Diagnostika v okoljskem strojništvu - vaje

Transkript

1 Marko Hočevar, Brane Širok - vaje študijsko gradivo za vaje predmet Diagnostika v okoljskem strojništvu Ljubljana, november

2 Kazalo Kazalo... 2 Uvod: Študijski red... 3 Študijske obveznosti... 5 Laboratorijska vaja 1. Trikotni preliv... 6 Laboratorijska vaja 2. Merjenje in modeliranje parametrov prenosa toplote in snovi na plasti granuliranega odpadnega blata Laboratorijska vaja 3. Čiščenje dimnih plinov, čistilna naprava bloka 4 Termoelektrarne Šoštanj Laboratorijska vaja 4. CČN Domžale Kamnik Laboratorijska vaja 5. Čistilne naprave za čiščenje dimnih plinov v podjetju URSA Laboratorijska vaja 6. Pnevmatski transport in ciklonski ločevalnik delcev Literatura

3 Uvod: Študijski red Pri predmetu Diagnistika v okoljskem strojništvu sta tedensko dve uri vaj, skupno 30 ur vaj, od tega 12 ur vaj v razredu in 18 ur vaj v laboratoriju. Študijski red pri vajah v učilnici Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija za vodne in turbinske stroje, pošiljal pa vam jih bom tudi na e- poštni naslov letnika. Predloge za vaje se pogosto spreminjajo, prosim vas, da pred posamezno vajo preverite, če imate na voljo zadnjo verzijo predloge za posamezno vajo. Študijski red pri vajah v laboratoriju Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena kovinska vrata, v nadstropju. Študentje se razdelijo v skupine, vaje pa potekajo v teh skupinah zaporedno. Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si morajo študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno predlogo za vaje. Laboratorijske vaje potekajo tudi na industrijskih merilnih postajah in z industrijskimi merilniki. Zato študente prosimo, da skrbijo za varnost pri delu: pri priključitvi električnih naprav, da ne posegajo v vrteče dele naprav, da opozorijo asistenta na možno nevarnost npr. zaradi pomankljivo izvedene električne napeljave, vpetja vrtečih naprav itd. Prav tako morajo študentje pri izvedbi vaje upoštevati, da delo poteka v omejenem prostoru laboratorija LVTS in da pazijo, da pri delu po pomoti ne odrinejo ostalih študentov v smeri vrtečih strojev. Vsako nevarnost oziroma nepravilnost morajo študentje javiti asistentu. 3

4 Udeležba pri vajah v laboratoriju je obvezna. Prisotnost na vajah preverja asistent. Študent mora vsako morebitno odsotnost zaradi zdravstvenih težav javiti asistentu po elektronski pošti. Študent v primeru odsotnosti pri vajah zaradi zdravstvenih težav po potrebi v dogovoru z asistentom opravi drugo aktivnost, povezano s predmetom. Pri vajah izven Fakultete za strojništvo vaje potekajo v dogovoru z zunanjo inštitucijo. Študentje morajo upoštevati delovni red, ki velja na zunanji inštituciji in upoštevati navodila skrbnika in asistenta. 4

5 Študijske obveznosti Študent mora za uspešno opravljene vaje iz predmeta Diagnostika v okoljskem strojništvu sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah, izdelati poročila za vse laboratorijske vaje in jih oddati asistentu, ter uspešno zagovarjati vaje na kolokviju. Termini laboratorijskih vaj izven FS Predvidene so tri vaje na terenu (termini bodo javljeni kasneje) - Centralna čistilna naprava Domžale, - Čistilna naprava dimnih plinov Termoelektrarne Šoštanj, - industrijska čistilna naprava dimnih plinov iz kupolne peči Knauf Škofja loka. 5

6 Laboratorijska vaja 1. Trikotni preliv Datum: 4.3. in Uvod S trikotnim merilnikom merimo pretoke vode v odprtih kanalih. Prelivi so približno ekvivalentni zaslonkam, ki se uporabljajo v zaprtih kanalih. Vaja bo potekala na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v Ljubljani, laboratoriju za hidravlične raziskave, Hajdrihova 28. Slika. Laboratorij za hidravliko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo. Na levi sta dva prelivna umirjevalnika toka (zgornji večji je povsem na levi slike, spodnji manjši pa je v sredini). Meritev se bo izvajala s tlačnimi merilniki in industrijskim panelnim računalnikom z merilno kartico. 6

7 Slika. Na zgornji sliki je viden kanal, ki se konča s trikotnim prelivom. Na spodnji sliki je celoten kanal. 7

8 Slika. Shema postaje, v katero je vključen trikotni preliv. V trikotni preliv potuje voda iz rezervoarja v kleti s črpalko v umirjevalnik toka 1, v umirjevalnik toka 2, v vodostan, preko ventila za vodostanom pa nato v kanal pred trikotnim prelivom. Za trikotnim prelivom se nato voda zliva nazaj v rezervoar v kleti. V kleti laboratorija je rezervoar s 60 m 3 vode. Vodo črpajo tri črpalke v zgornji umirjevalnik, uporabi črpalko z nazivnim pretokom 50 l/s, ki jo krmiliš preko frekvenčnega pretvornika na steni laboratorija. Delovno točko nastavi s frekvenčnim pretvornikom tako, da bo v spodnjem umirjevalniku dovolj vode, da bo del vode odtekal naravnost nazaj v rezervoar v kleti. Odpri vse ventile, ki so na cevovodu od spodnjega umirjevalnika do trikotnega preliva in zapri vse, ki vodo usmerjajo na turbino. Za meritve moraš zagotoviti stacionaren pretok preko trikotnega preliva. Pretok izmeriš preko meritve višine vode pred trikotnim prelivom. Višino vode boš na prelivu izmeril na dva načina, z merilnikom tlaka in z ročnim merilnikom višine vode, ki je ob prelivu. Hidravlično priključi merilni pretvornik za tlak, določi višino celice in ga odzrači. Električna priključitev je že izvedena, če vključiš merilno omarico. Za delo z ročnim merilnikom višine vode preglej, kakšna je izmerjena vrednost v primeru, da vode v kanalu ni. 8

9 Pretok, ki ga boš določil s trikotnim prelivom, primerjaj z meritvoji, ki jo prebereš z merilnikom pretoka ABB Watermaster. Elektromagnetni merilnik pretoka je nameščen pred Merjenje pretoka s trikotnim prelivom Trikotni preliv je namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Višina vode na prelivu je merilo za velikost volumskega pretoka. Na sliki sta prikazana trikotna preliva s kotoma =90 in =45. Slika: Trikotni preliv, namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih kanalih. Zgoraj preliv s kotom =90, spodaj preliv s kotom =45. Pretok čez preliv je vsota pretokov skozi infinitezimalno tanke namišljene šrafirane površine po celotni višini vode H. Ker je 9

10 višina vode za vsako lego površine različna, je različna tudi hitrost iztekanja. Predpostavimo element z višino h na višini h. Trikotni preliv nadomestimo z dvema pravokotnima trikotnikoma. Širino elementa b zapišemo z naslednjo enačbo [Rajar, 1986]. b 2 2 H h tan Površina A šrafiranega elementa na sliki je enaka produktu višine in širine. A 2 2 H h tan h Hitrost iztekanja zapišemo enako kot hitrost iztekanja tekočine iz rezervoarja. Hitrost iztekanja narašča korensko z višino vode nad površino iztekanja. v 2gh Pretok preko infinitezimalno tankega elementa preliva je produkt njegove površine in hitrosti toka. Q H h tan gh h Če gornji izraz integriramo med h=0 in h=h, dobimo naslednji izraz. 10

11 Q 2 tan tan 2 2g H 0 2g H Hh 5/ 2 1/ 2 h 3/ 2 dh 2 tan 2 2 2g H 3 5/ H 5/ 2 Teoretično izpeljan pretok ni natančno enak izmerjenemu, zato uvedemo koeficient pretoka C d, tako da je dejanski pretok enak 8 Q Cd tan 2g H / 2. Trikotni preliv ima prednost pred pravokotnim, saj se pri trikotnem prelivu oblika prelivnega polja hitrosti (angleško: nappe) relativno malo spreminja. To pomeni, da se s pretokom Q koeficient pretoka C d prav tako manj spreminja. S trikotnim prelivom lahko merimo pretoke v velikem intervalu glede na velikost pretoka. Pravo vrednost preberi iz slike, ki je obešena na steni in je na sliki spodaj. 11

12 Slika. Karakteristika trikotnega preliva. Merilna oprema Na voljo bo naslednja merilna oprema: - merilniki diferencialnega tlaka ABB 264DS, - elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster - panelni računalnik z merilno kartico v električni omari na sredi laboratorija, - umirjevalna komora ob robu preliva z mehansko napravo za odčitavanje višine vode. Naloga - priključi merilno opremo, odzrači merilnik tlaka in upoštevaj njegovo višino, - določi tri delovne točke trikotnega preliva, 12

