ES2284274T3 - Precipitador electrostatico con membrana. - Google Patents

Abstract

Un precipitador electrostático que tiene un electrodo cargado y un substrato de recogida sustancialmente plano puesto a tierra sobre el cual precipita la materia en partículas procedente de una corriente de fluido que fluye sustancialmente paralela durante el funcionamiento, comprendiendo el precipitador: (a) un substrato colector (30) de membrana de género de fibras entrelazadas; (b) un aplicador (32) próximo al borde superior de la membrana (30) y caracterizado por (c) unas aberturas entre las fibras a través de las cuales puede fluir el agua que permiten la absorción del agua en la membrana (30); y (d) un colector (34) próximo al fondo de la membrana (30) para recoger le agua que fluye a través de la membrana (30); (e) y por el que sustancialmente toda la materia en partículas que se precipita sobre la membrana (30) es eliminada por el flujo de agua a través de la membrana (30) para ser recogida con el agua en el colector (34).

Description

Precipitador electrostático con membrana.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a los precipitadores electrostáticos (ESP) de acuerdo con la parte de preámbulo de la reivindicación 1, usados para precipitar materia en partículas procedente de los gases de escape sobre unos substratos de recogida por carga electrostática, y se refiere más específicamente a los substratos de recogida (electrodos de recogida).

Descripción de la técnica relacionada

Los precipitadores electrostáticos (ESP) industriales se usan en las centrales eléctricas con combustión de carbón, la industria del cemento, las instalaciones de tratamiento de minerales y otras muchas industrias para eliminar las partículas de una corriente de gas. Los ESP están particularmente bien adaptados para una eliminación con alta eficiencia de partículas muy finas de una corriente de gas. Los ESP especialmente diseñados han alcanzado unas eficiencias de recogida de partículas tan altas como el 99,9%. Sin embargo, las eficiencias de recogida de los ESP convencionales están en sus valores más bajos para los tamaños de partícula entre 0,1 y 1,0 \mum. Adicionalmente, los ESP convencionales no pueden resolver el problema de las emisiones gaseosas o la conversión de gas a partículas.

En 1997 la Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental) (EPA) propuso unas nuevas normas de calidad del aire en cuanto a la materia en partículas. El foco de las regulaciones es la emisión de partículas finas, es decir, las partículas por debajo de 2,5 \mum de diámetro (PM 2.5). Estas partículas entran más fácilmente en el sistema respiratorio humano.

En un ESP convencional típico, los electrodos verticales de alambre están colocados en la sección central de un canal formado entre unos substratos de colector verticales paralelos. Las placas pesadas, típicamente de acero, están suspendidas de una estructura de soporte que está anclada a un bastidor externo. Generalmente, diez de los canales de precipitación individuales constituyen un único campo. Los precipitadores industriales tienen tres o más campos individuales en serie.

Se aplica una tensión de CC de unos 50 kV entre los electrodos de alambre (electrodos de descarga) y las placas de substrato colector puestas a tierra (electrodos colectores), induciendo una descarga de corona entre ellos. Una pequeña fracción de los iones que migran desde los alambres hacia las placas, se pegan a las partículas de polvo del gas de escape que fluye entre las placas. Estas partículas son empujadas entonces por el campo eléctrico a migrar hacia las placas y son recogidas en las mismas, donde se forma una capa de polvo.

En los ESP secos, se elimina la capa de polvo periódicamente de los ESP secos por martillos que imparten golpes agudos a los bordes de las placas, lo cual se denomina típicamente "sacudidas" de las placas. Cuando los ESP son sacudidos, se supone que la capa de polvo cae verticalmente hacia abajo desde las placas debido a un esfuerzo cortante entre la placa y la capa de polvo paralela. Sin embargo, debido a las imperfecciones iniciales y a las fuerzas de compresión en el plano, las placas tienden a pandear cuando son sacudidas como se muestra en la Fig. 5. La carga de compresión en este así llamado modo de sacudidas normal genera unas ondas de tensión que se propagan rápidamente, a lo largo de la placa y a través de la misma, que se manifiestan por grandes amplitudes laterales (desplazamientos) de las placas en la dirección normal a la superficie de la placa.

El proceso de sacudidas da lugar a varias complicaciones. Debido al pandeo de las placas, impartir una fuerza en la placa da lugar a que algo del polvo sea expulsado de la placa. Este polvo es entonces vuelto a arrastrar por el flujo de gas, de donde puede ser retirado o no por las placas de recogida situadas aguas abajo. La disrupción de la capa de ceniza causada por la fuerza de sacudidas, combinada con el pandeo de la placa, tiende a romper la capa de ceniza en pequeñas piezas. Las pequeñas piezas de ceniza son más susceptibles de ser vueltas a arrastrar que las piezas grandes, las cuales tienden a permanecer en la capa límite laminar del flujo de gas que existe próxima a la placa de recogida y luego se deslizan hacia abajo en la tolva de recogida.

Las placas colectoras convencionales están rigidizadas mediante unos nervios alineados a lo largo de la dirección de la fuerza de impacto del martillo para reducir el pandeo y las tensiones y fatiga de las placas. Estos nervios soportan las placas durante las sacudidas para reducir la amplitud de las vibraciones de la placa que causan la rotura del polvo en nubes. Sin embargo, tales nervios disminuyen en gran medida la suavidad del flujo de gas a través de los canales. Es altamente deseable que el flujo de gas entre las placas colectoras sea uniforme. La turbulencia puede disminuir la eficiencia de recogida varias veces y dar lugar a un espesor de capa menos uniforme. La turbulencia causa que parte del polvo se rompa en una nube y continúe a lo largo de la corriente de gas, y este polvo es vuelto a arrastrar en la corriente de gas.

El polvo que vuelve a entrar en la corriente de flujo de gas como resultado de las sacudidas en los campos de aguas arriba puede ser vuelto a precipitar en los campos de aguas abajo. Sin embargo, el polvo precipitado en el campo situado más aguas abajo en los ESP secos no disfruta de este privilegio, y por tanto el nuevo arrastre que se produce en este campo constituye un factor crítico en la eficiencia de recogida general del ESP seco.

Los estudios a escala plena de los precipitadores secos sugieren que el nuevo arrastre de cenizas volátiles debido a las sacudidas representa el 30% de la penetración promediada a lo largo del tiempo para las unidades de lado frío y tanto como el 60% para las de lado caliente. En las últimas décadas, dirigido por las regulaciones que exigen eficiencias de recogida de masa del orden del 99,8% y superiores, el diseño de los precipitadores ha evolucionado hacia unidades de áreas específicas de recogida mucho mayores y de costo superior. Por esa razón, el aspecto de controlar el nuevo arrastre por sacudidas se ha vuelto crítico. La meta general de las sacudidas en el polvo sería eliminar eficientemente la ceniza precipitada, con un nuevo arrastre mínimo.

El problema de las sacudidas para eliminar la capa de polvo es formidable. La capa de polvo puede ser de hasta 1 cm de espesor, y se debería desprender de la placa vertical de 10 m de largo que limita el flujo de gas turbulento y deslizarla hacia abajo a las tolvas con un nuevo arrastre pequeño. A fin de sacudir con éxito, la capa de polvo se debería fracturar en piezas que fueran tan grandes como sea posible. Además, las piezas, cuando caen, permanecen tan próximas como sea posible a la placa en la que están "ocultas" en la capa límite de flujo de gas, donde la velocidad del gas es baja. Sin embargo, debido al pandeo y a la turbulencia, las sacudidas tienden a dar lugar a un nuevo arrastre.

