Kapitola 4
4.4
Technologie pro minimalizaci atmosférických emisí
Druhy ekologických dopadů působených jednotkovými operacemi FDM jsou podle kódů shrnuty v tabulce 3.4 a kódy, používané pro atmosférické emise, jsou vysvětleny v tabulce 3.5. Tato část je rozdělena na tři hlavní oddíly. Oddíl 4.4.1 popisuje systematický přístup k regulaci a potlačování atmosférických emisí od výchozí definice problému až k tomu, jak vybrat optimální řešení. Oddíl 4.4.2 popisuje do procesu integrované technologie, jež se užívají k prevenci či minimalizaci atmosférických emisí. Oddíl 4.4.3 popisuje technologie „na konci potrubí“ používané poté, co již byla uplatněna opatření integrovaná do procesu.
4.4.1
Strategie regulace atmosférických emisí
Strategie je rozdělena do několika fází vyhodnocování. Rozsah, v jakém je třeba každou fázi uplatnit, bude záviset na konkrétní situaci dotčeného závodu, a může být požadována pro dosažení stupně ochrany, o jaký se usiluje. Tuto strategii je možno používat pro všechny atmosférické emise, tj. plyny, prach a pachy, z nichž některé jsou způsobeny emisemi VOC. Zápach je hlavně lokální obtěžující problém. Pro každou z fází se používá zápach jako názorný příklad. Přístup k tomuto příkladu, shrnutý na obrázku 4.22, je zvláště užitečný pro velké provozní areály, kde existuje velký počet definovaných zdrojů zápachu a kde obvykle nejsou plně známy významné zdroje celkové produkce nepříjemných pachů.
389
Kapitola 4
Začátek
Ä
Definovat problém Æ Je známa legislativa ? Ano Æ Pr ověřit počet a charakter stížností Æ Jsou známy hlavní zdroje pachů
Ne Ä
Zjistěte zákonné požadavky
Ã
-
Ne Ä
Zpracovat inventar izaci všech emisí
Ä
Char akterizovat všechny emise
Ä
Zpracovat seznam všech pachových vzduchem přenášených emisí
Ano Ä
Identifikovat klíčové abnormální stavy
Ä
Sestavit odpovídající kontrolní seznam
Ä
Vybrat klíčové abnormální emise
Ä
Definovat kritéria vyhovujícího stavu
Ä
Stanovit požadované snížení emisí
Ano Æ Zvážit normální a abnormální provoz Æ Jsou abnormální stavy důležité ? Ne Æ Zdokumentovat a vytvořit poř adí klíčových pachových emisí Æ Zavést správnou výrobní praxi pro minimalizaci emisí Æ Monitorovat hlavní emise Æ Vybrat klíčové emise pro zpracování Æ Př inese minimalizace přínosy z hlediska nákladů Ne Æ Stanovit str ategii zpracování Æ Je známa míra potřebného zpracování ? Ano Æ Stanovit obsah všech emisí Æ Zvolit vhodnou přepravní rychlost
Ano Ä
Ne Ä
Zavést opatření pro minimalizaci
Model rozptylu vzduchu
Volba zařízení pr o omezování emisí
Obrázek 4.22: Proudový diagram výběru technologie pro omezení zápachu [34, Willey A R and Williams D A 2001] 4.4.1.1
Fáze 1: Definice problému
Shromažďují se informace o legislativních požadavcích ohledně atmosférických emisí. M ístní situace, např. zeměpisné podmínky a podmínky počasí, mohou být rovněž významná pro definování problému, např. zápachu..
390
Kapitola 4 4.4.1.1.1
Příklad zápachu
Lidem, kteří pracují v konkrétním závodě, bude obecně známo, jaké problémy se zápachem existují a mohou tudíž pomoci jako poradci osobě, která s místní situací není dobře obeznámena. Je především potřebné zpracovat přehled počtu a frekvence stížností. Zejména místa bydliště stěžovatelů ve vztahu k závodu společně s připomínkami, uváděnými stěžovateli nebo představiteli místních úřadů pomohou identifikovat potřeby, které je třeba řešit. Je třeba založit systém vedení záznamů o stížnostech, zahrnující odpovědi na všechny stížnosti, vznesené přímo na závod, telefonicky nebo osobní návštěvou. Jestliže se vyšetří a zdokumentují přesné podmínky provozu či procesu v době stížnosti, může to pomoci při lokalizaci zdrojů zápachu, které je nutno dostat pod kontrolu. Lze zpracovat přehled veškeré korespondence s místními úřady nebo s místní komunitou. Úroveň aktivity místního obyvatelstva společně s přístupem a akcemi, provedenými představiteli místního úřadu, umožní posoudit a určit vážnost problému, a ovlivnit pravděpodobné časové měřítko, ve kterém bude třeba modifikovat proces nebo instalovat zařízení pro potlačení zápachu.. Konečně je třeba zjistit převládající povětrnostní podmínky v dané lokalitě. Konkrétně se jedná o převládající směr a rychlost větrů, jakož i frekvenci stavů inverze. Tyto informace bude možné využít pro ověření toho, zda stížnosti jsou vyvolávány v důsledku určitých konkrétních podmínek počasí, nebo zda je vyvolávají konkrétní provozní operace, prováděné v závodě. 4.4.1.2
Fáze 2: S oupis všech pachových emisí v místě
Soupis zahrnuje normální i abnormální provozní emise. Charakterizace každého emisního bodu, umožní provedení pozdějšího porovnání a určení pořadí vzhledem k ostatním místům emisí v závodě. Systematickým způsobem, jak identifikovat atmosférické emise, je projít každý jednotlivý výrobní proces a zjistit všechny potenciálně možné emise. Tato studie se může zaměřit na následující činnosti závodu: • • • • • •
přísun surovin hromadné skladování surovin skladování málo objemných surovin, např. v sudech a pytlích výroba balení paletizace a uskladnění.
Studie může být prováděna s různou mírou hloubky a komplexnosti. K systematické identifikaci všech zdrojů emisí lze použít proudové diagramy nebo schemata přístrojového vybavení během okružní pochůzky. V závislosti na problému klíčových operacích v místě, které problémy způsobují, a složitosti výrobního procesu, může být nutné analýzu rozšířit, aby zahrnula abnormální, ale i nouzové (havarijní) situace. M ůže se použít postup s využitím kontrolního seznamu a schémat procesu a přístrojového vybavení. Řada klíčových slov, které je třeba zapsat do kontrolního seznamu, se bude patrně lišit podle druhu operace.
391
Kapitola 4 4.1.2.1.2
Příklad zápachu
Problém zápachu může souviset s trvalým vypouštěním vzduchu z továrny, který s sebou přenáší do okolí zřetelný zápach. Čistěním hlavních emisí ve mnoha případech problém zmírní a omezí či dokonce eliminuje stížností. V jiných případech může odstranění hlavního zdroje zápachu často způsobit to, že se více projeví jiné zdroje pachů z téhož závodu. Tyto zdroje zápachu budou mít pravděpodobně charakteristické pachy odlišné od toho, jaký má hlavní zdroj zápachu. Tato situace může způsobit, že bude docházet k dalším stížnostem, a to si vyžádá další investiční náklady navíc kromě těch, které již byly vynaloženy na odstranění hlavního zdroje zápachu. Je tudíž důležité plně vyhodnotit celou škálu páchnoucích emisí z továrny a zjistit ty jednotlivé diskrétní emise, které mají největší potenciál vyvolávat stížnosti na zápach. Tabulka 4.26 ukazuje jeden způsob záznamu informací o normálních provozních zdrojích zápachu. M ůže se stát, že problémy se zápachem vznikají jen v abnormálních provozních situacích. Typický kontrolní seznam abnormálních provozních situací uvádí tabulka 4.27. Zd roj zápachu:______________ Druh exhalace Prováděná operace výrobního procesu Trvalost emisí Provozní doba Uspořádání vypouštění Podrobný popis uspořádání Popis pachu Síla pachu Odhadovaný průtok Umístění v prostoru závodu Provoz Celkové (bodové) hodnocení
Příklady: ________________ Nucené / přirozené / větrání Topení / chlazení / údržba / čištění Nepřet ržitě / přerušované / pravidelně se opakující Doba trvání za hodinu / za den / za výrobní cyklus Komín / průlezná šachta / uvnitř budovy / do ovzduší Průměr komína / výškový rozdíl při vypouštění Sladký / kyselý / pronikavý / ovocný Velmi jemný / jemný / zřetelný / silný / velmi silný Měřením / průběhy ventilátoru / odhadem Souřadnice místa vypouštění Normální / abnormální / havarijní -10 až +10 nebo 0 až 10
Tabulka 4.26 : Datový list pro sběr informací o pachových emisích Parametr Únik obsahu z obalu Likvidace / vyprazdňování Možnost proniknutí materiálu do procesu Reakce mimo kontrolu Koroze / eroze Výpadek technických služeb Odpadní kapaliny z mytí Ovládání / obsluha Větrání / odsávání Údržba / kontrola Spouštění / vypínání Změny výstupního výkonu výroby Změny receptur
Příklady Selhání regulace přeplnění / netěsnost / porucha Odpadní materiály a materiály z výrobního procesu Prasknutí parního hadu Nepřidání materiálu, selhání regulace teploty apod. Frekvence provádění prohlídek Přístrojové vybavení bezpečnosti při poruše Frekvence a postupy splachování (mytí) Úroveň řízení a dozoru Správné výchozí podklady projektu Frekvence, co je zapotřebí ? Důsledky pro následné operace Výroba na 100%, 110% + nízká výroba Zapáchající přísady
Tabulka 4.27: Kontrolní seznam pro abnormální provoz
392
Kapitola 4 Páchnoucí emise je možné klasifikovat podle pořadí vážnosti jejich dopadu na okolní prostředí v blízkosti továrny. M ožný systém, jak zpracovat jejich pořadí, může začít od seskupení emisí do takových kategorií, jako hlavní, střední a malé podle charakteristiky zápachu a souvisejících stížností. Stanovení pořadí uvnitř každé z těchto kategorií bude do značné míry ovlivněno silou vnímaného zápachu ze zdroje společně se souvisejícím prouděním vzduchu a povahou operace, t.j. zda je nepřetržitá nebo přerušovaná.. Tento proces může vyžadovat kromě faktorů zmíněných shora i jistou míru odborného posouzení. 4.4.1.3 Fáze 3: Měření hlavních emisí Atmosférické emise se kvantifikují pro stanovení priorit pro prevenci a čistění. M ěření umožní emise uspořádat co do velikosti jejich dopadu. 4.4.1.3.1
Příklad zápachu
Kvantifikace hlavních pachových emisí se provádí pomocí tohoto vzorce: Emise pachu = naměřená úroveň pachu (OU/m 3) x související objemový průtok vzduchu (m3 /s)
M ěření pachů je obtížné a výsledky mohou mít značnou statistickou odchylku. Přesto však může dodavatel zařízení pro potlačení zápachu požadovat kvantitativní měření zápachu, nebo doložení shody s právními předpisy. Jestliže jsou klíčové páchnoucí emise známy spolu s příslušnými průtoky a skutečným zdrojem emisí v lokalitě, dovolí to vypracovat scénář pro možné čistění. Tabulka 4.28 je založena na skutečné, ale blíže neurčené situaci, zjednodušené pro ilustraci principu. Ukazuje výpočet emisí pachů a podle této úrovně tato metodika navrhne „pořadí emisí“. Umožní to vypracovat pokusnou strategii čistění, avšak nevyšetří se, zda nebude ještě nutné vzít v úvahu např. provozní hodiny nebo dopad hlavních emisí, včetně jejich individuálních charakteristik, např. zda je zápach silný, sladký nebo pronikavý. Zdroj Manipula ce se surovin ou Ohřev suroviny Provozní ohřev Výroba podtlaku Odlučovač tuku Vypouštění do ovzduší z výrobny Balící hala Zpracování odpadů
Průtok (m3/hod)
Úroveň pachu (OU/ m3)
Pachové emise (OU/s)
Pořadí emise podle emise pachu∗
Provozní hodiny (hod/rok)
180000
1610
22
5
480
172800 3960 1440000 5760
1250 11290 17180 90
16 3,4 1909 0,04
6 7 2 8
960 2100 5760 6240
6912000
350
190
4
48
45720000 12600000
80 2690
275 2611
3 1
5760 387
Popis pachu“
∗ Neberou se v úvahu dopad zápachu, doby expozice či jiné charakteristiky . Číslo 1 má nejvy šší prioritu pro čistění, poněvadž má nejvy šší úroveň emisí, číslo 8 má nejnižší prioritu.
Tabulka 4.28: Typický program měření pachů unikajících z potravinářského závodu [34, Willey A R and Williams D A, 2001] M odelování rozptylu v ovzduší může umožnit plně kvantifikovat dopady hlavních měřených emisí. Pro určení každé potřebné akce pro potlačení pachových emisí je důležitá výsledná koncentrace pachu celkových emisí ze závodu, a to při
393
Kapitola 4 zemském povrchu a v různých vzdálenostech od hranic pozemku závodu ve vztahu k aktuálně převládajícím klimatickým podmínkám. Existuje-li několik pachů nebo složek z téhož zdroje, což je obvyklý případ, mohou být zvažovány společně. Jestliže existuje více, než jeden zdroj zápachu, je nutné každý zvažovat samostatně. 4.4.1.4
Fáze 4: Výběr technologií pro regulaci atmosférických emisí
Soupis emisí, imisí a stížností, např. v případě zápachu, který často vzniká kvůli emisím VOC, může identifikovat hlavní zdroje atmosférických emisí ze závodu, jež potřebují být součástí plánu nebo strategie čistění. Umožňuje, aby byl identifikován každý zdroj, jehož dopad může být eliminován nebo alespoň snížen. K technologiím regulace patří čistění integrované do procesu a čistění na konci potrubí. Do procesu integrované čistění zahrnuje opatření, týkající se látek, jako je výběr náhrad za škodlivé látky, jako jsou karcinogeny, mutageny nebo teratogeny. Dále zahrnuje používání materiálů s nízkými emisemi, např. málo těkavých kapalin a pevných látek s malým obsahem prachu, a opatření týkající se procesu, jako je použití systémů a výrobních procesů s nízkými emisemi. Jestliže i o uplatnění do systému integrovaných opatření je snížení emisí ještě žádoucí, může být potřebné další potlačování plynů, zápachu/VOC a prachu pomocí technologií na konci potrubí.
4.4.2 Technologie integrované do procesu Postupy tvořící součást procesu, určené ke snížení emisí na minimum, mají obecně další ekologické přínosy, jako je optimalizace využití surovin a minimalizace produkce odpadu. Tyto ekologické přínosy jsou uvedeny tam, kde souvisejí s technologiemi v této kapitole. Některé z technologií, popisovaných jako technologie snižování znečistění vzduchu, jsou rovněž do procesu integrovány a umožňují získat zpět materiály pro přepracování, patří sem např. cyklony (viz odst. 4.4.3.5.2).
4.4.3 Čistění vzduchu na konci potrubí Odstavce 4.4.3.1 až 4.4..3.13 popisují některé technologie snižování znečistění vzduchu na konci potrubí, používané na odstranění atmosférických emisí v sektoru FDM . Kapitola 2 se zabývá zpracovatelskými jednotkovými operacemi používanými v sektoru FDM , ale technologie čistění na konci potrubí nepopisuje. Opatření na konci potrubí jsou určena nejen ke snížení hmotnostních koncentrací, ale také hmotnostních průtoků látek znečisťujících atmosféru, které pocházejí z nějaké jednotkové operace nebo procesu. Používají se normálně za provozu výrobního zařízení.
394
Kapitola 4 Tabulka 4.29 uvádí některé hojně používané technologie čistění vzduchu na konci potrubí. Procesy čistění odpadních plynů podle stavu agregace znečisťujících látek Pevné a kapalné kontaminanty Plynné kontaminanty a pachy/VOC Dynamická separace Absorpce Mokrá separace Adsorpce na (aktivním) uhlí Elektrostatické srážení Biologické zpracování / čistění Filtrace Tepelné zpracování Zpracování netepelnou plazmou Separace aerosolů a kapének∗ Kondenzace∗ Membránová separace∗ ∗Nepopisují se v tomto dokumentu jako technologie pro minimalizaci atmosférických emisí.
Tabulka 4.29: Technologie čistění odpadních plynů na konci potrubí [34, Willey A R and Williams D A, 2001, 65, Germany, 2002] Oddělování („lapání“) rozptýlených částic a prachu využívá vnější síly, hlavně gravitační, setrvačné a elektrostatické. Také se v praxi používá fyzikální rozptýlení pomocí komínů a zvyšování disperzního potenciálu zvětšováním výšky komínu nebo rychlosti vypouštění. Charakteristiky emise určují výběr nejvhodnější technologie snižování emisí na konci potrubí. Vyžaduje to jistou přizpůsobivost, má-li se aktivovat čistění dalších zdrojů, které byly zjištěny později. Tabulka 4.30 uvádí klíčové parametry pro postup při výběru. Parametr Průtok Teplota Relativní vlhkost Typická řada přítomných složek Úroveň prachu Úroveň organických látek Úroveň pachů
Jednotka m3 /hod °C % mg/Nm3 mg/Nm3 OU/Nm3
Tabulka 4.30: Klíčové parametry pro výběr technologie na konec potrubí V některých případech se složky emisí identifikují snadno. V případě pachů emise, které je třeba zpracovat, budou obsahovat složitou směs a nejenom jednu nebo dvě jasně definovatelné složky. Zařízení pro omezení emisí se proto často navrhují spíše na základě zkušeností s jinými podobnými instalacemi. Nejistota, způsobovaná přítomností značného množství polétavých složek přenášených vzduchem, si může vynutit potřebu provedení zkoušek na poloprovozním zařízení. Hlavním parametrem při procesu výběru průtok, který má být zpracováván, a velmi často bývají technologie omezování emisí uváděny ve výčtech podle optimálním rozsahu průtoků vzduchu pro jejich použití. Nákup zařízení pro omezování emisí externího dodavatele bude normálně zahrnovat celou řadu záruk, souvisejících s mechanickou a elektrickou spolehlivostí nejméně po dobu jednoho roku. Jako součást procedury výběru a nákupu zařízení bude také dodavatel požadovat informace o tom, jaká je očekávaná účinnost odstraňování pachů. Forma záruk na proces čistění je důležitou součástí kontraktu. Například záruční prohlášení, týkající se výkonnosti při odstraňování pachů, mohou mít celou řadu forem.
395
Kapitola 4 V případě nedostatku jakýchkoli olfaktometrických dat (pozn.: olfaktometrie je metoda hodnocení ovzduší pachovými látkami) pak může záruka prostě jen konstatovat, že „mimo hranice procesu nebo mimo prostor továrny nebudou žádné pachy vnímatelné:“ Extrémně vysoké úrovně čistění plynů od prachu lze dosáhnout dvoustupňovým uspořádáním vysokovýkonných separačních technologií, např. použitím dvou tkaninových filtrů, nebo jejich použitím v kombinaci s HEPA-filtry (popsanými v dokumentu BREF: „Čistění odpadních vod a odpadních plynů“ [217, EC, 2003]) nebo filtry ESP. Porovnání výkonnosti některých separačních technologií uvádí tabulka 4.31. Technologie
Velikost částic (µm)
Účinnost sběru při 1 µm (%)
Maximální provozní teplota (°C)
10
40∗
1100
Mokrá pračka
1-3
>80 - 99
vstup 1000 výstup 80
<4 - 50
Suchý filtr ESP
<0,1
450
Mokrý filtr ESP
0,01
>99 dle konstrukce <99
<5 – 15 (předčistění >50) <1 – 5 opticky čirý
Filtrace, tkaninový filtr Filtrace, keramický filtr
0,01
>99,5
220
<1 – 5
0,01
99,5
900
0,1 – 1
Cyklon
80
Rozsah dosažitelných emisních úrovní (mg/Nm3) 25 – 100
Poznámky
Hrubé částice. Užití jako podpora jiným metodám Dobrá výkonnost pro vhodné druhy prachu. Snížení kyselých plynů. 4 nebo 5 zón. Obvyklá aplikace je předčistění. ESP se 2 zónami za sebou. Hlavně srážení mlhy. Dobrá výkonnost pro vhodné druhy prachu Velmi dobrá výkonnost pro vhodné druhy prachu
∗ U větších částic a cy klonů s vy šší účinností lze dosáhnout účinnosti zachy cení kolem 99 %.
