Experimentální jednotky pro čištění

Transkript

1 Experimentální jednotky pro čištění David JECHA Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, Brno, Česká republika * jecha@fme.vutbr.cz V dnešní době zvýšeného zájmu o problematiku ochrany životního prostředí je nutné také řešit problematiku nakládání s odpady. Odpady, které nelze bezprostředně materiálově využít, může být nakládáno celou řadou postupů, od pouhého skládkování až po procesy termického rozkladu. Tyto procesy jsou nejen nutné z důvodu detoxikace a pro zamezení nadměrného zatížení životního prostřední, ale současně se odpady stávají druhotným energetickým zdrojem. Ovšem i termické způsoby mají svá úskalí. Patří mezi ně emise do ovzduší, zbytkové odpady a znečištění vod. Emise do ovzduší představují znečisťující látky ve spalinách, které vznikají procesem spalování odpadu a mají nebezpečné vlastnosti. Mezi zbytkové odpady zahrnujeme produkty, které vznikají spálením odpadu a patří zde zejména popeloviny. Zařízení na čištění spalin mohou produkovat sekundární odpad ve formě odpadní vody, která obsahuje širokou škálu rozpuštěných znečišťujících látek. Klíčová slova: mokrá vypírka, wet scrubber, O-element, katalytický reaktor, katalizátor, VOC 1 Úvod Kupříkladu proud spalin vystupující z dohořívací komory kotle na komunální odpad obsahuje vedle zplodin spalování odpadu i velké množství popílku (2000 až 5000 mg/mn 3 ). Odloučení tuhých podílů probíhá především mechanickým způsobem a to v aparátech kotel, elektrofiltr a na látkovém filtru. K odloučení okolo 2/3 z celkového množství tuhých podílů dochází v kotli. K odstranění tuhých znečišťujících látek mohou být použity elektrofiltry, které jsou sice investičně poměrně náročné, ale dobře odolávají provozním výkyvům. Toto zařízení odstraňuje tuhé znečišťující látky na 10 až 50 mg/mn 3. Záchyt kyselých složek (HCl, HF a oxidů síry) i oxidů těžkých kovů a zbylých podílů tuhých látek probíhá na základě chemickofyzikálních postupů v technologiemi mokrého, polosuchého nebo suchého čištění spalin. Pro finální dočištění znečišťujících látek jsou využívány adsorpční, resp. katalytické postupy. Na Ústavu procesního inženýrství (ÚPI) bylo vytvořeno v průběhu různých výzkumných záměrů celou řadu poloprovozní zařízení. Z hlediska čištění spalin se především jedná o jednotku dvoustupňového mokrého čištění spalin. Suché procesy jsou zastoupeny multifunkční filtrační jednotkou INTEQ I a II. Poloprovozní zkoušky katalytických procesů jsou zkoušeny jak na speciálně postavené jednotce pro sypané a monolitické katalyzátory tak na jednotce, kde je integrován předehřev vzdušiny s vnitřní vestavbou katalyzátoru. 34

2 2 Dvoustupňového mokrá čistění spalin Experimentální zařízení dvoustupňového čistění spalin se skládá z prvního stupně Oelementu [1] a druhého stupně náplňové kolony [2]. Obě zařízení jsou umístěna na společné cirkulační nádrži. Zařízení O-element vyvinuté na pracovišti ÚPI je umístěno na místo Venturiho trubice, které se běžně používá v praxi jako první stupeň absorpce. Náplňová kolona je navržena s dvěmi teoretickými patry a je vyplněna orientovanou náplní. Jak již bylo zmíněno, první stupeň je homogenizátor ve tvaru O-elementu, který nahrazuje Venturiho trubici. Tento prototyp byl navržen na ÚPEI [1]. Při návrhu bylo využito zkušeností ze zkoušek na homogenizátor ve tvaru O elementu s prouděním dvoufázové směsi vzduch-voda, které byly provedeny v roce 1975 ve Výzkumném ústavu chemických zařízení Brno. Obr. 1 Celkový pohled O-element V ohybech potrubí dochází v důsledku odlišných hustot plynné a kapalné fáze a odstředivé síly k rozdělení proudění. Podle nalezeného řešení bylo dosaženo vynikající homogenizace toku instalací elementu, který byl označen jako O-element. Po rozdělení dvoufázového toku vodavzduch do dvou proudů lišících se výrazně poměrem kapalina-plyn byly tyto proudy opětně zavedeny proti sobě v kolmém směru. V místě smíchání proudů docházelo k vytvoření mlhového toku s velmi dispergovanou kapalinou. Uvedený jev byl později vysvětlen jako přechodový skok projevující se za situace, kdy při proudění dvoufázové směsi plyn-kapalina dojde ke vzniku tlakové ztráty rovnající se dynamické složce tlaku. Tato podmínka byla splněna čelním sražením dvou proudů. V místě zpětného smíchání proudů dvoufázové směsi probíhaly intenzivní pulsace a byl vytvořen mísič, který nevyžadoval žádnou heterogenní vestavbu. Obr. 2 Popis proudění v O-elementu 35

