Avfallshantering av ett gasflöde (med diagram)
Avfallshantering av en gasflöde!
En gasformig avloppsström som genereras i en industrienhet måste slutligen tömmas ut i atmosfären. Innan den släpps ut måste den behandlas ordentligt för att minska koncentrationen av föroreningarna (både partikelformigt och gasformigt) till deras tillåtna gränser. Avladdning / bortskaffande sker genom en stapel.
En stack eller en skorsten är en vertikal cylindrisk eller rektangulär kanal. När en gasformig ström tappas genom en stapel blir de föroreningar som finns i strömmen dispergerade i atmosfären. En stapel kan inte minska de aktuella föroreningarna, men det släpper föroreningarna i lämplig höjd så att när föroreningarna diffunderar tillbaka till jordytan, kommer deras koncentration att ligga under den tillåtna gränsen för varje förorening, även under det mest ogynnsamma väderförhållandet.
När en gasflöde utgår från en stapel strömmar den uppåt till viss höjd på grund av sin kinetiska energi och flytkraft innan den sveps i horisontell riktning med vind. De föroreningar som finns i gasflödet (efter att ha kommit från stapeln) blir dispergerade både i horisontella och vertikala riktningar på grund av molekylär och virveldiffusion. Effluens av en gasström från stapeln och profilen hos den resulterande plummen under idealiskt tillstånd skisseras i figur 4.18.
Faktisk plumprofil:
Den faktiska plumprofilen nedåtriktningen beror på temperaturgradienten i troposfären, vindhastigheten och topografi i omedelbar närhet av en stapel. Den troposfäriska temperaturgradienten beror på inkommande solstrålningsintensitet under dagen och graden av molntäcke på natten.
Dispersionen av föroreningarna i en plume beror på vertikal luftrörelse som härrör från den troposfäriska temperaturgradienten och även på den vanliga vindhastigheten. Baserat på ovan nämnda faktorer har det atmosfäriska tillståndet klassificerats i olika stabilitetsklasser. I tabell 4.15 anges Pasquill-Gifford stabilitetsbeteckningar.
Figurerna 4.19A - G visar de olika typerna av plumprofil som motsvarar karies atmosfäriska stabilitetsbetingelser.
(a) Faktisk troposfärisk temperaturgradient i förhållande till den torra adiabatiska gradienten.
Adiabatisk temperaturgradient, ----
Faktisk temperaturgradient, -----
(b) Plumprofil
T = temperatur. U = vindhastighet
Z = höjd
Stack Design Approach:
Det har nämnts i avsnitt 4.8 att en stapel används för att tömma en avfallsgasström i lämplig höjd från marken. När de är uttömda sönderdelas beståndsdelarna (inklusive eventuella föroreningar) av spillgasen. Vissa delar av dem diffunderar tillbaka till jordens yta.
För att designa en stapel måste man hitta sin höjd H s, så att koncentrationen av föroreningarna, som har diffunderat tillbaka till marknivå, inte bör vara mer än deras respektive tillåtna gränser även under de värsta atmosfäriska förhållandena. Det är också nödvändigt att uppskatta tvärsnittsarean hos en stapel så att trycket vid basen av stapeln skulle vara tillräckligt för att övervinna gasflödet mot gasflödet genom stapeln.
Stackhöjdestimering:
Stackhöjd kan antingen uppskattas med hjälp av några empiriska relationer eller med hjälp av ett semi-empiriskt tillvägagångssätt. De empiriska relationerna tar inte hänsyn till väderförhållandet, medan det semi-empiriska tillvägagångssättet tar hänsyn till plumförhöjningen, vindhastigheten och väderförhållandet. Det är självklart att den andra metoden ger en bättre uppskattning av stackhöjden.
Empirisk tillvägagångssätt:
De empiriska ekvationerna som anges nedan kan användas för uppskattning av stapelhöjd:
Om den beräknade H s använder ekv. (4, 64e) eller (4, 64f) vara mer än 30 m, ska den beräknade stapelhöjden accepteras.
Semi-empirisk tillvägagångssätt:
I detta tillvägagångssätt beräknas stackhöjden genom följande steg:
Steg-I:
En stackhöjd, Hs, antas. Den antagna höjden kan vara den som beräknas med hjälp av empirisk tillvägagångssätt som beskrivs i avsnitt 4.8.2.2.
Steg-II:
Plumeökning, ΔH, beräknas med användning av en lämplig halv empirisk ekvation. Några av de ekvationer som rapporteras i litteraturen är uppräknade i avsnitt 4.8.2.5. Dessa ekvationer bygger på det förutseendet att plumhöjningen påverkas av två faktorer, nämligen,
(i) Momentum av den utfärdande strömmen från stapeln, och
(ii) Strålens flytkraft som härrör från skillnaden i densitet hos stapeldas och den för omgivande luften vid den fysiska stackhöjden. De korrelationer som föreslagits av de olika författarna baseras på de uppgifter som är tillgängliga för dem. Vissa författare har tagit hänsyn till väderstabilitetskriteriet samtidigt som de utvecklar sina korrelationer.
