LEVEGŐTISZTASÁG-VÉDELEM

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék Dr. Örvös Mária LEVEGŐTISZTASÁG-VÉDELEM (oktatási segédlet) Budapest, 2010

2 Tartalomjegyzék 1 Bevezetés Hazai helyzetkép Levegőszennyezés csökkentési lehetőségek... 8 II.1. Levegőtisztítási módszerek és berendezések csoportosítása Porleválasztás Gravitációs és ütközéses leválasztók Ciklonok Határszemcse átmérő meghatározása Elektrosztatikus leválasztók Porszűrők Nedves leválasztók Gázok/gőzök leválasztása Abszorpciós gáztisztítás, abszorberek Adszorpciós gáztisztítás, adszorberek Kén-dioxid emisszió csökkentés Száraz füstgáztisztítás Nedves füstgáztisztítás Félszáraz füstgáztisztítás Nitrogén-oxid füstgáztisztítási eljárások Dioxin emisszió csökkentési lehetőségek Hulladékégetők füstgáztisztítási lehetőségei Irodalomjegyzék Jelölésjegyzék

3 1 Bevezetés A természet és az emberiség ha az eddigi környezet-károsító folyamatok nem változnak súlyos, életveszélyes állapotba került. Ez a veszély lassan érzékelhetővé válik a mindennapi életben is. Egyre gyakoribbak és súlyosabbak a légúti problémák, a bőrbetegségek, az allergiára való hajlam, egyre többször érnek bennünket a megszokottól eltérő éghajlati jelenségek, érzékeljük a légkör felmelegedését, az ózonlyuk nagyobbodását, stb. Együtt kell-e élnünk ezekkel a problémákkal, mint olyan jelenségekkel, amelyekkel nem vehetjük fel a küzdelmet? Ezekért a káros hatásokért nagyon sokan a civilizációt, az iparosodást, a technika fejlődését teszik felelőssé. Azt jelentik-e ezek a figyelmeztető jelek, hogy a fejlődésnek határt kell szabni, netán vissza kell térni a természethez? Vagy léteznek felelős gondolkodást, humánus mérnöki szemléletet tükröző műszaki megoldások is, amelyek a fejlődésnek nem szabnak gátat, de a rövidlátó, fiskális, gyors anyagi meggazdagodást biztosító műszaki megoldásokkal ellentétben, az emberiség jövőjére, a természet épségére is tekintettel vannak? Évtizedek óta léteznek és számos fejlett országban ipari méretekben alkalmazzák is azokat az eljárásokat, amelyek egy technológiai folyamat környezetet károsító hatásait megszüntetik. Ezek bevezetése azonban egy újszerű, nem rövidlátó mérnöki szemléletet igényel. E segédlet célja, hogy megismertesse a hallgatókkal azokat a leggyakrabban alkalmazott berendezéseket és eljárásokat, amelyek lehetőséget adnak a levegő tisztaságának megőrzésére. Ezekkel az ismeretekkel kívánunk hozzájárulni ahhoz, hogy a jövőért felelősséget érző mérnök gondolkodása és szemlélete jó irányba változzon. 1.1 Hazai helyzetkép A levegő természetes összetételét adó alapgázokon kívül több ezer egyéb komponens is előfordul a levegőben. Ezek, az ún. vendéganyagok természetes jelenlevői a bennünket körülvevő levegőnek. Abban az esetben, ha ezek szokásos koncentrációja megváltozik, vagy egyéb más alkotóelemek kerülnek a levegőbe, levegőszennyezésről beszélünk. A levegőben szenynyezőanyagként előforduló részecskék leválasztására különböző eljárások léteznek, azonban mindezek leválasztási sajátosságaira nem térhetünk ki. Sok problémát okoznak a klórvegyületek, dioxinok és furánok, a széndioxid és más egyéb gázok is. Jelenleg Magyarországon a levegőszennyezés területén a legnagyobb gondot a szilárd részecskék, a kén-dioxid és a nitrogén-oxidok okozzák, ezért ezek emisszió csökkentési lehetőségeivel foglalkozunk részletesebben. Szilárd szennyeződések leválasztása érdekében Magyarországon is komoly lépések történtek. Ennek is tulajdonítható, hogy a szilárd szennyeződések kibocsátása jelentősen csökkent. Az I/1. ábrán a kibocsátás trendje, az I/2. ábrán a szilárd anyag kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása látható. 3

4 I/1. ábra. Szilárdanyag kibocsátás trendje Magyarországon közötti időszakban [???] I/2. ábra. Szilárdanyag kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása Magyarországon 2007-ben [???] Kén-dioxid szennyeződés kibocsátás tekintetében, komoly csökkenés az közötti időszakban mutatkozott, mint azt az I/3. ábra mutatja. E csökkentés azonban kevésbé tulajdonítható a ténylegesen beépített kén-dioxid leválasztóknak, sokkal inkább az ezen időszak alatt bekövetkezett ipari termelés visszaesésének. Az I/4. ábra a kén-dioxid kibocsátás emissziós források szerinti megoszlását mutatja. 4

5 I/3. ábra. Kén-dioxid kibocsátás trendje Magyarországon közötti időszakban [???] I/4. ábra. Kén-dioxid kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása Magyarországon 2007-ben [???] Látható, hogy a kén-dioxid kibocsátás jelentős részét a hőerőművek adták, ezért az emisszió csökkentést is e kibocsátási források irányában kell erősíteni. 5

6 Nitrogén-oxidok kibocsátása tekintetében a helyzet hasonlóan alakult a kéndioxidokéhoz. Az I/5. ábrán a kibocsátás trendje, az I/6. ábrán a nitrogén-oxid kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása látható. I/5. ábra. Nitrogén-oxid kibocsátás trendje 1980 és 2007 között Magyarországon [???] I/6. ábra. Nitrogén-oxid kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása Magyarországon 2007-ben [???] 6

7 Megállapítható, hogy a magyarországi nitrogén-oxid kibocsátás döntő részben a közlekedésből és a hőerőművekből származik. A fenti adatok alapján látható, hogy a vizsgált légszennyező anyagok kibocsátási forrásaként a hőtermelő és ipari folyamatok és a közlekedés jelölhetők meg. Hasonló volt a helyzet a fejlett ipari országokban is. Az I/7. ábrán látható diagram egyértelműen mutatja a légszennyezők folyamatos csökkenését USA-ban a 70-es évektől. Az I/8. ábrán az Amerikai Egyesült Államok főbb kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátó emissziós források megoszlása látható. I/7. ábra. Légszennyező kibocsátás trendje USA-ban 1970 és 2006 között [???] I/8. ábra. Kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátás emissziós források szerinti megoszlása az Amerikai Egyesült Államokban 2002-ben [???] (Electric Utilities=villamos erőművek; Transportation=közlekedés; Industrial Sources=ipari források; Fuel Combustion=tüzelőanyag égetés; Other=egyéb) A következetes emisszió csökkentés eredményeképpen a fejlett ipari országokban ma már a határértékeknek megfelelő kibocsátást sikerült elérni az ipar, a hőtermelés és a közlekedés területén. 7

8 1.2 Levegőszennyezés csökkentési lehetőségek Levegőszennyezőnek minősülnek mindazok az anyagok, amelyek - származásuktól és állapotuktól függetlenül olyan mértékben jutnak a levegőbe, hogy azzal az ember és a környezetét kedvezőtlenül befolyásolják. A levegőt szennyező anyagok nem csak az emberi tevékenység révén jutnak a környezetünkbe, hanem a természeti jelenségek (vulkáni tevékenység, bioszféra bomlása, stb.) által is. Ezeket a forrásokat természetes forrásoknak nevezzük. Egyes adatok szerint a természetes források által kibocsátott szennyeződések többszörösét is adhatják az emberi tevékenység (ún. antropogén vagy mesterséges források) által kibocsátott szennyeződéseknek, azonban ezeket befolyásolni nem tudjuk. A levegőszennyezés csökkentését, az emberi tevékenység által a légkörbe juttatott szennyeződések mérséklésével kell megoldanunk. A légszennyezés folyamata három jól elkülöníthető szakaszból áll: emisszió, transzmisszió, immisszió. Emissziónak nevezzük a különböző forrásokból, időegység alatt a környezeti levegőbe kibocsátott szennyező anyag mennyiségét. Az emberi tevékenység általi kibocsátást az emisszió szabályozás írja elő. Az emisszió szabályozás a helyhez kötött vagy a mozgó forrás számára kibocsátási határértéket ír elő. A helyhez kötött pontforrások esetén a területi kibocsátási határértéket vagy a technológiai kibocsátási határértéket kell betartani. Pontforrás területi kibocsátási határértékét [19] tartalmazza, technológiai határértékeit [18] tartalmazza. Transzmissziónak nevezzük a levegőbe került anyagok mozgását és változását. A levegőbe bekerült anyagok hígulnak, ülepednek, fizikai és kémiai változásokon mennek keresztül. A transzmissziót leíró összefüggések a légkör fizikai jelenségeinek mérése és számítása, értékelése során származnak. A környezetünkkel és tevékenységünkkel közvetlenül kapcsolatban lévő levegőszennyezési szakasz: az immisszió. A kibocsátott szennyező anyagoknak a talajközeli levegőben kialakult koncentrációját nevezzük immissziónak. A mérnöki tevékenységgel kapcsolatos levegőszennyezés mértékének csökkentése alapvetően két területen jelentkezik: - olyan technológia kidolgozása és alkalmazása, amely során minimális levegőt szenynyező anyag kerül a környezetbe, - a kibocsátási határértékeknek eleget tevő gáztisztítási eljárás alkalmazása. A második feladat megoldásához ismerni kell az emisszió szabályozást, valamint a gáztisztítási eljárásokat, azok megvalósításához alkalmazható berendezéseket. Ezen utóbbi érdekében kívánunk általános áttekintést adni a gáztisztítási eljárásokról és a legáltalánosabban alkalmazott berendezésekről. II.1. Levegőtisztítási módszerek és berendezések csoportosítása Az emisszió csökkentés érdekében, az emberi tevékenység által kibocsátott, különböző halmazállapotú szennyeződések leválasztására számos módszer lehetséges. Egy-egy probléma megoldása különféle módszerrel és berendezéssel is lehetséges, a megfelelő kiválasztását 8

9 az adott feladat, a gazdaságossági és egyéb szempontok határozzák meg. Az alábbiakban a leválasztási módszerekről egy egyszerűsített áttekintést adunk. A. Fizikai eljárások I. Szilárd anyagok leválasztása a. nagyméretű részecskék leválasztása d 10 m Alkalmazott berendezések: - ülepítő kamrák, - ütközéses leválasztók - ciklonok b. kisméretű részecskék d 10 m Alkalmazott berendezések: - szűrők - elektrosztatikus leválasztók - nedves mosók - multiciklonok II. Gázok/gőzök leválasztása a. abszorpció (folyadékban történő elnyeletés) Alkalmazott berendezések: - töltött tornyok - tányéros tornyok - nedves mosók b. adszorpció (szilárd anyag felületén történő megkötés) Alkalmazott berendezések: - nyugvó-ágyas adszorber - mozgóágyas adszorber c. kondenzáció (hűtött felülettel történő érintkeztetés) Alkalmazott berendezések: - hőcserélők, kondenzátorok B. Kémiai eljárások I. Gázok/gőzök leválasztása a. kémiai reakció Alkalmazott berendezések - permetező mosók - töltött tornyok - tányéros tornyok b. oxidáció - száraz és nedves oxidáció C. Biológiai eljárások 9

