Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie

Transkrypt

1 Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie Kinga Dawidowska IM-M (II stopień) 1

2 Spis treści: 1. Przygotowanie gazów do oczyszczania Odpylanie gazów... 3 a) Odpylacz grawitacyjno-inercyjny... 4 b) Cyklony... 4 c) Odpylacz filtracyjny... 5 d) Elektrofiltry... 6 e) Odpylacze mokre Rozdział mieszanin gaz-ciecz Oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń gazowych a) Metody absorpcyjne b) Spalanie termiczne i katalityczne c) Kondensacja Oczyszczanie biologiczne Odsiarczanie Usuwanie tlenków azotu Literatura:

3 1. Przygotowanie gazów do oczyszczania Proces usuwania z gazów cząstek aerozolowych oraz zanieczyszczeń poprzedza odpowiednie przygotowanie gazu polegające na zmianie parametrów fizykochemicznych tak, ażeby były one odpowiednie dla prowadzenia procesu oczyszczania w danym etapie. Jednym z takich parametrów jest temperatura. Wyróżnia się aparaty do oczyszczania gazów, tzw. suche, gdzie w celu zapobiegania kondensacji pary wodnej temperatura gazów powinna być wyższa od temperatury punktu rosy, nie mniej niż Poprzez zmianę wilgotności oczyszczanych gazów można zmienić punkt rosy pary wodnej, co w wielu przypadkach pozwala na regulację optymalnych warunków pracy aparatu oczyszczającego. Wprowadzona do gazów para wodna, w wyniku adsorpcji i kondensacji na cząstkach aerozolowych, zmienia ich właściwości powierzchniowe i średnie. Zmiana własności elektrycznych gazu (tzw. zmiana kondycjonowaniem) polega zwykle na wprowadzeniu do oczyszczanych gazów bardzo małych ilości SO 3 lub innych substancji. Bardzo istotna jest zmiana stężenia i rozkład rozmiarów cząstek. Stężenie cząstek w strumieniu gazu kierowanym do odpylania nie powinno przekraczać wartości nominalnych dla danego aparatu. W przypadku dużych stężeń stosuje się odpylanie wstępne metodami klasycznymi. We wszystkich aparatach odpylających, cząstki dużych rozmiarów wydzielane sa z większą sprawnością niż mniejsze, stąd dla podwyższenia sprawności odpylania celowe jest zwiększenie rozmiarów cząstek. Stosuje się w tym celu kondensację pary wodnej lub różne metody koagulacji cząstek. W procesach wysokotemperaturowych gazy odlotowe mają temperaturę C. Kierując je do oczyszczania konieczne jest ich schłodzenie poprzez zmieszanie z zimnym powietrzem lub natrysk zimną wodą. 2. Odpylanie gazów Z definicji odpylanie jest to proces oczyszczania gazu z drobnych cząstek ciał stałych zwanych pyłami powodując ich wydzielenie i osadzenie za pomocą urządzeń zwanych odpylaczami, bądź cząstek ciekłych za pomocą skraplaczy. W zależności od zasad odpylania wyróżnia się odpylacze suche, mokre oraz elektryczne (tzw. elektrofiltry). Ogólny podział tych urządzeń przedstawia schemat 1. 3

4 Schemat 1.: Ogólny podział odpylaczy gazów Źródło: [1] a) Odpylacz grawitacyjno-inercyjny Często spotykanym urządzeniem do odpylania gazów jest odpylacz grawitacyjnoinercyjny (rys.1.), w którym to odpylanie w wyniku działania sił grawitacyjnych prowadzone jest przez komorę osadczą (pyłową), a opadające cząstki gromadzą się na dnie komory. W komorach mogą być umieszczone półki pionowe z zadaniem zmiany kierunku przepływu gazu i zwiększenia działania sił na cząstki. Odpylacze grawitacyjno-inercyjne stosowane są do usuwania cząstek dużych rozmiarów, zwykle jako odpylacze wstępne. Charakteryzują się prostotą działania i konstrukcji, brakiem części ruchomych i niewielkim zapotrzebowaniem energii do przeprowadzenia procesu odpylania. b) Cyklony Rys.1. Odpylacz grawitacyjno-inercyjny. Źródło: [2] W stosowanych do oczyszczania suchego cyklonach, zwanych również odpylaczami odśrodkowymi wykorzystuje się spiralny lub wirowy ruch strumienia do wywołania działania 4

5 siły odśrodkowej na cząstki. Zanieczyszczony pyłem gaz wpada do cylindrycznej komory i wiruje w niej, w wyniku czego unoszące się w gazie cięższe od niego składniki są odrzucane na zewnątrz, a w wyniku ocierania o ścianki cyklonu wytrącają prędkość i opadają. Powietrze czyste wypływa przez ułożony centralnie kanał w górę. Cyklony dzieli się na te z wlotem stycznym i osiowym, a także z przepływem rewersyjnym i osiowym, przelotowym (rys.2.). Urządzenia te pozwalają na skuteczne usunięcie pyłu o wymiarach przekraczających 60 μm, a skuteczność procesu jest tym większa, im większa jest prędkość wlotowa, a także im mniejszy promień. Rys.2. Cyklony rewersyjne (1) z wlotem: a) stycznym, b) spiralnym, c) osiowym, (2) cyklon przelotowy. Źródło: [2] Strumień aerozolu można wprowadzić w ruch obrotowy kilkoma sposobami. W konstrukcjach klasycznych cyklonów strumień aerozolu wprowadzany jest stycznie do cylindrycznej części aparatu, w innych rozwiązaniach ruch wirowy następuje wskutek przepływu strumienia aerozolu przez nieruchomy wirnik, którego łopatki mają zarys linii śrubowej lub w wyniku wirowania wirnika (rys.2.). W cyklonach klasycznych z rewersyjnym przepływem gazu, gaz wpływa stycznie do części cylindrycznej, a następnie spiralnie spływa w dół do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny. Poruszając się dalej ruchem wirowym opuszcza cyklon centralnie umieszczoną rurką odlotową. Odpylacze odśrodkowe z wirnikiem mają ograniczone zastosowanie ze względu na małą sprawność oraz szybkie zużywanie się łopatek w wyniku erozji, szybką utratę stabilności dynamicznej i wiele innych niedogodności. c) Odpylacz filtracyjny Najczęściej stosowane są odpylacze filtracyjne, czyli inaczej zwane filtry. Cząstki aerozolowe wydzielane są w warstwie pyłu. Warstwa filtracyjna tworzy się na cząstkach 5

6 uprzednio wydzielonych w przegrodzie filtracyjnej, porowatej. Filtry należą do grupy odpylaczy wysoko-sprawnych, stosowanych do usuwania z gazów cząstek mniejszych od 10μm. Wyróżnia się: 1. Filtry tkaninowe workowe, kopertowe, ramowe z tkanin tkanych lub filcowanych; należą do najdroższych metod odpylania gazu a zarazem wymagają dużych powierzchni, jednak ich niemal 100% skuteczność rekompensuje te niedogodności; 2. Filtry włókniste wykonywane w postaci mat lub siatek zestawionych w pakiety; 3. Filtry warstwowe stanowiące luźne lub zwarte warstwy materiałów w postaci ziaren, granul lub porowatych kształtek ceramicznych, metalowych i innych. d) Elektrofiltry Za usuwanie pyłu z gazu technologicznego poprzez wykorzystanie siły elektrostatycznej działającej na cząstki tego pyłu odpowiedzialne są elektrofiltry (rys.3.). Cząstki pyłu niesione przez gaz są z natury elektrycznie obojętne i aby proces oczyszczania mógł zachodzić muszą zostać naelektryzowane. Ładunek elektryczny jest nadawany ziarnom pyłu poprzez wykorzystanie ulotu, tj. opuszczania elektrody przez ładunek elektryczny wskutek wyładowania elektrycznego w niejednorodnym silnym polu elektrycznym, z zastosowaniem napięć rzędu dziesiątek kv. Ziarna pyłu uzyskują ładunek elektryczny od zjonizowanych przez ulot cząsteczek gazu. Obdarzone ładunkiem elektrycznym wędrują (migrują) do elektrody o ładunku przeciwnym, na której się osadzają elektrody osadczej bądź zbiorczej. Na elektrodzie cząstki rozładowują się elektrycznie, następnie są cyklicznie z niej usuwane (strącone lub spłukane). Siła elektrostatyczna zależy od ładunku ziarna pyłu, zaś ładunek możliwy do zgromadzenia na ziarnie zależy m.in. od rozmiaru ziarna. 6

7 Rys.3. Elektrofiltry. Źródło: [3] Elektrofiltry używane są do odpylania strumieni gazów w energetyce, gdzie muszą spełniać wysokie wymaganie odnośnie stopnia odpylania (powyżej 99,8%). Mimo znanych zalet, elektrofiltry wykazują dużą emisję pyłu lotnego podczas ich uruchamiania i wyłączania z ruchu. Nie mają tej wady filtry tkaninowe, stąd stanowią one obecnie silną konkurencję dla elektrolitów. e) Odpylacze mokre W odpylaczach mokrych wydzielanie cząstek aerozolowych odbywa się: na kroplach cieczy poruszających się w strumieniu aerozolu; na warstewkach cieczy spływającej lub przepływającej przez powierzchnie stałe; z pęcherzyków gazu poruszających się w cieczy; ze strumieni aerozolu zderzających się w środowisku strug lub kropel cieczy; ze strumieni aerozolu uderzających o ciekłą lub zwilżoną powierzchnię stałą. Odpylacze mokre zapewniają dobrą sprawność odpylania dla cząstek powyżej 1μm wydzielanych na kroplach i włóknach (cylindrach) oraz dla cząstek powyżej 5μm wydzielanych w skruberach odśrodkowych i zderzeniowych. W zależności od energii doprowadzonej do procesu odpylania wyróżnia się odpylacze nisko-, średnio- i wysokoenergetyczne. Do zalet odpylaczy mokrych należą: możliwość jednoczesnego usuwania cząstek aerozolowych i zanieczyszczeń gazowych; zmniejszenie niebezpieczeństwa pożaru i wybuchu; zawartość izolacji odpylania i stosunkowo niski koszt; schłodzenie i nawilżenie gazu; wyeliminowanie wtórnej emisji pyłu i możliwość przetłaczania produktu odpylania pompami; sprawność odpylania niezależna w dużym stopniu od skali odpylacza; możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły przy stałym spadku ciśnienia gazu. 7

8 Wśród mechanicznych odpylaczy mokrych można wyróżnić płuczki wieżowe, cyklony mokre, płuczki obrotowe, czy odpylacze ze zwężką Venturiego. Zasada ich działania polega na wykorzystaniu zjawisk występujących przy zetknięciu się zapylonego gazu z cieczą płuczącą, takich jak: a) zjawisk kondensacji pary wodnej; b) dyfuzji; c) zderzenia się kropel cieczy z ziarnami pyłu; d) zjawisk elektrostatycznych; e) rozdrobnieniu gazu; f) osadzania się pyłu. Proces odpylania mokrego został przedstawiony na schemacie 2. Schemat 2.: Instalacja odpylania mokrego; 1-chłodnica, 2-skruber, odpylacz, 3-separator, 4-podgrzewacz, 5-wentylator, 6-komin, 7-odstojnik, 8-filtr, 9-pompa cyrkulacyjna, 10-pompa zasilająca, 11-pompa szlamowa. Źródło: [2] 3. Rozdział mieszanin gaz-ciecz Do tego typu oczyszczania stosowane są separatory i odkraplacze. W separatorach ze strumienia gazu wydzielane są strugi i dużych rozmiarów krople. Odkraplanie natomiast związane jest z usuwaniem ze strumienia gazu kropel o średnicach od dużych do bardzo małych, stanowiących mgłę wydzielaną w odemgla czach (demisterach). Wydzielanie kropel, odkraplanie gazów może być prowadzone w klasycznych odpylaczach, tj. komorach osadczych, cyklonach, skrubach, czy elektrofiltrach. 8

9 Wyróżnia się: odkraplacze grawitacyjne pracujące na zasadzie zmniejszenia prędkości gazu i osadzenia grawitacyjnego kropel; separatory pionowe gdzie powierzchnię separacji kropel gazu stanowi powierzchnia przekroju poprzecznego zbiornika, separatora (rys.4.); separatory poziome (rys.5.); odkraplacze odśrodkowe (rys.6.); odkraplacze inercyjno-zderzeniowe; odkraplacze siatkowe wykonywane najczęściej z siatek plecionych lub tkanych z drutu; odkraplacze włókniste stosowane, gdy istnieje konieczność odemglania gazu, tj. wydzielania bardzo małych kropel, zwykle <2μm. Rys.4. Separator pionowy z pakietem odkraplającym, siatkowym. Źródło:[2] Rys.5. Separator (odkraplacz) poziomy. Źródło:[2] Rys.6. Separator (odkraplacz) odśrodkowy. Źródło: [2] 9

10 4. Oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń gazowych Do usuwania zanieczyszczeń gazowych ze strumieni gazów stosowane są procesy: absorpcyjne, spalania, kondensacyjne i biochemiczne bądź ich kombinacje z udziałem innych procesów wspomagających. Wybór metody i technologii oczyszczania gazu zależy od rodzaju zanieczyszczeń i ich charakterystyki, wielkości strumienia gazu, wymaganej sprawności oczyszczania i warunków lokalnych. a) Metody absorpcyjne Absorpcja jest procesem dyfuzyjnego przenoszenia cząsteczek gazu do cieczy na skutek istnienia w układzie gradientu stężenia dyfundujących składników. Do tego procesu wykorzystuje się absorbery natryskowe, półkowe oraz absorbery z wypełnieniem w postaci różnego kształtu elementów wsypywanych luźno lub układanych, jak i z wypełnieniem regularnym bądź tzw. ruchomym. b) Spalanie termiczne i katalityczne Spalanie jest metodą kontrolowanej destrukcji, unieszkodliwiania zanieczyszczeń. W przypadku usuwania zanieczyszczeń gazowych, węglowodorów, destrukcja prowadzi do CO 2 i pary wodnej z wydzieleniem ciepła. Zasadniczy wpływ na przebieg procesów spalania posiadają trzy parametry: temperatura, czas przebywania i burzliwość w strefie spalania. Substancje palne w zanieczyszczonym gazie stanowić mogą gazy, krople mgły lub cząstki stałe. Problemem jest niecałkowite spalanie i niedopuszczenie do emisji półproduktów spalania, które są o wiele bardziej niebezpieczne niż zanieczyszczenia wyjściowe. Spalanie termiczne jest procesem bardzo energochłonnym i kosztownym. Przeprowadza się je w temperaturach ºC. Należy kontrolować temperaturę spalania, ponieważ, w czasie wysokotemperaturowego spalania powyżej 1400ºC powstają tlenki azotu na skutek spalania azotu z powietrza, powodujące wtórne zanieczyszczenie atmosfery. W przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym stosuje się spalanie odlotowych gazów palnych samych lub z dodatkiem paliwa gazowego. Spalanie takie odbywa się w pochodniach, które są charakterystyczne dla tych zakładów. 10

11 W przypadku niskich stężeń węglowodorów w gazach odlotowych stosuje się spalanie katalityczne. Katalizą nazywa się zjawisko zmiany szybkości reakcji chemicznych w wyniku oddziaływania na reagenty substancji zwanych katalizatorami, które to zwiększają szybkość osiągnięcia stanu równowagi reakcji chemicznej, poprzez obniżenie jej energii aktywacji. W procesie spalania katalitycznego strumień gazu przepuszcza się przez ziarno katalizatora w podwyższonej temperaturze. Katalityczne spalanie węglowodorów przebiega w temperaturach znacznie niższych niż spalanie termiczne (ok. 400ºC). Katalitycznie nie mogą być spalane gazy zanieczyszczone cząstkami aerozolowymi. c) Kondensacja Jest to metoda usuwania z gazów odlotowych substancji o wysokich temperaturach wrzenia przez chłodzenie wodą lub powietrzem w wymiennikach ciepła. Jest to technika separacji, w której najbardziej lotny składnik mieszaniny gazowej jest wydzielany na skutek zwiększenia prężności i przejścia do stanu nasycenia oraz zmiany stanu fazowego na ciekły. W przypadku lotnych rozpuszczalników znajduje ona zastosowanie, gdy nie jest wymagane bardzo dokładne oczyszczanie gazu do stężeń kilku ppm. Konieczność wymrażania gazu w końcowym etapie oczyszczania tą metodą ogranicza jej zastosowanie. Metoda ta nie nadaje się do oczyszczania gazów emitowanych do atmosfery. 5. Oczyszczanie biologiczne Stosowane jest jako metoda alternatywna do poprzednich, gdy stężenie zanieczyszczeń w strumieniu powietrza jest małe, zanieczyszczenia są łatwo biodegradowalne i strumień gazu jest w miarę stabilny. Proces oczyszczania biologicznego zachodzi w trzech głównych etapach (schemat 3.): 1. Ujęcie gazów odlotowych ze źródła emisji, ich transport rurociągiem, zwykle ssącym, przez odpylacz wstępny filtracyjny do wentylatora (sprężarki); 2. Kontrola temperatury strumienia i jego podgrzanie lub schłodzenie, przez skierowaniem do nawilżania w komorze lub skruberze natryskowym; 3. Podanie strumienia gazu i równomierne jego rozpraszanie na przekroju bioreaktora. 11

