1. Wstęp

Obecność pyłów w atmosferze wynika zarówno z procesów naturalnych, jak i antropogenicznych (Ryc. 1). Mimo, że w wyniku działalności człowieka dostaje się zaledwie 15 % całkowitej emisji pyłów do atmosfery, to właśnie tego typu pyły są najbardziej szkodliwe. Wynika to z kilku czynników. Po pierwsze emisja antropogeniczna charakteryzuje się wysokim stopniem skoncentrowania. Po drugie, emisja ta obejmuje głównie obszary gęsto zaludnione, przez co bezpośrednio wpływa na pogarszanie się stanu zdrowia ludzi mieszkających w strefie bezpośrednich wpływów danej emisji. Dodatkowo pyły antropogeniczne zawierają wiele więcej uciążliwych dla zdrowia pierwiastków chemicznych niż pyły pochodzenia naturalnego. Dlatego tak istotne jest ograniczanie emisji pyłu i innych zanieczyszczeń powietrza z przemysłu, transportu i innych działań człowieka. W tym celu przedsiębiorstwa zobligowane są do odpylania zanieczyszczonych gazów powstających w etapie produkcji. Wg badań przeprowadzonych przez Główny Inspektorat Środowiska, za rok 2008, obszary o nadmiernym stężeniu PM10 (klasyfikacja 24-godzinna) to największe miasta i obszary lokalizacji zakładów przemysłowych, elektrowni i ciepłowni (Albiniak, 2010). W Krakowie problem nadmiernego zapylenia powietrza pojawia się głównie zimą, co tłumaczy się przede wszystkim indywidualnym ogrzewaniem budynków i przestarzałymi technologiami w tym zakresie. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na zły stan powietrza w Krakowie jest jego lokalizacja i związane z tym niekorzystne warunki meteorologiczne (brak wiatru i inwersja termiczna).

Ryc. 1. Geneza pyłów występujących w atmosferze

Źródło: opracowanie własne na podstawie Kabsch, 1992

Odpylanie jest to proces usuwania z gazów zawieszonych w nich cząstek stałych (pyły) lub kropelek cieczy (mgły – odemglanie). Proces ten musi być przeprowadzony tak, by oczyszczając gazy oraz atmosferę nie powodować zanieczyszczeń innych komponentów środowiska.

Urządzeniem odpylającym nazywamy urządzenie lub zespół urządzeń wydzielających pył z zapylonego gazu. Składa się on z odpylacza oraz urządzeń pomocniczych (np. przewody ssąco-tłoczące, wentylatory, pompy z silnikami napędowymi, instalacje do wytwarzania wysokich napięć, zbiorniki na pył i urządzenia do odprowadzania pyłu).

Ryc. 2: Schemat podziału odpylaczy

Źródło: Opracowanie własne na podstawie Mazur, 2004

Poszczególne typy odpylaczy mają różną skuteczność, jeżeli chodzi o usuwanie pyłu danej średnicy i dlatego ich dobór powinien zależeć od wielkości ziaren, które chcemy wytrącać.

Dobór właściwej aparatury określa się na podstawie parametrów (Karaś, 2004):

• Strumienia gazu

• Stężenia cząstek aerozolowych w gazie

• Właściwości fizykochemicznych cząstek stałych

1. Odpylacze suche

Odpylaczami suchymi nazywamy takie urządzenia, w których wytrącanie ziaren pyłu przebiega w sposób mechaniczny na zasadzie wykorzystania siły grawitacyjnej, efektu bezwładności lub siły odśrodkowej. Grupę tą dzielimy w zależności od mechanizmu wydzielania zanieczyszczenia.

