Effectieve Deeltjesemissiebeheersing in Staalproductie: Bescherming Luchtkwaliteit

Luchtverontreinigingsbeheersing – Beheersing van Deeltjesemissies

Een stalen fabriek heeft verschillende metallurgische processen die plaatsvinden bij hoge temperaturen. Veel van deze processen verwerken grondstoffen, waarvan sommige in fijne vorm voorkomen. Alle deze processen zijn daarom gevoelig voor emissies van verontreinigende gassen en deeltjesmaterie in de atmosfeer. Dit beïnvloedt de luchtkwaliteit rondom de fabriek. Om de luchtkwaliteit te verbeteren en te beschermen, worden verschillende beheersingsapparaten gebruikt voor emissiereductie.

Eerder werden beheersingsapparaten alleen gebruikt voor processen met zeer hoge of toxische verontreinigingen, of waar herstelwaarde bestond. Vandaag de dag, met steeds strengere milieuwetgeving en groeiende maatschappelijke zorgen, is het noodzakelijk geworden voor de staalindustrie om alle emissies te minimaliseren. Emissiebeheersingsapparaten zijn basis van twee typen: (i) deeltjesemissiebeheersing en (ii) gasemissiebeheersing. Dit artikel beschrijft deeltjesemissiebeheersingssystemen.

Evolutie van Deeltjesregulering

Regulering van deeltjesmaterie (PM) heeft zich de afgelopen dertig jaar verschoven van grove deeltjes (TSP - totale gesuspendeerde deeltjes) naar zeer kleine deeltjes in PM10 en PM2.5 bereiken. Deze verschuiving kwam doordat gezondheidsonderzoek wees dat kleine deeltjes het nauwst verbonden zijn met nadelige gezondheidseffecten.

Regulering dateert uit de vroege industriële revolutie. Al in de 1600s zag men de relatie tussen deeltjesemissies en problemen als stofafzetting, stofafzetting op stoffen, materiaalcorrosie en gebouwverkleuring. Met technologische vooruitgang en publiek bewustzijn werd duidelijk dat deeltjesemissies ook bijdroegen aan longziektes.

In de late jaren '40 vorderden verschillende beheersingssystemen van rudimentaire ontwerpen naar huidige high-efficiency systemen. Bijvoorbeeld elektrostatische afscheiders (ESPs) gingen van één-veldbussen voor zoutmistafscheiding naar één- en twee-veldbordtypen. Venturi-scrubbers gingen ook in gebruik voor deeltjesbeheersing. Deze systemen werden geïnstalleerd om overlast en problemen door stof te minimaliseren.

Primaire en Secundaire Deeltjesmaterie

Deeltjesmaterie kan verdeeld worden in:

• Primaire deeltjesmaterie: Direct in de atmosfeer geëmiteerd materiaal. Focus van alle beheersingsacties vóór 1997. Kan bestaan uit deeltjes <0,1 µm tot >100 µm, maar valt meestal in de grove categorie.
• Secundaire deeltjesmaterie: Vormt zich in de atmosfeer door reacties van gasvormige precursoren. Met de PM2.5-standaard gericht op fijn/ultrafijn deeltjes, neemt de aandacht toe. Kan subdivided worden in: (i) gecondenseerde dampen van anthropogene/biogene bronnen, (ii) atmosferische reacties van gasvormige precursoren (SO2, NOx, NH3, VOCs). Meeste precursoren zijn anthropogeen, maar biogene bronnen dragen ook bij.

VOCs en zwavelzuur zijn voorbeelden van emissies die kunnen condenseren tot secundaire deeltjesmaterie. Deze passeren beheersingssystemen in dampfase, maar kunnen in de omringende lucht condenseren tot deeltjes die door ambientemonsters gemeten worden. Het relatieve belang van condenseerbare deeltjesmaterie wordt pas geëvalueerd.

Deeltjesvormingsmechanismen

De grootteverdeling van gevormde deeltjes hangt af van de vormingsmechanismen. De belangrijkste mechanismen in luchtverontreinigingsbronnen zijn:

1. Fysieke attritie / mechanische dispersie
2. Verbrandingsdeeltjesuitbranding
3. Homogene condensatie
4. Heterogene nucleatie
5. Druppelverdamping

Fysieke attritie treedt op wanneer twee oppervlakken tegen elkaar wrijven. Verbrandingsdeeltjesuitbranding: Brandstofdeeltjes geïnjiceerd in hete ovens verdampen organische verbindingen, verkleinen tot onverbrandbaar materiaal (as) en langzaam brandende char. Uiteindelijk brandt meeste char, achterlatend as en char deeltjes van 1-10 µm (gestart als 100-1000 µm).

Homogene nucleatie vormt nieuwe deeltjes bijna volledig uit dampfase materiaal. Heterogene nucleatie is accumulatie op oppervlakken van reeds gevormde deeltjes. Beide vereisen afkoeling van dampbevattende gasstromen tot nucleatietemperatuur.

Sommige beheersingssystemen gebruiken vastestofbevattend water uit natte scrubbers om gasstromen af te koelen. Dit creëert ongewild een mechanisme vergelijkbaar met brandstofuitbranding. Water wordt geatomiseerd in hete gasstromen. Bij verdamping worden gesuspendeerde/opgeloste vastestoffen vrijgegeven als kleine deeltjes (waarschijnlijk 0,1-2,0 µm).

Verzamelingskrachten

Luchtverontreinigingsbeheersingssystemen oefenen krachten uit op deeltjes om ze uit de gasstroom te verwijderen. Deze krachten zijn de 'tools' voor deeltjesverzameling. Alle krachten zijn sterk afhankelijk van deeltjesgrootte:

1. Zwaartekrachtzetteling
2. Inertiële impactie en afsnijden
3. Brownse beweging van deeltjes
4. Elektrostatische aantrekking
5. Thermoforese
6. Diffusioforese

Het toepassen van krachten (elektrostatisch, inertieel) versnelt het deeltje in een richting waar het verzameld kan worden. De mate van versnelling wordt gegeven door F = Mp × Ap. Apparaten zijn ontworpen om maximale kracht uit te oefenen. Hoe meer versneld, hoe effectiever en economischer.

Er zijn drie fundamentele stappen in hoge-efficiëntie systemen (stofilters, ESPs): (i) initiële opvang op verticale oppervlakken, (ii) zwaartekrachtzetteling in de emmer, (iii) verwijdering uit de emmer. Deeltjesverzamelingsmechanismen controleren de effectiviteit van de eerste twee stappen. Deeltjesgrootteverdeling is in elke stap belangrijk.

Typen Deeltjesemissiebeheersingsapparaten

Alle apparaten verzamelen deeltjes via toegepaste krachten. Verschillende apparaten: zettingskamers, cyclonen, stofilters, elektrostatische afscheiders. Mechanismen en toegepaste krachten in Figuur 1.

Zettingskamers

Zettingskamers waren een van de eerste apparaten voor deeltjesemissiebeheersing, maar zeldzaam gebruikt vanwege lage effectiviteit. Verzamelkracht is zwaartekracht. Grote deeltjes in langzame gasstromen worden door zwaartekracht opgevangen.

De eenheid is een lange horizontale doos met inlaat, kamer, uitlaat en stofemmers. Gassnelheid wordt in de kamer gereduceerd. Alle deeltjes onderworpen aan zwaartekracht. Bij verlaagde snelheid vallen grotere deeltjes (>40 µm) in emmers. Hoofdzakelijk gebruikt als voorreiniger voor andere apparaten om zeer grote deeltjes te verwijderen. Figuur 2 toont een ontwerp.

Cyclonen

Cyclonen zijn eenvoudige mechanische apparaten om relatief grote deeltjes uit gasstromen te verwijderen. Ze dienen als voorreiniger voor geavanceerdere apparaten (ESPs, stofilters). Cyclonen zijn efficiënter dan zettingskamers.

Mechanische apparaten gebruiken inertie van deeltjes. Het met deeltjes beladen gas wordt gedwongen in een cyclonische draaiing. De massa van deeltjes zorgt dat ze naar buiten van de vortex bewegen. Meeste grote deeltjes gaan in een emmer onder de cyclonische buizen, terwijl de gasstroom draait en de buis verlaat.

Twee hoofdtypen: (i) groot-diameter cyclonen (300 mm - 2 m), (ii) klein-diameter multi-cyclonen (80-300 mm). Groot-diameter cyclonen verzamelen deeltjes van 1,5 µm tot >150 µm.

Verzamelkrachten: centrifugaal en zwaartekracht. De vorm zorgt voor spiraalbeweging. Grotere deeltjes bewegen naar buitenwand door impuls, verliezen kinetische energie, scheiden van gasstroom, worden door zwaartekracht opgevangen. Inlaat ontworpen om stroompatroon te veranderen naar circulair patroon.

Bij multi-cyclonen worden axiale cyclonen parallel gebruikt. Gas gaat van boven naar beneden en wordt door schoven in vortexpatroon gedreven. Vuil gas gaat uniform door alle individuele cyclonen. Figuur 3 toont cyclonapparaten.

Stofilters

Stofilters gebruiken filtermateriaal (nylon, wol) om deeltjes uit stofbeladen gassen te verwijderen. Deeltjes blijven op het stof achter, schoon gas passeert door. Verzamelde deeltjes worden verwijderd door mechanisch schudden of luchtblast. Deeltjes vallen in verzamel emmer. Tabel 1 toont vezelmaterialen en eigenschappen.

In stofilters zijn drie krachten verantwoordelijk voor deeltjesverwijdering: impactie, directe afsnijding, diffusie. Impactie: te grote deeltjes kunnen gasstroom niet volgen, botsten op vezel. Directe afsnijding: deeltjes volgen gasstroom rond vezels tot botsing door afstand < straal. Diffusie: zeer kleine deeltjes ondergaan Brownse beweging, diffunderen door gas naar vezels.

Stofilters hebben grote aantallen cilindrische zakken die verticaal hangen. Bij voldoende stoflaag worden zakken gereinigd, stof valt in emmer. Drie veelvoorkomende reinigingsmethoden: schudden, omgekeerde lucht, pulsstraal. Mechanisch schudden: zachte schudding door aandrijving. Omgekeerde lucht: compartiment wordt teruggespoeld met lage druk lucht. Stof verwijderd door zakken te laten instorten. Pulsstraal (meest populair): hoge druk luchtstraal verwijdert stof. Schokgolf zakt zak af, breekt stoflaag, deeltjes vallen af. Schokgolf reist heen en weer in ~0,5 seconden.

Zakken hebben een levensduur en moeten vervangen worden. Drie condities beïnvloeden levensduur negatief: afslijting, hoge temperatuur, chemische aanval. Een belangrijke ontwerpvariabele is lucht-stof verhouding. Te hoge verhouding leidt tot overmatige drukval, verminderde efficiëntie, zakken volgestopt met stof, snelle slijtage. Figuur 4 toont pulsstraal stofilter.

Elektrostatische Afscheider (ESP)

ESP verzamelt deeltjes van 0,1-10 µm. Gebruikt non-uniforme, hoogspanningsvelden om grote elektrische ladingen op deeltjes toe te passen. Geladen deeltjes bewegen naar tegenovergesteld geladen verzameloppervlak. Verzamelefficiëntie hoog, soms >99%. ESPs hanteren grote rookgasvolumes bij 175-700°C.

Drie hoofdstijlen: (i) negatief geladen droge afscheiders, (ii) negatief geladen natte-wand afscheiders, (iii) positief geladen twee-stads afscheiders. Negatief geladen droge zijn meest gebruikt voor grote toepassingen. Natte-wand voor mist en/of matig kleverige materialen. Positief geladen twee-stads alleen voor mistverwijdering. Figuur 5 toont ESP en concept.

Verzamelmechanisme: elektrostatische kracht. Stofdeeltjes in rookgas worden geladen door ESP. Hoogspanning, pulserende gelijkstroom op elektrodesysteem: kleine diameter ontladingselektrode (normaal negatief) en verzamelelektrode (geground). Spanning verhoogd tot coronontlading (blauwe gloed). Corona ioniseert gasmoleculen. Negatieve ionen migreren naar gegronde elektrode, bombarderen deeltjes, laden ze negatief. Negatief geladen deeltjes migreren naar verzamelelektrode.

ESP heeft zes essentiële elementen: (i) ontladingselektrode, (ii) verzamelelektrode, (iii) elektrisch systeem, (iv) klopper (rapper), (v) emmer, (vi) mantel. Ontladingselektrode: kleine diameter metaaldraad voor ionisatie en veldcreatie. Verzamelelektrode: plat plaat of buis met tegengestelde lading. Elektrisch systeem: hoogspanningscomponenten voor veldcontrole. Klopper: trilling/schok voor stofverwijdering van beide elektroden. Emmers: onderkant voor stofopslag na kloppen. Mantel: omhult elektroden, ondersteunt ESP.

Weerstand van stofdeeltjes beïnvloedt efficiëntie drastisch. Weerstand beschrijft weerstand van verzamelde stoflaag aan stroom. Hoge weerstand = moeilijker op te vangen. Kan gereduceerd worden door temperatuur en vochtgehalte rookgas aan te passen. Temperatuur moet boven dauwpunt blijven om corrosie te voorkomen.

Belangrijk ontwerpparameter: specifieke verzameloppervlakte (verhouding verzameloppervlakte tot gasstroomsnelheid). Vergroting oppervlakte bij gegeven stroom verhoogt efficiëntie.