10 1. Porleválasztás A porleválasztás elsődleges célja a hordozógázban eloszlatott szilárd szemcsék leválasztása vagy összegyűjtése: az ártalmas anyagoknak a gázáramból való eltávolítása céljából (pl. a szilárd részecske az emberi egészségre ártalmas lehet, a berendezést koptathatja, a környezetet károsíthatja), technológiai igény miatt (a gáz a technológia további részeibe csak pormentesen kerülhet be, vagy csak előírt koncentrációjú szilárd anyagot tartalmazhat), biztonsági okból (pl. porrobbanás), veszteségek csökkentése (pl. a gázzal együtt értékes anyag is eltávozhat, melynek visszanyerése gazdasági okból célszerű). A megfelelő porleválasztó berendezés kiválasztásához ismerni kell a - a por jellemző méretét, - a por koncentrációját, - a tisztítás előírt mértékét (a leválasztás hatásfokát), - a részecske sűrűségét, - a por koptató hatását, - a por tapadási hajlamát. A szilárd szemcsék gázáramban való viselkedését gömb alakú részecskék aerodinamikai egyenletei írják le. A valóságban előforduló porok gyakran nem gömb alakúak, ezért azokat különböző lineáris-, felület-, térfogatközepes stb. átmérővel szokták helyettesíteni. Néhány porleválasztó berendezés alkalmazási tartományát, a szemcse jellemző méretének függvényében a 1. ábra mutatja. A bejelölt méretek nem jelentik a leválasztó alkalmazásának éles határát. Egy leválasztó szakszerű kiválasztásánál a szemcseméreten túlmenően egyéb szempontokat is figyelembe kell venni. 1. ábra. Néhány porleválasztó berendezés alkalmazási tartománya a jellemző porszemcse méret függvényében 10

11 A porleválasztó berendezésekben a leválasztás jellemzője lehet a porszemcse ülepedési sebessége. Gömb alakkal közelíthető szilárd részecskére - gravitációs erőtérben, a lamináris ülepedés tartományában az erő-egyensúly felírásával (2.ábra) - levezethető az ülepedési sebesség: Feltételek: gömb részecskére 2. ábra. Ülepedő részecskére ható erő 3 d 6 F F g g F f F f F e F 2 szilárd Lamináris áramlás esetén, ha Re<1 akkor. G d Re 2 d G g (Re) 4 2 v ü,g G e G v ü,g (1) (1.a) (3) egyenlet behelyettesítve (2)-be, az ülepedési sebesség kifejezve: 2 d s G g vü,g (4) 18 ahol, v ü - az ülepedési sebesség G - a gáz dinamikai viszkozitása G - a gáz sűrűsége S - a szilárd anyag sűrűsége g - nehézségi gyorsulás d - jellemző szemcseméret Centrifugális vagy elektromos erőtérben a nehézségi gyorsulás szerepét a megfelelő térerő tölti be. A különböző leválasztási elvet alkalmazó porleválasztók a leválasztás javítása érdekében az ülepedési sebesség növelését alkalmazzák (pl. centrifugális vagy elektrosztatikus erőtér alkalmazásával, részecske méret növelésével, nedvesítéssel stb.) Az egyes szemcsékre jellemző ülepedési sebesség több szemcse jelenlétekor csak akkor érvényes, ha a szemcsekoncentráció olyan kicsi, hogy a szemcsék egymást észrevehetően nem befolyásolják az áramlásban. Nagy koncentrációjú porok esetében az ülepedési sebesség nagyobb, mint egyedi szemcsék esetében. Gázáramban eloszlatott anyagok jellemzésére a szemcsekoncentráció definiálása az alábbiak szerint lehetséges: G (2) (3) 11

12 m x V ahol V gáz térfogatban m tömegű szilárd részecske található. (5) Néhány üzemi és környezeti porkoncentráció érték a 1. táblázatban található. 1. táblázat. [2] Gázáram fajtája Porkoncentráció [mg/m 3 ] Erőművi tisztítatlan füstgáz Erőművi tisztított füstgáz Tisztítatlan torokgáz Tisztított torokgáz 5 20 Munkahelyi maximális porkoncentráció (MAK) 2 15 Samott gyártás pora Kerámiaüzemi préspor 5 20 Öntödei formakészítés pora 2 20 Ipari üzemektől távoli területeken 0,01-10,05 Városi levegőben lévő por 0,1-0,5 Ipari üzemek közelében 0,2 5 A leválasztó berendezés teljesítőképességének jellemzésére a leválasztási hatásosságot (hatásfokot) alkalmazzák. Az összleválasztási hatásfok ( ö ) vagy összportalanítási fok azt fejezi ki, hogy a tisztítandó gázáramban lévő szilárd rész tömegéből mennyi válik le a porleválasztó készülékben. Jelöljük a leválasztóba belépő por tömegáramát (m be ), a leválasztót elhagyó por tömegáramát (m ki ), a leválasztóban leválasztott anyag tömegáramát (m le ). A leválasztóba érkező szilárd anyag gázáramban eloszlatva érkezik. A rendszerbe belépő gáz térfogatárama (V be ), a rendszert elhagyó (V ki ). Tökéletesen zárt rendszernél és feltételezve, hogy a leválasztott por elvételénél nincs tömítetlenség, azaz itt a gáz eltávozása elhanyagolható: V be = V ki. A szilárd anyagra felírható megmaradási egyenlet: m be m ki m A belépő és kilépő gázáram szilárd anyag koncentrációja: x x be ki m V m V A porleválasztó berendezés összleválasztási hatásfoka: mbe mki mle xbe xki ö (9) mbe mbe xbe A gyakorlatban a porleválasztó berendezés leválasztási hatásfokának meghatározásához ismerni kell a technológia által adott szilárd anyag tömegáramát, vagy koncentrációját. Ez képezi a leválasztóba belépő értéket. Ennek meghatározása az üzemi paraméterek ismertében számítással vagy méréssel történhet. A mérőhely kialakítását, a mintavételezés módját szab- be be ki ki le (6) (7) (8) 12

13 ványok rögzítik. A leválasztót elhagyó ág szilárd anyag tömegáramát vagy koncentrációját többnyire a határértékek írják elő. A határértékek meghatározása környezetvédelmi jogszabályok, minisztertanácsi rendeletek és törvények alapján történik. Kibocsátási határérték szempontjából a területi kibocsátási határérték és a technológiai kibocsátási határérték a mérvadó. Helyhez kötött működő légszennyező források esetén kibocsátási határértékként a területi kibocsátási határértéket kell megállapítani. Helyhez kötött új légszennyező forrásokkal kapcsolatban, ha más korlátozás nincs, akkor a két érték közül kibocsátási határértékként a kisebbet kell megállapítani. A porleválasztó berendezés jellemzésére az összleválasztási hatásfokon túl a frakció leválasztási hatásfokot ( fr ) is gyakran alkalmazzák. A leválasztóba belépő gázban a szilárd szemcsék mérete nem azonos, nagyobb és kisebb részecskék is megtalálhatók. A részecskék mérete és mennyisége között a megoszlás görbe teremt kapcsolatot. Az adott összportalanítási fokkal üzemelő leválasztó a nagyobb méretű anyagból többet, a kisebből általában kevesebbet választ le. A frakcióhatásfok azt fejezi ki, hogy egy adott szemcseméretet a készülék milyen hatásfokkal választ le. A 3.a. ábra a leválasztóba belépő és a leválasztott szilárd anyag eloszlás görbéjét mutatja a részecskeméret függvényében. Egy vizsgált - d - mérettartományban a frakció leválasztási hatásfok az adott tartományhoz tartozó leválasztott - m le -, és belépő - m be -, szilárd anyag mennyiségének aránya, azaz: m fr m Egy leválasztó frakció hatásfok görbéjét a 3./b ábra mutatja a szemcseátmérő függvényében. le be d (10) 3. ábra. Eloszlásgörbe és frakcióhatásfok görbe A szilárd anyagoknak a vivőgázból való leválását olyan erők idézik elő, amelyek hatására a vivőgázhoz képest a porszemcsék relatív elmozdulása bekövetkezik. A különböző porleválasztó berendezésekben a nehézségi erőt, a centrifugális erőt, az elektromos erőt használják ki, illetve a szűrőrétegen való visszamaradást alkalmazzák. Pl. az ülepítő kamrában a gravitáció, zsalus leválasztókban az ütközés, ciklonokban a centrifugális erő, elektrofilterekben az elektromos térerő, nedves mosókban a nevesítés hatására következik be elsődlegesen a leválasztás. Természetesen ezeken az erőkön kívül másodlagos hatások is szerepet játszhatnak a leválasztásban 13

14 1.1. Gravitációs és ütközéses leválasztók A porleválasztás legegyszerűbb készülékei a nehézségi erő kihasználásával működő leválasztók, a porkamrák vagy ülepítő kamrák. A porkamrákban a vivőgáz áramlási sebessége, más leválasztókhoz képest kicsi (0,4 0,8 m/s). A leválasztás azáltal következik be, hogy a kamrában a gáz áramlási sebessége annyira lecsökken, hogy a porszemcsék a nehézségi erő hatására le tudnak ülepedni a kamra aljára. A porkamrában lévő kis gázsebesség miatt a leválasztó geometriai méretei meglehetősen nagyok. Előnye az egyszerű konstrukció, kis nyomásesés. A porkamrákat általában előleválasztóként alkalmazzák 100 m-nél nagyobb méretű részecskékhez, hogy a gázáramban lévő durva szemcsék koptató hatásától az egyéb leválasztó berendezéseket mentesítsék. A porkamra működési vázlata a 4. ábrán látható. 4. ábra. A porkamra működési vázlata (1. Szennyezett gáz belépés, 2. Tisztított gáz kilépés, 3. Leválasztott por ürítés) A porkamrákban a leválasztás térfogatnövelés elvén történik. A megnövekedett áramlási keresztmetszet hatására az áramlási sebesség lecsökken, és az ülepedési sebesség a domináns. A porkamrákban kialakuló sebességek a 5. ábrán láthatók. 5. ábra. Sebességábra a porkamránál Ahol gravitációs ülepedési sebesség számítható: A nehézségi erő mérsékelt és korlátok között alkalmazható hatását az irányváltásos porleválasztókban a centrifugális erőkkel kombinálják. A két erő együttes kihasználásával működő porleválasztók általában olyan ülepítő kamrák, amelyekben az áramlás irányát megváltoz- (11) 14

