Technologie ochrony środowiska w przemyśle i energetyce - ebook

Wstęp

Wiedza z zakresu ochrony środowiska, w ujęciu techniczno-technologicznym, nie jest zagadnieniem monotematycznym, lecz jak najbardziej interdyscyplinarnym. Zarówno szeroko rozumiane określenie – środowisko, jak i pozostałe człony tytułu tej książki, są pojęciami, które niosą w sobie głęboki ładunek tematyczny, obejmujący, oprócz: biologii, chemii i fizyki, także: technologię, biotechnologię, agrotechnikę, ekologię, sozotechnikę, mechanikę, energetykę oraz wiele innych dziedzin wiedzy i techniki. Zebranie ich razem w jednej książce poświęconej ochronie środowiska wydawało się zagadnieniem nierealnym. Dlatego technologie ochrony środowiska w ujęciu chemicznym, fizycznym, mechanicznym traktowane były dotychczas osobno. Próbę ich całościowego zestawienia, w jednym ujęciu, podjęto w niniejszym podręczniku po raz pierwszy. Jeżeli nawet próba ta nie do końca się powiedzie, to i tak spełni swoje inspirujące zadanie, zwracając uwagę na rangę techniczno-technologicznych aspektów w praktycznym podejściu do ochrony środowiska.

Nie ma więc w tej książce szczegółowych opisów technologii i zagadnień, które są zdaniem autorów jedynie faktami medialnymi, wypreparowanymi z ogromnej liczby wyników badań pod kątem ich przydatności do udowodnienia założonej z góry tezy. Dotyczy to zwłaszcza promowanych technologii utylizacji ditlenku węgla, np.: przez wtłaczanie go do wyeksploatowanych kopalni, złóż ropy czy do oceanów. Straty środowiskowe bezpośrednie oraz pośrednie, związane z wyprodukowaniem energii do realizacji tego i podobnych, zamawianych, badanych i realizowanych na doraźne polityczne zapotrzebowanie pomysłów, są ewidentne i wymierne, a zyski środowiskowe jedynie wyimaginowane i nie do udowodnienia.

W książce tej są natomiast przedstawione techniczne i technologiczne zagadnienia, które zdaniem autorów, są faktycznie związane z ochroną atmosfery, hydrosfery i litosfery Ziemi. Każde z omawianych zagadnień poprzedza wstęp, w postaci nawiązania do podstaw teoretycznych, następnie są przedstawione metody jego realizacji z podaniem aparatów i urządzeń oraz parametrów technologicznych. Zakończeniem tematu jest charakterystyka środowiskowa i ekonomiczna omawianych proekologicznych technologii z podaniem miejsca ich realizacji.Wprowadzenie

Wykładniczo rosnąca konsumpcja energii, wzrastające skażenie środowiska oraz kurczące się zasoby paliw kopalnych mają swój wspólny mianownik, którym jest energetyka i przemysł. To ona korzysta z nośników energii, których energię chemiczną przekształca, w wyniku konwersji, w prąd elektryczny i ciepło. Negatywną konsekwencją tej przemiany są produkty odpadowe, takie jak: gazy spalinowe, popioły i żużle, ścieki oraz ciepło, które przedostając się do atmosfery, wody i gleby powodują degradację środowiska. Na tym nie kończą się możliwości negatywnego oddziaływania energetyki i przemysłu na ekosystem. Mogą być one również odpowiedzialne za: deficyt wody, zakłócanie lokalnej i regionalnej równowagi hydrologicznej, dewastację terenu i szkody górnicze, związane z wydobywaniem paliw i składowaniem żużli i popiołów. Do tego dochodzą również problemy z liniami przesyłowymi (z nie do końca zbadanymi oddziaływaniami na środowisko), które wraz z kominami przypływowymi, chłodniami kominowymi i rurociągami szpecą krajobraz i powodują wiele innych szkód.

Energetyka funkcjonuje jako krajowy system energetyczny KSE, który łączy w jedną funkcjonalną całość obiekty do pozyskiwania, transportu i przetwarzania nośników energii, zakłady energetyczne (elektrownie, ciepłownie i elektrociepłownie), sieci przesyłowe energii elektrycznej i cieplnej oraz urządzenia do użytkowania wyprodukowanej energii.

Celem KSE jest dostarczanie do odbiorców, zarówno przemysłowych, jak i indywidualnych, energii użytecznej w wymaganej ilości i o odpowiedniej jakości. W tabeli 1 przedstawiono, na podstawie Raportów KSE, strukturę mocy zainstalowanej w latach 2009÷2013 z uwzględnieniem udziału jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych (JWCD) i pozostałych (nJWCD).

W funkcjonowaniu systemu energetycznego można wyodrębnić wzajemnie powiązane ze sobą podsystemy, takie jak podsystem paliw stałych, ciekłych, gazo-energetyczny, elektroenergetyczny i cieplno-energetyczny i inne, jak to pokazano w uproszczonym schemacie systemu elektroenergetycznego na rys. 1.

