Entsorgung eines gasförmigen Abwassers (mit Diagramm)
Entsorgung eines gasförmigen Abwassers!
Ein gasförmiger Abwasserstrom, der in einer industriellen Anlage erzeugt wird, muss schließlich in die Atmosphäre abgegeben werden. Vor seiner Einleitung muss es ordnungsgemäß behandelt werden, um die Konzentration der Schadstoffe (sowohl partikel- als auch gasförmige) auf ihre zulässigen Grenzen zu bringen. Die Entladung / Entsorgung erfolgt durch einen Stapel.
Ein Stapel oder ein Kamin ist eine vertikale zylindrische oder rechteckige Leitung. Wenn ein gasförmiger Strom durch einen Stapel ausgestoßen wird, werden die im Strom vorhandenen Schadstoffe in der Atmosphäre verteilt. Ein Stapel kann die vorhandenen Schadstoffe nicht verringern, setzt jedoch den Schadstoff in einer geeigneten Höhe frei, so dass die Konzentration der Schadstoffe an die Erdoberfläche zurückfließen würde, wenn ihre Konzentration selbst unter den ungünstigsten Wetterbedingungen unter der zulässigen Grenze jedes Schadstoffs liegt.
Wenn ein Gasstrom aus einem Stapel austritt, strömt er aufgrund seiner kinetischen Energie und seines Auftriebs bis zu einer bestimmten Höhe nach oben, bevor er vom Wind in horizontaler Richtung weggespült wird. Die im Gasstrom vorhandenen Schadstoffe (nach dem Austritt aus dem Stapel) werden aufgrund der molekularen und Wirbeldiffusion sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung verteilt. Der Abfluss eines Gasstroms vom Stapel und das Profil der resultierenden Wolke unter idealen Bedingungen sind in Abb. 4.18 skizziert.
Tatsächliches Federprofil:
Das tatsächliche Rauchschwadenprofil vor dem Wind hängt vom Temperaturgradienten in der Troposphäre, der Windgeschwindigkeit und der Topographie in unmittelbarer Nähe eines Stapels ab. Der troposphärische Temperaturgradient hängt von der einfallenden Sonnenstrahlungsintensität während des Tages und dem Grad der Wolkenbedeckung in der Nacht ab.
Die Verteilung der Schadstoffe in einer Wolke hängt von der vertikalen Luftbewegung ab, die sich aus dem troposphärischen Temperaturgradienten ergibt, und auch von der vorherrschenden Windgeschwindigkeit. Aufgrund der oben genannten Faktoren wurde der atmosphärische Zustand in verschiedene Stabilitätsklassen eingeteilt. In Tabelle 4.15 sind die Stabilitätsangaben von Pasquill-Gifford aufgeführt.
Die Abbildungen 4.19A - G zeigen die verschiedenen Arten von Rauchschwadenprofilen, die den kariösen atmosphärischen Stabilitätsbedingungen entsprechen.
(a) Tatsächlicher troposphärischer Temperaturgradient relativ zum trockenen adiabatischen Gradienten.
Adiabatischer Temperaturgradient, ———–
Tatsächlicher Temperaturgradient, —————
(b) Fahnenprofil
T = Temperatur U = Windgeschwindigkeit
Z = Höhe
Stack-Design-Ansatz:
In Abschnitt 4.8 wurde erwähnt, dass ein Stapel zum Abführen eines Abgasstroms in geeigneter Höhe vom Boden verwendet wird. Nach dem Ablassen werden die Bestandteile (einschließlich etwaiger Schadstoffe) des Abgases dispergiert. Einige Teile davon diffundieren zurück zur Erdoberfläche.
Um einen Stapel zu konstruieren, muss man seine Höhe Hs ermitteln, so dass die Konzentration der Schadstoffe, die zum Boden zurückdiffundiert sind, selbst unter den ungünstigsten atmosphärischen Bedingungen nicht über ihren jeweiligen zulässigen Grenzen liegen sollte. Es ist auch notwendig, die Querschnittsfläche eines Stapels abzuschätzen, so dass der Druck an der Basis des Stapels ausreichen würde, um den Strömungswiderstand des Gasstroms durch den Stapel zu überwinden.
Schätzung der Stapelhöhe:
Die Stapelhöhe kann entweder anhand einiger empirischer Beziehungen oder mithilfe eines semi-empirischen Ansatzes geschätzt werden. Die empirischen Beziehungen berücksichtigen nicht die Wetterbedingungen, während der semi-empirische Ansatz den Rauchanstieg, die Windgeschwindigkeit und die Wetterbedingungen berücksichtigt. Es versteht sich von selbst, dass der zweite Ansatz eine bessere Abschätzung der Stapelhöhe ermöglicht.
