Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie.

Transkrypt

1 WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie. Izabela Radtke IM-M semestr I, st. II Gdańsk 2013

2 Spis treści 1. Zanieczyszczenia powietrza 3 2. Źródła zanieczyszczeń powietrza 3 3. Metody usuwania zanieczyszczeń Odpylanie gazów Odpylacze suche Komory osadcze Cyklony Odpylacze filtracyjne (tkaninowe) Odpylacze elektrostatyczne Odpylacze mokre Płuczki bez wypełnienia Płuczki z wypełnieniem Płuczki pianowe Płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych Metody absorpcyjne Metody adsorpcyjne Metody spalania płomieniem bezpośrednim Metoda kondensacyjna Bibliografia

3 1. Zanieczyszczenia powietrza Powietrze jest zanieczyszczone przez substancje stałe, ciekłe i gazowe znajdujące się w nim, w ilości i rodzaju większym niż ich dopuszczalne stężenie. Według Światowej Organizacji Zdrowia powietrze zanieczyszczone jest to takie, którego skład chemiczny źle wpływa na zdrowie ludzi, zwierząt, roślin, a także na wodę czy glebę. Zanieczyszczenia powietrza są jednymi z najbardziej niebezpiecznych i szkodliwych, ponieważ mogą się przemieszczać i przez to w dużym stopniu skazić środowisko. 2. Źródła zanieczyszczeń powietrza. Główne źródła zanieczyszczeń powietrza to: źródła naturalne, wzrost liczby ludności, uprzemysłowienie (m.in. przemysł energetyczny i transportowy). Do naturalny źródeł zanieczyszczeń można zaliczyć: pożary lasów i stepów, wybuchy wulkanów, wyładowania atmosferyczne, wietrzenie chemiczne skał, procesy biologiczne, pył kosmiczny. Natomiast zanieczyszczenia antropogenne, czyli te, które powstają w wyniku działalności ludzi: dwutlenek siarki (SO 2 ), tlenki azotu (N x O y ), dwutlenek węgla (CO 2 ), tlenek węgla (CO), ozon (O 3 ), ołów (Pb), pyły węglowe, pyły zawiesinowe, lotne związki organiczne. 3

4 3. Metody usuwania zanieczyszczeń 3.1 Odpylanie gazów Odpylanie jest jedną z najczęściej spotykanych technik oczyszczania gazów. Urządzenia odpylające możemy podzielić na suche i mokre. Wchodząc głębiej w ten podział spośród odpylaczy suchych wyróżniamy: komory osadcze, cyklony, odpylacze filtracyjne (tkaninowe), odpylacze elektrostatyczne (elektrofiltry). Natomiast do odpylaczy mokrych zaliczamy: płuczki bez wypełnienia, płuczki z wypełnieniem, płuczki pianowe, płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne Odpylacze suche Komory osadcze Komory osadcze są jednymi z najprostszych rodzajów odpylaczy. Wykorzystuje się je do wstępnego odpylania gazów z ziaren. Prędkość opadania ziaren w tych urządzeniach wynosi 0,5m/s. Stosowane są w wielostopniowych układach odpylania gazów. Zalety jakie posiadają komory osadcze to: niskie koszty, małe opory przepływu w zakresie od 20-50Pa, niewielkie zapotrzebowanie mocy (0,05-0,3 KW/Nm 3 s), możliwość zastosowania do odpylania gazów gorących bez ich uprzedniego ochładzania. Wadą jest niski stopień skuteczności odpylania Cyklony Cyklony są najpowszechniejszymi odpylaczami. Do oddzielenia ziaren ze strugi wirującego gazu wykorzystują zasadę działania siły odśrodkowej, która powoduje przemieszczenie ziaren pyłu ku ściankom urządzenia. Gdy to nastąpi tracą one swoją szybkość i pod działaniem siły ciężkości opadają w dół. Wielkość minimalnego ziarna jakie można oddzielić w cyklonie zależy od parametrów urządzenia oraz od własności gazu, który poddajemy oczyszczeniu. Uzyskanie wysokich skuteczności odpylania gazów, zwłaszcza z małych i średnich ziaren jest możliwe dzięki zastosowaniu baterii 4

