Afvoer van een gasvormig effluent (met diagram)

Verwijdering van een gasvormige effluent!

Een gasvormige effluentstroom gegenereerd in een industriële eenheid moet uiteindelijk worden geloosd in de atmosfeer. Voorafgaand aan zijn lozing moet hij op de juiste manier worden behandeld om de concentratie van de verontreinigende stoffen (zowel deeltjesvormig als gasvormig) tot de toegestane limieten te verminderen. Afvoer / verwijdering gebeurt via een stapel.

Een stapel of een schoorsteen is een verticale cilindrische of rechthoekige leiding. Wanneer een gasachtige stroom door een stapel wordt afgevoerd, worden de in de stroom aanwezige verontreinigende stoffen in de atmosfeer gedispergeerd. Een stapel kan de aanwezige verontreinigende stoffen niet verminderen, maar het geeft de verontreinigende stof af op een geschikte hoogte, zodat wanneer de verontreinigende stoffen naar het aardoppervlak terug diffunderen, hun concentratie zelfs onder de meest ongunstige weersomstandigheden onder de toelaatbare grens van elke verontreinigende stof zou zijn.

Wanneer een gasstroom uit een stapel komt, stroomt deze naar boven toe naar een bepaalde hoogte vanwege de kinetische energie en het drijfvermogen voordat deze door een wind in horizontale richting wordt weggevaagd. De verontreinigende stoffen die in de gasstroom aanwezig zijn (nadat ze uit de stapel zijn gekomen) worden zowel in horizontale als in verticale richting verspreid vanwege moleculaire en eddy-diffusie. De effluentie van een gasstroom uit de stapel en het profiel van de resulterende pluim onder ideale omstandigheden zijn geschetst in Fig. 4.18.

Actueel pluimprofiel:

Het werkelijke profiel van de pluim is van de wind afhankelijk van de temperatuurgradiënt in de troposfeer, de windsnelheid en de topografie in de onmiddellijke nabijheid van een stapel. De troposferische temperatuurgradiënt hangt af van de binnenkomende intensiteit van de zonnestraling gedurende de dag en de mate van bewolking in de nacht.

Dispersie van de verontreinigende stoffen in een pluim hangt af van de verticale luchtbeweging als gevolg van de troposferische temperatuurgradiënt en ook van de heersende windsnelheid. Op basis van de bovengenoemde factoren is de atmosferische toestand ingedeeld in verschillende stabiliteitsklassen. In tabel 4.15 staan ​​de Pasquill-Gifford stabiliteitsaanduidingen vermeld.

Figuren 4.19A - G tonen de verschillende soorten pluimprofiel die overeenkomen met omstandigheden van carieuze atmosferische stabiliteit.

(a) Werkelijke troposferische temperatuurgradiënt ten opzichte van de droge adiabatische gradiënt.

Adiabatische temperatuurgradiënt, ----

Werkelijke temperatuurgradiënt, -----

(b) Plume-profiel

T = temperatuur. U = windsnelheid

Z = hoogte

Stack-ontwerpbenadering:

In paragraaf 4.8 is vermeld dat een stapel wordt gebruikt voor het afvoeren van een afvalgasstroom op een geschikte hoogte vanaf de grond. Eenmaal ontladen, worden de bestanddelen (inclusief de verontreinigende stoffen, indien aanwezig) van het afgas verspreid. Sommige delen van die diffunderen terug naar het aardoppervlak.

Om een ​​stapel te ontwerpen moet men zijn hoogte Hs vinden, zodat de concentratie van de verontreinigende stoffen, die terug zijn gediffundeerd naar het maaiveld, niet meer mag zijn dan hun respectieve toelaatbare limieten, zelfs onder de slechtste atmosferische omstandigheden. Het is ook noodzakelijk om het oppervlak van de dwarsdoorsnede van een stapel te schatten, zodat de druk aan de basis van de stapel voldoende zou zijn om de weerstand tegen stroming van de gasstroom door de stapel te overwinnen.

Schathoogteschatting:

De stapelhoogte kan worden geschat met behulp van een aantal empirische relaties of met behulp van een semi-empirische benadering. De empirische relaties houden geen rekening met de weersomstandigheden, terwijl de semi-empirische benadering rekening houdt met de pluimstijging, windsnelheid en weersomstandigheden. Het spreekt voor zich dat de tweede benadering een betere schatting geeft van de stapelhoogte.

