ΑΕΡΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ. Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

Transcript

1 ΑΕΡΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

2 Ατμοσφαιρικοί ρύποι σωματιδιακής φύσης Οι σκόνες (dusts) είναι μικρά στερεά σωματίδια, μεγέθους 1.0 έως 1000 μm, που δημιουργούνται από μεγαλύτερα με διεργασίες σύγκρουσης, κοσκινίσματος ή θραύσης. Οι αναθυμιάσεις (fumes) αποτελούνται από στερεά σωματίδια που δημιουργήθηκαν κατά την συμπύκνωση εξατμιζομένων στερεών το δε μέγεθός τους ποικίλει από 0.03 έως 0.3 μm. Ο καπνός (smoke) αποτελείται από στερεά σωματίδια άνθρακα που προέρχεται από την ατελή καύση οργανικών ενώσεων το δε μέγεθος τους ποικίλει από 0.5 έως 1.0 μm. Η ιπτάμενη τέφρα (fly ash) αποτελείται από μη καύσιμα σωματίδια που δημιουργήθηκαν κατά την καύση ορυκτού άνθρακα το δε μέγεθος τους ποικίλει από 1.0 έως 1000 μm. Η καταχνιά (mist) αποτελείται από πολύ μικρή διασπορά σταγονιδίων υγρού (0.07 έως 10 μm) στον αέρα που προέρχεται από συμπύκνωση ατμών του υγρού. Η συμπύκνωση της καταχνιάς δημιουργεί ομίχλη (fog).

3 διάμετρος Stokes (D p ) ή αεροδυναμική διάμετρος (D a ). D D a p 1/ p 2

4 Κατάταξη των σωματιδίων Η αιωρούμενη σωματιδιακή ύλη συντίθεται από σωματίδια έντονα διαφοροποιημένα ως προς το μέγεθος. Τα μικρότερα σε μέγεθος σωματίδια έχουν μέγεθος κάτω από 5nm σε διάμετρο και αποτελούνται μόνο από κάποιες δεκάδες μορίων. Αντιθέτως τα πιο μεγάλα σωματίδια έχουν μέγεθος έως και 100μm. (Σχήμα 2.1) Ολικά αιωρούμενα στερεά (TSP) Είναι ο όρος που δόθηκε στο σύνολο των αιωρούμενων στερεών σωματιδίων και σταγονιδίων. Τα TSP ποικίλουν γενικά σε μέγεθος από 0.01μm έως και μερικές εκατοντάδες μm. Ωστόσο τα σωματίδια εκείνα με μέγεθος άνω των 50μm έχουν την τάση να καθιζάνουν πολύ εύκολα. Τα ολικά αιωρούμενα σωματίδια διακρίνονται σε δύο τύπους σωματιδίων, τα οποία με τη σειρά τους ομαδοποιούνται σε επιμέρους κλάσματα.

5 Κατάταξη των σωματιδίων Τα λεπτόκοκκα (fine mode) Λεπτόκοκκα καλούνται τα σωματίδια με μέγεθος αεροδυναμικής διαμέτρου μέχρι 2.5μm. Τα χονδρόκοκκα (coarse mode) Χονδρόκοκκα καλούνται τα αιωρούμενα σωματίδια που έχουν αεροδυναμική διάμετρο, μεγαλύτερη των 2.5μm. Παράγονται συνήθως με μηχανικούς τρόπους.

6 Ιδανική κατανομή αιωρούμενων σωματιδίων εξωτερικής ατμόσφαιρας, κατά μέγεθος

7 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΔΙΕΙΣΔΥΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟ Στα εισπνεύσιμα σωματίδια (inhalable particles) Εισπνεύσιμα σωματίδια είναι τα αιωρούμενα σωματίδια που εισέρχονται στο ανώτερο σύστημα της αναπνευστικής οδού (ρινοφάρυγγας). Αυτό το κλάσμα των ολικών σωματιδίων περιλαμβάνει σωματίδια με διαμέτρους μικρότερες από 10μm (PM10), καθώς η μεγάλη πλειοψηφία των σωματιδίων με διαμέτρους μεγαλύτερες από 10μm κατακρατούνται στην στοματική και τη ρινική κοιλότητα.

8 Στα θωρακικά σωματίδια (thoracic particles) ΡΜ10 Θωρακικά σωματίδια καλείται το κλάσμα των ΡΜ10 που καταφέρνουν να διαπερνούν το ανώτερο τμήμα της αναπνευστικής οδού (ρινοφάρυγγας). Θεωρείται ότι έχουν μέγεθος μικρότερο των 7μm. Στα αναπνεύσιμα σωματίδια (respirable particles ) ΡΜ2.5 Το κλάσμα με μέγεθος αεροδυναμικής διαμέτρου έως περίπου 2.5μm είναι το πιο σημαντικό από άποψη επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία. Τα σωματίδια αυτά καταφέρνουν γενικά να διεισδύσουν έως τα βάθη των πνευμόνων και γι αυτό καλούνται αναπνεύσιμα.

