Filtros de aire para túneles urbanos
La alta eficiencia y rendimiento en la filtración, una operación y mantenimiento sencillos, bajos costes de explotación y una gran variedad de opciones en la implementación, son las características que definen los sistemas de filtración de aire para túneles de carretera de FILTRONtec.
Funciones y disposición de los sistemas de filtración
El sistema de filtración completo se compone de un filtro de partículas, seguido de un filtro de carbón activo. Mientras que la misión del filtro de partículas es retener y separar todos los elementos sólidos en suspensión, desde las hojas, papeles o plásticos hasta las partículas contaminantes más pequeñas, la misión del filtro de carbón activo es reducir al máximo posible los gases contaminantes como el dióxido de nitrógeno, el ozono y los bencenos.
Retención y separación de partículas
La corriente de aire cargada de partículas contaminantes es conducida a través de un filtro de varias etapas. El primer paso consiste en una simple malla metálica para retener aquellos objetos y partículas de mayor tamaño arrastrados por el aire como p.e. hojas de árboles, papel o bolsas de plástico.
A continuación el aire se conduce a través de un electro filtro de alta tensión de en dos fases: una de pre-ionización y otra de retención y precipitación electroestática. Cada elemento se compone de un polo de carga positiva o ionizador y un polo negativo o placa colectora (véase esquema adjunto), que son capaces de retener más del 85% de las partículas de polvo que contienen restos de humos de escape, asfalto y neumáticos, y que viajan suspendidas en la corriente de aire. Para ello, el ionizador carga eléctricamente las partículas para que a su paso entre las placas del colector de carga con signo contrario, éstas sean retenidas por atracción electrostática. Para conseguir que también las partículas muy pequeñas y más dañinas para la salud (tamaño PM1) queden retenidas en el colector, FILTRONtec ha diseñado y patentado un pre-ionizador que garantiza esta eficiencia del filtrado.
Con su uso continuado, las placas del colector del electro filtro se van saturando de polvo y partículas y precisan ser limpiadas. Para remediarlo, los filtros vienen equipados con un sistema automático de limpieza que proyecta agua a través de toberas difusoras. Durante el proceso de limpieza, lógicamente los electro-filtros deberán estar desconectados y libres de tensión. Para minimizar el tiempo de parada por limpieza, se utiliza el mismo circuito de toberas para realizar un pre-secado forzado utilizando un barrido con aire comprimido. Alternativamente, el secado tiene lugar durante el funcionamiento del filtro mediante el flujo de aire. En este caso, se emplea nuestro innovador algoritmo de arranque suave, reduciendo así los costes de inversión y mantenimiento gracias a la eliminación del sistema de aire comprimido. El sistema de control realiza la secuencia de lavado, secado y reactivación del electro filtro de forma automática. El proceso de limpieza y secado tiene una duración aproximada de 30 minutos y se programa para su ejecución durante las horas de menor afluencia de tráfico, habitualmente de noche.
El agua empleada para la limpieza por chorreo a través de los difusores no lleva aditivos y tras el lavado se conduce a una planta de regeneración, donde es filtrada para poderse volver a utilizar en hasta un 90% en la siguiente secuencia de lavado.
El residuo sólido concentrado extraído del agua de lavado es recogido para su evacuación a un vertedero autorizado. Alternativamente, se puede valorar la opción de incluir una valorización del residuo como combustible dado su alto contenido en carbono. En función de la normativa de cada país, también cabe su simple evacuación como agua residual a través de la red general de saneamiento del túnel, ya que FILTRONtec ha optado expresamente por prescindir del uso de aditivos químicos, detergentes o floculantes en el agua de limpieza.
Eficiencia del filtro de carbón activo para gases contaminantes
Para reducir la concentración de gases contaminantes como el dióxido de nitrógeno (NO2), los hidratos de carbono no quemados (CmHn), el ozono (O3) o los bencenos, se instala un filtro de carbón activo en la dirección de la corriente de aire y detrás del electro-filtro. El granulado especial del carbón activo es capaz de retener hasta el 90 % de estos componentes contaminantes del aire viciado.