Najważniejszym elementem KSE są elektrownie, które w zależności od rodzaju wykorzystywanej energii pierwotnej dzielą się na: cieplne, wodne i niekonwencjonalne (jądrowe, geotermalne, słoneczne itd.).

Tabela 1. Struktura mocy zainstalowanej w KSE , wg Raportu KSE 2014

---------------------------------------- ------------ ------------ ------------ ------------
31.12.2010 31.12.2011 31.12.2012 31.12.2013
Elektrownie zawodowe, w tym: 32 304 32 937 32 942 35 845
– elektrownie zawodowe cieplne, w tym: 30 083 30 716 30 721 30 120
– na węglu kamiennym 20 377 20 152 20 152 19 812
– na węglu brunatnym 8 772 9 630 9 635 9 374
– gazowe 934 934 934 934
– elektrownie zawodowe wodne 2 221 2 221 2 221 2 221
Elektrownie przemysłowe 2 486 2 486 2 486 3 504
Źródła odnawialne 966 1 943 2 617 2 561
Ogółem 35 756 37 367 38 046 38 406
JWCD 25 429 26 062 25 498 25 052
nJWCD 10 327 11 305 12 549 13 354
---------------------------------------- ------------ ------------ ------------ ------------

Rys. 1. Uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego

Elektrownie cieplne

Elektrownie cieplne, zarówno konwencjonalne, jak i niekonwencjonalne (jądrowe), produkują energię elektryczną z paliw kopalnych (węgiel kamienny, brunatny, gaz i ropa naftowe, ale również z izotopu uranu ²³⁵U) oraz paliw organicznych (biomasa, biogaz, potencjalnie biodiesel i bioetanol). Konwersja energii w elektrowniach cieplnych przebiega etapami:

- w kotle parowym, reaktorze lub palniku z energii chemicznej uzyskuje się energię cieplną;
- w turbinie – z energii cieplnej energię mechaniczną;
- w generatorze (prądnicy) zachodzi konwersja energii mechanicznej w elektryczną.

W zależności od sposobu wytwarzania energii cieplnej elektrownie cieplne dzielą się na:

- parowe – klasyczne (konwencjonalne), w których energia spalania paliw w kotle jest wykorzystywana do produkcji przegrzanej pary wodnej, będącej czynnikiem roboczym w turbinie;
- parowe – jądrowe, w których energii do wytwarzania pary wodnej dostarczają reakcje rozszczepienia lub syntezy jądrowej;
- gazowe, w których czynnikiem roboczym, napędzającym turbinę gazową lub silnik spalinowy, są gazowe produkty spalania paliw.

Kolejny podział elektrowni cieplnych wyznacza sposób i rodzaj oddawanego ciepła, gdyż zgodnie z II Zasadą Termodynamiki nie można całego wyprodukowanego ciepła zamienić w pracę, lecz część tego ciepła musi być wyprowadzona z układu. W myśl tego kryterium elektrownie dzielą się na:

- kondensacyjne, w których zrzut ciepła odbywa się w chłodniach kominowych lub do zbiorników wodnych;
- kogeneracyjne (elektrociepłownie), które produkują jednocześnie energię elektryczną i cieplną; zamiast zrzucać energię cieplną do środowiska sprzedają ją w postaci pary lub gorącej wody, rozprowadzanych sieciami ciepłowniczymi.

Elektrownie wodne

Elektrownie wodne służą do produkcji energii elektrycznej za pomocą turbin wodnych, sprzężonych z generatorami. Ich siłą napędową są energia potencjalna i kinetyczna wody. Wśród elektrowni rzecznych rozróżnia się następujące elektrownie:

- przepływowe, które nie mają zbiornika magazynującego wodę i dlatego nie można w nich regulować, ani czasu ich pracy, ani wydajności;
- regulacyjne zawodowe z dużym zbiornikiem wodnym, umożliwiającym regulację ich pracy w cyklu dobowym lub kilkudniowym, który dodatkowo stanowi zabezpieczenie przeciwpowodziowe;
- regulacyjne lokalne z małym zbiornikiem wodnym z możliwością jedynie dobowej regulacji czasu pracy, z uwzględnieniem godzin tzw. szczytu;
- regulacyjne kaskadowe, które dzięki postawieniu na jednej rzece kilku zapór i utworzeniu wielu zbiorników magazynowania wody dają największe możliwości regulacyjne; w Polsce budowa kaskady na Wiśle rozpoczęła się i skończyła tamą we Włocławku;
- szczytowo-pompowe, które służą do przetwarzania w okresie nocnym, kłopotliwej w magazynowaniu, energii elektrycznej na energię potencjalną wody, pompowanej do górnego zbiornika, aby wykorzystać ją do produkcji energii elektrycznej w ciągu dnia, w okresie szczytowego zapotrzebowania;
- zbiornikowe z członem pompowym z naturalnym spływem wody z kaskadowo usytuowanymi jeziorami; okresowe przepompowywanie wody z dolnych do górnych jezior umożliwia, podobnie jak w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych, magazynowanie tańszej elektrycznej energii nocnej i odzyskiwanie jej w okresie szczytowym.