Wytrącenie ziaren pyłu w odpylaczach suchych jest procesem mechanicznym i wywoływany jest przez (Mazur, 2004):

• efekt bezwładności (odpylacze inercyjno- uderzeniowe),

• siłę odśrodkową (cyklony, multicyklony, odpylacze wirowe przeciwbieżne),

• siłę grawitacji (odpylacze grawitacyjne)

1. Odpylacze grawitacyjne

Ryc. 3. Schemat budowy odpylacza grawitacyjnego

Źródło: Mazur, 2004

1. dyfuzor

2. komora osadcza

3. konfuzor

4. zasobnik pyłu

5. tory ziaren o dużych średnicach

6. tory ziaren o małych średnicach

Zasada działania:

Zasada działania tego rodzaju odpylaczy opiera się na grawitacyjnym wydzieleniu ziaren pyłu ze strumienia gazu. Jest to jedna z najprostszych metod odpylania. Jednakże jest ona skuteczna tylko dla cząstek o dużych rozmiarach, powyżej 100μm. W większości przypadków stanowi wstępny etap oczyszczania gazu. Najprostszym urządzeniem wykorzystującym tą metodę jest tzw. komora osadcza.

1.Gaz z pyłem z bardzo dużą prędkością dostaje się do dyfuzora, gdzie ta prędkość jest wielokrotnie (15-20x) zmniejszana. Dzięki temu siła ciążenia działa coraz mocniej na cząstki pyłu.

2. Ziarna pyłu poruszają się torami odpadającymi i jeśli ich masa jest dostatecznie duża, opadają do zasobnika podczas przejścia przez komorę osadczą.

W komorach instaluje się różnego rodzaju łańcuchy, przegrody lub półki, co teoretycznie polepsza sprawność odpylania komór. Dzięki półkom cząstki pyłu opadają z dużo mniejszej wysokości, co polepsza sprawność osiadania.

Ryc. 4. Komora osadcza z półkami

Źródło: Mazur, 2004

Zalety:

• Prostota wykonania- są nieskomplikowane w instalacji

• Niskie opory przepływu i związane z tym niskie zużycie energii

• Możliwość odpylania gazów gorących bez konieczność ich uprzedniego ochładzania

• Niska cena

Wady:

• Ograniczone działanie- nadają się tylko do wstępnego odpylania z dużych cząstek pyłu

• Kłopoty z oczyszczaniem komory osadczej- szczególnie, gdy mamy do czynienia z komorą osadczą z półkami

• Brak w kraju stałego producenta

Przykłady zastosowania:

• Przy suszeniu kauczuku

• Przy kotłach opalanych miałem węglowym

• Przy kotłach na biomasę

Koszty:

Są to najtańsze z odpylaczy suchych, kosztują do kilku tysięcy złotych, w zależności od rozmiaru.

1. Odpylacze inercyjne

W działaniu tego typu odpylaczy wykorzystuje się efekt bezwładności ziaren pyłu przy gwałtownej zmianie kierunku. Odpylacze, w których wykorzystuje się to zjawisko, noszą nazwę uderzeniowo- inercyjnych.

Ryc. 5. Budowa odpylaczy inercyjnych

Źródło: Mazur, 2004

1. Do wbudowania w linie przewodu gazowego

Strumień zapylonego gazu jest wprowadzany z lewej strony, napotyka on na kolanko, które kieruje go w dół, gdzie osadza się pył, a następnie oczyszczone powietrze jest wypychane do góry do wylotu z prawej strony.

1. Z przegroda uderzeniową

Kolanko jest zastąpione przez metalową blaszkę, tak zwaną przegrodę uderzeniową, która powoduje dużo bardziej nagłą zmianę kierunku.

1. Z rurą centralna

składa się on z tuby, przez którą wprowadza się prawie do dna odpylacza, gdzie następuje zmiana kierunku i gromadzi się osad, później na powietrzu, przez następne jego masy, wymuszany jest ruch ku górze do wylotu.

1. Z bocznym wlotem kątowym

Schemat działania odbywa się w bardzo podobny sposób jak w przypadku trzecim. Powietrze natrafia na opór ze strony dna i jest wymuszane jego unoszenie się.

Zasadniczą rolę w budowie odgrywają przegrody. Ich celem jest zmienić kierunek przepływu ruchu gazu, a wraz z nim przenoszonych w tym gazie cząstek.

