Industrijske tehnologije za odpraševanje

Obstajata dve glavni vrsti zbiralnikov prahu: suhi in mokri. Suha metoda vključuje zbiralnike prahu s filtrirno plastjo (vrečasti filtri, žepi, kartuše), mehanske (cikloni) in elektrostatične (elektrostatični filtri); mokra metoda vključuje skruberje, venturijeve skruberje, mehurčne kolone in mokre elektrostatične filtre. Izbira sesalnika za prah je odvisna od pričakovane učinkovitosti, proračunskih omejitev in industrijskih procesov, ki jih je treba zaprašiti, zlasti od velikosti emitiranih delcev.

Zbiralniki prahu s filtrirno plastjo (vrečasti filtri, žepi, kartuše)

Načelo: prašni zrak prehaja skozi porozni filtrirni medij, pri čemer se zadržijo vsi delci, ki so večji od poroznosti medija.

Naprava je sestavljena iz škatle z lijakom za zbiranje prahu na njenem dnu. Keson vsebuje vrste (navpične ali vodoravne) filtrirnih elementov (vrečk, žepov, kartuš), skozi katere teče tok prašnega zraka. Na vstopu v plenum zrak najprej naleti na deflektor. Ta z vztrajnostnim udarcem izloči največje delce iz zračnega toka, ki nato padejo v zalogovnik.

Preostali prah se nato usede na površino filtrirnega medija. Zračni tok izstopi iz filtracijske plasti, ki jo tvorijo porozne stene filtrirnih elementov, brez prahu. Delci, ki se neprekinjeno usedajo, aglomerirajo in tvorijo plast, ki prispeva k filtriranju zraka: filtrsko pogačo. Filtrirna pogača povečuje učinkovitost zbiranja prahu. Po drugi strani pa povečuje padec tlaka (zamašitev se meri z razliko v statičnem tlaku pred in za filtrirnim medijem). To zahteva: zamenjavo medija (papir za enkratno uporabo, filc itd.) ali občasno odmašitev (vklop ali izklop) za regeneracijo filtrirnega medija.

Za zagotovitev neprekinjenega delovanja se čiščenje na splošno izvaja samodejno in zaporedno na delu filtrirnega medija, medtem ko drugi del nadaljuje filtriranje. V nasprotju s tem je pri ročnem odstranjevanju zamašitev potrebna intervencija na koncu postopka ali celo njegova popolna prekinitev. Trajanje zamašitve filtra, dokler ni dosežen kritični padec tlaka, mora biti mogoče uskladiti s trajanjem procesa.

Glavne metode za čiščenje filtrirnih elementov so :

• Mehansko stresanje, ki povzroči val deformacije v tkanini vrečk in s tem padec filtrske pogače.
• Odstranjevanje zamašitev z obratnim tokom zraka v porah filtrirnega medija. Izvede se samodejno po nastavljeni mejni vrednosti padca tlaka ali nastavljenem času.
• Pnevmatsko čiščenje vrečk z vbrizgavanjem stisnjenega zraka (jet-pulse), ki za trenutek prepreči filtriranje in dvigne prah iz filtra. Pomanjkljivost tega postopka je, da se prah ponovno dvigne, pri čemer se del prahu usede na sosednje medije; zato se za omejitev tega pojava uporablja skupinsko čiščenje elementov.

Vrečasti filtri potrebujejo nizko hitrost filtriranja, da se ohrani regeneracija filtra. Med čiščenjem med delovanjem hitrost pretoka navzgor ne sme biti v nasprotju s hitrostjo sedimentacije očiščenih delcev. Hitrost filtriranja se giblje med 0,6 in 6 cm/s, odvisno od prahu in plina, ki ju je treba očistiti, ter vrste filtrirnega materiala. Hitrost filtriranja ali stopnja filtriranja je izražena tudi v m3/h.m².

Filtrirni mediji imajo različne strukture: tkanine, filc, kompoziti, membrane in keramika. Izdelani so iz sintetičnih (PET, najlon), mineralnih (steklo) ali organskih (celuloza) materialov. Ta vlakna so obdelana za izboljšanje nekaterih lastnosti, kot so kemijska odpornost, prevodnost, hidrofobnost, oleofobnost, lepljivost in omočljivost.

Izbira filtrirnega elementa je odvisna od koncentracije prahu v toku, ki ga je treba obdelati, vrste prahu, sestave plinov, zahtevane učinkovitosti, metode čiščenja, temperaturne odpornosti in ekonomskih omejitev.

