Precipitador electrostático

Desempenho do precipitador é muito sensível a duas propriedades particuladas: 1) Resistividade elétrica; e 2) Distribuição granulométrica. Estas propriedades podem ser medidas econômica e precisamente no laboratório, usando testes padrão. A resistividade pode ser determinada em função da temperatura, de acordo com a norma IEEE 548. Este teste é realizado em um ambiente com ar contendo uma concentração de umidade especificada. O teste é realizado em função da temperatura ascendente ou descendente, ou de ambos. Os dados são obtidos utilizando um campo elétrico médio de 4 kV/cm de camada de cinzas. Como a tensão aplicada é relativamente baixa e nenhum vapor de ácido sulfúrico está presente no ambiente de teste, os valores obtidos indicam a resistividade máxima de cinza.

Em um ESP, onde a carga e descarga de partículas são funções chave, a resistividade é um fator importante que afeta significativamente a eficiência da coleta. Embora a resistividade seja um fenómeno importante na região inter-electrodo onde ocorre a maior parte da carga de partículas, tem um efeito particularmente importante na camada de pó no eléctrodo de recolha onde ocorre a descarga. As partículas que exibem alta resistividade são difíceis de carregar. Mas uma vez carregadas, elas não desistem prontamente da carga adquirida à chegada ao eléctrodo de recolha. Por outro lado, partículas com baixa resistividade facilmente se carregam e liberam sua carga prontamente para a placa coletora aterrada. Ambos os extremos da resistividade impedem o funcionamento eficiente dos ESPs. Os ESPs funcionam melhor em condições normais de resistividade.

Resistividade, que é uma característica das partículas em um campo elétrico, é uma medida da resistência de uma partícula à transferência de carga (tanto aceitando como desistindo de cargas). A resistividade é uma função da composição química de uma partícula, bem como das condições de operação dos gases de combustão, tais como temperatura e umidade. As partículas podem ter alta, moderada (normal) ou baixa resistividade.

Resistividade a granel é definida usando uma versão mais geral da Lei de Ohm, como dada na Equação (1) abaixo:

E → = ρ j → {\displaystyle {\vec {\vec {\\\rho }}={\rho {\vec {\j}}}

(1)

 Where: E is the Electric field strength (V/cm); j is the Current density (A/cm2); and ρ is the Resistivity (Ohm-cm)

Uma maneira melhor de mostrar isto seria resolver para resistividade em função da tensão e corrente aplicadas, como indicado na Equação (2) abaixo:

ρ = A V I l {\displaystyle \rho ={\frac {\i}}}

(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).

Resistividade é a resistência eléctrica de uma amostra de pó 1.0 cm2 na seção transversal, 1,0 cm de espessura, e é registrada em unidades de ohm-cm. Um método para medir a resistividade será descrito neste artigo. A tabela abaixo, dá faixas de valores para baixa, normal, e alta resistividade.

Resistência da camada de póEditar

Resistência afecta as condições eléctricas na camada de pó por um campo eléctrico potencial (queda de tensão) que se está a formar ao longo da camada à medida que as partículas carregadas negativamente chegam à sua superfície e libertam as suas cargas eléctricas para a placa colectora. Na superfície metálica da placa coletora eletricamente aterrada, a voltagem é zero, enquanto na superfície externa da camada de pó, onde novas partículas e íons estão chegando, a voltagem eletrostática causada pelos íons de gás pode ser bastante alta. A força deste campo eléctrico depende da resistência e espessura da camada de pó.

Em camadas de pó de alta resistência, o pó não é suficientemente condutivo, pelo que as cargas eléctricas têm dificuldade em mover-se através da camada de pó. Consequentemente, as cargas eléctricas acumulam-se sobre e sob a superfície da camada de pó, criando um forte campo eléctrico.

Voltagens podem ser superiores a 10.000 volts. Partículas de poeira com alta resistência são mantidas muito fortemente na placa, dificultando a sua remoção e causando problemas de rapping.

Em camadas de poeira de baixa resistência, a corrente corona é prontamente passada para o eletrodo de coleta aterrado. Portanto, um campo elétrico relativamente fraco, de vários milhares de volts, é mantido em toda a camada de pó. As partículas de poeira coletadas com baixa resistência não aderem com força suficiente à placa coletora. Elas são facilmente deslocadas e ficam retidas no fluxo de gás.