Empirische aanpak:

De onderstaande empirische vergelijkingen kunnen worden gebruikt voor het schatten van de stapelhoogte:

Als de berekende H 's met Eq. (4.64e) of (4.64f) meer dan 30 m zijn, dan moet de berekende stapelhoogte worden geaccepteerd.

Semi-empirische benadering:

In deze benadering wordt de stapelhoogte geschat via de volgende stappen:

Stap-I:

Er wordt uitgegaan van een stapelhoogte, Hs. De veronderstelde hoogte kan de hoogte zijn die is berekend met behulp van de empirische methode die wordt beschreven in paragraaf 4.8.2.2.

Stap-II:

Plume rise, ΔH, wordt berekend met behulp van een geschikte semi-empirische vergelijking. Een paar van de vergelijkingen die in de literatuur worden vermeld, worden opgesomd in paragraaf 4.8.2.5. Deze vergelijkingen zijn gebaseerd op het vermoeden dat pluimstijging wordt beïnvloed door twee factoren namelijk:

(i) Momentum van de uitgevende stroom van de stapel, en

(ii) Het drijfvermogen van de stroom als gevolg van het verschil in dichtheid van het stapelgas en dat van de omgevingslucht op de fysieke stapelhoogte. De correlaties voorgesteld door de verschillende auteurs zijn gebaseerd op de beschikbare gegevens. Sommige auteurs hebben het weerstabiliteitscriterium in aanmerking genomen bij het ontwikkelen van hun correlaties.

Stap-Ill:

De effectieve stapelhoogte H wordt genomen als

Stap-IV:

Gebruik van Eq. (4.67) en de geschatte H e, de maximale concentratie van elk van de verschillende verontreinigende stoffen (aanwezig in de effluentgasstroom) op het maaiveld, wordt geschat overeenkomstig de verschillende atmosferische stabiliteitsaanduidingen. Als deze binnen hun respectieve toelaatbare limieten liggen, worden de veronderstelde H s geaccepteerd als de werkelijke stapelhoogte. Indien dit niet het geval is, dan worden op basis van een hogere waarde van Hs dan de eerder veronderstelde een gebaseerd op de stappen II, III en IV herhaald totdat een acceptabele Hs is gevonden die voldoet aan het criterium gespecificeerd in stap IV.

Verontreinigingsconcentratieprofiel in een plume:

Een vergelijking die het concentratieprofiel van verontreinigende stoffen uit in een pluim resulterende uit een continue puntbron onder stabiele toestand is ontwikkeld op basis van de volgende veronderstellingen

en (iii) het concentratieprofiel op elke plaats beneden de wind (x, y, z) volgt de Gauss-genormaliseerde kansverdelingskromme in de K- en Z-richtingen.

Op basis van de bovengenoemde aannames is de afgeleide vergelijking die het concentratieprofiel voorstelt

waarbij C x, y, z = concentratie van een verontreinigende stof op een locatie met coördinaten x, y & z,

Q = massa van de specifieke verontreinigende stof die per tijdseenheid wordt uitgestoten,

U = windsnelheid op hoogte H e,

σ y = standaardafwijking van de dispersiecoëfficiënt in de y-richting,

en σ Z. = standaardafwijking van de dispersiecoëfficiënt in de z-richting.

De numerieke waarden van σ v en σ z zijn afhankelijk van de weersomstandigheden, windsnelheid en de afstand van een locatie vanaf de stapelbasis in de horizontale windrichting, dwz de X-coördinaat.

in verg. (4.66) vertegenwoordigt een verhoogde concentratie aan vervuiling als gevolg van grondreflectie.

De concentratie van een verontreinigende stof op een X is het maximum in de middenlijn van de pluim die overeenkomt met y = 0 en Z = H e, onder 'neutrale toestand'. De uitdrukking voor de concentratie op het grondniveau van een verontreinigende stof onder de middellijn van de pluim zou zijn

Dat

is hun verhouding onafhankelijk van X, dan mag de maximale bodemconcentratie van een specifieke verontreinigende stof worden uitgedrukt als

waarbij X max de afstand van de stapelbasis in de richting van de wind is, waarbij de concentratie van de verontreinigende stof het maximum op het maaiveld zou zijn.

Hieruit volgt dat op diezelfde locatie, dat wil zeggen op X max

Plots van de empirisch geschatte waarden van σ y en σ z corresponderend met de verschillende kwalitatieve stabiliteitsaanduidingen als parameters zijn respectievelijk weergegeven in Fig. 4.20A en 4.20B.

