ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΕΡΙΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΡΥΠΩΝ. Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης

Transcript

1 ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΕΡΙΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΡΥΠΩΝ Αν. Καθ. Δρ Μαρία Α. Γούλα Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί μαθήματος Η κατανόηση και πρακτική εξοικείωση των φοιτητών όσον αφορά το σχεδιασμό διαφόρων μονάδων αντιρρυπαντικής τεχνολογίας αέριων χημικών ρύπων. 4

5 Περιεχόμενα μαθήματος Περιγραφή μαθήματος Βασικές Έννοιες Ιδιότητες Αερίων και Ατμών Προσρόφηση Αερίων Χημικές διεργασίες Χημικοί Αντιδραστήρες Θερμικοί μετακαυστήρες Καταλυτικοί μετακαυστήρες Απορρόφηση Αερίων Έλεγχος των οξειδίων του θείου (SOx) Έλεγχος των οξειδίων του αζώτου (NOx) 5

6 Παράμετροι υπολογισμού Σε πολλά εργοστάσια είναι σύνηθες ένα σύστημα ελέγχου ρύπανσης να εξυπηρετεί πολλές πηγές εκπομπών. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι παράμετροι των συνδυασμένων ρευμάτων εκπομπών πρέπει να υπολογιστούν από τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας. Παρακάτω θα παρουσιαστούν οι διαδικασίες υπολογισμών παραμέτρων για συνδυασμένο ρεύμα εκπομπής καθώς και απλών ρευμάτων εκπομπής. Σχήμα: Απεικόνιση αερίων ρευμάτων οδηγούμενων σε συσκευή ελέγχου αέριας ρύπανσης. Πηγή: Διδάσκων (2015). 6

7 Χαρακτηριστικά αερίου ρεύματος Σχήμα: Χαρακτηριστικά αερίου ρεύματος. Πηγή: Διδάσκων (2015). 7

8 Υπολογισμοί για παροχή και θερμοκρασία αερίου ρεύματος (1/3) ΒΗΜΑ 1 ο : Υπολογισμός της ενθαλπίας Η (kj/min) (περιεχόμενη αισθητή θερμότητα) των αερίων ρευμάτων. Σχήμα: Μετατροπή ογκομετρικής παροχής σε Κ.Σ. Πηγή: Διδάσκων (2015). 8

9 Υπολογισμοί για παροχή και θερμοκρασία αερίου ρεύματος (2/3) ΒΗΜΑ 2 ο : Υπολογισμός της ενθαλπίας Η (kj/min) (περιεχόμενη αισθητή θερμότητα) των αερίων ρευμάτων. Σχήμα: Υπολογισμός της ενθαλπίας. Πηγή: Διδάσκων (2015). 9

10 Υπολογισμοί για παροχή και θερμοκρασία αερίου ρεύματος (3/3) Σχήμα: Υπολογισμός Θερμοκρασίας και παροχής συνδυασμένου αέριου ρεύματος. Πηγή: Διδάσκων (2015). 10

11 Υπολογισμοί για ισοζύγια μάζας (1/2) Όταν τα αέρια ρεύματα περιέχουν επικίνδυνα συστατικά (εύφλεκτα, εκρηκτικά κλπ) όπως οι οργανικές πτητικές ενώσεις(vocs), τότε η συγκέντρωση των VOC πρέπει να είναι < 25% LEL (Low Explosive Limit - Κατώτερο όριο εκρηξιμότητας) για λόγους ασφάλειας των εγκαταστάσεων. Εκπομπές [O 2 ] <20% και θερμικό περιεχόμενο > 484,9 kj/m 3 απαιτείται αραίωση με αέρα. Σχήμα: Κατώτερο όριο εκρηξιμότητας. Πηγή: Διδάσκων (2015). 11

12 Υπολογισμοί για ισοζύγια μάζας (2/2) Αρχικά κάνουμε μετατροπή των συγκεντρώσεων από ppm σε μg/nm 3. Σχήμα: Υπολογισμός συγκέντρωσης. Πηγή: Διδάσκων (2015). 12

13 Υπολογισμοί για περιεχόμενη υγρασία & σημείο δρόσου (1/3) ΒΗΜΑ 1 ο : Μετατροπή το % κ.ο. της περιεχόμενης υγρασίας M ei σε gmole, M ei,gm. Σχήμα: Μετατροπή % κ.ο. περιεχόμενης υγρασίας σε gmole. Πηγή: Διδάσκων (2015). 13

14 Υπολογισμοί για περιεχόμενη υγρασία & σημείο δρόσου (2/3) ΒΗΜΑ 2 ο : Υπολογισμός περιεχόμενης υγρασίας M ei συνδυασμένου ρεύματος. Σχήμα: Υπολογισμός περιεχόμενης υγρασίας συνδυασμένου ρεύματος. Πηγή: Διδάσκων (2015). 14

