TECHNOLOGIE OCZYSZCZANIA SPALIN - wykład 1

Gronowicz - Ochrona środowiska w transporcie lądowym

Jarosiński - Techniki czystego spalania

Warych J. - Oczyszczanie gazów. Procesy i aparatura

Energia pierwotna - energia chemiczna zawarta w paliwie w miejscu i stanie, w jakim paliwo pierwotnie się znajdowało

Energia użyteczna -

Energia finalna -

Części stałe:

• Pył lotny

• Niespalona substancja palna (koks)

• Sadza

Sadza składa się z węgla i wodoru(10%). Tworzy się w postaci krystalitów. Ma bardzo rozwiniętą powierzchnię, na której zostają zaadsorbowane wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, np.:

-benzoalfapiren

-fenanten

-piren

-cyklopentapiren

Strata niezupełnego spalania -

Strata niecałkowitego spalania -

*wzory*

Szkody spowodowane spalaniem stałych paliw naturalnych lub przetworzonych: globalne ocieplenie, tworzenie się smogu.

Stosowanie paliw do uzyskiwania energii wiąże się z bezpośrednim działaniem na środowisko poprzez:

• Wydobycie

• Przetwarzanie

• Transport

• Spalanie i przygotowanie surowca energetycznego

• Przetwarzanie produktów spalania

• Transport i składowanie wszelkich odpadów powstałych podczas spalania

Na środowisko oddziałują:

• Spaliny

• Popiół lotny

• Dwutlenek siarki

• Tlenki azotu

• Tlenki węgla

• Popiół lotny wychwycony przez odpylacze spalin

• Żużel spod kotłów

• Odpady i ścieki

W obiegu paliwowym następuje pylenie powierzchniowe:

• Przy rozładunku

• Przy składowaniu, czerpaniu węgla ze składów

• Przy transporcie, składowaniu, załadunku popiołu i żużla

Źródła hałasu:

• Maszyny rozładowcze

• Kruszarki i młyny węgla

• Wentylatory spalin

• Sprężarki

• Obieg parowy zamknięty w budynku głównym

PRZECIWDZIAŁANIE ZAGROŻENIU ŚRODOWISKA:

• Wzbogacenie paliw o odpylacze o dużej skuteczności

• Wysokie kominy i koncentracja spalin (w jednym kominie) w celu zwiększenia wyniesienia smugi dymu

• Instalacje do odsiarczania spalin

• Ograniczanie powstawania tlenków azotu i ich emisji

• Sieci kontrolno-alarmowe

• Spalanie paliwa interwencyjnego (w okresie niekorzystnych warunków meteorologicznych)

• Utylizacja odpadów paleniskowych

• Nowe technologie proekologiczne

PALIWO + POWIETRZE

H, C, S, Pb O2, N2

SPALANIE

SKŁADNIKI SPALIN

N2 O2

CO2+H20 CO aldehydy HC PM NOx SOx PbO

sp.całkowite spalanie niezupełne utlen.

sp.niecałkowite azotu

z powietrza

Kryteria podziału zanieczyszczeń ze względu na:

• Pochodzenie: naturalne, antropologiczne

• Rodzaj: gazy, aerozole

• Rodzaj przemian: pierwotne, wtórne

ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA

NATURALNE ANTROPOGENICZNE

Rodzaje substancji:

• CO, CO2, SO2, NOx

• CxHy, WWA, BENSO(ALFA)PIREN (BaP), HC, DIOKSYNY

• ALDEHYDY

• PYŁY

• SADZA

Rodzaje przemian:

• Przemiany pierwotne - szkodliwe substancje są emitowane bezpośrednio do atmosfery

• Przemiany wtórne - substancje stają się szkodliwe po pewnym czasie od wyemitowania lub powstają wskutek reakcji chemicznych zachodzących w powietrzu

TLENEK WĘGLA - CO

• Bezbarwny i bezwonny trujący gaz

• Mniejsza gęstość od powietrza (w zamkniętych pomieszczeniach gromadzi się pod sufitem)

• Trudno rozpuszczalny w wodzie

• Gaz palny o właściwościach redukujących

Źródła naturalne CO:

• 60-90% ogólnej emisji CO

• Erupcje wulkanów, gazy kopalniane, naturalne pożary roślinności, w których temperatura dochodzi do 1000 stopni C

Źródła antropogeniczne CO:

• Spalanie węgla w niewystarczającej ilości tlenu lub podczas redukcji pary wodnej węglem w temperaturze kilkuset stopni

• Procesy technologiczne wysokotemperaturowe

Stężenie CO w środowisku: ulica 10-40 PPM, tunele podziemne i parkingi do 80 PPM, wnętrze pojazdów mechanicznych do 120 PPM.

CO jest składem:

• Gazu generatorowego

• Gazu wodnego

• Gazu miejskiego

• Gazu wielkopiecowego

• Gazu świetlnego

Toksyczność CO:

• Wynika z większego od tlenu (250-300 razy) powinowactwa do hemoglobiny

• Dochodzi do niedotlenienia tkanek, w wielu przypadkach prowadzi do śmierci

Mechanizmy powstawania CO:

• W tych miejscach obszaru spalania, w których występuje niedobór tlenu

• CO może powstać wskutek dysocjacji CO2

• CO powstaje raczej w wyniku niezupełnego spalania, co może być spowodowane np. przez małą miejscową prędkość spalania

TLENKI SIARKI

ŹRÓDŁA:

• NATURALNE:

• Wulkany

• Procesy rozkładu materii organicznej

• (CH3)2SO4 z oceanów

• ANTROPOGENICZNE

• Spalanie węgla zawierającego siarkę

• Procesy wytapiania rud żelaza

Związki siarki są zwykle składnikiem węgla, w mniejszym stopniu ropy naftowej czy gazu ziemnego. W Polsce w węglu jest 1% siarki.

