Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie

Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie
„Zanieczyszczenia gazów i ich usuwanie”
Kinga Dawidowska
IM-M (II stopień)
1
Spis treści:
1. Przygotowanie gazów do oczyszczania ........................................... 3
2. Odpylanie gazów .............................................................................. 3
a) Odpylacz grawitacyjno-inercyjny ................................................. 4
b) Cyklony....................................................................................... 4
c) Odpylacz filtracyjny ...................................................................... 5
d) Elektrofiltry................................................................................. 6
e) Odpylacze mokre ........................................................................... 7
3. Rozdział mieszanin gaz-ciecz .......................................................... 8
4. Oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń gazowych ........................ 10
a) Metody absorpcyjne .................................................................... 10
b) Spalanie termiczne i katalityczne ............................................. 10
c) Kondensacja ................................................................................ 11
5. Oczyszczanie biologiczne .............................................................. 11
6. Odsiarczanie ................................................................................... 12
7. Usuwanie tlenków azotu ................................................................ 12
8. Literatura: ....................................................................................... 14
2
1. Przygotowanie gazów do oczyszczania
Proces usuwania z gazów cząstek aerozolowych oraz zanieczyszczeń poprzedza
odpowiednie przygotowanie gazu polegające na zmianie parametrów fizykochemicznych tak,
ażeby były one odpowiednie dla prowadzenia procesu oczyszczania w danym etapie.
Jednym z takich parametrów jest temperatura. Wyróżnia się aparaty do oczyszczania gazów,
tzw. suche, gdzie w celu zapobiegania kondensacji pary wodnej temperatura gazów powinna
być wyższa od temperatury punktu rosy, nie mniej niż 2050.
Poprzez zmianę wilgotności oczyszczanych gazów można zmienić punkt rosy pary wodnej,
co w wielu przypadkach pozwala na regulację optymalnych warunków pracy aparatu
oczyszczającego. Wprowadzona do gazów para wodna, w wyniku adsorpcji i kondensacji na
cząstkach aerozolowych, zmienia ich właściwości powierzchniowe i średnie.
Zmiana własności elektrycznych gazu (tzw. zmiana kondycjonowaniem) polega zwykle na
wprowadzeniu do oczyszczanych gazów bardzo małych ilości SO3 lub innych substancji.
Bardzo istotna jest zmiana stężenia i rozkład rozmiarów cząstek. Stężenie cząstek w
strumieniu gazu kierowanym do odpylania nie powinno przekraczać wartości nominalnych
dla danego aparatu. W przypadku dużych stężeń stosuje się odpylanie wstępne metodami
klasycznymi. We wszystkich aparatach odpylających, cząstki dużych rozmiarów wydzielane
sa z większą sprawnością niż mniejsze, stąd dla podwyższenia sprawności odpylania celowe
jest zwiększenie rozmiarów cząstek. Stosuje się w tym celu kondensację pary wodnej lub
różne metody koagulacji cząstek.
W procesach wysokotemperaturowych gazy odlotowe mają temperaturę 8001500C.
Kierując je do oczyszczania konieczne jest ich schłodzenie poprzez zmieszanie z zimnym
powietrzem lub natrysk zimną wodą.
2. Odpylanie gazów
Z definicji odpylanie jest to proces oczyszczania gazu z drobnych cząstek ciał stałych
zwanych pyłami powodując ich wydzielenie i osadzenie za pomocą urządzeń zwanych
odpylaczami, bądź cząstek ciekłych – za pomocą skraplaczy. W zależności od zasad
odpylania wyróżnia się odpylacze suche, mokre oraz elektryczne (tzw. elektrofiltry). Ogólny
podział tych urządzeń przedstawia schemat 1.
3
Schemat 1.: Ogólny podział odpylaczy gazów
Źródło: [1]
a) Odpylacz grawitacyjno-inercyjny
Często spotykanym urządzeniem do odpylania gazów jest odpylacz grawitacyjnoinercyjny (rys.1.), w którym to odpylanie w wyniku działania sił grawitacyjnych prowadzone
jest przez komorę osadczą (pyłową), a opadające cząstki gromadzą się na dnie komory. W
komorach mogą być umieszczone półki pionowe z zadaniem zmiany kierunku przepływu
gazu i zwiększenia działania sił na cząstki. Odpylacze grawitacyjno-inercyjne stosowane są
do usuwania cząstek dużych rozmiarów, zwykle jako odpylacze wstępne. Charakteryzują się
prostotą działania i konstrukcji, brakiem części ruchomych i niewielkim zapotrzebowaniem
energii do przeprowadzenia procesu odpylania.