Un tratamiento específico del carbón activo permite la retención del dióxido de carbono de la corriente de aire que lo atraviesa por adsorción. Al mismo tiempo, y por un proceso de disociación catalítica, una parte del dióxido de nitrógeno es convertido y liberado en forma de nitrógeno y oxígeno inocuos. El carbón activo utilizado se suministra en formato de pequeños cilindros o „pellets”, de un diámetro de 4 mm. Gracias a este formato y su estructura muy porosa, el carbón activo ofrece una superficie específica de actuación muy grande. La superficie de contacto activa de un gramo de carbón equivale a aprox. 1.000 m².
El filtro de carbón activo, al igual que el filtro electrostático, es de construcción modular. Para ello, los pellets se recogen en cajones rectangulares de metal, que en sus partes frontal y trasera están cerrados por chapas perforadas, que permiten la circulación del aire. Los cajones llenos de pellets de carbón activo se apilan y fijan unos junto a otros sobre una estructura vertical formando así una pared de filtración cerrada. El aire a filtrar es canalizado a través de esta pared. Para obtener una superficie máxima de contacto y una eficiencia óptima en paso de la corriente de aire en un espacio restringido, la pared de cajones se monta formando una “W”.
Tras varios años de uso, la capacidad de retención y separación del carbón activo se debilita y consume, por lo que los cajones deberán sustituirse por otros con carbón activo nuevo o regenerado. Alternativamente al sistema modular de cajones, también sería posible montar el filtro a partir de paneles permeables prefabricados.
Materiales empleados
Todos y cada uno de los componentes constructivos de una instalación de filtración de aire que entran en contacto con el aire contaminado a filtrar, tales como el pre-ionizador, el filtro electrostático, las red de tuberías, toberas y las propias estructuras metálicas de soporte, se ejecutan en acero inoxidable de alta calidad (V4A) para garantizar la longevidad de su vida útil.
Comportamiento del filtro en caso de incendio
El evento más peligroso que puede ocurrir en un túnel es un incendio. Por un lado, las llamas y el humo se expanden por el túnel con gran velocidad debido a la corriente de aire interior, y por otro la temperatura alcanza en muy poco tiempo valores muy elevados al desarrollarse en un espacio estrecho y cerrado. Además, debido a que se diseñan túneles cada vez más largos, esta rápida expansión del humo y de las sustancias tóxicas de la combustión dificultan además seriamente las labores de extinción y salvamento.
Un sistema de filtración de aire bien diseñado debe, en la medida de lo posible, apoyar y favorecer la salvación de vidas en caso de incendio. Por eso los filtros de FILTRONtec están hechos para aguantar y seguir trabajando hasta los 400ºC, y el electro filtro de partículas puede ser incluso utilizado para evacuar parte de los humos y gases de la combustión, sin sufrir por ello daños estructurales. En un test de incendio realizado en condiciones reales, se demostró de forma impresionante que incluso partículas de humo con sustancias nocivas producidas por la combustión pueden ser retenidas durante un tiempo inicial por el filtro electrostático.
Costes de explotación
Tanto el filtro electrostático de partículas como el filtro de carbón activo de FILTRONtec tienen un consumo de energía eléctrica y de agua muy bajo. Esto es debido a que …
- las partículas son retenidas en un campo electrostático de alta tensión, por lo que por el filtro solamente fluye una intensidad de corriente mínima de unos pocos miliamperios,
- los equipos auxiliares tales como bombas, válvulas y compresor de aire comprimido solamente se precisan durante el corto espacio de tiempo dedicado a la secuencias de lavado,
- el agua usada para el lavado de las placas colectoras del electro filtro, se recupera, se filtra y se reutiliza después de cada secuencia de lavado, siendo posible recuperar hasta el 90% para el siguiente lavado. Solamente es necesario rellenar ese 10% de pérdidas producidas por la evaporación y la parte que se queda en forma de lodo junto al residuo sólido final a evacuar,
- la pérdida de presión en la corriente de aire a filtrar en los sistemas FILTRONtec es de tan solo 100 pascales para el filtro de partículas y de 400 pascales para el de carbón activo,
- el aire limpio filtrado se expulsa al exterior a baja velocidad, en el entorno de los 5 m/s, y no como en las instalaciones convencionales sin filtro y con chimenea, donde se requieren altas velocidades de salida del aire de hasta 20 m/s para asegurar que el aire contaminado se eleve y se disuelva en la atmosfera a una determinada altura.
