Efektywność pracy urządzeń oczyszczających gazy odlotowe

Efektywność pracy urządzeń oczyszczających gazy odlotowe
1. Skuteczność oczyszczania gazów odlotowych
Podstawowym kryterium efektywnościowym charakteryzującym pracę urządzenia
oczyszczającego gazy odlotowe jest skuteczność oczyszczania o:
o =
m
m z m w  m o
=
=1  o
m w
m w
m w
(1)
gdzie:
m z – strumień masy substancji zanieczyszczającej zatrzymanej w urządzeniu
oczyszczającym gazy odlotowe [kg/h],
m w – strumień masy substancji zanieczyszczającej wprowadzanej do urządzenia
oczyszczającego gazy odlotowe [kg/h],
 o – strumień masy substancji zanieczyszczającej opuszczającej urządzenie
m
oczyszczające gazy odlotowe [kg/h].
W praktyce skuteczność oczyszczania określa się najczęściej poprzez pomiary strumieni objętości gazów wprowadzanych do urządzenia oczyszczającego Vgw i opuszczających
go V oraz równoczesne pomiary stężeń substancji zanieczyszczającej w obydwu tych strugo
mieniach (odpowiednio Sw i So):
Vgw S w  Vgo S o
o =
Vgw S w
(2)
Podczas określania całkowitej skuteczności (o całk) oczyszczania gazów odlotowych
przez zespół n urządzeń podłączonych szeregowo, oczyszczających gazy z tej samej substancji ze skutecznościami o1, o2 ... on, stosuje się zależność:
o całk = 1 – (1 – o1)  (1 – o2)  ...  (1 – on)
(3a)
Podczas określania całkowitej skuteczności (o całk) oczyszczania gazów odlotowych
przez zespół n urządzeń podłączonych równolegle, oczyszczających częściowe strumienie
gazów odlotowych o udziałach objętościowych x1, x2 ... xn z tej samej substancji ze skutecznościami o1, o2 ... on, stosuje się zależność:
o całk = 1 – [x1  (1 – o1) + x2  (1 – o2) + ... + xn  (1 – on)]
(3b)
W przypadku oczyszczania gazów odlotowych przez zespół dwóch urządzeń (sekwencji dwóch procesów), z których pierwsze zwiększa koncentrację oczyszczanej substancji
w danej fazie ze skutecznością o1 (np. w wyniku procesu absorpcji, adsorpcji lub kondensacji następuje przejście tej substancji do fazy możliwej do zatrzymania w następnym urządzeniu), a drugie urządzenie dopiero oczyszcza gazy z tej substancji w danej fazie ze skutecznością o2, całkowitą skuteczność (o całk) takiego systemu określa się z zależności:
o całk = o1  o2
(3c)
2
2. Dyspozycyjność urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe
Urządzenie oczyszczające gazy odlotowe w procesie użytkowania może znajdować się
w stanie przestoju lub ruchu (pracy). W czasie ruchu wydzielić można dwa stany: stan pracy
efektywnej i stan pracy jałowej (bieg „luzem”). W ocenie efektywności eksploatacji uwzględnia się tylko rzeczywisty (efektywny) czas użytkowania urządzenia trz oraz wymagany (planowany) czas jego eksploatacji TT [h], który powinien odpowiadać czasowi użytkowania
obiektu technologicznego (źródła emisji), z którym współpracuje (którego gazy odlotowe
oczyszcza). Wiąże się to z tzw. dyspozycyjnością urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe.
Współczynnik dyspozycyjności Kd oblicza się z zależności:
Kd =
t rz
t
= rz
TT t rz  t w
(4)
gdzie:
tw – czas wyłączeń urządzenia z ruchu [h]:
tw = td + ton + to + tk
(5)
td – czas wykrycia uszkodzenia (diagnostyki) [h],
ton – czas obsługi i naprawy [h],
to – czas oczekiwania na dostawę części zamiennych (oczekiwania w obsłudze) [h],
tk – czas kontroli po naprawie [h].
3. Miara efektywności eksploatacji urządzenia oczyszczającego gazy
odlotowe
Efektywność eksploatacji urządzeń stosowanych do oczyszczania gazów odlotowych
w wymaganym (teoretycznym) czasie określa wskaźnik efektywności eksploatacji Eeks:
Eeks =
i n
i n
i 1
i 1
 Eeksp =100  oi K di 
(6)
gdzie:
Eeks – i-ty wskaźnik efektywności eksploatacji w czasie trz i,
oi – i-ta skuteczność oczyszczania gazów odlotowych w czasie trz i,
Kdi – i-ty współczynnik dyspozycyjności (czasu eksploatacji) urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe odpowiadający czasowi pracy trz i:
t
Kdi = rz i
(7)
TT
TT – planowany (teoretyczny) czas pracy urządzenia,
trz i – efektywny (rzeczywisty) i-ty czas eksploatacji urządzenia oczyszczającego gazy
odlotowe ze skutecznością oi.
Przy założeniu, że dla danego urządzenia TT = const., zależność (6) można przedstawić
także w postaci:
Eeks =
100 i n
 oi t rz i 
TT i 1
(8)
3
Gdy skuteczność oczyszczania gazów odlotowych o = const., zależność (6) przyjmuje postać:
Eeks = 100 o Kd
(9)
lub:
Eeks = 100 o
t rz
t
= 100 o rz
TT
t rz  t w
(10)
t
Teoretyczny wskaźnik Eeksp
efektywności eksploatacji urządzenia oczyszczającego
gazy odlotowe odpowiada osiągnięciu przez niego teoretycznej skuteczności oczyszczania
tych gazów  ot przy maksymalnym współczynniku dyspozycyjności Kd max = 1:
t
Eeks
= 100  ot Kd max
(11)
W praktyce często nie jest możliwa do osiągnięcia skuteczność teoretyczna  ot , a jedynie skuteczność graniczna  og .  ot . Obliczana w takim przypadku graniczna efektywność
g
eksploatacyjna urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe Eeks
wynosi:
g
Eeks
= 100  og Kd max
(12)
W tabeli 1 zestawiono graniczne wartości teoretycznego lub granicznego wskaźnika
efektywności dla przykładowych urządzeń odpylających.
4. Wymagana efektywność i dyspozycyjność eksploatacyjna
Urządzenia stosowane do oczyszczania gazów odlotowych muszą być eksploatowane
w sposób gwarantujący, że ilość zanieczyszczeń E emitowanych do atmosfery w planowanym
(wymaganym) czasie TT ich eksploatacji nie przekroczy emisji dopuszczalnej Ed określonej
dla czasu TT. Odpowiada to osiągnięciu odpowiedniej (wymaganej) skuteczności oczyszczania w przy maksymalnej dyspozycyjności urządzenia Kd max = 1:
w = 1 
Ed
U
(13)
gdzie:
Ed – emisja dopuszczalna danej substancji [kg/h],
U – unos danej substancji [kg/h].
Wówczas wzór na wymagany wskaźnik efektywności eksploatacji urządzenia
w
oczyszczającego Eeks
przyjmuje postać:
E 

