75,7 s/m
SCA da base de projeto
Tecnologia · Coletor final eletrostático
Precipitador eletrostático (ESP)
O precipitador eletrostático — também chamado de filtro eletrostático — coleta particulado carregando as partículas em um campo de corona de 45–110 kV e migrando-as a 2–15 cm/s para placas de captação aterradas. Coleta de projeto ≥ 98–99,9 %; na base ilustrativa a bagaço, saída de 24 mg/Nm³ a 6 % de O₂ base seca com SCA de 75,7 s/m.
3.888 m²
Área de coleta
24 mg/Nm³ @ 6 % O₂
Saída da base de projeto
57 mg/Nm³ @ 6 % O₂
Com um campo fora (n−1)
01 — Posição no trem de gás
Onde o precipitador eletrostático se encaixa no despoeiramento
O último estágio a seco antes do exaustor e da chaminé — e o estágio que decide a conformidade ambiental.
O precipitador eletrostático — que o mercado brasileiro também chama de filtro eletrostático, embora não haja mídia filtrante envolvida — é o coletor final de particulado na maioria dos trens de gás de combustíveis sólidos. A montante ficam a caldeira, as superfícies de recuperação de calor e, em serviço de biomassa com alta carga de pó, um pré-coletor mecânico ou híbrido; a jusante ficam o ventilador de tiragem induzida, o transporte de cinzas e a chaminé. A Arrow Energy Co., Ltd. projeta o ESP como parte desse trem, dentro da linha de tecnologias de despoeiramento e controle de emissões — nunca como uma caixa isolada. A seleção muda tudo atrás dela: a perda de carga de um ESP é da ordem de 10–20 mmCA, contra 100–200 mmCA de um filtro de mangas, de modo que a potência do exaustor e a margem de tiragem diferem materialmente entre as duas escolhas.
Em caldeiras a bagaço e casca de arroz, onde o pó bruto corre de 2.000 a 15.000 mg/Nm³ com cinza de sílica abrasiva, normalmente instalamos o Electrocyclone proprietário à frente do ESP. Ele remove cerca de 90 % da carga de particulado com manutenção de peças móveis próxima de zero, e o ESP passa a ser dimensionado para 500–800 mg/Nm³ em vez de 6.000 mg/Nm³ — menos campos, casing menor e a cinza dividida entre uma corrente grossa abrasiva e uma corrente fina. Onde a licença exige menos de 10 mg/Nm³ independentemente da resistividade da cinza, o filtro manga é o coletor final alternativo; a troca é potência de ventilador e reposição de mangas contra insensibilidade à resistividade — o comparativo completo está em filtro manga ou precipitador.
02 — Princípio de funcionamento
Carregamento, coleta, batimento — a física que define os limites
Três etapas, cada uma com um modo de falha que aparece como opacidade na chaminé.
Como funciona um precipitador eletrostático?
Eletrodos de descarga mantidos a 45–110 kV negativos ionizam o gás em uma bainha de corona; as partículas de pó que atravessam o campo adquirem carga e migram para as placas de captação aterradas a uma velocidade efetiva de 2–15 cm/s, conforme tamanho e resistividade. O batimento então desprende a camada coletada em lençóis coerentes para as tremonhas.
A corona inicia quando o campo local na superfície do eletrodo de descarga excede a rigidez dielétrica do gás — cerca de 30 kV/cm nas pontas e arestas do eletrodo, razão pela qual a geometria do emissor (pontas, farpas, espiral) importa tanto quanto a tensão de alimentação. Entre o início da corona e o centelhamento fica a janela de trabalho; os controladores automáticos de tensão mantêm cada campo logo abaixo do centelhamento, porque a carga coletada escala com o quadrado da intensidade do campo.
Partículas acima de cerca de 1 µm se carregam por campo (bombardeio de íons ao longo das linhas de campo); as submicrônicas, por difusão. A velocidade de migração w resultante cresce com o tamanho da partícula — por isso o campo de entrada coleta rapidamente a fração grossa e o campo de saída trabalha quase só com finos, e por isso a distribuição granulométrica pertence a toda consulta de ESP (a base de projeto a bagaço tem d₅₀ de 21 µm na entrada, atrás do pré-coletor).
