ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ:ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΑΝΤΙΡΥΠΑΝΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΕΡΙΑΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ» ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ: ΓΙΩΡΓΟΣ ΤΣΕΒΡΕΝΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΜΑΡΙΑ ΓΟΥΛΑ ΚΟΖΑΝΗ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ, 2010 Ώ ξειν', ἀγγέλειν Λακεδαιµονίοις ότι τήδε κείµεθα, τοις κείνων ρήµασι πειθόµενοι Σιµωνίδης 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Φυσικά, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στους γονείς μου, για την αμέριστη ηθική και υλική συμπαράσταση τους σε όλη τη διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. Θα ήθελα να ευχαριστήσω την Καθηγήτρια κα. Γούλα Μαρία για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε δίνοντας μου τη δυνατότητα να εκπονήσω την πτυχιακή μου εργασία στον επιστημονικό τομέα που επιθυμούσα. Επίσης τον καθηγητή μου κ. Χαρισίου Νικόλαο για τη διάθεση του να με βοηθήσει και να λύσει τις όποιες απορίες είχα και την επιμονή του να μου διδάξει να φέρομαι «επαγγελματικά». Τους φίλους και συμφοιτητές μου γιατί βοήθησαν τα χρόνια που πέρασα στην Κοζάνη να είναι και διασκεδαστικά. Τέλος, το θεό γιατί με κράτησε υγιή. 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι μηχανικοί που εργάζονται στον έλεγχο τις αέριας ρύπανσης έχουν πολλές ευθύνες. Μία από τις πιο απαιτητικές είναι η σχεδίαση συστημάτων αέριας ρύπανσης. Η παρούσα εργασία είχε δύο βασικούς στόχους. Ο πρώτος ήταν να παρουσιάσει πληροφορίες σχετικά με τις κυριότερες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα στη βιομηχανία για των έλεγχο Αιωρούμενων Σωματιδίων (ΑΣ). Οι τεχνολογίες αυτές είναι οι κυκλώνες, τα σακόφιλτρα, τα ηλεκτροστατικά φίλτρα και οι πλυντρίδες. Είναι γεγονός ότι στην αγορά της Ελλάδας τα διαθέσιμα βιβλία συχνά παρουσιάζουν ελλείψεις στο σχεδιασμό του εν λόγω εξοπλισμού και των συστημάτων αυτού, κάτι που ωστόσο αποτελεί ένα βασικό αντικείμενο των μηχανικών. Ο δεύτερος στόχος, ίσως και ο πιο σημαντικός, ήταν η δημιουργία ενός λογισμικού προγράμματος (software) που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εκπαιδευτικούς σκοπούς και να συμπεριλήφθη στα προγράμματα σπουδών της εφαρμοσμένης μηχανικής. Μία ενδελεχής έρευνα της αγοράς αποκάλυψε την έλλειψη παρόμοιου λογισμικού. Η παρούσα εργασία αποπειράται να καλύψει αυτό το κενό. Το πρόγραμμα επονομάστηκε «Φίλων», προς τιμήν του αρχαίου μηχανικού Φίλων του Βυζάντιου. Στο «Φίλων» έχουν συμπεριληφθεί όλοι οι απαραίτητοι τύποι για τον υπολογισμό της απόδοσης και πτώσης πίεσης για τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, πίνακες πειραματικών δεδομένων, καθώς επίσης και όλοι οι απαραίτητοι πίνακες για τον υπολογισμό ιδιοτήτων του αέρα, νερού, κτλ. Οι τύποι και οι πίνακες που χρησιμοποιούνται στο «Φίλων» και στους οποίους βασίζεται ο σχεδιασμός προέρχονται από τα ξενόγλωσσα βιβλία 1) “Air Pollution control: A Design Approach” των C.D. Cooper & F.C. Alley (Τρίτη Έκδοση της Waveland Press, 2002) το οποίο έχει μεταφραστεί επίσημα και στην Ελληνική γλώσσα με τον τίτλο “Έλεγχος Αέριας Ρύπανσης: Σχεδιασμός Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας” (εκδόσεις Τζιόλα), 2) “Air Pollution Control Engineering Volume I” των Lawrence K. Wang, Norman C. Pereira, και Yung-Tse Hung (Humana Press, 2004) και 3) Air Pollution Control Equipment του Louis Theodore (Wiley, 2008) . 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ενότητα 1. 1.1. 1.1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.3. 2.4. 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.2.1. 2.3.2.2. 2.3.2.3. 2.3.2.4. 2.3.2.5. 2.3.2.6. 2.3.3. 2.3.4. 2.4. 2.4.1. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.3. 4.4. 5.1. 5.2. 5.2.1 5.2.2 5.2.3. Τίτλος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ………………………………………………………………………………………………… Βασικές έννοιες………………………………………………………………………………………. Αιωρούμενα σωματίδια ………………………………………………………………………… Ελληνική νομοθεσία – Όρια παραγωγής ρύπων από τις βιομηχανίες.. Νομοθεσία……………………………………………………………………………………………… Όρια παραγωγής ρύπων από τις βιομηχανίες………………………………………… Τεχνολογίες αντιμετώπισης της ρύπανσης από σωματίδια και αέριες εκπομπές……………………………………………………………………………………………….. Ζητήματα σχεδιασμού μιας διεργασίας…………………………………………………. Γενική Περιγραφή ………………………………………………….……………………………… Κυκλώνες βιομηχανικής χρήσης…………………………………………………………….. Θεωρία λειτουργίας……………………………………………………………………………….. Σχεδιασμός…………………………………………………………………………………………….. Διαστασιολόγηση…………………………………………………………………………………… Απόδοση Συλλογής………………………………………………………………………………… Μέθοδοι Βασιζόμενοι στη Διάμετρο Αποκοπής Lapple………………………….. Μέθοδος Βασιζόμενη στη Διάμετρο Αποκοπής Iozia & Leith…………………. Άλλες Μέθοδοι………………………………………………………………………………………. Κυκλώνες σε σειρά…………………………………………………………………………………. Κυκλώνες εν παραλλήλω……………………………………………………………………….. Συνολική απόδοση συλλογής…………………………………………………………………. Πτώση πίεσης…………………………………………………………………………………….…… Απαίτηση σε ισχύ…………………………………………………………………………….……… Άλλα ζητήματα……………………………………………………………………………………….. Επίδραση των μεταβολών στα χαρακτηριστικά και τις συνθήκες λειτουργίας στην απόδοση, πτώση πίεσης και κόστος ενός κυκλώνα… Γενική Περιγραφή……………………………………………………………………………….….. Πλεονεκτήματα & Μειονεκτήματα…………………………………………………………. Απόδοση συλλογής………………………………………………………………………………... Διαστασιολόγηση πλακών……………………………………………………………………… Ειδική ηλεκτρική αντίσταση των σωματιδίων………………………………………... Εσωτερική Διαμόρφωση……………………………………………………………………...… Συστήματα ηλεκτροδίων……………………………………………………………………..…. Απομάκρυνση των σωματίδια που έχουν συλλεχθεί………………………………. Τροφοδοσία……………………………………………………………………………………………. Γενική Περιγραφή…………………………………………………………………………………… Χαρακτηριστικά……………………………………………………………………………………… Πλεονεκτήματα………………………………………………………………………………………. Μειονεκτήματα………………………………………………………………………………………. Συνθήκες λειτουργίας……………………………………………………………………………. Σακόφιλτρα με ρεύμα αέρα αντιθέτου ροής και με μηχανική δόνηση…. Γενική Περιγραφή………………………………………………………………………………….. Χαρακτηριστικά……………………………………………………………………………………… Πλεονεκτήματα………………………………………………………………………………………. Μειονεκτήματα………………………………………………………………………………………. Ροή Αέρα………………………………………………………………………………………………… Σελίδα 12 12 14 14 14 15 15 16 20 20 21 25 26 28 29 31 33 39 40 40 41 43 43 44 48 49 50 51 52 53 56 57 57 60 61 61 62 63 64 75 76 76 76 78 5 5.2.4. 5.2.5. 5.3. 5.4. 6. 6.1. 6.2. 6.3.1. 6.3.2. 6.4. Θερμοκρασία…………………………………………………………………………………………. Φόρτιση Ρύπου……………………………………………………………………………………… Απόδοση συλλογής………………………………………………………………………………… Πτώση πίεσης…………………………………………………………………………………………. ΕΙΣΑΓΩΓΗ………………………………………………………………………………………………… ΚΥΚΛΩΝΕΣ………………………………………………………………………………………………. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ……………………………………………………………………… ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα με αέρα αντιθέτου ροής και μηχανικής δόνησης)………………………………………………………………………………………………… ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα δόνησης με αέρα υπό πίεση)……………………… ΠΥΝΤΡΙΔΕΣ VENTURI………………………………………………………………………………. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ………………………………………………………………………………………… 78 78 79 81 84 84 95 100 105 109 114 6 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 3.1 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Τίτλος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Επιτρεπόμενα όρια εκπομπών ορισμένων ρυπαντικών ουσιών……………. Τεχνολογίες ελέγχου αέριας ρύπανσης…………………………………………………. Διαστάσεις Τυπικού Κυκλώνα……………………………………………………………….. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Επιπτώσεις των μεταβολών στα χαρακτηριστικά λειτουργίας στην απόδοση συλλογής και πτώση πίεσης του κυκλώνα ……………………. Επιπτώσεις των μεταβολών στις συνθήκες λειτουργίας στην απόδοση συλλογής και πτώση πίεσης του κυκλώνα …………….................................. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Επιλεγμένες παράμετροι σχεδιασμού για ESP ιπτάμενης τέφρας και τυπικές τιμές…………………………………………………………………………………………. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Μέγιστες Ταχύτητες Διήθησης για διάφορες Σκόνες σε Σακόφιλτρα με Μηχανική Δόνηση και Ρεύμα Αέρα Αντιθέτου ροής……………………………… Αριθμός διαμερισμάτων ως συνάρτηση της καθαρής επιφάνειας υφάσματος…………………………………………………………………………………………….. Θερμοκρασία και Χημική Αντίσταση Μερικών Συνηθισμένων Βιομηχανικών Υφασμάτων……………………………………………………………………. Λόγος της πραγματικής ταχύτητας διήθησης Vj προς τη μέση ταχύτητα διήθησης VN – 1 σε σακόφιλτρο πολλαπλών διαμερισμάτων……………….. Μέγιστες Ταχύτητες Διήθησης για Διάφορες Σκόνες ή Καπνούς σε Σακόφιλτρα Δόνησης με Αέρα υπό Πίεση…………………………………………….. Σελίδα 16 17 27 46 47 55 67 68 69 71 73 7 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8 6.1.9 6.1.10 6.1.11 6.1.12 6.1.13 6.1.14 6.1.15 6.1.16 6.1. ΚΥΚΛΩΝΕΣ ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………….…..……… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 84 85 85 86 87 87 88 89 89 89 90 90 91 92 92 93 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 94 95 96 97 97 97 98 98 6.3.1. ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα με αέρα αντιθέτου ροής και μηχανικής δόνησης) 6.3.1.1 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.2 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.3 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.4 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.5 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.6 ……………………………………………………………………………………………………………………… 6.3.1.7 ……………………………………………………………………………………………………………………… 99 100 101 102 102 103 103 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.2.3 6.3.2.4 6.3.2.5 6.3.2. ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα δόνησης με αέρα υπό πίεση) ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 104 105 106 106 107 6.4.1 6.4.2 6.4. ΠΥΝΤΡΙΔΕΣ VENTURI ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 108 109 8 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.4.9 ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………. 109 110 110 111 111 112 112 9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 Τίτλος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Είσοδοι Κυκλώνα …………………………………………………………………………………………. Κυκλώνες σε σειρά……………………………………………………………………………………….. Κυκλώνες εν παραλλήλω……………………………………………………………………………… Δοχεία Συλλογής………………………………………………………………………………………….. Διαστάσεις ενός τυπικού κυκλώνα……………………………………………………………… Σελίδα 19 22 22 23 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τυπική διάταξη ESP ………………………………………………………………………………........ 47 Επίδραση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στην πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης σε ένα ESP………………………………………………………………………….. 51 4.1 4.2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σακόφιλτρα με πεπιεσμένο αέρα………………………………………………………………….. 63 Σακόφιλτρα με μηχανική δόνηση………………………………………………………………….. 69 5.1 5.2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχηματικό διάγραμμα ροής υγρού – αέρα σε πλυντρίδα Venturi ………………… Τυπική πλυντρίδα – Venturi με διαμόρφωση κυκλώνα διαχωρισμού…………… 74 75 *ΟΛΑ τα σχήματα που στην παρούσα διπλωματική εργασία είναι σχεδιασμένα από των ίδιο των συγγραφέα στο περιβάλλον AutoCAD 2009 εκτός του σχήματος 3.2. 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 11 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Βασικές έννοιες Επί του παρόντος υπάρχει πληθώρα αποδεκτών ορισμών αναφορικά με την ατμοσφαιρική ρύπανση. Ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η παρουσία στην εξωτερική ατμόσφαιρα … οποιονδήποτε ενός ή περισσοτέρων ουσιών ή ρύπων σε ποσότητες οι οποίες είναι ή μπορεί να είναι επιβλαβής ή επιζήμιες για την ανθρώπινη υγεία ή ευεξία, για την ύπαρξη των ζώων ή των φυτών, ή των περιουσιών, ή αδικαιολόγητα παρεμβαίνουν στις απολαύσεις της ζωής και της περιουσίας συμπεριλαμβανομένης και της υπαίθριας αναψυχής [1]. Αέριος Ρύπος είναι, κάθε ουσία η οποία διοχετεύεται άμεσα ή έμμεσα από τον άνθρωπο στον αέρα του περιβάλλοντος και ενδέχεται να έχει επιβλαβείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία ή/και στο περιβάλλον στο σύνολό του [1]. Οι αέριοι ρύποι διακρίνονται σε πρωτογενείς και δευτερογενείς. Σαν πρωτογενείς χαρακτηρίζονται οι ουσίες που εκπέμπονται απευθείας από την πηγή όπως, μονοξείδια του άνθρακα (CO), διοξείδιο του άνθρακα (CO2), διοξείδιο του θείου (SO2), οξείδια του αζώτου (NO, NO2 και N2O), υδρόθειο (H2O), αμμωνία (ΝΗ3), υδροχλώριο (HCI), υδροφθόριο (HF), καθώς και διάφοροι διαλύτες και υδρογονάθρακες (αλκάνια, αλκένια, αρωματικοί υδρογονάθρακες) και διοξίνες. Με την έκλυση αυτών των ρύπων στην ατμόσφαιρα λαμβάνουν χώρα διάφορες αντιδράσεις τόσο μεταξύ των ρύπων όσο και μεταξύ των ρύπων με τα μόρια που απαρτίζουν την καθαρή ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα την παραγωγή νέων οντοτήτων που ονομάζονται δευτερογενείς ρύποι [2]. Αντίθετα με την κοινή αντίληψη, το μεγαλύτερο ποσοστό των παραγόμενων αέριων ρύπων προέρχεται από καθαρά φυσικές πηγές. Με τον όρο φυσικές πηγές αναφερόμαστε στις πηγές εκπομπών αερίων ρύπων που δεν οφείλονται στην ανθρώπινη δραστηριότητα. Παρ’ όλα αυτά οι ανθρωπογενείς εκπομπές είναι επίσης υπεύθυνες για τα μεγάλα περιβαλλοντικά προβλήματα που αντιμετωπίζει σήμερα ο πλανήτης [2]. 