Tecnologias de despoeiramento industrial

Existem dois tipos principais de colectores de pó: seco e húmido. O método seco inclui os colectores de poeiras com uma camada filtrante (filtros de saco, bolsas, cartuchos), mecânicos (ciclones) e electrostáticos (precipitadores electrostáticos); o método húmido inclui depuradores, depuradores venturi, colunas de bolhas e precipitadores electrostáticos húmidos. A escolha de um coletor de poeiras depende do desempenho esperado, das restrições orçamentais e dos processos industriais a serem polvilhados, em particular a dimensão das partículas emitidas.

Colectores de pó de camada filtrante (filtros de saco, bolsas, cartuchos)

O princípio: o ar empoeirado passa através de um meio filtrante poroso, retendo todas as partículas maiores do que a porosidade do meio.

O dispositivo é composto por uma caixa com uma tremonha de recolha de poeiras na sua base. A caixa contém filas (verticais ou horizontais) de elementos filtrantes (sacos, bolsas, cartuchos) através dos quais passa o fluxo de ar empoeirado. Na entrada do plenum, o ar terá encontrado primeiro um deflector. Por impactação inercial, separa as partículas maiores do fluxo de ar, que caem então na tremonha.

O pó restante deposita-se então na superfície do meio filtrante. O fluxo de ar sai da camada filtrante formada pelas paredes porosas dos elementos filtrantes, livre de poeiras. As partículas, depositadas continuamente, aglomeram-se para formar uma camada que contribui para a filtragem do ar: o bolo de filtração. O bolo de filtração aumenta a eficácia da recolha de poeiras. Por outro lado, aumenta a perda de carga (o entupimento é medido pela diferença de pressão estática entre a montante e a jusante do meio filtrante). Para tal, é necessário: substituir o meio filtrante (papel descartável, feltro, etc.) ou proceder a um desentupimento periódico (ligado ou desligado) para regenerar o meio filtrante.

Em geral, para assegurar a continuidade do funcionamento, as operações de limpeza são efectuadas de forma automática e sequencial numa parte do meio filtrante, continuando a filtração na outra parte. Em contrapartida, o desentupimento manual exige uma intervenção no final do processo, ou mesmo a sua paragem. A duração do entupimento do filtro até ser atingida uma queda de pressão crítica deve poder ser alinhada com a duração do processo.

Os principais métodos de limpeza dos elementos filtrantes são :

• Agitação mecânica, que provoca uma onda de deformação no tecido dos sacos para provocar a queda do bolo de filtração.
• Desobstrução através da inversão do fluxo de ar no interior dos poros do meio filtrante. Realiza-se automaticamente após um limite de queda de pressão definido ou um tempo definido.
• Limpeza pneumática dos sacos por injeção de ar comprimido (jet-pulse), que contraria momentaneamente a filtração e levanta o pó do filtro. Tem o inconveniente de ressuspender as poeiras, algumas das quais se depositam nos meios vizinhos; daí a utilização da limpeza por grupos de elementos para limitar este fenómeno.

Os filtros de mangas requerem uma velocidade de filtração baixa para manter a regeneração do filtro. Durante as operações de limpeza durante o funcionamento, a velocidade ascendente do fluxo não deve colidir com a velocidade de sedimentação das partículas limpas. A velocidade de filtração varia entre 0,6 e 6 cm/s, consoante as poeiras e os gases a tratar e o tipo de meio filtrante. A velocidade de filtração ou taxa de filtração é também expressa em m3/h.m².

Os meios filtrantes estão disponíveis numa grande variedade de estruturas: tecidos, feltros agulhados, compósitos, membranas e cerâmicas. São fabricados a partir de materiais sintéticos (PET, nylon), minerais (vidro) ou orgânicos (celulose). Estas fibras são tratadas para melhorar certas propriedades: resistência química, condutividade, hidrofobicidade, oleofobicidade, adesividade, molhabilidade, etc.

A escolha do elemento filtrante depende da concentração de poeiras no fluxo a tratar, da natureza das poeiras, da composição dos gases, da eficiência necessária, do método de limpeza, da resistência à temperatura e das restrições económicas.

Aeficiência de captação de um coletor de poeiras é mais baixa para partículas com diâmetro entre 0,1 e 0,5µm (demasiado grandes para serem recolhidas por difusão e demasiado pequenas para serem recolhidas por impactação ou interceção). A 0,1µm, a eficiência é de 95%. Acima de 0,5µm, a eficiência é superior a 99%. Se necessário, pode ser acrescentada uma fase de filtração de segurança HEPA H13 ou H14 quando as concentrações de emissões a atingir são particularmente baixas.