Zalety:

• niskie straty ciśnienia wynoszące ok. 400 Pa

• duża skuteczność odpylania (pyłów grubszych powyżej 95%)

• Pewność pracy

• Łatwość zabudowy

• Niskie koszty instalacji

Wady:

• niska skuteczność odpylania drobnych frakcji pyłu

Przykłady zastosowania:

● gazy pochodzące z pieców obrotowych,

● gazy pochodzące z konwertorów

● gazy z suszarni

Koszty:

Koszty odpylaczy uderzeniowo-inercyjnych mogą być różne, aczkolwiek zazwyczaj wahają się od kilku do kilkunastu tysięcy złotych.

1. Odpylacze odśrodkowe

Odpylacze odśrodkowe stanowią najbardziej rozpowszechnioną konstrukcję spośród mechanicznych urządzeń odpylających. Mają nieskomplikowaną budowę, dzięki czemu ich obsługa jest prosta. Mogą być zbudowane z różnego typu materiałów. Jest to bardzo korzystne przy odpowiednim doborze materiałów z którego będzie zbudowany odpylacz w odniesieniu do gazu, który będzie odpylany. Można w ten sposób ograniczyć erozję urządzenia.

Cyklony:

Ryc. 6. Schemat budowy i działania cyklonu

Źródło: Mazur, 2004

Zasada działania odpylacza cyklonowego:

Ruch powietrza w cyklonie jest ruchem spiralnym, zwrotnym. Zapylony gaz wprowadzany jest z dużą prędkością do cylindra, gdzie ulega zawirowaniu. Następuje spiralny spływ gazu w kierunku dolnej części urządzenia. Ziarna pyłu pod wpływem siły odśrodkowej i siły bezwładności zostają odrzucone na zewnętrzne ścianki cyklonu, po czym zsuwają się do zbiornika pyłu. Oczyszczony gaz odbija się od dolnej części cylindra i ruchem rewersyjnym uchodzi do góry, gdzie odprowadzany jest przez przewód wylotowy.

Skuteczność odpylania zależy w głównej mierze od średnicy wewnętrznej cylindra. Im mniejsza ona jest, tym odpylanie jest skuteczniejsze. Ponadto na zwiększenie sprawności urządzenia wpływa prędkość wlotu gazu do cylindra oraz stężenie pyłu w gazie.

Multicyklony:

Ryc. 7. Budowa multicyklonu

Źródło: Mazur, 2004

Budowa:

Multicyklony stanowią połączenie kilku cyklonów. W odróżnieniu od baterii cyklonów różnią się wspólnym wlotem powietrza, jak i wspólnym zbiornikiem zanieczyszczeń. Sprawność poszczególnego cyklonu wpływa na sprawność całego układu.

Zasada działania multicyklonu:

Mechanizm działania multicyklonu jest adekwatny do działania pojedynczego cyklonu. Różnica polega tylko na zmniejszeniu średnicy poszczególnych cyklonów, tak aby były one sprawniejsze i ich połączeniu. Zjawisko to przedstawia ryc. 3. O sprawności multicyklonu decyduje sprawność poszczególnych jego elementów. Dlatego bardzo istotne jest, aby zapewnić równomierny dopływ zapylonego gazu do każdego z ogniw urządzenia. W przeciwnym wypadku nastąpi zaburzenie oporów i obniżenie sprawności multicyklonu.

Rodzaje połączeń cyklonów:

Wyróżnia się kilka rodzajów połączeń cyklonów, m. in. Połączenie szeregowe, będące dobrym rozwiązaniem, gdy istnieje możliwość koagulacji cząstek aerozolowych lub gdy cząstki dużych rozmiarów w wyjściowym aerozolu stanowią znaczny udział, a jednocześnie zachodzi konieczność efektywnego odpylania gazu. Liczba połączonych szeregowo cyklonów nie przekracza zwykle trzech, gdyż sprawność odpylania w drugim cyklonie jest o połowę mniejsza niż w pierwszym i dwa razy większa niż w trzecim. Stosuje się także równoległe połączenia cyklonów. Podobnie jak w multicyklonach, tutaj również jest problem z równomiernym rozdziałem gazu na poszczególne cyklony. Dlatego też liczba połączonych w ten sposób cyklonów nie przekracza liczby sześciu. (Mazur, 2004; Warych,1998)

