TOŚ (wykład 4)
27.01.2012
Usuwanie LZO
LZO charakteryzują się złożonością składu chemicznego - nie ma jednej uniwersalnej metody oczyszczania.
Usuwanie LZO
Usuwanie związków organicznych z gazów odlotowych można dokonać wykorzystując następujące procesy:
- utlenianie (głownie do CO2 i H2O)
- adsorpcję
- absorpcję
- kondensację (skraplanie par)
Utlenianie - najlepszy proces, (wykorzystując samą adsorpcję bądź absorpcję ze strumienia gazów odlotowych izolowane są tylko związki organiczne, z którymi potem coś trzeba będzie zrobić.
Utlenianie związków organicznych można przeprowadzić kilkoma sposobami:
- spalanie w płomieniu temp. około 1500K
- spalanie termiczne (900 - 1400 K)
- utlenianie katalityczne (500 - 900 K)
- metody biologiczne (280 - 330 K, opt.310K )
Produkty utleniania
CO2 i H2O
oraz w zależności od składu i przebiegu procesu: HCL, SO2, NOx, inne LZO, sadza i in.
1)Bezpośrednie spalanie w płomieniu
W praktyce stężenia zanieczyszczeń w gazach odlotowych są niewielkie, dlatego metody spalania bezpośredniego są rzadko stosowane. W takich mieszaninach powietrza z zanieczyszczeniami zawartość tlenu wielokrotnie przewyższa jego zapotrzebowanie wynikające ze stechiometrii reakcji.
Zastosowanie - spalanie odpadowych gazów palnych:
-w rafineriach
-na polach naftowych
-niekiedy w oczyszczalniach ścieków (gazy fermentacyjne)
2)Spalanie termiczne
Stosuje się gdy:
-stężenie LZO jest zbyt małe, aby podtrzymać płomień lub/i
- nie można wykorzystać metod katalitycznych (mieszanina gazów zawiera składniki, które mogą powodować szybką dezaktywację katalizatora)
- w pierwszym przypadku, aby uzyskać temperaturę rzędu 900 - 1400 K, należy użyć dodatkowego paliwa, w drugim natomiast - niekoniecznie.
Zastosowanie - niektóre procesy:
- lakierowania i emaliowania
-suszenia powłok malarskich
- żelowania PCV
- wędzenia
- przeróbki asfaltów (oksydacja)
3)Utlenianie (spalanie) katalityczne
Szybkość reakcji chemicznej ( w tym utleniania) można zwiększyć, prowadząc reakcję w obecności katalizatorów.
KATALIZA polega na obniżeniu energii aktywacji reakcji, przez co rośnie znacznie wartość stałej szybkości reakcji. Następuje to na skutek zmiany mechanizmu reakcji po utworzeniu struktur przejściowych typu katalizator - cząsteczka łatwiej, reagujących niż cząsteczka pierwotna.
Katalizatory sprawiają, że reakcja przebiega z zadowalającą szybkością w znacznie niższej temperaturze.
Katalizator obecny w układzie reagującym nie zużywa się.
W ochronie atmosfery mamy do czynienia z katalizą heterogeniczną w układzie gaz - ciało stałe. W tego typu reakcji, odbywającej się na kontaktach porowatych, można wyróżnić następujące etapy:
-dyfuzję reagentów ze strumienia gazów do powierzchni katalizatora
-adsorpcję reagentów na powierzchni katalizatora
-reakcję utleniania na powierzchni katalizatora
-desorpcję produktów z powierzchni katalizatora
-dyfuzję produktów do strumienia gazów
Układy katalityczne są złożone. Występują w formie:
-katalizatora osadzonego na metalach w kształcie wstęg (pakiety)
-katalizatora osadzonego na ceramicznym nośniku
-metaali pokrytych cienką warstwą ceramiczną z naniesionym katalizatorem
Najlepszymi katalizatorami są;
-metale szlachetne - VIII gr układu okresowego (Pt, Rh, Pd)
-tlenki niektórych metali (V, Ti, Al., Co, Cr, Cu, Mn, Zn, Bi, Fe, Ni oraz lantanowców) np. LaCoO3, V2O5, Al2O3
4)Metody biologiczne
W przyrodzie istnieje wielka różnorodność mikroorganizmów mających zdolność przyswajania materii organicznej. Efektem tego jest m.in. oczyszczania i odnawianie środowiska.
Niektóre szczepy bakterii potrafią przystosować się do rozkładu substancji organicznych nie spotykanych w naturalnym środowisku.
Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych opiera się na dwóch głównych procesach, którymi są:
-absorpcja zanieczyszczeń w wodzie;
-biologiczny rozkład pochłoniętych zanieczyszczeń.
Efekt wspólnego oddziaływania w/w procesów jest taki, że:
-wskutek absorpcji gazy zostaną oczyszczone;
-wskutek biologicznego rozkładu zanieczyszczeń zachodzi regeneracja sorbentu.
Zanieczyszczenie org. +O2---mikroorganizmy-> CO2 +H2O
Warunki i ograniczenia prowadzenia procesu biologicznego oczyszczania gazów:
-usuwane z gazów odlotowych zanieczyszczenia muszą być podatne na rozkład biologiczny;
-zanieczyszczenia muszą być rozpuszczalne, choćby tylko słabo, w wodzie stanowiącej środowisko życia mikroorganizmów;
-temperatura oczyszczanych gazów musi się mieścić w zakresie aktywności biologicznej mikroorganizmów (0-55*C, optimum 37-40*C);
-oczyszczane gazy nie mogą zawierać substancji trujących dla mikroorganizmów, np. związków metali ciężkich czy oparów kwasów.
W praktyce gazy są oczyszczane biologicznie przede wszystkim w takich instalacjach jak:
-biofiltry (filtry biologiczne);
-biopłuczki (płuczki biologiczne).
Biopłuczki
Specyfiką płuczek biologicznych jest to, że medium roboczym jest wodna zawiesina mikroorganizmów.
LZO rozpuszczają się w wodzie, a następnie rozkładane są przez bakterie tlenowe, podobnie jak to ma miejsce w biologicznych oczyszczalniach ścieków.
Biofiltry
Głównym elementem filtra biologicznego jest warstwa materiału filtracyjnego (porowatego wypełnienia), który zasiedlony jest przez heterotroficzne mikroorganizmy tlenowe.
Materiałem filtracyjnym mogą być np. torf, kompost, żyzna warstwa gleby i inne materiały organiczne.
Dobry materiał filtracyjny powinien mieć:
-dużą porowatość;
-dużą powierzchnię właściwą;
-małe opory przepływu gazu;
-dużą zdolność zatrzymywania wody;
-słaby zapach własny;
-niskie koszty pozyskania;
-dostępność;
-duża gęstość zasiedlenia mikroorganizmami;
-dużą trwałość;
-niewielkie wymogi pielęgnacyjne.
Zastosowanie biofiltrów:
-DEZODORYZACJA gazów odlotowych (kompostowanie, oczyszczalnie ścieków, zakłady przetwórstwa odpadów zwierzęcych i rybnych, chlewnie oraz fermy drobiu);
-usuwanie LZO podatnych na biorozkład w lakierniach, odlewniach lub drukarniach.
Dezodoryzacja:
-inaczej proces odwaniania (nie mylić z odwadnianiem!!!);
-polega na usuwaniu z gazów odlotowych substancji o charakterze zapachowym (odorów) lub przekształcenie ich w bezwonne formy;
-można ewentualnie zamaskować ich nieprzyjemny zapach innym, przyjemnym.
Spośród metod biologicznego oczyszczania gazów odlotowych z LZO najczęściej stosowane są biofiltry ze względu na to, że są prostsze konstrukcyjnie i tańsze w eksploatacji niż biopłuczki.
Ze względu na stan skupienia zanieczyszczeń gazów odlotowych, urządzenia do oczyszczania dzielimy na:
1)urządzenia do oddzielania z gazu rozdrobnionych zanieczyszczeń stałych (pyłu) zwane odpylaczami;
2)urządzenia do oddzielania kropelek cieczy (mgieł);
3)urządzenia do redukcji zanieczyszczeń gazowych.
Usuwanie pyłów i mgieł
Odpylacze mogą być suche i mokre.
Odpylacze dzielimy według wykorzystania w nich zjawisk:
-siły ciążenia;
-siły odśrodkowej;
-zjawisk elektrostatycznych;
zjawisk filtracji.
Urządzenia odpylające:
1)Komory osadcze- wykorzystane jest tutaj zjawisko opadania ziaren pyłu w polu ciężkości.