Rys.1. Odpylacz grawitacyjno-inercyjny.
Źródło: [2]
b) Cyklony
W stosowanych do oczyszczania suchego cyklonach, zwanych również odpylaczami
odśrodkowymi wykorzystuje się spiralny lub wirowy ruch strumienia do wywołania działania
4
siły odśrodkowej na cząstki. Zanieczyszczony pyłem gaz wpada do cylindrycznej komory i
wiruje w niej, w wyniku czego unoszące się w gazie cięższe od niego składniki są odrzucane
na zewnątrz, a w wyniku ocierania o ścianki cyklonu wytrącają prędkość i opadają. Powietrze
czyste wypływa przez ułożony centralnie kanał w górę. Cyklony dzieli się na te z wlotem
stycznym i osiowym, a także z przepływem rewersyjnym i osiowym, przelotowym (rys.2.).
Urządzenia te pozwalają na skuteczne usunięcie pyłu o wymiarach przekraczających 60 μm, a
skuteczność procesu jest tym większa, im większa jest prędkość wlotowa, a także im mniejszy
promień.
Rys.2. Cyklony rewersyjne (1) z wlotem: a) stycznym, b) spiralnym, c) osiowym, (2) cyklon przelotowy.
Źródło: [2]
Strumień aerozolu można wprowadzić w ruch obrotowy kilkoma sposobami. W
konstrukcjach klasycznych cyklonów strumień aerozolu wprowadzany jest stycznie do
cylindrycznej części aparatu, w innych rozwiązaniach ruch wirowy następuje wskutek
przepływu strumienia aerozolu przez nieruchomy wirnik, którego łopatki mają zarys linii
śrubowej lub w wyniku wirowania wirnika (rys.2.). W cyklonach klasycznych z rewersyjnym
przepływem gazu, gaz wpływa stycznie do części cylindrycznej, a następnie spiralnie spływa
w dół do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny. Poruszając się
dalej ruchem wirowym opuszcza cyklon centralnie umieszczoną rurką odlotową.
Odpylacze odśrodkowe z wirnikiem mają ograniczone zastosowanie ze względu na małą
sprawność oraz szybkie zużywanie się łopatek w wyniku erozji, szybką utratę stabilności
dynamicznej i wiele innych niedogodności.
c) Odpylacz filtracyjny
Najczęściej stosowane są odpylacze filtracyjne, czyli inaczej zwane filtry. Cząstki
aerozolowe wydzielane są w warstwie pyłu. Warstwa filtracyjna tworzy się na cząstkach
5
uprzednio wydzielonych w przegrodzie filtracyjnej, porowatej. Filtry należą do grupy
odpylaczy wysoko-sprawnych, stosowanych do usuwania z gazów cząstek mniejszych od
10μm. Wyróżnia się:
1. Filtry tkaninowe – workowe, kopertowe, ramowe z tkanin tkanych lub filcowanych;
należą do najdroższych metod odpylania gazu a zarazem wymagają dużych
powierzchni, jednak ich niemal 100% skuteczność rekompensuje te niedogodności;
2. Filtry włókniste – wykonywane w postaci mat lub siatek zestawionych w pakiety;
3. Filtry warstwowe – stanowiące luźne lub zwarte warstwy materiałów w postaci ziaren,
granul lub porowatych kształtek ceramicznych, metalowych i innych.
d) Elektrofiltry
Za usuwanie pyłu z gazu technologicznego poprzez wykorzystanie siły elektrostatycznej
działającej na cząstki tego pyłu odpowiedzialne są elektrofiltry (rys.3.). Cząstki pyłu niesione
przez gaz są z natury elektrycznie obojętne i aby proces oczyszczania mógł zachodzić muszą
zostać naelektryzowane. Ładunek elektryczny jest nadawany ziarnom pyłu poprzez
wykorzystanie ulotu, tj. opuszczania elektrody przez ładunek elektryczny wskutek
wyładowania elektrycznego w niejednorodnym silnym polu elektrycznym, z zastosowaniem
napięć rzędu dziesiątek kV. Ziarna pyłu uzyskują ładunek elektryczny od zjonizowanych
przez ulot cząsteczek gazu. Obdarzone ładunkiem elektrycznym wędrują (migrują) do
elektrody o ładunku przeciwnym, na której się osadzają – elektrody osadczej bądź zbiorczej.