9 Ο αυστηρός ορισμός των PM10 όπως τον αναφέρει η ΕΕ στις σχετικές οδηγίες της είναι : ΡΜ10 νοούνται τα σωματίδια που διέρχονται δια στομίου επιλεγέντος μεγέθους το οποίο συγκρατεί το 50% των σωματιδίων αεροδυναμικής διαμέτρου 10μm. Tα PM2.5 ταυτίζονται με την κατηγορία των αναπνεύσιμων σωματιδίων και θεωρείται ότι έχουν διάμετρο έως και 2.5 μm. Ο αντίστοιχος ορισμός της ΕΕ για τα ΡΜ2.5 είναι: ΡΜ2.5 νοούνται τα σωματίδια που διέρχονται δια στομίου επιλεγέντος μεγέθους το οποίο συγκρατεί το 50% των σωματιδίων αεροδυναμικής διαμέτρου 2.5μm.

10 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η ρύπανση από τα αιωρούμενα σωματίδια δημιουργεί σοβαρά προβλήματα στο περιβάλλον και στην ανθρώπινη υγεία, ενώ έχει και το πρόσθετο χαρακτηριστικό ότι είναι ορατή με γυμνό μάτι. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες οι έρευνες ξεχώρισαν το κλάσμα σωματιδίων PM10 ως το πιο επικίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία. Αποτελούν εκείνο το κλάσμα των σωματιδίων που απεδείχθη ότι κατά κύριο λόγο εισέρχεται στο αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου για το λόγο αυτό καλούνται και «εισπνεύσιμα». Τα τελευταία χρόνια όμως δίνεται ιδιαίτερη προσοχή και σε ένα ακόμα πιο μικρό, και πιο επικίνδυνο (για τον άνθρωπο), κλάσμα σωματιδίων, τα PM2.5. Τα PM2.5 καλούνται και «αναπνεύσιμα» και έχουν τη δυνατότητα να διεισδύσουν σε μεγάλο βάθος του αναπνευστικού συστήματος, έως τις κυψελίδες των πνευμόνων.

11 Οι ερευνητές του δικτύου Aphekom μελέτησαν τα επίπεδα και τις επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε 25 πόλεις, ανάμεσα τους και η Αθήνα, με συνολικά 39 εκατ. κατοίκους. Μόνο στη Στοκχόλμη τα μικροσωματίδια δεν υπερέβαιναν τα 10 μικρογραμμάρια ανά κυβικό μέτρο αέρα, που συνιστά η Παγκόσμια Οργάνωση Υγείας. Τα υψηλότερα επίπεδα καταγράφηκαν στο Βουκουρέστι (38,2 μικρογραμμάρια), στη Βουδαπέστη (33,7 μικρογραμμάρια) και στη Βαρκελώνη (27 μικρογραμμάρια ανά κυβικό μέτρο). Τα μεγαλύτερα εργοστάσια και μονάδες ηλεκτροπαραγωγής στην Ευρώπη προκάλεσαν βλάβες στην υγεία και περιβαλλοντικά προβλήματα της τάξης των 102 με 169 δισεκατομμυρίων ευρώ. Το κόστος ανά κάτοικο ανέρχεται στα 200 με 300 ευρώ. Στις κυριότερες επιπτώσεις στην υγεία λόγω της ατμοσφαιρικής ρύπανσης συγκαταλέγονται τα αναπνευστικά προβλήματα και τα καρδιακά νοσήματα. Αξίζει να αναφερθεί ότι η ηλεκτροπαραγωγή ήταν ο μεγαλύτερος παράγοντας για τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν, προκαλώντας οικονομικές ζημιές που φτάνουν τα 112 δισεκατομμύρια ευρώ. Επισημαίνεται μάλιστα ότι το 75% των συνολικών οικονομικών ζημιών, που οφείλονται στην απελευθέρωση αέριων ρυπαντών όπως τα βαρέα μέταλλα και τα αέρια του θερμοκηπίου, προκλήθηκε από τη λειτουργία μόνο 622 μονάδων.

12 Ατμοσφαιρικοί ρύποι αέριας φύσης Οι οργανικοί αέριοι ρύποι αποτελούνται από οργανικές ενώσεις όπως π.χ. ακρυλονιτρίλιο, βενζόλιο, φορμαλδεϋδη, πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες (PAHs) Οι φυσικοί οργανικοί ρύποι είναι αυτοί που παράγονται από βιολογικές δραστηριότητες Οι συνθετικοί οργανικοί ρύποι προέρχονται από μη βιολογικές παραγωγικές δραστηριότητες οι ανόργανοι αέριοι ρύποι αποτελούνται από ανόργανες ενώσεις όπως π.χ. CO, CO 2, NO, NO 2, Η 2 S ή SO 2 Πρωτογενείς ρύποι είναι αυτοί που εκπέμπονται απ ευθείας από την πηγή Δευτερογενείς ρύποι δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα μετά την εκπομπή τους από την πηγή

