Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie.

WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej
Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie.
Izabela Radtke
IM-M
semestr I, st. II
Gdańsk 2013
Spis treści
1. Zanieczyszczenia powietrza………………………………………………………… 3
2. Źródła zanieczyszczeń powietrza………………………………………………… 3
3. Metody usuwania zanieczyszczeń………………………………………………. 4
3.1 Odpylanie gazów………………………………………………………………………… 4
3.1.1 Odpylacze suche………………………………………………………………………… 4
3.1.1.1. Komory osadcze……………………………………………………………………….. 4
3.1.1.2 Cyklony……………………………………………………………………………………… 4
3.1.1.3 Odpylacze filtracyjne (tkaninowe)………………………………………………. 5
3.1.1.4 Odpylacze elektrostatyczne………………………………………………………. 6
3.1.2 Odpylacze mokre……………………………………………………………………..…. 6
3.1.2.1 Płuczki bez wypełnienia…………………………………………………………....
3.1.2.2 Płuczki z wypełnieniem………………………………………………………………
3.1.2.3 Płuczki pianowe…………………………………………………………………………
3.1.2.4 Płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne………………….
7
7
7
7
3.2 Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych…………………………….. 8
3.2.1 Metody absorpcyjne……………………………………………………………………. 8
3.2.2 Metody adsorpcyjne……………………………………………………………………. 8
3.2.3 Metody spalania płomieniem bezpośrednim…………………………….... 9
3.2.4 Metoda kondensacyjna…………………………………………………………....... 10
4. Bibliografia………………………………………………………………………………….. 11
2
1. Zanieczyszczenia powietrza
Powietrze jest zanieczyszczone przez substancje stałe, ciekłe i gazowe
znajdujące się w nim, w ilości i rodzaju większym niż ich dopuszczalne stężenie.
Według Światowej Organizacji Zdrowia powietrze zanieczyszczone jest to takie,
którego skład chemiczny źle wpływa na zdrowie ludzi, zwierząt, roślin, a także na
wodę czy glebę. Zanieczyszczenia powietrza są jednymi z najbardziej niebezpiecznych
i szkodliwych, ponieważ mogą się przemieszczać i przez to w dużym stopniu skazić
środowisko.
2. Źródła zanieczyszczeń powietrza.
Główne źródła zanieczyszczeń powietrza to:
źródła naturalne,
wzrost liczby ludności,
uprzemysłowienie (m.in. przemysł energetyczny i transportowy).
Do naturalny źródeł zanieczyszczeń można zaliczyć:
pożary lasów i stepów,
wybuchy wulkanów,
wyładowania atmosferyczne,
wietrzenie chemiczne skał,
procesy biologiczne,
pył kosmiczny.
Natomiast zanieczyszczenia antropogenne, czyli te, które powstają w wyniku
działalności ludzi:
dwutlenek siarki (SO2),
tlenki azotu (NxOy),
dwutlenek węgla (CO2),
tlenek węgla (CO),
ozon (O3),
ołów (Pb),
pyły węglowe,
pyły zawiesinowe,
lotne związki organiczne.
3
3. Metody usuwania zanieczyszczeń
3.1
Odpylanie gazów
Odpylanie jest jedną z najczęściej spotykanych technik oczyszczania gazów.
Urządzenia odpylające możemy podzielić na suche i mokre. Wchodząc głębiej w ten
podział spośród odpylaczy suchych wyróżniamy:
komory osadcze,
cyklony,
odpylacze filtracyjne (tkaninowe),
odpylacze elektrostatyczne (elektrofiltry).
Natomiast do odpylaczy mokrych zaliczamy:
płuczki bez wypełnienia,
płuczki z wypełnieniem,
płuczki pianowe,
płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne.