Empirische Annäherung:
Die nachstehend aufgeführten empirischen Gleichungen können zur Abschätzung der Stapelhöhe verwendet werden:
Wenn das berechnete H s unter Verwendung von Gl. (4.64e) oder (4.64f) mehr als 30 m betragen, sollte die berechnete Stapelhöhe akzeptiert werden.
Semi-empirischer Ansatz:
Bei diesem Ansatz wird die Stapelhöhe durch die folgenden Schritte geschätzt:
Schritt-I:
Es wird eine Stapelhöhe H s angenommen. Die angenommene Höhe kann diejenige sein, die unter Verwendung des in Abschnitt 4.8.2.2 beschriebenen empirischen Ansatzes berechnet wird.
Schritt-II:
Der Rauchanstieg ∆H wird mit einer geeigneten semi-empirischen Gleichung berechnet. Einige der in der Literatur berichteten Gleichungen sind in Abschnitt 4.8.2.5 aufgeführt. Diese Gleichungen basieren auf der Vermutung, dass der Rauchanstieg von zwei Faktoren beeinflusst wird:
(i) Moment des Ausgabestroms vom Stapel und
(ii) Der Auftrieb des Stroms, der sich aus der Differenz der Dichte des Gasstapels und der Umgebungsluft auf der physikalischen Stapelhöhe ergibt. Die von den verschiedenen Autoren vorgeschlagenen Zusammenhänge basieren auf den ihnen zur Verfügung stehenden Daten. Einige Autoren haben das Wetterstabilitätskriterium bei der Entwicklung ihrer Korrelationen berücksichtigt.
Schritt-Ill:
Die effektive Stapelhöhe H wird als angenommen
Schritt-IV:
Verwenden von Gl. (4.67) und der geschätzten He, wird die maximale Konzentration jedes der verschiedenen Schadstoffe (die im Abgasstrom vorhanden sind) auf dem Bodenniveau entsprechend den verschiedenen atmosphärischen Stabilitätsbezeichnungen geschätzt. Wenn diese innerhalb ihrer jeweils zulässigen Grenzen liegen, werden die angenommenen Hs als tatsächliche Stapelhöhe akzeptiert. Wenn nicht, dann werden, basierend auf einem höheren Wert von Hs als der früher angenommenen, der auf den Schritten II, III und IV basiert ist, wiederholt, bis ein akzeptabler Hs gefunden wird, der das in Schritt IV angegebene Kriterium erfüllt.
Schadstoffkonzentrationsprofil in einer Wolke:
Auf der Grundlage der folgenden Annahmen wurde eine Gleichung entwickelt, die das Schadstoffkonzentrationsprofil in einer Wolke aus einer kontinuierlichen Punktquelle im stationären Zustand darstellt
und (iii) das Konzentrationsprofil an einem beliebigen Abwindort (x, y, z) der normalverteilten Gaußschen Wahrscheinlichkeitsverteilungskurve in der K- und Z-Richtung folgt.
Basierend auf den oben genannten Annahmen ist die abgeleitete Gleichung das Konzentrationsprofil
wobei C x, y, z = Konzentration eines Schadstoffs an einem Ort mit Koordinaten x, y & z ist,
Q = Masse des spezifischen Schadstoffs pro Zeiteinheit,
U = Windgeschwindigkeit in der Höhe He,
y = Standardabweichung des Dispersionskoeffizienten in y-Richtung
und σ Z. = Standardabweichung des Dispersionskoeffizienten in z-Richtung.
Die numerischen Werte von v und z hängen von den Wetterbedingungen, der Windgeschwindigkeit und der Entfernung eines Ortes von der Stapelbasis in der horizontalen Abwindrichtung ab, dh von der X-Koordinate.
in Gl. (4.66) steht für eine erhöhte Verschmutzungskonzentration aufgrund der Bodenreflexion.
Die Konzentration eines Schadstoffs bei einem beliebigen X wäre das Maximum an der Mittellinie der Rauchfahne, das y = 0 und Z = He entspricht, unter "neutralen Bedingungen". Der Ausdruck für die Bodenkonzentration eines Schadstoffs unter der Mittellinie der Rauchwolke wäre
Das
Ist ihr Verhältnis von X unabhängig, so kann die maximale Bodenkonzentration eines bestimmten Schadstoffs als ausgedrückt werden
Dabei ist Xmax die Entfernung von der Stapelbasis in der Windrichtung, bei der die Schadstoffkonzentration in Bodennähe maximal sein würde.