A camada coletada precisa conduzir sua carga até a placa. Essa é a janela de resistividade: entre aproximadamente 10⁴ e 10¹¹ Ω·cm a camada drena carga a uma taxa viável. Acima de 10¹¹ Ω·cm, a queda de tensão através da camada de pó excede sua rigidez dielétrica e instala-se a corona reversa — a própria camada descarrega, injetando íons positivos no vão que neutralizam a carga das partículas que chegam. Os sintomas são corrente alta com tensão deprimida e coleta que pode cair dezenas de pontos percentuais. Abaixo de 10⁴ Ω·cm ocorre o oposto: o pó perde a carga ao tocar a placa, a força elétrica de retenção desaparece e o material batido reentranha. O gás de combustão úmido da biomassa — o bagaço queima com ~50 % de umidade — mantém a cinza confortavelmente dentro da janela a 150–180 °C; cinza seca de casca de arroz, rica em sílica, empurra para o limite superior.
O batimento — batedores de impulso magnético ou martelos basculantes golpeando as placas e a suspensão dos quadros — deve cisalhar a camada em lençóis de poucos milímetros de espessura, não como uma nuvem reentranhável. Intensidades em g e sequenciamento são tratados nas páginas de componentes de ESP, disponíveis em inglês em ESP rapping systems (em inglês).
03 — Dimensionamento
Deutsch-Anderson, calculado — e por que aplicamos o expoente de Matts-Öhnfeldt
Uma equação carrega o dimensionamento; um expoente o mantém honesto.
Como se dimensiona um precipitador eletrostático?
Pela equação de Deutsch-Anderson, η = 1 − exp(−w·A/Q): a eficiência de coleta η decorre da velocidade de migração w, da área de coleta A e da vazão de gás Q. A razão A/Q é a área específica de coleta (SCA). A base de projeto a bagaço usa SCA de 75,7 s/m em quatro campos para 96,67 % de coleta.
BASE DE PROJETO — CÁLCULO ILUSTRATIVO, NÃO É GARANTIA · todas as concentrações @ 6 % O₂ base seca
Tome a base de projeto: caldeira a bagaço de 60 t/h, pó bruto de 6.000 mg/Nm³ na entrada do trem. O primeiro estágio Electrocyclone coleta 88 %, deixando 720 mg/Nm³ na entrada do ESP. O ESP de quatro campos oferece A = 3.888 m² de área de coleta; com A/Q = 75,7 s/m, exigir uma saída de 24 mg/Nm³ significa η = 1 − 24/720 = 96,67 %. Invertendo Deutsch-Anderson:
w = −ln(1 − η) / SCA = ln(30) / 75,7 s/m ≈ 0,045 m/s = 4,5 cm/s
Essa velocidade de migração efetiva — 4,5 cm/s — é um valor realista e conservador para cinza de bagaço a 150–180 °C atrás de um pré-coletor, e é a verificação de que o dimensionamento é construível. O trem coleta 99,60 % no total e a unidade absorve 177 kW.
Deutsch-Anderson supõe que toda partícula migra com o mesmo w. O pó real é polidisperso: a fração grossa desaparece no primeiro campo, e o que chega ao campo de saída é material progressivamente mais fino e mais lento. Extrapolar Deutsch com um único w, portanto, superestima o ganho de área adicional. A prática corrige isso com a forma de Matts-Öhnfeldt, η = 1 − exp[−(wk·SCA)k] com k ≈ 0,5: a eficiência ainda cresce com a SCA, mas com o amortecimento de raiz quadrada que os dados de campo efetivamente mostram, em qualquer combustível. Dimensionamos com k ≈ 0,5 para que a margem cotada de um campo adicional seja a margem que a chaminé verá — não uma ficção de Deutsch.
04 — Disponibilidade
A regra do campo n−1
A conformidade é julgada no dia ruim, não no teste de comissionamento.
Campos desarmam em serviço: um eletrodo de descarga rompido curto-circuita uma seção, um isolador trilha na umidade da estação chuvosa, um conjunto transformador-retificador falha. O reparo normalmente espera a próxima parada programada — na usina, a entressafra —, e a planta pode rodar dias ou semanas em n−1. Na base de projeto de quatro campos, um campo fora de serviço move a saída de 24 para 57 mg/Nm³ a 6 % de O₂ base seca. Um ESP dimensionado apenas para passar no teste de desempenho com n campos deixa a licença de operação à mercê de um único fio; dimensionar para que n−1 ainda atenda ao limite — e declarar o número de n−1 na proposta — converte um risco de violação na chaminé em uma questão de programação de manutenção. A regra também disciplina a contagem de campos: quatro campos menores com conjuntos transformador-retificador independentes fazem aritmética de n−1 melhor que dois campos grandes, com área de coleta total semelhante.