13 - izmeri višino vode pred trikotnim prelivom s tlačnim merilnikom in ročnim merilnikom višine vode, - po potrebi spremeni čas povprečenja tlačnega merilnika, - določi pretok vode preko trikotnega preliva za oba načina merjenja, - nariši skico meritve, - napiši poročilo o izvedbi vaje. 13

14 Laboratorijska vaja 2. Merjenje in modeliranje parametrov prenosa toplote in snovi na plasti granuliranega odpadnega blata Datum: datum bo določen kasneje Uvod V čistilnih napravah nastaja odvišno blato. Zakonodaja ne dovoljuje odlaganja blata iz čistilnih naprav na deponijah, zato je možno blato odlagati na poljih (če blato ne vsebuje težkih kovin oziroma če parametri blata ustrezajo za odlaganje na polja) ali sežigati v sežigalnicah. Če je na razpolago dovolj kmetijskih površin, je ekološko in ekonomsko najbolj primerna uporaba stabiliziranega in higieniziranega blata za organsko gnojilo. V ta namen lahko blato stabiliziramo in higieniziramo na tri načine: (1) v anaerobnih reaktorjih (gniliščih) s proizvodnjo bioplina za pogon čistilne naprave. Anaerobno blato se v anaerobno zgoščevalcu zgosti in na sušilnih gredah posuši, ali pa se, brez sušenja, do končnega odvoza na polja, deponira v depojskih lagunah. Pri mehanski dehidraciji se deponira na pokritih odlagališčih. Salmonele v deponiranem blatu odmrejo po enem do dveh mesecih. (2) blato se aerobno stabilizira. Čiščenje odpadne vode in stabilizacija blata se izvrši v ločenem ali v istem aerobnem reaktorju. Blato se zgosti, posuši ali mehansko dehidrira, v deponiji higienizira in po približno 2 mesecih odlaga na poljih. 14

15 (3) tretji način, ki je manj v uporabi, je aerobna termična stabilizacija in pasterizacija blata. Pri tem postopku se odvišno blato segreva - pasterizira - v ločenem reaktorju z lastno energijo, ki se sprošča med oksidacijo preostanka organske snovi v blatu. Če blata iz čistilnih naprav ni mogoče odlagati na poljih oziroma če nimamo na voljo dovolj velikih površin, je potrebno odvišno blato mineralizirati, pred tem pa še posušiti. V ta namen blato mehansko dehidriramo s stiskanjem ali centrifugiranjem. Blato tako lahko (1) najprej posušimo in nato sežgemo v lastni sežigalnici ali skupni sežigalnici za komunalne odpadke (2) brez sušenja z direktnim sežigom mehansko stabiliziranega blata. V tej vaji bomo obravnavali sušenje blata za kasnejši sežig v sežigalnici. 15

16 Uvod Meritve bodo izvedene na obstoječi eksperimentalni postaji, ki je prikazana na sliki. Merilna postaja je namenjena analizi časovno spremenljivih aerodinamskih in termodinamskih procesov na poljubnih granuliranih materialih. V postaji je možno spreminjati nslednje integralne parametre: - nasipna gostota vzorčnega granuliranega materiala, - debelina plasti materiala, - obtočna hitrost volumski pretok toka vročega zraka v obtočnem sistemu, - volumski tok zraka v odsesovalnem sistemu in - vnesena električna moč na grelcih v obtočnem sistemu. V odvisnosti od navedenih spremenljivk merilna postaja omogoča merjenje časovno spremenljivih parametrov procesa: -mase vzorca pred eksperimentom -temperature zraka v obtočnem sistemu, -temperature zraka v odsesu iz sistema, -diferenco statičnega tlaka na plasti granuliranega materiala, -relativno vlažnost zraka v toku odsesa iz sistema in -maso vzorca pred in po eksperimentu. Aktivna površina vzorca znaša 500 X 500 mm, maksimalna nasipna višina pa je cca 250 mm. Postaja omogoča simulacijo realnih temperaturnih in aerodinamskih razmer v realnih sušilnih komorah z aktivnim prepihovanjem vročega zraka maksimalne temperature cca 200 C, čeprav za sušenje blata ne potrebujemo temperatur, višjih od 70 C. V postaji vroč zrak prepihava plast sušenega blata. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz sušilne komore in ga vodimo skozi radialni odsesovalni ventilator preko zaslonke v dimnik. 16

17 Merilna postaja Model sušilne komore posnema dejansko sušilno komoro. Največja razlika med izvedbo in modelom je, da v izvedbi plast sušenega blata potuje skozi komoro na tekočem traku, pri modelu pa ga vstavimo vanjo na začetku, nato pa v njej miruje. Druga pomembna razlika je način dovajanja energije, pri izvedbi je to s plinskimi gorilniki, pri modelu pa z električnimi grelniki. Sušilne komore za blato imajo več nadstropij, to pomeni, da blato potuje najprej skozi suh zrak, potem pa skozi vedno bolj vlažen zrak. Model sušilne komore je narejen tako, da je vanj plast sušenega blata vstavljena tesno, tako da celoten zračni tok potuje skozi plast. Da ne pride do posipanja blata skozi rešetke, je potrebno pod blato namestiti mrežo z ustrezno velikostjo lukenj. Energijo dovajamo v model sušilne komore s štirimi električnimi grelniki. Vse štiri grelnike lahko ročno vklapljamo in izklapljamo. Četrti grelnik je priklopljen preko napetostnega regulatorja - variaka, ki omogoča brezstopenjsko regulacijo dovedene električne moči. Moč grelnikov 1 in 2 je približno 2200W, moč grelnikov 3 in 4 pa 1800 W. Pri uporabi variaka se lahko zgodi, da zaradi velike trenutne obremenitve pri vklopu pregori varovalka. Na sušilni komori sta vgrajeni dve električni omarici. Spodnja električna omarica služi za napajanje grelnikov, priključitev variaka in merjenje napetosti z univerzalnim merilnikom. Zgornja električna omarica služi priključitvi merilne opreme. Spodnjo električno omarico priključi s kablom preseka 6 mm 2 na električno omarico na steni. Pri delu uporabljaj zaščitne rokavice, da se ne opečeš. 17

18 Slika. Shema sušilne komore. Slika. Slika sušilne komore (levo), električni omarici za meritve in vklapljanje grelnikov. 18

19 Izboljšava procesa sušenja Pri sušenju je potrebno zagotoviti dobro sušenje, energetsko učinkovitost in ceno sušilne komore. Pri delovanju sušilne komore lahko optimiramo čas in jakost delovanja grelnikov, pretok odsesovanega zraka, recirkulacijo zraka, delovno temperaturo itd. S povečevanjem odsesavanja se zmanjšuje tudi količina zraka, ki ga moramo v komoro dovesti. To pomeni, da je potrebno s povečevanjem odsesavanja tudi več vsesanega zraka ogreti na delovno temperaturo, kar zahteva ustrezen vložek energije. Če je pretok odsesanega zraka majhen, pa je odsesani zrak bolj vlažen. V procesu sušenja tak zrak sprejme manjšo količino vode iz blata, zato pa se podaljše čas sušenja in poveča velikost sušilne komore. Za uporabnika to pomeni, da se poveča vrednost investicije. Med navedenimi parametri delovanja sušilne komore obstaja optimum delovanja, katerega želimo določiti z merjenjem. Optimum delovanja se v primeru, ko je parametrov, ki jih spreminjamo, mnogo, najlažje določi s parametričnim modelom. V parametričnem modelu spreminjamo parametre sistema tako, da minimiramo izbrano spremenljivko. Izvedba meritev Model sušilne komore ima veliko maso in zato veliko toplotno kapaciteto glede na količino vode, ki jo vsebuje vzorec. Zaradi tega je potrebno menjave vzorcev izvesti vedno na enak način. Pri meritvi spreminjaj naslednje parametre procesa: - debelina vzorca, - hitrost oziroma pretok prepihavanja (obtok), - pretok odsesanega zraka, 19

20 - čas sušenja, - količina vode v vzorcu na začetku sušenja, - količina vode v vzorcu na koncu sušenja, - temperatura v vzorcu, - temperatura zračnega toka. LVTS Proces vsebuje veliko spremenljivk, vseh ni mogoče sistematično spreminjati, medtem ko so ostale spremenljivke konstantne. Parametrični model kljub temu lahko pove, katere spremenljivke so reprezentativne in katere ne, ter kako vplivajo na proces. S parametrični modelom je mogoče izračunati vpliv posmezne spremenljivke na proces, kot da bi bile vse ostale spremenljivke konstantne. Merilna oprema Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema: - tehtnica, - merilnik električne moči, - termočleni tip K in uporvni merilniki Pt-100 za merjenje temperature, - merilnik napetosti do 230 V, - zaslonka za merjenje pretoka odesanega zraka fi 30 mm v cevi fi 100 mm, - tlačni pretvorniki, priključki in povezovalne cevke, odporne na visoko temperaturo, - merilniki vlažnosti Honeywell S&C - HIH , - data acquisition enota za počasno posnemanje podatkov, Vlažnost v vzorcih pred in po sušenju bo analiziral kemijski laboratorij. Opozorilo 20

21 V komori na električnih grelnikih so napetosti do 230 V, pazi na nevarnost električnega udara. Kabli v notranjosti nimajo zaščitenih priključkov. Pazi, da se ne dotakneš notranjosti modela sušilne komore, ker med delovanjem temperatura sten in materiala lahko doseže preko 200 C. Naloga 1. določi in na sušilni komori nastavi izbrane delovne točke in za vsako izmeri spremenljivke, ki so navedene pod»izvedba meritev«. 2. Oceni specifično dovedeno energijo za izbrani material pri sušenju. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve. 3. S pomočjo modela določi, kolikšna specifična dovedena energija je potrebna za sušenje poljubnega materiala. 21

22 Laboratorijska vaja 3. Čiščenje dimnih plinov, čistilna naprava bloka 4 Termoelektrarne Šoštanj Datum: datum bo določen kasneje Uvod Termoelektrarna Šoštanj ima od leta 2005 na vseh blokih vgrajeno napravo za razžvepljevanje dimnih plinov. Postopek čiščenja dimnih plinov na čistilni napravi TEŠ, blok 4 Naprava za razžveplanje dimnih plinov bloka 4 je priključena za kotlom bloka 4, ki za kurjavo uporablja lignit. Dimni plini, ki prihajajo iz kotla, vsebujejo SO 2, CO 2, NO x, prah, pepel in druge spremljevalne snovi. Dva ventilatorja vleka sesata dimne pline iz kotla po dveh kanalih preko elektrofiltrov, kjer se izloči več kot 99,8 % pepela. Dimne pline, očiščene prahu, ventilatorja vleka lahko potiskata po dveh poteh. Normalna pot je skozi napravo za odžveplanje, v izjemnih primerih pa jih lahko vodimo preko obvodnih loput direktno v dimnik. Pri normalnem obratovanju vodimo dimne pline skozi grelnik dimnih plinov GAVO, obvodne lopute pa so zaprte. GAVO je regenerativni vrtljivi grelnik dimnih plinov na katerem neočiščeni dimni plini s temperaturo 160 C oddajo svojo toploto grelnim paketom, ti pa nato oddajo toploto ohlajenim očiščenim dimnim 22

23 plinom, preden jih vodimo v dimnik, da je njihova temperatura nad rosiščem (90-95 C). V napravo za razžveplanje bloka 4 po možnostih vodimo tudi dimne pline iz kotlov bloka 3, za katere ni zgrajena takšna naprava. Pri polni moči bloka 4 zmore naprava za razžveplanje očistiti tudi dimne pline kotlov bloka 3. Neočiščeni dimni plini iz grelnika dimnih plinov vstopajo s temperaturo 120 C v pralnik, kjer jih operemo s suspenzijo absorbcijskega sredstva (mleti apnenec-caco3 + voda). V delu pralnika nad gladino suspenzije so v šestih nivojih nameščeni sistemi šob za razprševanje absorbcijskega sredstva. Vsakemu sistemu šob pripada obtočna črpalka, ki črpa suspenzijo iz zbiralnika pralnika, šobe pa zagotavljajo fino razprševanje. V območju razpršilnih šob potekata ohlajevanje dimnih plinov in bistvena faza očiščenja, difuzija žveplovega dioksida, fluoridov in kloridov skozi mejni plinski sloj na površino omočenega delca absorbenta. Dimni plini se pri prehodu skozi pralnik navlažijo do nasičenja ter ohladijo na temperaturo 60 C. Ker vsebujejo fino razpršene kapljice, morajo skozi izločevalnik kapljic na vrhu pralnika, kjer se izločijo skupaj s preostalimi kristalizacijskimi jedri. Dimni plini pri prehodu skozi pralnik suspenzijo delno uparijo, pare pa zapustijo sistem. Izgubljene vodne pare nadomestimo z dodatno vodo, s katero izpiramo izločevalnik kapljic iz rezervoarja procesne vode. Tlak očiščenih dimnih plinov, ki izstopajo iz izločevalnika kapljic, zvišamo s pomočjo ventilatorja, ki je dodatno vgrajen v kanal dimnih plinov. Očiščene dimne pline iz pralnika potiska preko grelnika dimnih plinov ter loput v dimnik. Kalcijev sulfit, ki je nastal v razpršilnem območju pralnika, pade v zbiralnik. Tam ima dovolj časa za oksidacijo v kalcijev sulfat. Za proces oksidacije imamo na voljo 3 puhala, ki dovajajo potrebno količino zraka v suspenzijo s kalcijevim sulfitom, ki ob intenzivnem vpihovanju zraka in mešanju oksidira v kalcijev sulfat. Za učinkovit proces izločanja SO2 iz dimnih plinov je zelo 23

24 pomembno vzdrževanje ph med 5,7 in 6,0 ter pravilne gostote in temperature. Zmleti apnenec, ki ga v procesu razžveplovanja uporabljamo kot absorbcijsko sredstvo dobimo iz lokalnih silosov, pod katerima sta dva rezervoarja za pripravo suspenzije apnenca. Voda, ki je potrebna za pripravo suspenzije doteka iz rezervoarja obtočne vode. Apneno suspenzijo, ki se v pralniku spremeni v sadro, črpamo v postajo za odvodnjavanje, kjer jo na hidrociklonu produkta zgoščujemo. Zgoščeno sadro po cevovodu vodimo v rezervoar za produkt. Od tu jo črpamo po krožnem cevovodu v mešalnico produkta, kjer se meša s pepelom. Pepel pnevmatsko transportiramo izpod elektrofiltra v 2000 m3 silos za pepel. Sadra in pepel se dozirata v mešali. Po mešanju nastane končni produkt s stabilnimi fizikalno kemičnimi lastnostmi. Ta produkt z gumijastim cevnim trakom transportiramo na vmesno deponijo, kjer ga nalagamo na transportna vozila in odvažamo na končna odlagališča. Slika. Proces čiščenja dimnih plinov na TEŠ, blok 4. 24

25 25

26 Laboratorijska vaja 4. CČN Domžale Kamnik Datum: datum bo določen kasneje Uvod Centralna čistilna naprava Domžale Kamnik je dvostopenjska biološka čistilna naprava z anaerobno stabilizacijo blata. Čistilna naprava je projektirana za odstranjevanje ogljikovih komponent iz odpadne vode izraženih kot parameter KPK in BPK 5, ni pa projektirana za odstranjevanje dušika in fosforja. Čiščenje odpadne vode je v grobem razdeljeno na: - mehansko stopnjo, - aerobno biološko stopnjo, - I. biološka stopnja (visoko obremenjena), - II. biološka stopnja (manj obremenjena), - anaerobno biološko stopnjo. 26

27 Slika. Shema CČN Domžale Kamnik. Mehansko čiščenje: (1, vhodni objekt z grobimi grabljami, 2 vhodno črpališče, 3 fine grablje, 4 maščobnik in peskolov, 5 mehanska stopnja). Aerobno biološko čiščenje: (6.2 oksidacijska bazena - I. biološka stopnja, 7.2 sekundarna usedalnika - I. biološka stopnja, 8. 4 oksidacijski bazeni - II. biološka stopnja 9. 4 sekundarni usedalniki- II. biološka stopnja, 10 šest črpališč za povratno aktivno blato 11, skupni iztok iz CČN, 21 kompresorska postaja). Anaerobno biološko čiščenje. (12 štiri anaerobna gnilišča, 13 plinohram, 14 silos za gnilo vodo in centrat, 15 dehidracija, 16 bioplinska postaja, 17, deponija za dehidrirano blato). Ostale številke so nadzor, vodenje, laboratoriji, podpora procesu, skladišča in delavnice. 27

28 Slika. Pogled na CČN Domžale Kamnik iz zraka. Zakonodaja predpisuje čistilne naprave z PE, kamor sodi CČN Domžale Kamnik, naslednje vrednosti na izpustu v vodotok: - neraztopljene snovi: 35 mg/l - N-NH 4 : 10 mg/l * KPK: 100 mg/l - BPK 5 : 20 mg/l - za totalni dušik N-total ni omejitve Opis procesa Mehanska stopnja: Iz odpadne vode, ki priteče na čistilno napravo je potrebno odstraniti vse večje in manjše delce, ki jih mikroorganizmi ne morejo razgraditi. Glavni kanal kanalizacije dovede surovo neočiščeno odpadno vodo do vstopa v CČN po prostem padu. V primeru visokih vod se del vode preko nastavljenih zapornic odvede direktno v vodotok Kamniško Bistrico (približno 3 % letnega deževnega dotoka). Odpadna voda, ki priteka na čistilno napravo niha tako v količini kot tudi po obremenitvi. Ločimo dnevna, tedenska (delovni dan, vikend) kot tudi sezonska nihanja. Nihanja po pretoku in/ali obremenitvi 28

29 so lahko tudi do 100 %. CČN sprejeme tudi do 20 % padavinskih in infiltracijskih vod. Na dotoku je urejen sistem za doziranje odpadne vode, pripeljane s cisternami. Pred črpanjem odpadne vode se na grobih grabljah izločijo delci večji od 15 mm, ki se odstranijo s posebnim strgalom, polžni transporter izločeno goščo odvede do mobilnega zaboja, katerega vsebina se odpelje na komunalno odlagališče odpadkov. Strgala za grobe grablje se vklopijo avtomatsko glede na vodni nivo v kanalu. Na dotoku se izvajajo on/in line meritve TOC, TN, N-NH 4, prevodnosti, ph in T. Kontinuirne meritve predstavljajo dejansko sliko obremenitve na dotoku. Dnevno se vzorčujejo 2-urni časovno proporcionalni vzorci, na katerih se izvajajo dodatne analize. To mesto je hkrati merno mesto za meritev in vzorčenje dotoka za obratovalni monitoring. Pred polžnimi črpalkami je urejen dotok odpadnih vod pripeljanih s cisternami in odpadnih vod, ki nastanejo v procesu čišenja (odvečno blato iz sekundarnih usedalnikov, gnila voda in centrat iz anaerobnega dela čišenja ter odpadna voda iz ostalih objektov). Štiri polžne črpalke s kapaciteto 4 x 170 l/s dvignejo odpadno vodo na nivo CČN. Ob povišani količini vode se avtomatsko vklopijo dodatne črpalke. Vklopi so optimirani na način, da ne pride do večjih hidravličnih fluktuacij obremenitve na biološke stopnje. Odpadna voda nato teče čez fine grablje, ki zadrži delce večje od 3 mm. Fine grablje sestavljajo dve liniji grabelj, polžni transporter, kompaktor ter zabojnik za odpadke. Voda preko finih grabelj teče v peskolov, ki je razdeljen v dve komori po 500 m 3. Pesek in ostali težji delci se ločijo z zračnimi črpalkami in odvedejo preko brezosne polžne črpalke v zabojnik. Zračenje preprečuje posedanje lažjih delcev in ohranja odpadno vodo v aerobnih razmerah. Pri flotaciji na površino flotirajo olja in maščobe, ki se postrgajo s strgali, voda se odstrani in vsebina se zbira v zabojnik za odpadke. V mehansko stopnjo sta vključena še dva primarna usedalnika, ki imata volumen 1000 m 3. Zadrževalni čas blata v primarnem usedalniku je okoli 2 uri in praviloma se vsi delci, večji od 1 mm posedejo na dno. Pomični 29

30 most s strgali postrga z dna posedeno blato v lijake, ki delujejo kot zgoščevalci blata. Od tu se blato črpa v gnilišča. Slika. Levo: dotok na čistilno napravo pred vhodnim črpališčem, v sredini: maščobnik in peskolov, desno: mehanska stopnja. Slika. Grobe (levo, spredaj) in fine grablje (desno), slika je iz CČN Ptuj. Biološka stopnja: Namen čiščenja na biološki stopnji je iz odpadne vode odstraniti čim večji del odpadnih snovi s pomočjo mikroorganizmov. Odpadna voda priteče v aeracijski bazen, kjer 30

31 se ob stalnem prezračevanju nahaja visoka koncentracija mikroorganizmov (aktivnega blata), ki to odpadno vodo uporabijo kot hrano za rast in razmnoževanje. Poenostavljene reakcije, ki potečejo pri čiščenju odpadne vode: odstranjevanje ogljikovih komponent: odpadna voda (C, N, P,...)+kisik+mikroorganizmi CO 2 +H 2 O+novi mikroorganizmi nitrifikacija - odstranjevanje amonijskega dušika: odpadna voda (C,N- NH 4,...)+kisik+mikroorganizmi CO 2 +H 2 O+N-NO x +nova biomasa Rezultat čiščenja je očiščena voda in nova količina aktivnega blata. Ker na čistilno napravo stalno doteka odpadna voda se del tega aktivnega blata odplakne v usedalnik. V usedalniku se aktivno blato usede ter se nato prečrpa nazaj v aeracijski bazen. Očiščena voda (bistri zgornji del nad usedlim blatom) pa odteče v vodotok. Aerobni del čistilne naprave se deli na 2 dela in sicer visoko obremenjeno I. biološko stopnjo in na nizko obremenjeno II. biološko stopnjo. Princip čiščenja je v obeh stopnjah enak. V I. biološko stopnjo vstopa odpadna voda, očiščena delcev večjih od 1 mm. Voda se nato prelije v 2 vzporedna aeracijska bazena (6.1 in 6.2) prve visoko obremenjene biološke stopnje skupnega volumna 2000 m 3. Zadrževalni čas v posameznem bazenu je 2 do 2,5 ure. V aeracijskem bazenu se vrši čiščenje odpadne vode, saj prisotni mikroorganizmi (koncentracija aktivnega blata je okoli 2 g/l) topne oz. razgradljive organske snovi razgradijo in jih uporabijo kot vir hranil za rast in razmnoževanje. Ker ti mikroorganizmi za obstoj potrebujejo raztopljen kisik, se preko talnih fino perforiranih blazin (na globini 4 m) vpihuje zrak tako, da je koncentracija raztopljenega kisika v aeracijskem 31

32 bazenu okoli 2 mg/l. Aktivno blato z delno očiščeno odpadno vodo se nato prelije v 4 naknadne usedalnike (7.1 in 7.2). V dveh parih naknadnih (sekundarnih) usedalnikih se s sedimentacijo loči aktivno blato od odpadne vode. Z mostnimi strgali se postrga posedeno aktivno blato in se separira v ločen kanal. Delno očiščena odpadna voda se nato prelije v II. biološko stopnjo. Del posedenega povratnega aktivnega blata se preko polžnih črpalk (10) vrača nazaj v aeracijski bazen, višek pa na začetek čistilne naprave (2). Koncentracija posedenega aktivnega blata se giblje okoli 4 g/l. Delno očiščena odpadna voda iz I. biološke stopnje se nato prelije v 4 vzporedne aeracijske bazene II. biološke stopnje (skupni volumen m 3 ) (9.1, 9.2, 9.3, 9.4). Koncentracija aktivnega blata v teh bazenih se giblje od 4 do 5 g/l s starostjo blata nad 15 dni. Zadrževalni čas odpadne vode v II. biološki stopnji je 4 do 5 ur. Princip čiščenja je popolnoma enak principu v I. biološki stopnji le, da tu zaradi nizke obremenjenosti po ogljiku poteka tudi odstranjevanje dušikovih spojin (proces nitrifikacije). Koncentracija raztopljenega kisika se vzdržuje nad 2 mg/l in regulira s kisikovimi sondami. Mešanica aktivnega blata in odpadne vode se pretaka v štiri pare sekundarnih usedalnikov (skupni volumen je m 3 ), kjer se s sedimentacijo loči aktivno blato od odpadne vode (9.1, 9.2, 9.3, 9.4). Z mostnimi strgali se postrga aktivno blato in se ga odvaja v kanal, ki je ob strani usedalnika. Del povratnega blata se črpa preko črpalk (10) iz kanala nazaj v aeracijske bazene kot inokulum. Višek blata se vrača na začetek čistilne naprave (2) in se vključi v ponovno čiščenje. Očiščena odpadna voda se združi iz vseh usedalnikov v skupni iztočni kanal (11.1). Po II. biološki stopnji na iztoku CČN (11.1) imamo urejeno merilno mesto za vzorčenje z meritvami pretoka, on line meritve kisika, ph, neraztopljenih snovi, KPK, TOC, TN in N-NH 4. Očiščena odpadna voda se nato izteka v vodotok Kamniška Bistrica (11.2). 32