Daraus folgt, dass genau an dieser Stelle, dh bei X max
Diagramme der empirisch geschätzten Werte von y und z, die den verschiedenen qualitativen Stabilitätsbezeichnungen als Parameter entsprechen, sind in Fig. 4.20 A bzw. 4.20 B gezeigt.
Pasquill-Gifford-Stabilitätsangaben:
A: Extrem instabil
B: Mäßig instabil
C: Etwas instabil
D: Neutral
E: Etwas stabil
F: Mäßig stabil.
Nach dieser Annäherung σ z wird x max unter Verwendung von Gl. (4.70) basierend auf dem bereits berechneten Wert von H e Gl. (4, 65). Entsprechend dem geschätzten σ z X max und einer angenommenen Stabilitätskategorie wird X aus Fig. 4.20B abgelesen. Als nächstes wird aus Fig. 4.20A ein y entsprechend dem X (früher gelesen aus Fig. 4.20B) und der zuvor angenommenen Stabilitätskategorie gelesen. Unter Verwendung der geschätzten Werte von o und y, C X max,, 0, 0 wird für jeden Schadstoff unter Verwendung von Gl. (4.69).
Der berechnete C X max für jeden Schadstoff ist mit seinem zulässigen Grenzwert zu vergleichen. Wenn der berechnete C X max von keinem der Schadstoffe seinen Grenzwert überschreitet, muss der oben beschriebene Vorgang für jede der anderen Stabilitätskategorien wiederholt werden. Falls der für einen Schadstoff berechnete C X max seinen Grenzwert für eine beliebige Stabilitätskategorie überschreitet, sind die zuvor aufgeführten Schritte II, III und IV zu wiederholen, wobei ein höherer Wert von H s als der früher angenommene Wert angenommen wird, bis eine zufriedenstellende Lösung erreicht ist.
Bezug nehmend auf die Figuren. Bei 4.20A und 4.20B ist darauf hinzuweisen, dass die Korrelation zwischen y und X durch die Beziehung v = yb relativ gut dargestellt werden kann, die zwischen o. und X stimmt nicht mit der Korrelation σ z = a z X b überein
Eine bessere Korrelation hätte die Form
Es wurde gefunden, dass die numerischen Werte von a ' y a' z m und n von der atmosphärischen Stabilitätsbezeichnung abhängen. Verschiedene Schätzungen von a ' y a' z m und n wurden in der Literatur beschrieben. Eine solche Schätzung ist in Tabelle 4.16 angegeben.
Ein besseres Verfahren zur Schätzung der Stapelhöhe wäre das Befolgen der in Abschnitt 4.8.2.3 in Verbindung mit Gl. (4.73) anstelle von Gl. (4.69).
Plume Rise-Korrelationen:
Verschiedene Forscher haben versucht, den Fahnenanstieg (AH) mit den relevanten Variablen zu korrelieren. Einige davon sind hier aufgeführt.
1. Die holländische Gleichung ist möglicherweise die früheste und sie ist eine einfache.
wo ∆H = Fahnenanstieg, (m)
U = Windgeschwindigkeit (m / s)
Us = Stapelgasgeschwindigkeit am Stapelausgang (m / s)
D s = Stapeldurchmesser am Ausgang (m)
P = Stapelgasdruck am Austritt (kPa)
Ts = Stapelgastemperatur am Austritt (K)
T a = Umgebungslufttemperatur auf physikalischer Stapelhöhe (K)
Da diese Gleichung die atmosphärische Stabilitätsbedingung nicht berücksichtigt, hat Holland vorgeschlagen, die geschätzte AH mit einem Faktor von 1, 1 bis zu multiplizieren. 1, 2 für instabilen Zustand und von 0, 8 bis 0, 9 für stabilen Zustand. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass die holländische Gleichung eine eher konservative Abschätzung der AH um den Faktor 2 bis 3 ergibt.
2. Moses und Carson haben Gleichungen vorgeschlagen, die von den unten angegebenen Stabilitätskriterien abhängig sind:
3. Die ASME Task Group hat zwei Gleichungen empfohlen. Für instabile und neutrale Bedingungen lautet die empfohlene Gleichung:
Schätzung der Stapelquerschnittsfläche / Durchmesser und Stapeldruckabfall:
Der Volumenstrom des Stapelgases kann ausgedrückt werden als
woher
D s = durchschnittlicher Stapeldurchmesser, m.