Tabulka 4.31: Porovnání některých separačních technologií [65, Germany, 2002, 199, Finland, 2003] 4.4.3.1 Optimální použití zařízení pro snižování znečistění vzduchu Popis Požadavek, aby bylo čistící zařízení provozováno, se může lišit podle receptury, např. v případě zápachu. Jestliže existují procesy, nebo receptury, které nevyžadují aby zařízení pro čistění vzduchu běželo neustále, může se jeho použití řídit tak, aby bylo k dispozici v požadovaném provozním stavu v době, kdy je potřebné. M ůže být instalováno tak, že je nemůže obejít (obtokem) osoba, která je obsluhuje, ale když nastanou podmínky, kdy se nemusí pro čistění používat, vedoucí je může obejít. Například vedoucí může mít klíče od přístupu k ovládacím prvkům, které umožňují zařízení obejít a které zajišťuje, že se vždy zapne včas, aby dosáhlo optimální provozní stav jakmile bude potřebné. Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise
396
Kapitola 4 Provozní údaje Pokud konzervárna krmiv pro domácí zvířata, dosud pracující bez emisí páchnoucích látek, začla vyrábět jiný produkt a objevil se zápach jako významný problém, ukázalo se, že stávající opatření na potlačování zápachu nebylo vhodné pro novou recepturu. Změny receptur také vedly k občasným problémům se zápachem ve mlýnech na krmivo pro domácí zvířata, kam se v šaržovém režimu přidává rybí olej nebo melasa. Tyto příklady demonstrují proměnlivost potřeb potlačování emisí i v některých jednotlivých závodech. Stejně, jako je pro účinnou prevenci atmosférických emisí potřebné zajistit, aby bylo čistící zařízení zapínáno, jsou potřebné správné provozní podmínky. Například v udírnách ryb nebo masa a v pražírnách kávy používajících tepelně-oxidační rozklad pachů, tato oxidační zařízení nefungují efektivně, dokud nejsou vyhřáta na teplotu hoření znečisťujících látek. Proto musí být spouštěna včas, aby byly ve spalovací komoře tyto teploty dosaženy (viz odst. 4.4.3.11.1 a 4.4.3.11.3). Použitelnost Způsob je použitelný tam, kde se používá zařízení na snižování atmosférických emisí (čistění vzduchu). Důvody pro realizaci Prevence atmosférických emisí. Literatura [182, Germany, 2003, 234, UK, 2003, 235, DG Environment, 2003] 4.4.3.2 Zachycení atmosférických emisí u zdroje – lokální odsávání Popis Pro topným olejem nebo plynem vytápěná zařízení je jako součást systému regulace atmosférických emisí zajistit vhodné pracovní podmínky, tj. přívod kyslíku a řádné větrání pracoviště. Celkové a lokální větrání takto vytápěných zařízení odstraňuje např. pachy, výpary a páru z procesů vaření. Lokální odsávání může poskytnout ochranu proti ohrožení zdraví, které vzniká z některých výparů, souvisejích s přímým ohřevem potravin. Pokud není větrání konstruováno tak, aby bylo chráněno před znečistěním zbytky tuku, může ztrácet účinnost a představovat riziko požáru. Je-li přiváděný vzduch příliš horký nebo příliš studený, existuje nebezpečí, že personál větrání vypne. Jestliže přiváděný vzduch přichází přirozeně zvenku, jsou obvykle potřebná určitá opatření proti vnikání škůdců. Odvětrávaný vzduch může být vyváděn do čistícího zařízení a v některých případech může být recirkulován, s uvážením hygienických požadavků. V některých aplikacích je možné zachycovat vzduchem unášené materiály pro opakované použití. Uzavření zdrojů atmosférických emisí a použití lokálního odsávání spotřebuje m,nohem méně energie, než čistění celého objemu místnosti. Atmosférické emise obsahují např. pachy, které často vznikají kvůli emisím VOC a prachu, jako je obilí a mouka. Aby bylo větrání účinné musí být sací výkon zařízení dostatečný a k minimalizaci emisí prachu a plynů mají přispívat takové prvky, jako vodící přepážky a násypky s výkyvnými klapkami a víky. Identifikované emise, vyžadující čistění, se kanalizují u zdroje a někdy spojují, než jsou odváděny do zařízení čistící technologie. 397
Kapitola 4 Úkolem zařízení je bránit a snižovat na minimum únik všech atmosférických emisí. Toto jsou příklady oblastí, o které se jedná: • • • • • • •
místa nakládání a vykládání vozidel místa přístupu do provozu otevřené dopravníky skladovací nádoby procesy přemísťování produktu procesy plnění a stáčení procesy vypouštění.
Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise a potenciální opakované použití polétavých materiálů. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie Provozní údaje Většina technologií snižování emisí je projektována na základě objemových průtoků, které je nutno zpracovat. Vyžaduje to účinné uzavření oddělených emisí při současném udržování patřičného objemového průtoku vzduchu, aby se zajistilo, že do pracovního prostoru žádné emise neproniknou. K příkladům využití recirkulace vzduchu patří: • • •
recirkulace plynů z pražení kávy z kontinuálního či diskontinuálního pražení přívodní vzduch nasycený prachem může být recirkulován přes pneumatické dopravníky, v nichž se prach může sbírat pro opakované použití kouř z udících komor může být recirkulován zčásti nebo všechen.
Záznamy konstrukčních kritérií, výkonových zkoušek, požadavků na údržbu a zkoušek a kontrol mohou usnadnit další údržbu, úpravy a zkoušení vzhledem k původním technickým podmínkám. Použitelnost Postup je použitelný ve všech závodech FDM , kde vznikají atmosférické emise, např. při nakládání a vykládání vozidel, u násypek, v místech překládání, skluzech a nakládacích potrubí. Ekonomika Značné úspory investičních nákladů na zařízení pro snižování emisí lze dosáhnout snížením na minimum objemového průtoku, který vyžaduje čistění. Je důležité rozlišovat mezi celkovým větráním závodu a lokálním odsáváním. S celkovým větráním je spojen pohyb mnohem větších objemů vzduchu, takže spotřebuje více energie a je nákladnější. Důvody pro realizaci Ochrana zdraví na pracovišti. Literatura [34, Willey and Williams,, 2001, 65, Germany, 2002, 233, Health and Safety Executive, 2000]
398
Kapitola 4 4.4.3.3
Doprava kanalizovaných emisí do zpracovacího nebo čistícího zařízení
Popis Kanalizované emise se dopravují do zařízení na konci potrubí nebo do čistícího zařízení. Existují tři důležité faktory, které je třeba vzít v úvahu při projektování zařízení pro dopravu emisí do čistícího zařízení. Jsou to: dopravní rychlost, projekce větracích a jiných vzduchotechnických kanálů a přerušované toky. Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise Vzájemné účinky médií Spotřeba energie Provozní údaje Doprava emisí vzduchovými kanály do čistícího zařízení vyžaduje pečlivou úvahu, aby se jakékoli provozní problémy snížily na minimum. Zejména potenciál pro usazování drobných prachovitých materiálů a pro kondenzaci vody a jiných polétavých znečisťujících látek může mít za výsledek vážné zanášení, které jednak vyžaduje časté čistění, jednak může být příčinou značných hygienických problémů. Zastavění čistících míst a vypouštěcích ventilů do systému vzduchotechnických kanálů usnadní čistění a odstraňování nahromaděných matriálů. Volba nízké dopravní rychlosti snižuje náklady na odsávací ventilátor. Jestliže se za problém považuje přítomnost prachu, volí se dopravní rychlost ne menší, než 10 m/s. Za minimu se považuje 5 m/s. Lze-li předpokládat, že přítomnost prachových částic bude způsobovat provozní problémy, a to i navzdory provozu při vysokých dopravních rychlostech, pak lze uvažovat o systému s přetlakovou komorou. Přetlakovou komoru tvoří v zásadě vzduchové potrubí se zvětšeným průřezem, do kterého jsou přiváděny proudy vzduchu unášejícího pevné prachové částečky, a ve kterém bude docházet ke snížení celkové rychlosti proudění na hodnotu v rozmezí od 2,5 do 5,0 m/s. Komora je úmyslně konstruována tak, aby podporovala ukládání pevných částic, a je opatřena boční stěnou s výsypkami a po své délce celou řadou čistících dvířek. Průměr výstupního kanálu z přetlakové komory je zmenšen tak, aby vzduch znovu získal dopravní rychlost systému. Odtahové vzduchotechnické potrubí se navrhuje se společnou dopravní rychlostí v celé délce takovou, aby rychlost proudění vzduchu ve všech kanálech a vypouštěných větvích odtahového systému byla stejná. Přípojky odboček do hlavního (sběrného) kanálu se připojují pod úhlem maximálně 45°, i když by úhel 30° byl účinnější. V místech vstupu větve do hlavního kanálu se průměr hlavního vedení postupně zvětšuje pod úhlem 15°. Aby se zajistilo dosažení požadované výkonnosti, projektuje větrací vzduchotechniku často specializovaný dodavatel. Přerušované vypouštěné toky jsou dosti běžné tam kde se řada vypouštěných toků svádí do centrální čistírny, jsou-li některé z nich některé jsou nepřetržité, jiné přerušované. V této situaci může vznikat možnost, že některé odváděné plyny mohou kontaminovat emise z ostatních procesů při chodu v poruchovém režimu, a proto může být potřebné zvážit provozování ventilátoru za podmínek měnícího se zatížení.
399
Kapitola 4 Regulační systém, který tento typ uspořádání vyžaduje, může být poměrně složitý. Ventilátor může být navržen jako jednorychlostní systém, tak aby vždy odsával projektovaný průtok. Tento systém potřebuje přídavný přívod vzduchu do větracího systému, který by vyrovnával nedostatek projektovaného průtoku vzduchu, jakmile proces přejde do vypnutého stavu. Tento přídavný přívod vzduchu může být odebírán z prostoru pracoviště obsluhy, nebo lze použít vzduch využívaný pro přídavné větrání ve výrobní budově (hale). Alternativně je možné navrhnout ventilátor, napájený přes měnič kmitočtu. Rychlost otáčení ventilátoru pak může být ovládána statickým tlakem měřeným na sání ventilátoru a za vstupem z poslední odbočky. Tento systém by pracoval s proměnným odsávaným množstvím vzduchu přiváděným do čistírny plynů v závislosti na tom, které výrobní procesy konkrétně probíhají. Volba systému s pevnou rychlostí nebo s měničem kmitočtu závisí do značné míry na typu instalovaného čistícího zařízení, zajišťujícího omezení emisí, a na tom, zda se změnou průtoku vzduchu nedochází ke zhoršení účinnosti čistícího zařízení. Použitelnost Postup je použitelný ve všech závodech FDM , produkujících atmosférické emise. Literatura [34, Willey and Williams,, 2001] 4.4.3.4 Výběr technologií na konci potrubí pro potlačování zápachu/VOC Popis Při výběru technologií potlačování zápachu je prvním krokem analýza průtoku, teploty, vlhkosti a koncentrací částic a znečisťujících látek v páchnoucí emisi. Pachy vznikají často v důsledku emisí VOC; v takovém případě je potřebné, aby technologie potlačování vzala v úvahu rizika toxicity a nebezpečí požáru. Přehled zobecněných kritérií pro výběr technologií potlačování zápachu a snižování emisí VOC uvádí tabulka 4.32, v níž jsou tyto parametry vyneseny do matice proti některým generickým typům čistících zařízení, která jsou dostupná. Tabulka 4.32 je vodítko a neobsahuje všechny údaje o přednostech a omezeních jednotlivých technologií. každá vlastnost páchnoucí emise byla rozdělena na dva až tři rozsahy. V tomto případě je průtok rozdělen na dva 3 rozsahy, tj. do a přes 10 000 m h. Každé buňce v matici byla přiřazena hodnota od 0 do 3, přičemž číslo 3 představuje optimální provozní podmínky..
400
Kapitola 4 Metoda čistění
Fyzikální Absorpce - voda Absorpce - chemikálie Adsorpce Biologická Tepeln á oxidace Katalytická oxidace Plazma Hodnocení výsledku 0 1 2 3 *
Průtok (1000 Teplota (°C) m3/hod.)
Vlhkost (% r.v.)
Pevné částice (mg/m3)
Koncentrace kontaminantů (mg/m3) <500 >500 1 0 1 0 2 1 2 1 3 0 3 3 3 3 3 2
Výsled ek
<10 >10 <50 >50 <75 >75 0 <20 >20 1 2 1 2 2 1 1 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 3 2 2 2 1 2 1 2 1 1 3 1 3 0 2 0 3 0 0 3* 2* 3 0 2 2 3 1 0 3 1 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 0 0 2 3 3 1-2 3 2 3 3 1-2 Popis Tato metoda čistění není vhodná nebo pravděpodobně nebude účinná Stojí za uvážení, i když pravděpodobně nebude nejlepší volbou Technologie omezení emisí je dobře vhodná pro tyto podmínky Představuje ten nejlepší možný provozní stav pro daný systém čistění Závisí na ploše povrchu
Tabulka 4.32: Přehled zobecněných kritérií pro výběr technologie snižování zápachu a VOC Potom se zvažuje účinnost nebo požadovaný výkon. Ten lze odhadnout pomocí odborných pokynů a informací od výrobců technologie na snižování emisí. Dalším krokem při výběru je posouzení proveditelnosti. Berou se v úvahu investiční a provozní náklady, prostorové nároky a zda je technologie čistění ověřená jako použitelná v nějakém podobném procesu. Obrázek 4.23 ukazuje proudový diagram, který shrnuje tento proces pro výběr technologií snižování zápachu či VOC na konci potrubí.
401
Kapitola 4
Začátek
Ur čete fyzikální vlas tnosti v ýfuk u Æ Počet č is těných >1 pr oudů ?
V ýpoč et vlas tností kombinovaného odpadního plynu
1Æ Urč it zneč išťující slož ky Æ Ne
Je řeš ení znám o nebo nařízeno z ák onnými předpisy ?
1 POUŽITELNOST Odvodit použ itelné m etody z Tab. 8
Ano Æ Definovat požadav ky na úč innost 2 EFE KTIV ITA →
Seznam potenciálně použitelnýc h technologií Æ Dos ahuje s e odstranění pachů ? P ravděpodobně Æ Kontaminanty sníž eny pod př ípustné úrov ně? AnoÆ Je zprac ov aný odpadní plyn OK z hlediska teploty , chocholu atd. ? Ano Æ J e s ekundární z nečišťování přijatelné ? Ano Æ Zvolit technologii pro posouzení pr ov editelnos ti
Předefinov at k ritéria v ýkonnosti
3 PROVE DITE LNOST Seznam tec hnologií považovaný ch za účinné
Ne Ä
Zv áž it další technologii
Æ Uv ést rozpoč tov é inv estiční a provozní náklady Æ J sou inv es tiční náklady přijatelné ? Ano Æ Jsou provozní náklady přijatelné ? Ano Æ Zjistit prostorov é nár ok y
Nepravděpodobné
Ne
Ne
Ä
Ne Ã
Æ Je k dispos ici dos tatečný pros tor ?
Byly zv áženy všechny technologie Ano Žádná tec hnologie nev ybrána 1 nebo > 1
Zvážit další m etodu
P ředefinovat kritéria účinnosti
A no P rov ěřená tec hnologie ?
Ne
Ne Ä Ä An o
Ne
Lze provést poloprovozní z koušk y?
Ne
Ne
Ne
Ne Ä
Å Žádná tec hnologie nevybrána Seznam proveditelných tec hnologií
Možnosti regenerac e tepla ? Ano J sou ek onom ic ky přijatelné?
Ano
AnoÆ Polopr ov oz ní zk oušk y
Ne
Ano Æ Proveditelná tec hnologie ?
Ne
1 K onec
Obrázek 4.23: Proudový diagram procedury výběru zařízení pro omezení emisí (viz tabulku 4.32) 402
Kapitola 4 Dosažené ekologické přínosy Snížené emise pachů Použitelnost M etoda použitelná ve všech závodech FDM . Důvody pro realizaci Snížené emise pachů Použitelnost [34, Willey and Williams,, 2001] 4.4.3.5 Technologie dynamického odlučování Základem pro oddělování a odstraňování částic v dynamických odlučovačích jsou síly pole, které jsou přímo úměrné hmotě částice. Tedy gravitační, vychylovací (deflekční) nebo setrvačné a odstředivé odlučovače, jako jsou cyklony, multiklony a rotační lapače prachu, to všechno jsou dynamické separátory. Používají se hlavně pro oddělování větších částic (>10 µm), nebo jako první krok před odstraněním jemného prachu jinými prostředky. 4.4.3.5.1
Odlučovače
Popis Proud odpadních plynů se uvádí do komory, kde se prach, aerosoly nebo kapénky oddělují od plynu účinkem gravitace nebo setrvačnosti hmot. Účinek je zvyšován snížením rychlosti plynu konstrukčními prostředky, např. přepážkami, lamelami nebo drátěnou síťkou. Je třeba, aby konstrukce zajišťovala dobré stejnoměrné rozdělení rychlostí uvnitř nádoby. Preferenční proudy mají na účinnost dělení nepříznivý vliv. Používání vnitřních překážek v setrvačném separátoru umožňuje provoz při vyšších rychlostech, což znamená snížení objemu odlučovače v porovnání s usazovací komorou. Nevýhodou je rostoucí tlakový spád. Další informace naleznete v dokumentu BREF „Čistění odpadních vod a odpadních plynů“ [217, EC, 2003]. Dosažené ekologické přínosy Snížené emise látek znečisťujících vzduch. Potenciální opakované použití polétavých materiálů. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie Provozní údaje Odlučovače jsou charakterizovány jednoduchou a robustní konstrukcí, malými požadavky na prostor a vysokou provozní spolehlivostí.. Vychylovací či setrvačné odlučovače umožňují účinné odstraňování prachu. V důsledku své setrvačnosti nejsou větší částice schopny sledovat opakovaně se odchylující proud plynů a odlučují se. Při vhodné konstrukci je možné dosáhnout separační účinnosti přes 50 % částic větších než 100 µm.
403
Kapitola 4 Použitelnost Odlučovače jsou vhodné pro použití tam, kde: • v nečistěném plynu existují vysoké úrovně prachu • nejsou velké nároky na odstranění jemných částic • existuje potřeba předčistění anebo ochrany a odlehčení následujících systémů • existují vysoké tlaky, např. při vysokotlakém odprašování • existují vysoké teploty, např. při vysokoteplotním odprašování. Ekonomika Nízkonákladová technika Literatura [65, Germany, 2002] 4.4.3.5.2 Cyklony
Popis Cyklony využívají setrvačnost pro odstraňování částic z proudu plynů s využitím odstředivých sil, obvykle v kuželovité komoře. Fungují tak, že v tělese cyklonu vytvářejí dvojitý vír. Vstupující plyn je uváděn do kruhovitého pohybu cyklonem dolů v blízkosti vnitřního povrchu trubice cyklonu. U dna se proud plynu obrací a spirálovitě stoupá středem trubice a ven vrchem cyklonu. Částice v proudu plynu jsou vrhány na stěny cyklonu odstředivou silou kroužícího plynu, ale proti tomu působí tah plynu, odcházejícího ven z cyklonu. Velké částice se dostanou na stěnu cyklonu a hromadí se ve výsypce na dně, kdežto malé částice opouštějí cyklon spolu s plynem. Další informace naleznete v dokumentu BREF „Čistění odpadních vod a odpadních plynů“ [217, EC, 2003]. Dosažené ekologické přínosy Snížené emise látek znečisťujících vzduch. Potenciální opakované použití polétavých materiálů. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie Provozní údaje Cyklony jsou charakterizovány jednoduchou a robustní konstrukcí, malými požadavky na prostor a vysokou provozní spolehlivostí. Cyklony dosahují lepší separační výsledky než odlučovače (odst. 4.4.3.5.1). tabulka 4.31 ukazuje výkonnostní údaje cyklonu v porovnání s jinými odlučovacími technologiemi. Funkční princip cyklonu ukazuje obrázek 4.24.
404
Kapitola 4
Legenda k obrázku:
Dust reduced exhaust air Separated dust particles
Vypouštěný vzduch se sníženým obsahem prachu Oddělené částice prachu
Obrázek 4.24: Funkční princip cyklonu [65, Germany, 2002] Uvádí se, že cyklony se používají pro odstraňování malých částic z výfukového vzduchu sušáren při výrobě sušeného lihovarského sladu a že účinnost cyklonů může dosáhnout až 99,97 % (viz odst. 4.7.9.7.1) podle podmínek procesu a velikosti částic. Použitelnost Cyklony se používají pro regulaci drobných materiálů, hlavně větších než 10 µm, avšak existují cyklony s vysokou účinností, určené k efektivnímu odstraňování částic velikosti do 2,5 µm. Cyklony používané bez dalších technologií čistění obecně nestačí pro splnění předpisů o znečisťování vzduchu, ale slouží jako předčistění pro nákladnější koncová čistící zařízení, jako jsou tkaninové filtry (viz odst. 4.4.3.7) nebo ESP-filtry (viz odst. 4.4.3.6). Většinou se používají po rozprašovacím sušení a po drcení, mletí a kalcinaci. Spalovací zařízení vytápěná fosilními palivy běžně používají několikanásobné cyklony, které pracují s vyšší účinností, než jeden cyklon a mohou odloučit částice velikosti 2,5 µm. Cyklony se používají pro odstraňování pevných a kapalných látek znečisťujících vzduch. Používají se hlavně jen pro velké částice , tj. přes 10 µm. Jsou vhodné tam, kde: • • • • •
v nečistěném plynu existují vysoké úrovně prachu nejsou velké nároky na odstranění jemných částic existuje potřeba předčistění a/nebo ochrany a odlehčení následujících systémů existují vysoké tlaky, např. při vysokotlakém odprašování existují vysoké teploty, např. při vysokoteplotním odprašování.
