Dr.Namir Neimarlija prof. Dr. Rajfa Musemic
Dimnjaci u kontroli zaga đenja zraka Sarajevo, oktobar 2007.
Dimnjaci u kontroli zagađenja zraka (okoline) Najveći izvori stacionarne emisije:
•Termoelektrane i •Proizvodna industrija
Za dizajn dimnjaka potrebno poznavati odnos između:
•Proj.kar.dimnjaka, •Emisija, •Meteorologije, •Okolinskih efekata.
Faktori koji uti ču na dizajn dimnjaka:
•Standardi o kvalitetu zraka (AQS) •Meteorološki uslovi •Topografske karakteristike
Meteorologija: Potrebni parametri:
•Srednja brzina i pravac vjetra, •Intenzitet turbulencije, σθ, σφ, •Vertikalni temperaturni gradijent. Vertikalni temperaturni gradijent (lapse rate), Aproksimacija iz procjene: •Sunčeve insolacije •Solarnog ugla •Diferencijalnog grijanja
Približne tehnike za procjenu atmosferske turbulencije - Eksperimenti od Hay i Pasquill Otkrili su:
1. Standardne devijacije vertikalnih i horizontalnih komponenti pravca vjetra u ta čki ispuštanja se mogu povezati sa standardnim devijacijama koncentracija čestica u perjanici, 2. Distribucija polutanta u perjanici slijedi Gaussovu jedna činu difuzije.
Međutim, kasnije, Pasquill i Gifford napuštaju koncept povezan s uslovima na vrhu dimnjaka i uvode koncept klasa stanja (stabilnosti) atmosfere.
Procjena difuzionog potencijala atmosfere c x, y, z , he
Q 2 y z U
1 y A1 2 y
2
(1a)
1 z he A2 2 z 1 z he
A3 2
z
exp A1 exp A2 exp A3
2
(1b)
2
(1c)
(1)
Klase stabilnosti atmosfere prema Pasquill-u Pasquill oznaka klase stabilnosti
Pridružena stabilnost atmosfere
A
Ekstremno nestabilni uslovi
B
Srednje nestabilni uslovi
C
Malo nestabilni uslovi
D
Neutralni uslovi
E
Malo stabilni uslovi
F
Srednje stabilni uslovi
Odnos klasa stabilnosti prema meteorološkim uslovima Brzina vjetra – prizemna (m/s)
Noćni uslovi, oblačnost
Solarna radijacija Jaka
Srednja
Slaba
>4/8
<4/8
Us<2
A
A-B
B
-
-
2
A-B
B
C
E
F
3
B
B-C
C
D
E
5
C
C-D
D
D
D
6
C
D
D
D
D
Odnos klasa stabilnosti i parametara σy, σz
Lokalni topografski faktori Uticaj okolnih brežuljaka/brda
Formiranje vrtloga u zavjetrini brda
Dnevni efekti cirkulcije zraka
Uticaj velikih vodenih masa
METODOLOGIJA PRORAČUNA DIMNJAKA
Potrebno poznavati:
1. Meteorološke uslove, ( σy,σz) 2. Efektivnu visinu dimnjaka h e 3. Model za procjenu koncentracije polutanta 4. Standard o kvalitetu zraka (AQS) Koristimo:
Metod pokušaja i greške (trial-and-error)
Pretpostavke i izvori podataka 1. Generatorska jedinica ima kapacitet od 450 MW i spaljuje niskokalori čni ugalj čija analiza je data u Tabeli 1-2. 2. Jedan dimnjak treba dimenzionisati za izvor na traženoj lokaciji pri tome nemajući značajnih izvora zagađenja bilo u/ili unutar 25 km oko posmatranog mjesta. 3. Dimnjak treba biti dimenzioniran za kontrolu zagađenja sumpordioksidom. 4. Sastav dimnog gasa i maksimalne vrijednosti emisije su date u Tabeli 1-3. 5. Elektro-odvajači efektivno odvajaju 99.6 procenata čestica od emisija dimnjaka. 6. Dimni gasovi izlaze na temperaturi od 149º C (422 K). 7. Izlazna brzina gasova iz dimnjaka je 18.3 m/s. 8. Okolni teren je dovoljno ravan i udaljen od velikih vodenih površina i osigurava odsustvo velikih topografskih uticaja na transport polutanta. Lokacija je blizu (unutar 25 km) meteo stanice gdje se satna osmatranja brzine vjetra, pravca vjetra, naoblačenja, i temperature ambijetalnog zraka prate. 9. Ne postoje mehanizmi čišćenja koji utiču na sadržaj sumpordioksida u perjanici.