Zalety komór osadczych:
-niskie koszty wykonania;
-małe opory przepływu;
-małe zapotrzebowanie mocy;
-możliwość zastosowania do odpylania gazów gorących bez ich uprzedniego ochładzania.
2)Odpylacze odśrodkowe- cyklony:
Zalety:
-prosta budowa;
-niewielkie gabaryty;
-niskie koszty inwestycyjne.
Wady:
-znaczne opory przepływu;
-stosunkowo szybkie zużywanie się w wyniku erozji;
-niska skuteczność w zakresie ziaren poniżej 10-20 mikrometrów.
3)Odpylacze elektrostatyczne (elektrofiltry)
Ilość pyłu odbierana w czasie godziny 40-140 ton (7 wagonów towarowych)
Zalety:
-wysoka skuteczność, nawet dla pyłów o rozdrobnieniu koloidalnym (99%);
-możliwość odpylania gazów gorących;
-niewielkie opory przepływu oraz niskie zapotrzebowanie energii.
Wady:
-wysokie koszty inwestycyjne;
-duże gabaryty;
-niebezpieczeństwo wybuchu pyłów palnych.
4)Odpylacze filtracyjne- zakładają przepuszczanie strumienia zapylonego gazu przez filtry tkaninowe, papierowe, ceramiczne lub bibuły, gdzie ziarna pyłu są wychwytywane. Ich skuteczność jest duża (99,9%).
Wady:
-duże powierzchnie filtracyjne;
-bardzo wysoki koszt;
-duże opory przepływu;
-proces cykliczny.
5)Odpylacze mokre (skrubery lub płuczki). Są bardzo skuteczne- sprawność 90%).
Podział urządzeń odpylających:
-odpylacze suche;
-odpylacze mokre.
Podział urządzeń odpylających ze względu na zachodzące zjawiska:
-grawitacyjne (komory osadcze)
-bezwładnościowe
-odśrodkowe (cyklony)
-elektrostatyczne (elektrofiltry)
-filtracyjne (tkaninowe)
Definicja elektrofiltru
Elektrofiltry są jednymi z najstarszych urządzeń odpylających, których zasady działania opracował w 1910 roku Cottrell, polegają one na:
-ładowaniu elektrostatycznym cząsteczek;
-wydzielaniu naładowanych cząsteczek z pola elektrycznego;
-usuwaniu cząsteczek pyłu z powierzchni wydzielania.
Urządzenia te wykorzystują działanie sił pola elektrycznego.
Proces odpylania odbywa się w przestrzeni pomiędzy dwiema elektrodami, przez którą przepływa strumień odpylanego gazu.
Zasada działania elketrofiltru:
-zapylony gaz przepływa z małą prędkością między elektrodami zbiorczymi
-po przyłączeniu do elektrod napięcia wydzielają one duże ilości elektronów
-elektrony przyciągane są przez dodatnie elektrody zbiorcze i poruszają się w ich kierunku
-w czasie swojego ruchu elektrony uderzają w neutralne cząstki gazu, wytrącając z nich dalsze elektrony, które z kolei powodują wytrącanie elektronów z innych cząsteczek gazu
-dochodzi do uwolnienia dużych ilości wolnych elektronów
-cząsteczki gazu zostają naładowane dodatnio
-powstałe elektrony osadzają się na neutralnych cząsteczkach gazu, ładując je ujemnie
-wytworzone w ten sposób ujemne jony gazowe osadzają się z kolei na zawartych w gazie ziarnach pyłu i przekazują im swój ładunek
-naładowane ujemnie ziarna pyłu poruszają się na skutek działania sił pola elektrostatycznego w kierunku dodatniej elektrody zbiorczej i osadzają się na niej
-ziarna pyłu osadzone na elektrodzie zbiorczej na skutek mechanicznego wstrząsania elektrodą opadają do zbiornika pyłu
Warunki pracy elektrofiltru:
-utrzymywanie wszystkich urządzeń mechanicznych w dobrym stanie technicznym;
-utrzymywanie odpowiedniego czasu między cyklami;
-regularne odprowadzanie pyłu z lejów zasypowych;
-utrzymanie szczelności komory odpylania;
-utrzymywanie termoizolacji w dobrym stanie;
-nie przekraczanie dopuszczalnych parametrów pracy;
-wykonywanie zgodnie z zaleceniami DTR obsług technicznych.