3.1.1 Odpylacze suche
3.1.1.1
Komory osadcze
Komory osadcze są jednymi z najprostszych rodzajów odpylaczy. Wykorzystuje
się je do wstępnego odpylania gazów z ziaren. Prędkość opadania ziaren w tych
urządzeniach wynosi 0,5m/s. Stosowane są w wielostopniowych układach odpylania
gazów.
Zalety jakie posiadają komory osadcze to:
niskie koszty,
małe opory przepływu w zakresie od 20-50Pa,
niewielkie zapotrzebowanie mocy (0,05- 0,3 KW/Nm3s),
możliwość zastosowania do odpylania gazów gorących bez ich
uprzedniego ochładzania.
Wadą jest niski stopień skuteczności odpylania.
3.1.1.2
Cyklony
Cyklony są najpowszechniejszymi odpylaczami. Do oddzielenia ziaren ze strugi
wirującego gazu wykorzystują zasadę działania siły odśrodkowej, która powoduje
przemieszczenie ziaren pyłu ku ściankom urządzenia. Gdy to nastąpi tracą one swoją
szybkość i pod działaniem siły ciężkości opadają w dół. Wielkość minimalnego ziarna
jakie można oddzielić w cyklonie zależy od parametrów urządzenia oraz od własności
gazu, który poddajemy oczyszczeniu. Uzyskanie wysokich skuteczności odpylania
gazów, zwłaszcza z małych i średnich ziaren jest możliwe dzięki zastosowaniu baterii
4
cyklonów i multicyklonów. Baterie mogą składać się z 2,4,6,8,12,16 cyklonów,
natomiast multicyklony to połączenie równoległe kilkudziesięciu cyklonów o małych
średnicach umieszczonych we wspólnej komorze. Ich ilość może wynosić od 16 do
240 sztuk. Posiadają one bardzo wysoką skuteczność odpylania (do 90%).
Rys. 1 Cyklon
Rys. 2 Multicyklon
3.1.1.3
Odpylacze filtracyjne (tkaninowe)
Są jednymi z najbardziej skutecznych urządzeń odpylających. Charakteryzuje
je bardzo wysoka skuteczność odpylania(99,9% dla ziaren wielkości 1 m). W
przypadku tego typu urządzeń stosuje się różnego rodzaju tkaniny, filce oraz bibuły.
Metoda ta jest jedną z najdroższych metod odpylania gazów. Odnalazły zastosowanie
m.in. przy odpylaniu gazów z wapienników w przemyśle ceramicznym oraz
metalurgicznym.
Rys. 3 Filtr workowy z regeneracją
wstrząsową worków: 1 – worki, 2 –
wibrator mechaniczny, 3 – drgająca
rama, 4 – podajnik ślimakowy, 5 –
podajnik pyłu.
5
3.1.1.4
Odpylacze elektrostatyczne
Są to tzw. elektrofiltry. Działanie tego typu odpylaczy polega na wykorzystaniu
zjawiska jonizacji i wpływu pola elektrostatycznego na jony dodatnie i ujemne.
Zanieczyszczenia zyskują ładunek dodatni i na skutek silnego pola elektrostatycznego
przyciągane są do naładowanych przeciwnie okładek kondensatora. Posiadają wysoką
skuteczność odpylania (99%). Stosuję się je do oczyszczania gazów pochodzących z
kotłowni energetycznych, przemysłu metalurgicznego oraz przy produkcji kwasu
siarkowego metodą kontaktową.
Rys. 4 Elektrofiltr
3.1.2 Odpylacze mokre
W tego typu urządzeniach ziarna zanieczyszczeń wychwytywane są na kroplach
cieczy opadających w przeciwnym kierunku do zapylonego gazu. Istnieje możliwość
odpylania i chłodzenia gazów oraz absorpcja szkodliwych zanieczyszczeń w tym
samym czasie. Niepożądanym skutkiem są ścieki powstające na skutek przenoszenia
zanieczyszczeń z odpylonego gazu do cieczy.
6
3.1.2.1
Płuczki bez wypełnienia
Posiadają prostą budowę oraz niewielkie opory przepływu. Ich skuteczność to
wynosi jedynie od 30 do 60%. Opory przepływu jakie występują podczas pracy tych
urządzeń są niewielkie i wynoszą od 100 do 150Pa.
Rys. 5 Płuczka bez wypełnienia
3.1.2.2
Płuczki z wypełnieniem
Ich skuteczność jest większa niż płuczek bez wypełnienia, wynosi od 80 do
95% dla ziaren powyżej 2 m. Mogą być wykorzystane jako jeden ze stopni wstępnego
odpylania gazów. Opory przepływu wahają się od 100 do 500Pa.
3.1.2.3
Płuczki pianowe
Zasada ich działania opiera się na zjawisku barbotażu, czyli przepływu gazu
przez otwory w poziomej półce, na której utrzymywana jest stała warstwa cieczy.
Gaz, który przechodzi przez tą ciecz powoduje intensywne mieszanie zanieczyszczeń.
Tego typu płuczki posiadają bardzo wysoką skuteczność dla pyłów o wielkości ziaren
powyżej 1 m (ok. 95%).
3.1.2.4
Płuczki z przepływem gazu przez zamknięcie wodne
W tych urządzeniach zanieczyszczony gaz przepływa przez wyprofilowane
labiryntowe zamknięcie wodne powodując wzburzenie cieczy. Ziarna pyłu opadają na
dno zbiornika w postaci szlamu, gdzie są odprowadzane na zewnątrz odpylacza.
Skuteczność tego typu urządzeń dla ziaren wielkości 1 m to 90%. W tym przypadku
występują duże opory przepływu w granicach od 1100 do 1900Pa.
7
3.2
Metody usuwania zanieczyszczeń gazowych
3.2.1 Metody absorpcyjne
Polegają one na pochłonięciu zanieczyszczeń gazowych przez ciecz. W trakcie
trwania tego procesu następuje wymiana masy przy udziale dyfuzji i konwekcji, która
polega na przenikaniu gazu przez warstwę graniczną rozdzielającą fazę gazową i ciekłą.
Warunkiem, który musi zostać spełniony, aby zaszło zjawisko absorpcji jest
rozpuszczalność składników gazu w absorbującej cieczy. Proces ten przeprowadza się w
absorberach. W technice najczęściej stosuje się następujące absorbery:
kolumny natryskowe,
kolumny z wypełnieniem,
kolumny rurowe,
kolumny barbotażowe,
kolumny półkowe.
Rys. 6 Absorber natryskowy wieżowy: 1 – króciec
dopływowy gazu, 2 – urządzenie rozpylające ciecz, 3 –
króciec odpływowy gazu, 4 – króciec odpływowy cieczy.
3.2.2 Metody adsopcyjne
W przypadku wykorzystania tych metod zanieczyszczenia gazowe zbierają się na
powierzchni ciała stałego, adsorbenta, pod wpływem działania sił powierzchniowych.
Gdy zanieczyszczony gaz przepływa przez złoże adsorbera, jego zanieczyszczenia gazowe
są selektywnie zatrzymywane i gromadzone na powierzchni ciała stałego. Główne
składniki adsorberów to m.in. krzemionka, tlenek gliny oraz węgiel.
Urządzenia stosowane do przeprowadzenia adsorpcji dzielą się one na:
urządzenia z nieruchomą warstwą adsorbentu,
urządzenia z ruchomą warstwą adsorbentu,
urządzenia z warstwą pierścieniową,
adsorbery fluidyzacyjne.
Adsorbery buduje się jako pionowe lub poziome zbiorniki. Najczęściej adsorbent
spoczywa na ruszcie wykonanym w ten sposób, aby wykluczyć zaklinowanie szczelin
przez cząstki złoża. W dolnej części adsorbera jest umieszczona rura doprowadzająca
parę wodną do desorpcji. Każdy z adsorbentów ma włazy wsypowe i wysypowe
adsorbentu.
8
Rys. 7 Schemat absorbera fluidalnego: 1 – adsorber, 2
– perforowana przegroda, 3 – przewód przesypowy, 4
– zasyp.
3.2.3 Metody spalania płomieniem bezpośrednim
Wykorzystywane są do usuwania składników palnych zawartych w
zanieczyszczonej mieszaninie. Dzięki nim pozbywamy się niebezpiecznych dla środowiska
węglowodorów, par rozpuszczalników, substancji toksycznych (np.: H 2S, CO).
Zanieczyszczenia organiczne, występujące w przemysłowych gazach odlotowych, można
spalać w następujących procesach:
spalanie termiczne w temperaturach 900 – 1400K,
spalanie bezpośrednio w płomieniu w temperaturze 1500K,
spalanie katalityczne 505 – 900K.
Do oczyszczania gazów odlotowych stosuje się otwarty płomień zwany pochodnią.
Pochodnie stanowią dyszę z palnikami umieszczoną na szczycie komina gazów
odlotowych.
Rys. 8 Schemat typowej pochodni ze
wspomaganiem parowym: 1 – zbiornik
zamknięcia wodnego, 2 – komora
pochodni, 3 – zapora gazowa, 4 –
urządzenie zapłonowe, 5 – palniki pilotowe,
6 – dysze parowe.
9
W spalaniu termicznym do utlenienia zanieczyszczeń gazowych konieczne jest spalanie
dodatkowego paliwa gazowego lub ciekłego. Ciepło dodatkowe konieczne jest do
utrzymywania płomienia tj. do stabilizacji.
Istnieją różne typy palników np. ze względu na rodzaj spalanych substancji.
Rys. 9 Schemat komory spalania z
palnikiem płaskim.
3.2.4 Metoda kondensacyjna
Podczas zastosowania tej metody zanieczyszczony gaz jest oziębiany przy stałym
ciśnieniu do temperatury niższej od temperatury kondensacji par substancji
zanieczyszczających. W ten sposób zanieczyszczenia możemy uzyskać w stanie
ciekłym. Na początku procesu strumień gazu jest chłodzony w wyniku kondensacji
strumienia ciepła do zimnej powierzchni ściany lub kropel w wymienniku
przeponowym. Pobieranie ciepła od gazu będzie trwało do momentu, w którym gaz
stanie się nasycony względem składników oczyszczonej mieszaniny.
Rys. 10 Schemat kondensacji dwustopniowej: 1 – chłodnica wstępna, 2 – kondensator.
10
4. Bibliografia
[1] Baj Wanda, Technologie radiacyjne w ochronie środowiska (usuwanie zanieczyszczeń
gazów, pomiar zapylenia, zanieczyszczeń materiałów, itp.), Politechnika Warszawska,
Warszawa 2004
[2] Charkowska A., Zanieczyszczenia w instalacjach klimatyzacyjnych i metody ich
usuwania, Wydawnictwo IPPU MASTA sp. z o.o., Pruszcz Gdański 2003
[3] http://pl.scribd.com/doc/27382524/54/ODPYLACZE-FILTRACYJNE
[4] http://prawo-podatkowe.pl/finansowe/neutralizacja-zanieczyszczen-gazowych
[5] http://uranos.cto.us.edu.pl/~eco/pro/zanw.html
[6] http://www.chem.uw.edu.pl/people/AMyslinski/JS/2013_utyl_2.pdf
[7] http://www.ekoportal.gov.pl/opencms/opencms/ekoportal/prawo_dokumenty_
strategiczne/ochrona_srodowiska_w_polsce_zagadnienia/Powietrze/PodstawoweZa
nieczyszczeniaPowietrza.html
[8] http://www.publikacje.hdwao.pl/zanieczyszczenia_powietrza.php
11