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Ingeniería Química www.alcion.es junio 03 205 Control de Emisiones Lavadores de gases (y IV) Consideraciones económicas y de operación A. Feal Veira Consultor Se describe una estimación de costes para lavadores de partículas (PS) presentes en gases de escape, mostrando su dependencia de los parámetros de diseño y materiales utilizados. Se comenta la aplicabilidad de los lavadores en diferentes sectores industriales, las posibilidades adicionales de aprovechamiento como absorbedores de gases y acondicionadores de la resistividad de las PS, y se apunta la consideración de las características de los residuos generados por estos equipos. 1. Intr oducción Se finaliza esta serie de artícu- los dedicados a los lavadores de gases mostrando una estimación que describe cómo los parámetros de diseño y las características de los equipos y materiales que con- forman los lavadores pueden inci- dir en los costes. Se reseña la aplicabilidad de es- tos equipos en diferentes sectores industriales, con posibilidades de ser aprovechados, simultáneamen- te a la depuración de partículas (PS) presentes en las emisiones at- mosféricas, como absorbedores de gases contaminantes, así como acondicionadores de la resistividad de las PS de los gases de escape previamente a una etapa final de colección mediante precipitador electrostático. Se esboza la posible mejora de la eficacia de los lavadores con otras tecnologías de apoyo, así co- mo ciertas consideraciones respec- to a los residuos en estos equipos generados. 2. Consideraciones económicas Se ha verificado una estimación económica y de tamaños por la es- tadounidense EPA (Environmen- tal Protection Agency) y Gard, Inc.[1], como seguidamente se re- seña, y que, salvando las diferen- cias de tiempo y lugar, pudiera ser aprovechable a efectos de evalua- ción de la relación de los costes con parámetros de diseño y con especificaciones de características de equipos y materiales. El coste C para la fecha de referencia, en mi- les de dólares, podía estimarse pa- ra un lavador Caso Base en fun- ción del caudal de gases Q como: C = 7.100 + 240 Q – 0,29 Q 2 donde: C: Coste del lavador base; de acero al carbono, espesor de 1/8 de pulgada. Venturi seguido de sepa- rador cilíndrico (x 1000 $). Q: Caudal de gases (x 1.000 m 3 /h) Esta expresión no se considera extrapolable más allá de los 300.000 m 3 /h de gases. Existen una serie de factores de ajuste y costes adicionales según las condiciones siguientes: - Puede requerirse un espesor metálico superior a 1/8 de pulgada. Para su determinación se acude a la figura 1, ante la definición de la pérdida de carga P requerida se- gún sea el tamaño de la partícula. Con esta P y el caudal de gases a tratar, con la figura 2 se puede de- terminar el espesor adecuado y con la figura 3, el factor de ajuste co- rrespondiente. - Si el material alternativo al ace- ro al carbono ha de ser acero inoxi- dable 304 SS, se multiplicará el cos- te correspondiente por 2,3; y si fue- se acero inoxidable 316 SS, por 3,2. - Si el lavador ha de ser revesti- do con fibra de vidrio, se ha de añadir un 15% al coste obtenido sin tal revestimiento; y si ha de ser equipado con un revestimiento de goma, se puede estimar el coste adicional a partir de un coste unita- 2 INGENIERIA QUIMIC A Figura 1. Pérdida de carga requerida de V enturi según tamaño de partícula. Fuente: [1] Pérdida de carga, P (mm c.a.) Figura 2. Espesor de metal (en pulgadas), requerido para lavador V enturi según P y caudal de gases. Fuente: [1] Caudal de gases, a (x1000 m 3 /k) Figura 3. Factores de ajuste de coste para lavador Venturi según espe- sor de metal (en pulgadas) y caudal de gases. Fuente: [1] Figura 4. Utilización de absorbedores para colección de partículas. Fuente: [2] rio por unidad de superficie interna del lavador de unos 50 $/m 2 . El área interna A, en miles de m 2 ,se puede estimar como: A = 0,82 Q, cuando Q es el caudal de gases tra- tado (x 1.000 m 3 /h). - Si el separador que sigue al la- vador Venturi ha de ser equipado con enfriamiento de gases, su diá- metro D, en metros, que determina el correspondiente a las bandejas a insertar en el mismo, se puede esti- mar como: D = 1,5 + 2 · 10 -2 Q - 2,5 · 10 -5 Q 2 donde: D: Diámetro del separador (m) Q: Caudal de gases (x 1.000 m 3 /h). y el coste por bandeja, C b , en miles de dólares: C = 410 D +540 D 2 3. Control combinado de SO 2 En algunos casos, los lavadores de partículas (PS) se han utilizado como absorbedores de gases como el SO 2 , y viceversa, los absorbedo- res como colectores de PS. Así se ensayaron [2] absorbedo- res tipo Venturi en las Centrales Térmicas (CT) de EE.UU.: junio 03 207 Control de Emisiones - CT Shawnee, tratando unos 50.000 m 3 /h. - CT Mystic, tratando 1.000.000 m 3 /h. Observándose que el rendi- miento en la colección de PS dis- minuía rápidamente con el menor tamaño de la partícula. En la CT Shawnee se ensayó también el de- nominado absorbedor de contacto turbulento (ACT; véase Fig.4.a), para 50.000 m 3 /h, que mostraba más alto rendimiento para la colec- ción de PS (Fig.4.b), con un valor global del 99% cuando la pérdida de carga era superior a 150 mm c.a. Durante los ensayos, en el ACT se observó un severo atascamiento de los eliminadores chevron de nie- bla, que se solventó instalando una bandeja Koch previa a los mismos, como ya se recoge en la figura 4.a. En la CT Clay Baswell, Grupo 4, de 500 MW, en Cohasset, Minnesota, se instalaron: - Lavador Venturi para PS. - Absorbedor (torre de pulveri- zación) para SO 2 . Habiéndose reportado [3] rendi- mientos del 99,7% y del 90% para la depuración de PS y de SO 2 , respec- tivamente. Sin embargo, aun cuando se cumplían los valores límite de emisión para PS, no se conseguía re- ducir la opacidad de los humos por debajo de su valor del 20% . Son otras referencias de control combinado de PS/SO 2 : - Instalación en 1976 [4] en cal- deras industriales de la Base de la Fuerza Aérea de EE.UU., en Rickenbacker, de un lavador que trata 85.000 m 3 /h de gases para de- puración de PS y de SO 2 (para es- te último, utilizando cal como re- activo). - Programa Piloto [5] en la CT Sherburne County, de Northern States Power, con prototipo, inte- grando: lavador Venturi, absorbe- dor de torre de pulverización y se- parador final de PS cargadas eléc- tricamente en el mismo. - Modificación [6] en la CT Four Corners, de Arizona Public Service, de lavadores Venturi de una etapa, sobre tres grupos totalizando casi 600 MW, para la eliminación de PS y de un 60-70% de SO 2 . 4. Reducción de la resistividad de las cenizas volantes En un Programa Conjunto EEUU/URSS [7] de Ensayos para la Reducción de la Resistividad de las Cenizas Volantes, se probaron en la CT Reftinskaya, de carbón ba- jo en azufre y alta resistividad de cenizas, las combinaciones de lava- dores Venturi y centrífugo antes del precipitador electrostático (PE). La implantación de un lavador de paredes húmedas centrífugo (la- vador dinámico) conseguía rebajar en una década la resistividad de las cenizas volantes y un lavador Venturi previo otra década más (véase la figura 5 donde se mues- tran las variaciones de la resistivi- dad con la temperatura y según las incorporaciones de los lavadores señalados). Para la caracterización de las cenizas volantes de esta central tér- mica, se han recogido, en la figura 6 su distribución de tamaños, y en la figura 7, sus valores de resistivi- dad con la temperatura y humedad de los gases. Los datos eléctricos correspondientes a estos ensayos se han representado según: la figu- ra 8, de curvas intensidades- ten- siones eléctricas; la figura 9, de va- riación de la tensión V con la re- sistividad; y la figura 10, de varia- ción de la velocidad de migración aparente w con la resistividad. 5. Aplicabilidad de los lavador es Los lavadores se han utilizado, entre otras aplicaciones, para con- trolar las emisiones de partículas del triturado, secado y manipulado en plantas de cal, molido de mine- rales; plantas de fertilizantes; pin- turas y barnices; plantas de proce- sado de grano; canteras, industrias de productos minerales, cerámica, vidrio, lana mineral, plantas de as- falto, cementeras; manufactura de detergentes; industria metalúrgica, Figura 5. Resistividad de cenizas volantes en Central Térmica Reftinskaya Figura 6. Distribución de tamaños de las cenizas volantes en CT Reftinskaya. Fuente: [7] Figura 7. Dependencia de la resistividad de las cenizas volantes con la temperatura y la humedad de los gases en CT Reftinskaya hornos de fundiciones; nieblas de fabricación de ácido; electrodepo- sición; cenizas volantes de la com- bustión del carbón; incineración de basuras domésticas, de residuos 4 INGENIERIA QUIMIC A Figura 8. Curvas Corriente- Tensión en el primer campo del precipitador electrostático de CT Reftinskaya Fuente: [7] Figura 9. Cambio en la tensión sobre los electrodos en relación con la resistividad de las cenzas en CT Reftinskaya Figura 10. Efecto de la resisitividad eléctrica en la velocidad de migra- ción. Fuente: [7] sólidos urbanos e industriales; fa- bricación de papel; manufactura de tejidos; procesos en que se produz- can partículas pegajosas que re- quieran su limpieza por irrigación. También se aplican en control de olores y, como ha quedado indica- do, con la finalidad de absorción de gases contaminantes. 