15 tató betétek vannak elhelyezve. A különböző típusú irányváltoztató elemek vázlatát az 6. ábra mutatja. A készülékekbe a gáz axiálisan jut be, a por az éles irányváltás következtében válik ki. A porszemcsékre a centrifugális erő hat, azonban jóval rövidebb ideig, mint a ciklonokban Ciklonok 6. ábra. Irányváltásos porleválasztók (a./, d./ e./ f./ a gázáram megosztásával; b./, c./ a gázáram megosztása nélkül 1. szennyezett gáz bevezetés, 2. tisztított gáz kivezetés) A centrifugális erő elve alapján működő legelterjedtebb mechanikus porleválasztó berendezések, amelyekben mozgó alkatrész nélkül létrehozott centrifugális erő idézi elő a porszemcséknek a gázáramból való leválasztását. A ciklonok általában 10 m-nél nagyobb méretű szilárd anyagok leválasztására alkalmazhatók jó hatásfokkal. A ciklon fő részei (7. ábra jelöléseivel): a gázbevezető csonk (1), a hengeres rész (2), a kúpos rész (3), a porkivezető nyílás (4) a gázkivezető cső vagy merülőcső (5), porkivezető nyílás alatti portartály (6). A ciklonban a szemcsék ívelt pályán haladnak, többször körbefutva a leválasztótérben. A körmozgást a ciklontestbe érintőlegesen bevezetett gázáram idézi elő. A centrifugális erő hatására a porszemcsék a leválasztótér felülete, a hengeres ciklon fala felé vándorolnak, ahol lefékeződve kiválnak a gázáramból. A kivált por a nehézségi erő hatására a ciklon alsó részébe, majd onnan a portartályba jut. A portalanított gázáram a tengelyszimmetrikusan beépített merülőcsövön keresztül felfelé hagyja el a készüléket. A ciklon nem képes minden szennyeződést leválasztani, ezért a finomabb frakciójú porok a gázárammal együtt a kilépő nyíláson keresztül távoznak. A ciklonban igen bonyolult áramlások alakulnak ki. A szemcsékre különböző sebesség-komponensek hatnak, amelyek eredője határozza meg a szemcse mozgásának irányát. A merülőcső átmérőjének megfelelő hengerfelületen áramlanak át azok a porszemcsék, amelyek sebessége a kiválási határsebességnél kisebb és eredő radiális sebességkomponense a ciklon belseje felé mutat. Határszemcsének nevezik, és d sh -val jelölik, a ciklonban még éppen leválasztható méretű részecskét, amelyre ható radiális sebességkomponensek egyensúlyban vannak a 2r i merülőcső átmérőjének megfelelő hengerfelületen. A határszemcse méretének meghatározására [2, 6, 8] közöl a gyakorlat számára alkalmas összefüggéseket. A 15

16 határszemcse átmérőjét a ciklon geometriai jellemzői, a gázbevezetés módja és a gáz fizikai jellemzői befolyásolják. A 9. ábra néhány jellegzetes ciklon kialakítást mutat. 7. ábra. A porleválasztó ciklon részei (1. Gázbevezető csonk, 2. Hengeres rész, 3. Kúpos rész, 4. Porkivezető nyílás, 5. Gázkivezető/örvénykereső cső, 6. Portartály, 7. Cellásadagoló) Határszemcse átmérő meghatározása Feltételek: síkmozgás (nincs függőleges irányú sebességkomponens) A sebességek értelmezése: 8. ábra. Sebességábra a ciklonban 16

17 (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) ahol : konstansok : geometriai jellemzők : anyagjellemzők 9. ábra. Néhány jellegzetes ciklon kialakítás v ti /v ki r a /r i - r i sugáron a tangenciális és a kilépési sebesség aránya - geometriai arány 17

18 h / r i - geometriai arány A be /A ki - gáz be- és kilépési keresztmetszet arány A határszemcse méretét, a leválasztás hatásosságát a beömlési sebesség (v be ) jelentősen befolyásolja. A 10. ábra az összleválasztási hatásfok és a nyomásesés alakulását mutatja egy adott geometriájú ciklonnál a belépési sebesség függvényében. A sebesség növelése a leválasztási hatásfok javulását eredményezi, de egyidejűleg jelentős nyomásesés növekedést is okoz. A ciklon átmérőjének csökkentésével a határszemcse átmérője is csökken, ezért ugyanolyan gázmennyiség több kisebb ciklonba történő bevezetésével jobb hatásfokú leválasztás érhető el. Több kisebb átmérőjű összeépített ciklont multiciklonnak nevezik. A 11. ábra néhány multiciklon kialakítást mutat. 10. ábra. A leválasztási hatásfok ( ) és a nyomásveszteség ( ) a beömlési sebesség függvényében 1.3. Elektrosztatikus leválasztók 11. ábra. Multiciklon kialakítások (A - hosszirányú elrendezés, B - körkörös elrendezés) Az elektrosztatikus porleválasztók igen jó hatásfokkal üzemelő, 1 m-nél kisebb részecskék leválasztására is alkalmas berendezések. A leválasztó úgy működik, hogy a két elektróda között a nagyfeszültségű egyenáram következtében villamos erőtér alakul ki. Az elektródák elnevezése szóró és leválasztó elektróda. Ha az elektródák közötti potenciálkü- 18

19 lönbség elegendően nagy, a szóróelektróda közvetlen közelében a villamos térerő olyan mértékű lesz, hogy az ott lévő gázmolekulák ionizálódnak, vagyis pozitív és negatív ionok, szabad elektronok keletkeznek és a stabil (semleges) molekulákkal együtt lesznek jelen. Az elektrosztatikus leválasztók elvi felépítését a 12. ábra mutatja. Lemezes elektrofilter Csöves elektrofilter 12. ábra. Az elektrosztatikus leválasztó elvi felépítése (1. szóróelektróda, 2. leválasztó elektróda, 3. szennyezett gáz, 4. tisztított gáz, 5. transzformátor és egyenirányító) A szóróelektróda közelében nagymértékű potenciálesés van, amely megfelelően nagy ionizációs feszültség esetén koronakisülést idéz elő. A koronakisülésnél a gázban lévő szabad elektronok a gázmolekulákkal ütközve további elektronok képződését idézik elő. A negatív töltések a földelt leválasztó elektróda felé áramlanak, ezáltal a teljes leválasztó-teret villamos töltések árasztják el. A porral szennyezett gázzal a koronatérbe jutó porszemcsék a pozitív és negatív töltésű ionokkal ütköznek és felvehetik a töltésüket. Így a szóróelektródával azonos töltésű negatív részecskék a leválasztóelektróda felé vándorolnak, a pozitív töltésűek pedig a szóróelektródán válnak le, és ott veszítik el a töltésüket. A szóróelektródák különböző alakzatúak lehetnek (13. ábra). Ezeket szigetelve függesztik a leválasztó térbe. A leválasztó elektródákat úgy kell kialakítani, hogy a leválasztott port a gázáram ne ragadja magával. Ezt különböző kiálló felületek, áramlási holtterek, ún. zsebek kiképzésével, valamint a leválasztott port levezető csatornák alkalmazásával oldják meg. Néhány szóró és leválasztó elektróda kialakítás látható a 13. ábrán. Az elektródákat a rájuk leváló portól időszakosan le kell tisztítani. A szárazon működő leválasztók elektródáit úgy tisztítják, hogy a levált porréteget az elektródák ütemes kopogtatásával fellazítják és az porfüggöny formájában hullik a gyűjtőgaratba. Nagyon fontos, hogy minden kopogtatóegység megbízhatóan működjön, a kopogtatás intenzitása és gyakorisága optimális legyen, mivel a nem megfelelő poreltávolítás rontja a leválasztás hatásfokát. A tisztítás történhet ezen kívül rázással, feszültség lekapcsolással vagy akár vizes mosással is. 19

20 13. ábra. Szóró és leválasztó elektróda kialakítások Az elektrosztatikus leválasztók főbb jellemzői: Összleválasztási hatásfok: 95 99,5 % Gázsebesség: 0,8 4 m/s Vándorlási sebesség: 0,01 0,3 m/s Leválasztó elektródák fajlagos felülete: 2 50 m 2 /(1000 m 3 /h) Leválasztó elektródák hossza: 2,5 5 m Fajlagos energiaszükséglet: 0,05-1 kwh/1000 Nm 3 Nyomásveszteség: Pa Az elektrosztatikus leválasztók előnye, hogy 0,1 m-nél kisebb szemcseméretű részecskék porok, savködök stb.- leválasztására is alkalmasak. A száraz állapotban leválasztott porok a folyamatban újra felhasználhatóak. Ellenállásuk kicsi, karbantartási igényük is kicsi. Normál kivitelben 350 o C-ig, különleges esetben 800 o C-os gázhőmérsékletig használhatók. Hátrányuk a nagy beruházási költség és a nagy helyigény Porszűrők A szűrés az egyik legrégebben és legáltalánosabban alkalmazott porleválasztási módszer. A szűrőket széles körben használják jó leválasztási hatásfokuk, kis méretű szilárd részecskék leválasztására való alkalmasságuk, viszonylag kis energiaköltségük miatt. Szűréssel 0,1-0,01 m szemcséket akár 99 %-ot is meghaladó hatásfokkal lehet leválasztani. Ahhoz, hogy a szűrőközeg felületén a vivőgázból a szemcsék leváljanak különböző erők által kifejtett hatásokra van szükség. 20

21 14. ábra. Különböző leválasztási tényezők tartománya a gáz áramlási sebessége és a szemcseméret függvényében (a. diffúzió; b. diffúzió és rácshatás; c. diffúzió, rácshatás és tehetetlenségi erő; d. rácshatás és tehetetlenségi erő; e. ülepedés, rácshatás és tehetetlenségi erő; f. ülepedés és rácshatás; g. ülepedés, rácshatás és diffúzió; h. ülepedés, rácshatás, tehetetlenségi erő és diffúzió) A szűrőrétegen való áthaladáskor a szemcsékre a következő erők hatnak: - tehetetlenségi erő az elemi szál körüláramlásakor; - molekuláris diffúzió, amely a gázmolekulák hőmozgása miatt jön létre; - villamos erő abban az esetben, ha a szemcséknek vagy a szűrőközegnek villamos töltése van; - ütközési erő, amely a szűrőközeg szálainak hatásából adódik. A szűrési folyamatban a különböző méretű porszemcsére az áramlási sebesség függvényében más és más leválasztó erő hat. Ezeket a hatásokat a 14. ábra mutatja. A porleválasztó szűrőberendezések felépítése sokféle lehet. A szűrőközeg szerint lehetnek szövet-, rost-, szemcsés rétegű és pórusos anyagú szűrők. A szűrőközeg formája szerint megkülönböztetünk tömlős vagy zsákszűrőket, táskás vagy felületi szűrőket, merev testű vagy gyertyás szűrőket. A szűrési folyamatot mennyiségileg a felületi szűrőterheléssel (F v ) szokták jellemezni: ahol: V G A gáz térfogatáram szűrőfelület V G A 3 m m h Fv 2 Szövetrost szűrő néhány működési jellemzője: Áramlási sebesség: 0,005-0,1 m/s Felületi terhelés m 3 /(m 2 h) szövet: műszálszövet üvegrostszövet filc Nyomásesés: Pa Leválasztási hatásfok: 95-99,9 % Szemcseméret: 1-0,01 m (20) 21