Operación, Mantenimiento y Conservación
FILTRONtec ha puesto mucha atención en que la dedicación de personal a la operación y los tiempos de parada por servicios sean lo más cortos posibles. Para ello ha diseñado los filtros para un funcionamiento de forma totalmente automática, sin necesidad de asistencia de personal de operación, con pocas y sencillas tareas de mantenimiento y bajos costes de conservación. Todas las funciones relevantes del filtro pueden ser supervisadas de forma remota desde el centro de control del túnel.
Todo el sistema contiene sólo unos pocos componentes convencionales motorizados y partes móviles, como son las bombas de agua, válvulas, compuertas de aire y compresores, que precisan mantenerse conforme a las respectivas instrucciones del fabricante.
En el libro de mantenimiento suministrado, se recogen de forma detallada los intervalos y tareas asociadas en los que deben inspeccionarse las instalaciones de seguridad, las tareas de limpieza y de mantenimiento preventivo general. Para poder operar y mantener los filtros FILTRONtec, no se precisa de una formación o personal de cualificación especializada.
El filtro de carbón activo FILTRONtec está compuesto exclusivamente por componentes estáticos y no precisa de mantenimiento alguno.
Ejemplos constructivos de filtros de aire en túneles urbanos
La decisión para instalar un filtro en un túnel como bypass en una galería adyacente al mismo, en el falso techo o en un edificio independiente, depende principalmente de los condicionantes locales del proyecto. Como empresa especializada en filtración de partículas y gases contaminantes, Filtrontec le asesora desde el diseño básico de su obra. Conjuntamente encontraremos la solución técnica y económica más adecuada para su aplicación.
Montaje como Bypass
En el caso de diseñar una construcción como Bypass, el sistema de filtración de aire se monta en una galería subterránea que transcurre paralela a la vía de circulación. El aire contaminado del túnel se desvía por una apertura lateral en la pared del mismo protegida por una reja o malla metálica.
Detrás del filtro, la corriente de aire es conducida bien de nuevo a la vía de circulación del túnel o bien directamente al exterior.
Montaje en techo o cubierta
En este caso los filtros se instalan en un falso techo en la parte superior de la sección del túnel. El aire contaminado es extraído hacia arriba al falso techo por delante del filtro y conducido a través del mismo para su filtrado. El aire limpio o bien se vuelve a inyectar a la vía de circulación por detrás del filtro, o como se muestra en la imagen, hacia afuera a los alrededores del túnel. Esta variante constructiva es especialmente ventajosa para túneles de sección circular u oval.
Montaje en edificio independiente
En caso de que no sea posible incorporar los filtros en ninguna galería o espacio dentro de la propia obra civil del túnel, cabe la opción de construir una edificación propia a medida para el filtro en las afueras del túnel. El aire deberá entonces ser conducido de forma canalizada hasta este edificio de filtración.
El aire limpio podrá ser canalizado de vuelta al túnel o emitido a la atmosfera directamente. Un ejemplo de esta variante es la que se ha ejecutado en el proyecto de FILTRONtec para el túnel de M5 East en Sídney.
Filtración de aire con filtro de carbón activo conectable
Las concentraciones de partículas y del dióxido de nitrógeno pueden variar a lo largo del día en función del tráfico y de las condiciones meteorológicas. Así, en un momento determinado pueden medirse p.e. altas concentraciones de partículas y bajas concentraciones de gases contaminantes, y el mismo día a otra hora, bajas concentraciones de partículas y altos índices de contaminación por gases. Además, hay que tener en cuenta que la normativa no exige la eliminación completa de estos gases, sino solamente que se rebasen unos determinados límites definidos por ley.
Por ello FILTRONtec ha desarrollado un concepto de instalación que permite desactivar la acción del filtro de carbón activo en función de la concentración real del dióxido de nitrógeno medida en el ambiente. Esta funcionalidad permite obtener ahorros de energía adicionales al desconectarse los ventiladores asociados al filtro de carbón activo.
Equipamiento de filtros en túneles ya construidos
Nuestros filtros electrostáticos de partículas pueden ser instalados también en túneles existentes ya construidos con limitaciones de espacio. Cada filtro sólo tiene un fondo de 1,60 m y gracias a su estructura modular, puede adaptarse en la altura a la sección del espacio disponible. La pérdida de presión solamente supone 100 Pa, por lo que no suelen ser necesarias modificaciones en los ventiladores de extracción.