PT1112124E - Precipitador electrostático de membrana. - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "PRECIPITADOR ELECTROSTÁTICO DE MEMBRANA"

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se a precipitadores electrostáticos (ESP) de acordo com a parte pré-caracterizante da reivindicação 1, utilizados para precipitar matéria sob a forma de partículas de gases de exaustão em substratos de recolha, através de carga electrostática e, mais especificamente, refere-se aos substratos de recolha (eléctrodos de recolha).

Descrição Da Técnica Relacionada

Os precipitadores electrostáticos industriais (ESP) são utilizados nas centrais de produção de energia a carvão, na indústria cimenteira, no processamento de minérios e em muitas outras indústrias, para remover matéria sob a forma de partículas a partir de uma corrente gasosa. Os ESP estão particularmente bem adequados para uma remoção com elevada eficiência de partículas muito finas a partir de uma corrente gasosa. ESP especialmente projectados atingiram eficiências de recolha de partículas tão elevadas como 99,9%. Contudo, as eficiências de recolha de ESP convencionais estão no seu nivel mais baixo para dimensões de partículas finas entre 0,1-1,0 ym. Adicionalmente, os ESP convencionais não conseguem resolver o problema das emissões gasosas ou da conversão gás-em-partícula. 1

Em 1997 a Environmental Protection Agency (EPA) propôs novos padrões de qualidade do ar para matérias em partículas finas. 0 foco destas regulamentações é a emissão de partículas finas, i. e. partículas abaixo de 2,5 ym de diâmetro (PM 2,5). Estas partículas entram mais facilmente no sistema respiratório humano.

Num ESP convencional típico, eléctrodos de filamento vertical são colocados na secção intermédia do canal formado entre os substratos de recolha paralelos verticais. Placas pesadas, tipicamente de aço, são suspensas numa estrutura de suporte que é ancorada a uma estrutura externa. Correntemente, dez dos canais de precipitação individuais constituem um campo individual. Os precipitadores industriais têm três ou mais campos em série.

Uma tensão DC de cerca de 50 kV é aplicada entre os eléctrodos de filamento (eléctrodos de descarga) e as placas de recolha) de substrato ligadas à terra (eléctrodos de recolha, induzindo uma descarga de coroa entre estes. Uma pequena fracção de iões que migram dos filamentos para as placas, ligam-se às partículas de pó do gás de exaustão que flui entre as placas. Estas partículas são então forçadas, devido a um campo eléctrico, a migrar para e a serem recolhidas nas placas onde é formada uma camada de pó.

Nos ESP secos, a camada de pó é periodicamente removida de ESP secos através de martelos que dão pancadas secas nos vértices das placas, tipicamente referido como "golpeamento" das placas. Quando os ESP são golpeados, é suposto que a camada de pó caia das placas verticalmente, para baixo, devido a uma acção de cisalhamento entre a placa e a camada de pó paralela. 2

Contudo, devido às imperfeições iniciais e às forças compressivas no plano, as placas tendem a dobrar-se quando golpeadas, tal como mostrado na Fig. 5. A carga de compressão neste designado modo de golpeamento normal gera ondas de tensão de propagação rápida, ao longo e através da placa, que se manifestam em grandes amplitudes laterais (deslocamentos) das placas na direcção normal à superfície da placa. Várias complicações resultam do processo de golpeamento. Devido à dobragem das placas, a aplicação de uma força na placa provocará que algum do pó seja expulso da placa. Este pó pode ser, então, reintroduzido no fluxo de gás, onde este pode, ou não, ser removido em placas de recolha a jusante. A quebra da camada de cinzas provocada pela força de golpeamento, em combinação com a dobragem da placa, tende a quebrar a camada de cinzas em pequenos pedaços. Pedaços de cinzas mais pequenos são mais susceptíveis de serem rearrastados do que pedaços grandes, que tendem a permanecer na camada limite laminar do fluxo de gás que existe próximo da placa de recolha e então escorregam para a tremonha de recolha.

As placas de recolha convencionais são tornadas rígidas com nervuras alinhadas ao longo da direcção da força de impacto do martelo, para reduzir a dobragem e as tensões e a fadiga das placas. Estas nervuras suportam as placas durante o golpeamento para reduzir a amplitude das vibrações das placas que provocam que o pó seja transformado numa nuvem. Contudo, tais nervuras diminuem muito a suavidade do fluxo de gás através dos canais. É altamente desejável que o fluxo de gás entre as placas de recolha seja uniforme. A turbulência pode diminuir várias vezes a eficiência da recolha e resultará numa espessura de camada menos uniforme. A turbulência faz com que algum do pó que é 3 transformado numa nuvem continue ao longo da corrente gasosa, e este pó é reintroduzido na corrente gasosa. 0 pó que é rearrastado na corrente gasosa, como resultado do golpeamento nos campos a montante, pode ser reprecipitado nos campos a jusante. Contudo, o pó precipitado no campo mais a jusante nos ESP não goza deste privilégio e, por isso, o rearrastamento que ocorre neste campo torna-se um factor critico na eficiência de recolha global do ESP seco.

Os estudos em precipitadores secos à escala real sugerem que o rearrastamento de cinzas volantes devido ao golpeamento chega a 30% da penetração média no tempo, para unidades com lado frio, e até 60%, para os com lado quente. Nas últimas décadas, forçados pelos regulamentos que requerem eficiências de recolha em massa na ordem de 99,8% e superior, o desenho dos precipitadores evoluiu até unidades com áreas de recolha específicas muito maiores e com custo mais elevado. Por essa razão a questão do controlo do rearrastamento por golpeamento tornou-se crítica. O objectivo global do golpeamento do pó deve ser o de remover eficazmente a cinza precipitada, com um rearrastamento mínimo. 0 problema do golpeamento para remover a camada de pó é formidável. A camada de pó pode ter até 1 cm de espessura e pode destacar-se da placa vertical, tipicamente com 10 m de comprimento, para o fluxo de gás turbulento e deslizar para tremonhas com um baixo rearrastamento. De modo a golpear com sucesso a camada de pó deve fracturar-se em pedaços que são tão grandes quanto possível. Para além disso, os pedaços devem, enquanto caiem, permanecer tão próximos quanto possível da placa onde estão "escondidos" na camada limite do fluxo de gás, em que 4 a velocidade do gás é baixa. Contudo, devido à dobragem e turbulência, o golpeamento tende a resultar num rearrastamento.

Em geral, os ESP secos terão, também, dificuldade em atingir os aspectos das normas PM2.5 que se relacionam com a conversão de gás em partícula. Na conversão de gás em partícula, as partículas com 0,1 pm ou menores que se formam a partir de SO2, NOx e outros materiais gasosos, crescem rapidamente por coagulação ou nucleação em locais pequenos. As partículas crescem lentamente para além de 2 pm uma vez que os efeitos difusionais são muito reduzidos.