405
Kapitola 4 Ekonomika Nízkonákladová technika Příklady výroben Cyklony se používají při výrobě krmiv pro hospodářská zvířata, sušeného mléka, sušených polévek, pekařských směsí, pudinků, lihovarského sladu, sušených vyslazených řízků, škrobu, zmrzlinových směsí, pražení, sušení a míchání kávy, míchaní čajů a sladu. Obecně vzato, cyklony se používají jako nedílná součást procesu zpětného získávání prachu z odsávaného vzduchu k přepracování. Používají se ve výrobě rostlinných olejů pro odstraňování jemných nečistot, jako jsou zbytky rostlin, emise prachu, písku a mokrého prachu ze surových semen olejnin (viz odst. 4.7.4.10). Literatura [65, Germany, 2002, 179, Gergely, 2003] 4.4.3.5.3
Mokré odlučování
Popis V dynamických odlučovačích klesají efektivní síly spojené s hmotou (tj. gravitační, setrvačné a odstředivé síly) rychle s rostoucí velikostí částice. M okré cyklony jsou zařízení s vysokou účinností, které rozprašují vodu do proudu odpadního plynu, aby se zvýšila hmotnost částicových materiálů a tudíž se odstraňoval i jemnější materiál a zvýšila se účinnost odlučování. Obecně vzato, změní se tím však jen znečistění vzduchu na znečistění vody. M okré odlučovače mohou být zvoleny pro zvláštní aplikace, např. tam, kde existuje riziko výbuchu, související s prachem. Podle konstrukčních charakteristik lze rozlišovat několik různých typů mokrých odlučovačů, mezi něž patří například: • • • • • •
absorpční technologie, jako jsou vypírací věže, sprchové pračky, absorbéry s ložem s náplní (viz odst.. 4.4.3.7.3 až 4.4.3.8 a tabulku 4.33) pračky s vstřikováním, např. vysokotlaké vstřikovací pračky a pračky s dvojí látkou tryskové pračky vířivé pračky rotační pračky a desintegrátory (vysokovýkonné) difuzérové pračky
Dosažené ekologické přínosy Snížení atmosférických emisí, např. prachu. Potenciální opakované použití polétavých materiálů. M ůže být výhodné, jestliže v závodě existuje příležitost k opakovanému použití prachem nasycené sběrné kapaliny. Regenerace produktu: např. při zpracování rostlinných olejů může být zachycený prach regenerován a přidáván zpět do pokrutin. Prevence rizika požáru. Vzájemné účinky médií Pomocí mokré separace je možné dosáhnout účinnosti odloučení 80 – 99 %. Při použití 3 cyklonů lze dosáhnout koncentrací emisí vlhkého prachu <50 mg/Nm . Tabulka 4.31 ukazuje aktuální údaje o výkonnosti této technologie v porovnání s ostatními odlučovacími technologiemi.
406
Kapitola 4 Částice prachu, přítomné v nečistěném plynu, se uvádějí do styku s podstatně většími kapénkami sběrné kapaliny a zůstávají s nimi spojené. Potom je lze zachytit společně s kapénkami. Tyto poměrně velké, prachem naplněné kapénky o průměru 50 µm až 200 µm se z proudu plynu obvykle oddělují pomocí cyklonů nebo lamelových odlučovačů. Cyklonům se dává přednost při velkých zatíženích pevnými látkami a malých proudech plynu. Lepší poměry separace a nižší tlakové ztráty se dosahují na lamelových odlučovačích ve vysokovýkonných separačních jednotkách. Skládají se z vertikálně uspořádaných kovových nebo plastových desek. M ohou zachytit částice větší, než 10 µm. Produkuje se odpadní voda. Nasycená sběrná odpadní tekutina může být čistěna a vracena do procesu, nebo zahušťována odpařením. Zejména sušárny vypouštějí plyny nasycené vodní parou, která může obsahovat nejenom prachové materiály, ale také pachy a plynné znečisťující látky. V tabulce 4.33 je uveden příklad konstrukční normy, používané v Německu podle norem DIN [230, Deutsches Institut für Normung p.v., 2005]. Použitelnost M okré odlučovače se používají pro odstraňování pevných a kapalných materiálů znečisťujících vzduch, jako např.: • • • •
pro hořlavý nebo lepivý prach tam, kde existuje riziko výbuchu pro současné odloučení, nebo předběžné odloučení pevných, kapalných a plynných znečisťujících látek pro malé prachové částice (<0,1 µm).
Pračky (skrubry) se používají v sektoru FDM , např. pro odstraňování VOC, FFA a pachů z rostlinných olejů při rafinaci. Ekonomika Náklady na čistění odpadní vody mohou být značné, v některých případech vyšší, než na opatření pro potlačení prachových emisí. Literatura [65, Germany, 2002]
407
Kapitola 4
Pračka plynů Sprchová pračka Kolona s náplní
Vstřikovací pračka (vysokotlaká/dvoulátko -vá vstřikovací pračka)
Trysková pračka
Vířivá pračka
Rotační pračka, desintegrátor
Difuzérová pračka
Rychlost plynu v kontaktní zóně v poměru k volnému průřezu (m/s)∗
1-5
20 – 60
5 - 15
8 – 20
25 – 70
40 – 150
Tlakový spád na celém odlučovači (hPa)∗
1- 25
5 – 25
15 – 30
2 – 10(1)
30 - 200
Spotřeba energie (kWh/1000 m3)
0,2 – 3
0,4 – 2
Regenerace tlaku přibližně 1 - 10 1,2 – 3
1–2
4 – 15(1)
5 – 15
Poměr sběrná kapalina/plyn (l/m 3) ∗
1–5
0,5 – 5
5 – 50
1 – 3 na stupeň
0,5 – 5
0,7 – 1 4 50 - 85
0,1 – 1 90 - 95
0,8 – 0,9 90 - 95
Kvůli principu procesu nelze uvádět žádná data 0,6 – 0,9 90 - 95
0,1 – 0,6 92 - 96
0,05 – 0,5 96 - 8
Popis Symboly podle normy DIN 30600/28004
Mez separace (µm) Separační poměr (%)∗ (2)
∗Přibližné hodnoty, jsou možné odchylky nahoru a dolů. 1) U desintegrátorů je spotřeba energie často značně vyšší podle účinnosti a objemu zpracovávaného plynu Je možná regenerace tlaku až do 25 hPa. 2) Uvedený separační poměr dává pouze hrubou představu o možném pracovním rozsahu. Ačkoliv se separační poměr snadno měří, dovoluje jen omezené závěry o účinnosti odlučovače. Je napříkl ad přímo závislý na distribu ci velikostí části c vstupujícího materiálu. Jestliže se distribuce velikostí částic změní, změní se i separační poměr, i když ostatní parametry zůstanou konstantní. Znalost separačního poměru však je pro konkrétní aplikaci důležitá. Poměr separace frakcí je mnohem vhodněj ší m parametrem pro posouzení účinnosti odlučovače.
Tabulka 4.33: Odstraňování prachu ze vzduchu – přehled mokrých odlučovačů
408
Kapitola 4 4.4.3.6
Elektrostatické odlučovače (filtry)
Elektrostatické odlučovače, často označované jako ES P, se používají pro oddělování pevných či kapalných částic z odpadních plynů. Tyto v plynu rozptýlené částice mají elektrostatický náboj, takže se lepí na sběrné desky. Hlavní součásti ESP jsou skříň filtru, jiskřící elektroda a srážecí elektroda, napájecí zdroj, vodítka nebo přepážky pro plyn a sklepávací systém pro čistění sběrných (srážecích) desek. Odlučovací proces lze rozdělit na tyto jednotlivé fáze: • • • •
nabití částic v ionizačním poli dopravu nabitých částic na sběrnou desku srážení a tvorba tenké vrstvy na srážecí desce odstraňování tenké vrstvy prachu ze srážecí desky
Existuje rozdíl mezi suchými a mokrými ESP. M ohou mít horizontální nebo vertikální tok plynu. Suché ESP jsou většinou stavěny se srážecími elektrodami ve tvaru desek (deskové ESP). V mokrých ESP mají sběrné elektrody často tvar trubic (trubkové ESP) a v nich je proud plynu obvykle vertikální. Dosažené ekologické přínosy Snížení atmosférických emisí. Nízké nároky na energii v porovnání s jinými technologiemi odlučování. Vzájemné účinky médií Produkce odpadní vody v případě mokrých ESP. Provozní údaje Elektrostatické odlučovače umožňují vysoké separační poměry, až 99,9 %, účinné odloučení i velmi malých částic, dokonce menších, než 0,1 µm a čistění velkých 3 objemů odpadních plynů (přes 1000000 m /h). Elektrostatické odlučovače mají poměrně nízkou tlakovou ztrátu , např. 0,001 – 0,004 3 bar, nízké nároky na energii, např. 0,05 – 2 kWh/1000 m a dlouhou provozní životnost. M okré ESP mohou dosáhnout lepších poměrů separace než suché ESP. M ohou zejména odlučovat jemné prachy, aerosoly a do určité míry i těžké kovy a plynné látky. Typické uspořádání elektrostatického odlučovače ukazuje obrázek 4.25.
409
Kapitola 4
Legenda:
Elektrické pole 1 Direction of gas flow Discharge electrode Discharge electrode rapping device Discharge frame Dust hopper1 Gas collector plate
Směr toku plynu Vybíjecí elektroda Oklepávací zařízení vybíjecí elektrody Vybíjecí rám Výsypka prachu Sběrná deska plynu
Gas distribution plate Hood beam Internal catwalk Plate rapping bars Plate support Raw gas connection duct
Rozdělovací deska plynu Nosník poklopu Vnitřní lávka Oklepávací tyče desek Nosník desky Přípojka surového plynu
Elektrické pole 2 Spacer Rozpěrací kus Support insulator with base Nosný izolátor s podstavou Suspension tube Trubka závěsu Clean gas connection duct Collecting electrode Collecting electrode rapping device Gastight covering Hopper partition2 Inspection hatch Rainproof covering Support frame
Přípojka čistého plynu Sběrná elektroda Oklepávací zařízení sběrné elektrody Plynotěsný kryt Příčka výsypky Inspekční dvířka Kryt proti dešti Nosný rám
Obrázek 4.25: Typické uspořádání elektrostatického odlučovače (zobrazeny jen dvě zóny) Použitelnost Používají se k odstraňování pevných a kapalných znečisťujících látek, zvláště jemného prachu. ESP se používají ve velkých systémech pro čistění velkým objemů odpadních plynů za vysokých teplot. Mokré ESP se používají pro čistění kapalinou nasycených plynů, pro kyselé a dehtové mlhy, nebo tam, kde existuje riziko výbuchu. Literatura [65, Germany, 2002]
1 2
V textu nesprávně „hooper“ – pozn. překl. V textu chybně „partion“ – pozn. překl.
410
Kapitola 4 4.4.3.7
Filtry
Filtrační separátory se obvykle používají jako koncové odlučovače. potom, co byly použity před běžné odlučovače, například tam, kde odpadní plyn obsahuje složky s vlastnostmi poškozujícími filtry, např. abrasivní prach nebo agresivní plyny. Tím se zajistí přiměřená životnost a provozní spolehlivost filtrů. Ve filtračních odlučovačích (lapačích) se plyn vede přes porézní médium, v němž se různými mechanismy zadrží pevné částice. Filtrační separátory lze klasifikovat na základě filtračního média, rozsahu výkonnosti a možností čistění filtru, jak shrnuje obrázek 4.26. Filtr ační odlučovače Filtr y s plněným ložem∗
Vláknité filtr y Vložkové filtr y
Speciální typy
Čistitelné filtr y Hr ubé filtr y
Tr ubicové filtr y∗
Filtr y na jemný pr ach (např . HEPA filtr y)
Nohavicové filtr y∗
∗ Popisují se v dalších odstavcích
Obrázek 4.26: Druhy a klasifikace vzduchových filtrů V tkaninovém filtru odpadní plyn prochází přes hustě tkanou nebo zplstěnou textilii, která způsobuje, že se na textilii hromadí prach proséváním či jiným mechanismem. Tkaninové filtry mohou mít tvar listů, patron nebo pytlů („nohavic“, nejběžnější typ) s řadou jednotlivých tkaninových filtračních jednotek, sestavených do nějaké skupiny. Prachový „koláč“ který se tvoří na filtru, může významně zlepšit účinnost zachycování. Čistitelné filtry patří mezi nejdůležitější typy filtračních odlučovačů, používaných pro odstraňování průmyslových částicových materiálů. Zatímco filtračním médiem (materiál filtru) bývala ve starších konstrukcích obvykle tkanina, dnešní konstrukce využívají především netkané textilie a jehlovou plst. Nejdůležitějšími parametry čistitelných filtrů jsou poměr vzduchu k látce a tlaková ztráta (odpor filtru). M ateriál filtru provádí skutečnou separaci a je nezbytně nutnou součástí filtračního odlučovače. Tkaniny mají nitě, které se kříží v pravém úhlu. Netkané textilie a jehlové plsti jsou na rozdíl od nich trojrozměrné ploché struktury a mohou být stabilizovány vlastní adhezí vláken nebo střídavým vkládáním a vyjímáním vláken. Netkané textilie a jehlové plsti mohou obsahovat nosnou vnitřní tkaninu (např. polyesterovou nebo skleněnou) pro vyztužení. Stále více se používají jehlové plsti, vyráběné ze syntetických vláken. Netkané textilie a jehlové plsti mají trojrozměrné filtrační charakteristiky. Částice prachu se zachycují ve struktuře filtru a vytvářejí pomocnou filtrační vrstvu, která zajišťuje dobré oddělení i nejjemnějších částic. Jednou z charakteristik této „hloubkové filtrace“ je velký účinný měrný povrch. Pravidelné intenzivní čistění odstraňuje nahromaděnou vrstvu prachu a brání nadměrným tlakovým ztrátám. Problémy mohou působit lepivé, mastné, aglomerující, přilnavé, abrasivní a hygroskopické částice prachu. 411
Kapitola 4 4.4.3.7.1
Trubicové filtry
Popis V trubicových filtrech se filtrační médium skládá z trubic o délce až 5 m a průměru od 12 do 20 cm. Plyn proudí zevnitř ven nebo obráceně, podle způsobu čistění. Zařízení obsahuje kruhový filtr sestávající ze skupiny svislých trubic upevněných ve válci, který je vzhledem podobný cyklonu a nevyžaduje významný prostor. Proud vzduchu prochází filtrem a jemné podíly se ukládají na povrch jednotlivých trubicových filtrů. Trubicové filtry se čistí plně automatizovaným pulzním systémem zpětného profukování s použitím stlačeného vzduchu nebo jiného plynu, uváděného systémem s mnoha tryskami. Trubice se čistí individuálně (jedna po druhé), což zajišťuje nepřetržité čistění trubicového filtru a odstraňování prachu. Produkt uvolněný čistěním trubicových filtrů padá do spodní části zařízení, odkud je odnášen vzduchem, uváděným přes speciální děrovaný systém na výstup prachu. Takto čistěné plyny opouštějí filtr jako čisté, přes komoru pro čistý plyn. Individuální čistění trubicových filtrů snižuje množství prachu, uvolněné z filtru z jednotku času, což znamená, že potenciálně výbušný prach je v objemu vzduchu přítomen v malém množství v porovnání s konvenčními filtračními systémy. CIP filtrů se úspěšně používá v potravinářském průmyslu od roku 1995.Pokud se používá v mlékárenství, je produkt z filtrů srovnatelný sproduktem získávaným ze stříkacích věží.rozprašovacích sušáren. Trubicové filtry lze používat bez předřazených cyklonových odlučovačů. Čistící systém pro kruhové filtry je podobný systému, používanému pro trubicové filtry, instalovaného jako systém CIP. Proud vzduchu je uváděn do trysek CIP v základně trubicového filtru a dalších trysek uvnitř filtru během provozu, nikoli během čistění CIP. Tím se brání tomu, že by se trysky CIP ucpaly prachem z procesního vzduchu. Jinou důležitou výhodou je, že základna trubicového filtru v zóně, kde je proud vzduchu naplněn prachem, se udržuje čistá proplachováním vzduchem. To znamená, že i když se pracuje se silně hygroskopickým produktem, základna je udržována čistá od těžkých usazenin. To je podstatná přednost proti jiným konstrukcím filtrů a prodlužuje provozní dobu mezi fázemi čistění. Zóny čistého a znečistěného plynu, trubicové filtry, stěna filtru a ostatní vnitřní části jsou intenzivně ostřikovány pomocí pečlivě uspořádaných skupin trysek. Obrázek 4.27 ukazuje trubicový prachový filtr používaný pro odstraňování jemných podílů za rozprašovací sušárnou ve velké mlékárně.
412
Kapitola 4
Obrázek 4.27: Systém trubicových filtrů velké mlékárny Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise prachu. Uvádí se také snížená spotřeba energie (údaje neposkytnuty). Snížená produkce odpadu je možná, např. kvůli tomu, že je odlučovací proces suchý a je možné oddělený produkt vracet do procesu nebo s ním naložit jako s vedlejším produktem. Filtry spotřebují významně méně energie než cyklony a mají tišší provoz. Jestliže se používají filtrační zařízení vhodná pro CIP pro čistění výstupního vzduchu, není nutné používat cyklony, což umožní dosáhnout ohromné úspory energie a snížení hlučnosti. Použitím CIP se sníží i spotřeba vody a čistících prostředků. Provozní údaje Filtrační odlučovače mohou dosáhnout vysokou účinnost odlučování, např. přes 99 % a i velmi jemné částice jsou odlučovány velmi efektivně.
413
Kapitola 4 V příkladu mlékárny, popisovaném v odst. 4.7.5.8, dosáhly prachové emise ze systému sušení dohromady 534 kg/rok prachu po filtraci, což dává 28 mg prachu na tunu 3 sušeného výrobku. Uvádí se také, že lze dosáhnout úrovně 10 mg/Nm . V téže mlékárně bylo zjištěno, že je třeba dodržovat interval 3 až 4 minuty mezi operacemi čistění, aby voda po čistění vytekla z trubek.. Je nutné zajistit dokonalé vyprázdnění trubek, aby nedocházelo k pozdějšímu odkapávání z trysek. Na konci celého mycího programu je třeba ponechat příslušné klapky a ventily ve vratné lince otevřené, aby voda z trubkových filtrů mohla vytéci. Sušení systému je třeba zahájit asi 1 až 2 hodiny po ukončení postupu mytí. Trubkové filtry musí být sušeny teplým vzduchem při vypnutém systému čistění trubkových filtrů, aby se zabránilo provozním problémům způsobeným vlhkostí, až bude znovu použit. Použitelnost Trubicové filtry se v sektoru FDM hojně používají pro odstraňování pevných a kapalných látek znečisťujících vzduch. Příklady výroben Výrobna sušeného mléka v Německu Literatura [9, Verband der Deutschen M ilkwirtschaft (German Dairy Association), 1999, 65, Germany, 2002] 4.4..3.7.2 Nohavicové filtry
Popis Nohavicové (též „rukávové“) filtry jsou vyrobeny z filtračního materiálu o tloušťce až 30 mm a měří na výšku až 0,5 m a na délku 1,5 m 3. Filtrační nohavice jsou upevněny svým otevřeným koncem na kanál čistého plynu. Proud nečistěného plynu vždy směřuje zvenku dovnitř nohavice, obvykle v horní části filtru. tabulka 4.34 ukazuje porovnáni různých typů nohavicových filtrů a obrázek 4.28 zobrazuje průmyslovou filtrační jednotku. Parametr Poměr vzduch/látka Meze teploty Druh nohavic Velikost nohavic Plocha látky na nohavici Klec (kostra) Tlakový spád Životnost nohavic
Pulzní tryskový filtr 22-25 m/s 200°C polyester 0,126 x 6,0 m 2,0 m2 ano 2,0 kPa až 30 měsíců
Membránový filtr ze skleněných vláken 19-25 m/s 280°C membrána/skleněné vlákno 0,292 x 10 m 9,0 m2 ne 2,0 kPa 6 – 10 le t
Filtr ze skleněných vláken 8-10 m/s 280°C skleněné vlákno 0,292 x 10 m 9,0 m2 ne 2,5 kPa 6 – 10 le t
Tabulka 4.34: Porovnání různých systémů nohavicových filtrů
3
Zřejmě omyl, správný údaj je asi 15 m, viz tabulku 4.34. Pozn. překl.