Esta técnica de despoeiramento atinge um elevado nível de separação e é adequada para uma vasta gama de concentrações de emissões de poeiras. A tecnologia de camada filtrante é a mais utilizada na indústria para a separação gás/sólido, uma vez que os colectores de pó de saco ou cartucho combinam uma boa eficiência com um custo operacional atrativo.

Colectores de poeiras mecânicos: ciclones, decantadores

Ciclones

Como funciona: o ar empoeirado é rodado num ciclone; a força centrífuga empurra o pó contra a parede, onde se aglomera e se deposita na tremonha. O ar limpo sobe pelo centro do ciclone até à saída no topo.

A separação de poeiras é ainda mais eficaz quando :

• o raio do ciclone é pequeno (aumenta a força centrífuga)
• a concentração de partículas é elevada (o que favorece a sua aglomeração)
• a densidade das partículas é elevada (caminho mais rápido para a parede)
• a temperatura do fluxo de ar é baixa (reduz a viscosidade do gás, aumenta o efeito ciclónico)

Um elevado fluxo de ar à entrada do ciclone ajuda a recolher as partículas finas.

Os ciclones não cumprem os regulamentos relativos à poluição atmosférica. São geralmente utilizados como colectores primários de poeiras ou pré-separadores de partículas grossas ou escórias, por exemplo. O seu baixo custo e simplicidade tornam-nos ideais para este fim. Os ciclones são escolhidos para recolher partículas da ordem dos 10μm e superiores.

Decantadores

As partículas maiores são previamente separadas por decantação num recinto (caixa de expansão, câmara de decantação). As partículas maiores do que 30µm podem ser decantadas a uma velocidade de 5m/s de ar carregado de pó.

Colectores de poeiras húmidas: depuradores, venturi, colunas de bolhas

Como funciona: o ar empoeirado é posto em contacto com um líquido de lavagem.

Procura o efeito molhante da partícula. Privilegiamos o contacto entre o líquido e o pó:

• ou por condensação do vapor à volta da partícula,
• ou adicionando tensioactivos para fazer aderir o pó à gota de líquido.

Oar despoeirado é separado do líquido empoeirado por centrifugação ou inércia. Quanto mais íntima for a mistura ou quanto mais pequenas forem as gotas (sem serem demasiado finas para se separarem do ar), maior será a separação do pó.

Num purificador, o ar circula de baixo para cima e os pulverizadores ejectam gotículas de água contra a corrente.

Um venturiacelera a velocidade do ar carregado de pó, enquanto um difusor convergente aumenta o impacto entre as partículas e as gotas de pulverização. Em seguida, um bocal divergente abranda a velocidade, permitindo que o pó se aglomere. Finalmente, o fluxo de ar passa por um separador do tipo ciclone, onde o pó é capturado por centrifugação e inércia. O fluxo de ar livre de poeiras sobe pelo centro do ciclone até à saída central no topo.

Os depuradores e os depuradores venturi são eficazes para partículas entre 0,5 e 1 μm. Abaixo de 0,5 µm, a eficiência da captura é acompanhada por uma queda de pressão significativa e, por conseguinte, por um maior consumo de energia. No entanto, a captura de partículas superiores a um mícron aumenta com a concentração de poeiras.

A eficiência da captura também aumenta com os caudais de água e de ar. Isto multiplica a probabilidade de contacto ar/água com poeiras. Além disso, o aumento destes caudais na garganta do venturi aumenta proporcionalmente a eficiência dos depuradores venturi. A recolha de partículas é influenciada principalmente pela velocidade do jato de água.

Até 200µm, a adição de um tensioativo e o aumento da altura de queda melhoram a recolha de poeiras para gotas de cerca de 3mm. Isto deve-se ao facto de o tensioativo aumentar a deformação da gota durante a queda e, por conseguinte, a sua superfície de contacto.

A transferência de poeiras de uma fase gasosa para uma fase líquida pode resultar em custos de tratamento significativos, bem como no consumo de água e energia, em comparação com o processo seco. Os depuradores são utilizados para resolver um problema de segurança ligado a poeiras explosivas e gases inflamáveis, ou quando o ar a tratar se aproxima da saturação de água.

