vaje - university of ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/diagnostika_v_okoljskem_strojnistvu/... ·...

LVTS Diagnostika v okoljskem strojništvu

1

Marko Hočevar, Brane Širok

Diagnostika v okoljskem strojništvu -

vaje

študijsko gradivo za vaje predmet Diagnostika v okoljskem

strojništvu

Ljubljana, november 2015


2

Kazalo

Kazalo ............................................................................................ 2

Uvod: Študijski red ........................................................................ 3

Študijske obveznosti ...................................................................... 5 Laboratorijska vaja 1. Trikotni preliv ........................................... 6 Laboratorijska vaja 2. Merjenje in modeliranje parametrov

prenosa toplote in snovi na plasti granuliranega odpadnega blata

...................................................................................................... 14

Laboratorijska vaja 3. Čiščenje dimnih plinov, čistilna naprava

bloka 4 Termoelektrarne Šoštanj ................................................. 22 Laboratorijska vaja 4. CČN Domžale Kamnik ............................ 26

Laboratorijska vaja 5. Čistilne naprave za čiščenje dimnih plinov

v podjetju URSA .......................................................................... 54 Laboratorijska vaja 6. Pnevmatski transport in ciklonski

ločevalnik delcev ......................................................................... 60

Literatura ...................................................................................... 68


3

Uvod: Študijski red

Pri predmetu Diagnistika v okoljskem strojništvu sta tedensko dve

uri vaj, skupno 30 ur vaj, od tega 12 ur vaj v razredu in 18 ur vaj v

laboratoriju.

Študijski red pri vajah v učilnici

Predloge za vaje so na voljo na internetnem naslovu Laboratorija

za vodne in turbinske stroje, pošiljal pa vam jih bom tudi na e-

poštni naslov letnika. Predloge za vaje se pogosto spreminjajo,

prosim vas, da pred posamezno vajo preverite, če imate na voljo

zadnjo verzijo predloge za posamezno vajo.

Študijski red pri vajah v laboratoriju

Laboratorij LVTS je v stari stavbi, vhod iz dvorišča skozi zelena

kovinska vrata, v nadstropju. Študentje se razdelijo v skupine,

vaje pa potekajo v teh skupinah zaporedno.

Vaje se lahko razlikujejo glede na prejšnjo leto, zato si morajo

študentje pred vsakokratno izvedbo vaje priskrbeti aktualno

predlogo za vaje.

Laboratorijske vaje potekajo tudi na industrijskih merilnih

postajah in z industrijskimi merilniki. Zato študente prosimo, da

skrbijo za varnost pri delu: pri priključitvi električnih naprav, da

ne posegajo v vrteče dele naprav, da opozorijo asistenta na možno

nevarnost npr. zaradi pomankljivo izvedene električne napeljave,

vpetja vrtečih naprav itd. Prav tako morajo študentje pri izvedbi

vaje upoštevati, da delo poteka v omejenem prostoru laboratorija

LVTS in da pazijo, da pri delu po pomoti ne odrinejo ostalih

študentov v smeri vrtečih strojev. Vsako nevarnost oziroma

nepravilnost morajo študentje javiti asistentu.


4

Udeležba pri vajah v laboratoriju je obvezna. Prisotnost na vajah

preverja asistent. Študent mora vsako morebitno odsotnost zaradi

zdravstvenih težav javiti asistentu po elektronski pošti. Študent v

primeru odsotnosti pri vajah zaradi zdravstvenih težav po potrebi

v dogovoru z asistentom opravi drugo aktivnost, povezano s

predmetom.

Pri vajah izven Fakultete za strojništvo vaje potekajo v dogovoru

z zunanjo inštitucijo. Študentje morajo upoštevati delovni red, ki

velja na zunanji inštituciji in upoštevati navodila skrbnika in

asistenta.


5

Študijske obveznosti

Študent mora za uspešno opravljene vaje iz predmeta Diagnostika

v okoljskem strojništvu sodelovati pri vseh laboratorijskih vajah,

izdelati poročila za vse laboratorijske vaje in jih oddati asistentu,

ter uspešno zagovarjati vaje na kolokviju.

Termini laboratorijskih vaj izven FS

Predvidene so tri vaje na terenu (termini bodo javljeni kasneje)

- Centralna čistilna naprava Domžale,

- Čistilna naprava dimnih plinov Termoelektrarne Šoštanj,

- industrijska čistilna naprava dimnih plinov iz kupolne peči

Knauf Škofja loka.


6

Laboratorijska vaja 1. Trikotni preliv

Datum: 4.3. in 5.3. 2014

Uvod

S trikotnim merilnikom merimo pretoke vode v odprtih kanalih.

Prelivi so približno ekvivalentni zaslonkam, ki se uporabljajo v

zaprtih kanalih.

Vaja bo potekala na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v

Ljubljani, laboratoriju za hidravlične raziskave, Hajdrihova 28.

Slika. Laboratorij za hidravliko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta

za gradbeništvo in geodezijo. Na levi sta dva prelivna

umirjevalnika toka (zgornji večji je povsem na levi slike, spodnji

manjši pa je v sredini). Meritev se bo izvajala s tlačnimi merilniki

in industrijskim panelnim računalnikom z merilno kartico.


7

Slika. Na zgornji sliki je viden kanal, ki se konča s trikotnim

prelivom. Na spodnji sliki je celoten kanal.


8

Slika. Shema postaje, v katero je vključen trikotni preliv. V

trikotni preliv potuje voda iz rezervoarja v kleti s črpalko v

umirjevalnik toka 1, v umirjevalnik toka 2, v vodostan, preko

ventila za vodostanom pa nato v kanal pred trikotnim prelivom.

Za trikotnim prelivom se nato voda zliva nazaj v rezervoar v kleti.

V kleti laboratorija je rezervoar s 60 m3 vode. Vodo črpajo tri

črpalke v zgornji umirjevalnik, uporabi črpalko z nazivnim

pretokom 50 l/s, ki jo krmiliš preko frekvenčnega pretvornika na

steni laboratorija. Delovno točko nastavi s frekvenčnim

pretvornikom tako, da bo v spodnjem umirjevalniku dovolj vode,

da bo del vode odtekal naravnost nazaj v rezervoar v kleti. Odpri

vse ventile, ki so na cevovodu od spodnjega umirjevalnika do

trikotnega preliva in zapri vse, ki vodo usmerjajo na turbino. Za

meritve moraš zagotoviti stacionaren pretok preko trikotnega

preliva.

Pretok izmeriš preko meritve višine vode pred trikotnim prelivom.

Višino vode boš na prelivu izmeril na dva načina, z merilnikom

tlaka in z ročnim merilnikom višine vode, ki je ob prelivu.

Hidravlično priključi merilni pretvornik za tlak, določi višino

celice in ga odzrači. Električna priključitev je že izvedena, če

vključiš merilno omarico. Za delo z ročnim merilnikom višine

vode preglej, kakšna je izmerjena vrednost v primeru, da vode v

kanalu ni.


9

Pretok, ki ga boš določil s trikotnim prelivom, primerjaj z

meritvoji, ki jo prebereš z merilnikom pretoka ABB Watermaster.

Elektromagnetni merilnik pretoka je nameščen pred

Merjenje pretoka s trikotnim prelivom

Trikotni preliv je namenjen merjenju pretoka tekočin v odprtih

kanalih. Višina vode na prelivu je merilo za velikost volumskega

pretoka. Na sliki sta prikazana trikotna preliva s kotoma =90° in

=45°.

Slika: Trikotni preliv, namenjen merjenju pretoka tekočin v

odprtih kanalih. Zgoraj preliv s kotom =90°, spodaj preliv s

kotom =45°.

Pretok čez preliv je vsota pretokov skozi infinitezimalno tanke

namišljene šrafirane površine po celotni višini vode H. Ker je


10

višina vode za vsako lego površine različna, je različna tudi

hitrost iztekanja.

Predpostavimo element z višino h na višini h. Trikotni preliv

nadomestimo z dvema pravokotnima trikotnikoma. Širino

elementa b zapišemo z naslednjo enačbo [Rajar, 1986].

2tan2

hHb

Površina A šrafiranega elementa na sliki je enaka produktu

višine in širine.

hhHA

2tan2

Hitrost iztekanja zapišemo enako kot hitrost iztekanja tekočine iz

rezervoarja. Hitrost iztekanja narašča korensko z višino vode nad

površino iztekanja.

ghv 2

Pretok preko infinitezimalno tankega elementa preliva je produkt

njegove površine in hitrosti toka.

hghhHQ

2

2tan2

Če gornji izraz integriramo med h=0 in h=H, dobimo naslednji

izraz.


11

2/5

2/52/5

0

2/32/1

22

tan15

8

5

2

3

22

2tan22

2tan2

Hg

HHgdhhHhgQ

H

Teoretično izpeljan pretok ni natančno enak izmerjenemu, zato

uvedemo koeficient pretoka Cd, tako da je dejanski pretok enak

2/522

tan15

8HgCQ d

.

Trikotni preliv ima prednost pred pravokotnim, saj se pri

trikotnem prelivu oblika prelivnega polja hitrosti (angleško:

nappe) relativno malo spreminja. To pomeni, da se s pretokom Q

koeficient pretoka Cd prav tako manj spreminja. S trikotnim

prelivom lahko merimo pretoke v velikem intervalu glede na

velikost pretoka. Pravo vrednost preberi iz slike, ki je obešena na

steni in je na sliki spodaj.


