Odpylanie gazów przemysłowych

1.  Odpylanie - informacje ogólne

Separacja pyłów i odpylanie są częścią metod separacji w obszarze inżynierii procesowej. Najbardziej zróżnicowane metody odpylania są przypuszczalnie w stanie rozdzielić gaz i rozproszone w nim cząstki, które mogą występować w formie cieczy lub ciała stałego. Ich rozmiary wynoszą od kilku nanometrów do kilku setek mikrometrów.

Prawdopodobnie odpylanie miało swój początek jako proces służący oczyszczeniu powietrza do stopnia umożliwiającego oddychanie, np. górnikom. Obecnie, jednym z głównych celów, na których koncentruje się rozwój technik separacji cząstek przy małym stężeniu, jest technologia klimatyzacji powietrza, wentylacji pomieszczeń mieszkalnych, miejsc pracy oraz hal produkcyjnych

2. Sprawność odpylania gazu określają wymagania technologiczne np.:
-potrzeba wyodrębnienia cennego produktu w postaci kropel lub pyłu

-otrzymanie czystych gazów odlotowych

-konieczność przestrzegania odpowiednich przepisów i norm ochrony środowiska

dotyczących emisji zanieczyszczeń

η - sprawność odpylania definiuje stosunek masy pyłu usuniętego z gazu do masy pyłu wprowadzonego ze strumieniem gazu

Socz - stężenie zanieczyszczenia w gazach oczyszczonych

Swl - stężenie zanieczyszczenia w gazach wlotowych

Warunek spełniony gdy strumienie objętości są równe

3.Aby odpylanie było skuteczne należy użyć w tym celu odpowiedniego rodzaju metody oraz odpylacza.

Podstawowe warunki doboru odpowiedniej metody odpylania i konstrukcji odpylacza:

• pełna znajomość właściwości oczyszczanego gazu oraz cząstek aerozolowych

• znajomość podstaw fizycznych procesu odpylania, w którym zasadniczym obiektem rozważań są właściwości cząstek aerozolowych

• znajomość mechanizmów odpylania (szczególnie w przypadku cząstek o rozmiarach submikronowych), gdyż jest ona podstawą zarówno projektowania, jak i prowadzenia procesu odpylania z odpowiednio dużą sprawnością

4. Parametry charakterystyczne procesu odpylania

-sprawność odpylania

-zapotrzebowanie energii

-koszt odpylania

-dodatkowo zużycie wody w procesach odpylania mokrego (pobieranie wody i koszty regeneracji)

-sprawność frakcyjna (przedziałowa)

5. Zasady podziału odpylaczy

• zasada fizycznych procesów odpylania

• sposób usuwania cząstek aerozolowych z gazu

• podobieństwo rozwiązań konstrukcyjnych

• stan wydzielonego pyłu - suchy czy mokry

6.W zależności od postaci wydzielonych cząstek, stosuje się metody odpylania suchego lub mokrego

Podział odpylaczy suchych

grawitacyjne

bezwładnościowe

odśrodkowe

elektrostatyczne

filtracyjne

7. Odpylacze grawitacyjne i uderzeniowo-inercyjne

Grawitacyjne wydzielanie cząstek aerozolowych

• jedna z najprostszych metod odpylania gazów

• skuteczna dla cząstek dużych rozmiarów, efektywna dla cząstek o rozmiarach powyżej 20 μm

• tylko w niektórych przypadkach może być stosowana jako ostateczna - samodzielna - metoda odpylania

• zwykle stanowi wstępny proces oczyszczania gazu

• w odpylaczach grawitacyjnych znajdują się tzw. komory osadcze (pyłowe)

• zmniejsza masę cząstek aerozolowych, odciążając i zabezpieczając końcowy stopień odpylania przed zablokowaniem wydzielonym pyłem

• w niektórych przypadkach umożliwia zmniejszenie rozmiarów aparatów odpylających stopnia końcowego

• w dużej przestrzeni komory prędkość aerozolu jest mała, cząstki mają więc dostatecznie dużo czasu na opadnięcie na dno komory, skąd usuwane są okresowo - ręcznie lub mechanicznie za pomocą przenośników

Celem polepszenia sprawności odpylania czynione są różne zabiegi konstrukcyjne, mające na celu zmiany kierunku przepływu strumienia gazu aerozolu i wzrostu jego lokalnej prędkości liniowej.