En general, los ESP secos tendrán también dificultad en cumplir los aspectos de las normas PM 2.5 que se refieren a la conversión de gas a partícula. En la conversión de gas a partícula, las partículas de 0,1 \mum o menores que forman SO_{2}, NO_{x}, y otros productos gaseosos, crecen rápidamente por coagulación o nucleación en los emplazamientos menores. Las partículas crecen lentamente por encima de 2 \mum, puesto que se reducen en gran medida los efectos de la difusión.

Existen dos razones por las que los ESP secos no son efectivos para controlar la conversión de gas a partícula. La razón principal es que los ESP que usan placas colectoras de metal no eliminan efectivamente los contaminantes gaseosos, que coagulan para formar las partículas de sulfato y nitrato. En segundo lugar, los ESP son intrínsecamente menos efectivos para eliminar las partículas del intervalo de 0,1 a 1,0 mm, el cual es el intervalo de tamaños de emplazamientos de nucleación potencial para el crecimiento de las partículas a partir del producto gaseoso. Como resultado, los ESP secos no reducen de manera efectiva la fuente de muchas de las emisiones de partículas de las centrales eléctricas, y tendrán problemas para satisfacer los requisitos de la PM 2.5.

El trabajo actual en este campo ofrece la probabilidad de convertir gran parte del SO_{2} a SO_{3} dentro del ESP por adherencia de electrones. En este proceso, se forman electrones libres en una corona con impulsos de nanosegundos. Se carga un electrodo de alambre, generalmente por medio de una tensión de CC negativa, de manera rápidamente oscilante. Los impulsos mejoran el efecto corona, ionizando más gas y produciendo más electrones libres para su interacción beneficiosa con las moléculas de NO_{2} y SO_{3}. Se han propuesto dos mecanismos para explicar como este proceso tiende a la eliminación del SO_{2}. Uno es mediante la unión directa de electrones que forman una molécula cargada de SO_{2} para recogida directa. El otro es a través de la formación de SO_{3} mediante la formación de ozono, O_{3}. El SO_{3} forma rápidamente H_{2}SO_{4} (ácido sulfúrico) mediante la reacción H_{2}O + SO_{3} \rightarrow H_{2}SO_{4}. El ambiente ácido conduce a un incremento en la corrosión de las placas de acero y de los conductos. Por tanto, la captura de electrones y las técnicas de corona con impulsos requerirán que los colectores se hagan de materiales que resistan el ataque químico por el ácido sulfúrico.

Un tipo diferente de ESP, que usa agua, es el llamado ESP húmedo. En un sistema de este tipo, una placa centra está cubierta por una película de agua en circulación que pasa de la parte superior de la placa a la inferior. El agua en circulación actúa tanto sobre el electrodo como sobre el mecanismo de eliminación de la ceniza. Los precipitadores electrostáticas húmedos ofrecen las ventajas de menores pérdidas por arrastre, la capacidad de recoger los gases reactivos y la eliminación de las sacudidas. Sin embargo, debido al efecto oxidante del agua, se impide el uso de placas metálicas por la corrosión inducida. También es un problema la eliminación del agua cargada de ceniza.

Adicionalmente al problema de la corrosión asociada al ESP húmedo, el substrato material usado para transportar la película de agua tiene que ser consistente y continuamente humidificado para impedir la formación de "manchas secas", las cuales son típicas de las placas de acero en los ESP húmedos. De otra forma, se puede acumular la ceniza en las manchas secas e impedir la captura posterior de materia en partículas y gases en esas regiones de la superficie colectora.

Cualquier ESP que se contemple realizar en respuesta a los nuevos requisitos de la EPA debería ser capaz de ser reequipado en muchas aplicaciones industriales en las cuales están actualmente funcionando los ineficientes ESP convencionales. El reequipamiento a bajo costo de los ESP secos existentes para satisfacer las nuevas normas cada vez más estrictas en cuanto a las emisiones de partículas es de gran interés para cierto número de industrias. En respuesta a esos intereses, Chang y Altman del EPRI han evaluado recientemente las tecnologías de control de partículas, para las partículas < 2 \mum, y han realizado evaluaciones económicas detalladas de los métodos de reequipamiento para mejorar la eficacia en el control de partículas de los ESP existentes.

Se han evaluado tres opciones prometedoras, todas las cuales son dispositivos añadidos aguas abajo de los ESP existentes. Todas ellas tienen el potencial de reducir las emisiones de partículas a < 0,018 g/Mcal (0,01 lb/MBTU) en la chimenea. Un análisis de costos de siete combinaciones indica que un reequipamiento de ESP húmedo independiente costaría tendría el costo máximo (2,5 mills/kWh), mientras que el reequipamiento de un ESP húmedo en el último campo de un ESP existente tiene el costo más bajo (1,2 mills/kWh). La opción del reequipamiento da también una nueva oportunidad a los ESP secos. Los cuales en combinación con la sección húmeda (ESP híbrido) puede ser usado para explotar las mejores propiedades de ambos. Por ejemplo, un ESP híbrido puede optimizar la recogida de partículas usando la sección seca para eliminar el 95% o más de las partículas, mientras que se podría usar la parte húmeda para facilitar la técnica de corona con impulsos y eliminar las pérdidas por nuevo arrastre. Está claro que el ESP híbrido ofrece una posibilidad de reducir la contaminación del agua de los ESP húmedos a un mínimo.

Por tanto, existe la necesidad de un substrato colector de precipitación electrostático de peso ligero que sea conductor, resista la corrosión debida al agua y/o a los ambientes ácidos y pueda ser humidificado. También debería el colector ser reequipado fácilmente en los sistemas de ESP existentes.

El documento EEUU-A- 3 984 216 describe un método para eliminar las partículas de materia recogidas en las placas verticales de recogida de los precipitadores electrostáticos. En cada una de dichas placas, se induce un movimiento vibratorio axial. Simultáneamente se induce en dichas placas un movimiento vibratorio transversal. Mediante estos movimientos, se eliminarán las materias recogidas, tales como polvo y ceniza volante.

El documento JP 61 018 455 A describe una placa polar colectora de polvo de un precipitador electrostático húmedo de polvo. Se usan materiales en forma de chapa flexible como placas polares de recogida de polvo. La tela flexible contiene un género tejido más un género no tejido y una hoja de plástico. La finalidad es hacer el ensamblaje fácil y formar membranas en línea de corriente con menos cantidad de líquido.

Según la invención, se usa un substrato de recogida de membrana delgada en un precipitador electrostático. Por definición, y en contraste con las placas, las membranas son elementos estructurales que no pueden resistir la flexión y sólo pueden recibir cargas de tracción. Se pueden hacer las membranas de numerosos materiales dependiendo de las aplicaciones y de las condiciones de los ESP. Éstos incluyen fibras tejidas de tipo género, así como numerosos compuestos hechos de fibras conductoras eléctricamente empotradas en una matriz flexible delgada.

Además, el uso de una membrana permite la realización de diversas mejoras en el funcionamiento de los ESP, incluyendo la eliminación en base a agua de las capas de polvo y de las aplicaciones de tecnologías novedosas tales como el control de los contaminantes gaseosos por corona con impulsos.

Otra aplicación de la membrana está en los ESP húmedos en los que las placas metálicas estarían sometidas a una corrosión aumentada y que no son capaces de mantener una superficie continuamente humidificada. Una membrana hecha de un tejido resistente a la corrosión a partir de fibras delgadas, con buenas propiedades de humidificación, es decir, que absorbe bien los líquidos, facilita la aplicación de una película continua de agua.