A condutividade elétrica de uma camada de partículas a granel depende de fatores tanto de superfície como de volume. A condução do volume, ou os movimentos das cargas elétricas através dos interiores das partículas, depende principalmente da composição e da temperatura das partículas. Nas regiões de temperatura mais elevada, acima de 260 °C (500 °F), a condução de volume controla o mecanismo de condução. A condução de volume também envolve fatores auxiliares, como compressão da camada de partículas, tamanho e forma das partículas e propriedades de superfície.

Condução de volume é representada nas figuras como uma linha reta a temperaturas acima de 500 °F (260 °C). A temperaturas abaixo de cerca de 230 °C (450 °F), cargas elétricas começam a fluir através da umidade superficial e filmes químicos adsorvidos nas partículas. A condução superficial começa a baixar os valores de resistividade e dobra a curva para baixo a temperaturas inferiores a 260 °C (500 °F).

Estes filmes geralmente diferem física e quimicamente dos interiores das partículas devido a fenômenos de adsorção. Os cálculos teóricos indicam que as películas de humidade com apenas algumas moléculas de espessura são adequadas para fornecer a condutividade superficial desejada. A condução superficial das partículas está intimamente relacionada com as correntes de fuga de superfície que ocorrem nos isoladores elétricos, que têm sido extensivamente estudadas. Uma aplicação prática interessante da fuga superficial é a determinação do ponto de orvalho através da medição da corrente entre eletrodos adjacentes montados em uma superfície de vidro. Um forte aumento da corrente sinaliza a formação de uma película de humidade no vidro. Este método tem sido usado eficazmente para determinar o aumento marcado do ponto de orvalho, que ocorre quando pequenas quantidades de vapor de ácido sulfúrico são adicionadas a uma atmosfera (medidores de ponto de orvalho comerciais estão disponíveis no mercado).

A seguinte discussão sobre resistência normal, alta e baixa aplica-se aos ESPs operados em estado seco; a resistência não é um problema no funcionamento dos ESPs úmidos devido à concentração de umidade no ESP. A relação entre o teor de umidade e a resistência é explicada mais adiante neste trabalho.

Resistividade normalEditar

Como dito acima, os ESPs funcionam melhor sob condições normais de resistividade. As partículas com resistividade normal não perdem rapidamente a sua carga à chegada ao eléctrodo de recolha. Estas partículas vazam lentamente sua carga para placas aterradas e são retidas nas placas de coleta por meio de adesivo intermolecular e forças coesivas. Isto permite a formação de uma camada de partículas e o seu deslocamento das placas por meio de um “rapping”. Dentro da faixa de resistividade normal do pó (entre 107 e 2 x 1010 ohm-cm), as cinzas volantes são coletadas mais facilmente do que o pó com baixa ou alta resistividade.

Alta resistividadeEditar

Se a queda de tensão através da camada de pó se tornar muito alta, vários efeitos adversos podem ocorrer. Primeiro, a alta queda de tensão reduz a diferença de tensão entre o eléctrodo de descarga e o eléctrodo de recolha e, assim, reduz a força do campo electrostático utilizado para conduzir as partículas de gás carregadas por iões até à camada de pó recolhida. À medida que a camada de pó se acumula e as cargas elétricas se acumulam na superfície da camada de pó, a diferença de voltagem entre os eletrodos de descarga e de coleta diminui. As velocidades de migração de pequenas partículas são especialmente afetadas pela força reduzida do campo elétrico.

Um outro problema que ocorre com as camadas de pó de alta resistividade é chamado de corona traseira. Isto ocorre quando a queda potencial através da camada de pó é tão grande que as descargas de coroa começam a aparecer no gás que está preso dentro da camada de pó. A camada de pó decompõe-se eletricamente, produzindo pequenos orifícios ou crateras a partir dos quais ocorrem as descargas de coroa dorsal. Os íons de gás positivos são gerados dentro da camada de pó e são acelerados em direção ao eletrodo de descarga “carregado negativamente”. Os íons positivos reduzem algumas das cargas negativas na camada de pó e neutralizam alguns dos íons negativos nas “partículas carregadas” em direção ao eletrodo de coleta. As interrupções do processo corona normal reduzem muito a eficiência de recolha do ESP, que em casos graves, pode descer abaixo dos 50% . Quando a coroa traseira está presente, as partículas de pó acumulam-se nos eléctrodos formando uma camada de isolamento. Muitas vezes isto não pode ser reparado sem que a unidade seja desligada.