15 Υπολογισμοί για περιεχόμενη υγρασία & σημείο δρόσου (3/3) ΒΗΜΑ 3 ο : Υπολογισμός σημείου δρόσου. Η ποσότητα ξηρού αέρα του συνδυασμένου ρεύματος (DAe) υπολογίζεται ως ακολούθως: DA e = (Q e3 x 29) /24,4 (g/min) Ο ψυχρομετρικός λόγος υπολογίζεται ως ακολούθως : M e3,m / (DA e M e3,m ) = ψυχρομετρικός λόγος (g νερού /g ξηρού αέρα) Γνωρίζοντας τον ψυχρομετρικό λόγο και τη θερμοκρασία του αερίου ρεύματος, η θερμοκρασία στο σημείο δρόσου επιλέγεται από τον Πίνακα 1.1 του Παραρτήματος Γ. 15

16 Υπολογισμοί για περιεχόμενο SO 3 (1/2) Η παρουσία SO 3 στα απαέρια αυξάνει το σημείο δρόσου οπότε έχουμε συμπύκνωση σε θερμοκρασία που δεν αναμένεται. Συνδυασμός SO 3 και υγρασίας με σχηματισμό H 2 SO 4 και πρόκληση σοβαρής διάβρωσης του εξοπλισμού συσκευών αντιρρύπανσης. Με την πληροφορία για την περιεκτικότητα σε SO3 (ppm,%κ.ο.) και την περιεκτικότητα σε υγρασία (% κ.ο.) του αερίου ρεύματος, η «όξινη» θερμοκρασία του σημείου δρόσου μπορεί να προσδιοριστεί από την Εικόνα 1.1 του Παραρτήματος Γ. Η Εικόνα 1.1 δείχνει τα σημεία δρόσου για τρία επίπεδα υγρασίας. Εντούτοις, τα σημεία δρόσου μπορούν να υπολογιστούν και για άλλες τιμές υγρασίας. 16

17 Υπολογισμοί για περιεχόμενο SO 3 (2/2) Σχήμα: Μετατροπή της συγκέντρωσης S e1 (ppmv) σε S e1,gm (gmole). Πηγή: Διδάσκων (2015). 17

18 Υπολογισμοί για φόρτιση σε Αιωρούμενα Σωματίδια Σχήμα: Μετατροπή συγκέντρωσης Α.Σ. από g/m 3 σε kg/hr. Πηγή: Διδάσκων (2015). 18

19 Υπολογισμοί για περιεχόμενη θερμότητα Σχήμα: Υπολογισμοί για περιεχόμενη θερμότητα. Πηγή: Διδάσκων (2015). 19

20 Υπολογισμοί για απαιτήσεις αραίωσης του αέρα (1/2) Η ποσότητα αέρα αραίωσης (Q d ) που απαιτείται για να μειώσει την περιεχόμενη θερμότητα του ρεύματος εκπομπής από he σε hd δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: Q d = [(h e /h d )-1] Q e Όπου, Q d = παροχή αέρα αραίωσης (Νm 3 /min). h e = περιεχόμενη θερμότητα του ρεύματος εκπομπής πριν την αραίωση, kj/νm 3. h d = περιεχόμενη θερμότητα του ρεύματος εκπομπής μετά την αραίωση, kj/νm 3. Q e = παροχή ρεύματος εκπομπής πριν την αραίωση (Νm 3 /min). 20

21 Υπολογισμοί για απαιτήσεις αραίωσης του αέρα (2/2) Οι συγκεντρώσεις των διαφόρων συστατικών και της παροχής του ρεύματος εκπομπής πρέπει να ρυθμιστούν μετά την αραίωση ως ακολούθως: O 2,d = O 2 (h d /h e ) + 21 [1-(h d /h e )] M e,d = Me (h d /h e ) + 2 [1-(h d /h e )] Q e,d = Q e (h e /h d ) Όπου, Q 2,d = περιεχόμενο οξυγόνο του αραιωμένου αερίου ρεύματος (% κ.ο.). M e,d = περιεχόμενη υγρασία του αραιωμένου αερίου ρεύματος (% κ.ο.). Q e,d = παροχή του αραιωμένου αερίου ρεύματος (Nm3/min). Ο συντελεστής 21 στην παραπάνω εξίσωση δηλώνει το ποσοστό κ.ο. συμμετοχής του οξυγόνου στον αέρα και ο συντελεστής 2 είναι το ποσοστό κ.ο. συμμετοχής της υγρασίας στον αέρα σε Τ= 21,1 ο C και 80% υγρασία. 21

22 ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (1/3) Χημική αντίδραση είναι η μετατροπή μιας χημικής οντότητας σε μια άλλη. Με τον όρo χημική οντότητα εννοούμε μια χημική ένωση με μια ορισμένη ταυτότητα. Η ταυτότητα καθορίζεται από το είδος, τον αριθμό και τη διαμόρφωση των ατόμων της οντότητας. Μια χημική αντίδραση έλαβε χώρα αν ένας αριθμός μορίων μιας ή περισσοτέρων οντοτήτων έχασαν την ταυτότητά τους και συνεπώς έλαβαν καινούργια ταυτότητα με μεταβολές στον αριθμό ή το είδος ή τη διαμόρφωση των ατόμων της οντότητας. 22