6. Per feccionamiento de lavador es Se ha perseguido el perfeccio- namiento de lavadores mediante procedimientos: - Electrostáticos. Así, un ioniza- dor de alta intensidad, constituido por disco sólido de metal como cá- todo y el correspondiente ánodo, ha proporcionado una reducción en los requerimientos de energía de un lavador Venturi de aproximada- mente 1/2 ó 2/3 del lavador con- vencional, con una reducción en la penetración de partículas de apro- ximadamente el 70% [8]. - Sobre el flujo-fuerza: difusio- foresis y termoforesis [9]. - Condensación: contacto de gas húmedo caliente con líquido su- benfriado. Una posible combinación es la de una etapa de lavado previa a la precipitación electrostática en un conjunto compacto en forma de precipitador electrostático húmedo [10], donde se aprovecha adicio- nalmente la utilización del rociado de agua para la limpieza del polvo depositado en los electrodos del precipitador. 7. Residuos procedentes de lavador es En la Central Térmica Four Corners, en New Mexico, con 2.100 MW, quemando carbón su- bituminoso de 5.000 kcal/ kg, con 22,5% de cenizas y 0,67% S, se en- contraron como residuos orgánicos de la combustión en las cenizas vo- lantes tras su lavado: - Fracciones alifáticas: parafi- nas C 15 a C 30 . - Compuestos aromáticos: de 1, 2, 3 y 4 anillos. Los compuestos orgánicos reco- gidos no se esperaba que represen- tasen ningún riesgo medioambien- tal [11]. 8. A modo de sumario Caudal de gases, pérdida de car- ga, espesores y materiales, así co- mo equipos auxiliares, pueden in- cidir en los costes estimados de la forma que se ha descrito. El lavador se ha aprovechado como elemento de control combi- nado de partículas (PS) y gases, como el SO 2 entre otros; también se ha implantado como acondicio- nador para la disminución de la re- sistividad de las cenizas volantes provenientes de la combustión de carbón de bajo contenido de azufre previamente a la recogida final de PS en precipitador electrostático. Su aplicabilidad se ha extendido a diferentes sectores industriales, y se ha perseguido su optimización mediante procedimientos de re- fuerzo entre los que se han desta- cado los electrostáticos. Un aspecto, que hoy en día es objeto de especial atención am- biental, es la evitación de la trans- ferencia de contaminación de un medio a otro, por lo que no han de dejar de considerarse volúmenes y características de los residuos que generan estos equipos, como los lodos resultantes de la captación de las PS por el líquido de lavado. 9.Bibliografía [1] Vatavuk, W .M. y Neveril, R. B., “Part X: Estimating size and cost of V enturi scrubbers”, Chemical Engineering, 30 noviembre (1981). [2] Statnick, R. M. y Drehmel, D.C. “Fine particle control using sulfur oxide scrubbers”, JAPCA, ju- nio (1975). [3] Nixon, D. y Johnson, C., “Particulate removal and opacity using a wet Venturi scrubber. The Minnesota Power & Light experience”, Combustion, febrero (1980). [4] McCarthy, J.E. “Th e Research-Cottrell/Bahco SO 2 and particulate removal system at Rickenbaker Air Force Base” , ASME 77-IPC-Pwr-4 (1977). [5] Martin, J.R.; et al , “Th e results of a two-stage scrubber/charged particulate separator pilot pro- gram” , 2nd Symposium Particulate Control Technology, Denver, Colorado, 23-27 julio (1979). [6] ELP , “Modified Venturi particulate scrubber achieves 85% sulfur dioxide removal”, Electric Light & Power, noviembre (1981). [7] Kropp, L.I.; et al , “Joint US/USSR Test Program for reducing fly ash resistivity”, JAPCA, junio (1979). [8] Kearns, M.T. “High intensity ioization applied to Venturi scrubbing”, JAPCA, abril (1979). [9] Buonicore, A.J., “Ai r pollution control”, Chemical Engineering, 30 junio (1980). [10] Actea, “WESPTM . Wet Electrostatic Precipitator”, Catálogo de suministro (2003). [11] Harrison, F. L.; et al , “ Comparison of o rga- nic combustion products in fly ash collected by a Venturi wet scrubber and an electrostatic precipi- tator at a coal- fired power station”, Environ, Sci. Technol., Vol. 9, Nº 12 (1985).