O terceiro, e geralmente o problema mais comum com o pó de alta resistividade é o aumento da faísca elétrica. Quando a taxa de faíscas excede o “limite definido da taxa de faíscas”, os controladores automáticos limitam a tensão de operação do campo. Isto causa redução da carga de partículas e diminuição das velocidades de migração para o eletrodo de coleta. A alta resistividade geralmente pode ser reduzida fazendo o seguinte:

• Ajustando a temperatura;
• Aumentando o teor de umidade;
• Adicionando agentes condicionadores ao fluxo de gás;
• Aumentando a superfície de coleta; e
• Utilizando precipitadores do lado quente (ocasionalmente e com presciência de esgotamento de sódio).

Pó fino e pó de alta resistividade favorecem especialmente a formação de crateras corona dorsais. Foi observada uma corona dorsal severa com camadas de pó tão finas quanto 0,1 mm, mas uma camada de pó com pouco mais de uma partícula de espessura pode reduzir a tensão de ignição em 50%. Os efeitos mais marcados da coroa dorsal nas características de tensão-corrente são:

1. Redução da centelha sobre tensão até 50% ou mais;
2. Saltos de corrente ou descontinuidades causadas pela formação de crateras corona dorsal estáveis; e
3. Aumento grande da corrente corona máxima, que logo abaixo da centelha sobre a centelha pode ser várias vezes a corrente normal.

A figura abaixo e à esquerda mostra a variação da resistividade com variação da temperatura do gás para seis poeiras industriais diferentes, juntamente com três cinzas volantes a carvão. A Figura à direita ilustra os valores de resistividade medidos para vários compostos químicos que foram preparados em laboratório.

Valores de resistividade de pós e fumos representativos de plantas industriais

Resistividade Valores de Vários Produtos Químicos e Reagentes em Função da Temperatura

Resultados para Cinzas Moscas A (na figura à esquerda) foram adquiridos no modo de temperatura ascendente. Estes dados são típicos para um teor moderado a alto de cinzas combustíveis. Os dados para a cinza volante B são da mesma amostra, adquiridos durante o modo de temperatura descendente.

As diferenças entre os modos de temperatura ascendente e descendente são devidas à presença de combustíveis não queimados na amostra. Entre os dois modos de teste, as amostras são equilibradas em ar seco durante 14 horas (durante a noite) a 450 °C (850 °F). Esse processo de recozimento noturno normalmente remove entre 60% e 90% de qualquer combustível não queimado presente nas amostras. Exatamente como o carbono funciona como um portador de carga não é totalmente compreendido, mas sabe-se que reduz significativamente a resistividade de uma poeira.

Resistividade medida em função da temperatura em concentrações variáveis de umidade (Umidade)

O carbono pode agir, a princípio, como uma poeira de alta resistividade no precipitador. Tensões mais altas podem ser necessárias para que a geração de corona comece. Estas tensões mais altas podem ser problemáticas para os controles do TR-Set. O problema está no início da geração de coroa, fazendo com que grandes quantidades de corrente surjam através da camada de pó (baixa resistividade). Os controles sentem este surto como uma faísca. Como os precipitadores são operados em modo de limitação de centelha, a energia é terminada e o ciclo de geração de coroa é reiniciado. Assim, leituras de menor potência (corrente) são notadas com leituras de tensão relativamente altas.

Acredita-se que a mesma coisa ocorra nas medições de laboratório. A geometria da placa paralela é usada em medições de laboratório sem geração de coroa. Um copo de aço inoxidável segura a amostra. Um outro peso de eletrodo de aço inoxidável fica em cima da amostra (contato direto com a camada de pó). Como a tensão é aumentada a partir de pequenas quantidades (por exemplo 20 V), nenhuma corrente é medida. Então, um nível de tensão limite é atingido. A este nível, a corrente sobe pela amostra… tanto que a unidade de alimentação de tensão pode disparar. Após a remoção dos combustíveis não queimados durante o procedimento de recozimento acima mencionado, a curva do modo de temperatura descendente mostra a típica forma “V” invertida que se pode esperar.