TABELA 1-2 Pretpostavljena analiza uglja za primjer prora čuna Sastojak uglja
Procenat u uglju (težinski)
Vlaga
39.3
Ugljik
35.4
Vodik
2.2
Sumpor
0.5
Kiseonik
12.3
Azot
0.4
Pepeo
9.9
Ukupno
100.0
TABELA 1-3 Vrijednosti i sastav emisije iz dimnjaka Komponenta
Emisija 103 g/s
Procenat učešća težinski
Emisija u m3/s na 422 K.
Azot (N2)
522.0
70.0
646
Ugljendioksid (CO2)
133.0
17.1
104
Vodena para (H2O)
61.1
8.2
117
Kiseonik (O2)
29.4
3.9
32
Sumpordioksid (SO2)
0.944
0.1
0.5
Azotdioksid (N2)
0.651
0.1
0.5
Čestice
0.028
0.0
-
Ukupno
747
100.0
900
Uzdizanje perjanice ( Δh) zavisi od: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Izlazne brzine dimnih gasova iz dimnjaka, Vs Prečnika dimnjaka (unutrašnji), d Srednje brzine (horizontalne) vjetra, Us Klase atmosferske stabilnosti, Pada temperature atmosfere, dT/dz
Temperaturne razlike između izlaznih gasova i okolnog zraka.
Carson-Moses-ova formula Identifikovali su dvije kontrolne varijable koje se pojavljuju u formulama dizanja perjanice: Član količine kretanja ( momentum):
C 1 d V S / U
Član toplotnog fluksa (heat flux):
C 3 Qh / U
C 2
C 4
C C V S Qh h C 1 d C 3 U U 2
4
(2)
Na osnovu podataka osmatranja perjanice došli su do slijede ćeg izraza:
V S d Qh1/ 2 h A 0.029 5.35 U U
(3)
gdje je A = 2.65 (nestabilno), 1.08 (neutralno), 0.68 (stabilno)
Poređenje članova količine kretanja i toplotnog fluksa: Član od kol.kretanja: Vs= izlazna brzina = 18.3 m/s d = prečnik dimnjaka = 7.92 m U = brzina vjetra = 2.23 m/s )
Momentum term =
0.029 18.3 7.92 2.23
Član topl.fluksa: Qh = CpM(Ts-Ta) Ts = izlazna temperatura = 422 K Ta = ambijentalna temperatura zraka = 293 K M = maseni protok = 7.45 x 105 g/s Cp = toplotni kapacitet = 0.24 cal/gK
Qh =
0.24 7.45 105 422 293 1,000
1.88
Heat flux term Momentum term
23,000 kcal / sec
Heat flux term = 5.5 23,000
1/ 2
/ 2.23 364
364 1.88
194
Briggs-ove formule Uvodi koncept konzervacije uzgona i temperaturnog potencijala. Za nestabilne do neutralne uslove (Pasquill klase stabilnosti A do D):
h 0.25
Qh1/ 3hp2 / 3
(4)
U
Za stabilne uslove (Pasquill klase stabilnosti E do F):
Qh h 0.296 U / z
1/ 3
(5)
Primjer proračuna visine dimnjaka ZADATAK: Naći visinu dimnjaka koja će osigurati maksimalno 1300 μg/m3 prizemnu koncentraciju SO 2 (standardna tročasovna).
Koristimo jedna činu: c x, y, z , he
Q 2 y z U
1 y 2 1 z he 2 1 z he 2 exp exp exp 2 2 2 y 2 z 2 2 z
Pojednostavljenja: • Prizemne koncentracije će biti određene za z = 0. • Maksimalne prizemne koncentracije se pojavljuju duž ose x gdje je y = 0.