13 Αέριοι ατμοσφαιρικοί ρύποι Ανόργανα οξείδια: CO, CO 2, NO 2, SO 2 Οξειδωτικά: O 3 Αναγωγικά : CO, SO 2, H 2 S, NH 3 Οργανικές ενώσεις: CH 4, αλκάνια, αλκένια, κυκλικοί υδρογονάνθρακες Φωτοχημικά ενεργές ενώσεις: NO 2, φορμαλδεϋδη. Οξέα: H 2 SO 4, HNO 3 Μη σταθερές ενώσεις: ηλεκτρονικά διεγερμένο ΝΟ 2, ΗΟ

14 ρύποι-κριτήρια ατμοσφαιρικής ποιότητας - το μονοξείδιο του άνθρακα - το διοξείδιο του αζώτου -το όζον -το διοξείδιο του θείου - τα αιωρούμενα σωματίδια ΡΜ 10 και ΡΜ 2.5 -ο μόλυβδος

15 Πρότυπα επιτρεπτά όρια συγκεντρώσεων των ρύπων-κριτηρίων στον ατμοσφαιρικό αέρα Ρύπος Μέση διάρκεια Επιτρεπτά όρια Επιπτώσεις CO 8 h 10 mg/m 3 (9 ppm) Δημιουργία καρβοξυαιμοσφαιρίνη 1 h 40 mg/m 3 (35 ppm) στο αίμα NO 2 Ετήσια 100 μg/m 3 (0.053 ppm) O 3 1h 235 μg/m 3 (0.12 ppm) Προβλήματα στην αναπνοή και στην ατμοσφαιρική ορατότητα Ερεθισμός στα μάτια και δυσκολίες στην αναπνοή SO 2 Ετήσια 80 μg/m 3 (0.03 ppm) Προβλήματα στο αναπνευστικό σύστημα, στα φυτά και στις κατασκευές PM h 65μg/m 3 Προβλήματα στην υγεία Ετήσια 50 μg/m 3 και στην ατμοσφαιρική ορατότητα Pb 24 h 150μg/m 3 Προβλήματα υγείας 3 μήνες 50 μg/m 3

16 απορρόφηση του μονοξειδίου του άνθρακα από την αιμοσφαιρίνη εμπειρική σχέση Masters %HbCO CO 0.85 αt %HbCO Επιπτώσεις στην συμπεριφορά και την υγεία < 1.0 Καμία εμφανή επίπτωση Σημειώνονται κάποιες μεταβολές στη συμπεριφορά των ατόμων Απώλεια αίσθησης χρόνου, οπτικής οξυδέρκειας, οπτικής φωτεινότητας καθώς και ελάττωση άλλων ψυχοκινητικών λειτουργιών. >4.5 Κίνδυνος καρδιακών και πνευμονικών επεισοδίων Πονοκέφαλοι, κόπωση, υπνηλία, πτώση σε κώμα, βλάβες στην αναπνοή και θάνατος

17 % συμμετοχή των διαφόρων πηγών ρύπανσης στην αέρια ρύπανση των ανεπτυγμένων χωρών Πηγές Σωματίδια SO x NO x VOC s CO Pb Μεταφορές Σταθερές πηγές καύσης Βιομηχανικές διεργασίες Διάθεση στερεών αποβλήτων Διάφορες άλλες

18 12 10 > Τόνοι αερίων θερμοκηπίου/κάτοικο/έτος Αθήνα Αμβούργο Τορίνο Λονδίνο Πράγα Γενεύη Βρυξέλλες Ελσίνκι Μαδρίτη Στα αστικά κέντρα, που φιλοξενούν το 50% του παγκόσμιου πληθυσμού, παράγεται το 71% των αερίων του θερμοκηπίου. Τόκιο Βαρκελώνη Σεούλ Μπουένος Άιρες Στοκχόλμη Όσλο Ρίο ντε Τζανέϊρο

19 ΑΕΡΙΑ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

20 Στατικοί διαχωριστές ή θάλαμοι καθίζησης με βαρύτητα Αποτελεί μία απλή διάταξη διαχωρισμού σωματιδίων λόγω βαρύτητας. Με αύξηση της διατομής ροής του αερίου, η ταχύτητα του ελαττώνεται έτσι επιτυγχάνεται κατακρύμνηση των βαρύτερων αιωρούμενων σωματιδίων. Χρησιμοποιούνται για απομάκρυνση σωματιδίων μεγέθους >50μm και για μέγιστη ταχύτητα ροής του αερίου 3 m/sσε ένα εύρος συγκεντρώσεων από 1 έως 100 g/m 3. Η απόδοση τους στην απομάκρυνση σωματιδίων με διάμετρο μεγαλύτερη των 50 μm ανέρχεται σε 90 % σε ποσοστό σωματιδίων αλλά κάτω από 50% σε ποσοστό βάρους Στα πλεονεκτήματά τους εντάσσονται ο απλός σχεδιασμός, κατασκευή και λειτουργία τους, η μικρή πτώση πίεσης του διερχομένου αερίου και η δυνατότητα επανάκτησης της συγκρατούμενης σκόνης ενώ στα μειονεκτήματα εντάσσονται η απαίτηση για μεγάλο χώρο και η μικρή απόδοση συλλογής της σκόνης. Χρησιμοποιούνται συνηθως ως προ-επεξεργασία για την προστασία πιό ευαίσθητων συστημάτων επεξεργασίας που ακολουθούν σε σειρά. Εφαρμόζεται σε διεργασίες θραύσης και άλεσης. Η κατανάλωση ισχύος ανέρχεται σε 5.3 kw/1000 m 3 /min.