En los precipitadores húmedos, se puede minimizar el nuevo arrastre de partículas mediante el rociado con agua de las membranas resistentes a la corrosión que facilitan la humidificación en los precipitadores electrostáticos húmedos e híbridos. Además, el uso de las membranas en los precipitadores húmedos facilita la realización de la eliminación de los contaminantes gaseosos, tales como SO_{2} y NO_{x}, por medio de corona con impulsos o técnicas similares.

La combinación de mejoras facilitada por el uso de membranas podría dar lugar a precipitadores más pequeños, puesto que se requieren menos campos debido al menor nuevo arrastre, menores costos, posibles combinaciones de precipitadores húmedos y secos en sistemas híbridos, y facilidad y eficiencia mejoradas de los precipitadores existentes mediante un reequipamiento a bajo costo.

El material de membrana utilizado con la presente invención en un ESP seco debe tener una suficiente conductividad eléctrica, debe admitir temperaturas elevadas, debe resistir la fatiga, debe resistir la corrosión en ambientes ácidos, debería tener buenas propiedades de humidificación, debería ser ligero de peso y debería ser de bajo costo. Dependiendo de la aplicación, la invención permite el uso de numerosas variaciones en el material usado y la elección no es la misma para todas las circunstancias. Sin embargo, un ejemplo típico de un material que puede encontrar una amplia aplicación es una membrana en forma de una urdimbre tejida de fibras muy finas. Las fibras pueden ser hechas de diversos materiales, incluyendo carbono, polímeros, sílice y cerámicas. Otros ejemplos podrían ser hojas compuestas ultraligeras y tamices densos en base a alambre hechos de aleaciones metálicas muy delgadas resistentes a la corrosión.

Puesto que el material de las membranas debe ser resistente a la corrosión, la invención abre la posibilidad de combinar la precipitación seca con la húmeda en ESP híbridos. Un ESP híbrido consiste tanto en secciones secas como húmedas para optimizar sus ventajas. Un ejemplo es un precipitador con todos los campos secos seguidos por un campo final húmedo. Una instalación de este tipo elimina la mayor parte de las partículas en base seca, minimizando la recuperación del agua que se necesita para la última etapa. La última etapa, al ser húmeda, minimiza las pérdidas por nuevo arrastre y se puede usar con un sistema de corona con impulsos para la eliminación de los contaminantes gaseosos.

Las membranas permiten usar técnicas novedosas de limpiado para eliminar las capas de polvo, mientras que al mismo tiempo se aumenta la eficiencia de recogida y disminuye el nuevo arrastre. Esto conduce a unos ESP más pequeños o a reequipamientos más eficientes para las unidades existentes. También, a diferencia de las placas, las membranas se pueden someter a una fuerza relativamente pequeña durante el limpiado, y por tanto no necesitan rigidizadores. El flujo de gas es uniforme y debería aumentar la eficiencia en el recogido de partículas. Aumentar la uniformidad en los depósitos de polvo da lugar a un campo de corriente más uniforme.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una vista esquemática por delante que ilustra el colector de membrana preferido en un precipitador seco que aislado, no pertenece a la invención reivindicada;

la Fig. 2 es una vista lateral en corte a través de la línea 2-2 de la Fig. 1;

la Fig. 3 es una ilustración gráfica de Carga en función del Tiempo;

la Fig. 4 es una vista lateral esquemática del mecanismo de cizallamiento del precipitador electrostático de la Fig. 1;

la Fig. 5 es una vista lateral esquemática del movimiento lateral de las placas convencionales durante las sacudidas;

la Fig. 6 es una ilustración gráfica de Carga en función de la Deformación Longitudinal;

La Fig. 7 es una vista esquemática lateral que ilustra un ESP húmedo según la invención;

la Fig. 8 es una ilustración gráfica de tensión representada en función de la deformación para una membrana de fibra de carbono;

la Fig. 9 es una ilustración gráfica de tensión representada en función de la deformación para diferentes materiales;

la Fig. 10 es una vista esquemática lateral que ilustra un aparato experimental;

la Fig. 11 es una vista esquemática lateral que ilustra una estructura de conexión alternativa para la membrana;

la Fig. 12 es una vista esquemática lateral que ilustra una estructura de conexión alternativa para la membrana;

la Fig. 13 es una vista esquemática lateral que ilustra una estructura de conexión alternativa para la membrana;

la Fig. 14 es una tabla que contiene resultados experimentales para el género 1150 sin la placa de plástico;

la Fig. 15 es una tabla que contiene resultados experimentales para el género 1150 con la placa de plástico;

la Fig. 16 es una tabla que contiene resultados experimentales para el género 1150 conocido bajo la marca comercial "3COWCA-7".

Al describir las realizaciones preferidas de la invención que se encuentran ilustradas en los dibujos, se recurrirá a una terminología específica en aras de la claridad. Sin embargo no se pretende que la invención se limite a los términos específicos así seleccionados y se entiende que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que funcionan de manera similar para cumplir el mismo propósito. Por ejemplo, se usa frecuentemente la palabra conectado o términos similares a la misma. No se limitan a la conexión directa, sino que incluyen la conexión a través de otros elementos en los que tal conexión es reconocida como equivalente por los expertos en la técnica.

Descripción de la realización preferida

En la Fig. 1 se muestra la membrana 8 preferida. Se muestra una urdimbre tejida de fibras de carbono conductoras como un ejemplo de un material adecuado para el uso como membrana 8. Sin embargo, se pueden usar otros materiales y configuraciones.

Durante el uso la membrana 8 se sostiene tensa entre un miembro 10 de bastidor superior y un miembro 12 de bastidor inferior. Los miembros de bastidor son preferiblemente vigas de canal de fibra de vidrio rígidas que tienen una sección transversal en forma de U que forma un surco como se muestra en la Fig. 2. Los bordes superior e inferior de la membrana 8 se insertan en los surcos de los miembros de bastidor y se mantienen sujetos, tal como entre las patas 18 y 20 dispuestas lateralmente.

Por supuesto, existen innumerables medios equivalentes para agarrar el borde de la membrana a fin de mantenerla tensa. Por ejemplo, una alternativa a los miembros 10 y 12 de bastidor es un par de cilindros alrededor de los cuales se envuelven unos bordes opuestos de la membrana 8 y se les hace girar hasta que la membrana queda estirada tensa, por ejemplo mediante un servomotor previamente programado. Sin embargo, enrollar la membrana alrededor de un cilindro puede causar la fractura de las fibras debido al curvado, y por tanto esta estructura es menos deseable. Existen otros muchos dispositivos para sostener la membrana tensa que son fácilmente entendidos por una persona de experiencia común en la técnica de la presente exposición.

En su posición de funcionamiento, la membrana 8 se monta preferiblemente en el recorrido de los gases de escape y paralela al mismo, sustancialmente en la misma posición que se montan las placas colectoras de substrato de acero en los ESP convencionales secos. Los electrodos de alambre cargados se suspenden entre pares de membranas, y las membranas son puestas a tierra. Existe un campo eléctrico entre los electrodos de alambre cargados y las membranas.

El miembro inferior 12 de bastidor se monta a un bastidor 16 de ESP, y el miembro superior 10 de bastidor se monta a un cargador 14 de tracción variable, tal como un servomotor o un cilindro hidráulico o neumático, por ejemplo. El cargador de tracción debe ser variable, lo cual significa que debe ser capaz de aplicar fuerzas de al menos dos magnitudes diferentes a la membrana. Las dos magnitudes diferentes incluyen la fuerza requerida para poner tensa la membrana (denominada a continuación el sesgo de tracción), y una segunda fuerza de mayor magnitud (denominada a continuación la fuerza de impulso).