Powstawanie:

• W wyniku spalania paliw zawierajacych siarkę powstają SO2 i SO3

• W niskich temperaturach uwalniają się i kondensują jako kwas siarkowy, który oddziałuje żrąco na błony śluzowe i silnie podrażnia drogi oddechowe

Oddziaływanie:

• Pogrubienie warstwy śluzowej w tchawicy, skurcz oskrzeli

• Wybielanie liści

• Niszczenie roślin

• Powstawanie kwaśnych deszczów

• Zakwaszenie gleby:

• Wypłukiwanie K+

• Rozpuszczenie się metali ciężkich w wodzie

• Zmniejszenie żyzności gleby

• Zakwaszenie wód gruntowych

• Powstawanie smogu

• Korozja, erozja

• Zubożenie życia biologicznego

Próg odporności: las - 20 μg/m3*rok, ludzie - 60 μg/m3*rok

TLENKI AZOTU NOx

Azot tworzy 6 różnych tlenków. W atmosferze występują: NO, NO2, N2O.

NO:

• Toksyczny

• Osłabia wegetację roślin

• Powoduje korozję metali

• Bardzo szybko utlenia się do NO2

NO2:

• Podrażnia drogi oddechowe

• Powoduje obrzęk płuc

• Podrażnia oczy

N2O:

• Niszczy warstwę ozonu (wzrost efektu cieplarnianego)

• Czas życia w troposferze wynosi 100-200 lat

ŹRÓDŁA NOx:

• Energetyka, transport, procesy przemysłowe i wypalanie biomasy

• Naturalne procesy nitryfikacji i denitryfikacji w glebie i w wodzie z udziałem bakterii

TLENKI:

• Termiczne - powstają wskutek utleniania azotu w powietrzu w temp>1300 stopni C (najwięcej przy t>1500 stopni C), istotny jest czas reakcji

• Paliwowe - uzyskuje się ze spalania paliwa, ilość zależy od zawartości zazotu w paliwie oraz lokalnego stężenia tlenu

• Prędkie (prompt) - zależy od warunków panujących w komorze spalania

TECHNOLOGIE I URZĄDZENIA DO OCZYSZCZANIA SPALIN - wykład 2

SUBSTANCJE ZNAJDUJĄCE SIĘ W PRODUKTACH SPALANIA (NIEORGANICZNE):

Tlenki:

• Termiczne -

• Paliwowe -

• Prędkie -

Fluorowodór

• Wrze w temp niewiele niższej od temp. Pokojowej

• Ma ostry zapach

• Drażni drogi oddechowe

• Kwas fluorowodorowy HF jest silnie żrący

• HF jest stosowany w przemyśle petrochemicznym

Chlorowodór HCl

• Bezbarwny gaz, dymiący na powietrzu, o ostrym i duszącym zapachu

• Dobrze rozpuszczalny w wodzie - tworzy kwas solny z wydzieleniem dużej ilości ciepła

• Suchy gazowy chlorowodór nie posiada właściwości kwasowych

• Przy ciśnieniu normalnym, począwszy od temp. Około 1500 stopni Celsjusza chlorowodór zaczyna dysocjować na wodór i chlor

• Gazowy HCl reaguje z nienasyconymi węglowodorami i ich pochodnymi

ZANIECZYSZCZENIA ORGANICZNE:

• Powstają w wyniku niezupełnego spalania paliw zawierających węglowodory, które mogą być wprowadzane do płomienia w formie pierwotnej lub pojawiać się podczas pirolizy paliwa w procesie spalania

• Główną przyczyną niezupełnego spalania paliwa jest jego złe rozpylenie i niewłaściwe wymieszanie z powietrzem

• Zbyt szybkie wychłodzenie płomienia może być przyczyną pojawienia się w spalinach zanieczyszczeń organicznych, związki te zwykle są oznaczane jako niespalone węglowodory HC

Na poziom emisji węglowodorów ma wpływ:

• Temperatura ścianki gaszącej i szorstkość jej powierzchni. Wzrost temperatury ścianek zmniejsza emisję węglowodorów, podczas gdy wzrost szorstkości powierzchni powoduje wzrost emisji

• Odkładanie się osadów na powierzchniach komory spalania powoduje wzrost emisji węglowodorów

• Wpływ ukształtowania systemu spalania, ponieważ część węglowodorów powstała w wyniku wygaszania przez zimną ściankę jest następnie utleniana w procesie mieszania czynników z warstwy przyściennej z gorącymi spalinami

*węglowodory rakotwórcze *sadza

Sadza - powstawanie cząstek sadzy odbywa się w obszarach płomienia przebogaconych w paliwo, w których temp. wynosi 1000-2500 stopni Celsjusza. Przejawia się ono w postaci dymienia gazów wylotowych. Dym jest areozolem cząstek sadzy w spalinach bądź powietrzu.

DIOKSYNY

Substancje bardzo szkodliwe dla wszelkich żywych organizmów. Wskutek dużej emisji dioksyn giną motyle.

Są to aromatyczne związki chloroorganiczne:

PCDD - PolyChlorinated DibenzoparaDioxins

PCDF - PolyChlorinated DibenzoFurans.

Dioksyny są mutagenami, obniżają zdolność immunologiczną.

Źródła dioksyn:

• Produkcja chloroorganicznych środków ochrony roślin

• Spalanie odpadów komunalnych i przemysłowych

• Przemysł

• Pożary transformatorów przemysłowych

• Broń chemiczna

• Ponad 90% masy dioksyn dostaje się do organizmu z pożywieniem

• Toksyczne działanie dioksyn polega na powolnym, ale skutecznym uszkadzaniu komórek organizmów żywych, uszkadzają kod DNA

AEROZOLE ATMOSFERYCZNE

To pyły zawieszone, drobiny - ciekłe krople lub stałe cząstki pochodzenia naturalnego:

• Aerozol soli morskiej

• Pyły pochodzenia mineralnego

• Organiczne i nieorganiczne związki węglowo-grafitowe, popioły i cząstki sadzy

• Siarczany

Klasyfikacja aerozoli atmosferycznych ze względu na wielkość:

• Aerozole drobne

• Klasa akumulacji

• Aerozole gruboziarniste

Lub

• Submikronowe < 1 mikrometr

• Supermikronowe > 1 mikrometr

Innym podziałem ze względu na wielkość cząstek jest:

• PM2.5 - wszystkie aerozole atmosferyczne o wielkości 2.5 mikrometra lub mniejsze

• PM10 - wszystkie cząstki o wielkości 10 mikrometrów lub mniejsze

• TSP - wszystkie aerozole, nawet te o promieniu powyżej 10 mikrometrów

PYŁY

Źródłami emisji pyłów są:

• transport, energetyka

• procesy kruszenia, mielenia, przesiewania oraz mieszania ciał sypkich

• procesy mechanicznej obróbki materiałów (ostrzenie, szlifowanie, polerowanie)

W procesie niecałkowitego spalania tworzone są:

• Organiczne i nieorganiczne związki węglowo-grafitowe

• Popioły

• Cząstki sadzy

PODZIAŁ PYŁÓW:

• Makroskopowe (średnica > 0,001 mm) pochodzenia dyspersyjnego, o nieregularnym kształcie, najczęściej pochodzą z procesów mechanicznego rozdrabniania materii

• Koloidalne (średnica < 0,001 mm) pochodzenia kondensacyjnego, o kształcie kulistym, pochodzą z procesów kondensacji par różnych substancji lotnych, mogą również powstać w wyniku dużego rozdrobnienia pyłów

Pyły można podzielić ze względu na działanie:

• Drażniące - cząstki węgla, żelaza, szkła, aluminium, związku baru itp.

• Zwłókniające - cząstki kwarcu, azbestu, talku, pyły rud żelaznych i z kopalni węgla, inne

• Kancerogenne - azbest, minerały azbestopodobne, sztuczne włókna mineralne, prawdopodobnie pyły zawierające krystaliczne SiO2

• Alergizujące - pyły pochodzenia roślinnego, zwierzęcego, leki, pyły arsenu, miedzi, cynku, chromu

Ważnymi parametrami wpływającymi na skutki działania pyłu na organizm człowieka są:

• Stężenie pyłu

• Wymiary i ksztalt cząstek

• Skład chemiczny i struktura krystaliczna

• Rozpuszczalność pyłu w płynach ustrojowych

SMOG

Zanieczyszczenie powietrza powstające z połączenia dymu i mgły.

Rodzaje: smog londyński, smog fotochemiczny typu Los Angeles

• Podczas inwersji temperatury znajdująca się w powietrzu para wodna może osiągnąć temperaturę niższą od punktu kondensacji (rosy) i pojawia się mgła, która może na skutek rozpuszczania szkodliwych gazów zawierać wszystkie zanieczyszczające atmosferę substancje.

• Smog jest nieprzenikalny dla światła, co przedłuża stan inwersji.

SMOG LONDYŃSKI

• Spowodowany głównie zanieczyszczeniami pochodzącymi ze spalania paliw

• Zawiera przede wszystkim dymy, sadze, tlenki siarki, tlenki węgla, pyły, ma odczyn kwaśny

• Działa na organizm parząco, wywołuje choroby serca, płuc, masowe zachorowania i nagłe zgony

SMOG FOTOCHEMICZNY TYPU LOS ANGELES

• Powstaje w słoneczne dni, przy dużym ruchu ulicznym

• Źródłem są spaliny samochodowe zawierające nienasycone węglowodory, NOx, CO, które pod wpływem promieniowania słonecznego reagują ze sobą tworząc silnie utleniające związki z dużym udziałem ozonu

• Głównym składnikiem smogu fotochemicznego jest azotan nadtlenku acetylu (PAN)

• Tworzy się też azotan nadpropionylu (PPN) oraz azotan nadbenzoilu (PBN), są to substancje bardziej toksyczne od PAN

• Smog zawiera również ozon troposferyczny

• Formaldehyd, ketony

Smog atakuje drogi oddechowe, podrażnia oczy, uszkadza rośliny itp.

Emisja zanieczyszczeń - wprowadzanie do środowiska wytworów działalności człowieka.

ODPYLANIE I ODPYLACZE

Odpylanie gazów - usuwanie z nich cząstek aerozolowych, cząstki te mogą być stałe lub ciekłe.

Proces odpylania gazu - usuwania cząstek stałych, prowadzony jest w odpylaczach, natomiast proces usuwania kropel cząstek ciekłych prowadzony jest w odkraplaczu.

Odpylacz - zespół urządzeń oraz części służących do odpylania spalin, znajdujących się pomiędzy początkiem króćca wlotowego odpylacza i końcem króćca wylotowego spalin oraz króćcami wylotowymi lejów zbiorczych pyłu.

Metody odpylania:

• Suche (suchy pył)

• Mokre (w zależności od postaci wydzielonych cząstek zawiesina)

Na dobór technologii odpylania ma wpływ:

• Charakterystyka źródła zanieczyszczeń

• Wymagany stopień oczyszczenia spalin (sprawność odpylania)

• Rodzaj i właściwości oczyszczanego gazu i cząstek aerozolowych (analiza granulometryczna)

Efektywne i racjonalne projektowanie procesu odpylania oraz użytkowania aparatury odpylającej wymaga znajomości:

• Wielkości strumienia gazu i stężenia w nim cząstek aerozolowych

• Właściwości fizykochemicznych cząstek (średnica, kształt, masa, gęstość, powierzchnia właściwa, skład chemiczny)

• Rozkład rozmiarów cząstek

WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTEK AEROZOLOWYCH

Charakterystyczne kształty cząstek:

• Sferyczne (węgiel aktywny, skrobia, dymy tlenków żelaza, PCW i tworzywa, kulki szklane)

• Prostokątne (proszek żelaza, kwarc i inne minerały)

• Odłamkowe (nieregularne, cement, korund, Al2O3)

• Płaskie (płytkowe: mika, grafit)

• Prętowe (talk, mąka)

• Włókniste (włókna tekstylne, celuloza)

Sferyczność cząstki Ψ

Stosunek powierzchni kuli o takiej samej objętości jak objętość danej cząstki do powierzchni cząstki. Przy znanej objętości V oraz powierzchni S cząstki:

Sferyczność cząstki niekulistej jest zawsze Ψ<1.