33 Slika. Biološka stopnja, levo: shema procesa, v sredini: aeracijski bazeni z dovodom komprimiranega zraka do blazin, spodnja nerjavna cev vodi iz kompresorske postaje do bazenov, na odcepu na sredini gre zrak v levi in desni aeracijski bazen preko ventilov, desno: voda potuje iz aeracijskega bazena preko kinete pod pohodno površino do usedalnika na desni strani slike. Iz usedalnika posedeno blato v aeracijske bazene preko natege vodi z arhimedovimi črpalkami. 33

34 Slika. Biološka stopnja, levo in v sredini usedalnik biološke stopnje. Na srednji sliki so vidna mostna strgala, ki počasi potujejo gor in dol po usedalniku ter z natego črpajo blato v kanale ob strani usedalnika. Blato se nato vrača v aerobne bazene po ceveh, ki so vidne ob strani aeracijskega bazena (slika desno). 34

35 Slika. Mesto za merjenje parametrov odpadne vode pred iztokom v vodotok Kamniško Bistrico. Na levi sliki je Venturi kanal z meritvijo višine vode z ultrazvočno metodo pred vstopom v Venturi kanal. Za ultrazvočnim merilnikom višine je več sond online merilnikov za merjenje temperature, kisika, ph, neraztopljenih snovi, KPK, TOC, TN in N-NH 4. Na srednji sliki je vzorčevalnik, na desni pa hišica, v kateri so on-line merilniki. Kompresorji, ki se uporabljajo za dovod komprimiranega zraka v bazene, so tipa HV Turbo, Danska (zdaj Siemens Energy). Kompresorji so nameščeni v kompresorski postaji. y-geared-compressors/stc-go/ka5s_v_-gk200c_2- page_01_12_2010.pdf 35

36 Slika. Karakteristika Kompresorja HV turbo KA5S

37 Slika. Kompresor HV Turbo KA5S/3240 v kompresorski postaji. Na desni sliki je viden vodilniški aparat za regulacijo pretoka oziroma nastavljiv vodilnik. 37

38 Slika. Levo: Siemens Sipart regulatorji za odpiranje ventilov za dovod zraka v posmezne aeracijske bazene. Dva ventila sta na srednji sliki. Desno je merilna sonda za merjenje kisika (obešena na verigi in potopljena v bazen, predpostavimo popolno premešanje), ki regulira odpiranje ventilov. Slika. Levo: aeracijske blazine (slika ni iz čistilne naprave CČN Domžale Kamnik). Sredina: merilnik pretoka odpadne vode Teledyne ISCO tip 750. Desno: vzrorčevalnik ISCO Avalanche, v katerega se vključi merilnik pretoka odpadne vode. 38

39 Aeracijske blazine so Messner V20M18. Glavne lastnosti blazin so navedene spodaj (ET=einbautiefe, globina vgradnje blazin): v čisti vodi: mere največji pretok čez blazino največja globina vgradnje dovajanje kisika do izraba O 2 O2 do sprejem O 2 do učinkovitost prenosa O 2 do padec tlaka mešanje najmanj 1x2 m 40 m 3 N/h 9 m 880 go 2 /m 3 BBh 9%/m ET 27 go2/nm 3 m ET 8.3 kgo 2 /kwh mbar 1.5 W/m 3 BB Pretoki v zgornji tabeli so preračunani na normne kubične metre, to je pri normalnih pogojih T n = 273 K in P n = Pa. Anaerobna biološka stopnja: Namen anaerobne biološke stopnje je razgradnja in zmanjševanje količine aktivnega blata. Ker je delcev, ki se odložijo v mehanski stopnji (imenujemo ga surovo blato) in aktivnega blata, ki nastane pri aerobnem biološkem čiščenju, veliko, ga dodatno obdelamo v anaerobnih gniliščih pri 40 C brez prisotnosti kisika. V času 45 dni blato delno pregnije do bioplina (mešanica plinov CH 4, CO 2, H 2 S), ki ga uporabimo za proizvodnjo električne energije. Pregnito blato pa se centrifugira in odloži na deponijo. Mešanica usedlega blata v mehanski stopnji (5) se črpa v štiri gnilišča (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) s skupnim volumnom 7200 m 3. Zadrževalni čas v gnilišču je približno 48 dni. Temperatura v gniliščih je okoli 40 C, dosežena s toplotnimi izmenjevalci. Blato gnije v okolju brez prisotnosti kisika, količina organskih snovi se zmanjša z metabolizmom anaerobnih mikroorganizmov do 50%. Bioplin, ki nastaja pri gnitju, sestavljata v 65-70% metan in v 30-35% ogljikov dioksid ter primesi ostalih plinov: H 2 S, CO, NO... 39

40 Bioplin se začasno shranjuje v plinohramu (13) volumna 800 m 3 ter je vir energije za segrevanje gnilišč in za pogon dveh bioplinskih motorjev kapacitete 200 kw za proizvodnjo električne energije (16). V anaerobni digestiji CČN proizvede okoli 1 mio m 3 bioplina na leto in okoli 1,2 mio kwh električne energije na leto. Ob tem nastane tudi okoli 2,2 mio kwh toplotne energije na leto. Okoli 20 % električne energije za potrebe CČN se dovede iz električnega omrežja. Pregnito blato se zbira v zgoščevalcih in se nato centrifugira v centrifugi z zmogljivostjo 25 m 3 na uro (15). Pred centrifugiranjem se blatu dodajo posebni polimeri, kationski polielektroliti. Centrat, ki se izloči iz blata, se vodi nazaj na dotok CČN (2). Blato se dehidrira (centrifugira, strojno zgoščuje) na okoli 30 % suhe snovi in se začasno odlaga na interni deponiji CČN (17). Dehidrirano blato se trenutno oddaja pooblašenemu predelovalcu odpadkov, ki ga dodatno meša z inertnim materialom in zemljinami ter uporablja za zasipanje. Zaradi prekomerne vsebnosti težkih kovin dehidrirano blato ni uporabno za kmetijske namene. Silos za gnilo vodo in centrat z volumnom 500 m 3 je namenjen zadrževanju gnile (prelivne) vode iz gnilišč in centrata iz mehanske dehidracije blata. Obe odpadni vodi vsebujeta visoke koncetracije dušika in tako ob ločenem doziranju še dodatno obremenjujeta dotok (2). Z vezavo na merilnik TOC in TN na dotoku je izvedena regulacijo za dodatek tega povratka na dotok (2) ob znižani dotočni obremenitvi. Na ta način se zmanjšajo nihanja obremenitve CČN in pripomore k bolj stabilnemu delovanju celotne čistilne naprave. 40

41 Slika. Shema predelave surovega in aktivnega blata. 41

42 Merjenje Na nadzorni računalnik CČN Domžale Kamnik so speljani vsi signali za stalni nadzor nad delovanjem čistilne naprave ter shranjevanje in obdelavo podatkov. Centralni računalnik se uporablja za kontrolo delovanja CČN na vseh pomembnih ključnih mestih. PLC (SCADA) vključuje 600 signalov, ki se posnemajo na 20 sekund. Nadzorni sistem (SQL) vključuje 180 signalov. CČN ima nameščene in/on line analizatorje na ključnih mestih sistema. Slika. Program za nadzor procesa in spremljanje merjenih spremenljivk. Aeracija 42

43 Osnovni cilj aeracije je oskrba mikroorganizmov s kisikom, potrebnim za rast in razmnoževanje. Mikroorganizmi tako preko bioloških reakcij pretvarjajo substrate v produkte. Hkrati se z aeriranjem iz reakorja odvedejo nastali hlapljivi produkti, v prvi vrsti CO 2, lahko pa tudi NH 3, H 2 S ter drugi. Hkrati z aeracijo ali ločeno, če uporabljamo mešala, poteka mešanje. Mešanje ima več vlog. Z mešanjem dosežemo disperzijo zraka v hranilni medij, izenačevanje temperature in koncentracij raztopljenih snovi po celem volumnu reaktorja, ohranjanje mikrobnih celic in delcev v suspenziji in dispergiranje netopnih tekočin. Aeracija in mešanje imata pomembno vlogo za uspešen potek mikrobnega procesa in predstavljata pomemben delež pri energetskih stroških. Zato skušamo z optimalno konstrukcijo bioreaktorja doseči čim večji učinek aeracije in mešanja s čim manjšimi stroški. Topnost kisika Mikroorganizmi koristijo za oksidativne reakcije večinoma topni kisik. Topnost kisika v vodnih raztopinah je odvisna od več faktorjev: parcialnega tlaka kisika v plinski fazi, temperature in raztopljenih snovi v podlagi. Topnost kisika v vodi pri atmosferskem tlaku (1,013 bara) je prikazana v tabeli: T ( C) C s (mg/l) C s je koncentracija nasičenja s kisikom. Z naraščanjem parcialnega tlaka se topnost kisika povečuje in pada z naraščanjem temperature in z naraščanjem koncentracije raztopljenih snovi v vzorcu. Potrebe aerobnih mikroorganizmov po kisiku zavisijo od: - vrste mikroorganizmov, fiziološkega stanja in starosti mikrobne kulture - koncentracije in vrste vira ogljika - koncentracije in vrste drugih prisotnih sestavin - kopičenja toksičnih produktov metabolizma 43

