ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ

Transcript

1 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ

2 Μέθοδοι Ελέγχου Μηχανικοί διαχωριστές: βαρυτική καθίζηση (gravity settler), κυκλώνες (cyclone) [σχετικά φθηνοί, χαµηλή απόδοση] Σακόφιλτρα (fabric filter, baghouse) [δαπανηροί, υψηλή απόδοση] Ηλεκτροστατικοί κατακρηµνιστές (electrostatic precipitator ηλεκτροστατικά «φίλτρα») [δαπανηροί, υψηλή απόδοση, όχι ευέλικτοι] Πλυντρίδες υγρού καθαρισµού (wet scrubbers) [δαπανηρές, υψηλή απόδοση, παραγωγή λάσπης] N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 2/43

3 Παράγοντες που επιδρούν στην επιλογή της Τεχνολογίας Ελέγχου Συγκέντρωση σωµατιδίων (και η διακύµανσή της ή της παροχής) Χαρακτηριστικά σωµατιδίων (µέγεθος, σχήµα, πυκνότητα) Χηµικές και φυσικές ιδιότητες (αν φορτίζονται µε στατικό ηλεκτρισµό, εκρηκτικά, κολλώδη) Υγροσκοπικότητα Τοξικότητα (απαιτείται αρνητική πίεση) Θερµοκρασία αέριου ρεύµατος Βαθµός απόδοσης - Κόστος N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 3/43

4 Επιλογή συστήµατος συλλογής* Πηγή σωµατιδίων Ναι Είναι Είναι τα τα ΑΣ ΑΣ κολλώδη κολλώδη ή ή µε µε υγρασία; υγρασία; Όχι --Υγρές Υγρές Πλυντρίδες -(Υγροί) Ηλεκρ. Ηλεκρ. Κατ. Κατ. Ναι Είναι Είναι τα τα ΑΣ, ΑΣ, αέρια αέρια ή ή ατµοί ατµοί εκρηκτικοί εκρηκτικοί Όχι --Υγρές Υγρές Πλυντρίδες -- Κυκλώνες Ποια είναι τα κριτήρια Ποια είναι τα κριτήρια µεγέθους και απόδοσης µεγέθους και απόδοσης συλλογής συλλογής * Υπάρχουν προφανώς πολλές εξαιρέσεις στους γενικούς κανόνες που παρουσιάζονται στο σχήµα. <0,5 <0,5 µm µm Ιδιαίτερα υψηλή απόδοση Ιδιαίτερα υψηλή απόδοση -Σακόφιλτρα 0,5-5 0,5-5 µm µm Υψηλή απόδοση Υψηλή απόδοση --Υγρές Υγρές Πλυντρίδες --Ηλεκτ. Ηλεκτ. Κατακρ. -- Σακόφιλτρα >5 >5 µm µm Μέτρια απόδοση Μέτρια απόδοση --Υγρές Υγρές Πλυντρίδες --Ηλεκρ. Ηλεκρ. Κατ. Κατ. -- Σακόφιλτρα -- Κυκλώνες N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 4/43

5 Ορισµοί Q o, c o Συσκευή 1, Q 1, c 1 Συσκευή 2, Q 2, c 2 n 1, p 1 n 2, p 2 Απόδοση (efficiency): ιείσδυση (penetration): Qoc o Qc Q c η1 = = 1 Q c Q c o o Q c 1 1 p = 1 η1 = Q o c o o o Βαθµός «αντιρρύπανσης«αντιρρύπανσης»: DF = 1 Qoc o = p Q c 1 1 p overall = p 1 p2 p 3... η overall = 1 (1 η1) (1 η2) (1 η3)... N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 5/43

6 Μέτρηση των σωµατιδίων Γιατί απαιτείται µέτρηση των σωµατιδίων; Τι συσκευές δειγµατοληψίας και ανάλυσης χρησιµοποιούµε; N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 6/43

7 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) 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 Stk = = d c ρ d uc p 2 p 9µ d ρ p =πυκνότητα σωµατιδίου u= ταχύτητα σωµατιδίου C= συντελεστής οπισθέλκουσας µ = ιξώδες αέρα d c =διάµετρος nozzle c N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 7/43

8 Τύποι προσκρουστήρων Τυπική απόδοση προσκρουστήρα N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 8/43