Wenn man eine geeignete Stapelgasgeschwindigkeit im Bereich von 10-15 m / s annimmt, kann die Stapelquerschnittsfläche / Durchmesser unter Verwendung von Gl. (4, 77).
Sobald die Stapelgasgeschwindigkeit ( Us ), der Stapeldurchmesser (DS) und die Stapelhöhe bekannt sind, kann der Stapeldruckabfall / Stapelbasisdruck unter Verwendung einer modifizierten Bernoulli-Gleichung (Energiebilanz) berechnet werden, wie nachstehend angegeben:
Beispiel 4.5:
Ein Stapel soll für einen kohlebefeuerten Ofen ausgelegt werden, in dem 500 T Kohle mit 2% Schwefel, 20% Asche und der Rest Kohlenstoff verbrannt werden sollen.
Folgende Informationen / Daten können zu Gestaltungszwecken verwendet werden:
Lösung:
Stapelhöhe (H s ) Schätzung:
(i) Eine vorläufige Schätzung der Stapelhöhe wird auf der Grundlage des empirischen Ansatzes Gl. (4.64e)
(ii) Eine vorläufige Schätzung der effektiven Stapelhöhe H e wird unter Verwendung von Gl. (4.65)
He = Hs + ∆H
Der Rauchanstieg (∆H) wird mit der Hollandschen Gleichung (Gl.) Berechnet. (4.74).
(iii) Die maximale Konzentration von SO 2 auf Bodenniveau ist unter Verwendung von Gl. (4.73)
a'y, a ' z, m und n sind aus Tabelle 4.16 zu lesen, die einer Pasquill-Gifford-Stabilitätsbezeichnung entspricht, die wahrscheinlich zu einem Maximalwert der S0 2 -Konzentration in Bodennähe führt. Beim Durchsuchen der Tabellen 4.15 und 4.16, die der Windgeschwindigkeit U = 4 m / s entsprechen, scheint es, als würde die Pasquill-Gifford-Stabilitätsbezeichnung D zu einer maximalen S0 2 -Konzentration führen. Die Werte von a ' z, a' y m und n werden aus Tabelle 4.16 gelesen
Daher beträgt die Stapelhöhe, die zu einer S0 2 -Konzentration in Bodennähe von 80 µg / m 3 führen würde
Hs = He - ∆H = 200 - 31 = 169 m.
Stapeldurchmesser D s = 3, 06 m.
Rauchstaubablagerung:
Staubpartikel, die durch einen Stapel ausgestoßen werden, werden wie die gasförmigen Schadstoffe verteilt. Da die Partikel jedoch größer und dichter sind als das Gas / Luft des Stapels, setzen sie sich aufgrund der Schwerkraft sofort nach der Emission ab. Die Teilchen erreichen schließlich ihre jeweiligen Endgeschwindigkeiten. Die Endgeschwindigkeit eines Partikels mit einem Durchmesser dpi kann ausgedrückt werden als
wobei U t, dpi = Endgeschwindigkeit von Teilchen mit einem Durchmesser dpi und einer Dichte p p, m / s
g = Erdbeschleunigung, m / (s 2 )
dpi = Teilchendurchmesser (m)
p a = Umgebungsluftdichte kg / (m 3 )
p p = Teilchendichte kg / (m 3 )
C D = Widerstandskoeffizient
Unter der Annahme, dass die Staubpartikel kugelförmig sind, kann C D unter Verwendung einer der folgenden Beziehungen in Abhängigkeit von der Reynoldszahl der Partikel bewertet werden;
Die Staubpartikel setzen sich schließlich auf dem Boden ab. Entlang der Fahnenachse werden relativ größere Partikel abgeschieden, während die feineren Partikel ringsum abgelagert werden. Da sich die Windrichtung und ihre Geschwindigkeit von Zeit zu Zeit ändern, ändert sich die Ausrichtung der Fahne folglich.
Daher wird die zeitgemittelte Staubablagerungsrate an verschiedenen Orten als Funktion der Abwinddistanz von der Stapelbasis X geschätzt. Nach Bosanquet et al. Die Ablagerungsrate an einem Punkt P in einem Abstand X von der Stapelbasis kann als ausgedrückt werden
F = eine Funktion von U, dpi / U und X / He (wie in Abb. 4.21 gezeigt)
He = äquivalente Stapelhöhe.
Die Staubablagerungsrate am Punkt P in der axialen Ebene der Wolke kann unter Verwendung von Gl. (4.82)
Die Gesamtablagerungsrate aller Partikel mit unterschiedlichen Größen kann durch Summieren der Raten der einzelnen Partikel wie nachstehend gezeigt geschätzt werden:
