Metode de Cuantificare a Emisiilor in Aer

CUPRINS 1 METODE DE CUANTIFICARE A EMISIILOR IN AER 11 Elemente necesare pentru identificarea si cuantificarea emisilor a)Specificati tehnice referitoare la surse b)Tipuri de inventarieri c)Metode utilizate pentru cunoasterea emisiilor 12 Principalele tipuri de estimari a)Estimarea de la detaliu la ansamblu(bottom-up) b)Estimarea de la globalla detaliu(top-down) 13 Principiile de baza pentru inventarierea emisiilor a)Caracteristicile unui inventar b)Calitatile cerute unui inventar c)Tipuri de surse d)Relatii utilizate pentru calculul emisiilor incluse in inventariere 2 PROCEDEE DE REDUCERE A CONCENTRATIILOR DE PRAF 21Particule poluante 22 Eficienta instalatiilor de filtrare 23Metode de retinere a prafului a)Caracteristici de exploatare a metodelor de desprafuire 24 Filtre mecanice pentru desprafuire 25 Filtre electrostatice 26 Filtre totale sau in strat poros 27 Filtre hidraulice umede 28 Comparatie intre sistemele de curatare 3 PROCEDEE DE RETINERE A PICATURILOR SI VAPORILOR 31 Introducere 32 Filtre pentru picaturi 33 Filtre electrostatice umede 34 Colectori inertialipentru vapori 35 Scrubere pentru vapori si picaturi 36 Filtru cu nisip umed 37 Alte sisteme 1 4 PROCEDEE DE REDUCERE A ODORIZANTILOR 41 Reducerea odorizantilor prin dilutie 42 Captarea odorizantilor 43 Conversia odorizantilor 5 SISTEME DE PURIFICARE TOTALA A GAZELOR 51 Dispunerea relativa a sistemelor specializate de purificare 52 Componentele sistemului de purificare totala 53 Concluzii 1METODE DE CUANTIFICARE A EMISIILOR IN AER 11 Elemente necesare pentru identificarea si cuantificarea emisiilor Fiecare om are dreptul de a respire un aer care sa nu-i dauneze sanatatii, adica un aer in care concentratiile se substante eventual daunatoare pentru sanatatea umana si pentru ecosisteme sa nu depaseasca nivelurile de referinta admise Nivelurile concentratiei diferitelor substante in aer constitue indicatori ai starii mediului inconjurator Aceste niveluri depind de marimea reziduurilor datorate activitatilor antropice (incalzire, transport, …) si unor fenomene naturale (vulcanism,…), care alcatuiesc indicatorii de presiune asupra mediului inconjurator Relatia dintre “presiune” (emisiile in atmosfera) si “stare” (calitatea aerului) este complexa Intr-adevar, substantele aruncate in aer sunt, pe de o parte, transportate la distante mai mult sau mai putin indepartate de sursa si, pe de alta parte, ele sufera multiple transformari fizico-chimice, in special sub actiunea radiatiei solare In cadrul politicii referitoare la mediul inconjurator, autoritatile publice 2 incurajeaza crearea de modele care sa permita reprezentarea acestor fenomene si stabilirea frecventei actiunilor de poluare, in scopul imbunatatirii masurilor de protectie pe termen scurt si a directiilor de urmat pe termen lung, pentru ameliorarea calitatii aerului Acest lucru se concretizeaza printr-un sistem cu mai multe componente, prezentate in figura 21, in care emisiile in atmosfera reprezinta o parte esentiala De altfel, interesul purtat altor fenomene ca: subtierea stratului atmosferic de ozon, sporirea efectului de sera, ploile acide, etc, conduce la urmarirea unor scheme asemanatoare si la interesul crescand acordat cunoasterii emisiilor in atmosfera Poluarea aerului, in general si emisia de substante in aer, in particular, pot fi abordate sub diferite aspecte: stiintific, economic, politic, care pana la urma, se intrepatrund Conform gradului de implicare si aspectului asupra caruia ne concentram numeroasele cerinte privind emisiile in aer sunt formulate de: • oamenii de stiinta, pentru modelarea fenomenelor si analiza impactului fiziologic, economic, etc; • industriasii, pentru determinarea partii de responsabilitate si respectarea legilor cu privire la mediul inconjurator • administratie, in vederea dezvoltarii unor strategii de reducere a emisiunilor in atmosfera si ameliorarea calitatii aerului si, in general a biosferei; • colectivitatile locale, in scopul precizarii actiunilor de urmat la acest nivel; • publicul care reclama accesul la informatie Figura 21 Relatia dintre emisiile in aer, impact si actiuni asupra surselor Principalele elemente necesare pentru identificarea si cuantificarea emisiilor sunt specificatiile tehnice referitoare la surse si tipuri de inventariere ala emisiilor 3 a) Specificatii tehnice referitoare la surse Pentru a identifica corect atat sursele cat si poluantii emisi de acestea sunt necesare, in principal, specificatii tehnice care sa precizeze dimensiunea temporala si geografica, sursele emitente precum si substantele emise • Dimensiunea temporala In majoritatea cazurilor, emisiile sunt inventariate pe perioada unui an calendaristic Pentru aprecierea evolutiei si in mod special pentru “a masura” impactul actiunilor intreprinse in vederea protejarii mediului inconjurator este, in general, necesara stabilirea unei serii cronologice Sporirea modelelor de transport si de transformari fizico-chimice in atmosfera necesita procurarea de informatii privitoare la intervale de timp mult mai scurte, de ordinul orei, in scopul studierii unei secvente care sa nu depaseasca in general, cateva ore Totusi, aceste secvente se pot referisi la oricare perioada din an • Dimensiunea geografica Conform practicilor curente, din punct de vedere spatial, poluarea poate fi considerate la fel de bine pentru o tara intreaga pentru un continent planetar sau doar pentru o suprafata foarte redusa, care sa acopere mai putin de 1 km patrat • Surse emitente Pentru cuantificarea emisiilor, in general, sunt luate in calcul toate sursele Totusi, campul acoperit de anumite inventarieri este restrans (de exemplu, excuderea surselor “naturale”, a emisiilor care depasesc altitudinea de 1000 de metri, a surselor neacoperite de jurisdictia nationala, precum cea a vapoarelor in largul marii etc) • Substante emise Substantele analizate intr-o inventariere sunt grupate in functie de obiectivul urmarit, adica de utilizarea prevazuta a rezultatelor, concretizata prin efectul predominant al acestora Cel mai adesea, emisiile sunt inventariate si grupate pe categoriile trecute in tabelul 21 Impactul substantelor emise in atmosfera Categoria Efecte acide SO2, NOX, HCL, NH3 Contaminarea solului si apelor Metale grele,poluanti organici persistenti Distrugerea stratului de ozon CFC Oxidari fotochimice NOX; Compusi organici volatili,alti decat metanul(COVNM) Eectul de sera Direct prin CO2 CH4, N2O SF6, HCL, PFC; Idirect prin, CO, COVNM, HCL, NH3, SO2 Sanatatea populatiei SO2, NOX,COVNM, CO, praf, metale grele, POPs Tabelul 21 4 b) Tipuri de inventarieri Pentru cunoasterea emisiilor poluante in atmosfera sunt practicate mai multe tipuri de inventarieri, respective cele care au ca obiestiv sursele, produsele si efectele economice • Inventarierea avand ca obiectiv sursele Aceasta abordare se bazeaza pe cunoasterea reziduurilor datorate fenomenelor fizice, chimice, biologice si altele, precum zdrobirea, evaporarea, arderea, reactii chimice, fermentatie Fiecare element al inventarului prezinta emisia datorata unei tehnologii sau unui fenomen natural legat de mediul inconjurator Inventarierea depinde de caracteristicile specifice entitatii examinate, in special de conditiile de manifestare si eventual de alti parteneri exteriori Putem lua ca exemplu concludent un automobil propietate particulara; emisia de oxizi de azot depinde de tipul motorului, de prezenta sau absenta filtrului catalitic, de modul de alimentare, de viteza vehicului, de comportamentul soferului, de temperatura exterioara, etc • Inventariere avand ca obiectiv produsele Abordarea are ca scop cuantificarea cantitatilor de substante poluante legate de un produs sau de un serviciu, luand in considerare totalitatea ciclului sau de viata, adica emisiile care au loc in urma fabricarii acestuia, a utilizarii sale si a hotararii privind sortarea lui (reciclarea, distrugerea, depozitarea, etc) Aceasta analiza cere cunoasterea emisiilor datorate numeroaselor procese industriale Putem relua exemplul unui automobil: in acest caz, continutul de poluanti aruncati in aer de un vehicul cuprinde atat poluarea