Industrielle afstøvningsteknologier

Der findes to hovedtyper af støvopsamlere: tørre og våde. Den tørre metode omfatter støvopsamlere med et filtreringslag (posefiltre, lommer, patroner), mekaniske (cykloner) og elektrostatiske (elektrostatiske filtre); den våde metode omfatter scrubbere, venturi-scrubbere, boblekolonner og våde elektrostatiske filtre. Valget af støvopsamler afhænger af den forventede ydeevne, budgetbegrænsninger og de industrielle processer, der skal støves af, især størrelsen på de udledte partikler.

Støvopsamlere med filterlag (posefiltre, lommer, patroner)

Princippet: Støvet luft passerer gennem et porøst filtermedium, som tilbageholder alle partikler, der er større end mediets porøsitet.

Enheden består af en kasse med en støvopsamlingstragt i bunden. Kassen indeholder rækker (lodrette eller vandrette) af filterelementer (poser, lommer, patroner), som strømmen af støvet luft passerer igennem. Ved indløbet til plenumet vil luften først have mødt en deflektor. Ved hjælp af inerti adskiller den de største partikler fra luftstrømmen, som derefter falder ned i tragten.

Det resterende støv aflejres derefter på filtermediets overflade. Luftstrømmen forlader filtreringslaget, der dannes af filterelementernes porøse vægge, fri for støv. Partiklerne, der aflejres kontinuerligt, agglomererer og danner et lag, der bidrager til luftfiltreringen: filterkagen. Filterkagen øger effektiviteten af støvopsamlingen. På den anden side øger den trykfaldet (tilstopning måles ved forskellen i statisk tryk mellem opstrøms og nedstrøms for filtermediet). Dette kræver: enten udskiftning af mediet (engangspapir, filt osv.) eller periodisk afpropning (til eller fra) for at regenerere filtermediet.

For at sikre kontinuitet i driften udføres rengøringen generelt automatisk og sekventielt på en del af filtermediet, mens den anden del fortsætter filtreringen. I modsætning hertil kræver manuel afpropning indgriben i slutningen af processen eller endda, at den stoppes helt. Varigheden af filtertilstopning, indtil et kritisk trykfald er nået, skal kunne tilpasses processens varighed.

De vigtigste metoder til rengøring af filterelementer er :

• Mekanisk rystelse, som forårsager en bølge af deformation i posernes stof, så filterkagen falder.
• Tilstopning ved at vende luftstrømmen inde i filtermediets porer. Det sker automatisk efter en indstillet trykfaldsgrænse eller en indstillet tid.
• Pneumatisk rensning af poserne ved indsprøjtning af trykluft (jet-puls), som kortvarigt modvirker filtreringen og løfter støvet ud af filteret. Det har den ulempe, at støvet resuspenderes, og noget af det lægger sig på nabomedierne; derfor bruges elementgrupperengøring for at begrænse dette fænomen.

Posefiltre kræver en lav filtreringshastighed for at opretholde filterregenerering. Under rensning må flowets opadgående hastighed ikke kollidere med de rensede partiklers sedimentationshastighed. Filtreringshastigheden varierer mellem 0,6 og 6 cm/s afhængigt af det støv og den gas, der skal behandles, og typen af filtermedie. Filtreringshastighed eller filtreringsgrad udtrykkes også i m3/h.m².

Filtermedier findes i en række forskellige strukturer: tekstiler, nålefilt, kompositter, membraner og keramik. De er fremstillet af syntetiske (PET, nylon), mineralske (glas) eller organiske (cellulose) materialer. Disse fibre behandles for at forbedre visse egenskaber: kemisk resistens, ledningsevne, hydrofobicitet, oleofobicitet, klæbeevne, befugtningsevne osv.

Valget af filterelement afhænger af støvkoncentrationen i det flow, der skal behandles, støvets art, gassernes sammensætning, den krævede effektivitet, rensemetoden, temperaturbestandigheden og de økonomiske begrænsninger.

En støvopsamlers opsamlingseffektivitet er lavest for partikler med en diameter på mellem 0,1 og 0,5 µm (for store til at blive opsamlet ved diffusion, for små til at blive opsamlet ved impaktion eller opfangning). Ved 0,1 µm er effektiviteten 95 %. Over 0,5 µm er den over 99 %. Om nødvendigt kan der tilføjes et HEPA H13- eller H14-sikkerhedsfiltreringstrin, når de emissionskoncentrationer, der skal opnås, er særligt lave.