44 - koncentracije raztopljenega kisika LVTS Potrebe mikroorganizmov po kisiku je možno kvantitativno ovrednotiti s pomočjo dveh izrazov: - prirasta biomase v odvisnosti od kisika Y o (kg biomase na kg ali mol porabljenega kisika ali z recipročno vrednostjo 1/ Y o (kg ali moli potrebnega kisika za sintezo 1 kg biomase). - specifične hitrosti respiracije mikrobnih celic, ki je definirana kot količina kisika, ki se porabi pri dihanju 1 kg suhe snovi biomase v enoti časa (sekundi ali uri). Naprave za vnos kisika v tekočino Za vnos kisika v tekočino ločimo naprave, ki vnašajo zrak v tekočino prek njene površine (površinska mešala), in naprave, ki dispergirajo zračni pretok v mehurčke (prepihavanje volumna). Površinska mešala se v praksi niso obnesla zaradi naslednjih razlogov: vnos kisika je v primerjavi z volumskim vnosom skromen, učinkovitost vnosa kisika je nizka (< 2 kg O 2 /kwh), v primeru čiščenja odpadnih vod morajo biti čistilni bazeni plitvi (3-4 m, velika površina) in odprti (smrad). Med prepihovalci volumna ločimo mešala in plinske razdelilce. Uporaba mešal za prepihavanje volumna ni primerna, ker je potrebno vzdrževati vso tekočino v strujanju, da s strižnimi silami pride do trganja zračnega toka v mehurčke. Med plinskimi razdelilci pa se pri čiščenju odpadnih vod največ uporabljajo gumijaste perforirane blazine, perforirane ali sinterne cevi oz. krožniki, ki sodijo med statične prezračevalnike, med dinamičnimi prezračevalniki pa dvofazne šobe. Fizikalne zakonitosti snovnega prenosa v sistemu plin/tekočina v čistilni napravi Mikroorganizmom moramo med potekom bioprocesa za njegovo normalno rast in razvoj dovesti zadostno količino kisika. Ker je 44

45 izvor kisika zrak, ki je plin, moramo zagotoviti proces snovnega prenosa kisika iz plina v tekočino. Do snovnega prenosa pride, v primeru, ko v sistemu ni vzpostavljeno ravnotežje. Kot merilo za količino snovnega prenosa uporabljamo volumski koeficient snovnega prenosa k L a. Volumski koeficient snovnega prenosa je zelo pomemben parameter, ki karakterizira bioproces in je rezultat dveh veličin: - koeficienta prenosa kisika k L, ki je odvisen od fizikalnih lastnosti tekočine in dinamike fluida poleg fazne meje - medfazne površine na enoto volumna prezračenega reaktorja ali prezračevane kolone a Zaradi neenostavnega merjenja medfazne površine a in določevanja k L je enostavneje, da se določi kar produkt k L a. Volumski koeficient snovnega prenosa k L a je odvisen od številnih parametrov kot so oblika in velikost reaktorja, tip in velikost plinskega razpršilca, lastnost fluida, temperatura, plinska površinska hitrosti ter interakcija med njimi. Osnovna zveza, ki popisuje prenos kisika iz vpihanega zraka v tekočino v reaktorju je N k A( C C) L s V gornji enačbi je N masa kisika, ki se prenese v tekočino v reaktorju na časovno enoto (kg/h ali kg/dan), k L je koeficienta prenosa kisika, tudi koeficient tekočega filma (L, liquid film) in A skupna površina voda/zrak za vse zračne mehurčke v reaktorju (m 2 ). Zgornjo enačbo običajno prepišemo v drugačno obliko, saj ne poznamo skupne površine A za celoten reaktor: N kla( Cs C) V 45

46 V gornji enačbi je a površina med tekočo in plinsko fazo, normirana na volumen reaktorja. Snovni tok kisika iz zraka v reaktor volumna V je proporcionalen produktu volumskega koeficienta prestopa k L a in razlike koncentracij (C s -C), v kateri pomeni C s koncentracijo nasičenja in C dejansko koncentracijo kisika v tekočini. V je volumen tekočine. V komunalnih čistilnih napravah je koncentracija kisika običajno med 0.5 mg/l in 1.5 mg/l. Za nitrifikacijo je koncentracija kisika običajno višja od 2 mg/l. Če je mogoče v bazenu zmanjšati koncentracijo kisika na nič (npr. z dodatkom natrijevega sulfita), potem je možno enostavno izmeriti koeficient k L a. Gornjo enačbo integriramo, predpostavimo, da je konstanta k L a neodvisna od časa vzorčenja in dobimo ln( C C) k at konst s L Če narišemo diagram v logaritemski skali za koncentracijo, lahko iz naklona premice določimo k L a. 46

47 Slika. Določitev (vir: V bazenih čistilnih naprav je prisotna biomasa, ki porablja dovedeni kisik. Zato lahko drugo enačbo spremenimo tako, da vanjo vključimo respiracijo r in zapišemo, da se koncentracija raztopljenega kisika ne spreminja dc dt k a( C C) r. L s k L a lahko določimo tudi pri konstantni aeraciji, pri tem pa moramo izmeriti respiracijo r z respirometrom 47

48 dc dt 0 k kla ( C s L a( C r C) s C) r. Intenzivnost in učinkovitost vnosa kisika v tekočino Naprave za vnos kisika vrednotimo po dveh kriterijih (intenzivnost in učinkovitost), pri čemer je (C s -C) določen s standardnimi pogoji C = 1 mg O 2 /l, T = 20 C, p 0 = 1 bar. Intenzivnost vnosa kisika je količina kisika, ki se v reaktor vpiha v enoti časa na enoto volumna. Učinkovitost je kvocient med količino dovedenega kisika in električno močjo, ki se zato porabi. Električna moč je v primeru statičnih prepihovalnikov moč elektromotorja kompresorja, pri dinamičnih pa moramo moči kompresorja prišteti še moč črpalk. Med plinskimi razdelilci danes prevladujejo sinterne cevi oz. krožniki. Njihova prednost je, da so poceni in se ne zamašijo, pomanjkljivost pa, da same ne nudijo nobenega upora pretoku plina in zato plin izstopa zgolj na najvišjem mestu, kjer je tlak vodnega stolpca nad blazino najmanjši. Gostota pretoka in posledično koalescenca sta zaradi tega na omenjenih delih sorazmerno veliki. Pri statičnih plinskih razdelilcih je pretok plina edini procesni parameter. V 70 letih so se na trgu začeli pojavljati predvsem za čiščenje močno obremenjenih odplak kemijske industrije dvofazne šobe - injektorji. Pri njih kinetična energija tekočinskega curka dispergira plinski kontinuum v roj mehurčkov. Pri injektorjih sta pretok plina in pretok tekočine neodvisna procesna parametra. Ker je pri razdelilcih zračnega pretoka višina tekočine nad njimi svoboden geometrični parameter, nas zanima, kakšna je najugodnejša višina bazena oziroma vodnega stolpca nad enoto za vpihavanje. S porastom višine moč kompresorja za vnos zraka narašča, pretok pod normalnimi pogoji pa pada, ker se s porastom 48

49 višine proporcionalno veča tudi čas, ki ga potrebujejo mehurčki za pot do površine. Dvofazne šobe se v praksi uporabljajo v kemijski industriji, medtem ko gumijaste ali sinterne blazine prevladujejo na komunalnih čistilnih napravah. Če odplake zatirajo koalescenco, pa so najprimernejši injektorji, ker dajejo primarne mehurčke s premerom 0.2 do 0.3 mm, ki se v takšnih odplakah ne združujejo. Izračun Slika. Koncentracija kisika v bazenu. Koalescenca mehurčkov V čisti tekočini znaša stabilni premer mehurčkov 3-5 mm in je neodvisen od njihove velikosti pri nastanku. Produkcija drobnejših mehurčkov v čisti tekočini je zato neenakonomična. Če dodamo čisti tekočini anorgansko sol ali alkohol, nastane raztopina, v kateri je koalescenca primarnih mehurčkov močno upočasnjena. Tu znaša stabilni premer mehurčkov samo 0.2 do 49