datorata fabricarii lui, cat si pe aceea legata de producerea si vanzarea carburantului, fara sa uitam poluarea legata de utilizarea si de procesul de transformare a unui vehicul scos din uz • Inventarierea avand ca obiectiv efectele economice In urma analizei parametrilor mediului inconjurator, acestia sunt introdusi in modele macro-economice Este necesar ca in cadrul unui sector economic sa se analizeze cantitatiile de emisii in atmosfera, in stransa legatura cu datele oferite de cifra de afaceri si alti indicatori de productie Aceste informatii permit analiza tuturor tehnologiilor existente intr-un domeniu de activitate si in special, contributia acestora in ceea ce priveste emisiile in atmosfera Se constata ca inventarierile orientate spre “produs” si spre economie au in vedere, in mod constant, datele emisiilor luate din inventarele orientate spre “sursa” Aceste ultime inventare constituie, asadar, o baza pentru celelalte analize si raspund multor cerinte Ele furnizeaza date, mai mult sau mai putin complexe (avem in vedere inventarele orientate spre “produs” si spre “economie”) Si din acest motiv, in continuare tehnologiile de depoluare abordeaza numai aspectele care trateaza emisiile orientate spre “sursa” c) Metode utilizate pentru cunoasterea emisiilor Pentru determinarea emisiilor in aer sunt utilizate, in principal, patru 5 metode, fiecare dintre ele avand avantaje, inconveniente si limite de utilizare Aceste patru metode sunt: masurarea emisiilor, determinarea emisiilor prin bilant, prin corelatii si determinarea emisiilor pe baza unor factori caracteristici de emisie Masurarea emisiilor Principiul consta in masurarea, cu ajutorul unui lant de masuratori adecvate, a concentratiei de diverse substante din emisiile de gaze nocive Cea mai raspandita aplicare a acestei metode este aceea de supraveghere a surselor industriale cu emitere de gaze dintr-un punct fix (in mod current un cos de fum), in cadrul dispozitiilor legale in vigoare Cand pe cos este instalat un dispozitiv de masurare, el furnizeaza informatii foarte precise despre variatiile de temperatura si despre emisiile de substante, emisii observate in conditii de functionare a sursei industriale In mod special, sunt masurate continuu pulberile, dioxidul de sulf si oxizii de azot In anumite industrii se masoara, de asemenea, si alte substante precum acidul clorhidric,compusi organici volatili, acidul fluorhidric Punerea in practica a lantului de masuratori a emisiilor este complexa si costisitoare in ceea ce priveste investitiile si asigurarea functionalitatii aparatelor (cuprinzand citirea si intretinerea acestora) Din aceasta cauza, aceasta metoda este in general folosita pentru masurarea emisiilor marilor unitati industriale poluante Masurarea emisiilor se realizeaza uneori de laboratoare specializate doar la un interval regulat (se vorbeste, in acest caz, de masuratori periodice) Avantajul metodei masurarilor periodice este, mai ales, de ordin economic, deoarece folosirea servicilor oferite de laboratoarele specializate evita o mare parte din inconvenientele tehnice si se dovedesc a fi, din punct de vedere financiar, mai putin costisitoare decat masuratorile permanente, cu atat mai mult cu cat masuratorile periodice au un mare grad de incertitudine Bineinteles, trebuie acordata o mare atentie valorilor rezultatelor obtinute Masuratorile periodice sunt foarte raspandite (legal obligatorii atunci cand marimea instalatiei depaseste o anumita capacitate si in cazul unei surse de poluare), si desi costa mai putin, aduce informatii mai mult sau mai putin pertinente Combinate cu cunoasterea volumului debitului de gaze emise, masuratorile concentratiei ponderale permit calculul masei debitului poluantului Determinarea emisiilor prin bilant Plecand de la principiul conservarii materiei, emisiile anumitor substante precum sulful si clorul, metale grele, etc, pot fi determinate, prin bilant, dupa cum se prezinta si in figura 22 6 Fig 22Elemente necesare bilantului Ecuatia bilantului este: ∑A=∑B+∑C (21) unde A sunt intrarile de poluanti cu materii prime, combustibili si carburanti, B sunt poluantii inglobati in produsii finiti sau deseuri procesate, iar C sunt emisiile de poluanti in atmosfera in ape uzate deversate la canalizare Determinarea masei debitului elementului studiat, pentru diferitele componente ale bilantului, se loveste uneori de dificultati tehnice de esantionare sau de analiza si in felul acesta, domeniile de aplicatie sunt limitate In practica, aceasta metoda este foarte folosita in cazurile simple (sau care sunt simplificate) ca, de exemplu, emisia unui generator de abur, cazan sau cuptor Pentru aceasta metoda sunt necesare urmatoarele: • determinarea cantitatii de combustibil consumat in cursul unui anumit interval de timp ∆t, suficient de mare pentru a se obtine o incertitudine relative redusa; • prelevarea unui esantion de combustibil si analiza compozitiei elementare, informatie care, uneori (de exemplu pentru sulf, cenusa), este comunicata de furnizor; • deducerea cantitatii de sulf care intra in cursul intervalului de timp ∆t; • determinarea, intr-un mod asemanator, prin prelevarea de esantioane si analiza, a retinerilor de substante poluante in focar sau, atunci cand acestea sunt reduse, pot fi neglijate; • relatii si formule care sa permita calculul emisiilor, pe baza elementelor anterioare Forma generala a relatiei care permite calculul emisiei de substante poluante este, E p,f =QcTp,e (1 − Rp ) Mp, f Mp, e (22) unde: Ep,f [kg/s] - emisia in atmosfera a substantei poluante p sub forma f; 7 Qc [kg/s] - debitul masic de combustibil; Tp,e - ponderea substantei p in combustibilul care intra in instalatie; Rp - retinerea in instalatie a substantei poluanta p; Mp,f [kg] - masa molara a substantei p care iese in atmosfera sub forma f; Mp,e [kg] - masa molara a substantei p Pentru exemplificarea aplicarii metodei bilanturilor se considera un cuptor care consuma 1200 tone de carbune avand un continut de 0,65% sulf Estimand retinerea sulfului la 5%, atunci emisia corespunzatoare de sulf (mai ales sub forma SO2) este de: Ep,f= 1200×0,0065× (1− 0,05) kgSO 2 64 =14,8 kg SO 2 =12,3 t carbune 32 De remarcat ca metoda bilantului are o aplicare limitata, deoarece frecvent se constata ca incertitudinea relativa a emisiei este foarte ridicata, in special cand emisia este foarte mica in comparatie cu retinerea Bilantul nu este deci aplicabil decat in cazul in care instalatia este echipata cu un dispozitiv de depoluare Determinarea emisiilor pe baza unor corelatii Aceasta metoda consta in stabilirea, pe de o parte, a unei relatii intre cantitatea de poluant aruncata in atmosfera si, pe de alta parte, a parametrilor caracteristici procedeului analizat Avantajul metodei provine din faptul ca acesti parametri sunt determinati pentru a conduce procedeul si nu dau nastere altor costuri suplimentare Cu toate acestea, stabilirea acestei relatii necesita folosirea de masuratori preliminare destul de lungi si costisitoare, in scopul obtinerii unui rezultat fiabil din punct de vedere statistic De asemenea, este necesar sa se verifice periodic valabilitatea corelatiei propuse Aplicarea metodei este limitata de: • investitia initiala, care este in general ridicata; • conditiile de lucru, care in mod frecvent sunt fluctuante si ridica costul unei asemenea solute • modelarea emisiilor procedeului este imposibila Determinarea emisiilor pe baza unor factori caracteristici de emisie Metoda consta in utilizarea unei functii prestabilite, caracteristica emisiei unei substante date si a variabilelor descriptive ale sursei considerate In acest fel, metoda nu se deosebeste prea mult de aceea a corelarii Cu toate acestea, nu se pune problema de a stabili aceasta relatie, ci doar de a utiliza datele disponibile, publicate sau nu, date care se refera intr-un mod mai mult sau mai putin pertinent la cazul studiat Functia caracteristica este destul de frecvent redusa la un simplu coeficient si deci determinarea emisiei este usor de facut din punct de vedere matematic Ceea ce conteaza este valoarea pertinentei metodei Intr-adevar, coeficientii relatiilor disponibile