Zalety:

• Niewielkie rozmiary

• Prosta budowa

• duża sprawność dla ziaren od 5 do 10 µm

• brak ruchomych części, mogących łatwo ulec uszkodzeniu

• niskie koszty inwestycyjne

• niewielkie straty ciśnienia, zużycie energii i koszty eksploatacyjne

• możliwość oczyszczania gazów o dużych stężeniach substancji zanieczyszczających

• możliwość użycia do ich budowy różnorodnych materiałów (zależnie od rodzaju odpylanych pyłów)

Wady:

• duże opory przepływu

• korozja spowodowana bombardowaniem ścian cylindra przez rozpędzone cząstki pyłu

• niska skuteczność odpylania dla ziaren rzędu kilku mikrometrów

Przykłady zastosowania:

Multicyklony i cyklony są obecnie najczęściej stosowanymi urządzeniami do odpylania na sucho. Służą przede wszystkim do odpylania wstępnego. Średnica ziarna granicznego wynosi 5 – 10 µm. Dzięki dużej odporności na temperaturę ( do 450 °C) znalazły one zastosowanie przy odpylaniu spalin powstających w procesie spalania w piecach metalurgicznych czy grzewczych. Doskonale nadają się do odpylania przy urządzeniach do szlifowania na sucho, piecach obrotowych, czy do separacji wiór i trocin pochodzących z obrabiarek do drewna. Niegdyś stosowane były przy odpylaniu w cementowniach.

Koszty:

Koszty budowy i eksploatacji cyklonów są wysokie w porównaniu do innych odpylaczy suchych. Cena cyklonu waha się w granicach kilku- kilkunastu tysięcy złotych.

1. Odpylacze wirowe przeciwbieżne

To udoskonalona wersja cyklonów- wykorzystuje się w nich wirowy przepływ gazu wokół cylindra oraz przepływ wtórny. Uważane są za jedne z najbardziej skutecznych odpylaczy.

Ryc. 8. Budowa cyklonu przeciwbieżnego

Źródło: Mazur, 2004

Wprowadzanie strumienia wtórnego za pomocą dysz: Tym strumieniem wtórnym jest tu najczęściej zapylone powietrze, dzięki czemu zużycie energii jest ograniczone do minimum.

Wprowadzanie strumienia za pomocą osiowego elementu zawirowującego: ten typ stosuje się, gdy trzeba obniżyć temperaturę gazu oczyszczonego. Strumieniem wtórnym najczęściej jest czyste powietrze.

Odpylacze wirowe przeciwbieżne dają możliwość separacji cząstek w przedziale 1,5 – 10 μm. Zapewniają redukcję emisji pyłu do wartości poniżej 100 mg/m3 w przeliczeniu na 6% O₂!

Zasada działania:

• Zanieczyszczony gaz wpuszczany jest od dołu, zaczyna wirować, wędruje w górę

i przedostaje się do centrum cylindra

• Równocześnie wprowadza się od góry wtórny strumień gazu, który kieruje się w dół, ale wiruje w tę samą stronę, co strumień pierwotny – wprowadzany od dołu.

• Siła odśrodkowa sprawia, że zanieczyszczenia przemieszczają się z wiru pierwotnego do wtórnego. Razem opadają i w dolnej części gromadzi się pył.

• Strumień wtórny przenika do strumienia pierwotnego, razem uciekają w górę jako oczyszczone powietrze.

Zalety:

• możliwość oczyszczania mniejszych ziaren niż w cyklonach, a co za tym idzie większa skuteczność

• mniejsza erozja ścian w porównaniu z cyklonami

• możliwość stosowania różnorodnych materiałów do wykonania

• ograniczenie wpływu wadliwego wykonania

• możliwość oczyszczania gazów gorących

• pozwalają na odpylanie gazów wilgotnych

Wady:

• konieczność stosowania gazu wtórnego o wysokim ciśnieniu - straty ciśnienia sięgające do 4000 Pa, co za tym idzie również wysokie zużycie energii

• znacznie większe koszty utrzymania niż w przypadku tradycyjnych cyklonów, np. koszty oczyszczania, rachunki za energię

• stosowanie wentylatorów i związany z tym hałas

• skomplikowana instalacja

Przykłady zastosowania:

• W kotłach dostosowanych do spalania gazów odpadowych

• Oczyszczanie gazów palnych i trujących.