23 ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (2/3) ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ Η εξίσωση ρυθμού μιας αντίδρασης, rj, είναι. Συνάρτηση των ιδιοτήτων του αντιδρώντος μίγματος (π.χ. συγκέντρωση ενώσεων, θερμοκρασία, πίεση, είδος καταλύτη, κλπ.) σ ένα ορισμένο σημείο του συστήματος. Ανεξάρτητη από το είδος του αντιδραστήρα (διαλείποντος έργου, συνεχούς ροής, κλπ.) στον οποίο γίνεται η αντίδραση. Μπορεί να είναι συνάρτηση χώρου του αντιδραστήρα και συνεπώς να διαφέρει από σημείο σε σημείο μέσα στο σύστημα (ιδιότητες μίγματος της αντίδρασης μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με την θέση του αντιδραστήρα). Η εξίσωση ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης είναι μια αλγεβρική εξίσωση που εκφράζει την εξάρτηση του ρυθμού στη θερμοκρασία και στις συγκεντρώσεις αντιδρώντων ή προϊόντων. 23

24 ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (3/3) ΧΗΜΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ Απαιτεί καθαρή τροφοδοσία για αποφυγή ανεπιθύμητων αντιδράσεων δηλητηρίαση του καταλύτη. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί διεργασία διαχωρισμού για να καθαριστούν οι πρώτες ύλες πριν την τροφοδοσία τους. Αν και απαιτεί καθαρή τροφοδοσία, σχεδόν ποτέ δεν παράγει καθαρό προϊόν. Στην έξοδο υπάρχουν συστατικά (ενώσεις) από την παροχή (αντιδρώντα) που δεν έχουν αντιδράσει, καθώς και υποπροϊόντα αντιδράσεων άλλων από την κύρια ή την επιθυμητή αντίδραση. Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι συνήθως περισσότερα από ένα. Τα επιθυμητά προϊόντα πρέπει να είναι μεγάλης καθαρότητας για να είναι χρήσιμα σειρά διεργασιών διαχωρισμού. 24

25 Προσρόφηση (1/3) Η απομάκρυνση χαμηλών συγκεντρώσεων αερίων ή ατμών από ρεύμα εξόδου με προσκόλληση αυτών των ουσιών στην επιφάνεια πορωδών στερεών είναι παράδειγμα μιας πρακτικής εφαρμογής προσρόφησης. Με κατάλληλη εκλογή του προσροφητικού στερεού (προσροφητής) και του χρόνου επαφής μεταξύ του στερεού και των ατμών ενός ρεύματος εξόδου, είναι εφικτές πολύ υψηλές αποδόσεις απομάκρυνσης. Η διεργασία μπορεί να σχεδιαστεί για να παρέχει οικονομική ανάκτηση του προσροφημένου ατμού (προσροφημένη ουσία). Η προσρόφηση αερίων χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπως ο έλεγχος οσμών, η ανάκτηση πτητικών διαλυτών όπως το βενζόλιο, η αιθανόλη, το τριχλωροαιθυλένιο, το φρέον, κλπ και στις διεργασίες ξήρανσης αερίων ρευμάτων. 25

26 Προσρόφηση (2/3) Κατά την προσρόφησης (adsorption), ένα ή περισσότερα αέρια συστατικά απομακρύνονται από το ρυπασμένο αέριο ρεύμα προσκολλούμενα στην επιφάνεια ενός στερεού. Τα μόρια του αερίου που απομακρύνονται αναφέρονται ως προσροφούμενα συστατικά ή προσροφημένες ουσίες (adsorbate), ενώ το στερεό που πραγματοποιεί την προσρόφηση ονομάζεται προσροφητικό υλικό ή προσροφητικό στερεό (adsorbent). Τα προσροφητικά υλικά είναι εξαιρετικά πορώδη, ενώ η προσρόφηση κατά κύριο λόγο λαμβάνει χώρα στην εσωτερική τους επιφάνεια. 26

27 Προσρόφηση (3/3) Για τον έλεγχο της αέριας ρύπανσης, η προσρόφηση δεν είναι η τελική διεργασία ελέγχου, καθώς οι ρύποι παραμένουν προσροφημένοι στην επιφάνεια του στερεού. Όταν το προσροφητικό στερεό κορεστεί (saturation), τότε είτε πρέπει να αντικατασταθεί, είτε να απομακρυνθούν τα προσροφημένα αέρια από την επιφάνεια του (αναγέννηση - regeneration). Παραδοσιακά, η προσρόφηση χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό αερίων ρευμάτων (purification processes) και την ανάκτηση διαλυτών (solvent recovery). 27

28 Καθαρισμός αερίων ρευμάτων Για τον καθαρισμό αερίων ρευμάτων, η προσρόφηση χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις στις οποίες οι ρύποι είναι: σε πολύ χαμηλές περιεκτικότητες (μικρότερες του 1 μέρους ανά εκατομμύριο parts per million, ppm), ιδιαίτερα δύσοσμοι και τοξικοί. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα συστήματα που χρησιμοποιούνται είναι συνήθως μικρού μεγέθους με μικρό βάθος κλίνης (thin bed adsorbers). Όταν η κλίνη κορεστεί σε ρύπους, τότε τίθεται εκτός λειτουργίας και αντικαθίσταται. 28