21 Αεριοκυκλώνες ΑΕΡΙΟ ΣΚΟΝΗ ΑΕΡΙΟ + ΣΚΟΝΗ ΑΕΡΙΟ + ΣΚΟΝΗ Δοχείο συλλογής σκόνης Είναι απλές φυγοκεντρικές διατάξεις διαχωρισμού των αιωρούμενων σωματιδίων από μία αέρια παροχή. Αποτελούνται από ένα κυλινδρικό δοχείο όπου το αέριο εισέρχεται εφαπτομενικά με ταχύτητα m/s. Βασική παράμετρος σχεδιασμού του αποτελεί η διάμετρος των σωματιδίων d 50 η οποία ορίζεται ως η θεωρητική διάμετρος που διαιρεί το σύνολο των αιωρούμενων σωματιδίων του αερίου αριθμητικά σε δύο ίσα κατά βάρος μέρη. Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση σωματιδίων μεγέθους 5-25 μm και για ένα εύρος συγκεντρώσεων από 2.5 έως 100 g/m 3.Η απόδοση τους, για σωματίδια με λόγο διαμέτρου d p /d 50 >3, ανέρχεται σε ποσοστό πάνω από 90%. Στα πλεονεκτήματά εφαρμογής τους εντάσσεται ο απλός σχεδιασμός τους, η απλή κατασκευή και λειτουργία τους, η μικρή έως μέτρια πτώση πίεσης του διερχόμενου αερίου και ο μη επηρεασμός τους από την θερμοκρασία του αερίου.

22 Αεριοκυκλώνες Συλλέκτης Πολλαπλών Αεριοκυκλώνων Μικρής διαμέτρου Στα μειονεκτήματα τους εντάσσεται η μικρή απόδοσή τους όσον αφορά τον διαχωρισμό της λεπτής σκόνης και ο επηρεασμός της απόδοσης στις μεταβολές της συγκέντρωσης της σκόνης και της παροχής των απαερίων.η απόδοση των κυκλώνων αυξάνει με την αύξηση της διαμέτρου των σωματιδίων και της πυκνότητάς τους, με την αύξηση της ταχύτητας εισόδου τους, με την ελάττωση της πυκνότητας του αερίου ρεύματος, με την ελάττωση της διαμέτρου του κυκλώνα και με την διαβροχή των τοιχωμάτων του κυκλώνα (υγροί κυκλώνες). Όμως όλοι οι παράγοντες που αυξάνουν την απόδοση του κυκλώνα αυξάνουν ταυτόχρονα και την πτώση πίεσης του διερχομένου απαερίου. Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται για τον πρωτογενή καθαρισμό απαερίων πριν τον τελικό καθαρισμό τους σε συστήματα υψηλής απόδοσης (π.χ. ηλέκτροφιλτρα). Για μεγάλες παροχές χρησιμοποιούνται συστοιχίες κυκλώνων σε παράλληλη σύνδεση όμως η απόδοσή τους μειώνεται πολύ όταν η συγκέντρωση των σωματιδίων στα απαέρια είναι μικρότερη από 2.5 g/m 3. Η κατανάλωση ισχύος ανέρχεται σε 52.7 kw/1000 m 3 /min.

23 Μέθοδος Θάλαμοι καθίζησης Μέγεθος Σωματιδίων (μm) Απόδοση (%) Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα > 50 < 50 Χαμηλό κόστος Μέτριας αποτελεσματικότητας, ιδιαίτερα για μικρά σωματίδια Κυκλώνες Χαμηλό κόστος κεφαλαίου Λειτουργία και σε υψηλές θερμοκρασίες Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης καθώς δεν περιλαμβάνουν κινητά τμήματα Χαμηλές αποδόσεις Υψηλό κόστος λειτουργίας λόγω της υψηλής πτώσης πίεσης

24 Σχεδιασμός Αεριοκυκλώνων

25 Βασική παράμετρος σχεδιασμού (Εξίσωση Lapple) d 50 η διάμετρος των σωματιδίων που κατακρατούνται με απόδοση 50% (m), b το ιξώδες των αερίων αποβλήτων (kg/m-s), η διάμετρος της εισόδου του κυκλώνα (m), N e ο αριθμός των περιδινήσεων στον εξωτερικό έλικα του κυκλώνα, u i η ταχύτητα εισόδου των αερίων αποβλήτων (m/s) και p η πυκνότητα των στερεών σωματιδίων (kg/m 3 ).