Denne afstøvningsteknik opnår en høj grad af udskillelse og er velegnet til en lang række støvemissionskoncentrationer. Filterlagsteknologien er den mest udbredte i industrien til gas/faststof-separation, da pose- eller patronstøvopsamlere kombinerer god effektivitet med attraktive driftsomkostninger.

Mekaniske støvopsamlere: cykloner, dekantere

Cykloner

Sådan fungerer det: Støvet luft roteres i en cyklon; centrifugalkraften skubber støvet mod væggen, hvor det klumper sig sammen og lægger sig i beholderen. Den rensede luft stiger op gennem midten af cyklonen til udløbet i toppen.

Støvudskillelse er så meget desto mere effektiv, når :

• Cyklonens radius er lille (øger centrifugalkraften)
• koncentrationen af partikler er høj (hvilket tilskynder dem til at klumpe sig sammen)
• partiklernes tæthed er høj (hurtigere vej til væggen)
• luftstrømstemperaturen er lav (reducerer gasviskositeten, øger cykloneffekten)

En høj luftstrøm ved cyklonens indløb hjælper med at opsamle fine partikler.

Cykloner overholder ikke reglerne for luftforurening. De bruges generelt som primære støvopsamlere eller forudskillere til f.eks. grove partikler eller slagger. Deres lave omkostninger og enkelhed gør dem ideelle til dette formål. Cykloner vælges til at opsamle partikler i størrelsesordenen 10 μm og derover.

Karafler

De største partikler forsepareres ved dekantering i en indkapsling (ekspansionsboks, dekanteringskammer). Partikler større end 30 µm kan dekanteres med en hastighed på 5 m/s i støvfyldt luft.

Våde støvopsamlere: skrubbere, venturi, boblekolonner

Sådan fungerer det: Den støvede luft bringes i kontakt med en vaskevæske.

Vi ser efter partiklens befugtningseffekt. Vi foretrækker kontakt mellem væske og støv:

• eller ved kondensering af dampen omkring partiklen,
• eller ved at tilsætte overfladeaktive stoffer for at få støvet til at klæbe til væskedråben.

Den afstøvedeluft adskilles fra den støvede væske ved hjælp af centrifugering eller inerti. Jo mere intim blandingen er, eller jo mindre dråberne er (uden at være for fine til at blive adskilt fra luften), jo større er udskillelsen af støvet.

I en scrubber cirkulerer luften fra bund til top, og sprøjter sender vanddråber ud mod strømmen.

En venturiaccelererer hastigheden af den støvfyldteluft , mens en konvergent diffusor øger påvirkningen mellem partikler og spraydråber. En divergerende dyse sænker derefter hastigheden, så støvet kan klumpe sig sammen. Til sidst passerer luftstrømmen gennem en separator af cyklon-typen, hvor støvet fanges af centrifugering og inerti. Den støvfri luftstrøm stiger op gennem midten af cyklonen til det centrale udløb i toppen.

Scrubbere og venturi-scrubbere er effektive til partikler mellem 0,5 og 1 μm. Under 0,5 µm ledsages indfangningseffektiviteten af et betydeligt trykfald og dermed et højere energiforbrug. Indfangningen af partikler, der er større end en mikron, stiger dog med støvkoncentrationen.

Indfangningseffektiviteten stiger også med vand- og luftgennemstrømningen. Det øger sandsynligheden for kontakt mellem støvet luft og vand. Desuden øges venturi-skrubbernes effektivitet proportionalt ved at øge disse strømningshastigheder i venturi-halsen. Partikelopsamling påvirkes hovedsageligt af vandsprayens hastighed.

Op til 200 µm forbedrer tilsætning af et overfladeaktivt stof og forøgelse af dråbehøjden støvopsamlingen for dråber på omkring 3 mm. Det skyldes, at det overfladeaktive stof øger dråbens deformation under faldet og dermed dens kontaktflade.

Overførslen af støv fra en gasfase til en væskefase kan resultere i betydelige behandlingsomkostninger samt vand- og energiforbrug sammenlignet med den tørre proces. Skrubbere bruges til at løse et sikkerhedsproblem i forbindelse med eksplosivt støv og brandfarlige gasser, eller når den luft, der skal behandles, nærmer sig vandmætning.