12

Slika. Karakteristika trikotnega preliva.

Merilna oprema

Na voljo bo naslednja merilna oprema:

- merilniki diferencialnega tlaka ABB 264DS,

- elektromagnetni merilnik pretoka ABB Watermaster

- panelni računalnik z merilno kartico v električni omari na sredi

laboratorija,

- umirjevalna komora ob robu preliva z mehansko napravo za

odčitavanje višine vode.

Naloga

- priključi merilno opremo, odzrači merilnik tlaka in upoštevaj

njegovo višino,

- določi tri delovne točke trikotnega preliva,


13

- izmeri višino vode pred trikotnim prelivom s tlačnim

merilnikom in ročnim merilnikom višine vode,

- po potrebi spremeni čas povprečenja tlačnega merilnika,

- določi pretok vode preko trikotnega preliva za oba načina

merjenja,

- nariši skico meritve,

- napiši poročilo o izvedbi vaje.


14

Laboratorijska vaja 2. Merjenje in

modeliranje parametrov prenosa toplote

in snovi na plasti granuliranega

odpadnega blata

Datum: datum bo določen kasneje

Uvod

V čistilnih napravah nastaja odvišno blato. Zakonodaja ne

dovoljuje odlaganja blata iz čistilnih naprav na deponijah, zato je

možno blato odlagati na poljih (če blato ne vsebuje težkih kovin

oziroma če parametri blata ustrezajo za odlaganje na polja) ali

sežigati v sežigalnicah.

Če je na razpolago dovolj kmetijskih površin, je ekološko in

ekonomsko najbolj primerna uporaba stabiliziranega in

higieniziranega blata za organsko gnojilo. V ta namen lahko blato

stabiliziramo in higieniziramo na tri načine:

(1) v anaerobnih reaktorjih (gniliščih) s proizvodnjo bioplina za

pogon čistilne naprave. Anaerobno blato se v anaerobno

zgoščevalcu zgosti in na sušilnih gredah posuši, ali pa se, brez

sušenja, do končnega odvoza na polja, deponira v depojskih

lagunah. Pri mehanski dehidraciji se deponira na pokritih

odlagališčih. Salmonele v deponiranem blatu odmrejo po enem do

dveh mesecih.

(2) blato se aerobno stabilizira. Čiščenje odpadne vode in

stabilizacija blata se izvrši v ločenem ali v istem aerobnem

reaktorju. Blato se zgosti, posuši ali mehansko dehidrira, v

deponiji higienizira in po približno 2 mesecih odlaga na poljih.


15

(3) tretji način, ki je manj v uporabi, je aerobna termična

stabilizacija in pasterizacija blata. Pri tem postopku se odvišno

blato segreva - pasterizira - v ločenem reaktorju z lastno energijo,

ki se sprošča med oksidacijo preostanka organske snovi v blatu.

Če blata iz čistilnih naprav ni mogoče odlagati na poljih oziroma

če nimamo na voljo dovolj velikih površin, je potrebno odvišno

blato mineralizirati, pred tem pa še posušiti. V ta namen blato

mehansko dehidriramo s stiskanjem ali centrifugiranjem. Blato

tako lahko

(1) najprej posušimo in nato sežgemo v lastni sežigalnici ali

skupni sežigalnici za komunalne odpadke

(2) brez sušenja z direktnim sežigom mehansko stabiliziranega

blata.

V tej vaji bomo obravnavali sušenje blata za kasnejši sežig v

sežigalnici.


16

Uvod

Meritve bodo izvedene na obstoječi eksperimentalni postaji, ki je

prikazana na sliki. Merilna postaja je namenjena analizi časovno

spremenljivih aerodinamskih in termodinamskih procesov na

poljubnih granuliranih materialih. V postaji je možno spreminjati

nslednje integralne parametre:

- nasipna gostota vzorčnega granuliranega materiala,

- debelina plasti materiala,

- obtočna hitrost – volumski pretok toka vročega zraka v

obtočnem sistemu,

- volumski tok zraka v odsesovalnem sistemu in

- vnesena električna moč na grelcih v obtočnem sistemu.

V odvisnosti od navedenih spremenljivk merilna postaja omogoča

merjenje časovno spremenljivih parametrov procesa:

-mase vzorca pred eksperimentom

-temperature zraka v obtočnem sistemu,

-temperature zraka v odsesu iz sistema,

-diferenco statičnega tlaka na plasti granuliranega materiala,

-relativno vlažnost zraka v toku odsesa iz sistema in

-maso vzorca pred in po eksperimentu.

Aktivna površina vzorca znaša 500 X 500 mm, maksimalna

nasipna višina pa je cca 250 mm. Postaja omogoča simulacijo

realnih temperaturnih in aerodinamskih razmer v realnih sušilnih

komorah z aktivnim prepihovanjem vročega zraka maksimalne

temperature cca 200 °C, čeprav za sušenje blata ne potrebujemo

temperatur, višjih od 70°C. V postaji vroč zrak prepihava plast

sušenega blata. Večji del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo

iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice,

izhaja iz sušilne komore in ga vodimo skozi radialni odsesovalni

ventilator preko zaslonke v dimnik.


17

Merilna postaja

Model sušilne komore posnema dejansko sušilno komoro.

Največja razlika med izvedbo in modelom je, da v izvedbi plast

sušenega blata potuje skozi komoro na tekočem traku, pri modelu

pa ga vstavimo vanjo na začetku, nato pa v njej miruje. Druga

pomembna razlika je način dovajanja energije, pri izvedbi je to s

plinskimi gorilniki, pri modelu pa z električnimi grelniki. Sušilne

komore za blato imajo več nadstropij, to pomeni, da blato potuje

najprej skozi suh zrak, potem pa skozi vedno bolj vlažen zrak.

Model sušilne komore je narejen tako, da je vanj plast sušenega

blata vstavljena tesno, tako da celoten zračni tok potuje skozi

plast. Da ne pride do posipanja blata skozi rešetke, je potrebno

pod blato namestiti mrežo z ustrezno velikostjo lukenj.

Energijo dovajamo v model sušilne komore s štirimi električnimi

grelniki. Vse štiri grelnike lahko ročno vklapljamo in izklapljamo.

Četrti grelnik je priklopljen preko napetostnega regulatorja -

variaka, ki omogoča brezstopenjsko regulacijo dovedene

električne moči. Moč grelnikov 1 in 2 je približno 2200W, moč

grelnikov 3 in 4 pa 1800 W. Pri uporabi variaka se lahko zgodi,

da zaradi velike trenutne obremenitve pri vklopu pregori

varovalka.

Na sušilni komori sta vgrajeni dve električni omarici. Spodnja

električna omarica služi za napajanje grelnikov, priključitev

variaka in merjenje napetosti z univerzalnim merilnikom. Zgornja

električna omarica služi priključitvi merilne opreme. Spodnjo

električno omarico priključi s kablom preseka 6 mm2 na

električno omarico na steni.

Pri delu uporabljaj zaščitne rokavice, da se ne opečeš.


18

Slika. Shema sušilne komore.

Slika. Slika sušilne komore (levo), električni omarici za meritve in

vklapljanje grelnikov.


19

Izboljšava procesa sušenja

Pri sušenju je potrebno zagotoviti dobro sušenje, energetsko

učinkovitost in ceno sušilne komore. Pri delovanju sušilne

komore lahko optimiramo čas in jakost delovanja grelnikov,

pretok odsesovanega zraka, recirkulacijo zraka, delovno

temperaturo itd.

S povečevanjem odsesavanja se zmanjšuje tudi količina zraka, ki

ga moramo v komoro dovesti. To pomeni, da je potrebno s

povečevanjem odsesavanja tudi več vsesanega zraka ogreti na

delovno temperaturo, kar zahteva ustrezen vložek energije. Če je

pretok odsesanega zraka majhen, pa je odsesani zrak bolj vlažen.

V procesu sušenja tak zrak sprejme manjšo količino vode iz blata,

zato pa se podaljše čas sušenja in poveča velikost sušilne komore.

Za uporabnika to pomeni, da se poveča vrednost investicije.

Med navedenimi parametri delovanja sušilne komore obstaja

optimum delovanja, katerega želimo določiti z merjenjem.

Optimum delovanja se v primeru, ko je parametrov, ki jih

spreminjamo, mnogo, najlažje določi s parametričnim modelom.

V parametričnem modelu spreminjamo parametre sistema tako, da

minimiramo izbrano spremenljivko.

Izvedba meritev

Model sušilne komore ima veliko maso in zato veliko toplotno

kapaciteto glede na količino vode, ki jo vsebuje vzorec. Zaradi

tega je potrebno menjave vzorcev izvesti vedno na enak način.

Pri meritvi spreminjaj naslednje parametre procesa:

- debelina vzorca,

- hitrost oziroma pretok prepihavanja (obtok),

- pretok odsesanega zraka,


20

- čas sušenja,

- količina vode v vzorcu na začetku sušenja,

- količina vode v vzorcu na koncu sušenja,

- temperatura v vzorcu,

- temperatura zračnega toka.

Proces vsebuje veliko spremenljivk, vseh ni mogoče sistematično

spreminjati, medtem ko so ostale spremenljivke konstantne.