26 Απόδοση κατά Theodore - DePaola: n j 1 (d 1 50 /d pj ) 2 ολική απόδοση του κυκλώνα: n o n j m j όπου n o m j η ολική απόδοση του κυκλώνα και το ποσοστό, κατά βάρος, των σωματιδίων συγκεκριμένης ομάδας.

27 Σχεδιαστικές παράμετροι του κυκλώνα: h =h+l 3 Διάμετρος κυκλώνα D L 1 Μήκος κυλίνδρου L 1 = 2D Μήκος κώνου L 2 = 2D Διάμετρος εξόδου D e = D/2=h Ύψος εισόδου h = D/2 = L 1 +L 2 Διάμετρος εισόδου (πλάτος) b=d/4=l 3 =D d Διάμετρος εξόδου σωματιδίων D d = D/4=b=L 3 Μήκος αγωγού εξόδου των απαερίων L 3 +h = 5D/8 Αριθμός περιδινήσεων N e = (L 1 + L 2 /2)/h D d

28 Αδιάστατες σχεδιαστικές παράμετροι για κυκλώνες εφαπτομενικής εισόδου

29 Πτώση πίεσης

30

31 Άσκηση Λύση

32 Αεριοσυπιεστής Venturi Σακκόφιλτρα Έξοδος καθαρού αερίου Συλλογή σκόνης Εισαγωγή ρυπασμένου αερίου Σακκόφιλτρα παλμικών ακροφυσίων Πρόκειται για διατάξεις διήθησης αερίων μέσω υφασμάτινων ινών που χρησιμοποιούνται για την ξηρή απομάκρυνση σωματιδίων και παρουσιάζουν υψηλή απόδοση της τάξης του 99% ενώ μπορούν να συγκρατήσουν σωματίδια διαμέτρου μέχρι και 1 μm. Εφαρμόζονται, ως 2 ο στάδιο απομάκρυνσης σωματιδίων μετά από κυκλώνες, σε διεργασίες διακίνησης υλικών, θραύσης ή άλεσης ή λειοτρίβησης στερεών α υλών, επικάλυψης και φινιρίσματος τελικών προϊόντων, για πνευματική μεταφορά α υλών και προϊόντων καθώς και σε απαέρια κλιβάνων και ξηραντήρων. Για την καλή λειτουργία τους πρέπει η παροχή του αερίου να είναι από 0.6 έως 1.5 m 3 για κάθε min και για κάθε m 2 υφάσματος ενώ η ταχύτητα διέλευσης του αερίου πρέπει να κυμαίνεται από 0.5 έως 3 m/min.

33 Μηχανισμός τινάγματος των σάκκων Σακκόφιλτρα Έξοδος καθαρού αερίου Εισαγωγή ρυπασμένου αερίου Συλλογή σκόνης Σακκόφιλτρα τινάγματος Κυλινρικα σακκόφιλτρα Έξοδος καθαρού αερίου Εισαγωγή ρυπασμένου αερίου Στην απόδοση τους επιδρά ο τύπος των ινών του υφάσματος, ό τρόπος ύφανσης (πλέξη ή τσόχα) ο τρόπος καθαρισμού τους (παλμικών ακροφυσίων ή τινάγματος) καθώς και η θερμοκρασία του αερίου. Ανάλογα με την ευκολία απομάκρυνσης του στρώματος της σκόνης η πτώση πίεσης του διερχόμενου αερίου κυμαίνεται από mm H 2 O. Συνήθως το υλικό κατασκευής του υφάσματος αποτελείται από βαμβάκι ή μαλλί ή συνθετικά πολυμερή όπως modacrylic (dynel), polypropylene, acrylic (orton), nylon polyamide (nylon 6 ή 66) polyester (Dacron, Creslan), nylon aromatic (Nomex) και fluorocarbon (teflon TFE). Η κατανάλωση ισχύος ανέρχεται σε 39.5 kw/1000 m 3 /min.

34 Μέθοδος Μέγεθος Σωματιδίων (μm) Απόδοση (%) Πλεονεκτήματα Σακκόφιλτρα < 1 > 99 Εξαιρετικά υψηλή απόδοση, ακόμα και για πολύ μικρά σωματίδια Κατάλληλα για πολλά διαφορετικά είδη σκόνης Σχεδιαστική διαρρύθμιση που επιτρέπει την επεξεργασία αερίων ρευμάτων ευρείας κλίμακας ογκομετρικής παροχής Σχετικά χαμηλές πτώσεις πίεσης Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος Μεγάλες απαιτήσεις χώρου Λειτουργία μόνο σε συνθήκες ξηρασίας Ευαισθησία των υφασμάτων έναντι υψηλών θερμοκρασιών και παρουσίας διαβρωτικών χημικών ουσιών Κίνδυνος φωτιάς ή έκρηξης

35

36 Σχεδιασμός Σακκόφιλτρων

37

38 Μέγιστες ταχύτητες φιλτραρίσματος για σακκόφιλτρα τινάγματος (Shaker) και αναστροφής αέρα (Reverse Air)