Baixa resistividadeEditar

Partículas com baixa resistividade são difíceis de recolher porque são facilmente carregadas (muito condutoras) e perdem rapidamente a sua carga à chegada ao eléctrodo de recolha. As partículas assumem a carga do eléctrodo de recolha, ressaltam das placas e voltam a entrar no fluxo de gás. Assim, faltam forças eléctricas atractivas e repulsivas que estão normalmente em funcionamento em resistividades normais e superiores, e as forças de ligação à placa são consideravelmente reduzidas. Exemplos de pós de baixa resistividade são o carbono não queimado em cinzas volantes e negro de fumo.

Se estas partículas condutivas forem grosseiras, elas podem ser removidas a montante do precipitador usando um dispositivo como um coletor mecânico ciclone.

A adição de amônia líquida (NH
3) no fluxo de gás como agente condicionante tem encontrado amplo uso nos últimos anos. É teorizado que a amônia reage com H
2SO
4 contida no gás de combustão para formar um composto de sulfato de amônio que aumenta a coesão da poeira. Esta coesividade adicional compensa a perda das forças de atração elétrica.

A tabela abaixo resume as características associadas a poeiras de baixa, normal e alta resistividade.

O teor de umidade do fluxo de gases de combustão também afeta a resistividade das partículas. O aumento do teor de humidade do fluxo de gás através da pulverização de água ou da injecção de vapor no trabalho de condutas que antecedem o ESP diminui a resistividade. Tanto no ajuste de temperatura como no condicionamento da umidade, deve-se manter as condições do gás acima do ponto de orvalho para evitar problemas de corrosão no ESP ou no equipamento a jusante. A figura à direita mostra o efeito da temperatura e umidade sobre a resistividade de um pó de cimento. Como a percentagem de humidade no fluxo de gás aumenta de 6 para 20%, a resistividade do pó diminui drasticamente. Além disso, o aumento ou diminuição da temperatura pode diminuir a resistividade do pó de cimento para todas as percentagens de humidade representadas.

A presença de SO
3 no fluxo de gás tem demonstrado favorecer o processo de precipitação electrostática quando ocorrem problemas com a alta resistividade. A maior parte do teor de enxofre no carvão queimado para fontes de combustão se converte em SO
2. Entretanto, aproximadamente 1% do enxofre se converte em SO
3. A quantidade de SO
3 no gás de combustão normalmente aumenta com o aumento do teor de enxofre do carvão. A resistividade das partículas diminui com o aumento do teor de enxofre do carvão.

Outros agentes condicionantes, tais como ácido sulfúrico, amoníaco, cloreto de sódio e cinza de soda (às vezes como trona bruta), também têm sido usados para reduzir a resistividade das partículas. Portanto, a composição química do fluxo de gases de combustão é importante no que diz respeito à resistividade das partículas a serem recolhidas no ESP. A tabela abaixo lista vários agentes condicionantes e seus mecanismos de operação.

Se a injecção de sulfato de amónio ocorrer a uma temperatura superior a cerca de 600 °F (320 °C), a dissociação em resultados de amónia e trióxido de enxofre. Dependendo das cinzas, o SO
2 pode interagir preferencialmente com as cinzas volantes como o condicionamento SO
3. O restante recombina com amônia para adicionar à carga espacial, bem como aumentar a coesão da cinza.

Mais recentemente, foi reconhecido que uma das principais razões para a perda de eficiência do precipitador eletrostático é devido ao acúmulo de partículas nos fios de carga, além das placas de coleta (Davidson e McKinney, 1998). Isto é facilmente remediado, assegurando que os próprios fios são limpos ao mesmo tempo que as placas colectoras são limpas.

Vapor de ácido sulfúrico (SO
3) aumenta os efeitos do vapor de água na condução superficial. Ele é fisicamente adsorvido dentro da camada de umidade nas superfícies das partículas. Os efeitos de quantidades relativamente pequenas de vapor ácido podem ser vistos na figura abaixo e à direita.

A resistividade inerente da amostra a 300 °F (150 °C) é de 5×1012 ohm-cm. Uma concentração de equilíbrio de apenas 1,9 ppm de vapor ácido sulfúrico baixa esse valor para cerca de 7 x 109 ohm-cm.

Resistividade Modelada em Função das Condições Ambientais – Especialmente o Vapor Ácido Sulfúrico