O processo húmido também utiliza colunas de bolhas para remover as poeiras do ar. O ar é distribuído uniformemente sobre a secção transversal da coluna sob a forma de bolhas finas. À medida que a altura do líquido aumenta, aumenta também o tempo necessário para a bolha o atravessar.

A redução do caudal de ar diminui o diâmetro das bolhas e aumenta a eficácia da recolha. Além disso, esta eficiência aumenta com: o tamanho das partículas entre 1,5 e 20 µm (estável acima disso, abaixo de 1µm: baixa eficiência), o uso de surfactantes, o tamanho dos orifícios de distribuição de gás. A menor eficiência de recolha das partículas nanométricas pode ser melhorada através da finura das bolhas, do regime de borbulhagem e da adição de embalagem para melhorar o tempo de residência das bolhas.

A construção e instalação de colunas de bolhas é bastante simples e relativamente barata. No entanto,a eficiência de captura continua a ser baixa em comparação com os filtros de mangas ou os precipitadores electrostáticos.

Precipitadores electrostáticos, precipitadores electrostáticos ou precipitadores electrostáticos

O princípio da recolha de poeiras envolve o carregamento elétrico das partículas, utilizando depois interações electrostáticas para as desviar do caminho do fluxo de poeiras. A poeira carregada é então dirigida para um elétrodo com a carga eléctrica oposta, onde se aglomera.

Os eléctrodos emissores (frequentemente fios) e os eléctrodos receptores (placas) formam este dispositivo. É aplicada uma tensão negativa aos ânodos, que emitem electrões na sua vizinhança. Isto tem o efeito de ionizar as moléculas de gás que, atraídas pelos cátodos, colidem com a poeira no seu caminho e a carregam eletricamente. Por sua vez, a poeira carregada é atraída para as placas e aglomera-se. A eficiência do filtro é mantida através da limpeza periódica das placas, utilizando várias técnicas: vibração, martelagem, lavagem. O pó é recolhido numa tremonha e depois evacuado.

A eficiência de um coletor de pó fixo elétrico depende :

• a resistividade da poeira (entre¹⁰⁶ e¹⁰¹⁴ Ω.cm).
• velocidade do ar (1 a 4 m/s)
• a físico-química das poeiras
• a geometria dos eléctrodos

Abaixo de¹⁰⁶ Ω.cm, a poeira que atinge o elétrodo coletor perde facilmente a sua carga eléctrica e pode ser recolhida pelo fluxo de ar. Acima de¹⁰¹⁴ Ω.cm, forma-se uma camada isolante no cátodo e prejudica a eficiência do filtro.

A passagem do ar através do precipitador eletrostático resulta numa baixa queda de pressão (50-100Pa). Para aumentar a eficiência do precipitador eletrostático, podem ser colocados vários campos de recolha eléctrica (entre 2 e 6) em série, dependendo do progresso do processo de remoção de poeiras. Isto é ótimo para partículas maiores que 100nm. No entanto, quando as partículas são menores que 16nm, vários precipitadores electrostáticos de campo único são mais eficazes. E para um tamanho de partícula de 0,2µm, há uma eficiência mínima de captura.

Os eléctrodos emissores de pequeno diâmetro e os eléctrodos colectores de grande área aumentam a eficiência da recolha de poeiras.

Uma regulação incorrecta da tensão pode levar à rutura do elétrodo e, por conseguinte, a um risco de explosão. Um precipitador eletrostático húmido permite fazer face a este risco. O princípio de funcionamento é idêntico ao de um precipitador eletrostático seco. A diferença reside na presença de uma película húmida sobre os eléctrodos colectores, alimentada por um sistema de irrigação gota a gota. Captura

O volume de um precipitador eletrostático é significativo, tal como o investimento que representa. O consumo de eletricidade e a necessidade de pessoal qualificado tornam o seu custo de exploração elevado. Os precipitadores electrostáticos são recomendados para grandes fluxos de gás (80.000^m3/h). São principalmente utilizados na indústria pesada, como a siderurgia, as instalações de incineração de resíduos, as cimenteiras e as unidades de produção de energia.

Conclusão

A remoção de poeiras envolve vários efeitos para separar as partículas da corrente de ar: sedimentação, impactação, centrifugação, humidificação, filtração e atração eletrostática. Os colectores de pó combinam frequentemente vários destes efeitos para atingir o nível desejado de remoção de pó. Dependendo do contexto industrial, entram em jogo outros critérios, como a mobilidade, a localização do coletor de poeiras, etc.