Najbardziej popularne elektrownie wodne, to elektrownie lądowe, ale hydrosfera Ziemi nie kończy się na rzekach i jeziorach. Potencjał energetyczny wód w morzach i oceanach jest znacznie większy niż w rzekach, jednak techniczne jego wykorzystanie jest znacznie bardziej skomplikowane. Nie przeszkadza to jednak badać, konstruować i udoskonalać elektrownie morskie , które dzielą się na:

- pływowe, które wykorzystują energię przypływów i odpływów oceanicznych; pływy te, zmieniające swój kierunek co 12 h 25 min, mogą napędzać turbiny wodne, przypominające kształtem turbiny wiatrowe, lub wtłaczać wody oceaniczne do rzek intensyfikując pracę elektrowni rzecznej (elektrownia przy ujściu rz. Rance k. Saint Malo w Bretanii we Francji);
- prądowe, które mogą być napędzane prądami oceanicznymi np.: Zatokowym, Równikowym Wstecznym, Kuro Siwo i innymi; są duże obawy przed upowszechnieniem się tych elektrowni, gdyż mogły by one zahamować naturalną cyrkulację i wpłynąć na zmianę klimatu; w przypadku energetycznego wykorzystania Golfstromu u wybrzeży Florydy, w Wielkiej Brytanii, Irlandii i w Norweskich Fiordach klimat niewiele by się wówczas różnił od grenlandzkiego;
- wykorzystujące energię falowania, którą przetwarzają na energię elektryczną; w zależności od zastosowanej metody konwersji rozróżnia się wśród nich wersję indukcyjną, pneumatyczną, hydrauliczną, mechaniczną i inne;
- dyfuzyjne, których ciśnienie dyfuzji, między zasoloną woda oceaniczną i słodką rzeczną, które są przedzielone półprzepuszczalną membraną może napędzać silnik dyfuzyjny, połączony z generatorem;
- temperaturowe, których siłą napędową jest różnica temperatur wody na powierzchni i w głębi oceanu; różnicę tę można dzięki układowi ORC wykorzystać do produkcji energii elektrycznej .

Elektrownie niekonwencjonalne

Oprócz wymienionych wyżej elektrowni jądrowych i morskich, do elektrowni niekonwencjonalnych można zaliczyć również elektrownie:

- słoneczne cieplne, które w zależności od sposobu rozmieszczenia absorberów promieniowania słonecznego dzielą się na: zcentralizowane z jednym absorberem (wytwornicą pary), na którym ogniskuje się promieniowanie z wielu lustrzanych koncentratorów oraz zdecentralizowane, w których czynnik roboczy jest podgrzewany płynąc szeregowo przez liniowy absorber z rynnowym koncentratorem lub przez szereg koncentratorów talerzowych;
- słoneczne fotowoltaiczne, w których konwersja energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną odbywa się bezpośrednio z pominięciem etapów pośrednich (wytwarzanie pary, napędzanie turbiny, otrzymywanie i schładzanie kondensatu); pomimo to ich sprawność jest niższa niż elektrowni słonecznych cieplnych; jest to konsekwencja własności fotoelektrycznych materiałów półprzewodnikowych opartych na krzemie; być może nowa generacja tych materiałów usunie tę wadę.
- wiatrowe, które w zależności od mocy mogą być zawodowymi (> 1 MW) lub MEW (małymi elektrowniami wiatrowymi) (< 1 MW), natomiast ze względu na lokalizację dzielą się one na: lądowe (onshore) i morskie (offshore).
- paliwowe, ich nazwa pochodzi od ogniw paliwowych, w których zachodzą procesy utleniania paliw (wodoru, metanu, węglowodorów, metanolu, kwasu mrówkowego itd.) ale w elektrolicie, bez płomienia, spalin i odpadowego ciepła. Ich sprawność bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa na energię elektryczną jest wyższa niż w tradycyjnych elektrowniach cieplnych, których sprawność nie może przekroczyć wartości odwracalnego idealnego obiegu Carnota; więcej informacji na ten temat w pracy .
- geotermalne, które w zależności od rodzaju energii geotermalnej dzielą się na elektrownie hydrotermiczne, zasilane wodą geotermalną i petrotermiczne, korzystające z ciepła ogrzanych skał, z których po wstrzyknięciu wody wypływa przegrzana para wodna .