Por supuesto, se puede aplicar una carga de tracción a todos los cuatro bordes de la membrana, si se desea. Tal estiramiento multidireccional proporcionará integridad a la estructura, e impedirá posiblemente que las fibras rotas se separen de otras fibras circundantes. Las fibras horizontales, cuando se estiren, permitirán la transmisión de cargas, y actuarán por tanto como una matriz.

No debería existir limitación alguna al tipo de cargador a tracción aquí descrito, porque existen muchos dispositivos que pueden funcionar como un cargador a tracción. Esencialmente, el cargador 14 a tracción puede ser un aparato generador de fuerza que puede aplicar una fuerza a tracción a un borde de una membrana. Esto incluye accionadores primarios de todos los tipos: cilindros hidráulicos y neumáticos, motores (electromecánicos, termomecánicos, hidráulicos, lineales, etc.). Se puede usar tales accionadores primarios solos o en combinación con otras estructuras mecánicas tales como palancas, etc. Una persona de experiencia común reconocerá que hay tantas otras alternativas al cargador de tracción deseable que nunca se podría describir exhaustivamente tales alternativas.

La membrana 8 es sostenida con un "sesgo de tracción" inicial por el cargador 14 de tracción para mantener tensa la membrana 8 todo el tiempo que el aparato de recogida del ESP está funcionando. Este sesgo se muestra gráficamente en la Fig. 3. El sesgo de tracción endereza y elimina esencialmente cualesquiera imperfecciones de la membrana, y origina que la distancia entre la membrana y los electrodos de descarga permanezca constante. A intervalos de tiempo de sacudidas predeterminados, se actúa el cargador de tracción, y se aumenta rápidamente la fuerza de tracción aplicada a la membrana durante un breve momento; durante una "fuerza de impulso". La fuera de impulso aumentada momentáneamente es aflojada subsiguientemente, relajando la membrana de nuevo al sesgo de tracción. Las fuerzas de impulso se aplican y relajan de nuevo al sesgo de tracción periódicamente durante la operación de sacudidas. La intensidad y la duración de la carga de tracción deben estar sujetas a optimización.

La frecuencia y la duración de las fuerzas de impulso dependen de muchos factores, incluyendo la velocidad de formación de polvo, la cual variará según la posición de la membrana en el sistema de gas. Por ejemplo, una membrana que está mucho más aguas abajo tendrá menos formación de polvo que una membrana que está aguas arriba, y por tanto requerirá una aplicación menos frecuente de las fuerzas de impulso.

La aplicación de fuerzas de impulso periódicas causa que la capa de polvo se someta a cizallamiento de la membrana. Puesto que no existe ningún movimiento lateral significativo de la membrana perpendicularmente al plano de la membrana, no existe un movimiento lateral significativo de la capa de polvo, y por tanto no se causa ningún arrastre significativo de partículas causado por un movimiento lateral. Adicionalmente, puesto que no hay necesidad de nervios de rigidización en la membrana, el flujo de gas a través de las membranas y alrededor de las mismas es más uniforme. Todo el polvo que se separe de la superficie colectora no experimentará un flujo de gas turbulento. En ausencia de imperfecciones iniciales y pandeo, la capa de polvo se desprende en grandes piezas en la capa límite de la corriente de gas con pequeña turbulencia. Por tanto, las piezas de polvo desprendidas en el modo de cizallamiento se deslizarán hacia abajo de la membrana y caerán a las tolvas, minimizando las pérdidas por nuevo arrastre.

El uso de una membrana tiene muchas ventajas sobre las placas. Aunque la diferencia entre una membrana tejida y una placa se define fácilmente, porque la urdimbre tejida se comporta como una placa con infinitas bisagras que no pueden transmitir momentos flectores, la diferencia entre una membrana y una placa sólida delgada puede ser difícil de definir. Una descripción cualitativa de una membrana es "una hoja que ofrece una resistencia despreciable bien a la flexión o bien a la compresión en el plano". Por el contrario, una placa posee rigidez a la flexión y resiste tanto la flexión como la compresión en el plano de manera similar a las vigas en la flexión. Esta resistencia a la flexión es lo que impide que una placa pandee bajo su propio peso.

Cuando se somete a flexión una placa, una parte de la sección transversal experimenta tracción y la parte remanente en el lado opuesto del eje neutro experimenta compresión. Por el contrario, en las membranas toda la sección transversal está cargada sólo a tracción. Este estado de tensión se denomina "tensión de membrana" y es la única tensión que existe en las auténticas membranas, tales como los géneros, y las láminas de goma delgadas.

Por consiguiente, si no está soportada, una membrana "ideal" vertical, tal como una urdimbre tejida hecha de fibras delgadas o alambres pandea bajo su propio peso, pero las placas no lo hacen.

Al tener tal flojedad, una membrana de rigidez prácticamente cero, todas las imperfecciones iniciales que causan problemas en un aplaca rígida se eliminan por el cargado previo de a membrana con un sesgo de tracción. El sesgo de tracción endereza la membrana proporcionando una superficie esencialmente plana a ambos lados, la cual tiene unas posiciones predeterminadas y fijas respecto a los otros elementos del ESP. La aplicación de fuerzas de impulso de tracción a continuación deforma las membranas planas, cortando la capa de polvo con desprendimiento.

De manera confusa, una hoja de metal maciza puede ser vista como una placa o una membrana, dependiendo de sus dimensiones y de las propiedades del material. El análisis siguiente establece una descripción más precisa de la distinción entre las membranas sólidas y las placas con la finalidad de definir el término "membrana".

Una estructura plana en voladizo empotrada en su extremo inferior pandea bajo su propio peso siempre que su longitud vertical exceda el valor crítico dado por

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donde E es el módulo de Young, I es el momento de inercia de una sección transversal, h es el espesor y q es un peso específico por unidad de longitud. Véase S. Timoshenko, J. Gere: Teoría de la Estabilidad Elástica, McGraw-Hill, Nueva Cork, 1961, página 104.

Debido a que las membranas "ideales" tienen una rigidez cero, EI, la longitud crítica de pandeo es igual a cero. Sin embargo, dado el espesor h y la anchura b, si la longitud crítica l_{c} es menor en comparación con la anchura b de tal modo que l_{c}/b < 5, la longitud y la anchura ya no son del mismo orden. Se requiere que la longitud y la anchura sean del mismo orden por la definición geométrica de una membrana, que es que las dimensiones en el plano en dos direcciones perpendiculares entre sí (longitud y anchura) sean del mismo orden de magnitud, pero la tercera dimensión (espesor) sea al menos de un orden de magnitud menor que las otras dos. Si la longitud y la anchura no son del mismo orden, la estructura se asemeja a una banda horizontal delgada, más que a una membrana. De aquí que, si la longitud crítica l_{c} es tan pequeña que

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entonces la rigidez de la hoja maciza es despreciable. Por tanto, en base a la Ecuación (2), si el espesor de una hoja satisface el criterio

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o está muy cerca de este valor, la hoja es definida como una membrana.

Para ilustración, la Ecuación (3) predice que una estructura plana de acero (E = 210GP \alpha, \rho = 7,8 g/cm^{3}) cuya anchura b es 2, 3 o 4 m se comportará como una membrana si su espesor h es de menos de 0,19, 0,34 y 0,52 mm respectivamente. De aquí que las placas macizas de los precipitadores existentes no se puedan contemplar como membranas, porque su espesor es al menos de unos pocos milímetros. Puesto que la relación \rho/E para las aleaciones de aluminio es la misma que para los aceros, se obtiene el mismo espesor respectivo para ese material que para los aceros. Si la hoja con la misma anchura es hecha de Kevlar 49 (E/\rho = 0,86 x 10^{6} m), por ejemplo, se comportará como una membrana si su espesor es menor de 0,33, 0,60 y 0,93 mm.