12 Οι σημαντικότερες φυσικές πηγές είναι: • Τα ηφαίστεια (κυρίως αιωρούμενα σωματίδια, διοξείδιο του θείου, υδρόθειο και μεθάνιο). • Οι πυρκαγιές δασών (κυρίως αιωρούμενα σωματίδια, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα). • Οι ωκεανοί και γενικότερα οι θαλάσσιες εκτάσεις (κυρίως χλωριούχο νάτριο και θειικά άλατα). • Βιολογική αποσύνθεση των φυτών και των ζώων (κυρίως υδρογονάνθρακες, αμμωνία και υδρόθειο). • Η αποσάθρωση του εδάφους (αιωρούμενα σωματίδια). • Τα φυτά και τα δέντρα (κυρίως υδρογονάνθρακες). Οι κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές είναι: • Βιομηχανικές πηγές (καύση, επεξεργασία). • Παραγωγή και μεταφορά ενέργειας. • Μεταφορές. • Κεντρική θέρμανση. Τα επίπεδα ρύπανσης εκφράζονται συνήθως σε δύο μονάδες συγκέντρωσης, είτε μg/m3 είτε μέρη ανά εκατομμύριο όγκου ή απλά μέρη ανά εκατομμύριο (σύντμηση ppmv = Parts Per Million by Volume ή απλά ppm). Συγκέντρωση 1 μέρος ανά εκατομμύριο όγκου σημαίνει ότι αντιστοιχεί μία μονάδα όγκου του ρύπου σε κάθε 106 μονάδες όγκου αέρα. Παρ’ όλο που συγκέντρωση ίση με 1 ppm ακούγεται μικρή, για πολλούς αέριους ρύπους υπερβαίνει κατά πολύ τις συνηθισμένες τιμές που συναντώνται στην ατμόσφαιρα. Γι αυτό τον λόγο σε πολλές περιπτώσεις οι συγκεντρώσεις ενός ρύπου μετρώνται σε μέρη ανά δισεκατομμύριο όγκου (ή ppb). Οι συγκεντρώσεις των σωματιδιακών ρύπων, αλλά και των αερίων ρύπων μετρώνται σε μg/m3 [3]. 13 1.1.1. Αιωρούμενα σωματίδια Καθώς η παρούσα εργασία έχει να κάνει με το σχεδιασμό τεχνολογιών ελέγχου ΑΣ, κρίνεται σκόπιμο να γίνει ιδιαίτερη αναφορά σε αυτό το είδος ρύπων. Σωματίδια, σε μελέτες σχετικές με την ατμοσφαιρική ρύπανση, είναι ένας πολύ ευρύς όρος που καλύπτει όλες τις ουσίες στην ατμόσφαιρα που δεν είναι αέρια. Τα σωματίδια είναι συνδυασμοί πολλών μορίων, άλλες φορές παρόμοιων και άλλες διαφορετικών μεταξύ τους. Τα ΑΣ υπάρχουν σε ποικιλία από σχήματα και μεγέθη και μπορεί να είναι είτε υγρή μορφής σταγονίδια είτε ξηρές σκόνες με ένα μεγάλο εύρος φυσικών και χημικών ιδιοτήτων. Τα σωματίδια εκπέμπονται από πολλές διαφορετικές πηγές συμπεριλαμβανομένων των βιομηχανικών διεργασιών με ή χωρίς καύση, των μεταλλευτικών και/ή κατασκευαστικών δραστηριοτήτων και της αποτέφρωσης απορριμμάτων. Πληροφορίες αναφορικά με τα χαρακτηριστικά του σωματιδίου είναι απαραίτητες πριν επιχειρηθεί η σχεδίαση οποιασδήποτε συσκευής απομάκρυνσης. Στα χαρακτηριστικά του σωματιδίου περιλαμβάνονται το μέγεθος, η κατανομή του μεγέθους, το σχήμα, η πυκνότητα, η κολλώδες υφή, η ικανότητα διάβρωσης, η αντιδραστικότητα και η τοξικότητα [3]. 1.2. Ελληνική νομοθεσία – Όρια παραγωγής ρύπων από τις βιομηχανίες 1.2.1. Νομοθεσία Στη Ελλάδα παλιότερα υπήρξαν πολλές νομοθετικές ρυθμίσεις για την ατμοσφαιρική ρύπανση. Βάση των σχετικών Κοινοτικών οδηγιών, το 1996 δόθηκε μια βασική οδηγία (96/62), η οδηγία-πλαίσιο, η οποία έθεσε γενικές διατάξεις και πρόβλεψε τη θεσμοθέτηση νέων θυγατρικών οδηγιών για τις επιμέρους ουσίες [4]. Με τις γενικές διατάξεις αυτής της οδηγίας προβλέπονται τα εξής: i. Η Ένωση οφείλει να παρακολουθεί συνεχώς την επιστημονική έρευνα και ανάλογα με τα νέα δεδομένα να αναθεωρεί τα όρια, ii. Οφείλει να γίνεται έλεγχος των πηγών της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, 14 iii. Επιβάλλεται να καταρτιστούν προγράμματα για τη μείωση της ρύπανσης και όχι απλά για μετρήσεις και iv. Επιβάλλεται να δημοσιοποιούνται όλες οι μετρήσεις αλλά και τα προγράμματα για τη μείωση της ρύπανσης. Μετά από τη θεσμοθέτηση της οδηγίας αυτής εκπονήθηκαν τέσσερεις θυγατρικές οδηγίες, που αναφέρονται στους επιμέρους ρύπους. Η πρώτη, (99/30), θεσπίζει όρια για τα οξείδια του αζώτου, για το διοξείδιο του θείου, για τον μόλυβδο και για τα σωματίδια. Η δεύτερη, (2000/69), θεσπίζει όρια για το βενζόλιο (καρκινογόνο) προερχόμενο από καυσαέρια και καύσιμα και το μονοξείδιο του άνθρακα. Η Τρίτη, (2002/3) και θεσπίζει όρια για το όζον με ανεκτό όριο για την υγεία τα 120 μικρογραμμάρια ανά κυβικό μέτρο αέρα (μg/m3). Τέλος, υπάρχει μια τέταρτη οδηγία η οποία είναι υπό εκπόνηση και θεσπίζει όρια για τους πολυπυρηνικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), το κάδμιο, το αρσενικό, το νικέλιο και τον υδράργυρο, ουσίες για τις οποίες θεσπίζονται όρια για πρώτη φορά.[4&5] 1.2.2. Όρια παραγωγής ρύπων από τις βιομηχανίες Τα επιτρεπόμενα όρια εκπομπών ορισμένων ρυπαντικών ουσιών στην ατμόσφαιρα από βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι, όπως ορίζονται από το Προεδρικό Διάταγμα 1180/81, παρουσιάζονται στον πίνακα 1.1. 1.3. Τεχνολογίες αντιμετώπισης της ρύπανσης από σωματίδια και αέριες εκπομπές Στην ενότητα αυτή γίνεται αναφορά στις τεχνολογίες αντιμετώπισης της ρύπανσης από σωματίδια και αέριες εκπομπές που εφαρμόζονται σε διάφορες βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Γενικά, μπορεί να ειπωθεί ότι, σε ότι αφορά τα σωματίδια οι εφαρμοζόμενες τεχνολογίες αντιρρύπανσης επιτρέπουν την ανάκτηση του ‘απομακρυνόμενου ρύπου’ - πρακτική που συχνά ακολουθείται από τη βιομηχανία. Αντίθετα, σε ότι αφορά τις αέριες εκπομπές, οργανικές ή ανόργανες, η συνήθης πρακτική είναι η εφαρμογή μέτρων για τη μείωση των εκπομπών στην πηγή με κατάλληλες βελτιστοποιήσεις στην παραγωγική διαδικασία, καθώς η ανάκτηση ουσιών μετά την εφαρμογή αντιρρυπαντικής τεχνολογίας είναι είτε δύσκολη είτε αδύνατη, καθώς ο ρύπος μπορεί να έχει υποστεί διάσπαση ή χημική μετατροπή σε άλλα, βλαβερά για το περιβάλλον, συστατικά. 15 Στον πίνακα 1.2 παρουσιάζονται συνοπτικά οι τεχνολογίες ελέγχου αέριας ρύπανσης: Πίνακας 1.1: Επιτρεπόμενα όρια εκπομπών ορισμένων ρυπαντικών ουσιών Ρύπος Παραγωγική διαδικασία Μονάδες Εγκατάσταση πριν από τον Οκτώβριο 1982 Καπνός -Καύση βαθμός κλίμακας Ringelmann 1 1 Φθόριο, Φθοριούχες ενώσεις, υδροφθόριο Ανόργανος Pb Ανόργανο As Ανόργανο Cd Στερεά αιωρούμενα σωματίδια -Πρωτογενής παραγωγή αλουμινίου -Λοιπές kg F/tn παραγ. αλουμινίου mg/Nm3 3 1 100 80 mg/Nm3 mg/Nm3 mg/Nm3 mg/Nm3 20 20 20 150 10 10 10 100 mg/m3 150 40 100 8 5 10 6 0.8 0.5 mg/Nm3 10 10 mg/Nm3 100 100 Ίνες αμίαντου /cm3 αέρα 2 2 0.2 0.2 -Παραγωγή τσιμέντου - Λοιπές mg/m3 HCl HNO3 Παραγωγή HNO3 SO2 -Παραγωγή H2SO4 SO3 -Παραγωγή H2SO4 H2S Σκόνη άνθρακα Αμίαντος χρυσοτίλης Αμίαντος κροκιδόλιθος -Διύλιση πετρελαίου -Προπαρασκευή άνθρακα -Παραγωγή, επεξεργασία ή βιομηχανοποίηση αμιάντου kg NO2/tn παραγ. 100% HNO3 kg SO2/tn παραγ. 100% H2SO4 kg SO2/tn παραγ. 100% H2SO4 Εγκατάσταση μετά από τον Οκτώβριο 1982 20 Πηγή: [7] 16 Πίνακας 1.2: Τεχνολογίες ελέγχου αέριας ρύπανσης ♦ Στατικοί διαχωριστές ή θάλαμοι καθίζησης (αποκονίωσης) με Συστήματα βαρύτητα απομάκρυνσης ♦ Κυκλώνες σωματιδίων ♦ Διαχωριστές πρόσκρουσης (ή συλλέκτες αχλύος) ♦ Φίλτρα στρώματος ή κλίνης διηθητικού υλικού ♦ Σακκόφιλτρα ♦ Ηλεκτρόφιλτρα ♦ Πλυντρίδες Συστήματα ♦ Πλυντρίδες απομάκρυνσης ♦ Συστήματα απορρόφησης αέριων ρύπων ♦ Συστήματα προσρόφησης (π.χ. κλίνη ενεργού άνθρακα) ♦ Συμπυκνωτήρες ♦ Πυρσός ♦ Συστήματα καύσης - καταλυτικοί μετατροπείς Πηγή: [6] 1.4. Ζητήματα σχεδιασμού μιας διεργασίας Τα σημαντικότερα βήματα στην αλληλουχία σχεδιασμού είναι ο προκαταρτικός προσδιορισμός του προβλήματος και μια σειρά από σημεία λήψης αποφάσεων τα οποία αποτελούνται από τις εναλλακτικές λύσεις και τα σχετιζόμενα με αυτά τα υποπροβλήματα. Σε κάθε σημείο λήψης απόφασης, ο μηχανικός πρέπει να αξιολογήσει τις εναλλακτικές λύσεις και να επιλέξει αυτή η οποία είναι η πιο εφικτή τεχνική και οικονομική. Η λεπτομερής αξιολόγηση της κάθε εναλλακτικής λύσης σε κάθε σημείο λήψης απόφασή απαιτεί την επίλυση όλων των υπο-προβλημάτων που σχετίζονται με αυτή την εναλλακτική λύση [5]. Πριν επιχειρηθεί η σχεδίαση οποιασδήποτε συσκευής απομάκρυνσης, θα πρέπει να υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με τα σωματίδια, το ρεύμα του αερίου και τις συνθήκες τις διεργασίας. Στα σημαντικά χαρακτηριστικά του σωματιδίου περιλαμβάνονται [2]: 17 • Μέγεθος • Κατανομή του μεγέθους • Σχήμα • Πυκνότητα • Κολλώδες υφή • Ικανότητα διάβρωσης • Αντιδραστικότητα • Τοξικότητα Σημαντικά χαρακτηριστικά του αερίου ρεύματος είναι: • Πίεση • Θερμοκρασία • Ιξώδες • Υγρασία • Χημική σύσταση • Ευφλεκτικότητα Στις συνθήκες τις διεργασίας περιλαμβάνονται: Παροχή του αερίου Φόρτιση σε σωματίδια Απαιτήσεις για την απόδοση απομάκρυνσης Επιτρεπόμενη πτώση πίεσης 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΥΚΛΩΝΕΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ 19 2.1 Γενική Περιγραφή Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται εκτενώς για το διαχωρισμό σωματιδίων από αέρια ρεύματα εδώ και δεκαετίες. Κατά τη λειτουργίας τους το αέριο ρεύμα εξαναγκάζεται να κινηθεί σπειροειδώς (εξ’ ου και ο χαρακτηρισμός κυκλώνας) μέσα σε ένα περιορισμένο χώρο, με τέτοιο τρόπο ώστε τα σωματίδια ωθούνται προς τα τοιχώματα λόγω της φυγόκεντρης δύναμης. Μετά την πρόσκρουση στο τοίχωμα τα σωματίδια, λόγω της βαρύτητας, ολισθαίνουν προς τα κάτω και απομακρύνονται από τον κυκλώνα, ενώ στο κάτω μέρος του κυκλώνα το αέριο αναστρέφει την προς τα κάτω σπείρα του και κινείται προς τα πάνω με μια μικρότερη εσωτερική σπείρα. Η γεωμετρία του κυκλώνα ποικίλει αλλά οι τύπου κωνικοί-κυλινδρικοί αντίστροφης ροής είναι οι πλέον συνηθισμένοι. Διαφορετικού τύπου είσοδοι μπορούν χρησιμοποιηθούν αναλόγως της χρήσης του κυκλώνα (σχήμα 2.1). 2.2 Κυκλώνες βιομηχανικής χρήσης Οι κυκλώνες χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος βιομηχανικών διεργασιών είτε για την ανάκτηση προϊόντων είτε για τον καθαρισμό αερίων ρευμάτων από σωματίδια, και συναντώνται σχεδόν σε κάθε διεργασία στην οποία απαιτείται ο χειρισμός σκόνης. Οι κυκλώνες έχουν σχετικά χαμηλό κόστος κατασκευής, χαμηλό λειτουργικό κόστος και μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Αναλόγως της διεργασίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν συσκευές αρχικού καθαρισμού για την απομάκρυνση μεγάλης διαμέτρου σωματιδίων, πριν από σακόφιλτρα, πλυντρίδες ή ηλεκτροστατικά φίλτρα. Με καλό σχεδιασμό οι κυκλώνες είναι πολύ αποτελεσματικοί στην απομάκρυνση σωματιδίων με διάμετρο μεγαλύτερη των 10 µ m (2.73 ×10 −6 in.) . Σε μικρότερα σωματίδια η απόδοση μειώνεται αισθητά. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι οι κυκλώνες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απομάκρυνση κολλόδων σωματιδίων, ή για σωματίδια με υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία καθώς μπορεί να «βουλώσουν» από τη συσσώρευση των σωματιδίων. Οι κυκλώνες μπορούν να χειριστούν μεγάλα εύρη παροχών που κυμαίνονται από 50 m3 / hr (1, 765 ft 3 / hr ) έως 50, 000 m3 / hr (1, 765, 500 ft 3 / hr ) . Συνήθως όμως, όταν η παροχή υπερβαίνει τα 20, 000 m3 / hr (706, 200 ft 3 / hr ) το αέριο ρεύμα διαχωρίζεται σε κυκλώνες οι οποίοι είναι τοποθετημένοι εν παραλλήλω (ή αλλιώς 20 πολυκυκλώνες) για την αποφυγή προβλημάτων που σχετίζονται με ανεμιστήρες και το λοιπό βοηθητικό εξοπλισμό. Επιπλέον οι μικροί σε διάμετρο κυκλώνες είναι πιο αποδοτικοί και λειτουργούν σε μικρότερες πτώσεις πίεσης. Σχήμα 2.1: Είσοδοι Κυκλώνα Έξοδος αερίου Έξοδος αερίου Έισοδος αερίου Έισοδος αερίου Σκόνη (α) Έξοδος αερίου Έισοδος αερίου Σκόνη Σκόνη (β) α) Είσοδος στο πάνω μέρος του σώματος, β) Είσοδος στο σώμα γ) Είσοδος στο κάτω μέρος του σώματος 2.2.1 Θεωρία λειτουργίας Το αέριο κατά την είσοδό του στο κυλινδρικό τμήμα του κυκλώνα στροβιλίζεται κινούμενο προς τα κάτω σχηματίζοντας ένα φυγοκεντρικό πεδίο, στο οποίο η μεγαλύτερη δύναμη ασκείται στο κωνικό τμήμα του κυκλώνα, ωθώντας τα σωματίδια προς τα τοιχώματα της 21 συσκευής. Σε αυτό το σημείο η ταχύτητα είναι μηδενική (σημείο ηρεμίας όπου η πίεση έχει τη μεγαλύτερη τιμή), επιτρέποντας την πτώση των σωματιδίων στο δοχείο συλλογής που βρίσκεται στη βάση του κυκλώνα. Η φυγόκεντρη δύναμη ( F ) που ασκείται σε ένα σωματίδιο στον κυκλώνα μπορεί να εκφραστεί ως: F= ρ p d 3pV p2 R (2.1) όπου ρ p = η πυκνότητα του σωματιδίου, kg / m3 ( lb / ft 3 ) d p = η διάμετρος του σωματιδίου, µ m ( in.) V p =η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση, m / hr ( ft / hr ) R = η ακτίνα του σώματος του κυκλώνα, m ( ft ) H εξίσωση 2.1 εξηγεί αρκετά από τα χαρακτηριστικά των κυκλώνων που έχουν προαναφερθεί. Για παράδειγμα το γινόμενο ρ p × d p3 είναι ανάλογο της μάζας του σωματιδίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται στο σωματίδιο. Ως συνέπεια η τάση κίνησης προς τα τοιχώματα αυξάνεται και τα σωματίδια συλλέγονται ευκολότερα. Η εξίσωση 2.1 επίσης εξηγεί γιατί οι μικρότεροι κυκλώνες είναι αποδοτικότεροι στη συλλογή σωματιδίων, καθώς η μείωση της ακτίνας του σώματος του κυκλώνα οδηγεί σε αύξηση της φυγόκεντρης δύναμης. Αντίθετα από τη φυγόκεντρη δύναμη δρα μια δύναμη αντίστασης, η οποία προκαλείται από τη σπειροειδή κίνηση του αερίου προς τον κεντρικό άξονα του κυκλώνα και την τύρβη του ρεύματος, και έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά των μη συλλεγόμενων σωματιδίων στην έξοδο της συσκευής. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η κίνηση του αερίου περιλαμβάνει μία εξωτερική καθοδική σπείρα και μία εσωτερική ανοδική σπείρα. Η περιοχή ανάμεσα στις δύο σπείρες καθορίζει τον κεντρικό άξονα του κυκλώνα με ύψος και διάμετρο Z c ή Lm και d c , αντιστοίχως και 22 εξαρτάται από τις διαμέτρους των εξόδων Dd and De . Στην εξωτερική σπείρα η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση αυξάνεται με τη μείωση της ακτινικής θέσης σε μια μέγιστη τιμή (Vmax ) και στην εσωτερική σπείρα η οριακή ταχύτητα του σωματιδίου στην ακτινική διεύθυνση μειώνεται, καθώς το σωματίδιο πλησιάζει προς το κέντρο. Όπως έχει προαναφερθεί, οι μικρής διαμέτρου κυκλώνες επιτυγχάνουν υψηλότερες αποδόσεις απομάκρυνσης σωματιδίων. Στα μειονεκτήματα τους συγκαταλέγονται η υψηλή πτώση πίεσης και η αδυναμία τους να χειριστούν μεγάλες ογκομετρικές παροχές. Όταν οι κυκλώνες τοποθετούνται σε σειρά ή εν παραλλήλω τα προβλήματα αυτά εξαλείφονται, όμως αυτού του είδους οι διατάξεις έχουν αυξημένο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Επιπροσθέτως οι κυκλώνες που τοποθετούνται εν παραλλήλω τείνουν να «βουλώνουν» ευκολότερα. Το σχήμα 2.2 απεικονίζει μία τυπική διάταξη κυκλώνων σε σειρά. Συνήθως ο πρώτος κυκλώνας στη διάταξη έχει μεγαλύτερη διάμετρο σώματος και συλλέγει τα μεγαλύτερα σωματίδια. Οι κυκλώνας που ακολουθεί έχει μικρότερη διάμετρο σώματος και είναι πιο αποδοτικός στη συλλογή των μικρότερων σωματιδίων. Σε αυτή τη διάταξη επιτυγχάνουμε μείωση της σωματιδιακής φόρτισης στην είσοδο του δεύτερου κυκλώνα και αποφεύγουμε προβλήματα από την τριβή των σωματιδίων στη συσκευή. Επιπροσθέτως, ακόμη και στην περίπτωση που ο πρώτος κυκλώνας βουλώσει, ο δεύτερος θα απομακρύνει μέρος των σωματιδίων. Ένα από τα μειονεκτήματα είναι ότι η πτώση πίεσης που προκαλείται στον δεύτερο κυκλώνα προστίθεται σε αυτή του πρώτου, αυξάνοντας τη συνολική πτώση πίεσης του συστήματος. Ένας από τους διαφορετικούς τύπους κυκλώνων εν παραλλήλω που έχουν σχεδιαστεί απεικονίζονται στο σχήμα 2.3. Καθώς οι συστοιχίες των κυκλώνων στην εν λόγω διάταξη έχουν μια κοινή είσοδο για το αέριο ρεύμα, μπορούν να χειριστούν μεγάλες παροχές σε σχετικά χαμηλές πτώσεις πίεσης. Σε διατάξεις όπου χρησιμοποιείται κοινό δοχείο συλλογής των σωματιδίων (σχήμα 2.3), κάθε κυκλώνας θα πρέπει να έχει την ίδια πτώση πίεσης. Σε διαφορετική περίπτωση το αέριο ρεύμα θα ρέει μέσω ορισμένων μόνο από τους κυκλώνες. 23 Σχήμα 2.2: Κυκλώνες σε σειρά Έξοδος αερίου Έισοδος αερίου Σκόνη Σκόνη Σχήμα 2.3: Κυκλώνες εν παραλλήλω Έξοδος αερίου Έισοδος αερίου Έισοδος αερίου Έξοδος σκόνης 24 Προσοχή επίσης απαιτείται κατά τον σχεδιασμό/επιλογή του δοχείου συλλογής των σωματιδίων καθώς θα πρέπει να αποφευχθεί η είσοδος αερίου ρεύματος στον κυκλώνα. Συστήνεται η χρήση μεγάλου βάθους ώστε η σκόνη που συλλέγεται να βρίσκεται κάτω από το σημείο όπου η σπείρα αρχίζει την ανοδική της πορεία. Η προσθήκη μηχανικού εμβόλου για την περιοδική απομάκρυνση της σκόνης είναι η πλέον ενδεδειγμένη λύση. Το σχήμα 2.4 απεικονίζει μερικές από τις διαφορετικές επιλογές. Σχήμα 2.4: Δοχεία Συλλογής Σύρτης (β) (α) Αντίβαρο Βαλβίδα ρύθµισης (γ) (δ) 2.3 Σχεδιασμός Αρκετές θεωρίες έχουν προταθεί τα τελευταία 60 χρόνια, σε μια προσπάθεια πρόβλεψης των δύο κύριων παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία ενός κυκλώνα της απόδοσης συλλογής (η ) και της πτώσης πίεσης (∆P ) κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. Οι παράμετροι αυτοί σχετίζονται με τις διαστάσεις του κυκλώνα, τις φυσικοχημικές 25 ιδιότητες των σωματιδίων και του αερίου ρεύματος και τις συνθήκες λειτουργίας όπως την ταχύτητα του αερίου στην είσοδο, τη θερμοκρασία και την πίεση. 2.3.1 Διαστασιολόγηση Ο σχεδιασμός των κυκλώνων βασίζεται σε εφτά γεωμετρικές σχέσεις που προσδιορίζουν τις «βέλτιστες» διαστάσεις. Όλες οι διαστάσεις σχετίζονται με τη διάμετρο του σώματος του κυκλώνα και συνοψίζονται στον πίνακα 2.1 για τρεις μεγάλες κατηγορίες; υψηλής απόδοσης, συμβατικούς και υψηλής δυναμικότητας. Kατά κανόνα, oι κυκλώνες υψηλής απόδοσης έχουν μικρότερες εισόδους και εξόδους, μικρότερη διάμετρο σώματος και μεγαλύτερο συνολικό μήκος. Η διάμετρο σώματος συνήθως δεν ξεπερνά τα 0.9 m (3 ft ) και η πτώση πίεσης κυμαίνεται από 250 εώς 4, 000 Pa (1 − 16 in. H 2O) . Η διάμετρο σώματος ενός συμβατικού κυκλώνα συνήθως είναι μεγαλύτερη των 0.9 m (3 ft ) , και η πτώση πίεσης κυμαίνεται από 250 έως 3500 Pa (1 − 14 in. H 2O) . Σε αυτό το κεφάλαιο έχουμε εστιάσει στους κυκλώνες τύπου αντιθέτου ροής με εφαπτομενική εισαγωγή καθώς αποτελούν την συνηθέστερη γεωμετρία που απαντάται στην πράξη. Οι κυριότερες διαστάσεις επεξηγούνται στο σχήμα 2.5 και θα χρησιμοποιούνται ως ακολούθως: Το κυλινδρικό σώμα έχει διάμετρο D και ύψος Lb . Το κωνικό τμήμα έχει ύψος Lc και καταλήγει στην έξοδο των σωματιδίων με διάμετρο Dd . Η είσοδος του αερίου μπορεί να είναι είτε κυκλική (με διάμετρο Din ) είτε ορθογώνια (με ύψος H και πλάτος W ). Η διάμετρος εξόδου του αερίου (γνωστή και ως ανιχνευτής δίνης) έχει διάμετρο De και μήκος S , ενώ ο κυκλώνας έχει συνολικό ύψος L . 26 Πίνακας 2.1: Διαστάσεις Τυπικού Κυκλώνα Τύπος Κυκλώνα Υψηλής Υψηλής Απόδοσης Διάμετρος Σώματος Συμβατικός Δυναμικότητας (1) (2) (3) (4) (5) (6) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.44 0.5 0.5 0.75 0.8 0.2 0.21 0.25 0.25 0.375 0.35 0.4 0.5 0.5 0.75 0.75 0.5 0.5 0.625 0.6 0.875 0.85 1.5 1.4 2.0 1.75 1.5 1.7 2.5 2.5 2.0 2.0 2.5 2.0 4.0 3.9 0.375 0.4 D/D Ύψος Στομίου Εισόδου H/D Πλάτος Στομίου Εισόδου W /D Διάμετρος Εξόδου Αερίου 0.5 De / D Μήκος Ανιχνευτή Δίνης S/D Μήκος Σώματος Lb / D Μήκος Κώνου Lc / D Συνολικό Ύψος Κυκλώνα 4.0 3.75 4.0 3.7 L = ( Lb + Lc ) Διάμετρος Εξόδου 0.25 0.4 0.375 0.4 Σωματιδίων Dd / D Οι στήλες (1) και (5) προσαρμόστηκαν από τον Stairmand, 1951. οι στήλες (2), (4) και (6) προσαρμόστηκαν από τον Swift, 1969. Η στήλη (3) προσαρμόστηκε από τον Lapple, 1951. 27 Σχήμα 2.5: Διαστάσεις ενός τυπικού κυκλώνα De W S Din S H Lb Lb D D L L Lc Dd 2.3.2 Lc Dd Απόδοση Συλλογής Αρκετές διαφορετικές θεωρίες έχουν προταθεί στην προσπάθεια πρόβλεψης της απόδοσης συλλογής (η ) ενός κυκλώνα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι καμία θεωρία δεν μπορεί να καλύψει όλους τους διαφορετικούς τύπους κυκλώνων καθώς τροποποιήσεις στην είσοδο/έξοδο του αερίου ρεύματος, προσθέσεις ελίκων κτλ, δυσκολεύουν τη θεωρητική προσέγγιση. Η προσεκτική ανάγνωση της βιβλιογραφίας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η δημοφιλέστεες και πιο ακριβείς μέθοδοι είναι αυτές των Lapple, Theodore & De Paola, Barth, Iozia & Licht και Lieth & Licht. Στο «Φίλων» έχουν συμπεριληφθεί και η τέσσερις μέθοδοι, με σκοπό να επιτρέψουν τις συγκρίσεις των προβλέψεων. 28 2.3.2.1 Μέθοδοι Βασιζόμενοι στη Διάμετρο Αποκοπής Lapple Η «διάμετρο αποκοπής 50 %, ( d pc ) » ορίζεται ως η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχτηκαν με απόδοση 50 % . Η συνηθέστερη έκφραση αυτής της σχέσης είναι: 1 2 9µW d pc = 2π N eVi ( ρ p − ρ g ) (2.2) όπου d pc = η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50 % απόδοση µ = ιξώδες αερίου, kg / m ⋅ sec (lb / ft ⋅ sec) W = πλάτος στομίου εισόδου, m ( ft ) N e = αριθμός πραγματικών περιστροφών, αδιάστατος Vi = ταχύτητα εισαγωγής του αερίου, m / sec ( ft / sec ) ρ g = πυκνότητα αερίου, kg / m3 (lb / ft 3 ) 3 3 ρ ρ = πυκνότητα του σωματιδίου, kg / m (lb / ft ) Ο αριθμός πραγματικών περιστροφών αναφέρεται στον στροβιλισμό του αερίου στην εξωτερική δίνη και μπορεί εύκολα να υπολογιστεί από την εξίσωση 2.3. Οι τιμές κυμαίνονται από 1 − 10 , οι συνηθέστερες όμως είναι 5 − 6 . Ne = 1 H Lc Lb + 2 (2.3) όπου N e = αριθμός πραγματικών περιστροφών H = ύψος στομίου εισόδου, m ( ft ) Lb = μήκος του σώματος του κυκλώνα, m ( ft ) Lc = μήκος (κάθετο) του κυκλώνα, m ( ft ) 29 Σε κυκλώνες υψηλής απόδοσης η διάμετρος αποκοπής κυμαίνεται συνήθως από 5 − 10 µ m . Όπως είναι φυσικό, μια αύξηση του αριθμό περιστροφών, της ταχύτητα εισόδου του αερίου ή της πυκνότητα των σωματιδίων, θα οδηγήσει σε μείωση της διαμέτρου αποκοπής (δηλαδή θα έχουμε συλλογή μικρότερων σωματιδίων). Μείωση του ιξώδους θα οδηγήσει σε μείωση της δύναμης αντίστασης στη φυγόκεντρο, άρα και πάλι θα έχουμε μείωση της διαμέτρου αποκοπής. Μέθοδος Lapple Η παλαιότερη και ίσως δημοφιλέστερη μέθοδος υπολογισμού για τον καθορισμό της απόδοσης συλλογής ενός κυκλώνα προτάθηκε από τον Lapple. Ο Lapple αρχικά υπολόγισε το λόγο d pj / d pc , δηλαδή τη διάμετρο του σωματιδίου προς τη διάμετρο αποκοπής (από τη εξίσωση 2.2) και συμπέρανε ότι για ένα τυπικό κυκλώνα, η απόδοση συλλογής αυξάνει με την αύξηση του λόγου . Μέθοδος των Theodore & DePaola Οι Theodore & DePaola προσάρμοσαν μια αλγεβρική εξίσωση καθιστώντας την προσέγγιση του Lapple περισσότερο ακριβή. Η απόδοση συλλογής οποιουδήποτε μεγέθους σωματιδίου μπορεί να υπολογιστεί από: ηj = 1 d 1 + −pc d pj 2 (2.4) όπου d pc = η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50 % απόδοση, µ m (in.) η j = απόδοση συλλογής για το j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων − d pj = χαρακτηριστική διάμετρος στο j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων, µ m (in.) 30 2.3.2.2 Μέθοδος Βασιζόμενη στη Διάμετρο Αποκοπής Iozia & Leith Οι Iozia & Leith προτείνουν διαφορετικές εξισώσεις από τους Theodore & DePaola και Lapple για τον υπολογισμό της απόδοσης συλλογής στο j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων και τον υπολογισμό της «διαμέτρου αποκοπής 50 %, ( d pc ) ». Οι εξισώσεις αυτές μπορούν να γραφτούν ως: ηi = 1 1 + d pc − d pj β (2.5) όπου β = εκθέτης που εξαρτάται από την διάμετρο αποκοπής d pc d pc 9µQ = πρ Z V 2 p c max 0.5 (2.6) όπου d pc = η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50 % απόδοση µ = ιξώδες αερίου, kg / m ⋅ sec (lb / ft ⋅ sec) Q = ογκομετρική παροχή, m 3 / sec ( ft 3 / sec) 3 3 ρ ρ = πυκνότητα του σωματιδίου, kg / m (lb / ft ) Z c = φυσικό μήκος, m ( ft ) Vmax = η μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα, m / sec ( ft / sec ) Ο Alexander ορίζει ως το διάστημα κατά το μήκος του οποίου το αέριο περιστρέφεται. Στο μοντέλο των Iozia & Leith, το φυσικό μήκος σχετίζεται με την διάμετρο του κεντρικού άξονα του κυκλώνα σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση: 31 HW dc = 0.47 2 D D −0.25 1.4 De D (2.7) όπου d c = διάμετρος του κεντρικού άξονα του κυκλώνα, m ( ft ) Το φυσικό μήκος μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση: L − Lb ) d c ( Ζc = ( L − S ) − −1 D Dd − 1 D d , όταν d c > Dd (2.8) και Zc = ( L − S ) , όταν d c < Dd , (2.9) Η μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα ( Vmax ) υπολογίζεται από την εξίσωση: Vmax HW = 6.1Vi 2 D 0.61 De D −0.74 L D −0.33 (2.10) όπου Vi = ταχύτητα εισαγωγής του αερίου ρεύματος, m / sec ( ft / sec ) Η ταχύτητα εισαγωγής του αερίου στην είσοδο του κυκλώνα είναι η ογκομετρική παροχή διαιρεμένη με την επιφάνεια εισαγωγής ( H × W ) , δηλαδή: Vi = Q HW (2.11) O εκθέτης β στην εξίσωση 2.12 υπολογίζεται από την εξίσωση: 32 HW HW ln β = 0.62 − 0.87 ln(d pc ) + 5.21ln 2 + 1.05 ln 2 D D 2 (2.12) όπου d pc = η διάμετρος των σωματιδίων που συλλέχθηκαν με 50 % απόδοση 2.3.2.3 Άλλες Μέθοδοι Μέθοδος Barth Η μέθοδος του Barth προβλέπει την απόδοση συλλογής βασιζόμενη στη συσχέτιση της οριακής ταχύτητας ενός σωματιδίου με j εύρος μεγέθους και της οριακής ταχύτητας του σωματιδίου που συλλέγεται με απόδοση 50% . Η εξίσωση του Barth για την απόδοση συλλογής στη χαρακτηριστική διάμετρος d pj στο j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων είναι: ηi = 1 V 1 + pcj V j −3.2 (2.13) όπου: V j = οριακής ταχύτητας ενός σωματιδίου με j εύρος μεγέθους V jpc = οριακής ταχύτητας ενός σωματιδίου με j εύρος μεγέθους που έχει τις ίδιες πιθανότητες να συλλεχθεί ή μη ( 50% ) Ο λόγος V j / V j pc μπορεί να συσχετιστεί με τη μέση ακτινική ταχύτητα του αερίου στον κεντρικό άξονα του κυκλώνα όπου και έχουμε τη μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα Vmax . Υποθέτοντας ότι ισχύει ο νόμος του Stokes και ότι η πυκνότητα του αερίου είναι μηδενική, pc ο λόγος V j / V j μπορεί να εκφραστεί ως: 33 Vj V jpc π Lm ρ pVmax 2 d pj = 9 µQ 2 (2.14) όπου: ( ft ) Lm = το ύψος του κεντρικού άξονα του κυκλώνα m 3 3 ρ ρ = πυκνότητα του σωματιδίου, kg / m (lb / ft ) Vmax = η μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα, m / sec ( ft / sec ) − d pj = χαρακτηριστική διάμετρος στο j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων, µ m (in.) µ = ιξώδες αερίου, kg / m ⋅ sec (lb / ft ⋅ sec) Q = ογκομετρική παροχή, m 3 / sec ( ft 3 / sec) Το ύψος του κεντρικού άξονα του κυκλώνα ( Lm ) καθορίζεται από τη διάμετρο της εξόδου του αερίου De και τη διάμετρο της εξόδου των σωματιδίων Dd και μπορεί να υπολογιστεί ως ακολούθως: Lm = L − S , όταν De ≤ Dd Lm = ( L − Lb )( D − De ) + D − Dd ( Lb − S ) , όταν De ≥ Dd ) (2.15) Σύμφωνα με τον Barth η μέγιστη εφαπτομενική ταχύτητα (Vmax ) μπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη εξίσωση: Vmax De ( D −W )π 2 = V0 m 2 HW α + L ( D − W ) πλ (2.16) όπου: 34 V0 = η ταχύτητα του αερίου ρεύματος στην έξοδο του κυκλώνα, m / sec ( ft / sec ) λ = παράμετρος τριβής (προτεινόμενη τιμή = 0.02 ) α = παράμετρος που σχετίζεται με τις διαστάσεις W και D Η ταχύτητα του αερίου ρεύματος στην έξοδο του κυκλώνα (V0 ) είναι η ογκομετρική ( ) παροχή διαιρεμένη με την επιφάνεια εξαγωγής π De2 / 4 , δηλαδή: V0 = 4Q π De 2 (2.17) Η παράμετρος α μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση: W D α = 1 − 1.2 (2.18) Μέθοδος Leith & Licht Η μέθοδος των Leith & Licht βασίζεται στην υπόθεση ότι τα σωματίδια που δεν έχουν συλλεχθεί είναι πλήρως αναμιγμένα στην ακτινική κατεύθυνση, σε κάθε σημείο της αξονικής τους θέσης, εξαιτίας της τύρβης. Συνεπώς, ο χρόνος παραμονής του σωματιδίου μέσα στον κυκλώνα μπορεί να συσχετιστεί με το χρόνο που απαιτείται για να κινηθεί στην ακτινική και αξονική κατεύθυνση έως ότου προσκρούσει στο τοίχωμα της συσκευής. Η θεώρηση αυτή οδήγησε στην παρακάτω ημί-εμπειρική εξίσωση για την απόδοση συλλογής: 1 2 n+ 2 G t Q j η j = 1 − exp −2 (n + 1) 3 D (2.19) όπου: η j = απόδοση συλλογής για το j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων G = γεωμετρική παράμετρος, αδιάστατη t j = χρόνος χαλάρωσης για το j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων, sec Q = ογκομετρική παροχή, m 3 / sec ( ft 3 / s) 35 n = εκθέτης δίνης, αδιάστατος D = διάμετρος σώματος του κυκλώνα, m ή ft Η γεωμετρική παράμετρος ( G ) εξαρτάται από τις διαστάσεις του κυκλώνα και δίνεται από την εξίσωση: G= D H W2 2 H 2 2 2 π ( S − )( D − De ) + 4Vnl , H 2 (2.20) όπου: H = ύψος στομίου εισόδου, m ή ft W = πλάτος στομίου εισόδου, m ή ft S = μήκος ανιχνευτή δίνης, m ή ft De = διάμετρος εξόδου του αερίου, m ή ft Vnl , L = δακτυλιοειδής όγκος, ( m3 ) ( Ο δακτυλιοειδής όγκος Vnl , L ) σχετίζεται με τη διείσδυση της δίνης στο εσωτερικό του κυκλώνα και ανάλογα με την τιμή του φυσικού μήκους δίνης ( Z c ) , μπορεί να θεωρηθεί είτε Vnl είτε VL , ως ακολούθως: Όταν (L – S) > ZC Vnl = π D 2 Z c + S − Lb dc d c2 π De2 Z c ( Lb − S ) + 1 + D + D 2 − 4 4 3 4 (2.21) π D 2 L − Lb Dd Dd2 π De2 ( L − S ) ( Lb − S ) + + 2 − 1 + 4 4 4 3 D D (2.22) π D2 Όταν (L –S) <Zc VL = π D2 όπου: L = συνολικό μήκος κυκλώνα, m ή ft 36 Lb = μήκος σώματος, m ή ft Z c = φυσικό μήκος δίνης, m ή ft d c = διάμετρος της δίνης στον κεντρικό άξονα του κυκλώνα, m ή ft Dd = διάμετρος εξόδου των σωματιδίων, m ή ft Η διάμετρος της δίνης στον κεντρικό άξονα του κυκλώνα στο μοντέλο των Leith & Licht δίνεται από την εξίσωση: S + Z c − Lb d c = D − ( D − Dd ) L − Lb (2.23) Το φυσικό μήκος δίνης ( Z c ) ορίζεται ως το διάστημα κατά το μήκος του οποίου το αέριο περιστρέφεται και μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω εξίσωση: 1 D2 3 Z c = 2.3De HW (2.24) Ο εκθέτης δίνης ( n ) μπορεί να υπολογιστεί ως ακολούθως: T n = 1 − 1 − 0.67( D 0.14 ) 283 0.3 (2.25) όπου: T = η θερμοκρασία του αερίου ρεύματος, K Ο χρόνος χαλάρωσης (t j ) δίνεται από τη σχέση: tj = ρ p (d p j )2 18µ (2.26) όπου: 37 ρ p = πυκνότητα του σωματιδίου, µ = ιξώδες του αερίου, kg lb ή 3 3 m ft kg lb ή m−s ft − s d p j = η χαρακτηριστική διάμετρος στο j εύρος του μεγέθους των σωματιδίων, m ή ft Η γεωμετρική παράμετρος ( G ) ορισμένες φορές εκφράζεται ως συνάρτηση των K c , K H και KW , ως ακολούθως: G= 8K c K H2 KW2 (2.27) με KH = H D (2.28) KW = W D (2.29) και Kc = (2Vs + Vnl , H ) D3 (2.30) Vs είναι ο δακτυλιοειδής όγκος μεταξύ του αγωγού εισαγωγής και του ανιχνευτή δίνης και υπολογίζεται ως ακολούθως: 2 2 H ( D − De ) Vs = π S − 2 4 (2.31) 38 Συνεπώς, ο μέσος χρόνος παραμονής του αερίου στο εσωτερικό στον κυκλώνα (θ ) μπορεί να υπολογιστεί ως ακολούθως: Vnl , L Vs + 2 θ= Q 3 = Kc D Q (2.32) Ένα κριτήριο επιλογής για την βέλτιστη τιμή της ταχύτητας εισαγωγής του αερίου ρεύματος στον κυκλώνα ( vi ) είναι η σύγκρισή της με την ελάχιστη ταχύτητα που απαιτείται για την απομάκρυνση των σωματιδίων από τα τοιχώματα του κυκλώνα (ταχύτητα αναπήδησης). Κατά βάση, ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα αναπήδησης προκαλούν επανείσοδο των συλλεχθέντων σωματιδίων και μείωση της απόδοσης. Ο προτεινόμενος λόγος είναι ως ακολούθως: 1.2 ≤ vi ≤ 1.35 vs με το vs να δίνεται από την ακόλουθη σχέση: 4 g µρ p vs = 2.055 3ρ 2 g 1/3 W 0.4 D 0.067 2/3 D vi 1/3 W 1 − D (2.33) όπου: g = επιτάχυνση της βαρύτητας, ρ g = πυκνότητα του αερίου, m ft ή 2 2 s s kg lb ή 3 3 m ft vi = ταχύτητας εισαγωγής του αερίου ρεύματος στον κυκλώνα, m ft ή s s 39 Γενικά, η τιμή 1.25 έχει προταθεί για το λόγο ρ p = 2580 vi (ισχύει για T = 38 o C και vs kg ) m3 2.3.2.4 Κυκλώνες σε σειρά Στις περιπτώσεις στις οποίες είναι απαραίτητη η τοποθέτηση ενός δεύτερου κυκλώνα σε σειρά θα πρέπει να υπολογίσουμε το κλάσμα μεγέθους των σωματιδίων στην έξοδο του πρώτου κυκλώνα, το οποίο θα είναι και η είσοδος του δεύτερου κυκλώνα. Το κλάσμα μεγέθους μπορεί εύκολα να υπολογιστεί κάνοντας χρήση του ισοζυγίου μάζας για κάθε εύρος μεγέθους Mi = LinQxiPti xi = mi Σmi (2.34) (2.35) 2.3.2.5 Κυκλώνες εν παραλλήλω H u ρQ 2 ∆P = 2 2 2 4 2 K H KW N c D 1 2n+2 GtiQ ηi = 1 − exp −2 (n + 1) 3 Nc D (2.36) (2.37) 2.3.2.6 Συνολική απόδοση συλλογής Η συνολική απόδοση συλλογής του κυκλώνα είναι ένας σταθμισμένος μέσος όρος των αποδόσεων συλλογής για τα διάφορα εύρη μεγέθους, δηλαδή: 40 ηο = ∑η j m j (2.38) όπου ηο = συνολική απόδοση συλλογής m j = κλάσμα μάζας των σωματιδίων στο j εύρος μεγέθους Κατά συνέπεια η συγκέντρωση στην έξοδο της συσκευής μπορεί να υπολογιστεί ως ακολούθως: Cεξ = (1 − ηo ) Cεισ 2.3.3 (2.39) Πτώση πίεσης Η πτώση πίεσης είναι μία σημαντική παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό ή την αγορά κυκλώνων. Πολλές προσπάθειες έχουν καταβληθεί για την πρόβλεψη της, καθώς η αυξημένη πτώση πίεσης απαιτεί αυξημένο έργο από τον ανεμιστήρα για την προώθηση του αερίου ρεύματος μέσω του κυκλώνα (μεγαλώνοντας έτσι το κόστος λειτουργίας της συσκευής), αλλά συνήθως σημαίνει αυξημένη απόδοση συλλογής. Εξαίρεση αποτελεί η χρήση συσκευών επανάκτησης της πίεσης, οι οποίες τοποθετούνται στην έξοδο του αερίου ρεύματος και επιτυγχάνουν μείωση της πτώσης πίεσης χωρίς να επηρεάζουν την απόδοση συλλογής. H πτώση πίεσης σε κυκλώνα χωρίς σωματίδια μπορεί να υπολογιστεί από: ∆Ρ = 1 ρ gVi 2 Hυ 2 (2.40) όπου ∆Ρ = πτώση πίεσης, Ν/m2 ή Pa ρ g = πυκνότητα αερίου, kg/m3 41 Vi = ταχύτητα εισαγωγής αερίου, m/s H u = παράμετρος πτώση πίεσης, εκφρασμένη σε αριθμούς πιεζομετρικού ύψους ταχύτητας εισαγωγής Η παράμετρος H u μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση των Shepherd & Lapple ως εξής: Hu = K HW De2 (2.41) όπου K = σταθερά η οποία εξαρτάται από τη μορφή του κυκλώνα και τις συνθήκες λειτουργίας Θεωρητικά η σταθερά K μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά αλλά για εργασία σε αέρια ρύπανση με τυπικούς κυκλώνες με εφαπτομενική είσοδο, οι τιμές του K βρίσκονται στο διάστημα από 12-18 . Ο Licht (1984) πρότεινε το K να τεθεί ίσο απλώς με 16 και η εξίσωση 2.41 να ξαναγραφεί ως: H u = 16 HW De2 (2.42) Εναλλακτικά, οι Casal και Benet πρότειναν την ακόλουθη εξίσωση: 2 HW H u = 11.3 2 + 3.33 D (2.43) Ο Ramachandran κ.α. προτείνουν τη χρήση της ακόλουθης εξίσωσης: S HW D H u = 20 2 L L D b Dd e D D D 1 3 (2.44) 42 2.3.4 Απαίτηση σε ισχύ Από τη στιγμή που η πτώση πίεσης έχει υπολογιστεί, η απαίτηση ισχύος για το ρευστό μπορεί να προκύψει ως: i W f = Q∆Ρ (2.45) όπου i W f = ρυθμός εισόδου στο ρευστό (ισχύος ρευστού), W Q = ογκομετρική παροχή, m3/s Η πραγματική απαιτούμενη ισχύς είναι η ισχύς του ρευστού διαιρεμένη με ένα συνδυασμένο βαθμό απόδοσης ανεμιστήρα / κινητήρα. 2.4 Άλλα ζητήματα Η απόδοση συλλογής δεν επηρεάζεται από τον τρόπο τοποθέτησης του κυκλώνα (κάθετα, οριζόντια ή ακόμη και ανάποδα), λόγω του ότι, η επίδραση της βαρύτητας στο διαχωρισμό των σωματιδίων είναι πολύ μικρή. Πρόβλημα μπορεί να προκύψει από χονδρόκοκκα σωματίδια καθώς αυτά μπορεί να παγιδευτούν στο κωνικό τμήμα και να περιστρέφονται χωρίς να μπορούν να διαφύγουν. Αν και το πρόβλημα μπορεί να προκύψει ανεξαρτήτως τρόπου τοποθέτησης του κυκλώνα, είναι λιγότερο συνηθισμένο όταν αυτοί τοποθετούνται κατακόρυφα. Για να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργίας τους οι κυκλώνες θα πρέπει να είναι αεροστεγείς, κατά συνέπεια η χρήση φλαντζών ή άλλων στεγανοποιητικών υλικών είναι επιβεβλημένη. Σε κυκλώνες όπου η είσοδος είναι αξονική πρέπει να σφραγίζονται χωρίς να προκληθεί κάποια ζημιά στις συγκολλήσεις. Οι ενέργειες αυτές είναι απαραίτητες καθώς ακόμη και μικρές διαρροές θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην είσοδο στον κυκλώνα από αιωρούμενα σωματίδια που βρίσκονται στον ατμοσφαιρικό αέρα. 43 Η απόδοση συλλογής σε ένα κυκλώνα καθορίζεται από την πτώση πίεσης ή/και την ταχύτητα εισαγωγής του αερίου ρεύματος. Η πτώση πίεσης μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί είτε αλλάζοντας τη διάμετρο του κυκλώνα είτε αλλάζοντας την παροχή του αερίου ρεύματος (με την εγκατάσταση πολυκυκλώνων. Αν η ογκομετρική παροχή είναι πολύ χαμηλή, συστήνεται η χρήση ανεμιστήρων ώστε να αυξηθεί η ταχύτητα εισαγωγής του αερίου. 2.4.1 Επίδραση των μεταβολών στα χαρακτηριστικά και τις συνθήκες λειτουργίας στην απόδοση, πτώση πίεσης και κόστος ενός κυκλώνα Η απόδοση συλλογής ενός κυκλώνα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του αερίου ρεύματος και των σωματιδίων. Στα χαρακτηριστικά του αερίου ρεύματος συγκαταλέγονται η πίεση, η θερμοκρασία και η σύνθεση του. Τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων αφορούν το μέγεθος, την κατανομή μεγέθους, το σχήμα, την πυκνότητα καθώς και τη φόρτιση. Αύξηση στη θερμοκρασία του αερίου οδηγεί σε μείωση της πυκνότητας του αλλά ταυτόχρονα αυξάνει το ιξώδες. Καθώς η πυκνότητα του αερίου είναι πολύ μικρή σε σχέση με αυτή του σωματιδίου η επίδραση στην απόδοση είναι πρακτικά μηδενική. Αύξηση στη θερμοκρασία επίσης οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητα εισαγωγής του αερίου ρεύματος (λόγω αύξησης της ογκομετρική παροχής) και άρα, της ταχύτητα του σωματιδίου καθώς κινείται προς τα τοιχώματα της συσκευής. Ταυτόχρονα όμως, η αύξηση του ιξώδους οδηγεί σε μείωση της ταχύτητα του σωματιδίου. Στην πράξη, στις συνήθεις θερμοκρασίες λειτουργίας ενός κυκλώνα (40-700 οF) τα παραπάνω αφήνουν την απόδοση ανεπηρέαστη. Αν όμως η θερμοκρασία λειτουργίας ξεπεράσει τους 1000 οF η επίδραση του ιξώδους κυριαρχεί, με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης λειτουργίας. Το ιξώδες και η πυκνότητα μπορούν επίσης να επηρεαστούν από τη σύνθεση του αερίου ρεύματος. Οι πίνακες 2.2 και 2.3 που παρουσιάζονται παρακάτω συνοψίζουν τις επιπτώσεις των μεταβολών στα χαρακτηριστικά και τις συνθήκες λειτουργίας στην απόδοση, πτώση πίεσης και κόστος ενός κυκλώνα. 44 Πίνακας 2.2: Επιπτώσεις των μεταβολών στα χαρακτηριστικά λειτουργίας στην απόδοση συλλογής και πτώση πίεσης του κυκλώνα Μεταβολές στον κυκλώνα και τα Πτώση Πίεσης χαρακτηριστικά λειτουργίας Απόδοση Κόστος συλλογής Αύξηση στη διάμετρο σώματος (D) Μείωση Μείωση Αύξηση Επιμήκυνση του κυλινδρικού Μείωση Μείωση Αύξηση Μείωση Αύξηση Αύξηση Μείωση Μείωση Αύξηση Αύξηση Μείωση Μείωση Αύξηση Αύξηση Αύξηση του τμήματος Επιμήκυνση του κωνικού τμήματος Αύξηση της διαμέτρου εξόδου των σωματιδίων Αύξηση της διαμέτρου εισόδου του αερίου ρεύματος και διατήρηση της προηγούμενης ταχύτητας Αύξηση της ταχύτητας κόστους λειτουργίας Αύξηση της θερμοκρασίας και Μείωση Μείωση διατήρηση της προηγούμενης Δεν υπάρχει αλλαγή ταχύτητας Αύξηση της σωματιδιακής Μειώνεται σε φόρτισης μεγάλες Αύξηση Δεν υπάρχει αλλαγή αυξήσεις Αύξηση της διαμέτρου των Δεν υπάρχει σωματιδίων και/ή της πυκνότητας αλλαγή Αύξηση Δεν υπάρχει αλλαγή τους 45 Πίνακας 2.3: Επιπτώσεις των μεταβολών στις συνθήκες λειτουργίας στην απόδοση συλλογής και πτώση πίεσης του κυκλώνα Μεταβλητή Επίδραση στην απόδοση Επίδραση στην πτώση συλλογής πίεσης Παροχή αερίου 1 − η1 Q2 = 1 − η2 Q1 Πυκνότητα αερίου 1 − η1 ρ g − ρ 2 = 1 − η2 ρ g − ρ1 Πυκνότητα σωματιδίου 1 − η1 ρ p − ρ 2 = 1 − η2 ρ p − ρ1 Ιξώδες αερίου 1 − η1 µ1 = 1 − η2 µ2 Σωματιδιακή φόρτιση 1 − η1 L2 = 1 − η 2 L1 ∆P1 Q12 ρ1 T2 = × ∆P2 T1 Q22 ρ 2 0.5 0.5 0.5 0.5 Όπως παραπάνω 0.5 Μηδενική Μηδενική ∆Pd 1 = ∆Pc 0.013L0.5 + 1 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ 47 3.1 Γενική Περιγραφή Ως ηλεκτροστατική κατακρήμνιση (ESP) ορίζεται η χρήση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων για την άρση των στερεών σωματιδίων ή σταγονίδια από υγρά και αέρια ρεύματα, στην οποία τα σωματίδια ή σταγονίδια μεταφέρονται σε αναστολή. Είναι μία από τις πιο δημοφιλής και πιο αποτελεσματικές συσκευές ελέγχου σωματιδίων και μπορεί να απομακρύνει ακόμη και το 99% των σωματιδίων του αερίου ρεύματος. Το πρώτο εμπορικό ηλεκτροστατικό φίλτρο σχεδιάστηκε από τον Walker και Hutchings και εγκαταστάθηκε στα έργα μεταλλουργείου στο Baggily, Βόρεια Ουαλία το 1885. Ωστόσο, αυτή η πρώτη προσπάθεια δεν ήταν επιτυχής λόγω ανεπαρκούς τροφοδοσίας και των φτωχών ιδιοτήτων για την ηλεκτροστατική κατακρήμνιση (δηλαδή, μικρό μέγεθος των σωματιδίων, υψηλή θερμοκρασία, και υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση των σωματιδίων). Το πρώτο επιτυχημένο εμπορικά ηλεκτροστατικό φίλτρο αναπτύχθηκε από τον Δρ Frenterik Cottrell G. το 1906, το οποίο εγκαταστάθηκε σε ένα εργοστάσιο κατασκευής χημικών στην Καλιφόρνια. Η διεργασία του διαχωρισμού με ηλεκτροστατικό φίλτρο (ή ηλεκτροστατικό κατακρημνιστή) περιλαμβάνει τρία στάδια: • Τον ιονισμό του αέρα με το ρυπαντικό φορτίο που ρέει ανάμεσα στα ηλεκτρόδια. • Τη φόρτιση της μετακίνησης και τη συλλογή του ρυπαντικού φορτίου (σωματίδια) στις αντίθετα φορτισμένες πλάκες. • Την απομάκρυνση των σωματιδίων από της πλάκες. Ο αέρας