22 A nagy portartalmú gázok szennyeződéseinek leválasztására leginkább a szövetszűrők alkalmasak, mivel ezek tisztítása oldható meg a legkönnyebben. A szövetszűrőket nyomó és szívóüzemben is lehet üzemeltetni. A szűrési folyamat során a leválasztandó szilárd anyag a szűrőközegen visszamarad, amely a szűrőegység ellenállásának növekedését eredményezi. A szűrőberendezésen létrejövő nyomásesés egyrészt a tiszta szűrőréteg ellenállásából, másrészt a szűrőrétegre rakódó porréteg ellenállásából tevődik össze. A tiszta szűrőréteg és a porréteg együttes ellenállását meghatározza: - a szűrőréteg felületi terhelése - a gáz sűrűsége, viszkozitása és nedvességtartalma - a porkoncentráció - a por jellemzői (méreteloszlás, sűrűség, stb.) - a szűrőanyag szabad térfogata. A porszűrők ellenállásából adódó nyomásesés a berendezés gazdaságos működése szempontjából fontos. Az ismétlődő szűrési és tisztítási ciklusok során a nyomáskülönbség az idő függvényében a 15. ábra szerinti jelleggel változik. 15. ábra. Szűrési és tisztítási ciklusok (1. a tiszta szűrő ellenállása; 2. visszamaradó ellenállás a porréteg eltávolítása után; 3. a szűrő és a porréteg együttes ellenállásának határa; 4. a két szűrőtisztítás közötti időtartam) A szűrő tisztítása mechanikus és pneumatikus módszerrel történhet. A tisztítási folyamat alatt a gáz hozzávezetését meg kell szüntetni, vagy kamrákra osztott berendezésnél másik kamrába terelni. A poreltávolítási módszerek vázlatát 16. ábra mutatja. 22

23 16. ábra. Zsákos porszűrő tisztítási módszerek (a./ a szűrőtömlő lengetése; b./ a szűrőtömlő hosszanti rázása egyidejű ellenáramú levegővel való fúvatással; c./ keresztirányú lengetés gépi úton; d./ ellenáramú fúvatás pulzáló levegővel; e./ ellenáramú folyamatos fúvatás; f./ mint b./ időprogram szerinti mechanikus rázással; g./ poreltávolítás préslevegővel; h./ poreltávolítás folyamatos le-fel mozgó körgyűrű perforációin keresztül a szűrőtömlőre fújt préslevegővel) A mechanikai módszerek lényege, hogy a szűrőrétegre levált porréteget a szűrőtömlő rázásával lazítják fel. A pneumatikus poreltávolításnál a szűrési iránnyal megegyező vagy azzal ellentétes irányból öblítőlevegőt vezetnek a tömlőre. Mechanikailag gyengébb szövetből készült tömlők esetén vagy ha a por könnyen leválasztható a szűrőszövetről egyenáramú öblítést alkalmaznak. A 17. ábrán rázott, kisnyomású levegővel tisztított, a 18. ábrán nagynyomású pulzáló levegősugárral tisztított, a 19. ábrán ellenáramú levegősugárral tisztított szűrőberendezések láthatók. 17. ábra. Kisnyomású levegővel tisztított szűrőház (A./ szűrési üzemben lévő kamra: B./ Tisztítási üzemben lévő kamra 1. szennyezett gáz bevezető csatotna, 2. porgyüjtő garat, 3. szállítócsiga, 4. cellás kerék, 5. szállítócsiga, 6. öblítőgáz csatorna, 7. szűrőtömlők) 23

24 18. ábra. Nagynyomású levegősugárral működő porleválasztó szűrő (1. szennyezett gáz, 2. tisztított gáz, 3. sűrített levegő, 4. levegőfúvóka, 5. időprogramadó, 6. Venturi-cső, 7. szűrőtömlő, 8. merevítőkosár, 9. mágnesszelep) 19. ábra. Reverse-jet szűrő vázlata (1. tömlőtartó, 2. szűrőtömlő, 3. fúvóka, 4,5. vezetőgörgők, 6. hajlékony cső, 7. szennyezett gáz bevezetése, 8. sűrített levegő bevezetése, 9. tisztított gáz kivezetése, 10. porleeresztés) 24

25 1.5. Nedves leválasztók Nedves eljárással a szennyezett gázból a szilárd anyagokat és egyidejűleg, a hordozógáztól különböző egyéb gáz- és gőzkomponenseket is le lehet választani. A művelet során a szennyezőanyagot tartalmazó gáz érintkezik a megfelelő mosófolyadékkal, majd a tisztított gázt és a szennyező anyagot tartalmazó folyadékot szétválasztják. A porok leválasztása többféle mechanizmus tehetetlenségi, nehézségi stb. erőhatások útján megy végbe, míg a gázok leválasztása diffúzióval történik. A nedves mosókat általában 10 m-nél kisebb porszemcsék leválasztására alkalmazzák, ha a szennyezett gáz csak szilárd szennyeződést tartalmaz, akkor 2-5 m-nél kisebb méretű porok leválasztásához indokolt. A nedves mosók működési mechanizmusa miatt a gáz és a mosófolyadék intenzív érintkeztetését kell biztosítani, ezért a berendezés olyan belső kialakítására kell törekedni, hogy a porszemcsék és a folyadék találkozási valószínűsége nagy legyen, lehetőség szerint minden porszemcsének lehetősége legyen a vízcsepphez jutni. Gázkomponensek leválasztásánál bekövetkező diffúzió esetén az anyagátadás nagy érintkezési felület esetén intenzívebb, azaz ebben az esetben is nagy érintkező felületet kell biztosítani. Az intenzív érintkeztetés során a tisztítandó gázba a nedvesség bepárolog illetve a gáz a cseppeket is magával ragadja, ezért a nedves mosók kiegészítője a cseppleválasztó. A mosófolyadékkal távozó szilárd részek és/vagy leválasztott gázkomponensek a nedves mosó után elhelyezett folyadéktisztító rendszerben választhatók ismét szét. A permetező mosók egyidejűleg alkalmasak gáz és szilárd anyagok leválasztására. A hatásos érintkeztetést a gáz egyenletes eloszlatásával és a folyadék cseppekre bontásával valósítják meg. A folyadékcseppek létrehozására különböző porlasztókat használnak: nyomással porlasztó fúvókákat, a folyadékot nagy sebességű gázárammal porlasztó fúvókákat, forgótárcsás porlasztókat és hangenergiás porlasztókat. A permetezőtorony általában függőleges elrendezésű, amelybe a mosófolyadékot felülről, a gázt alulról vezetik be. A folyadékot egy vagy több szinten permetezik be. Egy permetező mosó vázlatát a szerkezeti részek megnevezésével a 20. ábra mutatja. 20. ábra. A permetező mosó felépítése 25

26 (1. folyadék bevezetés, 2. cseppképző rész, 3. gáz bevezetés, 4. gáz-folyadék érintkeztető, 5. cseppfogó, 6. folyadék-gyűjtő, 7. gáz kilépés, 8. folyadék kivezetés) A folyadék elragadás elvén működő mosók az ütközés és az önmaguk által képzett permet elragadása elvén működnek. A szennyezett gáz először a mosófolyadék felületére ütközik, amely előleválasztást eredményez. A gázáram ezután áramlástechnikailag megfelelő formájú szűkülő csatornán áramlik keresztül. A felgyorsuló gáz mosófolyadékot ragad magával és cseppekké bontja. A cseppek a gázban lévő porszemcsékkel ütköznek és leválasztódnak. A 21. ábrán bemutatott készüléknél a gázt a folyadékzáron keresztül ventilátor szívja át. A gáz erős örvénylést okoz, ami által intenzív keveredés és folyadék-függöny keletkezik. A tisztított gázban lévő elragadott cseppeket beépített cseppleválasztó segítségével távolítják el. 21. ábra. Folyadékzáras mosó A 22. ábrán látható örvényáramú mosóba a két részre osztott gáz a nyomáskiegyenlítő térbe jut, ahol több kis Venturi-cső van elhelyezve úgy, hogy a gáz a torokkészülékbe mosófolyadékot szívjon. A nagy sebességű gáz a torokba jutott folyadékot cseppekké oszlatja és a diffúzorból kiáramló gáz/folyadék diszperzió nagy sebességgel ütközik egymással. A nagy keresztmetszetű térben a cseppek és a gáz sebessége lecsökken, a cseppek a folyadékba lehullnak és magukkal viszik a szennyeződést is. A tisztított gáz cseppleválasztón keresztül távozik a készülékből. 22. ábra. Örvényáramú mosó 26

27 (1. szennyezett gáz, 2. tisztított gáz, 3. Venturi-csövek, 4. cseppleválasztó, 5. ütköző-terelő lemez) A centrifugális mosókban a leválasztás javítására a tisztítandó gázt tangenciálisan vezetik be a készülékbe vagy beépített terelőlapokkal, perdület-elemekkel terelik. A centrifugális mosók az eltömődés veszélye nélkül kiválóan alkalmasak olyan porleválasztási feladatokra is, ahol nagy porkoncentrációra lehet számítani. A 23. ábrán a centrifugális mosó kialakítása, 24. ábrán frakció leválasztási hatásfok görbéi láthatók. 23. ábra. A centrifugális mosó működési vázlata 24. ábra. A centrifugális mosó frakció leválasztási hatásfoka Kisméretű porok leválasztására előnyösen alkalmazhatóak a gázporlasztás elvén alapuló Venturi-mosók. A Venturi-mosókban a leválasztandó pornak a mosófolyadékkal való ütközése a legfontosabb tényező. A folyadékot a Venturi-szakasz torokrészébe táplálják vagy porlasztják be. A gázsebesség a torokban a legnagyobb, ahol kinetikai energiája hatására a mosófolyadék 27

28 finom cseppekre oszlik. A készülékben a gáz és a cseppek örvénylésben vannak, amely kedvez a két fázis érintkezésének, ami nagyon jó leválasztási hatásfokot eredményez. Abszorpciós műveletre történő alkalmazásának korlátja az, hogy a nagy sebességek miatt rövid a tartózkodási idő, ezért inkább kémiai reakcióval kísért abszorpciónál alkalmazzák. Venturi-mosóknál igen jó porleválasztási hatásfok érhető el még igen kis -1 m-nél kisebb méretű - szennyeződések esetén is. A leválasztás hatásossága a mosófolyadék-vivőgáz arányának megváltoztatásával és a toroksebesség növelésével befolyásolható. A 25. a. ábra Venturi-mosó összleválasztási hatásfokát mutatja a folyadék-gáz arány függvényében, paraméterként a toroksebesség feltüntetésével. A toroksebesség és a folyadék mennyiségének növelése javítja ugyan a leválasztást, de a készülék nyomásesésének növekedését is előidézi. A nyomásesés, a toroksebesség és a gáz-folyadék arányának kapcsolatát a 25. b. ábra mutatja levegő-víz rendszer esetén. A 26. ábrán különböző kialakítású Venturi-mosók láthatók, amelyek a folyadék bevezetési módjában különböznek. A Pease-Antoni típusú mosóba radiálisan torkolló csövekkel vezetik a folyadékot. A vízeloszlás javítása érdekében a vízbevezetést "a" és "b" változat szerint módosították. A Körting típusú Venturi-mosóba két pneumatikus porlasztóval vezetik a szűkületben a folyadékot. Az Inatra típusú mosónál a folyadék tengelyirányban jut be torokrészbe. A 27. ábra kétfokozatú Venturi mosót ábrázol, amelyben az első fokozat kisebb toroksebességgel (kb.50 m/s) a szennyezett gázok előtisztítását, a második fokozat (toroksebesség kb.100 m/s) a finom tisztítást végzi. Az első fokozat szennyezett mosófolyadékát elvezetik, míg a második fokozat mosófolyadékát az első fokozat mosófolyadékaként táplálják vissza. 25. ábra. Venturi-mosó működési jellemzői (a. Venturi-mosó összleválasztási hatásfoka a folyadék/gázáram arány függvényében, paraméterként a toroksebesség feltüntetésével; b. Venturi-mosó nyomásesése ( P) a toroksebesség (v) és a folyadék/gáz térfogatáram-arány (L/V) függvényében levegő-víz esetén) 28

