4. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ - ΚΥΚΛΩΝΕΣ

Μέθοδοι Ελέγχου ΑΣ Μηχανικοί διαχωριστές: βαρυτική καθίζηση (graviy seler), κυκλώνες (cyclone) [σχετικά φθηνοί, χαμηλή απόδοση] Σακόφιλτρα (fabric filer, baghouse) [δαπανηροί, υψηλή απόδοση] 4. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ - ΚΥΚΛΩΝΕΣ Ηλεκτροστατικοί κατακρημνιστές (elecrosaic precipiaor ηλεκτροστατικά «φίλτρα») [δαπανηροί, υψηλή απόδοση, όχι ευέλικτοι] Πλυντρίδες υγρού καθαρισμού (we 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) Χημικές και φυσικές ιδιότητες (αν φορτίζονται με στατικό ηλεκτρισμό, A. Bαρυτική καθίζηση B. Κυκλώνες εμπορικοί C. Καλά σχεδιασμένοι κυκλώνες D. Ηλεκτροστατικά φίλτρα E. Πύργος ψεκασμού F. Πλυντρίδα Venuri G. Σακόφιλτρο εκρηκτικά, κολλώδη) Υγροσκοπικότητα Τοξικότητα (απαιτείται αρνητική πίεση) Θερμοκρασία αέριου ρεύματος Βαθμός απόδοσης - Κόστος 3/49 4/49

Επιλογή συστήματος συλλογής* Ορισμοί Ναι Είναι τα ΑΣ κολλώδη ή με υγρασία; Πηγή σωματιδίων 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 - Κυκλώνες Είναι τα ΑΣ, αέρια ή ατμοί εκρηκτικοί Όχι Ποια είναι τα κριτήρια μεγέθους και απόδοσης συλλογής Απόδοση (efficiency): Διείσδυση (peneraion): Qc Qc Qc o o 1 1 1 1 1 1 Qc Qc Qc 1 1 p 1 1 Qc o o o o 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 - Κυκλώνες Βαθμός «αντιρρύπανσης»: p p p p... overall 1 3 1 Qc DF p Qc o o 1 1 1 (1 ) (1 ) (1 )... overall 1 3 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 (fracionaor) Αναλυτής μάζας με τη μέθοδο της ταλάντωσης (TEOM, apered elemen oscillaing microbalance) Μετρητής με ακτινοβολία βήτα Μετρητές σκέδασης του φωτός 7/49 8/49

Προσκρουστήρας εκτροπέας (Impacor) Προσκρουστήρας εκτροπέας (Impacor) 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(sk) Τύποι προσκρουστήρων Αριθμός Sokes ή παράμετρος πρόσκρουσης: ο λόγος του μήκους στάσης ή ακινητοποίησης (sopping disance), S, ενός σωματιδίου ως προς το χαρακτηριστικό μήκος του εμποδίου, d c. S duc p p Sk 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 (Impacor) Πολυβάθμιος Προσκρουστήρας (Mulisage Impacion) 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 9DSk j 50 U p 11/49 1/49

Κλασματικός διαχωριστής (fracionaor) Προσκρουστήρας WINS (Mulisage Impacion) WINS Impacor (Well Impacor Niney-Six) 13/49 14/49 Εικονικός Προσκρουστήρας (Virual Impacion) Δειγματολήπτης αναπνεύσιμων αιωρούμενων σωματιδίων Μειώνει το πρόβλημα της ανάκλασης των σωματιδίων 15/49 16/49

Άλλες τεχνικές Μετρητής σκέδασης του φωτός (Ligh Scaering Paricle Couner & Aerosol/Dus Monior). Συλλέκτες Βαρυτικής καθίζησης (graviy selers) Αδρανειακοί διαχωριστές (inerial separaors) 17/49 Ουσιαστικά ένας μακρύς θάλαμος από τον οποίον διέρχεται το ρυπασμένο ρεύμα με μικρή ταχύτητα Παλιά τεχνολογία Μεγάλοι χώροι 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 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Q W 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 Συσκευές βαρυτικής καθίζησης Μοντέλο εμβολικής ροής (plug flow model) Μέση ταχύτητα (οριζόντια ταχ.) Υποθέσεις Η V av παντού ίδια στη συσκευή Κατακόρυφη ταχύτητα (οριακή ταχύτητα καθίζησης) Υποθ.: Δεν υπάρχει «επανεισαγωγή» σωματιδίων Χρόνος για τη διέλευση L Vav Απόσταση (κατακόρυφη) καθίζησης L (στο ίδιο χρονικό διάστημα) s V V Vav Εάν s>h το σωματίδιο θα «συλληφθεί» στον πυθμένα V av V Q W H Αν υποθέσουμε ότι όλα τα σωματίδια είναι ίδια (V ίδια), η αρχική κατανομή είναι ομοιόμορφη και δεν υπάρχει αλληλεπίδραση τότε το κλάσμα που καθιζάνει: n s LV Lgd p p H HV HV 18 av av z Με την εφαρμογή του νόμου του Sokes gd ( ) p p air V 18 x 19/49 0/49

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 d) Σε αυτό το τμήμα, το κλάσμα των σωμ. που φτάνουν στον πυθμένα θα είναι ίσο με την κατακόρυφη απόσταση που πέφτει ένα μέσο Vd σωματίδιο (V d) 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 Sokes Από τα τα μοντέλα προκύπτει: Η αλλαγή της συγκέντρωσης που περνάει από το dx: cv d dc cn H Ο χρόνος που κάνει ένα σωμ. να περάσει από το dx: dc V Συνδυάζοντας τα παραπάνω βρίσκουμε: c HV Μπορούμε να ολοκληρώσουμε από x=0 μέχρι x=l: c VL ou n 1 1 exp 1 exp nplug flow c HV in avg avg dx c ln c dx d V ou in avg VL 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 (Corbi, 1990) Χαρακτηριστικά απόδοσης δοχείου καθίζησης (Corbi, 1990) 3/49 4/49

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 - Κυκλώνες Βαρυτικοί και αδρανειακοί διαχωριστές σωματιδίων Cooper & Alley: Κεφάλαιο 4 7/49

Κυκλώνες 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 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: Το αέριο περιστρέφεται μέσα στον κυκλώνα Λόγω της φυγόκεντρης δύναμη τα σωματίδια προσκρούουν στα τοιχώματα και η βαρύτητα τα οδηγεί με περιστροφή στον πυθμένα Φυγόκεντρος δύναμη = 133!!! Δύναμη βαρύτητας V c Φυγόκεντρος επιτάχυνση r Πηγή: Vallero, 008 9/49 30/49 Κυκλώνες Κυκλώνες Αγωγός προσαγωγής Έξοδος Είσοδος «ανιχνευτής» δινών εξωτερική δίνη Πλεονεκτήματα Μικρό κόστος κατασκευής Κύλινδρος Σώμα κυκλώνα 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.] 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) Κώνος Απόρριψη σκονης 31/49 3/49

Κυκλώνες Κυκλώνες 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: V i 1 L c N L e b H Χρόνος παραμονής αερίων (στην εξωτερική δίνη): DNe (1) V V i =ταχύτητα εισαγωγής αερίου (10-5 m/s) i 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 σωμ. είναι W] V d d V p p g i p p g i W V () 18 R 9D Υπόθεση: ροή Sokes Μικρότερη συλλεγόμενη διάμετρος [από (1) και ()], εάν το σωματίδιο ξεκινήσει από απόσταση W. V i (1) (5) Sairmand (1951) (), (4), (6): Swif (1969) 9W d p NV e i p g Εξίσωση Rosin-Rammler (3) Lapple (1951) Πως μπορούμε να μειώσουμε τη μικρότερη διάμετρο συλλογής; 35/49 36/49

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% cu size) [ημιεμπειρική μέθοδος] d pc d pc =διάμετρος σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50% απόδοση (cu diameer) Η (εμπειρική) απόδοση συλλογής για το μέγεθος (εύρος) d pj 1 προσαρμογή j 1 d /d Theodore & DiPaola (1980) Συνολική απόδοση Διείσδυση 9W N V pc m j p 1 pj j e i p m j = κλάσμα μάζας των σωματιδίων στο εύρος μεγέθους j Paricle size raio d p /d p50% Έχουν αναπτυχθεί και περισσότερο πολύπλοκα μοντέλα. 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 Polluion Conrol Equipmen, Theodore & Buonicore, CRC Press, 1988. 37/49 38/49 Απόδοση συλλογής Παράδειγμα Επίδραση της μεταβολής συνθηκών λειτουργίας στην απόδοση κυκλώνα 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 am 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. 0-1 -4 9 4-6 10 6-10 30 10-18 30 18-30 14 30-50 5 50-100 1 9W d 6.3m pc N V e i p 39/49 40/49

Παράδειγμα Πτώση πίεσης j Εύρος μεγέθους (μm) 1 0- -4 3 4-6 4 6-10 5 10-18 6 18-30 7 30-50 8 50-100 Μέση τιμή d j (μm) d pj /d pc 1 0.159 3 0.476 5 0.794 8 1.70 14. 4 3.810 40 6.349 75 11.905 1 1 d /d j pc n j (%) 0.0 0.18 0.39 0.6 0.83 0.94 0.98 0.99 pj m j, % 1 9 10 30 30 14 5 1 100 n j m j, % 0.0 1.66 3.86 18.5 4.95 13.10 4.88 0.99 68.0 m j j Τυπική ταχύτητα εισόδου V i ~0 m/s Σχετικά υψηλή πτώση πίεσης. Γιατί; Γενικά από 5-400 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 Hu Kc 1 D V e g i Η u =αριθμός μανομετρικού ύψους ταχύτητας εισαγωγής ΔP= 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 αέρια ρύπανση 16 (περιοχή 7,5-18,5) Μοντέλο των Casal & Μarinez (1983) P HW 3,33 11, 8 1 D V e g i Συνήθεις περιοχές πτώσης πίεσης: Απαίτηση σε ενέργεια, W Κυκλώνας υψηλής δυναμικότητας 3 w(w) Συμβατικός κυκλώνας Q(m /s) P(Pa)/n f Κυκλώνας υψηλής απόδοσης n απόδοση 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 Εν παραλλήλω/ συστοιχία Πολυκωνικό σύστημα: μεγάλος αριθμός μικρών κυκλώνων εν παραλλήλω. EPA: APTI 413: Cyclones 43/49 44/49

Είσοδος της σκόνης Απόρριψη 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 Polluion Conrol Engineering & Technology, Mycock, McKenna and Theodore, Lewis Publishers, 1995. Υψηλότερη απόδοση από την εφαπτομενική είσοδο Μεγαλύτερες συσκευές - κόστος EPA: APTI 413: Cyclones Με κοχλία Αυτόματη βάνα με επιστόμιο (κλαπέτο) 45/49 46/49 Κυκλώνες Κυκλώνες Κυκλώνες για απομάκρυνση της σκόνης 47/49 48/49

Κυκλώνες 49/49