Existem duas razões pelas quais os ESP não são eficazes no controlo da conversão de gás em partícula. A razão principal é a de que os ESP que utilizam placas de recolha metálicas não removem eficazmente os poluentes gasosos que coagulam para formar partículas de sulfato e de nitrato. Em segundo lugar, os ESP são inerentemente menos eficazes na remoção de partículas na gama de 0,1 a 1,0 mm, que está na gama de dimensões de locais de nucleação potenciais para o crescimento de partículas de material gasoso. Como resultado, os ESP secos não reduzem eficazmente a fonte de muitas das emissões de partículas pequenas de centrais de produção de energia e terão problemas para conseguirem atingir os requisitos da PM2.5. O trabalho actual neste campo refere-se à probabilidade de converter muito do S02 em S03 dentro do ESP por ligação para electrões. Neste processo são formados electrões livres numa pulsão em coroa em nanosegundos. Um eléctrodo de filamento é carregado, usualmente através de uma tensão DC negativa de maneira rapidamente oscilatória. O pulsar aumenta o efeito de coroa, ionizando mais gás e produzindo mais electrões livres 5 para interacção benéfica com moléculas de NO2 ou SO2. Foram propostos dois mecanismos para explicar como é que este processo conduz à remoção do SO2. Um é através da ligação directa de electrões formando uma molécula de SO2 carregada para recolha directa. 0 outro é através da formação de S03 através da formação de ozono, 03. 0 S03 forma rapidamente H2S04 (ácido sulfúrico), através da reacção H2O + SO3 H2SO4. 0 ambiente acidico conduz a uma maior corrosão das placas de aço e à formação de canais. Por isso, técnicas de captura electrónica e de pulsâo em coroa requererão que os sistemas de recolha sejam feitos de materiais que resistam a ataque químico com ácido sulfúrico.

Um tipo diferente de ESP, que utiliza água, é chamado de ESP húmido. Num tal sistema, uma placa vertical é coberta com um filme de água corrente que passa do topo da placa para a parte inferior. A água corrente actua como eléctrodo de recolha e como mecanismo de remoção da cinza. Os precipitadores electrostáticos húmidos oferecem as vantagens de menores perdas por rearrastamento, a capacidade de recolher gases reactivos e a eliminação do golpeamento. Contudo, dado o efeito oxidante da água, a utilização de placas metálicas é evitada pela corrosão induzida. A eliminação da água carregada com cinzas é também um problema.

Adicionalmente ao problema da corrosão associado ao ESP húmido, o material do substrato utilizado para transportar o filme de água tem que ser consistentemente e continuamente molhado para evitar a formação de "zonas secas" que são típicas em placas de aço em ESP húmidos. Por outro lado, a cinza pode acumular-se nas zonas secas e evitar a captura de matéria sob a forma de partículas e de gases, nessas regiões da superfície de recolha. 6

Qualquer ESP que se espera que seja implementado em resposta aos novos requisitos da EPA deve ser capaz de ser retroajustado em muitas aplicações industriais em que operam, correntemente, ESP convencionais ineficientes. 0 retroajuste barato dos ESP secos existentes para se respeitarem as novas normas de emissões de partículas cada vez mais rigorosas tem um grande interesse para um certo número de indústrias. Como resposta a esses interesses, Chang e Altman, do ERPI, avaliaram recentemente tecnologias de controlo de partículas finas, para partículas < 2 pm e conduziram detalhadas análises económicas dos métodos de retroajuste para melhorar a eficácia do controlo das partículas dos ESP existentes.

Foram avaliadas três opções prometedoras, sendo todas dispositivos adicionados a jusante do ESP existente. Todas estas possuem o potencial de reduzir emissões de partículas a < 0,01 Ib/Mbtu na chaminé. Uma análise de custos de sete combinações indica que o retroajuste do ESP húmido estacionário será o mais caro (2,5 mills/kWh) enquanto que o retroajuste do ESP húmido, no último campo de um ESP seco existente, possui o custo mais baixo (1,2 mills/kWh). A opção de retroajuste origina também uma nova oportunidade para os ESP secos, que em combinação com a secção húmida (ESP híbridos) podem ser utilizados para explorar as melhores propriedades de ambos. Por exemplo, um ESP híbrido pode optimizar a recolha de partículas utilizando a secção seca para remover 95% ou mais das partículas, enquanto que a porção húmida pode ser utilizada para facilitar a técnica de pulsão-coroa e para eliminar as perdas por rearrastamento. Torna-se claro que os ESP híbridos oferecem uma possibilidade da redução da contaminação da água dos ESP húmidos a um mínimo. 7

Em consequência, existe a necessidade de um substrato leve de recolha por precipitação electrostática que seja condutor, resista à corrosão devida à água e/ou a ambientes ácidos e que possa ser molhado. 0 sistema de recolha deve ser também facilmente retroajustado aos sistemas ESP existentes. 0 documento US-A-3984216 divulga um método para a remoção de material recolhido em placas de recolha de um precipitador electrostático vertical. Em cada uma das referidas placas, é induzido um movimento vibratório axial. Simultaneamente, é induzido um movimento vibratório transversal nas referidas placas. Através destes movimentos, os materiais recolhidos, tais como pó e cinzas volantes serão removidos. 0 documento JP 61018455 A divulga uma placa polar de recolha de pó de um precipitador de pó electrostático húmido. São utilizados materiais em forma de folha flexível como placas polares de recolha de pó. A tela flexível contém um têxtil tecido mais um têxtil não tecido e uma folha de plástico. O fim é tornar a montagem fácil e formar membranas aerodinâmicas com menos quantidade de líquido.

De acordo com a invenção, é utilizado um substrato de recolha de membrana fina num precipitador electrostático. Por definição, e em contraste com as placas, as membranas são elementos estruturais que não podem resistir à flexão e podem apenas ser carregadas em tensão. As membranas podem ser feitas a partir de numerosos materiais dependendo das aplicações e das condições dos ESP. Estas incluem fibras tecidas do tipo têxtil assim como vários compósitos feitos a partir de fibras electricamente condutoras, embutidas numa fina matriz flexível. 8

Além disso, a utilização de uma membrana permite a implementação de várias melhorias na operação do ESP, incluindo a remoção à base de água de camadas de pó e aplicações de novas tecnologias, tais como no controlo de poluentes gasosos por pulsão em coroa.

Outra aplicação da membrana é nos ESP húmidos, em que as placas metálicas seriam sujeitas a maior corrosão e que não sejam capazes de manter uma superfície continuamente molhada. Uma membrana feita de uma malha resistente à corrosão de fibras finas, com boas propriedades de molhabilidade, i. e. que absorva bem líquidos, facilite a aplicação de um filme contínuo de água.

Em precipitadores húmidos, o rearrastamento de partículas pode ser minimizado através da pulverização de água das membranas resistentes à corrosão que facilita a molhabilidade em precipitadores electrostáticos húmidos e híbridos. Além disso, a utilização de membranas em precipitadores húmidos facilita a implementação da remoção de poluentes gasosos, tais como SO2 e N0X, através de técnicas de pulsão em coroa ou semelhantes. A combinação das melhorias facilitadas pela utilização de membranas pode resultar em precipitadores mais pequenos dado que são necessários menos campos devido ao menor rearrastamento, custos mais baixos, combinações possíveis de precipitadores húmidos e secos em sistemas híbridos, e maior facilidade e eficiência dos precipitadores existentes através do retroajuste de baixo custo. 0 material de membrana utilizado na presente invenção num ESP seco deve ter suficiente condutividade eléctrica, deve poder suportar temperaturas elevadas, deve resistir à fadiga, deve 9 resistir à corrosão em ambientes ácidos, deve possuir boas propriedades de molhabilidade, deve ser leve e deve ser barato. Dependendo da aplicação, a invenção permite a utilização de numerosas variações no material utilizado e a escolha do material não é a mesma para todas as circunstâncias. Contudo, um exemplo típico de um material que pode encontrar uma ampla aplicação é uma membrana sob a forma de um tapete tecido com fibras muito finas. As fibras podem ser feitas a partir de vários materiais, incluindo carbono, polímeros, sílica e cerâmicos. Outros exemplos podem ser folhas de compósitos ultraleves e malhas densas com base em fios feitos de ligas metálicas resistentes à corrosão muito finas.

Uma vez que o material de membrana deve ser resistente à corrosão, a invenção abre a possibilidade de combinar a precipitação seca com húmida em ESP híbridos. Um ESP híbrido consiste em secções secas e húmidas para optimizar as suas vantagens. Um exemplo é um precipitador com todos os campos secos seguido de um campo húmido final. Uma tal instalação remove a maior parte das partículas numa base seca, minimizando a água necessária para o último passo. Este último passo, sendo húmido, minimiza as perdas por rearrastamento e pode ser utilizado com um sistema de pulsão em coroa para a remoção de poluentes gasosos.

As membranas permitem que sejam utilizadas novas técnicas de limpeza para remover camadas de pó, embora aumentando ao mesmo tempo a eficiência da recolha e a diminuição do rearrastamento. Isto conduz a ESP mais pequenos ou a retroajustes mais eficientes para as unidades existentes. Ao contrário das placas, as membranas também podem ser sujeitas a uma força relativamente pequena durante a limpeza e, por isso, 10 não necessitam de endurecedores. 0 fluxo gasoso é uniforme e a eficiência de recolha das partículas deve ser aumentada. A uniformidade crescente do depósito de pó resulta num campo de corrente mais uniforme.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é uma vista esquemática frontal que ilustra um sistema de recolha de membrana preferido num precipitador seco que isolada, não pertence à invenção reivindicada; a Fig. 2 é uma vista lateral em secção através da linha 2-2 da Fig. 1; a Fig. 3 é uma ilustração gráfica da Carga versus Tempo; a Fig. 4 é uma vista esquemática lateral do mecanismo de cisalhamento do precipitador seco da Fig.l; a Fig. 5 é uma vista esquemática lateral do movimento lateral de placas convencionais durante o golpeamento; a Fig. 6 é uma ilustração gráfica da Carga versus Deformação Longitudinal; a Fig. 7 é uma vista esquemática lateral ilustrando um ESP húmido, de acordo com a invenção; a Fig. 8 é uma ilustração gráfica da tensão registada em função da força para uma membrana de fibra de carbono; 11 a Fig. 9 é uma ilustração gráfica da tensão registada em função da força para diferentes materiais; a Fig. 10 é uma vista esquemática lateral ilustrando um dispositivo experimental; a Fig. 11 é uma vista lateral que ilustra uma estrutura de ligação alternativa para a membrana; a Fig. 12 é uma vista lateral que ilustra uma estrutura de ligação alternativa para a membrana; a Fig. 13 é uma vista lateral que ilustra uma estrutura de ligação alternativa para a membrana; a Fig. 14 é uma tabela contendo os resultados experimentais para o têxtil 1150 sem a placa plástica; a Fig. 15 é uma tabela contendo os resultados experimentais para o têxtil 1150 com a placa plástica; e a Fig. 16 é uma tabela contendo os resultados experimentais para o têxtil conhecido sob a designação da marca comercial "3COWCA-7".

Ao descrever a forma de realização preferida da invenção que é ilustrada nos desenhos, foi utilizada terminologia especifica para fins de clareza. Contudo, não se pretende que a invenção seja limitada aos termos específicos assim seleccionados e deve ser entendido que cada termo especifico inclui todos os equivalentes técnicos que operam de maneira semelhante para se conseguir um fim similar. Por exemplo, a 12 palavra ligado ou termos semelhantes a este são frequentemente utilizados. Estes não são limitados a ligação directa mas incluem a ligação através de outros elementos, em que tal ligação é reconhecida como sendo equivalente pelos especialistas na matéria.

DESCRIÇÃO DA FORMA DE REALIZAÇÃO PREFERIDA A membrana 8 preferida é mostrada na Fig. 1. Um tapete tecido de fibras de carbono electricamente condutor é mostrado como um exemplo de um material adequado para utilização como a membrana 8. Contudo, podem ser utilizados outros materiais e configurações. A membrana 8 é mantida tensa durante a utilização entre um membro 10 estrutural superior e um membro 12 estrutural inferior. Os membros estruturais são, de um modo preferido, calhas em fibra de vidro rígidas com uma secção em forma de U formando um sulco, tal como mostrado na Fig. 2. As arestas superior e inferior da membrana 8 são inseridos nos sulcos dos membros estruturais e são mantidos por prisão, tal como entre as pernas 18 e 20 dispostas lateralmente.

Com certeza que há numerosos meios equivalentes para prender a extremidade da membrana para a manter tensa. Por exemplo, uma alternativa aos membros 10 e 12 estruturais é um par de cilindros à volta dos quais extremidades opostas da membrana 8 são enroladas e rodadas até a membrana ser tensionada, por exemplo, através de um servomotor pré-programado. Contudo o enrolamento da membrana à volta de um cilindro pode provocar a fractura das fibras devido à flexão e, 13 por isso, esta estrutura é menos desejável. Há muitos outros dispositivos para manter a membrana tensa que são facilmente percebidos por uma pessoa com conhecimentos na matéria da presente discussão.

Na sua posição operável, a membrana 8 é, de um modo preferido, montada no caminho e paralelamente aos gases de exaustão, substancialmente na mesma posição em que placas de substrato de recolha de aço são montadas em ESP secos convencionais. Os eléctrodos de filamento carregados são suspensos entre pares de membranas e as membranas são ligadas à terra. Existe um campo eléctrico entre os eléctrodos de filamento carregados e as membranas. 0 membro 12 estrutural inferior é montado numa estrutura 16 de ESP e o membro 10 estrutural superior é montado num sistema 14 de aplicação de tensão variável, tal como um servomotor ou através de um cilindro hidráulico ou pneumático, por exemplo. O sistema de tensão deve ser variável, o que significa que deve ser capaz de aplicar forças de, pelo menos, duas magnitudes diferentes, à membrana. As duas magnitudes diferentes incluem a força de tracção requerida para tornar a membrana tensa (designada pré-tensão abaixo) e uma segunda, força de magnitude maior (designada força de impulso abaixo).

Com certeza que a carga de tracção pode ser aplicada a todos os quatro vértices da membrana, se desejado. Um tal esticamento multidireccional proporcionará integridade à estrutura e evitará que possíveis fibras quebradas se separem umas das outras, as fibras envolventes. As fibras horizontais quando esticadas, permitirão a transferência de carga e, deste modo, actuarão como uma matriz. 14 Não deve haver limitação em relação ao tipo de carga de tracção aqui descrita, porque há muitos dispositivos que podem funcionar como um sistema de aplicação de tensão. Essencialmente, sistema 14 de aplicação de tensão pode ser qualquer dispositivo que gere uma força que possa aplicar uma força de tracção a uma extremidade da membrana. Este inclui movimentadores principais de todos os tipos: cilindros hidráulicos e pneumáticos, motores (electromecânicos, termomecânicos, hidráulicos, lineares, etc.). Os tais movimentadores principais podem ser utilizados sós ou em combinação com outras estruturas mecânicas, tais como elevadores, etc. Um especialista na matéria reconhecerá que haverá muitas outras alternativas ao sistema de aplicação de tensão preferido pelo que tais alternativas nunca podem ser descritas exaustivamente. A membrana 8 é mantida com uma "pré-tensão" inicial pelo sistema 14 de aplicação de tensão para manter a membrana 8 tensionada durante todo o tempo em que o equipamento de recolha ESP está em operação. Esta predisposição é mostrada graficamente na Fig. 3. 0 movimento de tracção estica e remove praticamente qualquer imperfeição da membrana, e faz com que a distância entre a membrana e os eléctrodos de descarga permaneça constante. Em intervalos de tempo de golpeamento pré-determinados, o sistema de aplicação de tensão é actuado, e a força de tracção aplicada à membrana é rapidamente aumentada durante um breve momento; durante uma "força de impulso". A força de impulso momentaneamente aumentada é, subsequentemente, alividada, relaxando a membrana até à pré-tensão. As forças de impulso são aplicadas e relaxadas até à pré-tensão, periodicamente, durante a operação de golpeamento. A intensidade 15 e a duração da carga de tracção devem ser sujeitas a optimização. A frequência e a duração das forças de impulso dependem de muitos factores, incluindo a taxa de acumulação de pó, que variará com a posição da membrana na corrente gasosa. Por exemplo, uma membrana que esteja ainda mais a jusante terá menos acumulação de pó do que uma membrana que está a montante e requererá uma aplicação menos frequente de forças de impulso. A aplicação de forças de impulso periódicas faz com que a camada de pó escorregue da membrana. Dado que não há um movimento lateral significativo da membrana perpendicular ao plano da membrana, não existe um movimento lateral significativo da camada de pó e, por isso, não há um significativo rearrastamento das partículas provocado pelo movimento lateral. Adicionalmente, dado que não há necessidade de nervuras para conferir rigidez às membranas, o fluxo de gás através e à volta das membranas é mais uniforme. Qualquer pó que seja separado da superfície de recolha não experimentará um fluxo de gás turbulento. Na ausência de imperfeições iniciais e de encurvamentos, a camada de pó separa-se em grandes pedaços na camada limite da corrente gasosa com pouca turbulência. Por isso, os pedaços de pó desalojados por escorregamento deslizarão para baixo em relação à membrana e cairão nas tremonhas abaixo, minimizando as perdas por rearrastamento. A utilização de uma membrana tem muitas vantagens sobre as placas. Embora a diferença entre uma membrana tecida e uma placa seja facilmente definida, dado que o tapete tecido se comporta como uma placa com infinitas articulações que não podem transmitir momentos de flexão, a diferença entre a membrana e 16 uma placa sólida fina pode ser difícil de definir. Uma descrição qualitativa de uma membrana é "uma folha que oferece uma resistência negligenciável quer à flexão quer à compressão no plano". Em contraste, uma placa possui rigidez à flexão e resiste à flexão e à compressão no plano de maneira semelhante às nervuras na flexão. Esta resistência à flexão é o que evita que uma placa se dobre sob o seu próprio peso.

Quando uma placa se dobra uma porção da secção sofre tracção e a porção remanescente no lado oposto do eixo neutro sofre compressão. Ao contrário, nas membranas, toda a secção completa é apenas carregada com tracção. Este estado de tensão é designado "tensão de membrana" e é a única tensão que existe em membranas verdadeiras, tais como tecidos e folhas finas de borracha.

Consequentemente, se não for suportada, uma membrana "ideal" vertical, tal como um tapete tecido feito de fibras finas ou filamentos, dobra-se sob o seu próprio peso, independentemente do seu comprimento. Deste modo, as membranas diferem das placas porque as membranas dobram-se sobre o seu próprio peso mas as placas não.

Ao ter uma membrana tão flexível praticamente com zero de rigidez, todas as imperfeições iniciais que provocam problemas numa placa rígida são removidas ao pré-carregar a membrana com a pré-tensão. A pré-tensão estica a membrana proporcionando uma superfície essencialmente plana em ambos os lados que têm posições pré-determinadas e fixas em relação aos outros elementos do ESP. A aplicação das forças de impulso de tracção tensionam então as membranas planares, removendo por cisalhamento o pó. 17

De maneira confusa, uma folha sólida de metal pode ser considerada quer como uma placa quer como uma membrana, dependendo das suas dimensões e das propriedades do material. A análise seguinte estabelece uma descrição mais precisa da distinção entre as membranas sólidas e as placas para os fins de definição do termo "membrana".

Uma estrutura plana vertical com suporte em calhas presa na sua parte inferior dobra-se sob o seu peso próprio quando o seu comprimento vertical I excede o valor critico dado por

0) em que E é o módulo de Young, I é o momento de inércia de uma secção longitudinal, h é a espessura e q é o peso especifico por unidade de comprimento. Ver S. Timoshenko, J. Gere: Theory of Elastic Stability, McGraw-Hill, New York, 1961, p. 104.

Dado que as membranas "ideais" possuem uma rigidez zero EI, o comprimento de dobragem critico é igual a zero. Contudo, dada a espessura h e a largura b, se o comprimento critico Ic é pequeno em comparação com a largura b de modo a que Ic/b < 5, o comprimento e a largura não são mais da mesma ordem. É requerido que o comprimento e a largura sejam da mesma ordem pela definição geométrica de uma membrana, que é a das dimensões no plano e quaisquer duas direcções mutuamente perpendiculares (comprimento e largura) são da mesma ordem de grandeza, mas a terceira dimensão (espessura) é, pelo menos, de uma ordem de grandeza inferior às outras duas. Se o comprimento e a largura 18 não são da mesma ordem, a estrutura parece-se com uma estreita tira horizontal, em vez de uma membrana. Assim, se o comprimento critico Ic for muito pequeno que

(2) então a rigidez da folha sólida é negligenciável. Por isso, com base na Equação (2), se a espessura de uma folha satisfizer o critério

(3) ou estiver muito próximo deste valor, a folha é definida como uma membrana.

Para ilustração, a Equação (3) prevê que uma estrutura de aço plana (E = 210GP a,p= 7,8 g/cm3) cuja largura b é 2, 3 ou 4 m comportar-se-á como uma membrana se a sua espessura h for inferior a 0,19, 0,34 e 0,52 mm, respectivamente. Deste modo, as placas sólidas nos precipitadores existentes não podem ser vistas como membranas porque a sua espessura é, pelo menos, de alguns milímetros. Uma vez que a razão p/E para ligas de alumínio é a mesma que para aços, a mesma espessura respectiva é obtida para esse material como para os aços. Se a folha com a mesma largura é feita de Kevlar 49 (E/p = 0,86 x 106m), por exemplo, comportar-se-á como uma membrana se a sua espessura for inferior a 0,33, 0,60 e 0,93 mm. 19 Há várias vantagens que surgem da utilização de uma membrana como substrato de recolha num ESP. 0 mecanismo de desalojamento do pó dos sistemas de recolha de membrana esticada difere significativamente do que existe nos ESP com placas golpeadas. 0 mecanismo de cisalhamento nas membranas é ilustrado esquematicamente na Fig. 4. De modo a eliminar as imperfeições iniciais, a membrana é sujeita a uma pré-tensão. Tal como mencionado atrás, as membranas são periodicamente a uma força de impulso adicional ΔΡ que seja suficientemente grande que produza acelerações capazes de remover os depósitos de cinzas através de uma acção de cisalhamento. Este mecanismo de cisalhamento envolve um rápido tensionamento da membrana em relação à camada de pó, que é insignificantemente tensionado. A força de impulso é aplicada na extremidade da membrana no plano da membrana paralelo à camada de pó. A força de tracção produz uma força de cisalhamento entre a membrana e a camada de pó. A força de cisalhamento separa a camada de pó da membrana, provocando que a camada de pó escorregue para baixo, para a tremonha. 0 material da membrana deve possuir resistência suficiente ao rasgamento e outras formas de fractura para suportar as forças de tracção necessárias para produzir cisalhamento entre a camada de pó e a membrana. Contudo, a membrana deve também ter uma rigidez relativamente baixa para proporcionar elevadas tensões de cisalhamento.

Adicionalmente à vantagem do mecanismo de cisalhamento das membranas, também existem outras vantagens derivadas da massa inferior das membranas. A massa inferior facilitará, com certeza, a facilidade da instalação da superfície de recolha e o transporte da nova construção, assim como reduz o custo do retroajuste ou da reparação. Contudo, a massa inferior da 20 membrana resultará também em maiores acelerações quando se aplica a mesma força impulsiva utilizada para remover a camada de pó agarrada. De facto, tal como mencionado atrás, uma comparação do modo golpeamento por cisalhamento com o modo de golpeamento normal mostra que o primeiro é superior e requer acelerações 2-4 vezes inferiores e, desse modo, forças aplicadas 2-4 vezes inferiores, dada a mesma massa, do que o modo de golpeamento normal. É claro que a utilização de membranas muito mais leves em combinação com a necessidade de acelerações 2-4 vezes menores, torna possível optimizar a tecnologia do golpeamento de modo a conseguir-se uma melhor eficiência. A comparação entre a prática corrente e a da invenção é ilustrada na Fig. 6. Tal como é evidente, mesmo forças de alta intensidade aplicadas a placas de aço convencionais produzem tensões de cisalhamento relativamente pequenas. As mesmas tensões ou maiores podem ser conseguidas com forças muito menores se membranas muito menos rígidas e com massa inferior substituírem placas convencionais. A análise da vantagem da aceleração é como se segue. Como exemplo, a vibração longitudinal de uma haste uniforme a uma força axial f(x.t) = Põ(x)U(t) sob a forma de uma função do tempo u(t) (impulsiva) de degrau unitário de magnitude P aplicada a x = 0 é

, . 1 P , P u(x,t) =--r +- 2mL EAL (L-xy 1_ , 2 ' 6l 2PL A 1 νπχ~τττ:Σ^0δ—00^1 π 'EA^r 21 (4)

Onde m é uma massa unitária, Lê o comprimento da haste, E é o módulo de Young, A é a área da secção, té o tempo e u(x,t) é o deslocamento, quando

Cl)r a \ELη V mL: (5) é a frequência natural no modo r-th. 0 primeiro termo da Equação (4) representa um movimento de corpo rígido e o segundo termo pode ser visto como deformação estática à volta da qual ocorre a vibração. A deformação longitudinal ε (x,t) = õu/δχ e a aceleração α (xft) = d2u/d2x podem ser encontradas na Equação (5). Após se realizar o cálculo diferencial e se reterem apenas os termos principais, a conclusão é a de que ε = —

P P

EA

(6) A placa e a membrana são assumidas como tendo o mesmo comprimento L e largura w, e os efeitos de turbulência dos elementos de rigidez da placa são desconsiderados. Se as espessuras forem tP e tM, as intensidades das forças aplicadas são Pp, PM e as densidades de massa são pP/ pM. Os índices P e M são para "placa" e "membrana". É ainda assumido que a conclusão anterior para a haste se aplica também a placas e membranas, o que é uma boa aproximação para w suficientemente grande. Em 22 consequência, as tensões e as acelerações na membrana e na placa são: (7) (8)

Em _ Pm Ep í I· Er Pr Em ím

Qm _ Pm Pp ír ar Pr Pm ím

Similarmente, as frequências são

(9) A razão de densidades da placa de aço e da fibra de carbono, por exemplo, utilizada na membrana é tipicamente de Pp/Pm = 4. Assumindo que as fibras de carbono são escolhidas de modo a que EP/EM = 1 e tP/tM = 4, verifica-se das Equações (7), (8) e (9) que

(10)

Esta análise mostra que quer as tensões longitudinais quer as acelerações nas membranas são drasticamente aumentadas se a membrana for carregada com a mesma força que a placa, embora a frequência natural seja sempre maior nas membranas do que nas placas. Estas são exactamente as caracteristicas necessárias para um eficiente desalojamento do pó. 23

Em consequência, de modo a ter as mesmas tensões e acelerações que ESP do tipo placa, as membranas podem ser carregadas com forças muito mais pequenas. Isto significa que o dispositivo de golpeamento utilizado para produzir as desejadas tensões e acelerações pode ser muito menos robusto e, assim, menos caro, do que os requeridos para as placas convencionais.

Para além disso, devido aos efeitos dos sistemas para conferir rigidez terem sido não considerados na análise anterior, a conclusão é muito conservadora. Se os efeitos dos sistemas para conferir rigidez foram tomados em consideração, a conclusão é ainda mais a favor das membranas. Por exemplo, a massa total da placa enrijecida é quase duas vezes a de uma placa não enrijecida. Assim, a razão de aceleração é mais próxima de αΜ/αΡ = 30 Pm/Pp, quase duas vezes do que previsto acima na Equação (10). Uma conclusão semelhante pode ser conseguida para as tensões, uma vez que se os sistemas para conferir rigidez tivessem sido incluídos na análise anterior a espessura "equivalente" da placa e assim a sua rigidez, seria drasticamente aumentada em conjunto com a razão de tensões.

Um grande número de materiais com base em fibras é adequado para utilização nas membranas. Estes incluem tapetes tecidos feitos de fibras resistentes à corrosão muito finas, ou fios de fibras, assim como malhas densas muito finas e flexíveis ou entrelaçados de arames resistentes à corrosão. As fibras individuais, fios completos feitos de fibras ou entrelaçados de arames com aberturas de malha suficientemente pequenas, podem suportar ou ter algum revestimento fino. O revestimento pode ser utilizado de modo a proteger as fibras das condições corrosivas ambientes, a aumentar a condutividade eléctrica das fibras. 24

As fibras podem ser feitas de metais, cerâmicos, polímeros, silica, carbono e muitos outros materiais. As fibras feitas de metais e de ligas são correntemente designadas por arames. Os arames e as malhas de arames têm sido produzidos para uma variedade de aplicações. Tais arames e malhas podem ser utilizados em precipitadores secos em que as temperaturas são bastante elevadas mas os problemas de corrosão não são significativos. As malhas de aço inox resistem à corrosão química e à oxidação a temperaturas até 760 °C (1400 °F) . Estas estão comercialmente disponíveis como uma malha de 600 por 600 arames por polegada quadrada ou mais, com diâmetros e aberturas (orifícios) na ordem de 20 pm, e um peso específico inferior a 0,2 kg/cm2. Estas são distintas das placas enrijecidas existentes (possuindo uma espessura de 1 a 2 mm ou mais) utilizadas em ESP convencionais e possuindo um peso específico de 15-30 kg/cm2, que é de uma ordem de magnitude mais do que o peso específico das membranas.

Adicionalmente, ao longo da última década, têm sido desenvolvidas fibras de materiais não convencionais. Estas incluem fibras cerâmicas (e. g. fibras vendidas em associação às marcas comerciais NEXTEL, FP, SCS), fibras poliméricas (e. g. fibras vendidas associadas às marcas comerciais KEVLAR e SPECTRA), fibras de sílica e fibras de carbono. Todas estas fibras podem ser tecidas em materiais do tipo têxtil e utilizadas como superfícies de recolha no precipitador. Por exemplo, as fibras cerâmicas podem ser utilizadas em precipitadores húmidos em que podem ocorrer graves problemas de corrosão com outros materiais. As fibras de sílica podem ser utilizadas em aplicações de alta temperatura, de mais de 1000 °C. 25 0 peso específico destas membranas não convencionais é tipicamente de 0,5-1 kg/m2 ou menos (sem as molduras) . Por exemplo, a Fabric Development Inc., Quakertown, Pa, produz um tapete tecido de fibra de carbono como o mostrado na Fig. 1 com 12000 fibras (7 pm de diâmetro) em cada troço. A espessura do troço é inferior a 1 mm e o peso específico é de apenas 0,661 kg/m2. Isto significa que uma membrana de 3 por 10 m pesará apenas cerca de 20 kg, sem a moldura. Por outro lado uma placa de aço com 2 mm de espessura da mesma dimensão pesa cerca de 470 kg, sem a moldura e os sistemas para conferir rigidez. As placas nalguns ESP convencionais são tão espessas quanto 10 mm.

Em geral, contudo, para além do material escolhido, o material da membrana deve ser resistente à corrosão, combustão, fadiga mecânica e térmica, e deve ter uma condutividade eléctrica satisfatória. 0 fluxo de corrente num precipitador é extremamente pequeno de modo a que mesmo um fluxo de água no precipitador electrostático húmido proporcione uma condutividade eléctrica satisfatória. As membranas podem ser feitas de qualquer material seleccionado de entre muitos candidatos. A melhor escolha para quaisquer circunstâncias particulares variará de acordo com as circunstâncias. Contudo, presentemente a melhor escolha para a maior parte das circunstâncias parece ser uma membrana feita a partir de fios tecidos de fibras de sílica revestida, carbono ou cerâmicos ou uma malha de arames de aço inox finos. Com certeza que muitos outros materiais possuindo características satisfatórias estão contemplados como sendo úteis na invenção.

Os compósitos com uma matriz de polímero e com base em fibras de carbono desenvolvidas em vapor são bons candidatos uma vez que muitos ESP trabalham a temperaturas moderadas. Estas 26 possuem uma elevada condutividade e resistência térmica e podem satisfazer os requisitos de condutividade eléctrica do precipitador. A utilização de fibras de carbono que são produzidas através de um certo número de diferentes métodos, podem proporcionar vantagens económicas e funcionais. As fibras cerâmicas possuem caracteristicas que podem torná-las preferidas para os ESP húmidos.

Os silicones podem ser um bom candidato a matriz de membranas uma vez que os silicones reforçados com fibras de carbono podem ser utilizados continuamente a temperaturas de cerca de 149 °C (300 °F) . Os silicones podem ser produzidos com uma capacidade de alongamento de 200%. Em consequência, um compósito de matriz de polímero com base em silicone pode ser utilizado para produzir membranas de compósito que podem ser esticadas para desalojar eficazmente as partículas de cinza enquanto se está a trabalhar a temperaturas elevadas. É claro que são também possíveis outras escolhas para matrizes.

Para aplicações a temperatura mais elevada, as fibras podem ser utilizadas sós sob a forma de fios tecidos. A aspereza da superfície de recolha não influencia a eficiência do desalojamento de pó uma vez que a camada de pó não se quebra na interface camada-membrana. Por exemplo, algumas das fibras, tais como a sílica, podem resistir a temperaturas até 1093 °C (2000 °F) e podem ser utilizadas em ambientes altamente corrosivos. Outras fibras de carbono são produzidas para trabalhar em ambientes de até 1093 °C (2000 °F), mas são muito caras.

As fibras de carbono, desprotegidas ou revestidas, com ou sem matriz, possuem um certo número de outras caracteristicas 27 superiores. A sua resistividade eléctrica varia de 10 a 100 microOhm-m. Embora a resistividade do aço seja tipicamente inferior a 1 microOhm-m, a maior resistividade das fibras é aceitável uma vez que os requisitos de fluxo de corrente dos precipitadores electrostáticos são muito baixos. Testes efectuados na Universidade de Ohio mostraram que os tapetes de fibras de carbono são capazes de recolher partículas de cinza através de precipitação electrostática. Isto deve ser esperado porque mesmo um filme de água trabalha como eléctrodo de recolha nos precipitadores húmidos. As fibras de carbono assim como as fibras cerâmicas são essencialmente livres de corrosão e muito resistentes ao ataque químico. Adicionalmente, estas fibras possuem propriedades de fadiga superiores, com limites de resistência muito mais elevados do que nos aços.

Devido à sua baixa densidade p um elevado limite de resistência à fadiga oe (definido como a maior tensão permitida para lá da qual a estrutura não é segura de trabalhar com cargas cíclicas aplicadas num número de ciclos muito grande, tipicamente 106) , as membranas à base de fibras possuem propriedades superiores contra a fadiga no que respeita a outros possíveis materiais candidatos, tal como ilustrado na análise seguinte. Durante o processo de golpeamento, acelerações típicas podem atingir 200 g's, i. e. cerca de α = 2000 m/s2. Assim, a força máxima aplicada atinge o valor Pmax = ma = lbhp (2000) , em que 1, b, h são o comprimento, largura e espessura da membrana. Uma vez que a maior tensão não deve exceder o limite de resistência oe, a carga máxima permitida é Pmax = ocA = oebh, em que A é a área da secção. Por isso, das últimas duas equações verifica-se que oe > 20001p. Pode-se assim definir o factor fadiga-segurança como 28 / = >1 σ, (Π) 2000lp

Os valores típicos para oe em aços, ligas de alumínio e carbonos são de 5 (10)8, 1,3(10)8 e 1(10)9 Pa enquanto que as densidades são de 7,8 (10)3, 2,6(10)3 e 2 (10)3 kg/m3, respectivamente. Assim, os factores de segurança de fadiga, f, para os aços e ligas de alumínio são de cerca de 30/1 e 40/1, enquanto que para as fibras de carbono o seu valor é muito superior, cerca de 250/1. Para comprimentos típicos 1 = 10-15 m, verifica-se que os eléctrodos de recolha feitos de aço ou de ligas de alumínio operam no limite de segurança enquanto que os sistemas de recolha com base em carbono são mais seguros em relação à falha por fadiga.

Se as membranas forem feitas de materiais resistentes à corrosão que resistem a ataque químico por ácido sulfúrico, tal como compósitos à base de carbono ou à base de sílica, os benefícios devidos a apenas este factor são numerosos. Em primeiro lugar, a possibilidade de combinar precipitação em ESP secos e húmidos é vantajosa. Esta combinação deve, essencialmente, levar as perdas por arrastamento a zero. Adicionalmente, a técnica de "captura de electrões" atrás mencionada para evitar a conversão de gás em partículas pode ser implementada, o que tem importância em centrais de produção de energia que queimem carvão com um elevado teor de enxofre. Com estas características, um novo ESP utilizando a presente invenção é capaz de respeitar o regulamento PM2.5.

Num ESP húmido uma camada exterior de água flui no sentido descendente a partir do topo de uma membrana, tal como uma 29 membrana 30 mostrada na Fig. 7 e à medida que flui esta recolhe partículas de pó. A água é introduzida na membrana 30 a partir de um aplicador 32 próximo do topo da membrana 30 e flui no sentido descendente num sistema de recolha 34 próximo da parte inferior da membrana 30. Dado que fibras muito finas de carbono ou sílica, tais como as com um diâmetro típico de menos do que 10 micrones, possuem excelentes propriedades de molhabilidade, as mesmas membranas podem ser utilizadas em ESP secos, húmidos e híbridos.

Num ESP húmido a água é a superfície de recolha condutora e por isso, o substrato não necessita de ser um material electricamente condutor. Adicionalmente, o substrato não necessita de ser uma membrana porque não necessita ser puxada em tensão para remover a matéria em partículas. O fluxo de água remove a matéria em partículas. Contudo, a capacidade do tapete tecido preferido de fibras finas de carbono, sílica ou outras de ser utilizado quer em aplicações húmidas ou secas é uma vantagem adicional que surge devido à sua excelente molhabilidade, resistência à corrosão e capacidade de ser puxada em tensão. Por isso, uma forma de realização é uma pluralidade de campos de ESP secos seguidos de um único campo de ESP húmido para reduzir o rearrastamento. Todos os substratos de recolha são feitos de material de membrana preferido, mas apenas os campos secos têm as cargas de impulso de tracçâo aplicadas periodicamente.

Um certo número de experiências foi realizado com membranas feitas de materiais diferentes no Russ College of Engineering and Technology da Universidade de Ohio.

Entre outros materiais foram testados dois diferentes tapetes tecidos com base em carbono com o tapete conhecido sob a 30 marca comercial "Fabric 1150" (espessura 0,3 mm, massa de 207 g/cm2) , produzido pela Fabric Development Inc., Quakertown, PA e o tapete conhecido sob a marca comercial "Fabric 3COWCA-7 (espessura 0,36 mm, massa de 204 g/m2) , produzido pela Amoco

Performance Products Inc., Chicago, IL. Em muitos aspectos as membranas à base de fibras de carbono podem ser consideradas como representantes típicas de um certo número de membranas tecidas feitas a partir de uma variedade de fibras. Por essa razão alguns dos resultados dos testes básicos para estes dois materiais são dados abaixo.

Os testes para a determinação da resistividade/condutividade eléctrica mostraram que os tapetes tecidos com base no carbono se comportam como semi-condutores e a sua resistividade à temperatura ambiente é da ordem de 1CT04 Ohm-metro. Embora a condutividade possa ser melhorada através do revestimento das fibras/fios/membranas por mais materiais condutores, experiências em relação à eficiência da recolha de pó mostram que esta pequena condutividade é ainda suficiente para a aplicação em ESP. As experiências conduzidas a temperaturas elevadas demonstraram que a resistência é diminuída em cerca de 10 por cento para temperaturas de operação dos ESP (150-200 graus centígrados).

Os testes de resistência ao ácido sulfúrico durante o qual os dois materiais de membrana foram imersos num tubo que contém 200 mL de ácido sulfúrico com uma concentração de 10 mol/L (i. e. um ambiente bem mais agressivo do que nos ESP reais), revelaram que as membranas à base de carbono possuem um comportamento superior e não foi registada perda de peso. 31 0 teste das propriedades de molhabilidade demonstrou que as duas membranas à base de carbono absorvem líquidos muito bem e que o aumento relativo de peso após as membranas terem sido imersas em água, aumentou entre 55 e 70%. Os resultados indicaram que outros materiais tecidos com base em fibras têm também muito provavelmente boas propriedades de molhabilidade.

Na experiência da resistência à combustão os dois materiais foram mantidos num forno a temperaturas elevadas durante, pelo menos, várias semanas. Estes testes demonstram que o material conhecido sob a marca comercial "Fabric 1150" pode resistir a temperaturas até 232 °C (450 °F) enquanto que o material sob a marca comercial de "Fabric 3COWCA-7" pode resistir a uma temperatura até 288 °C (550 °F) .

Nos testes da resiliência de uma membrana, uma resposta a uma carga estática foi medida para provetes de membrana de fibra de carbono de fios simples e de dimensão corrente (7 polegadas por 1 polegada) utilizando uma máquina de ensaios Tinius-Olsen. Estes resultados são dados na Figura 8 para a marca comercial "Fabric 1150" e comparados como os do material da marca comercial "Fabric 3COWCA-7" e o aço SAE 4340 na Fig. 9.

Resultados preliminares mostram que a membrana como estrutura comporta-se diferentemente dos fios de carbono de que é feita e é muito menos rígida. Embora quer o fio feito de fibras de carbono e a membrana feita desses fios exibam tensões muito maiores do que os espécimes de aço correspondentes para uma carga comparável, tal como mostrado na Figura 9. Tensões maiores são necessárias em ESP reais porque estas produzem maiores efeitos de cisalhamento no processo de golpeamento da camada de pó. Embora os testes tenham sido realizados apenas com 32 membranas à base de fibras, tal como sílica, de carbono, espera-se que outros materiais tecidos com base em fibras apresentem um comportamento semelhante.

Um certo número de experiências foi realizado para determinar a eficiência da recolha de pó de dois tecidos feitos de fibras de carbono de modo a confirmar se era possível recolher pós com os tecidos com base em carbono, em ESP. A experiência foi realizada no precipitador de laboratório em pequena escala mostrado na Fig. 10. O precipitador consiste num túnel de vento com paredes lisas com uma secção circular, tal como mostrado na Fig. 10. O ar e pó ambiente que são movimentados através de ar pressurizado, são extraídos através de uma ventoinha e a velocidade do ar de cerca de 1-2 mis é controlada pela válvula de entrada. A alta voltagem é aplicada pela unidade de fornecimento de energia entre o eléctrodo de descarga do tubo vertical e a membrana vertical com o eléctrodo de tubo possuindo uma polaridade negativa e a membrana estando ligada à terra. Um humidificador que aumenta a humidade ao deixar ar pressurizado a borbulhar em água, é utilizado para manter a humidade relativa acima de 50%. O túnel de vento tem 60 polegadas de comprimento e 12 polegadas de diâmetro. A membrana tem 17,78 cm (7 polegadas) de comprimento e 15,87 cm (6 1/4 polegadas) de largura. O eléctrodo de tubo é feito de um tubo de latão com um diâmetro de 0,95 cm (0,375 polegadas). Dez espigões com 25 mm de diâmetro (0,10 polegadas) e um comprimento de 2,54 cm (1 polegada), em duas filas estão ligados ao tubo vertical para produzir um forte campo eléctrico. A distância entre os espigões é de 3,175 cm 33 (1,25 polegadas). 0 eléctrodo de tubo e a membrana são montados numa estrutura plástica. A distância entre o eléctrodo e a membrana é de 20 cm (8 polegadas).

Os espécimes de membrana em que foram realizadas as experiências possuíam dimensões de 17,78 cm (7 polegadas) por 15,875 cm (6,25 polegadas). As experiências foram realizadas à temperatura ambiente, 20-30 °C, com a humidade ambiente variando de 45% a 55%. O tempo de recolha foi de 25 minutos.

Foram realizadas cerca de 30 experiências com os dois materiais. Uma vez que a influência induzida pelo fluxo pode influenciar o desalojamento do pó, foram testados três modos diferentes de ligação, i. e. cozendo a membrana com um fio de algodão a uma placa não condutora plástica na parte de trás, tal como mostrado na Figura 11; colando-a à placa plástica, tal como mostrado na Figura 12, e sem placa, tal como mostrado na Figura 13.

Para o material de carbono associado à marca comercial "Fabric 1150" foram testados dois estados de recolha, sem placa plástica e com tecido cozido à placa plástica com um fio de algodão.

Para o material de carbono associado à marca comercial "Fabric 3COWCA-7" apenas foi testado um modo de recolha, com o tecido colado à placa plástica.

Os resultados experimentais do material de marca comercial "Fabric 1150" sem placa plástica são mostrados na Figura 14. Dado que o tecido vibrava devido à vibração induzida pelo fluxo alguma porção do pó destacava-se da membrana. De modo a 34 verificar se voltava a ser arrastado pelo fluxo foi utilizada uma prateleira especial para recolher o pó em baixo. A prateleira tinha várias aberturas, paralelas ao fluxo, cada uma com 10 mm de largura. Embora a membrana não estivesse completamente tensa, a sua vibração não empurrava o pó de volta para a corrente gasosa principal e era evidente que todo o pó desalojado permanecia na primeira abertura (a mais próxima da membrana). Verificou-se que a percentagem média do pó desalojado devido à vibração era de cerca de 22%.

Os resultados das experiências com o material com a marca comercial "Fabric 1150" com placa plástica na parte de trás são mostrados na Fig. 15. Dada a ausência da vibração, não existe queda de pó nas aberturas. O pó total médio recolhido em 25 minutos foi de 29,41 g, que era de cerca de 20% mais do que quando o pó era recolhido numa membrana solta, sem a parte de trás de plástico, i. e. na presença de vibração.

Finalmente, os resultados das experiências do material de carbono com a marca comercial "Fabric 3COWCA-7" foram obtidos em apenas um estado, i. e., com o tecido colado à placa plástica. Os resultados são mostrados na Fig. 16.

Embora as fibras de carbono pertençam aos semicondutores, as experiências confirmaram claramente que as membranas feitas as partir destas fibras recolhem o pó suficientemente bem.

Ambas as membranas foram feitas a partir de fibras de carbono com propriedades muito semelhantes. Contudo, a quantidade de pó que estas recolhem é muito maior com o material com a marca comercial "Fabric 3COWCA-7" do que com o material com a marca comercial "Fabric 1150", mesmo quando este último 35 estava firmemente ligado à placa plástica atrás (e não pode vibrar) . A principal diferença entre os dois tecidos está na densidade da forma como foi feita a tecelagem. 0 "Fabric 3COWCA-7" é muito mais denso e parece que este factor desempenha um papel importante na sua maior eficiência de recolha de pó, i. e. não apenas a intensidade de corrente mas também a sua densidade (corrente por unidade de área da membrana) parece desempenhar um papel muito importante.

Diferentes pesquisas em ESP envolvem a injecção de amoníaco ligado a pulsão em coroa para remover N0X do gás de combustão. Este processo é complicado pela formação de sulfato de amónia (NH4) 2 (SO4) , que resulta quando o amoníaco interage com o enxofre gasoso presente quando é queimado carvão contendo enxofre. 0 sulfato de amónia tem tremendas propriedades adesivas às temperaturas de operação em ESP, de tal modo que pode obstruir completamente os canais, interfere com a operação dos dispositivos mecânicos e "atrapalha" o trabalho. Como resultado, a adição de amoníaco é efectuada em ESP apenas sob as mais terríveis circunstâncias, Presentemente, isto apenas acontece quando a resistividade da cinza é tão baixa que o ESP não recolherá a cinza. 0 amoníaco é utilizado para aumentar a adesão das partículas, aumentando assim a aglomeração. Não existe um método bom para remover o sulfato de amónio dos ESP em operação que contenham partes metálicas. A lavagem das placas resultará numa corrosão significativa quando o sulfato é colocado em solução. Adicionalmente, isto requer a paragem da unidade que está a trabalhar, dado que a injecção de água (em linha) não é tipicamente possível. Este não é o caso para um precipitador húmido. Contudo, um ESP húmido com base em 36 metal sofrerá de corrosão excessiva se for utilizada injecção de amoníaco.

Uma membrana tecida feita do material com a marca comercial "Fabric 1150" foi testada na Universidade de Ohio para ver se pode ser limpa do sulfato de amónio acumulado. As experiências foram realizadas com uma membrana de 17,78 cm (7 polegadas) por 17,78 cm (7 polegadas). Esta foi tratada com ácido sulfúrico líquido (98% mole), seguido de aspersão com hidróxido de amónio líquido (30% mole), e então secou-se numa estufa a uma temperatura de cerca de 93,33 °C (200 °F) e aqueceu-se durante 10 minutos. Finalmente esta foi enxaguada durante cerca de 5 minutos com água a partir do topo da membrana com uma baixa velocidade de fluxo.

Foi considerado que um tecido de fibras manteria o sulfato de amónio e não o libertaria, mesmo que a água dissolvesse os cristais de sulfato. Contudo, os testes indicam que o tecido das fibras de carbono pode ser facilmente limpo de quase 100% de sulfato de amónio. As experiências demonstraram também que a membrana de carbono é completamente resistente ao ambiente acídico.

Lisboa, 22 de Outubro de 2007 37

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Precipitador electrostático possuindo um eléctrodo carregado e um substrato de recolha substancialmente plano ligado à terra sobre o qual a matéria, sob a forma de partículas de uma corrente fluida que flui de forma substancialmente paralela, é precipitada durante a operação, compreendendo o precipitador: (a) um substrato (30) de recolha de uma membrana de tecido de fibras entrelaçadas; (b) um aplicador (32) próximo da aresta superior para aplicação de água na membrana (30), e caracterizado por (c) aberturas entre as fibras através das quais a água pode fluir, que permitem a absorção de água na membrana (30); e (d) um sistema (34) de recolha, próximo da parte inferior da membrana (30) para recolha da água que flui através da membrana (30); (e) e em que substancialmente toda a matéria sob a forma de partículas que é precipitada sobre a membrana (30) é removida pelo fluxo de água através da membrana (30) para ser recolhida com a água no sistema (34) de recolha.
2. 2. Precipitador de acordo com a reivindicação 1, em que as referidas fibras são orientadas aleatoriamente. 1 3. Precipitador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, compreendendo ainda um revestimento sobre as referidas fibras.
3. 4. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que as referidas fibras são tecidas.
4. 5. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que as referidas fibras são cerâmicas.
5. 6. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4 anteriores, em que as referidas fibras são metálicas.
6. 7. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4 anteriores, em que as referidas fibras são de uma liga metálica.
7. 8. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4 anteriores, em que as referidas fibras são de poliméricas.
8. 9. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4 anteriores, em que as referidas fibras são de carbono.
9. 10. Precipitador de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a membrana compreende ainda uma matriz de silicone. Lisboa, 22 de Outubro de 2007 2 1/6

   Fig. 2

   Fig.3 Carga P2max - Impulso de curta duração

   / Intervalo entre golpeamentos ΔΡ2 Pré-tensão (P2min>0) O Tempo 2/6 Fig. 4 |P2|«|P1 - t2«t1 I

   Camada de pó escorrega em “bolos” Membrana (sempre direita) ΤτττπΤ Fig. 5 (Técnica anterior) P1 “Nuvens” em pó Posição inicial da placa (com imperfeições)

   Fig. 6

   3/6 Fig.7

   L_]—34 Fig. 8 Tensão_deformação, Membrana 1150, Amostra n° 1 Tensão (MPa)

   4/6 Fig. 9

   Ο 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Deformação (m/m)

   5/6 Fíg. 11 Folha de aço Tecido, Fig. Estrutura ^'9’ ^ Estrutura x de plástico —x ^''Parafuso Folha'de aço —~ Fio de costura Placa plástica Tecido 3-K v Fíg. 13 Estrutura de plástico nrS cie plástico Parafuso 7/i Folha de aço Parafuso Placa plástica Tecido

   1 85 0.35 25 1-4 5 19.34 52% 26% 2 85 0.3 25 1-4 5.05 25.07 52% 20% 3 85 0.4 25 1-4 5.09 25.11 49% 20% 4 85 0.4 25 1-4 5.34 25.36 48% 21% 5 85 0.35 25 1-4 6.37 26.39 52% 24% Aver 85 0.36 25 1-4 5.37 24.25 50.6% 22% # V ;/» 6/6 Fig. 15

   1 85 0.3 25 1*3 0 31.71 54% 2 85 0.3 25 1-4 0 29.49 54% 3 85 0.3 25 1-4 0 25.97 54% 4 85 0.3 25 1-4 0 29.14 54% 5 85 0.3 25 2-4 0 30.75 54% Aver 85 0.3 25 1-4 0 29.41 54% Fig. 16 .ix

   40 0.1 25 1-3 0 32.06 49% 50 0.25 25 1-3 0 29.02 52% 60 0.3 25 1-4 0 41.09 52% 70 0.4 25 1-3 0 47.58 50% 80 0.35 25 1-3 0 42,96 50%