Powierzchnia właściwa cząstki

Powierzchnia przypadająca na jednostkę objętości cząstki, jest związana z jej kształtem, wpływa na:

• Zdolność cząstek do aglomeracji

• Palność i eksplozyjność

• W procesach usuwania zanieczyszczeń gazowych wyznacza sprawność adsorpcji i przemian katalitycznych

• Skład chemiczny substancji - od tego zależą wlaściwości elektryczne cząstki, zwilżalność, reaktywność oraz toksyczność

• Gęstość substancji - odgrywa istotną rolę w dynamice ruchu cząstki w gazie

• Oporność elektryczna cząstek - odgrywa szczególną rolę podczas odpylania elektrostatycznego, a rodzaj ładunku elektrycznego cząstek jest istotny zarówno w procesach oczyszczania gazów w filtrach tkaninowych, jak i poczas aglomeracji cząstek.

• Zwilżalność i rozpuszczalność cząstek

• Reaktywność cząstek

Rozkład rozmiarów cząstek

Z analizy granulometrycznej cząstek aerozolowych lub wydzielonej próbki pyłu wyznacza się:

• Liczbę oraz masę cząstek

• Prędkość opadania cząstek o określonym rozmiarze bądź też liczbę lub masę cząstek mniejszych lub większych od określonego rozmiaru

Liczbę lub masę cząstek odpowiadających danemu zakresowi rozmiarów wyrazić można jako:

• Ułamek frakcyjny

• Skumulowany (sumaryczny) ułamek cząstek, których rozmiary są mniejsze niż największy rozmiar w j-tym przedziale (skumulowanym):

TECHNOLOGIE I URZĄDZENIA DO OCZYSZCZANIA SPALIN - wykład 3

Pary substancji nieorganicznych, np. Na, As, Sb, Fe, Mg a także SiO2 powstają w płomieniu o wysokiej temp. Ten obłok może odłożyć się na powierzchni wymiany ciepła, a częściowo może być wyemitowany jako dym (cząstki o wymiarach ok. 0,05μm).

Parametry charakterystyczne procesu odpylania

(???)

• Sprawność odpylania określa się na podstawie liczby cząstek aerozolowych usuniętych z gazu lub pozostających w gazie oczyszczonym

• Sprawność ogólna, związana jest z liczbą cząstek obecnych w gazie oczyszczonym

* wzór 1

• Celem odpylania jest ograniczenie do wymaganego minimum emisji cząstek aerozolowych E z gazami odlotowymi. Wielkość emisji w stosunku do strumienia wlotowego oblicza się z penetracji:

*wzór 2

RODZAJE ODPYLACZY

• Odpylacze grawitacyjne oraz inercyjno-uderzeniowe

• Komory odsadcze (pyłowe)

• Komory półkowe (pyłowe)

• Żaluzyjne oraz żaluzyjne z cyklonem

• Odpylacze odśrodkowe

• Rewersyjne

• Multicyklony, baterie cyklonów

• Odpylacze wirowe przeciwbieżne

• Odpylacze filtracyjne

• Filtry tkaninowe

• Filtry warstwowe

• Elektrofiltry

• Odpylacze mokre

Grawitacyjne oraz uderzeniowo-inercyjne wydzielanie cząstek aerozolowych ze strumienia gazu jest:

• Metodą najprostszą

• Stosowaną zwykle jako wstępny etap oczyszczania gazów

• Która tylko w niektórych przypadkach może stanowić ostateczną i samodzielną metodę oczyszczania

• Skuteczną dla cząstek o dużych wymiarach

ODPYLACZE GRAWITACYJNE

• KOMORY ODSADCZE (PYŁOWE)

Stosuje się, gdy w strumieniu areozolu udział cząstek o wymiarach > 100μm (w niektórych przypadkach > 50μm) dominuje i stężenie jest duże.

Odpylanie grawitacyjne w komorze osadczej zmniejsza masę cząstek aerozolowych.

ODPYLACZE INERCYJNO-UDERZENIOWE

• Stosuje się zmianę kierunku przepływu gazu i przedłużenie czasu działania sił inercyjnych

• Konstrukcja odpylaczy jest bardziej złożona, lecz bardziej zwarta niż odpylaczy grawitacyjnych

• Z dobrą efektywnością można usuwać cząstki o wymiarach >20μm

• Prędkość aerozolu powinna być < 3m/s, aby zapobiec ponownemu porywaniu wydzielonego pyłu

• Zakłócenia przepływu strumienia aerozolu poprzez stopniowanie przepływu, instalowanie łańcuchów, przegród kierujących polepsza sprawność odpylania komór o 50-70%

• KOMORY PÓŁKOWE (PYŁOWE)

Zainstalowanie wielu poziomych półek zwiększa sprawność odpylania, gdyż prędkość strumienia pozostaje ta sama, ale cząstki opadają wówczas z dużo mniejszej wysokości, konstrukcja odpylaczy półkowych jest złożona.

• ŻALUZYJNE

Strumień aerozolu (80-90%) jest rozdzielany na przegrodzie półkowej w postaci żaluzji, a pozostała część do bardziej sprawnego odpylacza, np. cyklonu.

Prędkość gazu w kanałach międzypółkowych 2-20 m/s, a spadek ciśnienia dochodzi do 500kPa.

ODPYLACZE ODŚRODKOWE

W odpylaczach odśrodkowych - cyklonach wykorzystuje się bardziej efektywny mechanizm rozdzielania, polegający na oddziaływaniu sił odśrodkowych na cząstki aerozolu.

Odpylacze charakteryzują się:

• Prostą, zwartą budową

• Brakiem części ruchomych

• Możliwością pracy w wysokich temperaturach i przy dużych ciśnieniach

• Niskimi kosztami wykonania

• Nieskomplikowaną obsługą

Zasadniczą wadą cyklonów jest duży spadek ciśnienia, niezbędny do efektywnego odpylania.

