Geavanceerde Rookgasreinigingsoplossingen: Technologieën & Systemen voor Schonere Lucht

Milieuverontreiniging is momenteel een van de grootste problemen over de hele wereld. Uit een reeks wereldwijde milieuproblemen hebben steeds meer mensen beseft dat milieu en grondstoffen de basisvoorwaarden zijn voor het overleven en de ontwikkeling van de mensheid. Rookgassen, die het product zijn van de meeste technologische processen, zijn verontreinigd met een verscheidenheid aan vaste deeltjes. Om de gassen verder te gebruiken (als ze voldoende calorische waarde hebben) of ze in de atmosfeer te lossen, is het noodzakelijk om de gassen te reinigen. Echter, atmosferische emissiecontrole kost geld, zelden met enige financiële terugverdientijd voor de exploitantieorganisatie.

De afgelopen jaren hebben een complete verandering gezien in houdingen, educatie, verantwoordelijkheid, en regelgeving op het gebied van emissiecontrole in verschillende landen. De emissiecontrole-regelgeving wordt strenger met het verloop van de tijd in een poging toekomstige generaties te beschermen tegen de nadelige effecten van atmosferische verontreiniging. Nu veranderen verschillende organisaties snel hun houding ten aanzien van atmosferische verontreiniging en betrekken zich proactief op verontreinigingscontrole-activiteiten. Organisaties willen nu door het publiek gezien worden als verantwoordelijke organisaties die 'schone' producten produceren. Dit is deels marktgedreven, omdat markten nu steeds meer 'schone' producten eisen. Klanten in de huidige situatie worden meer geëduceerd, zowel in hun verantwoordelijkheid ten aanzien van het milieu, als in de voordelen van een schone omgeving.

Doel van rookgasreinigingssystemen

Het doel van een rookgasreinigingssysteem is om atmosferische emissies van stoffen die gevaarlijk zijn voor het milieu en de gezondheid te reduceren. Dit omvat bijv. zware metalen, dioxinen en stoffen die verzuring en eutrofiering veroorzaken. Omdat sommige stoffen in rookgassen toxisch en carcinogeen zijn, is het belangrijk om hun emissies te reduceren. De verzuring van bossen en meren is aanzienlijk verminderd door de verwijdering van zwaveloxiden en stikstofoxiden uit rookgas.

De technologische processen van metallurgische, chemische, en thermische centrales genereren afvalrookgassen die normaal beladen zijn met stof en bij hoge temperaturen. De samenstelling en hoeveelheid van deze gassen hangen af van de aard van de technologische processen en de grondstoffen. Emissies van afvalrookgassen zijn eigenlijk een resultaat van de gebruikte grondstoffen, en de processen en reacties die in deze installaties plaatsvinden. De rookgassen kunnen kooldioxide, koolmonoxide, zwaveloxiden (SO2 en SO3) en stikstofoxiden (NOx), waterstof, waterstofsulfide (H2S), fluor (in de vorm van HF), chloor (in de vorm van HCl), arseen, kwik, vluchtige organische verbindingen (VOS), waterdamp, en stof etc. bevatten. Waterdamp is onschadelijk maar bijdraagt aan een zichtbare pluim bij de schoorsteenuitlaat.

Emissiebronnen en beheersing

Er zijn verschillende technologische processen die plaatsvinden bij hoge temperaturen. Verder hanteren veel van deze processen grondstoffen waarvan sommige in de vorm van fijne deeltjes zijn. Daarom zijn al deze processen geneigd om verontreinigende gassen en deeltjesmaterie in de atmosfeer te emitteren. Dit beïnvloedt op zijn beurt de luchtkwaliteit rondom de installatie. Om de luchtkwaliteit te verbeteren en te beschermen, worden verschillende verontreinigingscontrole-inrichtingen gebruikt voor de reductie van emissies. Eerder, voor veel jaren, werden verontreinigingscontrole-apparatuur alleen gebruikt voor die processen waar de verontreinigingshoeveelheden erg hoog waren of van toxische aard. Deze apparatuur werd ook eerder gebruikt waar ze enige herstelwaarde hadden. Maar in het huidige scenario, met de milieuregelgeving die steeds strenger wordt en met de toenemende maatschappelijke zorgen over het milieu, is het noodzakelijk geworden om de emissies van alle technologische processen te bekijken en apparatuur in alle gebieden te installeren om de emissies tot de minimaal mogelijke niveaus te reduceren.

Er zijn ten minste vijf grote groeperingen van atmosferische verontreinigingsbronnen die normaal worden toegeschreven aan technologische processen, elk met specifieke best-practice-technologieën voor reductie. Deze groeperingen vormen geen uitgebreide lijst, aangezien waar sterke zuurgasconcentraties worden aangetroffen, alternatieve rookgasreinigingstechnologieën geïmplementeerd moeten worden zoals zwavelzuurinstallaties. Deze vijf grote groeperingen voor gasreinigingstechnologieën zijn gerelateerd aan: (i) stof- en deeltjesemissiecontrole, (ii) zuurgassen zoals SO2 / HCl en HF controle, (iii) NOx-reductiecontrole, (iv) zuurmist en andere aerosolen controle, en (v) kwik, dioxinen/furanen en VOS controle. Voor de zuurgasfixatietechnologieën blijft productverwijdering altijd een uitdaging. In de meerderheid van toepassingen worden afvalproducten simpelweg gestort met de noodzakelijke operationele kosten die erbij horen. De emissiecontrole-apparatuur voor deze vijf groepen gasreinigingstechnologieën zijn basis van twee typen: (i) stof- en deeltjesemissiecontrole-apparatuur en (ii) gasvormige-emissiecontrole-apparatuur. Dit artikel concentreert zich op de stof- en deeltjesemissiecontrolesystemen.

Hoge-temperatuurgasreiniging

Het probleem van hoge-temperatuurgasreiniging in het algemeen is misschien wel het meest verwardende voor de industrie. Het is moeilijk omdat het probleem normaal geassocieerd is met extreem fijn deeltjes verdeeld in gassen bij temperaturen die kunnen variëren van 700°C tot 1.500°C. In sommige instanties kunnen zelfs hogere temperaturen betrokken zijn. Vanwege het fijn aerosol en de hoge temperaturen die betrokken zijn, lossen de gewone benaderingen het probleem normaal niet op. Daarom is de vooruitgang in dit gebied niet zo snel geweest. Basisproblemen geassocieerd met hoge-temperatuurgasreiniging zijn die van economie en fundamentele vereisten voor reiniging.

In sommige instanties is de reiniging van de afvalgassen noodzakelijk omdat het een materiaal van substantiële waarde vertegenwoordigt of, als het deeltjesmateriaal wordt verwijderd, een gas overblijft dat brandbaar is en in de vorm van warmte of energie wordt herwonnen wat in het proces kan worden benut. In andere instanties is de economische waarde van het effluent, hetzij deeltjesmatig, hetzij gasvormig, of de gebruikelijke combinatie, van zo kleine omvang dat de kosten van verwijdering een groot probleem vertegenwoordigen. In deze gevallen is de reiniging of verwijdering die nodig is om luchtreiniging te voorkomen, een voor dewelke er alleen een onzichtbare teruggave is.

In de tweede categorie is de wens van de industrie om reiniging te verkrijgen tegen minimale kosten zonder een last in de vorm van verhoogde productiekosten op te leggen. De kosten van het voorkomen van gemeenschapsluchtverontreiniging en mogelijke schade aan eigendom of het publiek is normaal zonder enige tastbare herwinning dan goede publieke relaties.

Effectieve reiniging van deze gassen presenteert serieuze technische problemen vanwege de verscheidenheid aan verontreinigingen. Hoge-efficiënte gasreinigingssystemen zijn vitaal voor de betrouwbare operatie en lange campagnelangte van hoge-temperatuur metallurgische en thermische centrales, en staan operators toe om aan de relevante verontreinigingscontrole-standaarden te voldoen. De selectie van de gasafkoelings- en reinigingsinstallaties is kritisch met betrekking tot technische haalbaarheid, economische acceptabiliteit, en milieuveiligheid. Verder moeten gasreinigingssystemen worden ontworpen tot de hoogste niveaus van reinigingsefficiëntie, veiligheid, en betrouwbaarheid terwijl ze de best mogelijke milieubescherming bieden.

Belangrijke ontwerpcriteria

Belangrijke criteria voor het ontwerp van een gasreinigingssysteem zijn: (i) gasvolume in N m³ per uur, (ii) chemische samenstelling van de gassen, (iii) vochtgehalte van de gassen, (iv) temperatuur van de gassen, (v) stofinhoud van de gassen in kg per uur, (vi) kenmerken van de stof, zoals bijtend, slijtend, etc., (vii) deeltjesgroottebereik van de stof, (viii) emissienormen, (ix) explosie-eigenschap van het gas, (x) hygiënisch ontwerp, (xi) on-line of off-line systemen, en (xii) constructiematerialen.