ρέει μέσω του ηλεκτροστατικού φίλτρου αλλά τα σωματίδια αποτίθενται πίσω πάνω στις πλάκες. Το υλικό τινάζεται ή ξεπλένεται από της πλάκες και συγκεντρώνεται στην βάση του ESP. Το ESP είναι μοναδικό ανάμεσα στις άλλες συσκευές ελέγχου αέριας ρύπανσης στο ότι η δυνάμεις συλλογής δρουν μόνο στα σωματίδια και όχι σε ολόκληρο το ρεύμα του αέρα. Μια άλλη κατηγορία ηλεκτροστατικού φίλτρου είναι το υγρό ηλεκτροστατικό φίλτρο (WESP ή υγρή ESP). Λειτουργεί με κορεσμένα ρεύματα αέρα (100% σχετική υγρασία). Ένα είδος WESP χρησιμοποιεί έναν κάθετο κυλινδρικό σωλήνα με κεντρικά ηλεκτρόδιο σύρμα 48 (φυσικό αέριο ρέει προς τα πάνω) με σπρέι νερού για να καθαρίσετε τη συλλογή σωματιδίων από την επιφάνεια συλλογής (πλάκες, σωλήνες). Η συλλογή των υδάτων και σωματιδίων, σε υγρή μορφή αιωρήματος ταινία που καταργεί τα ζητήματα που συνδέονται με την αντίσταση ξηρά του ESP. Σχήμα 3.1: Τυπική διάταξη ESP 50 kV 65 kV Είσοδος αερίου 85 kV 100 kV Έξοδος αερίου 3.2. Πλεονεκτήματα & Μειονεκτήματα Στα πλεονεκτήματα των ESP περιλαμβάνονται: • Υψηλή απόδοση • Μπορούν να επεξεργαστούν πολύ μεγάλους όγκους αερίου με χαμηλή πτώση πίεσης • Ξηρή συλλογή πολύτιμων υλικών, η υγρή συλλογή για καπνούς και ομιχλώματα • Τροφοδότηση από ένα ευρύ φάσμα της θερμοκρασίας των αερίων μέχρι περίπου 700 ° C • Χαμηλό λειτουργικό κόστος Στα μειονεκτήματα των ESP περιλαμβάνονται: • Υψηλό κόστος κεφαλαίου 49 • Όχι πολύ ευέλικτα σε μεταβολές των συνθηκών λειτουργίας, από τη στιγμή που εγκαταστάθηκαν • Μεγάλες απαιτήσεις χώρου • Είναι πολύ πιθανόν να μην λειτουργούν σε σωματίδια με πολύ υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση 3.3. Αρχές λειτουργίας Τυπική ροή του αερίου στα ηλεκτρόδια του ESP είναι 100 με 500 Νm3/sec. Τα μικρότερα ESP (ροή αερίου από 50 μέχρι 100 Νm3/sec) χρησιμοποιούν επίπεδες πλάκες αντί των συρμάτων για τα ηλεκτρόδια υψηλής τάσης. Τα ESP τύπου σύρματος - πλάκας μπορούν να λειτουργήσουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μέχρι και 700ο C. Η θερμοκρασία λειτουργίας του αερίου και η χημική σύσταση αυτού είναι καθοριστικοί παράγοντες για την εκλεκτικότητα της σκόνης και θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό του ESP. Συνήθεις συγκεντρώσεις στην είσοδο του ESP είναι 2 με 110 g/m3. Είναι συχνός ο προκαταρκτικός καθαρισμός του αερίου με μηχανικό συλλέκτη ή κυκλώνα, για να έχει το εισερχόμενο ρεύμα την επιθυμητή φόρτιση σε σωματίδια. Πολύ τοξικά ρεύματα με συγκεντρώσεις κάτω από 1 g/m3 είναι δυνατό να καθαριστούν κάποιες φορές με ESP.[4,5&14] 3.3 Απόδοση συλλογής Για ολόκληρο το ESP, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη συνολική επιφάνεια συλλογής και τη συνολική παροχή του αέρα. − we A Q CL = 1 − e C0 (3.1) Χρησιμοποιώντας των συνηθισμένο ορισμό της απόδοσης συλλογής η Εξίσωση (3.1) γίνεται η εξίσωση Deutsch: η = 1− e − we A Q (3.2) 50 Όπου, η = κλασματική απόδοση συλλογής A = συνολική επιφάνεια συλλογής, m 2 we = πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης, Q = ογκομετρική παροχή αερίου, m min m3 min Η πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης μας δίνεται από τον τύπο we = τ΄FE (3.4) Όπου, FE = ηλεκτροστατική δύναμη ανά μονάδα μάζας, N kg τ΄ = χαρακτηριστικός χρόνος διορθωμένος ως προς τη μετατόπιση, sec Στην πράξη (ειδικά όταν απαιτείται πολύ υψηλή απόδοση), μία πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης we αποκτάται από πιλοτικές μελέτες ή από προηγούμενη εμπειρία με παρόμοιες εφαρμογές ESP. Η πραγματική ταχύτητα μετακίνησης μπορεί με ερμηνεύσει τη διείσδυση σωματιδίων εξαιτίας διαρροής του αερίου (παράκαμψη), την επανείσοδο και της απώλειες τάγματος, κανένα από τα οποία δεν εξηγείται από το μοντέλο της θεωρητικής ταχύτητας πλαγιολίσθησης.[5] 3.4 Διαστασιολόγηση πλακών Το ηλεκτροστατικό φίλτρο περιέχει μια σειρά από λεπτά κάθετα σύρματα, και που ακολουθείται μια στοίβα από μεγάλες μεταλλικές επίπεδες πλάκες προσανατολισμένες κάθετα, με τις πλάκες να έχουν συνήθως απόσταση μεταξύ τους περίπου 1 cm έως 18 cm, ανάλογα με την εφαρμογή. Ο αέρας ή ρεύμα αερίου ροής, κινείται οριζόντια μέσω των χώρων μεταξύ των συρμάτων, και στη συνέχεια περνά μέσα από τη στοίβα των πλακών. 51 A = Ap ( n − 1) N s = Ap ( N − N s ) (3.5) Όπου Αp = επιφάνεια πλάκας με διπλή πλευρά (=2ΗLp) n = αριθμός πλακών εν παραλλήλω κατά το πλάτος του εύρους του ESP Ν = συνολικός αριθμός πλακών στο ESP Νs = αριθμός τμημάτων στη διεύθυνση της ροής Η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του αριθμού των πλακών που απαιτούνται δοθέντων των διαστάσεων της μιας πλάκας.[1] 3.5 Ειδική ηλεκτρική αντίσταση των σωματιδίων Ένα μέτρο της αντίστασης (ενός σωματιδίου) με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, είναι θεμελιώδη δείκτη της ταχύτητας της μετακίνησης των σωματιδίων. Η αντίσταση έχει εξαιρετική σημασία όχι μόνο επειδή διαφέρει σε μεγάλο βαθμό, αλλά και διότι επηρεάζει έντονα την αποτελεσματικότητα της συλλογής των κατακρημνισμάτων. Από τη στιγμή που θα συλλεχθούν, τα σωματίδια αρχίζουν να χάνουν το φορτίο τους στην πλάκα. Η μεταβίβαση των ηλεκτροστατικών φορτίων ολοκληρώνει το ηλεκτρικό κύκλωμα, παράγει τρέχουσα ροή, και επιτρέπει τη διατήρηση της τάσης πτώσης μεταξύ της απαλλαγής και την είσπραξη των ηλεκτροδίων. Η αντίσταση ενός υλικού μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά με τη θέσπιση τρέχουσας ροής του υλικού. Είναι σημαντικό να γίνουν μετρήσεις της αντίσταση από πρόσφατα σωματίδια που έχουν συλλεγεί σε πραγματική ροή του φυσικού αερίου. Σε γενικές γραμμές, οι μετρήσεις θα πρέπει να σημειωθούν στον τομέα και όχι στο εργαστήριο. Οι μέτρησης στο εργαστήριο για την ίδια σωματίδια μπορεί να είναι 100-1000 φορές μεγαλύτερη από τις ειδικές ηλεκτρικές αντίστασης στο πεδίο. Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση P είναι απλώς η αντίσταση επί την κάθετη επιφάνεια στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος διαιρεμένη με το μήκος της διαδρομής όπως φαίνεται στην εξίσωση: P= RA V A = l i l (3.6) Όπου, 52 Ρ = ειδική ηλεκτρική αντίσταση, Ω-cm R = αντίσταση, Ω Α = κάθετη επιφάνεια στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, cm2 l = μήκος διαδρομής στη διεύθυνση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος, cm V = τάση, V i = ηλεκτρικό ρεύμα, A Η αντίσταση των υλικών που γενικά κυμαίνεται από 10-3 έως 1014 Ω-cm, ενώ η καλύτερη σειρά της αντίστασης για τη συλλογή σωματιδίων σε μια ESP είναι 107 έως 1010 Ωcm. Σε γενικές γραμμές, ESP σχεδιασμός και η λειτουργία του είναι δύσκολο για τα αιωρούμενα ειδική ηλεκτρική αντίσταση πάνω από 1011 Ω- cm. Σχήμα 3.2: Επίδραση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στην πραγματική ταχύτητα πλαγιολίσθησης σε ένα ESP. Πηγή: [1] 3.6 Εσωτερική Διαμόρφωση Ο σχεδιασμός της εσωτερικής διαμόρφωσης του ESP είναι μεγάλης σημασίας. Η ομοιόμορφη κατανομή της ροής του αερίου μέσω των αγωγών είναι πολύ κρίσιμη για την ορθή λειτουργία του ESP, όπως είναι ενιαίες και η ορθή απόσταση πλάκα, η κατάλληλη διάταξη των ηλεκτροδίων, η πιστότητα των πλακών, οι πλαγιές του, επαρκή χωνιά αριθμοί των ηλεκτρικών τμημάτων, καθώς και άλλα χαρακτηριστικά στο εσωτερικό του ESP. 53 Πίνακας 3.1: Επιλεγμένες παράμετροι σχεδιασμού για ESP ιπτάμενης τέφρας και τυπικές τιμές Παράμετροι Εύρος τιμών Ταχύτητα Πλαγιολίσθησης we 1.0 – 10 m/min Πλάτος Καναλιού (Αγωγού) D 15 – 40 cm Ειδική Επιφάνεια Συλλογής SCA 0.25 – 2.1 m2/(m3/min) (Επιφάνεια Πλάκας / Παροχή Αερίου) Ταχύτητα Αερίου u 1.2 – 2.5 m/s (70 – 150 m/min) Αναλογία Διαστάσεων R 0.5 – 1.5 (Μήκος Αγωγού / Ύψος Πλάκας) (όχι μικρότερο από 1.0 για η>99%) 1.75 - 17.5 W/(m3/min) Λόγος Ισχύος Κορόνας Pc / Q (Ισχύς Κορόνας / Παροχή Αερίου) 50 – 750 μΑ/m2 Λόγος Ρεύματος Κορόνας lc / A (Ρεύμα Κορόνας / Επιφάνεια Πλάκας) Πυκνότητα Ισχύος έναντι της Ειδικής Ηλεκτρικής Αντίστασης Ειδική Ηλεκτρική Αντίσταση Τέφρας, ohm-cm Πυκνότητα Ισχύος, W/ m2 104 – 107 43 7 8 32 9 10 27 10 – 10 10 – 10 11 22 1012 16 1013 10.8 10 Επιφάνεια Πλάκας ανά Ηλεκτρική Διάταξη As 460 – 7400 m2 Αριθμός Ηλεκτρικών Τμημάτων α. Στη Διεύθυνση της Ροής του Αερίου, N s β. Συνολικά, N t 2–8 1–10 τμήματα/(1000 m3/min) Χρησιμοποιώντας την πρακτική παραμέτρους σχεδιασμού που αναφέρονται παρακάτω στον πίνακα 3.1 και η βασική κατανόηση της διαμόρφωσης ESP, μπορούμε να καθορίσουμε 54 τη γεωμετρία του ESP. Το συνολικό πλάτος του κατακρημνιστής ισούται σχεδόν με τον αριθμό των αγωγών για τη ροή του φυσικού αερίου ως εξής: Nd = Q (3.7) uDH Όπου Nd = αριθμός αγωγών Q = συνολική ογκομετρική παροχή του αερίου μέσα στο ESP, m3/min u = γραμμική ταχύτητα του αερίου στο ESP, m/min D = πλάτος καναλιού (διαχωρισμός πλακών), m Η = ύψος πλάκας, m Το συνολικό μήκος του κρημνιστή δίνεται ως εξής: Lo = N s L p + ( N s − 1) Ls + Len + Lex (3.8) Όπου L0 = συνολικό μήκος, m Νs = αριθμός ηλεκτρικών τμημάτων στη διεύθυνση της ροής Lp = μήκος πλάκας Ls = διάκενο ανάμεσα στα ηλεκτροστατικά τμήματα, m Len = μήκος τμήματος εισόδου, m Lex = μήκος τμήματος εξόδου, m Το διάκενο ανάμεσα στα τμήματα μπορεί να είναι 0.5 – 1.5 μέτρα και το μήκος εισόδου και εξόδου το καθένα μπορεί να είναι αρκετά μέτρα μήκος. Οι πλάκες για μεγάλα ESP ιπτάμενης τέφρας είναι συχνά ύψους 6 - 12 μέτρα και μήκος 1 -4 μέτρα (στη διεύθυνση της ροής του αερίου). Το ύψος του ESP μπορεί να είναι 1.5 έως 3 φορές το ύψος της πλάκας λόγω των συλλεκτών, της υπερκατασκευής, του έλεγχου και ούτω καθεξής. Το συνολικό ύψος του ESP, θα μπορούσε να είναι 1.5-3 φορές το ύψος πλάκα εξαιτίας της χωνιά, υπερκατασκευή, έλεγχοι, και ούτω καθεξής. Ο αριθμός των ηλεκτρικών τμημάτων εξαρτάται από ο λόγος διαστάσεων (η αναλογία του συνολικού μήκους πλάκα σε πλάκα ύψος) και διαστάσεις πλάκα. Ωστόσο, ο αριθμός των ηλεκτρικών τμημάτων πρέπει να είναι 55 επαρκής για την παροχή του ελάχιστου περιοχή συλλογής που απαιτούνται, αλλά δεν είναι μια μεγάλη υπέρβαση της περιοχής. Ο αριθμός των ηλεκτρικών τμημάτων μπορεί να εκτιμηθεί από Ns = RH (3.9) Lp Όπου Ns = αριθμός τμημάτων στη διεύθυνση της ροής (ένας ακέραιος) R = αναλογία διαστάσεων (συνολικό μήκος πλάκας / ύψος πλάκας) Όταν καθορίζεται ο αριθμός των αγωγών και των τμημάτων, η πραγματική συνολική έκταση πλάκα μπορεί να υπολογιστεί από Aa = 2 HLp N s N d (3.10) Όπου Αα = πραγματική επιφάνεια συλλογής, m2 Σε γενικές γραμμές, η απόδοση του ESP μπορεί να βελτιωθεί με την αύξηση τμηματοποίησης λόγω της πιο ακριβή ευθυγράμμιση και την απόσταση για μικρότερα τμήματα και πιο σταθερά σύνολα που λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις. Ο μεγάλος αριθμός των ηλεκτρικών τμημάτων επιτρέπει συνάντηση των συνολικών στόχων αποδοτικότητας, ακόμη και εάν ένα ή περισσότερα τμήματα είναι ακατάλληλο για χρήση.[1&5] 3.7 Συστήματα ηλεκτροδίων Ο καλός σχεδιασμός του φίλτρου προβλέπει συγκεκριμένες διαρθρωτικές σχέσεις μεταξύ των συστημάτων ηλεκτροδίων: ηλεκτρόδιο απαλλαγή και την είσπραξη των ηλεκτροδίων. Το είδος και η τοποθέτηση της απαλλαγής και τη συλλογή ηλεκτρόδια μπορεί να είναι σημαντικοί παράγοντες στη λειτουργία και συντήρηση ενός ESP. Η απαλλαγή ενός ηλεκτρόδιου σύστημα αποτελείται ενός αγωγού υψηλής τάσης, των πρώτων υλών μέσω μονωτικού στήριξης, ένταση μονωτικού υποστήριξη, άνω δίκτυο υποστήριξης, την απαλλαγή ηλεκτρόδιου δόνησης και σύρματα, κάτω πλέγμα ευθυγράμμιση, και το βαθμό 56 ένταση. Τα σύρματα ενέργειας απαλλαγής (αρνητικά συνήθως) και ελατήριο από χάλυβα με αιχμηρά άκρα για να διευκολυνθεί η δημιουργία του στέμματος γύρω αυτά σχεδιάζονται γύρο στα 12 μέτρα. Είναι ενισχυμένη στο πάνω και κάτω μέρος για να εξασφαλιστεί η καλή ηλεκτρική επαφή και να αντιστέκονται στης μηχανικές και ηλεκτρικές διάβρωση. Τα καλώδια είναι τεντωμένα από τα βάρη και τοποθετούνται μέσω των οδηγών για να αποφευχθεί το υπερβολικό ταλάντευα. Τυχών διάβρωση μπορεί να συμβεί κοντά στην κορυφή των συρμάτων, λόγω της διαρροής αέρα και οξύ συμπύκνωση. Επιπλέον, μεγάλη σταθμισμένα καλώδια τείνουν για ταλάντωση. Η μέση του σύρματος μπορεί να προσεγγίσει τις πλάκες πολύ κοντά , προκαλώντας αύξηση σπινθήρων και φθορά. [1] 3.8 Απομάκρυνση των σωματίδια που έχουν συλλεχθεί Μετά τη συλλογή, τα σωματίδια πρέπει να απομακρύνονται περιοδικά έτσι ώστε το ESP να μπορεί να συνεχίζει να λειτουργεί σωστά. Η απομάκρυνση των σωματιδίων πραγματοποιείται τινάζοντας τις πλάκες προκαλώντας μια δόνηση η οποία απομακρύνει τα στρώματα της σκόνης. Η σκόνη πέφτει μέσα στους συλλέκτες και στη συνέχεια μεταφέρεται μέσω πνευματικών σωλήνων ή κοχλιομεταφορέων σε μία εγκατάσταση φόρτωσης. Επιπλέων τα συστήματα συλλέγουν κάποια ποσότητα σκόνης, αυτά επίσης τινάζονται ή δονούνται περιοδικά. Οι πλάκες παραμένουν διεγερμένες κατά τη διάρκεια του τινάγματος.[5] 3.9 Τροφοδοσία Οι απαιτήσεις σε ισχύ για ένα ηλεκτροστατικό φίλτρο ποικίλουν ανάλογα με την απόδοση συλλογής των σωματιδίων. Τα στοιχεία αυτά αναπτύσσονται πειραματικά για κάθε τύπο εφαρμογής και για διαφορετικές ιδιότητες των σωματιδίων. Για να εξασφαλιστεί η συνεχής μέγιστη απόδοση συλλογής χρησιμοποιούνται συνήθως, οι αυτόματοι ρυθμιστές τάσης, ακόμη και κάτω από πολύ διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Λειτουργικά η κατανάλωση ενέργειας σε ένα ESP προέρχεται κυρίως από την ισχύος της κορόνας και με την ενέργεια της κολόνας να είναι η κύρια αιτία. Παράλου που η πτώση πίεσης της του αερίου είναι χαμηλή, ο όγκος της ροής του αερίου είναι υψηλός. Η ηλεκτρική ενέργεια για την κορόνα μπορεί να προσεγγιστεί από την εξίσωση. 