3 Druhý stupeň tvoří náplňová kolona, která je navržena jako protiproudá absorpce s orientovanou náplní. Tato kolona je umístěna na společné cirkulační nádrži, která obsahuje absorbent. Celá kolona je vyrobena z materiálu polypropylen. Kolona je sestavena z tubusu, který tvoří kompaktní těleso absorpce. Uvnitř se nachází podpůrný rošt, na kterém jsou naskládány jednotlivé díly orientované náplně. Náplň je typu FLEXIPAC 2Y HC od firmy Koch-Glitsch. V koloně bylo této náplně použito osm dílů, aby bylo dosaženo dvou teoretických pater. Náplně jsou navzájem otočeny o 90. Měrný povrch použité náplně FLEXIPAC HC 2Y je 225 m 2 /m 3. Tento typ vychází z typu FLEXIPAC, který je složen z vlnitých plástů navzájem otočených o 90. V tomto typu uspořádání elementů je plyn přinucen k rotaci a musí změnit směr mezi základními prvky. Malý poloměr otáčení plynného toku v konvenční náplni způsobuje relativně vysoký pokles tlaku mezi plochami elementu. V konvenčním vlnitém uspořádání náplně je obtížné obtékání kapaliny z jednoho prvku k vrcholu dalšího prvku. Zvětšený poměr kapalina-plyn se začne hromadit na rozhraní náplní a redukuje oblast plynného toku. Poté může dojít v horní části kolony k zahlcení kolony kapalinou a tlakovým výkyvům v koloně. 1. přívodní potrubí nástřik 2. distributor kapaliny 3. vymezovací rošt 4. výplň 5. podpůrný rošt 6. spodní tubus 7. horní tubus 8. hlava kolony Obr. 3 Řez druhým stupněm čištění spalin 36

4 3 Multifukční jednotka pro testování katalyzátorů Navrhovaná experimentální jednotka pro ověřování technologií čištění plynů je plánována jako jednotka variabilní, umožňující provádění různých zkoušek. Zejména bude zaměřena na zkoušení a provádění dlouhodobých testů katalyzátorů. Hlavní výhodou zařízení jsou široké možnosti nasazení v laboratorním a průmyslovém měřítku a to za různých provozních podmínek. O toto zařízení mohou mít zájem např. chemické závody, které potřebují odzkoušet technologii čištění plynů před investicí do nového technologického celku. Z důvodu technologické spolehlivosti a odladění technických problémů je velice výhodné použití poloprovozu, na kterém se tyto problémy odhalí a doporučí se postup odstranění. Dále o tento výrobek mohou mít zájem výrobci různých katalyzátorů, kteří pomocí této jednotky mohou odzkoušet účinnost a provozní spolehlivost své produktové řady katalyzátorů, jak v laboratorních, tak po dohodě s např. chemickým závodem i průmyslových podmínkách. S prováděním testů je svázáno jejich vyhodnocení naměřeným dat a provedení studií proveditelnosti. Jednotka může být na bázi smluvní výzkumné spolupráce zpřístupněna např. chemickým podnikům. Dle porovnání s již s publikovanými články a podanými užitnými vzory a patenty se jedná o unikátní zařízení v daném měřítku. [3-10] Jednotka není kapacitou plně poloprovozní, ale ani laboratorní, je kapacitně v měřítku od 1:100 do 1:1000 v poměru k provozním aplikacím. 3.1 Technologická koncepce jednotky a měření a regulace Pro návrh zamýšleného reaktorového uzlu bylo nutno jednoznačně definovat parametry zařízení, ale také odhadnout velikosti aparátů, navrhnout strategii testování spalin, či způsob analytické kontroly celého procesu. Navrhovaná experimentální jednotka je součástí poloprovozního zařízení, které řeší i vytváření spalin, jejich měření a transportem do okolí. Pro vytvoření potřebného množství simulovaného znečištěného provozního plynu je navržena spalovací jednotka s injektorovým hořákem na zemní plyn s výkonem max. 5 kw. Spaliny ze spalovací komory budou schlazeny přisávaným vzduchem a nástřikem vody. Pro návrh se uvažovalo s maximální vlhkostí spalin 30 % obj. PID části technologie pro vytváření spalin je znázorněn na Obr. 4. Obr. 4 PID části technologie s poloprovozním katalytickým reaktorem 37