nu sunt, in general, strict reprezentativi pentru sursa la care ei 8 sunt folositi Eroarea de calcul nu poate fi evaluata, dar poate ajunge la un nivel ridicat (in unele cazuri a putut fi inregistrat un factor de ordinul 10) Nu este mai putin adevarat ca aceasta metoda este aplicata pe scara larga datorita costului ei scazut, simplitatii sale, cel putin aparente, si a absentei, in unele cazuri, a altor metode aplicabile Aceste cazuri se refera in mod esential la micile surse, foarte numeroase si extreme de raspandite (incalzirea caselor, mica industrie, vehicule, etc) pentru care celelalte metode sunt, de cele mai multe ori, imposibil de aplicat, iar datele statistice referitoare la ele sunt foarte putine Pentru estimarea factorilor de emisie pot fi utilizate datele disponibile in literatura, [12, 13, 14,] O utilizare practica a acestei metode este pentru determinarea taxei pentru poluare Orientativ, in tabelul 22, sunt redati factorii caracteristici de emisie a NOx in echivalent NO2 pe GJ energie primara intrata Pentru instalatiile la care este dificil de determinat puterea calorica inferioara, factorii caracteristici de emisie sunt redati in tabelul 23, in functie de tona de produs intrat sau realizat In acest tabel, emisiile reale nu sunt riguros identice cu cele calculate dar, din lipsa unor date mai precise, aceasta determinare aproximativa a emisiilor poate fi admisa pentru calculul valorii taxei pe poluare Folosirea metodei factorilor caracteristici de emisie este in aparenta usor de realizat, dar ea necesita de fapt interventia expertilor care sa posede o buna cunoastere a procedeelor si a fenomenelor studiate In plus, factorii caracteristici de emisie pot avea o durata de viata efemera, deoarece ei reflecta starea relativa a unei tehnologii, a unui sector de activitate sau a unei situatii trecatoare Asadar, factorii evolueaza in timp si este necesar sa ne intrebam in mod sistematic in privinta validitatii lor Tabelul 22 Exemple de factori caracteristici de emisie a NOx Instalatia [g NOx/GJ] Focar cu carbune pulverizat si arzatoare frontale 240÷340 Focar cu carbune pulverizat si arzatoare tangentiale 200÷280 Focar cu arderea carbunelui pe gratar classic 160 Focar cu arderea carbunelui pe gratar cu rasturnare 200 Focar cu arderea carbunelui in pat fluidizat cald 120 Focar cu arderea carbunelui in pat fluidizat dens 150 Focar cu arderea carbunelui in pat fluidizat circulant 95 Focar cu combustibil lichid-pacura 130÷190 Instalatii de ardere a petrolului 60÷100 Instalatii de ardere a gazului natural 30÷60 Instalatii de ardere a gazului da cocserie 70 Instalatii de ardere a gazului de furnal 55 Instalatii de ardere a cocsului din petrol 300 Instalatii de ardere a lemnelor 200 Turbine cu gaze cu arderea combustibilului greu in 350 9 camera de ardere Turbine cu gaze cu arderea gazelor naturale in camera de ardere Motoare cu aprindere prin scanteie Motoare cu aprindere prin compresie prealimentare Motoare cu aprindere prin injectie directa Instalatii centrale de rafinare din petrochimie Furnale de rafinare din petrochimie 150 1800 600 1200 135 35÷75 O analiza suplimentara a factorilor caracteristici de emisie este facuta in paragraful despre sursele de emisie si determinarea acestora In cazul cand focarele sunt echipate cu arzatoare cu productie redusa de NOx sunt luate in calcul valorile minime din table Tabelul 23 Exemple de factori caracteristici de emisie a NOx Instalatia [g NOx/ t] Instalatii de ardere a deseurilor menajere 2300 Fabricarea cimentului prin metoda uscata 2200 Fabricarea cimentului prin metoda umeda 1000 Fabricarea cimentului prin metoda semi-uscata sau semi-umeda 1700 Fabricarea tiglei si caramizii 250 Fabricarea geamurilor 2500 Fabricarea sticlei obisnuite 6000 Fabricarea fibrei de sticla 500 Fabricarea sticlei tehnice 4200 Tratamentul suprafetelor - decaparea alama 25 Tratamentul suprafetelor - decaparea otel inoxidabil 300 Tratamentul suprafetelor - decaparea otel moale 100 instalatii siderurgice de cocserie 1000 Instalatii siderurgice de aglomerare a minereurilor neferoase 800 Instalatii siderurgice de aglomerare a minereurilor fosforoase 1800 Instalatii siderurgice de fabricare a otelului in furnal inalt 30 Instalatii siderurgice de fabricare a otelului in convertizor 50 Instalatii siderurgice de fabricare a otelului in cuptoare cu arc 200 electric Cuptoare siderurgice de reincalzire cu combustibili lichizi 230 Cuptoare siderurgice de reincalzire cu combustibili gazosi 170 12 Principalele tipuri de estimari Fiecare din componentele care concura la cunoasterea emisiilor descrise anterior, se pot descompune la nevoie, in subansamble mai fine, mai detaliate, conform cerintelor din specificatiile cu privire la inventariere Din punct de vedere teoretic sunt posibile doua tipuri extreme de estimari a emisiilor 10 a) Estimarea de la detaliu la ansamblu (bottom-up) Prin insumarea datelor este posibila calcularea, de exemplu, a emisiilor pentru intreaga tara plecand de la: emisiile judetene pentru un an, emisiile zilnice pentru un sector, sub-sectoare pentru o familie de componenti, luand in calcul rezultatele proprii pentru fiecare component Aceasta estimare presupune ca emisiile sa fie determinate intr-un mod aproape exhaustiv la nivelul unei retele detaliate, ceea ce reclama accesul la un numar foarte mare de date Daca rezolutia retinuta este prea amanuntita, ne lovim de dificultati adesea de netrecut referitoare la: • costul prelucrarii informatiilor, care creste rapid, intr-un mod exponential; • incertitudinea asupra rezultatului final cumulat poate fi considerabila, astfel incat se poate pune la indoiala temeinicia analizei; • accesul la informatii poate fi dificil, chiar imposibil, deoarece uneori acestea nu exista la nivelul de rezolutie considerat sau sunt confidentiale Totusi, aceasta estimare este utilizata intr-un numar mare de cazuri, atunci cand sursele ce apartin unui sector dat sunt relativ putine si cand importanta gazelor daunatoare impune folosirea acestei estimari b) Estimarea de la global la detaliu (top-down) Strategia acestei estimari consta in evaluarea emisiilor la nivelul unor ansamble mari (o tara intreaga, un an calendaristic, mari sectoare de activitate, etc) Distributia in subansamble este obtinuta prin intermediul datelor tehnice si/sau socio-economice (consumul de energie, populatie, servicii, ferme agricole, suprafata, etc) Disponibilitatea acestor date este asigurata, deoarece ele sunt alese plecand de la statisticile existente Aceasta estimare prezinta urmatoarela caracteristici: • o mai buna fezabilitate decat estimarea “bottom-up” si un cost mai redus, mai ales in cazul ansamblelor importante; • la nivel global, estimarea constituie un element de validare foarte util pentru estimarea “bottom-up”, deoarece incertitudinea care o insoteste este in general mica; • metoda de distributie in substantele ramane adesea relativ imprecisa, deoarece nu poate tine cont de specificul fiecaruia dintre subansamble, astfel ca, din aceasta cauza, sunt constatate abateri importante de la realitate, pe masura ce rezolutia devine mai amanuntita Aceste doua estimari, respectiv bottom-up sau de la baza catre varf si topdown sau de sus in jos sunt folosite, in general complementare decat concurente Recurgerea la una sau la cealalta depinde de obiectivul propus si, ca urmare, de 11 specificatiile inventarului de emisii Pentru a defini domeniile de pertinenta ale acestor doua estimari se recurge la notiuni subiective O exemplificare a modului de utilizare a acestor metode este data in figura 23, referitor la componentele spatiale si sectoriale ale emisiilor In practica este nevoie adesea de a folosi un amestec bine dozat al acestor doua estimari, mai ales cand este ceruta o buna fiabilitate pentru nivelurile de rezolutie la care estimarea ”top-down” nu este direct aplicabila In plus, se cuvine sa nu uitam faza de validare a rezultatelor, pentru care o estimare globala este deseori extreme de indicata Fig 23 Aplicabilitatea estimari ”de sus in jos” si “de la baza catre varf” 13 Principiile de baza utilizate pentru inventarierea emisiilor a) Caracteristicile unui inventar