大気汚染管理–粒子状物質排出の管理
大気汚染管理–粒子状物質排出の管理
鉄鋼プラントには、高温で行われるいくつかの冶金プロセスがあります。さらに、これらのプロセスの多くは原材料を処理し、それらのいくつかは罰金の形をとっています。したがって、これらすべてのプロセスは、汚染ガスや粒子状物質を大気中に放出する傾向があります。実際、これはプラント周辺の空気の質に影響を与えます。大気の質を改善および保護するために、排出物の管理にさまざまな汚染防止装置が使用されています。
数年前から、汚染防止装置は、汚染物質の量が非常に多いか、本質的に有毒であるプロセスにのみ使用されていました。これらの機器は、ある程度の回復価値がある場所でも以前に使用されていました。しかし、今日、環境規制がますます厳しくなり、環境に対する社会の関心が高まるにつれ、鉄鋼業界は排出量を調査し、排出量を最小限に抑えるためにすべての分野に機器を設置する必要があります。可能なレベル。排出制御装置は、基本的に（i）粒子状排出制御装置と（ii）ガス状排出制御装置の2種類です。この記事では、粒子状物質の排出制御システムについて説明します。
過去30年間に採用された粒子状物質（PM）規制は、全浮遊粒子（TSP）を含む粗いモード粒子の規制から、PM10およびPM2.5サイズ範囲の非常に小さな粒子の規制に徐々に移行しています。この変化は主に、健康への影響に関する研究データが、小さな粒子が健康への悪影響と最も密接に関連していることを示したために発生しました
粒子状物質の排出規制は、産業革命の初期段階にまでさかのぼります。 1600年代でも、粒子状物質の排出と、固形物の堆積、布地の汚れ、材料の腐食、建物の変色などの問題との関係を見ることができました。技術と一般の認識が拡大するにつれて、粒子状物質の排出も特定の種類の肺疾患と関連する病気に寄与することが明らかになりました。
1940年代後半、いくつかのタイプの粒子状物質制御システムは、比較的基本的な設計から、現在の高効率システムに似た形式に進化しました。たとえば、電気集じん器（ESP）は、酸ミスト制御用の1フィールドの管状ユニットから、1フィールドおよび2フィールドのプレートタイプの集塵器に進化しました。ベンチュリースクラバーも粒子状物質の管理に使用されるようになりました。これらの制御システムは、主にほこりによって引き起こされる迷惑や問題を最小限に抑えるために設置されました。
粒子状物質は、（i）一次粒子状物質と（ii）二次粒子状物質の2つのカテゴリーに分類できます。一次粒子状物質は、大気中に直接放出される物質です。これらの排出物は、1997年以前のすべての粒子状物質管理措置の焦点でした。一次粒子状物質は、0.1マイクロメートル未満から100マイクロメートルを超える粒子で構成されている可能性があります。ただし、主要な粒子状物質のほとんどは粗いカテゴリに分類されます。
微粒子および超微粒子を対象としたPM2.5規格の公布により、二次粒子状物質に関する注目が高まっています。これは、ガス状の前駆体の反応によって大気中に形成される粒子状物質です。二次形成プロセスは、新しい粒子の形成または既存の粒子への粒子状物質の追加をもたらす可能性があります。二次粒子状物質の形成に最も一般的に関連するガスには、二酸化硫黄、窒素酸化物、アンモニア、および揮発性有機化合物（VOC）が含まれます。これらのガス状前駆体のほとんどは、人為的発生源から放出されます。ただし、生体源は、一部の窒素酸化物、アンモニア、揮発性有機化合物にも寄与します。
二次粒子状物質はさらに2つのカテゴリーに分類できます。すなわち、（i）人為的および生物起源の発生源から放出される凝縮蒸気から形成される二次粒子状物質と（ii）ガス状前駆体の大気反応によって形成される二次粒子状物質です。 VOCと硫酸は、凝縮して二次粒子状物質を形成する可能性のある排出物の2つの一般的な例です。これらの材料は、静止したソースガスストリームで蒸気が発生するため、高効率デバイスを含む粒子状物質制御システムを通過します。ただし、気相材料は、特定の条件下で、周囲空気中で凝縮して、周囲サンプリングシステムによって測定された粒子を形成する可能性があります。凝縮性粒子状物質の相対的な重要性は、評価され始めたばかりです。
プロセスで形成される粒子サイズの範囲は、存在する粒子形成メカニズムのタイプに大きく依存します。評価されるプロセスでこれらのどれが重要であるかを認識するだけで、一般的なサイズ範囲を見積もることができます。大気汚染源における最も重要な粒子形成メカニズムには、（i）物理的摩耗/機械的分散、（ii）燃焼粒子の燃焼、（iii）均一凝縮、（iv）不均一核形成、および（v）液滴蒸発が含まれます
物理的な摩耗は、2つの表面が擦れ合うときに発生します。さらに、燃料粒子が燃焼プロセスの高温炉領域に注入されると、ほとんどの有機化合物がガス流中で蒸発および酸化されます。揮発性物質が出るにつれて、燃料粒子は小さくなります。燃料粒子は、有機化合物で構成された不燃性物質（灰）とゆっくり燃焼するチャーだけに急速に還元されます。最終的には、ほとんどのチャーも燃え、主に不燃性の物質が残ります。酸化が進むにつれて、100 mm〜1,000 mmの粒子として始まった燃料粒子は、主に1mmから10mmの範囲の灰とチャーの粒子に還元されます。粒子形成のこのメカニズムは、燃焼燃料のバーンアウトと呼ぶことができます。
均一核形成および不均一核形成は、気相材料の粒子状物質形態への変換を伴う。均一な核形成は、ほぼ完全に気相材料で構成される新しい粒子の形成です。不均一核形成は、他のメカニズムによって形成された粒子の表面に物質が蓄積することです。どちらの場合も、蒸気を含むガス流は、核形成が発生する可能性のある温度まで冷却する必要があります。
一部の大気汚染防止システムは、湿式スクラバーからリサイクルされた固形物を含む水を使用してガス流を冷却します。この方法では、燃料の燃え尽き症候群と非常によく似た別の粒子形成メカニズムが誤って作成されます。水流は、高温ガス流への注入中に噴霧されます。これらの小さな液滴が蒸発乾固すると、懸濁および溶解した固形物が小さな粒子として放出されます。このメカニズムによって作成された粒子サイズの範囲は、広く研究されていません。ただし、おそらく0.1mmから2.0mmのサイズの粒子が作成されます。
大気汚染防止システムは、粒子をガス流から除去するために粒子に力を加えます。力は基本的に、粒子の収集に使用できる「ツール」です。これらの収集メカニズムの力はすべて、粒子サイズに強く依存します。加えられる力は、（i）重力沈降、（ii）慣性衝突と遮断、（iii）粒子ブラウン運動、（iv）静電引力、（v）熱泳動、および（vi）拡散泳動です。
静電力や慣性力など、これらの力の1つまたは複数を適用すると、粒子を収集できる方向に加速します。粒子が加速される程度は、方程式'F =Mp x Ap'で示されます。ここで、Fは粒子にかかる力（グラムセンチメートル/秒）、Mpは粒子の質量（グラム）、Apは粒子の加速度（cm / sq秒）。大気汚染防止装置は、ガス流中の粒子に可能な限り最大の力を加えるように設計されています。粒子（または粒子の凝集塊）が加速されるほど、大気汚染防止装置はより効果的かつ経済的になります。
ファブリックフィルターや電気集じん器などの高効率粒子状物質制御システムでの粒子状物質の収集には、3つの基本的なステップが含まれます。これらは、（i）垂直面での粒子の最初の捕捉、（ii）ホッパーへの固体の重力沈降、および（iii）ホッパーからの固体の除去です。粒子収集メカニズムは、最初の2つのステップ、つまり、入ってくる粒子の最初の捕獲と収集された固体の重力沈降の有効性を制御します。これらの各ステップでは、粒度分布が重要です。
すべての粒子状物質排出制御装置は、加えられた力を伴うメカニズムによって粒子状物質を収集します。さまざまな粒子状装置は、沈殿チャンバー、サイクロン、バッグフィルター、電気集じん器です。これらの機器のほこり除去のメカニズムと加えられた力を図1に示します。
図1ほこりの除去のメカニズム
セトリングチャンバー
沈降チャンバーは、粒子状物質の排出を制御するために使用された最初の装置の1つでした。しかし、粒子を集める効果が非常に低いため、今日ではほとんど使用されていません。沈降チャンバー内の収集力は重力です。ガス流中を十分にゆっくりと移動する大きな粒子は、重力によって克服され、沈降チャンバーに集められます。
ユニットは、入口、チャンバー、出口、および集塵ホッパーを備えた長い水平ボックスとして構成されています。粒子を含んだガス流の速度は、チャンバー内で減少します。ガス流中のすべての粒子は重力の影響を受けます。チャンバー内のガス速度が低下すると、大きな粒子（40マイクロメートルより大きい）が克服され、ホッパーに落下します。これは主に、他の粒子状物質排出制御装置のプレクリーナーとして使用され、非常に大きな粒子を除去します。図2は、単純な重力沈降チャンバーの設計を示しています。
図2単純な重力沈降チャンバーの設計
サイクロン
サイクロンは、ガス流から比較的大きな粒子を除去するために通常使用される単純な機械装置です。これらは、電気集じん器やバッグフィルターなどのより高度な大気汚染防止装置のプレクリーナーとして使用されます。サイクロンは、チャンバーを沈殿させるよりも効率的です。
機械装置は、粒子の慣性を収集に使用します。粒子を含んだガス流は、サイクロン様式で回転するように強制されます。粒子の質量により、粒子は渦の外側に向かって移動します。大口径粒子のほとんどは、ガス流が回転してチューブを出るときに、サイクロンチューブの下のホッパーに入ります。
サイクロンには主に（i）大径サイクロンと（ii）小径マルチサイクロンの2種類があります。大口径サイクロンは通常直径300mmから2mです。小径のマルチサイクロンの直径は通常80mmから300mmです。
ガス流は接線方向にサイクロンに入り、サイクロン本体に回転するガスの弱い渦を生成します。大口径の粒子はサイクロン本体の壁に向かって移動し、サイクロンのホッパーに落ち着きます。浄化されたガスは回転してサイクロンから排出されます。大径サイクロンは、直径1.5mmから150mmを超える粒子を収集するために使用されます。
サイクロンでの粒子収集に使用される収集力は、遠心力と重力です。サイクロンの形状または曲率により、ガス流がらせん運動で回転します。大きな粒子は、その運動量によって壁の外側に向かって移動します。粒子はそこで運動エネルギーを失い、ガス流から分離されます。次に、これらの粒子は重力によって打ち負かされ、落下して収集されます。サイクロンの入口は、流入するガスの流れのパターンを直線の流れから円形のパターンに変えて渦を形成するように設計されています。
マルチサイクロンの場合、アキシャルサイクロンが並行して使用されます。アキシャルサイクロンでは、ガスは上部から入り、センターチューブに取り付けられたベーンによって渦パターンに導かれます。マルチサイクロンでは、汚れたガスがすべての個々のサイクロンから均一に流入します。図3にサイクロンデバイスを示します。
図3Cycloneデバイス
バッグフィルター
バッグフィルターは、ナイロンやウールなどのフィルター素材を使用して、ほこりを含んだガスから粒子を除去します。粒子は布地に保持されます。クリーンガスが材料を通過する間。次に、収集された粒子は、機械的振とうまたはエアブラストの使用のいずれかである洗浄メカニズムによって布フィルターから除去される。除去された粒子は収集ホッパーに保管されます。バッグフィルターに使用されているさまざまな繊維材料とその特性を表1に示します。
| タブ1バッグに使用される一般的な生地 | |||||
| ファイバー | 最高気温 | 耐酸性 | 耐アルカリ性 | フレックス耐摩耗性 | |
| deg C | |||||
| 82 | 107 | ||||
| 88 | 93 | ||||
| 93-107 | 121 | ||||
| 116 | 127 | ||||
| 135 | 163 | ||||
| 204 | 218 | ||||
| 204-232 | 250 | 三フッ化物、塩素、溶融アルカリ金属に乏しいことを除いて優れています | |||
| 260 | 288 | ||||
バッグフィルターでは、衝突、直接遮断、拡散という3つの別々の力が、ガスからの粒子の除去とその収集に関与します。衝突は、粒子が非常に大きいためにガス流に追随できず、バッグフィルターの繊維に衝突または衝突してガス流から分離した場合に発生します。直接衝突の場合、粒子の中心と繊維の間の距離が粒子の半径よりも小さいために衝突が発生するまで、粒子は繊維の周りのガス流をたどります。拡散は、非常に小さな粒子がガスボリューム全体でブラウン運動を起こすために発生します。非常に小さな粒子は、ガス流中の分子の衝突の影響を受けます。これらのランダムに移動する粒子は、ガスを通って拡散し、繊維に衝突して収集されます。
バッグフィルターには通常、バッグフィルターに垂直にぶら下がっている多数の円筒形ファイバーバッグがあります。ほこりの層が十分な厚さになると、バッグが洗浄され、ほこりの粒子が収集ホッパーに落下します。バッグはさまざまな方法で清掃できます。最も一般的な3つの方法は、振とう、逆空気洗浄、およびパルスジェットです。機械的振とうでは、堆積したほこりを取り除くために、駆動システムによってバッグが穏やかに振られます。リバースエアクリーニングメカニズムでは、バッグフィルターコンパートメントは低圧の空気流で逆洗されます。バッグを折りたたむだけでホコリが取れます。パルスジェット洗浄メカニズムは最も一般的なメカニズムです。高圧の空気ジェットを使用して、バッグからほこりを取り除きます。ダストケーキは、バッグチューブの上部に注入された圧縮空気の吹き付けによってバッグから除去されます。高圧空気の吹き付けにより、フィルターを通過する通常の空気の流れが停止します。空気は衝撃波に発展し、衝撃波がバッグチューブを伝わるときにバッグが曲がったり膨張したりします。ケーキが曲がると、ケーキが壊れ、堆積した粒子がバッグから落下します。衝撃波は約0.5秒でチューブを下に移動してバックアップします。圧縮空気の吹き付けは、バッグの長さを移動し、ダストケーキを粉砕または粉砕するのに十分な強さである必要があります。