5 Potřebné množství polutantů bude vytvořeno smícháním technických plynů z tlakových lahví s proudem spalin. Průtok spalin bude monitorován pomocí měřené tlakové diference na nainstalované cloně na trati spalin. V každém bloku reaktoru bude měřena teplota a bude měřena tlaková ztráta reaktoru. Podtlak až -2 kpag na spalinové trase bude vytvářen hnaním tlakového vzduchu o provozním přetlaku 100 kpa,g do ejektoru navrhnutého speciálně pro tuto aplikaci. Dále bude měřeno složení spalin na vstupu a výstupu z reaktoru. Chlazení plynu bude probíhat buď tlakovým vzduchem pomocí ejektoru, nebo kombinací tlakového vzduchu a přisávaného okolního vzduchu. Data nejdůležitějších měřených veličin pro proces (diferenční tlaky, teploty a složení plynu) budou posílány pomocí převodníků a ukládány průběžně do PC. Bezpečnostní prvky tvoří možnost inertizace spalinových tras dusíkem a bezpečnostní by-pass spalinové trasy reaktoru. PID části technologie s poloprovozním katalytickým reaktorem je znázorněno na Obr Konstrukční provedení reaktoru Reaktor je uvažován primárně pro použití monolitického katalyzátoru, ale jeho konstrukce nevylučuje testování i sypaných katalyzátorů. Experimentální jednotka v základním provedení je složena z pěti dílů. Spodní a horní díl slouží k přívodu a odvodu spalin. Samotné tělo reaktoru je složeno ze tří stejných dílů o půdorysu 534 x 534 mm a výšce 510 mm se vstupem znečištěných spalin z vrchní části a s výstupem ze spodní části. První patro bude sloužit jako ochranná inertní vrstva a zároveň jako distributor plynu. Další patra, zejména 2. a 3. patro bude sloužit k instalování monolitického nebo sypaného katalyzátoru. Pro konkrétní případ byla vnitřní vestavba upravena pro monolitický katalyzátor o půdorysu 150x150 mm a výšce 300 mm. V případě potřeb je možné vestavby úplně vymontovat a nahradit jiným technickým řešení pro čištění spalin. Popřípadě může být jednotka rozšířena o další moduly. Koncepce reaktoru a vizualizace jeho konstrukce je znázorněna na Obr. 5. Obr. 5 Koncepce a vizualizace katalytického reaktoru 38