29 26. ábra. Venturi-mosó kialakítások 27. ábra. Kétfokozatú Venturi-mosó A mozgóréteges mosók az eltömődés veszélye nélkül alkalmasak egyidejű por és gáztisztításra. A 28. ábrán egy több kaszkádos fluid diszperz kolonna látható. Az egyes fokozatokon különböző kialakítású és sűrűségű töltet helyezkedik el, amely fluid állapotban, intenzív mozgása és keveredése miatt megakadályozza az eltömődést. A tisztítandó gáz alulról halad felfelé, az egyes fokozatokon intenzív érintkeztetés valósul meg. A folyadék a permetező fej segítségével diszperz fázisúvá válik, amely nagy érintkezési felületet biztosít, ezért előnyösen alkalmazható abszorpciós feladatokra is. A töltetek fluid tartományában a nyomásesés gyakorlatilag állandó. 29

30 Néhány nedves mosó összehasonlítását 2. táblázat mutatja [14]. 2. táblázat Mosó típusa Leválasztható szemcseméret [ m ] [ Pa ] hatásfok [ %] Nyomásesés Összleválasztási Permetező mosók Töltetes tornyok Tányéros tornyok Centrifugális mosók Venturi-mosók 0, Gázok/gőzök leválasztása 28. ábra. Mozgóréteges mosó működési vázlata 2.1. Abszorpciós gáztisztítás, abszorberek A gázabszorpció olyan szétválasztási művelet, amelynél a gázelegyet folyadékkal érintkeztetjük, és ennek következtében a gáz egy vagy több komponense a folyadékba diffundál és ott elnyelődik. Az abszorpció során a gáz és a folyadékrészek fizikai kötést vagy kémiai kötést hozhatnak létre, eszerint különböztethetünk meg fizikai abszorpciót vagy kémiai reakcióval kísért abszorpciót, kemoszorpciót. 30

31 Az abszorpciós folyamatok legjellegzetesebb készülékei a tálcás és a töltetes tornyok. Ezek a készülékek előnyösen használhatók gázkomponensek leválasztására, folyadékban történő elnyeletésére, azonban az eltömődés veszélye miatt csak korlátozottan használhatók porleválasztásra, valamint olyan esetekre, amikor a kémiai reakció során szilárd részek keletkeznek. Ha a tisztítandó gáz por- és gázszennyezést is tartalmaz - a porkoncentrációtól függően - általában a porszennyezés leválasztására előleválasztót alkalmaznak, majd ezt követi a gázkomponens leválasztására szolgáló abszorber. Kémiai reakcióval kísért abszorpció esetén vagy szilárd részecskét is tartalmazó gázok tisztítására az abszorberek azon kialakítása jöhet csak szóba, ahol az eltömődés veszélye nem állhat elő. A gázkomponensek folyadékban történő megkötése annál hatásosabb, minél intenzívebb a gáz-folyadék érintkeztetése. A töltetes tornyokba - az érintkezési felület megnövelésére - különböző kialakítású rendezett vagy rendezetlen töltelékelemeket helyeznek. A töltelékes torony felépítése a 29. ábrán látható. A tölteléktestekkel szembeni kívánalom, hogy a megtöltött készülékegység térfogatára vonatkoztatott felülete (a) nagy legyen és rendelkezzék a közegek áramlása szempontjából megfelelő jellemzőkkel. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a töltelék szabad térfogathányada ( ) nagy legyen. A tölteléktesteknek a már említett tulajdonságokon kívül megfelelő szilárdsági jellemzőkkel és vegyi ellenálló képességgel kell rendelkezniük. A 30. ábrán néhány ömlesztett (rendezetlen) tölteléktest kialakítása láthatók. 29. ábra. A töltelékes torony felépítése 31

32 30. ábra. Néhány ömlesztett tölteléktest kialakítása A tölteléktestek anyaga lehet kerámia, fém és műanyag, a nedvesítési, a súly és a korróziós igényeknek megfelelően. A rendezett vagy csomagtöltetek egyre nagyobb arányban nyernek alkalmazást a diffúziós műveleteknél, mivel az egységnyi térfogatban nagy belső felületet tudnak kialakítani kedvező nyomásesés mellett. A csomagtöltetek hullámosított, hajtogatott, szorosan egymás mellé helyezett lemezekből, drótszövetekből stb. állnak. A szalagokat, szitákat szorosan egymás mellé helyezve csomagokká, adott magasságú egységekké formálják. A feladat megvalósításához, az anyagátadáshoz szükséges magasságot a csomagok egymás fölé helyezésével biztosítják. 31. ábra rendezett töltet kialakítást mutat. 31. ábra. Néhány rendezett töltet kialakítás A tálcás tornyok függőleges, hengeres készülékek. A tisztítandó gáz a torony alján lép be, a tálcákon lévő perforációkon, nyílásokon, szelepeken vagy réseken keresztüljutva a torony fejrészénél lép ki. A mosófolyadékot a torony fejrészénél vezetik be, és az a tálcák túlfolyóin keresztül jut le az alatta lévő tányérra, majd a torony aljára. Az réseken áthaladó gáz a tálcán lévő folyadékkal intenzíven keveredik és ezáltal a két fázis között végbemegy az anyagátadás. A tálcás mosókat a beépített tálcák típusa szerint különböztetik meg: buboréksapkás, szitatányéros, szeleptálcás, rácstálcás, billenőelemes stb. A beépített tálcák az érintkeztetés szempontjából egy-egy fokozatot jelentenek. A megvalósítandó koncentráció változás szempontjából annyi tálcát szükséges a készülékbe beépíteni, ahány fokozat az anyagátadás megvalósításához szükséges. Egy buboréksapkás torony vázlatát a 32. ábra mutatja. 32

33 32. ábra. Buboréksapkás torony felépítése 2.2. Adszorpciós gáztisztítás, adszorberek Gőz, gáz vagy folyadék szilárd felületen történő megkötődését adszorpciónak nevezzük. Az adszorbensek porózus szerkezetű anyagok, nagy belső fajlagos felületük van. A nagy fajlagos felület az anyag ultramikroporózus szerkezetének köszönhető. A leggyakrabban alkalmazott adszorbensek az aktív szén vagy koksz, a szilikagél, az aktív alumínium-oxid, és zeolitok (molekulasziták). Legfontosabb tulajdonságaikat 3. táblázat tartalmazza. 3. táblázat. [14] Tulajdonság Aktív szén Aktív Al 2 O 3 Szilikagél Molekula szita Szemcseméret [mm] 1, Gázsebesség [cm/s] , , Nyomásesés 1 m adszorbens rétegen [Pa] 10 cm/s gázsebességnél cm/s gázsebességnél Adszorpciós hőmérséklet [ o C] Regenerálási hőmérséklet [ o C] Fajlagos felület [m 2 /g] Térfogattömeg [kg/m 3 ] Az adszorpció művelete az adszorberben játszódik le, amely során a hordozógázból leválasztandó gáz- vagy gőzkomponens az adszorbens felületén megkötődik. Az adszorpció lehet fizikai vagy kémiai. Fizikai adszorpciónál az elnyeletendő gáz vagy gőz az adszorbens felületén kizárólag fizikai erők hatására kötődik meg. Kémiai adszorpció során az adszorbens a gázt vagy gőzt elnyeli és egyidejűleg vegyi reakció is lejátszódik. A megkötődési jelenség a Van der Waals-erő hatására alakul ki úgy, hogy az adszorbens kapillárisaiban kapilláris kondenzáció játszódik le. Minél több belső kapilláris van és minél kisebb az átmérője, annál több gőzt vagy gázt képes felvenni. Az adszorbens annyi gőzt képes elnyelni, amennyi a kapillárisokon belüli gőznyomást egyensúlyba hozza a vivőgázban levő elnyeletendő gáz parciális 33

34 nyomásával. Az adszorpciós folyamatot hőfejlődés kíséri, az adszorpciós hő számítására [2,13] közöl módszereket és értékeket. A teljes adszorpciós folyamat a gáz megkötődéséből, az adszorpcióból; a megkötött gáznak az adszorbens felületéről történő kihajtásából, a deszorpcióból; és az adszorbens újabb adszorpcióra való előkészítéséből, a regenerálásból; áll. Az adszorpció elvégezhető szakaszosan, nyugvó ágyas adszorberben, vagy folyamatosan mozgó ágyas adszorberben. A szakaszos üzemű adszorberekből általában két vagy több egységet kapcsolnak össze, ezzel a tisztítás folyamatossága biztosítható. 33. ábrán két egységből álló nyugvóágyas adszorber elvi vázlata látható. Az adszorbens ágyat rendszerint ömlesztetten helyezik el az adszorber rácsszerkezetén, de lehetséges olyan megoldás is, ahol egymás fölött az adszorbens ágyakat osztva alakítják ki, mint azt a 34. ábra mutatja. 33. ábra. Két egységből álló adszorber elvi vázlata (1,2. adszorber, 3. aktívszén-ágy, 4. kondenzátor, 5. dekantáló, 6. szennyezett gáz, 7. tisztított gáz, 8. vízgőz vagy forró gáz, 9. könnyű komponens, 10. nehéz komponens) 34. ábra. Négyágyas adszorber vázlata (1. szennyezett gáz, 2. vízgőz, 3. tisztított gáz, 4. gőz a kondenzátorba, 5. aktív szén) 34

35 35. ábra. Fluid, vándorlóágyas folyamatos üzemű adszorber A. adszorpciós rész, B. deszorpciós rész, 1. tisztítandó gáz, 2. tisztított gáz, 3. gőzbevezetés, 4. fűtőgőz, 5. adszorbens szállító gáz, 6. visszanyert anyag gőze, 7. kondenzvíz, 8. szitatálca, 9. előmelegítő csövek A nyugvóágyas adszorberben a szennyezett gáz belépési helye közelében az adszorbens telítődik az adszorptívummal (a megkötendő anyaggal), beáll a dinamikus adszorpciós egyensúly. Ez a réteg további adszorptívumot megkötni nem képes, ezért a folyamatban résztvevő zóna előbbre vándorol az adszorbens rétegben. A folyamat során kialakul egy telített zóna, egy anyagátadási zóna és egy az adszorbeálandó anyaggal még nem érintkezett réteg. Amint az adszorpciós zóna eléri a teljes réteg magasságát, a folyamat eljut az áttörési illetve a kimerülési ponthoz, ahol az adszorpciós műveletet le kell állítani és meg kell kezdeni a deszorpciót. A mozgó adszorbens ággyal működő adszorberben nemcsak a tisztítandó gáz, hanem az adszorbens is mozog. Ezeket általában nagy mennyiségű gáz tisztítására alkalmazzák. A fluidágyas adszorpció és mozgóágyas deszorpció folyamatos üzemű megvalósítását mutatja a 35. ábra. Az adszorpció és a deszorpció egy készülékben játszódik le. 3. Kén-dioxid emisszió csökkentés A tüzelési és a különböző technológiai folyamatokból számos szennyeződés jut a környezetünkbe. A levegőt szennyező kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátásért nagyrészt az erőművek és a tüzelési technológiák tehetők felelőssé, ezért a tüzelési folyamatoknál legáltalánosabban alkalmazott kén-dioxid és nitrogén-oxid leválasztási eljárásokat ismertetjük. A gázhalmazállapotú légszennyezők csökkentése érdekében elsődleges és másodlagos eljárások léteznek. Az elsődleges eljárások célja, hogy a légszennyező anyag létrejöttét akadályozza meg, vagy keletkezési mértékét csökkentse. A másodlagos eljárások a már létrejött légszenynyező gázalkotók utólagos csökkentését célozzák. A füstgázok kén-dioxid és nitrogén-oxid tartalmának csökkentésére elsődleges és másodlagos eljárások is léteznek, az elsődleges eljárások főleg tüzeléstechnikai módszerek, a másodlagos eljárások füstgáztisztítási eljárások. 35

