Diagnostika v okoljskem strojništvuweb.fs.uni-lj.si/lvts/wp-content/uploads/2018/05/2014... · 2018. 7. 26. · S Diagnostika v okoljskem strojništvu 3 Študijske obveznosti Študent

LVTS Diagnostika v okoljskem strojništvu

1

Študijsko gradivo

Diagnostika v okoljskem strojništvu

Vaje

Avtorja:

Marko Hočevar

Brane Širok

Ljubljana, februar 2014


2

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.

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.


3

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.


4

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.


5

Slika. Na levi sliki je viden kanal, ki se konča s trikotnim prelivom. Na desni sliki je

celoten kanal.

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 se, 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

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.

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°.


6

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 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.

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.


7

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.

Slika. Karakteristika trikotnega preliva.

Merilna oprema

Na voljo bo naslednja merilna oprema:

- merilniki diferencialnega tlaka ABB 264DS,

- panelni računalnik z merilno kartico v električni omari na sredi laboratorija,


8

- 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,

- 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.


9

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.

(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.


10

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.

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


11

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.

Slika. Shema sušilne komore.


12

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

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


13

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,

- 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

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

električnega udara. Kabli v notranjosti nimajo zaščitenih priključkov.


14

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.


15

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 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.


16

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 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.


17

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.

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.


18

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 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


19

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 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 se ob stalnem prezračevanju nahaja visoka koncentracija mikroorganizmov

(aktivnega blata), ki to odpadno vodo uporabijo kot hrano za rast in razmnoževanje.


20

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 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.


21

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).

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.

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).


22

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/integrally-geared-

compressors/STC-GO/KA5S_V_-GK200C_2-page_01_12_2010.pdf


23

Slika. Karakteristika Kompresorja HV turbo KA5S-3240.

Slika. Kompresor HV Turbo KA5S/3240 v kompresorski postaji. Na desni sliki je viden

vodilniški aparat za regulacijo pretoka oziroma nastavljiv vodilnik.


24

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.

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.


25

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...

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.

Slika. Shema predelave surovega in aktivnega blata.


26

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 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.


27

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 - 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.


28

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 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:

)()( CCakCCV

Ak

dt

dC

V

NsLsL

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(


29

Če narišemo diagram v logaritemski skali za koncentracijo, lahko iz naklona premice

določimo kLa.

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

)(

)(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

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


30

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 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.

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 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.


31

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 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.

Slika. Mesto meritev tlaka na difuzorju kompresorja, priključek je 1/2", nanj preko

plastične cevke priključi tlačni pretvornik.


32

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

(http://www.isco.com/pcfiles/PartPDF/SL000004/UP00168P.pdf), ki se namestita na

vzorčevalnik ISCO Avalanche

(http://www.isco.com/WebProductFiles/Product_Literature/201/Portable_Refrigerated/A

valanche_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).


33

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).


34

Laboratorijska vaja 5. Čistilne naprave za čiščenje

dimnih plinov v podjetju Knauf Insulation


Uvod

Knauf Insulation je proizvajalec termoizolacijskega material iz kamene volne. V

nadaljevanju sledi opis procesa.

Opis procesa proizvodnje kamene volne

Proizvodnja kamene volne je razdeljena na naslednje glavne dele

- priprava taline v kupolni ali kadni peči

- razvaknjenje taline na kolesih centrifuge in dodajanje veziva

- tvorba primarne plasti v usedalni komori

- nalaganje primarne plasti v sekundarno plast

- trjenje sekundarne plasti v polimerizacijski komori

- razrez in pakiranje


35

Slika: Proces proizvodnje kamene volne.