Un inventar de emisii este o descriere calitativa si cantitativa a procesului prin care anumite substante sunt aruncate in atmosfera din surse antropice si naturale Inventarul se caracterizeaza prin specificatii referitoare la patru componente: 12 • Timpul (adica perioada cuprinsa de inventar) si rezolutia temporala (intervalul de timp) pentru care trebuie sa se stabileasca emisiile in aer; • Spatiu (adica aria geografica cuprinsa in inventar) si rezolutia spatiala (adica entitatile teritoriale) pentru care se determina emisiile in aer; • Emitorii (adica ansamblul de surse inscrise in inventar) si categoriile de surse (sau sectoare) pentru care se calculeaza emisiile in aer; • Substantele cuprinse in inventar si daca este nevoie, diferitele forme fizice si chimice sub care ele pot fi emise b) Calitatile cerute unui inventar Un inventar de emisie realizat fara preocupari in ceea ce priveste respectarea calitatilor esentiale descrise mai jos este, in mod practic, inutilizabil, chiar daca este foarte bine intocmit Un inventar de emisie trebuie sa fie astfel realizat incat sa asigure: consistenta, precizie, comparabilitate si transparenta Pentru a asigura consistenta inventarului trebuie ca toate sursele care intra in campul specificat sa fie analizat la fel ca si emisiile despre care sunt informatii Inventarele de emisii nu constituie o stiinta exacta Incertitudinea asociata cu diferite informatii si ipoteze nu poate fi calculata Cu toate acestea, pentru a asigura precizia unui inventar este important sa ne straduim sa furnizam o apreciere calitativa si, daca este posibil, una cantitativa, a incertitudinii referitoare la rezultatele obtinute In general, aceasta indicatie se limiteaza la rezultatele de ansamblu si/sau la cateva entitati ale caror contributii sunt importante Trebuie remarcat ca un inventar este rar destinat sa fie izolat, de cele mai multe ori el va servi ca element de comparatie (compararea zonelor geografice, a sectoarelor economice, a evolutiei in timp,… sau chiar a tuturor acestor factori luati impreuna) Aceasta comparabilitate nu poate fi garantata decat prin utilizarea de date referentiale identice In acest scop, se cuvine evidentiata folosirea unor metode recunoscute Pentru a asigura transparenta unui inventar trebuie ca informatiile cuprinse in acesta sa fie suficient de complete si de amanuntite pentru a permite unui tert sa reconstruiasca intervalul Aceasta calitate, inlesneste actualizarea si imbunatatirea inventarului si permite evitarea unor greseli importante de comparabilitate, atunci cand, in decursul timpului, ipotezele si metodele de determinare a principalelor date de baza, precum si factorii de emisie, evolueaza Aceste calitati usureaza, de asemenea, operatiile indinspensabile de verificare si de validare a rezultatelor Pentru a atinge aceste obiective de calitate este de dorit sa se recurga la: • experti, care sa cunoasca bine procedeele si fenomenele care se afla la originea emisiilor; • o metodologie recunoscuta in Europa, precum metodologia CORINAIR, create sub egida Agentiei Europene a Mediului Inconjurator si recunoscuta pe plan international 13 Metodologia CORINAIR, [15], propune un sistem care are: • un ghid de recomandari pentru emisiile in aer, ce include metode de determinare a fiecarui tip de sursa si a factorilor de emisie; • un sistem logic, care sa permita alcatuirea unui inventar prin strangerea unei baze de date si prin utilizarea diferitelor functii de analiza si de gestionare a informatiilor; • un sistem de referinta pentru definirea emitatorilor, a substantelor a combustibililor si a diverselor specificatii, care fac parte din nomenclatorul de activitati considerate Este de retinut faptul ca recomandarile facute de CORINAIR, nu au caracter obligatoriu, ele fiind utile in absenta datelor precise c) Tipuri de surse In momentul de fata sunt, in mod obisnuit, luate in considerare mai multe categorii de surse de poluanti atmosferici, dintre care cele mai importante sunt marile surse punctuale, sursele de suprafata si sursele lineare In categoria marilor surse punctuale (SP), intra sursele fixe canalizate sau difuzate, ale caror emisii potentiale sau efective in atmosfera depasesc anumite praguri Aceste praguri constituie o specificatie proprie fiecarui inventar si provin din mai multi parametri (obiectivele inventarului, zona studiata, substantele analizate, resursele si timpul acordat pentru inventariere) Categoria surse de suprafata (SS) cuprinde, pe de o parte, sursele fixe neincluse in categoria marilor surse punctuale si, pe de alta parte, sursele mobile (in special circulatia urbana), cu exceptia surselor lineare care sunt diferentiate la nevoie Sursele lineare (SL) sunt alcatuite, in majoritate, de principalele cai de comunicatie (rutiere, fluviala, maritima,) Asadar, ele sunt de obicei legate de sursele mobile si doar in mod ocazional de sursele fixe (precum gazoduct, oleoduct, etc,) In numeroase inventare, sursele lineare sunt asimilate cu sursele de suprafata, atunci cand nu se justifica diferentirea lor Aceasta clasificare are drept scop sporirea fiabilitatii estimarilor si preocuparea de informatii mai corecte, informatii cerute de anumite nevoi (de exemplu, modelarea relatiei emise - calitatea aerului) Intr-adevar, se observa ca o parte importanta de emisii provine dintr-un numar restrans de surse Aceasta poate depinde de substantele analizate, ca si de specificul zonei si a perioadei luate in calcul d) Relatiile utilizate pentru calculul emisiilor incluse in inventariere Pentru corectitudinea inventarierii este necesara, in primul rand, definirea cat mai precisa a activitatii emitatoare elementare Aceasta este un ansamblu de surse de acelasi tip, considerate la nivelul cel mai detaliat de rezolutie pentru a determina emisiile In alti termeni, activitatea emitatoare elementara este entitatea de care este 14 asociat factorul caracteristic de emisie In practica activitatea elementara descrie o activitate umana dintr-un sector economic conform anumitor caracteristici operationale, precum tipul de combustibil, tipul procedeului, sau un fenomen natural Pe langa exemplele de activitati emitatoare elementare redate in tabelele 22÷23, tot activitati elementare constituie si : - deplasarea cu masina proprie, echipata cu motor pe benzina, cu o capacitate de 2000cm3; - evaporarea solventilor in timpul zugravirii unui zid; - degajarea de compusi organici de catre frunzele arborilor; - eruptii vulcanice; - centralele propii de alimentare cu caldura Emisiile sunt analizate pentru fiecare dintre activitatile emitatoare elementare retinute pentru inventariere, luand in considerare in mod separat diferite categorii de surse (de suprafata, punctuale si, eventual, pe cale lineare) Emisiile unei activitati date sunt exprimate prin relatia generala, (23) Es,a,t=Aa,t Fs,a unde: Es,a,t este emisia referitoare la substanta s si la activitatea a intr-un timp t; Aa,t este cantitatea de activitate referitoare la activitatea a intr-un timp t; Fs,a este factorul de emisie referitor la substanta s si la activitatea aTermenii Aa,t si Fs,a sunt determinati pentru combinatiile cele mai fine ale activitatii care asociaza intr-un mod general o activitate, o tehnologie si un produs Pentru ansamblul activitatilor, emisiile totale sunt exprimate prin relatia, Es,t= ∑ E s, a, t s =i s=n (24) unde: n este numarul de activitati emitatoare luate in considerare Este evident ca, daca valoare lui n difera de la un inventar la altul (ceea ce este adesea cazul), emisiile totale nu se pot compara deoarece, pe de o parte campul inventariat nu ramane constant iar, pe de alta parte, contributia relativa a surselor variaza Aceasta diferenta poate proveni atat din specificatiile inventarelor cat si din modul cum acestea s-au realizat In cazul cand se ia in considerare entitatea geografica, emisiile unei activitati date sunt exprimate prin, ⎤ ⎡ (25) Es,t,z= ∑ ⎢A a,i,f, t, z ∑ (Fs, a,i,f, p Pa,i,f, p )⎥ , ⎥ ⎢ s,i, f ⎣ p ⎦ unde: A - cantitatea de activitate, definita pertinent de un expert; F - factorul de emisie, respectiv raportul dintre cantitatea poluantului si cantitatea de activitate; P - fractia de sector, de activitate, de combustibil si de procedee; a - indicele care se refera la tipul de sursa; f - indicele care se refera la tipul de combustibil; 15 i - indicele care se refera la sectorul economic; p - indicele care se refera la procedeu; s - indicele care se refera la substanta; t - indicele care se refera la intervalul de timp; z - indicele care se refera la entitatea geografica In anumite cazuri, pentru calculul emisiilor sunt necesare relatii complexe cu numerosi parametri caracteristici si atunci este necesar sa se apeleze la modele specifice, pentru a obtine o buna reprezentare a fenomenelor Acesta este cazul traficului rutier, a emisiilor biogene, etc In fine, va fi posibil intotdeauna ca aceasta formula sa fie redusa la prima expresie, mai simpla, atunci cand analizam emisiile din punct de vedere al unui singur parametru Aceasta reprezentare, extrem de simpla, reducand structura reala si complexa a emisiilor activitatilor, poate conduce la interpretari gresite De mentionat ca, marile surse punctuale sunt analizate in mod individual, iar emisiile unor anumite substante sunt in permanenta sau la anumite intervale regulate Alte metode precum cea a colerarii dintre parametri caracteristici unui procedeu si emisii, la fel ca si cea a bilantului, permit sa analizam poluantii specifici ai sursei studiate, [16] Formulele (23) si (25) sunt, in felul acesta, utile pentru intreg sau pentru parte Pentru anumite substante, o parte importanta a emisiilor este legata de utilizarea energiei Pentru a aplica formula (24), se pot analiza poluantii exprimand emisiile totale ale unei surse ca fiind egale cu suma celor doua emisii distincte (in practica, acestea pot fi reale sau virtuale, dupa cum este cazul), respectiv, (26) E=E 1 +E 2 unde: E1 – emisia legata de arderea energiei fosile si de biomasa; E2 - energia legata de alte fenomene care se refera la utilizarea materiei prime, la reactii, la activitati diverse (evaporare, zdrobire, reactii chimice, etc) Tipologia surselor, in functie de utilizarea energiei este prezentata in figura 24, care arata o diferentiere mai detaliata a anumitor surse Fig24 Tipologia surselor din punctul de vedere al utilizarii energiei 16 1) 2) 3) 4) 5) 6) In functie de valorile ce le iau E1 si E2 se intalnesc sase posibilitati, respectiv: E1=0 si E1< 0, in cazul proceselor de reducere a emisiilor cand, emisia este negativa, ca de exemplu procedeul de fotosinteza pt emisia de dioxid de carbon(CO2); E1> 0 si E2< 0, in cazul proceselor de ardere cu retinerea poluantilor in focar E1=E2=0, in cazul proceselor care nu contribuie la poluarea atmosferica sau care au o contributie neglijabila; E1=0 si E2> 0, atunci cand procesele nu au legatura cu utilizarea energiei, emisiile provenind din reactii chimice, din activitati mecanice (de exemplu de zdrobire) sau din evaporarea produselor; E1> 0 si E2=0, in cazul la care nu exista contact intre flacara sau produsele de ardere si un al treilea produs (de exemplu, arderea in focarul generatoarelor de abur, motoare termice, etc) E1> 0 si E2> 0, in cazul proceselor care implica o ardere asociata cu alte fenomene, mai ales cu cele in care exista un contact intre materia prima sau un produs si flacara, sau cu produsele de combustie (de exemplu in cazul cuptoarelor) Formula (25) se aplica, in principiu, oricarei entitati geografice z Accesibilitatea la cantitatea de activitate A a ,i , f este cu atat mai dificila cu cat zona geografica se restrange si, cel mai adesea, informatiile cautate nu exista la acest nivel sau sunt confidentiale Trebuie sa remarcam ca incertitudinea legata de informatiile elementare cat si cantitatea de informatii ce trebuie stranse si procesate, sporesc considerabil odata cu rezolutia geografica Acest lucru este legat de faptul ca unii parametri socio-economici disponibili (populatie, servicii, suprafata) pot fi pusi in relatie cu anumite informatii de la diferite niveluri geografice (date inexistente sau confidentiale) Cantitatea de activitate a unei entitati geografice de la nivelul n+2 este apreciata in functie de cantitatea de activitate cunoscuta sau estimata la nivelul n+1 Cantitatea la nivelul n+1 poate fi dedusa din nivelul n Aceasta cantitate necunoscuta estimata la nivelul n+1 este repartizata, dupa cum se arata si in figura 25, cu ajutorul relatiilor suplimentare stabilite in mod expres pentru aceasta activitate, conform relatiilor urmatoare Pentru o entitate geografice zn de nivel N, constituita din j entitati geografice z n+1 la nivel mai detailat N+1, cantitatea de activitate este, As,i, f,z n = ∑ A a,i,f, z n −1 j ⎛ ⎞ A s,i, f, zi n +1 = K zi n +1 ⎜ A a,i,f, z n − ∑ A a,i,f, zc n +1 ⎟ (27) ⎜ ⎟ j ⎝ ⎠ unde: zi - entitatea geografica pentru care cantitatea de activitate referitoare la a,i,f este necunoscuta; zc - entitatea geografica pentru care cantitatea de activitate referitoare la a,i,f este 17 cunoscuta; j - numarul de entitati geografice de nivel n+1 pentru care cantitatea de activitate referitoare la a,i,f este cunoscuta, iar K zi n +1 este o constanta de pondere Fig 25 Estimarea cantitatilor de activitate nedisponibile Constanta de pondere este calculata cu relatia, α a P1a, zi n +1 + β a P2,a, zi n +1 + γ a P3,a, zi n +1 + K zi n +1 = ∑ (αa P1,a + βa P2,a + γa P3,a + ) zi n +1 (28) …sunt parametrii socio-economici asociati cu activitatea a; sunt coeficientii de pondere asociati cu parametri socio-economici pentru activitatea a, care respecta conditiile α+β+γ=1 si 0≤α,β,γ≤1 Anumiti parametrii socio-economici pot fi indisponibili pentru unele niveluri geografice si, astfel, fiecare activitate poate fi asociata cu diferite relatii suplimentare, clasificate conform unei ordini ierarhice de pertinenta 2 PROCEDEE DE REDUCEREA CONCENTRATIILOR DE PRAF 21 Particule poluante Praful este o componenta importanta a particulelor solide suspendate in aer, care de obicei sunt invizibile individual pentru ochiul liber Totusi, colectiv, particulele mici formeaza deseori o pacla care limiteaza vizibilitatea Intr-adevar, in multe zile de vara cerul de deasupra oraselor poluate cu praf are o culoare alba laptoasa in loc de albastra, datorita imprastierii luminii de catre particulele 18 unde: suspendate in aer Trebuie remarcat ca particulele suspendate intr-o masa data de aer nu sunt nici toate de aceeasi marime sau forma si nici nu au aceeasi compozitie chimica Cele mai mici particule suspendate au o marime aproximativ de 0,002μm (adica 2nm); in comparatie, lungimea moleculelor gazoase tipice este cuprinsa intre 0,0001 si 0,001 μm (0,1 pana la 1nm) Atunci cand picaturile mici de apa din atmosfera se contopesc in particule mai mari decat aceasta valoare, ele corespund picaturilor de ploaie si cad din aer atat de repede incat nu sunt considerate ca fiind suspendate Desi putine dintre particulele suspendate in aer au forma exacta sferica, conventia este sa se vorbeasca de toate particulele ca fiind asa Intr-adevar diametrul particulelor este proprietatea lor cea mai importanta Din punct de vedere calitativ, particulele individuale sunt clasificate in functie de diametrul lor in grosolane, daca este mai mare de 2,5μm si fine daca este mai mic, [4] De exemplu, pentru a acoperi suprafata unei mici monede ar fi nevoie de aprox 100 milioane de particule cu diametrul de 2,5μm In mod intuitiv, se poate crede ca toate particulele trebuie sa se depuna rapid pe suprafata pamantului sub influenta gravitatii, insa acest lucrul nu este adevarat pentru particulele mai mici Conform Legii lui Stoke, viteza cu care particulele cad pe pamant creste cu patratul diametrului lor Particulele mici cad atat de incet, incat ele sunt suspendate un timp aproape nedeterminat in aer Cele foarte mici se aglomereaza pentru a forma particule mai mari, de obicei tot din categoria celor de marime fina Astfel, particulele fine raman de obicei in aer timp de zile intregi sau saptamani, pe cand cele grosolane se depun destul de rapid Prin urmare, cu cat aceste particule sunt mai fine, cu atat se imprastie pe o suprafata mai mare, reducand emisia din jurul surselor poluate (centrale electrice, fabrici de ciment, etc) Particulele au in compozitia