Wpływ energetyki i przemysłu na środowisko

Oddziaływanie każdego elementu systemu energetyczno-przemysłowego nie jest środowisku obojętne, najwyżej może być ono mniej lub bardziej szkodliwe. W przypadku elektrowni parowych opalanych węglem skażenie to jest ewidentne. Również łatwo przewidzieć szkody jakie by wyrządziła morska elektrownia prądowa korzystająca z energii Golfstromu i hamująca jego przepływ. Kontrowersje budzi też energetyka jądrowa, mająca wielu zdecydowanych przeciwników, ale również oddanych zwolenników. Jednak analizowanie pod tym kątem pojedynczo każdego elementu systemu energetyczno-przemysłowego sprowadzi się do inwentaryzacji, której wynik nie poprawi stanu środowiska, a jedynie zwiększy chaos i bałagan w przywracaniu jego pierwotnego stanu.

Mając to na uwadze, zamiast wciąż rozpamiętywać, jak to energetyka i przemysł szkodzą środowisku, skupiono się na tym, jak to środowisko przed tymi negatywnymi skutkami chronić. Podmiotem uczyniono więc, nie energetykę, lecz ekosferę wraz z jej elementami: atmosferą, hydrosferą i litosferą (rys. 2). Elementy te są, przez biosferę, wzajemnie powiązane, jednak są one na tyle specyficzne, że wymagają indywidualnego potraktowania. Dlatego zagadnienia ochrony powietrza, wody i gleby przed skażeniami, związanymi z produkcją energii i jej przemysłowym wykorzystaniem, stanowią tematy osobnych rozdziałów.

Rys. 2. Ekosfera i jej powiązane z biosferą elementy

Najwięcej uwagi poświęcono ochronie powietrza, gdyż produkty spalania bezpośrednio do niego się przedostają, w postaci pyłów, tlenków węgla, siarki i azotu i innych zanieczyszczeń. Ponieważ ekosystem nie jest jednak układem zamkniętym, to produkty skażenia powietrza trafiają następnie do wód i do gleby.

Ochrona hydrosfery w oparciu o potencjalne i rzeczywiste zagrożenia, będące skutkiem funkcjonowania zakładów energetyczno-przemysłowych, stanowi temat kolejnych, już mniej obszernych, rozdziałów.

Zagadnienia poświęcone ochronie litosfery, przed odpadami głownie związanymi z energetyką (pyłami, żużlami, metalami ciężkimi i innymi), stanowią końcowe rozdziały książki.4. Odpylanie i oczyszczanie mokre

4.1. Wprowadzenie

Mokry proces wychwytywania pyłu z powietrza jest poprzedzony jego koagulacją w skupiska i aglomeraty o większych wymiarach i ciężarze niż pojedyncze ziarna pyłu. Dzięki temu odpylanie mokre jest skuteczniejsze od suchego, zarówno z punktu widzenia wydajności odpylania, jak i wielkości ziaren usuwanego pyłu.

Odpylaniu mokremu towarzyszy jednocześnie proces oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń gazowych, które rozpuszczają się w cieczy zraszającej. Rozpuszczanie to można przyśpieszyć lub selektywnie zmodyfikować zastępując proces fizycznej absorpcji w wodzie chemisorpcją w roztworach odpowiednich związków chemicznych.

4.2. Mechanizm odpylania mokrego

W odpylaniu mokrym, ziarna pyłu są wychwytywane na kroplach rozpylanej cieczy. Proces ten składa się z etapów, pokazanych na rys. 4.1 i przebiega zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 4.2.

Odpylacze do odpylania mokrego, zwane również płuczkami lub skruberami, dzielą się na dwie grupy: bez wypełnienia i z wypełnieniem. W każdej z tych grup można wyszczególnić cztery rodzaje, jak pokazano to na rys. 4.3.

Płuczki służą do wstępnego odpylania gazów. Są one cylindrycznymi pionowymi aparatami o wysokości 20÷40 m. Sprawność odpylania płuczek bez wypełnienia wynosi η = 30÷60%, wydajność odpylanego gazu Q = 5000÷15 000 m³/h, a spadek ciśnienia gazu i tym samym spręż wentylatora tłoczącego Δp = 100÷150 Pa. Natomiast dane techniczne płuczek z wypełnieniem wynoszą odpowiednio: η = 80÷95%, Q = 5000÷20 000 m³/h, Δp = 100÷500 Pa. W obydwu grupach odpylaczy średnie zapotrzebowanie wody wynosi: 1÷4 m³/1000m³ gazu.

Rys. 4.1. Etapy procesu odpylania mokrego

Rys. 4.2. Schematyczne przedstawienie procesu odpylania mokrego

Rys. 4.3. Podział odpylaczy mokrych

4.3. Płuczki bez wypełnienia – Skrubery

Wśród skruberów natryskowych można wyróżnić: współprądowe, przeciwprądowe, krzyżowe i rewersyjne. Inercyjne dzielą się na: strumieniowo-uderzeniowe i skruber Doyle’a. Natomiast skrubery odśrodkowe mogą być: z wlotem stycznym, wirnikowe, z centralnym natryskiem i cyklony natryskowe. Z kolei skruber Venturiego ma dwa typy: ciśnieniowy i eżektorowy. Podział ten jest przedstawiony na rys. 4.4.