9 N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 9/43

10 Πολυβάθµιος Προσκρουστήρας (Multistage Impaction) Μέτρηση κατανοµής µεγέθους. 6,8 ή και 10 βαθµίδες, για να καλυφθεί η περιοχή 0,01 µέχρι 20 µm. Πολύ σηµαντική εµπορική και διαδεδοµένη συσκευή d 50 C c = 9µ Dj Stk50 ρ U p N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 10/43

11 Κλασµατικός διαχωριστής (fractionator) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 11/43

12 Προσκρουστήρας WINS (Multistage Impaction) WINS Impactor (Well Impactor Ninety-Six) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 12/43

13 Εικονικός Προσκρουστήρας (Virtual Impaction) Μειώνει το πρόβληµα της ανάκλασης των σωµατιδίων N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 13/43

14 ειγµατολήπτης αναπνεύσιµων αιωρούµενων σωµατιδίων N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 14/43

15 Άλλες τεχνικές Μετρητής σκέδασης του φωτός (Light Scattering Particle Counter & Aerosol/Dust Monitor). N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 15/43

16 Βαρυτική καθίζηση (gravity settlers) Αδρανειακοί διαχωριστές (inertial separators)

17 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Ουσιαστικά ένας µακρύς θάλαµος από τον οποίον διέρχεται το ρυπασµένο ρεύµα µε µικρή ταχύτητα Παλιά τεχνολογία Μεγάλοι χώροι Καθαρίζεται περιοδικά Πλεονεκτήµατα W Μικρό κόστος κατασκευής και συντήρησης Χαµηλή πτώση πίεσης Περιορισµοί σε πίεση & θερµοκρασία µόνο από τα κατασκευαστικά υλικά ιάθεση των σωµατιδίων σε ξηρή µορφή H L (de Nevers, 1995) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 17/43

18 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Μοντέλο εµβολικής ροής (plug flow model) Μέση ταχύτητα (οριζόντια ταχ.) (παντού ίδια) Κατακόρυφη ταχύτητα (οριακή ταχύτητα καθίζησης) Υποθ.: εν υπάρχει «επανεισαγωγή» σωµατιδίων Χρόνος για τη διέλευση Απόσταση (κατακόρυφη) καθίζησης L s = tvt = Vt (στο ίδιο χρονικό διάστηµα) V Εάν s>h το σωµατίδιο θα «συλληφθεί» στον πυθµένα V av V t Q = W H L t = V 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: n 2 s LV Lgdp ρp H HV HV 18µ = = t = av av av N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 18/43 av Με την εφαρµογή του νόµου του Stokes V = t z gd 2 p ( ρp ρair) 18µ x

19 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 (και ένα σωµατίδιο περνάει σε dt) Σε αυτό το τµήµα, το κλάσµα των σωµ.. 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 Η αλλαγή της συγκέντρωσης που περνάει από το dx: Ο χρόνος που κάνει ένα σωµ.. να περάσει από το dx: cvt dt dc = c n = H dx dt = V avg Συνδυάζοντας τα παραπάνω βρίσκουµε: dc Vt = c HV Μπορούµε να ολοκληρώσουµε από x=0 µέχρι x=l: c out Vt L n = 1 = 1 exp = 1 exp n plug flow cin HV avg avg dx c c ln out in V L = t HV avg N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 19/43

20 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης: παράδειγµα Απόδοση ενός συστήµατος βαρυτικής καθίζησης (de Nevers, 1995). H= 2 m, L=10 m, V av = 1 m/s, Νόµος Stokes Από τα 2 τα µοντέλα προκύπτει: N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 20/43

21 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Καλές για συλλογή σωµ. > 100 µm Μικρή απόδοση (~50%) Χρησιµοποιείται σε µεταλλευτικές δραστηριότητες, σε χυτήρια, σε µονάδες τροφίµων και για την συλλογή άκαυστου άνθρακα σε µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 21/43

22 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Γεωµετρίες δοχείων καθίζησης: (a) «κουτί», (b) τύπου πλακών και (c) επίπεδο κουτί (Corbitt, 1990) Χαρακτηριστικά απόδοσης δοχείου καθίζησης (Corbitt, 1990) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 22/43

23 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Οι κυριότεροι παράγοντες στις συσκευές αυτές είναι: η διαθέσιµη επιφάνεια για καθίζηση η οριακή ταχύτητα κατακάθισης η παροχή του αέρα. N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 23/43

24 Άλλες γεωµετρίες: µε πλάκες εκτροπής Αλλαγή της κατεύθυνσης του αέρα µε πλάκες εκτροπής (baffles( baffles). Μεγάλοι χώροι Σπάνια χρησιµοποιούνται σήµερα N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 24/43

25 Βαρυτικοί και αδρανειακοί διαχωριστές σωµατιδίων N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 25/43

26 Φυγοκεντρικοί διαχωριστές Κυκλώνες Cooper & Alley: Κεφάλαιο 4

27 Κυκλώνες 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 N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 27/43

28 Κυκλώνες Εάν ένα σώµα κινείται σε µία κυκλική τροχιά ακτίνας r µε ταχύτητα V c, έχει γωνιακή ταχύτητα ω=v c /r και φυγόκεντρο δύναµη Φυγόκεντροςδύναµη 2 mv c 2 = = mω r r ύναµη βαρύτητας = m g Για σωµατίδιο µε V c =20 m/s και r=0,30 m 2 c V Φυγόκεντρος επιτάχυνση = r Φυγόκεντρος δύναµη = 133!!! ύναµη βαρύτητας N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 28/43

29 εσωτερική δίνη εξωτερική 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.] N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 29/43

30 Αγωγός προσαγωγής Έξοδος Είσοδος «ανιχνευτής» δινών Πλεονεκτήµατα Μικρό κόστος κατασκευής Χαµηλές απαιτήσεις συντήρησης (λόγω της απουσίας κινούµενων µερών) υνατότητα λειτουργίας σε υψηλές θερµοκρασίες ιάθεση των σωµατιδίων σε ξηρή µορφή Μειονεκτήµατα Χαµηλές αποδόσεις για d<10 µm Υψηλό κόστος λειτουργίας (Υψηλή πτώση πίεσης) Κύλινδρος Κώνος Απόρριψη σκονης Σώµα κυκλώνα N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 30/43

31 Αξονική είσοδος Είσοδος στον πυθµένα N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 31/43

32 Τύποι κυκλώνα Συµβατικός κυκλώνας Κυκλώνας υψηλής απόδοσης Κυκλώνας υψηλής δυναµικότητας (µεγάλης ογκοµετρικής παροχής) συµβατικός Γενική σχέση της απόδοσης συλλογής σε σχέση µε το µέγεθος των σωµατιδίων. Οσχεδιασµός ενός κυκλώνα θεωρεί: Απόδοση συλλογής Πτώση πίεσης Μέγεθος συσκευής Υψηλής απόδοσης N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 32/43

33 Τυπικές διαστάσεις κυκλώνα Βασική παράµετρος η διάµετρος του σώµατος V i (1) (5) Stairmand (1951) (2), (4), (6): Swift (1969) (3) Lapple (1951) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 33/43

34 Απόδοση συλλογής: Θεωρία του Lapple (plug flow) Οαριθµός των (ενεργών) περιστροφών είναι περίπου 1 c L Ne = Lb + H 2 Χρόνος παραµονής αερίων (στην εξωτερική δίνη) π DNe t = (1) V i V i =ταχύτητα εισαγωγής αερίου (10-25 m/s) Για να συλλεχθούν τα σωµατίδια πρέπει να κτυπήσουν στο τοίχωµα. Οριακή ταχύτητα καθίζησης (λόγω της φυγόκεντρης) στην ακτινική διεύθυνση [η µέγιστη ακτινική απόσταση που πρέπει να διανύσει ένα σωµ. είναι W] ( ρ ρ 2 ) V ( ρ ρ ) p p g i p p g i W d d V V t = = = (2) t 18µ R 9µ D Υπόθεση: ροή Stokes V i Μικρότερη συλλεγόµενη διάµετρος [από (1) και (2)], εάν το σωµ. ξεκινήσει από απόσταση W. d p = 9µ W πn V e i ( ρ ρ ) p g Εξίσωση Rosin-Rammler Πως µπορούµε να µειώσουµε τη µικρότερη διάµετρο συλλογής; N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 34/43

