4. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΚΥΚΛΩΝΕΣ

Transcript

1 Μέθοδοι Ελέγχου ΑΣ Μηχανικοί διαχωριστές: βαρυτική καθίζηση (gravity settler), κυκλώνες (cyclone) [σχετικά φθηνοί, χαμηλή απόδοση] Σακόφιλτρα (fabric filter, baghouse) [δαπανηροί, υψηλή απόδοση] 4. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΚΥΚΛΩΝΕΣ Ηλεκτροστατικοί κατακρημνιστές (electrostatic precipitator ηλεκτροστατικά «φίλτρα») [δαπανηροί, υψηλή απόδοση, όχι ευέλικτοι] Πλυντρίδες υγρού καθαρισμού (wet scrubbers) [δαπανηρές, υψηλή απόδοση, παραγωγή λάσπης] /49 Μέθοδοι Ελέγχου ΑΣ Παράγοντες που επιδρούν στην επιλογή της Τεχνολογίας Ελέγχου Συγκέντρωση σωματιδίων (και η διακύμανσή της ή της παροχής) Χαρακτηριστικά σωματιδίων (μέγεθος, σχήμα, πυκνότητα) A. Bαρυτική καθίζηση B. εμπορικοί C. Καλά σχεδιασμένοι κυκλώνες D. Ηλεκτροστατικά φίλτρα E. Πύργος ψεκασμού F. Πλυντρίδα Venturi G. Σακόφιλτρο Χημικές και φυσικές ιδιότητες (αν φορτίζονται με στατικό ηλεκτρισμό, εκρηκτικά, κολλώδη) Υγροσκοπικότητα Τοξικότητα (απαιτείται αρνητική πίεση) Θερμοκρασία αέριου ρεύματος Βαθμός απόδοσης Κόστος 3/49 4/49

2 Επιλογή συστήματος συλλογής* Ορισμοί Πηγή σωματιδίων Ναι Είναι τα ΑΣ κολλώδη ή με υγρασία; Όχι Q o, c o Συσκευή 1, Q 1, c 1 Συσκευή, Q, c n 1, p 1 n, p Υγρές Πλυντρίδες (Υγροί) Ηλεκρ. Κατ. Ναι Υγρές Πλυντρίδες Είναι τα ΑΣ, αέρια ή ατμοί εκρηκτικοί Όχι Ποια είναι τα κριτήρια μεγέθους και απόδοσης συλλογής Απόδοση (efficiency): Διείσδυση (penetration): Qc Qc Qc 1 1 Qc Qc o o Qc p11 Qc o o o o 1 1 o o * Υπάρχουν προφανώς πολλές εξαιρέσεις στους γενικούς κανόνες που παρουσιάζονται στο σχήμα. <0,5 μm Ιδιαίτερα υψηλή απόδοση Σακόφιλτρα 0,5 5 μm Υψηλή απόδοση Υγρές Πλυντρίδες Ηλεκτ. Κατακρ. Σακόφιλτρα >5 μm Μέτρια απόδοση Υγρές Πλυντρίδες Ηλεκρ. Κατ. Σακόφιλτρα Βαθμός «απορρύπανσης»: 1 Qc DF p Q c poverall p1 p p 3... overall 1 (1 1) (1 ) (1 3)... o o 1 1 5/49 6/49 Μέτρηση των σωματιδίων ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Ποικιλία οργάνων για τη μέτρηση των αιωρούμενων σωματιδίων: Γιατί απαιτείται μέτρηση των σωματιδίων; Τι συσκευές δειγματοληψίας και ανάλυσης χρησιμοποιούμε; Κλασματικός διαχωριστής (fractionator) Αναλυτής μάζας με τη μέθοδο της ταλάντωσης (TEOM, tapered element oscillating microbalance) Μετρητής με ακτινοβολία βήτα Μετρητές σκέδασης του φωτός 7/49 8/49

