Każdego roku, gdy zaczyna się okres grzewczy, w prawie całej Polsce przekraczane są dopuszczalne normy zanieczyszczenia powietrza. Wypadamy źle nie tylko na tle Europy, ale i świata, z Warszawą i Wrocławiem na liście 10 najbardziej trujących dużych miast [1]. Raportowane zanieczyszczenia to m.in. powodujący choroby serca i układu oddechowego pył zawieszony PM2.5 i PM10 i dwutlenek azotu. Tymczasem o dwutlenku siarki, o którym jeszcze kilkadziesiąt lat temu mówiono jako najważniejszym składniku smogu, nie wspomina się już często. Dlaczego?
Gdzie się podziały kwaśne deszcze?
W naszym kraju dwutlenek siarki jest emitowany do atmosfery głównie na skutek spalania paliw kopalnych, które zawsze zawierają pewną ilość siarki. Przez ten związek chemiczny powstają kwaśne deszcze, czyli opady atmosferyczne o odczynie kwasowym, które latami niszczyły zabytki, lasy i zakwaszały ekosystemy wodne (Rys. 1).
Rozwiązaniem problemu okazał się być montaż instalacji odsiarczających. Dzięki temu w Polsce zredukowaliśmy emisję dwutlenku siarki o 72% [2, 3], a przekroczenia stężenia dobowego SO2 zostały zredukowane do kilku dni w roku. Udało się wobec tego ograniczyć występowanie choć jednego z występujących zanieczyszczeń. Ten sukces zawdzięczamy między innymi postępowi w odsiarczaniu spalin, procesowi polegającemu na neutralizacji dwutlenku siarki. Ta metoda występuje w wielu wariantach.
W dalszej części artykułu omówimy mokrą metodę odsiarczania, której produktem są oczyszczone spaliny oraz wartościowy produkt uboczny – gips.
Rys. 1: Spalanie paliw kopalnych jest przyczyną emisji dwutlenku siarki, związku chemicznego odpowiedzialnego m.in. za kwaśne deszcze, źródło zdjęcia: unsplash.com
Jak pozbyć się siarki ze spalin?
Proces mokrego odsiarczania spalin odbywa się w urządzeniu, które nazywane jest absorberem (Rys. 2). Jest to zbiornik, najczęściej walcowy, wypełniony do około połowy wysokości zawiesiną wodorotlenku wapnia i gipsu. Przez wlot, umieszczony nad powierzchnią zawiesiny, wprowadzane są zanieczyszczone spaliny. Jednocześnie pompy recyrkulacyjne transportują zawiesinę z dna zbiornika i doprowadzają ją do systemu dysz zraszających. Wobec tego strumień spalin napotyka opadające krople zawiesiny absorbentu. Produktem reakcji dwutlenku siarki z aborbentem jest siarczyn wapniowy.
Jeśli zawiesina jest odpowiednio napowietrzona, to siarczyn wapniowy utlenia się do siarczanu wapniowego. W procesie odsiarczania otrzymamy zatem wartościowy produkt uboczny w postaci gipsu. Z tego względu istotnymi elementami absorbera są dysze napowietrzające i mieszadła. Rolą mieszadeł (Rys. 3) jest zapobieganie osadzania się cząstek stałych na dnie absorbera i zapewnienie jak najlepszego rozproszenia pęcherzyków powietrza w zawiesinie.
Rys. 2: Schemat absorbera, opracowany na bazie `{`4`}`
Problem doboru komponentów do absorbera
Odpowiedni dobór mieszadeł do instalacji jest zatem bardzo ważny dla procesu odsiarczania spalin. Dodatkowo, warunki stawiane dostarczanym urządzeniom pod kątem trwałości i gwarancji dotrzymania wymagań procesowych są rygorystyczne. Z tych powodów do oceny skuteczności działania mieszadeł firma REDOR stosuje symulację komputerową.
Rys. 3: Mieszadło absorbera, źródło: REDOR
W przypadku absorberów pojawia się szereg trudności dotyczących modelowania numerycznego. Procesy zachodzące w absorberze są złożone i wielofazowe, co przekłada się na duży koszt obliczeniowy. Dodatkowym utrudnieniem jest stosunek wymiarów poszczególnych elementów. Podzespoły o niewielkim rozmiarze, takie jak napowietrzacze czy mieszadła, znajdują się w zbiorniku o rozmiarze o rząd wielkości większym. Przekłada się to na konieczność stosowania gęstej siatki obliczeniowej w dużej objętości absorbera. Co więcej, poszczególne modele interakcji między fazami, które mogą istotnie wpływać na wynik symulacji, są opisane licznymi zależnościami empirycznymi i wymagają kalibracji w odniesieniu do danych eksperymentalnych. Wobec tego, aby skalibrować model numeryczny należałoby wykonać wiele kosztownych symulacji.