Odpylacze wirowe przeciwbieżne stosowane są, gdy wydzielony pył ma właściwości ścierające, jest łatwo zapalany lub trujący . Stosowane są również często do odpylania spalin o wysokiej temperaturze, gdy są one palne i działają korodująco, lub gdy wilgotność ich jest znaczna.(Kacperski, 2003)

Koszty:

Koszty odpylaczy wirowych przeciwbieżnych mogą być różne w zależności od konkretnego odpylacza i od producenta. Mogą kosztować nawet do kilkunastu tysięcy złotych.

1. Podsumowanie

Tab. 1. Tabela podsumowująca (Mazur, 2004; Warych, 1998; Kacperski, 2003)

Cechy Rodzaj odpylacza	Wielkość odpylanych pyłów(μm)	Skuteczność	Zastosowanie	Rozmiar/ budowa	Popularność/ Częstość stosowania	Koszty budowy i eksploatacji
Grawitacyjny	Powyżej 50	Najmniejsza skuteczność	Procesy suszenia kauczuku, przy kotłach opalanych miałem węglowym lub biomasą	Małe oraz najprostsza budowa	Mało popularne	Do kilku tysięcy
Inercyjno- uderzeniowy	Powyżej 20	Średnia skuteczność	Gazy pochodzące z pieców obrotowych, konwertorów oraz suszarni	Małe , bardziej skomplikowana budowa	Mało popularne	Od kilku do kilkunastu tysięcy
Cyklon	Powyżej 5	Bardzo skuteczne	Procesy metalurgiczne, kotły opalane węglem, obrabiarki do drewna	Różnych rozmiarów, skomplikowana budowa	Najbardziej popularne	Do kilkunastu tysięcy
Wirowy – przeciwbieżny	Powyżej 3	Najskuteczniejsze	Przemysł cementowy, energetyka cieplna, metalurgia, mat. budowlane	Rożnych rozmiarów, skomplikowana budowa	Popularne	Do kilkunastu tysięcy

1. Bibliografia

1. Albiniak B. (red.), 2010, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska/Państwowy Monitoring Środowiska, Raport o stanie środowiska w Polsce 2008, Biblioteka Monitoringu Środowiska, Warszawa

2. Kabasch P., 1992, Odpylanie i odpylacze, t.1: Mechanika aerozoli i odpylanie suche, Warszawa

3. Kacperski W. T.,2003: Inżynieria środowiska. Ochrona powietrza, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom

4. Mazur M., 2004: Systemy ochrony powietrza, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo Dydaktyczne AGH, Kraków

5. M. Mazur, M. Teisseyre, 1977, Podstawy teorii i konstrukcji urządzeń odpylających, Wrocław

6. Warych J., 1998:Oczyszczanie gazów. Procesy i aparatura, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa

1. Spis tabel:

Tab. 1. Tabela podsumowująca (Mazur, 2004; Warych, 1998; Kacperski, 2003)

1. Spis Rysunków:

Ryc. 1. Geneza pyłów występujących w atmosferze (na podst. Kabsch, 1992)

Ryc. 2: Schemat podziału odpylaczy (na podst. Mazur, 2004)

Ryc. 3. Schemat budowy odpylacza grawitacyjnego (Mazur, 2004)

Ryc. 4. Komora osadcza z półkami (Mazur, 2004)

Ryc. 5. Budowa odpylaczy inercyjnych (Mazur, 2004)

Ryc. 6. Schemat budowy i działania cyklonu (Mazur, 2004)

Ryc. 7. Budowa multicyklonu (Mazur, 2004)

Ryc. 8. Budowa cyklonu przeciwbieżnego (Mazur, 2004)