Sprawność odpylania cyklonów wzrasta przede wszystkim wraz ze:

• Zwiększeniem średnicy i gęstości cząstek

• Zmniejszaniem średnicy cyklonu przy zachowaniu odpowiednich proporcji pozostałych wymiarów

• Zwiększaniem prędkości gazu do u<<up

• Wzrostem przyczepności cząstek do ścian cyklonu

Spadek ciśnienia gazu Δp występujący podczas przepływu gazu przez cyklon, tj. Pomiędzy przewodem wlotowym i rurą odlotową, związany jest z mocą, jaką należy dostarczyć do układu odpylania:

N=V*Δp

Spadek ciśnienia gazu w cyklonie następuje w wyniku:

• Oporów tarcia na wlocie do cyklonu

• Strat energii gazu podczas rozprężania się gazu po przedostaniu się do wnętrza cyklonu i przechodzenia w ruch obrotowy

• Oporów tarcia o ściany wnętrza cyklonu

• Strat energii wskutek turbulencji w cyklonie

• Strat energii wskutek sprężania gazu na wylocie z cyklonu

Spadek ciśnienia wyrazić można jako sumę spadku ciśnień (wzór).

MULTICYKLONY I BATERIE CYKLONÓW

• Sprawność odpylania rośnie wraz ze zmniejszeniem się średnicy aparatu, wobec tego większą sprawność odpylania można uzyskać stosując szereg małych cyklonów zamiast jednego dużego

• Wymiar wydzielonych cząstek w multicyklonach wynosi 5-10μm, przy zmianach obciążenia pojedynczego cyklonu 1,5-3 m3/h, przeciętnej prędkości gazu 7,5 m/s i Δp=800-1500 Pa

• Największym problemem efektywnego odpylania jest równomierny rozdział gazu na poszczególne cyklony (sprawdzianem jest jednakowy Δp w cyklonach), inaczej następuje przepływ zwrotny, który niweczy ogólny efekt odpylania

• Połączenie szeregowe poprawia ogólną sprawność odpylania, gdy jest duży udział cząstek o dużych wymiarach oraz jeśli istnieje możliwość koagulacji cząstek.

• Sprawność drugiego cyklonu stanowi 50% sprawności pierwszego.

• Zwykle w połączeniu szeregowym stosuje się n=3 cyklony.

• Stosuje się połączenia z innymi odpylaczami.

ODPYLACZE FILTRACYJNE

• Działają na zasadzie przepływu strumienia odpylanego gazu przez zespół porowatych kolektorów

• Wskutek działania mechanizmów inercyjnych, dyfuzji, sił elektrostatycznych oraz efektu zaczepienia, cząstki aerozolowe osadzają się na powierzchni kolektorów, w miarę postępu proces filtracji na wydzielonych już cząstkach, które stanowią właściwą warstwę filtracyjną, która powinna być okresowo usuwana.

FILTRY TKANINOWE

• Przegrodę filtracyjną stanowią tkaniny tkane, plecione, włókna filcowane, formowane w kształcie worków, kieszeni lub rozpinane na płaskich ramach

• Tkaniny filtracyjne mogą być wykonane z bawełny, wełny, nylonu, dacronu, orlonu, polipropylenu, włókien poliamidowych (nomex), teflonu, włókien szklanych, mineralnych lub stalowych

Tkaniny powinny odznaczać się odpowiednią:

• Zwartością (splot, gładkość jednej powierzchni)

• Przepuszczalnością

• Odpornością chemiczną

• Odpornością na ścieranie

• Trwałością

• Łatwością regeneracji

• Ceną

Spadek ciśnienia gazu w filtrze tkaninowym jest wyznaczany przez opory przepływu gazu przez tkaninę i warstwę pyłu:

Δp=Δpr+Δpf

FILTRY WARSTWOWE

Utworzone są z:

• Włókien pojedynczych ułożonych względem siebie w sposób mniej lub bardziej jednorodny w postaci pakietów, mat, kopert itp.

• Ziaren (granuli) róznego rozmiaru i różnego kształtu w postaci luźnej warstwy o różnej porowatości

• Warstw sztywnych w postaci różnego rodzaju porowatych spieków ceramicznych lub metalowych

ELEKTROFILTRY

Działanie elektrofiltrów polega na:

• Ładowaniu elektrostatycznym cząstek

• Wydzielaniu naładowanych cząstek z pola elektrycznego

Wyładowanie koronowe

Wyładowanie przy ciśnieniu atmosferycznym występujące w obszarze silnie niejednorodnego pola elektrycznego o dużym natężeniu przejawia się słabym świeceniem dookoła przewodnika, gdy natężenie pola elektrycznego wokół niego przekracza określoną wartość.

ZASADA DZIAŁANIA : Mamy elektrodę emisyjną - katodę, oraz elektrodę osadczą - anodę, a także cząstki zanieczyszczeń, gazu oraz pyłu. Elektroda emisyjna emituje elektron, który trafia na obojętną cząsteczkę gazu i jonizuje ją (ładunek ujemny). Ta cząsteczka zaczyna “wyłapywać” wszystkie naładowane elektrycznie cząstki aerozolowe i ten twór (elektroda, cząstka gazu i wyłapane cząstki pyłu) wędruje w kierunku elektrody osadczej. Ponieważ ona jest uziemiona, następuje osadzanie się tych cząstek, a więc wydzielenie pyłu - cząstki pyłu opadają ze ścianki elektrody osadczej do dolnej części elektrofiltru.