414
Kapitola 4
Obrázek 4.28: Obrázek průmyslového nohavicového filtru Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise prachu. Uvádí se také snížená spotřeba energie (údaje neposkytnuty). Snížená produkce odpadu je možná, např. pro to, že je odlučovací proces suchý a je možné oddělený produkt vracet do procesu, nebo s ním naložit jako s vedlejším produktem. Filtry spotřebují významně méně energie než cyklony a mají tišší provoz. Jestliže se používají filtrační zařízení vhodná pro CIP k čistění výstupního vzduchu, není nutné používat cyklony, což umožní dosáhnout značné úspory energie a snížení hlučnosti. Použitím CIP se sníží i spotřeba vody a čistících prostředků. Provozní údaje Filtrační odlučovače mohou dosáhnout vysokou účinnost odlučování, např. přes 99 % a i velmi jemné částice jsou odlučovány velmi efektivně. Nohavicové filtry lze používat 3 ke snížení emisí prachu na méně než 5 mg/Nm . Obecně platí, že průměrná vzdálenost mezi vlákny je podstatně větší, než zachycované částice. Poměry dělení dosažené účinkem „síta“ jsou zlepšovány také hmotovými silami, účinky překážek a elektrostatickými silami. Použitelnost Filtry se v sektoru FDM hojně používají pro odstraňování pevných a kapalných látek znečisťujících vzduch. Používají se také pro čistění spalin. Příklady výroben Nohavicové filtry se používají téměř ve všech odvětvích FDM . Literatura [65, Germany, 2002]
415
Kapitola 4 4.4.3.7.3 Filtry s náplní (s ložem)
Popis Filtračním médiem používaným ve filtrech s ložem je obvykle vrstva granulovaného materiálu, jako jsou štěrk, písek, vápenec nebo koks s velikostí částic v pásmu od 0,3 do 5 mm.Částice prachu se zachycují ve vrstvě granulátu. Na povrchu lože se tvoří vrstva prachu, která podporuje proces separace. Pronikání prachu přes lože lze zabránit použitím jemnějších částic granulátu (menších než 0,5 mm) a menších rychlostí toku plynu (do 0,1 m/s). Existuje tu však riziko tvorby „můstků“, které mohou separační poměr filtru snížit. Výška pevného lože může být i několik metrů. Čistí se protiproudým vyplachováním, mechanickým vytřepáním ve spojení s promývacím vzduchem, anebo pohyblivými tryskami během čistění. Vícečlenná konstrukce zajišťuje nepřetržité čistění systému. Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise prachu. Uvádí se také snížená spotřeba energie (údaje neposkytnuty). Filtry spotřebují významně méně energie než cyklony a mají tišší provoz. Jestliže se používají filtrační zařízení vhodná pro CIP pro čistění výstupního vzduchu, není nutné používat cyklony, což umožní dosáhnout ohromné úspory energie a snížení hlučnosti. Použitím CIP se sníží i spotřeba vody a čistících prostředků. Provozní údaje Filtrační odlučovače mohou dosáhnout vysoké účinnosti odlučování, např. přes 99 % a i velmi jemné částice jsou odlučovány velmi efektivně. Při zkouškách filtrů s náplní byly 3 pokusně dosaženy hodnoty čistého plynu kolem 10 mg/m prachu. Přitom se obsah 3 prachu v nečistém plynu pohyboval průměrně kolem 18 g/m při střední velikosti částic 0,5 µm. Separační poměr není tak dobrý jako u filtrů s vláknitou vrstvou. Filtry s pevným ložem se proto přednostně používají pro oddělování částic problematických prachů anebo pro vyšší teploty plynu. Filtry s pevným ložem se často používají ve spojení s předřazenými lapači, např. cyklony. Obecně platí, že průměrná vzdálenost mezi vlákny je podstatně větší, než zachycované částice. Poměry dělení dosažené účinkem „síta“ jsou zlepšovány také hmotovými 4 silami, účinky překážek a elektrostatickými silami. Použitelnost Filtry s náplní lze používat pro současné oddělení prachového materiálu a plynů. Filtry s náplní splňují základní požadavek pro vysokoteplotní odprašování nebo odprašování horkých plynů, zejména pro využití tepelné energie proudu čistého plynu za vysokých teplot.
4
Tento odstavec autor zřejmě vložil z pilnosti, patří zjevně do předchozího odstavce 4.4.3.7.2. Pozn. překl.
416
Kapitola 4 Filtry s náplní jsou vhodné pro odstraňování částic prachu, které jsou: • • • • • •
tvrdé a abrasivní mají teploty až do 1000°C jsou ve směsích s chemicky agresivními plyny jsou hořlavé a existuje riziko jiskření smíchány s mlhou (aerosolem) smíchány s některými í plynnými znečisťujícími látkami, např. SO2, HCl a HF, existuje-li možnost jejich současného oddělení na vhodné náplni filtru.
Literatura [65, Germany, 2002] 4.4.3.8
Absorpce
Slova „absorbér“ nebo „pračka plynů“ („skrubr“) se někdy používají současně a to může mást. Z definice se absorbéry používají pro odstraňování stopových plynů, zatímco skrubry se používají k odstraňování pevných polétavých částic. Toto rozlišení není vždy tak příkré, protože pachy a plynné složky ze vzduchu mohou být odstraňovány společně s prachem pomocí kondenzace par nebo mokrým zkrápěním (viz „mokré“ odlučovače v odst. 4.4.3.5.3). Cílem absorpce je vytvořit co největší možnou povrchovou plochu kapaliny a dosáhnout dobrého proudění plynu v protisměru vůči kapalině. Proces absorpce se opírá o přednostní rozpustnost znečisťujících složek přítomných v odsávaném proudu v kapalném absorpčním médiu. Existuje celá řada nejrůznějších typů konstrukce absorbérů, a mnohé varianty účinností odstraňování při styku plynu s kapalinou. Existují tři typy absorbérů: plněný (s náplní, viz odst. 4.4.3.8.1), patrový ost. 4.4.3.8.2) a rozprašovací pračka plynů (skrubr) (viz odst. 4.4.3.8.3). Zlepšený styk mezi plynem a kapalinou a tudíž i zdokonalenou schopnost výkonu při odstraňování pachů. Nejčastěji používaným konstrukčním řešením pro odstraňování pachů je kolona s náplní, která nabízí výhodu v maximální povrchové ploše na jednotku objemu a relativně nízký tlakový spád. Princip funkce Proces představuje přenos hmoty mezi rozpustným plynem a kapalným rozpouštědlem v zařízení, umožňujícím styk plyn-kapalina. M íra, do jaké je páchnoucí látka odstraněna z proudu vzduchu, závisí na stupni nasycení na povrchu rozpouštědla v absorbéru, který zase dále závisí na rozpustnosti složky a rychlosti jejího odstraňování z cirkulujícího rozpouštědla chemickou reakcí a vypouštěním. Tento rychlostní mechanismus určuje účinnost odstraňování pro konkrétní velikost absorpčního zařízení a pro konkrétní rychlost proudění vzduchu. Účinnost odstraňování pachů je tudíž funkcí reakční doby , stupně nasycení na povrchu kapaliny, a reaktivity plynných složek s absorbujícím rozpouštědlem. Za předpokladu, že vzduchem unášené složky, které mají být odstraněny, jsou přiměřeně rozpustné ve vodě, může být absorbér navržen tak, aby dosahoval požadované účinnosti odstraňování. Problémem může být udržování dostatečně nízké koncentraci plynu v absorbující kapalině (na jejím povrchu) proto, aby zůstávala zachována hnací síla pro rozpouštění. Důsledkem toho bývají často nadměrné objemy
417
Kapitola 4 vody, která je potřebná pro dosažení přijatelné účinnosti. Obecně vzato je tudíž nepraktické odstraňovat páchnoucí složky jen s použitím samotné vody, a proto bývají používány i další absorbující látky. Avšak systémy používající samotnou vodu lze považovat za prvý stupeň před jiné absorbéry, ovšem většinu jejich účinnosti lze přičíst mechanismům jiným, než je samotná absorpce. Na příklad vodní absorpce nenasyceného proudu vzduchu způsobí ochlazení vzduchového proudu do stavu nasycení procesem adiabatického ochlazování. Tento účinek ochlazení často vyvolává mechanismus kondenzace, při kterém jsou ze vzduchového proudu odstraňovány jednotlivé složky tak, jak se ochlazují na teplotu pod svůj bod varu. Úvahy o konstrukci Pro všechny konstrukce absorbérů je základním požadavkem účinná distribuce kapaliny a plynu. Optimální konstrukční řešení, provedené v souladu se standardními zásadami chemického inženýrství, vyžaduje údaje o koncentraci, rozpustnosti a přestupu hmot pro ty složky, které mají být odstraněny z proudu plynu. Většina atmosférických emisí v sektoru FDM jsou obvykle složité směsi, pro něž je obtížné přesně zjistit chemické sloučeniny v nich přítomné, a ještě obtížnější je stanovit jejich koncentrace. Povaha ani kinetika oxidačních reakcí nejsou zpravidla známy, a bylo by velmi těžké je určit, i jen pro jednotlivé složky. Tvrdí se, že konstrukce zařízení musí být spíše empirická, než na vědeckém základě. Objem náplně se tudíž volí podle toho, jaký objem se v minulosti prokázal jako takový, který přináší rozumně úplnou absorpci těch složek, které mohou být absorbovány. Jsou-li s dotčenými vypouštěnými látkami, lze provést poloprovozní pokusy. Zkoušky na poloprovozním zařízení nebo dosavadní zkušenosti rozhodují o výšce náplně, která je potřebná k dosažení požadované výkonnosti zařízení. Potřebná výška náplně se stanoví jako počet jednotkových výšek potřebný pro požadovanou účinnost. Velikost a druh náplně, lineární rychlost plynu a účinnost absorbéru na jednotku výšky, která určuje výšku náplně, spolu vzájemně souvisejí. Postup konstrukčního řešení tudíž usiluje o optimalizaci konstrukce s ohledem na investiční a provozní náklady s uvážením potřebného objemového prostupu, účinnosti absorpce a překážek, jako jsou možné ucpávání náplně a maximální přípustný tlakový spád. Typická rozmezí hodnot jednotlivých parametrů jsou uvedena v následující Tabulce 4.35. Projektový parametr Rychlost proudění plynu Průtok plynu Průtok kapaliny Doba zdržení plynu Tlakový spád Poměr vypouštěné kapaliny Zahlcení
Jednotky m/s kg/m2/hod kg/m2/hod sec mm/metr % recyklačního průtoku % zahlcení
Hodnota 0,5 - 2,0 2500 - 5000 25000 - 50000 1-3 20 - 50 0 - 10 40 - 60
Tabulka 4.35: Typická vodítka pro navrhování absorbérů
418
Kapitola 4 Absorpční činidla Účinnost absorpce je možné zvýšit tehdy, obsahuje-li absorbující kapalina činidlo, které reaguje se složkami přítomnými ve vzduchovém proudu. To účinně snižuje koncentraci vzduchem unášených složek na povrchu kapaliny, a tím udržuje hnací sílu, která vyvolává absorpci, bez potřeby ohromných množství absorbující kapaliny. Existuje celá řada konkrétních činidel, která mohou být v absorpčních systémech používána pro odstraňování páchnoucích složek z proudu vzduchu. Tato činidla jsou obecně oxidační roztoky. M ezi nevíce rozšířené patří chlornan sodný, peroxid vodíku, ozon a manganistan draselný. Dosti je rovněž rozšířeno používání kyselin a alkálií, a kyselino/alkalický systém bývá často používán ve spojení s oxidačním absorbentem. Kvůli značnému počtu komponent, které mohou být v atmosférických emisích z potravinářského závodu přítomny, používají se často vícestupňové absorbéry. Absorpční systém se tedy může skládat z prvního stupně tvořeného vodním skrubrem (pračkou plynů), za kterým je zařazen kyselinový nebo alkalický stupeň, a nakonec oxidační stupeň. Chlornan sodný je velmi rozšířené oxidační činidlo, a to především pro svou vysokou reaktivitu. Ukazuje se, že chlornan je zvláště užitečný v zařízeních, jejichž emise obsahují značná množství páchnoucích sloučenin síry a dusíku. Všeobecně se používá při zásaditém pH pro zabránění rozkladu na volný chlór. Chlornan má sklon reagovat s některými sloučeninami spíše chlorační reakcí než oxidací. To je vzbuzuje obavy zvláště tam, kde proud vzduchu obsahuje aromatický materiál, který by mohl vytvářet ve zpracovaném proudu vzduchu chlorované aromatické sloučeniny. Chlorační potenciál je vyšší při vyšších koncentracích chlornanu.Proto použití nižší koncentrace chlornanu v absorpční kapalině než je koncentrace potřebná pro optimální absorpci, riziko chlorace sníží. Pro řešení tohoto problému byl vypracován nový postup, což je v podstatě konvenční chlornanový absorbér, ale s katalyzátorem, začleněným do systému recyklace kapaliny. Katalyzátor je založen na oxidech niklu a tvrdí se, že dramaticky zvyšuje rychlost reakce chlornanu a brání všem chloračním reakcím. Potenciální chlorační reakce je eliminována, protože katalyzátor podporuje rozklad chlornanu na plynný kyslík a chlorid sodný, na rozdíl od obvyklého vzniku volného chlóru. To dále umožňuje zvýšit koncentrace chlornanu v absorbéru a zvýšit jeho účinnost. Hodnota pH je regulována na přibližně 9 a redox potenciál na optimální napětí. Peroxid vodíku je obecně méně účinný nežli chlornan vzhledem ke své nižší oxidační schopnosti. Nicméně má výhodu v tom, že produktem jeho reakce je voda, a že může být ze shora uvedených důvodů používán tam, kde jsou přítomny aromatické látky. Peroxid vodíku se obvykle používá za kyselých podmínek, především z důvodu regulace rychlosti jeho rozkladu. I ozón je silným oxidujícím činidlem, jakkoliv jeho oxidační schopnost je výraznější v kapalné fázi, než v plynné fázi. Nedávná aplikace, při které je navíc používáno ultrafialové světlo k posílení oxidačního účinku ozónu, je dále diskutována v oddílu 6.1. V posledních letech je používána řada absorpčních roztoků založených na povrchově aktivních činidlech, jakkoliv o jejich účinnosti jsou k disposici informace jen v omezeném rozsahu. S úspěchem je používán systém založený na neionogenních povrchově aktivních činidlech se sníženou pěnivostí, jako je materiál, jaký se používá v prostředcích pro myčky nádobí. 419
V posledních letech se také používají pevná oxidační činidla, např. ve skrubru s oxidem vápenatým, ve kterém přichází do styku práškový oxid vápenatý s proudem páchnoucího plynu a vytváří pevný zbytek tvořený uhličitanem vápenatým. Uvádí se omezená účinnost při odstraňování pachů a značné provozní problémy související s manipulací s pevnými zbytky. Je proto mnohem běžnější používat pouze kapalná absorpční činidla. 4.4.3.8.1
Absorbér s náplní
Popis V systémech s pevným ložem jsou nejběžněji používané absorbéry, které nabízejí výhody maximální plochy povrchu na objemovou jednotku a relativně nízký tlakový spád. Uspořádání systému absorbéru s náplní je na obrázku 4.29.
Legenda. Bleed Off Drain Gas Inlet Gas Outlet to Fan and Stack Liquid Distr ibution Make-up Water Line and Valve Mist Eliminator Packing pH and Redox Meters Pump Reagent Dosage System
Odkalování Výpusť Vstup ply nu Výstup ply nu k ventilátoru a komínu Rozstřikování kapaliny Přívod a ventil vody na doplnění Lapač kapek Náplň kolony Měření pH a redox potenciálu Čerpadlo Sy stém dávkování chemikálií
Obrázek 4.29: Uspořádání reaktoru s náplní 420
Kapitola 4 Proud vzduchu, který má být zpracováván, je směrován proti proudu recirkulované kapaliny. Plocha náplně sestává z velkého množství prvků náplně, obvykle z plastu, což umožňuje značně zvyšuje styčnou plochu plynu s kapalinou. Systém kapaliny může být vytvořen libovolně, počínaje jednoduchou sestavou s recirkulačním čerpadlem až po důmyslnou stanici pro dávkování chemikálií společně se zařízením pro dávkování a regulaci pH. Distribuce kapaliny lze nejúčinněji dosáhnout prostřednictvím série trysek, umístěných symetricky nad povrchovou plochou jednotky. Vyčistěný proud vzduchu se vypouští přes lapač kapek (mlhy), kterým se před vypuštěním zachytí všechny strhávané kapénky. Dosažené ekologické přínosy Odstranění pachů, plynů a prachu ze vzduchu. Provozní údaje Uvádí se, že absorbéry jsou účinnější při odstraňování konkrétních komponent, než při celkovém čistění a vykazují obvyklou účinnost 70 – 80 %. Od použití jedné centrální trysky pro distribuci kapaliny se ustupuje vzhledem k horší distribuci kapaliny. Podle svislé délky náplně v absorbéru může být potřebné začlenit systémy pro redistribuci kapaliny. Zařízení je kompaktní, takže absorbéry nezabírají příliš prostoru, ale mohou vyžadovat další prostor pro bezpečné uložení chemikálií. Použitelnost Obecně řečeno, absorbéry jsou vhodné pro řadu různých objemových proudů vzduchu, které obsahují plyny a pachy v poměrně nízkých koncentracích. Ekonomika Relativně nenákladná technologie v porovnání s jinými technologiemi regulace zápachu na konci potrubí. Poměrně nízké investiční a provozní náklady. Nákladová efektivnost se sníží, jestliže má čistěný plyn vysoký obsah vlhkosti, v důsledku preferenční absorpce vody. Příklady výroben Používá se hojně pro potlačování zápachu. Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001] 4.4.3.8.2 Patrový absorbér
Patrové absorbéry sestávají ze svislé věže s několika vodorovnými perforovanými miskovými nebo sítovými patry, která jsou v ní uspořádána nad sebou. V malé vzdálenosti nad otvory mřížek v miskovitých deskách jsou umístěny přepážky. Promývací kapalina je přiváděna do horní části věže, a odtud protéká přes každé z pater. Proud vzduchu, který má být čistěn, je přiváděn do dna věže a proudí směrem vzhůru tak, že prochází (probublává) otvory v patrech. Rychlost proudění vzduchu je dostatečná k tomu, aby zabránila prosakování kapaliny otvory v patrech. Proud vzduchu, který má být čistěn, je veden před padající clony kapaliny, která přetéká přes patra. Existuje řada variant konstrukce pater a umístění kapalinových trysek. Systém patrového absorbéru je na obrázku 4.30.
421
Kapitola 4
Legenda. Gas Inlet Gas Outlet Liquid Distr ibution Liquid Recirculation Make-up Water Line and Valve Mist Eliminator Pump Weir
Vstup ply nu Výstup ply nu Rozstřikování kapaliny Recirkulace kapaliny Přívod a ventil vody na doplnění Lapač kapek Čerpadlo Přepad
Obrázek 4.30: Uspořádání patrového absorbéru Dosažené ekologické přínosy Odstranění pachů, plynů a prachu ze vzduchu. Vzájemné účinky médií Produkuje se odpadní voda. Pravděpodobně chochol.
se na výstupu spalin tvoří viditelný
Provozní údaje Uvádí se, že absorbéry obecně mají výhodu poměrně menšího tlakového spádu. Tvrdí se, že jsou účinnější při odstraňování konkrétních komponent, než při celkovém čistění a vykazují obvyklou účinnost 70 – 80 %. Zařízení je kompaktní, takže absorbéry nezabírají příliš prostoru, ale mohou vyžadovat další prostor pro bezpečné uložení chemikálií. 422
Kapitola 4 Použitelnost Obecně řečeno, absorbéry jsou vhodné pro řadu různých objemových proudů vzduchu, které obsahují plyny anebo pachy v poměrně nízkých koncentracích. Ekonomika Relativně nenákladná technologie v porovnání s jinými technologiemi regulace zápachu na konci potrubí. Poměrně nízké investiční a provozní náklady. Nákladová efektivnost se sníží, jestliže má čistěný plyn vysoký obsah vlhkosti, v důsledku preferenční absorpce vody. Příklady výroben Používá se v sektoru FDM . Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001] 4.4.3.8.3
Rozprašovací pračka plynů
Rozprašovací systém se skládá prostě jen z rozprašovače kapaliny, která přichází do styku se stoupajícím proudem vzduchu uvnitř nádoby. Nádoba neobsahuje žádnou náplň ani patra či jakékoliv jiné zařízení ke zlepšení styku kapaliny s plynem. Typické uspořádání rozprašovací věže je vyobrazeno na obr. 4.31.