バッグフィルターのバッグには寿命があり、この寿命が終わったら交換する必要があります。 3つの条件がバッグの寿命に悪影響を及ぼします。これらは、摩耗、高温、および化学的攻撃です。
バッグフィルターの設計における重要な変数の1つは、空気と布の比率です。空気と布の比率が非常に高いと、圧力が過度に低下し、収集効率が低下し、バッグがほこりで固く固まり、バッグが急速に劣化します。図4にパルスジェットバグハウスフィルターを示します。
図4パルスジェットバグハウスフィルター
電気集じん器
電気集じん器は、0.1マイクロメートルから10マイクロメートルのサイズ範囲の直径を持つ粒子を収集するために使用されます。不均一な高電圧フィールドを使用して、フィールド内を移動する粒子に大きな電荷を印加します。荷電粒子は反対に帯電した収集表面に向かって移動し、そこで蓄積します。その収集効率は高く、99％を超えることもあります。 ESPは、175℃から700℃の温度範囲で大量の排気ガスを処理できます。
電気集じん器には、主に（i）負に帯電した乾式集じん器、（ii）負に帯電した湿式壁集じん器、（ii）正に帯電した2段式電気集じん器の3つのスタイルがあります。負に帯電した乾式集塵器は、大規模なアプリケーションで最も頻繁に使用されるタイプです。湿式壁集塵器（湿式集塵器と呼ばれることもあります）は、適度に粘着性のあるミストや固体物質を収集するために頻繁に使用されます。正に帯電した2段式集塵器は、ミストの除去にのみ使用されます。図5に電気集じん器とその概念を示します。
図5電気集じん器
ESPに関与する粒子収集メカニズムは静電力です。煙道ガスに浮遊しているダスト粒子は、ESPを通過するときに帯電します。小径の放電電極と収集電極からなる電極系には、高電圧の脈流直流電流が流れます。放電電極は通常負に帯電しています。収集電極は通常接地されています。印加電圧は、放電電極の周りに明るい青色の輝きとして見えるコロナ放電が発生するまで増加します。コロナはガス分子をイオン化します。生成された負のガスイオンは、接地された収集電極に向かって移動します。負のガスイオンは、煙道ガスの流れに浮遊している粒子に衝突し、それらに負の電荷を与えます。次に、負に帯電した粒子が収集電極に移動して収集されます。
ESPには6つの重要な要素があります。これらは、（i）放電電極、（ii）収集電極、（iii）電気システム、（iv）ラッパー、（v）ホッパー、および（vi）シェルです。放電電極は通常、小径の金属線です。この電極は、ダスト粒子を帯電させるガスをイオン化し、強い電界を生成するために使用されます。収集電極は、放電電極の電荷と反対の電荷を持つ平板またはチューブのいずれかです。この電極は荷電粒子を収集します。電気システムは、放電電極と収集電極の間の電界の強さを制御するために使用される高電圧コンポーネントで構成されています。ラッパーは、集められたほこりを取り除くために電極に振動または衝撃を与えます。ラッパーは、収集電極と放電電極の両方に蓄積したほこりを取り除きます。ホッパーはESPの下部にあり、ラッピングプロセス中に除去されたほこりを収集して一時的に保管するために使用されます。シェルは電極を囲み、ESP全体をサポートします。
ダスト粒子の抵抗率は、ESPの収集効率に大きく影響します。抵抗率は、電流の流れに対する収集されたダスト層の抵抗を表します。抵抗率の高い粒子は、通常の抵抗率の粒子よりも収集が困難です。 ESPに流入する煙道ガスの温度と含水率を調整することにより、高抵抗率を下げることができます。ただし、温度と水分を調整するときは、煙道ガスの温度が露点を超えていることを確認する必要があります。そうしないと、プレートが腐食します。
ESP設計の重要なパラメータの1つは、ESPへのガス流量に対する収集表面積の比率として定義される特定の収集領域です。所定の煙道ガス流量に対して表面積を増やすと、通常、集塵器の収集効率が上がります。
製造プロセス