29 Ανάκτηση διαλυτών Οι διεργασίες ανάκτησης διαλυτών απαιτούν πολύ μεγαλύτερα συστήματα τα οποία σχεδιάζονται έτσι ώστε να ελέγχουν εκπομπές οργανικών ουσιών των οποίων οι συγκεντρώσεις είναι συνήθως μεγαλύτερες των 1000 ppm. Σε αυτές τις συγκεντρώσεις, η αξία του ανακτώμενου διαλύτη μπορεί να δικαιολογήσει την δαπάνη μεγάλων συστημάτων προσρόφησης εκρόφησης. Επί του παρόντος, η προσρόφηση χρησιμοποιείται ως μέθοδος ανάκτησης πολύτιμων οργανικών διαλυτών από ρυπασμένα αέρια ανεξάρτητα με τα επίπεδα συγκέντρωσης τους. Αυτό οφείλεται στις παρούσες νομοθετικές διατάξεις που περιορίζουν τις εκπομπές πτητικών οργανικών ουσιών αλλά και στο υψηλό κόστος των διαλυτών. 29

30 Προσροφητικά μέσα Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά ως προσροφητικά μέσα είναι ποικίλα. Τα πιο κοινά υλικά προσρόφησης που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία είναι: ο ενεργός άνθρακας, η σίλικα τζελ, η ενεργός αλουμίνα (activated alumina γνωστή και ως οξείδιο του αργιλίου - alumina oxide), και οι ζεόλιθοι (zeolites ή αλλιώς μοριακά κόσκινα molecular sieves). 30

31 Ενεργός άνθρακας Ο ενεργός άνθρακας μπορεί να παραχθεί από μια ποικιλία πρώτων υλών όπως ξύλο, κάρβουνο, καρύδα, κελύφη και προϊόντα με βάση το πετρέλαιο. Η διεργασία ενεργοποίησης (activation process) λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια. Αρχικά, η πρώτη ύλη απανθρακώνεται. Η απανθράκωση περιλαμβάνει την θέρμανση του υλικού (συνήθως απουσία αέρα) σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες (600 οc) ώστε να απομακρυνθούν όλες οι πτητικές ενώσεις. Έτσι, ο άνθρακας είναι ουσιαστικά το μόνο που απομένει. Στη συνέχεια, για την επίτευξη μεγαλύτερης ειδικής επιφάνειας, ο άνθρακας «ενεργοποιείται» με τη χρήση υδρατμού, αέρα, ή διοξειδίου του άνθρακα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αυτά τα αέρια «προσβάλλουν» τον άνθρακα και αυξάνουν τον όγκο της πορώδους δομής. 31

32 Ειδική επιφάνεια Δεδομένου ότι η προσρόφηση λαμβάνει χώρα στην διεπιφάνεια αερίου στερεού, η αποτελεσματικότητα του προσροφητικού υλικού καθορίζεται από την ειδική επιφάνεια που είναι διαθέσιμη στα μόρια του αέριου ρύπου. Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα προσρόφησης του υλικού. Ωστόσο, για την προσρόφηση ατμών, η ειδική επιφάνεια πρέπει να είναι διαθέσιμη σε ορισμένα μεγέθη πόρων. Γενικά, στον ενεργό άνθρακα οι πόροι ταξινομούνται ως μικροπόροι (micropores), μεσοπόροι (transitional pores) ή μακροπόροι (macropores). Οι ακτίνες των μικροπόρων είναι μικρότερες των 200 nm (20 ), των μακροπόρων είναι μεγαλύτερες από 2000 nm (200 ) και των μεσοπόρων είναι μεταξύ 200 και 2000 nm (μεταξύ 0.2 και 2 μm). 32

33 Κίνηση των μορίων μέσα στους πόρους Σχήμα: Απεικόνιση της κίνησης των μορίων μέσα στους πόρους. Πηγή: Διδάσκων (2015). 33

34 Μονάδες καύσης VOC (1/6) H κατηγορία αυτή περιλαμβάνει όχι μόνο καθαρούς υδρογονάνθρακες αλλά επίσης και τους μερικούς οξειδωμένους υδρογονάνθρακες (οργανικά οξέα, αλδεύδες, κετόνες), καθώς και οργανικές ουσίες που περιέχουν χλώριο, θείο, άζωτο, ή άλλα άτομα στο μόριο. Τα VOCS εκπέμπονται από διεργασίες καύσης, από διάφορες βιομηχανικές δραστη-ριότητες και από εξάτμιση διαλυτών. Μια μέθοδος ελέγχου της αέριας ρύπανσης που μπορεί να εφαρμοστεί ευρέως στα VOCs είναι η καύση. Οι μονάδες καύσης ατμών (μονάδες θερμικής οξείδωσης ή μετα-καυστήρες) μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά και για ρυπασμένο αέρα με μικρά σωματίδια εύφλεκτων υγρών ή στερεών. Η καύση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο οσμών, για την καταστροφή τοξικών χημικών ενώσεων ή για τη μείωση της ποσότητας των φωτοχημικά ενεργών VOCs που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. 34

