Reducerea Poluării Atmosferice prin Îmbunătățirea Performantelor de Filtrare ale Precipitatoarelor Electrostatice

Introducere

Una dintre cele mai importante probleme ale epocii moderne o reprezintă poluarea atmosferică. Acest fenomen, extrem de complex, a devenit obiectul de interes al mai multor organizaţii internaţionale, deoarece, consecinţele poluării atmosferice se fac resimţite peste hotarele ţărilor.

În general se poate vorbi de o poluare regională, care constă în contaminarea atmosferei prin deşeuri sau subproduse lichide, solide sau gazoase care pun în pericol sănătatea oamenilor, plantelor şi animalelor sau pot ataca materiale, pot reduce vizibilitatea sau pot provoca mirosuri dezagreabile. La scară planetară, eliminarea sau acumularea în atmosferă a anumitor produse, duc la consecinţe ireparabile asupra echilibrului natural al planetei: distrugerea stratului de ozon şi încălzirea globală a atmosferei. Rezultatele sunt deja vizibile: pe de o parte, suprafaţa Pământului este supusă în mod constant radiaţiilor ultraviolete care nu mai sunt filtrate suficient de pătura de ozon şi care sunt extrem de dăunătoare vieţii, şi pe de altă parte, încălzirea atmosferei produce schimbări climatice importante. În aceste condiţii, majoritatea ţărilor industriale au emis în ultimile decenii, anumite legi privitoare la nivelurile maxime admisibile de poluare atmosferică. Astfel, există o preocupare foarte intensă pentru ameliorarea mijloacelor de filtrare existente sau pentru găsirea unor soluţii noi, mai eficiente şi mai puţin costisitoare.

Printre tehnicile de filtrare cel mai adesea utilizate pentru reţinerea particulelor existente în gazele rezultate în urma diferitelor activităţi industriale, un loc important îl ocupă precipitatoarele electrostatice (numite şi filtre electrostatice sau electrofiltre). Aceste instalaţii de filtrare au la baza principiului de funcţionare încărcarea cu sarcină electrică a particulelor pentru ca acestea să fie reţinute. Sub acţiunea câmpului electric, particulele colectate sunt depuse pe suprafeţele unor electrozi de colectare. Din punctul de vedere al masei particulelor colectate, precipitatoarele electrostatice asigură o eficienţă de filtrare superioară procentului de 99%. Un alt mare avantaj al acestor filtre îl constituie şi faptul că acestea pot trata debite foarte mari de gaze, producând în acelaşi timp pierderi de presiune foarte mici în instalaţiile de evacuare ale acestora.

Deşi eficienţa de filtrare a precipitatoarelor electrostatice este foarte ridicată, studii recente au arătat că randamentul în cazul particulelor cu diametre cuprinse între 0,1 şi 1μm, este foarte scăzut. Interesul pentru ameliorarea funcţionării acestor instalaţii a crescut considerabil în urma cercetărilor care au adus în evidenţa faptul că particulele fine sunt cele mai dăunătoare sănătăţii.

Ameliorarea funcţionării electrofiltrelor necesită înţelegerea fenomenelor fizice care intervin în procesul de separare electrostatică. De-a lungul timpului, au fost create modele teoretice simple care au stat la baza dimensionării electrofiltrelor mai bine de o jumătate de secol. Odată cu dezvoltarea mijloacelor moderne de calcul, s-au putut crea noi metode de dimensionare a electrofiltrelor, ce au condus la progrese apreciabile în domeniul precipitării electrostatice. Totuşi, datorită complexităţii fenomenelor fizice prezente în electrofiltre, unele aspecte sunt încă neglijate în noile teorii elaborate.

Obiectivul acestui proiect este acela de a lărgi sfera de cunoştinţe privitoare la modul de încărcare al particulelor în electrofiltre şi la caracteristicile curgerii de gaz între electrozii acestora, ţinând cont de curgerea de gaz existentă. Astfel, având la bază activităţile de cercetare în domeniul precipitării electrostatice începute în cadrul LME (UPB) în urmă cu aproximativ opt ani, au fost realizate o serie de programe de calcul care permit simularea unor procese ce au loc în interiorul electrofiltrelor.

Lucrarea este împărţită în şase capitole. În primul capitol este prezentat un studiu bibliografic privind construcţia şi funcţionarea electrofiltrelor. Sunt prezentate tipurile de electrofiltre existente în prezent precum şi principiul de funcţionare al acestora.

În capitolul 2 sunt prezentate problemele specifice ale electrofiltrelor şi modelele de funcţionare analitice şi numerice existente.

Capitolul 3 descrie mecanismele de încărcare cu sarcină electrică a particulelor existente în precipitatoarele electrostatice. Se prezintă principalele modele de încărcare cu sarcină electrică a particulelor, printre ele fiind şi modelul elaborat de Lawless, care a fost utilizat ulterior în simulările numerice.

Capitolul 4 prezintă modelele fizice si matematice utilizate pentru realizarea programelor de simulare. Sunt prezentate cele două componente fundamentale: problema electrică (calculul repartiţiilor E şi ρ) şi problema aerodinamică (calculul câmpului de viteze al gazului). Capitolul 5 prezintă modelul matematic utilizat pentru simularea traiectoriilor particulelor în interiorul electrofiltrului.

În ultimul capitol sunt prezentate si discutate principalele rezultate numerice obţinute referitoare la traiectoriile particulelor şi procesul de încărcare cu sarcină electrică a acestora. Lucrarea elaborată se încheie cu o parte destinată concluziilor generale.

Capitolul 1. Construcţia şi funcţionarea filtrelor electrostatice.

1.1. Principiul de funcţionare

Funcţionarea filtrelor electrostatice se bazează pe acţiunea forţelor electrice care sunt exercitate asupra particulelor încărcate cu sarcină electrică prin intermediul unui câmp electric. Spre deosebire de mijloacele de filtrare clasice (de exemplu filtrele mecanice care utilizează forţele de inerţie sau cele centrifuge), în precipitatoarele electrostatice, forţele separatoare acţionează direct asupra particulelor ce trebuiesc reţinute.