Den våde proces bruger også boblekolonner til at fjerne støv fra luften. Luften fordeles jævnt over kolonnens tværsnit i form af fine bobler. Når væskens højde øges, øges også den tid, det tager for boblen at bevæge sig gennem den.

Ved at reducere luftgennemstrømningen reduceres boblernes diameter, og opsamlingseffektiviteten øges. Desuden øges effektiviteten med: størrelsen på partiklerne mellem 1,5 og 20 µm (stabil over det, under 1 µm: lav effektivitet), brugen af overfladeaktive stoffer og størrelsen på gasfordelingsåbningerne. Den lavere opsamlingseffektivitet for nanometriske partikler kan forbedres ved hjælp af boblernes finhed, bobleregimet og tilføjelse af pakning for at forbedre boblernes opholdstid.

Konstruktion og installation af boblekolonner er ret enkel og relativt billig.Indfangningseffektiviteten er dogstadig lav sammenlignet med posefiltre eller elektrofiltre.

Elektrostatiske udskillere, elektrostatiske udskillere eller elektrostatiske udskillere

Princippet i støvopsamling involverer elektrisk opladning af partiklerne og derefter brug af elektrostatiske interaktioner til at aflede dem fra støvstrømmens bane. Det opladede støv ledes derefter mod en elektrode med den modsatte elektriske ladning, hvor det agglomererer.

Udsenderelektroder (ofte ledninger) og modtagerelektroder (plader) udgør denne enhed. En negativ spænding tilføres anoderne, som udsender elektroner i deres nærhed. Det ioniserer gasmolekylerne, som tiltrækkes af katoderne og kolliderer med støvet på deres vej og oplader det elektrisk. Til gengæld tiltrækkes det ladede støv af pladerne og klumper sig sammen. Filterets effektivitet opretholdes ved jævnligt at rengøre pladerne ved hjælp af forskellige teknikker: vibration, hamring, vask. Støvet opsamles i en tragt og evakueres derefter.

Effektiviteten af en elektrisk fast støvopsamler afhænger af :

• støvets resistivitet (mellem¹⁰⁶ og¹⁰¹⁴ Ω.cm).
• lufthastighed (1 til 4 m/s)
• Støvets fysiske kemi
• elektrodernes geometri

Under¹⁰⁶ Ω.cm mister støv, der når frem til opsamlingselektroden, let sin elektriske ladning og kan samles op af luftstrømmen. Over¹⁰¹⁴ Ω.cm dannes der et isolerende lag på katoden, som hæmmer filterets effektivitet.

Luftens passage gennem det elektrostatiske filter resulterer i et lavt trykfald (50-100 Pa). For at øge effektiviteten af det elektrostatiske filter kan flere elektriske opsamlingsfelter (mellem 2 og 6) placeres i serie, afhængigt af hvor langt man er nået i støvfjernelsesprocessen. Dette er optimalt for partikler, der er større end 100 nm. Men når partiklerne er mindre end 16 nm, er flere enkeltfelts-elektrofiltre mere effektive. Og for en partikelstørrelse på 0,2 µm er der en minimal indfangningseffektivitet.

Emitterelektroder med lille diameter og opsamlingselektroder med stort areal øger støvopsamlingseffektiviteten.

Forkert spændingsindstilling kan føre til elektrodesammenbrud og dermed risiko for eksplosion. Et vådt elektrofilter afhjælper denne risiko. Funktionsprincippet er det samme som for et tørt elektrofilter. Forskellen ligger i tilstedeværelsen af en våd film på opsamlingselektroderne, som tilføres via et drypvandingssystem. Indfangning

Volumenet af et elektrofilter er betydeligt, og det samme er den investering, det repræsenterer. Elforbruget og behovet for kvalificeret personale betyder, at driftsomkostningerne er høje. Elektrofiltre anbefales til store gasstrømme (80.000^m3/h). De bruges hovedsageligt i sværindustrien, f.eks. stålindustrien, affaldsforbrændingsanlæg, cementfabrikker og energiproduktionsenheder.

Konklusion

Støvfjernelse involverer flere effekter for at adskille partikler fra luftstrømmen: bundfældning, impaktion, centrifugering, befugtning, filtrering og elektrostatisk tiltrækning. Støvopsamlere kombinerer ofte flere af disse effekter for at opnå det ønskede niveau af støvfjernelse. Andre kriterier kommer i spil afhængigt af den industrielle kontekst, f.eks. mobilitet, støvopsamlerens placering osv.