Er zijn twee hoofdtypen stofafscheiders: droge en natte. De droge methode omvat stofafscheiders met een filterlaag (zakkenfilters, pockets, patronen), mechanische (cyclonen) en elektrostatische (elektrostatische stofvangers); de natte methode omvat wassers, venturi-wassers, bellenkolommen en natte elektrostatische stofvangers. De keuze van een stofafscheider hangt af van de verwachte prestaties, budgettaire beperkingen en de industriële processen die moeten worden afgestoft, in het bijzonder de grootte van de uitgestoten deeltjes.
Sommaire
Stofafscheiders met filterlaag (zakfilters, zakken, patronen)
Het principe: stoffige lucht passeert een poreus filtermedium, dat alle deeltjes tegenhoudt die groter zijn dan de poreusheid van het medium.
Het apparaat bestaat uit een caisson met onderaan een trechter voor stofopvang. De caisson bevat rijen (verticale of horizontale) filterelementen (zakken, pockets, patronen) waar de stoffige lucht doorheen stroomt. Bij de inlaat van het plenum komt de lucht eerst in aanraking met een deflector. Door inertiële impactie scheidt deze de grootste deeltjes van de luchtstroom, die vervolgens in de trechter vallen.
Het resterende stof wordt dan afgezet op het oppervlak van de filtermedia. De luchtstroom verlaat de filterlaag gevormd door de poreuze wanden van de filterelementen, vrij van stof. De deeltjes die zich continu afzetten, klonteren samen tot een laag die bijdraagt aan de luchtfiltratie: de filterkoek. De filterkoek verhoogt de efficiëntie van de stofopvang. Aan de andere kant verhoogt het de drukval (verstopping wordt gemeten door het verschil in statische druk tussen stroomopwaarts en stroomafwaarts van het filtermedium). Dit vereist: ofwel vervanging van het medium (wegwerppapier, vilt, enz.), ofwel periodieke ontstopping (aan of uit) om het filtermedium te regenereren.
Om de continuïteit van de werking te garanderen, worden reinigingsoperaties over het algemeen automatisch en opeenvolgend uitgevoerd op een deel van het filtermedium, terwijl het andere deel doorgaat met filteren. Handmatig ontstoppen daarentegen vereist interventie aan het einde van het proces, of zelfs het helemaal stoppen van het proces. De duur van de filterverstopping totdat een kritische drukval wordt bereikt, moet kunnen worden afgestemd op de duur van het proces.
De belangrijkste methoden voor het reinigen van filterelementen zijn :
- Mechanisch schudden, dat een golf van vervorming veroorzaakt in het weefsel van de zakken waardoor de filterkoek valt.
- Ontstopping door het omkeren van de luchtstroom in de poriën van het filtermedium. Dit gebeurt automatisch na een ingestelde drukvalgrens of een ingestelde tijd.
- Pneumatische reiniging van de zakken door injectie van perslucht (jet-pulse), waardoor de filtratie tijdelijk wordt tegengewerkt en het stof van de filter wordt opgetild. Dit heeft als nadeel dat het stof weer wordt opgewerveld, waardoor een deel op naburige media neerslaat; vandaar het gebruik van elementgroepreiniging om dit fenomeen te beperken.
Zakfilters hebben een lage filtratiesnelheid nodig om de filterregeneratie in stand te houden. Tijdens het reinigen mag de opwaartse snelheid van de stroming niet botsen met de sedimentatiesnelheid van de gereinigde deeltjes. De filtratiesnelheid varieert tussen 0,6 en 6 cm/s, afhankelijk van het te behandelen stof en gas en het type filtermedium. Filtratiesnelheid of filtratiesnelheid wordt ook uitgedrukt in m3/h.m².
Filtermedia bestaan in verschillende structuren: weefsels, naaldvilt, composieten, membranen en keramiek. Ze worden gemaakt van synthetische (PET, nylon), minerale (glas) of organische (cellulose) materialen. Deze vezels worden behandeld om bepaalde eigenschappen te verbeteren: chemische weerstand, geleidbaarheid, hydrofobiciteit, oleofobiciteit, kleefkracht, bevochtigbaarheid, enz.
De keuze van het filterelement hangt af van de stofconcentratie in de te behandelen stroom, de aard van het stof, de samenstelling van de gassen, de vereiste efficiëntie, de reinigingsmethode, de temperatuurbestendigheid en de economische beperkingen.
Deopvangefficiëntie van een stofafscheider is het laagst voor deeltjes met een diameter tussen 0,1 en 0,5 µm (te groot om te worden opgevangen door diffusie, te klein om te worden opgevangen door impactie of interceptie). Bij 0,1µm is de efficiëntie 95%. Boven 0,5 µm is dit meer dan 99%. Indien nodig kan een HEPA H13 of H14 veiligheidsfiltratiefase worden toegevoegd als de te bereiken emissieconcentraties bijzonder laag zijn.