3 Προσκρουστήρας εκτροπέας (Impactor) Προσκρουστήρας εκτροπέας (Impactor) Όταν ένα ρευστό ρέει γύρω από ένα αντικείμενο, οι ροϊκές γραμμές θα εκτραπούν, ενώ, λόγω αδρανείας, τα σωματίδια δεν θα ακολουθήσουν επακριβώς τις ροϊκές γραμμές. Πρόσκρουση συμβαίνει όταν το κέντρο βάρους του σωματιδίου χτυπήσει ένα ακίνητο εμπόδιο. Απόδοση πρόσκρουσης f(stk) Τύποι προσκρουστήρων Αριθμός Stokes ή παράμετρος πρόσκρουσης: ο λόγος του μήκους στάσης ή ακινητοποίησης (stopping distance), S, ενός σωματιδίου ως προς το χαρακτηριστικό μήκος του εμποδίου, d c. S pduc p Stk d 9d c c ρ p =πυκνότητα σωματιδίου u= ταχύτητα σωματιδίου C= συντελεστής διόρθωσης Cunningham μ = ιξώδες αέρα d c =διάμετρος οπής (nozzle) Τυπική απόδοση προσκρουστήρα 9/49 10/49 Προσκρουστήρας εκτροπέας (Impactor) Πολυβάθμιος Προσκρουστήρας (Multistage Impaction) Μέτρηση κατανομής μεγέθους. 6, 8 ή και 10 βαθμίδες, για να καλυφθεί η περιοχή 0,01 μέχρι 0 μm. Πολύ σημαντική εμπορική και διαδεδομένη συσκευή d C 50 c 9DStk j 50 U p 11/49 1/49

4 Κλασματικός διαχωριστής (fractionator) Προσκρουστήρας WINS (Multistage Impaction) WINS Impactor (Well Impactor Ninety Six) 13/49 14/49 Εικονικός Προσκρουστήρας (Virtual Impaction) Δειγματολήπτης αναπνεύσιμων αιωρούμενων σωματιδίων Μειώνει το πρόβλημα της ανάκλασης των σωματιδίων 15/49 16/49

5 Άλλες τεχνικές Μετρητής σκέδασης του φωτός (Light Scattering Particle Counter & Aerosol/Dust Monitor). Συλλέκτες Βαρυτικής καθίζησης (gravity settlers) Αδρανειακοί διαχωριστές (inertial separators) 17/49 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Μοντέλο εμβολικής ροής (plug flow model) Ουσιαστικά ένας μακρύς θάλαμος από τον οποίον διέρχεται το ρυπασμένο ρεύμα με μικρή ταχύτητα Παλιά τεχνολογία Μεγάλοι χώροι W Καθαρίζεται περιοδικά Πλεονεκτήματα Μικρό κόστος κατασκευής και συντήρησης Χαμηλή πτώση πίεσης Περιορισμοί σε πίεση & θερμοκρασία μόνο από τα κατασκευαστικά υλικά Διάθεση των σωματιδίων σε ξηρή μορφή Q H L (de Nevers, 1995) Για να χαρακτηρίσουμε τη ροή μπορεί να βασιστούμε σε μοντέλα: 1) Μοντέλο εμβολικής ή μη αναμεμιγμένης ροής (plug flow model, block model) ) Μοντέλο αναμεμιγμένης ροής (mixed model). Εδώ υποθέτουμε ολική ανάμιξη, είτε σε όλη τη συσκευή ή σε μια διατομή κάθετη στη ροή. Q Μέση ταχύτητα (οριζόντια ταχ.) Q Vav Υποθέσεις WH Η V av παντού ίδια στη συσκευή Κατακόρυφη ταχύτητα V t (οριακή ταχύτητα καθίζησης) Υποθ.: Δεν υπάρχει «επανεισαγωγή» σωματιδίων Χρόνος για τη διέλευση L t Vav Απόσταση (κατακόρυφη) καθίζησης L (στο ίδιο χρονικό διάστημα) stvt Vt Vav Εάν s>h το σωματίδιο θα «συλληφθεί» στον πυθμένα Αν υποθέσουμε ότι όλα τα σωματίδια είναι ίδια (V t ίδια), η αρχική κατανομή είναι ομοιόμορφη και δεν υπάρχει αλληλεπίδραση τότε το κλάσμα που καθιζάνει: s LV Lgd t pp n H HV av HV av 18 z Με την εφαρμογή του νόμου του Stokes gd p( p air) Vt 18 x 19/49 0/49

6 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Μοντέλο αναμεμιγμένης ροής (mixed flow model) Η αέρια ροή πλήρως αναμεμιγμένη στην κατεύθυνση z, όχι στη x. Έστω τμήμα της συσκευής μήκους dx (ένα σωματίδιο το διασχίζει σε dt) Σε αυτό το τμήμα, το κλάσμα των σωματιδίων που φτάνουν στον πυθμένα θα είναι ίσο με την κατακόρυφη απόσταση που πέφτει ένα μέσο Vdt t σωματίδιο (V t dt) διά το ύψος της συσκευής n H Συσκευές βαρυτικής καθίζησης: παράδειγμα Απόδοση ενός συστήματος βαρυτικής καθίζησης (de Nevers, 1995). H= m, L=10 m, V av = 1 m/s, Νόμος Stokes Από τα τα μοντέλα προκύπτει: Η αλλαγή της συγκέντρωσης που περνάει από το dx: Ο χρόνος που κάνει ένα σωμ. να περάσει από το dx: Συνδυάζοντας τα παραπάνω βρίσκουμε: Μπορούμε να ολοκληρώσουμε από x=0 μέχρι x=l: c VL out t n1 1exp 1exp nplug flow cin HVavg cvtdt dc cn H dx dt V avg dc Vt c HV c ln c out in avg dx VL t HV avg 1/49 /49 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Καλές για συλλογή σωμ. > 100 μm Μικρή απόδοση (~50%) Πώς μπορούμε να αυξήσουμε την απόδοση; Αύξηση L (εφικτό?), μείωση H, μείωση V av, αύξηση g Χρησιμοποιείται σε μεταλλευτικές δραστηριότητες, σε χυτήρια, σε μονάδες τροφίμων και για την συλλογή άκαυστου άνθρακα σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Γεωμετρίες δοχείων καθίζησης: (a) «κουτί», (b) τύπου πλακών και (c) επίπεδο κουτί (Corbitt, 1990) Χαρακτηριστικά απόδοσης δοχείου καθίζησης (Corbitt, 1990) 3/49 4/49

7 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Άλλες γεωμετρίες: με πλάκες εκτροπής Οι κυριότεροι παράγοντες στις συσκευές αυτές είναι: η διαθέσιμη επιφάνεια για καθίζηση η οριακή ταχύτητα κατακάθισης η παροχή του αέρα. Αλλαγή της κατεύθυνσης του αέρα με πλάκες εκτροπής (baffles). Μεγάλοι χώροι Σπάνια χρησιμοποιούνται σήμερα H L Πηγή: Ραψομανίκης & Καστρινάκης 5/49 6/49 Φυγοκεντρικοί διαχωριστές Βαρυτικοί και αδρανειακοί διαχωριστές σωματιδίων Cooper & Alley: Κεφάλαιο 4 7/49