Učinkovitost zajemanja v zbiralniku prahu je najmanjša pri delcih s premerom med 0,1 in 0,5 µm (preveliki, da bi jih zajeli z difuzijo, in premajhni, da bi jih zajeli z udarjanjem ali prestrezanjem). Pri velikosti 0,1 µm je učinkovitost 95 %. Nad 0,5 µm je več kot 99-odstotna. Po potrebi se lahko doda stopnja varnostnega filtriranja HEPA H13 ali H14, kadar so koncentracije emisij, ki jih je treba doseči, še posebej nizke.

Ta tehnika odpraševanja omogoča visoko stopnjo ločevanja in je primerna za širok razpon koncentracij emisij prahu. Tehnologija filtrske plasti se v industriji najpogosteje uporablja za ločevanje plina in trdne snovi, saj zbiralniki prahu z vrečami ali kartušami združujejo dobro učinkovitost s privlačnimi obratovalnimi stroški.

Mehanski zbiralniki prahu: cikloni, dekanterji

Cikloni

Kako deluje: prašni zrak se vrti v ciklonu; centrifugalna sila potiska prah ob steno, kjer se zbira in usede v nasip. Očiščen zrak se dviga skozi sredino ciklona do izpusta na vrhu.

Ločevanje prahu je še toliko bolj učinkovito, če :

• polmer ciklona je majhen (večja centrifugalna sila).
• koncentracija delcev je visoka (kar spodbuja njihovo aglomeracijo).
• gostota delcev je velika (hitrejša pot do stene).
• temperatura zračnega toka je nizka (zmanjša viskoznost plina, poveča ciklonski učinek).

Visok pretok zraka na vstopu v ciklon pomaga pri zbiranju drobnih delcev.

Cikloni niso v skladu s predpisi o onesnaževanju zraka. Na splošno se uporabljajo kot primarni zbiralniki prahu ali predhodni separatorji za grobe delce ali žlindro, na primer. Zaradi nizkih stroškov in preprostosti so idealni za ta namen. Cikloni so izbrani za zbiranje delcev velikosti 10 μm in več.

Dekanterji

Največji delci se predhodno ločijo z dekantiranjem v ohišju (ekspanzijski prostor, dekantacijska komora). Delce, večje od 30 µm, lahko dekantiramo s hitrostjo 5 m/s v zraku, polnem prahu.

Mokri zbiralniki prahu: skruberji, venturijevi, mehurčkovi stolpci

Kako deluje: prašni zrak pride v stik s pralno tekočino.

Iščemo učinek navlaževanja delca. Prednost dajemo stiku med tekočino in prahom:

• ali s kondenzacijo pare okoli delca,
• ali z dodajanjem površinsko aktivnih snovi, da se prah prilepi na kapljico tekočine.

Odprašeni zrak se s centrifugiranjem ali vztrajnostjoloči od prašne tekočine. Bolj ko je mešanica tesna ali manjše so kapljice (ne da bi bile preveč drobne za ločevanje od zraka), večje je ločevanje prahu.

V čistilniku zrak kroži od spodaj navzgor, razpršilniki pa proti toku izmetavajo vodne kapljice.

Venturijeva cevpospešuje hitrost zraka, polnega prahu, medtem ko konvergentni difuzor povečuje udarce med delci in kapljicami pršila. Divergentna šoba nato hitrost upočasni in omogoči, da se prah zlepi skupaj. Na koncu gre zračni tok skozi ciklonski separator, kjer se prah ujame s centrifugiranjem in vztrajnostjo. Zračni tok brez prahu se dviguje skozi središče ciklona do osrednjega izhoda na vrhu.

Čistilniki in Venturijevi čistilniki so učinkoviti za delce med 0,5 in 1 μm. Pod 0,5 μm je učinkovitost zajemanja povezana s precejšnjim padcem tlaka in s tem večjo porabo energije. Vendar pa se zajemanje delcev, večjih od enega mikrona, povečuje s koncentracijo prahu.

Učinkovitost zajemanja se povečuje tudi s pretokom vode in zraka. To povečuje verjetnost stika prašnega zraka z vodo. Poleg tega povečanje teh pretokov v venturijevem grlu sorazmerno poveča učinkovitost venturijevih čistilnikov. Na zbiranje delcev vpliva predvsem hitrost pršenja vode.

Do 200 µm se z dodajanjem površinsko aktivne snovi in povečanjem višine kapljic izboljša zbiranje prahu pri kapljicah velikosti približno 3 mm. Površinsko aktivna snov namreč poveča deformacijo kapljice med padcem in s tem njeno stično površino.

Prenos prahu iz plinaste v tekočo fazo lahko v primerjavi s suhim postopkom povzroči znatne stroške obdelave ter porabo vode in energije. Čistilniki se uporabljajo za reševanje varnostnih težav, povezanih z eksplozivnimi prahi in vnetljivimi plini, ali kadar se zrak, ki ga je treba obdelati, približuje nasičenosti z vodo.