Na elektrodzie cząstki rozładowują się elektrycznie, następnie są cyklicznie z niej usuwane
(strącone lub spłukane). Siła elektrostatyczna zależy od ładunku ziarna pyłu, zaś ładunek
możliwy do zgromadzenia na ziarnie zależy m.in. od rozmiaru ziarna.
6
Rys.3. Elektrofiltry.
Źródło: [3]
Elektrofiltry używane są do odpylania strumieni gazów w energetyce, gdzie muszą
spełniać wysokie wymaganie odnośnie stopnia odpylania (powyżej 99,8%). Mimo znanych
zalet, elektrofiltry wykazują dużą emisję pyłu lotnego podczas ich uruchamiania i wyłączania
z ruchu. Nie mają tej wady filtry tkaninowe, stąd stanowią one obecnie silną konkurencję dla
elektrolitów.
e) Odpylacze mokre
W odpylaczach mokrych wydzielanie cząstek aerozolowych odbywa się:
 na kroplach cieczy poruszających się w strumieniu aerozolu;
 na warstewkach cieczy spływającej lub przepływającej przez powierzchnie stałe;
 z pęcherzyków gazu poruszających się w cieczy;
 ze strumieni aerozolu zderzających się w środowisku strug lub kropel cieczy;
 ze strumieni aerozolu uderzających o ciekłą lub zwilżoną powierzchnię stałą.
Odpylacze mokre zapewniają dobrą sprawność odpylania dla cząstek powyżej 1μm
wydzielanych na kroplach i włóknach (cylindrach) oraz dla cząstek powyżej 5μm
wydzielanych w skruberach odśrodkowych i zderzeniowych. W zależności od energii
doprowadzonej do procesu odpylania wyróżnia się odpylacze nisko-, średnio- i
wysokoenergetyczne.
Do zalet odpylaczy mokrych należą:
 możliwość jednoczesnego usuwania cząstek aerozolowych i zanieczyszczeń
gazowych;
 zmniejszenie niebezpieczeństwa pożaru i wybuchu;
 zawartość izolacji odpylania i stosunkowo niski koszt;
 schłodzenie i nawilżenie gazu;
 wyeliminowanie wtórnej emisji pyłu i możliwość przetłaczania produktu odpylania
pompami;
 sprawność odpylania niezależna w dużym stopniu od skali odpylacza;
 możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły przy stałym spadku ciśnienia gazu.
7
Wśród mechanicznych odpylaczy mokrych można wyróżnić płuczki wieżowe, cyklony
mokre, płuczki obrotowe, czy odpylacze ze zwężką Venturiego. Zasada ich działania polega
na wykorzystaniu zjawisk występujących przy zetknięciu się zapylonego gazu z cieczą
płuczącą, takich jak:
a) zjawisk kondensacji pary wodnej;
b) dyfuzji;
c) zderzenia się kropel cieczy z ziarnami pyłu;
d) zjawisk elektrostatycznych;
e) rozdrobnieniu gazu;
f) osadzania się pyłu.
Proces odpylania mokrego został przedstawiony na schemacie 2.
Schemat 2.: Instalacja odpylania mokrego; 1-chłodnica, 2-skruber, odpylacz, 3-separator,
4-podgrzewacz, 5-wentylator, 6-komin, 7-odstojnik, 8-filtr, 9-pompa cyrkulacyjna,
10-pompa zasilająca, 11-pompa szlamowa.
Źródło: [2]
3. Rozdział mieszanin gaz-ciecz
Do tego typu oczyszczania stosowane są separatory i odkraplacze. W separatorach ze
strumienia gazu wydzielane są strugi i dużych rozmiarów krople. Odkraplanie natomiast
związane jest z usuwaniem ze strumienia gazu kropel o średnicach od dużych do bardzo
małych, stanowiących mgłę wydzielaną w odemgla czach (demisterach). Wydzielanie kropel,
odkraplanie gazów może być prowadzone w klasycznych odpylaczach, tj. komorach
osadczych, cyklonach, skrubach, czy elektrofiltrach.