Rys. 4.4. Podział odpylaczy mokrych bez wypełnienia

4.3.1. Odpylacze natryskowe

W zależności od kierunku ruchu kropel wody w stosunku do kierunku ruchu zapylonego gazu rozróżnia się odpylacze: współprądowe, przeciwprądowe, krzyżowe i rewersyjne. Schematy ich działania są pokazane na rys. 4.5.

Natrysk, w postaci pyłu wodnego, jest wytwarzany w dyszach hydraulicznych, spryskiwaczach sitkowych ciśnieniowych lub grawitacyjnych. Prędkość początkowa kropel jest proporcjonalna do spadku ciśnienia w cieczy (Δp)^(½)

Sprawność odpylnia i ilość zużytej wody zależy od skuteczności rozpylania, którą wyznacza wielkość kropel. W odpylaczach mokrych bardzo istotnym zagadnieniem jest jakość i niezawodność dysz. Na rysunku 4.6 pokazano trzy typy dysz rozpylających wodę o różnych kształtach strugi: stożek pusty, stożek pełny i strumień płaski. Nominalna wydajność dysz f-my ZP Stalmet dla p = 1 MPa wynosi 0,1÷0,25 dm³/s . Budowa dysz stosowanych w napowietrzaniu wody, podczas jej odżelaziania lub odmanganiania, jest pokazana na rys. 12.32 i 12.33.

Rys. 4.5. Schematy odpylaczy natryskowych

Rys. 4.6. Zunifikowany typoszereg dysz zraszających f-my ZP Stalmet

4.3.2. Mokre odpylacze inercyjne

Schematy trzech podstawowych typów mokrych odpylaczy inercyjnych są przedstawione na rys. 4.7.

Odpylanie polega na uderzeniu z dużą prędkością zapylonego gazu w powierzchnię cieczy. Powoduje to zdyspergowanie wody i powstanie aerozolu wodno-powietrzno-pyłowego. W aerozolu tym dochodzi do koagulacji zwilżonego pyłu w większe i cięższe aglomeraty, które ulegają wytrąceniu podczas zmiany kierunku przepływu mieszaniny, podobnie, jak to odbywa się w suchych odpylaczach inercyjnych.

Parametry techniczne mokrych odpylaczy inercyjnych są następujące: minimalna prędkość przepływu odpylanego gazu w = 15 m/s, wielkość kropel 300÷400 μm, opory przepływu gazu Δp = 750÷1500 Pa, zużycie wody Q_(w) = 0,03÷0,15 dm³/m³ gazu oraz cyrkulacja cieczy z osadem 3÷4 dm³/m³.

Rys. 4.7. Typy mokrych odpylaczy inercyjnych

4.3.3. Skrubery Venturiego

Znane są dwa podstawowe typy skruberów ze zwężką Venturiego: ciśnieniowo-rozpraszający (rys. 4.8) i eżektorowy (rys. 4.9).

Skruber ciśnieniowo-rozpraszający

W odpylaczu tym zapylony gaz przepływa z dużą prędkością (w = 45÷120 m/s) przez dyszę. Zgodnie z równaniem Bernouliego w przewężeniu dyszy, gdzie jest największa prędkość, ciśnienie spada. Wytworzone podciśnienie zasysa wodę oraz powoduje jej jednoczesne odparowanie w zapylonym gazie.

Następnie, gdy mieszanina gazu i pary wodnej miną przewężenie dyszy, prędkość przepływu się zmniejsza a ciśnienie wzrasta. W tych warunkach dochodzi do skroplenia pary wodnej na cząsteczkach pyłu, które są zarodkami kondensacji.

Rys. 4.8. Skruber Venturiego ciśnieniowo- -rozpraszający

W dalszej części krople wody z pyłem opadają na dno skrubera, a czysty gaz po przejściu przez łapacz kropel opuszcza odpylacz.

Skruber eżektorowy

W odpylaczu tym, przedstawionym na rys. 4.9, to woda o ciśnieniu p = 0,6÷1,2 MPa rozproszona jest w dyszy hydraulicznej i zasysa zapylony gaz. Mieszanina gazu i wody ulega zawirowaniu i trafia do dyszy właściwej, gdzie zwiększa się jej prędkość i maleje ciśnienie. W tych warunkach dochodzi do dalszego odparowania wody. W dalszej części odpylacza proces jest podobny do zachodzącego w poprzednim skruberze: kondensacja wody na pyle i jego przejście do szlamu. Woda znad osadu jest zawracana do dalszego zraszania, a szlam jest kierowany na prasy odwadniające.

Na rysunku 4.10 pokazano przykładowe instalacje przemysłowe do odpylania z zastosowaniem skruberów Venturiego .

Rys. 4.9. Skruber eżektorowy

Rys. 4.10. Przykłady przemysłowych zastosowań mokrych odpylaczy Venturiego

4.3.4. Skrubery odśrodkowe

Typy mokrych odpylaczy odśrodkowych są pokazane na rys. 4.11.

Zasada działania mokrych odpylaczy odśrodkowych jest taka sama jak odpylaczy inercyjnych odśrodkowych suchych, a jedyna różnica polega na zwilżeniu pyłu, co powoduje jego skuteczniejsze usuniecie z zanieczyszczonego gazu .

Rys. 4.11. Typy skruberów odśrodkowych

Parametry skruberów odśrodkowych są następujące: prędkość wlotowa gazu zapylonego w = 15÷45 m/s, wielkość ziaren pyłu do 2÷3 μm, η > 90%, Δp = 400÷1500 Pa, zużycie wody Q_(w) = 0,25÷1,4 dm³/m³ gazu i ciśnienie rozpylania p = 275÷700 kPa.

4.4. Skrubery z wypełnieniem do odpylania i oczyszczania gazu

W odpylaczach mokrych skuteczność odpylania zależy od wielkości powierzchni kontaktu gaz-ciecz. W skruberach bez wypełnienia: natryskowych, inercyjnych i odśrodkowych rozwinięcie powierzchni uzyskuje się poprzez zdyspergowanie cieczy w gazie.

4.4.1. Sposoby rozwinięcia powierzchni wymiany masy

Wypełnieniem w odpylaczach mokrych może być ciecz lub złoże ciała stałego zwilżane cieczą. Zadaniem wypełnienia jest zwiększenie powierzchni kontaktu oczyszczanego gazu z cieczą płuczącą. Na rysunku 4.12 pokazano sposoby rozwinięcia powierzchni w skruberze bez wypełnienia oraz trzy sposoby realizacji tego za pomocą wypełnienia: stałego, ciekłego i pianowego.

Rys. 4.12. Sposoby rozwinięcia powierzchni kontaktu gaz-ciecz w skruberach do odpylania lub oczyszczania gazów bez wypełnienia oraz z wypełnieniem stałym, ciekłym lub pianowym

Bez wypełnienia

W skruberach bez wypełnienia w celu rozwinięcia powierzchni kontaktu w oczyszczanym gazie rozpyla się ciecz. Kropelki zdyspergowanej cieczy są omywane przez gaz i w wyniku wymiany masy składniki gazu, w postaci zanieczyszczeń zarówno stałych, jak i gazowych, przechodzą do cieczy.

Wypełnienie stałe

Są to elementy (kulki, ziarna, kształtki itd.) o możliwie dużej powierzchni, lekkie i nie przylegające do siebie. Ich złoże tworzy porowatą strukturę zraszaną od góry płynem, przez kanaliki wypełnienia przeciska się oczyszczany gaz. Im większa powierzchnia kanalików, tym większa powierzchnia kontaktu i mniejsza ilość zużywanego płynu.

Wypełnienie ciekłe

Rozwinięcie powierzchni w wypełnieniu ciekłym uzyskuje się przez zdyspergowanie pęcherzyków zanieczyszczonego gazu w cieczy. Im mniejsze będą te pęcherzyki, tym więcej i szybciej składniki gazu przenikną do cieczy.

Wypełnienie pianowe

W tym przypadku skruber nie jest w całości wypełniony płynem. Płynu jest w nim tylko tyle, ile potrzeba do wytworzenia piany z pęcherzyków odpylanego gazu. Rozwinięcie powierzchni kontaktu gazu z płynem na powierzchni piany jest bardzo skuteczne nawet przy małej ilości zużytego płynu. Wymaga jednak stosowania środków spieniających, zmieniających napięcie powierzchniowe (detergentów, mydeł, saponinów), które mogą stanowić zagrożenie dla środowiska, już nie powietrza, ale wody.

4.4.2. Rodzaje wypełnień stałych

Najbardziej popularnym wypełnieniem stałym są pierścienie Raschiga, Białeckiego, Tok-Pak, Pall, siodełka Intalox, pokazane na rys. 4.13.

Rys. 4.13. Rodzaje wypełnień stałych do rozwinięcia powierzchni kontaktu gazu z płynem w skruberach, płuczkach oraz w kolumnach rektyfikacyjnych

Wypełnienia stałe przedstawione na rys. 4.13, są jedynie przedstawicielami najbardziej znanych i opatentowanych grup wypełnień, w których dominuje zróżnicowanie ich kształtu (nieregularne, cylindryczne, kuliste, siodełkowe, spiralne). W każdej z tych grup znajduje się od kilku do kilkudziesięciu różnych modyfikacji kształtów.

Wypełnienia stałe można także podzielić ze względu na materiał, z którego zostały wykonane. Najbardziej popularne materiały to: piasek, koks, trociny, ceramika, metal, szkło, tworzywa sztuczne.

4.4.3. Skrubery z wypełnieniem stałym

Są dwa rodzaje wypełnień stałych w skruberach: wypełnienie nieruchome w postaci złoża spoczywającego na perforowanym dnie sitowym oraz ruchome unoszone przez płynący ku górze gaz .

Skrubery z wypełnieniem nieruchomym

Skrubery z nieruchomym wypełnieniem mogą mieć dwa kształty: kolumnowy cylindryczny, pionowy i komorowy, prostopadłościenny, poziomy. Schematy i widok tych skruberów przedstawia rys. 4.14.

Skrubery z wypełnieniem ruchomym

Są dwa typy skruberów z wypełnieniem ruchomym: fluidalne ze zraszaniem przeciwprądowym i fluidalne ze zraszaniem współprądowym. Wypełnieniem są w nich lekkie kulki plastikowe o średnicy d = 20÷50 mm i gęstości ρ = 100÷1000 kg/m³ pełne lub puste w środku. Schematy tych skruberów są pokazane na rys. 4.15.

Rys. 4.14. Schematy i widok skruberów z nieruchomym (stacjonarnym) złożem: a) kolumnowy pionowy, b) komorowy poziomy

Rys. 4.15. Schematy skruberów z wypełnieniem ruchomym

Charakterystyka skruberów z wypełnieniem

Skrubery z wypełnieniem mają podobne gabaryty jak i te bez wypełnienia, ale ich skuteczność dla pyłów o średnicy ziaren d > 2 µm jest większa i wynosi η = 80÷95%. Ich wydajność osiąga: Q = 5÷20 tys. m³/h, opory przepływu Δp = 100÷500 Pa i przepływ wody Q_(w) = 1÷4 m³wody/1000 m³ gazu.

4.4.4. Skrubery z wypełnieniem ciekłym, barbotażowe i półkowe

Skrubery z wypełnieniem ciekłym są to cylindryczne pionowe zbiorniki, zwane kolumnami. Mają one wszechstronne zastosowanie jako: odpylacze, pochłaniacze (zapachów), absorbery (oczyszczające gaz z zanieczyszczeń gazowych SO₂, NO_(x), NH₃, CO₂) Są dwa typy skruberów z wypełnieniem ciekłym: barbotażowe – całkowicie wypełnione cieczą i półkowe, w których warstwa cieczy spływa grawitacyjnie z jednej półki na drugą.

Skrubery barbotażowe

Gaz w postaci drobnych pęcherzyków jest przepuszczany w tych odpylaczach lub pochłaniaczach przez słup cieczy. Im wyższy jest aparat i mniejsze są wymiary pęcherzyków gazu tym droga kontaktu i powierzchnia wymiany jest większa, a więc i skuteczność odpylania lub pochłaniania jest wyższa. W zależności od wzajemnego przepływu gazu i płynu rozróżnia się następujące typy skruberów barbotażowych: jednostopniowy, wielostopniowy, strumieniowy i cyrkulacyjny. Zasada działania tych podstawowych skruberów została przedstawiona na rys. 4.16 .

Rys. 4.16. Schematy i zasady działania podstawowych typów skruberów barbotażowych

Skrubery półkowe

Skrubery półkowe są to cylindryczne, pionowe kolumny przedzielone w poprzek półkami. Półkami kaskadowo od góry ku dołowi przelewa się ciecz, w przeciwprądzie do płynących ku górze gazów. Są one częściej stosowane do usuwania zanieczyszczeń gazowych SO_(x), NO_(x), CO_(x), niż do odpylania. Schemat skrubera półkowego z bocznym przelewem cieczy i centralnym zaworem przepuszczającym gaz przedstawia rys. 4.17. W rzeczywistości, zamiast jednego zaworu, jest ich kilkadziesiąt na każdej półce, które są w tym celu perforowane.

Rys. 4.17. Skruber półkowy

Rodzaje zaworów, umieszczonych w otworach tych półek, które przepuszczają gaz w postaci pęcherzyków, a zatrzymują ciecz, są przedstawione na rys. 4.18 i rys. 4.19.

Rys. 4.18. Rodzaje zaworów w półkach sitowych skruberów

Rys. 4.19. Widok zaworów w półkach skruberów oraz półki f-my Sathe Engineering Co.Pvt. Ltd

Parametry techniczne skruberów półkowych są następujące: objętościowe natężenie przepływu gazu Q = 5÷40 tys. m³/h, skuteczność odpylania η = 90% (d ≥ 1 µm), opory przepływu Δp = 1100÷1900 Pa i zużycie wody Q_(w) = 0,1÷0,5 m³ wody/1000 m³ gazu.

4.4.5. Skrubery pianowe

W skruberach pianowych zanieczyszczony gaz jest tłoczony przez zawory, umieszczone w dnie sitowym, do płynu ze środkiem spieniającym. Mogą to być zawory takie, jak na rys. 4.18 i rys. 4.19. Zdyspergowany w postaci pęcherzyków gaz tworzy pianę, przez którą przeciska się oczyszczany gaz. Do błonki piany pył przykleja się z dwóch stron: od wewnątrz i od zewnątrz pęcherzyka. Przy dużym stężeniu pyłu w ciekłej błonce zmienia się jej napięcie powierzchniowe i pęcherzyki pękają. Szlam

Rys. 4.20. Schemat i zasada działania skrubera pianowego

powstały z pyłu jest odprowadzany dolnym króćcem, umieszczonym nad dnem sitowym. Uwolniony gaz z pękniętych pęcherzyków jest zraszany zregenerowanym, zawracanym płynem i ponownie ulega spienieniu i dalszemu oczyszczaniu, tak jak to pokazano na rys. 4.20.

Płuczki pianowe charakteryzują się: wysoką skuteczność odpylania do η = 95%, dla pyłów o średnicy d od 1 do kilku mikrometrów, małym zużyciem wody Q_(w) = 0,1÷1 m³/1000 m³, ale również dużymi oporami przepływu Δp ≥ 2000 Pa, które wymagają stosowania wentylatorów o większej mocy.

4.5. Podsumowanie

Odpylanie mokre jest bardziej rozbudowanym technicznie i technologicznie procesem niż odpylanie suche. Korzysta ono z niektórych takich samych mechanizmów rozdziału, jak: grawitacja i inercja. Nie stosuje się w nim jednak mechanizmów związanych z oddziaływaniem elektromagnetycznym oraz z filtracją. W zamian w odpylaniu mokrym wykorzystuje się zjawiska związane z hydrodynamiką i termodynamiką.

W odpylaniu mokrym, proces odpylania właściwego jest poprzedzony wymieszaniem zanieczyszczonego gazu z płynem, którego rola sprowadza się do: koagulacji drobnych i lekkich cząsteczek pyłu w duże i cięższe aglomeraty, łatwiejsze wówczas do oddzielenia.

Skuteczność odpylania mokrego zależy od wielkości powierzchni kontaktu zanieczyszczonego gazu ze zraszającym płynem. W celu zwiększenia tego kontaktu stosuje się:

- rozpylanie cieczy w oczyszczanym gazie (odpylacze bez wypełnienia),
- barbotaż lub spienienie gazu w cieczy (odpylacze z wypełnieniem ciekłym),
- zraszanie złoża z materiału o dobrze rozwiniętej powierzchni (odpylacze z wypełnieniem stałym).

W porównaniu z odpylaczami suchymi mokre charakteryzują się następującymi zaletami i wadami:

Zalety:

- możliwość odpylania gazów z ich jednoczesnym chłodzeniem (gazy spalinowe);
- możliwość oddzielania nawet koloidalnych pyłów oraz pyłów o właściwościach wybuchowych;
- oprócz odpylania możliwość jednoczesnej absorpcji niektórych zanieczyszczeń gazowych (NO_(x), SO₂, CO₂ itd.); dzięki tej zalecie środek ciężkości przemysłowych zastosowań tych urządzeń przesunął się, z kierunku odpylania, w kierunku oczyszczania gazów (rys. 3.13), gdzie występują jako kolumny lub płuczki absorpcyjne.

Wady:

- przechodzenie zanieczyszczeń z gazu do płynu i związane z tym trudności z gospodarką ściekową,
- duże koszty eksploatacyjne,
- duże zużycie wody 0,1÷4 m³/1000 m³ gazu (nie dotyczy pianowych).

Bibliografia

4.1. Hupka J., Aranowski R., Dąbrowski B., Bokotko R., Potential of ASH technology for ptotection against chemical and biological attacks, IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security and Safety, TEHOSS 2005, September 28-30, 2005, Gdansk, 503÷508, 2005.

4.2. Bubble cups on tray, http://www.cp.umist.ac.uk/SBL/Module1/Column/distilation_column_history.htm (dostępne 10.05.2011).

4.3. Crossflow and Vertical Flow Packed Bed Scrubbers for Acid, Caustics, Metal Finishing, http://www.tri-mer.com/pdf-fieles/product-catalog.pdf (dostępne 07.02.2015).

4.4. Exhaust Gases Scrubbed and Monitored, Skrubery z wypełnieniem, http://www.narchem.com/environmental.html (dostępne 07.02.2015).

4.5. Sathe Engineering Co.Pvt. Ltd, http://www.indiamart.com/satheengineering/ (dostępne 07.02.2015).

4.6. Venturi scrubber, http://www.iwi-systems.com/tourpic0.html (dostępne 07.02.2015).

4.7. Wet Venturi scrubber, http://slyinc.com/wet-scrubbers/venturi-wet-scrubber/ (dostępne 07.02.2015).

4.8. Zawory typu Varioflex, http://www.koch-glitsch.com/koch/products/varioflex_trays.asp (dostępne 10.05.2011).

4.9. Zunifikowany typoszereg dysz zraszających, f-my ZP Stalmet, http://www.zpstalmet.pl/index.php?section=2&id=61 (dostępne 07.02.2015).