Existen varias ventajas que surgen del uso de una membrana como substrato de recogida en un ESP. El mecanismo de desalojamiento de polvo de los colectores de membrana estirada difiere significativamente del existente en los ESP con placas sacudidas. El mecanismo de cizallamiento para las membranas es ilustrado esquemáticamente en la Fig. 4. A fin de eliminar las imperfecciones iniciales, la membrana es sometida a un sesgo de tracción. Como se mencionó anteriormente, las membranas son sometidas periódicamente a una fuerza de impulso adicional \DeltaP que es suficientemente grande para producir aceleraciones capaces de eliminar los depósitos de ceniza por acción de cizallamiento. Este mecanismo de cizallamiento implica deformar rápidamente la membrana respecto a la capa de polvo, la cual es deformada de manera despreciable. La fuerza de impulso se aplica al borde de la membrana en el plano de la membrana relativo a la capa de polvo paralela. La fuerza de tracción produce una fuerza de cizallamiento entre la membrana y la capa de polvo. La fuerza de cizallamiento separa la capa de polvo de la membrana, causando que la capa de polvo se deslice hacia abajo a una tolva.

El material de la membrana debe poseer suficiente resistencia al desgarramiento y a otras formas de fractura para resistir las fuerzas de tracción necesarias para producir el cizallamiento entre la capa de polvo y la membrana. Sin embargo, la membrana debería tener una rigidez relativamente baja para proporcionar unas deformaciones más altas para el corte con desprendimiento.

Adicionalmente a la ventaja del mecanismo de cizallamiento de las membranas, se derivan también otras ventajas de la menor masa de las membranas. Por supuesto, la menor masa facilitará la comodidad de instalación de la superficie colectora y el transporte de la nueva construcción, así como reducirá el costo de reequipamiento o reparación. Sin embargo, la menor masa de la membrana dará lugar también a aceleraciones incrementadas cuando se aplique la misma fuerza de impulso usada para separar la capa de polvo adherida. De hecho, como se mencionó anteriormente, una comparación del modo sacudidas para cizallamiento con el modo convencional de sacudidas normales muestra que el primero es superior y requiere aceleraciones de 2 a 4 veces menores, y por tanto fuerzas aplicadas de 2 a 4 veces menores, dada la misma masa, que el modo de sacudidas normales. Claramente, el uso de membranas mucho más ligeras, combinado con la necesidad de aceleraciones de 2 a 4 veces menores, hace posible optimizar la tecnología de las sacudidas a fin de lograr una mejor eficiencia.

En la Figura 6 se ilustra la comparación entre la práctica actual y la invención. Como es obvio, aun las fuerzas de alta intensidad aplicadas a las placas de acero convencionales producen deformaciones de corte con desprendimiento relativamente pequeñas. Se pueden lograr las mismas deformaciones con fuerzas mucho menores, si las membranas mucho menos rígidas y de menor masa sustituyen a las placas convencionales.

El análisis de la ventaja en la aceleración es como sigue. En un ejemplo, la vibración longitudinal de una varilla uniforme sometida a una fuerza axial f(x.t) = P\delta(x)\overline{u}(t) en la forma de una función de etapa unitaria (de impulso) el tiempo \overline{u}(t) de magnitud P aplicado en x = 0 es

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donde m es una masa unidad, L es la longitud de la varilla, E es el módulo de Young, A es el área de la sección transversal, t es el tiempo y u(x, t) es el desplazamiento, mientras

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es la frecuencia en el modo r-ésimo. El primer término de la Ecuación (4) representa el movimiento del cuerpo rígido y el segundo término puede ser contemplado como una deformación estática alrededor de la cual tiene lugar la vibración.

Se puede encontrar La deformación longitudinal E(x, t) = \partialu/\partialx y la aceleración \alpha(x, t) = \partial^{2}u/\partialt^{2} a partir de la Ecuación (5). Después de realizar la diferenciación y reteniendo sólo los términos de encabezamiento, la conclusión es que

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Se supone que tanto la placa como la membrana tienen la misma longitud L y anchura w, y que los efectos de la turbulencia de los rigidizadores de la placa se desprecian. Si los espesores son t_{p} y t_{M}, las intensidades de las fuerzas aplicadas son P_{P}, P_{M} y las densidades de masa \rho_{P},\rho_{M}. Los subíndices P y M se refieren a "placa" y "membrana". Adicionalmente, se supone que la conclusión anterior para la varilla se aplica también a las placas y a las membranas, lo cual es una buena aproximación para w suficientemente grande. Por tanto, las deformaciones y las aceleraciones en la membrana y en la placa se relacionan según:

7

8

\newpage

De manera similar, las frecuencias se relacionan según:

9

La relación de densidades de la placa de acero y la fibra de carbono, por ejemplo, usada en una membrana es típicamente \rho_{P}/\rho_{M} = 4. Suponiendo que se escogen las fibras de carbono de tal manera que E_{P}/E_{M} = 1 y t_{P}/t_{M} = 4, encontramos a partir de las ecuaciones (7), (8) y (9) que

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Este análisis muestra que tanto las deformaciones longitudinales como las aceleraciones en la membrana aumentan drásticamente si se carga la membrana con la misma fuerza que la placa, mientras que la frecuencia natural es siempre mayor en las membranas que en las placas. Éstas son exactamente las características que se necesitan para un desalojamiento eficiente del polvo.

Por tanto, a fin de tener las mismas deformaciones y aceleraciones que en los ESP de tipo placa, las membranas deben ser cargadas con fuerzas mucho más pequeñas. Esto significa que el aparato de sacudidas usado para producir las deformaciones y aceleraciones deseadas puede ser mucho menos robusto, y por tanto menos caro, que los requeridos para las placas convencionales.

Además, debido a que se despreciaron los efectos de los rigidizadores en el análisis anterior, la conclusión es todavía más favorable a las membranas. Por ejemplo, la masa total de la placa rigidizada es casi el doble que la de una placa no rigidizada. Por tanto, la relación de aceleraciones es más próxima a \alpha_{P}/\alpha_{M} = 30 P_{P}/P_{M}, casi el doble de lo predicho anteriormente en la Ecuación (10). Se puede alcanzar una conclusión similar para las deformaciones, puesto que si los rigidizadores se incluyeran en el análisis anterior, el espesor equivalente de la placa, y por tanto su rigidez aumentaría drásticamente en línea con la relación de deformaciones.

Un gran número de materiales de fibras son adecuados para su uso como Membranas. Incluyen urdimbres tejidas hechas de fibras muy delgadas resistentes a la corrosión, o trenzas de fibras, así como tamices densos o telas delgadas y flexibles hechas de hilo metálico resistente a la corrosión. Las fibras individuales, las trenzas hechas de fibras, o los hilos de tamices con aberturas suficientemente pequeñas pueden ser desnudos o tener algún revestimiento delgado. Se puede usar el revestimiento a fin de proteger las fibras de las condiciones corrosivas ambientales, para mejorar la conductividad eléctrica de las fibras.