05 — Seleção por combustível
Tabela de seleção: bagaço, cavaco, casca de arroz, licor negro
Carga de entrada, temperatura e comportamento de resistividade definem a arquitetura antes de qualquer desenho.
| Combustível / processo | Pó típico na entrada | Temperatura do gás | Comportamento de resistividade | Notas de projeto |
|---|---|---|---|---|
| Bagaço (usina de açúcar e etanol) | 2.000–8.000 mg/Nm³ | 150–180 °C | Meio da janela; ~50 % de umidade do combustível mantém a camada condutiva | Cinza abrasiva rica em sílica e arrasto de carvão — pré-estágio Electrocyclone, sobrespessura de desgaste no campo de entrada |
| Cavaco / resíduo de madeira | 1.000–5.000 mg/Nm³ | 140–180 °C | Meio da janela; fumos submicrônicos de sais de potássio nos finos | O campo de saída trabalha nos fumos — priorizar SCA sobre intensidade de campo; atenção a picos de carbono não queimado |
| Casca de arroz | 5.000–15.000 mg/Nm³ | 150–180 °C | Cinza com 85–90 % de sílica amorfa; resistividade sobe rumo a 10¹¹ Ω·cm conforme o gás seca | A carga de pó mais pesada da biomassa; pré-coletor praticamente obrigatório; a cinza tem valor para extração de sílica |
| Licor negro (caldeira de recuperação) | 5.000–30.000 mg/Nm³ | 150–200 °C | Sulfato de sódio de baixa resistividade — fino, pegajoso, propenso a reentranhamento | SCA alta, batimento contínuo intenso, tremonhas com arrastadores; o salt cake é insumo de processo recuperado, não resíduo |
Lendo a tabela como guia de seleção: bagaço e casca de arroz são combustíveis de trem em dois estágios — a carga é alta e abrasiva, então um pré-estágio mecânico-eletrostático protege e reduz o ESP; classe de referência: usina açucareira, Tailândia, 170 t/h de bagaço. Cavaco é um combustível de carga moderada onde os fumos e a química da cinza, não a carga bruta, dimensionam a caixa. Licor negro é um problema de batimento e reentranhamento no extremo oposto, de baixa resistividade, da janela — relevante para o setor de papel e celulose. Valores garantidos para qualquer serviço são definidos por projeto, após a avaliação técnica, em base declarada (mg/Nm³, O₂ de referência, base seca ou úmida, faixa de carga).
06 — O caso brasileiro
Da lavagem úmida à coleta a seco no setor sucroenergético
A conta do lavador de gases inclui água, efluente e fuligem úmida — a do ESP, não.
Boa parte das caldeiras a bagaço brasileiras foi licenciada com lavadores de gases como coletor de particulado. O lavador cumpre o limite, mas cobra continuamente: água de reposição para saturar o gás, um circuito de lavagem que concentra sólidos e precisa de purga, um efluente com fuligem que exige decantação e tratamento, e cinza que sai da planta como lodo úmido em vez de produto seco transportável. Em usinas que expandiram a cogeração e a exportação de excedente à rede, cada tonelada de vapor e cada metro cúbico de água disputados com o processo têm dono — e a lavagem de gás perde essa disputa.
A substituição por um trem a seco — Electrocyclone mais ESP — elimina o consumo de água do despoeiramento e devolve a cinza seca, que no caso do bagaço retorna à lavoura como corretivo. O ESP dispensa mídia de reposição e mantém a perda de carga em 10–20 mmCA; a manutenção pesada (inspeção interna, alinhamento, batedores) concentra-se na entressafra, quando a caldeira está parada, de modo que a safra corre sem intervenção no coletor. Os limites aplicáveis seguem as Resoluções CONAMA nº 382/2006 e nº 436/2011, conforme o licenciamento da fonte, em mg/Nm³ com O₂ de referência — o valor para cada caldeira é CONFIRMAR: limite vigente para a fonte, conforme licença e resolução aplicável; o quadro completo está em limites de emissão no Brasil. Para o balanço da usina, ver açúcar e bagaço.