8
Wyróżnia się:
 odkraplacze grawitacyjne – pracujące na zasadzie zmniejszenia prędkości gazu i
osadzenia grawitacyjnego kropel;
 separatory pionowe – gdzie powierzchnię separacji kropel gazu stanowi powierzchnia
przekroju poprzecznego zbiornika, separatora (rys.4.);
 separatory poziome (rys.5.);
 odkraplacze odśrodkowe (rys.6.);
 odkraplacze inercyjno-zderzeniowe;
 odkraplacze siatkowe – wykonywane najczęściej z siatek plecionych lub tkanych z
drutu;
 odkraplacze włókniste – stosowane, gdy istnieje konieczność odemglania gazu, tj.
wydzielania bardzo małych kropel, zwykle <2μm.
Rys.4. Separator pionowy z pakietem odkraplającym,
Rys.5. Separator (odkraplacz) poziomy.
Źródło:[2]
siatkowym.
Źródło:[2]
Rys.6. Separator (odkraplacz) odśrodkowy.
Źródło: [2]
9
4. Oczyszczanie gazów z zanieczyszczeń gazowych
Do usuwania zanieczyszczeń gazowych ze strumieni gazów stosowane są procesy:
absorpcyjne, spalania, kondensacyjne i biochemiczne bądź ich kombinacje z udziałem innych
procesów wspomagających. Wybór metody i technologii oczyszczania gazu zależy od rodzaju
zanieczyszczeń i ich charakterystyki, wielkości strumienia gazu, wymaganej sprawności
oczyszczania i warunków lokalnych.
a) Metody absorpcyjne
Absorpcja jest procesem dyfuzyjnego przenoszenia cząsteczek gazu do cieczy na skutek
istnienia w układzie gradientu stężenia dyfundujących składników. Do tego procesu
wykorzystuje się absorbery natryskowe, półkowe oraz absorbery z wypełnieniem w postaci
różnego kształtu elementów wsypywanych luźno lub układanych, jak i z wypełnieniem
regularnym bądź tzw. ruchomym.
b) Spalanie termiczne i katalityczne
Spalanie jest metodą kontrolowanej destrukcji, unieszkodliwiania zanieczyszczeń. W
przypadku usuwania zanieczyszczeń gazowych, węglowodorów, destrukcja prowadzi do CO2
i pary wodnej z wydzieleniem ciepła. Zasadniczy wpływ na przebieg procesów spalania
posiadają trzy parametry: temperatura, czas przebywania i burzliwość w strefie spalania.
Substancje palne w zanieczyszczonym gazie stanowić mogą gazy, krople mgły lub cząstki
stałe. Problemem jest niecałkowite spalanie i niedopuszczenie do emisji półproduktów
spalania, które są o wiele bardziej niebezpieczne niż zanieczyszczenia wyjściowe.
Spalanie termiczne jest procesem bardzo energochłonnym i kosztownym. Przeprowadza
się je w temperaturach 800÷1200ºC. Należy kontrolować temperaturę spalania, ponieważ, w
czasie wysokotemperaturowego spalania powyżej 1400ºC powstają tlenki azotu na skutek
spalania azotu z powietrza, powodujące wtórne zanieczyszczenie atmosfery. W przemyśle
rafineryjnym i petrochemicznym stosuje się spalanie odlotowych gazów palnych samych lub
z dodatkiem paliwa gazowego. Spalanie takie odbywa się w pochodniach, które są
charakterystyczne dla tych zakładów.
10
W przypadku niskich stężeń węglowodorów w gazach odlotowych stosuje się spalanie
katalityczne. Katalizą nazywa się zjawisko zmiany szybkości reakcji chemicznych w wyniku
oddziaływania na reagenty substancji zwanych katalizatorami, które to zwiększają szybkość
osiągnięcia stanu równowagi reakcji chemicznej, poprzez obniżenie jej energii aktywacji. W
procesie spalania katalitycznego strumień gazu przepuszcza się przez ziarno katalizatora w
podwyższonej
temperaturze.
Katalityczne
spalanie
węglowodorów
przebiega
w
temperaturach znacznie niższych niż spalanie termiczne (ok. 400ºC). Katalitycznie nie mogą
być spalane gazy zanieczyszczone cząstkami aerozolowymi.
c) Kondensacja
Jest to metoda usuwania z gazów odlotowych substancji o wysokich temperaturach
wrzenia przez chłodzenie wodą lub powietrzem w wymiennikach ciepła. Jest to technika
separacji, w której najbardziej lotny składnik mieszaniny gazowej jest wydzielany na skutek
zwiększenia prężności i przejścia do stanu nasycenia oraz zmiany stanu fazowego na ciekły.