39 Μέγιστες ταχύτητες φιλτραρίσματος για σακκόφιλτρα με παλμικά ακροφύσια (Pulse-Jet)

40 Πτώση πίεσης K N min m (Calvert)

41 Αριθμός διαμερισμάτων συναρτήσει της καθαρής επιφάνειας υφάσματος

42 Άσκηση Υπολογίστε την απαιτούμενη επιφάνεια υφάσματος συστήματος σακκόφιλτρων τινάγματος (Shaker), το οποίο επεξεργάζεται 1100m 3 /min αέρα που περιέχει σκόνη βιομηχανικής αλεύρου. Καθορίστε επίσης τον αριθμό των διαμερισμάτων καθώς και τον αριθμό των σάκων που χρειάζονται, εάν γνωρίζετε ότι κάθε σάκος έχει μήκος 2,4m και διάμετρο 0,15m. Λύση Η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα φιλτραρίσματος για τα σακκόφιλτρα τινάγματος στην περίπτωση αλεύρου είναι: v = 0,76m/min Επομένως, η καθαρή επιφάνεια του υφάσματος του φίλτρου ισούται με: A = Q/v = (1100m 3 /min)/(0,76m/min) = 1447m 2 Για 1447m 2 καθαρή επιφάνεια υφάσματος, επιλέγεται η χρήση 5 διαμερισμάτων, με 290m 2 στο καθένα. Η επιφάνεια κάθε σάκου ισούται με: Άρα, ο απαιτούμενος αριθμός σάκων είναι: Tοποθετoύμε 256 σάκους σε κάθε διαμέρισμα. π d l= π 0,15m 2,4m = 1,13m 2 N=(1447m 2 )/(1,13m 2 ) = 1280 σάκοι

43 Ηλεκτρ όδια υψηλής τά σ ης Ηλεκτροστατικά φίλτρα ή Ηλεκτρόφιλτρα Έξοδ ος καυσα ερίων Είσοδο ς καυ σα ερίω ν Πλά κες συλλογ ής σω μα τιδ ίων Βαρίδια η λεκτροδ ίων Πρόκειται για διατάξεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση σωματιδίων διαμέτρου μέχρι 0,1 μ με απόδοση 95-99%. Στις διατάξεις αυτές τα αέρια διοχετεύονται σε ιονισμένο πλέγμα όπου τα μόρια της σκόνης και τα σταγονίδια φορτίζονται θετικά και έλκονται από τις αντίθετα φορτισμένες εκατέρωθεν πλάκες. Τα υλικά που συγκρατούνται, συλλέγονται σε υποδοχείς και απομακρύνονται περιοδικά. Οι απομακρυνόμενοι ρύποι μπορεί να είναι σκόνη, ελαιώδες νέφος ατμοσφαιρικού αέρα, ιπτάμενη τέφρα, πίσσα και όξινη ομίχλη.

44 Ηλεκτροστατικά φίλτρα ή Ηλεκτρόφιλτρα Εφαρμόζονται, ως 2 ο στάδιο απομάκρυνσης σωματιδίων μετά από κυκλώνες, σε διεργασίες διακίνησης υλικών κατά την οποία παράγεται λεπτόκκοκη σκόνη καθώς και σε απαέρια κλιβάνων και ξηραντήρων υψηλής θερμοκρασίας. Η απόδοσής τους επηρεάζεται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πλακών συλλογής, την μεταξύ τους απόσταση, την ταχύτητα διέλευσης των απαερίων, την ταχύτητα παράσυρσης των σωματιδίων που έχουν επικαθήσει στις πλάκες, την εφαρμοζόμενη τάση, την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, το ρεύμα Corona, την παροχή του αερίου, την πίεση και την θερμοκρασία του αερίου, την συγκέντρωση (<0.1 g/m 3 για χαμηλή τάση και 1-2 g/m 3 για υψηλή τάση) το ειδικό βάρος και την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων καθώς και την ηλεκτραγωγιμότητα των σωματιδίων (10 7 έως Ohms/cm). Στα πλεονεκτήματα εφαρμογής των ηλεκτρόφιλτρων αναφέρονται: η ικανότητά τους να συγκρατούν πολύ μικρών διαστάσεων σωματίδια, την συλλογή ξηράς σκόνης από την οποία μπορούν να ανακτηθούν προϊόντα και παραπροϊόντα, μπορούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες μέχρι και 535 o C, μπορούν να επεκταθούν εύκολα, να συνεργαστούν με άλλες μονάδες αντιρρύπανσης, έχουν χαμηλή πτώση πίεσης του διερχόμενου αερίου (13 mm H 2 O περίπου) και έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος. Το μειονέκτημα των διατάξεων αυτών είναι το υψηλό κόστος εγκατάστασης και σχετικά σημαντικό κόστος λειτουργίας λόγω ενεργειακής κατανάλωσης. Η κατανάλωση ισχύος ανέρχεται σε 26.3 kw/1000 m 3 /min.