57 Pc = I cVavg (3.11) Όπου PC =ηλεκτρική ενέργεια κορόνας, W IC = ηλεκτρικό ρεύμα κορόνας, Α Vavg = μέσος όρος τάσης, V Παρόλο που οι τάσεις στα ESP είναι πολύ υψηλές η ροή του ρεύματος λόγω της μετακίνησης των ιόντων αερίου είναι χαμηλής και επομένως η κατανάλωση ενέργειας δεν είναι αδικαιολόγητος υψηλή. [1] 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ 59 4.1 Γενική Περιγραφή Η διήθηση με ύφασμα είναι μια διαδικασία διαχωρισμού κατά την οποία ένα αέριο που περιέχει στερεά περνά μέσα από ένα πορώδες μέσο (ύφασμα) το οποίο κατακρατά τα στερεά. Αυτή η διαδικασία μπορεί να λειτουργούν σε μια συνεχής λειτουργία, με περιοδική απομάκρυνση των στερεών ή ημί-συνεχής από τα φίλτρα. Συστήματα φιλτραρίσματος, μπορεί επίσης να είναι σχεδιασμένα για να λειτουργούν σε ένα συνεχή τρόπο. Όπως και με άλλες τεχνικές διήθησης, συσσωρεύοντας ένα στερεό στρώμα σκόνης εκτελείτο μεγαλύτερο μέρος της διήθησης. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη υφάσματος, διαφορετικοί τρόποι ύφανσής τους σε διάφορα μεγέθη σάκων, διαφορετικοί τρόποι διαμόρφωσης των σάκων σε ένα σακόφιλτρο και διαφορετικοί τρόποι ροής του αέρα μέσα από τους σάκους. Η βασική διαδικασία φιλτραρίσματος μπορεί να διεξαχθεί σε πολλούς διαφορετικούς τύπους υφάσματος, φίλτρα υπό τις οποίες συλλέγονται τα φυσικά διευθέτηση του υλικού και τη μέθοδο για την απομάκρυνση υλικού από το φίλτρο θα ποικίλλουν. Οι βασικές διαφορές που μπορεί να σχετίζονται, σε γενικές γραμμές, είναι τα ακόλουθα: • Τύπος του υφάσματος • Καθαρισμός - μηχανισμός • Εξοπλισμός γεωμετρία • Τρόπος λειτουργίας Στα σακόφιλτρα γενικά οι ίνες είναι περίπου 100 – 150 μικρά σε διάμετρο και τα ανοικτά διαστήματα ανάμεσα στις ίνες μπορεί να είναι τόσο μεγάλα όσο 50 75 μικρά. Τα κενά καταλαμβάνονται από μικροσκοπικά, τυχαία προσανατολισμένα ινίδια. Αρχικά όταν αυτό το καθαρό ύφασμα θα μπει σε χρήση, η απόδοση συλλογής θα είναι χαμηλή λόγο ότι ένα μεγάλο τμήμα των σωματιδίων θα περνά απευθείας μέσα από το ύφασμα. Ωστόσο, λόγω της πρόσκρουσης, ανάσχεσης της πορείας και της διάχυσης, τα σωματίδια της σκόνης θα συσσωρευτούν γρήγορα πάνω στα ινίδια και θα γεφυρώνουν τα κενά. Από τη στιγμή που αυτές οι ενδιάμεσες οπές γεμίσουν και σχηματιστεί πάνω στο ύφασμα το στρώμα σωματιδίων, η απόδοση του φιλτραρίσματος θα αυξηθεί σημαντικά. 60 Το στρώμα των σωματιδίων είναι ένα πολύ αποτελεσματικό φίλτρο, αλλά όπως θα ήταν αναμενόμενο, αυξάνει την αντίσταση στη ροή του αερίου. Η πτώση πίεσης μέσα από ένα σακόφιλτρο για μία δεδομένη παροχή αερίου δίνεται από [2&5] ∆P = ∆Pf + ∆Pp + ∆Ps (4.1) Όπου ∆P = συνολική πτώση πίεσης ∆Pf = πτώση πίεσης λόγο του υφάσματος ∆Pp = πτώση πίεσης λόγω του στρώματος σωματιδίων ∆Ps =πτώση πίεσης λόγω της κατασκευής του σακόφιλτρου 4.2. Χαρακτηριστικά 4.2.1. Πλεονεκτήματα: • Τα σακόφιλτρα γενικά έχουν υψηλές αποδόσεις συλλογής σε χοντρά και λεπτά σωματίδια. Αυτά είναι σχετικά ανεπηρέαστα στις διακυμάνσεις των συνθηκών του αερίου ρεύματος. • Η απόδοση και η πτώση πίεσης είναι σχετικά ανεπηρέαστα από μεγάλες αλλαγές στις φορτίσεις σκόνης στην είσοδο για συνεχώς καθαριζόμενα φίλτρα. • Ο αέρας που εξέρχεται από το φίλτρο είναι πολύ καθαρός και μπορεί να ανακυκλωθεί μέσα στο εργοστάσιο με πολλούς τρόπους (για διατήρηση της ενέργειας). • Τα συλλεγόμενα υλικά συλλέγονται στεγνά για να ακολουθήσει η επεξεργασία ή η διάθεση. • Διάβρωση και σκουριά των συστατικών συνήθως δεν είναι πρόβλημα • Η λειτουργία είναι σχετικά απλή • Αντίθετα από τα ESP, τα συστήματα σακόφιλτρων δεν απαιτούν τη χρήση υψηλής τάσης, επομένως η συντήρηση είναι απλή και η εύφλεκτη σκόνη μπορεί να συλλεχθεί με κατάλληλη προσοχή 61 • H χρήση επιλεγμένου ινώδη ή κοκκώδη φίλτρου βοηθά στην υψηλή απόδοση συλλογής καπνών και αέριων ρύπων. • Οι συλλογείς των φίλτρων είναι διαθέσιμοι σε μεγάλο αριθμό διαμορφώσεων, με αποτέλεσμα την ύπαρξη ποικιλίας διαστάσεων και θέσεων φλάντζας στην είσοδο και στην έξοδο για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις της εγκατάστασης 4.2.2. Μειονεκτήματα: • Οι θερμοκρασίες που υπερβαίνουν κατά πολύ τους 290οC απαιτούν πυρίμαχο ορυκτό ή μεταλλικά υφάσματα τα οποία είναι ακριβά • Συγκεκριμένες σκόνες μπορεί να απαιτήσουν επεξεργασίες υφάσματος για τη μείωση διαρροής σκόνης, ή σε άλλες περιπτώσεις, βοηθούν στην απομάκρυνση της συλλεγόμενης σκόνης • Συγκεντρώσεις κάποιας σκόνης στον συλλογέα, περίπου 50g/m3 μπορεί να εμφανίσει επικινδυνότητα για φωτιά ή έκρηξη, εάν μια σπίθα ή φωτιά ατυχώς επιτραπεί • Τα υφάσματα μπορεί να καούν εύκολα όταν συλλέγεται οξειδωτική σκόνη. Τα σακόφιλτρα έχουν σχετικά υψηλές απαιτήσεις συντήρησης (π.χ. περιοδική αντικατάσταση σάκων). • Η διάρκεια ζωής του υφάσματος μπορεί να μικρύνει σε υψηλές θερμοκρασίες και στην παρουσία όξινων ή αλκαλικών σωματιδίων ή στα συστατικά του αερίου • Δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε περιβάλλον με υγρασία, με υγροσκοπικά υλικά, με συμπύκνωση υγρασίας ή με πισσώδη κολλώδη συστατικά τα οποία μπορεί να προκαλέσουν κρούστα ή βούλωμα του υφάσματος ή να απαιτήσουν ειδικά πρόσθετα • Απαιτείται αναπνευστική προστασία για το προσωπικό της συντήρησης όταν αντικαθίστανται τα φίλτρα • Απαιτείται μέτρια πτώση πίεση, τυπικά στην περιοχή των 100 έως 250 mm Η2Ο • Ένα συγκεκριμένο μειονέκτημα για μονάδες παλμού πεπιεσμένου αέρα που χρησιμοποιεί πολύ υψηλές ταχύτητες αερίου είναι ότι η σκόνη από τους καθαρισμένους σάκους μπορεί να οδηγηθεί αμέσως στους άλλους σάκους. Εάν αυτό συμβεί, μικρή ποσότητα σκόνης πέφτει στη χοάνη και το στρώμα της σκόνης πάνω στους σάκους γίνεται πολύ πυκνή. Για την πρόληψη αυτού, τα σακόφιλτρα με 62 παλμούς πεπιεσμένου αέρα θα πρέπει να σχεδιαστούν με χωριστά τμήματα που μπορούν να απομονωθούν για τον καθαρισμό 4.3. Συνθήκες λειτουργίας Τα σακόφιλτρα διακρίνονται σε δύο ομάδες, τυπικά και κατά παραγγελία, τα οποία διακρίνονται περαιτέρω σε χαμηλή, μέτρια και υψηλή δυναμικότητα. Τα τυπικά σακόφιλτρα είναι μονάδες φθηνής βιομηχανικής κατασκευής. Αυτά μπορούν να χειριστούν λιγότερο από 0.10 έως και πάνω από 50 Nm3/s. Τα κατά παραγγελία σακόφιλτρα σχεδιάζονται για συγκεκριμένες εφαρμογές και κατασκευάζονται με προδιαγραφές του πελάτη. Οι μονάδες αυτές γενικά είναι μεγαλύτερες από τις τυπικές μονάδες δηλ. από 50 έως πάνω από 500 Nm3/s. Τυπικά, θερμοκρασίες αερίου πάνω από 260 oC με απότομες μεταβολές έως περίπου 290 oC μπορούν να εφοδιαστούν με κατάλληλο υλικό υφάσματος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ψυκτικές συσκευές ψεκασμού ή αραίωση αέρα για τη μείωση της θερμοκρασίας του ρυπασμένου ρεύματος. Αυτό αποτρέπει την υπέρβαση των ορίων θερμοκρασίας του υφάσματος. Περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας, εντούτοις, αυξάνει την υγρασία του ρυπασμένου ρεύματος. Συνεπώς, η ελάχιστη θερμοκρασία του ρυπασμένου ρεύματος πρέπει να παραμείνει πάνω από το σημείο δρόσου κάθε συμπυκνώσιμης ουσίας του ρεύματος. Το σακόφιλτρο και το δίκτυο αγωγών του θα πρέπει να μονωθούν και πιθανά να θερμανθούν εάν έχουμε συμπύκνωση. Συνήθεις συγκεντρώσεις εισόδου στα σακόφιλτρα είναι 1 έως 23 g/m3, αλλά σε εξαιρετικές περιπτώσεις, οι συνθήκες εισόδου μπορεί να μεταβάλλονται μεταξύ 0.1 έως πάνω από 230g/m3. [4&5] Η επιφανειακή ταχύτητα διήθησης V, επίσης είναι γνωστή και ως λόγος αέρα / υφάσματος είναι ίση με την ογκομετρική παροχή του αερίου διαιρεμένη με την επιφάνεια του υφάσματος δηλαδή V= Q A (4.2) Όπου 63 V = επιφανειακή ταχύτητα διήθησης, Q = ογκομετρική παροχή αερίου, m min m3 min A = επιφάνεια υφάσματος, m 2 4.4 Σακόφιλτρα με ρεύμα αέρα αντιθέτου ροής και με μηχανική δόνηση Η μηχανική δόνηση ήταν η δημοφιλής μέθοδος καθαρισμού για πολλά χρόνια εξαιτίας της απλότητάς της καθώς και της αποτελεσματικότητάς της. Σε συνήθη λειτουργία το αέριο που περιέχει σκόνη εισέρχεται μέσω του αγωγού εισόδου στο σακόφιλτρο δονούμενου καθαρισμού και πολύ μεγάλα σωματίδια απομακρύνονται από το ρεύμα όταν αυτά προσκρούουν στο διάφραγμα στο αγωγό εισόδου και πέφτουν στη χοάνη. Το αέριο με τα σωματίδια έλκεται από το κάτω μέρος μιας κυψελοπειδούς πλάκας στο πάτωμα και μέσα στα σακόφιλτρα. Το αέριο προχωρά από το εσωτερικό των σάκων προς το εξωτερικό και μέσω του αγωγού εξόδου. Τα σωματίδια συλλέγονται στην εσωτερική επιφάνεια των σάκων και συσσωρεύεται μια κρούστα. Στις μονάδες μηχανικής δόνησης, οι κορυφές των σάκων προσαρμόζονται σε μια δοκό δόνησης, η οποία κινείται ζωηρά (συνήθως σε οριζόντια κατεύθυνση) για τον καθαρισμό των σάκων. Οι δοκοί δόνησης λειτουργούν με μηχανικούς κινητήρες ή με το χέρι, σε εφαρμογές όπου ο καθαρισμός δεν απαιτείται να είναι συχνός. Η παλμική μέθοδος καθαρισμού είναι παρόμοια με τις μονάδες μηχανικής δόνησης. Αυτή χρησιμοποιεί πνευματική κίνηση υψηλής συχνότητας, χαμηλού εύρους παλμού του πλαισίου του σάκου για τον καθαρισμό των σάκων. Η μέθοδος αυτή έχει περιορισμένη εφαρμογή η οποία οφείλεται στη χαμηλή ενέργεια καθαρισμού και στο σχεδιασμό μικρότερων σακόφιλτρων. Ο καθαρισμός με ρεύμα αέρος αντιθέτου ροής είναι μια δημοφιλής μέθοδος καθαρισμού που έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς και βελτιούμενος για πολλά χρόνια Είναι ένας ήπιος αλλά μερικές φορές λιγότερο αποτελεσματικός μηχανισμός καθαρισμού από τον μηχανικό καθαρισμό. Τα περισσότερα σακόφιλτρα με καθαρισμό αντίστροφης ροής λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο με αυτά που του μηχανικού καθαρισμού. Τυπικά, οι σάκοι είναι ανοικτοί στην βάση και κλειστοί στην κορυφή και η ροή του αερίου είναι από το εσωτερικό προς το 64 εξωτερικό των σάκων με την σκόνη να δεσμεύεται εσωτερικά του σάκου. Εντούτοις, σε μερικούς σχεδιασμούς αυτού του τύπου σακόφιλτρων η σκόνη συλλέγεται στο εξωτερικό μέρος των σάκων. Και στους δύο σχεδιασμούς ο καθαρισμός αντιθέτου ροής ρεύματος αέρα γίνεται κατευθύνοντας τον καθαρό αέρα σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του ρυπασμένου αέρα. Η αλλαγή κατεύθυνσης της ροής του αερίου προκαλεί την κάμψη του σάκου και το σκάσιμο της κρούστας. Στην εσωτερική συλλογή κρούστας επιτρέπεται η κατάρρευση των σάκων σε κάποιο βαθμό κατά την διάρκεια του καθαρισμού με αντίθετη ροή αέρα. Συνήθως, η κατάρρευση των σάκων προλαμβάνεται πλήρως από κάποιο είδος στήριξης όπως δακτύλιοι που είναι ραμμένοι στους σάκους. Τα στηρίγματα δίνουν τη δυνατότητα στην κρούστα να μειωθεί από τους σάκους και να οδηγηθεί στη χοάνη. Η απελευθέρωση της κρούστας βοηθιέται από την αντίθετη ροή του αερίου. Επειδή στα τσόχινα υφάσματα παραμένει σκόνη περισσότερο από τα υφάσματα με πλέξη, ο καθαρισμός τους είναι πιο δύσκολος και συνεπώς τα τσόχινα υφάσματα δεν χρησιμοποιούνται στα συστήματα καθαρισμού με αντιστροφή ροής αέρα. Σχήμα 4.1: Σακόφιλτρα με πεπιεσμένο αέρα Έξοδος αερίου Έσοδος αερίου Έξοδος αερίου Έξοδος αερίου Έσοδος αερίου Έσοδος αερίου (α) (β) (γ) Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι αντιστροφής της ροής του αέρα μέσα από τα φίλτρα. Όπως και με τα συστήματα καθαρισμού με μηχανική δόνηση, η πιο κοινή προσέγγιση είναι η ύπαρξη χωριστών τμημάτων στο σακόφιλτρο έτσι ώστε κάθε τμήμα να μπορεί να απομονωθεί και να καθαριστεί χωριστά ενώ τα άλλα τμήματα συνεχίζουν να καθαρίζουν το ρυπασμένο 65 αέριο. Μία μέθοδος αντιστροφής ροή αέρα είναι με τη χρήση δεύτερου ανεμιστήρα ή καθαρισμένου αέρα από τα άλλα τμήματα. Ο καθαρισμός με αντιστροφή του αέρα χρησιμοποιείται μόνον στις περιπτώσεις όπου η σκόνη απομακρύνεται εύκολα από το φίλτρο. Σε πολλά παραδείγματα, η αντιστροφή αέρα χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με δόνηση ή υπό πίεση ή με ηχητικές χοάνες. [4] Πίνακας 4.1: Μέγιστες Ταχύτητες Διήθησης για διάφορες Σκόνες σε Σακόφιλτρα με Μηχανική Δόνηση και Ρεύμα Αέρα Αντιθέτου ροής. Σκόνες Μέγιστη Ταχύτητα Διήθησης cfm/ft2 ή ft/min Ενεργοποιημένος Ξυλάνθρακας, Μαύρος Άνθρακας, 1.50 Απορρυπαντικά, Ατμοί Μετάλλων Οξείδιο του Αλουμινίου, Άνθρακας, Λιπάσματα, 2.0 Γραφίτης, Μετάλλευμα Σιδήρου, Οξείδιο του Ασβεστίου, Χρώματα, Ιπτάμενη Τέφρα, Χρωστικές Ουσίες Αργίλιο, Άργιλος, Κώκ, Ξυλάνθρακας, Κακάο, 2.25 Οξείδιο του Μολύβδου, Μαρμαρυγία, Σαπούνι, Ζάχαρη, Τάλκης Βωξίτης, Κεραμικά, Ορυκτό Χρώμιο, Άστριος, 2.50 Αλεύρι, Πυρόλιθος, Γυαλί, Γύψος, Πλαστικά, Τσιμέντο Αμίαντος, Ασβστόλιθος, Χαλαζίας, Διοξείδιο του Πυριτίου, 2.75 Φελλός, Ζωοτροφές και Δημητριακά, Μάρμαρο, 3.0-3.25 Κέλυφος Οστρέων, Αλάτι Δέρμα, Χαρτί, Καπνός, Ξύλο 3.50 66 Στο σύστημα του ρεύματος αέρα με αντίθετη ροή, καθαρός αέρας εμφυσάται μέσω των σάκων στο απομονωμένο διαμέρισμα με κατεύθυνση αντίθετη αυτής της κανονικής ροής για να αποσπασθεί το στρώμα των σωματιδίων .