W przypadku lotnych rozpuszczalników znajduje ona zastosowanie, gdy nie jest wymagane
bardzo dokładne oczyszczanie gazu do stężeń kilku ppm. Konieczność wymrażania gazu w
końcowym etapie oczyszczania tą metodą ogranicza jej zastosowanie. Metoda ta nie nadaje
się do oczyszczania gazów emitowanych do atmosfery.
5. Oczyszczanie biologiczne
Stosowane jest jako metoda alternatywna do poprzednich, gdy stężenie zanieczyszczeń w
strumieniu powietrza jest małe, zanieczyszczenia są łatwo biodegradowalne i strumień gazu
jest w miarę stabilny. Proces oczyszczania biologicznego zachodzi w trzech głównych
etapach (schemat 3.):
1. Ujęcie gazów odlotowych ze źródła emisji, ich transport rurociągiem, zwykle ssącym,
przez odpylacz wstępny filtracyjny do wentylatora (sprężarki);
2. Kontrola temperatury strumienia i jego podgrzanie lub schłodzenie, przez
skierowaniem do nawilżania w komorze lub skruberze natryskowym;
3. Podanie strumienia gazu i równomierne jego rozpraszanie na przekroju bioreaktora.
11
Schemat 3.: Instalacja oczyszczania biologicznego gazów odlotowych: 1-skruber, 2-biofiltr,
3-warstwa bioaktywna.
Źródło: [2]
6. Odsiarczanie
Jest to proces związany z przetwarzaniem surowców palnych, organicznych i
mineralnych, takich jak: węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, drewno, torf. W gazie ziemnym
siarka występuje w postaci zredukowanej jako siarkowodór (H2S), a także w innych
związkach, które usuwane są w procesach oczyszczania i rafinacji przed skierowaniem ropy i
gazu do dalszego przerobu. Wyróżnia się dwie zasadnicze kategorie procesów oczyszczania
gazów procesowych związanych z gazownictwem:

jednoczesne usuwanie H2S i CO2 łącznie z innymi związkami siarki;

selektywne usuwanie tylko H2S z pozostałymi związkami siarki.
7. Usuwanie tlenków azotu
Spalanie paliw kopalnych, w skali globalnej jest największym źródłem emisji tlenków
azotu. Istnieją dwie zasadnicze metody ograniczenia emisji NOx e procesach spalania:
 modyfikacja procesu spalania dla zapobieżenia powstaniu NOx;
 oczyszczanie spalin odlotowych metodami chemicznymi redukcji NOx do N2.
Wymienione metody mogą być stosowane oddzielnie lub łącznie. Przy usuwaniu NOx z
małych źródeł emisji stosowane są metody absorpcyjne w roztworach NaOH, KMnO4 i in.
Tzw. wtórne metody oczyszczające gazy odlotowe z tlenków azotu dzieli się na metody
mokre i suche. Metody mokre, w porównaniu z suchymi, mają tę zaletę, że pozwalają usuwać
nie tylko NOx, ale także pyły zawarte w oczyszczanych gazach. Wiele metod usuwania
12
tlenków azotu z gazów opartych jest na utlenianiu NO, ewentualnym utlenianiu NO2 i
absorpcji NO2 w wodzie, czy innych środkach chemicznych wymienionych wcześniej.
Skuteczność metod suchych usuwania tlenków azotu z gazów jest wysoka, gdyż
niektóre z nich pozwalają obniżyć emisję tlenków azotu do atmosfery o 90%, a nawet więcej,
ale są one kosztowne od metod grupy pierwszej.
13
8. Literatura:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Technologie Ochrony Środowiska, Oczyszczanie Gazów, Tomasz Śnieżek, Wydział
Biologii i Nauk o Środowisku, Uniwersytet Kardynała Stefana Wyszyńskiego w
Warszawie.
Procesy Oczyszczania Gazów, Problemy Projektowo-obliczeniowe, Jerzy Warych,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999r.
Compte-fortech.pl (n.d.) Odprowadzanie popiołów i sadzy za pomocą elektrofiltru Compte For-Tech. [online] Available at: http://www.comptefortech.pl/PL/Produit_
traitement3.html [Accessed: 7 Dec 2012].
Utylizacja I Neutralizacja Odpadów Przemysłowych, Katalityczne Oczyszczanie
Gazów Odlotowych z Tlenków Azotu, Jadwiga Skupińska, Uniwersytet Warszawski,
Zakład Dydaktyczny Technologii Chemicznej.
Oczyszczanie Gazów, Procesy I Aparatura, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 1988 r.
14