36 Kén-oxidok tüzelés közbeni keletkezésének csökkentését a hamuban történő megkötés javításával lehet elérni. Ennél a módszernél javítani kell a hamutartalomban megtalálható bázikus anyagok (kálcium-, nátrium-, kálium-vegyületek ) és a kénvegyületek találkozási esélyét. Ez a módszer alkalmazható pl. a fluidágyas tüzelésnél, ahol mészkövet vagy mészkőport adagolnak a tűztérbe, a fluidágyhoz. Füstgázok SO 2 tartalmának csökkentésére több mint 50 eljárás ismeretes. Ezek az eljárások jelentősen különböznek aszerint, hogy a leválasztás száraz, nedves vagy félszáraz elven valósul-e meg. Különbözőek a leválasztási eljárások a végtermék értékesíthetősége és a folyamatban történő újra felhasználhatósága szerint, a leválasztás hőmérséklet tartománya szerint. A teljesség igénye nélkül néhány jellegzetes füstgáz tisztítási eljárást mutatunk be Száraz füstgáztisztítás A füstgázok kén-dioxid mentesítésénél az adszorpciós és a katalitikus eljárások találhatók a száraz eljárások között. Az adszorpciós eljárások között említhető meg a szulfacid, amelyben a füstgáz kén-dioxid tartalmát úgy nyerik ki, hogy a portalanított füstgázt lehűtés után nyugvó aktívszén ágyra vezetik. Az aktívszén megköti a kén-dioxidot, majd levegő hatására kén-trioxiddá alakul, amelyet a füstgázban jelenlévő vízgőz kénsavvá alakít. Az aktívszénből a kénsavat vízzel kimossák, így %-os kénsavat nyernek, amelyet a füstgáz hűtésére használnak fel. A Venturi-mosóban a füstgáz lehűl és a kénsav %-ra történő töményedése következik be. A Szulfacid eljárás elvi vázlatát a 36. ábra mutatja. 36. ábra. Szulfacid eljárás elvi vázlata 1. Venturi-mosó, nyugvó aktívszén ágy, 4. keringtető szivattyú, 5. tartály, 6. merülőfejes kénsavbepárló, 7. savhűtő, 8. savszűrő A Reinluft eljárásban tőzegből előállított félkokszot vagy ún. oxikokszot (feketeszénből 50 %-os oxidáció után kokszosítással nyerik, melynek szilárdsági tulajdonságai kedvezőbbek, mint a tőzegé) alkalmaznak adszorbens anyagként. Az eljárás reaktora két részből áll, az adszorberből és a regenerálóból. Kapcsolási vázlata a 37. ábrán látható. A 150 o C-ra lehűtött füstgázt az adszorber-rész alsó szakaszába vezetik. A füstgázban lévő kéndioxid kénsavvá alakul, az előző eljárásnál ismertetett módon. A füstgáz egy részét hőcserélőn keresztül visszavezetik, hogy az adszorberben a hőmérséklet megemelkedését elkerüljék. A kéndioxid mentes füstgáz a torony tetején lép ki. A kénsavval telített aktívszén a torony deszorber részébe vándorol. Itt o C-os inert gázzal deszorbeáltatják az aktív szénben lévő kénsavat, amely kén-trioxidra és vízre bomlik. A kén-trioxidot az aktív szén kéndioxiddá 36

37 redukálja és széndioxid keletkezik. A regenerálóból távozó gáz % kéndioxidot tartalmaz, amelyet a kénsavüzemben dolgoznak fel. 37. ábra. Reinluft eljárás elvi vázlata (1. aktívszén osztályozó, 2. regeneráló (deszorber), 3. adszorber, 4. hűtő, 5. előmelegítő, fúvók, 8. aktívszén adagoló, 10. kénsavüzem) A Bergbau-Forschung eljárás végtermékeként elemi kén keletkezik, kapcsolási vázlata a 38. ábrán látható. A kén-dioxid vándorló aktív koksz ágyban adszorbeálódik. A füstgáz az ágyon keresztirányban áramlik át, a kén-dioxid kénsavvá történő átalakulása megtörténik. Az adszorber alja felé vándorló aktív koksz telítődés után a regenerálóba kerül, ahol 800 o C hőmérsékletű homokkal keverve 650 o C-ra melegszik. Ezen a hőmérsékleten bekövetkezik a deszorpció, a bomlási és a redukciós folyamat (a kénsav elbomlik SO 3 -ra és H 2 O-ra, majd a szén a SO 3 -at SO 2 -vé redukálja). A regenerálóból távozó aktív koksz homok keveréket mechanikus úton, szitálással választják szét. Az aktív kokszot lehűtés után vezetik vissza az adszorberbe, míg a homokot ismét felmelegítik és a füstgáz segítségével juttatják az adszorberbe. A deszorberből nyert kb. 20 térf%-os SO 2 gázt elemi kénné alakítják. Ez az átalakulás az alábbi egyenlet szerint történik: C + SO 2 = CO 2 + S (21) A reakció %-os konverzióval o C-on megy végbe darabos szénnel töltött reaktorban. A gőz formában kiváló ként kondenzátorban gyűjtik össze. Az adszorpciós kén-dioxid mentesítés elvét alkalmazzák azok az eljárások, ahol az adszorbens anyagot a füstgázáramba injektálják. Az injektálás módjára különböző megoldások léteznek. A SO 2 leválasztására leggyakrabban CaCO 3 -t alkalmaznak, de alkalmazható adszorbens anyagként Fe 2 O 3, Al 2 O 3, MnO, Ca 3 O 4 is. A szilárd adszorbensnek a füstgázba történő injektálásával nemcsak a SO 2, hanem egyéb gázkomponensek is pl.hcl is eltávolíthatók. 37

38 38. ábra. Bergbau-Forschung eljárás elvi vázlata (1. vándorlóágyas reaktor, 2. deszorber, 3. aktívkoksz bunker, 4. ciklon, 5. pneumatikus szállítóberendezés, 6. aktívkoksz osztályozó, 7. koksz hűtő, 8. gázkemence, 9.homokfogó kamra, 10. redukáló reaktor, 11. kénelválasztó, 12. füstgázventilátor) A katalitikus füstgáz-kéntelenítő eljárások a kontakt kénsavgyártás elvét használják ki, ugyanis a füstgázban lévő SO 2 -t vanádium-pentoxid (V 2 O 5 ) katalizátoron oxidálják SO 3 -má. A füstgázban lévő vízgőzzel ebből H 2 SO 4 képződik. Az oxidáció lejátszódásához 450 o C körüli hőmérsékletre van szükség. A száraz leválasztó eljárások csoportjába tartozik az elektronsugaras eljárás. Ez az eljárás a kéndioxid és nitrogénoxidok egyidejű leválasztására is alkalmas. Elektronsugárral gyökökre bontják a füstgáz szennyezőanyagait, majd megfelelő kémiai átalakulás után kristályos ammóniumszulfát, kalcium-nitrát formájában leválasztják. Az eljárással nagyobb portartalmú gázok is kezelhetők Nedves füstgáztisztítás A füstgáz kéntelenítési eljárások közül az erőművek legnagyobb része nedvesabszorpciós füstgáztisztító eljárást alkalmaz. Ezeknél a legnagyobb gondot a melléktermékként keletkező szennyvíz illetve iszap elhelyezése jelenti. A legelső és máig is széles körben alkalmazott füstgáz kéntelenítési módszer a földalkáli vegyületekkel történő nedves mosás. Leginkább a mészkőpor, dolomitpor, oltott mész és magnézium-oxid használatos. A 39. ábrán egy meszes abszorpciós eljárás kapcsolási vázlata látható, ahol abszorbensként mésztejet vagy finom szemcsézetű mészkőpor 8-13 %-os szuszpenzióját alkalmazzák a füstgáz mosására. Az eljárás legfontosabb egysége az abszorber, melyben az alábbi reakciók játszódnak le: mésztejjel: Ca(OH) 2 + SO 2 = CaSO 3 + H 2 O (22) mészkővel: CaCO 3 + SO 2 = CaSO 3 + CO 2 (23) Az abszorber alján bevezetett oxidáló levegő hatására gipsz keletkezik: 38

39 CaSO 3 + 1/2 O 2 = CaSO 4 (24) A reakciók során keletkező gipsz értékesíthető és felhasználható, ha az tiszta, szennyeződéstől mentes, ezért a füstgáztisztító rendszerbe belépő füstgázt a szilárd szennyeződésektől egy hatásos porleválasztóban leválasztják. A nedves mosóban az abszorpció hatásossága a hőmérséklet csökkentésével javul, valamint az abszorbens folyadékvesztesége is kevesebb, ha a füstgáz hőmérsékletét hőcserélőben lecsökkentik. Az itt keletkező hő az abszorberből kilépő füstgáz visszamelegítésére fordítható. A füstgáz cseppektől való mentesítésére és visszamelegítésére a kéményben jelentkező savharmatponti problémák miatt van szükség. Az abszorpció lefolytatása olyan készülékben lehetséges, amelyben az eldugulás veszélye nem jelentkezik, ezért legtöbbször Venturi-, mozgóréteges, fluid diszperz, stb. mosókat alkalmaznak. A keletkező gipsz jól ülepedő iszap formájában van jelen, amelyet hidrociklonokban és vákuumszűrőben választanak el a vizes fázistól. 39. ábra. Meszes-abszorpciós füstgáztisztítás (1. hőcserélő, 2. abszorber, 3. permetező elemek, 4. cseppleválasztó, 5. porleválasztó, 6. ventilátor, 7. oxidációs levegő ventilátor, 8. abszorber tartály, 9. mészhidrát tartály, 10. hidrociklon, 11. vákuum szalag-szűrő, 12. gipsz szárító, 13. vízkezelés, 14. recirkulációs tartály, 15. szivattyú, 16. mészkő tartály) A nedves füstgáz kéntelenítés egy másik, igen elterjedt változata a nátriumvegyületekkel történő tisztítás. Abszorbensként a nátronlúg vagy a nátriumsók vizes oldatát alkalmazzák. A nátriumsók oldhatósága a meszes szuszpenziós eljárásokban alkalmazott abszorbens anyagok és a belőlük képződött termékek oldhatóságát felülmúlja, így a nátriumvegyületekkel történő füstgáz mosáskor a lerakódási, eldugulási és eróziós problémák elmaradnak. A legismertebb nátriumvegyületes eljárás a Wellman-Lord eljárás, amely alapreakciója: SO 2 + Na 2 SO 3 + H 2 O = 2 NaHSO 3 (25) Regeneráláskor a reakció úgy megy végbe, hogy SO 2 szabaduljon fel. A 40. ábrán bemutatott eljárásnál a füstgáz először a kvencs toronyba jut, ahol lehűl és a szilárd komponensek leválasztásra kerülnek. Az abszorberben ellenáramban találkozik a mosófolyadékkal. A mosófolyadék a regenerálás után visszatáplált szulfitoldat, amelyet szükség esetén NaOH-oldattal erősítenek fel és a mosófolyadék-gáz optimális értékének megfelelően keringetnek. Az abszorber alján összegyűlő biszulfitos mosófolyadékot a bepárlóba táplálják. A bepárlóban keletkező kristályzagyot (Na 2 SO 3 ) elválasztják az anyalúgtól. A kristályos 39