Legenda. Gas Inlet Gas Outlet Liquid Distr ibution Liquid Recirculation Make-up Water Line and Valve Mist Eliminator Pump
Vstup ply nu Výstup ply nu Rozstřikování kapaliny Recirkulace kapaliny Přívod a ventil vody na doplnění Lapač kapek Čerpadlo
Obrázek 4.31: Uspořádání sprchovací komory
423
Kapitola 4 Dosažené ekologické přínosy Odstranění kondenzovatelných par a prachu ze vzduchu. Vzájemné účinky médií Produkuje se odpadní voda. Pravděpodobně chochol
se na výstupu spalin tvoří viditelný
Provozní údaje Zařízení je kompaktní, takže nezabírá příliš prostoru, ale může vyžadovat další prostor pro bezpečné uložení chemikálií. Tam, kde přítomnost jemných prachových částic nebo kondenzovatelných materiálů může představovat potenciální problém a je potřebné provádět odstraňování pachů nebo znečisťujících plynů v tomtéž zařízení, mohou vzniknout značné provozní problémy a prostoje během čištění absorbéru a jeho opětného uvádění do provozu. V tomto ohledu může být vhodné instalovat absorbér se zvlněnými deskami. Proud vzduchu, přiváděný do jednotky, je vháněn do absorbéru a veden přes řadu skupin zvlněných desek (plechů), s rozprašovačem kapaliny umístěným před každou ze sestav zvlněných desek. Sestava zvlněných desek může být konstrukčně vyřešena tak, aby bylo možné ji demontovat přímo na místě, opláchnout a vrátit zpět do jednotky bez nutnosti vypnout celé zařízení. Použitelnost Sprchová komora není obecně vhodná pro potlačování zápachu nebo snižování obsahu plynných látek, kvůli omezení přestupu hmot. Avšak tam, kde čistěný vzduch obsahuje větší množství prachu nebo kondenzace schopných materiálů, může být obyčejná sprchová věž použita k jejich odstranění před zpracováním v zařízení se zvýšeným kontaktem kapalina/plyn, jako je patrový absorbér nebo absorbér s náplní. Ekonomika Poměrně nízké investiční i provozní náklady. Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001]
4.4.3.9 Adsorpce na uhlí Popis Adsorpce je jednotkový proces, spočívající v zachycování vzduchem unášených polétavých složek na aktivní povrch jemných částic. Existuje celá řada možných aktivních materiálů, které se používají v běžných aplikacích v potravinářském průmyslu, jako jsou zeolity, různé formy oxidu křemičitého, polymerní pryskyřice anebo aktivní uhlí. V současnosti je aktivní uhlí v potravinářském průmyslu nejčastěji voleným adsorbentem, a proto se běžně používá výraz „adsorpce na uhlí“. Adsorpce je dynamický proces, při kterém molekuly výparů ulpívají na povrchu pevné látky, a zůstávají tam zachyceny po určitou dobu, po které se opět desorbují do plynné fáze. Rovnováha, dosažená mezi adsorpcí a desorpcí, t.j. konkrétní koncentrace sloučeniny na povrchu uhlíku, odpovídá koncentraci či parciálnímu tlaku této sloučeniny v plynné fázi. Pro většinu pachových emisí, při kterých jsou emise organických látek nízké, platí, že rovnovážné množství adsorbovaného materiálu se rychle zvyšuje pro malý nárůst
424
Kapitola 4 parciálního tlaku neboli koncentrace. Proces adsorpce na uhlík tudíž poskytuje kladnou hnací sílu adsorpce až do bodu, ve kterém se rovnovážný stav změní a koncentrace pachu ve vypouštěném plynu vzrůstá. Toto je bod, ve kterém je uhlík plně využíván, a pro další adsorpci již není nadále k disposici dostatečné množství aktivních plošek. Uhlíkové lože tedy dosáhlo konce své využitelné životnosti, a bude nutné je vyměnit nebo regenerovat. Proces adsorpce může být buď fyzikální, při kterém jsou adsorbované molekuly udržovány na povrchu uhlíku Van der Waalsovými silami, nebo chemický, při kterém dochází k vytváření chemických vazeb mezi adsorbovanými molekulami a povrchem. Při obou těchto procesech dochází k uvolňování tepla, a to při chemickém o dost více, než při fyzikálním. Aktivní uhlí může být vyráběno z celé řady uhlík obsahujících materiálů včetně dřeva, uhlí, rašeliny, ořechových skořápek, lignitu, kostí nebo ropných odpadů. V zařízeních pracujících v parní fázi se obvykle používají výrobky na bázi skořápek a uhlí. Výrobní proces sestává z dehydratace a karbonizace surovin, kterými se odstraňují těkavé látky a vytváří se rudimentární pórovitá struktura. Potom následuje tepelná nebo chemická aktivace. Aktivní uhlí, používané v zařízeních pro regulaci pachů, mívá následující typické vlastnosti, uvedené přehledně v Tabulce 4.36. Parametr Velikost částic Sypná hmotnost Specifický povrch Objem pórů
Jednotky mm kg/m3 m2/gram cm3/gram
Hodnota 1,4 - 2,0 400 - 500 750 - 1500 0,8 - 1,2
Tabulka 4.36: Vlastnosti aktivního uhlí Uhlíková lože mohou být na jedno použití a pak likvidována, nebo s možností regenerace.. Použití regeneračních systémů se obvykle omezuje na instalace, ve kterých je regenerace zachytávaného materiálu ekonomicky atraktivní. M nohem běžnější je použití adsorbérů s pevným ložem. Regenerační systémy bývají obvykle konstruovány s větším počtem loží tak, aby adsorpce i desorpce mohly probíhat současně. Obvykle bývá nutné zvýšit teplotu lože s adsorbentem tak, aby se adsorbované látky uvolnily. Nejčastěji používaným prostředkem pro ohřev je pára. Regenerační systém bude tedy potřebovat přídavný mechanismus zachycování materiálů desorbovaných v procesu regenerace. Systém s pevným ložem sestává z lože s aktivním uhlím, kterým prochází proud plynu, který má být zpracováván. Uhlí se nachází buď v jednoduchém uspořádání lože s náplní, nebo ve formě uhlíkových filtrů. Filtry jsou v zásadě papírové nebo lepenkové vložky („patrony“), obsahující práškové aktivní uhlí. Obecně se uspořádání s filtračními vložkami používá při celkovém větrání prostorů, zatímco systémy s ložem s náplní se používají při regulaci pachů ve vzduchu odváděném z výrobních procesů. Jakmile dojde k vyčerpání adsorpčních schopností aktivního uhlí, což lze zjistit podle zvýšené hladiny pachů na výstupu, je nutné náplň aktivního uhlí nebo filtrační vložku vyměnit. Systém s ložem s náplní má výhodu v tom, že ve většině případů je možné náplň vrátit jejímu dodavateli k provedení regenerace v jeho závodě, zatímco vložky filtrů musí většinou likvidovat sám uživatel.
425
Kapitola 4 Základ konstrukce větrání místnosti pomocí filtračních patron je významně odlišný od konstrukce pro regulaci provozních pachů pomocí pevných loží. Filtrační vložky jsou obecně používány pro malé přetržité nebo málo časté odvzdušňovací proudy s velmi nízkou koncentrací adsorbovatelných látek. Naopak, systémy s pevným ložem (náplní) se používají tam, kde jsou koncentrace složek v čistěném vzduchu významně vyšší, než typické koncentrace v místnostech nebo továrních prostorech. Hlavní rozdíl, který rozhoduje o konstrukci každého systému, je doba zdržení (tj. styku plynu adsorbentem). Zatímco větrání místností vyžaduje pouhou 0,1 až 0,2 s, čistění výfukových plynů z procesu vyžaduje asi 1 až 3 sekundy. Volba doby zdržení je nezbytně nutným kompromisem mezi fyzickým objemem navrženého lože a doby mezi jeho obnoveními. Principy funkce tří hlavních typů adsorbérů uvádí tabulka 4.37Adsorbér Adsorbér s pevným ložem v neustáleném stavu
Princip funkce Znečistěný plyn prochází stacionárním ložem adsorbentu
Adsorbér s fluidním ložem
Znečistěný plyn prochází adsorbentem ve vznosu
Kontinuální adsorbér s pohyblivým ložem
Adsorbent klesá samotíží v stoupavém proudu plynu
Tabulka 4.37: Princip funkce hlavních typů adsorbérů Dosažené ekologické přínosy Odstranění pachů, plynů a prachu ze vzduchu. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie. Produkuje se odpadní voda, např. při likvidaci aktivního uhlí. Provozní údaje Instalace uhlíkového adsorpčního systému je celkem jednoduchá, zařízení sestává z ventilátoru a nádoby, ve které je umístěno uhlíkové lože. Adsorpce na aktivním uhlí může dosáhnout až 80-99% odstranění pachů. Absorpční schopnost se vyjadřuje v hmotnostních procentech konkrétního materiálu, který může být adsorbován na jednotku hmoty aktivního uhlí. Tyto číselné údaje mají velmi značný rozptyl od samé nuly až po 110 %, a nemají prakticky žádný význam pro zapáchající emise, které mohou obsahovat pestrou paletu jednotlivých složek. Za obecné vodítko lze považovat hodnotu 30 %, kterou lze používat k odhadnutí očekávané doby životnosti uhlíkového lože, používaného v sektoru FDM . Předpokládaná doba životnosti uhlíkového lože může být odhadnuta na základě znalosti projektové doby zdržení, zátěže organických látek a průtoku vzduchu, který má být zpracováván. Zatížení = průtok ∗ koncentrace Uvažujme-li množství vzduchu 10000 m3/hod se zatížením organickými látkami 3 ekvivalentním 50 mg uhlíku/m , a uhlíkovým ložem navrženým na dobu zdržení 1 sekunda, organická zátěž činí 0,5 kg/hod. Z doby zdržení 1 sekunda vychází objem uhlíkového lože rovný 2,78 m3. Podle sypné hmotnosti uhlíku 500 g/m3 by aktivní uhlí bylo schopno adsorbovat 30 % z 1390 kg, což je ekvivalentní 2780 hodinám provozu. Výměna lože by tudíž byla potřebná s frekvencí přibližně třikrát ročně.
426
Kapitola 4 Použitelnost Uhlíkové adsorpční systémy v zařízeních pro regulaci pachů z procesů jsou obecně 3 vhodné pro nízké prostupy vzduchu s průtoky menšími než 10000 m /hod. a i tam, kde 3 je odstraňovaná znečisťující složka přítomna v koncentracích nižších než asi 50 mg/m . Pokud jde o regulaci zápachu, k hlavním aplikacím adsorpce na aktivním uhlí patří čistění větracího vzduchu a čistění páchnoucích provozních emisí. Přítomnost prachu v proudu zpracovávaného plynu může vážně narušovat účinnost uhlíkového lože a zvyšovat provozní tlakový spád. Adsorpce na aktivním uhlí není tedy použitelná tam, kde je přítomen prach nebo kondenzovatelný materiál. Prach a kondenzující sloučeniny mohou být odstraněny předfilračním zařízením, ačkoliv se tím zvýší složitost a cena jednotky a přibudou provozní problémy, požadavky na čistění a odstraňování prachu. Obecně řečeno., čím je teplota nižší, tím je větší adsorbované množství a tedy delší doba průniku (např. pachů) neboli životnost lože. Jako vodítko lze uvést, že adsorpce na uhlí není použitelná za teplot vyšších, než 40 °C. M imo to, účinnost aktivního uhlí je snížena při relativní vlhkosti plynu přes 75 %, s výjimkou vodorozpustných sloučenin, jako jsou nižší aminy a sirovodík.. Tato přednostní adsorpce vody může vést ke kondenzaci uvnitř lože a deaktivaci uhlí. Lože pak je třeba vysušit, než může být znovu použito. Ekonomika Tato technologie je poměrně investičně nenákladná. provozní náklady jsou vysoké, např. aktivní uhlí stojí asi 2400 EUR za tunu. Regenerace lože nebývá obvykle ekonomicky zajímavá a jakmile začne jeho adsorpční schopnost klesat, je nutné náplň úplně vyměnit, k čemuž může dojít i po poměrně krátké době provozu v závislosti na množství pachových emisí a koncentraci páchnoucí látky. Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001] 4.4.3.10 Biologické čistění Proces používání mikroorganismů pro rozklad vzduchem unášených pachových emisí má rozsáhlé použití. Reakční rychlost biologického odbourávání je poměrně malá a kritický vliv má optimalizace provozních podmínek. Existují dva druhy biologického čistění, biologické filtry (biofiltry, viz odst. 4.4.3.10.1) a biologické pračky (bioskrubry, viz odst. 4.4.3.10.1). Nejrozšířenějším prostředkem biologoického čistění je biofiltr. Existuje řada různých faktorů, které je třeba brát v úvahu při zajišťování efektivního provozu. Patří k nim doba zdržení, teplota, vlhkost, účinky prachu a tuku na filtr, zatížení organickými látkami a pachy a charakteristiky materiálu filtru.
427
Kapitola 4 Výhody a nevýhody metod biologického čistění uvádí tabulka 4.38 Projektový parametr Poměrně nízké investiční náklady Poměrně nízké provozní náklady Potenciálně vysoká míra odstranění pachů - 90-99 % Jednoduchá konstrukce a obsluha
Nevýhody Omezeno na teploty vlhkého teploměru do 40 °C Velké požadavky na zastavěnou plochu Potenciál tvorby viditelného chocholu Vyžaduje regulaci hodnoty pH a obsahu vody Pomalé přizpůsobování se kolísajícím koncentracím
Tabulka 4.38: Výhody a nevýhody biologického čistění [34, Willey A R and Williams D A, 2001] Princip funkce Biofilm je vodní vrstva, obklopující jednotlivé částečky filtračního materiálu, ve které jsou přítomny mikroorganismy. Jak proud vzduchu, který má být zpracováván, proudí okolo částic, dochází k nepřetržitému přenosu hmoty mezi plynnou fází a biologickou vrstvou. Těkavé složky, které jsou přítomny v odváděném plynu, jsou společně s kyslíkem částečně rozpouštěny v kapalné fázi biologické vrstvy. Druhou fází reakce je aerobní biologické odbourávání složek zachycených v kapalné fázi. Tímto způsobem dochází v biologické vrstvě k vytvoření koncentračního gradientu, který udržuje nepřetržitý průběh přenosu hmoty složek z plynu do vlhké biologické vrstvy. Přenos přes fázová rozhraní a difuse do biologické vrstvy poskytují potravu pro mikroorganismy, žijící v biologické vrstvě. Živiny, potřebné pro růst buněk, jsou získávány z materiálu filtru. 4.4.3.10.1 Biofiltr
Popis V biologických filtrech jsou znečisťující látky absorbovány na matriál filtru a odbourávány mikroorganismy, sídlícími na pevném filtračním médiu. M ateriál filtru je uspořádán do tvaru pevného lože a odpadní plyny jím pronikají. M ají-li odpadní plyny vyšší obsah prachu, je potřebné je vést přes lapač prachu předtím dostanou do biofiltru. Biofiltry lze provozovat buď ve vzestupném nebo v sestupném režimu proudu vzduchu. Poměrné přednosti obou režimů jsou nejisté a nejpravděpodobnější je, že jsou v obou případech stejné. Tlakový spád na biologickém filtru je malý, obvykle v rozsahu 10 až 25 mm/m výšky pevného lože. Tento nízký tlakový spád znamená, že kritickým parametrem konstrukce filtru je správné řešení distribuce vzduchu v zařízení, buď v sestupném, nebo vzestupném proudu. Typické uspořádání biologického filtru je na obrázku 4.32.
428
Kapitola 4
Legenda: Biofilter Filter media Humidifier Inlet gases
Biofiltr Filtrační prostředek Zvlhčovač Vstupní plyny
Make-up water Pump Treated gases
Voda k doplnění Čerpadlo Vyčistěné plyny
Obrázek 4.32: Uspořádání biologického filtru Odpadní plyn, který má být zpracováván, je přiváděn nejdříve do zvlhčovače, kde přichází v protisměrném pohybu do styku s recirkulující vodou. Vzduch, který opouští zvlhčovač, je následně veden do biologického filtru. Není normální praxí provozovat zvlhčovač se stálým přívodem čerstvé vody nebo vody recirkulující, protože by to zvyšovalo nároky na čistění odpadních vod. Pravidelné zavlažování povrchu lože umožňuje systému udržovat požadovaný obsah vlhkosti ve filtračním materiálu v rozmezí od 40 do 60 %. Veškerá voda, protékající skrze lože dolů v důsledku zavlažování nebo dešťových srážek, může být recyklována do zvlhčovače, aby nedocházelo k vypouštění odpadní vody ze systému. Existuje pestrá paleta různých filtračních materiálů, které jsou v biologických filtrech používány. Základními požadavky, kladenými na filtrační materiál, je velký specifický 2 3 povrch, např. 300 - 1000 m /m , vysoká schopnost pojmout vodu, omezená náchylnost ke zhutňování, a omezený odpor vůči průtoku vody. Tradičně byla a stále je používána vláknitá rašelina smíchaná s vřesem v poměrů 50 : 50 %. M ikrobiální aktivita probíhá v rašelině, zatímco vřes tvoří zpevňující prostředek zabraňující zhutňování, čímž prodlužuje provozní životnost lože. Variantou směsi rašelina a vřes je žampiónový kompost smíchaný s polystyrénovými kuličkami o průměru 5 mm, opět v poměru 1 : 1. Filtračním médiem, do něhož není třeba přidávat žádný zpevňující materiál, je „kořenové dřevo“. Kořenové dřevo je typicky směsí stromových kořenů, větví a volných větviček. Kořenové dřevo je upraveno na délky obvykle po 15 cm spíše roztrháním nežli sekáním. Tímto způsobem se získá maximální účinná povrchová plocha, aniž je nutná jakákoli další opora. Tato filtrační média jsou odzkoušena a osvědčila se v průmyslovém měřítku. Volba filtračního materiálu se do značné míry může omezit na tyto tři shora zmíněné možnosti, které všechny prokázaly svou použitelnost v zařízeních fungujících v plném rozsahu. Pokud jsou navrhovány jiné materiály, je možné posoudit je na základě konkrétních provozních zkušeností. jestliže se navrhují jakékoli jiné materiály, je třeba hledat konkrétní provozní zkušenosti. 429
Kapitola 4 Biofiltry lze dále dělit na půdní a jiné. Půdní biofiltry či půdní lože se skládají z porézní zeminy, pod kterou se nachází síť trubek. Touto sítí prochází čistěný vzduch. K tomu, aby se tlakový spád na loži udržoval na minimu, je potřebná zemina s dostatečně otevřenou strukturou. Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise, např. pachů a VOC. Vzájemné účinky médií Tvorba kyselých vedlejších produktů, např. z biologického odbourávání složek vyfukovaných plynů. Likvidace materiálů z filtru. V některých případech se použitý materiál kompostuje pro snížení organického znečistění a potom se odesílá k rozptylování na půdu. Kondenzační voda se recykluje, pokud ne, vyžaduje čistění. Provozní údaje Správně fungující biofiltr bude vykazovat koncentraci pachu na výstupu rovnou 3 přibližně 150 až 200 OU/m . Charakteristický pach, kterým se projevuje vypouštěný zpracovaný vzduch, je pach typu vinného moštu, vlhkého lesa, s velmi slabými zbytky původního přiváděného zápachu. Je možné dosáhnout účinnosti odstranění pachu až 99,5 %, ačkoliv procento odstranění pachu závisí do velmi značné míry na koncentraci pachu na vstupu. Je nepravděpodobné, že by bylo dosahováno úrovně výstupního pachu 3 3 nižší než 150 OU/m , takže by při vstupní hladině pachu 5000 OU/m maximální účinnost odpovídala 97 %. Období 3 až 5 roků se uvádí jako typická doba životnosti filtračního lože, avšak u většiny filtračních materiálů, a především jede-li o rašelinu s vřesem, filtrační lože je obvykle třeba doplňovat materiálem během prvých 18 měsíců provozu. Z důvodů možného zhutňování je maximální výška filtračního materiálu omezena na přibližně 1,0 až 1,5 metru. Tam, kde je potřebná větší výška z důvodu omezeného pozemku, který je k disposici, bude nutné opatřit lože nějakou nosnou konstrukcí ve svislém průřezu filtru. Rozptylování vzduchu proudícího biofiltrem je důležitým aspektem a doporučuje se používat konstrukci s přetlakovou komorou. V této souvislosti musí být svislá výška přetlakové komory rovna přinejmenším 50 % výšky vrstvy filtračního materiálu. Hodnota pH filtračního materiálu v biologickém filtru se obvykle udržuje v pásmu pH 6.5 až 7.5, což je prostředí, kterému dává přednost většina bakterií. V některých případech může při biologickém odbourávání složek odpadních plynů docházet k vytváření kyselých vedlejších produktů, takže může být potřebné kyselost otupit přidáváním alkálií. K důležitým charakteristikám filtračního materiálu patří nízká tlaková ztráta (tlakový spád), vysoká vyrovnávací (pufrovací) schopnost a široké spektrum přítomných mikroorganismů. Pro zajištění dobré účinnosti je třeba, aby filtrační lože obsahovalo nejméně 40 – 60 % vlhkosti. Filtrační lože vyžaduje pravidelnou údržbu. Například – filtrační lože musí být udržováno čisté, bez zarůstání rostlinami a musí být pravidelně kontrolováno na usazený materiál a průniky plynu.