ZALETY ELEKTROFILTRÓW

• Siły działające na cząstki aerozolowe zależą od ładunku elektrycznego uzyskanego przez cząstki oraz od potencjału pola

• Przy odpowiednio dużym gradiencie pola, rzędu kilku kV/cm, możliwe jest wydzielanie cząstek submikronowych

• Siły pola elektrycznego działają bezpośrednio na cząstki, dlatego też elektrolity charakteryzują się dużą efektywnością wykorzystania energii przy małym spadku ciśnienia gazu, 50-200 Pa

• Istnieje możliwość odpylania bardzo dużych strumieni gazu w wysokich temperaturach

TECHNOLOGIE I URZĄDZENIA DO OCZYSZCZANIA SPALIN - wykład 4

WADY ELEKTROFILTRÓW

• Czułość na zmiany właściwości fizykochemicznych gazu cząstek oraz na zmianę objętości strumienia gazu

• Możliwość blokowania ich wnętrza wydzielanym pyłem

• Możliwość wyładowania łukowego

• Korozję wnętrza odpylacza

• Mimo prostych zasad działania odpylanie w elektrofiltrach jest jednak skomplikowane, gdyż zależy od wielu parametrów, m.in. od aparatury i technologii procesów przemysłowych będących źródłem emisji zanieczyszczeń

ELEKTROFILTRY RUROWE

• Moduły rurowe d=150-400 mm, l=3-6m, liczba rur n>10

• Trudności z dobrą dystrybucją gazu przy dużym n

• Porywanie pyłu

• Trudności z oczyszczaniem elektrod

• Sprawność = 99%

• Stosowane są głównie do oczyszczania niezbyt dużych objętości gazu z ciekłych cząstek aerozolowych

ELEKTROFILTRY PŁYTOWE

• Elektrody emisyjne - katody - cylindryczne lub specjalnie ukształtowane druty

• Elektrody osadcze - anody - płyty płaskie lub profilowane

• Moduły mogą być łączone szeregowo

ELEKTROFILTRY DWUSTOPNIOWE

• Stosowane są w klimatyzacji do odpylania powietrza, jeśli koncentracja nie przekracza kilkuset mg/m3

• Dodatnie wyładowanie koronowe zmniejsza ilość wydzielonego ozonu

I stopień - pod wpływem potencjału dodatniego przyłożonego do elektrody (drutu) występuje wyładowanie koronowe i ładowanie cząstek, czas przebywania cząstek jest bardzo krótki

II stopień - cząstki wydzielają się na elektrodzie płytowej lub cylindrycznej, czas przebywania cząstek jest kilka razy dłuższy

Problemy eksploatacyjne

• Usuwanie pyłu z elektrod osadczych przez wstrząsanie

• Wtórne unoszenie pyłu

• Wydzielanie cząstek o dużej adhezji

Rozwiązanie problemów

• Dobór odpowiedniej konstrukcji elektrod tak, by zmniejszyć prędkość gazu w pobliżu warstwy pyłu

• Konieczność skorelowania okresów wstrząsania elektrod z grubością warstwy pyłu

• Systemy czyszczenia elektrod

Na jakość eksploatacji elektrolitów mają wpływ:

• Zmiany surowca i warunków prowadzenia procesu w źródle emisji oraz ich wpływ na parametry pracy i sprawność elektrofiltra

• Zaprojektowanie, materiał konstrukcyjny i wykonanie elektrofiltra

• Końcowy montaż elektrofiltra

• Wyszkolenie obsługi

• Kontrola prowadzenia procesu odpylania

• Duża oporność pyłu, wtórne porywanie pyłu

• Czas czyszczenia elektrod

• Utrata parametrów zastosowanej izolacji oraz izolatorów (wskutek kontaktu z gorącymi gazami)

ODYLACZE MOKRE

Zasadniczym elementem instalacji jest skruber (płuczka). Gaz, który jest zanieczyszczony jest kierowany do płuczki - wymiennika masy, gdzie gorące zanieczyszczone gazy są traktowane rozpyloną wodą - obniża się ich temp, następuje usunięcie pyłu do separatora, a następnie gazy przechodzą przez odkraplacz i mamy gaz oczyszczony :)

Cząstki aerozolowe w odpylaczach mokrych wydzielane są na:

• Kroplach (które mogą być wytwarzane niezależnie od strumienia gazu lub przy współudziale strumienia gazu oczyszczonego)

• Strugach

• Warstewkach cieczy

• Na powierzchniach stałych pokrytych warstwą cieczy

Mechanizmy o zasadniczym znaczeniu podczas odpylania mokrego:

- zderzenia inercyjne

- bezpośrednie zaczepienia podczas opływu ciekłych kolektorów

Efektywność odpylania mokrego zależy od:

- energii doprowadzonej do układu gaz-ciecz

- spadku ciśnienia

Kryterium sprawności odpylania w skuberach

Moc kontaktu, nazywana mocą rozproszoną w procesie odpylania na jednostkę objętości gazu

Sprawność odpylania:

Alfa, beta - stałe doświadczalne zależne od roodzaju i rozmiaru cząstek

Pt - moc kontaktu

ODPYLACZE MORKE

• Natryskowe

• Mokre odśrodkowe

• Uderzeniowo-inercyjne

• Mechaniczne

• Półkowe barbotażowo-pianowe

• Z wypełnieniem

• Venturiego

Podział odpylaczy ze względu na moc dostarczaną do procesu odpylania

• Niskoenergetyczne, Δp =< 1250 kPa

• Komory

• Wieże natryskowe

• Średnioenergetyczne 1250<Δp<3750 kPa

• Skrubery odśrodkowe

• Skrubery uderzeniowo-inercyjne

• Skrubery z wypełnieniem

• Wysokoenergetyczne Δp>3750 kPa

• Skrubery Venturiego

ODPYLACZE INERCYJNO-UDERZENIOWE

Sprawność odpylania zależy od:

- rozmiarów cząstek

- średnicy kropli cieczy

- konstrukcji odpylacza

- prędkości gazu (v<15m/s)

ODPYLACZE MECHANICZNE

• Odpylacze, w których zasadniczym elementem roboczym jest obracający się wirnik, który rozpyla i miesza ciecz lub wymusza i przyspiesza przepływ gazu

• Duża sprawność

• Duże zapotrzebowanie mocy

• Odpylacze mechaniczne nie są już tak często stosowane

ODPYLACZE PÓŁKOWO-BARBOTAŻOWO PIANOWE

Przez otwory w półce doprowadzona jest struga gazu, który przeperla się w warstwie cieczy, dzięki czemu powstaje piana na powierzchni cieczy i pozwala wyłapać wszelkie zanieczyszczenia i spływa do dolnej części skrubera.