Las fibras pueden ser de metales, cerámicas, polímeros, sílice, carbono y muchos otros materiales. Las fibras hechas de metales y aleaciones se denominan comúnmente alambres. Los alambres y los tamices de alambre se han fabricado para una variedad de aplicaciones. Tales alambres y tamices se pueden usar en precipitadores secos en los que las temperaturas son bastante altas pero los problemas de corrosión no son significativos. Las telas metálicas hechas de aceros inoxidables resisten la corrosión química y la oxidación a temperaturas de 760ºC (1400ºF). Se encuentran comercialmente disponibles hasta un tamiz que tiene 23 por 23 hilos por milímetro (600 por 600 hilos por pulgada cuadrada) o más, diámetro y aberturas (agujeros) del orden de 20 \mum, y un peso específico inferior a 0,2 kg/m^{2}. Éstos deben distinguirse de las placas rigidizadas existentes (que tienen un espesor de 1 a 2 mm o más) usadas en los ESP convencionales y que tienen un peso específico inferior de 15 a 30 kg/m^{2}, el cual es de un orden de magnitud superior al peso específico de las membranas.

Adicionalmente, a lo largo de la última década se han desarrollado las fibras de materiales no convencionales. Éstos incluyen las fibras cerámicas (por ejemplo las fibras vendidas con las marcas comerciales NEXTEL, FP, SCS), las fibras de polímeros (por ejemplo las fibras vendidas asociadas a las marcas comerciales KEVLAR y SPECTRA), las fibras de sílice y las fibras de carbono. Todas estas fibras pueden ser materiales tejidos en forma de telas y usados como superficies de recogida en el precipitador. Por ejemplo, se puede usar fibras cerámicas en precipitadores húmedos en los que pueden producirse severos problemas de corrosión con otros materiales. Se pueden usar las fibras de sílice en aplicaciones a alta temperatura de más de 1000ºC.

El peso específico de estas membranas no convencionales es típicamente de 0,5 a 1 kg/m^{2} o menos (sin bastidor). Por ejemplo, Fabric Development Inc., de Quakertown, Pa, produce urdimbre tejida de fibra de carbono como la mostrada en la Figura 1 con 12.000 fibras (de 7 \mum de diámetro) en cada cable. El espesor del cable es inferior a 1 mm y el peso específico es de sólo 0,661 kg/m^{2}. Esto significa que las membranas de 3 m por 10 m pesarán sólo unos 20 kg, sin el bastidor. Por otra parte, una placa de acero de 2 mm de espesor de las mismas dimensiones pesa aproximadamente 470 kg, sin bastidor ni rigidizadores. Las placas de algunos ESP convencionales son de un espesor tan elevado como 10 mm.

En general, sin embargo, con independencia del material escogido, el material de la membrana debe ser resistente a la corrosión, combustión, fatiga mecánica y térmica, y debe tener una conductividad eléctrica satisfactoria. El flujo actual en un precipitador es extremadamente pequeño, de manera que aun un flujo de agua en el precipitador electrostático húmedo proporciona una conductividad eléctrica satisfactoria. Las membranas pueden ser hechas de cualquier material seleccionado entre muchos candidatos. La mejor elección para cualesquiera circunstancias variará en base a dichas circunstancias. Sin embargo, las mejores elecciones actualmente para la mayoría de las circunstancias parecen ser una membrana hecha de trenzas tejidas de sílice revestida, fibras de carbono o cerámica o un tamiz de hilos de acero inoxidable delgados. Por supuesto, se contemplan otros muchos materiales que tienen características satisfactorias como útiles para la invención.

Los compuestos con una matriz de polímero y basados en fibras de carbono crecidas en vapor son buenos candidatos puesto que muchos ESP funcionan a temperaturas moderadas. Tienen una conductividad térmica y resistencia elevadas y pueden satisfacer los requisitos de conductividad eléctrica del precipitador. El uso de fibras de carbono, que se fabrican por diversos métodos diferentes, puede proporcionar ventajas económicas y funcionales. Las fibras de cerámica tienen características que las pueden hacer preferibles para los ESP húmedos.

Las siliconas pueden ser un buen candidato para la matriz de la membrana, puesto que las siliconas reforzadas con fibra de carbono se pueden usar continuamente a temperaturas de unos 149ºC (300ºF). Las siliconas se pueden fabricar con una capacidad de alargamiento del 200\textdollar. Por tanto, se puede usar un compuesto de matriz de polímero basada en silicona para producir unas membranas compuestas que pueden ser estiradas para desalojar efectivamente partículas de ceniza mientras que funcionan todavía a temperaturas elevadas. Claramente, también son posibles otras elecciones para las matrices.

Para aplicaciones a alta temperatura, se pueden usar las fibras solas en forma de trenzas tejidas. La rugosidad de la superficie del colector no influye en la eficiencia de desalojamiento de polvo, puesto que la capa de polvo no se rompe en la interfaz capa membrana. Por ejemplo, algunas de las fibras, tales como la sílice, pueden resistir temperaturas hasta 1093ºC (2000ºF) y se pueden usar en ambientes altamente corrosivos. Otras fibras de carbono están hechas para trabajar en ambientes de hasta 1093ºC (2000ºF), pero son muy caras.

Las fibras de carbono, bien desnudas o bien revestidas, con matriz o sin ella, poseen cierto número de oras características superiores. Su conductividad eléctrica está comprendida entre 10 y 100 microohmios-m. Aunque la resistividad del acero es típicamente inferior a 1 microohmio-m, es aceptable la resistividad más alta de las fibras es aceptable puesto que los requisitos de flujo actual para los precipitadores electrostáticos son muy pequeños. Los ensayos realizados en la Universidad de Ohio han mostrado que las urdimbres de fibra de carbono son capaces de recoger partículas de ceniza por precipitación electrostática. Cabía esperar esto puesto que incluso una película de agua trabaja como el electrodo colector en los precipitadores húmedos. Las fibras de carbono así como as fibras de cerámica están esencialmente libres de corrosión y son muy resistentes al ataque químico. Adicionalmente, estas fibras tienen unas propiedades de fatiga superiores, con unos límites de duración mucho más altos que los aceros.

Debido a la baja densidad \rho y al alto límite de duración bajo fatiga, \sigma (definido como la máxima tensión admisible más allá de la cual la estructura no es segura para funcionar con unas cargas cíclicas en un número de ciclos muy grande, típicamente de 10^{6}), las membranas basadas en fibras poseen unas propiedades superiores contra la fatiga con respecto a los otros materiales candidatos posibles, como se ilustra en el análisis siguiente. Durante el proceso de sacudidas, las aceleraciones típicas pueden alcanzar 200 g/s, es decir, aproximadamente \alpha = 2000 m/s^{2}. De aquí que, la máxima fuerza aplicada alcanza el valor P_{max} ma = lb/hp(2000), donde l, b, h son la longitud, anchura y espesor de la membrana. Puesto que la tensión mayor no debe exceder el límite de duración \sigma_{e}, la carga máxima admisible es P_{max} = \sigma_{e} A = \sigma_{e} bh, donde A es el área de la sección transversal. Por tanto, a partir de las dos últimas ecuaciones, se encuentra que \sigma_{e} \geq 2000 l\rho. Se puede definir el factor de fatiga como:

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Los valores típicos para \sigma_{e} en los aceros, aleaciones de aluminio y carbonos son 5(10), 1,3(10) Y 1(10) Pa, mientras que las densidades son 7,8(10)^{8}, 2,6(10)^{8} y 2(10)^{9} kg/m^{3}, respectivamente. De aquí, los coeficientes de seguridad para fatiga, f, para los aceros y las aleaciones de aluminio son aproximadamente 30/l y 40/l, mientras que para las fibras de carbono su valor es mucho más alto, de aproximadamente 250/l. Para las longitudes típicas l = 10-15 m, se observa que los electrodos colectores hechos de acero o aleaciones de aluminio funcionan en el límite de seguridad, mientras que los colectores basados en carbono son más seguros contra los fallos por fatiga.

