Esistono due tipi principali di depolveratori: a secco e a umido. Il metodo a secco comprende i depolveratori con strato filtrante (filtri a sacco, a tasche, a cartucce), meccanici (cicloni) ed elettrostatici (precipitatori elettrostatici); il metodo a umido comprende scrubber, scrubber venturi, colonne a bolle e precipitatori elettrostatici a umido. La scelta di un depolveratore dipende dalle prestazioni previste, dai vincoli di bilancio e dai processi industriali da depolverare, in particolare dalle dimensioni delle particelle emesse.
Sommaire
Strato filtrante dei depolveratori (filtri a sacco, a tasche, a cartucce)
Il principio: l’aria polverosa passa attraverso un mezzo filtrante poroso, trattenendo tutte le particelle più grandi della porosità del mezzo.
Il dispositivo comprende un cassone con una tramoggia di raccolta della polvere alla base. Il cassone contiene file (verticali o orizzontali) di elementi filtranti (sacchi, tasche, cartucce) attraverso cui passa il flusso di aria polverosa. All’ingresso del plenum, l’aria incontrerà prima un deflettore. Grazie all’impattamento inerziale, separa le particelle più grandi dal flusso d’aria, che poi cadono nella tramoggia.
La polvere rimanente si deposita quindi sulla superficie dei materiali filtranti. Il flusso d’aria esce dallo strato filtrante formato dalle pareti porose degli elementi filtranti, privo di polvere. Le particelle, depositate in continuazione, si agglomerano formando uno strato che contribuisce alla filtrazione dell’aria: il panello filtrante. La torta filtrante aumenta l’efficienza di raccolta della polvere. D’altro canto, aumenta la caduta di pressione (l’intasamento si misura con la differenza di pressione statica tra monte e valle del mezzo filtrante). Per questo motivo, è necessario sostituire il materiale filtrante (carta monouso, feltro, ecc.) oppure procedere a un intasamento periodico (acceso o spento) per rigenerare il materiale filtrante.
In genere, per garantire la continuità del funzionamento, le operazioni di pulizia vengono eseguite automaticamente e in sequenza su una parte del materiale filtrante, mentre l’altra parte continua la filtrazione. Al contrario, l’intasamento manuale richiede un intervento alla fine del processo, o addirittura la sua interruzione. La durata dell’intasamento del filtro fino al raggiungimento di una caduta di pressione critica deve poter essere allineata alla durata del processo.
I metodi principali per la pulizia degli elementi filtranti sono :
- Scuotimento meccanico, che provoca un’onda di deformazione nel tessuto dei sacchi per far cadere la torta del filtro.
- L’intasamento avviene invertendo il flusso d’aria all’interno dei pori del materiale filtrante. Viene eseguito automaticamente dopo un limite di caduta di pressione o un tempo prestabilito.
- Pulizia pneumatica dei sacchi mediante iniezione di aria compressa (jet-pulse), che contrasta momentaneamente la filtrazione e solleva la polvere dal filtro. Questo metodo ha lo svantaggio di risospendere la polvere, che in parte si deposita sui supporti vicini; da qui l’utilizzo della pulizia per gruppi di elementi per limitare questo fenomeno.
I filtri a maniche richiedono una bassa velocità di filtrazione per mantenere la rigenerazione del filtro. Infatti, durante le operazioni di pulizia, la velocità di risalita del flusso non deve scontrarsi con la velocità di sedimentazione delle particelle non intasate. La velocità di filtrazione varia tra 0,6 e 6 cm/s a seconda delle polveri e dei gas da trattare e del tipo di materiale filtrante. La velocità di filtrazione o tasso di filtrazione è espressa anche in m3/h.m².
I materiali filtranti sono disponibili in diverse strutture: tessuti, feltro agugliato, compositi, membrane e ceramiche. Sono realizzati con materiali sintetici (PET, nylon), minerali (vetro) o organici (cellulosa). Queste fibre vengono trattate per migliorare alcune proprietà: resistenza chimica, conduttività, idrofobicità, oleofobicità, adesività, bagnabilità, ecc.
La scelta dell’elemento filtrante dipende dalla concentrazione di polvere nel flusso da trattare, dalla natura della polvere, dalla composizione dei gas, dall’efficienza richiesta, dal metodo di pulizia, dalla resistenza alla temperatura e dai vincoli economici.
L’efficienza di cattura di un depolveratore è minima per le particelle di diametro compreso tra 0,1 e 0,5 µm (troppo grandi per essere raccolte per diffusione, troppo piccole per essere raccolte per impattamento o intercettazione). A 0,1µm, l’efficienza è del 95%. Al di sopra di 0,5µm è superiore al 99%. Se necessario, è possibile aggiungere uno stadio di filtrazione di sicurezza HEPA H13 o H14 quando le concentrazioni di emissioni da raggiungere sono particolarmente basse.
