Ogłoszenie w USA przepisów „Deklaracji Czystej Wody” w 1970 roku (w polskich warunkach takim zjawiskiem był „hałas” – Monitor nr 50 z 1999 roku – przyp. tłum.) spowodowało, że lokalne społeczności zaczęły się koncentrować na wprowadzaniu i zaostrzaniu nowych przepisów dotyczących gospodarowania ściekami i odpadami wodnymi dla zakładów produkcyjnych, znajdujących się na ich terenie. Stawia to nowe wyzwania operacyjne i dotyczące przestrzegania zasad ochrony środowiska przed inżynierami obsługi i eksploatacji obiektów przemysłowych.
Rys. 1. Skład kondensatu (dane od firmy CompAir)
Poważnym problemem są odpady oleju, będące resztkową jego zawartością w sprężonym powietrzu, występujące w kondensacie wykroplonym ze sprężonego powietrza, który jest objęty konkretnymi przepisami zarówno w Unii Europejskiej, jak i w Polsce. Dopuszczalna zawartość takich odpadów w ściekach może wynieść od 10 do 100 ppm. Ważne jest, aby zwrócić uwagę na całkowity wypływ takich czynników z danego zakładu, a nie tylko ze sprężonego powietrza.
Dla kondensatu wydzielonego ze sprężonego powietrza wymaganie normy europejskiej to dopuszczalna resztkowa zawartość oleju do poziomu 20 mg/litr, a polskie przepisy ten poziom zaniżają do 15 mg/litr.
Takie wymagania muszą brać pod uwagę osoby odpowiedzialne za obsługę i eksploatację czy też utrzymanie ruchu obiektów.
Powstawanie kondensatu
Podczas procesu sprężania powietrza, sprężarki zasysają otaczające nas powietrze atmosferyczne wraz z zawartą w nim wilgocią i zanieczyszczeniami. Dodatkowo komora sprężania w większości sprężarek jest smarowana, uszczelniana i chłodzona za pomocą cieczy chłodząco-smarujących (olejów).
Po sprężeniu powietrze schładzane jest w chłodnicy końcowej. Przy obniżaniu temperatury dochodzi do skraplania większości pary wodnej i par węglowodorów. Następnie skraplanie zachodzi w zbiorniku powietrza, rurociągach, filtrach i osuszaczach sprężonego powietrza. Skroplona wilgoć musi być usuwana z instalacji, aby chronić urządzenia i procesy zasilane sprężonym powietrzem przed uszkodzeniami.
Zawory spustu kondensatu, zainstalowane na separatorach kondensatu, zbiornikach, filtrach koalescencyjnych, osuszaczach i punktach zrzutu kondensatu, służą do usuwania kondensatu z instalacji. Z tych zaworów spustowych zanieczyszczony kondensat prowadzony jest rurociągami do separatora oleju/kondensatu, gdzie usuwa się z niego olej i następnie stosownie oczyszczony można usunąć do kanalizacji.
Jeśli kondensat nie jest uzdatniany – może być zbierany w specjalnie przygotowanych beczkach lub innych odpowiednich zbiornikach, następnie te zbiorniki należy odstawić do instytucji mającej wymagany certyfikat. Przykładowe koszty transportu, magazynowania i recyklingu typowej 200-litrowej beczki np. w warunkach amerykańskich, to ok. 500 dol. Typowa sprężarka 18,5 kW (o wydajności ok. 3 m3/min) może wygenerować ok. 76 litrów zanieczyszczonego kondensatu na dobę, z czego powstawać może miesięcznie aż 11 beczek 200-litrowych do recyklingu, co za sobą niesie wydatek ok. 5500 dol. a to już dużo, jak na odpady.
Ponieważ taki zanieczyszczony kondensat to w 99% woda, 1% stanowi olej – separatory oleju/kondensatu skonstruowano tak, aby wyeliminować tę ilość oleju z kondensatu (rys.1).
Proporcje te będą zależeć od lokalnych warunków klimatycznych. W rejonach suchych lub chłodnych kondensuje się mniej wody ze sprężonego powietrza, ale resztkowa zawartość oleju pozostanie ta sama. Spowoduje to wyższą zawartość procentową oleju w kondensacie.
Typy separatorów
Wyzwaniem dla zapewnienia właściwej separacji kondensatu jest to, że wszystkie płyny smarujące czy chłodziwa formują z wodą roztwory lub zawiesiny. Kondensat może wyglądać na czysty, ale jednocześnie zawierać setki ppm zanieczyszczeń.
Separatory oparte na zasadzie chemicznej absorpcji są wypełnione odpowiednio dobranym związkiem chemicznym, mającym zadanie przyciągać olej, jednocześnie odpychając wodę. Odpowietrzony, zaolejony kondensat przepływa do złoża chemicznego absorbentu, który wiąże olej. Następnie czysta woda może być spuszczana do kanalizacji (rys. 2).
Rys. 2. Separator wody/oleju wykorzystuje trzystopniową filtrację kondensatu (rysunek dzięki Kaeser Compressors)
Żywotność chemicznych złóż separatorów zależy od ilości oleju zawartego w kondensacie. Zawartość oleju w kondensacie może wynosić tylko 40 ppm, ale osiąga także dużo większe wartości. Typ zanieczyszczenia kondensatu olejem jest uzależniony od typu i stanu technicznego sprężarki, rodzaju użytego oleju i wilgotności zasysanego powietrza atmosferycznego (rys. 3).
Rys. 3. Zmiany sezonowe kondensatu
Ponieważ skuteczność absorpcji złoża w separatorze to około 50%, to 57-litrowy separator absorpcyjny może przechwycić około 25 – 30 litrów zanieczyszczeń.
Separacja grawitacyjna zachodzi podczas przepływu kondensatu przez zbiornik osadczy. Olej osadza się na powierzchni wody, a woda odpompowywana jest od dna zbiornika. Usunięta woda ciągle zawiera olej w ilości zależnej od odporności na powstawanie emulsji pomiędzy tym olejem a wodą.
Urządzenia typu grawitacyjnego są proste i oddzielają olej, który swobodnie może osadzić się na powierzchni wody w zbiorniku osadczym. Separatory te jednak nie są wystarczająco skuteczne dla olejów, które łatwo tworzą emulsje z wodą, bo wtedy nie dojdzie do naturalnej separacji oleju z wody. Nie ważne, jak długo trwa tego typu proces osadzania, zawsze część oleju, niezależnie od jego rodzaju, pozostanie w wodzie w ilości przekraczającej wymagania norm.
Separacja mechaniczna dokonuje się dzięki spadkowi ciśnienia na wkładzie koalescencyjnym, wężownicy i przyciąganiu oleofobowym. Spadek ciśnienia na wkładzie koalescencyjnym powoduje gromadzenie się oleju w krople oraz ułatwia separację oleju.
Pory złoża koalescencyjnego wydłużają drogę separacji oleju i przyciąganie cząstek oleju. Uzyskiwanie kropel poprzez agregowanie cząstek oleju, co ułatwia dalej separację oleju, uzyskuje się przez stosowanie złóż wkładów koalescencyjnych odpornych na olej (oleofobowych). Kombinacja tych metod czyni separację wody od oleju metodą koalescencyjną, skuteczną w 99% (rys. 4).
Rzeczywista skuteczność tej metody zależy od typu oleju, który jest separowany. Niektóre oleje syntetyczne nie dadzą się odseparować poprzez złoże koalescencyjne. Wkłady złoża są szybko zapychane i w związku ze spadkiem ciśnienia wymagają wymiany.
Węgiel aktywny pochłania olej i większość syntetycznych środków smarnych. Kondensat przechodzi przez komorę z węglem aktywnym. Jest to skuteczne, ale węgiel aktywny zapycha się olejem, wymaga ciągłego dozoru i częstej wymiany. Jeśli się nie wymieni na czas wkładu węglowego, zanieczyszczenia olejem oczyszczanego przecież kondensatu mogą potem jeszcze bardziej wzrosnąć.
Obecnie jedynymi filtrami zapewniającymi oczyszczanie do limitu 10 ppm są filtry z węglem aktywnym.
Osoby obsługujące systemy filtracji muszą także sprostać problemowi poprawnego (zgodnego z przepisami) utylizowania zużytych wkładów filtracyjnych z separatorów. Często układy separatorów z węglem aktywnym dodatkowo wykorzystują jednocześnie system grawitacyjny i membranowy. W takim układzie skojarzonym żywotność wkładów filtracyjnych jest dłuższa.
Separatory oleju/kondensatu z odparowywaniem wykorzystują zewnętrzne źródło ciepła, takie jak grzałki zasilane elektrycznie lub parę podczas gotowania wody. Pozostający olej jest spuszczany do zbiornika w celu właściwej utylizacji. Separatory odparowujące są skuteczne wobec większości olejów. Należy zwrócić uwagę, że zaolejone odpady mogą mieć agresywny charakter i wywoływać korozję.
Ważne są również koszty energii, które wiążą się z tą metodą. Okazuje się, że separacja 1 litra kondensatu wymaga dostarczenia energii rzędu około 0,61 kW. Od regionu kraju zależy koszt energii, średnio kształtuje się on na poziomie ok. 12 groszy za oczyszczenie litra kondensatu.
Membrany półprzepuszczalne. Są podobne do systemów filtracyjnych. W tej metodzie używa się różnych membran do ekranowania i usuwania zanieczyszczeń przed utylizacją.
Słabszą stroną tej metody jest pewna graniczna porcja zanieczyszczeń, którą membrany mogą być nasycone. Niektóre systemy membran muszą być często przepłukiwane. Po jakimś czasie takie działania obsługowe doprowadzą do zestarzenia się i uszkodzenia membrany z powodu częstych przepływów powrotnych i dużych różnic ciśnienia.
Membrana zaprojektowana do wykorzystania w separatorze może skutecznie separować najczęściej jeden podstawowy typ smaru, natomiast niekoniecznie poprawnie oczyszczać inne gatunki oleju. W zależności od sytuacji, użytkownik może używać różnych membran do różnych sprężarek.
Na separację membranową ma wpływ koncentracja zanieczyszczeń w kondensacie. Jeżeli kondensat jest bardzo zanieczyszczony, kondensat za separatorem tego typu będzie również zawierał ciągle relatywnie dużo zanieczyszczeń.
Biologicznie rozkładające się płyny chłodząco-smarujące
Efektywną, ekonomiczną i zgodną z normami alternatywą dla separatorów oleju-kondensatu jest stosowanie specjalnych środków smarnych, ulegających biodegradacji. Jeśli środki te są aprobowane przez odpowiednie jednostki uprawnione do opiniowania w sprawie zanieczyszczeń ścieków i wody, nie potrzeba stosować separacji.
Stosowanie akceptowanych chłodziw rozkładających się biologicznie pozwala na obciążenie kanalizacji, stacji podczyszczania lub też oczyszczalni ścieków mniejszymi ilościami kondensatu ze sprężonego powietrza.
Mając odpowiedni certyfikat, można, stosując aprobowane oleje rozkładające się biologicznie, wyeliminować koszty separacji, jak również nie martwić się ich żywotnością i skutecznością.
Nie ma niestety uniwersalnej i akceptowanej definicji biodegradacji oleju. W Stanach Zjednoczonych zakłady produkcyjne mogą używać olejów, które przeszły test EPA: 796.3100.
Pomimo tego, że niektóre oleje są uważane za rozkładające się biologicznie, mogą ciągle być toksyczne i trudne do usunięcia w oczyszczalniach ścieków. Należy zwrócić szczególną uwagę przy utylizacji takich środków.
Rys. 4. Separatory oleju/kondensatu wykorzystują filtry odolejające i z węglem aktywnym (rysunek dzięki Atlas Copco)
Lokalne przepisy, warunki klimatyczne, ilość zużywanego sprężonego powietrza, ilość kondensatu generowanego przez zakład, to czynniki, które koniecznie trzeba poddać analizie przed podjęciem decyzji, czy kondensat przed spuszczeniem do kanalizacji będzie przechowywany w zbiornikach, separowany, czy zastosuje się smary rozkładające się biologicznie.
Instalacja i obsługa
Instalacja separatora wody od oleju jest prosta. Zaolejony kondensat z każdego zaworu spustu kondensatu jest indywidualnie podłączony do komory odpowietrzającej, w celu obniżenia jego ciśnienia do atmosferycznego. Czysta woda zza separatora prowadzona jest rurociągiem do zatwierdzonego spustu do kanalizacji. Odseparowany olej przepływa do zbiornika do dalszej właściwej utylizacji.
Separatory wody/oleju zwykle montowane są wewnątrz pomieszczeń, aby uniknąć ich zamarzania podczas pracy w okresie zimowym. Jeśli separator musi być zainstalowany na zewnątrz, należy to skonsultować z producentem w celu określenia jego wymagań.
Obsługa separatorów zależna jest od ich dostawcy, jakkolwiek należy trzymać się następujących wskazówek:
-
Trzeba odpowiednio zbierać odseparowany olej. Właściwa utylizacja zebranego oleju jest wymagana i określona stosownymi przepisami.
-
Należy czyścić zbiornik osadczy lub odparowujący z wodą przynajmniej raz w roku, aby usunąć odkładające się na ściankach zanieczyszczenia. Wodę po takim czyszczeniu trzeba utylizować zgodnie ze stosownymi przepisami.
-
Należy zmieniać wkład z węgla aktywnego, zanim będzie całkowicie nasycony olejem.
-
Trzeba wymieniać wkłady koalescencyjne w oparciu o mierzony spadek ciśnienia.
Artykuł pod redakcją Wojciecha Halkiewicza
Autor: Joseph L. Foszcz, redaktor Plant Engineering