Pri mokrem postopku se za odstranjevanje prahu iz zraka uporabljajo tudi mehurčkovne kolone. Zrak se v obliki drobnih mehurčkov enakomerno porazdeli po prerezu kolone. Z naraščanjem višine tekočine se podaljšuje tudi čas, ki ga mehurček potrebuje za potovanje skozi tekočino.

Z zmanjšanjem pretoka zraka se zmanjša premer mehurčkov in poveča učinkovitost zbiranja. Poleg tega se ta učinkovitost povečuje z: velikostjo delcev med 1,5 in 20 µm (stabilna nad tem, pod 1 µm: nizka učinkovitost), uporabo površinsko aktivnih snovi, velikostjo odprtin za distribucijo plina. Manjšo učinkovitost zbiranja nanometrskih delcev je mogoče izboljšati z drobnostjo mehurčkov, režimom mehurčkanja in dodajanjem embalaže za izboljšanje časa zadrževanja mehurčkov.

Gradnja in namestitev stebrov z mehurčki je precej preprosta in razmeroma poceni. Vendarje učinkovitost zajemanja v primerjavi z vrečastimi filtri ali elektrostatičnimi filtriše vedno nizka.

Elektrostatični filtri, elektrostatični filtri ali elektrostatični filtri

Načelo zbiranja prahu vključuje električno polnjenje delcev, nato pa jih s pomočjo elektrostatičnih interakcij odvrne s poti toka prahu. Nabiti prah se nato usmeri proti elektrodi z nasprotnim električnim nabojem, kjer se aglomerira.

Napravo sestavljajo oddajne elektrode (pogosto žice) in sprejemne elektrode (plošče). Na anode je priključena negativna napetost, ki oddaja elektrone v svojo bližino. To povzroči ionizacijo molekul plina, ki zaradi privlačnosti katod trčijo v prah na svoji poti in ga električno napolnijo. Nabiti prah se pritegne k ploščam in se zbere skupaj. Učinkovitost filtra se ohranja z rednim čiščenjem plošč z različnimi tehnikami: vibriranje, udarjanje, pranje. Prah se zbira v zalogovniku in nato odvaja.

Učinkovitost električnega nepremičnega zbiralnika prahu je odvisna od :

• upornost prahu (med¹⁰⁶ in¹⁰¹⁴ Ω.cm).
• hitrost zraka (1 do 4 m/s)
• fizikalna kemija prahu
• geometrijo elektrod

Pod¹⁰⁶ Ω.cm prah, ki doseže zbiralno elektrodo, zlahka izgubi električni naboj in ga lahko pobere zračni tok. Nad¹⁰¹⁴ Ω.cm se na katodi tvori izolacijska plast, ki ovira učinkovitost filtra.

Pri prehodu zraka skozi elektrostatični filtrirnik je padec tlaka majhen (50-100 Pa). Za povečanje učinkovitosti elektrostatičnega filtrirnika se lahko zaporedno postavi več električnih zbiralnih polj (od 2 do 6), odvisno od napredka postopka odstranjevanja prahu. To je optimalno za delce, večje od 100 nm. Kadar pa so delci manjši od 16 nm, je učinkovitejših več elektrostatičnih filtrov z enim poljem. Pri velikosti delcev 0,2 µm pa je učinkovitost zajemanja najmanjša.

Emitorske elektrode majhnega premera in zbiralne elektrode velike površine povečujejo učinkovitost zbiranja prahu.

Nepravilna nastavitev napetosti lahko povzroči razbitje elektrod in s tem nevarnost eksplozije. To nevarnost odpravlja mokri elektrostatični filter. Načelo delovanja je enako kot pri suhem elektrostatičnem filtru. Razlika je v prisotnosti mokrega filma na zbiralnih elektrodah, ki se napaja s kapljičnim namakalnim sistemom. Zajemanje

Prostornina elektrofiltrov je velika, prav tako kot naložba, ki jo predstavljajo. Zaradi porabe električne energije in potrebe po usposobljenem osebju so stroški obratovanja visoki. Elektrostatični filtri so priporočljivi za velike pretoke plinov (80 000^m3/h). Uporabljajo se predvsem v težki industriji, kot so jeklarska industrija, sežigalnice odpadkov, cementarne in enote za proizvodnjo energije.

Zaključek

Odstranjevanje prahu vključuje več učinkov za ločevanje delcev iz zračnega toka: usedanje, zbijanje, centrifugiranje, vlaženje, filtriranje in elektrostatično privlačenje. Zbiralniki prahu pogosto združujejo več teh učinkov, da dosežejo želeno raven odstranjevanja prahu. Odvisno od industrijskega konteksta so pomembna tudi druga merila, kot so mobilnost, lokacija zbiralnika prahu itd.