W celu redukcji emisji szkodliwych substancji wytwarzanych przez różne gałęzie przemysłu projektanci fabryk stosują cały arsenał sprzętu i technik oczyszczania gazów, obejmujących mokre i suche płuczki gazów spalinowych, płuczki Venturiego, cyklony i filtry włókninowe. Systemy te mogą być opłacalne przy kontroli emisji dużych cząsteczek lotnych, tlenków siarki, azotu i innych niebezpiecznych materiałów zanieczyszczających powietrze. Jednak są one zwykle mało wydajne lub nieskuteczne w przypadku takich zanieczyszczeń, jak drobne cząsteczki, mgły kwasów, pozostałości olejów lub drobne, skondensowane związki organiczne.
Menedżerowie fabryk kierują więc swoje zainteresowanie ku nowoczesnym odpylaczom elektrostatycznym (elektrofiltrom) mokrym – WESP (Wet Electrostatic Precipitators). Dzięki innowacyjnym ulepszeniom technologicznym elektrofiltry WESP są w stanie oczyszczać złożone emisje gazów z cząsteczek i mgieł aż do skali submikroskopowej (PM 2,5) ze skutecznością 99,9%.
Zasada działania i wykorzystanie
Obecnie niektóre z bardziej zaawansowanych elektrofiltrów WESP projektuje się w formie wieloetapowych systemów prętowych elektrod jonizujących o kształcie gwiazdy w punkcie wyładowania. Są one zamocowane w rurach o przekroju kwadratowym lub sześciokątnym, pokrytych uziemionymi powierzchniami zbiorczymi. Ta unikalna geometria elektrod wytwarza wyładowania koronowe 45 razy silniejsze od osiąganego w konwencjonalnych elektrofiltrach mokrych lub suchych.
Ponieważ gazy spalinowe przemieszczają się przez układ rurowy, intensywne wyładowanie koronowe indukuje potężny ładunek ujemny, rozpędzając nawet cząsteczki o wymiarach submikroskopowych i kropelki kwasu siarkowego w kierunku powierzchni zbiorczych, do których przywierają, a oczyszczone gazy przepływają dalej. Powierzchnie te są okresowo czyszczone z osadów przez spryskiwanie wodą.
Chłodne, nasycone środowisko w elektrofiltrze WESP czyni ten system wysoko skutecznym w odniesieniu do związków kondensujących się lub oleistych, podczas gdy ciągły proces spłukiwania wodą zapobiega ponownemu porywaniu cząsteczek, tworzeniu się przylegających osadów i rezystywności cząsteczek, co może osłabić działanie filtra. Ponadto dzięki wyeliminowaniu potrzeby zastosowania strzepywaczy mechanicznych lub akustycznych proces czyszczenia minimalizuje także zużycie energii.
Przy praktycznym braku przeszkód mechanicznych dla emisji gazów spalinowych w elektrofiltrze WESP istnieje bardzo mały spadek ciśnienia między wyjściem a wejściem, prędkości gazów zaś mogą być ekstremalnie wysokie. Umożliwia to inżynierom wykorzystanie na mniejszą skalę tańszego sprzętu dla specyficznych objętości gazów i utrzymanie 99,9% skuteczności filtrowania.
Dzięki swojej uniwersalności i skuteczności w odniesieniu do wielu odmian problematycznych składników emisji i różnych warunków pracy elektrostatyczne odpylacze mokre odgrywają zasadniczą rolę w oczyszczaniu gazów w wielu sektorach i zastosowaniach przemysłowych. Nawet w tych fabrykach, w których kontrola zanieczyszczeń w stanie gazowym opiera się głównie na różnych technologiach płuczek wieżowych (skruberów), elektrofiltry WESP są często stosowane jako krytyczny sprzęt skojarzony z emisją do wychwytywania zanieczyszczeń przepuszczanych przez skrubery (płuczki), szczególnie gdy gazy spalinowe są schładzane do poziomów kondensacji różnych niepożądanych związków chemicznych.
Korzyści w przemyśle metalurgicznym
Wśród najważniejszych gałęzi światowego przemysłu ciężkiego największe wyzwania w zakresie badań i usprawnienia procesów wydobycia, ale również dotyczących kontroli zanieczyszczeń powietrza stawiają sektory górniczy i metalurgiczny.
Wysokie stężenia drobnych lotnych cząsteczek stałych w gazie (PM 2,5) i dwutlenek siarki, szczególnie z pieców prażalniczych i do wytapiania, zwracają największą uwagę z powodu ich poważnego wpływu na zdrowie człowieka i środowisko. Same lotne cząsteczki stałe mogą stać się powietrznym nośnikiem dla toksycznych tlenków lub siarczków metali. Inne potencjalne zanieczyszczenia to mgły kwasu siarkowego, metale ciężkie, chlorowodór, fluorowodór, dioksyny, furany i gazy cieplarniane.
Te zagrożenia dla środowiska nabierają obecnie większego znaczenia, ponieważ międzynarodowe firmy z branży metalurgicznej i górniczej podejmują działalność w coraz bardziej odległych zakątkach naszego globu, co wynika z coraz większych braków bogatszych rud metali w tradycyjnych, łatwiej dostępnych regionach górniczych. W konsekwencji większość nowych światowych działań badawczych i rozwojowych odbywa się w państwach rozwijających się, przy koncentracji na agresywnej eksploatacji sprawdzonych rezerw materiałów lub na obiecujących nowych eksploracjach.
Jednocześnie państwa te wysuwają coraz większe żądania w stosunku do zagranicznych firm górniczych i przetwórczych – ze szczególnym naciskiem na surową kontrolę zanieczyszczeń, odpowiedzialność społeczną i trwały rozwój. Dla procesów metalurgicznych dążenie do konkurencyjności w celu osiągnięcia zgodności z regulacjami, poprawienia działania i kontrolowania kosztów stało się bodźcem dla głównych innowacji w technologiach oczyszczania gazów spalinowych i technologicznych.
Jedną z powszechnych, lecz zasadniczych strategii jest budowa fabryk kwasu siarkowego, w których przetwarza się SO3 i SO2 w oczyszczony kwas siarkowy – najczęściej używany na świecie i łatwo wprowadzany na rynek przemysłowy związek chemiczny. W rzeczywistości większość kwasu siarkowego na dzisiejszym rynku jest produktem ubocznym wytapiania metali żelaznych i nieżelaznych.
Aby utrzymać konkurencyjną cenę i jakość, fabryka kwasu siarkowego wymaga maksymalnego z możliwych poziomu usuwania drobnych cząsteczek lotnych, mgieł kwasowych i innych zanieczyszczeń. Ten etap usuwania pomaga chronić złoża katalizatora i inne komponenty przed korozją, zanieczyszczeniem lub zatkaniem i zapobiega powstawaniu czarnego kwasu siarkowego. Ponadto zapewnia, że mniej H2SO4 i innych zanieczyszczeń jest obecnych w gazach końcowych.
Sukces w Zambii
Mopani Copper Mines wykorzystuje pirometalurgiczne technologie wytapiania, które generują duże ilości dwutlenku siarki, oparów kwasu siarkowego, cząsteczek lotnych i innych emisji z koncentratu metalurgicznego.
W 2007 r., pod presją zambijskich organów nadzoru, firma Glencore International, właściciel kopalni, zatrudniła dawną filię inżynieryjną Monsanto do powiększenia swojej fabryki kwasu siarkowego. Mopani wykorzystuje odpylacze mokre (skrubery) do oczyszczania gazów powstających w procesie wytapiania, jednak one same nie były skuteczne w stosunku do oparów i dymów kwasów. Rozbudowa fabryki kwasu obejmowała projekt i wykonanie elektrofiltrów WESP. Nowy sprzęt do oczyszczania gazów pomógł zredukować emisję oparów kwasu o 94%, a cząsteczek lotnych o 99,5%, przetwarzając 11 kg/h oparów kwasu siarkowego i produkując 244 tony czystego kwasu siarkowego dziennie.
Żrące właściwości substancji emitowanych z pieców do wytapiania w hucie Mopani wymagały zwrócenia szczególnej uwagi na materiały użyte do budowy odpylaczy. Elektrofiltry WESP zostały wyprodukowane według specyfikacji klienta, a zastosowano w nich tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (Fiberglass Reinforced Plastic – FRP) oraz wysokoprocentowe stopy chromowo-niklowe. Inżynierowie stwierdzili, że komponenty wykonane z FRP są tańsze niż produkowane z ołowiu, łatwiejsze w konstrukcji, eksploatacji i ekstremalnie odporne na korozję. Elementy przewodzące prąd elektrofiltrów WESP są zabezpieczone specjalnie opracowanym, przewodzącym materiałem FRP. Izolatory wysokonapięciowe są utrzymywane w ciągłej czystości przy użyciu systemu czystego powietrza, co również sprzyja redukcji kosztów utrzymania.
Wytop w Mopani uległ ponownemu zwiększeniu na początku 2014 r. ze względu na stale rosnący światowy popyt na miedź. Aby poradzić sobie ze znacznie zwiększoną emisją gazu w nowych fabrykach kwasu siarkowego w Mopani, zainstalowano w nich sześć dodatkowych elektrofiltrów WESP. Obecnie Mopani znów spełnia wymagania kontroli emisji wydane przez rząd Zambii.
Autor: Ronald F. Vitale jest dziennikarzem współpracującym z prasą branżową.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