Er zijn drie belangrijke overwegingen in het ontwerp van het gasreinigingssysteem. De eerste is de afzuigkap die moet worden ontworpen om de stof en gassen die geëmiteerd worden op te vangen en een rookgevulde werkplek te voorkomen. De tweede is dat de gas en stof die door de afzuigkap wordt gevangen, gereinigd moet worden voordat het in de atmosfeer wordt gelost. De derde is dat de verzamelde stof op een dergelijke manier moet worden verwijderd dat het niet opnieuw in de lucht of een stroom wordt opgewerveld om een verontreinigingsprobleem overal opnieuw te worden.

Gasafkoelingsmethoden

De rookgassen afkomstig van de metallurgische ovens hebben vaak hoge temperaturen (700°C tot 1.500°C of zelfs hoger) en hoge stofinhoud. Daarom moeten deze gassen, voordat ze in het gasreinigingssysteem worden behandeld, afgekoeld worden tot een temperatuur onder de 400°C. Verscheidene gasafkoelingsmethoden worden in de praktijk gebruikt. Deze zijn: (i) afvalwarmteketel, (ii) indirecte afkoeling met lucht, (iii) indirecte afkoeling met water, en (iv) verdampingsafkoeling met water.

Afvalwarmteketels worden voornamelijk gebruikt voor het afkoelen van rookgassen van die technologische processen die rookgassen produceren met continue gasstroomsnelheden. Dit stelt de toepassing van gasafkoeling met behulp van afvalwarmteketel met goede operationele resultaten in staat.

Het systeem voor het afkoelen van de gassen door indirecte afkoeling met lucht wordt in de praktijk relatief zelden gebruikt vanwege verschillende nadelen zoals: (i) afkoellucht heeft een lagere temperatuur dan het dauwpunt van het procesgas, en condensatie van de zuur plaatsvindt op de koelere wanden wat corrosie van de apparatuur veroorzaakt, (ii) risico op aanwas en blokkage door kleverige stof, (iii) de verblijftijd van het gas bij hoge temperatuur (hoger dan 550°C) is lang wat de vorming van additionele SO3 veroorzaakt en het dauwpunt van het gas verhoogt, en (iv) in het geval van fluctuerende gasstroomsnelheid, is het moeilijk om de gasuitlaattemperatuur te controleren.

Het systeem voor het afkoelen van de gassen door indirecte afkoeling met water wordt vaak gebruikt. In dit geval heeft de rookgaskanaal waterbuizen om de omtrek heen door welke het afkoelwater stroomt. De afmetingen van de buizen en de waterparameters (druk en stroom) moeten zodanig zijn dat de temperatuur van het opgewarmde water altijd onder de niveaus van verdamping blijft. Hoewel het systeem stoom en de regelgevingskwesties geassocieerd met stoomafhandeling vermijdt, hangt het nadeel van het systeem samen met het bulkierder apparaat en de afhandeling van groter volume afkoelwater.

Verdampingsafkoeling met water is een geschikte technische alternatief voor indirecte luchtverkoeling of afvalwarmteketels voor het afkoelen van gassen met fluctuerende gasstroomsnelheid. Moderne verdampingsafkoelingsapparatuur gebruikt een speciaal soort sproeispuiten, de zogenaamde twee-componentenspuiten (water en geperstiseerde lucht), die flexibele operatie en gevoelige controle van de gastemperatuur bij de koeleruitlaat toelaten. Deze eigenschap is erg belangrijk om elke excessieve gastemperatuurdaling te vermijden die condensatie van zuurmist kan veroorzaken en als gevolg benatting van de stof en de creatie van natte stofafzettingen, in de daaropvolgende hete-gas-precipitatoren alsook corrosie. De voordelen van het gebruik van verdampingskoelers zijn: (i) verdampingsafkoeling reduceert de vorming van additionele SO3 in het gas vanwege een korte verblijftijd van het gas voor de verdampingskoeler bij hoge temperatuur (boven 550°C) in de aanwezigheid van deeltjesmetaalverbindingen die als katalysatoren fungeren. (ii) stroomafwaarts van de verdampingskoeler wordt de vorming van SO3 geïnhibeerd, (iii) conditionering van het gas met water voor betere prestaties van de electrostatische precipitator (ESP), en (iv) geen interne elementen zoals leidingschoven zijn nodig.

Deeltjesverwijderingsapparatuur

Er zijn ongeveer 40 verschillende typen gasreinigingsinrichtingen beschikbaar vandaag, en, gebaseerd op gedeelde kenmerken, kunnen ze in vijf hoofdtypen worden gegroepeerd: (i) mistafscheiders, (ii) stofafscheiders (ook wel stofvangers genoemd) en cyclonen, (iii) natte afstovers, (iv) filters, en (v) ESP's. Verder kunnen gasreinigingssystemen gebaseerd zijn op technologieën voor droge stofscheiding of technologieën voor natte stofscheiding. In de droge stofscheidingstechnologieën kan conditionering van gas met water nodig zijn, gebaseerd op de vereisten van het technologische proces. De conditionering van het gas wordt uitgevoerd door het injecteren van water samen met stikstof in een conditioneringstoren om een watermist te produceren met druppels met een diameter van ongeveer 150 micrometer. De verblijftijd van gas in de toren wordt gecontroleerd op een dergelijke manier dat alle druppels volledig verdampen bij de uitlaat van de conditioneringstoren.

Deeltjesverwijderingsinrichtingen werken basis op het principe dat een gasstroom die deeltjes bevat, door een gebied wordt geleid waar de deeltjes worden beïnvloed door externe krachten of veroorzaakt worden om obstakels te intercepteren, waardoor ze van de gasstroom worden gescheiden. Wanneer ze door externe krachten worden beïnvloed, verwerven de deeltjes een snelheidscomponent in een richting anders dan die van de gasstroom. Om een scheidingsinrichting te ontwerpen gebaseerd op deeltjesscheiding door externe krachten, is het essentieel om de beweging van een deeltje onder dergelijke condities te berekenen.

Een voorlopige selectie van geschikte deeltjesemissiecontrolesystemen is normaal gebaseerd op de kennis van vier items: (i) deeltjesconcentratie in de te reinigen stroom, (ii) de groottedistributie van de te verwijderen deeltjes, (iii) de gasstroomsnelheid, en (iv) de uiteindelijke toelaatbare deeltjesemissiesnelheid. Eenmaal de systemen die in staat zijn om de vereiste efficiënties bij de gegeven stroomsnelheden te leveren gekozen zijn, wordt de uiteindelijke selectie normaal gemaakt op basis van de totale kosten van constructie en operatie. De grootte van een afscheider, en dus de kosten, is recht evenredig met het volumetrische gasstroomsnelheid die gereinigd moet worden. De operationele factoren die de kosten van een inrichting beïnvloeden, zijn de drukval door de eenheid, het benodigde vermogen, en de hoeveelheid water nodig (in het geval van een nat schroeiingsysteem). Inrichtingen die deeltjes uit gasstromen verwijder, berusten op een of meer van de volgende fysieke mechanismen.

Fysieke scheidingsmechanismen

• Bezinking – De deeltjesbevattende gasstroom wordt in een inrichting of kamer geïntroduceerd waar de deeltjes onder zwaartekracht naar de vloer van de kamer bezinken. Inrichtingen van dit type heten bezinkingskamers.
• Migratie van geladen deeltjes in een elektrisch veld – De deeltjesbevattende gasstroom wordt in een inrichting geïntroduceerd waarin de deeltjes geladen worden en vervolgens aan een elektrisch veld worden blootgesteld. De resulterende electrostatische kracht op de deeltjes zorgt ervoor dat ze migreren naar één van de oppervlakken van de inrichting, waar ze worden vastgehouden en verzameld. Inrichtingen van dit type heten ESP.
• Inertiële depositie – Wanneer een gasstroom van richting verandert als het om een object in zijn pad stroomt, neigen opgeschorte deeltjes om in de oorspronkelijke richting te blijven bewegen door hun inertie. Deeltjesverzamelingsinrichtingen gebaseerd op dit principe omvatten cyclonen, schroeiers, en filters.
• Browniaanse diffusie – Deeltjes opgeschort in een gas zijn altijd in Browniaanse beweging. Browniaanse beweging is de willekeurige beweging van deeltjes opgeschort in een medium. Dit patroon van beweging bestaat typisch uit willekeurige fluctuaties in de positie van een deeltje binnen een vloeistofsubdomein, gevolgd door herlocatie naar een ander subdomein. Wanneer de gasstroom om obstakels stroomt, brengt de natuurlijke willekeurige beweging van de deeltjes hen in contact met de obstakels, waar ze hechten en worden verzameld. Aangezien de Browniaanse beweging meer uitgesproken is met de kleinere deeltjes, wordt verwacht dat inrichtingen gebaseerd op diffusie als scheidingsmechanisme het meest effectief zijn voor kleine deeltjes.

De sleutelparameter die de keuze beïnvloedt van welke inrichting in een bepaald geval te gebruiken, is de deeltjesdiameter 'Dp'. De fysieke mechanismen zoals hierboven gegeven, variëren sterk in hun effectiviteit, afhankelijk van de grootte van het deeltje. Dus de effectiviteit van deeltjesverwijderingsinrichtingen is een functie van de deeltjesgrootte.

De scheidingsefficiëntie 'N(Dp)' van een gasreinigingsinrichting voor deeltjes van diameter 'Dp' wordt gedefinieerd door de vergelijking N(Dp) = 1 - (aantal deeltjes van diameter Dp per m³ gas uit) / (aantal deeltjes van diameter Dp per m³ gas in). De algehele efficiëntie 'N' van de inrichting gebaseerd op deeltjesaantal wordt gegeven door de vergelijking N = 1 - (aantal deeltjes per m³ gas uit) / (aantal deeltjes per m³ gas in). Deze efficiënties kunnen worden uitgedrukt in termen van de deeltjesgrootteverdelingsfuncties aan de inlaat- en uitlaatzijde van de inrichting.

Klassen van deeltjescontrole-apparatuur

Er zijn verschillende verschillende klassen van deeltjescontrole-apparatuur. De eenvoudigste deeltjescontrole-inrichting is een bezinkingskamer, een grote kamer waarin de gassnelheid wordt vertraagd, waardoor de deeltjes door zwaartekracht uitbezinken. Een cycloon werkt door de gehele gasstroom in een spiraalpatroon binnen een afgetapte buis te laten stromen. Vanwege de centrifugaalkracht migreren deeltjes naar buiten en verzamelen op de wand van de buis. De deeltjes glijden langs de wand naar beneden en vallen naar de bodem, waar ze worden verwijderd. De schone gaskeert normaal zijn stroom om en verlaat bovenaan de cycloon.

De ESP gebruikt de electrostatische kracht op geladen deeltjes in een elektrisch veld om deeltjes van de gasstroom te scheiden. Een hoge spanningsval wordt gevestigd tussen twee elektroden, en deeltjes die door het resulterende elektrische veld gaan, verwerven lading. De geladen deeltjes migreren naar en worden verzameld op een tegengesteld geladen plaat terwijl de schone gas door de inrichting stroomt. Periodiek worden de platen gereinigd door te kloppen om de laag stof die zich heeft geaccumeerd, af te schudden.

Een verscheidenheid aan filters werkt op het principe dat het deeltjesbeladen gas gedwongen wordt door een assemblage van verzamelende elementen, zoals een vezel of een filtermat. Als het gas door de assemblage passeert, accumuleren deeltjes op de verzamelaars.

Natte verzamelingsinrichtingen genaamd schroeiers werken op basis van de botsing van deeltjes met druppels water die gemakkelijk van het gas kunnen worden gescheiden vanwege hun grote grootte.

Mechanische afscheiders zoals bezinkingskamers of cyclonen zijn typisch veel goedkoper dan de anderen maar normaal slechts matig efficiënt in deeltjesverwijdering. Aangezien ze veel beter zijn voor grote deeltjes dan voor kleine, worden ze vaak gebruikt als vooraf-reinigers voor de efficiëntere finale controle-inrichtingen, met name bij hoge deeltjesbelasting. ESP's kunnen grote volumetrische gasstroomsnelheden behandelen bij relatief lage drukval met zeer hoge verwijderingsefficiënties. Echter, ESP's zijn duur en zijn relatief onbuigzaam voor veranderingen in procesoperatiecondities. Stoffenfilters (zakfilters) neigen tot zeer hoge efficiënties maar zijn duur en normaal beperkt tot droge, lage-temperatuurcondities. Schroeien kan ook hoge efficiënties bereiken en biedt het bijkomende voordeel dat gasvormige verontreinigingen gelijktijdig met deeltjes kunnen worden verwijderd. Echter, schroeiers kunnen duur in operatie zijn, vanwege hun hoge drukval en het feit dat ze een nat slib produceren dat behandeld of gestort moet worden.

Bezinkingskamers

Zwaartekrachtbezinking is misschien wel de meest voor de hand liggende manier om deeltjes van een stromende gasstroom te scheiden. Een bezinkingskamer is simpelweg een horizontale kamer door welke de deeltjesbeladen gas stroomt en aan de vloer waarvan de stofdeeltjes bezinken. Het is, in principe, simpelweg een grote doos door welke de effluent-gasstroom stroomt en waarin deeltjes in de stroom naar de vloer bezinken door zwaartekracht. Gassnelheden door de bezinkingskamer moeten laag genoeg gehouden worden zodat bezinkende deeltjes niet opnieuw opgewerveld worden. De gassnelheid wordt normaal verlaagd door het kanaal uit te breiden in een kamer groot genoeg zodat voldoende lage snelheden resulteren. Hoewel in principe bezinkingskamers gebruikt kunnen worden om zelfs de kleinste deeltjes te verwijderen, beperken praktische beperkingen in de lengte van dergelijke kamers hun toepasbaarheid tot de verwijdering van deeltjes groter dan ongeveer 50 micrometer. Dus bezinkingskamers worden normaal gebruikt als vooraf-reinigers om grote en mogelijk slijtende deeltjes te verwijderen, voordat de gasstroom door andere verzamelingsinrichtingen gaat.

Bezinkingskamers bieden de voordelen van: (i) eenvoudige constructie en lage kosten, (ii) kleine drukval, en (iii) verzameling van deeltjes zonder behoefte aan water. Het hoofdnadeel van bezinkingskamers is de grote ruimte die ze nodig hebben. In feite kan de kamer een aantal relatief dichtbij elkaar gelegen horizontale platen bevatten zodat de afstand die een deeltje moet bezinken om verzameld te worden, aanzienlijk kleiner is dan de hoogte van het totale apparaat. Fig 1 toont een eenvoudig zwaartekracht-bezinkingskamerontwerp.

Bij het analyseren van de prestaties van een bezinkingskamer, is het sleutelkenmerk de aard van de gasstroom door het apparaat. In dit opzicht kunnen drie basis geïdealiseerde stromingssituaties worden onderscheiden: (i) laminar stroom, (ii) plug-stroom (snelheid uniform over de doorsnede) zonder verticale menging van deeltjes, en (iii) plug-stroom met volledige verticale menging van deeltjes.

Laminar stroom wordt gekenmerkt door een parabooltype snelheidsprofiel. Zo'n stroom wordt alleen gerealiseerd voor Reynolds-getallen onder die voor overgang naar turbulente stroom. In een laminar stroom is de tijd die nodig is voor een deeltje op hoogte 'h' boven de vloer van de kamer om te bezinken 'h/V' waar V de bezinkingsnelheid van het deeltje is. Verticale menging van deeltjes is afwezig in laminar stroom. Het effect van Browniaanse beweging wordt normaal verwaarloosd ten opzichte van de constante neerwaartse beweging door bezinking.

In de laminar-stroom bezinkingskamer is het gassnelheidsprofiel paraboolvormig, en als een deeltje onder de centrumstroomlijn bezinkt, ontmoet het vloeistof die langzamer beweegt, en dus neemt zijn verblijftijd in de kamer toe ten opzichte van wat het op de hogere stroomlijn was. Aan de andere kant, deeltjes initieel boven de centrumstroomlijn ontmoeten snellere stroomlijnen als ze vallen tot ze de centrumstroomlijn passeren.

De tweede stroomcategorie is de plug-stroom zonder verticale menging van de deeltjes. Dit type stroom is, in een zin, een benadering van laminar stroom in die verticale menging van deeltjes nog steeds genegeerd wordt, maar een plat snelheidsprofiel wordt aangenomen en de deeltjes bezinken allemaal met hun bezinkingsnelheden. De tweede stroomsituatie is die van plug-stroom zonder verticale menging van deeltjes. In deze situatie wordt aangenomen dat de deeltjes uniform verdeeld zijn over de ingang van de kamer. Of een deeltje verzameld wordt, wordt uitsluitend bepaald door de hoogte 'h' bij zijn ingang boven het verzameloppervlak. Een kritieke hoogte 'h*' kan worden gedefinieerd zodanig dat alle deeltjes die binnenkomen met 'h' kleiner dan of gelijk aan 'h*' verzameld worden en die waarvoor 'h' groter is dan 'h*' de verzameling ontlopen.

De derde categorie, plug-stroom met grondige verticale menging, is de turbulente stroom. In een turbulente-stroom bezinkingskamer wordt de gassnelheid aangenomen als uniform over de kamer door de turbulente menging. Bovendien overweldigt de turbulente menging in de kern van de kamer de neiging van de deeltjes om te bezinken en handhaaft een uniforme deeltjesconcentratie verticaal over de kamer. Verwijdering door bezinking kan worden aangenomen in een dunne laag aan de bodem van de kamer.

De stroom in een rechthoekig kanaal kan als turbulente worden aangenomen als het Reynolds-getal groter is dan 4.000. In de laminar-stroom bezinkingskamer bezinken deeltjes op alle hoogtes boven de vloer van de kamer, de sleutel tot de analyse is het berekenen van de algehele verblijftijd van de deeltjes als ze over stroomlijnen vallen. Het verzamelingsmechanisme in een turbulente-stroom bezinkingskamer is, hoewel uiteindelijk gebaseerd op de bezinking van deeltjes onder zwaartekracht, redelijk anders dan dat in de laminar-stroomkamer. Het verschil is door de turbulente stroom in de kamer. In de bulkstroom in de kamer is turbulente menging vigerig genoeg zodat deeltjes overweldigd worden door de stroom en niet bezinken. Er wordt aangenomen dat de turbulente menging een uniforme deeltjesconcentratie over de hoogte van de kamer handhaaft. Heel dicht bij de vloer van de kamer kan een dunne laag worden aangenomen waarover deeltjes de korte afstand naar de vloer bezinken. Dus, zodra een deeltje, vigerig gemengd in de kern van de stroom, deze laag binnenkomt, bezinkt het naar de vloer.

Cycloon-afscheiders

Cycloon-afscheiders zijn gasreinigingsinrichtingen die de centrifugaalkracht gebruiken die gecreëerd wordt door een spinnerende gasstroom om deeltjes van een gas te scheiden. Een standaard tangentiële-inlaat verticale omgekeerde-stroom cycloon-afscheider wordt getoond in Fig 2. De gasstroom wordt gedwongen de gekromde geometrie van de cycloon te volgen terwijl de inertie van deeltjes in de stroom ervoor zorgt dat ze naar de buitenste wand bewegen, waar ze botsen en worden verzameld. Een deeltje van massa 'm' dat beweegt in een cirkelvormige baan van straal 'r' met een tangentiële snelheid 'vA' wordt beïnvloed door een centrifugaalkracht van 'm(vA)²/r'. Bij een typische waarde van 'vA' = 10 m/s, 'r' = 0,5 m, is deze kracht 20,4 keer die van de zwaartekracht op hetzelfde deeltje. Dus kan worden gezien dat de aanzienlijk verhoogde kracht op het deeltje ten opzichte van bezinking alleen kan worden bereikt voor cycloongeometrie.

In een cycloon bewegen de deeltjes in de spinnerende gasstroom progressief dichter bij de buitenwand terwijl ze door de inrichting stromen. Zoals getoond in Fig 2, kan de gasstroom verschillende volledige slagen uitvoeren terwijl het stroomt van het ene uiteinde van de inrichting naar het andere. Voor het ontwerp van een cycloon-afscheider, gegeven de gasstroomsnelheid en binnen- en buitenstralen, moet de lengte van de cycloonlichaam ervoor zorgen dat een gewenste verzamelingsefficiëntie voor deeltjes van een gegeven grootte wordt bereikt. Aangezien de lengte van het cycloonlichaam via de gasstroomsnelheid gerelateerd is aan het aantal slagen uitgevoerd door de gasstroom, bestaat het ontwerp vaak uit het berekenen van het aantal benodigde slagen om de gespecificeerde verzamelingsefficiëntie te bereiken.

Er zijn een verscheidenheid aan ontwerpen beschikbaar voor de cycloon-afscheiders die verschillen in de manier waarop de draaiende beweging aan de gasstroom wordt gegeven. Conventionele cyclonen kunnen in drie categorieën zijn: (i) omgekeerde-stroom cyclonen (tangentiële inlaat en axiale inlaat), (ii) recht-door-stroom cyclonen, en (iii) roerkruis-verzamelaars.

Fig 2 toont een conventionele omgekeerde-stroom cycloon met een tangentiële inlaat. Het vuile gas komt bovenaan de cycloon binnen en krijgt een spinnerende beweging vanwege zijn tangentiële instroom. Deeltjes worden naar de wand gedwongen door centrifugaalkracht en vallen vervolgens langs de wand naar beneden door zwaartekracht. Aan de bodem van de cycloon keert de gasstroom om om een binnenkern te vormen die bovenaan de cycloon vertrekt. In een omgekeerde-stroom axiale-inlaat cycloon wordt het instroomgas langs de as van de cycloon geïntroduceerd, met centrifugaalbeweging die wordt gegeven door permanente schoven bovenaan.

In recht-door-stroom cyclonen verlaat de binnenste vortex van lucht aan de bodem (in plaats van richting te keren), met de initiële centrifugaalbeweging die wordt gegeven door de schoven bovenaan. Dit type wordt vaak gebruikt als vooraf-reiniger om grote deeltjes te verwijderen. De hoofvoordelen van deze cycloon zijn lage drukval en hoge volumetrische stroomsnelheden.

In de roerkruis-verzamelaar, komen gassen normaal binnen op een veelvoudig-geblaasde roerkruis en worden afgeworpen door de roerkruis rond zijn omtrek terwijl de deeltjes in een ringvormige sleuf rond de omtrek van de cycloon worden geworpen. Het hoofddoordeel van deze cycloon is de compactheid. Het hoofdnadeel van de cycloon is een neiging tot verstopping door vaste-stofopbouw in de cycloon.

Cyclonen kunnen geconstrueerd worden uit elk materiaal, metaal of keramisch. Ze zijn in staat om hoge temperaturen, slijtende deeltjes, of bijtende atmospheren te weerstaan. Het is noodzakelijk dat het interieuroppervlak glad is zodat de verzamelde deeltjes gemakkelijk langs de wand naar de huper kunnen glijden. Er zijn geen bewegende delen in een cycloon, dus de operatie is normaal eenvoudig en relatief vrij van onderhoud. Hun lage investeringskosten en onderhoudsvrije operatie maken ze ideaal voor gebruik als vooraf-reinigers voor efficiëntere finale controle-inrichtingen, zoals ESP's. Hoewel cyclonen traditioneel worden beschouwd als relatief lage-efficiëntie-afscheiders, kunnen sommige cyclonen die momenteel beschikbaar zijn, efficiënties bereiken die hoger zijn dan 98% voor deeltjes groter dan 5 micrometer. Normaal bereiken cyclonen routinematig efficiënties van 90% voor deeltjes groter dan 15 micrometer tot 20 micrometer.

Fig 3 toont een deeltje dat tangentiële op een horizontaal vlak van een spinnerende gasstroom bij r3 binnenkomt. Vanwege een centrifugaalkracht van 'm(vA)²/r', volgt het deeltje een pad naar buiten over de stroomlijnen. De snelheidsvector ervan heeft een tangentiële component (vA) en een radiale component (Vr). Er is ook een axiale component (vZ).

De zogenaamde laminar-stroom cycloon-afscheider heeft geen laminar stroom in de zin van de laminar-stroom bezinkingskamer, maar eerder een wrijvingsvrije stroom waarin de stroomlijnen de contouren van de cycloon volgen zoals getoond in Fig 3.

Het model van de turbulente-stroom cycloon-afscheider wordt getoond in Fig 3. Vanwege turbulente menging wordt de deeltjesconcentratie aangenomen als uniform over de cycloon, en, zoals in het geval van de turbulente-stroom bezinkingskamer, vindt verwijdering plaats over een dunne laag aan de buitenwand.

Cycloon-verzamelingsefficiëntie neemt toe met toenemende: (i) deeltjesgrootte, (ii) deeltjesdichtheid, (iii) inlaatgassnelheid, (iv) cycloonlichaamslengte, (v) aantal gasomwentelingen, en (vi) gladheid van de cycloonwand. Aan de andere kant, cyclonefficiëntie neemt af met toenemende: (i) cycloondiameter, (ii) gasuitlaatkanaaldiameter, en (iii) gasinlaatoppervlak. Voor elke specifieke cycloon, wiens verhouding van afmetingen vastligt, neemt de verzamelingsefficiëntie toe naarmate de cycloondiameter afneemt. Het ontwerp van een cycloon-afscheider vertegenwoordigt een compromis tussen verzamelingsefficiëntie, drukval, en grootte. Hogere efficiënties hebben hogere drukval (d.w.z. inlaatgassnelheden) en grotere groottes (d.w.z. lichaamslengte) nodig. De afmetingen die nodig zijn om een tangentiële-inlaat, omgekeerde-stroom cycloon te specificeren, worden getoond in Fig 4.

Naast verzamelingsefficiëntie is de andere grote overweging in cycloon-specificatie drukval. Terwijl hogere efficiënties bereikt worden door het gas door de cycloon te forceren bij hogere snelheden, resulteert dit in een verhoogde drukval. Aangezien verhoogde drukval verhoogde energie-invoer in het gas nodig heeft, is er uiteindelijk een economische afweging tussen verzamelingsefficiëntie en operationele kosten. Cycloondrukvalen variëren normaal van 250 Pa tot 4.000 Pa.

Elektrostatische Precipitator (ESP)

ESP is een van de meest gebruikte deeltjescontrole-inrichtingen. Het heeft wijd bereik aan groottes. De ESP-kamer bestaat uit twee elektroden, de ontladings- en de verzamel-elektrodes. Tussen de elektroden bevat het gas vrije elektronen, ionen, en geladen deeltjes. De soorten die bijdragen aan de ruimteladingsdichtheid zijn ionen, elektronen, en geladen deeltjes. De gasmoleculen vangen alle vrije elektronen op zodat alleen de ionen en geladen deeltjes bijdragen aan de ruimteladingsdichtheid. Eigenlijk vloeit ionische stroom in de richting van het elektrische veld bestaande uit ionen geladen met dezelfde polariteit als de ladende elektroden en bewegend naar de verzamelelektrode. De ionen migreren naar de verzamelelektrode met een snelheid groot genoeg om onbeïnvloed te zijn door de turbulente stroom in de kamer.

Het basisprincipe van de werking van de ESP is dat de deeltjes geladen worden, en vervolgens een elektrisch veld wordt opgelegd op het gebied door welke de deeltjesbeladen gas stroomt, wat een aantrekkende kracht uitoefent op de deeltjes en ervoor zorgt dat ze migreren naar de tegengesteld geladen elektrode onder rechte hoeken met de richting van de gasstroom. ESP verschilt van mechanische methoden van deeltjesscheiding in dat de externe kracht direct op de individuele deeltjes wordt toegepast in plaats van indirect via krachten toegepast op de gehele gasstroom (bijv. in een cycloon-afscheider). Deeltjes verzamelen op de elektrode. Als de verzamelde deeltjes vloeistof zijn, vloeit de vloeistof langs de elektrode door zwaartekracht en wordt aan de bodem van de inrichting verwijderd. Als de deeltjes vast zijn, wordt de verzamelde laag op de elektrode periodiek verwijderd door de elektrode te kloppen.

Deeltjeslading wordt bereikt door ionen te genereren door middel van een corona gevestigd rondom een hoog geladen elektrode zoals een draad. Het elektrische veld wordt toegepast tussen die elektrode en de verzamelelektrode. Als hetzelfde paar elektroden dient voor deeltjeslading en -verzameling, wordt de inrichting een single-stage ESP genoemd (Fig 4). Een draad die fungeert als ontladingselektrode is opgehangen langs de as van een buis en op zijn plaats gehouden door een gewicht bevestigd aan de bodem. De zijkanten van de cylinder vormen de verzamelelektrode. De verzamelde deeltjes die een laag op de verzamelelektrode vormen, worden naar de stofhopper door het kloppen van de verzamelelektrode verwijderd. In een two-stage ESP voeren afzonderlijke elektrodeparen de ladings- en verzamelingsfuncties uit.

De meeste industriëel gegenereerde deeltjes worden tijdens hun vorming geladen door middelen zoals vlamionisatie en wrijving, maar normaal alleen tot een lage of matige graad. Deze natuurlijke ladingen zijn veel te laag voor electrostatische precipitatie. De hoge-spanning DC (directe stroom) corona is het meest effectieve middel voor deeltjeslading en universeel gebruikt voor electrostatische precipitatie. De corona wordt gevormd tussen een actieve hoge-spanningselektrode zoals een fijne draad en een passieve aarde-elektrode zoals een plaat of buis. De corona rondom de ontladingselektrode kan leiden tot de vorming van positieve of negatieve ionen die migreren naar de verzamelelektrode. De ionen, in het migreren van de ontladende naar de verzamelende elektrode, botsen met de deeltjesmaterie en laden de deeltjes.

Aangezien de gasmolecuul-ionen vele ordes van grootte kleiner zijn dan zelfs de kleinste deeltjes en vanwege hun grote aantal, worden praktisch alle deeltjes die door de inrichting stromen geladen. De geladen deeltjes worden vervolgens getransporteerd naar de verzamelelektrode, waar ze door de electrostatische aantrekking worden vastgehouden. De deeltjes bouwen een verdikkende laag op de verzamelelektrode op. De lading bloedt langzaam van de deeltjes naar de elektrode. Naarmate de laag groeit, moeten de ladingen op de meest recent verzamelde deeltjes geleid worden door de laag van ealier verzamelde deeltjes. De weerstand van de stoflaag wordt de stofresistiviteit genoemd.

Naarmate de deeltjeslaag in dikte toeneemt, verliezen de deeltjes dichtst bij de platen het grootste deel van hun lading aan de elektrode. Als resultaat wordt de elektrische aantrekking tussen de elektrode en deze deeltjes verzwakt. Echter, de nieuw aangekomen deeltjes op de buitenlaag hebben een volle lading. Vanwege de isolerende laag van deeltjes, verliezen deze nieuwe deeltjes hun lading niet direct en dienen dus om de gehele laag tegen de elektrode te houden. Uiteindelijk wordt de laag verwijderd door te kloppen, zodat de laag breekt en in een verzamelhuper valt. ESP's worden normaal ingezet voor gasreiniging wanneer de volumetrische doorvoer van gas hoog is.

Het mechanisme voor deeltjeslading in een ESP is de generatie van een voorraad ionen die zich aan de deeltjes hechten. De corona is het mechanisme voor het vormen van ionen. De corona kan positief of negatief zijn. Een gas heeft normaal een paar vrije elektronen en een gelijk aantal positieve ionen, een situatie die wordt benut in het genereren van een corona. Wanneer een gas tussen twee elektroden wordt geplaatst, resulteert een kleine hoeveelheid stroom als de vrije elektronen migreren naar de positieve elektrode en de positieve ionen migreren naar de negatieve elektrode.

In de positieve corona-ontladingselektrode, is de draad in de cilindrische ESP (Fig 4) op een positief potentieel. De paar vrije elektronen die normaal in het gas aanwezig zijn, migreren naar de draad. Als de elektronen de draad benaderen, neemt de energie van de elektronen toe vanwege een toename in de aantrekkende kracht. Deze vrije elektronen botsen met gasmoleculen, de botsing leidend in sommige gevallen tot de uitlezing van een elektronen uit het molecuul, producerend twee vrije elektronen en een positieve ion. De twee vrije elektronen gaan door naar de positieve elektrode, winnend energie, tot ze botsen met twee meer gasmoleculen, producerend vier vrije elektronen en twee positieve ionen. Dit proces wordt aangeduid als een elektronenlawin.

De gevormde positieve ionen migreren naar de negatieve elektrode. Het zijn deze positieve ionen die over het hele apparaat migreren naar de negatieve elektrode die botsen met en hechten aan de deeltjes in het gas. Het gebied onmiddellijk rondom de draad waarin de elektronenlawin wordt gevestigd, is de corona. Dus, met een positieve corona worden de deeltjes positief geladen. De term 'corona' ontstaat uit het feit dat de elektronenlawin vaak vergezeld wordt door de productie van licht. In de negatieve corona wordt de ontladingselektrode gehandhaafd op een negatief potentieel.

De elektronenlawin begint aan de buitenzijde van de draad en gaat radiaal naar buiten. Dicht bij de draad zijn de elektronen voldoende energetisch om positieve ionen te vormen bij botsing met gasmoleculen, dus de elektronenlawin te initiëren. De gevormde positieve ionen migreren de korte afstand naar de draad. Als de elektronen migreren naar buiten in een gebied van lagere elektrische veldsterkte, worden ze vertraagd door botsingen met gasmoleculen. Deze elektronen krijgen uiteindelijk lagere energie dan die welke versneld worden naar de positieve elektrode in de positieve corona. Deze relatief lage-energie elektronen, in plaats van een elektronen uit het gasmolecuul te ejecteren bij botsing, worden geabsorbeerd door de gasmoleculen om negatieve ionen te produceren. De vorming van negatieve ionen, die begint te gebeuren aan de buitenrand van de corona, absorbeert essentieel alle vrije elektronen geproduceerd in de elektronenlawin aan het draadoppervlak. Deze negatieve ionen migreren dan naar de positieve elektrode, in het beloop waarvan ze aan gasmoleculen hechten en negatieve ionen vormen.

Voor een negatieve corona effectief te zijn, is het nodig dat de gasmoleculen vrije elektronen kunnen absorberen om negatieve ionen te vormen. Zwaveldioxide is een van de beste elektronen-absorberende gassen van die aanwezig in rookgassen. Zuurstof, CO2, en H2O zijn ook effectieve elektronen-absorbers. De negatieve corona is normaal stabieler dan de positieve corona, dus het wordt in de meeste industriële toepassingen bevorzugd. Een bijproduct van de negatieve corona is de productie van ozon (O3). De positieve corona heeft geen elektronen-absorberend gas nodig.

Naarmate de ESP opereert, bouwt een laag van het verzamelde materiaal op op de verzamelelektrode. Deeltjesafzettingen op het precipitator-verzameloppervlak moeten ten minste een kleine graad van elektrische geleiding bezitten om de ionenstromen van de corona naar aarde te geleiden. De minimale geleiding die vereist is, is ongeveer 10 tot de macht -10 per ohm-centimeter (resistiviteit van 10 tot de macht 10 ohm-centimeter). Deze geleiding is klein vergeleken met die van gewone metalen maar is veel groter dan die van goede isolatoren zoals silica en de meeste kunststoffen. De resistiviteit van een materiaal wordt bepaald door een stroom door een plaat van bekende dikte van het materiaal te vestigen.