Z tego względu firma REDOR podjęła współpracę z Symkom. Jej celem było opracowanie metodyki modelowania procesów zachodzących w absorberze pozwalającej na obniżenie kosztu obliczeniowego symulacji, przy uwzględnieniu jak największej liczby czynników. Do zdefiniowania modelu zastosowano oprogramowanie Ansys Fluent, flagowy produkt firmy do analiz przepływowych.
Zastosowanie Ansys Fluent i EnSight w symulacji absorbera
W pierwszym etapie podjęto temat modelowania rozproszenia pęcherzyków powietrza w zawiesinie znajdującej się absorberze. Zaproponowane podejście jest następujące: zamiast całego zbiornika modelowany jest jego cykliczny wycinek (Rys. 4). Powierzchnia swobodna mieszaniny zastąpiona zostaje odpowietrzającym warunkiem brzegowym. Oprócz tego, w modelu nie uwzględnia się geometrii dysz napowietrzających ani mieszadeł, a stosuje modele zastępcze w postaci źródeł masy i pędu.
Do zdefiniowania takich modeli zastępczych można zastosować funkcje użytkownika (User Defined Function, UDF). Dzięki modelom zastępczym użyta siatka obliczeniowa zawiera mniej elementów i koszt obliczeniowy pozostaje niewielki.
Rys. 4: Uproszczona geometria przyjęta do symulacji
Na Animacji przedstawiono wyniki przykładowej symulacji. Zasymulowano 27 sekund cyklu: załączenie źródło napowietrzania – włączenie mieszadła – zwiększenie intensywności napowietrzania. W wyniku symulacji otrzymuje się informację o udziale objętościowym powietrza w zbiorniku. Im większa dyspersja powietrza, tym lepiej będzie przebiegał proces.
Do oszacowania wpływu przyjętych uproszczeń na wyniki symulacji wykonano szereg analiz wariantowych dotyczących:
- rozmiaru wycinka zbiornika
- przyjętych warunków brzegowych
- opisu modeli zastępczych mieszadeł i źródeł napowietrzania
- średnicy fazy gazowej
- ustawień modelu wielofazowego
Ważnym elementem współpracy była komunikacja wyników symulacji. Należy podkreślić tutaj rolę oprogramowania Ansys EnSight, pozwalającego w czytelny sposób opracowywać analizy porównawcze.
Wizualizacja wyników została przygotowana w Ansys EnSight: porównanie napowietrzania dla różnych przyjętych średnic pęcherzyków powietrza
Zysk z dotychczas wykonanej pracy to opracowane podejście pozwalające na szybką weryfikację poszczególnych ustawień. Dzięki przyjętej metodyce koszt obliczeniowy został znacząco zredukowany, każda z symulacji trwała ok. 4 godzin na 24-rdzeniowym komputerze. Będzie to istotne na etapie walidacji modelu, która odbędzie się w oparciu o eksperymenty przeprowadzone w skali laboratoryjnej. Następnie model będzie rozbudowywany o kolejne elementy – sedymentację zawiesiny czy działanie pomp recyrkulacyjnych. Opracowane podejścia wspomogą dobór komponentów absorbera do wymagań procesowych, co przełoży się na prawidłowy przebieg procesu odsiarczania spalin, i finalnie – na czystsze powietrze.
Autorzy artykułu
dr inż. Bogdan Gicala, Kierownik Działu Rozwoju w Redor sp. z o.o.
dr inż. Maciej Szudarek, specjalizuje się w zagadnieniach związanych z analizami przepływowymi w Symkom.
REDOR Sp. z o.o. jest polskim producentem mieszadeł z 25-letnim doświadczeniem. Wytwarza produkty m.in. dla przemysłu: energetycznego, spożywczego, papierniczego, petrochemicznego, chemicznego, a także mieszadła stosowane w oczyszczalniach ścieków czy biogazowniach. Firma stawia na optymalizację procesu projektowego i wytwarzania inwestując w nowoczesne narzędzia gwarantujące dostarczenie najlepszych rozwiązań.