35 Μονάδες καύσης VOC (2/6) Οι ατμοί των VOC μπορεί να βρίσκονται σε πυκνά ρεύματα (όπως στην εκτόνωση αερίων διυλιστηρίου σε περιπτώσεις εκτάκτων αναγκών) ή μπορεί να βρίσκονται σε αραιό μίγμα αέρα (όπως εκπομπές από τη διεργασία ξήρανσης φούρνων βαφής). Για μεγάλο όγκο, διακοπτόμενων (αλλά πυκνών) ρευμάτων VOC, χρησιμοποιούνται συνήθως υπερυψωμένοι πυρσοί. Στην περίπτωση αραιού ατμού στον αέρα δύο είναι οι μέθοδοι καύσης, η άμεση θερμική οξείδωση και η καταλυτική οξείδωση. Εναλλακτικές λύσεις στην καύση είναι η ανάκτηση ατμών (η οποία μπορεί να επιτευχθεί με επανασυμπίεση, συμπύκνωση ή προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα) ή η υγρή απορρόφηση σε συνδυασμό είτε με ανάκτηση είτε με χημική οξείδωση. Το κύριο πλεονέκτημα της καύσης είναι η δυνατότητά της για πολύ μεγάλη απόδοση. 35

36 Μονάδες καύσης VOC (3/6) Αν εφαρμοστεί ικανοποιητικός χρόνος παραμονής σε μια ικανοποιητικά υψηλή θερμοκρασία οι οργανικές ενώσει μπορούν να οξειδωθούν σε οποιοδήποτε επιθυμητό βαθμό απόδοσης. Συχνά, υπάρχουν αρκετές πηγές VOC μέσα σε παραγωγικές εγκαταστάσεις (όπως τυπογραφικά πιεστήρια ή σε χώρους όπου γίνεται βαφή), οι εκπομπές των οποίων συλλέγονται από αρκετούς αεριοσυλλέκτες και μέσω ενός συνηθισμένου συστήματος αγωγών οδηγούνται σε μονάδα θερμικής οξείδωσης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η συνολική μείωση των εκπομπών VOC από αυτές τις πηγές εξαρτάται όχι μόνον από την ικανότητα καταστροφής της μονάδας καύσης, αλλά επίσης και από το βαθμό απόδοσης του συστήματος συλλογής. 36

37 Μονάδες καύσης VOC (4/6) Ο βαθμός απόδοσης του συστήματος συλλογής ορίζεται ως το κλάσμα των VOCs που εκπέμπονται από τη διεργασία και που πραγματικά συλλέγεται από τα πλευρικά διαφράγματα, τους αεριοσυλλέκτες ή τις άλλες συσκευές συλλογής και οδηγείται στο μετα-καυστήρα. Οι εκπομπές που δεν συλλέγονται ονομάζονται διαφεύγουσες εκπομπές. Σύμφωνα με πρόσφατους κανόνες της U.S. EPA, ο συνολικός βαθμός από-δοσης μείωσης των VOC είναι το γινόμενο της απόδοσης συλλογής και της απόδοσης καταστροφής. Για παράδειγμα, παρόλο που ένας μετα-καυστήρας έχει υψηλή απόδοση και η οποία φθάνει στο 99%, εάν το σύστημα συλλογής έχει απόδοση 80%, τότε η συνολική απόδοση μείωσης των VOC είναι μόνον 79.2%. 37

38 Μονάδες καύσης VOC (5/6) Η συλλογή, όπως και η καταστροφή σήμερα περιλαμβάνονται από την EPA στους κανονισμούς που αφορούν τις πηγές και στη χορήγηση αδειών λειτουργίας. Ο πραγματικός βαθμός συλλογής είναι δύσκολο να μετρηθεί και απαιτείται προσέγγιση με ισοζύγιο μάζας, αλλά υπάρχει μια εύκολη περίπτωση αυτής της 100% συλλογής. Όπως ορίζεται από την EPA, 100% θεωρείται δεδομένο ότι μπορεί να επιτευχθεί όταν η πηγή τοποθετείται μέσα σ έναν πλήρως κλειστό χώρο (όπως ένα δωμάτιο) και όλη η ροή του αέρα περιορίζεται μέσα σ αυτό το χώρο εκτός από τα σημεία εξαγωγής τα οποία συνδέονται μέσω αγωγών με το μετα-καυστήρα. Το κύριο μειονέκτημα της καύσης είναι το υψηλό κόστος καυσίμου. Επίσης, μερικά από τα προϊόντα της καύσης συγκεκριμένων ρύπων είναι τα ίδια ρύποι. 38

39 Μονάδες καύσης VOC (6/6) Προκειμένου να πιστοποιηθεί η αποδεδειγμένη 100% απόδοση συλλογής, ο κλειστός χώρος πρέπει να ικανοποιεί τα παρακάτω κριτήρια: Το άθροισμα της επιφάνειας όλων των ανοιγμάτων (πόρτες, παράθυρα, κλπ) πρέπει να είναι μικρότερο από 5% από τη συνολική επιφάνεια του χώρου (τοίχους, πατώματα και οροφή). Ο αέρας θα πρέπει να εισέρχεται από όλα τα ανοίγματα με μία μέση κάθετη ταχύτητα τουλάχιστον 200 ft/min. Όλες οι πηγές εκπομπής VOCs μέσα στον κλειστό χώρο πρέπει να είναι σε απόσταση από κάθε άνοιγμα (τουλάχιστον 4 ισοδύναμες διαμέτρους). Όλοι οι αεραγωγοί εξόδου πρέπει να οδηγούνται σε μονάδα θερμικής οξείδωσης ή σε άλλη τελική συσκευή ελέγχου. Όλα τα παράθυρα και οι πόρτες που δεν υπολογίστηκαν στο 5% της επιφάνειας πρέπει να είναι κλειστά κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας. 39