Questa tecnica di depolverazione raggiunge un elevato livello di separazione ed è adatta a un’ampia gamma di concentrazioni di polveri. La tecnologia a strato filtrante è la più utilizzata nell’industria per la separazione gas/solido, in quanto i depolveratori a sacchetto o a cartuccia combinano una buona efficienza con un costo operativo interessante.
Collettori di polvere meccanici: cicloni, decantatori
Cicloni
Come funziona: l’aria polverosa viene fatta ruotare in un ciclone; la forza centrifuga spinge la polvere contro la parete, dove si aggrega e si deposita nella tramoggia. L’aria pulita sale attraverso il centro del ciclone fino all’uscita in alto.
La separazione delle polveri è ancora più efficace quando :
- il raggio del ciclone è piccolo (aumenta la forza centrifuga)
- la concentrazione di particelle è elevata (il che favorisce la loro agglomerazione)
- la densità delle particelle è elevata (percorso più veloce verso la parete)
- la temperatura del flusso d’aria è bassa (riduce la viscosità del gas e aumenta l’effetto ciclonico)
Un flusso d’aria elevato all’ingresso del ciclone aiuta a raccogliere le particelle fini.
I cicloni non rispettano le normative sull’inquinamento atmosferico. In genere vengono utilizzati come raccoglitori di polveri primarie o pre-separatori di particelle grossolane o scorie, ad esempio. Il loro basso costo e la loro semplicità li rendono ideali per questo scopo. I cicloni sono scelti per raccogliere particelle dell’ordine di 10μm e oltre.
Decantatori
Le particelle più grandi vengono pre-separate tramite decantazione in un contenitore (cassa di espansione, camera di decantazione). Le particelle più grandi di 30µm possono essere decantate a una velocità di 5m/s di aria carica di polvere.
Collettori di polveri a umido: scrubber, venturi, colonne a bolle d’aria
Come funziona: l’aria polverosa viene messa a contatto con un liquido di lavaggio.
Cerchiamo l’effetto bagnante della particella. Favoriamo il contatto tra liquido e polvere:
- o per condensazione del vapore intorno alla particella,
- o aggiungendo tensioattivi per far aderire la polvere alla goccia di liquido.
L’aria depolverizzata viene separata dal liquido polveroso per centrifugazione o per inerzia. Più intima è la miscela o più piccole sono le gocce (senza che siano troppo fini per essere separate dall’aria), maggiore è la separazione della polvere.
In uno scrubber, l’aria circola dal basso verso l’alto e gli spruzzatori emettono gocce d’acqua contro corrente.
Un tubo di Venturiaccelera la velocità dell’aria carica di polvere, mentre un diffusore convergente aumenta l’impatto tra le particelle e le gocce di spray. Un ugello divergente rallenta poi la velocità, permettendo alla polvere di raggrupparsi. Infine, il flusso d’aria passa attraverso un separatore di tipo ciclonico dove la polvere viene catturata per centrifugazione e inerzia. Il flusso d’aria privo di polvere sale attraverso il centro del ciclone fino all’uscita centrale in alto.
Gli scrubber e i venturi scrubber sono efficaci per particelle comprese tra 0,5 e 1 μm. Al di sotto di 0,5 μm, l’efficienza di cattura è accompagnata da una significativa caduta di pressione e quindi da un maggiore consumo energetico. Tuttavia, la cattura di particelle più grandi di un micron aumenta con la concentrazione di polvere.
L’efficienza di cattura aumenta anche con la portata dell’acqua e dell’aria. Questo moltiplica la probabilità di contatto tra aria e acqua polverosa. Inoltre, l’aumento di queste portate nella gola del venturi aumenta proporzionalmente l’efficienza dei depuratori venturi. La raccolta delle particelle è influenzata principalmente dalla velocità del getto d’acqua.
Fino a 200 µm, l’aggiunta di un tensioattivo e l’aumento dell’altezza della goccia migliorano la raccolta della polvere per gocce di circa 3 mm. Questo perché il tensioattivo aumenta la deformazione della goccia durante la caduta e quindi la sua superficie di contatto.
Il trasferimento delle polveri da una fase gassosa a una fase liquida può comportare costi di trattamento significativi, oltre a consumi di acqua ed energia, rispetto al processo a secco. Gli scrubber vengono utilizzati per risolvere un problema di sicurezza legato a polveri esplosive e gas infiammabili, oppure quando l’aria da trattare si avvicina alla saturazione dell’acqua.