ODPYLACZE Z WYPEŁNIENIEM

• Kolumnowe

• Komorowe

• Skrubery z nieruchomym wypełnieniem

• Skrubery fluidyzacyjne z ruchowym wypełnieniem

Sprawność odpylania przy danej średnicy elementów wypełnienia zwiększa się wraz ze wzrostem wysokości wypełnienia, strumienia gazu i strumienia cieczy.

ODPYLACZE VENTURIEGO

Zasada działania odpylaczy Venturiego:

• Strumień zaplyonego gazu przepływa z prędkością 60-120 m/s

• Rozprasza i przyspiesza strumień kropel w części rury Venturiego zwanej konfuzorem i gardzielą

• Duża burzliwość oraz duże prędkości względne gazu i kropel decydują o dużej sprawności odpylania cząstek nawet submikronowych

W zależności od energii strumienia odpylanego gazu oraz sposobu doprowadzania cieczy do gardzieli dokonuje się podziału odpylaczy:

• Ciśnieniowe - rozpraszające

Wykorzystuje się energię strumienia oczyszczonego gazu do rozproszenia cieczy na krople i wyrównania ich prędkości z prędkością gazu w obrębie gardzieli

• Ejekcyjne

Zanieczyszczony gaz jest zasysany do gardzieli strumieniem rozpylanych kropel za pomocą ciśnieniowych dysz hydraulicznych

O wyborze skrubera do procesu odpylania gazu decydują następujące czynniki:

• Brak przeciwwskazań dla obecności cieczy w strumieniu gazu oczyszczanego

• Produkt odpylania - zawiesina nie stwarza problemu wtórnego zanieczyszczenia środowiska wodnego

• Cząstki lub gaz powodują zagrożenie pożarowe lub eksplozyjne

• Konieczność chłodzenia gazu

• Konieczność jednoczesnego oczyszczania gazu od zanieczyszczeń aerozolowych i gazowych

• Kryteria techniczno-ekonomiczne i środowiskowe

• Wymagany stopień odpylenia gazu

• Właściwości źródła emisji, właściwości strumienia aerozolu - cząstek

PALNOŚĆ I EKSPLOZYJNOŚĆ PYŁÓW

Przy wszystkich czynnościach związanych ze: składowaniem, transportem, podawaniem i dozowaniem, procesami, w których biorą udział palne cząstki pyłów takich substancji, jak węgiel, zboża i sproszkowane produkty ich przerobu, tworzywa sztuczne, sproszkowane produkty chemiczne, rudy, pigmenty i inne należy brać pod uwagę możliwość zapłonu i eksplocji.

• Pod wpływem różnych warunków, łatwo następuje generowanie ładunków elektrostatycznych na stałych cząstkach lub ich wyladowanie, co może być źródłem zapłonu i eksplozji

• Utleniaczem w spalaniu i eksplozji pyłu jest zazwyczaj tlen z powietrza, lecz mogą być nim również halogenki

• Minimalne stężenie tlenu, poniżej którego nie zachodzi spalanie cząstek pyłu, zależy od ich składu chemicznego i rozkładu rozmiarów

• Minimum stężenia cząstk, odpowiadające dolnej granicy eksplozji, jest jednym z ważniejszych parametrów na etapie projektowania

Wyróżnia się eksplozje pyłu:

• Pierwotne

Do eksplozji pierwotnej dochodzi, gdy cząstki pyłu są rozproszone w atmosferze aparatu, zawierającej dostateczną ilość tlenu do spalania i istnieje źródło zapłonu o dostatecznej energii

• Wtórne

Wtórna eksplozja występuje, gdy płomień z eksplozji pierwotnej powoduje zapłon pyłu w najbliższym otoczeniu. Jest często bardziej niebezpieczna, gdyż przeniesienie płomienia i ciśnienie mogą prowadzić do zniszczenia

Na eksplozyjność cząstek pyłu wpływają:

- reaktywność chemiczna

- wilgotność, która obniża zdolność zapłonu i gwałtowność wybuchu pyłu (brak dokładnych danych, lecz stwierdza się, że eksplozja pyłu nie występuje powyżej wilgotności powyżej 30%)

- rozmiar i powierzchnia właściwa tak, że ze zmniejszeniem rozmiarów cząstek wzrasta ich powierzchnia i zdolność do zapłonu i eksplozji

- stężenie cząstek, które odpowiada wartościom wyższym niż stechiometryczne ze względu na to, że spalanie eksplozyjne jest procesem powierzchniowym; szybkość eksplozji i minimum energii zapłonu zmienia się ze stężeniem pyłu

- burzliwość w środowisku pył-powietrze, gdyż na skutek polepszenia dopływu tlenu do powierzchni cząstek następuje wzrost niebezpieczeństwa i ciśnienia eksplozji

- obecność źródła zapłonu o odpowiedniej energii

Źródłem zapłonu mogą być: wyładowania elektryczne i elektrostatyczne, otwarty płomień, ciepłe i ogrzewane powierzchnie, ogrzewanie, spawanie, cięcie i inne.

Gromadzenie się ładunków elektrostatycznych na powierzchni może nastąpić wskutek:

• Kontaktu i tarcia a następnie separacji dwóch materiałów, z których jeden może być izolatorem, co powoduje gromadzenie się na nich ładunków różnoimiennych w równych ilościach

• Przepływu płynów na granicy warstwy podwójnej

• Ładowania indukcyjnego materiałów przewodzących

• Kontaktu obiektów naładowanych z nienaładowanymi

**********************************************************************

OGRANICZENIE ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA SPOWODOWANEGO SKŁADOWANIEM PALIW I ODPADÓW ENERGETYCZNYCH

NAWĘGLANIE

• Dostawa węgla do elektrowni

• Kontrola jakości i ilości dostarczanego węgla

• Składowisko

• Transport węgla ze składowiska do urządzeń przygotowujących paliwo (młynów)

SKŁADOWISKO PALIWA

• Twarde, zdrenowane podłoże, umożliwiające odwodnienie węgla

• Otoczenie składowisk dolnym murem (do 1m) w celu utrudnienia dopływu powietrza do dolnych warstw węgla i jego odgazowanie

• Instalacja gaśnicza - hydranty do gaszenia ognisk samozapłonu

• Mechaniczne ubijanie warstw węgla (ograniczenie dopływu powietrza)

• Kształtowanie pryzm (odpływ gazów, odpływ ciepła, spływ wody)

• Pomiar temperatury (t<60 stopni C)

• Wentylacja hałdy

• Nie należy mieszać kilku typów węgla

• Nie składować węgla zbyt długo

Samozapłon paliwa jest wyn8iikiem przede wszystkim reakcji utleniania węgla pierwiastkowego:

C+O2=CO2+ΔH= -400 kJ/mol

Szybkość reakcji wzrasta dwukrotnie na każde Δt=10K.