Si las membranas están hechas de materiales resistentes a la corrosión que aguantan el ataque químico por ácido sulfúrico, tales como los compuestos basados en carbono o en sílice, los beneficios debidos sólo a este coeficiente son numerosos. En primer lugar, es ventajosa la posibilidad de combinar la precipitación de ESP seco y húmedo. Esta combinación debería llevar esencialmente las pérdidas por nuevo arrastre a cero. Adicionalmente, se podría aplicar la anteriormente mencionada técnica de "captura de electrón" para impedir la conversión de gas a partícula, lo cual es importante en las centrales eléctricas que queman carbones con un alto contenido de azufre. Con estas características un nuevo ESP que use la presente invención es capaz de cumplir las regulaciones PM 2.5.

En un ESP húmedo, una capa exterior de agua fluye hacia abajo desde la parte superior de a membrana, tal como la membrana 30 mostrada en la Fig. 7, y conforme fluye recoge partículas de polvo. El agua es introducida en la membrana 30 desde un aplicador 32 próximo a la parte superior de la membrana 30, y fluye hacia abajo al colector 34 próximo a la parte inferior de la membrana 30. Debido a que las fibras muy delgadas de carbono o de sílice, tales como aquellas que tienen un diámetro típico de menos de 10 micras, tienen unas propiedades de humidificación excelentes, se puede usar las mismas membranas en los ESP secos, húmedos e híbridos.

En un ESP húmedo, el agua es la superficie conductora colectora, y por tanto, el substrato no necesita ser un material eléctricamente conductor. Adicionalmente, el substrato no tiene por que ser una membrana porque no necesita ser estirado a tracción para eliminar la materia en partículas. El flujo de agua elimina la materia en partículas. Sin embargo, la capacidad de la urdimbre preferida tejida de fibras delgadas de carbono, sílice u otras para ser usada tanto en aplicaciones húmedas como secas es una ventaja adicional que surge debido a su excelente susceptibilidad de ser humidificada, resistencia a la corrosión y capacidad de ser sometida a tracción. Por tanto, una realización es una pluralidad de campos secos de ESP seguidos de un único campo húmedo de ESP para reducir el nuevo arrastre. Todos los substratos e recogida están hechos del material de membrana preferido, pero sólo los campos secos reciben periódicamente la aplicación de cargas de tracción con impulsos.

Se ha realizado una serie de experimentos con membranas de diferentes materiales en el Russ Collage of Engineering and Technology de la Universidad de Ohio.

Entre otros materiales, se ensayaron dos urdimbres diferentes tejidas basadas en carbono, la urdimbre conocida bajo la marca comercial "Fabric 1150" (espesor 0,3 mm, masa superficial 207 g/m^{2}), fabricada por Fabric Development Inc., de Quakertown, PA, y la urdimbre conocida bajo la marca comercial "Fabric 3COWCA-7" (espesor 0,38 mm, masa superficial 204 g/m^{2}), fabricada por Amoco Performance Products, Inc., de Chicago, IL. En muchos aspectos las membranas basadas en fibra de carbono pueden ser contempladas como representantes típicas de cierto número de membranas tejidas hechas de una variedad de fibras. Por esa razón, se dan a continuación algunos de los resultados típicos de ensayo de estos dos materiales.

Los ensayos para la determinación de la resistividad/conductividad eléctrica han mostrado que las urdimbres basadas en carbono se comportan como semiconductores y que su resistividad a la temperatura ambiente es del orden de 10^{-4} ohmios-metro. Aunque se puede mejorar la conductividad revistiendo las fibras/trenzas/membranas con materiales más conductores, los experimentos en función de la eficiencia en la recogida de polvo muestran que esta pequeña conductividad es todavía suficiente para su aplicación en ESP. Los experimentos realizados a elevadas temperaturas han mostrado que la resistencia disminuye aproximadamente un 10 por ciento en ESP que funcionan a temperaturas de 150-200 grados centígrados.

Los ensayos de resistencia al ácido sulfúrico, durante los cuales los dos materiales de la membrana se sumergieron en un tubo que contenía 200 ml de ácido sulfúrico con una concentración de 10 mol/l (es decir, en un ambiente mucho más agresivo que los ESP auténticos), han revelado que las membranas basadas en carbono tienen un comportamiento superior y no se registró ninguna pérdida de peso.

El ensayo de las propiedades de humidificación ha revelado que las dos membranas basadas en carbono absorben los líquidos muy bien y que el incremento relativo del peso después de que se sumergieron las membranas en agua fue entre el 55 y el 70%. Los resultados indican que otros materiales tejidos basados en fibras también tienen con mayor probabilidad buenas propiedades de humidificación.

En el experimento de resistencia a la combustión, los dos materiales se mantuvieron en un horno a altas temperaturas durante al menos varias semanas. Estos ensayos muestran que el material conocido bajo la marca comercial "Fabric 1150" puede resistir temperaturas hasta 232ºC (450ºF), mientras que el material conocido bajo la marca comercial "Fabric 3COWCA-7" puede resistir temperaturas hasta 288ºC (550ºF).

En los ensayos de resiliencia de las membranas, se ha medido la respuesta a la carga estática tanto para probetas de fibra de carbono de trenzas únicas como para tamaño normal (178 mm por 25 mm, 7 pulgadas por 1 pulgada) usando la máquina de ensayo de Tinius-Olsen. Estos resultados se dan en la Figura 8 para el material de marca comercial "Fabric 1150" y se comparan con los del material de marca comercial "Fabric 3COWCA-7" y el acero SAE 4340 de la Figura 9.

Los resultados preliminares muestran que la membrana como estructura se comporta de manera diferente de las trenzas de carbono de las que está hecho y es mucho menos rígido. También tanto las trenzas hechas de fibras de carbono como las membranas hechas de esas trenzas exhiben unas deformaciones mucho mayores que las correspondientes de las probetas de acero a cargas comparables, como se muestra en la Figura 9. En los ESP reales se necesitan deformaciones mayores porque producen unos efectos de desprendimiento mayores en los procesos de sacudida de la capa de polvo. Aunque sólo se realizaron ensayos en membranas basadas en fibra de carbono, se espera que otros materiales tejidos basados en fibras como la sílice, presenten un comportamiento similar.

Se realizó un cierto número de experimentos para determinar la eficiencia de recogida de polvo de los dos géneros tejidos hechos de fibras de carbono a fin de comprobar si es posible recoger polvos con géneros basados en carbono en los ESP. El experimento se realizó en el pequeño precipitador a escala de laboratorio mostrado en la Fig. 10.

El precipitador consiste en un túnel de viento de pared lisa de sección transversal circular, como se muestra en la Figura 10. El aire ambiente y el polvo que son soplados por aire a presión, son arrastrados al interior del túnel por un ventilador, y la velocidad del aire de aproximadamente 1-2 m/s es controlada por la válvula de admisión. Se aplica una alta tensión por la unidad de alimentación de potencia entre el electrodo de descarga de tubo vertical y la membrana vertical, teniendo el tubo una polaridad negativa y estando la membrana puesta a tierra. Un humidificador, el cual aumenta la humedad dejando en el agua una burbuja de aire a presión, se usa para mantener la humedad relativa por encima del 50%.

El túnel de viento tiene 152 cm (60 pulgadas) de largo y 30 cm (12 pulgadas) de diámetro. La membrana tiene 17,78 cm (7 pulgadas) de largo y 15,87 cm (6 ¼ pulgadas) de ancho. El electrodo tubular está hecho de latón con un diámetro de 0,95 cm (0,375 pulgadas) de diámetro. Se conectan diez barras de 2,5 mm (0,10 pulgadas) de diámetro por 2,54 cm (1 pulgada) de largo en dos filas al tubo vertical para producir un fuerte campo eléctrico. La distancia entre las barras es de 3,175 cm (1,25 pulgadas. El electrodo tubular y la membrana están montados sobre un bastidor de plástico. La distancia entre el electrodo y la membrana es de 20 cm (8 pulgadas).