45 Μέθοδος Μέγεθος Απόδοση Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Σωματιδίων (%) (μm) Ηλεκτρόφιλτρα < Επεξεργασία μεγάλου όγκου αερίων με μικρή πτώση πίεσης Πολύ υψηλές αποδόσεις ακόμα και για πολύ μικρά σωματίδια Δυνατότητα ξηρής συλλογής χρήσιμων υλών ή υγρής συλλογής αιθάλης και ομίχλης Λειτουργία σε ευρεία κλίμακα θερμοκρασιών Χαμηλό κόστος λειτουργίας, όταν δεν απαιτείται πολύ υψηλή απόδοση Υψηλό κόστος κεφαλαίου Σχετικά άκαμπτα σε αλλαγές των συνθηκών λειτουργίας Μη δυνατότητα ελέγχου αέριων ρύπων Μεγάλες απαιτήσεις χώρου Πιθανότητα αποτυχίας στην περίπτωση σωματιδίων με πολύ υψηλή ηλεκτρική αντίσταση

46 Σχεδιασμός Ηλεκτροστατικών Φίλτρων

47 Η απόδοση ενός ηλεκτρόφιλτρου δίνεται από την εξίσωση Anderson-Deutsch: όπου n η απόδοση του ηλεκτρόφιλτρου, Q ο ρυθμός ροής των αερίων αποβλήτων (m 3 /s), A η επιφάνεια των ηλεκτροδίων συλλογής (m 2 ) v p,ορ η οριακή ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων προς τα ηλεκτρόδια συλλογής (m/s). όπου: q το φορτίο των σωματιδίων (C), R η ακτίνα των σωματιδίων (m), V το δυναμικό του πεδίου (V/m) και μ το ιξώδες των αερίων αποβλήτων (kg/m/s).

48 Πραγματικές ταχύτητες κίνησης σωματιδίων προς τα ηλεκτρόδια σε ηλεκτροστατικά φίλτρα.

49 Τυπικές τιμές των παραμέτρων σχεδιασμού ηλεκτροστατικού φίλτρου κατακράτησης ιπτάμενης τέφρας.

50 Άσκηση Ένα ηλεκτροστατικό φίλτρο πρόκειται να εγκατασταθεί για την απομάκρυνση αιωρούμενων σωματιδίων από τα αέρια απόβλητα μονάδας παραγωγής τσιμέντου, η οποία εκπέμπει με ρυθμό 50m 3 /s. Η ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων προς τα ηλεκτρόδια συλλογής υπολογίζεται ίση με 0,12m/s. Να υπολογιστεί η απαιτούμενη επιφάνεια συλλογής του ηλεκτροστατικού φίλτρου (α) για απόδοση 90%, και (β) για απόδοση 99%. Η απόδοση δίνεται από την εξίσωση Anderson-Deutsch: n 1 e v p, Q A (α) Για n = 90%, με αντικατάσταση έχουμε: Λύση 0,90 1 e 0,12A 50 0, 12 A 50 ln(1 0,90) A 50 ln(0, 10) 0, ,7 ln(0 1, ) 2 959m (β) Για n = 99%, με αντικατάσταση έχουμε 0,99 1 e 0,12A 50 A 50 ln(0,01) 0, 12 0, 12 A 50 ln(1 0,99) 416,7 ln(0,01) 1919m m 2

51 Βαλβίδα ευθυγράμισης Καθαρισμένο αέριο Εισαγωγή ρυπασμένου αερίου Καθαρισένο αέριο Mist eliminator Πλυντρίδες (spray scrubbers) Καθαρισένο αέριο Ανακλαστικος δίσκος Μηχανισμός δημιουργίας σπρέϋ Εφαπτόμενη εισαγωγή του αερίου Εισαγωγή νερού Venturi Λαιμός Διαχωρισμός υγρού/αερίου Mist eliminator Νερό ανακύκλωσης Ρυθμιζομενο φράγμα Αγωγός εισαγωγης Εισαγωγή ρυπασμένου αερίου Απόβλητο προς δεξαμενή καθίζησης και ανακύκλωση Εξαγωγή υγρού Εισαγωγή νερού αποβλήτου Πλυντρίδα τύπου κυκλώνα Παροχή νερού: L/m 3 Απόδοση 80% για d=1 μm Απόβλητο προς δεξαμενή καθίζησης και ανακύκλωση Πλυντρίδα τύπου venturi Παροχή νερού: L/m 3 Απόδοση 90% για d= 1μm Κάθετος πύργος ψεκασμού Παροχή νερού: L/m 3 Απόδοση 80% για d>10μm