07 — Dados de consulta
O que precisamos para dimensionar um ESP
Oito entradas; as quatro primeiras decidem 90 % do preço.
- Vazão de gás
- Nm³/h base seca e m³/h reais na temperatura, na carga de projeto e na máxima contínua
- Temperatura do gás
- Ponto de projeto e faixa, °C — o casing do ESP é especificado para ≤ 200 °C; excursões acima disso são caso de projeto, não nota de rodapé
- Umidade
- % vol. de H₂O no gás — a maior influência isolada sobre a resistividade da cinza
- Carga de pó na entrada
- mg/Nm³ com O₂ de referência declarado, base seca, no combustível de projeto e no pior combustível
- Distribuição granulométrica
- d₅₀ e fração submicrônica; base de projeto: d₅₀ de 21 µm na entrada do ESP, atrás do pré-coletor
- Química da cinza
- SiO₂, álcalis (K, Na), Cl, carbono não queimado — abrasão, aderência, corrosão e condutividade moram aqui
- Resistividade
- Medida in situ quando possível; senão, inferida da análise de cinza, umidade e temperatura contra a janela de 10⁴–10¹¹ Ω·cm
- Limite da licença e base
- mg/Nm³, O₂ de referência, período de média — mais a área disponível e a margem de tiragem
ESP existente abaixo do desempenho? A maioria das unidades responde a realinhamento de internos, batimento e modernização dos conjuntos transformador-retificador antes de qualquer ampliação de casing — ver modernização de precipitadores e resultados anonimizados em referências.
FAQ
Perguntas de engenharia, respondidas
Como funciona um precipitador eletrostático?
Eletrodos de descarga a 45–110 kV negativos ionizam o gás; as partículas de pó se carregam ao atravessar o campo e migram a 2–15 cm/s para placas de captação aterradas, conforme tamanho e resistividade. Sistemas de batimento desprendem a camada coletada em lençóis para as tremonhas.
Precipitador eletrostático e filtro eletrostático são a mesma coisa?
Sim. Filtro eletrostático é o nome popular do precipitador eletrostático (ESP) no Brasil. O equipamento não filtra por mídia: coleta por força eletrostática, com perda de carga de apenas 10–20 mmCA — cerca de dez vezes menor que a de um filtro de mangas equivalente.
Qual emissão um precipitador eletrostático atinge em caldeira a bagaço?
Em base de retrofit típica, 30–50 mg/Nm³ a 6 % de O₂ base seca; com área específica de coleta (SCA) adequada, ≤ 10 mg/Nm³. Na base de projeto ilustrativa da Arrow, um ESP de quatro campos atrás de um Electrocyclone entrega 24 mg/Nm³. Valores garantidos são definidos por projeto.
O que acontece com a emissão quando um campo do ESP desarma?
Na base de projeto de quatro campos, a saída sobe de 24 para 57 mg/Nm³ a 6 % de O₂ base seca com um campo fora de serviço — a condição n−1. Dimensionar para que n−1 ainda atenda ao limite converte um risco de autuação em uma simples questão de programação de manutenção.
O que é resistividade da cinza e por que ela importa?
É a resistência elétrica da camada de pó coletada. Entre 10⁴ e 10¹¹ Ω·cm a camada drena carga normalmente; acima de 10¹¹ Ω·cm surge corona reversa e a coleta despenca; abaixo de 10⁴ Ω·cm o pó reentranha. A umidade do bagaço (~50 %) mantém a cinza dentro da janela a 150–180 °C.
Um ESP substitui o lavador de gases da usina?
Para material particulado, sim: a coleta a seco elimina o consumo de água de lavagem, o efluente a tratar e a fuligem úmida, entregando cinza seca transportável. A saída de projeto fica em 30–50 mg/Nm³ a 6 % de O₂, ou menor com SCA adequada — a avaliação é feita por projeto, sobre a base declarada.
Envie os dados da sua planta
Combustível, capacidade da caldeira, vazão de gases, emissão atual e o limite a atender. Um engenheiro da Arrow responde com uma base de avaliação técnica — não com um folheto.