5 cyklonów i multicyklonów. Baterie mogą składać się z 2,4,6,8,12,16 cyklonów, natomiast multicyklony to połączenie równoległe kilkudziesięciu cyklonów o małych średnicach umieszczonych we wspólnej komorze. Ich ilość może wynosić od 16 do 240 sztuk. Posiadają one bardzo wysoką skuteczność odpylania (do 90%). Rys. 1 Cyklon Rys. 2 Multicyklon Odpylacze filtracyjne (tkaninowe) Są jednymi z najbardziej skutecznych urządzeń odpylających. Charakteryzuje je bardzo wysoka skuteczność odpylania(99,9% dla ziaren wielkości 1 m). W przypadku tego typu urządzeń stosuje się różnego rodzaju tkaniny, filce oraz bibuły. Metoda ta jest jedną z najdroższych metod odpylania gazów. Odnalazły zastosowanie m.in. przy odpylaniu gazów z wapienników w przemyśle ceramicznym oraz metalurgicznym. Rys. 3 Filtr workowy z regeneracją wstrząsową worków: 1 worki, 2 wibrator mechaniczny, 3 drgająca rama, 4 podajnik ślimakowy, 5 podajnik pyłu. 5

6 Odpylacze elektrostatyczne Są to tzw. elektrofiltry. Działanie tego typu odpylaczy polega na wykorzystaniu zjawiska jonizacji i wpływu pola elektrostatycznego na jony dodatnie i ujemne. Zanieczyszczenia zyskują ładunek dodatni i na skutek silnego pola elektrostatycznego przyciągane są do naładowanych przeciwnie okładek kondensatora. Posiadają wysoką skuteczność odpylania (99%). Stosuję się je do oczyszczania gazów pochodzących z kotłowni energetycznych, przemysłu metalurgicznego oraz przy produkcji kwasu siarkowego metodą kontaktową. Rys. 4 Elektrofiltr Odpylacze mokre W tego typu urządzeniach ziarna zanieczyszczeń wychwytywane są na kroplach cieczy opadających w przeciwnym kierunku do zapylonego gazu. Istnieje możliwość odpylania i chłodzenia gazów oraz absorpcja szkodliwych zanieczyszczeń w tym samym czasie. Niepożądanym skutkiem są ścieki powstające na skutek przenoszenia zanieczyszczeń z odpylonego gazu do cieczy. 6

7 Płuczki bez wypełnienia Posiadają prostą budowę oraz niewielkie opory przepływu. Ich skuteczność to wynosi jedynie od 30 do 60%. Opory przepływu jakie występują podczas pracy tych urządzeń są niewielkie i wynoszą od 100 do 150Pa. Rys. 5 Płuczka bez wypełnienia Płuczki z wypełnieniem Ich skuteczność jest większa niż płuczek bez wypełnienia, wynosi od 80 do 95% dla ziaren powyżej 2 m. Mogą być wykorzystane jako jeden ze stopni wstępnego odpylania gazów. Opory przepływu wahają się od 100 do 500Pa Płuczki pianowe Zasada ich działania opiera się na zjawisku barbotażu, czyli przepływu gazu przez otwory w poziomej półce, na której utrzymywana jest stała warstwa cieczy. Gaz, który przechodzi przez tą ciecz powoduje intensywne mieszanie zanieczyszczeń. Tego typu płuczki posiadają bardzo wysoką skuteczność dla pyłów o wielkości ziaren powyżej 1 m (ok. 95%) Płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne W tych urządzeniach zanieczyszczony gaz przepływa przez wyprofilowane labiryntowe zamknięcie wodne powodując wzburzenie cieczy. Ziarna pyłu opadają na dno zbiornika w postaci szlamu, gdzie są odprowadzane na zewnątrz odpylacza. Skuteczność tego typu urządzeń dla ziaren wielkości 1 m to 90%. W tym przypadku występują duże opory przepływu w granicach od 1100 do 1900Pa. 7

