Tecnologías de desempolvado industrial

Hay dos tipos principales de captadores de polvo: secos y húmedos. El método seco incluye los captadores de polvo con capa filtrante (filtros de bolsa, bolsas, cartuchos), mecánicos (ciclones) y electrostáticos (precipitadores electrostáticos); el método húmedo incluye depuradores, depuradores venturi, columnas de burbujas y precipitadores electrostáticos húmedos. La elección de un colector de polvo depende del rendimiento esperado, de las limitaciones presupuestarias y de los procesos industriales que se van a desempolvar, en particular del tamaño de las partículas emitidas.

Capa filtrante colectores de polvo (filtros de bolsa, bolsas, cartuchos)

El principio: el aire polvoriento pasa a través de un medio filtrante poroso, reteniendo todas las partículas mayores que la porosidad del medio.

El dispositivo consta de un cajón con una tolva de recogida de polvo en su base. El cajón contiene filas (verticales u horizontales) de elementos filtrantes (bolsas, bolsillos, cartuchos) a través de los cuales pasa el flujo de aire polvoriento. En la entrada del cajón, el aire habrá encontrado primero un deflector. Por impactación inercial, separa las partículas más grandes del flujo de aire, que caen a la tolva.

El polvo restante se deposita entonces en la superficie del medio filtrante. La corriente de aire sale libre de polvo de la capa filtrante formada por las paredes porosas de los elementos filtrantes. Las partículas, depositadas continuamente, se aglomeran formando una capa que contribuye a la filtración del aire: la torta filtrante. La torta filtrante aumenta la eficacia de la captación de polvo. Por otro lado, aumenta la caída de presión (la obstrucción se mide por la diferencia de presión estática entre aguas arriba y aguas abajo del medio filtrante). Esto requiere: o bien la sustitución del medio filtrante (papel desechable, fieltro, etc.), o bien el desatasco periódico (encendido o apagado) para regenerar el medio filtrante.

En general, para garantizar la continuidad del funcionamiento, las operaciones de limpieza se realizan de forma automática y secuencial en una parte del medio filtrante, mientras que la otra parte continúa la filtración. En cambio, el desatasco manual requiere intervenir al final del proceso, o incluso detenerlo por completo. La duración de la obstrucción del filtro hasta que se alcanza una caída de presión crítica debe poder ajustarse a la duración del proceso.

Los principales métodos de limpieza de los elementos filtrantes son :

• Sacudida mecánica, que provoca una onda de deformación en el tejido de las mangas para hacer caer la torta de filtración.
• Desobstrucción mediante la inversión del flujo de aire en el interior de los poros del medio filtrante. Se realiza automáticamente tras un límite de caída de presión o un tiempo establecidos.
• Limpieza neumática de las bolsas mediante inyección de aire comprimido (chorro-pulso), que contrarresta momentáneamente la filtración y levanta el polvo del filtro. Tiene el inconveniente de resuspender el polvo, parte del cual se deposita en los medios vecinos; de ahí el uso de la limpieza por grupos de elementos para limitar este fenómeno.

Los filtros de mangas requieren una velocidad de filtración baja para mantener la regeneración del filtro. Durante las operaciones de limpieza, la velocidad ascendente del flujo no debe chocar con la velocidad de sedimentación de las partículas limpiadas. La velocidad de filtración varía entre 0,6 y 6 cm/s, según el polvo y el gas que haya que tratar y el tipo de medio filtrante. La velocidad de filtración o tasa de filtración también se expresa en m3/h.m².

Los medios filtrantes se presentan en una gran variedad de estructuras: tejidos, fieltros de agujas, compuestos, membranas y cerámicas. Están hechos de materiales sintéticos (PET, nailon), minerales (vidrio) u orgánicos (celulosa). Estas fibras se tratan para mejorar determinadas propiedades: resistencia química, conductividad, hidrofobicidad, oleofobicidad, adhesividad, humectabilidad, etc.

La elección del elemento filtrante depende de la concentración de polvo en el flujo a tratar, la naturaleza del polvo, la composición de los gases, la eficacia requerida, el método de limpieza, la resistencia a la temperatura y las limitaciones económicas.

Laeficacia de captación de un colector de polvo es mínima para las partículas de entre 0,1 y 0,5µm de diámetro (demasiado grandes para ser captadas por difusión, demasiado pequeñas para ser captadas por impactación o interceptación). A 0,1µm, la eficacia es del 95%. Por encima de 0,5µm es superior al 99%. Si es necesario, puede añadirse una etapa de filtración de seguridad HEPA H13 o H14 cuando las concentraciones de emisión que deben alcanzarse son particularmente bajas.

Esta técnica de desempolvado consigue un alto nivel de separación y es adecuada para una amplia gama de concentraciones de emisión de polvo. La tecnología de capa filtrante es la más utilizada en la industria para la separación de gases y sólidos, ya que los colectores de polvo de bolsa o cartucho combinan una buena eficacia con un coste de funcionamiento atractivo.

Captadores de polvo mecánicos: ciclones, decantadores

Ciclones

Cómo funciona: el aire polvoriento gira en un ciclón; la fuerza centrífuga empuja el polvo contra la pared, donde se apelmaza y se deposita en la tolva. El aire limpio sube por el centro del ciclón hasta la salida situada en la parte superior.

La separación del polvo es aún más eficaz cuando :

• el radio del ciclón es pequeño (aumenta la fuerza centrífuga)
• la concentración de partículas es elevada (lo que favorece su aglomeración)
• la densidad de las partículas es alta (camino más rápido hacia la pared)
• la temperatura del flujo de aire es baja (reduce la viscosidad del gas, aumenta el efecto ciclónico)

Un caudal de aire elevado en la entrada del ciclón ayuda a recoger las partículas finas.

Los ciclones no cumplen la normativa sobre contaminación atmosférica. Generalmente se utilizan como captadores primarios de polvo o preseparadores de partículas gruesas o escorias, por ejemplo. Su bajo coste y sencillez los hacen ideales para este fin. Los ciclones se eligen para recoger partículas del orden de 10μm y superiores.

Decantadores

Las partículas más grandes se separan previamente por decantación en un recinto (caja de expansión, cámara de decantación). Las partículas mayores de 30 µm pueden decantarse a una velocidad de 5 m/s del aire cargado de polvo.

Captadores de polvo húmedo: depuradores, venturi, columnas de burbujas

Cómo funciona: el aire polvoriento se pone en contacto con un líquido de lavado.

Buscamos el efecto humectante de la partícula. Favorecemos el contacto entre el líquido y el polvo:

• o por condensación del vapor alrededor de la partícula,
• o añadiendo tensioactivos para que el polvo se adhiera a la gota de líquido.

Elaire desempolvado se separa del líquido polvoriento por centrifugación o por inercia. Cuanto más íntima sea la mezcla o más pequeñas sean las gotas (sin ser demasiado finas para separarse del aire), mayor será la separación del polvo.

En un lavador, el aire circula de abajo arriba y los pulverizadores expulsan gotas de agua a contracorriente.

Un venturiacelera la velocidad del aire cargado de polvo, mientras que un difusor convergente aumenta el impacto entre las partículas y las gotas de pulverización. A continuación, una tobera divergente ralentiza la velocidad, permitiendo que el polvo se agrupe. Por último, el flujo de aire pasa por un separador de tipo ciclónico, donde el polvo es capturado por centrifugación e inercia. El flujo de aire libre de polvo asciende por el centro del ciclón hasta la salida central situada en la parte superior.

Los depuradores y los depuradores venturi son eficaces para partículas de entre 0,5 y 1 μm. Por debajo de 0,5 µm, la eficacia de captura va acompañada de una importante caída de presión y, por tanto, de un mayor consumo de energía. Sin embargo, la captura de partículas mayores de una micra aumenta con la concentración de polvo.

La eficacia de captura también aumenta con los caudales de agua y aire. Esto multiplica la probabilidad de contacto aire/agua con polvo. Además, el aumento de estos caudales en la garganta del venturi aumenta proporcionalmente la eficacia de los depuradores venturi. En la captación de partículas influye principalmente la velocidad del rociado de agua.

Hasta 200µm, añadir un tensioactivo y aumentar la altura de la gota mejora la recogida de polvo para gotas de unos 3 mm. Esto se debe a que el tensioactivo aumenta la deformación de la gota al caer, y por tanto su superficie de contacto.

La transferencia de polvo de una fase gaseosa a una fase líquida puede suponer unos costes de tratamiento significativos, así como un consumo de agua y energía, en comparación con el proceso en seco. Los lavadores se utilizan para resolver un problema de seguridad relacionado con polvos explosivos y gases inflamables, o cuando el aire a tratar se acerca a la saturación de agua.

El proceso húmedo también utiliza columnas de burbujas para eliminar el polvo del aire. El aire se distribuye uniformemente por la sección transversal de la columna en forma de finas burbujas. A medida que aumenta la altura del líquido, también aumenta el tiempo que tarda la burbuja en recorrerlo.

La reducción del caudal de aire disminuye el diámetro de las burbujas y aumenta la eficacia de recogida. Además, esta eficacia aumenta con: el tamaño de las partículas entre 1,5 y 20 µm (estable por encima, por debajo de 1µm: baja eficacia), el uso de tensioactivos, el tamaño de los orificios de distribución del gas. La menor eficacia de recogida de las partículas nanométricas puede mejorarse con la finura de las burbujas, el régimen de burbujeo y la adición de empaquetaduras para mejorar el tiempo de residencia de las burbujas.

La construcción e instalación de columnas de burbujas es bastante sencilla y relativamente barata. Sin embargo,la eficacia de captura sigue siendo baja en comparación con los filtros de mangas o los precipitadores electrostáticos.

Precipitadores electrostáticos, precipitadores electrostáticos o precipitadores electrostáticos

El principio de la captación de polvo consiste en cargar eléctricamente las partículas y, a continuación, utilizar las interacciones electrostáticas para desviarlas de la trayectoria de la corriente de polvo. El polvo cargado se dirige entonces hacia un electrodo con la carga eléctrica opuesta, donde se aglomera.

Los electrodos emisores (a menudo cables) y los electrodos receptores (placas) forman este dispositivo. Se aplica una tensión negativa a los ánodos, que emiten electrones a su alrededor. Esto tiene el efecto de ionizar las moléculas de gas que, atraídas por los cátodos, chocan con el polvo que encuentran a su paso y lo cargan eléctricamente. A su vez, el polvo cargado es atraído hacia las placas y se agrupa. La eficacia del filtro se mantiene limpiando periódicamente las placas mediante diversas técnicas: vibración, martilleo, lavado. El polvo se recoge en una tolva y luego se evacua.

La eficacia de un colector de polvo eléctrico fijo depende de :

• la resistividad del polvo (entre¹⁰⁶ y¹⁰¹⁴ Ω.cm).
• velocidad del aire (de 1 a 4 m/s)
• la fisicoquímica del polvo
• la geometría de los electrodos

Por debajo de¹⁰⁶ Ω.cm, el polvo que llega al electrodo colector pierde fácilmente su carga eléctrica y puede ser recogido por el flujo de aire. Por encima de¹⁰¹⁴ Ω.cm se forma una capa aislante en el cátodo que dificulta la eficacia del filtro.

El paso del aire a través del precipitador electrostático provoca una baja caída de presión (50-100Pa). Para aumentar la eficacia del precipitador electrostático, se pueden colocar varios campos de captación eléctrica (entre 2 y 6) en serie, en función del avance del proceso de eliminación del polvo. Esto es óptimo para partículas mayores de 100 nm. Sin embargo, cuando las partículas son inferiores a 16 nm, son más eficaces varios precipitadores electrostáticos de un solo campo. Y para un tamaño de partícula de 0,2µm, hay una eficacia de captura mínima.

Los electrodos emisores de pequeño diámetro y los electrodos colectores de gran superficie aumentan la eficacia de la captación de polvo.

Un ajuste incorrecto de la tensión puede provocar la rotura del electrodo y, por tanto, un riesgo de explosión. Un precipitador electrostático húmedo hace frente a este riesgo. El principio de funcionamiento es idéntico al de un precipitador electrostático seco. La diferencia radica en la presencia de una película húmeda en los electrodos colectores, alimentada por un sistema de riego por goteo. Captura

El volumen de un precipitador electrostático es importante, al igual que la inversión que representa. El consumo de electricidad y la necesidad de personal cualificado hacen que los costes de funcionamiento sean elevados. Los precipitadores electrostáticos se recomiendan para grandes caudales de gas (80.000^m3/h). Se utilizan principalmente en la industria pesada, como la siderurgia, las plantas de incineración de residuos, las cementeras y las unidades de producción de energía.

Conclusión

La eliminación del polvo implica varios efectos para separar las partículas de la corriente de aire: sedimentación, impactación, centrifugación, humectación, filtración y atracción electrostática. Los colectores de polvo suelen combinar varios de estos efectos para conseguir el nivel deseado de eliminación de polvo. En función del contexto industrial, entran en juego otros criterios , como la movilidad, la ubicación del captador de polvo, etc.