OCZYSZCZANIE GAZÓW Z DROBNYCH CZĄSTEK PRZY UŻYCIU NAŁADOWANYCH KROPLI. tel ext. 292, fax , mala@imp.gda.

Transkrypt

1 VI Sympozjum "Emisje Zagrazajace Srodowisku" POL-EMIS 22, Kudowa Zdroj, 2-5 czerwca 22, 9-98 OCZYSZCZANIE GAZÓW Z DROBNYCH CZĄSTEK PRZY UŻYCIU NAŁADOWANYCH KROPLI M. LACKOWSKI, W. BALACHANDRAN 2, A. KRUPA, J. KULON 2, A. JAWOREK Instytut Maszyn Przepływowych, Polska Akademia Nauka, Fiszera, Gdańsk tel ext. 292, fax. 5836, mala@imp.gda.pl 2 Department of System Engineering, Brunel University, Uxbrigde, Middlesex, UK UB8 3PH STRESZCZENIE Usuwanie cząstek o średnicy mniejszej od kilku mikrometrów jest problemem występującym w nowoczesnych systemach klimatyzacyjnych i w urządzeniach oczyszczających gazy odlotowe. Jedną z metod usuwania mikrocząstek jest przepłukiwanie zapylonego gazu za pomocą naładowanych elektrycznie kropli cieczy. W referacie przedstawiono porównawcze wyniki pomiarów skuteczności odpylania mikrocząstek przy użyciu naładowanych kropli cieczy oraz kropli pozbawionych ładunku. Badania wykonano używając dymu papierosowego o średnicy cząstek około µm. Gaz oczyszczano za pomocą kropli wody o średnicy około 3µm i ładunku właściwym mc/kg. Przeprowadzone badania eksperymentalne pokazały, że naładowanie rozpylanych kropel cieczy i cząstek dymu zwiększa skuteczność usuwania cząstek submikronowym około 3- krotnie w stosunku do metod wykorzystujących nienaładowane krople cieczy..wstęp Usuwanie z gazów drobnych cząstek zanieczyszczeń o średnicach mniejszych od paru mikrometrów stanowi ciągle poważny problem techniczny. Skuteczność konwencjonalnych, urządzeń oczyszczających, do których zalicza się skrubery inercyjne, filtry workowe i elektrofiltry maleje wraz ze zmniejszaniem się wymiarów cząstek []. Alternatywnym rozwiązaniem są skrubery elektrostatyczne, które umożliwiają skuteczne oczyszczanie gazów z cząstek submikronowych [2-8]. Działanie skruberów elektrostatycznych polega na wykorzystaniu siły Coulomba działającej pomiędzy kroplą cieczy a cząstkami pyłu naładowanymi elektrycznie. W skruberze elektrostatycznym będącym przedmiotem badań przedstawionym w tej pracy, cząstki pyłu naładowane ładunkiem ujemnym są osadzane na dodatnio naładowanych kroplach wody. W pracy przedstawiono porównawcze wyniki pomiarów skuteczności odpylania mikrocząstek przy użyciu naładowanych kropli cieczy oraz kropli pozbawionych ładunku. 2.Badania eksperymentalne Badania eksperymentalne usuwania drobnych cząstek zanieczyszczeń za pomocą naładowanych kropli cieczy prowadzono w komorze o wymiarach podstawy.8m.8m i wysokości 2m przedstawionej schematycznie na rys..

2 Rys.. Schemat stanowiska badawczego. W badaniach użyto dymu papierosowego wytwarzanego za pomocą automatycznego palacza składającego się z teflonowej podstawy, w której umieszczano papierosy, pojemnika szklanego i sprężarki dostarczającej powietrza pod niewielkim ciśnieniem. Dym był wdmuchiwany do komory, a następnie równomiernie rozprowadzany za pomocą wentylatora umieszczonego w pobliżu sufitu. Cząstki dymu były ładowane w wyładowaniu koronowym z elektrody igłowej o średnicy mm, zaostrzonej na końcu (rys.2). Igła umieszczona była równolegle do kierunku przepływu dymu. Rys.2. Widok ogólny elektryzatora.

3 Krople cieczy wytwarzane były za pomocą rozpylacza rotacyjnego z wirującą metalową porowatą głowicą produkcji Newland Electric Atomizer. Widok ogólny rozpylacza przedstawiono na rys.3. Krople wody ładowane były metodą indukcyjną. Pole elektryczne indukujące ładunek na kroplach wytwarzane było pomiędzy indukcyjną elektrodą pierścieniową umieszczoną wokół górnej krawędzi głowicy, znajdującą się na potencjale 8kV a uziemioną głowica rozpylacza. Dodatkowa elektroda znajdująca się na potencjale +3kV umieszczona wokół rozpylacza tworzy zwierciadło elektrostatyczne odpychające naładowane dodatnio krople od elektrody indukcyjnej i kierujące je w głąb komory. Rys.3. Widok ogólny układu rozpylającego. W celu zmniejszenia napięcia powierzchniowego do wody dodawano,% niejonowego środka powierzchniowo czynnego firmy Crop Control Product Ltd. Zmniejszenie napięcia powierzchniowego umożliwia zwilżenie cząstek dymu składającego się w znacznej części ze składników smołowych i trwałe osadzanie ich na kroplach cieczy. Natężenie przepływu wody wynosiło l/h. Rozkład wielkości cząstek dymu i kropel cieczy był mierzony za pomocą Malvern Mastersizer S. Średnica Sautera cząstek dymu D 3,2 była równa w przybliżeniu µm (rys.). Średnica Sautera kropel cieczy D 3,2 była równa 87 µm, a najbardziej prawdopodobna średnica wynosiła 3µm. Różnica pomiędzy średnicą Sautera a średnicą najbardziej prawdopodobną spowodowana była dużą liczbą małych kropli o wielkościach w zakresie 2- µm. Dla kropli naładowanych średnica Sautera kropli D 3,2 była równa 3µm, a najbardziej prawdopodobna średnica wynosiła około 37 µm.

4 8 7 6 objętość [%] średnica cząstek [µm] Rys.. Gęstość rozkładu objętościowego wielkości cząstek dymu. Rozbieżności w rozkładach wielkości kropel dla strugi naładowanej i nienaładowanej spowodowane są przez to, że naładowane małe krople są przyciągane do uziemionych elementów komory i nie wchodzą do obszaru pomiarowego miernika wielkości. Ładunek właściwy naładowanych kropli oszacowany został z natężenia całkowitego prądu niesionego przez krople oraz z rozkładu widmowego ich wielkości i wynosił około mc/kg. Gęstość masowa cząstek dymu w komorze mierzona była za pomocą czterokanałowego systemu optycznego mierzącego ekstynkcję światła. Sondy pomiarowe rozmieszczono w komorze na poziomie 3, 57,, nad podłogą, w sposób przedstawiony na rys.. System pomiarowy cechowano za pomocą miernika koncentracji cząstek Airborne Particle Monitor AMS95 firmy CASELLA Ltd. Zmiany gęstości masowej dymu można wyznaczyć z pomiaru współczynnika pochłaniania światła. Natężenie światła po przejściu przez ośrodek pochłaniający lub rozpraszający światło wynosi: I=I exp(-kx) () gdzie: I jest natężeniem światła emitowanym ze źródła, k jest współczynnikiem ekstynkcji zawierającym wpływ takich zjawisk jak absorpcja, rozpraszanie oraz odbicie światła, x jest odległością pomiędzy źródłem światła a detektorem. Dla czystego powietrza natężenie światła po przejściu przez ośrodek jest bliskie I, dlatego ekstynkcję światła możemy przedstawić jako relację: E=I -I (2) Pomiar ekstynkcji światła umożliwia pomiar gęstości masowej cząstek dymu po przeskalowaniu całego systemu pomiarowego z użyciem wzorcowego przyrządu. Średnia gęstość masowa cząstek dymu w komorze po wypaleniu 3 papierosów zmieniała się od 6-2 mg/m 3. Przykładowy wykres czasowych zmian gęstości masowej cząstek dymu w komorze przedstawiono na rys.5 dla nienaładownych (a) i naładowanych (b) kropli cieczy. Pojedynczy cyklu pomiarowy składa się z czterech faz. W pierwszej fazie następuje wypełnienie komory dymem papierosowym wytworzonym po wypaleniu trzech papierosów.

5 a) b) gęstość masowa cząstek dymu [mg/m 3 ] generacji dymu Oczyszczanie za pomocą nienaładowanych kropli wyrównywania koncentracji rozpylania 2s czas [s] cm zaniku koncentracji cząstek gęstość masowa cząstek dymu [mg/m 3 ] generacji dymu Oczyszczanie za pomocą naładowanych kropli wyrównywania koncentracji rozpylania 2s czas [s] zaniku koncentracji dymu cm Rys.5. Wykres czasowych zmian gęstości masowej cząstek dymu dla nienaładowanych (a) i naładowanych (b) kropli wody dla czasu rozpylania 2s. W drugiej fazie dym rozprowadzany był równomiernie po całej komorze za pomocą wentylatora. Po wyrównaniu koncentracji cząstek dymu w komorze włączano rozpylacz generujący krople cieczy. Podczas fazy rozpylania rejestrowana jest zwiększona gęstość masowa cząstek spowodowana przesłanianiem wiązek światła przez krople cieczy. W czwartej fazie cyklu pomiarowego następuje stopniowy zanik gęstości masowej cząstek dymu i kropli cieczy. Względne zmiany koncentracji cząstek dymu w zależności od czasu rozpylania cieczy przedstawiono na rys.6.

6 a) względna koncentracja cząstek nienaładowane cząstki nienaładowane krople czas rozpylania [s] b) względna koncentracja cząstek nienaładowane cząstki naładowane krople czas rozpylania [s] c) względna koncentracja cząstek naładowane cząstki naładowane krople czas rozpylania [s] Rys.6. Zależności zmian względnej koncentracji cząstek dymu od czasu rozpylania kropli cieczy: a)cząstki dymu nienaładowane, krople wody nienaładowane b)cząstki dymu nienaładowane, krople wody naładowane c)cząstki dymu naładowane, krople wody naładowane.

7 Względną koncentrację cząstek dymu wyznaczono jako stosunek gęstości masowej cząstek dymu po upływie s od zakończenia rozpylania do początkowej gęstości masowej cząstek wyznaczonej w chwili przed uruchomieniem rozpylacza. Czas s potrzebny do określenia końcowej gęstości masowej cząstek dymu po zakończeniu rozpylania był konieczny, aby wyeliminować wpływ na wynik pomiarów małych kropli, które przez długi czas unoszą się w komorze. 3.Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że oczyszczanie powietrza z drobnych cząstek za pomocą naładowanych kropli wody jest bardziej skuteczne niż za pomocą kropli nienaładowanych. Wydłużenie czasu rozpylania, czyli zwiększenie ilości rozpylanej cieczy, umożliwia bardziej skuteczne oczyszczanie gazu. Na podstawie wyników pomiarów względnej koncentracji cząstek dymu od czasu rozpylania kropli wody przedstawionych na rys.6 można stwierdzić, że skruberowanie za pomocą naładowanych kropli cieczy powoduje ponad dwukrotny wzrost skuteczności odpylania. W przypadku zastosowania naelektryzowanych kropli cieczy do usuwania cząstek dymu naładowanego ładunkiem przeciwnego znaku skuteczność oczyszczania gazu wzrosła ponad czterokrotnie. Podziękowania: Praca powstała w ramach projektu badawczego KBN /T/2/8. Współpraca naukowa finansowana była przez British Council i KBN na podstawie umowy British - Polish Research Partnership Programme WAR 3/222. Literatura. Warych J. Oczyszczanie przemysłowych gazów odlotowych. WNT Warszawa Penney G. Electrified liquid spray dust-precipitators. US Patent , Sept 5, 9 3. Kraemer H.F., Johnstone H.F., Collection of Aerosol Particles in Presence of Electrostatic Fields. Ind. Eng. Chem. 7 (955) No 2, Jaworek A., Adamiak K., Krupa A., Castle P., Studies of Aerosol Deposition on a Charge Spherical Collector. Electrostatics 99, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 63, 999, Adamiak K., Jaworek A., Krupa A., Deposition Efficiency of Dust Particles on Water Droplets in Electrostatic Scrubbers. IEEE Ind. Appl. Soc. Annual Meeting, St. Louis, 2-5 Oct. 998, Jaworek A., Krupa A., Adamiak K., Submicron Charged Dust Particle Interception by Charged Drops. IEEE Trans. Ind. Appl. 3 (988), No.5, Metzler P., Weiß P., Büttner H., Ebert F., Electrostatic enhancement of the dust separation in a nozzle scrubber. J. Electrostatics 2 (997). No Schmidt M., Löffler F., Investigations of Fine Particle Separation using an Electrostatuc Nozzle Scrubber. J. Aerosol Aci. 23 (992), Suppl., 775-7