Na ilość ciepła wydzielaną w pryzmie biopaliwa i jego odprowadzenie wpływają następujące czynniki:

• Skład chemiczny biopaliwa

• Zawartość wilgoci

• Rozmiar cząstek

• Gęstość materiału w warstwie

• Opady

• Wiatr i związany z tym dostęp utleniacza

Mieszanina pyłowo-powietrzna o stężeniu wybuchowym może powstać w wyniku:

• Zassania do układu powietrza

• Zmniejszenia strumienia paliwa

• Wzrostu rozdrobnienia

Metody składowania odpadów energetycznych

Bezpośrednią przyczyną pylenia popiołów zdeponowanych na składowiskach jest wysoki stopień ich rozdrobnienia - większość masy popiołów ma średnicę ziaren mniejszą niż 60μm.

Ponadto w wielu popiołach występują cząstki mikrosferowe w ilości nawet do 3%, które ze względu na małą gęstość w porównaniu z popiołami są szczególnie podatne na pylenie.

Metody przeciwdziałania pyleniu na składowiskach:

• Likwidacja przyczyn pylenia

• Ograniczenie pylenia popiołów zdeponowanych na składowiskach

Likwidację przyczyn pylenia można osiągnąć poprzez:

• Zmianę struktury oddzielonych popiołów przez zmianę warunków spalania oraz przejścia z kotłów pyłowych na kotły cyklonowe, z których odpadem jest głównie żużel topiony. W tym przypadku problemem jest emitowanie znacznych ilości tlenków azotu.

• Granulowanie popiołów z wodą, ściekami lub wiążącymi substancjami odpadowymi, polegające na upakowaniu drobnych ziaren popiołów w granulki o średnicy do kilku cm, powiązanych warstwą wody i ewentualnym spoiwem.

Granulowanie - jest stosunkowo najprostszą technologią przystosowania odpadów do bezpośredniego ich składowania i rozszerzania możliwości ich surowcowego wykorzystania.

Zeskalenie - doprowadzenie popiołów do takiej formy, by w warunkach składowania uległy stopniowemu lub gwałtownemu zeskaleniu. Proces taki następuje przy składowaniu popiołów z dodatkiem spoiw.

Tworzenie gęstej pulpy - w postaci emulgatu (mieszanina popiołu z wodą).

Wydzielanie z popiołów mikrosfer - wykorzystywanie zjawiska pływania na powierzchni czynnych kwater i odprowadzanie ich wraz z wodą nad osadową, poprzez osadniki popiołu, do specjalnych zbiorników, gdzie następuje ich odsączenie.

Daje to możliwość ograniczenia pylenia ze składowisk oraz wykorzystania tej frakcji popiołów jako cennego surowca termoizolacyjnego.

Ograniczenie pylenia popiołów zdeponowanych na składowiskach:

• Utrzymywanie masy składowanych popiołów w stanie wilgotnym

• Rekultywacja biologiczna składowisk odpadów energetycznych

Od metod transportu odpadów paleniskowych i formowania składowisk w dużym stopniu zależą ich właściwości fizyko-chemiczne.

Nieodpowiednie warunki powietrzno-wilgotnościowe i termiczne, silnie alkaliczny odczyn, niedobór lub brak podstawowych składnikow odżywczych, brak aktywności mikrobiologicznej itp. stwarzają wybitnie niekorzystne warunki wzrostu i rozwoju wprowadzanej roślinności.

Rekultywację biologiczną prowadzi się na wysypiskach częściowo wyłączonych z eksploatacji lub takich, gdzie eksploatację już zakończono.

Obecnie stosuje się następujące sposoby rekultywacji składowisk:

• Bezpośredni obsiew popiołów mieszankami nasion wraz z uzupełniającym nawożeniem mineralnym

• Wprowadzenie na podłoże popiołowe nawozów organicznych, torfu, osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków oraz wysiew mieszanek nasion

• Wysiew nasion na powierzchni popiołów z humusem lub bez

W ostatnich latach szczególnego znaczenia nabierają polimery metakrylowe - superabsorbenty.

Są to żywice wodo-rozpuszczalne, zdolne już przy niewielkich stężęniach do tworzenia aglomeratów cząstek stałych, a przy wielkich stężeniach do tworzenia hydrofilnych, elastycznych warstw, mocno związanych z podłożem.

Są całkowicie nietoksyczne, odporne na promieniowanie UV i działanie mikroorganizmów. Poprawiają porowatość i przepuszczalność gleb, dzięki czemu przyspieszają wzrost roślinności.

Zmniejszają ponadto szybkość parowania wody i ograniczają jej migrację do głębszych warstw gruntu, co umożliwia roślinom przetrwanie nawet dłuższych okresów suszy.

Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń:

• Warunki emisji

• Warunki terenowe

• Warunki meteorologiczne

• Właściwości zanieczyszczenia

Parametry meteorologiczne wpływające na stan zanieczyszczenia atmosfery:

• Prędkość wiatru

• Kierunek wiatru

• Temperatura powietrza

• Wilgotność powietrza

• Stratyfikacja termiczna dolnej warstwy atmosfery

Czynniki warunkujące charakter rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń:

• Pionowy gradient temperatury

• Prędkość wiatru

• Kierunek wiatru i jego odchylenia

• Rozmiary wyniesienia smugi zanieczyszczeń ponad poziom wylotu emitorów