1 he2 c x,0,0, he exp 2 y z U 2 z Q
b x a x y y
σ
z
y
x a z x b
z
(6)
(7) (8)
TABELA 1-5 Opis koeficijenata ay (m)
az (m)
by (m)
bz (m)
Opis stabilnosti
Pasquill klasifikacija
Vrlo nestabilna
A
213
452
0.862
2.100
Nestabilna
B
156
109
0.882
1.090
Srednje nestabilna
C
104
60.6
0.904
0.916
Neutralna
D
68.0
31.3
0.910
0.619
Srednje stabilna
E
50.1
35.0
0.914
0.369
Stabilna
F
33.7
23.0
0.907
0.310
Uvrštavajući izraze (7) i (8) u jedna činu (6) dobijamo:
c x,0,0, he
A exp B / x n x
m
Gdje su:
A B
Q a y a z U
1 he
2 a z
m b y b z
n 2b y
(10)
2
(11)
(12) (13)
(9)
Rastojanje x gdje se pojavljuje maksimalna koncentracija:
B n x m
1/ n
(14)
Uvrštavajući (14) u (9) dobijamo:
Bne c max x,0,0, he A m
m / n
(15)
Efektivna visina dimnjaka
he h p h
(16)
Koristimo Briggsove formule: Pasquill klase stabilnosti A do D: Pasquill klase stabilnosti E do F:
h 0.25
Qh1/ 3 hp2 / 3 U
Qh h 0.296 U / z
1/ 3
Potrebni meteorološki podaci •Brzina vjetra •Klasa stabilnosti •Gradijent temperature / z 0.03 K/m
h p U U 0 h0
n
(17)
TABELA 1-7 Eksponenti zakona potencije brzine vjetra Klasa stabilnosti A,B Nestabilno C,D Nestabilno – neutralno E,F Stabilno
Eksponent, n 0.111 0.143 0.200
TABELA 1-6
Godišnje frekvencije distribucije klasa stabilnosti i pridruženih srednjih brzina vjetra. Klasa stabilnosti
Frekvencija pojavljivanja
Srednja pridružena brzina vjetra
Pasquill no.
Opis
(%)
(m/s)
A
Ekstremno nestabilno
0.4
1.16
B
Nestabilno
4.4
2.13
C
Malo nestabilno
10.4
3.59
D
Neutralno
57.1
6.33
E
Malo stabilno
10.8
3.82
F
Stabilno
16.9
1.40
Određivanje toplotne emisije Q h iz dimnjaka: Qh MC P T S T a
(18)
M = masena emisija iz dimnjaka = 7.47 x 10 5 g/s Cp = specifični toplotni kapacitet dimnog gasa = 2.40 x 10-1 cal/gK Ts = Temperatura dimnog gasa = 422 K Ta = temperatura zraka, u rasponu od 1ºC do 24ºC tokom godine. Jednako 11ºC (srednja), ili 284 K.
Procedura rješavanja: 1. 2.
3. 4. 5.
6.
7. 8. 9.
Izabrati početnu visinu dimnjaka (30 m). Pogledati u podatke godišnje distribucije frekvencije klasa stabilnosti i pridru ženih srednjih brzina vjetra. Ova informacija je sa žeta u Tabeli 1-6 za primjer određivanja hipoteti čke visine dimnjaka. Izaberi Pasquill klasu stabilnosti A kao po četnu. Iz Tabele 1-5, izaberi koeficijente ay, az, by, i bz koji odgovaraju klasi stabilnosti izabranoj u koraku 2. Koriguj prizemnu brzinu vjetra na visinu vrha dimnjaka koristeći jednačinu (17), gdje n se određuje iz Tabele 1-7 za odabranu klasu stabilnosti. Izračunaj A iz jednačine (10), gdje je korištena brzina vjetra korigovana brzina prema visini vrha dimnjaka izra čunata u koraku 4. Vrijednost emisije korištena u primjeru proračuna je vrijednost emisije sumpordioksida data u Tabeli 1-3, izra žena u mikrogramima po sekundi, μg/sec. Izračunaj dizanje perjanice, Δh, iz jednačine (4) ili jednačine (5). Za Pasquill klasu stabilnosti A do D koristi jednačinu (4). Za Pasquill klase stabilnosti E do F koristi jedna činu (5). Član / z se može aproksimirati vrijednožću 0.03 K/m. Korištena brzina vjetra je korigovana brzina za vrh dimnjaka izračunata u koraku 4. Emisija toplote se mo že izračunati iz jedna čine (18). Dodaj dizanje perjanice po četnoj visini dimnjaka da se dobije he, efektivna visina dimnjaka. Izračunaj član Be iz jednačine (11), gdje je e baza prirodnih logaritama (2.718). Izračunaj m/n i n/m, gdje m i n su definisani jednačinama (12) i (13), respektivno. m / n i uporedi sa standardom. Izračunaj cmax A Ben / m
TABELARNI PREGLED PRORA ČUNA
Ograničenja metode 1. 2. 3. 4.
Efekti relativne visine dimnjaka Efekti vremena uzorkovanja Višestruki izvori Pozadinski efekti
2. Efekti vremena uzorkovanja:
10 c S c10 t S
0.17
1 hr 10 min x 60 min 1 3 hr
(18) 0.17
0.61
(19)