Il processo a umido utilizza anche colonne a bolle per rimuovere la polvere dall’aria. L’aria viene distribuita uniformemente sulla sezione trasversale della colonna sotto forma di bolle sottili. Con l’aumentare dell’altezza del liquido, aumenta anche il tempo impiegato dalla bolla per attraversarlo.
La riduzione della portata d’aria riduce il diametro delle bolle e aumenta l’efficienza di raccolta. Inoltre, questa efficienza aumenta con: la dimensione delle particelle tra 1,5 e 20 µm (stabile al di sopra, al di sotto di 1µm: bassa efficienza), l’uso di tensioattivi, la dimensione degli orifizi di distribuzione del gas. La minore efficienza di raccolta delle particelle nanometriche può essere migliorata dalla finezza delle bolle, dal regime di gorgogliamento e dall’aggiunta di imballaggi per migliorare il tempo di permanenza delle bolle.
La costruzione e l’installazione delle colonne a bolle d’aria è piuttosto semplice e relativamente poco costosa. Tuttavia, l’efficienza di cattura rimane bassa rispetto ai filtri a manica o ai precipitatori elettrostatici.
Precipitatori elettrostatici, precipitatori elettrostatici o precipitatori elettrostatici
Il principio della raccolta della polvere prevede che le particelle vengano caricate elettricamente e che le interazioni elettrostatiche vengano deviate dal percorso del flusso di polvere. La polvere carica viene quindi indirizzata verso un elettrodo con carica elettrica opposta, dove si agglomera.
Gli elettrodi emettitori (spesso fili) e gli elettrodi riceventi (piastre) formano questo dispositivo. Una tensione negativa viene applicata agli anodi, che emettono elettroni nelle loro vicinanze. Questo ha l’effetto di ionizzare le molecole di gas che, attratte dai catodi, entrano in collisione e caricano elettricamente la polvere sul loro cammino. A sua volta, la polvere carica viene attratta dalle piastre e si aggrega. L’efficienza del filtro viene mantenuta pulendo periodicamente le piastre con varie tecniche: vibrazione, martellamento, lavaggio. La polvere viene raccolta in una tramoggia e poi evacuata.
L’efficienza di un depolveratore elettrico fisso dipende da :
- la resistività della polvere (tra106 e1014 Ω.cm).
- velocità dell’aria (da 1 a 4 m/s)
- la fisico-chimica della polvere
- la geometria degli elettrodi
Al di sotto di106 Ω.cm, la polvere che raggiunge l’elettrodo di raccolta perde facilmente la sua carica elettrica e può essere raccolta dal flusso d’aria. Al di sopra di1014 Ω.cm si forma uno strato isolante sul catodo che ostacola l’efficienza del filtro.
Il passaggio dell’aria attraverso il precipitatore elettrostatico comporta una bassa caduta di pressione (50-100Pa). Per aumentare l’efficienza del precipitatore elettrostatico, è possibile posizionare in serie diversi campi di raccolta elettrica (da 2 a 6), a seconda dell’avanzamento del processo di rimozione della polvere. Questa soluzione è ottimale per le particelle di dimensioni superiori a 100 nm. Tuttavia, quando le particelle sono più piccole di 16 nm, sono più efficaci diversi precipitatori elettrostatici a campo singolo. Inoltre, per una dimensione delle particelle di 0,2µm, l’efficienza di cattura è minima.
Gli elettrodi emettitori di piccolo diametro e gli elettrodi collettori di grande superficie aumentano l’efficienza della raccolta della polvere.
Un’impostazione errata della tensione può portare alla rottura dell’elettrodo e quindi al rischio di esplosione. Un precipitatore elettrostatico a umido affronta questo rischio. Il principio di funzionamento è identico a quello di un precipitatore elettrostatico a secco. La differenza sta nella presenza di una pellicola umida sugli elettrodi di raccolta, alimentata da un sistema di irrigazione a goccia. Cattura
Il volume di un precipitatore elettrostatico è significativo, così come l’investimento che rappresenta. Il consumo di energia elettrica e la necessità di personale qualificato rendono il suo costo operativo elevato. I precipitatori elettrostatici sono consigliati per grandi flussi di gas (80.000m3/h). Sono utilizzati principalmente nell’industria pesante, come l’industria siderurgica, gli impianti di incenerimento dei rifiuti, i cementifici e le unità di produzione energetica.
Conclusione
La rimozione della polvere comporta diversi effetti per separare le particelle dal flusso d’aria: decantazione, impattamento, centrifugazione, bagnatura, filtrazione e attrazione elettrostatica. I depolveratori spesso combinano diversi di questi effetti per ottenere il livello di rimozione della polvere desiderato. Altri criteri entrano in gioco a seconda del contesto industriale, come la mobilità, la posizione del depolveratore, ecc.