Zolang de resistiviteit van de verzamelde stoflaag minder is dan ongeveer 10 tot de macht 10 ohm-centimeter, geeft de laag zijn lading af aan de elektrode. Bij kamertemperatuur heeft een typische stof een resistiviteit van ongeveer 10 tot de macht 8 ohm-centimeter. Dit is vanwege een laag water op het oppervlak van de deeltjes. Als de temperatuur wordt verhoogd boven 100°C, verdampt het water en de resistiviteit neemt toe tot een waarde karakteristiek voor de verzamelde vastestoffen. Wanneer de resistiviteit van de laag ongeveer 10 tot de macht 10 ohm-centimeter overschrijdt, neemt het potentiaal over de laag toe zodat de spanning die over de ESP kan worden gehandhaafd, afneemt en de verzamelingsefficiëntie afneemt. De elektrische resistiviteit van verzamelde deeltjesmaterie hangt af van de chemische samenstelling, de bestanddelen van het gas, en de temperatuur.

Deeltjeslading in ESP vindt plaats in de gasruimte tussen de elektrodes waar de gasionen gegenereerd door de corona bombarderen en zich aan de deeltjes hechten. De gasionen kunnen concentraties bereiken van zo hoog als 10 tot de macht 15 ionen per kubieke meter. Het bereikte ladingsniveau van een deeltje hangt af van de gasionenconcentratie, de elektrische veldsterkte, de geleidingseigenschappen van het deeltje, en de deeltjesgrootte. Een 1 micrometer deeltje verwervet typisch in de orde van 300 elektronenladingen, terwijl een 10 micrometer deeltje 30.000 elektronenladingen kan bereiken. Het voorspellen van het bereikte ladingsniveau van een deeltje is nodig om de migratiesnelheid van het deeltje te voorspellen, op basis waarvan de verzamelingsefficiëntie kan worden berekend voor een gegeven set operatiecondities.

Er zijn eigenlijk twee mechanismen waarmee deeltjes in een ESP geladen worden. In het eerste mechanisme vindt deeltjeslading plaats wanneer ionen die migreren naar de verzamelelektrode deeltjes tegenkomen waaraan ze zich hechten. In het migreren tussen de elektroden volgen de ionen de elektrische fluxlijnen, die overal krommingen zijn tangent aan de elektrische veldvector. Wanneer het deeltje voor het eerst de inrichting binnenkomt en ongeladen is, buigen de elektrische fluxlijnen naar het deeltje, wat resulteert in de vangst van een nog groter aantal ionen dan verzameld zou worden als de ionen hun normale pad tussen de elektroden gevolgd hadden. Naarmate het deeltje geladen wordt, beginnen ionen door het deeltje te worden afgestoten, wat de ladingssnelheid verlaagt. Uiteindelijk bereikt het deeltje een verzadigingslading en stopt de lading. Dit mechanisme wordt ionenbombardement of veldlading genoemd.

De tweede modus van deeltjeslading is diffusielading, waarin het deeltje een lading verwervt door de willekeurige thermische beweging van ionen en hun botsing met en heching aan de deeltjes. Diffusielading vindt plaats als de ionen in hun willekeurige thermische beweging botsen met een deeltje en hun lading aan het deeltje overdragen. In die zin is het mechanisme van diffusielading identiek aan die van de diffusie van ongeladen dampmoleculen naar het oppervlak van een deeltje. Echter, omdat zowel het deeltje als de ionen geladen zijn, wordt de willekeurige thermische beweging van de ionen in de buurt van een deeltje beïnvloed door een electrostatische kracht. Deze kracht geeft aanleiding tot een neiging van de ionen om van het deeltje weg te migreren naarmate de deeltjeslading toeneemt. De totale flux van ionen naar een deeltje is dus zowel de willekeurige diffusieve beweging als de elektrische migratie.

De theorieën van zowel veld- als diffusielading, in hun volledige generaliteit, zijn tamelijk complex en hebben veel aandacht gekregen. Streng genomen, vinden veld- en diffusielading gelijktijdig plaats zodra een deeltje een ESP binnenkomt, en dus om de algehele lading die door een deeltje wordt verworven te voorspellen, moet men de twee mechanismen samen overwegen. Echter, aangezien diffusielading predominant is voor deeltjes kleiner dan ongeveer 1 micrometer in diameter en veldlading predominant is voor deeltjes groter dan ongeveer 1 micrometer, worden de twee mechanismen in ESP-ontwerp frequent behandeld alsof ze onafhankelijk plaatsvinden. In het doen ervan, schat men de totale lading op een deeltje als de som van de ladingen resulterend van elk van de twee afzonderlijke mechanismen.

Filtratie van deeltjes uit gasstromen

Een grote klasse van deeltjes-luchtverontreinigingscontrole-inrichtingen berust op de filtratie van deeltjes uit gasstromen. Een verscheidenheid aan filtermedia wordt ingezet, inclusief vezelbedden, gepakte bedden, en stoffen. Vezelbedden gebruikt om luchtgetragen deeltjes te verzamelen, zijn typisch tamelijk dun bepakt, meestal slechts ongeveer 10% van het bedvolume bestaande uit vezels. Gepakte-bedfilters bestaan uit vast pakmateriaal normaal in een buis en neigen tot hogere pakkingsdensiteiten dan vezelfilters. Zowel vezel- als gepakte bedden worden wijd gebruikt in ventilatiesystemen. Stoffenfilters worden frequent gebruikt om vaste deeltjes uit industriële gassen te verwijderen, waarbij het stoffige gas door stofzakken stroomt en de deeltjes op het doek accumuleren.

De fysieke mechanismen waarmee de filtratie wordt bewerkstelligd, variëren afhankelijk van de filtratiesmodus. Conventioneel dun bepakte vezelbedden kunnen worden bekeken als assemblages van cylinders. In zo'n filter is de karakteristieke afstand tussen vezels veel groter dan de grootte van de te verzamelen deeltjes. Dus het verzamelingsmechanisme is niet simpelweg zeven, waarin de deeltjes in de lege ruimtes tussen vezels vastzitten. Integendeel, de verwijdering van deeltjes vindt plaats door het transport van deeltjes van het gas naar het oppervlak van een enkel verzamelend element. Omdat de filtratiemechanismen in een vezelbed kunnen worden geanalyseerd in termen van een enkel verzamelaar, is het mogelijk om ze in aanzienlijke theoretische detail te beschrijven.

Gepakte-bedfilters worden soms bekeken als assemblages van interagerende, maar essentieel afzonderlijke, sferische verzamelaars, hoewel de naaste nabijheid van individuele pakelementen twijfelachtig maakt wat de geldigheid van deze benadering betreft. Vanwege de relatief dichtere pakking in gepakte-bedfilters, en de resulterende moeilijkheid om het deeltjesverzamelingsproces in schone theoretische termen te beschrijven, is het voorspellen van verzameling in dergelijke systemen meer empirisch gebaseerd dan voor vezelfilters. Stoffenfilter-efficiënties moeten strikt empirisch voorspeld worden omdat de geaccumeerde deeltjeslaag eigenlijk de verzameling doet.

Een vezelfilterbed wordt bekeken als een los gepakte assemblage van enkele cylinders. Hoewel de vezels in alle richtingen in het bed georiënteerd zijn, wordt het bed van een theoretisch oogpunt behandeld alsof elke vezel normaal op de gasstroom door het bed staat. Het vaste fractie van het filter is normaal van de orde van slechts 10%. Bovendien fungeert elke vezel min of meer onafhankelijk als verzamelaar. Dus, om de deeltjesverwijdering door een filterbed te berekenen, heeft men basis nodig om het aantal vezels per eenheidsvolume van het bed te bepalen en die hoeveelheid te vermenigvuldigen met de efficiëntie van een enkele vezel.

De basis van het voorspellen van de verzamelingsefficiëntie van een filterbed is de verzamelingsefficiëntie van een enkel filterelement in het bed. Het filterelement wordt genomen als een geïsoleerde cylinder normaal op de gasstroom. Drie distincte mechanismen zoals hieronder gegeven kunnen worden geïdentificeerd waardoor deeltjes in het gas het oppervlak van de cylinder bereiken.

• Volgens het eerste mechanisme ondergaan de deeltjes in een gas Browniaanse diffusie wat sommige deeltjes in contact brengt met de cylinder vanwege hun willekeurige beweging terwijl ze voorbij de cylinder worden gedragen door de stroom. Een concentratiegradiënt wordt vestigd na de verzameling van een paar deeltjes en fungeert als een dryvende kracht om de depositiesnelheid te verhogen ten opzichte van wat er plaatsvindt in de afwezigheid van Browniaanse beweging. Omdat de Browniaanse diffusiviteit van deeltjes toeneemt naarmate de deeltjesgrootte afneemt, wordt normaal verwacht dat dit verwijderingsmechanisme het meest belangrijk is voor zeer kleine deeltjes. Bij het analyseren van verzameling door Browniaanse diffusie, worden de deeltjes behandeld als diffuserende massaloze punten.
• Volgens het tweede mechanisme, vindt interceptie plaats wanneer een deeltje, de stroomlijnen van de stroom rond een cylinder volgend, van een voldoende grote grootte is dat zijn oppervlak en dat van de cylinder in contact komen. Dus, als de stroomlijn waarop het deeltjecentrum ligt, binnen een afstand Dp/2 van de cylinder ligt, vindt interceptie plaats. Hier is Dp de deeltjesdiameter.
• Volgens het derde mechanisme, vindt inertiële impact plaats wanneer een deeltje onstaat is om de snel krommende stroomlijnen rond een obstakel te volgen en, vanwege zijn inertie, blijft bewegen naar het obstakel langs een pad van minder kromming dan de stroomlijnen. Dus, botsing treedt op vanwege de impuls van het deeltje. Het is op te merken dat het mechanisme van inertiële impact gebaseerd is op de premisse dat het deeltje massa heeft maar geen grootte, terwijl interceptie gebaseerd is op de premisse dat het deeltje grootte heeft maar geen massa.

Verzameling kan ook het resultaat zijn van electrostatische aantrekking wanneer deeltjes of vezel of beide een statische lading bezitten. Deze electrostatische krachten kunnen direct zijn, wanneer zowel deeltje als vezel geladen zijn, of geïnduceerd, wanneer slechts één van hen geladen is. Dergelijke ladingen zijn normaal niet aanwezig tenzij bewust geïntroduceerd tijdens de productie van de vezel.

Meeste ontwikkelingen van deeltjesverzameling veronderstellen, gebrek aan betere informatie, dat deeltjes getransporteerd naar het oppervlak van een vezel door de vezel worden vastgehouden. Experimenten hebben echter getoond dat voor een verscheidenheid aan stoffen en filtermedia, de fractie van deeltjes die de verzamelaarsoppervlak raken en hechten, over het algemeen kleiner is dan eenheid en in sommige gevallen zo laag als 0,5 kan zijn.

Industriële stoffenfiltratie wordt normaal bereikt in een zogenaamde zakhuis, waarin de deeltjesbeladen gassen gedwongen worden door filterzakken. Deeltjes worden normaal van de zakken door zwaartekracht verwijderd. Fig 5 toont drie zakhuis-ontwerpen, waarin reiniging wordt bereikt door trilling (Fig 5a), luchtstraal [Fig 5b), of reizende ring [Fig 5c).

Het stoffenfiltratieproces bestaat uit drie fasen. Eerst verzamelen deeltjes op individuele vezels door de boven beschreven mechanismen. Dan bestaat een intermediaire fase waarin deeltjes accumuleren op ealier verzamelde deeltjes, de vezels overbruggen. Ten slotte vormen de verzamelde deeltjes een koek in de vorm van een stoflaag die fungeert als een gepakt-bedfilter voor de binnenkomende deeltjes. Naarmate de stoflaag accumuleert, neemt de drukval over het filter toe, en periodiek moet de stoflaag in de huper aan de bodem worden losgemaakt om de stofzak te 'regenereren'. Hoge efficiënties zijn bereikbaar met stoffenfilters, met name in het behandelen van verbrandingsgassen van de technologische processen. In de mate dat effectieve operatie van een ESP afhangt van de aanwezigheid van SO2 in het gas als een ioniseerbare soort, kunnen stoffenfilters werken zonder efficiëntieverlies met lage-zwavelniveaus.

Stoffenfilters bestaan uit semi-permeabele geweven of geviltte materialen die een ondersteuning vormen voor de te verwijderen deeltjes. Een brandnieuwe geweven filterdoek heeft vezels van ruwweg 100 micrometer tot 150 micrometer in diameter met open ruimtes tussen de vezels van 50 micrometer tot 75 micrometer. Initieel is de verzamelingsefficiëntie van zo'n doek laag omdat de meeste deeltjes direct door het doek heen passeren. Echter, gedeponeerde deeltjes accumuleren snel, en het is de gedeponeerde deeltjeslaag die de hoge-efficiëntie verwijdering mogelijk maakt zodra een uniforme oppervlaktelaag is gevestigd.

Hoewel vezelmatfilters in sommige opzichten vergelijkbaar zijn met stoffenfilters, zijn ze niet afhankelijk van de laag geaccumeerde deeltjes voor hoge efficiëntie. Vezelmatfilters worden over het algemeen niet gereinigd maar weggegooid. Ze worden gewoonlijk gebruikt wanneer deeltjesconcentraties laag zijn, zodat een redelijke levensduur kan worden bereikt voordat ze worden weggegooid.

In een stoffenfilter voert de deeltjeslaag de verwijderingstaak uit. Naarmate de laag verzamelde deeltjes in dikte toeneemt, is er een toename in de drukval over de deeltjeslaag en het onderliggende doek. De twee grote overwegingen in het ontwerp van een stoffenfilterassemblage zijn de verzamelingsefficiëntie en de drukval als functie van de operatietijd (sinds de laatste reiniging). De verzamelingsefficiëntie hangt af van de lokale gassnelheid en de deeltjesbelasting op het doek.

Stoffenfilters bieden diverse voordelen zoals: (i) ze kunnen zeer hoge verzamelingsefficiënties bereiken zelfs voor zeer kleine deeltjes, (ii) ze kunnen gebruikt worden voor een wijd bereik aan deeltjes, (iii) ze kunnen opereren over een wijd bereik aan volumetrische stroomsnelheden, en (iv) ze hebben slechts matige drukval nodig. De beperkingen van stoffenfilters zijn: (i) operatie moet uitgevoerd worden bij temperaturen lager dan die waarbij het doek wordt vernietigd, of de levensduur wordt verkort tot een oneconomische graad, (ii) gas- of deeltjesbestanddelen die het doek aanvallen of correcte reiniging verhinderen, zoals kleverige deeltjes moeilijk te verwijderen, moeten worden vermeden, en (iii) zakhuizen hebben grote vloeroppervlaktes nodig. De voordelen van stoffenfilter zakhuizen wegen duidelijk op tegen hun beperkingen.

Natte verzamelaars (Schroeiers)

Natte verzamelaars, of schroeiers, gebruiken waterwassing om deeltjes direct uit een gasstroom te verwijderen. Schroeiers kunnen breed in twee hoofdklassen worden gegroepeerd: (i) die waarin een array van vloeistofdruppels (sproeien) het verzamelmedium vormen, en (ii) die waarin benatte oppervlakken van verschillende typen het verzamelmedium vormen. De eerste klasse omvat sproeitorens en venturi-schroeiers, terwijl de tweede plaat- en gepakte torens omvat.

Schroeien is een zeer effectief middel om kleine deeltjes uit een gas te verwijderen. Verwijdering van deeltjes resulteert uit botsingen tussen deeltjes en waterdruppels. In de vochtige omgeving van een schroeier groeien kleine, droge deeltjes ook in grootte door condensatie van water en worden daardoor makkelijker te verwijderen. Her-opwaaiing van deeltjes wordt vermeden omdat de deeltjes vastzitten in druppels of in een vloeistoflaag. Een schroeier biedt ook de mogelijkheid om gelijktijdig oplosbare gasvormige verontreinigingen te verwijderen. Het deeltjesbeladen schroeivocht moet worden gestort, een probleem dat niet voorkomt in droge methoden van gasreiniging.

Een sproeischroeier is een inrichting waarin een vloeistofstroom in druppels wordt gebroken, ongeveer in het bereik 0,1 mm tot 1 mm in diameter, en geïntroduceerd in de deeltjesbeladen gasstroom. De array van bewegende druppels wordt een set doelen voor verzameling van de deeltjes in de gasstroom. Verzamelingsefficiëntie wordt berekend door de efficiëntie van een enkele sferische verzamelaar te overwegen en dan op te tellen over het aantal druppels per eenheidsvolume van gasstroom. De relatieve beweging tussen de druppels en deeltjes is een belangrijke factor in de verzamelingsefficiëntie aangezien vangst plaatsvindt door impact en directe interceptie. Diffusie is ook belangrijk voor kleinere deeltjes.

Er zijn twee algemene typen sproeischroeiers. De eerste klasse omvat diegenen met een voorgevormde sproei waar druppels gevormd worden door verstuiverbusjes en in de gasstroom gesproeid worden. Deze omvatten: (i) counter-current zwaartekracht-toren, waar druppels verticaal bezinken tegen de stijgende gasstroom, (ii) cross-current toren, waar druppels door een horizontale gasstroom bezinken, en (iii) co-current toren, waar sproei horizontaal is in een horizontale gasstroom.

De tweede klasse omvat diegenen waarin de vloeistof wordt verstuigd door de gasstroom zelf. Vloeistof wordt min of meer in bulk in een hoge-snelheidsgasstroom geïntroduceerd die de vloeistof in druppels verbreekt. Inrichtingen in deze klasse heten venturi-schroeiers aangezien de hoge-snelheidsgasstroom bereikt wordt in een venturi (een vernauwing). Fig 6 toont vier typen natte verzamelapparatuur.