Deze ontstoffingstechniek bereikt een hoog afscheidingsniveau en is geschikt voor een brede waaier van stofemissieconcentraties. De filterlaagtechnologie is de meest gebruikte in de industrie voor gas/vaste stofafscheiding, aangezien stofafscheiders met zakken of patronen een goede efficiëntie combineren met aantrekkelijke bedrijfskosten.
Mechanische stofvangers: cyclonen, decanters
Cyclonen
Hoe het werkt: stoffige lucht wordt in een cycloon gedraaid; centrifugale kracht duwt het stof tegen de wand, waar het samenklontert en in de trechter neerslaat. De gereinigde lucht stijgt door het midden van de cycloon naar de uitlaat bovenaan.
Stofafscheiding is des te effectiever wanneer :
- de straal van de cycloon is klein (vergroot de middelpuntvliedende kracht)
- de concentratie van de deeltjes is hoog (waardoor ze samenklonteren)
- de dichtheid van de deeltjes is hoog (snellere weg naar de wand)
- de temperatuur van de luchtstroom is laag (vermindert de viscositeit van het gas, verhoogt het cyclonale effect)
Een hoge luchtstroom bij de cyclooninlaat helpt om fijne deeltjes te verzamelen.
Cyclonen voldoen niet aan de regelgeving voor luchtvervuiling. Ze worden meestal gebruikt als primaire stofafscheiders of voorafscheiders voor bijvoorbeeld grove deeltjes of slakken. Door hun lage kosten en eenvoud zijn ze ideaal voor dit doel. Cyclonen worden gekozen om deeltjes van 10 μm en meer op te vangen.
Karaffen
De grootste deeltjes worden vooraf afgescheiden door decanteren in een afgesloten ruimte (expansiekast, decanteerkamer). Deeltjes groter dan 30 µm kunnen worden gedecanteerd met een snelheid van 5m/s van met stof beladen lucht.
Natte stofafscheiders: gaswassers, venturi’s, bellenkolommen
Hoe het werkt: de stoffige lucht wordt in contact gebracht met een wasvloeistof.
We zoeken naar het bevochtigingseffect van het deeltje. We geven de voorkeur aan contact tussen vloeistof en stof:
- of door condensatie van de damp rond het deeltje,
- of door oppervlakteactieve stoffen toe te voegen om het stof aan de vloeistofdruppel te laten kleven.
Deontstofte lucht wordt van de stoffige vloeistof gescheiden door middel van centrifugatie of traagheid. Hoe intiemer het mengsel of hoe kleiner de druppels (zonder dat ze te fijn zijn om van de lucht te scheiden), hoe groter de afscheiding van het stof.
In een gaswasser circuleert de lucht van beneden naar boven en sproeiers werpen waterdruppels uit tegen de stroom in.
Een venturiversnelt de snelheid van de met stof beladenlucht , terwijl een convergente diffusor de impact tussen deeltjes en sproeidruppels vergroot. Een divergerende sproeier vertraagt vervolgens de snelheid, waardoor het stof samenklontert. Ten slotte gaat de luchtstroom door een cycloonvormige afscheider waar het stof wordt opgevangen door middel van centrifugering en inertie. De stofvrije luchtstroom stijgt door het midden van de cycloon naar de centrale uitlaat bovenaan.
Wassers en venturiwassers zijn effectief voor deeltjes tussen 0,5 en 1 μm. Onder 0,5 µm gaat de afvangsefficiëntie gepaard met een aanzienlijke drukval en dus een hoger energieverbruik. De afvang van deeltjes groter dan een micron neemt echter toe met de stofconcentratie.
De afvangefficiëntie neemt ook toe met het water- en luchtdebiet. Dit vermenigvuldigt de kans op contact tussen stoffige lucht en water. Bovendien verhoogt het verhogen van deze debieten in de venturi-keel proportioneel de efficiëntie van venturi-wassers. Deeltjesopvang wordt voornamelijk beïnvloed door de snelheid van de waternevel.
Tot 200 µm verbetert het toevoegen van een oppervlakte-actieve stof en het verhogen van de druppelhoogte de stofopvang voor druppels van ongeveer 3 mm. Dit komt doordat de oppervlakteactieve stof de vervorming van de druppel tijdens de val vergroot, en dus ook het contactoppervlak.
De overdracht van stof van een gasfase naar een vloeistoffase kan leiden tot aanzienlijke behandelingskosten, evenals water- en energieverbruik, in vergelijking met het droge proces. Wassers worden gebruikt om een veiligheidsprobleem op te lossen in verband met explosief stof en brandbare gassen, of wanneer de te behandelen lucht de verzadiging met water nadert.
Het natte proces maakt ook gebruik van bellenkolommen om stof uit de lucht te verwijderen. De lucht wordt gelijkmatig over de doorsnede van de kolom verdeeld in de vorm van fijne bellen. Naarmate de hoogte van de vloeistof toeneemt, neemt ook de tijd toe die de luchtbel nodig heeft om zich er doorheen te verplaatsen.
Door de luchtstroomsnelheid te verlagen, wordt de diameter van de bellen kleiner en neemt de efficiëntie van de opvang toe. Bovendien neemt deze efficiëntie toe met: de grootte van de deeltjes tussen 1,5 en 20 µm (stabiel daarboven, onder 1 µm: lage efficiëntie), het gebruik van oppervlakteactieve stoffen, de grootte van de gasdistributieopeningen. De lagere opvangefficiëntie van nanometrische deeltjes kan worden verbeterd door de fijnheid van de bellen, het borrelregime en de toevoeging van pakking om de verblijftijd van de bellen te verbeteren.
De bouw en installatie van bellenkolommen is vrij eenvoudig en relatief goedkoop.De afvangsefficiëntie blijft echterlaag in vergelijking met zakkenfilters of elektrostatische stofvangers.
Elektrostatische stofvangers, elektrostatische precipitatoren of elektrostatische stofvangers
Het principe van stofafscheiding houdt in dat de deeltjes elektrisch worden opgeladen en vervolgens door elektrostatische interacties worden afgebogen van het pad van de stofstroom. Het geladen stof wordt dan naar een elektrode met de tegenovergestelde elektrische lading geleid, waar het samenklontert.
Emitterende elektroden (vaak draden) en ontvangende elektroden (platen) vormen dit apparaat. Er wordt een negatieve spanning gezet op de anodes, die elektronen uitzenden in hun omgeving. Hierdoor worden de gasmoleculen geïoniseerd die, aangetrokken door de kathodes, in botsing komen met het stof op hun pad en dit elektrisch opladen. Het geladen stof wordt op zijn beurt aangetrokken door de platen en klontert samen. De efficiëntie van de filter wordt behouden door de platen periodiek te reinigen met verschillende technieken: trillen, hameren, wassen. Het stof wordt opgevangen in een trechter en vervolgens afgevoerd.
De efficiëntie van een elektrische vaste stofafscheider hangt af van :
- de weerstand van het stof (tussen106 en1014 Ω.cm).
- luchtsnelheid (1 tot 4 m/s)
- de fysicochemie van stof
- de geometrie van de elektroden
Onder106 Ω.cm verliest het stof dat de verzamelelektrode bereikt gemakkelijk zijn elektrische lading en kan het worden opgepikt door de luchtstroom. Boven1014 Ω.cm vormt zich een isolerende laag op de kathode en wordt de efficiëntie van het filter belemmerd.
De passage van lucht door de elektrostatische precipitator resulteert in een lage drukval (50-100Pa). Om de efficiëntie van de elektrostatische precipitator te verhogen, kunnen meerdere elektrische opvangvelden (tussen 2 en 6) in serie worden geplaatst, afhankelijk van de voortgang van het stofverwijderingsproces. Dit is optimaal voor deeltjes groter dan 100 nm. Wanneer de deeltjes echter kleiner zijn dan 16 nm, zijn meerdere elektrostatische stofvangers met één veld effectiever. En voor een deeltjesgrootte van 0,2 µm is er een minimale afvangsefficiëntie.
Emitterelektroden met een kleine diameter en collectorelektroden met een groot oppervlak verhogen de efficiëntie van de stofopvang.
Een onjuiste instelling van de spanning kan leiden tot doorslag van de elektrode en dus tot explosiegevaar. Een natte elektrostatische stofvanger pakt dit risico aan. Het werkingsprincipe is identiek aan dat van een droge elektrostatische stofvanger. Het verschil zit in de aanwezigheid van een natte film op de opvangelektroden, gevoed door een druppelirrigatiesysteem. Opvang
Het volume van een elektrostatische stofvanger is aanzienlijk, net als de investering die het vertegenwoordigt. Door het elektriciteitsverbruik en de behoefte aan gekwalificeerd personeel zijn de bedrijfskosten hoog. Elektrostatische stofvangers worden aanbevolen voor grote gasstromen (80.000m3/h). Ze worden vooral gebruikt in de zware industrie, zoals de staalindustrie, afvalverbrandingsinstallaties, cementfabrieken en energieproductie-eenheden.
Conclusie
Stofverwijdering omvat verschillende effecten om deeltjes te scheiden van de luchtstroom: bezinking, impactie, centrifugering, bevochtiging, filtratie en elektrostatische aantrekking. Stofafscheiders combineren vaak meerdere van deze effecten om het gewenste niveau van stofverwijdering te bereiken. Afhankelijk van de industriële context spelen ook andere criteria een rol , zoals mobiliteit, de locatie van de stofafscheider, enz.
