Poluarea Aerului - Soluții De Limitare

6. POLUAREA AERULUI SOLUŢII DE LIMITARE 6.1. Poluanţii aerului Poluanţii aerului pot fi clasificaţi în două mari categorii: naturali şi artificiali. Sursele naturale ale poluanţilor naturali includ: praful purtat de vânt, gazele şi cenuşa vulcanică, ozonul provenit din trăsnete şi din stratul de ozon, esterul şi terpene din vegetaţie, fumul, gazele şi cenuşa zburătoare din incendierea pădurilor, polenul şi alte aero–alergice, gazele şi mirosurile din activităţi biologice, radioactivitatea naturală. Aceste surse au produs poluarea de până acum şi constituie acea porţiune a problemei poluării, asupra căreia activităţile de control pot avea efect redus sau chiar nici un efect. Sursele realizate de către om acoperă un spectru larg de activităţi fizice şi chimice, care sunt principalii contribuabili la poluarea aerului urban. Poluanţii aerului rezultă ca urmare a generării energiei electrice, a milioanelor de vehicule, a materialelor aruncate de populaţie şi realizării a numeroase produse necesare traiul zilnic. Primele cinci mari clase de poluanţi sunt: particulele, dioxidul de sulf, oxizii de azot, compuşii organici volatili şi monoxidul de carbon. Anual, sunt generate sute de milioane de tone de aer poluant. În general, fiecare categorie de sursă de poluare are o contribuţie diferită la creşterea nivelului uneia dintre cele cinci clase principale de poluanţi. Poluanţii aerului pot fi clasificaţi în funcţie de origine şi starea materiei. • Origine: o primară - emişi în atmosferă dintr-un proces; o secundară - formaţi în atmosferă, ca rezultat al unei reacţii chimice. • Starea materiei: o gazoasă - gaze precum: dioxidul de sulf, oxidul de nitrogen, ozonul, monoxidul de carbon etc; vapori, cum ar fi: gazolina, solvent de vopsea, agenţi de curăţare uscată etc. ; o particule, în final divizate în solide (de exemplu praful şi fumurile) şi lichide (picăturile, ceaţă şi aerosoli). Poluanţi gazoşi. Poluanţii gazoşi pot fi clasificaţi în organici şi anorganici. Poluanţii anorganici constau în: • gaze sulfuroase - dioxid de sulf, trioxid de sulf, hidrogen sulfurat; • oxizi de carbon - monoxid de carbon şi dioxid de carbon; • gaze azotoase - monoxid de azot, dioxid de azot şi alţi oxizi de azot; • halogenuri, hidruri - acid fluorhidric, acid clorhidric, cloruri, fluoruri, tetrafluorura de siliciu;

102

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

produşi fotochimici - ozon, oxidanţi; cianuri - acid cianhidric; compuşi cu azot - amoniac; clorofluorocarburi – diclor, diclorodifluormetan, triclor, trifluoretan, triclorofluor-metan, tetrafluoretan, clorodifluormetan, clorpentofluoretan; Sunt considerate substanţe organice poluante: • hidrocarburile precum: parafine - metan, etan, octan, acetilena, alefine etilena, butadiena, aromatice (benzen, toluen, xilen, stiren); • compuşi alifatici oxigenaţi ca: aldehide – formaldehide, cetona - acetona, metiletilcetona, acizi organici, alcooli - metanol, etanol, izopropanol, hidruri organice, sulfuri organice - dimetil sulfat, hidroxizi, peroxizi - nitriţi sau nitraţi (denumiţi generic PAN).

• • • •

Particule poluante. Particulele pot fi definite ca materie solidă sau lichidă, al căror diametru efectiv este mai mare decât al unei molecule, dar mai mic de 100 µm. Particulele dispersate în mediul gazos sunt definite în mod colectiv drept aerosoli. Termenul de fum, ceaţă, abur sau praf este în mod comun folosit pentru a descrie diferite tipuri de comportament caracteristic al particulelor dispersate. Aerosolii sunt dificili de clasificat pe o bază ştiinţifică, în funcţie de proprietăţile lor fundamentale, precum: rata de stabilire sub influenţa forţelor externe, proprietăţi optice, abilitatea de a absorbi sarcina electrică, mărimea şi structura particulei, raporturile suprafaţă – volum, activitatea de reacţie, acţiunea fiziologică şi altele. În general, mărimea particulei şi rata de depunere au fost considerate proprietăţi caracteristice pentru majoritatea scopurilor. Particulele de ordinul unui µm sau mai puţin, se depun atât de încet încât, din motive practice, sunt privite ca suspensii permanente. În ciuda posibilelor avantaje ale clasificării ştiinţifice, folosirea termenilor descriptivi populari precum: fum, praf, ceaţă, care se bazează, esenţial, pe modul de formare, pare să fie o metodă satisfăcătoare şi convenabilă de clasificare. În plus, această abordare este atât de bine stabilită şi înţeleasă încât, fără îndoială, va fi greu de înlocuit. Praful este format în mod obişnuit prin pulverizarea sau dezintegrarea mecanică a materiei solide în particule de mărime mică, prin procese cum ar fi, măcinarea, lovirea şi perforarea. Mărimea particulelor de praf se încadrează într-o limită mică de 1 µm până la 100 sau 200 de µm sau mai mult. Particulele de praf sunt, în mod normal, neregulate ca formă, iar mărimea particulei se referă la dimensiuni medii pentru orice particulă dată. Exemple practice sunt cenuşa zburătoare, praful provenit din roci şi făina obişnuită. Fumul implică un anumit grad de densitate şi derivă din arderea materialelor organice cum ar fi: lemnul, cărbunele şi tutunul. Particulele de fum sunt foarte fine, fiind cuprinse ca mărime între 0.01 µm până la 1 µm. Sunt, în mod obişnuit, de

Poluarea aerului – soluţii de limitare

103

formă sferică, dacă au compoziţie lichidă şi de formă neregulată, dacă au compoziţie solidă. Datorită mărimii particulelor foarte fine, fumul poate rămâne în suspensie pe perioade mici de timp şi dezvoltă mişcări browniene foarte puternice. Fumul incolor este în mod tipic format, în general, la temperaturi relativ mari, prin procese cum sunt: sublimarea, condensarea, combustia. Ceaţa este formată, în mod tipic, fie prin condensarea apei sau a altor vapori pe nuclee potrivite, fie prin suspensia picăturilor mici de lichid, fie prin odorizarea lichidelor. Mărimea particulelor de ceaţă naturală se situează între 2 şi 200 µm. Picăturile mai mari de 200 µm sunt, în mod corect, clasificate ca burniţă sau ploaie. Când substanţa solidă sau lichidă este emisă în aer sub formă de particule, proprietăţile şi efectele sale se pot modifica. Atunci când o substanţă este ruptă în particule din ce în ce mai mici, o suprafaţă mai mare din aria sa este expusă aerului. În aceste circumstanţe, substanţa, indiferent de compoziţia sa chimică, tinde să se combine fizic şi chimic cu alte particule şi gaze din atmosferă. Combinaţiile rezultate sunt, în mod frecvent, greu de anticipat. Particulele de aerosoli foarte mici, de la 0.001 la 0.01µm, se pot comporta ca nuclee de condensare pentru a facilita condensarea vaporilor de apă, astfel având loc formarea ceţei subţiri şi a ceţei groase de la suprafaţa solului. Particule mai mici de 2 sau 3 µm (aproximativ jumătate din greutatea particulelor suspendate în aerul urban), pot penetra membrana mucoasă şi atrag, pentru a preschimba substanţele chimice care, în mod normal, nu fac rău, cum ar fi dioxidul de sulf. Pentru a ţine seama de efectele particulelor inhalabile foarte fine, s-a înlocuit standardul aerului ambiant, care lua în consideraţie particulele totale suspendate (TSP), cu standarde pentru particulele mai mici de 10 µm, în mărime (PM10). În virtutea suprafeţei crescânde a particulei mici de aerosoli şi ca rezultat al absorbţiei moleculelor de gaz sau a altor câtorva proprietăţi, capabile să faciliteze reacţii chimice, aerosolii tind să aibă o mărime foarte mare a suprafeţei de activitate. Multe substanţe, care oxidează încet în starea lor masivă, vor oxida extrem de repede sau posibil chiar exploziv, când sunt dispersate ca particule fine în atmosferă. Exploziile de praf, de exemplu, sunt deseori cauzate de arderi instabile sau oxidări de particule de combustibil. Absorbţia şi fenomenul catalitic pot, de asemenea, să fie extrem de importante în analizarea şi înţelegerea problemelor particulelor poluante. Conversia dioxidului de sulf în acid sulfuric corosiv, sub acţiunea catalitică a particulelor de oxid de fier, de exemplu, demonstrează natura catalitică a anumitor tipuri de particule în atmosferă. Aerosolii pot absorbi energie radiantă şi conduc rapid căldura în gazele înconjurătoare din atmosferă. Ca rezultat, aerul care intră în contact cu aerosolii poate deveni mult mai cald. Există gaze care, în mod obişnuit, sunt incapabile să absoarbă energia radiantă.

104

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

6.2. Estimarea emisiilor provenite de la surse Cunoştinţele despre tipurile şi ratele de emisie sunt fundamentale pentru a evalua orice problemă de poluare a aerului, iar un bilanţ al materialelor din proces poate ajuta adeseori. Estimarea ratelor la care poluanţii sunt descărcaţi din diferite procese poate fi, de asemenea, obţinută prin utilizarea factorilor de emisie publicaţi, [1]. Factorul de emisie este o statistică a ratelor la care poluanţii sunt emişi din procese de ardere sau procesarea cantităţilor de material date, sau pe baza altor parametri. Factorii de emisie sunt acceptaţi în operaţiile de procesare, operare şi ardere şi depind de calitatea materialului folosit şi de eficienţa controlului poluării aerului. Deoarece combinaţia acestor factori tinde să fie unica sursă, factorii de emisie corespunzători unei surse pot să nu fie satisfăcători pentru o alta. Din acest motiv, trebuie avut grijă şi luate cele mai bune decizii în identificarea factorilor de emisie, corespunzători fiecărei surse. Dacă aceştia nu pot fi găsiţi sau dacă echipamentul de control al aerului poluat este în fază de proiect, trebuie efectuate colectări de mostre de la sursele specifice.