Steg-Ill:
Den effektiva stapelhöjden H är tagen som
Steg-IV:
Använda ekv. (4, 67) och den uppskattade H e, uppskattas maximal koncentration av var och en av de olika föroreningarna (närvarande i utflödesgasströmmen) på marknivå motsvarande de olika atmosfärstabilitetsbeteckningarna. Om de ligger inom deras respektive tillåtna gränser accepteras de antagna Hs som den faktiska stackhöjden. Om så inte är, upprepas sedan baserat på ett högre värde av Hs än den tidigare antagna baserad på stegen II, III och IV tills ett acceptabelt Hs finns som uppfyller kriteriet specificerat i steg IV.
Koncentrationsprofil för föroreningar i en Plume:
En ekvation som uttrycker förorenande koncentrationsprofil i en plume som härrör från en kontinuerlig punktkälla under steady state-tillstånd har utvecklats på basis av följande antaganden
och (iii) koncentrationsprofilen vid någon nedåtriktad plats (x, y, z) följer Gaussian normaliserad sannolikhetsfördelningskurva i K- och Z-riktningarna.
Baserat på ovanstående antaganden är den härledda ekvationen som representerar koncentrationsprofilen
där C x, y, z = koncentration av ett förorenande ämne vid en plats med koordinater x, y & z,
Q = massan av det specifika förorenande ämnet emitterat per tidsenhet,
U = Vindhastighet vid höjd H e,
σ y = standardavvikelse för dispersionskoefficienten i y-riktningen,
och σ Z. = standardavvikelse för dispersionskoefficienten i z-riktningen.
De numeriska värdena för σ v och σ z beror på väderförhållandet, vindhastigheten och avståndet för en plats från stapelbasen i den horisontella nedåtriktningsriktningen, dvs X-koordinaten.
i ekv. (4, 66) representerar ökad föroreningskoncentration på grund av markreflektion.
Koncentrationen av något förorenande ämne vid vilken som helst X skulle vara det högsta vid plumcentrumlinjen som motsvarar y = 0 och Z = H e, under "neutralt tillstånd". Uttrycket för grundnivåkoncentrationen av något förorenande ämne under plume-centrumlinjen skulle vara
Den där
är deras förhållande oberoende av X, så kan den maximala marknivåkoncentrationen för varje specifikt förorenande ämne uttryckas som
där Xmax är avståndet från stapelbasen i nedåtriktningen där koncentrationen av föroreningar skulle vara maximal vid marknivå.
Det följer att vid den väldiga platsen, dvs vid X max
Plottar av de empiriskt uppskattade värdena av σ y och σ z som motsvarar de olika kvalitativa stabilitetsbeteckningarna som parametrar visas i fig 4.20 A respektive 4.20 B.
Pasquill-Gifford Stabilitetsbeteckningar:
A: Extremt instabil
B: Måttligt instabil
C: Lite instabil
D: Neutral
E: Lite stabilt
F: Måttlig stabil.
Efter denna metod uppskattas σ z, x max med användning av ekv. (4, 70) baserat på det redan beräknade värdet av H e Eq. (4, 65). Motsvarar den uppskattade σ z X max och en antagen stabilitetskategori, läses X från figur 4.20B. Nedan från Fig. 4.20A läses aj motsvarande X (läs tidigare från figur 4.20B) och den tidigare antagna stabilitetskategorin. Med hjälp av de uppskattade värdena på o och σ y, σ z, C X max,, 0, 0 Beräknas för varje förorenande medel som använder ekv. (4, 69).
Den beräknade C X max för varje förorening ska jämföras med den tillåtna gränsen. Om den beräknade C X maxen för ingen av föroreningarna överskrider gränsen, ska proceduren som beskrivs ovan upprepas för var och en av de andra stabilitetskategorierna. Om den C X max som beräknas för något förorenande ämne överstiger gränsen för någon stabilitetskategori, ska de tidigare angivna steg II, III och IV upprepas, förutsatt att ett högre värde av H s än det som antagits tidigare tills en tillfredsställande lösning uppnås.
Med hänvisning till fig. 4.20A och 4.20B bör det påpekas att korrelationen mellan σ y och X kan vara rimligt väl representerad av förhållandet σ v = σ y X b, men det mellan o. och X matchar inte korrelationen σ z = a z X b
En bättre korrelation skulle ha formen
De numeriska värdena för a ' y a' z m och n har visat sig bero på atmosfärstabilitetsbeteckningen. Olika uppskattningar av a ' y a' z m och n har rapporterats i litteraturen. En sådan uppskattning ges i tabell 4.16.
Ett bättre steghöjdsestimeringsförfarande skulle vara att följa de steg som anges i avsnitt 4.8.2.3 i samband med ekv. (4, 73) istället för att använda ekv. (4, 69).
Plume Rise Correlations:
Olika undersökare har försökt att korrelera plumhöjningen (AH) med de relevanta variablerna. Några av dessa är listade nedan.
1. Hollandens ekvation är möjligen den tidigaste och det är en enkel.
där ΔH = plume stiger, (m)
U = vindhastighet, (m / s)
U s = stapelgashastighet vid stapelutgång, (m / s)
D s = stapeldiameter vid utgången, (m)
P = stapeldgastryck vid utgången, (kPa)
T s = stapeldgastemperatur vid utgången, (K)
T a = omgivande lufttemperatur vid fysisk stackhöjd, (K)
Eftersom denna ekvation inte tar hänsyn till det atmosfäriska stabilitetsförhållandet har Holland föreslagit att den uppskattade AH multipliceras med en faktor 1, 1 till. 1, 2 för instabilt tillstånd och med 0, 8 till 0, 9 för stabilt tillstånd. Efterföljande studier har visat att Hollands ekvation ger en ganska konservativ uppskattning av AH med en faktor 2 till 3.
2. Moses och Carson har föreslagit ekvationer som är beroende av stabilitetskriterierna som anges nedan:
3. ASME-arbetsgruppen har rekommenderat två ekvationer. För instabila och neutrala förhållanden är den rekommenderade ekvationen:
Uppskattning av stapeldiameterarea / diameter och stapeltrycksfall:
Stabil gasvolymströmmen kan uttryckas som
var
D s = genomsnittlig stapeldiameter, m.
Om man antar en lämplig stapelgashastighet inom intervallet 10-15 m / s kan stapeltvärsnittsarean / diametern uppskattas med användning av ekv. (4, 77).
När stackgashastigheten (U s ), stapeldiametern (D S ) och stapelhöjden är kända kan stapeltrycksfallet / stapelbastrycket beräknas med användning av en modifierad Bernoulli (energibalans) ekvation enligt nedan:
Exempel 4.5:
En stapel ska utformas för en koleldad ugn där 500 T kol med 2% svavel, 20% ask och resten kol ska brännas.
Följande information / data kan användas för designändamål:
Lösning:
Stackhöjd (H s ) Uppskattning:
(i) En preliminär uppskattning av stapelhöjden erhålles baserat på empirisk tillvägagångssätt Eq. (4.64e)
(ii) En preliminär uppskattning av den effektiva stapelhöjden H e erhålles med användning av ekv. (4, 65)
H e = H s + AH
Plume rise (ΔH) beräknas med Hollands ekvation, Eq. (4, 74).
iii) Grundnivåens maximala koncentration av SO2 skall beräknas med användning av ekv. (4, 73)
a'y, a ' z, m och n ska läsas från tabell 4.16 motsvarande en Pasquill-Gifford stabilitetsbeteckning som sannolikt kommer att resultera i det maximala värdet av SO2-koncentrationen på marknivå. Skanning av tabellerna 4.15 och 4.16 som motsvarar vindhastigheten U = 4 m / s framgår att Pasquill-Gifford stabilitetsbeteckning D skulle resultera i maximal SO2-koncentration. Värdena för en ' z, a' y m och n läs från tabell 4.16 är
Stackhöjden som skulle resultera i en marknivå SO2-koncentration nära 80 μg / m3 är därför
H s = H e- AH = 200 - 31 = 169 m.
Stackdiameter, D s = 3, 06 m.
Plume Dust Deposition:
Dammpartiklar, som emitteras genom en stapel, blir dispergerade som gasformiga föroreningar. Men partiklarna är större i storlek och tätare än stapelgasen / luften, börjar avveckla omedelbart efter utsläpp på grund av gravitationskraften. Partiklarna uppnår slutligen sina respektive terminalhastigheter. Terminalhastigheten hos en partikel med en diameter dpi kan uttryckas som
där U t, dpi = terminalhastighet av partiklar med en diameter dpi och densitet p p, m / s
g = acceleration på grund av gravitation, m / (s 2 )
dpi = partikeldiameter (m)
p a = omgivande luftdensitet kg / (m 3 )
p p = partikeldensitet kg / (m 3 )
C D = dra koeffektivt
Om man antar att dammpartiklarna är sfäriska kan C d utvärderas med användning av någon av följande relationer beroende på partikel Reynolds-talet;
Dammpartiklarna slutar sig till slut på marken. Relativt större partiklar får deponeras längs plumaxeln medan de finare partiklarna deponeras runt. Eftersom vindriktningen och dess hastighet ändras från gång till gång ändras plumorienteringen följaktligen.
Därför uppskattas tidsgenomsnittlig dammavsättningshastighet på olika ställen som en funktion av X, nedvindningsavståndet från stapelbasen. Enligt Bosanquet et al. avsättningsgraden vid en punkt P på ett avstånd X från stapelbasen kan uttryckas som
F = en funktion av U, dpi / U och X / H e (som visas i figur 4.21)
H e = ekvivalent stapelhöjd.
Dammsättningshastigheten vid punkten P i plumans axiella plan kan beräknas med användning av ekv. (4, 82)
Den totala avsättningsgraden för alla partiklar med olika storlekar kan uppskattas genom att summera hastigheterna för de individuella partiklarna som visas nedan:
