más general de la Ley de Ohm, tal y como se indica en la ecuación (1) que aparece a continuación:
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E → = ρ j → {\displaystyle {\vec {E}}= {\rho },{\vec {j}}
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(1) |
Where: E is the Electric field strength (V/cm); j is the Current density (A/cm2); and ρ is the Resistivity (Ohm-cm)
Una mejor manera de mostrar esto sería resolver la resistividad en función de la tensión y la corriente aplicadas, como se da en la ecuación (2) a continuación:
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ρ = A V I l {\displaystyle \rho ={frac {AV}{Il}}
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(2) |
Where: ρ = Resistivity (Ohm-cm) V = The applied DC potential, (Volts); I = The measured current, (Amperes); l = The ash layer thickness, (cm); and A = The current measuring electrode face area, (cm2).
La resistividad es la resistencia eléctrica de una muestra de polvo 1.0 cm2 de sección transversal, de 1,0 cm de espesor, y se registra en unidades de ohm-cm. En este artículo se describe un método para medir la resistividad. La tabla siguiente, da rangos de valores para resistividad baja, normal y alta.
| Resistividad | Rango de medición |
|---|---|
| Baja | entre 104 y 107 ohm-cm |
| Normal | entre 107 y 2×1010 ohm-cm |
| Alto | por encima de 2×1010 ohm-cm |
La resistencia de la capa de polvoEditar
La resistencia afecta a las condiciones eléctricas de la capa de polvo por la formación de un campo eléctrico potencial (caída de tensión) a través de la capa cuando las partículas cargadas negativamente llegan a su superficie y filtran sus cargas eléctricas a la placa de recogida. En la superficie metálica de la placa colectora conectada a tierra, la tensión es nula, mientras que en la superficie exterior de la capa de polvo, donde llegan nuevas partículas e iones, la tensión electrostática causada por los iones del gas puede ser bastante alta. La fuerza de este campo eléctrico depende de la resistencia y del grosor de la capa de polvo.
En las capas de polvo de alta resistencia, el polvo no es suficientemente conductor, por lo que las cargas eléctricas tienen dificultades para moverse a través de la capa de polvo. En consecuencia, las cargas eléctricas se acumulan sobre y bajo la superficie de la capa de polvo, creando un fuerte campo eléctrico.
Las tensiones pueden ser superiores a 10.000 voltios. Las partículas de polvo con alta resistencia se adhieren con demasiada fuerza a la placa, lo que dificulta su eliminación y provoca problemas de golpeo.
En las capas de polvo de baja resistencia, la corriente de corona pasa fácilmente al electrodo de recogida conectado a tierra. Por lo tanto, se mantiene un campo eléctrico relativamente débil, de varios miles de voltios, a través de la capa de polvo. Las partículas de polvo recogidas con baja resistencia no se adhieren con suficiente fuerza a la placa de recogida. Se desprenden fácilmente y quedan retenidas en la corriente de gas.
La conductividad eléctrica de una capa de partículas depende tanto de factores de superficie como de volumen. La conducción de volumen, o el movimiento de las cargas eléctricas a través del interior de las partículas, depende principalmente de la composición y la temperatura de las partículas. En las regiones de mayor temperatura, por encima de 500 °F (260 °C), la conducción de volumen controla el mecanismo de conducción. En la conducción de volumen también intervienen factores auxiliares, como la compresión de la capa de partículas, el tamaño y la forma de las partículas y las propiedades de la superficie.
La conducción de volumen se representa en las figuras como una línea recta a temperaturas superiores a 500 °F (260 °C). A temperaturas inferiores a unos 450 °F (230 °C), las cargas eléctricas comienzan a fluir a través de la humedad superficial y las películas químicas adsorbidas en las partículas. La conducción superficial comienza a reducir los valores de resistividad y a curvar la curva hacia abajo a temperaturas inferiores a 500 °F (260 °C).
Estas películas suelen diferir tanto física como químicamente del interior de las partículas debido a los fenómenos de adsorción. Los cálculos teóricos indican que las películas de humedad de sólo unas pocas moléculas de espesor son adecuadas para proporcionar la conductividad superficial deseada. La conducción superficial en las partículas está estrechamente relacionada con las corrientes de fuga superficial que se producen en los aislantes eléctricos, que han sido ampliamente estudiadas. Una aplicación práctica interesante de la fuga superficial es la determinación del punto de rocío mediante la medición de la corriente entre electrodos adyacentes montados en una superficie de vidrio. Un aumento brusco de la corriente señala la formación de una película de humedad en el vidrio. Este método se ha utilizado eficazmente para determinar el marcado aumento del punto de rocío, que se produce cuando se añaden pequeñas cantidades de vapor de ácido sulfúrico a una atmósfera (existen medidores de punto de rocío comerciales en el mercado).
La siguiente discusión sobre la resistencia normal, alta y baja se aplica a los ESP que funcionan en estado seco; la resistencia no es un problema en el funcionamiento de los ESP húmedos debido a la concentración de humedad en el ESP. La relación entre el contenido de humedad y la resistencia se explica más adelante en este trabajo.
Resistividad normalEditar
Como se ha indicado anteriormente, los ESP funcionan mejor en condiciones de resistividad normal. Las partículas con resistividad normal no pierden rápidamente su carga al llegar al electrodo de recogida. Estas partículas filtran lentamente su carga a las placas conectadas a tierra y son retenidas en las placas de recogida por fuerzas adhesivas y cohesivas intermoleculares. Esto permite que se forme una capa de partículas que luego se desprende de las placas por golpeo. Dentro del rango de resistividad normal del polvo (entre 107 y 2 x 1010 ohm-cm), las cenizas volantes se recogen más fácilmente que el polvo que tiene una resistividad baja o alta.
Alta resistividadEditar
Si la caída de tensión a través de la capa de polvo es demasiado alta, pueden producirse varios efectos adversos. En primer lugar, la alta caída de tensión reduce la diferencia de tensión entre el electrodo de descarga y el electrodo de recogida, y por lo tanto reduce la fuerza del campo electrostático utilizado para conducir las partículas cargadas de iones de gas a la capa de polvo recogida. A medida que la capa de polvo se acumula, y las cargas eléctricas se acumulan en la superficie de la capa de polvo, la diferencia de tensión entre los electrodos de descarga y de recogida disminuye. Las velocidades de migración de las partículas pequeñas se ven especialmente afectadas por la reducción de la intensidad del campo eléctrico.
Otro problema que se produce con las capas de polvo de alta resistividad es la llamada corona trasera. Esto ocurre cuando la caída de potencial a través de la capa de polvo es tan grande que empiezan a aparecer descargas de corona en el gas que está atrapado dentro de la capa de polvo. La capa de polvo se rompe eléctricamente, produciendo pequeños agujeros o cráteres desde los que se producen las descargas de la corona posterior. Los iones positivos del gas se generan dentro de la capa de polvo y se aceleran hacia el electrodo de descarga «cargado negativamente». Los iones positivos reducen algunas de las cargas negativas de la capa de polvo y neutralizan algunos de los iones negativos de las «partículas cargadas» que se dirigen hacia el electrodo de recogida. Las interrupciones del proceso normal de la corona reducen en gran medida la eficacia de recogida del ESP, que en casos graves, puede caer por debajo del 50% . Cuando se produce la corona de retorno, las partículas de polvo se acumulan en los electrodos formando una capa de aislamiento. A menudo esto no puede repararse sin poner la unidad fuera de servicio.
El tercer problema, y generalmente el más común con el polvo de alta resistividad, es el aumento de las chispas eléctricas. Cuando la tasa de chispas supera el «límite de tasa de chispas establecido», los controladores automáticos limitan la tensión de funcionamiento del campo. Esto hace que se reduzca la carga de las partículas y la velocidad de migración hacia el electrodo de recogida. La alta resistividad puede reducirse generalmente haciendo lo siguiente:
- Ajustando la temperatura;
- Aumentando el contenido de humedad;
- Agregando agentes acondicionadores a la corriente de gas;
- Aumentando la superficie de recogida; y
- Usando precipitadores del lado caliente (ocasionalmente y con conocimiento del agotamiento del sodio).
Las capas de polvo finas y el polvo de alta resistividad favorecen especialmente la formación de cráteres de corona posterior. Se ha observado una severa corona trasera con capas de polvo tan finas como 0,1 mm, pero una capa de polvo de poco más de una partícula de espesor puede reducir la tensión de chispa en un 50%. Los efectos más marcados de la corona trasera en las características de corriente-tensión son:
- Reducción de la chispa sobre la tensión hasta en un 50% o más;
- Saltos de corriente o discontinuidades causadas por la formación de cráteres de corona trasera estables; y
- Gran aumento de la corriente de corona máxima, que justo por debajo de la chispa sobre la brecha de corona puede ser varias veces la corriente normal.
La figura de abajo y de la izquierda muestra la variación de la resistividad con el cambio de la temperatura del gas para seis polvos industriales diferentes junto con tres cenizas volantes de carbón. La Figura de la derecha ilustra los valores de resistividad medidos para varios compuestos químicos que se prepararon en el laboratorio.
Los resultados de la ceniza volante A (en la figura de la izquierda) se adquirieron en el modo de temperatura ascendente. Estos datos son típicos para una ceniza de contenido moderado a alto de combustibles. Los datos de la ceniza volante B son de la misma muestra, adquiridos durante el modo de temperatura descendente.
Las diferencias entre los modos de temperatura ascendente y descendente se deben a la presencia de combustibles no quemados en la muestra. Entre los dos modos de prueba, las muestras se equilibran en aire seco durante 14 horas (durante la noche) a 850 °F (450 °C). Este proceso de recocido nocturno suele eliminar entre el 60% y el 90% de los combustibles no quemados presentes en las muestras. No se sabe exactamente cómo funciona el carbono como portador de carga, pero se sabe que reduce significativamente la resistividad de un polvo.
El carbono puede actuar, al principio, como un polvo de alta resistividad en el precipitador. Pueden ser necesarias tensiones más altas para que comience la generación de corona. Estas tensiones más altas pueden ser problemáticas para los controles del TR-Set. El problema radica en que el inicio de la corona provoca una gran cantidad de corriente que atraviesa la capa de polvo (de baja resistividad). Los controles detectan esta sobrecarga como una chispa. Como los precipitadores funcionan en modo de limitación de chispas, se interrumpe la alimentación y se reinicia el ciclo de generación de corona. Así, se observan lecturas de potencia (corriente) más bajas con lecturas de tensión relativamente altas.
Se cree que ocurre lo mismo en las mediciones de laboratorio. En las mediciones de laboratorio se utiliza la geometría de placa paralela sin generación de corona. Un vaso de acero inoxidable sostiene la muestra. Otro peso de electrodo de acero inoxidable se asienta sobre la muestra (contacto directo con la capa de polvo). A medida que se aumenta la tensión desde cantidades pequeñas (por ejemplo, 20 V), no se mide ninguna corriente. A continuación, se alcanza un nivel de tensión umbral. A este nivel, la corriente se dispara a través de la muestra… tanto que la unidad de suministro de tensión puede desconectarse. Tras la eliminación de los combustibles no quemados durante el procedimiento de recocido mencionado, la curva de modo de temperatura descendente muestra la típica forma de «V» invertida que cabría esperar.
Baja resistividadEditar
Las partículas que tienen baja resistividad son difíciles de recoger porque se cargan fácilmente (son muy conductoras) y pierden rápidamente su carga al llegar al electrodo de recogida. Las partículas adquieren la carga del electrodo de recogida, rebotan en las placas y se reintroducen en la corriente de gas. De este modo, no existen las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión que normalmente actúan en las resistividades normales y superiores, y las fuerzas de unión a la placa se reducen considerablemente. Ejemplos de polvos de baja resistividad son el carbono no quemado de las cenizas volantes y el negro de humo.
Si estas partículas conductoras son gruesas, pueden eliminarse antes del precipitador utilizando un dispositivo como un colector mecánico ciclónico.
La adición de amoníaco líquido (NH
3) a la corriente de gas como agente acondicionador ha encontrado un amplio uso en los últimos años. Se cree que el amoníaco reacciona con el H
2SO
4 contenido en los gases de combustión para formar un compuesto de sulfato de amonio que aumenta la cohesividad del polvo. Esta cohesividad adicional compensa la pérdida de fuerzas de atracción eléctrica.
La siguiente tabla resume las características asociadas a los polvos de baja, normal y alta resistividad.
El contenido de humedad de la corriente de gases de combustión también afecta a la resistividad de las partículas. El aumento del contenido de humedad de la corriente de gases mediante la pulverización de agua o la inyección de vapor en los conductos que preceden al PES reduce la resistividad. Tanto en el ajuste de la temperatura como en el acondicionamiento de la humedad, hay que mantener las condiciones del gas por encima del punto de rocío para evitar problemas de corrosión en el ESP o en los equipos posteriores. La figura de la derecha muestra el efecto de la temperatura y la humedad en la resistividad de un polvo de cemento. A medida que el porcentaje de humedad en la corriente de gas aumenta del 6 al 20%, la resistividad del polvo disminuye drásticamente. Asimismo, el aumento o la disminución de la temperatura puede disminuir la resistividad del polvo de cemento para todos los porcentajes de humedad representados.
Se ha demostrado que la presencia de SO
3 en la corriente de gas favorece el proceso de precipitación electrostática cuando se producen problemas de alta resistividad. La mayor parte del contenido de azufre en el carbón quemado para las fuentes de combustión se convierte en SO
2. Sin embargo, aproximadamente el 1% del azufre se convierte en SO
3. La cantidad de SO
3 en los gases de combustión normalmente aumenta con el incremento del contenido de azufre del carbón. La resistividad de las partículas disminuye al aumentar el contenido de azufre del carbón.
| Resistividad | Rango de medición | Características del precipitador |
|---|---|---|
| Baja | entre 104 y 107 ohm-cm |
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| Normal | entre 107 y 2 x 1010 ohm-cm |
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| Marginal a Alto | entre 2 x 1010 y 1012 ohm-cm |
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| Alto | por encima de 1012 ohm-cm |
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También se han utilizado otros agentes acondicionadores, como el ácido sulfúrico, el amoníaco, el cloruro de sodio y la ceniza de sosa (a veces como trona cruda), para reducir la resistividad de las partículas. Por lo tanto, la composición química de la corriente de gases de combustión es importante con respecto a la resistividad de las partículas que se van a recoger en el ESP. La siguiente tabla enumera varios agentes acondicionadores y sus mecanismos de funcionamiento.
| Agente acondicionador | Mecanismo(s) de acción |
|---|---|
| Trióxido de azufre y/o ácido sulfúrico |
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| Amoniaco |
El mecanismo no está claro, se han propuesto varios;
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| Sulfato de amonio | Se sabe poco sobre el mecanismo; se afirma lo siguiente:
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| Trietilamina | Se alega aglomeración de partículas; no hay datos que lo corroboren. |
| Compuestos de sodio |
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| Compuestos de metales de transición | Se postula que catalizan la oxidación de SO 2 a SO 3; no hay pruebas definitivas con cenizas volantes para verificar esta postulación. |
| Sulfato de potasio y cloruro de sodio | En los ESP de los hornos de cemento y cal:
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Si la inyección de sulfato de amonio se produce a una temperatura superior a unos 600 °F (320 °C), se produce la disociación en amoníaco y trióxido de azufre. Dependiendo de las cenizas, el SO
2 puede interactuar preferentemente con las cenizas volantes como acondicionamiento de SO
3. El resto se recombina con el amoníaco para añadir a la carga espacial, así como para aumentar la cohesividad de las cenizas.
Más recientemente, se ha reconocido que una de las principales razones de la pérdida de eficiencia del precipitador electrostático se debe a la acumulación de partículas en los cables de carga, además de las placas de recogida (Davidson y McKinney, 1998). Esto se remedia fácilmente asegurándose de que los propios cables se limpian al mismo tiempo que se limpian las placas colectoras.
El vapor de ácido sulfúrico (SO
3) potencia los efectos del vapor de agua en la conducción superficial. Se adsorbe físicamente dentro de la capa de humedad en las superficies de las partículas. Los efectos de cantidades relativamente pequeñas de vapor de ácido pueden verse en la figura siguiente y a la derecha.
La resistividad inherente de la muestra a 300 °F (150 °C) es de 5×1012 ohm-cm. Una concentración de equilibrio de sólo 1,9 ppm de vapor de ácido sulfúrico reduce ese valor a unos 7 x 109 ohm-cm.