lor concentratii mari de Al, Ca ,Si si O sub forma de silicati de aluminiu dintre care unii mai contin si ionul de calciu Continutul organic mediu al particulelor fine este in general mai mare decat cel al particulelor grosolane De exemplu, arderea incompleta a combustibililor pe baza de carbon precum carbunele, pacura, benzina si combustibilul diesel produce multe particulele de funingine, care in principal sunt cristaloizi de carbon In consecinta, una din principalele surse de particule atmosferice pe baza de carbon, atat fine cat si grosolane, sunt centralele termoelectrice clasice, [18] Normele de protectia mediului limiteaza cantitatea de praf depusa intr-un an la nivelul solului la 200g/m2 22 Eficienta instalatiilor de filtrare Daca exista un domeniu in care calitatea mediului ambient sa fie simtitor ameliorata, atunci acesta este acela care se ocupa cu inlaturarea particulelor sedimentabile sau a particulelor de praf in suspensie Aceasta evolutie favorabila se datoreaza procedeelor industriale bazate pe tehnici de separare mecanice, electrice, hidraulice si in strat poros Arderea carbunelui si in unele cazuri chiar arderea hidrocarburilor reziduale 19 (pacura cu continut ridicat de cenusa) impurifica gazele de ardere In cazul arderii carbunelui pulverizat filtrarea este obligatorie la orice dimensiune a generatorului de abur, deoarece materialul necombustibil din carbune (anorganicul) se regaseste, dupa cum se observa si in figura 31, in mare parte, sub forma de cenusa zburatoare in gazele de ardere Din cantitatea Ai de anorganic intrata cu combustibilul, o parte, Ar, este retinuta in focar, o alta parte, Af, este retinuta in instalatiile de filtrare, iar Ae este evacuata pe cos, o data cu gazele de ardere, conform relatiilor, [11, 17], de bilant material, A i = A i B; A r = xA i ; A r = β (1 − x )A i ; A e = (1 − β )(1 − x )A i unde: - reprezinta cantitatea relativa initiala de anorganic (cenusa) din combustibil, B - reprezinta debitul de combustibil al generatorului de abur, x - reprezinta cantitatea relative (coeficientul) de anorganic retinut in focar, iar β reprezinta cantitatea relativa de anorganic retinuta in filtru sau eficienta filtrului De mentionat ca toate cantitatile Ai, Ar, Af, Ae au aceleasi unitati de masura ca si debitul de combustibil, B (in majoritatea cazurilor kg/s) Cantitatea relativa, x, de anorganic retinuta in focar depinde de tipul instalatiilor si in principal de felul combustibilului si sistemul de ardere din focarul generatorului de abur, avand orientativ valorile prezentate in tabelul 31 [17, 19] Modul de calcul al eficientei β a oricarei instalatii de filtrare se prezinta in figura 32,[20] Acceptarea finala a testului pentru calculul eficientei impune mentinerea constanta a raportului D/E si pentru un numar mai mare de incercari, astfel ca la cel putin doua din trei sa se obtina acelasi rezultat pentru eficienta Figura 31 Bilantul de praf la instalatiile din centralele termoelectrice clasice 20 Tabelul 31 Cantitatea relativa de anorganic retinuta in focar x Sistemul de ardere din focarul generatorului de abur Ardere de carbune granulat pe gratar 0,70÷0,75 Ardere de carbune pulverizat si evacuarea uscata a cenusii 0,20÷0,25 Ardere de carbune pulverizat in focar cu o singura camera si 0,25÷0,40 evacuarea zgurii in stare lichida Ardere de carbune pulverizat in focar cu doua camere si 0,50÷0,65 evacuarea zgurii in stare lichida Figura 32 Schema de calcul a eficientei unei instalatii de filtrare 23 Metode de retinere a prafului Particulele din materie se indeparteaza din aer fie prin filtrarea acestuia, fie cu ajutorul unor colectoare de praf Prin filtrare se indeparteaza numai cantitatile mici de particule din materie, iar pentru cantitatile mari se utilizeaza colectoarele de praf Principalele metode pentru stabilirea metodelor si a echipamentelor de retinere sunt: concentratia de particule; analiza marimii particulelor; gradul necesar de indepartare a particulelor; temperatura presiunea si debitul aerului sau gazului 21 poluat; caracterizarea fizico-chimica a prafului; cerinte utilitare; metoda dorita de indepartare a particulelor Retinerea pulberilor sau prafului se face cu ajutorul filtrelor care se caracterizeaza prin: debitul de gaze poluate care ies din proces Dg[m3/s]; domeniul diametrului particulelor d [μm]; temperatura maxima a gazelor [oC]; gradul de retinere sau eficienta filtrului β; viteza particulelor in filtru w [m/s]; pierderi de presiune in filtru ∆p [mm H2O]; costurile anuale de intretinere Principalele metode de retinere a prafului sunt: • mecanice, avand la baza forta de gravitatie si de inertie; • electrice, avand la baza ionizarea particulelor in camp electric; • strat poros, utilizand caracteristicile curgerii fluidelor reologice; • hidraulice, avand la baza metode de spalare a) Caracteristici de exploatare a metodelor de desprafuire Deoarece praful a fost unul dintre cei mai vechi poluanti cunoscuti, eforturile tehnico-stiintifice au condus la elaborarea unor tehnologii avand o eficienta de retinere a particulelor ridicata Caracteristicile de exploatare a metodelor de desprafuire sunt prezentate in tabelul 32, [21, 22] In cazul procedeelor de desprafuire avand cea mai ridicata performanta (precum filtrul cu saci, electrofiltre), in atmosfera sunt emise numai anumite particule dintre cele mai fine Domeniul specific de aplicare, in functie de plaja granulometrica a materiilor solide retinute se prezinta in figura 33 Totusi, uneori aceste particule fine pot fi periculoase, continand compusi toxici cum ar fi metale grele (mercurul), sau compusii lor cu anumiti poluanti organici persistenti (hidrocarburi aromatice policiclice) Vehicularea poluantilor se face in functie de granulometria particulelor Aceasta se datoreaza faptului ca compusii toxici, aflati in stare de vapori in gazele de ardere la temperatura ridicata, condenseaza pe particulele fine de praf, deja prezente Acest proces este valabil chiar si in cazul scaderi temperaturii, ca in cazul sintezei anumitor compusi organici grei cum ar fi dioxinele si furanurile Tabelul 32 Caracteristicile de exploatare a sistemelor de desprafuire Metoda de Materiale Avantaje Inconveniente retinere Mecanice Camera de Rezistenta Inadaptarea la decantare materialelor particule fine(de Sac de praf exemplu mai mici Separator cu de 5μm pentru impact(jaluzele) ciclu) Ciclon Multiciclon Electrostatice Electrofiltre Scaderea Inadaptarea la uscate consuvariatii bruste ale 22 mului de energie Electrofiltre umede In strat poros (totale) Filtru textile de tip sac Eficacitate in filtrare Eficacitate in filtrare Posibilitatea de captare a anumitor poluanti gaosi rezistivitatii prafului si caracteristicilor de flux gazos Consum mare de energie Sensibilitatea mediului filtrant la temperatura Domeniu de aplicare limitat Filtru cu nisip Hidraulice Turn de spalare Scruber de tip soc(cu pulcerizare) Scruber Venturi Scruber uscat Posibilitatea de tratare a gazelor fierbinti Posibilitatea de captare a anumitor poluanti gazosi Consum mare de energie(mai ales cu tubul Venturi) Riscul transportului poluantilor catre apa si sol 10-2 10-1 1 101 102 103 Figura 33 Domeniu specific de aplicare a principalelor tehnici de desprafuire Ideal ar fi, fara indoiala, efectuarea mai multor desprafuiri in cascade la nivel de temperatura descrescatoare, eliminand mai intai particulele grosiere de praf inaintea condensarii metalelor grele Pentru temperaturi inalte raman de pus la punct tehnologiile de desprafuire prin 23 filtre ceramice, in conditii economice acceptabile 24 Filtre mecanice pentru desprafuire Camera de decantare Filtrele cameri de decantare sunt cele mai vechi tehnologii de desprafuire, avand forma unei camere sectionate in forma de cruce Atunci cand un curent de aer patrunde in camera, printr-un canal de diametru mic, viteza lui se reduce, determinand depozitarea particulelor, datorita gravitatiei, dupa cum se observa din figura 34 Figura 34 Schema unei camere de decantare Particulele mici sunt colectate mai greu, astfel ca eficienta la acestea se reduce practic la jumatate Eficienta colectarii, β, a unei camere de decantare, bazata