Odpylacze uderzeniowo-inercyjne

• całkowita zmiana kierunku przepływu i przedłużenie czasu działania sił inercyjnych

• bardziej złożona konstrukcja niż w odpylaniu grawitacyjnym, ale bardziej zwarta

8. Odpylacze odśrodkowe (cyklony)

Odpylacze odśrodkowe - cyklony

• zasada działania: działanie sił odśrodkowych na cząstki aerozolowe

• wprawiają strumienia aerozolu w ruch obrotowy

• +prosta i zwarta budowa, brak części ruchomych, możliwość pracy w wysokiej temperaturze i przy dużym ciśnieniu, niewielkie koszty wykonania, nieskomplikowana obsługa

• -znaczny spadek ciśnienia gazy niezbędny do efektywnego odpylania

Podział cyklonów

• klasyczne - stycznie do cylindrycznej części, a następnie spiralnie w dół do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny; wzdłuż osi cyklonu do góry i opuszcza rura odlotową centralnie umieszczoną

• cyklony z wlotem osiowym - przed wlotem do części cylindrycznej - przepływa przez zespół prostych lub profilowanych łopatek, gdzie następuje zmiana ruchu z prostoliniowego na wirowy

• przelotowe - po wprowadzeniu w ruch wirowy nie zmienia już swego kierunku przepływu z wirującym wirnikiem - ograniczone zastosowanie - mała sprawność odpylania i szybkie zużywanie się łopatek wirnika, szybka utrata stabilności dynamicznej

• możliwości pracy w warunkach wysokiej temperatury i dużego ciśnienia (mały wpływ zmian parametrów fizykochemicznych pyłu i gazu na skuteczność odpylania)

• niewielkie koszty wykonania, nieskomplikowana obsługa

• znaczne opory przepływu

• stosunkowo szybkie zużywanie się (zwłaszcza stożków) w wyniku erozji

• niska skuteczność w zakresie ziaren poniżej 10 um

Cyklony wirowe przeciwbieżne

• mniej wrażliwe na zmiany obciążenia gazem niż cyklony

• wyeliminowano w znacznym stopni zjawisko erozji ścian wewnętrznych

• stosowane, gdy wydzielany pył ma właściwości ścierające, adhezyjne, jest łatwo zapalny lub trujący

• do spalin o wysokiej temperaturze (palnych i działających korodująco i o znacznej wilgotności

Multicyklony

• większa sprawność odpylania

• zespół pojedynczych cyklonów o małej średnicy umieszczonych we wspólnej płycie sitowej

Baterie cyklonów

• kilka (do 6) ustawionych względem siebie równolegle cyklonów

do odpylania dużych objętości strumieni gazu

9. Odpylacze filtracyjne

Odpylacze filtracyjne

• w odpylaczach filtracyjnych następuje cykliczny proces - powtarzane są cykle odpylania i oczyszczania przegrody filtracyjnej

• jest to jeden z najbardziej skutecznych (sprawność odpylania 99,9% dla cząstek do 0,5 μm)

Rodzaje filtrów:

• filtry tkaninowe - przegroda filtracyjna - tkaniny tkane, plecione lub włókna filcowane, formowane w postaci worków, kieszeni lub rozpinane na płaskich ramach

• filtry warstwowe - mniej lub bardziej przypadkowo upakowane luźne lub sprasowane włókna, ziarna (granule) nieruchome, ruchome lub sfluidyzydowane

• warstwy filtracyjne - włókna mineralne i metalowe, wata żużlowa, siatki metalowe i in.

• ziarniste tworzą ziarna piasku, żwiru i innych materiałów granulowanych

Odpylacze tkaninowe kieszeniowe

• wydzielany pył gromadzi się na zewnętrznej powierzchni tkaniny wzmocnionej od wewnątrz siatką metalową zabezpieczająca tkaninę przed odkształceniem

• dla małych stężeń cząstek aerozolowych

• z włókien naturalnych i syntetycznych

Odpylacze tkaninowe workowe

• mają otwartą przestrzeń od strony wlotu gazu zapylonego i zamkniętą od wlotu gazu oczyszczonego

10. Podział odpylaczy mokrych

• półkowe barbotażowo -pianowe

• płuczki (skrubery) bez wypełnienia (płuczki wieżowe)

• płuczki z wypełnieniem nieruchomym

• płuczki z wypełnieniem ruchomym (ze złożem fluidalnym)