52 Πλυντρίδες (spray scrubbers) Πλυντρίδα με πληρωτικό υλικό Παροχή νερού: L/m 3 Απόδοση 80% για d= 1-10μm ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΡΥΠΑΣΜΕΝΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 3ο ΣΤΑΔΙΟ Υγρό απόβλητο Δοχείο Γ Αντλία Mist eliminator 2ο ΣΤΑΔΙΟ Δοχείο Β 1ο ΣΤΑΔΙΟ Αντλία Δοχείο Α Καθαρό νερό Αντλία Πολυβάθμιος οριζόντιος πύργος ψεκασμού Παροχή νερού: L/m 3 Απόδοση 80% για d>10μm ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΕΡΙΟΥ Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου έναντι των σακκόφιλτρων και των ηλεκτρόφιλων είναι: η παράλληλη απομάκρυνση και αέριων ρύπων (βλέπε συστήματα προσρόφησης), το μικρό απαιτούμενο μέγεθος των εγκαταστάσεων, την αποτελεσματικότητά τους για μεγάλο εύρος φορτίσεων, το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησής τους καθώς και το γεγονός ότι η λειτουργία τους δεν επηρεάζεται από την υγρασία του αερίου καθώς και από την τοξικότητά του. Οι πύργοι καταιονισμού έχουν μία κατανάλωση ισχύος που ανέρχεται σε 19.8 kw/1000 m 3 /min ενώ οι πύργοι πλύσεως τύπου venture καταναλώνουν 158 kw/1000 m 3 /min.

53 Έξοδος νερού Ρύποι και νερό απορρίπτονται περιφεριακά Έξοδος αερίου Σπρέϋ νερού Μηχανική φυγοκεντρική Πλυντρίδα Παροχή νερού: L/m 3 πόδοση 96% για d= 2-10μm Είσοδος αερίου Είναι διατάξεις συγκράτησης των αιωρούμενων σωματιδίων που περιέχονται σε μία αέρια ροή και βασίζονται στη βεβιασμένη διέλευση, κατ αντιρροή, του αερίου μέσα από σπρέϋ νερού. Από τις διατάξεις αυτές μπορούν να απομακρυνθούν σωματίδια και σταγονίδια ελαίου μεγέθους μικρότερου των 10 μm. Εφαρμόζεται σε αέριες εκπομπές ρύπων που προέρχονται από διεργασίες μεταφοράς υλικών, ανάμιξης, κοσκίνισης, ζύγισης ενσάκκισης, θραύσης, άλεσης, λειοτρίβησης και καύσης οργανικών σε κλιβάνους. Σπάνια χρησιμοποιείται σε εκπομπές πνευματικής μεταφοράς υλικών. Παράγοντες που επιδρούν στην λειτουργία τους είναι η γεωμετρική μέση κατά βάρος διάμετρος των σωματιδίων (d 50 ), η συγκέντρωση των σωματιδίων στην παροχή του αερίου (1-100 g/m3), η παροχή και θερμοκρασία του αέριου ρεύματος καθώς και η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Εφαρμόζεται συνήθως σαν 2 ο στάδιο απομάκρυνσης των σωματιδίων όπου το 1 ο στάδιο είναι συνήθως οι αεριοκυκλώνες. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πληντρίδων με διαφορετικές απαιτήσεις σε νερό ψεκασμού και αποδόσεις όπως παρουσιάζονται στα σχηματικά διαγράμματα.

54 Μέθοδος Μέγεθος Απόδοση Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Σωματιδίων (%) (μm) Υγροί καθαριστήρες (α) Πύργοι ψεκασμού (β) Υγροκυκλώνες (γ) Venturi > 10 > 2.5 > 0.5 < 80 < 80 < 99 Υψηλές αποδόσεις Ταυτόχρονη κατακράτηση και μέρους των αέριων ρύπων Επεξεργασία εύφλεκτης και εκρηκτικής σκόνης σχετικά ακίνδυνα Δυνατότητα επεξεργασίας ομιχλών Ταυτόχρονη ψύξη των θερμών αερίων Εξουδετέρωση διαβρωτικών αερίων και σκόνης Πολύ υψηλό κόστος λειτουργίας λόγω της υψηλής πτώσης πίεσης Απαίτηση για διάθεση της υγρής λάσπης που παράγεται Κίνδυνος καταστροφών από διάβρωση Απαίτηση για προστασία απέναντι σε φαινόμενα ψύξης. Πιθανόν τα απαέρια να χρειαστούν θέρμανση προς αποφυγή δημιουργίας ορατού πλουμίου Πιθανή μόλυνση των συλλεγόμενων σωματιδίων με αποτέλεσμα να μην είναι ανακυκλώσιμα Προβλήματα μόλυνσης από το παραγόμενο υγρό

55 Διάμετρος Σωματιδίων σε Microns Rosin Smoke Ε ί δ ο ς Σ ω μ α τ ι δ ί ω ν X-Rays Oil Smoke Fly Ash Tobacco Smoke Coal Dust Metallurgical Dust Ammonium Chloride Cement Dust Carbon Black Pulverize Coal Paint Pigments Insecticide Dust Viruses Pollen Aitken Nuclei Milled Flour Alkali Fume Zinc Oxide Fume Sand Mist Smog Fog Bacteria Human Hair Rain S ettling chamber Lar ge cyclones Φ mm cyclones cyclones to Φ 1000 m m wet scrubbers bag filters fibre filters (pads) wet scrubbers (venturi) paper fi lter Ηλεκτροστατικά Φ ίλτρα