50 0.5 mm. Posledica je velik porast mejne površine na enoto volumna in s tem povečanje k L a. Pojav koalescence je posledica dejstva, da tekočinski film med dvema sosednjima mehurčkoma izteče in poči, mehurčka pa se združita v večje. Ta postopek je izredno hiter pri čistih tekočinah, ki klokotajo, in počasen pri tekočinah, ki se penijo. Stopnja penjenja zrcali nagnjenost tekočine h koalescenci. Medtem, ko je v vodnih razopinah določenih anorganskih soli ali pa alifatskih alkoholov hitrost snovnega transporta k L a za faktor 6-8 večja kot v sami vodi, povzročajo kemijski razbijalci pene (predvsem neionski tenzidi) ravno obratno, to je močan padec k L a. Naloga: meritve v kompresorski postaji Meritve v kompresorski postaji vsebujejo določitev tlačne razlike, pri kateri deluje kompresor, meritev nastavitve vodilnika, določitev pretoka v skladu z nastavitvijo vodilnika in s karakteristiko kompresorja in določitev aerodinamske moči, s katero obratuje kompresor. Kompresor ima nastavljiv vodilnik, z njim je možno spreminjati pretok brez uporabe frekvenčnega pretvornika. To je potrebno, ker kompresor troši do 130 kw električne moči, za te moči pa so frekvenčni pretvorniki dragi. Lega vodilnika se spreminja avtomatsko, tako da je zagotovljen tlak, npr. 500 mbar na dovodnem cevovodu v aerobne bazene. Za vsako delovno točko je potrebno zapisati lego vodilnika. Kompresor deluje neprekinjeno. Vendar se zaradi čiščenja vpihovalnih blazin, predvsem odstranjevanja vodnega kamna iz por blazin, vsakih 6 ur za eno minuto zapre ventil, ki zrak spušča v posamezen aeracijski bazen. Elektromagnetni ventil izpusti zrak iz sistema. Takrat voda stisne blazine. Ko se ventil ponovno odpre in v blazine spusti tlak, se blazina spet napihne. Ventil deluje 5 minut brez regulacije, v tem času se v bazenu približno vzpostavi konstantna koncentracija raztopljenega kisika. Po preteku 5 minut prevzame regulacijo odpiranja ventila PID regulator, ki na podlagi 50

51 meritve koncentracije raztopljenega kisika odpira in zapira ventil. Tlak v posameznih bazenih se za potrebe regulacije CČN ne meri, meri se tlak na izstopu iz kompresorja. On line merilniki koncentracije raztopljenega kisika v posameznem bazenu delujejo na optičnem principu. Merilnike se preverja tedensko s prenosno sondo in se jih po potrebi očisti in kalibrira. Nadzorni sistem CČN nastavi konstanten tlak stisnjenega zraka na izstopu iz kompresorja, ta tlak znaša približno 500 mbar. Če je čistilna naprava močno obremenjena, se tlak poveča, če pa ni obremenjena, se zmanjša. Na difuzorju, ki vodi iz kompresorja v cevovod, je izveden priključek 1/2", na katerega bomo priključili relativni merilnik za merjenje tlaka. Tlak izmeri s tlačnim pretvornikom Siemens Sitrans P (obseg tlaka 0-4 bar). Tlačni pretvornik meri tlak glede na atmosfero, priključi ga na napajanje in preberi tlak z zaslona. Na osnovi izmerjenega statičnega tlaka je potrebno določiti tudi totalni tlak, pretok in moč kompresorja. 51

52 Slika. Mesto meritev tlaka na difuzorju kompresorja, priključek je 1/2", nanj preko plastične cevke priključi tlačni pretvornik. Naloga: meritev pretoka zraka Pretok zraka izmeri na cevovodu, ki vodi od skupnega cevovoda proti cevovodu posameznega bazena. Za meritve uporabi Pitotovo sondo in diferencialni tlačni merilnik. Pitotovo sondo pozicioniraj v ekvidistantnih točkah, ker ne poznaš porazdelitve hitrosti v cevovodu. Za merjenje tlaka uporabi ročni merilnik tlaka Priključek za merjenje tlaka je M10. Odvij vijak na cevovodu in v izvrtino vstavi Pitotovo sondo. Globino Pitotove sonde izmeri z metrom. Zapiši globino za vsako merjeno točko. Po premeru izmeri najmanj 10 točk. V vsaki točki izmeri dinamični tlak, v nekaj točkah pa tudi statični tlak. Za merjenje uporabi diferencialni tlačni merilni Schiltknecht Mano Air 100. Naloga: meritev pretoka odpadne vode Z meritvijo pretoka odpadne vode na vstopu v aerobni bazen in na izstopu iz njega določimo izmenjavo odpadne vode preko mej aerobnega bazena. V kolikor je obremenitev čistilne naprave zmerna, gre vsa odpadna voda, ki pride na čistilno napravo, na mehansko in biološko čiščenje. V kolikor je hidravlična obremenitev visoka, so v bazenih biološke stopnje preobremenjeni usedalniki in aktivno blato se začne izpirati iz bazenov v vodotok. V tem primeru postane parameter neraztopljene snovi previsok in ne zadošča več zakonski omejitvi. Zato je potrebno del vode voditi mimo biološke stopnje. Za to obstajata dve možnosti, obvod je mogoč po mehanski stopnji ali direktno iz dotoka na čistilno napravo. Meritev pretoka bomo izvedli s prenosnima merilnikoma Teledyne ISCO tip

53 ( ki se namestita na vzorčevalnik ISCO Avalanche ( ortable_refrigerated/avalanche_sampler_datasheet.pdf). Merilnika bosta nameščena na vstopu v izbrani aerobni bazen in na izstopu iz bazena. Postavitev merilnika v kanal in meritve bo izvedlo osebje CČN Domžale. Naloga 1. Izmeri totalni tlak, s katerim deluje kompresor v kompresorski postaji. 2. Iz tlaka in nastavitve vodilnika kompresorja oceni pretok dovedeno energijo za pogon kompresorja. 3. Zapiši koncentracijo kisika v bazenu. 4. Izmeri statični tlak in pretok zraka v cevovodu, ki napaja posamezni aeracijski bazen. 5. Oceni masni tok kisika, ki teče v izbrani bazen skozi vpihovalne blazine. 6. Izmeri pretok odpadne vode v izbrani aerobni bazen in iz njega. 7. Določi globino, na kateri so nameščene vpihovalne blazine. 8. Oceni k L a, če poznaš respiracijo mikroorganizmov. 9. Oceni količino kisika, ki prestopi iz zraka v odpadno vodo v časovni enoti (kg O 2 /h). 10. Oceni energijsko učinkovitost prenosa kisika v odpadno vodo (kg O 2 /kwh). 11. Izdelaj shemo meritve. 12. Izdelaj poročilo o izvedbo vaje, pri tem tudi opiši, katere meritve se izvajajo na čistilni napravi in na katerem delu procesa čiščenja (druge meritve, ki niso predmet meritev iz te vaje). 53

54 Laboratorijska vaja 5. Čistilne naprave za čiščenje dimnih plinov v podjetju URSA Datum: Uvod Ursa je proizvajalec termoizolacijskega material iz steklene volne. V nadaljevanju sledi opis proizvodnega procesa. Proces čiščenja odpadnih plinov je predstavljen v gradivu Opis procesa proizvodnje steklene volne Proizvodnja steklene volne je razdeljena na naslednje glavne dele: - priprava taline v kupolni ali kadni peči, - razvaknjenje taline na kolesih centrifuge in dodajanje veziva, - trjenje plasti steklene volne v polimerizacijski komori, - razrez in pakiranje. Steklarska peč Surovine za steklo se zatehtajo in zmešajo ter pnevmatsko transportirajo do dnevnih silosov pri peči (steklarska zmes). Taljenje poteka v steklarski peči na kisik (ang. oxy-fuel ), ki je greta na zemeljski plin, kot oksidant se uporablja čisti kisik. Pri temperaturi C se surovine stalijo v homogeno talino (process taljenja), ki jo po stabilizaciji preko platinskih ustij 54

55 vodimo v centrifugalne rotorske stroje. Zrak na izstopu iz steklarske peči potuje v čistilno napravo in nato v ozračje. Kot osnovna surovina za steklo se uporabljajo določene surovine: kremenčev pesek, dolomit, soda, boraks, glinenec in kalcit. Večina teh surovin je naravnih in se jih pridobiva z izkopi. Določene surovine so karbonati (soda, dolomit, kalcit), pri taljenju katerih prihaja do procesnih emisij CO 2. Od leta 2005 v URSA Slovenija kot surovino uporabljajo odpadno steklo, ki ga kupujejo na tržišču. Delež odpadnega stekla v steklarski zmesi se povečuje, trenutni deležo dpadnega stekla predstavlja okrog 50% z možnostjo povečanja na 60 % v celotni količini proizvedenega stekla. Uporaba odpadnega stekla ima številne prednosti. Zraven pozitivnih ekonomskih učinkov je pomemben tudi okoljevarstveni vidik v smeri manjših vplivov na okolje: - uporaba odpadnega stekla znižuje porabo osnovnih materialov, - nižje procesne emisije CO 2, -manjša poraba zemeljskega plina -nižje izgorevalne emisije CO 2. 55