Las muestras de membrana en las cuales se realizó el experimento tenían unas dimensiones de 17,78 cm (7 pulgadas) por 15,875 cm (6,25 pulgadas). Los experimentos se realizaron a una temperatura ambiente de 20-30C, con la humedad de la sala comprendida entre el 45% y el 55%. El tiempo de recogida fue de 25 minutos.

Se hicieron aproximadamente 30 experimentos para los dos materiales. Puesto que la vibración inducida por el flujo puede influir el desalojamiento del polvo, se ensayaron tres modos de conexión diferentes, es decir, coser la membrana con un hilo de algodón a una placa de plástico no conductor en su respaldo, como se muestra en la Figura 11; pegarla a la placa de plástico, como se muestra en la Figura 12, y no poner placa, como se muestra en la Figura 13.

Para el material de carbono asociado a la marca comercial "Fabric 1150", se ensayaron dos estados de recogida, sin placa de plástico y con el género cosido a la placa de plástico con hilo de algodón.

Para el material de carbono asociado a la marca comercial "Fabric 3COWCA-7", sólo se ensayó un modo de recogida, con el género pegado a la placa de plástico.

En la Figura 14 se muestran los resultados de los experimentos con el material de marca comercial "Fabric 1150" sin placa de plástico. Debido a que el género vibraba debido a la vibración inducida por el flujo, parte del polvo se desprendió de la membrana. A fin de comprobar si volvía a entrar en el flujo, se usó una bandeja especial para recoger el polvo debajo. La bandeja tenía varias ranuras, paralelas al flujo, cada una de las cuales con una anchura de 10 mm. Aunque la membrana no estaba completamente tensa, la vibración no empujó al polvo nuevamente de vuelta a la corriente principal de gas, y resulto evidente que todo el polvo desprendido permaneció en la primera ranura (la más próxima a la membrana). Se encontró que el porcentaje medio de polvo desprendido debido a la vibración estaba próximo al 22%.

En la Figura 15 se muestran los resultados de los experimentos de material de marca comercial "Fabric 1150" con la placa de plástico en su respaldo. Debido a la ausencia de vibración no hubo caída de polvo a las ranuras. El total medio de polvo recogido en 25 minutos fue de 29,41 g, lo cual era un 20% más que cuando se recogió el polvo con una membrana suelta, sin el respaldo de plástico, es decir, en presencia de vibración.

Finalmente, se obtuvieron los resultados de los experimentos de material de marca comercial "Fabric 3COWCA-7" en un estado, es decir, con el género pegado a la placa de plástico. Los resultados se muestran en la Figura 16.

Aunque las fibras de carbono pertenecen a los semiconductores, los experimentos han confirmado claramente que las membranas hechas de estas fibras recogen el polvo suficientemente bien.

Ambas membranas se hicieron con fibras de carbono de propiedades muy similares. Sin embargo la cantidad de polvo que recogieron fue mucho mayor con el material de la marca comercial "Fabric 3COWCA-7" que con el material de la marca comercial "Fabric 1150", aun cuando el último fue firmemente unido a la placa de plástico de respaldo (y no podía vibrar). La principal diferencia entre los dos géneros es la densidad de tejido. El "Fabric 3COWCA-7" es mucho más denso, y parece que este factor jugó un papel principal en su mejor eficiencia en la recogida de polvo, es decir, no sólo la intensidad de corriente, sino también su densidad (corriente por unidad de superficie) parece jugar un papel muy importante.

Diferentes investigaciones implican la inyección de amoníaco acoplada con una corona pulsatoria para eliminar los NO_{x} del gas de escape. Este proceso es complicado por la formación de sulfato amónico (NH_{4})_{2}(SO_{4}), el cual se produce cuando el amoníaco interactúa con el azufre gaseoso presente cuando se quema carbón que tenga azufre.

El sulfato amónico tiene unas propiedades de adherencia tremendas a las temperaturas de funcionamiento en los ESP, de tal manera que puede obstruir los canales por completo, interferir el funcionamiento de los dispositivos mecánicos y "engomar" las instalaciones. Como resultado, sólo se hace la inyección de amoniaco en los ESP en las circunstancias más extremas. Actualmente, esto sucede de manera habitual cuando la resistividad de la ceniza es tan baja que el ESP no puede recoger la ceniza. El amoniaco se usa para aumentar la adhesión de la partícula, aumentando de esta manera la aglomeración.

No existe un buen método para eliminar el sulfato amónico de los ESP en funcionamiento que contengan partes metálicas. El lavado de las placas dará lugar a una corrosión significativa cuando se disuelva el sulfato. Adicionalmente, esto requiere parar la unidad en funcionamiento, puesto que típicamente no es posible la inyección de agua (en línea). No es este el caso de un precipitador húmedo. Sin embargo un ESP húmedo basado en metal sufriría una corrosión excesiva en el caso de que se usara la inyección de amoniaco.

Se ensayó una membrana tejida hecha del material "Fabric 1150" en la Universidad de Ohio para ver si podía ser limpiada del sulfato amónico acumulado. Se realizaron los experimentos en una membrana de 17,78 cm (7 pulgadas) por 17,78 cm (7 pulgadas). Fue tratada con ácido sulfúrico líquido (98% molar), seguido del goteo de hidróxido amónico líquido (30% molar), secada a continuación en el horno a una temperatura de 93,33ºC (aproximadamente 200ºF) y calentada durante 10 minutos. Finalmente, fue enjuagada durante unos 5 minutos con agua desde la parte superior de la membrana con un flujo de baja velocidad.

Se consideró que el tejido de fibra mantendría el sulfato amónico y no lo soltaría, aun cuando el agua disolviera los cristales de sulfato. Sin embargo, los ensayos indican que un tejido de fibra de carbono puede ser limpiado fácilmente hasta casi del 100% del sulfato amónico. Los experimentos han mostrado también que la membrana de sulfato amónico es completamente resistente al ambiente ácido.

Claims (10)

1. Un precipitador electrostático que tiene un electrodo cargado y un substrato de recogida sustancialmente plano puesto a tierra sobre el cual precipita la materia en partículas procedente de una corriente de fluido que fluye sustancialmente paralela durante el funcionamiento, comprendiendo el precipitador:

(a)

un substrato colector (30) de membrana de género de fibras entrelazadas;

(b)

un aplicador (32) próximo al borde superior de la membrana (30) y caracterizado por

(c)

unas aberturas entre las fibras a través de las cuales puede fluir el agua que permiten la absorción del agua en la membrana (30); y

(d)

un colector (34) próximo al fondo de la membrana (30) para recoger le agua que fluye a través de la membrana (30);

(e)

y por el que sustancialmente toda la materia en partículas que se precipita sobre la membrana (30) es eliminada por el flujo de agua a través de la membrana (30) para ser recogida con el agua en el colector (34).

2. Precipitador según la reivindicación 1, en el que dichas fibras están orientadas de manera aleatoria.

3. Precipitador según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además un revestimiento sobre dichas fibras.

4. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas fibras están tejidas.

5. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas fibras son de cerámica.

6. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, en el que dichas fibras son de metal.

7. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, en el que dichas fibras son de aleación de metal.

8. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, en el que dichas fibras son de polímero.

9. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 4, en el que dichas fibras son de carbono.

10. Precipitador según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la membrana comprende además una matriz de silicona.