Pasquill-Gifford stabiliteitsaanduidingen:

A: Zeer onstabiel

B: Matig onstabiel

C: Enigszins onstabiel

D: Neutraal

E: Iets stabiel

F: Matig stabiel.

Volgens deze benadering is σ z, x max een schatting met behulp van Eq. (4.70) op basis van de reeds berekende waarde van H e Eq. (4, 65). Overeenkomend met de geschatte σ z X max en een veronderstelde stabiliteitscategorie, wordt X gelezen uit Fig. 4.20B. Vervolgens wordt uit figuur 4.20A een y gelezen die overeenkomt met de X (lees eerder uit fig. 4.20B) en de eerder aangenomen stabiliteitscategorie. Gebruik de geschatte waarden van o en σ y, σ z, C X max, 0, 0 Wordt berekend voor elke verontreinigende stof met behulp van Verg. (4, 69).

De berekende C X max voor elke verontreinigende stof moet worden vergeleken met de toegestane limiet. Als de berekende C X max van geen van de verontreinigende stoffen de limiet overschrijdt, moet de hierboven beschreven procedure worden herhaald voor elk van de andere stabiliteitscategorieën. In het geval dat de Cx max berekend voor een verontreinigende stof de limiet voor enige stabiliteitscategorie overschrijdt, moeten de eerder genoemde stappen II, III en IV worden herhaald in de veronderstelling dat een hogere waarde van Hs is dan degene die eerder werd aangenomen totdat een bevredigende oplossing is bereikt.

Verwijzend naar de Fig. 4.20A en 4.20B dient te worden opgemerkt dat de correlatie tussen σy en X redelijk goed kan worden weergegeven door de relatie σ v = σ y X b, maar die tussen o. en X komt niet overeen met de correlatie σ z = a z X b

Een betere correlatie zou de vorm hebben

De numerieke waarden van een ' y a' z m en n zijn afhankelijk van de atmosferische stabiliteitsaanduiding. Verschillende schattingen van een ' y a' z m en n zijn in de literatuur gerapporteerd. Eén zo'n schatting wordt gegeven in Tabel 4.16.

Een betere procedure voor het schatten van de schoorsteenhoogte is om de stappen te volgen die worden vermeld onder Paragraaf 4.8.2.3 in combinatie met Vgl. (4.73) in plaats van Eq. (4, 69).

Plume Rise Correlations:

Verschillende onderzoekers hebben geprobeerd de pluimstijging (AH) te correleren met de relevante variabelen. Sommige daarvan staan ​​hieronder vermeld.

1. Holland's vergelijking is mogelijk de oudste en het is een simpele vergelijking.

waar ΔH = pluim stijgen, (m)

U = windsnelheid, (m / s)

U s = stapelsnelheid van gassen bij stapeluitgang, (m / s)

D s = stapeldiameter bij uitgang, (m)

P = gasdruk bij uitgang stapelen, (kPa)

T s = stookgastemperatuur bij verlaten, (K)

T a = omgevingstemperatuur op fysieke stapelhoogte, (K)

Aangezien deze vergelijking geen rekening houdt met de atmosferische stabiliteit, heeft Nederland gesuggereerd dat de geschatte AH met een factor van 1, 1 moet worden vermenigvuldigd. 1.2 voor onstabiele staat en door 0.8 tot 0.9 voor stabiele toestand. Latere studies hebben aangetoond dat de vergelijking van Nederland een vrij conservatieve schatting geeft van AH met een factor 2 tot 3.

2. Moses en Carson hebben vergelijkingen voorgesteld die afhankelijk zijn van de onderstaande stabiliteitscriteria:

3. ASME Task Group heeft twee vergelijkingen aanbevolen. Voor onstabiele en neutrale omstandigheden is de aanbevolen vergelijking:

Schatting van dwarsdoorsnede van de stapel / diameter en drukverlies van de stapel:

Het volumestroomdebiet van de gasstapel kan worden uitgedrukt als

waar

= het gemiddelde volumestroomdebiet van het gestapelde gas (het volumestroomdebiet aan de stapelbasis en dat aan de bovenkant anders zou zijn, aangezien de temperatuur van het stapeldoximaal gas zou variëren van de basis tot de bovenkant vanwege warmteverlies door de stapel) (m 3 / s).

D s = gemiddelde stapeldiameter, m.