40 Καταλυτικοί μετακαυστήρες BAΣΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ: (1/3) Tύπος και Μέγεθος Αντιδραστήρα. Εναλλαγή ενέργειας μεταξύ του αντιδραστήρα και του περιβάλλοντος. Συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα (θερμοκρασία, πίεση, συγκεντρώσεις αντιδρώντων, καταλύτης). 40

41 Καταλυτικοί μετακαυστήρες ΑΛΛΑ ΘΕΜΑΤΑ: (2/3) Oικονομικά (Bελτιστοποίηση συνθηκών λειτουργίας, ανάλυση κόστους/κέρδους). Ευστάθεια του αντιδραστήρα. Έλεγχος. Υλικά κατασκευής. Κλιμάκωση μεγέθους του αντιδραστήρα. 41

42 Καταλυτικοί μετακαυστήρες (3/3) ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ: ΟΜΟΓΕΝΕΙΣ ή ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ (Με βάση τις ιδιότητες του αντιδρώντος συστήματος). ΣΥΝΕΧΟΥΣ ή ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (Με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους). ΔΟΧΕΊΑ ΑΝΑΔΕΥΣΗΣ ή ΑΥΛΩΤΟΙ (Με βάση τη μορφή ή το σχήμα των αντιδραστήρων). ΙΣΟΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΟΙ ή ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΟΙ (Με βάση τη θερμική τους συμπεριφορά). 42

43 Απορρόφηση (1/5) Στον έλεγχο της αέριας ρύπανσης, η απορρόφηση σχετίζεται με την επιλεκτική μεταφορά μιας ουσίας από ένα αέριο σε ένα υγρό με το οποίο βρίσκεται σε επαφή. Η αρχή του διαχωρισμού είναι η κατά προτίμηση διαλυτότητα ενός συστατικού του αερίου στο υγρό. Στην πλειοψηφία των εφαρμογών στον έλεγχο της ρύπανσης, το υγρό επαφής είναι το νερό και η διεργασία μερικές φορές αναφέρεται ως καθαρισμός αερίου (scrubbing) ή πλύση (washing). Συχνά αντιμετωπίσαμε παραδείγματα εφαρμογής απορρόφησης αερίων στον έλεγχο της ρύπανσης συμπεριλαμβανομένου: Απομάκρυνση και ανάκτηση αμμωνίας στην βιομηχανία λιπασμάτων. Απομάκρυνση υδροφθορίου από τα απαέρια φούρνου γυαλιού. Έλεγχος του διοξειδίου του θείου από πηγές καύσης. Ανάκτηση υδατοδιαλυτών ουσιών (διαλύτες) όπως η ακετόνη και η μεθυλική αλκοόλη. Έλεγχος οσμηρών αερίων από εργοστάσια διεργασιών τήξης. 43

44 Απορρόφηση (2/5) Η απορρόφηση αερίου περιλαμβάνει τη διάχυση της ουσίας από ένα αέριο διαμέσου της διεπιφάνειας αερίου-υγρού με τελική κατάληξη τη διασπορά της στο υγρό. Η διασπορά ή η διάλυση της απορροφούμενης ουσίας στο υγρό μπορεί να συνοδεύεται και από χημική αντίδραση. Τόσο η μοριακή όσο και η τυρβώδη (δίνη) μεταφορά μάζας είναι παρούσες στην διεργασία της απορρόφησης. Η διάχυση με μικρές δίνες είναι κατά πολύ γρηγορότερη απ ότι ο μοριακός μηχανισμός και μεγιστοποιείται όταν από το σχεδιασμό του εξοπλισμού απορρόφησης προβλέπεται αυτός να λειτουργεί σε υψηλά επίπεδα τύρβης. Ακόμα και στην περίπτωση αυτή, η κύρια αντίσταση στη μεταφορά μάζας μεταξύ υγρού και αερίου οφείλεται στις στρωτές στοιβάδες (laminar layers) στα όρια των φάσεων. 44

45 Απορρόφηση (3/5) Η απορρόφηση του αερίου συνήθως πραγματοποιείται σε πύργους με πληρωτικό. Το ρεύμα αερίου εισέρχεται από τον πυθμένα της στήλης και οδεύει προς τα πάνω διαμέσου υγρής κλίνης με πληρωτικό υλικό. Το υγρό εισέρχεται από την κορυφή της στήλης και κατανέμεται ομοιόμορφα πάνω στο πληρωτικό υλικό της στήλης. Το πληρωτικό υλικό μπορεί να έχει οποιαδήποτε γεωμετρική μορφή από αυτές που είναι διαθέσιμες στο εμπόριο και είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μέγιστη επαφή αερίου-υγρού και χαμηλή πτώση πίεσης στην αέρια φάση. Οι απαιτήσεις για ικανοποιητική πλήρωση της στήλης είναι : Μεγάλη επιφάνεια διαβροχής ανά μονάδα όγκου. Ελαχιστοποίηση του βάρους. Ικανοποιητική χημική αντίσταση. Χαμηλή παρακώλυση της ροής του υγρού. Χαμηλή πτώση πίεσης. Χαμηλό κόστος. 45

46 Απορρόφηση (4/5) ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΥΡΓΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Εφόσον η πλειοψηφία των διεργασιών απορρόφησης πραγματοποιείται σε πύργους με πληρωτικό υλικό, θα εμβαθύνουμε στο σχεδιασμό αυτού του εξοπλισμού. Τα τρία κύρια συστατικά του σχεδιασμού της διεργασίας σε πύργο με πληρωτικό υλικό είναι: εκτέλεση των ισοζυγίων μάζας του πύργου για να καθοριστεί ο ρυθμός ανακυκλοφορίας του υγρού, υπολογισμός του ύψους του πληρωτικού υλικού για να έχουμε τον επιθυμητό βαθμό διαχωρισμού, και καθορισμός της διαμέτρου της στήλης ικανής να χειριστεί τις απαιτούμενες παροχές του υγρού και του αερίου. Επειδή η θεωρία της μεταφοράς μάζας αποτελεί τη βάση όλων των εξισώσεων σχεδιασμού, θα τη συζητήσουμε πρώτα. 46

47 Απορρόφηση (5/5) Στον έλεγχο της αέριας ρύπανσης, η απορρόφηση σχετίζεται με την επιλεκτική μεταφορά μιας ουσίας από ένα αέριο σε ένα υγρό με το οποίο βρίσκεται σε επαφή. Η αρχή του διαχωρισμού είναι η κατά προτίμηση διαλυτότητα ενός συστατικού του αερίου στο υγρό. Στην πλειοψηφία των εφαρμογών στον έλεγχο της ρύπανσης, το υγρό επαφής είναι το νερό και η διεργασία μερικές φορές αναφέρεται ως καθαρισμός αερίου (scrubbing) ή πλύση (washing). Συχνά αντιμετωπίσαμε παραδείγματα εφαρμογής απορρόφησης αερίων στον έλεγχο της ρύπανσης συμπεριλαμβανομένου: Απομάκρυνση και ανάκτηση αμμωνίας στην βιομηχανία λιπασμάτων. Απομάκρυνση υδροφθορίου από τα απαέρια φούρνου γυαλιού. Έλεγχος του διοξειδίου του θείου από πηγές καύσης. Ανάκτηση υδατοδιαλυτών ουσιών (διαλύτες) όπως η ακετόνη και η μεθυλική αλκοόλη. Έλεγχος οσμηρών αερίων από εργοστάσια διεργασιών τήξης. 47

48 Οξείδια του θείου (1/4) Τα SO 2 και SO 3 είναι δύο οξείδια του θείου που σχηματίζονται κάθε φορά που καίγεται κάποιο υλικό που περιέχει θείο. Οι εκπομπές οξειδίων του θείου (SO x ) στις Ηνωμένες Πολιτείες έφθασαν στο ανώτατο όριο το 1973 σε 32 εκατομ. τόνους το χρόνο περίπου. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, αυξήθηκε ο αριθμός των συστημάτων ελέγχου του SO 2 και μειώθηκε η περιεκτικότητα του καύσιμου πετρελαίου σε θείο με αποτέλεσμα τη σημαντική ελάττωση των εκπομπών. Εκτιμάται ότι το 1981, οι εκπομπές SO x μειώθηκαν κάτω από 25 εκατομ. τόνους για πρώτη φορά σε περισσότερο από μια δεκαετία και μειώθηκαν κάτω από 20 εκατομ. το 1995 (U.S. Environmental Protection Agency 2000). Τα δύο-τρίτα περίπου των οξειδίων θείου στις Ηνωμένες Πολιτείες προέρχονται από τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιούν άνθρακα. 48

49 Οξείδια του θείου (2/4) Βιομηχανικές καύσεις και βιομηχανικές διεργασίες (κυρίως διύλιση πετρελαίου, παραγωγή H 2 SO 4 και τήξη μη σιδηρούχων μετάλλων) είναι υπεύθυνες για την πλειονότητα των υπολοίπων ποσοτήτων των οξειδίων του θείου. Στον Καναδά, όπου μεγάλο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από υδροηλεκτρικά εργοστάσια, η τήξη των μετάλλων είναι η κύρια πηγή των SO x. Το SO 2 είναι ερεθιστικό στα μάτια, στη μύτη και στο λαιμό, και έχει συσχετισθεί με αναπνευστικές ασθένειες. Το SO 2 προκαλεί επίσης απώλεια της χλωροφύλλης στα πράσινα φυτά. Μια από τις κύριες επιπτώσεις των εκπομπών SO x είναι η όξινη απόθεση (όξινη βροχή, όξινο χιόνι). Η όξινη απόθεση έχει καταστρέψει τα υδρόβια οικοσυστήματα σε πολλές λίμνες στην Σκανδιναβία, στον Καναδά και στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η όξινη απόθεση έχει προκαλέσει ζημιές σε χιλιάδες εκτάρια δασών στην βόρεια Ευρώπη συμπεριλαμβανομένου του φημισμένου δάσους της Βαυαρίας στη Δυτική Γερμανία) καθώς και στη Βόρεια Αμερική και έχει διαβρώσει έργα τέχνης και οικοδομές στα βιομηχανικά κέντρα σε ολόκληρο τον κόσμο. 49

50 Οξείδια του θείου (3/4) Αν και έγινε πολύ συζήτηση για την ακριβή ποσοτική συσχέτιση μεταξύ των μειώσεων των εκπομπών SOx και μειώσεων της όξινης απόθεσης, μπορεί να υπάρξει κάποια μικρή αμφιβολία ότι ο έλεγχος των εκπομπών SOx είναι σημαντικός για τη μείωση του προβλήματος της όξινης βροχής. Οι Διατάξεις για την Όξινη Βροχή (Acid Rain Provision) του Νόμου για την Καθαρή Ατμόσφαιρα (Clean Air Act) του 1990 περιλαμβάνει ως σκοπό τη μείωση των εκπεμπόμενων SOx στις Η.Π.Α κατά 10 εκατομ. τόνους σε σχέση με τα επίπεδα του Ως αποτέλεσμα, εκτιμάται ότι η εγκατεστημένη δυναμικότητα εγκαταστάσεων αποθείωσης των αερίων καύσης στις Ηνωμένες Πολιτείες (νέες και εκσυγχρονισμένες) διπλασιάστηκαν περίπου από το 1990 έως το

51 Οξείδια του θείου (4/4) ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ Οι δύο βασικές προσεγγίσεις για τον έλεγχο των εκπομπών SOx είναι (1) απομάκρυνση του θείου από το καύσιμο πριν την καύση του, ή (2) απομάκρυνση του SO2 από τα καυσαέρια. Σε αυτές τις δύο συνολικά στρατηγικές, υπάρχουν εκατοντάδες μέθοδοι που έχουν ερευνηθεί και πληθώρα μεθόδων που έχουν παρουσιαστεί. 51

52 ΝΟx (1/5) ΓΙΑΤΙ ΕΝΔΙΑΦΕΡΕΙ? Όζον. Επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία από NO 2. Χρόνια έκθεση προκαλεί προβλήματα στους πνέυμονες NAAQS = ppm τον χρόνο Έντονη έκθεση προκαλεί ερεθισμό στα μάτια και το αναπνευστικό σύστημα και πνευμονική δυσλειτουργία ACGIH = 3 ppm for 8 hrs. Σχηματισμός σωματιδίων. Όξινη βροχή. 52

53 ΝΟx (2/5) ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΝΟx N 2 του αέρα δεν είναι τόσο αδρανές τελικά Θερμικά NO x Άμεσα NΟ x Καύσιμα περιέχουν N Υγρά καύσιμα % N και άνθρακας % N) Καυσίμου NO x 53

54 ΝΟx (3/5) ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕ SO 2 Και τα δύο SO x,no x αντιδρούν με οξυγόνο και νερό για τον σχηματισμό οξέων (θειικό-νιτρικό). Και τα δύο είναι κύρια συστατικά της όξινης βροχής. Και τα δύο απομακρύνονται με την βροχή. Οι εκπομπές και των δύο SO x,no x οδηγούν σε σχηματισμό σωματιδίων. Και τα δύο προκαλούν αναπνευστικά προβλήματα σε υψηλές δόσεις. Και τα δύο εκπέμπονται σχεδόν αποκλειστικά από την καύση. 54

55 ΝΟx (4/5) ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΜΕ SO 2 Οι εκπομπές από οχήματα είναι κύρια πηγή NO x,αλλά απίζουν μικρό ρόλο στις εκπομπές SO 2. Απομάκρυνση του S από το καύσιμο, περιορίζει τις εκπομπές SO 2 ενώ απομάκρυνση του Ν θα προκαλέσει μόνο 10-20% μείωση στις εκπομπές NO x. Οι εκπομπές των NO x μεταβάλλονται δραστικά με αλλαγή των συνθηκών καύσης (χρόνος, θερμοκρασία και περιεκτικότητα σε οξυγόνο), πράγμα που δεν ισχύει για τις εκπομπές SO 2. Πολύ δυσκολότερη η κατακράτηση ΝΟ στο νερό από αυτή των SO 2. 55

56 ΝΟx (5/5) ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΝΟ Χ Τροποποίηση συνθηκών καύσης. Μείωση θερμοκρασίας φλόγας. Μείωση του χρόνου παραμονής αερίου στην φλόγα. Μείωση της συγκέντρωσης οξυγόνου στην φλόγα. Επεξεργασία απαερίων. Καταλυτική αναγωγή. Μετατροπή του NO σε N 2. Πλυντρίδα υγρού καθαρισμού. 56

57 Βιβλιογραφία Έλεγχος Αέριας Ρύπανσης-Σχεδιασμός Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας, Cooper C. David,Alley F. C., ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. Βασικές αρχές αντιρρυπαντικής τεχνολογίας ατμοσφαιρικών ρύπων, Ραψομανίκης Σπύρος Χ., Καστρινάκης Ελευθέριος Γ., ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. 57

58 Τέλος μαθήματος

59 Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Μαρία Α. Γούλα. «ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 59

60 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 60

61 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 61