8 3.2 Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych Metody absorpcyjne Polegają one na pochłonięciu zanieczyszczeń gazowych przez ciecz. W trakcie trwania tego procesu następuje wymiana masy przy udziale dyfuzji i konwekcji, która polega na przenikaniu gazu przez warstwę graniczną rozdzielającą fazę gazową i ciekłą. Warunkiem, który musi zostać spełniony, aby zaszło zjawisko absorpcji jest rozpuszczalność składników gazu w absorbującej cieczy. Proces ten przeprowadza się w absorberach. W technice najczęściej stosuje się następujące absorbery: kolumny natryskowe, kolumny z wypełnieniem, kolumny rurowe, kolumny barbotażowe, kolumny półkowe. Rys. 6 Absorber natryskowy wieżowy: 1 króciec dopływowy gazu, 2 urządzenie rozpylające ciecz, 3 króciec odpływowy gazu, 4 króciec odpływowy cieczy Metody adsopcyjne W przypadku wykorzystania tych metod zanieczyszczenia gazowe zbierają się na powierzchni ciała stałego, adsorbenta, pod wpływem działania sił powierzchniowych. Gdy zanieczyszczony gaz przepływa przez złoże adsorbera, jego zanieczyszczenia gazowe są selektywnie zatrzymywane i gromadzone na powierzchni ciała stałego. Główne składniki adsorberów to m.in. krzemionka, tlenek gliny oraz węgiel. Urządzenia stosowane do przeprowadzenia adsorpcji dzielą się one na: urządzenia z nieruchomą warstwą adsorbentu, urządzenia z ruchomą warstwą adsorbentu, urządzenia z warstwą pierścieniową, adsorbery fluidyzacyjne. Adsorbery buduje się jako pionowe lub poziome zbiorniki. Najczęściej adsorbent spoczywa na ruszcie wykonanym w ten sposób, aby wykluczyć zaklinowanie szczelin przez cząstki złoża. W dolnej części adsorbera jest umieszczona rura doprowadzająca parę wodną do desorpcji. Każdy z adsorbentów ma włazy wsypowe i wysypowe adsorbentu. 8

9 Rys. 7 Schemat absorbera fluidalnego: 1 adsorber, 2 perforowana przegroda, 3 przewód przesypowy, 4 zasyp Metody spalania płomieniem bezpośrednim Wykorzystywane są do usuwania składników palnych zawartych w zanieczyszczonej mieszaninie. Dzięki nim pozbywamy się niebezpiecznych dla środowiska węglowodorów, par rozpuszczalników, substancji toksycznych (np.: H 2 S, CO). Zanieczyszczenia organiczne, występujące w przemysłowych gazach odlotowych, można spalać w następujących procesach: spalanie termiczne w temperaturach K, spalanie bezpośrednio w płomieniu w temperaturze 1500K, spalanie katalityczne K. Do oczyszczania gazów odlotowych stosuje się otwarty płomień zwany pochodnią. Pochodnie stanowią dyszę z palnikami umieszczoną na szczycie komina gazów odlotowych. Rys. 8 Schemat typowej pochodni ze wspomaganiem parowym: 1 zbiornik zamknięcia wodnego, 2 komora pochodni, 3 zapora gazowa, 4 urządzenie zapłonowe, 5 palniki pilotowe, 6 dysze parowe. 9

10 W spalaniu termicznym do utlenienia zanieczyszczeń gazowych konieczne jest spalanie dodatkowego paliwa gazowego lub ciekłego. Ciepło dodatkowe konieczne jest do utrzymywania płomienia tj. do stabilizacji. Istnieją różne typy palników np. ze względu na rodzaj spalanych substancji. Rys. 9 Schemat komory spalania z palnikiem płaskim Metoda kondensacyjna Podczas zastosowania tej metody zanieczyszczony gaz jest oziębiany przy stałym ciśnieniu do temperatury niższej od temperatury kondensacji par substancji zanieczyszczających. W ten sposób zanieczyszczenia możemy uzyskać w stanie ciekłym. Na początku procesu strumień gazu jest chłodzony w wyniku kondensacji strumienia ciepła do zimnej powierzchni ściany lub kropel w wymienniku przeponowym. Pobieranie ciepła od gazu będzie trwało do momentu, w którym gaz stanie się nasycony względem składników oczyszczonej mieszaniny. Rys. 10 Schemat kondensacji dwustopniowej: 1 chłodnica wstępna, 2 kondensator. 10

11 4. Bibliografia [1] Baj Wanda, Technologie radiacyjne w ochronie środowiska (usuwanie zanieczyszczeń gazów, pomiar zapylenia, zanieczyszczeń materiałów, itp.), Politechnika Warszawska, Warszawa 2004 [2] Charkowska A., Zanieczyszczenia w instalacjach klimatyzacyjnych i metody ich usuwania, Wydawnictwo IPPU MASTA sp. z o.o., Pruszcz Gdański 2003 [3] [4] [5] [6] [7] strategiczne/ochrona_srodowiska_w_polsce_zagadnienia/powietrze/podstawoweza nieczyszczeniapowietrza.html [8] 11