Parametrični model kljub temu lahko pove, katere spremenljivke

so reprezentativne in katere ne, ter kako vplivajo na proces. S

parametrični modelom je mogoče izračunati vpliv posmezne

spremenljivke na proces, kot da bi bile vse ostale spremenljivke

konstantne.

Merilna oprema

Za izvedbo meritev je na voljo naslednja merilna oprema:

- tehtnica,

- merilnik električne moči,

- termočleni tip K in uporvni merilniki Pt-100 za merjenje

temperature,

- merilnik napetosti do 230 V,

- zaslonka za merjenje pretoka odesanega zraka fi 30 mm v cevi fi

100 mm,

- tlačni pretvorniki, priključki in povezovalne cevke, odporne na

visoko temperaturo,

- merilniki vlažnosti Honeywell S&C - HIH-4000-003,

- data acquisition enota za počasno posnemanje podatkov,

Vlažnost v vzorcih pred in po sušenju bo analiziral kemijski

laboratorij.

Opozorilo


21

V komori na električnih grelnikih so napetosti do 230 V, pazi

na nevarnost električnega udara. Kabli v notranjosti nimajo

zaščitenih priključkov.

Pazi, da se ne dotakneš notranjosti modela sušilne komore,

ker med delovanjem temperatura sten in materiala lahko

doseže preko 200°C.

Naloga

1. določi in na sušilni komori nastavi izbrane delovne točke in za

vsako izmeri spremenljivke, ki so navedene pod »izvedba

meritev«.

2. Oceni specifično dovedeno energijo za izbrani material pri

sušenju. Natančno določi merilne pogoje in nariši shemo meritve.

3. S pomočjo modela določi, kolikšna specifična dovedena

energija je potrebna za sušenje poljubnega materiala.


22

Laboratorijska vaja 3. Čiščenje dimnih

plinov, čistilna naprava bloka 4

Termoelektrarne Šoštanj


Uvod

Termoelektrarna Šoštanj ima od leta 2005 na vseh blokih

vgrajeno napravo za razžvepljevanje dimnih plinov.

Postopek čiščenja dimnih plinov na čistilni napravi TEŠ, blok

4

Naprava za razžveplanje dimnih plinov bloka 4 je priključena za

kotlom bloka 4, ki za kurjavo uporablja lignit.

Dimni plini, ki prihajajo iz kotla, vsebujejo SO2, CO2, NOx, prah,

pepel in druge spremljevalne snovi. Dva ventilatorja vleka sesata

dimne pline iz kotla po dveh kanalih preko elektrofiltrov, kjer se

izloči več kot 99,8 % pepela.

Dimne pline, očiščene prahu, ventilatorja vleka lahko potiskata po

dveh poteh. Normalna pot je skozi napravo za odžveplanje, v

izjemnih primerih pa jih lahko vodimo preko obvodnih loput

direktno v dimnik.

Pri normalnem obratovanju vodimo dimne pline skozi grelnik

dimnih plinov GAVO, obvodne lopute pa so zaprte. GAVO je

regenerativni vrtljivi grelnik dimnih plinov na katerem neočiščeni

dimni plini s temperaturo 160 °C oddajo svojo toploto grelnim

paketom, ti pa nato oddajo toploto ohlajenim očiščenim dimnim


23

plinom, preden jih vodimo v dimnik, da je njihova temperatura

nad rosiščem (90-95 °C).

V napravo za razžveplanje bloka 4 po možnostih vodimo tudi

dimne pline iz kotlov bloka 3, za katere ni zgrajena takšna

naprava. Pri polni moči bloka 4 zmore naprava za razžveplanje

očistiti tudi dimne pline kotlov bloka 3.

Neočiščeni dimni plini iz grelnika dimnih plinov vstopajo s

temperaturo 120 °C v pralnik, kjer jih operemo s suspenzijo

absorbcijskega sredstva (mleti apnenec-CaCO3 + voda). V delu

pralnika nad gladino suspenzije so v šestih nivojih nameščeni

sistemi šob za razprševanje absorbcijskega sredstva. Vsakemu

sistemu šob pripada obtočna črpalka, ki črpa suspenzijo iz

zbiralnika pralnika, šobe pa zagotavljajo fino razprševanje. V

območju razpršilnih šob potekata ohlajevanje dimnih plinov in

bistvena faza očiščenja, difuzija žveplovega dioksida, fluoridov in

kloridov skozi mejni plinski sloj na površino omočenega delca

absorbenta.

Dimni plini se pri prehodu skozi pralnik navlažijo do nasičenja ter

ohladijo na temperaturo 60 °C. Ker vsebujejo fino razpršene

kapljice, morajo skozi izločevalnik kapljic na vrhu pralnika, kjer

se izločijo skupaj s preostalimi kristalizacijskimi jedri. Dimni

plini pri prehodu skozi pralnik suspenzijo delno uparijo, pare pa

zapustijo sistem. Izgubljene vodne pare nadomestimo z dodatno

vodo, s katero izpiramo izločevalnik kapljic iz rezervoarja

procesne vode.

Tlak očiščenih dimnih plinov, ki izstopajo iz izločevalnika

kapljic, zvišamo s pomočjo ventilatorja, ki je dodatno vgrajen v

kanal dimnih plinov. Očiščene dimne pline iz pralnika potiska

preko grelnika dimnih plinov ter loput v dimnik.

Kalcijev sulfit, ki je nastal v razpršilnem območju pralnika, pade

v zbiralnik. Tam ima dovolj časa za oksidacijo v kalcijev sulfat.

Za proces oksidacije imamo na voljo 3 puhala, ki dovajajo

potrebno količino zraka v suspenzijo s kalcijevim sulfitom, ki ob

intenzivnem vpihovanju zraka in mešanju oksidira v kalcijev

sulfat. Za učinkovit proces izločanja SO2 iz dimnih plinov je zelo


24

pomembno vzdrževanje pH med 5,7 in 6,0 ter pravilne gostote in

temperature.

Zmleti apnenec, ki ga v procesu razžveplovanja uporabljamo kot

absorbcijsko sredstvo dobimo iz lokalnih silosov, pod katerima

sta dva rezervoarja za pripravo suspenzije apnenca. Voda, ki je

potrebna za pripravo suspenzije doteka iz rezervoarja obtočne

vode.

Apneno suspenzijo, ki se v pralniku spremeni v sadro, črpamo v

postajo za odvodnjavanje, kjer jo na hidrociklonu produkta

zgoščujemo. Zgoščeno sadro po cevovodu vodimo v rezervoar za

produkt. Od tu jo črpamo po krožnem cevovodu v mešalnico

produkta, kjer se meša s pepelom.

Pepel pnevmatsko transportiramo izpod elektrofiltra v 2000 m3

silos za pepel. Sadra in pepel se dozirata v mešali. Po mešanju

nastane končni produkt s stabilnimi fizikalno kemičnimi

lastnostmi. Ta produkt z gumijastim cevnim trakom

transportiramo na vmesno deponijo, kjer ga nalagamo na

transportna vozila in odvažamo na končna odlagališča.

Slika. Proces čiščenja dimnih plinov na TEŠ, blok 4.


25


26

Laboratorijska vaja 4. CČN Domžale

Kamnik


Uvod

Centralna čistilna naprava Domžale Kamnik je dvostopenjska

biološka čistilna naprava z anaerobno stabilizacijo blata. Čistilna

naprava je projektirana za odstranjevanje ogljikovih komponent iz

odpadne vode izraženih kot parameter KPK in BPK5, ni pa

projektirana za odstranjevanje dušika in fosforja.

Čiščenje odpadne vode je v grobem razdeljeno na:

- mehansko stopnjo,

- aerobno biološko stopnjo,

- I. biološka stopnja (visoko obremenjena),

- II. biološka stopnja (manj obremenjena),

- anaerobno biološko stopnjo.


27

Slika. Shema CČN Domžale Kamnik. Mehansko čiščenje: (1,

vhodni objekt z grobimi grabljami, 2 vhodno črpališče, 3 fine

grablje, 4 maščobnik in peskolov, 5 mehanska stopnja). Aerobno

biološko čiščenje: (6.2 oksidacijska bazena - I. biološka stopnja,

7.2 sekundarna usedalnika - I. biološka stopnja, 8. 4 oksidacijski

bazeni - II. biološka stopnja

9. 4 sekundarni usedalniki- II. biološka stopnja, 10 šest črpališč za

povratno aktivno blato

11, skupni iztok iz CČN, 21 kompresorska postaja). Anaerobno

biološko čiščenje. (12 štiri anaerobna gnilišča, 13 plinohram, 14

silos za gnilo vodo in centrat, 15 dehidracija, 16 bioplinska

postaja, 17, deponija za dehidrirano blato). Ostale številke so

nadzor, vodenje, laboratoriji, podpora procesu, skladišča in

delavnice.


28

Slika. Pogled na CČN Domžale Kamnik iz zraka.

Zakonodaja predpisuje čistilne naprave z 200000 PE, kamor sodi

CČN Domžale Kamnik, naslednje vrednosti na izpustu v vodotok:

- neraztopljene snovi: 35 mg/L

- N-NH4: 10 mg/L * KPK: 100 mg/L

- BPK5: 20 mg/L

- za totalni dušik N-total ni omejitve

Opis procesa

Mehanska stopnja: Iz odpadne vode, ki priteče na čistilno

napravo je potrebno odstraniti vse večje in manjše delce, ki jih

mikroorganizmi ne morejo razgraditi. Glavni kanal kanalizacije

dovede surovo neočiščeno odpadno vodo do vstopa v CČN po

prostem padu. V primeru visokih vod se del vode preko

nastavljenih zapornic odvede direktno v vodotok Kamniško

Bistrico (približno 3 % letnega deževnega dotoka). Odpadna

voda, ki priteka na čistilno napravo niha tako v količini kot tudi

po obremenitvi. Ločimo dnevna, tedenska (delovni dan, vikend)

kot tudi sezonska nihanja. Nihanja po pretoku in/ali obremenitvi


29

so lahko tudi do 100 %. CČN sprejeme tudi do 20 % padavinskih

in infiltracijskih vod. Na dotoku je urejen sistem za doziranje

odpadne vode, pripeljane s cisternami. Pred črpanjem odpadne

vode se na grobih grabljah izločijo delci večji od 15 mm, ki se

odstranijo s posebnim strgalom, polžni transporter izločeno goščo

odvede do mobilnega zaboja, katerega vsebina se odpelje na

komunalno odlagališče odpadkov. Strgala za grobe grablje se

vklopijo avtomatsko glede na vodni nivo v kanalu. Na dotoku se

izvajajo on/in line meritve TOC, TN, N-NH4, prevodnosti, pH in

T. Kontinuirne meritve predstavljajo dejansko sliko obremenitve

na dotoku. Dnevno se vzorčujejo 2-urni časovno proporcionalni

vzorci, na katerih se izvajajo dodatne analize. To mesto je hkrati

merno mesto za meritev in vzorčenje dotoka za obratovalni

monitoring. Pred polžnimi črpalkami je urejen dotok odpadnih

vod pripeljanih s cisternami in odpadnih vod, ki nastanejo v

procesu čišenja (odvečno blato iz sekundarnih usedalnikov, gnila

voda in centrat iz anaerobnega dela čišenja ter odpadna voda iz

ostalih objektov). Štiri polžne črpalke s kapaciteto 4 x 170 l/s

dvignejo odpadno vodo na nivo CČN. Ob povišani količini vode

se avtomatsko vklopijo dodatne črpalke. Vklopi so optimirani na

način, da ne pride do večjih hidravličnih fluktuacij obremenitve

na biološke stopnje. Odpadna voda nato teče čez fine grablje, ki

zadrži delce večje od 3 mm. Fine grablje sestavljajo dve liniji

grabelj, polžni transporter, kompaktor ter zabojnik za odpadke.

Voda preko finih grabelj teče v peskolov, ki je razdeljen v dve

komori po 500 m3. Pesek in ostali težji delci se ločijo z zračnimi

črpalkami in odvedejo preko brezosne polžne črpalke v zabojnik.

Zračenje preprečuje posedanje lažjih delcev in ohranja odpadno

vodo v aerobnih razmerah. Pri flotaciji na površino flotirajo olja

in maščobe, ki se postrgajo s strgali, voda se odstrani in vsebina

se zbira v zabojnik za odpadke. V mehansko stopnjo sta vključena

še dva primarna usedalnika, ki imata volumen 1000 m3.

Zadrževalni čas blata v primarnem usedalniku je okoli 2 uri in

praviloma se vsi delci, večji od 1 mm posedejo na dno. Pomični


30

most s strgali postrga z dna posedeno blato v lijake, ki delujejo

kot zgoščevalci blata. Od tu se blato črpa v gnilišča.

Slika. Levo: dotok na čistilno napravo pred vhodnim črpališčem,

v sredini: maščobnik in peskolov, desno: mehanska stopnja.

Slika. Grobe (levo, spredaj) in fine grablje (desno), slika je iz

CČN Ptuj.

Biološka stopnja: Namen čiščenja na biološki stopnji je iz

odpadne vode odstraniti čim večji del odpadnih snovi s pomočjo

mikroorganizmov. Odpadna voda priteče v aeracijski bazen, kjer


31

se ob stalnem prezračevanju nahaja visoka koncentracija

mikroorganizmov (aktivnega blata), ki to odpadno vodo uporabijo

kot hrano za rast in razmnoževanje.

Poenostavljene reakcije, ki potečejo pri čiščenju odpadne vode:

odstranjevanje ogljikovih komponent:

odpadna voda (C, N,

P,...)+kisik+mikroorganizmiCO2+H2O+novi mikroorganizmi

nitrifikacija - odstranjevanje amonijskega dušika:

odpadna voda (C,N-

NH4,...)+kisik+mikroorganizmiCO2+H2O+N-NOx+nova

biomasa

Rezultat čiščenja je očiščena voda in nova količina aktivnega

blata. Ker na čistilno napravo stalno doteka odpadna voda se del

tega aktivnega blata odplakne v usedalnik. V usedalniku se

aktivno blato usede ter se nato prečrpa nazaj v aeracijski bazen.

Očiščena voda (bistri zgornji del nad usedlim blatom) pa odteče v

vodotok. Aerobni del čistilne naprave se deli na 2 dela in sicer

visoko obremenjeno I. biološko stopnjo in na nizko obremenjeno

II. biološko stopnjo. Princip čiščenja je v obeh stopnjah enak.

V I. biološko stopnjo vstopa odpadna voda, očiščena delcev

večjih od 1 mm. Voda se nato prelije v 2 vzporedna aeracijska

bazena (6.1 in 6.2) prve visoko obremenjene biološke stopnje

skupnega volumna 2000 m3. Zadrževalni čas v posameznem

bazenu je 2 do 2,5 ure. V aeracijskem bazenu se vrši čiščenje

odpadne vode, saj prisotni mikroorganizmi (koncentracija

aktivnega blata je okoli 2 g/l) topne oz. razgradljive organske

snovi razgradijo in jih uporabijo kot vir hranil za rast in

razmnoževanje.

Ker ti mikroorganizmi za obstoj potrebujejo raztopljen kisik, se

preko talnih fino perforiranih blazin (na globini 4 m) vpihuje zrak

tako, da je koncentracija raztopljenega kisika v aeracijskem


32

bazenu okoli 2 mg/l. Aktivno blato z delno očiščeno odpadno

vodo se nato prelije v 4 naknadne usedalnike (7.1 in 7.2).

V dveh parih naknadnih (sekundarnih) usedalnikih se s

sedimentacijo loči aktivno blato od odpadne vode. Z mostnimi

strgali se postrga posedeno aktivno blato in se separira v ločen

kanal. Delno očiščena odpadna voda se nato prelije v II. biološko

stopnjo. Del posedenega povratnega aktivnega blata se preko

polžnih črpalk (10) vrača nazaj v aeracijski bazen, višek pa na

začetek čistilne naprave (2). Koncentracija posedenega aktivnega

blata se giblje okoli 4 g/l.

Delno očiščena odpadna voda iz I. biološke stopnje se nato prelije

v 4 vzporedne aeracijske bazene II. biološke stopnje (skupni

volumen 4.000 m3) (9.1, 9.2, 9.3, 9.4). Koncentracija aktivnega

blata v teh bazenih se giblje od 4 do 5 g/l s starostjo blata nad 15

dni. Zadrževalni čas odpadne vode v II. biološki stopnji je 4 do 5

ur. Princip čiščenja je popolnoma enak principu v I. biološki

stopnji le, da tu zaradi nizke obremenjenosti po ogljiku poteka

tudi odstranjevanje dušikovih spojin (proces nitrifikacije).

Koncentracija raztopljenega kisika se vzdržuje nad 2 mg/l in

regulira s kisikovimi sondami.

Mešanica aktivnega blata in odpadne vode se pretaka v štiri pare

sekundarnih usedalnikov (skupni volumen je 4.800 m3), kjer se s

sedimentacijo loči aktivno blato od odpadne vode (9.1, 9.2, 9.3,

9.4). Z mostnimi strgali se postrga aktivno blato in se ga odvaja v

kanal, ki je ob strani usedalnika. Del povratnega blata se črpa

preko črpalk (10) iz kanala nazaj v aeracijske bazene kot

inokulum. Višek blata se vrača na začetek čistilne naprave (2) in

se vključi v ponovno čiščenje.

Očiščena odpadna voda se združi iz vseh usedalnikov v skupni

iztočni kanal (11.1). Po II. biološki stopnji na iztoku CČN (11.1)

imamo urejeno merilno mesto za vzorčenje z meritvami pretoka,

on line meritve kisika, pH, neraztopljenih snovi, KPK, TOC, TN

in N-NH4. Očiščena odpadna voda se nato izteka v vodotok

Kamniška Bistrica (11.2).


33

Slika. Biološka stopnja, levo: shema procesa, v sredini: aeracijski

bazeni z dovodom komprimiranega zraka do blazin, spodnja

nerjavna cev vodi iz kompresorske postaje do bazenov, na odcepu

na sredini gre zrak v levi in desni aeracijski bazen preko ventilov,

desno: voda potuje iz aeracijskega bazena preko kinete pod

pohodno površino do usedalnika na desni strani slike. Iz

usedalnika posedeno blato v aeracijske bazene preko natege vodi

z arhimedovimi črpalkami.


34

Slika. Biološka stopnja, levo in v sredini usedalnik biološke

stopnje. Na srednji sliki so vidna mostna strgala, ki počasi

potujejo gor in dol po usedalniku ter z natego črpajo blato v

kanale ob strani usedalnika. Blato se nato vrača v aerobne bazene

po ceveh, ki so vidne ob strani aeracijskega bazena (slika desno).


35

Slika. Mesto za merjenje parametrov odpadne vode pred iztokom

v vodotok Kamniško Bistrico. Na levi sliki je Venturi kanal z

meritvijo višine vode z ultrazvočno metodo pred vstopom v

Venturi kanal. Za ultrazvočnim merilnikom višine je več sond

online merilnikov za merjenje temperature, kisika, pH,

neraztopljenih snovi, KPK, TOC, TN in N-NH4. Na srednji sliki

je vzorčevalnik, na desni pa hišica, v kateri so on-line merilniki.

Kompresorji, ki se uporabljajo za dovod komprimiranega zraka v

bazene, so tipa HV Turbo, Danska (zdaj Siemens Energy).

Kompresorji so nameščeni v kompresorski postaji.

http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/compression/integrall

y-geared-compressors/STC-GO/KA5S_V_-GK200C_2-

page_01_12_2010.pdf


36

Slika. Karakteristika Kompresorja HV turbo KA5S-3240.


37

Slika. Kompresor HV Turbo KA5S/3240 v kompresorski postaji.

Na desni sliki je viden vodilniški aparat za regulacijo pretoka

oziroma nastavljiv vodilnik.


38

Slika. Levo: Siemens Sipart regulatorji za odpiranje ventilov za

dovod zraka v posmezne aeracijske bazene. Dva ventila sta na

srednji sliki. Desno je merilna sonda za merjenje kisika (obešena

na verigi in potopljena v bazen, predpostavimo popolno

premešanje), ki regulira odpiranje ventilov.

Slika. Levo: aeracijske blazine (slika ni iz čistilne naprave CČN

Domžale Kamnik). Sredina: merilnik pretoka odpadne vode

Teledyne ISCO tip 750. Desno: vzrorčevalnik ISCO Avalanche, v

katerega se vključi merilnik pretoka odpadne vode.


39

Aeracijske blazine so Messner V20M18. Glavne lastnosti blazin

so navedene spodaj (ET=einbautiefe, globina vgradnje blazin):

v čisti vodi:

mere 1x2 m

največji pretok čez blazino 40 m3

N/h

največja globina vgradnje 9 m

dovajanje kisika do 880 gO2/m3

BBh

izraba O2 O2 do 9%/mET

sprejem O2 do 27 gO2/Nm3mET

učinkovitost prenosa O2 do 8.3 kgO2/kWh

padec tlaka 25-60 mbar

mešanje najmanj 1.5 W/m3

BB

Pretoki v zgornji tabeli so preračunani na normne kubične metre,

to je pri normalnih pogojih Tn = 273 K in Pn = 101325 Pa.

Anaerobna biološka stopnja: Namen anaerobne biološke

stopnje je razgradnja in zmanjševanje količine aktivnega blata.

Ker je delcev, ki se odložijo v mehanski stopnji (imenujemo ga

surovo blato) in aktivnega blata, ki nastane pri aerobnem

biološkem čiščenju, veliko, ga dodatno obdelamo v anaerobnih

gniliščih pri 40°C brez prisotnosti kisika. V času 45 dni blato

delno pregnije do bioplina (mešanica plinov CH4, CO2, H2S), ki

ga uporabimo za proizvodnjo električne energije. Pregnito blato

pa se centrifugira in odloži na deponijo.

Mešanica usedlega blata v mehanski stopnji (5) se črpa v štiri

gnilišča (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) s skupnim volumnom 7200 m3.

Zadrževalni čas v gnilišču je približno 48 dni. Temperatura v

gniliščih je okoli 40°C, dosežena s toplotnimi izmenjevalci. Blato

gnije v okolju brez prisotnosti kisika, količina organskih snovi se

zmanjša z metabolizmom anaerobnih mikroorganizmov do 50%.

Bioplin, ki nastaja pri gnitju, sestavljata v 65-70% metan in v 30-

35% ogljikov dioksid ter primesi ostalih plinov: H2S, CO, NO...


40

Bioplin se začasno shranjuje v plinohramu (13) volumna 800 m3

ter je vir energije za segrevanje gnilišč in za pogon dveh

bioplinskih motorjev kapacitete 200 kW za proizvodnjo električne

energije (16). V anaerobni digestiji CČN proizvede okoli 1 mio

m3 bioplina na leto in okoli 1,2 mio kWh električne energije na

leto. Ob tem nastane tudi okoli 2,2 mio kWh toplotne energije na

leto. Okoli 20 % električne energije za potrebe CČN se dovede iz

električnega omrežja.

Pregnito blato se zbira v zgoščevalcih in se nato centrifugira v

centrifugi z zmogljivostjo 25 m3 na uro (15). Pred

centrifugiranjem se blatu dodajo posebni polimeri, kationski

polielektroliti. Centrat, ki se izloči iz blata, se vodi nazaj na dotok

CČN (2). Blato se dehidrira (centrifugira, strojno zgoščuje) na

okoli 30 % suhe snovi in se začasno odlaga na interni deponiji

CČN (17). Dehidrirano blato se trenutno oddaja pooblašenemu

predelovalcu odpadkov, ki ga dodatno meša z inertnim

materialom in zemljinami ter uporablja za zasipanje. Zaradi

prekomerne vsebnosti težkih kovin dehidrirano blato ni uporabno

za kmetijske namene.

Silos za gnilo vodo in centrat z volumnom 500 m3 je namenjen

zadrževanju gnile (prelivne) vode iz gnilišč in centrata iz

mehanske dehidracije blata. Obe odpadni vodi vsebujeta visoke

koncetracije dušika in tako ob ločenem doziranju še dodatno

obremenjujeta dotok (2). Z vezavo na merilnik TOC in TN na

dotoku je izvedena regulacijo za dodatek tega povratka na dotok

(2) ob znižani dotočni obremenitvi. Na ta način se zmanjšajo

nihanja obremenitve CČN in pripomore k bolj stabilnemu

delovanju celotne čistilne naprave.


41

Slika. Shema predelave surovega in aktivnega blata.


42

Merjenje

Na nadzorni računalnik CČN Domžale Kamnik so speljani vsi

signali za stalni nadzor nad delovanjem čistilne naprave ter

shranjevanje in obdelavo podatkov. Centralni računalnik se

uporablja za kontrolo delovanja CČN na vseh pomembnih

ključnih mestih. PLC (SCADA) vključuje 600 signalov, ki se

posnemajo na 20 sekund. Nadzorni sistem (SQL) vključuje 180

signalov. CČN ima nameščene in/on line analizatorje na ključnih

mestih sistema.

Slika. Program za nadzor procesa in spremljanje merjenih

spremenljivk.

Aeracija


43

Osnovni cilj aeracije je oskrba mikroorganizmov s kisikom,

potrebnim za rast in razmnoževanje. Mikroorganizmi tako preko

bioloških reakcij pretvarjajo substrate v produkte.

Hkrati se z aeriranjem iz reakorja odvedejo nastali hlapljivi produkti,

v prvi vrsti CO2, lahko pa tudi NH3, H2S ter drugi.

Hkrati z aeracijo ali ločeno, če uporabljamo mešala, poteka mešanje.

Mešanje ima več vlog. Z mešanjem dosežemo disperzijo zraka v

hranilni medij, izenačevanje temperature in koncentracij raztopljenih

snovi po celem volumnu reaktorja, ohranjanje mikrobnih celic in

delcev v suspenziji in dispergiranje netopnih tekočin.

Aeracija in mešanje imata pomembno vlogo za uspešen potek

mikrobnega procesa in predstavljata pomemben delež pri energetskih

stroških. Zato skušamo z optimalno konstrukcijo bioreaktorja doseči

čim večji učinek aeracije in mešanja s čim manjšimi stroški.

Topnost kisika

Mikroorganizmi koristijo za oksidativne reakcije večinoma topni

kisik. Topnost kisika v vodnih raztopinah je odvisna od več

faktorjev: parcialnega tlaka kisika v plinski fazi, temperature in

raztopljenih snovi v podlagi. Topnost kisika v vodi pri atmosferskem

tlaku (1,013 bara) je prikazana v tabeli:

T (°C) 0 4 10 15 20 25 37

Cs (mg/l) 14.6 13.1 11.3 10.1 9.1 8.3 7.0

Cs je koncentracija nasičenja s kisikom. Z naraščanjem parcialnega

tlaka se topnost kisika povečuje in pada z naraščanjem temperature

in z naraščanjem koncentracije raztopljenih snovi v vzorcu.

Potrebe aerobnih mikroorganizmov po kisiku zavisijo od:

- vrste mikroorganizmov, fiziološkega stanja in starosti mikrobne

kulture

- koncentracije in vrste vira ogljika

- koncentracije in vrste drugih prisotnih sestavin

- kopičenja toksičnih produktov metabolizma


44

- koncentracije raztopljenega kisika

Potrebe mikroorganizmov po kisiku je možno kvantitativno

ovrednotiti s pomočjo dveh izrazov:

- prirasta biomase v odvisnosti od kisika Yo (kg biomase na kg ali

mol porabljenega kisika ali z recipročno vrednostjo 1/ Yo (kg ali

moli potrebnega kisika za sintezo 1 kg biomase).

- specifične hitrosti respiracije mikrobnih celic, ki je definirana kot

količina kisika, ki se porabi pri dihanju 1 kg suhe snovi biomase

v enoti časa (sekundi ali uri).

Naprave za vnos kisika v tekočino

Za vnos kisika v tekočino ločimo naprave, ki vnašajo zrak v tekočino

prek njene površine (površinska mešala), in naprave, ki dispergirajo

zračni pretok v mehurčke (prepihavanje volumna).

Površinska mešala se v praksi niso obnesla zaradi naslednjih

razlogov: vnos kisika je v primerjavi z volumskim vnosom skromen,

učinkovitost vnosa kisika je nizka (< 2 kg O2/kWh), v primeru

čiščenja odpadnih vod morajo biti čistilni bazeni plitvi (3-4 m, velika

površina) in odprti (smrad). Med prepihovalci volumna ločimo

mešala in plinske razdelilce. Uporaba mešal za prepihavanje

volumna ni primerna, ker je potrebno vzdrževati vso tekočino v

strujanju, da s strižnimi silami pride do trganja zračnega toka v

mehurčke. Med plinskimi razdelilci pa se pri čiščenju odpadnih vod

največ uporabljajo gumijaste perforirane blazine, perforirane ali

sinterne cevi oz. krožniki, ki sodijo med statične prezračevalnike,

med dinamičnimi prezračevalniki pa dvofazne šobe.

Fizikalne zakonitosti snovnega prenosa v sistemu

plin/tekočina v čistilni napravi

Mikroorganizmom moramo med potekom bioprocesa za njegovo

normalno rast in razvoj dovesti zadostno količino kisika. Ker je


45

izvor kisika zrak, ki je plin, moramo zagotoviti proces snovnega

prenosa kisika iz plina v tekočino.

Do snovnega prenosa pride, v primeru, ko v sistemu ni

vzpostavljeno ravnotežje. Kot merilo za količino snovnega

prenosa uporabljamo volumski koeficient snovnega prenosa kLa.

Volumski koeficient snovnega prenosa je zelo pomemben

parameter, ki karakterizira bioproces in je rezultat dveh veličin:

- koeficienta prenosa kisika kL, ki je odvisen od fizikalnih

lastnosti tekočine in dinamike fluida poleg fazne meje

- medfazne površine na enoto volumna prezračenega reaktorja ali

prezračevane kolone a

Zaradi neenostavnega merjenja medfazne površine a in

določevanja kL je enostavneje, da se določi kar produkt kLa.

Volumski koeficient snovnega prenosa kLa je odvisen od številnih

parametrov kot so oblika in velikost reaktorja, tip in velikost

plinskega razpršilca, lastnost fluida, temperatura, plinska

površinska hitrosti ter interakcija med njimi.

Osnovna zveza, ki popisuje prenos kisika iz vpihanega zraka v

tekočino v reaktorju je

)( CCAkN sL

V gornji enačbi je N masa kisika, ki se prenese v tekočino v

reaktorju na časovno enoto (kg/h ali kg/dan), kL je koeficienta

prenosa kisika, tudi koeficient tekočega filma (L, liquid film) in A

skupna površina voda/zrak za vse zračne mehurčke v reaktorju

(m2). Zgornjo enačbo običajno prepišemo v drugačno obliko, saj

ne poznamo skupne površine A za celoten reaktor:

)( CCakV

NsL


46

V gornji enačbi je a površina med tekočo in plinsko fazo,

normirana na volumen reaktorja.

Snovni tok kisika iz zraka v reaktor volumna V je proporcionalen

produktu volumskega koeficienta prestopa kLa in razlike

koncentracij (Cs-C), v kateri pomeni Cs koncentracijo nasičenja in

C dejansko koncentracijo kisika v tekočini. V je volumen

tekočine. V komunalnih čistilnih napravah je koncentracija kisika

običajno med 0.5 mg/l in 1.5 mg/l. Za nitrifikacijo je

koncentracija kisika običajno višja od 2 mg/l.

Če je mogoče v bazenu zmanjšati koncentracijo kisika na nič (npr.

z dodatkom natrijevega sulfita), potem je možno enostavno

izmeriti koeficient kLa. Gornjo enačbo integriramo,

predpostavimo, da je konstanta kLa neodvisna od časa vzorčenja

in dobimo

konstatkCC Ls )ln(

Če narišemo diagram v logaritemski skali za koncentracijo, lahko

iz naklona premice določimo kLa.


47

Slika. Določitev (vir: http://www.biosorption.net/WP/ch4.pdf).

V bazenih čistilnih naprav je prisotna biomasa, ki porablja

dovedeni kisik. Zato lahko drugo enačbo spremenimo tako, da

vanjo vključimo respiracijo r in zapišemo, da se koncentracija

raztopljenega kisika ne spreminja

rCCakdt

dCsL )( .

kLa lahko določimo tudi pri konstantni aeraciji, pri tem pa

moramo izmeriti respiracijo r z respirometrom

http://www.biosorption.net/WP/ch4.pdf


48

)(

)(0

CC

rak

rCCakdt

dC

s

L

sL

.

Intenzivnost in učinkovitost vnosa kisika v tekočino

Naprave za vnos kisika vrednotimo po dveh kriterijih

(intenzivnost in učinkovitost), pri čemer je (Cs-C) določen s

standardnimi pogoji C = 1 mg O2/l, T = 20°C, p0 = 1 bar.

Intenzivnost vnosa kisika je količina kisika, ki se v reaktor vpiha

v enoti časa na enoto volumna. Učinkovitost je kvocient med

količino dovedenega kisika in električno močjo, ki se zato porabi.

Električna moč je v primeru statičnih prepihovalnikov moč

elektromotorja kompresorja, pri dinamičnih pa moramo moči

kompresorja prišteti še moč črpalk.

Med plinskimi razdelilci danes prevladujejo sinterne cevi oz.

krožniki. Njihova prednost je, da so poceni in se ne zamašijo,

pomanjkljivost pa, da same ne nudijo nobenega upora pretoku

plina in zato plin izstopa zgolj na najvišjem mestu, kjer je tlak

vodnega stolpca nad blazino najmanjši. Gostota pretoka in

posledično koalescenca sta zaradi tega na omenjenih delih

sorazmerno veliki. Pri statičnih plinskih razdelilcih je pretok plina

edini procesni parameter.

V 70 letih so se na trgu začeli pojavljati predvsem za čiščenje

močno obremenjenih odplak kemijske industrije dvofazne šobe -

injektorji. Pri njih kinetična energija tekočinskega curka

dispergira plinski kontinuum v roj mehurčkov. Pri injektorjih sta

pretok plina in pretok tekočine neodvisna procesna parametra.

Ker je pri razdelilcih zračnega pretoka višina tekočine nad njimi

svoboden geometrični parameter, nas zanima, kakšna je

najugodnejša višina bazena oziroma vodnega stolpca nad enoto za

vpihavanje. S porastom višine moč kompresorja za vnos zraka

narašča, pretok pod normalnimi pogoji pa pada, ker se s porastom


49

višine proporcionalno veča tudi čas, ki ga potrebujejo mehurčki za

pot do površine.

Dvofazne šobe se v praksi uporabljajo v kemijski industriji,

medtem ko gumijaste ali sinterne blazine prevladujejo na

komunalnih čistilnih napravah. Če odplake zatirajo koalescenco,

pa so najprimernejši injektorji, ker dajejo primarne mehurčke s

premerom 0.2 do 0.3 mm, ki se v takšnih odplakah ne združujejo.

Izračun

Slika. Koncentracija kisika v bazenu.

Koalescenca mehurčkov

V čisti tekočini znaša stabilni premer mehurčkov 3-5 mm in je

neodvisen od njihove velikosti pri nastanku. Produkcija

drobnejših mehurčkov v čisti tekočini je zato neenakonomična.

Če dodamo čisti tekočini anorgansko sol ali alkohol, nastane

raztopina, v kateri je koalescenca primarnih mehurčkov močno

upočasnjena. Tu znaša stabilni premer mehurčkov samo 0.2 do


50

0.5 mm. Posledica je velik porast mejne površine na enoto

volumna in s tem povečanje kLa.

Pojav koalescence je posledica dejstva, da tekočinski film med

dvema sosednjima mehurčkoma izteče in poči, mehurčka pa se

združita v večje. Ta postopek je izredno hiter pri čistih tekočinah,

ki klokotajo, in počasen pri tekočinah, ki se penijo. Stopnja

penjenja zrcali nagnjenost tekočine h koalescenci. Medtem, ko je

v vodnih razopinah določenih anorganskih soli ali pa alifatskih

alkoholov hitrost snovnega transporta kLa za faktor 6-8 večja kot

v sami vodi, povzročajo kemijski razbijalci pene (predvsem

neionski tenzidi) ravno obratno, to je močan padec kLa.

Naloga: meritve v kompresorski postaji

Meritve v kompresorski postaji vsebujejo določitev tlačne razlike,

pri kateri deluje kompresor, meritev nastavitve vodilnika,

določitev pretoka v skladu z nastavitvijo vodilnika in s

karakteristiko kompresorja in določitev aerodinamske moči, s

katero obratuje kompresor.

Kompresor ima nastavljiv vodilnik, z njim je možno spreminjati

pretok brez uporabe frekvenčnega pretvornika. To je potrebno,

ker kompresor troši do 130 kW električne moči, za te moči pa so

frekvenčni pretvorniki dragi. Lega vodilnika se spreminja

avtomatsko, tako da je zagotovljen tlak, npr. 500 mbar na

dovodnem cevovodu v aerobne bazene. Za vsako delovno točko je

potrebno zapisati lego vodilnika.

Kompresor deluje neprekinjeno. Vendar se zaradi čiščenja

vpihovalnih blazin, predvsem odstranjevanja vodnega kamna iz

por blazin, vsakih 6 ur za eno minuto zapre ventil, ki zrak spušča

v posamezen aeracijski bazen. Elektromagnetni ventil izpusti zrak

iz sistema. Takrat voda stisne blazine. Ko se ventil ponovno odpre

in v blazine spusti tlak, se blazina spet napihne. Ventil deluje 5

minut brez regulacije, v tem času se v bazenu približno vzpostavi

konstantna koncentracija raztopljenega kisika. Po preteku 5 minut

prevzame regulacijo odpiranja ventila PID regulator, ki na podlagi


51

meritve koncentracije raztopljenega kisika odpira in zapira ventil.

Tlak v posameznih bazenih se za potrebe regulacije CČN ne meri,

meri se tlak na izstopu iz kompresorja.

On line merilniki koncentracije raztopljenega kisika v

posameznem bazenu delujejo na optičnem principu. Merilnike se

preverja tedensko s prenosno sondo in se jih po potrebi očisti in

kalibrira.

Nadzorni sistem CČN nastavi konstanten tlak stisnjenega zraka na

izstopu iz kompresorja, ta tlak znaša približno 500 mbar. Če je

čistilna naprava močno obremenjena, se tlak poveča, če pa ni

obremenjena, se zmanjša.

Na difuzorju, ki vodi iz kompresorja v cevovod, je izveden

priključek 1/2", na katerega bomo priključili relativni merilnik za

merjenje tlaka. Tlak izmeri s tlačnim pretvornikom Siemens

Sitrans P (obseg tlaka 0-4 bar). Tlačni pretvornik meri tlak glede

na atmosfero, priključi ga na napajanje in preberi tlak z zaslona.

Na osnovi izmerjenega statičnega tlaka je potrebno določiti tudi

totalni tlak, pretok in moč kompresorja.


52

Slika. Mesto meritev tlaka na difuzorju kompresorja, priključek je

1/2", nanj preko plastične cevke priključi tlačni pretvornik.

Naloga: meritev pretoka zraka

Pretok zraka izmeri na cevovodu, ki vodi od skupnega cevovoda

proti cevovodu posameznega bazena. Za meritve uporabi Pitotovo

sondo in diferencialni tlačni merilnik. Pitotovo sondo pozicioniraj

v ekvidistantnih točkah, ker ne poznaš porazdelitve hitrosti v

cevovodu. Za merjenje tlaka uporabi ročni merilnik tlaka

Priključek za merjenje tlaka je M10. Odvij vijak na cevovodu in v

izvrtino vstavi Pitotovo sondo. Globino Pitotove sonde izmeri z

metrom. Zapiši globino za vsako merjeno točko. Po premeru

izmeri najmanj 10 točk. V vsaki točki izmeri dinamični tlak, v

nekaj točkah pa tudi statični tlak. Za merjenje uporabi

diferencialni tlačni merilni Schiltknecht Mano Air 100.

Naloga: meritev pretoka odpadne vode

Z meritvijo pretoka odpadne vode na vstopu v aerobni bazen in na

izstopu iz njega določimo izmenjavo odpadne vode preko mej

aerobnega bazena.

V kolikor je obremenitev čistilne naprave zmerna, gre vsa

odpadna voda, ki pride na čistilno napravo, na mehansko in

biološko čiščenje. V kolikor je hidravlična obremenitev visoka, so

v bazenih biološke stopnje preobremenjeni usedalniki in aktivno

blato se začne izpirati iz bazenov v vodotok. V tem primeru

postane parameter neraztopljene snovi previsok in ne zadošča več

zakonski omejitvi. Zato je potrebno del vode voditi mimo

biološke stopnje. Za to obstajata dve možnosti, obvod je mogoč

po mehanski stopnji ali direktno iz dotoka na čistilno napravo.

Meritev pretoka bomo izvedli s prenosnima merilnikoma

Teledyne ISCO tip 750


53

(http://www.isco.com/pcfiles/PartPDF/SL000004/UP00168P.pdf)

, ki se namestita na vzorčevalnik ISCO Avalanche

(http://www.isco.com/WebProductFiles/Product_Literature/201/P

ortable_Refrigerated/Avalanche_Sampler_datasheet.pdf).

Merilnika bosta nameščena na vstopu v izbrani aerobni bazen in

na izstopu iz bazena. Postavitev merilnika v kanal in meritve bo

izvedlo osebje CČN Domžale.

Naloga

1. Izmeri totalni tlak, s katerim deluje kompresor v kompresorski

postaji .

2. Iz tlaka in nastavitve vodilnika kompresorja oceni pretok

dovedeno energijo za pogon kompresorja.

3. Zapiši koncentracijo kisika v bazenu.

4. Izmeri statični tlak in pretok zraka v cevovodu, ki napaja

posamezni aeracijski bazen.

5. Oceni masni tok kisika, ki teče v izbrani bazen skozi

vpihovalne blazine.

6. Izmeri pretok odpadne vode v izbrani aerobni bazen in iz njega.

7. Določi globino, na kateri so nameščene vpihovalne blazine.

8. Oceni kLa, če poznaš respiracijo mikroorganizmov.

9. Oceni količino kisika, ki prestopi iz zraka v odpadno vodo v

časovni enoti (kg O2/h).

10. Oceni energijsko učinkovitost prenosa kisika v odpadno vodo

(kg O2/kWh).

11. Izdelaj shemo meritve.

12. Izdelaj poročilo o izvedbo vaje, pri tem tudi opiši, katere

meritve se izvajajo na čistilni napravi in na katerem delu procesa

čiščenja (druge meritve, ki niso predmet meritev iz te vaje).


54

Laboratorijska vaja 5. Čistilne naprave

za čiščenje dimnih plinov v podjetju

URSA

Datum: 26.2.2015

Uvod

Ursa je proizvajalec termoizolacijskega material iz steklene volne.

V nadaljevanju sledi opis proizvodnega procesa. Proces čiščenja

odpadnih plinov je predstavljen v gradivu

Opis procesa proizvodnje steklene volne

Proizvodnja steklene volne je razdeljena na naslednje glavne dele:

- priprava taline v kupolni ali kadni peči,

- razvaknjenje taline na kolesih centrifuge in dodajanje veziva,

- trjenje plasti steklene volne v polimerizacijski komori,

- razrez in pakiranje.

Steklarska peč

Surovine za steklo se zatehtajo in zmešajo ter pnevmatsko

transportirajo do dnevnih silosov pri peči (steklarska zmes).

Taljenje poteka v steklarski peči na kisik (ang. “oxy-fuel”), ki je

greta na zemeljski plin, kot oksidant se uporablja čisti kisik. Pri

temperaturi 1200 – 1300 °C se surovine stalijo v homogeno talino

(process taljenja), ki jo po stabilizaciji preko platinskih ustij


55

vodimo v centrifugalne rotorske stroje. Zrak na izstopu iz

steklarske peči potuje v čistilno napravo in nato v ozračje.

Kot osnovna surovina za steklo se uporabljajo določene surovine:

kremenčev pesek, dolomit, soda, boraks, glinenec in kalcit.

Večina teh surovin je naravnih in se jih pridobiva z izkopi.

Določene surovine so karbonati (soda, dolomit, kalcit), pri

taljenju katerih prihaja do procesnih emisij CO2. Od leta 2005 v

URSA Slovenija kot surovino uporabljajo odpadno steklo, ki ga

kupujejo na tržišču. Delež odpadnega stekla v steklarski zmesi se

povečuje, trenutni deležo dpadnega stekla predstavlja okrog 50%

z možnostjo povečanja na 60 % v celotni količini proizvedenega

stekla. Uporaba odpadnega stekla ima številne prednosti. Zraven

pozitivnih ekonomskih učinkov je pomemben tudi okoljevarstveni

vidik v smeri manjših vplivov na okolje:

- uporaba odpadnega stekla znižuje porabo osnovnih materialov,

- nižje procesne emisije CO2,

-manjša poraba zemeljskega plina -nižje izgorevalne emisije CO2.


56

Slika. Doziranje zmesi v peč (levo) in vlaknjenje in nanos veziva

(desno).


57

Slika. Fiberizacijski proces na kolesu.

Centrifuga in usedalna komora

Shematski prikaz postopka razvlaknjenja na kolesu in nastanek

primarne plasti v usedalni komori je prikazan na sliki. Talina teče

preko sistema prilagodljivih kanalov na pet koles centrifuge. V

posameznem kolesu centrifuge nastane film taline na mestu

izstopa. Ko posamezne kapljice izstopijo iz kolesa, vstopijo v

koaksialni tok zraka, ki jih razvlakni, hkrati pa se omočijo s

polimerizacijskim sredstvom. Polimerizacijsko sredtvo so

večinoma fenolne smole, ki jih s šobami razpršujemo po obodu

koles centrifuge, delno pa tudi centralno. Vlakna potujejo z

zračnim tokom na trak usedalne komore. Usedalna komora ima

ventilator vleka, ki nalepi primarno plast kamene volne na rešetke

primarnega kroga.


58

Slika: Proces proizvodnje kamene volne. 1: steklarska peč, 2:

stabilizacijski kanal, 3: lijak, 4: kolo, 5: dodajanje veziva, 6:

tvorba toka vlaken do usedalnega traku usedalne komore, 7:

ventilatorji odsesa, 8: zbrana plast steklene volne, ki zapušča

usedalno komoro, 9: trdilna komora, 10: hladilna komora,11:

dovod zraka v hladilno komoro.

Proizvodna linija v Ursi ima vgrajeno napravo za merjenje

količine vlaken z rentgenskimi žarki.

Trdilna komora

Trdilna komora v tovarni Ursa je narejena tako, da je sestavljena

iz več zaporednih delov, v katerih je omogočena neodvisna

regulacija temperature in pretoka. Trdilna komora je velik

porabnik energije, zato proizvajalci želijo doseči za vsak

posamezen produkt najmanjši možen vnos energije, ki še

zagotavlja dovolj dobre rezultate polimerizacije.

V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji

del zraka kroži, manjši del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka


59

količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja iz trdilne

komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje.

Naloga

1. Oglej si posamezne dele proizvodne linije

2. Oglej si čistilno napravo za odpadne pline.

3. Zapiši parametre delovanja čistilne naprave.

3. Napiši poročilo o laboratorijski vaji. Izdelaj shemo čistilne

naprave za dimne pline in opiši merilna mesta na čistilni napravi.


60

Laboratorijska vaja 6. Pnevmatski

transport in ciklonski ločevalnik delcev

Datum: 25.2.2014 do 26.2.2014

Uvod

Pnevmatski transport se uporablja v kemični, farmacevtski,

prehrambeni in plastični industriji za premikanje in transportiranje

drobnih predmetov in sipkih tovorov: cementa, plastike, pepela,

živil, žitaric itd. Pri transportu trdnih delcev z zrakom se spremeni

karakteristika generatorja pretoka glede na količino dodanega

transportiranega materiala.

Potrebna predznanja:

- merjenje karakteristike turbinskih strojev in uporaba merilnih

pretvornikov za merjenje tlaka,

Merilna postaja

Merilna postaja je zaprtega tipa. Sestavljena je iz ventilatorja s

frekvenčnim pretvornikom, ventila za regulacijo dušenja, čepa za

dodajanje transportiranega materiala, Pitotove cevi za totalni in

statični tlak in povezovalnih cevi.

Hitrost zraka reguliramo z dušilnim ventilom na ravnem delu

kovinske cevi. Na vrhi cevi iz pleksi stekla sta priključka za

merjenje totalnega in statičnega tlaka, ki ju je potrebno umeriti.

Pred in za ventilatorjem sta priključka za merjenje statičnega tlaka

na ventilatorju.


61

Običajno se razmerje masnega pretoka transportiranega materiala

proti masnemu pretoku transportirnega medija določi z razmerjem

g

s

m

m

(s=solid, g=gas). V našem primeru to ni mogoče, ker ne

moremo meriti masnega pretoka transportiranega materiala. Zato

bomo za določitev uporabili naslednjo spremenljivko

g

s

m

m

~ .

Spremenljivka zdaj ni več brezdimenzijska.

Ventilator kot generator pretoka

V merilno postajo je vgrajen ventilator Klima Celje tip 104CVX

140/4 s spremenjenim rotorjem. Rotor je brez sprednje stene in

ima nazaj zakrivljene lopatice. Zaradi sprememb na rotorju

karakteristika ventilatorja ni znana in jo je potrebno izmeriti.

Izmeri porast tlaka in pretok na ventilatorju. Za meritev pretoka

uporabi pitojevo cev za merjenje hitrosti, ki je vgrajena na vrhu

steklene cevi. Pitojevo cev tem umeri z zaslonko, ki jo med

umerjanjem namesti na vstopu v ventilator.


62


63

Slika. Merilna postaja za pnevmatski transport. Na desni shemi ni

prikazan ciklon za odstranjevanje trdnih delcev. V ciklonski

ločevalnik vodi fleksibilna cev z vrha postaje za pnevmatski

transport.

Meritev pretoka

Meritev pretoka izvedi preko merjenja hitrosti v eni točki s

Pitojevo cevjo. Pitojevo cev umeri tako, da uporabiš zaslonko na

vstopu v ventilator. Meritev z zaslonko ti poda pretok v sistemu, s

čimer dobiš diagram pretok/dinamični tlak. Pri tem odstrani cev

na vstopu v ventilator, na ta način merilno postajo odpreš.

Zaslonko namesti na vstop v ventilator, izberi ustrezno zaslonko

in priključi tlačni merilnik. Predpostavi, da se karakteristika

tlačnih odjemov ne spremeni, če dodajaš transportirani material.


64

Določi gostoto zraka preko meritev temperature, relativne

vlažnosti in barometrskega tlaka.

Za merjenje tlaka imaš na voljo tlačne pretvornike Endress

Hauser PMD 235. Če tlačnih pretvornikov ne boš premikal, so že

napajani in priključeni na vir napajanja, poveži jih z merilno

postajo, Pitojevo cevjo ali zaslonko s plastičnimi cevkami.

Slika. Umerjanje - merjenje pretoka izvedi preko merjenja hitrosti

v eni točki s Pitojevo cevjo. Levo: mesto vgradnje Pitojeve cevi,

desno: meritev pretoka z zaslonko na vstopu.

Transportirani material


65

Uporabi transportirani material Durethan ECO PA GF30 909040.

Določi njegovo gostoto s tehtanjem in določanjem volumna in

primerjaj z vrednostjo iz kataloga. Do razlike lahko pride zaradi

spremembe granulacije pri obratovanju v merilni postaji.

Ciklonski ločevalnik delcev

Na vrhu postaje je odjem, na katero je priključena freksibilna cev,

ki vodi v ciklonski ločevalnik delcev. Ciklonski ločevalnik delcev

priključi na sesalnik. V izbrani delovni točki vključi sesalnik in z

njim vzpostavi pretok zraka skozi ciklonski ločevalnik delcev.

Izmeri težo izločenih delcev, ki so se ujeli v posodo ciklonskega

ločevalnika. Izmeri težo prepuščenih delcev, ki so se ujeli v

zbiralno posodo sesalnika. Za tehtanje imaš na voljo tehtnico

Kern FKB 15K0.5A. Pazi prosim, da tehtnice ne preobremeniš.

S hitro kamero posnemi zaporedne slike in komentiraj, kako

potujejo delci v ciklonskem ločevalniku. Na voljo imaš kamero

Fastec Hispec 4 in več objektivov C-mount. kamero postavi na

stojalo Za osvetlitev uporabi led luči, ki jih napajaj s konstantnim

tokom, pri čemer pazi, da ne prekoračiš največjega dovoljenega

toka za posamezno led luč.


66

Slika. Ciklonski ločevalnik delcev. Izstop priključi na sesalnik,

vstop pa na odjem na vrhu postaje za pnevmatski transport.

Naloga

1. Izmeri karakteristiko ventilatorja brez dodanega materiala za

transport. Za to uporabi merilno zaslonko na cevi, ki jo priključiš

na ventilator na vstopu. Umeri Pitojevo cev v merilni postaji

glede na pretok na zaslonki na vstopu v ventilator. Predpostavi, da

se karakteristika Pitojeve cevi ne spremeni, če dodaš delce v tok.

2. Določi gostoto transportiranega materiala.

3. Izmeri karakteristiko ventilatorja pri treh masah dodanega

materiala, 200 g, 400 g in 600g. Določi masna razmeja

g

s

m

m

~ (s=solid, g=gas).

4. Določi, pri katerem pretoku zraka pride do usedanja materiala

za vse tri količine dodanega transportiranega materiala.

5. Izmeri uporovno karakteristiko ravne cevi, če je v njej dodan

material. Uporovno karakteristiko določi pri treh masah dodanega


67

materiala, 200 g, 400 g in 600g. V v ta namen imaš na cevi iz

pleksi stekla na tlačni strani ventilatorja na voljo dva priključka za

statični tlak.

6. S tehtanjem ločenega in prepuščenega materiala določi

učinkovitost ciklonskega separatorja delcev.

7. Očisti merilno postajo in zberi transportirani material. Za to

imaš na voljo ustrezno ročno orodje.

7. V poročilu navedi vse nastavitve merilne postaje in merilnih

inštrumentov, nariši shemo eksperimenta, zapiši postopek analize

in enačbe za preračun, ter grafično predstavi rezultate.


68

Literatura

- P. A. Vesilind, J. J. Peirce, Environmental engineering, Ann

Arbor Science, 1982

- R. Rajar, Hidravlika nestalnega toka, Fakulteta za gradbeništvo

in geodezijo, Katedra za mehaniko tekočin z laboratorijem,

Ljubljana, 1986.

vaje - university of ljubljanalab.fs.uni-lj.si/kes/diagnostika_v_okoljskem_strojnistvu/... ·...

Documents