w
Eeks
= 100 w Kd max = 100 1  d  Kd max
U 

(14)
4
Tabela 1. Orientacyjne teoretyczne i graniczne wskaźniki efektywności eksploatacji
wybranych urządzeń odpylających*
Nazwa urządzenia odpylającego
Lp.
g
t
Eeks
i ( Eeks
)
1
średniosprawny
65
2
wysokosprawny
85
przepływowy
74
4
zraszany
91
5
multicyklon
94
6
tkaninowy wstrząsowy
99,7
7
tkaninowy niskoprędkościowy
99,8
tkaninowy rewersyjno-impulsowy
99,9
9
żwirowy z warstwą nieruchomą – odpylający
spaliny z pieca obrotowego do wypalania wapna
(98)
10
suchy
99,9
3
8
11
Cyklony
Filtry
Elektrofiltry
suchy (ośrodek odpylany – popiół lotny)
(99,9)
12
mokry
99
13
strumieniowo-uderzeniowy
88
14
uderzeniowo-inercyjny
94
fluidyzacyjny
95
półkowo-uderzeniowy
98
15
16
Skrubery
17
średnioenergetyczny
99,7
18
wysokoenergetyczny
99,9
19
Odpylacz mechaniczny (dezintegrator)
98,5
* R.M. Janka: Kryterium stanu sozologicznego i technicznego jako podstawa eksploatacji urządzeń
oczyszczających gazy odlotowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998.
W przypadku gdy eksploatowane urządzenie oczyszczające gazy odlotowe cechuje się
skutecznością oczyszczania o > w, emisja danej substancji E < Ed, co dopuszcza możliwość
występowania współczynnika dyspozycyjności tego urządzenia poniżej Kd max = 1.
Wymagany współczynnik dyspozycyjności K dw dla urządzenia o skuteczności
oczyszczania gazów o określa zatem zależność:
K dw =
w
E eks
=
100  o
w
Eeks
 E
1001  
 U
(15)
5
lub:
 Ed 
1 