35 Απόδοση συλλογής Ηεξίσωση Rosin-Rammler δε µπορεί να δώσει την απόδοση συλλογής. Ο Lapple (1951) πρότεινε τη διάµετρο «αποκοπής» 50% (50% cut size) [ηµιεµπειρική µέθοδος] d pc = 9µ W 2π N V ρ e i p d pc =διάµετρος σωµατιδίων που συλλέχθηκαν µε 50% απόδοση Η (εµπειρική) απόδοση συλλογής για το µέγεθος (εύρος) d pj η j = ( d / d ) 2 pc pj Συνολική απόδοση η = η j mj προσαρµογή m j = κλάσµα µάζας των σωµατιδίων στο εύρος µεγέθους j ιείσδυση p = 1 η Particle size ratio d p /d p50% Έχουν αναπτυχθεί και περισσότερο πολύπλοκα µοντέλα. N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 35/43

36 Απόδοση κυκλώνα για διάφορες διεργασίες* Μεγαλύτερη θερµοκρασία εισόδου οδηγεί σε µεγαλύτερη ταχύτητα εισόδου (καλύτερη απόδοση), αλλά και αύξηση του ιξώδους του αέρα (χειρότερη απόδοση), και σε µεγαλύτερη πτώση πίεσης! * Air Pollution Control Equipment, Theodore & Buonicore, CRC Press, N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 36/43

37 Παράδειγµα 4.1. Θεωρήστε ένα 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 d pc = 9µ W 2π N V ρ e i p η j = ( d / d ) 2 pc pj η = η j mj N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 37/43

38 Πτώση πίεσης Σχετικά υψηλή πτώση πίεσης. Γιατί; Γενικά από 2-10 in νερού. Αρκετές προσεγγίσεις. Ικανοποιητικό το (εµπειρικό) µοντέλο των Shepherd & Lapple (1940) Πτώση πίεσης (σε σχέση µε την πτώση πίεση της εισερχόµενης ταχύτητας) 1 2 P ρ 2 gv i HW = Hu = Kc D 2 e Μοντέλο των Casal & Μartinez (1983) 1 2 P ρ Απαίτηση σε ενέργεια, W w = Q P f 2 gv i HW = 3, , 8 D 2 e P= πτώση πίεσης, Pa ρ g = πυκνότητα αερίου, kg/m 3 V i = ταχύτητα εισόδου αερίου, m/s K c = σταθερά που εξαρτάται από τον τύπο του κυκλώνα, τυπική τιµή για άερια ρύπανση 16 (περιοχή 7,5-18,5) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 38/43

39 Τοποθέτηση κυκλώνων Εν σειρά Εν παραλλήλω/ συστοιχία Air Pollution Control Equipment, Theodore & Buonicore, CRC Press, 1988 N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 39/43

40 Πολυκωνικό σύστηµα: µεγάλος αριθµός µικρών κυκλώνων εν παραλλήλω. N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 40/43

41 Είσοδος της σκόνης Εφαπτοµενική Απλός σχεδιασµός και κατασκευή Χαµηλό κόστος Χαµηλή απόδοση Σχετικά υψηλή πτώση πίεσης Ελικοειδής ίνει εφαπτοµενική ταχύτητα στο αέριο Σχετικά περίπλοκος σχεδιασµός Υψηλότερο κόστος Handbook of Air Pollution Control Engineering & Technology, Mycock, McKenna and Theodore, Lewis Publishers, Ενεστραµµένη Επιτρέπει να εισέλθει το αέριο µε την ελάχιστη τύρβη και χαµηλή πτώση πίεσης Υψηλότερη απόδοση από την εφαπτοµενική είσοδο Μεγαλύτερες συσκευές - κόστος N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 41/43

42 Απόρριψη σκόνης Χειρονακτικά Με κοχλία Handbook of Air Pollution Control Engineering & Technology, Mycock, McKenna and Theodore, Lewis Publishers, Περιστροφική βάνα Αυτόµατη βάνα µε επιστόµιο (κλαπέτο) N. Ανδρίτσος Εισαγωγή στον έλεγχο της σωµατιδιακής ρύπανσης - Κυκλώνες 42/43