8 Ευρύτατα διαδεδομένοι Ο σχεδιασμός τους δεν έχει αλλάξει τα τελευταία 60 χρόνια Οικονομικοί, χωρίς κινούμενα μέρη, αντέχουν σε σκληρές συνθήκες λειτουργία Σωματίδια στην περιοχή 5 15 μm μπορούν να απομακρυνθούν αποδοτικά Μηχανισμοί: Η φυγοκεντρική (ψευδο) δύναμη είναι σημαντικά υψηλότερη από τη δύναμη της βαρύτητας Το φορτισμένο με σωματίδια αέριο ρεύμα εισέρχεται εφαπτομενικά κοντά (συνήθως) στην κορυφή του κυκλώνα Το αέριο περιστρέφεται μέσα στον κυκλώνα Λόγω της φυγόκεντρης δύναμη τα σωματίδια προσκρούουν στα τοιχώματα και η βαρύτητα τα οδηγεί με περιστροφή στον πυθμένα Εάν ένα σώμα κινείται σε μία κυκλική τροχιά ακτίνας r με ταχύτητα V c, έχει γωνιακή ταχύτητα ω=v c /r και φυγόκεντρο δύναμη mv c r Δύναμη βαρύτητας = mg Φυγόκεντροςδύναμη m r Για σωματίδιο με V c =0 m/s και r=0,30 m: Φυγόκεντρος δύναμη = 133!!! Δύναμη βαρύτητας V c Φυγόκεντρος επιτάχυνση r Πηγή: Vallero, 008 9/49 30/49 Αγωγός προσαγωγής Έξοδος Είσοδος «ανιχνευτής» δινών εξωτερική δίνη εσωτερική δίνη Μόνο η εξωτερική δίνη συνεισφέρει στην απόδοση συλλογής Μήκος της ροής του σωματιδίου= ΝπD o N: αριθμός περιστροφών του αερίου [=L στην βαρυτ. Καθιζ.] Πλεονεκτήματα Μικρό κόστος κατασκευής Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης (λόγω της απουσίας κινούμενων μερών) Δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες Διάθεση των σωματιδίων σε ξηρή μορφή Μειονεκτήματα Χαμηλές αποδόσεις για d<10 μm Υψηλό κόστος λειτουργίας (Υψηλή πτώση πίεσης) Κύλινδρος Κώνος Απόρριψη σκονης Σώμα κυκλώνα 31/49 3/49

9 συμβατικός Αξονική είσοδος Τύποι κυκλώνα Συμβατικός κυκλώνας Κυκλώνας υψηλής απόδοσης Κυκλώνας υψηλής δυναμικότητας (μεγάλης ογκομετρικής παροχής) Είσοδος στον πυθμένα Ο σχεδιασμός ενός κυκλώνα θεωρεί: Απόδοση συλλογής Πτώση πίεσης Μέγεθος συσκευής Υψηλής απόδοσης Γενική σχέση της απόδοσης συλλογής σε σχέση με το μέγεθος των σωματιδίων. 33/49 34/49 Τυπικές διαστάσεις κυκλώνα Απόδοση συλλογής: Θεωρία του Lapple (plug flow) Βασική παράμετρος η διάμετρος του σώματος Ο αριθμός των (ενεργών) περιστροφών είναι περίπου: 1 Lc N e Lb H Χρόνος παραμονής αερίων (στην εξωτερική δίνη): V i DN t (1) V e i V i =ταχύτητα εισαγωγής αερίου (10 5 m/s) Για να συλλεχθούν τα σωματίδια πρέπει να κτυπήσουν στο τοίχωμα. Οριακή ταχύτητα καθίζησης (λόγω της φυγόκεντρης) στην ακτινική διεύθυνση (από F c =F D ) [η μέγιστη ακτινική απόσταση που πρέπει να διανύσει ένα σωματίδιο είναι W] V dp p g d i p p g Vi W V t () 18 R 9 D t Μικρότερη συλλεγόμενη διάμετρος [από (1) και ()], εάν το σωματίδιο ξεκινήσει από απόσταση W. Υπόθεση: ροή Stokes V i (1) (5) Stairmand (1951) (), (4), (6): Swift (1969) 9W dp NV e i p g Εξίσωση Rosin Rammler (3) Lapple (1951) Πως μπορούμε να μειώσουμε τη μικρότερη διάμετρο συλλογής; 35/49 36/49

10 Απόδοση συλλογής Απόδοση κυκλώνα για διάφορες διεργασίες* Η εξίσωση Rosin Rammler δεν μπορεί να δώσει την απόδοση συλλογής. Ο Lapple (1951) πρότεινε τη διάμετρο «αποκοπής» 50% (50% cut size) [ημιεμπειρική μέθοδος] d pc 9W N V e i p d pc =διάμετρος σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50% απόδοση (cut diameter) Η (εμπειρική) απόδοση συλλογής για το μέγεθος (εύρος) d pj 1 προσαρμογή j 1 d pc /dpj Theodore & DiPaola (1980) Μεγαλύτερη θερμοκρασία εισόδου οδηγεί σε μεγαλύτερη ταχύτητα εισόδου (καλύτερη απόδοση), αλλά και αύξηση του ιξώδους του αέρα (χειρότερη απόδοση), και σε μεγαλύτερη πτώση πίεσης! Συνολική απόδοση m j = κλάσμα μάζας των m j j σωματιδίων στο εύρος μεγέθους j Διείσδυση Particle size ratio d p /d p50% p1 Έχουν αναπτυχθεί και περισσότερο πολύπλοκα μοντέλα. * Air Pollution Control Equipment, Theodore & Buonicore, CRC Press, /49 38/49 Απόδοση συλλογής Παράδειγμα 4.1. Θεωρήστε έναν συμβατικό κυκλώνα τύπου Lapple (1951) με διάμετρο σώματος 1 m. Για παροχή αέρα 150 m 3 /min στους T=350 K και 1 atm που περιέχει σωματίδια πυκνότητας 1600 kg/m 3 και κατανομή μεγέθους όπως δίνεται παρακάτω, να υπολογιστεί η συνολική απόδοση. Εύρος μεγέθους, μm Ποσοστό μάζας στο εύρος μεγ. Επίδραση της μεταβολής συνθηκών λειτουργίας στην απόδοση κυκλώνα W dpc 6.3m N V e i p 39/49 40/49

11 Παράδειγμα Πτώση πίεσης Εύρος j μεγέθους (μm) Μέση τιμή d j (μm) d pj /d pc d /d j pc n j (%) pj m j, % n j m j, % m j j Τυπική ταχύτητα εισόδου V i ~0 m/s Σχετικά υψηλή πτώση πίεσης. Γιατί; Γενικά από mm (1 16 in) νερού. Αρκετές προσεγγίσεις Ικανοποιητικό το (εμπειρικό) μοντέλο των Shepherd & Lapple (1940) Πτώση πίεσης (σε σχέση με την πτώση πίεση της εισερχόμενης ταχύτητας) P HW Η u =αριθμός μανομετρικού ύψους ταχύτητας εισαγωγής Hu Kc ΔP= πτώση πίεσης, Pa 1 De gv ρ g = πυκνότητα αερίου, kg/m 3 i V i = ταχύτητα εισόδου αερίου, m/s K c = σταθερά που εξαρτάται από τον τύπο του κυκλώνα, Μοντέλο των Casal & Μartinez (1983) τυπική τιμή για αέρια ρύπανση 16 (περιοχή 7,5 18,5) P HW 3,33 11,8 1 De gvi Απαίτηση σε ενέργεια, W 3 w(w) f Q(m /s) P(Pa) w eq. (W) w f(w)/n n απόδοση ανεμιστ. Συνήθεις περιοχές πτώσης πίεσης: Κυκλώνας υψηλής δυναμικότητας Συμβατικός κυκλώνας Κυκλώνας υψηλής απόδοσης 1 4 in Η Ο 4 8 in Η Ο 8 16 in Η Ο 41/49 4/49 Τοποθέτηση κυκλώνων Τοποθέτηση κυκλώνων Εν σειρά gas EPA: APTI 413: Cyclones Εν παραλλήλω/ συστοιχία Πολυκωνικό σύστημα: μεγάλος αριθμός μικρών κυκλώνων εν παραλλήλω. 43/49 44/49

12 Είσοδος της σκόνης Απόρριψη της σκόνης Χειρωνακτικά Περιστροφική βάνα Εφαπτομενική Απλός σχεδιασμός και κατασκευή Χαμηλό κόστος Χαμηλή απόδοση Σχετικά υψηλή πτώση πίεσης Ελικοειδής Δίνει εφαπτομενική ταχύτητα στο αέριο Σχετικά περίπλοκος σχεδιασμός Υψηλότερο κόστος Ενεστραμμένη Επιτρέπει να εισέλθει το αέριο με την ελάχιστη τύρβη και χαμηλή πτώση πίεσης Handbook of Air Pollution Control Engineering & Technology, Mycock, McKenna and Theodore, Lewis Publishers, Υψηλότερη απόδοση από την εφαπτομενική είσοδο Μεγαλύτερες συσκευές κόστος EPA: APTI 413: Cyclones Με κοχλία Αυτόματη βάνα με επιστόμιο (κλαπέτο) 45/49 46/49 για απομάκρυνση της σκόνης 47/49 48/49

13 49/49