U 

w w
K d max
K d max =
Kd =
E
o

1  
 U
(16)
Dla teoretycznej i granicznej skuteczności oczyszczania (odpowiednio  ot i  og ) oraz
odpowiadających im teoretycznego i granicznego wskaźnika efektywności eksploatacji (odg
t
powiednio Eeks
i Eeks
) minimalny, teoretyczny i graniczny współczynnik dyspozycyjności
urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe wynosi odpowiednio:
K dt min =
K dg min =
w
E eks
(17)
100  ot
w
Eeks
(18)
100  og
Wzory (15)-(18) określają minimalną (wymaganą) wartość współczynnika dyspozycyjności eksploatowanego urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe, przy której w planowanym czasie TT podczas eksploatacji urządzenia ze skutecznością o,  ot lub  og nie wystąpi przekroczenie dopuszczalnej dla tego czasu sumarycznej emisji Ed całk do atmosfery:
Ed całk = Ed  TT
(19)
Jeżeli urządzenie oczyszczające gazy odlotowe charakteryzuje się w czasie TT wymaganą dyspozycyjnością K dw , to jego eksploatacja jest prowadzona z sozologiczną efektywnos
ścią Eeks
, a gazy oczyszczane z sozologiczną skutecznością  os . Niesozologiczna efektywność eksploatacji urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe jest to efektywność eksploatacji
nie spełniająca w wymaganym przedziale czasu, wymogów norm ochrony środowiska w zakresie ilości zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery.
Przy znanym wymaganym współczynniku dyspozycyjności K dw niezbędny (wymaga-
ny) rzeczywisty czas użytkowania t rzw urządzenia oczyszczającego gazy odlotowe można obliczyć ze wzoru:
t rzw = K dw  TT
lub
t rzw =
w
K d max  TT
o
(20)
(21)
6
Przykłady obliczeniowe
1. System oczyszczania gazów odlotowych z danej instalacji do spalania odpadów niebezpiecznych składa się m.in. z następujących elementów (w nawiasie podano średnią skuteczność zatrzymywania substancji pyłowych w każdym z tych elementów):
 elektrofiltr (1 = 0,99),
 suszarka rozpyłowa + filtr tkaninowy (2 = 0,95),
 zespół absorberów HCl i SO2 (3 = 0,7).
Obliczyć całkowitą skuteczność odpylania tego systemu oraz ilość pyłu zatrzymaną w poszczególnych urządzeniach, jeśli strumień masy pyłu unoszony z procesu spalania wynosi
 u = 100 kg/h.
m
2. Instalacja dopalania katalitycznego składa się z trzech reaktorów pracujących w układzie
równoległym. W wyniku pomiarów uzyskano następujące średnie strumienie objętości
oczyszczanych gazów i stężenia CO na wlocie i wylocie z poszczególnych reaktorów:
 R1: Vgw1 = 10 200 m 3n /h, Vgo1 = 10 300 m 3n /h, Sw1 = 4 520 ppmv, So1 = 740 ppmv,
 R2: V
= 10 050 m 3 /h, V = 10 120 m 3 /h, Sw2 = 4 520 ppmv, So2 = 680 ppmv,
gw 2

n
go 2
n
R3: Vgw3 = 10 480
/h, Vgo 3 = 10 600
/h, Sw3 = 4 520 ppmv, So3 = 820 ppmv.
Obliczyć średnie skuteczności dopalania CO w poszczególnych reaktorach oraz całkowitą
skuteczność działania instalacji.
m 3n
m 3n
3. Skuteczność oczyszczania gazów odlotowych z par rtęci w płuczce pianowo-absorpcyjnej
wynosi 1 = 0,5. Z jaką skutecznością 2 musiałaby być adsorbowana rtęć przez specjalnie impregnowane sorbenty węglowe dozowane dodatkowo do gazów odlotowych, aby
całkowita skuteczność usuwania rtęci z tych gazów wynosiła  = 0,95. Stałe produkty adsorpcji zatrzymywane byłyby w filtrze tkaninowym ze skutecznością 3 = 0,99.
4. Obliczyć wymagany współczynnik dyspozycyjności i wymagany czas pracy multicyklonnu odpylającego spaliny z kotła kotłowni osiedlowej, aby nie nastąpiło przekroczenie
rocznej emisji dopuszczalnej pyłu Ed całk = 20 Mg/rok, jeśli unos pyłu z kotła U = 40 kg/h,
emisja pyłu E = 3,5 kg/h, a planowany czas pracy kotła w ciągu roku: TT = 5088 h.
5. Współczynnik dyspozycyjności instalacji odsiarczania spalin w danym roku wyniósł
Kd = 0,9952. Obliczyć czas pracy instalacji i czas jej wyłączeń z ruchu w ciągu tego roku,
a także całkowitą ilość SO2 wyemitowanego do powietrza oraz zatrzymanego w tej instalacji, wiedząc że źródło emisji pracowało przez cały rok (TT = 8760 h), średni unos SO2 ze
źródła wynosił U = 1,1 Mg/h, a średnia skuteczność odsiarczania instalacji o = 0,96.