430
Kapitola 4 Úplná výměna materiálu je nutná až tehdy, když proces rozkladu postoupí tak daleko, že už není možné dosáhnout potřebného průtoku vzduchu. Aby se umožnila výměna filtračního materiálu, musí být zařízení biofiltru konstruováno a zhotoveno tak, aby byl rošt přístupný pro vozidla (kolový nakladač), anebo aby filtr mohl být udržován pomocí mobilního drapáku. Je také vhodné, aby byl biofiltr rozdělen do několika segmentů, aby pro jeho údržbu nemusila být zastavena celá výroba. Podle povahy procesu, prováděného před biologickým filtrem, může být namontováno nouzové odvzdušnění, propojené na teplotní snímač, umístěný na vstupu biofiltru. Regulační mechanismus je nastaven tak, aby při překročení vstupní teploty biofiltru 40 °C na déle než 4 hodiny se výstupní plyny odvedly přímo do atmosféry bez průchodu biofiltrem. Použití takovéhoto systému obvykle znamená, že odpadní plyny budou vypouštěny nečistěné. Je nutno zabránit podmínkám které vyžadují obtok. Doporučuje se také instalace snímačů lokální teploty a spádu tlaku na loži. Je vhodné odstranit z odpadního plynu před filtrem tuk a prach, aby nedocházelo k jeho zanášení, které způsobí zvýšení tlakového spádu a snížení provozní účinnosti. Půdní lože se normálně staví pod úrovní země, a je nutné dbát na to, aby základ půdního filtru ležel výše než hladina spodní vody. Největším nedostatkem půdního biofiltru je nadměrně dlouhá doba zdržení, nutná k tomu, aby mohl proběhnout biologický proces, vyžadující asi 5 minut. To si vynucuje rozměrné otevřené struktury, pro které je potřebná velká plocha pozemku. Použitelnost Zařízení se používá k odstranění biologicky odbouratelných plynných atmosférických emisí, zvláště organických látek a pachů, např. v rybném průmyslu, zpracování kávy a ČOV. K dalším aplikacím patří čistění vzduchu z místností a procesů v sušárnách pivovarských kvasnic a tukových závodech, čistění plynů z pražení kakaa a čistění chladícího vzduchu ve výrobnách krmiv pro hospodářská zvířata. 3 Biologická filtrace je vhodná pro řadu různých proudů vzduchu, až do 100 000 m /h i více za předpokladu, že je k dispozici dostatečně velký pozemek. Jak je doloženo, mez maximální koncentrace znečisťujících látek ve vstupním proudu je menší, než 5000 3 mg/Nm , ačkoliv jako vodítko pro určení, zda je biologická filtrace vhodná, je možné 3 brát hodnotu 1000 mg/Nm .
Protože výstupní plyny z průmyslových zdrojů obecně obsahují řadu různých sloučenin, pro zajištění, že je biofiltr patřičně dimenzován, se doporučuje provést poloprovozní zkoušky. Biologický filtr je nejvhodnější pro větrací systémy, ve kterých se z provozních nádob nebo místnosti odčerpává konstantní proud vzduchu. Periodickým výskytům silně kontaminovaných vzduchových proudů je třeba se vyhýbat, pokud nedochází k jejich dostatečnému rozředění odtahy z jiných čistěných zdrojů. Tato technologie není vhodná pro čistění vzduchu při teplotách vyšších než 40 °C. Pokud teploty vyšší než 40 °C trvají po významnější dobu, tj. déle než 4 hodiny, pak dojde ke sterilaci mikroorganismů přítomných ve filtru a lože je nutné znovu osídlit příslušnou mikroflorou. Při teplotách nižších než 10 °C rychlost biologického odbourávání rapidně klesá. Technologie není použitelná pro vlhkosti nižší než 95 %.
431
Kapitola 4 Uvádí se, že použití biofiltrů v potravinářských zařízeních vyrábějících hotové pokrmy a zmrzlinu může zvyšovat hygienická rizika kvůli bakteriální populaci v materiálu filtru. Ekonomika Relativně vysoká účinnost odstraňování zápachů za poměrně nízkých nákladů v porovnání s alternativními metodami čistění. Investiční náklady na systém se sestupným proudem jsou vyšší, než na systém s vzestupným proudem, protože vyžaduje vzduchotěsný uzávěr horní části. U větších biofiltrů to bude výraznější. Specifické investiční náklady na biofiltry s modulovou stavbou závisejí na velikosti 3 výrobny a stavební normě. U menších výroben (tj. od 200 do 500 m /h) jsou náklady asi 3 45 – 50 EUR/m vypouštěného vzduchu. U větších provozů mohou poklesnout až na 10 3 – 15 EUR/m . Nejsou zahrnuty náklady za zachycování vzduchu a nezbytné náklady na výstavbu. Provozní náklady jsou většinou složeny z nákladů na energii pro ventilátory a čerpadla zvlhčovače. K tomu musí být připočteny náklady na údržbu zařízení a na výměnu materiálu filtru na konci jeho životnosti (tj. po 3 – 4 letech). Náklady na energii činí 3 zhruba 0,15 až 0,225 EUR/1000 m vypouštěného plynu při ceně elektřiny 0,15 EUR/kWh. Včetně shora uvedených nákladů vychází pak cena za vyčistění ve výši 0,225 – 0,30 EUR. Půdní lože mají potenciálně vysokou účinnost odstraňování zápachu za poměrně nízkých nákladů v porovnání s jinými technologiemi čistění. Důvody pro realizaci Vyhnout se zhoršování prostředí zápachem, aby byly splněny požadavky právních předpisů Příklady výroben Biologický filtr se používá v potravinářském průmyslu hojně (pro příklad pražírny kávy viz odst. 4.7.8.3). Literatura [65, Germany, 2002] 4.4.3.10.2 Biologická pračka (bioskrubr)
Popis Bioskrubry jsou absorbéry, v nichž probíhá intenzivní látková výměna mezi znečistěným plynem a absorbentem. M ikroorganismy jsou buďto jemně rozptýleny ve sběrné kapalině, nebo naneseny jako tenká vrstva na konstrukci absorbéru (skrápěného biologického filtru). Za absorbérem je zařazen lapač kapek pro oddělení plynné a kapalné fáze. V následném kroku regenerace absorbéru se složky odpadního plynu, absorbované do kapalné fáze,z absorbentu odstraňují. Odpadní plyny, unášející větší podíly částic, musí nejdříve projít lapačem prachu, než je uveden do biologické pračky Tato technologie sestává v podstatě z absorbéru s ložem s náplní, obsahujícím bakteriální populaci uvnitř náplně, a jímky. Kontaminovaný plyn je veden směrem vzhůru věží proti proudu vody, obsahující populaci bakterií. Bakterie se zachycují na náplni podobně, jako v biologické sprše (skrápěném filtru), používané pro čistění odpadních vod. Živiny potřebné pro růst bakterií a syntézu se přidávají periodicky do jímky. Typické uspořádání bioskrubru je znázorněno na obr. 4.33. 432
Kapitola 4
Legenda: Bleed off Gas inlet
Odpouštění kapaliny (odkal) Vstup ply nu
Packing pH controlled constant head reservoir Gas outlet to fan and Výstup ply nu k ventilátoru a do Provision for air injection stack komína Liquid distribution Rozstřikování kapaliny Pump Mist eliminator Lapač kapek
Náplň Zásobník stálého hy drostatického tlaku s regulací pH Zařízení pro vstřikování vzduchu Čerpadlo
Obrázek 4.33: Uspořádání biologické pračky Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise, např. pachů a VOC. Vzájemné účinky médií Bioskrubr je náročnější na energii než biofiltr, protože kromě pohybu vzduchu zajišťuje také recirkulaci vody a dále likvidaci použitého materiálu filtru. Provozní údaje Velikost biologické pračky není omezena průtokem čistěného vzduchu, ačkoliv výsledná velikost věže s náplní si může vyžádat instalaci dvou paralelních systémů. Jak je doloženo, mez maximální koncentrace znečisťujících látek ve vstupním proudu je 3 menší než 5000 mg/Nm ; jako vodítko pro určení, zda je biologická sprcha vhodná, je 3 možné brát hodnotu 1000 mg/Nm Rychlost biologického odbourávání je poměrně nízká a tak mají kritickou úlohu provozní podmínky. Bioskrubr pracuje s typickou dobou zdržení 5 až 15 sekund podle zpracovávaného proudu vzduchu. Bioskrubry potřebují mnohem menší provozní plochu než biologické filtry.
433
Kapitola 4 Použitelnost Používá se k odstraňování pachů a biologicky odbouratelných plynných látek, zvláště organických, které znečisťují vzduch. Teoreticky lze biologickou pračku plynů použít všude, kde je biologická oxidace vhodným řešením problémů s emisemi. Její použití je tudíž podobné, jako použití biofiltrů, avšak biofiltry se používají v širším spektru aplikací. Tato technologie není použitelná pro čistění vzduchu při teplotách vyšších než 40 °C. Ekonomika Relativně vysoká účinnost odstraňování zápachů za poměrně nízkých nákladů v porovnání s alternativními metodami čistění. Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001, 65, Germany, 2002] 4.4.3.11 Tepelné zpracování odpadních plynů Některé znečisťující látky lze zoxidovat za vysoké teploty. Reakční rychlost roste exponenciálně s teplotou. M ezi oxidovatelné znečisťující látky patří všechny organické sloučeniny, stejně jako některé anorganické sloučeniny jako oxid uhelnatý nebo amoniak. Při úplném spálení reagují uhlík a vodík s kyslíkem na oxid uhličitý a vodu. Nedokonalé spálení může vést k novým znečisťujícím složkám, jako je oxid uhelnatý a úplně nebo částečně nezoxidované organické sloučeniny. Jestliže odpadní plyn obsahuje prvky, jako je síra, dusík, halogeny a fosfor, spalováním vzniknou anorganické znečisťující látky, jako jsou oxidy síry, oxidy dusíku a halogenvodíky, které musí být potom odstraňovány jinými procesy čistění odpadních plynů, jsou-li jejich koncentrace příliš vysoké. To omezuje možnosti použití spalování znečisťujících látek. Existuje řada bezpečnostních požadavků, zejména: • •
•
potřeba ochrany před zpětným zášlehem plamene mezi spalovací pecí a proudem zpracovávaného vzduchu. Tu lze obecně zajistit instalací zpětné požární klapky nebo vodního uzávěru; při spuštění před zapálením hořáku musí být spalovací pec vyčištěna („profouknuta“) vzduchem o objemu odpovídajícím pětinásobku objemu zařízení. Před každým novým zapálením hořáku v průběhu provozu musí předcházet fáze vyčištění hořáku; má-li vzduch vyšší obsah rozpouštědel, je potřebné provést hodnocení rizik.
4.4.3.11.1
Tepelná oxidace odpadních plynů
Pro dosažení úplné oxidace páchnoucích složek je nutné přivést je do styku s dostatečným množstvím kyslíku po přiměřeně dlouhou dobu při dostatečně vysoké teplotě. K rychlému okysličení organických sloučenin dochází tehdy, může-li být teplota plynu ve spalovací peci udržována na hodnotě o 200 – 400 °C vyšší nežli je teplota samovznícení přítomných chemických sloučenin. Při tepelné oxidaci dochází přeměně znečisťujících látek za vysokých teplot, např. více než 600 °C.
434
Kapitola 4 Ke zvážení použitelnosti tepelné oxidace komponent, které mají být rozloženy, je důležité vzít v úvahu regeneraci tepla z procesu tepelné oxidace, aby se snížily náklady na palivo. Protože atmosférické emise z potravinářských zařízení mají zřídkakdy koncentrace organických látek v oblasti dolních mezí výbušnosti, většinou se používají tepelná oxidační zařízení konvenčního typu, v nichž čistěný proud plynů přichází do přímého styku s plamenem. V případech, je-li koncentrace organických složek vysoká a přesahuje příslušné meze výbušnosti, lze použít zařízení bez plamenů. Tyto systémy používají k ohřevu proudu vzduchu topné médium a tudíž se vyhýbají přímému styku plamene s proudem vzduchu. Spalovací zařízení (spalovny) s přímým plamenem obvykle pracují za teplot mezi 700 a 900°C. Reakční teplota závisí na povaze znečisťujících látek; může být i nižší, ale u méně snadno oxidovatelných látek, jako jsou halogenorganické sloučeniny, může být vyšší než 1000°C. Pro páchnoucí složky se obecně používá teplota spalování v rozmezí 750 - 800 °C. Podmínky stupňů zařízení tepelné oxidační pece jsou uvedeny v tabulce 4.39 a typické uspořádání tepelného oxidačního zařízení je na obrázku 4.34. Hořák
Palivo je spalováno s čistým vzduchem nebo s podílem kontaminovaného vzduchu tak, aby vytvářelo plamen o teplotě přibližně 1350 - 1500 °C.
Směšovač-
Pro zajištění dostatečné turbulence a tudíž promíchávání zpracovávaného plynu tak, aby bylo dosaženo jeho stejnoměrné teploty.
Komora
Plyny jsou udržovány na t eplotě spalování až do doby úplného ukončení oxidace, která trvá typicky 0,5 až 1,0 sekundy.
Regenerace tepla
Snižuje provozní náklady a spotřebu paliva
Tabulka 4.39: Podmínky v různých stupních tepelné oxidace
435
Kapitola 4
Legenda: Combustion air Fuel Gas inlet Gas outlet Shell and tube heat exchanger
Spalovací vzduch Palivo Vstup plynu Výstup plynu Trubkový výměník tepla
Obrázek 4.34: Uspořádání tepelné spalovací pece Hořáky je možné rozdělit na hořáky s jedním plamenem a ty, ve kterých je palivo rozváděno mezi velký počet trysek. Pokud jde o tvar, je možné použít hořáky s laminární prouděním, tryskami, nebo vířivé. Ve zvláštních případech může být hořák nahrazen elektrickým topným systémem. Kyslík potřebný pro spalování může být odebírán z okolního ovzduší, z proudu vzduchu, který má být zpracováván, nebo případně zčásti z každého z těchto zdrojů. Jako pomocná paliva se používají lehký topný olej, zemní plyn, nebo LPG (propan-butan). Je potřebné postupovat opatrně a s patřičnou bdělostí, kterou je nutno věnovat možnosti, že případná vodní pára přítomná v proudu vzduchu může zhášet plamen a způsobit, že je spalování nedokonalé. Hořák může být rovněž typu s předřazeným směšováním, ve kterém je palivo smícháváno se spalovaným vzduchem ještě dříve, nežli je přiváděno do trysek, nebo difusního (rozprašovacího) typu, kde palivo je smícháváno se spalovaným vzduchem až za tryskami. Většina hořáků je difusního typu. Míchání proudu plynu může být dosahováno nejrůznějšími způsoby, jako je přirozená difuse, rázovým promícháváním nebo pomocí přepážek pro vyvolání změn toku. Dodavatelé nabízející systémy s nízkou produkcí NOx zařazují do systémů často různé sekce se zpětným mícháním s cílem podstatného snížení výkyvů teploty nad teplotu směšování. 436
Kapitola 4 S palovací komora, v níž probíhá oxidační reakce, musí být konstruována na vysoká tepelná namáhání. Některé spalovací komory jsou vyrobeny ze žárupevných kovů, či mají kovový plášť a vyzdívku z žáruvzdorných materiálů. Rozměry spalovací komory jsou dostatečné natolik, aby mohlo být dosaženo potřebné doby zdržení a aby do ní vešla fyzická délka plamene aniž by docházelo k jeho zhášení. Některé formy regenerace tepla jsou zaručeny téměř vždy z důvodu snížení provozních nákladů. Regenerace tepla se konvenčně provádí v trubkovém výměníku tepla (plášť/trubka), který umožňuje trvalé průběžné předávání tepla k předehřívání přiváděného proudu plynu. Tento typ systému je označován názvem rekuperační systém, s typickou projektovou úrovní účinnosti regenerace tepla 70 % až 80 %. Regenerace tepla lze též dosahovat v regeneračním systému, který používá dvě sady výměníků tepla s keramickým ložem. Jedno lože je ohříváno přímým stykem s odváděným vypouštěným plynem, zatímco druhé je používáno k předehřívání přiváděných plynů. Systém funguje tak, že obě lože se střídají mezi stavy ohřívání a ochlazování. Schopnost regenerace tepla v tomto systému je o něco vyšší než u rekuperačního systému; typickým základem pro projekt je využití 80 %–90 % odpadního tepla. Alternativou k systému tohoto typu je použití teplonosných kapalin. Regeneraci tepla lze též provádět s použitím kotle na odpadní teplo, ve kterém jsou využívány zpracovávané odpadní plyny k výrobě páry, určené k využití v jiných částech závodu. provoz tepelného oxidačního zařízení však nemusí být časově shodný s požadavky na páru, takže integrace takového systému nemusí být jednoduchá. Existuje též možnost sekundární regenerace tepla využívající vyčistěný plyn z prvého stupně regenerace k získávání teplé vody či pro vytápění prostorů. Také se uvádí, že teplo ze spalování lze regenerovat v křížovém výměníku tepla a používat je pro proces vaření namísto páry. uvádí se, že spalování kouřových plynů z vařáků a udíren odstraní všechny problémy se zápachem v uzavřeném prostředí. Další informace o této technologii, její skutečné výkonnosti a o tom, jaká je v porovnání s jinými technologiemi potlačování pachů, jsou uvedeny v BREFU „Čistění odpadních vod a odpadních plynů“ [217, EC, 2003]. Dosažené ekologické přínosy Snížené atmosférické emise, např. pachů a VOC. Vzájemné účinky médií Oxidační proces může potenciálně produkovat nežádoucí vedlejší produkty hoření, např.vysoké úrovně NOx a CO2. V zásadě platí, že čím je vyšší reakční teplota, tím vyšší je potenciál zvýšené tvorby oxidů dusíku. Je proto výhodné rozhodnout se pro hořák s nízkou produkcí NOx. Všechny sloučeniny síry přítomné v páchnoucím plynu produkují spálením oxidy síry a je třeba uvážit minimalizaci těchto emisí. M ůže být potřebné zvážit i přítomnost chloridů v páchnoucím plynu vzhledem k možnosti tvorby kyselých emisí, zejména HCl. Současně tím vzniká riziko koroze zařízení. Tam, kde jsou přítomny halogenované VOC, mohou být potřebná speciální opatření pro potlačení tvorby dioxinů, ačkoliv normálně je jejich tvorba při spalování odpadních plynů zanedbatelná. Systém má spotřebu energie, např. spotřebu pomocného paliva pro provoz oxidačního zařízení. 437
Kapitola 4 Provozní údaje Tepelná oxidační zařízení nefungují efektivně, dokud nedosáhnou spalovací teploty znečisťujících látek, k jejichž ničení se používají, takže musí být spouštěny dříve, než jsou skutečně potřebné. Správně navržená spalovací pec pro tepelnou oxidaci bude patrně dosahovat účinnosti v odstraňování blížící se ke 100 %. Výkonnost této technologie je nezávislá na intenzitě emitovaných pachů. Páchnoucí vzduchové proudy, obsahující značná množství prachového materiálu, vyžadují předběžné čistění před procesem spalování. To je zvláště významné tam, kde je instalován systém regenerace tepla, s ohledem na možné zanášení a ucpávání výměníku tepla. Zatímco přítomnost vysokých koncentrací vodních par v proudu vzduchu není považována za problém z hlediska provozního procesu, spotřeba paliva v porovnání s ohřevem suchého vzduchu výrazně stoupne. Nelze předpokládat, že by odstraňování vodních par v proudu vzduchu bylo ekonomickou alternativou, a proto se do celkového posuzování ekonomické schůdnosti navrhovaného projektu obvykle zahrnují i zvýšené nároky na palivo. 3
Tepelná oxidace odpadních plynů může snížit hladiny VOC na méně než 1 – 20 mg/m [217, EC, 2003].
Ve skandinávském výzkumu uzení měkkých uzenin byly při vyšetřování varné a udící skříně zjištěny tyto emise po provedení tepelné oxidace udírenských plynů: 7 mg 3 TOC/m , neboli 0,2 mg/t uzenin. Systém, uváděný jako příklad, je instalován v udírně s roční produkcí asi 3000 tun uzenin. odpadní plyny z uzení jsou spalovány v přímém plameni tepelného oxidačního zařízení. Odpadní plyny z jiných fází výroby, než je uzení, jež nepotřebují odstranění pachů, se nečistí. Systém se považuje za robustní systém čistění odpadních plynů, který vyžaduje jen malou údržbu. Oxidační systém se zahřívá na optimální provozní teplotu ještě před zahájením fáze uzení. Vyvíječe kouře nejsou aktivovány, dokud se této provozní teploty nedosáhne. Během fáze uzení odsávací ventilátor dopravuje odpadní plyn přes ventil obtoku do předehřívače odpadních plynů. Tam se nečistý plyn zahřeje na 300-350°C, než vstoupí do reakční komory. Po zpracování je čistý plyn použit pro předehřívání nečistého plynu ve vestavěném tepelném výměníku a přitom se ochladí asi na 400 až 450°C. Pak je vyveden komínem do okolní atmosféry. Tabulka 4.40 uvádí technické údaje pro tepelnou oxidaci v přímém plameni, prováděnou v udírně, uváděné shora jako příklad. Proudový diagram původu odpadních plynů a hospodaření s nimi v procesu v uvedené udírně je znázorněn na obr. 4.35.
438
Kapitola 4 Rozměry Celková délka včetně hořáku: 4250 mm Celková délka bez hořáku: 3750 mm Průměr: 1150 mm Přípojka nečistého plynu: 200 x 200 mm nebo průměr 200 mm Přípojka čistého plynu: 300 mm Hmotnost: 1250 kg (přibl.) Jmenovité hodnoty přípojek Palivo: topný olej Elektrická přípojka: 220 V/50 Hz, cca 1 kW Odsávací ventilátor plynu: 380 V/ 50 Hz, cca 4 kW
Tabulka 4.40: Technické údaje systému tepelné oxidace v přímém plameni v udírně
439
Obrázek 4.35: Proudový diagram vzniku a řízení procesu spalin ze systému čistění odpadních plynů z udírny
Legenda k obrázku: Air circulation fan Burner Bypass flap Clean gas measuring point Clean gas smokehouse Cleaning Combustion and transport air Control cabinet Cooling
Ventilátor vzduchotechniky Hořák Obtokový ventil (šoupě) Měřící místo čistého ply nu Čistý ply n z udírny
Fresh water
Čerstvá voda
Cooling air fan
Ventilátor chladícího vzduchu
Showers
Sprchy
Heat recovery Heating Humididfying
Regenerace tepla Ohřev Zvlhčování
Coolong air Dirty gas fan Dirty gas smokehouse
Chladící vzduch Ventilátor nečistého ply nu Nečistý ply n (z) udírny
Smoke Smoke generator Waste gas cleaning
Kouř Vy víječ kouře Čistění odpadních ply nů
Change-over damper
Přechodový tlumič
Komín pro odpadní ply n
Inlet duct Machinery
Vstupní kanál Strojní zařízení
Vy pouštěný vzduch – sušení a ohřev Komín vy pouštěného vzduchu Voda pro hašení
Waste gas chimney
Čistění Spalovací a dopravní vzduch Ovládací skříň Chlazení
Exhaust air – drying & cooking Exhaust air chimney Extinguishing water
Waste water Wood ash
Odpadní voda Dřevěný popel
Outlet duct Process room
Výstupní kanál Provozní místnost
Fresh air
Čerstvý vzduch
Wood chips
Dřevěné třísky
440
Kapitola 4 Všechny udírny závodu, uváděného jako příklad, bez ohledu na velikost, jsou vybaveny vyvíječem kouře. Intenzita uzení je dána dobou uzení, která je asi 60 až 120 minut na 3 vsázku. Výkon jednoho vyvíječe kouře je 200 Nm /hod, což znamená pro 11 udíren celkem 3 průtok 2200 Nm /hod. Při použití realistického koeficientu souběžného provozu 75 %, je skutečný průtok 1650 Nm3/hod. Tabulka 4.41 uvádí technické údaje použitého tepelně oxidačního zařízení s přímým plamenem. Parametr Průtok odpadního plynu Výkon hořáku Koncentrace látky v odpadním plynu
2300 m3/hod
Hodnota
600 kW Dosažená úroveň neuvedena, (<50 mg/m3, TOC < 0,115 kg/hod)
Poznámky Normální podmínky (tj. 0°C a 1013 mbar, sucho) Výkon se nepřetržitě moduluje 2300 Nm3/hod x 50 mg/m3 = 0,115 kg/hod
Tabulka 4.41: Technické údaje pro tepelné oxidační zařízení s přímým plamenem v jedné udírně Uvádí se, že emise pachu jsou úplně odstraněny již za teplot 620 až 660°C a obecně platí, 3 že TOC se emituje na nespecifikované úrovni nižší, než 50 mg TOC/Nm . Termickou oxidaci v přímém plameni lze provádět za teplot až do 1000°C. Účinnost technologie závisí na několika parametrech, jako je provozní teplota, doba zdržení a podmínky míchání ve 3 spalovací komoře. Snadno se dosahují úrovně TOC nižší, než 10 mg/Nm . Obrázek 4.36 ukazuje látkovou bilanci systému čistění odpadních plynů jako diagram vstupů a výstupů. Spalovací vzduch pr o olejový hoř ák 300 Nm 3/h
Chladící vzduch 1500 Nm 3/h
Nečistý plyn z udír ny 1650 Nm 3/h
Topný olej 56 kg/h
Ð
Ð
Ð
Ð
Centr ální čistění odpadních plynů Dohoř ívání v př ímém plameni
Ð
Ð
Chladící vzduch 1500 Nm 3/h
Čistý plyn 1650 Nm 3/h
Obrázek 4.36: Hmotová bilance systému čistění odpadních plynů dohoříváním v přímém plameni Použitelnost Používá se pro odstraňování VOC a pachů. Tepelná oxidace má výhodu v tom, že je téměř univerzálně použitelná jako metoda regulace pachů, protože většinu páchnoucích složek lze za vysoké teploty zoxidovat na nepáchnoucí látky, kdežto použití jiných metod má četná omezení. Tepelná oxidace se obecně používá ke zpracovávání objemů množství vzduchu nižších než 3 10 000 m /hod; důvodem pro to jsou zvýšené náklady nutné pro ohřívání větších objemů proudů vzduchu. Spalování je vhodné pro páchnoucí proudy plynů s proměnlivou koncentrací kontaminantů a je schopné čistit proměnné objemové průtoky plynů.
441
Kapitola 4 Jestliže jsou v emisích ze sušáren zeleniny přítomny alkalické kovy z hlíny, mohou způsobit předčasné narušení keramických materiálů, používaných v regenerátorech tepla. Ekonomika Tato technologie vyžaduje vysoké investiční náklady, ale hlavní starostí při posuzování vhodnosti tepelné oxidace jsou provozní náklady ohledně spotřeby topného oleje. Používání regeneračního nebo rekuperačního systému regenerace tepla může zlepšit účinnost a úspornost technologie a snížit provozní náklady. Montáž do stávajících zařízení udíren je možná u všech druhů udíren, náklady jsou však různé. Lze si opatřit udírny, které již jsou vybaveny integrálním zařízením pro tepelnou oxidaci. Příklady výroben T ato technologie se používá přinejmenším v jedné udírně v Německu a v udírnách severských zemí.. Literatura [34, Willey and Williams., 2001, 41, Nordic Council of Ministers, 2001, 65, Germany, 2002] 4.4.3.11.2 Oxidace odpadních plynů ve stávajícím kotli
M ůže být možné vést páchnoucí plyny do stávajícího místního kotle. M á to výhodu využití již existujícího zařízení a vyhneme se investičním nákladům do jiné varianty čistění. Princip funkce je v podstatě tentýž jako u tepelné oxidace u zařízení k tomu účelu postaveném. Páchnoucí proud odváděného plynu se přivádí do dmychadla spalovacího vzduchu pro kotel nebo kotelnu. Páchnoucí vzduch pak je zpravidla veden do kotle, kde dodává kyslík pro proces spalování, a tam také dochází k destrukci páchnoucích složek. Celková schůdnost použití již existujícího kotle závisí hlavně na objemu páchnoucího vzduchu, který má být vyčistěn, v poměru ke spotřebě spalovacího vzduchu kotle při extrémních stavech zatížení. Je-li objem páchnoucího plynu podstatně menší nežli nároky kotle na spalovací vzduch, pak by to neměl být žádný problém. Celý objem páchnoucího vzduchu může být jednoduše přiváděn do dmychadla spalovacího vzduchu. Velká většina provozních stavů továrny však způsobuje, že kotel pracuje v cyklickém provozním režimu v odezvě na signál tlaku páry.Je nutné dobře zjistit všechny potenciální důsledky pro provoz kotle. Příslušné bezpečnostní charakteristiky, související se zavedením páchnoucích odváděných plynů do kotle, jsou v zásadě zahrnuty do stávajícího provozu kotle. M ůže být nutné instalovat požární klapky nebo vodní uzávěry, zabraňujících zpětnému zášlehu plamene mezi kotel a proud plynu, který má být zpracováván Dosažené ekologické přínosy Jak se uvádí, technologie je velmi efektivní, pokud se správně provozuje, stejně účinná při odstraňování pachů, včetně intenzivních pachů, jako jiné spalovací metody. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie. Spotřeba paliva se může zvýšit, protože může být nutné udržovat kotel v provozu, když jinak není potřebný. Provozní údaje Při normálním provozu kotle vyrábí kotel páru v souladu s odběrem z továrny tak, jak je průběžně vyhodnocován na základě signálu tlaku páry na výstupu z kotle. Když tlak páry překročí nastavenou hodnotu, kotel začne reagovat přiškrcením průtoku paliva do kotle. Proud spalovacího vzduchu, který je elektricky nebo mechanicky spřažen s množstvím 442
Kapitola 4 přiváděného paliva do kotle, se začne také snižovat proto, aby zůstaly zachovány optimální podmínky spalování. Je-li množství spalovaného vzduchu za těchto podmínek sníženého hoření nižší, nežli objem čistěného páchnoucího vzduchu, bude nutné změnit regulační strategii kotle. Při výchozím posuzování proveditelnosti může dále napomoci znalost obsahu kyslíku v páchnoucím vzduchu, pokud je podezření, že by mohl být nižší než 21 %. Strategie regulace by se mohla změnit ze strategie závislé na tlaku páry, na strategii závislou na přiváděném množství spalovaného vzduchu. Průtok přiváděného spalovaného vzduchu se pak nastaví na minimum, tj. množství rovné objemu zpracováváného páchnoucího vzduchu, podle kterého se dále nastaví minimální přívod paliva a rychlost hoření. Když je dosaženo nastaveného bodu tlaku páry, kotel přepne svůj chod na minimální průtok přiváděného spalovacího vzduchu, a nežádoucí teplo je vypouštěno komínem kotelny. Klíčovou částí vyhodnocování je tudíž zjištění procentního podílu doby, po kterou kotel běží s průtokem přiváděného spalovacího vzduchu nižším, nežli je množství čistěného páchnoucího vzduchu proto, aby bylo možné vypočítat zvýšené náklady na palivo. Důležitou výchozí otázkou je kontrola, zda kotel může být v provozu vždy, kdy bude produkován páchnoucí plyn. To je u většiny výrobních závodů pravděpodobné. Použitelnost Používá se pro odstraňování plynných nečistot a pachů. Způsob je vhodný pro malé objemy silně koncentrovaných pachů. Ekonomika Potenciální využití stávající kotelny má ekonomické přednosti, z hlediska jak investičních, tak provozních nákladů. Důvody pro realizaci Shoda s požadavky legislativy. Literatura [34, Willey and Williams., 2001] 4.4.3.11.3
Katalytická oxidace odpadních plynů
Popis Katalytická oxidace je proces podobný tepelné oxidaci se základním rozdílem spočívajícím v tom, že k oxidační reakci dochází za přítomnosti katalyzátoru nikoli na volném vzduchu. Hlavní výhodou katalytického spalování je, že jsou potřebné podstatně nižší teploty spalování , cca 250 až 500°C. Stejně jako u adsorpce, musí být reakční složky heterogenní reakce plynů být nejdříve přivedeny na vnitřní povrch zpravidla porézního katalyzátoru. Protože existuje všeobecný nedostatek patřičných údajů o látkách, jako jsou rychlostní konstanty reakcí a difusní koeficienty, jsou reaktory obvykle konstruovány na základě empirických údajů.
443
Kapitola 4 Hlavní komponenty systému katalytického spalování jsou pomocné topné zařízení, tepelný výměník a reaktor s katalyzátorem. Typické uspořádání katalytické spalovací pece je zobrazeno na obr. 4.37.
Legenda: Catalyst module Combustion air Fuel Gas inlet Gas outlet
Modul s katalyzátorem Spalovací vzduch Palivo Vstup plynu Výstup plynu
Obrázek 4.37: Uspořádání katalytického spalování Proud vzduchu je přiváděn do zařízení a předehříván v konvenčním trubkovém výměníku tepla. Předehřátý vstupní proud vzduchu je pak dále ohříván hořákem na požadovanou oxidační teplotu před tím, než začne přecházet přes katalyzátor. Znečisťující látky přítomné v proudu páchnoucího vzduchu společně s kyslíkem difundují na povrch katalyzátoru. Dochází k oxidaci, a produkty oxidace jsou desorbovány zpět do proudu plynu. Tyto procesy přenosu hmoty potřebují nějakou konečnou dobu expozice na katalyzátoru a rychlost reakce je přitom silně ovlivňována provozní teplotou. Proud vyčistěného plynu poté prochází výměníkem tepla, přičemž zahřívá příchozí proud páchnoucího vzduchu. Objemová rychlost je definována jako převrácená hodnota doby expozice plynu uvnitř bloku katalyzátoru, s volumetrickou rychlostí proudění vzduchu vyjádřenou při 0 °C. Typické rozmezí objemových rychlostí v průmyslových aplikacích je v rozmezí od 20 000 m/hod do 45 000 m/hod. To odpovídá době zdržení v rozmezí od 0,03 do 0,1 sekundy při typických provozních teplotách. V zásadě existuje nepřímá závislost mezi množstvím katalyzátoru použitým při výpočtu návrhu a provozní teplotou. Čím více je katalyzátoru a tím tedy i provozu při objemové rychlosti blížící se 20 000 m/hod., tím nižší je provozní teplota potřebná pro dosažení dané výkonnosti.
444
Kapitola 4 Je-li proud vzduchu k čistění velký, pak existuje prostor pro zvýšení množství katalyzátoru, aby bylo možné snížit náklady na palivo nutné pro udržování systému na nižší provozní teplotě. Zvětšená náplň katalyzátoru ale vytvoří vyšší tlakový spád a vyžádá si tudíž vyšší výkon odsávacího ventilátoru. Katalyzátor vykazuje přímou závislost mezi průtokem a tlakovým spádem, který je způsoben laminárním prouděním uvnitř katalyzátoru. Typická konstrukce má připouštět celkový tlakový spád systému přibližně 500 mm. Prostorové uspořádání katalyzátorového bloku má velký význam pro omezení tlakového spádu a tudíž i provozních nákladů na minimum. Katalytická oxidace je exotermní reakcí. Existují zařízení, ve kterých má exotermická reakce dostatečnou velikost pro to, aby umožnila, aby katalytické oxidační zařízení pracuvalo v autotermním režimu, tzn. že po dosažení příslušných provozních podmínek už nepotřebuje další přívod pomocného paliva. Regenerace tepla je nezbytnou součástí procesu, a bývá obvykle součástí konstrukčního řešení, a využívá zpracovávaných plynů k předehřívání přiváděných plynů. Výměníky tepla bývají typicky řešeny s regenerací tepla při 80 °C, což odpovídá u typických teplot oxidace efektivní konečné teplotě výstupního plynu v rozmezí od 150 do 200 °C. Katalytická spalovací zařízení zabírají menší prostor, než spalovny odpadních plynů. Dosažené ekologické přínosy Snížené emise, např. plynů a pachů Vzájemné účinky médií Spalovací proces může potenciálně produkovat nežádoucí vedlejší produkty hoření, např.vysoké úrovně NOx a CO2. V zásadě platí, že čím je vyšší reakční teplota, tím vyšší je potenciál zvýšené tvorby oxidů dusíku. Je proto výhodné rozhodnout se pro hořák s nízkou produkcí NOx. M á poměrně nízkou tvorbu NOx při provozních teplotách a lze dosáhnout 3 úrovní kolem 15 mg/Nm . Všechny sloučeniny síry přítomné v páchnoucím plynu produkují spálením oxidy síry a je třeba uvážit minimalizaci těchto emisí. M ůže být potřebné zvážit i přítomnost chloridů v páchnoucím plynu, kvůli možnosti tvorby kyselých emisí, zejména HCl. Současně tím vzniká riziko koroze spalovacího zařízení. Tam, kde jsou přítomny halogenované VOC, mohou být potřebná speciální opatření pro potlačení tvorby dioxinů, ačkoliv normálně je jejich tvorba při spalování odpadních plynů zanedbatelná [217, EC, 2003]. Systém má spotřebu energie, např. spotřebu pomocného paliva pro provoz spalovacího zařízení. Provozní údaje Katalytická oxidační zařízení nefungují efektivně, dokud nejsou vyhřáta na teplotu hoření znečisťujících látek. Proto musí být spouštěna včas, aby byly ve spalovací komoře tyto teploty dosaženy 3
Katalytické spalování odpadních plynů může dosáhnout úrovní VOC až <1 – 20 mg/Nm [217, EC, 2003]. Pro oxid uhelnatý se uvádějí úrovně < 100 mg/Nm3. Naopak hladiny NOx mohou dosáhnout extrémně vysoké úrovně, např. jsou pro katalytické spalování hlášeny 3 hodnoty kolem 1000 mg/Nm . Zákonné požadavky jsou v Německu pomocí katalytického spalování převážně plněny, ale zcela splňovány jsou spalováním. 445
Kapitola 4 V porovnání s běžným spalováním potřebuje katalytické spalování nižší provozní teploty a nevyžaduje žádné speciální konstrukční materiály. Pravděpodobná účinnost odstraňování pachů v katalytické spalovací peci se bude pohybovat v oblasti nad 95 %, což je méně, než „téměř 100 %“, uváděných pro spalování. Účinnost odstraňování pachů je ovlivňována provozní teplotou a projektovou objemovou rychlostí systému. Takové složky, jako je síra, halogeny, zinek nebo organické pevné látky mají sklon k pokrývání povrchu katalyzátorů povlakem, ale tento proces je reverzibilní a aktivitu katalyzátoru lze obnovit za použití vysoké teploty. Také prachový inertní materiál se podílí na postupném snižování aktivity katalyzátoru, ač použitím vysoké teploty, přibližně 500 °C, lze aktivitu katalyzátoru opět obnovit. Přítomnost prachových částic v proudu plynu vede k ukládání prachu na čele katalyzátoru, což má za následek postupné zvyšování tlakového spádu na katalyzátoru. I když se v 3 literatuře uvádí, že je možné akceptovat koncentraci prachových částic až do 115 mg/ m , v 3 praxi se jako vodítko uvádí koncentrace maximálně 50 mg/ m . Voštinová konstrukce je účinnější než ostatní konstrukce v tom, že omezuje na minimum problémy opotřebení, mechanické stability, nadměrného poklesu tlaku a chemické stability oxidující atmosféry. Účinná provozní životnost katalyzátoru závisí převážně na vlastnostech proudu zpracovávaného vzduchu. Doby životnosti, uváděné v literatuře, se od sebe značně liší - od dvou do deseti let, ačkoliv obvykle to bývá tři až 5 let. Udírenské odpadní plyny se často čistí katalytickou oxidací za teplot od 350 do 450 °C. Jako katalyzátory se používají vzácné kovy (platina, paladium), nebo některé oxidy kovů (mědi, chrómu), nanesené na povrchu keramického nosiče. Jsou citlivé na prach, mastné aerosoly a katalytické jedy, jako je olovo a jiné kovy. Uvádí se, že mají vysokou účinnost a že je možná rekuperace tepla. Použitelnost Používá se pro odstraňování plynných nečistot a pachů při nízkých koncentracích prachu. M ohou pracovat s proudy vzduchu různé teploty a s různou pachovou zátěží. Ekonomika Nižší náklady na palivo v porovnání se spalováním. Pro výpočet provozních nákladů je důležitou položkou výměna katalyzátoru s cenou přibližně 50 000 EUR/m3. Důvody pro realizaci Shoda s požadavky legislativy na regulaci zápachu. Příklady výroben Používá se v průmyslu kávy v Německu (viz odst. 4.7.8.4.3) a k čistění odpadních plynů z udíren v severských zemích. Literatura [34, Willey and Williams., 2001, 41, Nordic Council of M inisters, 2001, 65, Germany, 2002]
446
Kapitola 4 4.4.3.12 Čistění netepelnou plazmou Popis Zpracování netepelnou plazmou je technologie odstraňování pachů, založená na vytvoření velmi reaktivní čistící zóny v odpadních plynech, v níž se molekuly pachových látek rozloží. Způsoby vytvoření této reaktivní zóny v různých technologiích se mohou lišit. Plazma je stav plynu, v němž se molekuly plynných složek mění na směs iontů, elektronů, neutrálních molekul plynu a dalších komponent, které se nacházejí v různém stupni excitace. Podle množství dodané energie může být plazma charakterizována jako tepelná nebo netepelná. V tepelné plazmě jsou složky plazmy v tepelné rovnováze. Ionty a elektrony mají v průměru stejnou teplotu přibližně 1 – 2 elektronvoltů (eV, kde 1 eV odpovídá teplotě 11 327 °C). Příkladem tepelného plazmatu je elektrický oblouk v obloukové peci. V netepelné plazmě je hladina energie (neboli rychlost elektronů) podstatně vyšší, než molekul plynu. Protože se energie dodává pouze elektronům, mohou dosáhnout energií v řádu 1 až 10 EV, zatímco základní plyn („pozadí“) zůstává na teplotě okolí. Tyto vysoké energie elektronů generují plazmu, v níž koexistují volné elektrony, ionty a radikály. Netepelná plazma může být používána pro čistění odpadních plynů za okolního tlaku a teploty. Radikály v plazmě reagují se znečisťujícími látkami, které se štěpí a oxidují. Nejaktivnějšími radikály v tomto procesu jsou radikály dusíkové, kyslíkové a hydroxylové. Tyto radikály vznikají z dusíku, kyslíku a vody přítomných v odpadním plynu. Průmyslové systémy čistění jsou založeny na elektrickém výboji, kde se k vytváření plazmy v odpadním plynu používá vysoké napětí (až 40 kV). Patentově chráněné řešení průmyslového systému na čistění netepelnou plazmou ukazuje obrázek 4.38:
447
Kapitola 4
Legenda
A
B
Corona wire Korónový drát In Dovnitř Out Ven Reaction cell wall Stěna reakční cely A: Jedna šestiboká reakční cela s centrálním korónovým drátem. Kuličky symbolizují molekuly, které v reakční cele mění své uspořádání.
Inlet Vstup High voltage generation unit Generátor VN Outlet Výstup Secondary air (0-20% main flow) Sekundární vzduch (0-20% ) B: Reaktor se skládá ze 149 cel uzavřených v komoře. Jedna z cel je znázorněna podrobněji na obrázku A.
Obrázek 4.38: S chematické znázornění průmyslového zařízení pro čistění netepelnou plazmou [146, Leenderste A (NOAS Mliøjkompetanse), 2003] Zařízení pro odstraňování zápachu netepelnou plazmou má modulovou konstrukci a lehkou 3 a kompaktní stavbu. Jeden modul zpracuje objem 20 000 – 25 000 Nm /h. jsou-li potřebné vyšší výkony, lze instalovat více modulů paralelně. Technologie nevyžaduje žádné přísady do procesu a žádné spotřební materiály, kromě energie.M á nízký tlakový spád v rozsahu 30 – 180 Pa. M ůže se instalovat na sací i výtlačnou stranu hlavního ventilátoru odtahu plynů. Dosažené ekologické přínosy Snížené emise zápachu. Vzájemné účinky médií Pro tvorbu plazmy a přenos vzduchu do směsi plynu pro proces a pro chlazení a kondenzaci vody. Tvoří se ozon. Produkuje se odpadní voda znečistěná prachem. Provozní údaje Je prokázáno, že tato technologie snižuje emise zápachu o 75 – 96 % podle konstrukce, podmínek procesu a charakteristik zápachu. Údaje pro několik výroben rybí moučky jsou uvedeny v tabulce 4.42.
448
Kapitola 4 Odvětví
Počet vzorků
Zápach (prům.) na vstupu (OU/m3 )
Rybí moučka Rybí moučka
3 3
15.883 16.350
Zápach (prům.) na výstupu (OU/m3 ) 3233 1600
Průměrná účinnost snížení (pásmo) v % 80 (±4) 90 (±1)
Tabulka 4.42: S nížení zápachu čistěním netepelnou plazmou Uvádí se, že odběr elektřiny činí 6 – 12 kW pro zpracovávaný objem 20 000 – 25 000 3 Nm /h (jeden modul). Zahrnuje energii spotřebovanou generátorem vysokého napětí, ale nezahrnuje energii, spotřebovanou hlavním odsávacím ventilátorem pro překonání tlakového spádu (30 – 180 Pa) a energii potřebnou pro dodatečný vzduch. Dodatečný vzduch je důležitý pro udržení patřičné hladiny radikálů v plynné směsi a případně pro chlazení plynů na teploty, při níž je technologie nejúčinnější, tj. mezi 15 a 80°C, nebo pro kondenzaci vody před čistícím zařízením. M nožství potřebného dalšího (pomocného) vzduchu může činit až 20 % zpracovávaného objemu a normálně jej dodává k tomu účelu montované dmychadlo. V plazmovém reaktoru normálně vzniká jisté množství ozonu, který je emitován do ovzduší. V průmyslových aplikacích se koncentrace ozonu udržují hluboko pod hodnotou 1 ppm (obj.), i když se to obyčejně při uvádění do provozu nekontroluje. Oxidy dusíku a síry nevznikají ve zjistitelných množstvích, protože anorganické látky jako NH3 a H2 S nejsou účinně ničeny. Některé údaje, hlášené z různých odvětví sektoru FDM, uvádí tabulka 4.43. Společnost Odvětví
Čistěný zdroj
Dánsko Dánsko
extrudéry, sušárny, chladiče extrudéry, sušárny, chladiče, kladivový mlýn sušárny sušárny sušárny, chladiče
Dánsko Dánsko Dánsko Německo Řecko Řecko Norsko Norsko Norsko Japonsko USA
rybí moučka sušený hrách a výrobky z hrachu bílkoviny extrakce olejů krmivo pro zvířata krmivo pro ryby, sterilizace rybí moučka rybí moučka rybí moučka rybí moučka rybí moučka krmivo pro ryby rybí moučka a krmivo pro domácí zvířata
extrudéry, sušárny, sušárny, chladiče extrudéry, sušárny, extrudéry, sušárny, extrudéry, sušárny, kladivové mlýny sušárny a chladiče extrudéry, sušárny,
Čistěný objem (Nm3 /h) 22000 25000
Rok instalace
2000 2001
chladiče chladiče chladiče,
25000 25000 50000 6000 44000 22000 1750000 115000 40000
2002 2002 2002 2003 2000 2004 1998 1998 2000
chladiče
20000 25000
2004 2002
chladiče
Tabulka 4.43: Objemy čistěné v některých závodech používající technologii s netepelnou plazmou pro snižování zápachu odpadních plynů Podobně jako mnohé technologie na konci potrubí, tato technologie funguje lépe, když zpracovává proud o vysoké koncentraci, než proud s nízkou koncentrací znečisťujících látek.
449
Kapitola 4 Provozní zkoušky prováděné se specifickými směsmi látek určují konstrukční řešení instalace a záruky, které se dávají. Jestliže zařízení provozní velikosti musí čistit významně rozdílné molekuly pachových látek, např. kvůli změnám surovin nebo koncentrací, může to ovlivnit jeho výkonnost. To se normálně řeší zaváděním různých nastavení pro různé produkty či receptury, řízené automaticky centrálním systémem řízení výrobny. Uvádí se, že tato technologie pracuje dobře až do 100% vlhkosti. Jeden závod udává, že vodou přesycený odpadní plyn (přes 100 % vlhkosti) způsobil „déšť“ uvnitř reaktoru. Vodní kapky v reakční komoře vedly k častým přeskokům v reakční zóně, což má za následek snížený elektrický výkon předávaný do proudu vzduchu a následnou sníženou účinnost čistění. V takovýchto situacích může být nastavení výkonu systému sníženo, aby se přeskoky omezily na přijatelnou míru, tj. ≤20 jisker za minutu. V uváděném případě byla dosahovaná účinnost čistění ještě dostatečně vysoká, aby splňovala úřední požadavky na celkové přípustné emise pachů, takže zákazník akceptoval výkonnost systému bez úprav. Tento druh problémů se normálně řeší přimícháváním až 20 % studeného vzduchu, aby se stimulovala kondenzace, a instalací odlučovače mlhy před plazmovým čistícím zařízením. To se v několika výrobnách provádí. Jakmile teplota odpadního plynu překročí 80 °C, výkonnost technologie významně klesá vzhledem k charakteristikám odpadního plynu, takže je stanovena maximální vstupní teplota 70 °C. Proudy vzduchu o vyšší teplotě lze chladit přidáváním vzduchu o teplotě okolí. Zařízení je projektováno na zpracování určeného objemu vzduchu a staví se z modulových 3 jednotek, které normálně zpracují 20000 m /h na jeden modul. Pro vyšší objemy lze spojit několik modulů paralelně. Pokud je však skutečný průtok významně odlišný od projektových parametrů, může to mít účinek na výkonnost. Kromě rozkládání pachů plasmový reaktor se chová také jako elektrofiltr. Je-li proud vzduchu zatížen prachem, bude během doby docházet k hromadění prachu v reakční komoře a na korónovém drátu. Rychlost hromadění bude záviset na obsahu prachu ve vzduchu a charakteristice prachu. Zkušenosti ukazují, že plasmová technologie funguje 3 dobře při obsahu prachu do 25 mg/Nm . Za takových okolností může být reaktor v nepřetržitém provozu i několik měsíců, a potom je normálně potřebné jej vyčistit. Z toho důvodu je mnoho průmyslových aplikací vybaveno mokrým systémem čistění, který pracuje (polo)automaticky během odstávek provozu a splachuje nahromaděný prach do ČOV. Při velmi vysokých prachových zátěžích existuje riziko ucpání zařízení a je potřebné časté čistění. M imo to, vysoké koncentrace prachu zvyšují četnost přeskoků a mohou snižovat účinnost odstraňování pachů. Normálně k takovýmto vysokým koncentracím dochází jen při havárií předřazeného odprašovacího zařízení. Použitelnost Čistění netepelnou plazmou může být instalováno jako řešení „na konci potrubí“ pro potlačení páchnoucích odpadních plynů v průmyslu FDM. Patří sem např. emise z extrudérů, sušáren, chladičů a kladivových mlýnů. Technologie se používá pro různé druhy odpadních plynů, včetně plynů s obsahem částic prachu, i když může být potřebné předřazené odprašování. Nejintenzivněji páchnoucí odpadní plyny obsahují směs organických a anorganických složek. Plazmový proces výborně čistí od organických látek, ale jeho účinnost pro některé anorganické sloučeniny je horší, např. jde-li o amoniak a sirovodík. Je tomu tak proto, že v současnosti dosažitelné hustoty energie nemají dostatečný výkon pro štěpení těchto sloučenin. Technologie musí být chráněna před kondenzací významnějších množství vody v zařízení. 450
Kapitola 4 V důsledku proměnlivé vodivosti odpadních plynů je technologie netepelné plazmy méně účinná při teplotách odpadního plynu vyšších než 80 °C. Existují nedořešené otázky ohledně spolehlivosti a výkonnosti této technologie a možné bezpečnostní obavy, používá-li se tato technologie k čistění odpadních plynů představujících riziko požáru nebo výbuchu. V době přípravy této zprávy se její aplikace a výkonnost v sektoru FDM stále vyhodnocují. Ekonomika 3 Podle dodavatele technologie jeden modul (s kapacitou 20 000 – 25 000 Nm /h zpracovaného plynu) stojí asi jeden milion NOK, což odpovídá asi 117 000 EUR (podle kursu z března 2004). Zahrnuje nezbytné zařízení, elektromechanické služby a uvedení do provozu dodavatelem, nezahrnuje však náklady na montáž strojního zařízení. Roční náklady na údržbu se odhadují na 3 – 5% investičních nákladů. Spotřební položky zahrnují elektřinu a malá množství mycí či oplachové vody. Příklady výroben Jak se uvádí, v sektoru FDM je technologie používána v průmyslovém měřítku v několika závodech vyrábějících rybí moučku a v produkci výrobků z hrášku, krmiv pro domácí zvířata a bílkovin, při extrakci rostlinných olejů a ve výrobě krmiv pro hospodářská zvířata. Uplatňuje se také nejméně v jedné třídírně odpadů v Dánsku, v závodě na zpracování mrvy v Norsku a v jedné norské farmaceutické továrně. Pro svůj elektrostatický účinek čistění se používá nejméně v jedné výrobně karbidu křemíku v Norsku. Literatura [146, Leendertse A., 2003, 193, Leendertse A. and Haaland A.T., 2003] 4.4.3.13 Fyzikální rozptylování pachů a emisí VOC Rozptylování se někdy používá s využitím stávajících zařízení, která jsou na místě k dispozici, např. vysoký komín kotelny. Právní předpisy, jimiž se řídí regulace pachových emisí, pokud se nepovažují také za nebezpečné, jsou vztaženy na dopad emisí, nikoli na zdroj, jehož se týkají. Na příklad potřeba odstranit páchnoucí emise se řídí dopadem, které mají na okolní prostředí poté, co se rozptýlí do atmosféry. Regulace rozptylování emise do atmosféry bere obvykle v úvahu stejně to, aby se zabránilo stížnostem, jako zákonné požadavky spojené s emisemi pachů a jejich složením, např. obsahují-li VOC. Například snížených přízemních koncentrací pachů by tedy bylo možné dosáhnout bez jejich jakéhokoliv omezení, jen prostým zlepšením jejich rozptylu do ovzduší. Přidávání parfémované složky, tj. maskovací látky, představuje další možnost fyzikálního zpracování pachů, nedoporučuje se však. Rozptylování vypouštěných emisí do okolního ovzduší a tudíž i výsledná přízemní koncentrace pachů bude záviset na celé řadě různých faktorů, jako jsou: • • • • • •
převládající klimatické podmínky výška místa vypouštění emisí poloha sousedních budov nebo konstrukcí teplota uvnitř komína (tepelný vztlak) rychlost proudění uvnitř komína uspořádání odváděcího komína.
451
Kapitola 4 S výjimkou převládajících klimatických podmínek lze všechny ostatní shora uvedené faktory ovlivňovat s požadovaným záměrem zlepšení rozptylových možností při vypouštění emisí. Vliv shora uvedených faktorů lze vyšetřit na rozptylovém modelu zpracovaném počítačem, který tyto faktory zahrne do prováděných výpočtů přízemních koncentrací pachů. M odel umožňuje při posuzování citlivě využívat zvýšení rychlosti proudění vzduchu v komíně nebo výšky komínu, které mohou být kvantitativně vyhodnoceny vzhledem k výsledným přízemním koncentracím pachů. Tento oddíl a jeho odstavce odkazují na použití počítačových modelů rozptylu v atmosféře pro identifikaci optimálních podmínek vypouštění za účelem minimalizace přízemních koncentrace pachů. Tyto modely se v tomto dokumentu nepopisují. Existují rovněž rovnice, které jsou k dispozici pro výpočet optimálních charakteristik komínu, a ty lze stanovit bez použití nějakého nákladného rozptylového modelu. Tyto postupy lze použít jako vodítka a mohou být tedy používány jako první kontrola, zda je možné zvětšení výšky komínu, nebo zvýšení rychlosti v něm. Lze také posoudit praktickou proveditelnost takovýchto změn. 4..4.3.13.1 Zvětšení výšky vypouštěcího komína
Popis Účinek budov nebo staveb v blízkosti komínové výpusti může často zhoršovat rozptyl a v některých případech způsobit jev, zvaný „přízemní kouřová vlečka“, kdy je vystupující proud strháván k zemi účinkem blízkých staveb. Je třeba, aby rozptylové modely braly v úvahu potenciální vliv těchto staveb. Dosažené ekologické přínosy Snížené vnímání problémů se zápachem v okolí zdroje zápachu. Vzájemné účinky médií Snížená vizuální přívětivost v důsledku přítomnosti komínů. Produkci a emisi páchnoucích látek se nebrání, ani se nesnižuje. Provozní údaje Tento proces se typicky provádí pomocí korelace s přihlédnutím k výšce, šířce a délce budovy. Na příklad v počítačovém modelu „Breeze“ (vánek) tak, jak je validován Úřadem USA pro ochranu životního prostředí, je používána korelace, která uvažuje výšku a maximální průměty šířky okolních budov. M aximální průmět šířky je definována jako diagonální vzdálenost (L) mezi nejvzdálenějšími rohy budovy v místě maximální výšky budovy. Postup vyhodnocování pak pokračuje nakreslením kružnice o poloměru 5 x L okolo budovy či stavby Dochází-li k vypouštění emisí komínem ve vzdálenosti do 5 x L od blízké budovy či stavby, pak lze předpokládat, že budova bude mít pravděpodobně negativní dopad na rozptyl emisí ze sousedícího komínu. Podobně, leží-li komín mimo okruh o poloměru 5 x L, budova ani stavba nebudou mít na rozptyl žádný vliv. Postup následně umožňuje uživateli určit požadovanou výšku komínu tak, aby výška komínu byla dostatečně vysoká, aby nebyl budovou nebo stavbou ovlivňován. Součástí tohoto postupu je porovnávání diagonální vzdálenosti (L) s výškou budovy/stavby, a menší z obou těchto hodnot je pak použita v následující rovnici k určení výšky komínu potřebné k tomu, aby rozptyl nebyl budovou či stavbou ovlivňován.
452
Kapitola 4 he = hb + 1,5 x L kde:
he = potřebná výška komína hb = výška budovy/stavby L = diagonální vzdálenost.
Tento postup je možné použít jako jednoduchou kontrolu pro zjištění, zda by nemohlo docházet k ovlivňování stávajícího odváděcího komína okolními budovami či jinými konstrukcemi. Analýza ukáže, zda prodloužení komínu by mohlo být použitelným řešením či nikoliv. V této souvislosti bude nutné, kromě potřeby např. zesílit nosné konstrukce, uvážit také informace o všech stavebních omezeních ohledně maximální výšky komínu. Použitelnost Postup je použitelný ve všech závodech sektoru FDM s páchnoucími emisemi, které se nepovažují za škodlivé, jen za pronikavé a obtěžující. Ekonomika Nízkonákladová technologie Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001] 4.4.3.13.2 Zvýšení vypouštěcí rychlosti v komínu
Popis Velikost vypouštěcí rychlosti, použitá při konečném vypouštění emisí do ovzduší, může mít podstatný vliv na výsledný dopad pachových emisí na přízemní úrovni. Zvýšená vypouštěcí rychlost bude mít za následek zvýšenou hybnost nebo vztlak emisí. Z toho vyplývá, že vypouštěné emise dosáhnou zvětšené výšky a tím jim bude poskytnuta větší možnost rozptylu do okolního ovzduší a tudíž i nižší přízemní koncentrace. Dosažené ekologické přínosy Snížené emise pachů. Vzájemné účinky médií Spotřeba energie. Provozní údaje Typické projektové rozmezí konečných vypouštěcích rychlostí z komínů je mezi 10 do 20 m/s, přičemž průmyslový standard je 15 m/s. Projektové rychlosti menší než 10 m/s budou patrně trpět špatným rozptylem, zatímco rychlosti vyšší než 20 m/s mohou být příliš nákladné vzhledem k příkonu ventilátoru a provozním nákladům. Kromě toho mohou vypouštěcí rychlosti vyšší než 20 m/s způsobovat značný hluk, protože vypouštění vyvolává hvízdání. M ohou též existovat omezení projektové rychlosti, která mohou platit pro určité závody. V dokumentech, jež mají sloužit jako vodítko, se běžně uvádí, že při vypouštění emisí z mokrých lapačů částic, jako je vodní pračka plynů, je nutné omezit na rychlost nepřekračující 9 m/s. Toto omezení je zavedeno, aby zabránilo strhávání velkého množství vodních kapiček, které by mohlo mít fontánový efekt.
453
Kapitola 4 Vypouštěcí rychlost komínu může být výrazně snížena, jestliže se v dráze vzduchového proudu vyskytují fyzické překážky. Překážky sníží hybnost kouřové vlečky (chocholu) při vypouštění. M nohé vypouštěcí komíny mají na výstupu pevný kužel, určený k zabránění pronikání dešťových srážek do výrobního procesu vypouštěcím komínem. Vypouštěný vzduch, odváděný z výrobního procesu, je tudíž nucen vycházet pod úhlem 90° namísto přímo kolmo nahoru, což s sebou nese značné ztráty hybnosti, kterou má. Jestliže se takováto ochrana proti dešti nepoužije, projekt komínu musí vzít v úvahu srážky a jejich zachycení. Použitelnost Postup je použitelný ve všech závodech sektoru FDM. Ekonomika Nízkonákladová technologie Literatura [34, Willey A R and Williams D A, 2001]
454