• odpylacze Venturiego (ze zwężka Venturiego)

11. Skrubery i płuczki

Odpylacze mokre - skrubery, płuczki

• strumień zapylonego gazu jest odpylany wskutek kontaktu z cieczą (najczęściej wodą)

• jednocześnie oprócz odpylania można prowadzić oczyszczanie gazu z zanieczyszczeń gazowych oraz chłodzenie i nawilżanie gazu

• rolą cieczy jest bezpośredni kolektor cząstek oraz czynnik polepszający zdolność zatrzymywania wydzielonych cząstek oraz substancji absorbującej zanieczyszczenia gazowe

• +Proste, nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych

• -zagospodarowanie powstającej zawiesiny, obecność kwaśnych zanieczyszczeń w gazach, duże zapotrzebowanie mocy przy usuwaniu cząstek submikronowych

• zużycie wody można zmniejszyć, zawracając ją do procesu odpylania. Wilgotne ciało stałe może być zawrócone do procesu, przetworzone na surowiec, półprodukt lub produkt użyteczny lub składowane jako produkt odpadowy

• trudna klasyfikacja - rozległy zakres zmian parametrów roboczych oraz często nakładające się na siebie mechanizmy odpylania

• strumień gazu ze źródła emisji kierowany do skrubera, gdzie zanieczyszczenia z gazu są przenoszone do fazy ciekłej. Przy burzliwym kontakcie gazu i cieczy wytwarzają się krople cieczy unoszone i porywane przez strumień gazu oczyszczonego - zapobiegają temu odkraplacze. Ciecz z wydzielonymi cząstkami aerozolowymi w postaci zawiesiny opuszcza skruber i łącząc się z cieczą spływającą z odkraplacza jest kierowana do separatora

12. Półkowe odpylacze barbotażowe

- zapylony gaz wpływa od dołu, jest chłodzony i nawilżany,następnie przepływa przez otwory półek pokryte cieczą

- przepływ cieczy na półce w stosunku do gazu: krzyżowy, przeciwprądowy, mieszany

- ciecz ściekająca z ostatniej półki gromadzi się w dolnej częsci skrubera,skąd jest odprowadzana (zamknięcie hydrauliczne)

13. Płuczki z wypełnieniem ruchomym i nieruchomym

- wypełnione różnego rodzaju ciałami stałymi, o różnym kształcie, tworzące porowatą warstwę

- wypełnienie zapewnia efektywny kontakt strumienia gazu i cieczy w procesach wymiany ciepła i masy

- wypełnienie nieruchome stosowane do odkraplania gazów i w procesach adsorpcyjnego oczyszczania gazów

- kolumny z wypełnieniem ruchomym pracują z przepływem gazu i cieczy przeciwprądowym krzyżowym lub współprądowym skierowanym do góry

14. Odpylacze Venturiego

- strumień zapylonego gazu poruszający się z prędkością 60-120 m/s i większą rozprasza i przyspiesza strumień kropel w częsci rury Venturiego (konfuzor i gardziel)

- wysoka sprawność odpylania również dla cząstek submikronowych

- skrubery ciśnieniowe - rozpraszające i ejekcyjne (w zależności od energii strumienia gazu i sposobu dostarczania cieczy do gardzieli)

15. Porównanie i charakterystyka ogólna odpylaczy

• Metody suche - umożliwiaja kierowania oczyszczonego gazu do procesu przemysłowego lub wykorzystania go do celów ogrzewania i wentylacji.

• Metody mokre - jednocześnie usuwają zanieczyszczenia pyłowe i gazowe, ale - woda może być też wadą (większe zużycie energii, korozja itd.)

• Dobór odpowiedniego odpylacza dla danego procesu musi być poprzedzony analizą

porównawczą charakterystycznych właściwości konstrukcji odpylaczy. (Cyklony - sprawność

nieco większa od 90%, pozostałe typy >98%.)

• Ważnym aspektem przy projektowaniu odpylaczy jest palność i eksplozyjność pyłów

• Spadek ciśnienia gazu w odpylaczu wiąże się z poborem mocy do procesu i tym samym ze wzrostem kosztów

• Ciągłe zmniejszanie norm dotyczących strumienia masy cząstek emitowanych do atmosfery oraz duże zagrożenie dla środowiska przejawia się coraz szerszym stosowanie filtrów tkaninowych.

---