Uitgaande van een geschikte stapelingsgassnelheid in het bereik van 10-15 m / s kan het stapeldoorsnedegebied / diameter worden geschat met gebruikmaking van Verg. (4, 77).

Zodra de gasstap van de stapel (U s ), de diameter van de stapel (D S ) en de hoogte van de stapel bekend zijn, kan de drukdaling van de stapel / de basis van de stapel worden berekend met behulp van een gemodificeerde Bernoulli (energiebalans) vergelijking zoals hieronder weergegeven:

Voorbeeld 4.5:

Een stapel moet worden ontworpen voor een kolengestookte oven waarin 500 T kolen met 2% zwavel, 20% as en de rest koolstof moet worden verbrand.

De volgende informatie / gegevens kunnen worden gebruikt voor ontwerpdoeleinden:

Oplossing:

Stack Height (H s ) Schatting:

(i) Een voorlopige schatting van de stapelhoogte wordt verkregen op basis van de empirische benadering Vgl. (4.64e)

(ii) Een voorlopige schatting van de effectieve stapelhoogte H e wordt verkregen met behulp van Vgl. (4, 65)

H e = H s + ΔH

Plume rise (ΔH) wordt berekend met behulp van de vergelijking van Holland, Vgl. (4, 74).

(iii) De maximale concentratie SO 2 op maaiveldniveau moet worden berekend met behulp van Verg. (4, 73)

a'y, a ' z, m en n moeten worden gelezen uit tabel 4.16 overeenkomend met een Pasquill-Gifford-stabiliteitsaanduiding die waarschijnlijk zal resulteren in de maximale waarde van SO 2 -concentratie op grondniveau. Het scannen van de tabellen 4.15 en 4.16 overeenkomend met windsnelheid U = 4 m / s, het lijkt erop dat Pasquill-Gifford stabiliteitsaanduiding D zou resulteren in een maximale S0-concentratie. De waarden van een ' z, a' y m en n gelezen uit tabel 4.16 zijn

Daarom is de stapelhoogte die zou resulteren in een SO2-concentratie op maaiveldniveau dicht bij 80 μg / m 3

H s = H e - ΔH = 200 - 31 = 169 m.

Stapeldiameter, D s = 3, 06 m.

Plume Dust Deposition:

Stofdeeltjes, die door een stapel worden uitgestoten, worden gedispergeerd zoals de gasvormige verontreinigingen. Maar de deeltjes die groter in omvang en dichter zijn dan de stapel gas / lucht, beginnen onmiddellijk na emissie te bezinken vanwege zwaartekracht. De deeltjes bereiken uiteindelijk hun respectievelijke eindsnelheden. De eindsnelheid van een deeltje met een diameter van dpi kan worden uitgedrukt als

waarbij U t, dpi = eindsnelheid van deeltjes met een diameter van dpi en dichtheid p p, m / s

g = versnelling als gevolg van zwaartekracht, m ​​/ (s 2 )

dpi = deeltjesdiameter (m)

p a = luchtdichtheid kg / (m 3 )

p p = deeltjesdichtheid kg / (m 3 )

C D = coëfficiënt verslepen

Aangenomen dat de stofdeeltjes om bolvormig te zijn CD kunnen worden geëvalueerd met behulp van één van de volgende relaties, afhankelijk van het Reynolds-aantal deeltjes;

De stofdeeltjes zakken uiteindelijk neer op de grond. Relatief grotere deeltjes worden afgezet langs de pluimas terwijl de fijnere deeltjes rondom worden afgezet. Aangezien de windrichting en de snelheid van tijd tot tijd veranderen, verandert de richting van de pluim dienovereenkomstig.

Daarom wordt de gemiddelde stofafzettingssnelheid op verschillende locaties geschat als een functie van X, de windafwaartse afstand van de stapelbasis. Volgens Bosanquet et al. de depositiesnelheid op een punt P op een afstand X van de stapelbasis kan worden uitgedrukt als

F = een functie van U, dpi / U en X / H e (zoals getoond in Fig. 4.21)

H e = equivalente stapelhoogte.

De snelheid van stofdepositie op het punt P in het axiale vlak van de pluim kan worden berekend met behulp van Vgl. (4, 82)

De totale depositiesnelheid van alle deeltjes met verschillende groottes kan worden geschat door de snelheden van de afzonderlijke deeltjes op te tellen, zoals hieronder wordt weergegeven: