POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA ENERGETYKI I APARATURY RZEMYSŁOWEJ Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie Monika Piotrowska IMM Gdańsk, 2013

2 Spis treści 1. Zanieczyszczenia powietrza Skład powietrza Zanieczyszczenia powietrza Metody usuwania zanieczyszczeń powietrza Metody usuwania zanieczyszczeń pyłowych Cyklony Filtry mokre Filtry elektrostatyczne Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych Metody adsorpcyjne Metody absorpcyjne Metody katalityczne Metody spalania Metody kondensacyjne Literatura

3 1. Zanieczyszczenia powietrza Zanieczyszczeniami powietrza nazywamy wszelkie substancje (gazy, ciecze, ciała stałe), które znajdują się w powietrzu atmosferycznym, ale nie są jego naturalnymi składnikami. Do zanieczyszczeń powietrza zalicza się również substancje będące jego naturalnymi składnikami, ale występujące w znacznie zwiększonych ilościach. 1.1.Skład powietrza Powietrze jest mieszaniną gazów i aerozoli składających się na atmosferę ziemską, charakteryzuje się następującymi właściwościami fizycznymi: bezbarwny (skroplone powietrze ma kolor bladoniebieski), nie posiada smaku, słabo rozpuszczalne w wodzie. gęstość powietrza zależy od ciśnienia, temperatury oraz składu np. dla suchego powietrza, przy ciśnieniu atmosferycznym, na poziomie morza, w temperaturze 20 C wynosi 1,2 kg/m³, temperatura topnienia zestalonego powietrza wynosi około 213 C, temperatura wrzenia zestalonego powietrza wynosi około 191 C. Procentowy skład powietrza atmosferycznego przedstawia przedstawiona poniżej Tabela 1. Składnik Zawartość procentowa [%] azot 78,084 tlen 20,946 argon 0,934 dwutlenek węgla 0,036 neon 0,00181 hel 0,00052 metan 0,00017 krypton 0,00011 wodór 0,00005 ksenon 0, Tabela 1. Procentowy skład powietrza atmosferycznego. 3

4 Pewną zmienność wykazuje zawartość dwutlenku węgla w powietrzu ze względu na zatruwającą działalność antropogeniczną, związaną z nadmierną emisją dwutlenku węgla do atmosfery w wyniku zwiększonego ruchu drogowego, nieprawidłowej utylizacji odpadów i innych. Dodatkowo należy uwzględnić zawartość pary wodnej w powietrzu. Jej zawartość silnie się waha, przy powierzchni szacowana jest w granicach 0,5% 4,0%.. Wpływa na to przede wszystkim temperatura, nasłonecznienie, wysokość nad powierzchnią ziemi, czas. Do oceny stopnia wilgotności powietrza stosuje się dwie wielkości: wilgotność bezwzględną, określającą ilość wody w gramach, zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze (zwykle są to warunki normalne fizyczne lub techniczne); wilgotność względną, określającą stosunek ilości pary wodnej zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym ciśnieniu i temperaturze, do ilości pary wodnej nasyconej w tej samej temperaturze i ciśnieniu powietrza. Stosunek ten podaje się w procentach lub w postaci ułamka. Do składników zmiennych zalicza się: podtlenek azotu 0,3 ppm ozon zmiennie do 0,07 ppm dwutlenek siarki silnie zmienny, zależny od zanieczyszczeń przemysłowych. Ich zawartość w powietrzu jest zmienna i zależy od położenia geograficznego, rozwoju przemysłu (głownie ciężkiego), pory roku i innych sytuacji występujących w środowisku naturalnym (np. erupcji wulkanu). Zawiesinami są: składniki mineralne: pył, sadza; składniki organiczne: drobnoustroje, zarodniki roślin; suche powietrze ma średnią masę molową 28,84 g/mol. 4

5 1.2. Zanieczyszczenia powietrza Zanieczyszczenia powietrza można podzielić na pyłowe i gazowe: Gazowe: tlenki węgla (CO, CO2), siarki (SO2, SO3) i azotu (NOx), fluor (F), ozon (O3), radon (Rn), amoniak (NH3), węglowodory i ich pochodne chlorowe, fenole. Stałe: popioły, pyły, związki metali ciężkich, sadze, stałe związki organiczne, azbest, pestycydy. Źródła zanieczyszczeń powietrza dzielimy ze względu na pochodzenie na dwie grupy: pochodzenia naturalnego oraz antropogenicznego. Do momentu gwałtownego rozwoju przemysłowego praktycznie wszystkie zanieczyszczenia powietrza były pochodzenia naturalnego. Powstawały one m.in. w wyniku wybuchów wulkanów, pożarów lasów i stepów, sawann i stepów, wydzielania gazów przez tereny bagniste, parowania słonych wód mórz i oceanów, erozji skał i gleb, burz piaskowych na pustyniach, wytwarzania pyłków przez rośliny zielone, opadania pyłu kosmicznego. Jednak mniej więcej od połowy XVIII w. (rewolucja przemysłowa) znacznie wzrosło znaczenie zanieczyszczeń antropogenicznych (powstałych na skutek działalności człowieka). Antropogenicznymi źródłami zanieczyszczenia powietrza są m.in.: chemiczna konwersja paliw, wydobycie i transport surowców, przemysł chemiczny, rafineryjny i metalurgiczny, cementownie, składowiska surowców i odpadów, motoryzacja, spalanie węgla w gospodarstwach domowych. 5

6 Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie 2. Metody usuwania zanieczyszczeń powietrza 2.1. Metody usuwania zanieczyszczeń pyłowych Metody usuwania zanieczyszczeń pyłowych dzielą się na suche i mokre. Najczęściej spotykanymi urządzeniami do oczyszczania powietrza są: cyklony, filtry mokre (scrubbery) i filtry elektrostatyczne Cyklony Cyklony są urządzeniami działającymi na sucho, na zasadzie siły odśrodkowej, przy prędkościach w cyklonie m/s ; sprawność odpylania w cyklonach zwykłych może wynosić do 70% a dla drobnych pyłów nie przekracza 50%. Cyklony wielokrotne, które składają się z szeregu małych cyklonów w skutek zwiększenia prędkości przepływu powietrza osiągają sprawność do 90%. Rys. 1. Schemat działania cyklonu: a) zwykłego, b) wielokrotnego. 6

7 Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie Filtry mokre (scrubbery) Filtry mokre, potocznie nazywane płuczkami, łączą w sobie działanie sił odśrodkowych i filtrów tkaninowych. Zanieczyszczenia są wypłukiwane z filtrów w postaci szlamu. Sprawność urządzenia wynosi ok %. Skruber składa się z odpowiednio wypełnionej pionowej kolumny (zbiornika) przez który przeprowadza się gaz, celem usunięcia z niego zbędnych zanieczyszczeń. W zależności od rodzaju skrubera może być on dodatkowo spryskiwany wodą. Jednak ze względu na zużycie energii i wody są obecnie rzadko stosowane. Rys. 2. Schemat działania filtrów mokrych. a) Skruber fluidyzacyjny: 1 - półka oporowo-rozdzielająca, 2 - wypełnienie, 3 - półka zatrzymująca, 4 - kolektor zraszający, 5 - odkraplacz; b) Skruber z wypełnieniem ruchomym z zasilaniem współprądowym skierowanym do góry: 1 - dystrybutor cieczy, 2 - półka sitkowa, 3 - wypełnienie ruchome, 4 - półka zatrzymująca, 5 - czasza kulista, 6 - odkraplacz wirowy Filtry elektrostatyczne (elektrofiltry) Filtry elektrostatyczne posiadają bardzo dużą sprawność rzędu 99%, ale są kosztowne i nadają się do stosowania w dużych ciepłowniach. Urządzenie to poprawiają jakość powietrza w wyniku usunięcia zanieczyszczeń, np. dymu, kurzu, roztoczy. Zasada działania polega na wykorzystaniu zjawiska jonizacji i wpływu pola elektrostatycznego na jony dodatnie i ujemne. Pod wpływem wysokiego napięcia przepływające cząstki (np. kurzu) 7

8 zyskują ładunek dodatni i na skutek silnego pola elektrostatycznego zostają przyciągnięte do przeciwnie naładowanych okładek kondensatora. Rys. 3. Zasada działania filtrów elektrostatycznych Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych dzieli się na adsorpcyjne, absorpcyjne, katalityczne i spalanie, kondensacyjne Metody adsorpcyjne Adsorpcją nazywamy proces wiązania składnika (adsorbatu) z płynu (mieszaniny gazowej lub ciekłej) na powierzchni porowatego ciała stałego (adsorbenta). Adsorberem nazywamy aparat do prowadzenia procesu adsorpcji. Występują dwa podstawowe typy adsorpcji: fizyczna i chemiczna (chemisorpcja). Stosowany jest węgiel aktywny oraz silikażel. W przypadku adsorpcji fizycznej występują siły van der Waalsa (siły międzycząsteczkowe, które ujawniają się dopiero wtedy gdy cząsteczki znajdują się w odpowiedniej odległości rzędu kilku nm). Proces ten zachodzi z dużą prędkością w dowolnym miejscu powierzchni adsorbentu przy niskiej temperaturze, ponadto cząsteczka adsorbatu nie zmienia się pod względem chemicznym. Jest to proces odwracalny, a grubość warstw adsorpcyjnych, w określonych warunkach ciśnienia i temperatury, odpowiada kilku średnicom cząsteczek adsorbatu. 8

9 Chemisorpcja jest procesem prowadzącym do wytworzenia wiązania chemicznego między ciałem stałym a adsorbowaną cząsteczką, która zmienia się pod względem chemicznym. Do przebiegu tego zjawiska konieczne jest doprowadzenie odpowiedniej energii, zwanej energią aktywacji, która zapoczątkowała by powstanie danego wiązania. Adsorpcja chemiczna jest procesem nieodwracalnym a jej szybkość rośnie wraz ze wzrostem temperatury, przy czym wartość tej prędkości jest znacznie mniejsza porównując do adsorpcji fizycznej. Zastosowanie metod adsorpcyjnych: Oczyszczanie gazów odlotowych. Usuwanie CO2 z powietrza Metody absorpcyjne Absorpcja jest to proces pochłaniania gazu przez absorbent (ciecz, substancję pochłaniającą) zachodzący w całej jego objętości. Absorbatem nazywamy składnik gazowy, który jest usuwany w drodze absorpcji. Natomiast absorberem jest aparat do przeprowadzenia procesu absorpcji. Absorbery konstrukcyjnie przypominają odpylacze mokre. Rozróżnia się absorbery powierzchniowe oraz błonkowe. Absorbery powierzchniowe - charakterystyczną cechą tego aparatu jest ograniczenie międzyfazowej ciecz/gaz tylko do powierzchni swobodnej cieczy. Przepływ cieczy i gazu powinien być przeciwprądowy. Absorbery błonkowe, w których ciecz spływa cienką warstwą po wewnętrznej powierzchni rury lub po szeregu pionowych płyt lub kaskad o rozwiniętej powierzchni umieszczonych w komorze. Zastosowanie metod absorpcyjnych: Odsiarczanie spalin (usuwanie SOx); Usuwanie tlenków azotu ze spalin i przemysłowych gazów odlotowych; Jednoczesne usuwanie NOx i SOx z gazów spalinowych; Absorpcja gazów przemysłowych (HF,HCl,Cl2,NH3); Dezodoryzacja gazów odlotowych. 9

10 Metody katalityczne Metody katalitycznego utleniania i redukcji wykorzystują zjawisko katalitycznego przyspieszania reakcji chemicznych. Jako katalizatory stosowane są niektóre metale, półprzewodniki oraz niektóre sole. Metody te stosuje się do usuwania tlenków węgla i azotu, formaldehydu i siarki w związkach organicznych Metody spalania Spalanie jest jedną z najczęściej stosowanych metod do usuwania z gazów odlotowych bardzo niebezpiecznych dla środowiska m. in. węglowodorów, często o przykrym zapachu par rozpuszczalników oraz substancji toksycznych H 2 S, HCN, CO. Spaleniu mogą również podlegać organiczne cząstki stałe, dymy, mgły i krople. 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. Gazy kierowane do spalania są przed wlotem do komory spalania lub palnika podgrzewane w wymienniku ciepła ogrzewane strumieniem odlotowym spalin. Paliwo spalane w palniku wytwarza w komorze spalania strefę utleniającą do której wprowadzone są zanieczyszczenia. Gdy zapewnione jest dobre mieszanie w strefie i odpowiednio długi czas przebywania, następuje całkowite utlenienie zanieczyszczeń. Rys. 4. Schemat spalania termicznego. 1 palnik, 2 - komora spalania, 3 wymiennik ciepła. 10

11 Metoda kondensacyjna Metoda kondensacyjna polega na oziębianiu przy stałym ciśnieniu zanieczyszczonego powietrza do temperatury niższej od temperatury kondensacji par substancji zanieczyszczającej. Metoda ta może być odpowiednia do usuwania węglowodorów i ich pochodnych o wysokich temperaturach wrzenia. Do kondensacji zanieczyszczeń gazowych, zwanych często oparami, są stosowane dwie zasadnicze metody chłodzenia: przeponowa i bezprzeponowa. W metodzie bezprzeponowej opary zanieczyszczeń kontaktują się wprost z powierzchnią cieczy chłodzącej w skruberach natryskowych lub półkowych. Podczas chłodzenia przeponowego przenikanie ciepła do czynnika chłodzącego odbywa są za pośrednictwem powierzchni stałej, zwykle cylindrycznej, wewnątrz której czynnik ten przepływa. Proces jest realizowany najczęściej w wymiennikach ciepła płaszczowo rurowych lub rurowych. Rys. 5. Schemat kondensacji dwustopniowej. 1 chłodnica wstępna, 2 kondensator W pierwszym etapie oczyszczania wieloskładnikowej mieszaniny gazowej, zawierającej nie kondensujące gazy, strumień gazu jest chłodzony w wyniku kondensacji strumienia ciepła do zimnej powierzchni kropel i warstewek cieczy lub do ściany (przegrody) w wymienniku przeponowym. Pobieranie ciepła od gazu będzie trwać tak długo, aż gaz stanie się nasycony względem jednego lub kilku składników oczyszczonej mieszaniny gazowej. Dalsze chłodzenie powoduje dyfuzję kondensacyjnych gazów do powierzchni wymiany ciepła, gdzie wskutek kondensacji jest oddawane ciepło parowania. 11

12 3. Literatura 1) 2) 3) 4) 5) 6) 12