12 Schemat 3.: Instalacja oczyszczania biologicznego gazów odlotowych: 1-skruber, 2-biofiltr, 3-warstwa bioaktywna. Źródło: [2] 6. Odsiarczanie Jest to proces związany z przetwarzaniem surowców palnych, organicznych i mineralnych, takich jak: węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, drewno, torf. W gazie ziemnym siarka występuje w postaci zredukowanej jako siarkowodór (H 2 S), a także w innych związkach, które usuwane są w procesach oczyszczania i rafinacji przed skierowaniem ropy i gazu do dalszego przerobu. Wyróżnia się dwie zasadnicze kategorie procesów oczyszczania gazów procesowych związanych z gazownictwem: jednoczesne usuwanie H 2 S i CO 2 łącznie z innymi związkami siarki; selektywne usuwanie tylko H 2 S z pozostałymi związkami siarki. 7. Usuwanie tlenków azotu Spalanie paliw kopalnych, w skali globalnej jest największym źródłem emisji tlenków azotu. Istnieją dwie zasadnicze metody ograniczenia emisji NO x e procesach spalania: modyfikacja procesu spalania dla zapobieżenia powstaniu NO x ; oczyszczanie spalin odlotowych metodami chemicznymi redukcji NO x do N 2. Wymienione metody mogą być stosowane oddzielnie lub łącznie. Przy usuwaniu NO x z małych źródeł emisji stosowane są metody absorpcyjne w roztworach NaOH, KMnO 4 i in. Tzw. wtórne metody oczyszczające gazy odlotowe z tlenków azotu dzieli się na metody mokre i suche. Metody mokre, w porównaniu z suchymi, mają tę zaletę, że pozwalają usuwać nie tylko NO x, ale także pyły zawarte w oczyszczanych gazach. Wiele metod usuwania 12

13 tlenków azotu z gazów opartych jest na utlenianiu NO, ewentualnym utlenianiu NO 2 i absorpcji NO 2 w wodzie, czy innych środkach chemicznych wymienionych wcześniej. Skuteczność metod suchych usuwania tlenków azotu z gazów jest wysoka, gdyż niektóre z nich pozwalają obniżyć emisję tlenków azotu do atmosfery o 90%, a nawet więcej, ale są one kosztowne od metod grupy pierwszej. 13

14 8. Literatura: [1] Technologie Ochrony Środowiska, Oczyszczanie Gazów, Tomasz Śnieżek, Wydział Biologii i Nauk o Środowisku, Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie. [2] Procesy Oczyszczania Gazów, Problemy Projektowo-obliczeniowe, Jerzy Warych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999r. [3] Compte-fortech.pl (n.d.) Odprowadzanie popiołów i sadzy za pomocą elektrofiltru - Compte For-Tech. [online] Available at: traitement3.html [Accessed: 7 Dec 2012]. [4] Utylizacja I Neutralizacja Odpadów Przemysłowych, Katalityczne Oczyszczanie Gazów Odlotowych z Tlenków Azotu, Jadwiga Skupińska, Uniwersytet Warszawski, Zakład Dydaktyczny Technologii Chemicznej. [5] Oczyszczanie Gazów, Procesy I Aparatura, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988 r. 14