pe forta gravitationala, se exprima in functie de viteza terminala a particulelor, de la 40 la 50 microni in diametrul aerodinamic , unde [m/s] este viteza Calculul eficientei se face cu relatia: β terminala maxima atinsa de particule in camera, Ah [m2] suprafata orizontala a camerei de decantare, iar Q [m3/s] este debitul volumetric de gaze poluate Eficienta medie a unor astfel de filter camera de decantare este in medie de 60÷70%, dar se reduce la 40÷45%, pentru particule sub 5 microniPierderile de presiune sunt de 25÷35Pa, iar temperature nu constituie un inconvenient, [18,23] Pentru a imbunatatii eficienta camerei de decantare gravimetrice trebuie sa se mareasca suprafata orizontala efectiva sau sa se reduca debitul volumetric de gaze Filtrele camera de decantare se utilizeaza pentru retinerea particulelor grosiere, constituind de regula prima treapta de filtrare Sunt improprii pentru desprafuirea gazelor de la generatoarelor de abur ce ard praf de carbune Separatoare cu impact Separatoarele cu impact sau cu jaluzele sunt o varianta a separatorilor gravitationali, ce folosesc un element de deviatie in camera de gravitatie pentru a indeparta particulele din materie, oprindu-le miscarea in conformitatea cu curentul de aer Eficienta separatoarelor cu impact depinde de procentajul de particule care 24 lovesc obiectul stationar (de regula un sistem de jaluzele) Calculul eficientei se face cu relatia, [24] unde dp [m] este diametrul particulei, [m/s] este viteza relativa a gazului fata de elementul filtrului (jaluzelele), [kg/m3] este densitatea particulelor, η [kg/ms] vascozitatea dinamica a gazului, iar D[m] este diametrul tinei de impact Eficienta medie a filtrelor separatoare cu impact este in medie de 30÷50%, dar se reduce la 20÷25%, pentru particule sub 5 microni Pierderile de presiune sunt foarte reduse, de 5÷10 Pa, iar temperatura nu constituie un inconvenient Filtru mecanic de tip ciclon si multiciclon La separatorii inertiali mecanismul de separare este forta centrifuga, care depinde de diferenta dintre densitatea particulei de praf si a aerului in care este antrenata, astfel ca are loc separarea inertiala a particulelor de praf Fortele de franare ale particulelor sunt in functie de diametrul acestora, astfel ca acesti colectori inertiali sunt eficienti pentru particule cu diametrul mai mare de 10μm si foarte ineficienti pentru particule mai mici de 5μm , unde: mp Forta centrifuga ce actioneaza asupra particulelor este [kg] - masa particulei; V[m/s] - viteza particulei; R[m] - raza de curbura; kc - un coeficient de proportionalitate ce include in el diferenta dintre masa specifica a particulelor si cea a aerului si marimea particulelor (granulatia) Din relatia de mai sus rezulta ca forta centrifuga creste si o data cu aceasta se mareste eficienta de separare cu cresterea vitezei aerului sau gazului purtator, cu cresterea masei si diametrul particulei si cu reducerea razei de curbura Cel mai comun separator inertial este ciclonul, realizat sub doua forme de baza, cu admisia tangentiala sau axiala, prezentat in figura 35 Fig35Schema unui separator inertial de tip ciclon 25 Particulele centrifugale sunt depuse pe peretii filtrului si se aduna la partea inferioara, in timp ce gazele curate parasesc filtrul printr-un tub central Retinerea particulei are un caracter selectiv; se retin cu precadere particulele grele si cu granulatie mare Modul de realizare al lor este foarte diferit deosebindu-se: • unitati cu un singur ciclon cu diametru mare; • unitati multiciclon, cu un numar de elemente de dimensiune redusa functionand in paralel Marimea particulelor colectate de ciclon este data de relatia unde: Dp[m] - dimensiunea particolei colectate la o eficienta de 50%; η [kg/ms] vascozitatea dinamica a gazului, R [m] - raza de curbura a ciclonului; Nc - numarul de vartejuri (cicloane) ale ciclonului, de obicei 5; V[m/s] - viteza aerului sau gazului la intrare; si [kg/m3] - densitatea particulelor, respectiv a aerului sau gazului Eficienta unui ciclon este , unde in plus Ri, Re[m] - raza - factor de forma ce tine seama de exterioara, respectiv interioara a ciclonului; distributia diametrului particulelor Se observa ca eficienta sau gradul de retinere β creste cu granulatia Dp si densitatea a particulelor solide In general, la particule cu diametrul peste 10 μm, eficienta β este 60÷80%, dar se reduce la 30÷50% la particule cu diametru de 5μm Eficienta se reduce in timp datorita uzurii prin eroziune Temperatura aerului sau gazelor desprafuite poate ajunge la 400 C Caderea de presiune in ciclon sau multiciclon este de circa 30÷80 Pa La pierderi de sarcina in cicloanele unei baterii de tip multiciclon de peste 80 Pa, apar curenti de scurtcircuit care conduc la o scadere pronuntata a eficientei acestuia In aceasta situatie este mai avantajoasa inlocuirea multiciclonului cu un ciclon individual sau montarea in amonte de ciclon a unui ventilator, care insa lucreaza in conditii grele 26 25 Filtre electrostatice Filtrele electrostatice (denumite curent electrofiltre), realizeaza separatia prafului prin ionizarea gazelor purtatoare a particulelor de cenusa si prin urmare tensiunea de lucru a acestora este ridicata Principiul de functionare a fost brevetat la inceputul secolului XX de catre Fredrick Cottrell, iar la ora actuala sunt numeroase variantele de realizare practica Avantajele comparative ale utilizarii filtrelor electrostatice in raport cu alte aparate colectoare de particule sunt: • posibilitatea utilizarii la temperaturi ridicate ale gazelor purtatoare (200÷250C) si prin urmare se pot utiliza si furnale si generatoare de abur; • au o extrem de mica cadere de presiune (10÷25 Pa), astfel incat costurile cu energie electrica consumata de ventilatoare este minima; • eficienta colectari este extreme de mare (94÷99,5%), daca utilizarea este adecvata tipului de praf, insa daca proprietatile prafului nu sunt bine cunoscute aceasta eficienta scade la 92÷95%; • pot acoperi un larg domeniu de marimi de particule si concentratii de praf, dar cel mai eficiente sunt pentru particule mai mici de 10 microni • costurile de intretinere si reparare sunt mult mai mici decat pentru oricare alt tip de sistem de colectare Dezavantajele electrofiltrelor, care limiteaza intr-o oarecare masura folosirea lor, sunt: • cost initial ridicat • necesitatea unui spatiu de instalare mare; • nu pot capta particule de praf combustibile, ca de exemplu praful de lemn • sunt inadecvate pentru vibratii brutale ale rezistivitatii prafului si debitului de gaz Filtrele electrostatice lucreaza prin incarcarea prafului cu ioni si apoi colectarea particulelor ionizate pe o suprafata colectoare, de forma tubulara sau plata, care este de obicei curatata prin razuire La tensiune ridicata, peste 30 kv, curent continuu, se stabileste un camp electric intre bobina electrodului central si suprafata de colectare Tensiunea este destul de ridicata pentru un efect corona vizibil intre electrod si suprafata, avand ca efect o cascada de ioni negative in spatiul dintre electrodul central si suprafata din afara tubului Ionizarea are loc sub actiunea unei tensiuni electrice inalte care depaseste constanta dielectrica a gazelor in vecinatatea electrozilor de ionizare, producand fenomenul corona Orice aerosol care intra in acest spatiu liber este incarcat si bombardat de acesti ioni, astfel ca migreaza spre suprafata colectoare sub efectul atractiei electrice si al bombardarii, cum se observa si in figura 36 27 Fig36 Schema de principiu a unui electrofiltru b - distanta dintre electrozii de ionizare (-) si cei de depunere (+) w - viteza de migrare a particulelor de praf spre electrozii de depunere ν - viteza de curgere a gazelor continand praf prin electrofiltru Cand particulele ajung pe suprafata colectoare isi pierd sarcina electrica si adera la aceasta datorita fortei de atractie, unde vor ramane fixate pana la intreruperea curentului si indepartarea fizica prin razuire, curatare sau vibratii In general, distanta b dintre electrozii de ionizare si cei de depunere este de 0,3÷0,4 m, viteza de migrare a particulelor de cenusa w pe electrozii de depunere este