6.3. Efectele poluanţilor aerului Daunele pe care poluanţii aerului le pot aduce unor materiale sunt bine cunoscute: ozonul din smogul fotochimic crapă cauciucul, slăbeşte ţesăturile şi decolorează vopseaua; hidrogenul sulfurat scade din strălucirea argintului; fumul murdăreşte hainele; aerosolii acizi distrug materialele feroase. Printre cele mai importante efecte sunt: decolorarea, corodarea, murdărirea şi reducerea vizibilităţii. • Decolorarea. Mulţi poluanţi ai aerului se acumulează şi decolorează clădirile. Nu numai că unele substanţe înnegresc clădirile, dar se pot şi încrusta (face coajă). Aceasta poate ascunde linii şi decoraţii şi, de aceea, dăunează aspectului estetic. Alt efect comun este înnegrirea vopselei albe pe bază de plumb sau hidrogen sulfurat. • Coroziunea. Un efect mai serios şi cu o mare importanţă economică este acţiunea corozivă a gazelor acide asupra materialelor de construcţie. Astfel, acizii pot face suprafeţele din piatră să prezinte băşicuţe şi să ducă la decojiri, iar mortarul poate fi transformat în pulbere. Metalele sunt, de asemenea, atacate prin acţiunea corozivă a unor poluanţi. Alt efect comun este deteriorarea cauciucurilor şi a altor bunuri din cauciuc. Crăparea şi “uscarea” aparentă se petrec când aceste bunuri sunt expuse ozonului sau altor oxidanţi. • Murdărirea bunurilor. Hainele, proprietăţi imobiliare, automobilele şi bunurile casnice pot fi uşor murdărite de contaminanţii aerului, iar curăţarea frecventă a acestora poate fi scumpă. De asemenea, curăţarea frecventă conduce adesea la o viaţă mai scurtă pentru materiale şi la nevoia de a cumpăra bunuri mai des. • Reducerea vizibilităţii. Reducerea vizibilităţii atmosferice (adică descreşterea

Poluarea aerului – soluţii de limitare

105

domeniului de vizibilitate datorită poluării atmosferice) este cauzată de împrăştierea luminii solare de către particule suspendate în aer şi nu este datorată obturării. Deoarece împrăştierea luminii şi nu obturarea, este principala cauză a reducerii vizibilităţii, datorită prezenţei în aer a poluanţilor, aceasta este evidentă doar în zilele senine. În zilele noroase sau noaptea nu sunt efecte vizibile, deşi poate exista aceeaşi concentraţie de particule ca şi în zilele senine. Reducerea vizibilităţii poate crea probleme severe. Cele mai semnificative sunt efectele adverse în operaţii aeriene, rutiere şi portuare. Vizibilitatea redusă poate diminua calitatea vieţii şi poate cauza impresii estetice adverse, ce pot afecta serios turismul şi restricţiona dezvoltarea în orice domeniu. Condiţii extreme, cum sunt furtunile de praf sau nisip, pot cauza vătămări fizice. Vegetaţia. Vegetaţia este mai sensibilă decât animalele, la mai mulţi contaminanţi ai aerului şi de aceea, au fost dezvoltate metode, ce folosesc reacţia plantelor, pentru a măsura şi identifica contaminanţii. Efectele poluării aerului asupra vegetaţiei pot fi: moartea, reducerea producţiei şi degradarea culorilor. Este interesant de notat că, în unele cazuri de degradare a culorii, precum argintarea vegetaţiei de către oxidanţi, planta poate fi totuşi folosită ca hrană, fără vreun pericol pentru consumator; oricum, consumatorul, de obicei, cumpără legumele pe baze estetice, deci, proprietarul va realiza pierderi. Printre poluanţii ce pot afecta plantele sunt: dioxidul sulfurat, fluorura de hidrogen şi etilenul. Daunele plantelor cauzate de constituenţii fumului fotochimic au fost studiate mult. Daunele pot fi asociate acţiunii ozonului şi nitraţilor de peroacetil, aldehidelor şi produse ale reacţiei ozonului cu olefine. Oricum, nici unul dintre aceste exemple nu explică toate daunele, iar problemele rămân deschise pentru discuţii şi studii viitoare. Animalele. O muncă considerabilă continuă să fie desfăşurată în legătură cu efectele poluanţilor asupra animalelor, inclusiv pentru câteva specii, experimentele implicând amestecuri de poluanţi şi amestecuri de sisteme gaz-aerosol. În general, cercetarea a arătat că poluanţii compuşi se pot comporta în feluri diferite. Pot produce un efect aditiv, constând în suma efectelor fiecărui contaminant ce activează singur, un efect mai mare decât cel aditiv (sinergetic) sau mai mic (antagonistic) sau pot produce un efect ce diferă de cel simplu aditiv. Mecanismul prin care un animal poate fi otrăvit, în multe situaţii, este diferit de acela prin care sunt afectaţi oamenii. La oameni, inhalarea este o importantă cale de expunere la poluanţi aerieni. Probabil, cea mai comună expunere pentru animalele erbivore, ce se hrănesc dintr-o zonă poluată, este ingerarea de hrană contaminată de poluanţii aerieni. În acest caz, inhalarea are o importanţă secundară. Poluanţii aerului care pun în pericol animalele sunt cei purtaţi de vegetaţie sau depozitaţi în plante. Au fost observaţi numai câţiva poluanţi care au efecte negative asupra animalelor. Printre aceştia sunt incluşi arsenicul, fluoridele, plumbul, mercurul.

106

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Oamenii. Există o problemă importantă, deoarece pe durata a mai multor evenimente grave, poluarea aerului poate avea un efect semnificativ asupra sănătăţii, în special asupra copiilor, bătrânilor sau oamenilor bolnavi. Este evidentă ameninţarea cronică a sănătăţii umane în cazul poluării aerului. Această evidenţă apare în domenii diverse, de la creşterea rapidă a emfizemei, ca problemă majoră de sănătate, identificarea compuşilor cancerigeni în fum, la dovezi statistice precum că, la oameni, expunerea la atmosfere poluante, pe perioade extinse de timp, şi privarea de alimente, conduc la o reducere a speranţei de viaţă. Poate exista o expunere indirectă, semnificativă la poluarea aerului. Cum am arătat anterior, poluanţii aerului pot fi conţinuţi de vegetaţie sau ape, de unde intră în hrană. Sunt disponibile dovezi suficiente care indică faptul că, poluarea atmosferică în grade diferite, afectează sănătatea. Aceasta contribuie la creşterea mortalităţii şi la dezvoltarea prematură a bolilor respiratorii cronice. S-a demonstrat existenţa unei relaţii între intensitatea poluării şi gravitatea efectelor asupra sănătăţii şi o consistenţă a relaţiei dintre aceste presiuni ale mediului şi boli ale organelor vitale. Poluanţii aerului pot iniţia şi agrava diferite boli respiratorii, inclusiv astmul. De fapt, prezentarea clinică a astmului poate fi o dereglare a imunităţii împotriva aerului poluat, produsă de diferiţi iritanţi din aer, precum polen, agenţi infecţioşi, substanţe chimice gazoase şi sub formă de particule. Răspunsul bronhopulmonar la aceşti agenţi iritanţi este bronhospasmul sau hipersecreţia, căile respiratorii fiind blocate intermitent şi reversibil. Efectele poluanţilor aerieni asupra funcţiilor senzoriale ale oamenilor sunt foarte largi. Poluanţii olfactivi cauzează oamenilor un deranj minor, totuşi, dacă persistă, pot duce la iritaţii, depresii, nelinişte şi supărări. Monoxidul de carbon poate cauza moartea, după depresia centrilor respiratori ai sistemului nervos central. Expunerea repetată şi prelungită la monoxidul de carbon poate ataca protecţia senzorială, percepţia temporară şi unele funcţii vitale. Aerosolii naturali din lipide pot intra în corp şi pot fi absorbiţi de lipidele sistemului nervos central. Odată ajunşi acolo, efectele lor pot persista mult timp, după ce contactul iniţial a luat sfârşit. Exemple de agenţi care au efecte cronice pe termen lung sunt: fosfatul organic, pesticidele şi aerosolii ce poartă plumb, metale, mercur şi cadmiu. Efectele toxicologice acute ale majorităţii contaminanţilor aerieni sunt destul de bine înţelese, dar efectele expunerii la amestecuri heterogene de gaze şi particule în concentraţii mici, de abia încep să fie înţelese. Două abordări generale pot fi folosite pentru a studia efectele contaminanţilor aerului asupra oamenilor: epidemoilogia, care încearcă să asocieze efectul cu cauza, pentru grupuri mari şi cercetarea în laborator, care începe cu cauza şi încearcă să determine efectele. Epidemiologia, cea mai costisitoare dintre cele două, necesită o mare grijă în planificare şi adesea, suferă din cauza informaţiilor incomplete şi din lipsa controlului. Un mare avantaj este faptul că, barierele morale nu limitează aplicarea pe oameni, aşa cum se întâmplă cu unele cercetări de laborator. De aceea, metoda este mult folosită, furnizând informaţii considerabile. Cercetarea de laborator este

Poluarea aerului – soluţii de limitare

107

mai puţin costisitoare decât epidemiologia şi rezultatele pot fi verificate prin repetarea experimentelor.

6.4. Fenomene fizico-chimice care stau la baza controlului emisiilor gazoase Există patru fenomene fizico-chimice operaţionale folosite în general pentru controlul emisiilor gazoase: absorbţia, adsorbţia, combustia, condensarea. Mai există alte trei fenomene chimice inginereşti operaţionale, folosite în ultimii ani, respectiv: biofiltrarea, filtrarea prin membrane, reducerea catalitică selectivă. Absorbţia. Proiectele inginereşti ale echipamentului pentru echipamentele de absorbţie a gazului, trebuie să se bazeze pe aplicarea eficace a principiilor difuziei, a echilibrului chimic şi transferului de masă. Procedura generală de proiectare constă într-un număr de etape ce trebuie luate în consideraţie. Acestea includ: • alegerea solventului; • evaluarea datelor la echilibru; • estimarea datelor de funcţionare (de obicei constând în determinarea masei şi a energiei şi în care bilanţul de energie decide dacă bilanţul de absorbţie poate fi considerat izoterm sau adiabat); • alegerea coloanei (s-ar putea ca alegerea coloanei să nu fie evidentă sau specificată, iar calculul trebuie să ţină cont de diferite tipuri de coloane şi se bazează în final pe considerente economice); • calculul diametrului coloanei (pentru coloane cu umplutură, se bazează de obicei pe condiţiile de curgere, iar pentru cele cu talere pe viteza optimă a gazului, sau pe capacitatea de trecere a lichidului prin găurile talerului; • estimarea greutăţii coloanei sau a numărului de talere (în cazul coloanelor cu umplutură greutatea coloanei se calculează prin multiplicarea numărului de unităţi de transfer, obţinute prin cunoaşterea datelor de operare şi de echilibru, cu înălţimea unei unităţi de transfer; pentru coloane cu talere, numărul de straturi teoretice, determinat din graficul de echilibru şi din liniile de operare, este împărţit la eficienţa generală estimată a talerelor, pentru a determina numărul de plane prezente, care permite estimarea înălţimii coloanei pe baza spaţierii planelor); • determinarea scăderii de presiune pe coloană (pentru coloane cu umplutură, corelaţia depinde de tipul umpluturii, de parametrii de funcţionare ai coloanei şi de proprietăţile fizice ale constituenţilor implicaţi, care trebuie cunoscuţi pentru a estima scăderea de presiune prin umplutură; pentru coloane cu talere, aceasta se obţine şi este multiplicată cu numărul de plane).

108

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Alegerea solventului. Alegerea unui solvent anume este foarte importantă. În mod frecvent, este folosită apa, pentru că este foarte ieftină şi în abundenţă, dar la alegerea solventului trebuie luate în consideraţie şi proprietăţile de mai jos. • Solubilitatea gazului. Un gaz cu solubilitate mare este preferat atât timp cât creşte rata de absorbţie şi se micşorează cantitatea de solvent necesar. În general, solvenţii cu compoziţie chimică asemănătoare cu cea a soluţiei ce trebuie absorbită duc la formarea unei solubilităţi bune. • Volatilitatea. Este de dorit un solvent cu o presiune joasă de vaporizare, deoarece gazul care părăseşte unităţile de absorbţie este saturat cu solvent şi, astfel, nu se va pierde prea mult. • Corozivitatea. Un solvent corosiv atacă coloanele de separare, producând necesitatea înlocuirii frecvente a acestora. • Costul. Dacă costul este redus, atunci şi operaţia de curăţare devine mai ieftină. • Vâscozitatea. Se preferă o vâscozitate redusă din motive de absorbţie rapidă, deoarece îmbunătăţeşte condiţiile de curgere, de unde rezultă scăderi de presiune mici şi caracteristici bune de transfer a căldurii. • Stabilitatea chimică. Solventul ar trebui sa fie stabil din punct de vedere chimic şi, dacă este posibil, neinflamabil. • Toxicitatea. Deoarece solvenţi pot veni în contact cu oamenii, este de dorit ca aceştia să nu fie toxici, nici în starea iniţială şi nici în starea finală. • Punct de îngheţare scăzut. Dacă este posibil, un punct de solidificare scăzut este preferat, deoarece orice solidificare a solventului pe coloană face coloana inoperantă. Echipamentul. Principalele tipuri de echipamente pentru absorbţia gazului pot fi clasificate în: coloane cu umplutură (operare continuă), coloane cu talere (operare în straturi), altele. Din cele trei categorii, coloana cu umplutură este, de departe, cea mai folosită pentru absorbţia gazelor poluante. A treia categorie de echipamente de absorbţie a gazului poate include fixarea gazului, aceasta fiind clasificată de obicei ca fiind umedă sau uscată. În sistemele de desulfurare umedă, turnul de absorbţie utilizează un absorbant pe bază de var, care reacţionează cu gazele acide, formând un biprodus umed sau solid. Desulfurarea uscată poate fi grupată în trei categorii: 1) uscarea prin împrăştiere; 2) uscarea prin împrăştiere circulantă; 3) injecţia uscată. Toate aceste sisteme duc la formarea unui produs uscat, care poate fi captat cu un filtru cu sac textil, evitându-se costurile implicate de sistemele de epurare a apei uzate. Filtrul sac este foarte eficient în captarea emisiilor de particule şi, mai mult, în filtru sac continuă îndepărtarea gazelor acide. Adsorbţia. Proiectarea echipamentelor pentru adsorbiţia gazelor este, în multe privinţe, analoagă cu cea a echipamentelor gazelor absorbite, un adsorbant

Poluarea aerului – soluţii de limitare

109

solid înlocuind lichidul solvent. Similaritatea este evidentă în ecuaţiile de material şi a bilanţului energetic, ca şi în cazul metodelor de determinare a înălţimii coloanei. Selecţia finală, aşa cum ne putem aştepta, depinde în totalitate de economia generală a proceselor. Selectarea unui adsorbant. Adsorbanţii industriali sunt capabili, în general, să adsoarbă gaze şi vapori, atât organici cât şi anorganici. Oricum, caracteristicile preferenţiale ale adsorbţiei şi alte proprietăţi fizice fac, mai mult sau mai puţin, pe fiecare dintre ei să fie specifici pentru anumite aplicaţii. În general, experienţele au arătat că, pentru adsorbţia vaporilor dintr-un mediu organic, carbonul activat are proprietăţi superioare, având proprietăţi selective ale hidrocarbonului şi o mare capacitate de adsorbţie pentru acest gen de materiale. Adsorbanţii anorganici, cum ar fi aluminiul activat sau gelul siliconic, pot fi, de asemenea, folosiţi pentru adsorbţia materialelor organice, dar pot apărea dificultăţi în timpul regenerării. Aluminiul activat, gelul siliconic şi sitele moleculare vor adsorbi de preferat orice vapor de apă cu conţinut organic. Metoda normală de regenerare a adsorbanţilor este aceea de a folosi vapori, gaze inerte (azot) sau alte gaze vaporizatoare, iar în majoritatea cazurilor acestea pot cauza cel puţin o uşoară descompunere a componenţilor organici ai adsorbantului. Apar două dificultăţi: 1) incompleta refacere a adsorbantului, deşi aceasta poate fi neimportantă; 2) deteriorarea progresivă a capacităţii adsorbantului, ca urmare a creşterii numărului de cicluri, datorită blocării porilor carbonului format la descompunerea hidrocarbonului. Pentru carbonul activ se foloseşte un proces de vaporizare, iar dificultatea regenerării este covârşitoare. Acest lucru nu este posibil în cazul gelului siliconic sau al aluminiul activat, datorită riscului distrugerii acestor materiale, când vin în contact cu apa lichidă. În câteva cazuri, nici unul dintre aceşti adsorbanţi nu are o capacitate suficientă de reţinere a particulelor contaminante. În aceste aplicaţii, o suprafaţă extinsă a adsorbantului poate fi impregnată cu componente anorganice sau, în cazuri mai rare, cu componente organice cu o greutate moleculară mare şi care poate reacţiona chimic cu particule contaminante. De exemplu, carboni impregnaţi cu iod sunt folosiţi pentru îndepărtarea vaporilor de mercur, iar carboni impregnaţi cu brom, pentru îndepărtarea etilenului şi propilenului. Acţiunea acestor acizi este, ori o conversie catalitică, ori o reacţie cu componente nedorite sau mai multe componente uşor adsorbante. Pentru aceste cazuri, teoria generală a adsorbţiei nu se mai aplică tuturor efectelor procesului. De exemplu, îndepărtarea mercurului de către carboni impregnaţi cu iod are loc rapid, la o temperatură înaltă, şi o mai bună eficienţă poate fi obţinută chiar şi la o temperatură scăzută. Deoarece adsorbţia are loc la limita dintre interfaze, suprafaţei de adsorbţie i se acordă o importantă consideraţie. În general, cu cât suprafaţa de adsorbţie este mai mare, cu atât creşte capacitatea de adsorbţie. În orice caz, suprafaţa trebuie să prezinte dimensiuni specifice ale porilor în interiorul adsorbantului. Acţiunea sitelor moleculare este puţin diferită de cea a adsorbanţilor, selectivitatea fiind

110

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

determinată de mărimea limitată a porilor anumitor site. În selectarea sitelor moleculare este important ca mărimea contaminantului ce trebuie îndepărtat să fie mai mică decât mărimea porului disponibil. Deci, este important nu numai ca respectivul adsorbant să aibă o afinitate pentru contaminantul respectiv, dar ca acesta să aibă o suprafaţă mare disponibilă adsorbţiei. Fenomenul adsorbţiei. Procesul de adsorbţie cuprinde 3 etape necesare. Fluidul trebuie să vină primul în contact cu adsorbantul, moment în care adsorbatul este preferenţial sau selectiv adsorbit în adsorbant. Apoi, fluidul trebuie separat de adsorbantul adsorbit şi, în final, adsorbantul trebuie regenerat, îndepărtând adsorbatul sau înlocuind adsorbantul cu un material nou. Regenerarea se face în multe feluri, în funcţie de natura adsorbatului. Gazele sau vaporii sunt de obicei desorbiţi, fie prin creşterea temperaturii (ciclu termic) fie prin reducerea presiunii (ciclu de presiune). Cel mai popular ciclu termic se realizează prin trecerea gazelor calde peste stratul de adsorbţie, în direcţia opusă deplasării în timpul ciclului de adsorbţie. Aceasta asigură că gazul care trece prin unitate, în timpul ciclului de adsorbţie, îndeplineşte întotdeauna condiţiile active ale adsorbantului şi menţine concentraţia minimă de adsorbant la ieşire. Echipamentul de control al adsorbţiei. Dacă jetul de gaz trebuie să fie tratat pentru o perioadă scurtă, de obicei, este necesară o singură unitate de adsorbţie. Se presupune, desigur, că este disponibil un interval de timp suficient de mare între ciclurile adsorbţiei, pentru a permite regenerarea. Dacă un jet de gaz tratat este cerut în mod constant, este necesară folosirea a uneia sau a mai multor unităţi capabile să lucreze în zona respectivă. Unităţile sunt proiectate pentru a ghida jeturile de gaz, fără întreruperi şi sunt caracterizate în funcţie de tipul de contact şi de etapele de regenerare, pentru a funcţiona în mod continuu. De departe, cel mai folosit sistem de adsorbţie la înlăturarea efectele nedorite, poluante, din jetul de gaz, constă într-un număr de paturi fixe într-o asemenea secvenţă, astfel încât fluxul de gaz să nu fie întrerupt. Sunt folosite sisteme cu două sau trei paturi, cu unul sau două paturi, bypasate, pentru regenerare, în timp ce celălalt pat este adsorbant. Un sistem tipic cu două paturi fixe este prezentat în figura 6.1. Cele mai potrivite tipuri de sisteme pentru o anumită operaţie sunt determinate de cantitatea şi rata de adsorbţie a materialului, timpul dintre cicluri, timpul necesar pentru regenerare şi, atunci când este cazul, de timpul de răcire. Tipic operaţiei de contact continuu pentru gazele poluante adsorbite este de a folosi un pat fluidizat. În timpul fazei stabilizate a operaţie de contact pe niveluri, gazul curge printr-o serie de paturi fluidizate, permiţând un contact maxim între gaz şi adsorbantul solid, pe fiecare nivel. Un aranjament caracteristic al acestui tip este prezentat în figura 6.2, pentru adsorbţia multietajată contracurent cu regenerare.

Poluarea aerului – soluţii de limitare

111 GAZ REGENERAT SI ADSORBANT

REGENERARE

ADSORBTIE

GAZ DE REGENERARE

FLUX PURIFICAT

Fig. 6.1. Sistem tipic cu două paturi

Fig. 6.2. Adsorbţia cu regenerare contracurent pe mai multe trepte

112

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

În partea superioară a turnului particulele întâlnesc în contracurent, în sertare perforate relativ puţin adânci, fluxul de gaz care conţine poluantul, iar adsorbantul solid se mişcă din sertar în sertar, până în partea inferioară. În partea de jos a turnului, adsorbantul este regenerat prin contact similar cu gazul cald, care desoarbe şi transportă poluantul. Adsorbantul regenerat este apoi recirculat spre vârful turnului. Deşi tipul de operaţii contra-curent continuu prezintă anumite limitări, în cazul îndepărtării poluanţilor gazoşi din fluxurile de proces (de exemplu îndepărtarea dioxidului de carbon din componenţii sulfurici, ca sulfuri hidrogenate şi sulfuri carbonoase), este de departe cea mai comună operaţie folosită în prezent, absorbţia cu pat fix. Costul relativ ridicat al transportului de particule solide cerut de operaţiile din faza stabilă, fac ca adsorbţia cu pat fix să fie o alternativă economică atrăgătoare. Dacă operaţia intermitentă sau de pregătire finală este un sistem cu un singur pat, alternarea continuă între fazele de absorbţie şi regenerare este suficientă, [ 2]. Combustia. Multe componente organice eliberate din operaţiile de prelucrare pot fi convertite în dioxid de carbon şi apă inofensivă prin oxidare rapidă (reacţie chimică), respectiv combustie. Totuşi, combustia gazelor care conţin compuşi bazici, poate necesita şi un tratament de gaz acid la evacuarea arzătorului. Pentru distrugerea contaminanţilor combustibili sunt folosite trei metode rapide de oxidare: • ardere (combustie) directă cu flacără; • utilizarea unor comburanţi termici; • utilizarea unor comburanţi catalitici. Metodele termice şi de ardere – combustie se caracterizează prin prezenţa flăcării în timpul combustiei. La procesul de combustie se face referire când se vorbeşte de “postardere” sau “incinerare”. Pentru atingerea combustiei totale (combinarea elementelor combustibile şi a compuşilor combustibilului cu tot oxigenul pe care îl pot utiliza) trebuie asigurat suficient spaţiu, suficient timp, o turbulenţă şi o temperatură destul de mare, ca să se aprindă constituenţii. Cei trei „T” ai combustiei – timp, temperatură, turbulenţă – guvernează viteza şi complexitatea reacţiei de combustie. Pentru o combustie completă, oxigenul trebuie să intre în contact direct cu moleculele combustibilului la o temperatură suficientă şi pentru o perioadă suficientă de timp, astfel încât reacţia să fie completată. Reacţiile incomplete pot duce la formarea aldehidelor, acizilor organici, carbonilor şi monoxidului de carbon. Echipamentul combustiei. Echipamentul pentru realizarea combustiei poate fi clasificat în trei categorii: 1) cu flacără; 2) incineratoare termice; 3) incineratoare catalitice. Cu flacără. În multe operaţii industriale şi, în mod special, în uzinele chimice şi în rafinăriile de petrol, se produc cantităţi mari de deşeuri combustibile gazoase. Aceste gaze rezultă din scurgerile nedetectate ale echipamentului de proces,

Poluarea aerului – soluţii de limitare

113

din condiţii necorespunzătoare prezente în timpul operaţiilor din proces, în care gazele trebuie ventilate pentru a se evita presiunile înalte periculoase din cadrul operării echipamentului, cât şi din pornirile şi din opririle de urgenţă ale procesului. Cantităţi mari de gaze pot rezulta, de asemenea, din produsele necorespunzătoare sau din produsele în exces, care nu pot fi vândute. Scurgerile sunt în general intermitente cu debite maxime de ordinul milioanelor de metri cubi pe oră. Metoda preferată de control pentru gazele şi vaporii în exces este recuperarea lor într-un sistem de recuperare prin suflare. Oricum, mari cantităţi de gaz, în special în condiţii accidentale şi de urgenţă, sunt greu de prezervat şi reprocesat. În trecut, toate deşeurile gazoase erau eliberate direct în atmosferă. Aceste evacuări de gaze au creat probleme de sănătate şi mediu, iar acum se obişnuieşte colectarea acestor gaze într-un sistem închis, pentru a fi apoi arse pe măsură ce sunt evacuate. Deşi arderile pot fi folosite pentru debarasarea de gaze în exces, asemenea sisteme pot prezenta probleme suplimentare de siguranţă. Acestea includ: posibilitatea unei explozii, posibilitatea iradierii termice de la flacără şi problema asfixierii în timpul arderii. În afara acestor aspecte de siguranţă, există alte probleme asociate cu arderea, ce trebuie urmărite în timpul proiectării şi funcţionării sistemului de ardere. Aceste probleme ar consta în: formarea fumului, luminozitatea flăcării, zgomotul din timpul arderii şi, în sfârşit, posibila emisie de poluanţi în aer în timpul arderilor. De menţionat că arderea cu flacără este preferată în majoritatea situaţiilor când gazele conţin hidrocarbon. Pierderile de gaze compuse din gaz natural, propan, etilenă, propilenă, butadienă şi butan constituie, probabil, 95 % din materialul ars. Arderile au fost folosite pentru a controla fluxurile intermitente de gaze, dar există date în folosinţă şi sisteme cu ardere continuă, în general, pentru volume mici de gaze. Valoarea calorifică a unui volum mare şi continuu de gaze este, de obicei, prea valoroasă pentru a putea fi irosită în cadrul acestui sistem de control prin ardere. Este preferată recuperarea vaporilor sau utilizarea acestora drept combustibil în procesul de încălzire. Deoarece, pentru ca gazul să ardă trebuie adăugat combustibil auxiliar, fluxurile continue mari de gaz sau gazele cu o putere calorică scăzută sunt de obicei arse mai eficient, într-un incinerator termic decât într-un sistem cu flacără. Sistemele cu flacără sunt cele mai folosite pentru debarasarea de hidrocarburi. Flăcările au fost folosite cu succes în controlul gazelor urât mirositoare, ca mercaptanul şi aminele, dar trebuie avută grijă la arderea acestor gaze. Dacă flacăra nu este eficientă şi nu realizează o combustie bună, fumul nociv poate scăpa nears, cauzând astfel neplăceri. Arderea hidrogenului sulfurat ar trebui evitată din cauza toxicităţii acesteia şi a mirosului greu de suportat. Mai mult, arderea unor cantităţi relativ mici de hidrogen sulfurat poate crea destul dioxid de sulf, care să cauzeze pagube recoltelor sau neplăceri la nivel local. Pentru gazele ale căror produşi de combustie pot crea

114

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

probleme, cum ar fi cele care conţin hidrogen sulfurat sau hidrocarburi clorinate, arderea nu este recomandată. Incineratoare termice. Incineratoarele termice sau postarzătoarele pot fi folosite pentru o gamă largă de gaze, care au o concentraţie scăzută de vapori organici. Concentrarea compuşilor organici în aer trebuie să fie substanţial sub nivelul inferior de inflamare (limita inferioară de explozie). De regulă, se ia un coeficient de siguranţă suficient de mare (de 4:1). Reacţiile au loc la temperaturi ridicate, la care se pot asigura ratele chimice de reacţie pentru substanţele organice. Ca să ajungă la această temperatură, este necesară preîncălzirea fluxului de alimentare, folosind energia auxiliară. Odată cu fluxul de gaz contaminat, sunt introduse continuu în incinerator aer şi combustibil (vezi figura 6.3).

Fig. 6.3. Dispozitiv de combustie termică

Combustibilul şi contaminaţii sunt arşi într-un arzător, folosind oxigenul din aer. Arzătorul poate folosi aerul în procesarea deşeurilor ca aer de combustie pentru combustibilul auxiliar, sau poate folosi o sursă separată de aer. Produsele combustiei şi fluxul de alimentare care nu au reacţionat sunt amestecaţi intens şi intră în zona de reacţie a arzătorului. Poluanţii din fluxul de gaz procesat reacţionează pe măsură ce ating temperaturi înalte. Incineratorii termici au în general temperaturi de funcţionare de ordinul a 650 ÷ 980 ºC pentru combustia celor mai mulţi poluanţi (vezi tabelul 6.1). Este, de regulă, recomandabil un timp de rezidenţă de la 0.2 s la 1 s, dar acest factor este dictat, în primul rând, de considerente cinetice complexe. Cinetica combustiei hidrocarburilor (HC), în prezenţa oxigenului în exces, poate fi simplificată în următoarea ecuaţie: d ( HC ) = −k ⋅ [ HC ] dt

( 6. 1)

unde k este o constantă a reacţiei de gradul întâi (s-1), iar t este timpul, în s. Dacă concentraţia iniţială este CA0, soluţia ecuaţiei 6.1 este: C  ln A  = −k ⋅ t  C A0 

( 6. 2)

Poluarea aerului – soluţii de limitare

115

Ecuaţia (6.2) este folosită frecvent pentru modelarea unui arzător care utilizează fracţii molare de la 0.15 la 0.001 pentru oxigen şi HC. Rata constantă este, de obicei, dată sub următoarea formă (cunoscută sub denumirea de formă Arrhenius): k = A ⋅ e − E / R ⋅T

( 6. 3)

unde: A [ s ] - factorul experimental; E [ kJ/kmol ] - energia de activare; T [ K ] temperatura absolută; R [ kJ/(kmol.K) ] ≈ 8315 - constanta universală a gazelor. Valorile lui A şi E sunt disponibile în literatură, [ 5]. Tabel 6.1. Incineratoare termice- condiţii necesare Categorie

Timpul de rezistenţă [s]

Temperatura [ ºC]

Emisiile de hidrocarbon distrugerea HC de peste 90 % 0.3 ÷ 0.5 590 ÷ 680 (* Hidrocarburi + CO distrugere HC + CO de peste 90 % 0.3 ÷ 0.5 680 ÷ 820 Miros distrugere 50 ÷ 90 % 0.3 ÷ 0.5 540 ÷ 650 distrugere 90 ÷ 99% 0.3 ÷ 0.5 590 ÷ 710 distrugere > 99 % 0.3 ÷ 0.5 650 ÷ 820 Fum alb (ceaţă umedă)şi pană de fum reducerea penei 0.3 ÷ 0.5 430 ÷ 540 (** distrugere HC + CO de peste 90 % 0.3 ÷ 0.5 680 ÷ 820 Fum negru (funingine şi particule 0.7 ÷ 1 760 ÷ 1100 combustibile) * Temperatura cerută poate creşte la 760 ÷ 820 ºC, dacă conţinutul de metan şi substituenţi aromatici (toluen, xilen) este semnificativ. ** Se recomandă numai atunci când există odorizanţi.

Produsele finale ale combustiei sunt emise în continuu la ieşirea din reactor. Viteza medie a gazului poate varia între 3 m/s şi 15 m/s. Aceste viteze mari sunt necesare pentru a preveni fixarea particulelor (dacă sunt prezente) şi pentru a minimaliza pericolele exploziilor şi a incendiilor. Combustibilul este, de obicei, gaz natural. Energia eliberată prin reacţie poate fi recuperată direct sau indirect, prin schimb extern adecvat de căldură (figura 6.4). Din cauza temperaturilor ridicate de funcţionare, unitatea trebuie construită din metale care pot face faţă la astfel de condiţii. Dispozitivele de combustie prezintă o carcasă exterioară de oţel, care este căptuşită cu material refractar. Grosimea zidului refractor este, de obicei, cuprinsă între 0.05 m şi 0.23 m, depinzând de condiţiile de temperatură. Câteva din avantajele incineratoarelor termice sunt: îndepărtarea gazelor organice, îndepărtarea particulelor submicrometrice, simplitatea construcţiei,

116

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

necesar mic de spaţiu. Printre dezavantajele incineratoarelor termice se numără: costuri ridicate de operare, riscul de incendiu, posibilitatea întreruperii.

Fig. 6..4. Combustia termică cu recuperare de energie (căldură)

Incineratorii catalitici. Incineratorii catalitici sunt o alternativă a incineratorilor termici. Pentru reacţiile simple, efectele prezenţei catalizatorului sunt: creşterea ratei de reacţie, posibilitatea ca reacţia să aibă loc la temperaturi joase, reducerea volumul reactorului. Într-un incinerator catalitic tipic pentru combustia vaporilor organici, curentul gazos este trimis continuu de un ventilator în reactor, la o viteză de 3÷15 m/s, dar şi la o temperatura mai joasă, de obicei de la 350 la 425 ºC, faţă de incineratorii termici. Gazele care pot să fie sau să nu fie preîncălzite, trec printr-un pat catalitic, unde are loc reacţia de combustie. Produsele combustiei, care sunt alcătuite din vapori de apă, dioxid de carbon, vapori inerţi care nu au reacţionat, sunt eliberate continuu la o temperatură înaltă. Pot fi făcute economii de energie prin recuperarea căldurii de la ieşire. Metalele din familia platinei sunt cunoscute pentru abilitatea lor de a promova combustia la temperaturi joase. Alţi catalizatori, posibil a fi utilizaţi, sunt: diverşi oxizi ai cuprului, cromului, vanadiului, nichelului şi cobaltului. Aceşti catalizatori îşi pot pierde din proprietăţi (se pot otrăvi), în special, datorită prezenţei halogenilor, compuşilor halogenilor şi sulfului, zincului, arsenicului, plumbului, mercururului şi a altor particule. De aceea, este important ca suprafeţele

Poluarea aerului – soluţii de limitare

117

catalizatorilor să fie curăţate şi activate pentru a asigura performanţe optime. Catalizatorii sunt un material poros, de regulă de formă sferică sau cilindrică, cu un diametru variind de la 0.16 la 1.27 cm. Sunt recomandate dimensiuni mici, dar în acest caz creşte pierderea de presiune prin reactor. Alte forme pe care le pot avea catalizatorii sunt cele de fagure, fundă şi reţea. Deoarece catalizarea este un fenomen de suprafaţă, una dintre proprietăţile fizice ale acestor particule este ca suprafaţa poroasă internă să fie infinit mai mare decât suprafaţa externă. Principalele etape ale conversiei catalitice a reactanţilor în produşi sunt: • transferul reactanţilor la produşii din afara suprafeţei catalitice; • difuzarea reactanţilor şi a produşilor în porii catalizatorului; • absorbţia activată a reactanţilor şi desorbţia produşilor în centrele active ale catalizatorului; • reacţia sau reacţiile pe centrii activi ai suprafeţei catalitice. În acelaşi timp, din efectele energiei, provenind din reacţia chimică, pot rezulta: transferul de căldură la sau de la centrele active, la suprafaţa de particule catalizatoare, transferul de căldură la şi de la reactanţi şi produşi prin particulele catalitice, transferul de căldură de la o particulă catalitică la alta, transferul de căldură la şi de la pereţii reactorului. Principalele avantaje ale incineratorilor catalitici sunt: cerere scăzută de combustibil, în comparaţie cu incineratorii termici, temperaturi scăzute de funcţionare, cerinţe scăzute de izolare, risc redus de incendiu, probleme mici cu întreruperile funcţionării. Printre dezavantajele incineratorilor catalitici sunt: cost iniţial mai ridicat decât la incineratorii termici, otrăvire catalizatori, necesitatea înlăturării particulelor mari, probleme de regenerare ale catalizatorilor, depozitarea catalizatorilor.

Proiectarea incineratorului şi ecuaţiile de performanţă. Cheia proiectării incineratorului şi a calculelor de performanţă este folosirea combustibilului adecvat şi dimensiunile fizice ale unităţii. În cele ce urmează este prezentat un procedeu de calcul folosit în rezolvarea acestor doi parametri, presupunând că sunt cunoscute debitul fluxului de gaz, temperatura interioară, temperatura de combustie şi timpul de rezidenţă. Temperatura de combustie şi timpul de rezidenţă pentru incineratori termici pot fi estimate din tabelul 6.1 şi cu ajutorul ecuaţiilor 6.1, 6.2 şi 6.3. • Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea gazului în incinerator, Q, la o temperatura dată este Q = ∆H

( 6. 4)

unde ∆H este creşterea de entalpie necesară atingerii temperaturii cerute de proces. • Ţinând seama de pierderile de căldură prin radiaţie, ∆qr [%] ,cantitatea de căldură este:

118

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Q= •

( 6. 5)

(100 + ∆qr ) ⋅ ∆H 100

Debitul total de gaze, dT , este suma dintre debitul de combustibilul gazos utilizat, d c şi debitul gazelor incinerate, d gi , pentru temperatura de funcţionare cerută: ( 6. 6)

dT = d c + d gi •

[ ]

Secţiunea dispozitivului de combustie, S m 2 , este dată de: S=

[

dT vt

( 6. 7)

]

unde: dT m 3 / s este debitul total de gaz, iar vt [m/s ] este viteza fluxului de gaz la temperatura de funcţionare a incineratorului.

Condensarea. Frecvent, în cadrul controlului poluării aerului, devine necesară tratarea unui efluent, constând din vapori condensaţi poluanţi şi gaz necondensabil. O metodă foarte populară de control, pentru a îndepărta astfel de poluanţi din fluxurile de proces gazoase, este condensarea. Condensarea poate fi folosită pentru a colecta emisii condensabile eliberate în atmosferă, în special când concentraţia de vapori este mare. Aceasta are loc, de obicei, prin scăderea temperaturii fluxului gazos, deşi o creştere a presiunii ar duce la acelaşi rezultat. Ultima soluţie este, de obicei, folosită în industrie şi este favorabilă pentru economie, deoarece schimbările de presiune (chiar şi cele mici) au loc la rate volumetrice mari de fluxuri gazoase. Echipamentul de condensare. Există două tipuri de bază de condensatori folosiţi: de contact şi de suprafaţă. În condensatorii de contact, fluxul gazos este adus în contact direct cu mediul de răcire, astfel încât vaporii se condensează şi se amestecă cu agentul de răcire. Cel mai folosit sistem este condensatorul de suprafaţă (sau schimbătorul de căldură), în care vaporii şi mediul de răcire sunt separate de un perete. Dacă nu se pot realiza eficienţe de îndepărtare înalte cu condensatorii de vapori cu presiune scăzută, condensatorii sunt de obicei utilizaţi pentru pretratare, cu prioritate în faţa incineratorului, absorbitorului şi adsorbitorului. Condensatori de contact. Condensatorul cu cameră de împrăştiere, condensatorii cu jet si condensatorii barometrici folosesc apa sau alt lichid, care vine în contact direct cu vaporii care vor fi condensaţi. Diferenţa de temperatură dintre starea lichidă şi vapori este foarte mică, deci eficienţa condensatorului este mare, dar sunt necesare cantităţi mari de lichid. Dacă vaporii sunt solubili în lichid, sistemul este în principiu unul absorbant. Dacă vaporii nu sunt solubili, sistemul

Poluarea aerului – soluţii de limitare

119

este unul condensator, caz în care temperatura vaporilor trebuie să fie sub punctul de condensare. Condensatorii cu contact direct sunt rar folosiţi pentru extragerea vaporilor de solvent organic, deoarece condensatorul va conţine un amestec apă– organic, care trebuie separat sau tratat înainte de aruncare. Ei reprezintă cea mai eficientă metodă de răcire a curenţilor de gaz încins, când recuperarea elementelor organice nu este importantă. Într-un condensator cu contact direct, apa sau alt lichid de răcire este adus în contact direct cu vaporii, pentru a-i condensa. Lichidul care părăseşte containerul conţine lichidul original de răcire + substanţele condensate. Curentul de gaz care părăseşte containerul conţine gazele necondensabile şi anumiţi vapori condensabili, care însă nu s-au condensat; este normal să presupunem că vaporii din curentul de gaz de la ieşire sunt saturaţi. În acest caz, temperatura curentului de gaz de la ieşire este cea care decide eficienţa colectării condensatorului. Avantajele condensatorilor de contact sunt: 1) pot fi folosiţi pentru a produce vid, creând astfel un curent de aer care poate elimina vaporii mirositori şi, de asemenea, reduc punctul de fierbere; 2) sunt, de obicei, mai simpli şi mai puţin costisitori decât cei de suprafaţă; 3) de obicei, au o capacitate considerabilă de a elimina mirosurile, datorită unei mai mari diluări de condensat. Dezavantajul principal este necesarul mare de apă. În funcţie de natura condensatorului, mirosul din apa reziduală poate fi îndepărtat folosind tratamente chimice. Condensarea cu contact direct implică transferul simultan de căldură şi masă. Pot fi aplicate, cu unele modificări, procedeele de proiectare disponibile pentru absorbţie, umiditate, coşuri de răcire. Condensatori de suprafaţă. Condensatorii de suprafaţă (condensatori cu contact indirect) sunt folosiţi foarte mult în industria chimică. Ei sunt utilizaţi în industria de producere a echipamentului pentru depoluarea aerului, la recuperare, control şi/sau îndepărtarea impurităţilor şi contaminanţilor. În tipul de suprafaţă, agentul de răcire nu intră în contact cu vaporii condensaţi. Există mai multe tipuri de condensatori de suprafaţă: cu manta şi ţevi, cu secţiune finită a ţevilor şi tubulare. Folosirea condensatorilor de suprafaţă are câteva avantaje. Apa condensată poate fi recuperată. Dacă este folosită apa pentru răcire, aceasta poate fi refolosită sau condensatorul poate fi răcit cu aer, când nu este disponibilă apă. De asemenea, condensatorii de suprafaţă necesită mai puţină apă şi produc de la 10 la 20 de ori mai puţin condensat. Dezavantajul lor este că sunt de obicei, mai scumpi şi solicită operaţii de întreţinere mai importante decât în cazul condensatorului de contact.

Biofiltrele au o tehnologie care foloseşte microorganisme, în general bacterii, pentru tratarea mirosurilor emisiilor de gaze, într-o manieră economică şi sigură pentru mediu. Biofiltrele constau în filtre poroase, prin care este distribuit un curent de gaz rezidual. Microorganismele care se hrănesc din gazul rezidual sunt ataşate de acest substrat poros. Procesul de biofiltrare este înrudit cu procesul de tratare a precipitatului obţinut convenţional, în care, în amândouă ipostazele, microorganismele sunt

120

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

folosite pentru a oxida complet compuşii organici în CO2 şi apă. Biofiltrele sunt folosite pentru a controla emisiile de gaz din operaţiile de composting, uzine de recuperare, industria alimentară şi a tutunului, prelucrare chimică, turnătorii de fier şi oţel şi alte utilaje industriale. Descriere generală a procesului. Biofiltrele sunt de tipul bioreactore cu film fix, care folosesc microorganisme ataşate materialelor de substrat, care pot fi compost, turbă, scoarţă de copac, sol sau materiale inerte, pentru a converti produse reziduale organice/anorganice în CO2 şi apă. Substratul asigură suportul structural şi nutrimenţi elementari pentru microorganisme. Structura lui poroasă asigură o arie adecvată, la o pierdere de presiune rezonabilă a gazului. Pe măsură ce gazele reziduale sunt trecute prin reactor, poluanţii se difuzează în biofilm. Poluanţii sunt apoi descompuşi printr-un proces aerobic natural de biodegradare. Biofiltrele sunt economice când sunt aplicate unor fluxuri de gaze cu concentrare joasă (< 1000 ppm), bogate în oxigen. Eficienţe de distrugere mai mari de 90 % pot fi obţinute din organice solubile în apă cu alcoolul, aldehidele şi aminele. Anorganicele solubile în apă, ca H2S şi NH3, pot, de asemenea, suferi descompuneri aerobe. Etapele procesului principal de filtrare sunt prezentate în figura 6.5 şi sunt următoarele: colectarea şi transportul prin reţeaua de conducte a gazelor brute din zona de procesare sau producţie spre o zonă de pretratare a gazului, ridicarea presiunii într-un ventilator, pentru a compensa pierderile prin elementele ulterioare ale procesului, pretratarea gazului rezidual pentru îndepărtarea particulelor, ajustarea temperaturii şi a umidităţii până la saturaţie.

Fig. 6.5. Schemă unui sistem deschis de biofiltrare cu un singur strat

Poluarea aerului – soluţii de limitare

121

Filtrarea particulelor şi/sau ajustarea temperaturii sunt combinate adesea cu echipamentul de ajustare a conţinutului de umiditate a gazului. Microorganismele. Microorganismele naturale, folosite în mod normal în biofiltre, sunt aceleaşi bacterii şi fungicide care sunt folosite în mod curent în epurarea apei reziduale cu nămol activat. Microbii obţinuţi prin inginerie genetică au fost creaţi pentru a digera chimicalele create artificial, cum ar fi organicii aromatici, xilenul şi stirenul. În cadrul numeroaselor cercetări aflate în progres, se încearcă lărgirea numărului de chimicale care pot fi biodegradate. Acest lucru va contribui la scăderea costului şi a dimensiunii paturilor de filtrare, folosite curent, prin reducerea timpului de digestie necesar. Cele mai folosite microorganisme sunt prezentate în tabelul 6.2. Tabel 6.2. Microorganisme identificate frecvent în biofiltre Bacterii Actionomyces globisporus Micrococcus albus Micromonospora vulgarus Bacillus cerreus Streptomyces spp.

Fungicide Penicillinum spp. Cephadosporium spp. Mucor spp. Circinella spp. Ovularia spp. Stemphilium spp.

Proiectarea şi construcţia. Capacitatea şi eficienţa operaţiilor de biofiltrare depind direct proporţional de suprafaţa activă, spaţiul de vid al filtrului, eficienţa în atingere a ţintelor, tipurile de gaz şi încărcarea cu gaz. O proiectare adecvată a componentelor principale ale biofiltrului este foarte importantă, pentru a asigura o funcţionare viabilă şi o eficienţă din punct de vedere al costului. Compoziţia gazului brut. Pentru început, trebuie determinată cantitatea gazului brut supus biofiltrării. Pentru a asigura atât o eficienţă rezonabilă de extragere, cât şi o durată de viaţă rezonabilă a microorganismelor, debitul de gaz brut trebuie să conţină: o concentraţie de oxigen egală cu cea a mediului ambiant, o concentraţie de gaz sub nivelul letal, pentru microorganismele utilizate, iar tipurile de gaze letale pentru microorganisme şi bacterii trebuie să lipsească din curentul de gaz brut. Transportul gazului brut. Gazul este colectat din zona de procesare şi transportat prin conducte, utilizând şi ventilatoare pentru ridicarea presiunii, la echipamentul de precondiţionare. Precondiţionarea gazului brut. Pentru a asigura eficienţa distrugerii şi o viaţă prelungită biofiltrului, curentul de gaz brut trebuie să fie ajustat, înainte ca gazul să fie introdus în condiţii de siguranţă în biofiltru, pentru a intra în domeniul preselectat de încărcare cu particule, temperatură şi umiditate. Precondiţionarea particulelor. Încărcarea puternică cu particule grele (praf, grăsime, ulei şi alţi aerosoli) a gazului, poate fi foarte periculoasă pentru structura poroasă a patului filtrului, rezultând de aici o creştere a pierderii de presiune.

122

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Uleiurile şi metalele grele care sunt depozitate pe patul filtrului pot fi otrăvitoare pentru microorganismele care trăiesc în biofilm. Pentru îndepărtarea acestor particule grele se pot utiliza, cu bune rezultate, filtre de tip sac şi scrubăre de tip Venturi. Temperatura. Temperatura de funcţionare a unui biofiltru este controlată în primul rând de temperatura gazului supus tratării. Temperatura medie de operare recomandată pentru distrugerea eficientă este între 20 ÷ 40 ºC, cu o temperatură optimă de 37 ºC. La temperaturi scăzute, dezvoltarea bacteriilor va fi limitată, iar la temperaturi extrem de scăzute, bacteriile vor fi distruse. La temperaturi peste media recomandată, activitatea bacteriilor va fi, de asemenea, redusă. Temperaturile extrem de ridicate vor distruge bacteriile din patul filtrului. Din punct de vedere economic, ajustarea temperaturii gazului este cel mai important factor de cost care determină utilizarea biofiltrului sau a unui sistem convenţional. Dacă fluxul de gaz se află la o temperatură extrem de înaltă ( de peste 100 ºC), costul răcirii gazului stocat poate fi atât de ridicat, încât pot fi mai eficiente unele metode convenţionale pentru controlul mirosului, precum oxidarea termică. Umidificarea. Microorganismele care digeră poluanţii vieţuiesc într-un strat subţire de apă, numit biofilm, care încercuieşte substratul filtrului. Fără biofilm microorganismele ar muri, deci menţinerea unei suprafeţe umede în patul filtrului este crucială. Umiditatea insuficientă poate duce la distrugerea filtrului, rezultând o reducere a suprafeţei active şi scurgeri de gaz netratat. Umezeala insuficientă poate duce de asemenea la spargerea mediului de filtrare prin comprimare, ceea ce ar conduce la reducerea suprafeţei active şi la evacuarea gazelor netratate. Umidificarea fluxului de gaz este metoda preferată de transport, prin care se păstrează patul filtrului umed. Umiditatea este de obicei adăugată curentului de gaz, după etapa de fitrare, pulverizarea cu apă sau cu abur. Nu se recomandă adăugarea umidităţii direct deasupra patului pentru a menţine umiditatea filtrului, deoarece s-ar putea produce uscarea locală a substratului. Totodată, adăugarea de apă caldă poate reduce activitatea microorganismelor, până când apa atinge temperatura stării finale a patului de filtrare. Sistemul de distribuţie a gazelor. Misiunea sistemului de distribuţie a gazelor este aceea de a asigura o distribuţie uniformă a fluxului de gaz, precondiţionat în toate suprafeţele patului filtrant. În modelele de curgere a biofiltrului în amonte, sistemul de distribuţie a gazului furnizează: mediile de drenare, colectare, transportare a exceselor de apă înăuntrul patului filtru, previne potenţiala contaminare a solului înconjurător, prin scurgeri din filtru, o bază structurală pentru mediul patului filtru. Sistemul de distribuţie a gazului poate fi compus dintr-o reţea de tuburi perforate, crăpate sau dintr-un bloc de beton cu ieşiri sau gratii metalice. Când nu sunt limite de spaţiu, este utilizat un singur nivel de filtru. În zonele unde spaţiul nu este limitat se utilizează filtre multietajate. Dacă sunt tratate componentele anorganice, se vor folosi materialele de construcţie rezistente la coroziune, datorită

Poluarea aerului – soluţii de limitare

123

acidităţii biproduşilor reacţiei. Filtrul matrice. Cele mai utilizate paturi biofiltrante astăzi sunt din: sol sau compost, frunze, coajă de copac, aşchii de lemn, hârtie sau alte materiale organice. În selectarea filtrului, trebuie luate în consideraţie următoarele: • mărimea particulelor şi porozitatea mediului filtrului, deoarece funcţionarea eficientă este în legătură directă cu aria suprafeţei disponibile a biofilmului; • mediul filtrului trebuie să fie o sursă de nutrimenţi anorganici pentru microorganisme, iar în cazul unor operaţii de durată, aceşti nutrimenţii anorganici pot fi adăugaţi periodic în pat; • compactarea patului filtrului va duce la formarea unor canale de gaz şi la creşterea pierderii de presiune; • sunt necesare caracteristici bune ale patului drenat, pentru a se asigura că produşii de reacţie sunt uşor eliminaţi prin mediul filtrului; • eventualele curgeri sunt în general reciclate prin procesul de umidificare, pentru a reduce debitul de apă uzată; • mediul filtrului trebuie să aibă capacitate de tamponare, pentru a menţine pHul la cel puţin 3, în special când este necesară reducerea componentele anorganice; • mediul filtrului trebuie compus din materiale cu miros neiritant.

Cinetica. Capacitatea şi eficienţa operaţiei de biofiltrare depinde de aria suprafeţei active, spaţiul de protecţie al filtrului, eficienţa de îndepărtare, tipurile de gaz, concentraţia de gaz, şi rata curgerii gazului. Modelul teoretic simplificat este reprezentat schematic în figura 6.6, [6]. În figură, Cg, este concentraţia în faza gazoasă. Cele două profile de concentraţii prezentate în biostratul (Cl) se referă la: (1) rata de limitare a reacţiei de eliminare şi (2) la limitarea difuziei.

Fig. 6.6. Modelul biofizic al biostratului

124

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Echilibrul de masă realizat în jurul fazei lichide poate fi descris de  d 2C D 2 l  dx

 −R =0  

( 6. 8)

unde : D [ m2/s ] - coeficientul de transfer de masă; Cl [kg/m3] - concentraţia fazei lichide; x [ m ] - distanţa în interiorul biostratului; R [ kg/(m3.s)] - rata de utilizare a substratului (rata de biodegradare). Echilibrul masic al biostratului presupune: aplicarea unui model cinetic, biodegradarea are loc în faza lichidă din biofilm, grosimea biofilmului este mică în comparaţie cu diametrul substratului şi de aceea biofilmul poate fi privit ca o suprafaţă plană, introducerea curgerii gazului prin mediul de filtrare, concentraţiile în fază lichidă şi gazoasă trebuie să satisfacă legea lui Henry, nu există interacţiuni între gaze şi deci se poate aplica legea gazului ideal, starea este stabilă. Rata de biodegradare R, poate fi exprimată prin relaţia Monod, [ 2]: R = Rmax ⋅

C1 (C + K m )

( 6. 9)

unde: Km [ kg/m3 ] este o constantă, iar Rmax [ kg /(m3.s) ] este rata maximă de utilizare a substratului. Rmax depinde de concentraţia de microorganisme active din biofilm şi este definită ca: Rmax = X ⋅

µm

( 6.10)

yi

unde: X [ kg/m3 ] - concentraţia celulelor de microorganisme active; µm [ 1/s ] - rata maximă de dezvoltare a speciilor de microorganisme; yi [ - ] - coeficientul de producţie al speciilor de microorganisme. Există două cazuri de rată limită la bilanţul de masă, prezentat mai sus: • Rata de reacţie este limitată cinetic de ordinul 0 - în acest caz concentraţia biofilmului nu influenţează rata de reacţie iar curba biodegradării este lineară; • Rata de difuzie este limitată cinetic de ordinul 1 - în acest caz concentraţia biofilmului este influenţată de rata de difuzie a speciilor poluante din biofilm. Una dintre ipotezele modelului cinetic este că nici o interacţiune în fază gazoasă nu are loc între specii chimice diferite (ipoteza gazului ideal). În condiţiile de funcţionare date, interacţiunile în fază gazoasă pot avea un impact negativ sau pozitiv asupra operaţie de biofiltrare. Aceste interacţiuni includ: • cometabolismul, care creşte rata de biodegradare a multiplelor componente

Poluarea aerului – soluţii de limitare

• •

125

urmărite; inhibiţia încrucişată, care scade rata de biodegradare a compuşilor urmăriţi; stratificarea verticală, în care componentele care se degradează mai uşor sunt metabolizate înainte de a intra în patul de filtrare, iar componentele mai greu de metabolizat trec prin regiunea inferioară a acestui pat şi se metabolizează la nivelele superioare.

Bazat pe interacţiunile mai sus menţionate, în general, este recomandat testul la scară pilot, pentru a dimensiona cu acurateţe patul biofiltrului pentru fluxuri de gaze cu componente multiple.

Filtrarea prin membrane. Sistemele cu membrane au fost folosite de câteva decenii pentru a separa coloizii şi nămolurile moleculare prin procese industriale chimice. Datorită problemelor care se iveau la operarea unor fluxuri cu un conţinut mare de particule, filtrarea cu membrane nu a fost privită, până recent, ca o tehnologie viabilă de control a poluării. Această schimbare de opinie se datorează apariţiei membranelor compuse din acetaţi celulozici pentru debite mari. Sistemele de filtrare cu membrane au fost folosite mulţi ani pentru evaporarea etanolului, în cazul instalaţiilor de combustibil sintetic. În aceste cazuri, sistemele cu membrană au fost selectate datorită consumului relativ redus de energie, construcţiei modulare, costurilor reduse de capital, întreţinerii uşoare şi separării superioare. Pe măsură ce reglementările au devenit tot mai stricte, a crescut interesul pentru sistemele avansate de filtrare cu membrane. Principalii factori ce justifică filtrarea prin membrane sunt abilităţile sistemelor de a opera fără a produce poluare, în buclă închisă, cu minimum de pierderi de apă la ieşire. Preţul şi costurile de întreţinere reduse rezultă şi din cantitatea mică de părţi mobile din sistemul cu membrane. Descrierea procesului. Membranele permeabile selective au o gamă largă de utilizare şi configurare, determinată de complexitatea sistemului de control al poluării. Sunt patru tipuri majore de sisteme cu membrană: preevaporarea, osmoza inversă, absorbţia gazului, adsorbţia gazului. Doar preevaporarea cu membrană este comercializabilă în prezent. Preevaporarea prin membrane. Este utilizată, de obicei, la deshidratarea hidrocarburilor lichide, pentru producerea etalonului de înaltă puritate, izopropanolului şi etil glicolului. Metoda se bazează pe un strat cu o membrană cu permeanţă selectivă, care separă fluxul de lichid de faza gazoasă, aşa cum se arată în figura 6.7. Rata de permeabilitate şi selectivitatea sunt date de compoziţia fizico-chimică a membranei. Preevaporarea diferă de sistemul cu osmoză reversibilă, în care rata de permeabilitate nu este în funcţie de presiunea osmotică, deoarece permeabilitatea este menţinută la presiunea de saturaţie.

126

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Fig. 6.7. Preevaporarea unui gaz de-a lungul membranei

Sunt utilizate, de obicei, trei grupe de procese generale în cazul preevaporării: 1) apa este îndepărtată din compuşii organici; 2) compuşii organici sunt îndepărtaţi din apă; 3) separarea organic/organic. Separarea organic/organic este foarte utilizată şi, de aceea, va fi discutată în cele ce urmează. Deshidratarea etanolului. Procesul de preevaporare prin membrană a fost descoperit la mijlocul anilor 1970, în Germania, iar primele unităţi comerciale au fost instalate în Brazilia şi Filipine. În ambele locuri, unitatea de preevaporare a fost cuplată la procesul de fermentaţie continuă a trestiei de zahăr, care producea etanol în concentraţie de până la 96 %, după preevaporarea prin vacuum. Avantajele esenţiale ale tuturor proceselor de preevaporare sunt: inexistenţa substanţelor chimice aditive, procesul are costuri de capital scăzute şi urmări minore, consum redus de energie. Procesul necesită un consum redus de energie, deoarece doar o mică parte din apă este vaporizată şi, de aceea, forţa de permeabilitate este furnizată doar de o mică pompă de vacuum. Recuperarea solventului. Preevaporarea este utilizată preponderent la nivel industrial, a fluxurilor organice mixte de proces, contaminate cu conţinut redus de apă (<10 %). Metoda devine foarte atractivă atunci când deshidratăm până la mai puţin de 1 % apă. Avantajele rezultă şi din costurile mici de funcţionare, comparativ cu distilarea sau adsorbţia. De menţionat că, distilarea este deseori imposibilă, deoarece azeotropele se formează de obicei în mixturile multicomponente organic/apă. Preevaporarea se produce în trei paşi: 1. absorbţia preferenţială a speciilor

Poluarea aerului – soluţii de limitare

127

chimice; 2. difuzia speciilor chimice prin membrană; 3. desorbţia speciilor chimice din membrană. Paşii 1 şi 2 sunt controlaţi de chimia specifică polimerilor şi de interacţiunea în faza lichidă. Ultimul pas constă în evaporarea tipurilor chimice şi este considerat un proces rapid, neselectiv. Pasul 2 este unul limitativ pentru rata de preevaporare. Dezvoltarea de către producătorii de membrane a membranelor compozite, foarte selective şi foarte permeabile, care rezistă la aglomerarea solidelor, a reprezentat un avantaj pentru comercializare. Compoziţia şi structura membranei sunt proiectate pe straturi, fiecare îndeplinind o cerinţă specifică dată. În cazul deshidratării prin membrană, o membrană trebuie să fie compusă dintr-un strat suport de poliester poros, aflat sub un strat de poliacrilonitril (PAN) sau membrană de ultrafiltrare polisulfonică şi un strat de grosime 0.1 micrometri de poliacril, sau polivinil (PVA). Alte membrane de separe utilizează în general aceleaşi două substraturi. Stratul superior este înlocuit în funcţie de selectivitatea dorită. Membrane pentru osmoză inversă. Un exemplu tipic de astfel de sistem de membrane este utilizat pentru curăţarea apelor poluate cu petrol. Sistemul foloseşte un modul tubular de alimentare, care realizează debite mari, fiind capabil să facă faţă fluxurilor cu un conţinut mare de solide. Această tehnică de osmoză inversă a fost dezvoltată pentru a realiza HF superpurificat, recuperat din soluţiile folosite la curăţare. Cantitatea de soluţii de curăţat este de ordinul a zecilor de mii de tone anual, iar prin această recuperare, utilizând membrane cu osmoză inversă, sunt economisite anual milioane de tone de petrol. Membranele de filtrare la faţa locului. Membranele aflate la faţa locului sunt introduse într-un incinerator al gazelor de evacuare, încercându-se astfel reducerea emisiilor de hidrocarburi. Sunt studiate şi folosite pe piaţă două tipuri de membrane de separare a gazelor: 1) peliculă de acetat de celuloză, 2) module tubulare din fibre poliamidice. Membrane vibratoare. În ultima perioadă au început să fie comercializate membrane vibratoare (de exemplu de firma Logic International, Emeryville). Membranele vibratoare funcţionează pe baza folosirii unor intense unde de tăiere sinusoidale, pentru a se asigura că suprafeţele membranei rămân active şi curăţate de material solid. Aplicarea acestei tehnologii se poate face la purificarea apelor reziduale. Permeabilitatea vaporilor. Acest proces este similar cu procesul de preevaporare cu excepţia că, acum, curentul de alimentare este un gaz. Viitoarea viabilitate comercială a acestui proces se bazează pe economiile de energie şi de costuri de capital, derivate din faptul că alimentarea se face în fază de vapori şi, astfel, nu mai este nevoie de căldură suplimentară. Aplicarea acestei metode se poate folosi la recuperarea compuşilor organici din vaporii solvenţilor şi la alte cazuri de poluare. O unitate comercială a fost instalată în Germania în 1989, [6].

128

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot. Metoda de reducere selectivă catalitică (în engleză, Selective Catalytic Reduction - SCR) este utilizată de peste un deceniu, pentru a controla emisiile de NOx de la generatoarele de abur şi cuptoare. Un alt domeniu de utilizare a SCR este industria chimică. Un sistem SCR tipic este prezentat în figura 6.8.

Fig. 6.8. Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot

Vaporii de NOx sunt preîncălziţi de efluentul ieşit din vasul catalizator în schimbătorul recuperator şi apoi încălziţi cu ajutorul unui arzător care funcţionează cu gaz sau păcură la 320 ºC. Înainte de a fi trecut printr-un oxid metalic de zeolit sau pat catalitic din zeolit, este injectată o cantitate fixă de amoniac într-un volum de gaz. NOx se reduce în azot şi apă în prezenţa amoniacului în concordanţă cu următoarele reacţii exoterme 6 NO + 4 NH3 ⇒ 5 N2 + 6 H2O ( 6.11) 4 NO + 4 NH3 +O2 ⇒ 4 N2 + 6 H2O 2 NO2 + 4 NH3 + O2 ⇒ 3 N2 + 6 H2O NO + NO2 + 2 NH3 ⇒ 2 N2 + 3 H2O Analizorii de NOx de la intrarea în preîncălzitor şi de la ieşirea din vasul de catalizare monitorizează concentraţiile de NOx şi controlează rata de alimentare cu amoniac. Gazul de la ieşire este evacuat la circa 350 ºC.

6.5. Controlul emisiilor de particule Există patru tipuri de echipamente convenţionale folosite pentru controlul emisiilor de particule: 1. colectori mecanici; 2. scrubăre umede; 3. electrofiltre (precipitatori electrostatici); 4. filtre textile. Eficacitatea echipamentelor convenţionale de control a poluării aerului pentru îndepărtarea particulelor este prezentată comparativ în figura 6.9. Aceste curbe

Poluarea aerului – soluţii de limitare

129

indică eficienţa echipamentului în eliminarea particulelor de 0.1÷1 µm. Pentru scrubărele umede şi filtrele textile, particulele foarte mici (0.1µm) pot fi îndepărtate prin difuzie browniană. Cu cât sunt mai mici particulele, cu atât mişcarea browniană creşte şi este mai uşoară colectarea lor prin difuzie. Particulele mari (>1 µm) sunt colectate, în principiu, prin impact, iar eficienţa îndepărtării lor creşte cu dimensiunea. Minimul curbei de eficienţă pentru scrubărele umede şi filtre apare în domeniul de tranziţie dintre îndepărtarea prin difuzie browniană şi prin impact.

Fig. 6.9. Curbele de eficienţă pentru dispozitivele de control a poluării aerului

O situaţie întrucâtva similară există şi la electrofiltre (EF), numite generic şi precipitatoare electrostatice. Particulele mai mari de 1µm au o mobilitate mai mare, pentru că sunt încărcate mai puternic. Cele mai mici (zecimi de micrometru) au mobilitate moderată, chiar şi la o încărcătură redusă din cauza alunecării aerodinamice. Minimul de eficienţă de colectare apare în domeniul de tranziţie dintre 0.1÷1µm. Această situaţie este mai complicată, pentru că nu toate particulele

130

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

mai mici de 0.1 µm se electrizează în câmpul ionic. De aceea, eficienţa de îndepărtare a particulelor foarte mici scade după atingerea maximului din gama submicrometrică. Selecţia tipului optim de echipament pentru colectarea particulelor trebuie completată cu o evaluare economică la faţa locului. Această situaţie apare datorită noilor micşorări a nivelurilor de emisie disponibile şi noilor îmbunătăţiri ale filtrelor textile şi a tehnologiilor performante, aplicate la proiectarea şi fabricarea electrofiltrelor. Aceste evaluări tehnico–economice pot fi impuse de condiţiile specifice şi pot crea diferenţe care ajută alegerea metodei şi echipamentului optim. Îmbunătăţirile aduse tehnologiilor de control existente pentru particule fine şi dezvoltarea tehnicilor avansate sunt ţinte prioritare de cercetare. Echipamentele covenţionale de control prezintă limitări. Electrofiltrele, de exemplu, sunt limitate de magnitudinea încărcării particulelor, câmpul electric şi reantrenarea prafului. Rezistivitatea particulelor poate afecta în sens negativ încărcarea, dar şi câmpul electric. Este nevoie de noi cercetări şi dezvoltări pentru a înfrânge rezistivitatea şi pentru a extinde performanţele electrofiltrelor. Dezvoltările recente făcute cu scopul de a creşte performanţele precipitatoarelor includ energizarea pulsativă, ionizarea razei de electroni, spaţierea suprafeţelor plane şi unităţi de preîncărcare. Filtrele textile sunt limitate de dimensiunile fizice şi de durata de viaţă a sacului. Pot fi tolerate unele sacrificări ale eficienţei, dacă pot fi obţinute raporturi textil-aer mai mari, fără reducerea duratei de viaţă a sacului (sisteme pulsatorii cu jet, îmbunătăţite). Îmbunătăţirile filtrelor textile pot fi, de asemenea, posibile prin mărirea efectelor electrostatice, care poate contribui la formarea rapidă a conglomeratului reziduurilor de filtrare. Tehnologia scrubărului este limitată de dimensiune, de posibile blocări, siguranţă generală şi consum de energie. Folosirea de forţe suplimentare asupra particulelor, pentru a le face să se mărească, fiind mai uşor de colectat la scăderile mici de presiune a picăturilor, a fost studiată îndeaproape. Dezvoltarea scrubărelor electrostatice şi a celor ce folosesc condensarea forţată a fluxului se prezintă ca un pas în această direcţie. Efectul electrostatic poate fi încorporat în scrubărele umede prin încărcarea particulelor şi/sau picăturilor concentrate din scrubăr. Scrubărele electrostatice pot fi capabile să realizeze aceleaşi eficienţe pentru eliminarea particulelor fine ca şi cele realizate de scrubărele cu viteză de pulverizare mare şi, implicit, pierderi de presiune crescute, dar cu un consum de energie mai mic. Principalele dezavantaje sunt: creşterea operaţiilor de întreţinere şi a costurilor de capital. Scrubărele cu condensare forţată combină efectele forţei fluxului (forţa de difuziune şi termică) cu condensarea vaporilor de apă. Aceste scrubăre pun în contact gazul fierbinte şi umed cu lichidul subrăcit şi/sau injecteză un curent întrun gaz saturat. S-a demonstrat că un număr dintre aceste dispozitive inovatoare pot elimina particule fine (figura 6.10). Deşi limitate din punct de vedere al

Poluarea aerului – soluţii de limitare

131

comercializării, aceste sisteme îşi pot găsi aplicaţii în diverse industrii.

Fig. 6.10. Curbele de eficienţă pentru noile dispozitivele de control al poluării aerului

6.6. Echipamente de control - avantaje şi dezavantaje Compararea alternativelor echipamentelor de control. Ultima opţiune în alegerea echipamentului este, de obicei, dictată de capacitatea echipamentului de a asigura conformarea la normele poluării, la cel mai mic cost anual uniform (investiţia amortizată plus costuri de operare şi întreţinere). Pentru a compara alternativele în privinţa echipamentului de control sunt esenţiale cunoştinţe despre aplicarea sa specifică şi locul. O selectare preliminară poate fi realizată oricum, prin revizuirea avantajelor şi dezavantajelor fiecărui tip de echipament de control a poluării. În continuare, sunt trecute în revistă avantajele şi dezavantajele generale ale celor mai populare tipuri de echipament.

132

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

Colectoare ciclon Avantaje: • cost redus al construcţiei; • echipament relativ simplu, cu doar câteva probleme de întreţinere; • scăderi de presiune de operare relativ reduse (pentru gradul de particule eliminate obţinut) în jurul a 2 la 6 mm coloană de apă; • limitările de temperatură şi presiune sunt impuse numai de materialele de construcţie folosite; • materialul colectat este recuperat uscat pentru următoarele procesări şi dispuneri; • cerinţe de spaţiu relativ mici Dezavantaje: • eficienţe de colectare a particulelor relativ scăzute pe ansamblu, în special la particule mai mici de 10 µm; • imposibilitatea de a opera cu unele materiale subţiri şi ascuţite. Scrubăre umede Avantaje: • nu sunt surse secundare de praf; • cerinţe de spaţiu relativ mici; • abilitatea de a colecta gaze ca şi particule; • posibilitatea funcţionării la temperaturi şi umidităţi mari ale vaporilor de abur; • cost de capital scăzut (dacă nu este necesar sistemul de tratare a deşeurilor din apă); • pentru unele procese, gazele sunt deja la presiune mare (deci, consideraţiile în privinţa scăderilor de presiune nu sunt semnificative); • obţinerea de eficienţe colective mari de particule fine (datorită scăderilor de presiune); • abilitatea de a opera cu curenţi de aer care conţin materiale inflamabile sau explosive; Dezavantaje: • posibile probleme la eliminarea apei; • produsul este cules ud; • probleme de coroziune mai severe decât la sistemele uscate; • opacitatea aburului şi/sau antrenarea picăturilor, este posibil restricţionabilă; • scăderea presiunii şi cererile de puteri relativ mari; • depunerea solidelor la interfaţa ud-uscat poate fi o problemă; • costuri de întreţinere relativ mari; • trebuie protejat de îngheţ; • temperatura scăzută a gazelor de ieşire reduce dispersia penei evacuate;

Poluarea aerului – soluţii de limitare

•

133

gazul de eşapament umed necesită majoritatea controalelor adiţionale.

Scrubăre uscate Avantaje: • nu există reziduuri ude pe care trebuie să le disperseze; • cerinţe de spaţiu relativ mici; • abilitatea de a colecta gaze acide la eficienţe ridicate; • abilitatea de a trata fluxuri de gaze la temperaturi ridicate; • evacuare uscată, care permite adăugarea de filtru din ţesătură pentru control particule. Dezavantaje: • eficienţa controlului gazului acid nu este atât de ridicată cum este la scrubărele umede; • nu se pot colecta particule; • probleme de coroziune mai severe; • depuneri de solide la interfaţa umed – uscat, pot crea o problemă; • costuri de întreţinere relativ mari. Electrofiltre Avantaje: • eficienţe de colectare a particulelor realizate la un consum scăzut de energie; • materialul colectat este recuperat uscat pentru procesare şi dispuneri ulterioare; • scăderi mici de presiune; • destinat operării continue, cu cerinţe minime de întreţinere; • costuri de operare relativ scăzute; • capabil de operare la presiuni mari (până la 10 bar) sau condiţii de depresiune; • capabil de operare la temperaturi mari (până la 700 oC); • ratele fluxului de gaz relativ mari, capabile de operare efectivă. Dezavantaje: • cost crescut al investiţiei de capital; • foarte sensibil la fluctuaţii în condiţiile fluxului de gaz (debit de particule, temperatura, compoziţia particulelor şi gazelor, încărcarea particulelor); • anumite particule sunt dificil de colectat datorită caracteristicilor mari sau mici de rezistenţă; • cerinţe de spaţiu relativ mari necesare instalării; • explozii întâmplătoare atunci când se tratează gaze de combustibil şi/sau se colectează particule de combustibil; • precauţii speciale necesare pentru protejarea personalului de tensiunea electrică mare;

134

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

• • • •

ozonul produs de descărcarea electrodului încărcat negativ în timpul ionizării gazelor; necesar de personal de întreţinere calificat; ionizarea gazelor poate produce disocierea constituenţilor curentului de gaz de unde rezultă anumite produse toxice ; nu este eficientă capturarea unor contaminanţi ce există ca vapori la temperaturi mari (metale grele, dioxizi).

Sistem de filtrare cu ţesătură (filtre textile) Avantaje: • eficienţe de colectare extrem de mari la particule fine (sub un micrometru) şi aspre; • relativ insensibil la fluctuaţia curentului de gaz; • eficienţa şi scăderea presiunii nu sunt afectate de schimbările mari în încărcarea prafului ce intră în filtrele de curăţare continuă; • aerul ce iese din filtre poate fi, în multe cazuri, recirculat pentru conservarea energiei; • materialul colectat este recuperat uscat pentru următoare procesări şi dispuneri; • nu sunt probleme cu dispunerea lichidului rezidual, poluarea apei sau înglobarea lichidului; • coroziunea componentelor nu este de obicei o problemă; • nu sunt tensiuni electrice mari periculoase, întreţinere simplificată şi permiterea colectării prafurilor inflamabile; • folosirea filtrelor fibroase sau granulare ajută la selectare, permiţând colectarea la eficienţe mari a fumului (submicrometru) şi a contaminanţilor gazoşi; • colectoarele filtrelor, disponibile în multe configuraţii, se găsesc într-o gamă de dimensiuni şi locaţii de intrare şi ieşire pentru a se conforma cerinţelor; • operare relativ simplă. Dezavantaje: • la temperaturi mai mari de 280 oC sunt necesare ţesături metalice sau minerale refractante ce sunt încă în stadiul de dezvoltare şi pot fi foarte scumpe; • anumite prafuri pot necesita tratamente ale ţesăturii pentru a reduce scurgerea prafului sau, în alte cazuri, pentru mutarea prafului colectat; • concentraţii de anumite prafuri în colector (peste 50 g/m3) formează o explozie periculoasă, dacă apare accidental o scânteie sau flacără; • există posibilitatea ca ţesătura să ardă, dacă praful colectat oxidează exoterm; • cerinţe de întreţinere relativ mari (saci pentru înlocuire etc.); • viaţa ţesăturii este posibil scurtată la temperaturi ridicate şi în prezenţa

Poluarea aerului – soluţii de limitare

• • •

135

particulelor acide, alcaline sau constituenţilor gazoşi; materialele microscopice, condensarea umezelii sau componentele adezive rămase pot cauza o crustă pe ţesătură sau necesita aditivi speciali; înlocuirea ţesăturii necesită protecţie respiratorie pentru personalul de întreţinere; pierderile de presiune sunt de circa 100÷250 mm coloană de apă.

Sistemelor de absorbţie (coloane de stropire cu talere sau cu umplutură) Avantaje: • scădere relativ mică a presiunii; • standardizarea construcţiei din fibră de sticlă permite operarea în atmosfere puternic corozive; • capacitatea realizării unor eficienţe înalte ale transferului de masă; • creşterea înălţimii şi/sau tipului de împachetare sau numărului de plane, pentru îmbunătăţirea transferului de masă, fără a achiziţiona noi echipamente; • costuri de capital relativ mici; • necesar de spaţiu relativ mic; • capacitatea de a colecta particule cât şi gaze; • substanţele colectate pot fi recuperate prin distilare. Dezavantaje: • posibilitatea ivirii unor probleme legate de depozitarea apei sau altor lichide; • colectarea umedă a produselor; • depozitarea particulelor poate cauza blocarea paturilor sau planurilor; • costuri de întreţinere relativ mari; • protejarea împotriva îngheţului. Comparaţii între coloane de stropire cu talere sau cu umplutură Coloane cu talere: • mai puţin predispuse la blocare; • mai uşoare; • probleme mai mici la înfundarea canalelor; • temperatura nu afectează coloana. Coloane cu umplutură: • pierderi de presiune mai mici; • mai simplu şi mai ieftin de construit; • preferate în cazul lichidelor cu tendinţe accentuate de formare a spumei. Sisteme de absorbţie Avantaje: • posibilitatea recuperării produsului;

136

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

control şi răspuns excelent la schimbările de proces; nu există probleme de depozitare de natură chimică, când poluantul (produsul) este recuperat şi întors în proces; • capacitate de automatizare şi operare nesupravegheată a sistemelor; • capacitatea de a îndepărta contaminanţi gazoşi sau sub formă de vapori din fluxurile de proces, la nivele foarte scăzute. Dezavantaje: • recuperarea produsului poate necesita o schemă de distilare (extracţie) exotermă şi scumpă; • capacitatea absorbantului se deteriorează progresiv, odată cu creşterea numărului de cicluri; • regenerarea absorbantului necesită o sursă de abur sau vapori; • costuri de capital relativ mari; • poate fi necesară prefiltrarea fluxului de gaz, pentru a îndepărta particulele care pot bloca patul absorbant; • poate fi necesară răcirea fluxului de gaz pentru a intra în domeniul de operare (< 50 °C); • debite ridicate pentru desorbirea hidrocarburilor cu greutate moleculară mare; • absorbantul folosit poate fi considerat deşeu periculos; • unii contaminanţi pot intra într-o reacţie exotermă violentă cu absorbantul.

• •

Sisteme de combustie Avantaje: • simplitatea funcţionării; • capacitatea generării unui flux termic sau a recuperării căldurii sub altă formă; • capacitatea de distrugere virtuală completă a contaminanţilor organici. Dezavantaje: • costuri de operare relativ ridicate (în parte, datorită combustibilului suplimentar necesar); • potenţiale întreruperi şi, în consecinţă, pericol de explozie; • otrăvire catalitică (în cazul arderii catalizatorilor); • combustie incompletă, ce poate potenţial crea probleme de poluare grave; • chiar şi în cazul unei arderi complete pot apărea SO2, NOx şi CO2; • temperaturile înalte de evacuare pot fi periculoase pentru personalul de întreţinere şi păsări; • necesar de întreţinere complex – în special în cazul unor operări ciclice. Condensatori Avantaje: • recuperarea pură a produsului (condensatorii cu contact indirect);

Poluarea aerului – soluţii de limitare

137

apa este utilizată ca agent de răcire la un condensator cu contact indirect şi nu intră în contact cu fluxul contaminat; • poate fi utilizat la producerea vacuumului pentru îndepărtarea contaminanţilor din proces. Dezavantaje: • eficienţe de îndepărtare relativ scăzute pentru contaminanţii gazoşi (la concentraţii tipice pentru aplicaţiile de control a poluării); • necesarul de răcire poate fi extrem de mare şi deci scump; • pot exista probleme la evacuarea apei din condensatorul cu contact direct. •

Biofiltrarea Avantaje: • utilizarea de procese şi materiale biologice naturale; • relativ simplă şi economică; • eficienţă de distrugere înaltă pentru fluxurile de gaze bogate în oxigen şi cu un conţinut scăzut de contaminanţi; • deşeurile produse sunt CO2 şi apa. Dezavantaje: • gazul brut nu trebuie să fie letal pentru microorganisme; • debitul de gaz trebuie să fie menţinut la o temperatură şi umiditate adecvată; • particulele grele pot distruge structura fragilă a patului de filtrare. Filtrarea prin membrane Avantaje: • consum redus de energie şi proiectare modulară; • costuri mici de capital şi întreţinere redusă; • capacitate superioară de separare. Dezavantaje: • în cazul unei proiectări defectuoase, pot apărea astupări datorate particulelor. Reducerea selectivă catalitică a oxizilor de azot Avantaje: • capacitate de reducere cu 90 % a NOx ; • utilizarea unui regenerant din uree deja disponibil; • produşii de evacuare sunt N2 şi apa. Dezavantaje: • catalizatorul folosit poate fi considerat deşeu periculos; • debitul de gaz trebuie să fie menţinut la o temperatură şi umiditate adecvată; • particulele grele pot distruge structura fragilă a patului de filtrare. Etapele planului de conformare. Principalele etape ale planului de conformare (puncte de îndeplinit) sunt:

138

IMPACTUL CTE ASUPRA MEDIULUI

1. date trimise la agenţia de protecţia mediului cu privire la planul de conformare şi control al surselor poluante; 2. date cu privire la decizia asupra echipamentelor de control contractate; 3. date cu privire la iniţializare construcţiei pe amplasament sau cu privire la instalarea echipamentului de control al emisiei; 4. date cu privire la finalizarea construcţiei şi instalarea echipamentului de control al emisiei; 5. date care duc la autorizarea finală. Până la începerea etapei 1 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: cercetarea preliminară şi testarea surselor, dacă este necesar; evaluarea alternativelor de control şi strângerea de fonduri; pregătirea unui plan de control preliminar în conformitate cu cerinţele agenţiei de protecţie a mediului; • vizarea de către agenţia de protecţia mediului; • finalizarea planurilor şi specificaţiilor.

• • •

Între etapa 1 şi etapa 2 trebuie îndeplinite activităţile de procurarea ofertelor pentru dispozitivele de control, evaluarea ofertelor pentru dispozitivele de control şi decizia de contractare a dispozitivelor de control. • • • • • • •

Între etapa 2 şi etapa 3 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: pregătirea de către furnizor a schemelor de asamblare; aprobarea schemelor de asamblare; pregătirea de către furnizor a schemelor de fabricare; fabricarea dispozitivelor de control; pregătirea planurilor inginereşti; furnizarea şi evaluarea ofertelor de construcţie; decizia de contractare pentru construcţie.

• • •

Între etapa 3 şi etapa 4 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: construirea pe amplasament; instalarea dispozitivelor de control; definitivarea construcţiei.

• •

Între etapa 4 şi etapa 5 trebuie îndeplinite următoarele activităţi: pornirea instalaţiei de control a poluării; realizarea probelor de funcţionare, testare şi efectuarea probelor de garanţie.

La evaluarea alternativelor de control a poluării trebuie să se aibă în vedere şi anumite limitări, specifice sursei poluante sau amplasamentului acesteia.