40 Na 2 SO 3 az oltótartályba jut és oldatként kerül vissza az abszorberbe. A bepárlóból távozó vízgőz kb. 10 % SO 2 -t tartalmaz. A vízgőz kondenzáltatása után a SO 2 tartalom kb. 60 %-ig növelhető. A lekondenzált vizet a nátriumszulfit-oldó tartályba vezetik, így az oldatban lévő SO 2 -t is hasznosítják. A keletkező SO 2 -t vagy kénsavgyártásnál használják fel vagy elemi ként állítanak elő belőle. 40. ábra. A Wellmann-Lord eljárás elvi vázlata (1. vizes előmosó, hőcserélő, cseppleválasztó, 4. abszorber, szivattyú, 6.7. bepárló kristályosító, 8. kondenzvíz tartály, 12. kihajtó oszlop, 14. oldótartály,17. kén-dioxid kompresszor) 3.3. Félszáraz füstgáztisztítás A kvázi száraz vagy félszáraz füstgáztisztításként ismert eljárás lényegében a meszes abszorpció elvén alapul, azonban a műveletet úgy hajtják végre, hogy a melléktermékként keletkező - az említett példában gipsz - száraz formában kerül ki a rendszerből, elkerülve ezzel a szennyvízkezelés problémáját. A 41. ábrán látható kapcsolási vázlaton a porlasztó szárítóban (1) a belépő forró füstgázzal a (5) tartályból érkező kalciumszulfitban dús zagy érintkezik. A porlasztó szárítóban száraz termék - gipsz - keletkezik, a füstgáz lehűl és nedvességgel telítődik. A füstgáz a porleválasztó ciklonba kerül (2), ahol a gázárammal elragadott szilárd részecskék leválasztásra kerülnek. A nedves mosóban (3) a füstgáz teljes tisztítása megtörténik, majd a ventilátoron (4) keresztül kerül elvezetésre. 40

41 41. ábra. Félszáraz füstgáztisztítás kapcsolási vázlata 4. Nitrogén-oxid füstgáztisztítási eljárások Az oxigén és a nitrogén különböző oxigénvegyületet képezhet egymással (NO, NO 2, N 2 O, N 2 O 3 stb.). Égési folyamatok során keletkező füstgázban különböző arányban található NO, NO 2, melyeket gyűjtő néven nitrogénoxidoknak hívunk és NO x -el jelölünk. A nitrogénoxidok toxikus légszennyező, tüdő-és légúti ártalmak előidézője valamint jelentősen hozzájárulnak a savas esők kialakulásához. Az erdők károsodásában szerepet játszik a légtér ózontartalmának megváltozása. A NO x önmagában jelentéktelen ózon-koncentráció változást okoz, szénhidrogének jelenlétében azonban az ózonképződés megnövekszik. A tüzelési folyamatok NO x kibocsátásának csökkentése alapvetően kétféle módszerrel lehetséges. Az egyik megoldás olyan égető rendszer alkalmazása és/vagy az égési folyamat oly módon történő szabályozása, hogy a tűztérben keletkező nitrogén-oxidok mennyisége minimális legyen. A másik megoldás, a tüzelési folyamatból származó füstgáz kezelése különböző tisztítási eljárásokkal. Füstgázok NO x tartalmának csökkentésére nedves és száraz eljárások léteznek. Az előző fejezetben már ismertetett nedves, abszorpciós módszerek különböző hatásossággal alkalmasak lehetnek NO x tartalom csökkentésére is, azonban üzemi körülmények között - alacsony hatásfokuk miatt - kevésbé alkalmazzák. Az abszorpciós eljárásoknál a tisztítandó gázt mosótoronyba (permetező, Venturi, töltött stb.) vezetik. Az eljárások között alapvetően az abszorbens anyag jelenti a különbözőséget. Az abszorpciós eljárások egyik fő problémáját a folyadék regenerálása jelenti. A száraz eljárások közül ipari méretekben a katalizátor nélküli és a katalizátoros redukciós eljárásokat alkalmazzák. A katalizátor nélküli redukciós eljárásoknál (SNCR selective noncatalytic reduction) a füstgáz nagy hőmérsékletű szakaszán a füstgázhoz redukálószert kevernek. Redukáló gázként CH 4, CO és NH 3 használható. A metán és a szénmonoxid oxigén jelenléte nélkül fejt ki hatékony redukciót. A tüzeléseknél a füstgáz gyakorlatilag mindig tartalmaz oxigént, ezért ipari alkalmazásoknál az ammóniát használják redukáló gázként o C közötti hőmérséklet tartományban az alábbi reakciók játszódnak le oxigén jelenlétében: 41

42 4NH 3 + 4NO + O 2 = 4N 2 + 6H 2 O (26) 4NH 3 + 2NO 2 + O 2 = 3N 2 + 6H 2 O (27) Oxigén jelenlétében 1000 o C felett: 4NH 3 + 5O 2 + 4NO = 6H 2 O (28) 4NH3 + 3O 2 + 4N 2 = 6H 2 O (29) 4NH 3 + 4O 2 + 2N 2 O = H 2 O (30) A hőmérséklet hatását a redukciós folyamatra a 41. ábra mutatja. 42. ábra. A hőmérséklet hatása a redukciós folyamatra Az ábrából látható, hogy viszonylag szűk hőmérséklet-tartományban lesz az ammónia és a nitrogénoxid kibocsátás egyidejűleg minimális. E redukciós módszer alkalmazásánál a füstgáz nitrogén-oxid tartalmát és a beadagolt ammónia mennyiségét folyamatosan kell ellenőrizni, nehogy az NO x helyett ammónia kibocsátás szennyezze a környezetet. A redukciós folyamatot a füstgáz kéndioxid tartalma zavarja, mivel ammónium-szulfát keletkezik. Az ipari gyakorlatban elterjedt megoldás, a katalizátor jelenlétében történő redukciós eljárás. A katalitikus redukáló eljárások (SCR selective catalytic reduction) lényege, hogy a tisztítandó NO x tartalmú gázt valamilyen redukáló gázzal keverik és katalizátor jelenlétében redukálják. A katalitikus redukáló eljárások az alkalmazott redukálószer és a katalizátor-anyag tekintetében különböznek. A redukciós folyamat redukálószertől függően az alábbi reakcióegyenletek szerint megy végbe: 2NO + 2CO = N CO 2 (31) 2NO CO = N 2 + 4CO 2 (32) 2NO 2 + 2H 2 = N H 2 O (33) 4NO + CH 4 = 2N 2 + CO 2 + 2H 2 O (34) 2NO 2 + CH 4 = N 2 + CO 2 + 2H 2 O (35) A redukáló gáztól függően a redukció különböző hőmérsékleten megy végbe, pl. 150 o C-on a hidrogéngáz, 450 o C-on a földgáz, 350 o C-on a szénmonoxid jelenlétében. Az SCR eljárásnak több mint 600-féle katalizátor anyagát fejlesztették ki. Leggyakoribb katalizátor anyagok: 42

43 platina és ötvözetei, CuO, Cr 2 O 3, NiO, Fe 2 O 3, TiO 2, ZnO, BaO. A katalitikus redukáló eljárás hátránya, hogy a katalizátor rendkívül érzékeny a füstgáz egyéb szennyezőire pl. porra, koromra, nedvességre. A katalitikus redukció elvi vázlata a 43. ábrán látható. 43. ábra. A katalitikus redukció elvi vázlata A katalizátor alakja és a katalizátor ágy kialakítása a füstgáz összetételének megfelelően változhat. A füstgáz portartalmától függően alkalmaznak katalizátormasszával bevont méhsejt típusú, csöves, lemezes és golyós katalizátor formákat, rögzített és mozgó katalizátorágyas kivitelben. A különböző típusú katalizátorokból cellákat alakítanak ki. A katalizátor elemek kialakítását és a cellák elrendezését, valamint a katalizátor egység vázlatát a 44. ábra mutatja. A katalizátor cellákat modulokká fogják össze, amelyek egy katalizátor-réteget alkotnak. A katalizátor ágy tisztítása levegővel vagy gőzzel történik. Az esetleg ammóniumhidrogénszulfátból képződő lerakódások eltávolítását adalékanyagot tartalmazó vízzel végzik. A katalizátor blokk a füstgáz-ág különböző szakaszaiba építhető be. A beépítés helye alapvetően a katalizátor anyagától és a kialakításától függ. A beépítést meghatározza, hogy a katalizátor milyen hőmérsékleten működtethető a legjobban, milyen az elemek kialakítása a porra való érzékenység szempontjából és mennyi érzékeny a katalizátor anyaga a füstgáz egyéb komponenseire pl. kén-dioxidra, vízgőzre. 44. ábra. A katalizátor egység felépítése, az elemek és a cellák kialakítása 43

44 A tisztítandó füstgázok a nitrogén-oxidok mellet gyakran szilárd részecskéket és kéndioxidot is tartalmaznak. Ilyen esetben a katalizátor beépítésére több változat lehetséges, melyet a fenti szempontok határoznak meg. A 45.a ábrán a katalizátor blokk a füstgázáram nagyhőfokú és nagy porkoncentrációjú szakaszába van beépítve, ezt követi a porleválasztó és a nedves kén-dioxid mentesítő egység. A 45. b. ábrán a katalizátor a porleválasztó után került beépítésre. A 45.c. ábrán a katalizátor a tisztított füstgáz ágba a porleválasztó és a nedves kén-dioxid leválasztó után - került. A nedves kén-dioxid leválasztót elhagyó gáz hőmérséklete alacsony, ezért a füstgázt a katalizátor működési hőmérsékletére fel kell melegíteni. A 46. ábra egy széntüzelésű erőmű füstgáztisztító rendszerét mutatja. A kazánt elhagyó füstgáz négy-fokozatú négyfokozatú katalitikus nitrogén-oxid mentesítőn halad keresztül. A katalizátor blokk kialakítás szempontjából nem mutat érzékenységet a füstgáz portartalmára. A nitrogén-oxidok bontásához szükséges ammóniát az ammónia ellátó egység biztosítja. A zsákos porszűrő előtt a füstgáz hőcserélőben hűl le. A porleválasztó után elhelyezett második hőcserélő biztosítja a nedves kéntelenítőbe belépő füstgáz hűtését az abszorberbe történő belépéshez szükséges hőmérsékletre. Nagyhőfokú füstgáz bevezetése esetén a nedves érintkeztetőben jelentős víz (oldószer) fogyás jelentkezik, valamint az abszorpció szempontjából is előnyösebb az alacsonyabb füstgázhőmérséklet. A jó füstgáz és elnyelető folyadék érintkeztetés esetén az abszorbert elhagyó gáz nedvességtartalom szempontjából csaknem telített lesz, ezért a kéményen keresztül történő áthaladáskor, a hűlés következtében a nyomokban jelenlévő SO x és NO x miatt - savas folyadék lecsapódása várható. A kéményen keresztül történő kilépés előtt a gázt az ún. savharmatponti problémák elkerülése miatt fel kell melegíteni. A felmelegítés egyik lehetősége, hogy a füstgázhoz forró levegőt kevernek, melyet az ábrán bemutatott esetben az égéshez használt levegőáramból vesznek el. A tisztított füstgáz a kéményen keresztül távozik. 44