de 8÷12 cm/s, iar viteza ν a gazelor in electrofiltru este de 1,5÷2,5 m/s Dupa forma electrozilor, filtrele electrostatice sunt tubulare sau cu placi La filtrele tubulare electrodul de depunere este un tub cilindric sau hexagonal, iar electrodul de ionizare o sarma intinsa in lungul axei tubului Aceste tuburi au diametrul de 150÷300 mm si o lungime de 3000÷4000 mm Electrozii de ionizare sunt confectionati din sarma de otel cu diametrul de 1,5÷2 mm Uneori sarma este prevazuta cu tepi sau muchii pentru a marii posibilitatea de strapungere locala a campului Filtrele cu placi, prezentate in figura 37, sunt de fapt niste condensatori plani alcatuiti dintr-o serie de placi paralele ce constituie de fapt electrozii de depunere, intre placi sunt situati electrozii de ionizare, sub forma unor sarme la jumatatea drumului dintre doua placi Fig37Schema unui electrofiltru cu placi 28 Electrozii de ionizare sunt ionozati de pamant fiind legati la polaritatea (-), iar placile sunt legate la pamant, formand polaritatea (+) Tensiunea aplicata este in general de ordinul U=60-100KV find curent continuu Legarea electrozilor de ionizare la (-) este justificata de faptul ca ionii negativi din aer au o mobilitate de 1,37 ori mai mare decat cei pozitivi si astfel efectul corona este mai intens Circulatia gazului este orizontala, pentru placi Electrozii de ionizare se construiesc cu diametrul de 12 mm, eventual cu muchii si varfuri pentru a produce o descarcare cat mai intensa Particulele de cenusa din gaze se incarca cu sarcini electrice si datorita fortelor electrostatice se deplaseaza cu viteza w spre electrozii de depunere Viteza de miscare a particulelor, w, in campul electrostatic depinde de caracteristicile mecanice si electrice ale purtatorilor cat si de intensitatea corpului electric Gradul de retinere a grafului (desprafuire), sau eficienta β a electrofiltrului se poate calcula cu una din relatiile de mai jos: unde: Ce, Ci - concentratia la iesirea din electrofiltru, respectiv la intrarea in acesta; [s] - timp de migrare a particulelor spre electrozii de depunere; [s] timp de stationare a particulelor in electrofiltru; w [m/s] - viteza de depunere sau migrare a particulelor spre electrozii de depunere, depinzand si de caracteristicile acestora; b [m] - distanta dintre electrozi; v [m/s] - viteza curentului de gaze continand particule prin electrofiltru; l [m] - lungimea electrofiltrului; x - factor de corectie experimental, avand valori de 0,85÷0,9 Relatia de mai sus, care se utilizeaza si pentru dimensionare, are un grad mare de aproximare, deoarece face urmatoarele ipoteze simplificatoare: • viteza de migrare w este constanta in lungul electrofiltrului, cand in realitate aceasta depinde de temperatura gazelor (creste cu aceasta); • campul de viteze al circulatiei gazelor este uniform, adica ν=const; • geometria de praf este uniforma si se mentine constanta in toata sectiunea transversala a canalului, neexistand antrenari de praf pe electrozi In realitate imperfectiunile geometrice, cat si depunerea exagerata pe electrozi modifica campul electric, tensiunea efectiva de ionizare si impreuna cu neuniformitatea curgerii constituie cauze ale reducerii eficientei electrofiltrului Viteza de depunere se poate calcula cu relatia: unde: z - numar mediu de purtatori de sarcina pe particul; e [C] - sarcina electronului; E [V/m] - intensitatea campului electric aplicat; η [kg/ms] - vascozitatea dinamica a gazului; 29 dp [m] - diametrul particulei de praf De mentionat ca pentru lignit w=0,095÷m/s, iar pentru huila de la Valea Jiului w=0,12÷0,14 m/s Aceasta viteza de depunere este teoretica, dar in realitate se abate de la valoarea teoretica, cum se vede si in figura 38 Fig 38Variatia vitezei de depunere cu diametrul particulei Factorii care influenteaza viteza de depunere, diminuand-o, sunt: 1 incarcarea suprafetei de depunere; 2 intensitatea curentului 3 sectiunea de trecere prin electrofiltru; 4 suprafata totala; 5 continutul de sulf din particule; 6 concentratia prafului; 7 continutul de carbon nears (funingine); 8 suprafata granulelor de cenusa Daca la factorii ce influenteaza viteza de depunere si implicit eficienta filtrarii, β adaugam si corecta respectare a geometriei canalelor si a concentratiei ramelor cu electrozi de ionizare putem concluziona ca buna functionare a filtrelor electrostatice nu reprezinta o problema de conceptie si de nivel tehnic, ci o problema de executie, montaj si exploatare Electrofiltrele sunt alcatuite din mai multe zone de lucru, alimentate electric independent, pentru marirea fiabilitatii si a sigurantei in functionare Lungimea unei zone este 4,5÷5m In practica centralelor electrice, in functie de eficienta β necesara a filtrului si dependent de felul combustibilului , se folosesc 2÷3 zone pentru huila si 3-4 zone pentru lighnit si 5-6 zone pentru sisturi bituminoase sau continut ridicat de anorganic Schema unui EF cu trei zone este prezentata in figura 39, [25] Atunci cand se realizeaza punerea in functiune a dispozitivelor cat si ramelor de ionizare (operatie cunoscuta in practica ca bataia la tambale) 30 Fig39Schema unui electrofiltru cu trei zone Pentru a evita antrenarea cenusii pe durata scuturarii, electrozii de depunere pot avea forma literei C crescand astfel zone de stagnare (partea hasurata) si impiedicand astfel antrenarea cenusii, cum se observa din figura 310 Electrozii de ionizare sunt prevazuti cu varfurile orientate spre interiorul literei C dirijand preferential cenusa catre aceste zone Tensiunea aplicata este de 60-100 kv cca cu posibilitatea unui reglaj continuu, pentru a mentine curentul de ionizare constant Daca curentul de ionizare creste foarte mult, se poate ajunge la strapungerea izolatorilor si prin urmare la scurtcircuit si distrugerea electrofiltrului Daca cantitatea de praf este foarte mare, in electrofiltru pot apare fenomene de ecranare electrica, ceea ce micsoreaza eficienta β Din acest motiv, in unele instalatii cu continut mare de praf in gaze (ca de exemplu la instalatiile care ard praful de lighnit), se instaleaza in serie un filtru mecanic si un electrofiltru Fig 310 Forma electrozilor de ionizare Dimensiunile electrofiltrului sunt considerabile, dupa cum se observa din figura 311, unde este prezentat un electrofiltru instalat intr-o fabrica de ciment 31 Fig311Electrofiltru intr-o fabrica de ciment La filtrele electrostatice umede are loc o stropire cu apa a amestecului impur de aer sau gaze continand praf Acest sistem este utilizat mai putin pentru retinerea particulelor solide de praf si mai mult pentru retinerea combinata aprafului si altor substante gazoase nocive 26 Filtre totale sau in strat poros Fac parte tot din categoria filtrelor mecanice uscate Mai poarta denumirea de filtre totale sau in strat poros Daca se deschide usa unui mecanism de saci colectori se va observa de ce filtrele poarta acest nume In interior se gaseste un numar de saci din panza care sunt sustinuti doar de scurgerea de gaze care trece fie din interior spre exterior, fie exterior in interior prin filtre izolante Atunci cand granulele de praf se aseaza pe filtre, se mareste rezistenta si eficienta filtrului care indeparteaza particulele din aerCand sunt acoperite in intregime, operatia de filtrare este impiedicata Filtrele totale acopera un domeniu foarte larg, atat in ceea ce priveste spectrul granulometric cat si temperatura de lucru, fiind cel mai eficient sistem de indepartare a particulelor uscate Eficienta lor medie este foarte ridicata (β=99,9%), in timp ce eficienta la particulele sub 5μm este apropiata de 100% Din categoria filtrelor toatale sau in strat poros cele mai des utilizate sunt: • filtre textile de tip sac din tesuturi textile; • filtrele cu pat filtrant din fibre ingramadite sau umplutura de nisip Functionarea filtrelor textile de tip sac din tesaturi textile este limitata de temperature in jurul valorilor de 100-250 C (dependenta de natura materialului); in schimb rezistenta gazodinamica este foarte mare ajungand la 200-250 Pa La aceste filtre vitezele sunt mai mici ca la filtrele de tip ciclon sau multiciclon Ele isi gasesc intrebuintarea la filtrarea