Σε ένα σακόφιλτρο με μηχανική δόνηση, οι σάκοι τινάζονται για να αποσπασθεί η προηγούμενη συλλεγμένη σκόνη. Και στης δύο περιπτώσεις, μεγάλα κομμάτια και συσσωματώματα πέφτουν μέσα σε ένα συλλεκτήρα στο κάτω μέρος του διαμερίσματος. Η σκόνη περιοδικά απομακρύνεται από το συλλεκτήρα και διατίθεται ή επαναχρησιμοποιείται εάν είναι δυνατόν. Πίνακας 4.2: Αριθμός διαμερισμάτων ως συνάρτηση της καθαρής επιφάνειας υφάσματος Καθαρή Επιφάνεια Υφάσματος, ft2 Αριθμός Διαμερισμάτων 1 – 4000 2 4000 – 12,000 3 12,000 – 25,000 4–5 25,000 – 40,000 6–7 40,000 – 60,000 8 – 10 60,000 – 80,000 11 – 13 80,000 – 110,000 14 – 16 110,000 – 150,000 17 – 20 >150,000 >20 Ο αριθμός των διαμερισμάτων που επιλέγεται κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού εξαρτάται από τη συνολική ροή που πρόκειται να διηθηθεί, τη διαθέσιμη (ή την επιθυμητή) μέγιστη πτώση πίεσης ΔPm, το χρόνο διήθησης tf που είναι επιθυμητός ανάμεσα σε δύο καθαρισμούς του ίδιου διαμερίσματος και τον απαιτούμενο χρόνο για τον καθαρισμό ενός διαμερίσματος tc. Το χρονικό διάστημα ανάμεσα στους καθαρισμούς οιονδήποτε δύο διαμερισμάτων είναι ο χρόνος λειτουργίας tr. Ο χρόνος διήθησης tf είναι ο χρόνος που παρέχεται από τη στιγμή που ένα διαμέρισμα επιστρέφει σε μέχρι ότου το ίδιο διαμέρισμα απομονωθεί και πάλι για καθαρισμό (αφού όλα τα άλλα διαμερίσματα έχουν καθαριστή κυκλικά). Ο χρόνος tf σχετίχεται με τους tr και t c ως εξής [5] 67 t f = N ( tr + tc ) − tc (4.3) Όπου t f = χρόνος διήθησης, min tr = χρόνος λειτουργίας, min tc = χρόνος καθαρισμού, min N = συνολικός αριθμός διαμερισμάτων Πίνακας 4.3: Θερμοκρασία και Χημική Αντίσταση Μερικών Συνηθισμένων Βιομηχανικών Υφασμάτων Συνιστώμενη Χημική Αντίσταση Μέγιστη Θερμοκρασία Ύφασμα ο F Οξύ Βάση Dynel 160 Καλή Καλή Βαμβάκι 180 Χαμηλή Καλή Μαλλί 200 Καλή Χαμηλή Νάϊλον 200 Χαμηλή Καλή Πολυπροπυλένιο 200 Εξαιρετική Εξαιρετική Orlon 260 Καλή Μέτρια Dacron 275 Καλή Μέτρια Nomex® 400 Μέτρια Καλή Teflon® 400 Εξαιρετική Εξαιρετική Υαλο-ύφασμα 550 Καλή Καλή Κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος tj ( t j = t f − tr = ( N − 1)( tr + tc ) ) το ύφασμα στο διαμέρισμα j έχει συσσωρεύσει μία τοπική πυκνότητα σκόνης Wj, η οποία δίνεται από W j = ( N − 1)(VN ⋅ L ⋅ tr + VN −1 ⋅ L ⋅ tc ) (4.4) Όπου W j = τοπική πυκνότητα σκόνης, lbm ft 2 68 L = φορτίο σε σωματίδια, lbm ft 3 Κατά συνέπεια, η αντίσταση του φίλτρου στο διαμέρισμα j είναι S j = K e + K sW j (4.5) Όπου S j = αντίσταση του φίλτρου, in. H 2O − min ft Με την βοήθεια του πίνακα 4.4 μπορούμε να εκτιμήσουμε την πραγματική ταχύτητα διήθησης ως V j = f NVN −1 (4.6) Όπου V j = πραγματική ταχύτητα διήθησης στο διαμέρισμα jστο χρόνο διάστημα, tj, ft min f N = συντελεστής διόρθωσης Και τέλος μπορούμε να υπολογίσουμε την ΔPj , η οποία είναι ίση με τη μέγιστη επιτρεπόμενη πτώση πίεσης ΔPm : ∆Pj = ∆Pm = S jV j (4.7) Όπου ∆Pj = πτώση πίεσης στο διαμέρισμα j , in. H 2O 69 Πίνακας 4.4: Λόγος της πραγματικής ταχύτητας διήθησης Vj προς τη μέση ταχύτητα διήθησης VN – 1 σε σακόφιλτρο πολλαπλών διαμερισμάτων Συνολικός Αριθμός Διαμερισμάτων, N f N = V j / VN −1 3 0.87 4 0.80 5 0.76 7 0.71 10 0.67 12 0.65 15 0.64 20 0.62 Σακόφιλτρα δόνησης με αέρα υπό πίεση Ο καθαρισμός των σακόφιλτρων με παλμούς πεπιεσμένου αέρα είναι σχετικά νέος σε σύγκριση με τους άλλους τύπους σακόφιλτρων, αφού έχει χρησιμοποιηθεί τα τελευταία μόνον σαράντα χρόνια. Αυτός ο μηχανισμός καθαρισμός έχει σταθερά αναπτυγμένη αναγνώριση επειδή μπορεί να χειριστεί μεγάλες φορτίσεις σκόνης, λειτουργεί σε σταθερή πίεση και καταλαμβάνει λιγότερο χώρο από τους άλλους τύπους σακόφιλτρων. Τα σακόφιλτρα με παλμούς πεπιεσμένου αέρα μπορούν να λειτουργήσουν μόνον ως συσκευές με εξωτερική συλλογή κρούστας. Οι σάκοι είναι κλειστοί στον πυθμένα και ανοικτοί στην κορυφή και στηρίζονται με εσωτερικά συστήματα συγκράτησης που ονομάζονται κλουβιά. Το ρεύμα αερίου με τα σωματίδια οδηγείται στους σάκους, χρησιμοποιώντας συχνά διαχυτήρες για πρόληψη καταστροφής των σάκων από υπερμεγέθη σωματίδια. Το αέριο ρέει από την εξωτερική πλευρά των σάκων προς την εσωτερική και στην συνέχεια εξέρχονται τα απαέρια. Τα σωματίδια συλλέγονται στην εξωτερική επιφάνεια των σάκων και πέφτουν μέσα σε μια χοάνη που βρίσκεται στο κάτω μέρος του σακόφιλτρου. 70 Σχήμα 4.2: Σακόφιλτρα με μηχανική δόνηση Έσοδος αερίου Έξοδος αερίου Σκόνη Κατά τη διάρκεια καθαρισμού με παλμούς πεπιεσμένου αέρα, μία μικρή ριπή αέρα, διάρκειας 0.03 έως 0.1 δευτερολέπτων, υψηλής πίεσης, (415 έως 830 kPa) εισάγεται μέσα στους σάκους. Ο παλμός μεταφέρεται με ακροφύσιο Venturi στην κορυφή των σάκων και δημιουργεί ένα κύμα έκρηξης που μεταφέρεται μέχρι τον πυθμένα του σάκου. Το κύμα κάμπτει το ύφασμα, σπρώχνοντας το μακριά από το κλουβί και στη συνέχεια το ξαναφέρνει πίσω απομακρύνοντας την κρούστα σκόνης. Ο κύκλος καθαρισμού ρυθμίζεται από έναν απομακρυσμένο χρονοδιακόπτη που είναι συνδεδεμένος με μαγνητικό επιστόμιο. Η ριπή αέρα ελέγχεται από το μαγνητικό επιστόμιο και απελευθερώνεται στους αγωγούς οι οποίοι έχουν ακροφύσια που είναι τοποθετημένα ακριβώς πάνω από τους σάκους. Οι σάκοι συνήθως καθαρίζονται κατά σειρά. Υπάρχουν αρκετά μοναδικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του καθαρισμού με παλμούς πεπιεσμένου αέρα. Επειδή ο παλμός είναι πολύ βραχύβιος, η ροή του ρυπασμένου αερίου δεν σταματάει κατά τη διάρκεια του καθαρισμού. Οι άλλοι σάκοι συνεχίζουν το φιλτράρισμα, αναλαμβάνοντας την πρόσθετη υποχρέωση εξαιτίας του καθαρισμού των σάκων. Γενικά, δεν υπάρχει αλλαγή στην πτώση πίεσης του σακόφιλτρου ή στη λειτουργία εξαιτίας του καθαρισμού με παλμούς πεπιεσμένου αέρα. Αυτό καθιστά το συγκεκριμένο τύπο σακόφιλτρων να λειτουργούν συνεχώς με μαγνητικό επιστόμιο ως το μοναδικό σημαντικό κινούμενο τμήμα. Ο καθαρισμός με παλμούς πεπιεσμένου αέρα είναι επίσης πολύ έντονος και πραγματοποιείται με τη μεγαλύτερη συχνότητα από τις άλλες μεθόδους καθαρισμού των σακόφιλτρων. Αυτός ο έντονος καθαρισμός απελευθερώνει σχεδόν όλη 71 την κρούστα σκόνης κάθε φορά που πάλλεται ο σάκος. Αποτέλεσμα αυτού είναι το φιλτράρισμα στα σακόφιλτρα με παλμούς πεπιεσμένου αέρα να μην βασίζεται στην κρούστα σκόνης. Τσόχινα (χωρίς πλέξη) υφάσματα χρησιμοποιούνται στα σακόφιλτρα με παλμούς πεπιεσμένου αέρα επειδή δεν απαιτείται η ύπαρξη κρούστας σκόνης για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων συλλογής. Βρέθηκε ότι υφάσματα με πλέξη που χρησιμοποιήθηκαν με σακόφιλτρα αυτού του τύπου μεγάλο μέρος της σκόνης διαφεύγει μετά από τον καθαρισμό τους. Πίνακας 4.5: Μέγιστες Ταχύτητες Διήθησης για Διάφορες Σκόνες ή Καπνούς σε Σακόφιλτρα Δόνησης με Αέρα υπό Πίεση. Σκόνες ή Καπνοί Μέγιστη Ταχύτητα Διήθησης, cfm/ft2 ή ft/min Άνθρακας, Γραφίτης, Ατμοί Μεταλλουργίας, 5–6 Σαπούνι, Καθαριστικά, Οξείδιο του Ψευδαργύρου Τσιμέντο (Ακατέργαστο), Άργιλος (Πράσινη), Πλαστικά, 7–8 Χρωστικές Ουσίες, Άμυλο, Ζάχαρη, Ξυλόσκονη, Ψευδάργυρος (Μεταλλικός) Οξείδιο Αλουμινίου, Τσιμέντο (φινιρισμένο), Άργιλος 9 – 11 (υαλοποιημένη) Άσβεστος, Ασβεστόλιθος, Γύψος, Μαρμαρυγίας, Χαλαζίας, Σπόρος, Σόγιας, Τάλκης Κακάο, Σοκολάτα, Αλεύρι, Σπόροι, Σκόνη Δέρματος, 12 – 14 Πριονίδι, Καπνός Επειδή οι σάκοι που καθαρίζονται με τη μέθοδο παλμών πεπιεσμένου αέρα δεν έχουν ανάγκη να βρίσκονται απομονωμένα για τον καθαρισμό, τα σακόφιλτρα αυτά δεν έχουν ανάγκη για πρόσθετα τμήματα προκειμένου να διατηρήσουν το φιλτράρισμα σε ικανοποιητικό επίπεδο κατά τη διάρκεια καθαρισμού. Επίσης, εξαιτίας της έντονης και συχνής φύσης του καθαρισμού, είναι δυνατή η επεξεργασία υψηλότερων παροχών αερίου 72 με υψηλότερες φορτίσεις σκόνης. Συνεπώς, τα συγκεκριμένα σακόφιλτρα είναι δύναται να είναι μικρότερα από άλλους τύπους σακόφιλτρων για την επεξεργασία της ίδιας ποσότητας αερίου και σκόνης, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερους λόγους αερίου προς ύφασμα.[4] Η πτώση πίεσης μέσω ενός σακόφιλτρου δόνησης με αέρα υπό πίεση έχει συσχετιστεί με την ταχύτητα διήθησης, την πίεση του παλμού και την τοπική πυκνότητα της αποτιθέμενης σκόνης κατά τη διάρκεια ενός κύκλου φιλτραρίσματος . Ένα μοντέλο που αναπτύχτηκε για την ιπτάμενη τέφρα που συλλέγεται σε πολυεστερικούς σάκους, είναι ∆P = 2.72∆W 0.45 P −1.38V 2.34 (7.8) Όπου V = ταχύτητα διήθησης, cm sec ∆W = τοπική πυκνότητα σκόνης που προστίθεται μεταξύ δύο διαδοχικών καθαρισμών ( ∆W = L ⋅ V ⋅ t ) , f mg cm 2 P = πίεση παλμού, atm 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΥΝΤΡΙΔΕΣ VENTURI 74 5.1 Γενική Περιγραφή Η πλυντρίδα Venturi επιταχύνει το ρεύμα αερίου αποβλήτου με τη μετατροπή του υγρού σε σταγονίδια και τη βελτίωση της επαφής αερίου-υγρού. Σε μια πλυντρίδα Venturi υπάρχει ένα τμήμα “λαιμού” μέσα στον αγωγό που εξαναγκάζει το αέριο ρεύμα να επιταχύνει καθώς ο αγωγός στενεύει και στη συνέχεια διαστέλλεται. Καθώς το αέριο μπαίνει στο λαιμού του Venturi, αυξάνει η ταχύτητα του αερίου και ο στροβιλισμός. Εξαρτώμενο από το σχεδιασμό της πλυντρίδας, το υγρό της πλυντρίδας ψεκάζεται στο ρεύμα αερίου πριν το αέριο συναντήσει το λαιμό του Venturi ή μέσα στο λαιμό ή προς τα πάνω ενάντια στη ροή του αερίου στο λαιμό. Το υγρό της πλυντρίδας τότε μετατρέπεται σε μικρές σταγόνες από τον στροβιλισμό μέσα στο λαιμό και αυξάνεται η αλληλεπίδραση σωματιδίου-σταγόνας. Μερικοί σχεδιασμοί χρησιμοποιούν συμπληρωματικά υδραυλικούς ή πνευματικούς ψεκαστήρες σταγονιδίων για να αυξήσουν τη δημιουργία σταγόνων. Το μειονέκτημα αυτών των σχεδιασμών είναι ότι απαιτείται τροφοδοσία καθαρού νερού για την αποφυγή φραξίματος. Μετά από το τμήμα λαιμού, το μίγμα μειώνει την επιτάχυνση του προκαλώντας περισσότερες συγκρούσεις με αποτέλεσμα τη συσσωμάτωση των σταγονιδίων. Από τη στιγμή που συλληφθεί το σωματίδιο από το υγρό, το υγραμένο αιωρούμενο σωματίδιο και περίσσεια υγρών σωματιδίων διαχωρίζονται από το αέριο ρεύμα στο τμήμα παράσυρσης το οποίο συνήθως περιλαμβάνει ένα κυκλωνικό διαχωριστή και /ή μια συσκευή απομάκρυνσης των σταγονιδίων. Πρόσφατοι σχεδιασμοί για πλυντρίδες Venturi γενικά χρησιμοποιούν την κάθετη προς τα κάτω ροή του αερίου δια μέσου του λαιμού Venturi και ενσωματώνουν τρία χαρακτηριστικά : (1) το τμήμα εισόδου “υγρής προσέγγισης” ή “πλημμυρισμένου τοίχου” για την αποφυγή φραξίματος με σκόνη στην υγρή-ξηρή σύνδεση, (2) έναν ρυθμιζόμενο λαιμό για το Venturi για να παρέχει ρύθμιση της ταχύτητας του αερίου και της πτώσης πίεσης και (3) μια πλημμυρισμένη γωνία τοποθετημένη κάτω από το Venturi και πριν τον διαχωριστή παράσυρσης για να μειώσει τη φθορά από τα τραχιά σωματίδια. Στο λαιμό του Venturi μερικές φορές τοποθετείται πυρίμαχο επίστρωμα για αντίσταση στην απόξυση από τα σωματίδια της σκόνης. [4] 75 Σχήμα 5.1: Σχηματικό διάγραμμα ροής υγρού – αέρα σε πλυντρίδα Venturi 5.2 Χαρακτηριστικά 5.2.1 Πλεονεκτήματα: 1. Μπορούν να χειριστούν εύφλεκτες και εκρηκτικές σκόνες με μικρό κίνδυνο 2. Μπορούν να χειριστούν την άχλη 3. Έχουν σχετικά χαμηλή συντήρηση 4. Απλό σχεδιασμό και εύκολη εγκατάσταση 5. Η απόδοση συλλογής μπορεί να μεταβάλλεται 6. Παρέχει ψύξη για τα θερμά αέρια και 7. Διαβρωτικά αέρια και σκόνες μπορούν να εξουδετερωθούν 5.2.2 Μειονεκτήματα: 1. Το εξερχόμενο υγρό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα ρύπανσης 2. Το συλλεγόμενο απόβλητο είναι υγραμένο 3. Υψηλό δυναμικό για προβλήματα διάβρωσης 4. Απαιτείται προστασία ενάντια στην ψύξη 5. Τα απαέρια μπορεί να απαιτήσουν επαναθέρμανση για την αποφυγή ορατού πλούμιο 76 6. Τα συλλεγόμενα αιωρούμενα σωματίδια μπορεί να είναι ρυπασμένα και η ανακύκλωση τους να μην είναι δυνατή 7. Η διάθεση της ιλύος του αποβλήτου μπορεί να είναι δαπανηρή. 5.2.3 Ροή Αέρα: Συνήθεις παροχές αερίου για απλού λαιμού πλυντρίδα Venturi είναι 0.2 έως 478 Nm3/s. Παροχές υψηλότερες από αυτήν την περιοχή χρησιμοποιούν είτε πολλαπλές παράλληλες πλυντρίδες Venturi είτε Venturi με πολλαπλό λαιμό. 5.2.4 Θερμοκρασία: Οι θερμοκρασίες εισόδου συνήθως κυμαίνονται από 4 έως 400 οC. 5.2.5 Φόρτιση Ρύπου : Οι φορτίσεις ρύπου του αέριου αποβλήτου δύναται να κυμαίνονται από 1 έως 115 g/Nm3.[4&5] Σχήμα 5.2: Τυπική πλυντρίδα – Venturi με διαμόρφωση κυκλώνα διαχωρισμού Συσκευή αποµάκυνσης σταγονιδίων Έξοδος καθαρού αερίου Είσοδος ρυπασµένου αερίου Είσοδος υγρού ∆ιαχωριστής Υγρό για καθίζηση και ανακυκλοφορία 77 5.3 Απόδοση συλλογής Ο σχεδιασμός των πλυντρίδων υγρών καθαρισμού βασίζονται σε μοντέλα, αναπτυγμένα για διαφορές για διάφορες διεργασίες επαφής αερίου – υγρού, τα ποία προσβλέπουν τη διείσδυση για μία δεδομένη διάμετρο σωματιδίου. Η διείσδυση Ptd ορίζεται ως το κλάσμα των σωματιδίων μιας καθορισμένης διαμέτρου dp τα οποία δεν συλλαμβάνονται. Η διείσδυση με το βαθμό απόδοσης συλλογής από τη σχέση Ptd = 1 − η d (8.1) Όπου Ptd = κλασματική διείσδυση ηd = κλασματική απόδοση για τα σωματίδια που έχουν διάμετρο ηd Η συνολική διείσδυση Ptd υπολογίζεται από Pto = ∑ ( Ptd × M d ) (8.2) Όπου Pto = συνολική κλασματική διείσδυση M d = κλάσμα μάζας των σωματιδίων στην καθορισμένη διάμετρο Ο στόχος του βαθμού απόδοσης για ένα και μόνο σταγονίδιο υπολογίζεται από 2 Kp ηd = (8.3) K + 0.7 p Όπου ηd = ο βαθμός απόδοσης για ένα και μόνο σωματίδιο Kp = παράμετρος πρόσκρουσης Kp = C ρ p d p 2V p ,d 9 µG d d ρ w d a 2V p ,d = ( 8.4) 9 µG d d 78 Όπου C = συντελεστής διόρθωσης Cunningham , αδιάστατος ρp = πυκνότητα σωματιδίου, g/cm3 dp = φυσική διάμετρος σωματιδίου, cm Vp,d = ταχύτητα σωματιδίου (σε σχέση με το σταγονίδιο), cm/s dd =διάμετρος σταγονιδίου, cm μG = ιξώδες αερίου, poise dα = αεροδυναμική διάμετρος σωματιδίου, cm ρw = πυκνότητα νερού, g/cm3 Οι πλυντρίδες venturi χρησιμοποιούν την αδρανειακή πρόσκρουση των αιωρούμενων σωματιδίων νερού που σχηματίζονται από τον διασκορπισμό μέσω του αερίου. Ο διασκορπισμός συμβαίνει καθώς το υγρό εισάγεται μέσα στο υψηλής ταχύτητας ρεύμα του αερίου. Πρέπει να εισάγεται αρκετό υγρό για δίνει πλήρη επαφή αερίου – σταγονιδίου και η ταχύτητα του αερίου στο σημείο της αρχικής επαφής αερίου – υγρού πρέπει να είναι αρκετά υψηλή για να προκαλείται πλήρης διασκορπισμός. Η διείσδυση του σωματιδίου μέσω της πλυντρίδας venture μπορεί να προσεγγιστεί από την ακόλουθη εξίσωση, που αναπτύχθηκε από τους Calvert et al. Q V ρ d Ptd = exp L G L d 55QG µG K p f + 0.7 0.49 −0.7 − K p f + 1.4 ln + 0.7 0.7 + K p f 1 (8.5) K p Όπου Kp = παράμετρος αδράνειας πρόσκρουσης f = εμπειρικός συντελεστής (f = 0.25 για υδρόφοβα σωματίδια και f = 0.50 για υδρόφιλα σωματίδια) Όπου η μέση διάμετρος σταγονιδίου dd μπορεί να υπολογιστή από τον τύπο 58, 600 σ dd = VG ρ L 0.5 µ L + 597 0.5 (σρ L ) 0.45 1.5 QL 1000 QG (8.6) Όπου 79 d d = μέση διάμετρος σταγονιδίου του Sauter, µ m ρ L = πυκνότητα υγρού, g cm3 σ = επιφανειακή τάση υγρού, dyne cm µ L = ιξώδες υγρού, poise [5] 5.4 Πτώση πίεσης Η απώλειες πίεσης σε μεγάλες βιομηχανικές πλυντρίδες venturi οφείλονται κυρίως στην επιτάχυνση του σταγονιδίου και μπορεί να ετιμηθεί από την εξίσωση των Yung et al. ( Q ∆P = 2 ρ LVG 2 L 1 − X 2 + X 4 − X 2 QG ) (8.7) Όπου ∆P = απώλεια πίεσης, dyne cm2 VG = ταχύτητα αερίου, cm sec X = αδιάστατο μήκος λαιμού Όπου το αδιάστατο μήκος λαιμού είναι X= 3lt CD ρG +1 16d d ρ L (8.8) Όπου lt = μήκος λαιμού Venturi, cm CD = συντελεστής οπισθέλκουσας για σταγονίδια με τη μέση διάμετρο του Sauter, αδιάστατος Για σταγονίδια με αριθμους Reynolds στο εύρος από 10 έως 500 (κατά τον Hesketh) ο συντελεστής οπισθέλκουσας δίνεται από: 80 CD = 24 4 + (8.9) Re Re 13 ( ) Όπου Re = αριθμός Reynolds σταγονιδίου, αδιάστατος [5] 81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΟΔΗΓΟΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ 82 6. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οπός αναφερόμαστε και στο πρώτο μέρος το πρόβλημα της ρύπανσης και ίδιος της ατμοσφαιρικής παίρνει μεγάλες έκτασης, και ο άνθρωπος έχει στραφεί προς την λύσει των προβλημάτων αυτόν, χρησιμοποιώντας νέες τεχνολογίες και τεχνικές. Αυτές τις τεχνολογίες λοιπόν θα ανατήξουμε και εμείς εδώ. Οι τεχνολογίες που έχει γίνει αναφορά στο πρώτο μέρος τώρα θα της αναμίξουμε και στην γλωσσά του προγραμματισμού. Η γλώσσα που επιλέχτηκε για των προγραμματισμό είναι η Visual Basic 6. Η φόρμες έχουν γίνει εξολοκλήρου στο περιβάλλον της Visual. 83 6.1. ΚΥΚΛΩΝΕΣ Στην πρώτη φόρμα ξεκινάμε με τον σχεδιασμό ενός κυκλώνα και αν καταστεί ανάγει (δηλαδή τα όρια στην έξοδο δεν τηρούν το Προεδρικό Διάταγμα 1180/81 για τα αιωρούμενα σωματίδια) έχουμε την δυνατότητα να επεκταθούμε στον σχεδιασμό και δεύτερο κυκλώνα. Οι τύποι που χρειάστηκαν για την ολοκλήρωση του software παρουσιάζονται στο πρώτο μέρος της εργασίας Η πρώτη εικόνα που θα δούμε μόλις τρέξουμε το πρόγραμμα είναι η εξής Εικόνα 6.1.1 1 βήμα • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Θερμοκρασία Πυκνότητα Φόρτιση σε σωματίδια Πίεση 84 Για παράδειγμα ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα αέριο ρεύμα με θερμοκρασία 77ο C , σωματιδιακή πυκνότητα 1600 Kg/m3,πίεση αερίου 1.2 atm και σωματιδιακή φόρτιση 3000 mg/m3 Εικόνα 6.1.2 2 βήμα πατάμε το κουμπί (Επιλέξτε θερμοκρασία) Εικόνα 6.1.3 Άμεσος το software τρέχει τον πίνακα ΠΙΝΑΚΑ Α.2 για να μας δώσει το ιξώδες (μ) και την πυκνότητα (ρ) και με την χρήση του τύπου C( µ g / m3 ) = 1000 × C ppm × MWp ( RT / P) μετατρέπει την φόρτιση των σωματιδίων σε κανονικές συνθήκες. 85 3 βήμα • Επιλέξτε τη μέθοδο υπολογισμού της απόδοσης που θέλετε να χρησιμοποιήσετε, μεταξύ των: Theodore Barth Leith και Licht Iozio και Leith Εικόνα 6.1.4 4 βήμα • Συμπληρώστε τα κάτωθι: Παροχής του Εύρους μεγέθους Kλάσμα μάζας (mj%) ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Αν δεν έχετε δεδομένα για όλο τον πίνακα τότε γεμίστε τα κελιά όπως η επόμενη εικόνα (για j = 9,10), αλλά μην τα αφήσετε κενά 86 Εικόνα 6.1.5 5 βήμα • Επιλέξτε τον τύπο του κυκλώνα τον οποίο θέλετε να σχεδιάσετε, μεταξύ των: Υψηλής απόδοσης Stairmand και Swift Συμβατικός Lapple και Swift Υψηλής δυναμικότητας Stairmand και Swift • Αυτό θα οδηγήσει σε εμφάνιση των επιθυμητών διαστάσεων Εικόνα 6.1.6 87 Εικόνα 6.1.7 • Μήνυμα: η πτώσης πίεσης (ΔP) είναι εκτός ορίων (για ένα συμβατικό κυκλώνα, ΔP = 1 - 1.5 kPa ) • Πατά το κουμπί ΟΚ, και επέλεξε Ένα άλλο τύπο κυκλώνα ή Δοκίμασε και με τα άλλα μοντέλα υπολογισμού απόδοσης 88 Εικόνα 6.1.8 Στο παράδειγμα επιλέγαμε ένα κυκλώνα υψηλής δυναμικότητας Εικόνα 6.1.9 6 βήμα αυτού το πρόγραμμα μας εμφάνισε τα την πτώση πίεσης την ισχύος του κυκλώνα και την απόδοση μπορούμε να δούμε και την σωματιδιακή φόρτιση στην έξοδο πατώντας το κουμπί (Σωματ. Στην έξοδο) Εικόνα 6.1.10 89 Λόγο ότι είμαστε εκτός Προεδρικό Διάταγμα (100mg/Nm3) το πρόγραμμα μας προτείνει αν θέλουμε να προχωρήσουμε και στον σχεδιασμό του δεύτερου κυκλώνα. Εικόνα 6.1.11 Εικόνα 6.1.12 Επιλέγοντας να προχωρήσουμε στο σχεδιασμό του δεύτερου κυκλώνα βλέπουμε ότι το πρόγραμμα έχει κράτηση κάποια δεδομένα από τον πρώτο σχεδιασμό και το μόνο που μένει να κάνουμε είναι να επιλέξουμε την νέα διάμετρο σώματος (D) 90 Εικόνα 6.1.13 Στον δεύτερο κυκλώνα δεν μας εμφανίζει τα μοντέλα γιατί είναι επιλεγμένα από τον πρώτο σχεδιασμό Στον δεύτερο ας επιλέξουμε για διάμετρο σώματος (D) 0.8 m και έπειτα πατάμε το κουμπί τον νέο τύπο κυκλώνα (καλό θα ήταν να επιλέξουμε των ίδιο με τύπο με τον πρώτο κυκλώνα). 91 Εικόνα 6.1.14 Εάν πιέσουμε το κουμπί (Σωματ. Στην έξοδο) θα παρατηρήσουμε πώς συνεχίζουμε να είμαστε εκτός ορίων Προεδρικό Διάταγμα (100mg/Nm3) Εικόνα 6.1.15 92 Εικόνα 6.1.16 93 6.2. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ Μόλις τρέξουμε το πρόγραμμα των ηλεκτροστατικών φίλτρων (ESP) θα εμφανιστή η εξής φόρμα Εικόνα 6.2.1 1 βήμα • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Θερμοκρασία Πυκνότητα Φόρτιση σε σωματίδια Πίεση Ας θεωρήσουμε ότι έχουμε 2000C παροχή 10,000 m3/min, σωματιδιακή φόρτιση στην είσοδο του ESP 5600 mg/m3 , πίεση 1.2 atm, και πηγή σωματιδίου ιπτάμενη τέφρα από ασφαλτούχο χάλυβα 94 2βήμα: • πατήστε το κουμπί (Επιλέξτε θερμοκρασία) Εικόνα 6.2.2 Η πηγή σωματιδίων όπου το πρόγραμμα βρίσκει την ταχύτητα πλαγιολίσθησης στηρίζεται στον παρακάτω πίνακα Απόδοση σχεδιασμού, % Πηγή σωματιδίων 95 99 99,5 99,9 (no BC) 0,410 0,330 0,310 0,270 (BC) 0,100 0,080 0,078 0,069 (no BC) 0,560 0,390 0,340 0,290 (BC) 0,151 0,102 0,085 0,072 Άλλα είδη άνθρακα (no BC) (BC) 0,320 0,095 0,260 0,072 0,260 0,069 0,240 0,062 Περιστροφικοί κλίβανοι τσιμέντου (no BC) (BC) 0,049 0,020 0,049 0,020 0,059 0,016 0,059 0,016 Βιομηχανία υάλου (no BC) (BC) 0,052 0,016 0,052 0,016 0,050 0,016 0,050 0,016 Σκόνες από χυτήρια σιδήρου / χάλυβα (no BC) 0,223 0,200 0,216 0,207 (BC) 0,072 0,050 0,050 0,056 Ιπτάμενη τέφρα από ασφαλτούχο άνθρακα Ιπτάμενη τέφρα από υπο-ασφαλτούχο άνθρακα σε λέβητα εφαπτομενικής καύσης με εξοπλισμό μηχανικής προσυγκράτησης 95 Λέβητες ανάκτησης σε βιομηχανία (no BC) 0,085 0,082 0,102 0,095 Ιπτάμενη τέφρα από αποτεφρωτήρα (no BC) 0,502 0,374 0,348 0,308 Αντανακλαστκός κλίβανος χαλκού (no BC) 0,203 0,138 0,121 0,276 Μετατροπείς χαλκού (no BC) 0,180 0,144 0,134 0,118 Κλίβανοι χαλκού (no BC) 0,203 0,180 0,174 0,157 (no BC) 0,039 --- --- --- χαρτιού Καμινάδα καύσης σε εγκαταστάσεις άνθρακα (κωκ) Εικόνα 6.2.3 3 βήμα: • Συμπληρώστε των αριθμό πλακών (πάντα ακέραιος από 2 έως 8) 4 βήμα: • πατήστε το κουμπί (Δώσε επιθυμητό αριθμό πλακών) 96 Εικόνα 6.2.4 Εικόνα 6.2.5 Εικόνα 6.2.6 Το πρόγραμμα έχει προγραμματιστεί έτσι ώστε να επιλέγει μόνος τις σωστές τιμές με περιορισμένες κίνησης και προγραμματισμένος μέσα στα σωστά όρια . 5 βήμα: • πατήστε το κουμπί (αριθμό αγωγών) 97 Εικόνα 6.2.7 Εικόνα 6.2.8 98 6.3.1. ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα με αέρα αντιθέτου ροής και μηχανικής δόνησης) Η πρώτη φόρμα που θα εμφανιστεί μόλος τρέξουμε το πρόγραμμα με τα σακόφιλτρα Εικόνα 6.3.1.1 Βήμα 1 • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Θερμοκρασία Πυκνότητα Φόρτιση σε σωματίδια Πίεση Μήκος σάκου Διάμετρο σάκου Πηγή σωματιδίου Παράδειγμα έχουμε θερμοκρασία 1000C , παροχή 1100 m3/min φόρτιση στην είσοδο 1200Kg / m3 , ατμοσφαιρική πίεση 1 atm μήκος σάκου 2.5m , διάμετρο σάκου 0.1 m . Τα σωματίδια μας προέρχονται από αλεβροβιομήχανια με χρόνο λειτουργίας 8 min και από πειραματικά δεδομένα έχουμε ότι η αντίσταση του φίλτρου είναι 1 in H20 – min / ft και σταθερά σκόνης/ υφάσματος 0.003 in. Η20-min-ft/grain 99 Εικόνα 6.3.1.2 ΠΡΟΣΟΧΗ: το είδος του σωματιδίου θα πρέπει να δίνεται με την ακριβής γραφή Όπως ο πίνακας που ακολουθεί. Σκόνες Μέγιστη Ταχύτητα Διήθησης cfm/ft2 ή ft/min Ενεργοποιημένος Ξυλάνθρακας, Μαύρος Άνθρακας, 1.50 Απορρυπαντικά, Ατμοί Μετάλλων Οξείδιο του Αλουμινίου, Άνθρακας, Λιπάσματα, 2.0 Γραφίτης, Μετάλλευμα Σιδήρου, Οξείδιο του Ασβεστίου, Χρώματα, Ιπτάμενη Τέφρα, Χρωστικές Ουσίες Αργίλιο, Άργιλος, Κώκ, Ξυλάνθρακας, Κακάο, 2.25 Οξείδιο του Μολύβδου, Μαρμαρυγία, Σαπούνι, Ζάχαρη, Τάλκης Βωξίτης, Κεραμικά, Ορυκτό Χρώμιο, Άστριος, 2.50 Αλεύρι, Πυρόλιθος, Γυαλί, Γύψος, Πλαστικά, Τσιμέντο 100 Αμίαντος, Ασβστόλιθος, Χαλαζίας, Διοξείδιο του Πυριτίου, 2.75 Φελλός, Ζωοτροφές και Δημητριακά, Μάρμαρο, 3.0-3.25 Κέλυφος Οστρέων, Αλάτι Δέρμα, Χαρτί, Καπνός, Ξύλο 3.50 Βήμα 2 • Καταγραφή χρόνου λειτουργίας Εικόνα 6.3.1.3 Βήμα 3 • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Αντίσταση του φίλτρου Κe Σταθερά συγκεκριμένης σκόνης Κs 101 Εικόνα 6.3.1.4 Βήμα 4 • πατάμε τα κουμπιά με την σειρά όπως μας τα δεινέ το πρόγραμμα Εικόνα 6.3.1.5 102 Εικόνα 6.3.1.6 Εικόνα 6.3.1.7 103 6.3.2. ΣΑΚΟΦΙΛΤΡΑ (Σακόφιλτρα δόνησης με αέρα υπό πίεση) Όμοιος το ίδιο πρώτο σκέλος ισχύ και εδώ όπως Σακόφιλτρα με αέρα αντιθέτου ροής και μηχανικής δόνησης Βήμα 1 • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Θερμοκρασία Πυκνότητα Φόρτιση σε σωματίδια Πίεση Μήκος σάκου Διάμετρο σάκου Πηγή σωματιδίου Χρόνος διήθησης Πίεση παλμού Παράδειγμα έχουμε θερμοκρασία 1000C , παροχή 1500 m3/min φόρτιση στην είσοδο 10.000Kg / m3 , ατμοσφαιρική πίεση 1 atm μήκος σάκου 2.5m , διάμετρο σάκου 0.1 m. Το είδος της σκόνης είναι Άνθρακας με χρόνο διήθησης 60 λεπτά και πίεση παλμού μία atm Το πρώτο μέρος θα είναι το ίδιο Εικόνα 6.3.2.1 104 ΠΡΟΣΟΧΗ: το είδος του σωματιδίου θα πρέπει να δίνεται με την ακριβής γραφή Όπως ο πίνακας που ακολουθεί. Σκόνες ή Καπνοί Μέγιστη Ταχύτητα Διήθησης, cfm/ft2 ή ft/min Άνθρακας, Γραφίτης, Ατμοί Μεταλλουργίας, 5–6 Σαπούνι, Καθαριστικά, Οξείδιο του Ψευδαργύρου Τσιμέντο (Ακατέργαστο), Άργιλος (Πράσινη), Πλαστικά, 7–8 Χρωστικές Ουσίες, Άμυλο, Ζάχαρη, Ξυλόσκονη, Ψευδάργυρος (Μεταλλικός) Οξείδιο Αλουμινίου, Τσιμέντο (φινιρισμένο), Άργιλος 9 – 11 (υαλοποιημένη) Άσβεστος, Ασβεστόλιθος, Γύψος, Μαρμαρυγίας, Χαλαζίας, Σπόρος, Σόγιας, Τάλκης Κακάο, Σοκολάτα, Αλεύρι, Σπόροι, Σκόνη Δέρματος, 12 – 14 Πριονίδι, Καπνός Βήμα 2 • Καταγραφή χρόνου λειτουργίας Εικόνα 6.3.2.2 105 Εικόνα 6.3.2.3 Βήμα 3 • πατάμε τα κουμπιά με την σειρά όπως μας τα δεινέ το πρόγραμμα Εικόνα 6.3.2.4 106 Εικόνα 6.3.2.5 107 6.4 ΠΥΝΤΡΙΔΕΣ VENTURI Η αρχική φόρμα του προγράμματος Εικόνα 6.4.1 Βήμα 1 • Συμπληρώστε τα παρακάτω δεδομένα: Θερμοκρασία Πυκνότητα Φόρτιση σε σωματίδια Πίεση Παροχή αερίου Παροχή υγρού Επιφανειακή ταχύτητα αερίου Μήκος λαιμού Ιδιότητα σωματιδίου (υδρόφιλο ή υδρόφοβο) 108 Εικόνα 6.4.2 Εικόνα 6.4.3 Εδώ προσέχουμε όπως και στους κυκλώνες εάν δεν χρειάζεται να συμπληρωθεί όλος ο πίνακας στο Εύρος μεγέθους συμπληρώνουμε τα κελιά με το ψηφίο 1 και το κλάσμα μάζας με το ψηφίο 0 γιατί αλλιώς το πρόγραμμα δεν μπορεί να αναγνώριση τα κενά κελιά 109 Εικόνα 6.4.4 Μετά το πάτημα του κουμπιού μπορούμε να πάρουμε τα αποτελέσματα. Εικόνα 6.4.5 110 Εικόνα 6.4.6 Εικόνα 6.4.7 111 Εικόνα 6.4.8 Εικόνα 6.4.9 112 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ξένη: 1. Lawrence K. Wang, PhD, PE, DEE, Norman C. Pereira, PhD & Yung-Tse Hung, PhD, PE, DEE (2004), “Air Pollution Control Engineering Edited” 2. Louis Theodore(2008), “AIR POLLUTION CONTROL EQUIPMENT CALCULATIONS” 3. Frank Kreith (2002) “AIR POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY HANDBOOK” (Lapple, USEPA AP 40, Air Pollution Engineering Manual, 1951, pp. 94-99) Theodore & DePaola (Journal of Air Pollution Control Association, Predicting Cyclone Efficiency, 1980, 30: pp. 1132-1133) 4. Joseph P. Reynolds, John S. Jeris, Louis Theodore (2002) “HANDBOOK OF CHEMICAL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING CALCULATIONS” 5. Bunicore, A. J., and Davis W. T., Eds. Air pollution engineering manual. New York: Van Nostraand Reinhold, 1992. Ελληνική: 6. Εργαστηριακές σημειώσεις του εργαστηρίου Αερομεταφερόμενων ρύπων 7. Cooper C.D. & Alley F.C. (2004), “Έλεγχος Αέριας Ρύπανσης: Σχεδιασμού Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας”, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη. Διαδίκτυο: 8. http://lap.physics.auth.gr/pms/upload/WEB_POLLUTION.DOC 9. http://www.env-edu.gr/Documents.aspx?subID=44 10. http://helios-eie.ekt.gr/EIE/bitstream/10442/523/10/M01.036.06.pdf 11. http://www.airthess.gr/Legislation 12. http://helios-eie.ekt.gr/EIE/bitstreamServlet/10442/523/10/M01.036.06.pdf. 13. http://www.minenv.gr/4/ypexode4/pd%201180/81.htm 14. www.minenv.gr/4/ypexode4/docs/chemical.doc 15. http://www.ktronpremier.com/pneumatic_conveying_components/Cyclones/index. cfm 16. http://www.electro-staticprecipitators.com/weis_precipitators_FAQ.html 17. http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_precipitator 113
© Copyright 2024 Paperzz