56 Slika. Doziranje zmesi v peč (levo) in vlaknjenje in nanos veziva (desno). 56

57 Slika. Fiberizacijski proces na kolesu. Centrifuga in usedalna komora Shematski prikaz postopka razvlaknjenja na kolesu in nastanek primarne plasti v usedalni komori je prikazan na sliki. Talina teče preko sistema prilagodljivih kanalov na pet koles centrifuge. V posameznem kolesu centrifuge nastane film taline na mestu izstopa. Ko posamezne kapljice izstopijo iz kolesa, vstopijo v koaksialni tok zraka, ki jih razvlakni, hkrati pa se omočijo s polimerizacijskim sredstvom. Polimerizacijsko sredtvo so večinoma fenolne smole, ki jih s šobami razpršujemo po obodu koles centrifuge, delno pa tudi centralno. Vlakna potujejo z zračnim tokom na trak usedalne komore. Usedalna komora ima ventilator vleka, ki nalepi primarno plast kamene volne na rešetke primarnega kroga. 57

58 Slika: Proces proizvodnje kamene volne. 1: steklarska peč, 2: stabilizacijski kanal, 3: lijak, 4: kolo, 5: dodajanje veziva, 6: tvorba toka vlaken do usedalnega traku usedalne komore, 7: ventilatorji odsesa, 8: zbrana plast steklene volne, ki zapušča usedalno komoro, 9: trdilna komora, 10: hladilna komora,11: dovod zraka v hladilno komoro. Proizvodna linija v Ursi ima vgrajeno napravo za merjenje količine vlaken z rentgenskimi žarki. Trdilna komora Trdilna komora v tovarni Ursa je narejena tako, da je sestavljena iz več zaporednih delov, v katerih je omogočena neodvisna regulacija temperature in pretoka. Trdilna komora je velik porabnik energije, zato proizvajalci želijo doseči za vsak posamezen produkt najmanjši možen vnos energije, ki še zagotavlja dovolj dobre rezultate polimerizacije. V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka 58

59 količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz trdilne komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje. Naloga 1. Oglej si posamezne dele proizvodne linije 2. Oglej si čistilno napravo za odpadne pline. 3. Zapiši parametre delovanja čistilne naprave. 3. Napiši poročilo o laboratorijski vaji. Izdelaj shemo čistilne naprave za dimne pline in opiši merilna mesta na čistilni napravi. 59

60 Laboratorijska vaja 6. Pnevmatski transport in ciklonski ločevalnik delcev Datum: do Uvod Pnevmatski transport se uporablja v kemični, farmacevtski, prehrambeni in plastični industriji za premikanje in transportiranje drobnih predmetov in sipkih tovorov: cementa, plastike, pepela, živil, žitaric itd. Pri transportu trdnih delcev z zrakom se spremeni karakteristika generatorja pretoka glede na količino dodanega transportiranega materiala. Potrebna predznanja: - merjenje karakteristike turbinskih strojev in uporaba merilnih pretvornikov za merjenje tlaka, Merilna postaja Merilna postaja je zaprtega tipa. Sestavljena je iz ventilatorja s frekvenčnim pretvornikom, ventila za regulacijo dušenja, čepa za dodajanje transportiranega materiala, Pitotove cevi za totalni in statični tlak in povezovalnih cevi. Hitrost zraka reguliramo z dušilnim ventilom na ravnem delu kovinske cevi. Na vrhi cevi iz pleksi stekla sta priključka za merjenje totalnega in statičnega tlaka, ki ju je potrebno umeriti. Pred in za ventilatorjem sta priključka za merjenje statičnega tlaka na ventilatorju. 60

61 Običajno se razmerje masnega pretoka transportiranega materiala proti masnemu pretoku transportirnega medija določi z razmerjem m s (s=solid, g=gas). V našem primeru to ni mogoče, ker ne m g moremo meriti masnega pretoka transportiranega materiala. Zato bomo za določitev uporabili naslednjo spremenljivko m m ~ s. g Spremenljivka zdaj ni več brezdimenzijska. Ventilator kot generator pretoka V merilno postajo je vgrajen ventilator Klima Celje tip 104CVX 140/4 s spremenjenim rotorjem. Rotor je brez sprednje stene in ima nazaj zakrivljene lopatice. Zaradi sprememb na rotorju karakteristika ventilatorja ni znana in jo je potrebno izmeriti. Izmeri porast tlaka in pretok na ventilatorju. Za meritev pretoka uporabi pitojevo cev za merjenje hitrosti, ki je vgrajena na vrhu steklene cevi. Pitojevo cev tem umeri z zaslonko, ki jo med umerjanjem namesti na vstopu v ventilator. 61

62 62

63 Slika. Merilna postaja za pnevmatski transport. Na desni shemi ni prikazan ciklon za odstranjevanje trdnih delcev. V ciklonski ločevalnik vodi fleksibilna cev z vrha postaje za pnevmatski transport. Meritev pretoka Meritev pretoka izvedi preko merjenja hitrosti v eni točki s Pitojevo cevjo. Pitojevo cev umeri tako, da uporabiš zaslonko na vstopu v ventilator. Meritev z zaslonko ti poda pretok v sistemu, s čimer dobiš diagram pretok/dinamični tlak. Pri tem odstrani cev na vstopu v ventilator, na ta način merilno postajo odpreš. Zaslonko namesti na vstop v ventilator, izberi ustrezno zaslonko in priključi tlačni merilnik. Predpostavi, da se karakteristika tlačnih odjemov ne spremeni, če dodajaš transportirani material. 63

64 Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne vlažnosti in barometrskega tlaka. Za merjenje tlaka imaš na voljo tlačne pretvornike Endress Hauser PMD 235. Če tlačnih pretvornikov ne boš premikal, so že napajani in priključeni na vir napajanja, poveži jih z merilno postajo, Pitojevo cevjo ali zaslonko s plastičnimi cevkami. Slika. Umerjanje - merjenje pretoka izvedi preko merjenja hitrosti v eni točki s Pitojevo cevjo. Levo: mesto vgradnje Pitojeve cevi, desno: meritev pretoka z zaslonko na vstopu. Transportirani material 64

65 Uporabi transportirani material Durethan ECO PA GF Določi njegovo gostoto s tehtanjem in določanjem volumna in primerjaj z vrednostjo iz kataloga. Do razlike lahko pride zaradi spremembe granulacije pri obratovanju v merilni postaji. Ciklonski ločevalnik delcev Na vrhu postaje je odjem, na katero je priključena freksibilna cev, ki vodi v ciklonski ločevalnik delcev. Ciklonski ločevalnik delcev priključi na sesalnik. V izbrani delovni točki vključi sesalnik in z njim vzpostavi pretok zraka skozi ciklonski ločevalnik delcev. Izmeri težo izločenih delcev, ki so se ujeli v posodo ciklonskega ločevalnika. Izmeri težo prepuščenih delcev, ki so se ujeli v zbiralno posodo sesalnika. Za tehtanje imaš na voljo tehtnico Kern FKB 15K0.5A. Pazi prosim, da tehtnice ne preobremeniš. S hitro kamero posnemi zaporedne slike in komentiraj, kako potujejo delci v ciklonskem ločevalniku. Na voljo imaš kamero Fastec Hispec 4 in več objektivov C-mount. kamero postavi na stojalo Za osvetlitev uporabi led luči, ki jih napajaj s konstantnim tokom, pri čemer pazi, da ne prekoračiš največjega dovoljenega toka za posamezno led luč. 65

66 Slika. Ciklonski ločevalnik delcev. Izstop priključi na sesalnik, vstop pa na odjem na vrhu postaje za pnevmatski transport. Naloga 1. Izmeri karakteristiko ventilatorja brez dodanega materiala za transport. Za to uporabi merilno zaslonko na cevi, ki jo priključiš na ventilator na vstopu. Umeri Pitojevo cev v merilni postaji glede na pretok na zaslonki na vstopu v ventilator. Predpostavi, da se karakteristika Pitojeve cevi ne spremeni, če dodaš delce v tok. 2. Določi gostoto transportiranega materiala. 3. Izmeri karakteristiko ventilatorja pri treh masah dodanega materiala, 200 g, 400 g in 600g. Določi masna razmeja ~ ms (s=solid, g=gas). m g 4. Določi, pri katerem pretoku zraka pride do usedanja materiala za vse tri količine dodanega transportiranega materiala. 5. Izmeri uporovno karakteristiko ravne cevi, če je v njej dodan material. Uporovno karakteristiko določi pri treh masah dodanega 66