Droplet behavior and separation in wet electrostatic precipitator flue gas

Abstract

Air pollution is considered globally as the biggest health risk. Fine particulate emissions alone cause more than four million premature deaths annually. In order to reduce the health effects, the targets and legislation regarding concentrations of fine particulate matter in the air have been tightened recently. A wet electrostatic precipitator is an efficient equipment for recovering small particulates from flue gases, but the water-based cleaning process may cause soiling of the surrounding environment due to liquid droplets escaping from stack to atmosphere with the flue gases. When operating well, the wet electrostatic precipitation process effectively removes liquid mist originating from process used to moisten the flue gases, but the risk of stack liquid discharge is obvious if the equipment is not dimensioned correctly or if there are malfunctions in the precipitation process.

The thesis work extensively investigates the behavior of droplets in wet flue gas cleaning systems, as well as the operation of the droplet separator of the wet electrostatic precipitator of the target company. The literature review consists especially of studies and professional literature on particle separation methods based on centrifugal force, as well as equipment-related legislation. The information gathered from the literature was compared to the solutions made in the target company's wet electrostatic precipitator system and based on which the results of the work were created.

The results of the thesis provide more information about the requirements of the equipment from a practical and legal point of view, as well as technical solutions affecting the efficiency of the droplet separator. Mathematical models are presented to evaluate the efficiency of the droplet separator. The results show that the system is safe in terms of risk of SLD with current design parameters and based on the results the target company can create equipment design rules and optimize the operation of the equipment.

Ilmansaasteet ovat globaalisti merkittävin terveysriski. Pelkästään pienhiukkaspäästöt aiheuttavat vuosittain yli neljän miljoonaa ennenaikaista kuolemaa. Terveysvaikutuksien pienentämiseksi tavoitteet ja lainsäädäntö ilman pienhiukkaspitoisuuksien osalta ovat kiristyneet viime vuosina. Märkäsähkösuodatin on tehokas laitteisto savukaasujen sisältämien pienhiukkasten talteenottoon, mutta veden avulla tapahtuva puhdistusprosessi saattaa aiheuttaa lähiympäristön likaantumista savukaasujen mukana karkaavien vesipisaroiden takia. Toimiessaan märkäsähkösuodatus prosessi poistaa tehokkaasti savukaasujen kostuttamiseen käytetyn nestemäisessä muodossa olevan veden, mutta riski piipun pisaroinnista on ilmeinen, mikäli laitteiston mitoitusta ei tehdä oikein tai mikäli sähkösuodattimessa esiintyy toimintahäiriöitä.

Opinnäytetyössä tutkitiin laajasti pisaroiden käyttäytymistä märkien savukaasujen puhdistuksessa sekä kohdeyrityksen märkäsähkösuodattimen pisaraerottimen toimintaa. Kirjaillisuuskatsaus koostui erityisesti keskipaikoisvoimaan perustuvien partikkelierotusmenetelmien tutkimuksista ja ammattikirjallisuudesta sekä laitteistoon liittyvästä lainsäädännöstä. Kirjallisuudesta kerättyä tietoa vertailtiin kohdeyrityksen märkäsähkösuodatin järjestelmässä tehtyihin ratkaisuihin, minkä pohjalta luotiin työn tulokset.

Tutkimustuloksina saatiin lisää tietoa laitteiston vaatimuksista käytännön ja lainsäädännön näkökulmasta sekä pisaraerottimen tehokkuuteen vaikuttavista teknisistä ratkaisuista. Pisaraerottimen tehokkuuden arviointiin esitettiin matemaattisia malleja, joiden tulokset osoittavat nykyisen järjestelmän olevan toimiva pisaroinnin suhteen. Kohdeyritys voi hyödyntää työn tuloksia laitteiston suunnittelusääntöjen luomiseen ja laitteiston toiminnan optimoimiseen.