45 a. Katalizátor beépítése a nagy hőfokú, nagy portartalmú füstgáz ágba b. Katalizátor beépítése a nagyhőfokú, kis portartalmú füstgáz ágba c. Katalizátor beépítése a tisztított füstgáz ágba 45. ábra. Katalizátor blokk beépítési lehetőségei (1. kazán, hőhasznosító, 2. nitrogén-oxid mentesítő egység, 3. hőcserélő, 4. porleválasztó, 5. hőcserélő, 6. nedves kéntelenítő, 7. kémény, 8. hevítő kamra) 45

46 46. ábra. Széntüzelésű erőmű füstgáztisztító rendszere 5. Dioxin emisszió csökkentési lehetőségek A dioxin egy vegyületcsalád neve. Dioxin elnevezésen a poliklórozott dibenzo-p-dioxin (PCDD) és a poliklórozott dibenzo-p-furán (PCDF) vegyületet, illetve valamennyi izomerjének keverékét értik és ezeket nevezik összefoglalva dioxinoknak. A poliklórozott dioxinok csoportja 210 vegyületből, illetve izomerből áll. Ezek legtöbbje abban a koncentrációban, ahogy általában előfordul nem jelent veszélyt az egészségre. A 210 vegyület közül 17-ről bebizonyították, hogy toxikus. A dioxinok szerkezetüket tekintve három gyűrűből álló heterociklusos aromás vegyületek, melyeknél a klóratomok különböző számban és helyen helyezkedhetnek el. A legnagyobb toxicitása a 2,3,7,8-tetraklór-dibenzo-dioxinnak van, amelyet 2,3,7,8-TCDD rövidítéssel szoktak jelölni, szerkezete 47.a. ábrán látható. Az ugyancsak gyakran emlegetett 2,3,7,8-tetraklór-dibenzofurán szerkezete a 47.b. ábrán látható. a. tetraklór- dibenzo-dioxin b. tetraklór-dibenzofurán 47. ábra. A dioxinok szerkezeti felépítése 46

47 A dioxin vegyületek toxicitás szempontjából különbözőek. A környezetben a PCDD-k és PCDF-ek csak komplex keverékben fordulnak elő, így a keverékben előforduló komponensek toxicitását súlyzó faktorral veszik figyelembe, amely alapján az ún. toxicitási egyenérték meghatározható. A különböző kibocsátási forrásokra a határértéket is az ílymódon megállapított toxicitási egyenértékben adják meg (pl. hulladékégetők dioxinokra vonatkozó technológiai kibocsátási határértéke mgte/nm 3 ). Dioxint tudatosan nem állítanak elő, nincs ismert felhasználási területe. Néhány kémiai folyamat melléktermékeként jelentkezik. Ilyen folyamatok pl. a fa égetése, az erdőtűz, a szénégetés, a szemétégetés. A dioxinok létezéséről már régóta tudnak, de a közvélemény figyelmét a vietnami háború alatt vonták magukra, amikor megtalálták a vegyületeket az Agent Orange néven ismert harci lombtalanító anyagban. Nagyobb mennyiségben dioxinok ezenkívül 1976-ban Olaszországban egy vegyi üzem robbanása után kerültek a környezetbe. A különböző országokban végzett vizsgálatok bebizonyították, hogy a dioxin nyomokban mérhető a környezetben (a levegőben, talajban, vízben, növényzetben, a házi- és vadállatokban sőt az emberi szervezetben is), valódi veszélyt a táplálkozási láncban való akkumulálódó képességük miatt jelentenek. A dioxinok keletkezésének két forrása van: az elsődleges (kémiai és termikus) és a másodlagos ( a korábban képződött dioxinok újra felszabadulásának) forrásai. Az elsődleges forrásokat a szerves anyagok égetése és a klórozott vegyület kémiai reakciója jelenti. Számos égetési eljárás során keletkezik dioxin, azonban nagyobb koncentrációban a városi szemét, a kórházi és ipari hulladékok, fáradt olajok égetése, erdőtüzek során keletkező füstgázokban és a cigarettafüstben van. Az ipari eljárások során a kemikáliák, a színezékek, az ásványolajok gyártása, a papír, a textil, a fa feldolgozás során keletkezhetnek dioxinok. A másodlagos források szempontjából említésre méltó még a veszélyes hulladék lerakás, a szennyvíziszap elhelyezés. Az égetési folyamatok során keletkező dioxinok képződésére a o C hőmérséklet a legkedvezőbb. Leválasztásuk egyik problémáját az jelenti, hogy a füstgáz csatorna különböző hőmérsékletű helyein újra keletkeznek és átalakulnak, valamint a szilárd részecskék felületén is előfordulhatnak. Az égetés során keletkezésük minimalizálható, ha a füstgáz 1000 o C fölötti hőmérsékleten pár másodpercig tartózkodik. Klórtartalmú vegyületek égetésénél előírás pl o C-os hőmérsékleten, legalább 2 másodperces tartózkodási idő biztosítása. Dioxinok leválasztására számos módszer ismeretes, mivel azonban vízoldhatóságuk kicsi, alapvetően a száraz adszorpciós elvű leválasztást alkalmazzák. A kibocsátás csökkentésének első lépése a jó hatásfokú porleválasztás, mivel a szilárd részecskék felületén is megkötődnek. A porleválasztás szempontjából a száraz elven működő leválasztók bármelyike az egyéb szempontok figyelembe vételével alkalmazható. Az üzemi tapasztalatok azt mutatták, hogy sok esetben a porszűrők nagyon jó eredményt biztosítottak. A leválasztás második lépése az adszorpciós elvű emisszió csökkentés. Az adszorbens aktív szén, aktív koksz, mészkő stb. lehet. Az adszorpciós megkötés megvalósítható álló vagy mozgóágyas adszorberben (kisebb füstgáz mennyiségek esetén általában a két-vagy több oszloppal működtetett nyugvóágyas adszorpciót, míg nagyobb füstgázmennyiségeknél a csúszóágyas adszorpciót alkalmazzák). A dioxinok adszorpciós elven történő megkötésének egy másik módja, amikor az adszorbens a füstgáz ágba injektálják, majd jó hatásfokú leválasztóban eltávolítják a felületére adszorbeálódott dioxinnal együtt. 47

48 5.1. Hulladékégetők füstgáztisztítási lehetőségei Dioxinok keletkezésének jelenleg egyik, legtöbbet támadott területe a hulladékégetés. A hulladékok megsemmisítésének számos módszere közül az égetéses eljárás legfőbb előnye, hogy a hulladék legnagyobb mértékű térfogat csökkenése megy végbe és bizonyos mértékű hasznosítható energia is keletkezik. Égetéskor az égetési viszonyoktól és a szemét összetételétől függően a füstgáz a vízgőzön és a szén-dioxidon kívül sokféle nemkívánatos égésterméket is tartalmaz. A főbb légszennyező komponensek: - porok: szerves és szervetlen porok, por-alakú nehézfémek, - aeroszolok: szilárd/folyékony lebegő anyagok, melynek jellemző mérete kisebb 1 m-nél, - gőzállapotú szennyezők: fémek, fémoxidok, fémkloridok, - gázállapotú szennyezők: klór-, fluor-, kén-, nitrogén-, szerves- vegyületek, szén-monoxid, PCDD és PCDF. Az égetési hulladékok csoportosíthatók a keletkezési helyük szerint: a./ települési (kommunális, városi, háztartási) hulladék, b./ ipari hulladék (iparáganként és technológiánként változó összetétellel), c./ mezőgazdasági hulladék( a növénytermesztés, az állattenyésztés és a kiegészítő tevékenységek hulladékai), d./ speciális (különleges) hulladék, amely alatt a kórházi hulladékokat, a fertőzött élelmiszereket, az elhullott állati tetemeket, a robbanás- és mérgezésveszélyes anyagokat, a radioaktív hulladékokat értjük. A kommunális hulladék átlagos összetétele és jellemzői Magyarországon: Tömeg: 0,3 kg/(nap, lakos) Térfogattömeg: 157 kg/m 3 Nedvességtartalom: 43,8 % Kéntartalom: 1-5 kg/t Hamutartalom: 14,2 % Fűtőérték: 6490 kj/kg A 48. ábrán láthatóak a szomszédos országok egy főre jutó települési szilárdhulladék értékei. 48

49 48. ábra. A lerakott települési szilárd hulladék egy főre jutó értéke [???] Kommunális hulladékégetők füstgázainak átlagos szennyezőanyag koncentrációja: Szilárd anyag: 2-15 g/m 3 Kén-dioxid: mg/m 3 Sósav: mg/m 3 HFl: mg/m 3 Nitrogén-oxidok: mg/m 3 Szénmonoxid: mg/m 3 Magyarországi hulladékégetők technológiai kibocsátási határértékei (a füstgáz szennyezőanyag tartalma félórás középértékben nem haladhatja meg az alábbi értékeket): Szilárd anyag: 30 mg/m 3 Kén-dioxid: 200 mg/m 3 Nitrogén-oxid: 400 mg/m 3 Szén-monoxid: 100 mg/m 3 Sósav: 50 mg/m 3 Poliklórozott dibenzo-dioxin és dibenzo-furán tartalma a mintavételi idő átlagában nem haladhatja meg az mgte/nm 3 értéket. Dioxinok és furánok szemétégetéskor történő keletkezésének lehetőségei: 1. A klórozott dioxinok és furánok a szeméttel kerülnek be a tűztérbe és egy részük nem bomlik el a tüzelés folyamán. 2. A dioxinok és a furánok a tüzeléskor keletkeznek, klórozott aromás szénhidrogénekből, mint pl. poliklórozott bifenilekből (PCB), vagy klór-fenolokból (PCF), de a szemét PVC tartalma is lehet klórhordozó. Az újonnan keletkezett PCDD/PCDF egy része a tűztérben ismét elbomlik. 3. A dioxinok és a furánok az égetésnél, vagy azt követően a kazán hidegebb füstgázhőmérsékletű részeinél keletkeznek szerves anyagok és szervetlen klórtartalmú vegyületek komplex reakcióinak sorozatában. Légszennyezés csökkentési lehetőségei: 1. A szennyezést okozó anyagok mennyiségének csökkentése mind a hulladékban, mind a tüzelőanyagban. 49