Het eenvoudigste type natte verzamelaar is een sproeitoren waarin water wordt geïntroduceerd middels sproeibusjes (Fig 6a). Gasstroom in een sproeikamer is counter-current tot de vloeistof, de configuratie leidend tot maximale efficiëntie. Verzamelingsefficiëntie kan verbeterd worden ten opzichte van de eenvoudige sproeikamer met het gebruik van een cyclonische sproeitoren, zoals getoond in Fig 6b. De vloeistofsproei wordt naar buiten gericht van busjes in een centrale buis. Een onbesproeid deel boven de busjes wordt voorzien zodat de vloeistofdruppels met de verzamelde deeltjes tijd hebben om de wanden van de kamer te bereiken voordat het gas vertrekt. Een aanbotsplaat-schroeier, zoals getoond in Fig 6c, bestaat uit een toren die lagen bevat van afgeschermde platen met gaten (5.000 tot 50.000 per vierkante meter) door welke het gas moet stijgen en waarover het water moet vallen. Hoogste verzamelingsefficiënties van natte verzamelaars worden verkregen in een venturi-schroeier, getoond in Fig 6d, waarin water onder rechte hoeken wordt geïntroduceerd in een hoge-snelheidsgasstroom in een venturibuis, wat resulteert in de vorming van zeer kleine waterdruppels door de stroom en hoge relatieve snelheden van water en deeltjes. De hoge gassnelheid is verantwoordelijk voor het opsplitsen van de vloeistof. Naast de kleine druppelgrootte en hoge inslagssnelheden, wordt verzameling verbeterd door deeltjesgroe door condensatie. Verschillende typen deeltjeschroeieninrichtingen worden hieronder beschreven.

Typen natte verzamelapparatuur

• Platen-schroeier – Het is een verticale toren die een of meer horizontale platen (bakken) bevat. Gas komt de bodem van de toren binnen en moet door perforaties in elke plaat passeren als de gas counter-current stroomt naar de dalende waterstroom. Platen-schroeiers worden normaal genoemd naar het type platen dat ze bevatten (bijv. zeefplaatstoren). Verzamelingsefficiëntie neemt toe naarmate de diameter van de perforaties afneemt. Een snij-diameter, die met 50% efficiëntie verzamelt, van ongeveer 1 micrometer aerodynamische diameter kan bereikt worden met 3,2 mm diameter gaten in een zeefplaat.
• Gepakt-bed-schroeier – Het werkt vergelijkbaar met een gepakt-bed-gasabsorber. Verzamelingsefficiëntie neemt toe naarmate de pakkinggrootte afneemt. Een snij-diameter van 1,5 micrometer aerodynamische diameter kan bereikt worden in kolommen gepakt met 2,5 cm elementen.
• Sproei-schroeier – In deze schroeier worden deeltjes verzameld door vloeistofdruppels die zijn verstuigd door sproeibusjes. Horizontale en verticale gasstromen worden gebruikt, alsook sproei geïntroduceerd co-current, counter-current, of cross-flow ten opzichte van het gas. Verzamelingsefficiëntie hangt af van druppelgrootte, gassnelheid, vloeistof/gas-verhouding, en druppeltrajecten. Voor druppels vallend bij hun terminale snelheid, ligt de optimale druppeldiameter voor fijn-deeltjesverzameling in het bereik 100 micrometer tot 500 micrometer. Zwaartekracht-bezinkingschroeiers kunnen snij-diameters van ongeveer 2 micrometer bereiken. De vloeistof/gas-verhouding ligt in het bereik 0,001 m³ tot 0,01 m³ per m³ behandeld gas.
• Venturi-schroeier – Een bewegende gasstroom wordt gebruikt om vloeistoffen in druppels te verstuigen. Hoge gassnelheden (60 m/s tot 120 m/s) leiden tot hoge relatieve snelheden tussen gas en deeltjes en bevorderen verzameling.
• Cycloon-schroeier – Druppels kunnen in de gasstroom van een cycloon geïntroduceerd worden om deeltjes te verzamelen. De sproei kan naar buiten gericht worden vanaf een centrale manifold of naar binnen vanaf de verzamelaarswand.
• Baffle-schroeier – In deze schroeier zijn er veranderingen in gassnelheid en richting geïnduceerd door vaste oppervlakken.
• Impingement-entrainment-schroeier – Het gedwongen wordt om op een vloeistofoppervlak te botsen om een gasuitlaat te bereiken. Een deel van de vloeistof verstuigt in druppels die door het gas meegesleept worden. De gasuitlaat is ontworpen om het verlies van meegesleepte druppels te minimaliseren.
• Gevloeist-bed-schroeier – Een zone van gevloeiste pakking wordt voorzien waar gas en vloeistof intiem kunnen mengen. Gas passeert omhoog door de pakking, terwijl vloeistof van de bodem wordt opgesproeid en/of naar beneden stroomt over de bovenkant van de gevloeiste pakkinglaag.

De verzamelingsefficiëntie van natte verzamelaars kan gerelateerd worden aan het totale energieverlies in de apparatuur. Hoe hoger het schroeiervermogen per eenheidsvolume behandeld gas, hoe beter de verzamelingsefficiëntie. Bijna alle energie wordt in het gas geïntroduceerd, en dus kan het energieverlies worden gemeten door de drukval van het gas door de eenheid. Het grote voordeel van natte verzamelaars is de wijd verscheidenheid aan typen, wat de selectie van een eenheid toelaat die geschikt is voor het specifieke verwijderingsprobleem. Wat betreft nadelen, moeten hoge drukval (en dus energievereisten) gehandhaafd worden, en de afhandeling en storting van grote volumes schroeivloeistof moeten worden ondernomen.

In het geval van sproeischroeien, is het conceptueel eenvoudigste van de inrichtingen een zwaartekracht-spoeikamer. Waterdruppels worden bovenaan een lege kamer geïntroduceerd door verstuiverbusjes en vallen vrij bij hun terminale bezinkingssnelheden counter-current door de stijgende gasstroom. De deeltjesbevattende vloeistof verzamelt in een poel aan de bodem en moet uitgepompd worden voor behandeling om de vaste stoffen te verwijderen, en de gereinigde vloeistof wordt normaal gerecycled naar de toren. De algehele efficiëntie van een sproeitoren neemt toe naarmate de verzamelingsefficiëntie van een enkele druppel toeneemt, naarmate de lengte van de kamer toeneemt, en naarmate de verhouding van de volumetrische stroomsnelheid van water tot die van gas toeneemt. Het neemt toe naarmate de diameter van de druppels afneemt.

Venturi-schroeiers worden gebruikt wanneer hoge verzamelingsefficiënties nodig zijn en wanneer de meeste deeltjes kleiner zijn dan 2 micrometer in diameter. Er zijn een aantal voorbeelden, in feite, waar een venturi-schroeier de enige praktische inrichting is voor een gasreinigingstoepassing. Als de te verwijderen deeltjes kleverig, brandbaar, of hoog bijtend zijn, kunnen ESP's en stoffenfilters bijvoorbeeld niet gebruikt worden. Venturi-schroeiers zijn ook de enige hoge-efficiëntie deeltjesverzamelaars die gelijktijdig gasvormige soorten uit de effluentstroom kunnen verwijderen.

Het onderscheidende kenmerk van een venturi-schroeier is een begrensde dwarsdoorsnede of keel waar door het gas gedwongen wordt te stromen bij hoge snelheid. Een typische venturi-schroeierconfiguratie wordt getoond in Fig 7. De configuratie omvat een convergerende kegelsectie waar het gas versneld wordt naar keelsnelheid, een cilindrische keel, en een conische expander waar het gas vertraagd wordt. Vloeistof kan ofwel worden geïntroduceerd door tangentiële gaten in de inlaatkeel of in de keel zelf. In het eerste geval komt de vloeistof de venturi binnen als een film op de wand en stroomt naar beneden de wand naar de keel, waar het wordt verstuigd door de hoge-snelheidsgasstroom. In het laatste geval, wordt de vloeistof loodrecht op de gasstroom in de keel geïnjecteerd, verstuigd, en vervolgens versneld. Gassnelheden in het bereik 60 m/s tot 120 m/s worden bereikt, en de hoge relatieve snelheid tussen de deeltjesbeladen gasstroom en de druppels bevordert verzameling. Het verzamelingsproces is essentieel compleet aan het einde van de keel. Omdat ze opereren bij veel hogere snelheden dan ESP-precipitators of zakhuizen, zijn venturi-schroeiers fysiek kleiner en kunnen economisch gemaakt worden van corrosiebestendige materialen. Venturis hebben de eenvoudigste configuratie van de schroeiers en zijn de kleinste in grootte. Fig 7 toont de vergelijking van de efficiëntie van venturi-schroeier met de efficiënties van andere gasreinigingsinrichtingen.

Een typisch bereik van vloeistof-tot-gas-stroomsnelheidsverhoudingen voor een venturi-schroeier is 0,001 m³ tot 0,003 m³ vloeistof per m³ gas. Bij de hogere vloeistof/gas-verhoudingen wordt de gassnelheid bij een gegeven drukval verlaagd, en bij lagere verhoudingen wordt de snelheid verhoogd. Voor gasstroomsnelheden die ongeveer 1.000 m³/minuut overschrijden, worden venturi-schroeiers normaal in een rechthoekige configuratie geconstrueerd om een gelijke verdeling van vloeistof over het keeloppervlak te handhaven.