6 4 Závěr V průběh dlouhodobého výzkumu čištění spalin bylo na ústavu procesního inženýrství vyvinuto několik poloprovozních jednotek. Byla navržena dvoustupňová jednotka mokrého čištění spalin na, které byly především odzkoušeny provozní parametry O-elementu. Postupným přechodem od rovinného provedení O-elementu do prostorového uspořádání vznikl čtyřramenný O-element. Důvodem návrhu aparátu pro větší průtok spalin je, že spalovny komunálního i nebezpečného odpadu produkují běžně spaliny o průtoku v desítkách tisíc m 3 /h. Pro tento průtok spalin by byl takto navržený původní aparát O-element 2R příliš rozměrný. Nástřik kapaliny u čtyřramenného O-elementu může být proveden dvěma způsoby. Za prvé stejným způsobem jako u dvojramenného O- elementu, a to pomocí trysek v spodních obloucích zařízení, nebo nástřikem kapaliny po obvodu na vstupním potrubí. Byly provedeny experimenty s oběma O-elementy 4R jak s nástřikem kapaliny po obvodu na vstupním potrubí tak i s nástřikem kapaliny pomocí trysek v spodních obloucích zařízení Hlavním sledovaným parametrem byla účinnost odstranění SO2 v závislosti na podílu L/G. Kromě účinnosti odstranění SO2 byl sledován i další důležitý ukazatel, a to tlaková ztráta O-elementu. Byla navržena multifunkční jednotka pro testování katalyzátorů v oblasti zneškodňování plynných polutantů v odpadních plynech. Kapacitně je jednotka někde na hranici čtvrt provozního a poloprovozního měřítka. Dle porovnání s již s publikovanými články a podanými užitnými vzory a patenty se jedná o unikátní zařízení v daném měřítku. Součástí jednotky je část technologie pro vyvíjení spalin ve spalovací komoře a jejich následovné obohacení o různé polutanty (CO, VOC, SO2, NOx, NH3) s možností nastavení požadovaného složení pro nasimulování odpadního plynu určeného k zneškodnění. Samotný reaktor pozůstává z 3 bloků a při použití navržených vestaveb umožňuje testování různých typů monolitických katalyzátorů. Je možné testovat i sypané katalyzátory, nebo po vymontování vestaveb i jiné technologie pro čištění plynu. Pro vyhodnocení účinnosti odstraňování polutantů existuje potřebná hardwarová i softwarová podpora a možnost ukládat data nejdůležitějších měřených veličin pro proces (diferenční tlaky, teploty a složení plynu). Jednotka navazuje na již zrealizovanou poloprovozní jednotku INTEQ II pro testování filtračních rukávců a keramických svíček, což zvyšuje variabilitu použití zařízení pro čištění plynů. Jednotku je možné používat pro testování katalyzátorů v laboratorních i provozních podmínkách, ke krátkodobým i dlouhodobým testům. Jednotku mohou s výhodou využít firmy vyrábějící katalyzátory nebo podniky zvažující úpravu stávající technologie pro čištění odpadních plynů. Poděkování Tento článek byl vytvořen v rámci projektu LO1202 za finanční podpory MŠMT v rámci Národního programu udržitelnosti I, ve spolupráci na projektu Centrum kompetence pro energetické využití odpadů TE

7 Použitá literatura [1] Filip, Marek. Technologická linka pro čištění spalin. Ústav procesního a ekologického inženýrství v Brně, VUT Brno, Diplomová práce. [2] Jecha, David. Absorpční čištění plynů-i. Ústav procesního a ekologického inženýrství v Brně, VUT Brno, Diplomová práce. [3] Tiedong S., Lanxin Z., Xiaoxiang Z. Catalytic cracking tester. Patent, CN [4] Baek W. Hyundai Motor Co Ltd. Endurance tester for catalyst converter. Patent, KR [5] Canos A., Serra A., Fenollosa J. Universidad Politecnia De Valencia. Catalytic testing device and method for its use in material testing. Patent, US [6] Tatsuya H., Shingo M., Takayuki Y. Horiba Ltd. Catalyst Evaluating And Testing Apparatus. Patent, JP [7] Carnahan J. Systems and methods for parallel testing of catalyst performance. Patent, US [8] Xianwei L., Huaming Y., Yongmei Y., Yangjing O., Sha N., Xiaolei H.. Baoshan Steel Stock Co Ltd. Gas catalysis efficiency testing apparatus. Patent, CN [9] Bosch Gmbh Robert. Method for testing oxidation catalyst flowed through by exhaust gas of internal-combustion engine for reducing portion of hydrocarbons at exhaust gas, involves evaluating a influence of exothermically running reaction of hydrocarbons. Patent, DE [10] Penquite C., Barker G. Monsanto Co. Apparatus And Process For Testing Exhaust Gas Catalyst System. Patent, US Schwarz - P. Weiss: Review of Scientific Information and News in the Sphere of Interconnection Network. In: Proceedings of the 10th Congress of ICNC, 2003, s