Kupolna peč

Kupolna peč je naprava za taljenje magmatskih kamnin in dodatkov, kjer se koks

uporablja kot vir energije. Peč se polni s šaržami predhodno pripravljenih magmatskih

kamnin in koksa. V peči poteka več kemijskih in toplotnih procesov. Postopek taljenja

določajo sestava in količina vnešenega materiala in vlek zraka skozi kupolno peč. Vlek

zraka je bistvenega pomena za pravilno delovanje kupolne peči in se uporablja kot

regulator hitrosti taljenja in neposredno vpliva na lastnosti taline. To je omogočeno z

koncentrično nameščenimi šobami po obodu peči, skozi katere se dovaja izbran volumski

pretok zraka, in temperaturo. Zrak je lahko obogaten s kisikom. Zaradi vleka zraka koks

dogori bolj intenzivno. Kot rezultat zgorevanja koksa nastanejo zelo vroči plini, ki

potujejo skozi kupolno peč navzgor mimo zgoraj ležečih plasti kamnin in koksa. Ko zrak

zapusti kupolno peč, se ohladi na približno 400 ° C. Zaradi prenosa toplote se vneseni

material v območju nad šobami začeli topiti in teče proti dnu kupolne peči. Nivo taline

nadziramo s sifonom.

Zrak na izstopu iz kupolne peči potuje v čistilno napravo in nato v ozračje.

Usedalna komora

Shematski prikaz postopka razvlaknjenja na centrifugi in nastanek primarne plasti v

usedalni komori je prikazan na sliki. Talina teče preko sistema prilagodljivih kanalov na

prvo kolo centrifuge. Na kolesu centrifuge nastane film taline. Talina se razporedi na vsa

štiri kolesa centrifuge. Ko se posamezne kapljice odlepijo s kolesa centrifuge, vstopijo v

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

Vlakna potujejo z zračnim tokom v usedalno komoro, kjer nastane primarna plast.

Nihalo (pendel)

Na izstopu iz usedalne komore je primarna plast tanka, hitrost traku pa velika. Nihalo

(pendel) razporedi več plasti primarne plasti v debelejšo sekundarno plast. Traku se

hitrost spremeni tako, da je dosežena ustrezna površinska teža materiala, nato pa

sekundarna plast potuje v trdilno komoro.

Trdilna komora

Trdilna komora v tovarni termo je narejena tako, da je sestavljena iz treh 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.


36

V trdilni komori vroč zrak prepihava plast kamene volne. Večji del zraka kroži, manjši

del pa ga dovajamo iz okolice. Enaka količina zraka, kot ga dovedemo iz okolice, izhaja

iz trdilne komore in ga vodimo skozi čistilno napravo v ozračje.

Slika. Levo: vstop surovega materiala v kupolno peč. Sredina: notranjost kupolne peči

(slika ni iz Knauf Insulation). Desno: shema delovanja kupolne peči.

Slika: Levo: izstop taline iz kupolne peči in natok na kolesa kamene volne, na desni strani

je usedalna komora (slika ni iz Knauf Insulation). Sredina in desno: razvlaknjenje taline

na centrifugi.


37

Slika. Nastanek primarne plasti kamene volne. Slika prikazuje sistem, preden kamena

volna vstopi v trdilno komoro. Puščica prikazuje smer potovanja plasti kamene volne.

Slika. Proizvodnja kamene volne. Levo: izstop primarne plasti kamene volne iz usedalne

komore. Desno: pogled na vstop sekundarne plasti v trdilno komoro (slika ni iz Knauf

Insulation).

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči je sestavljena iz več

elementov.

Pri taljenju kamna v kupolni peči nastaja več plinskih stranskih produktov, med njimi so

najpomembnejši H2S, NOx in CO, ki jih je potrebno v čistilni napravi odstraniti.


38

Dimne pline iz kupolne peči se najprej vodi v ciklon. V ciklonu se odstranijo večji prašni

delci, med njimi koksov prah, ki se ga spet vodi v kupolno peč. Zrak iz ciklonov dalje

potuje v vrečaste filtre, ki zadržijo manjše delce. Filtre se večkrat na minuto (približno na

15- 20 sekund) prepihava s stisnjenim zrakom, da se filtri otresejo in prah pade na dno.

Na dno padle delce polžni transporter potisne iz filtra, od kjer se jih vodi na deponijo kot

nevaren odpadek.

Vrečasti filtri delujejo optimalno v temperaturnem območju od 130°C do 200°C. Če

temperatura pade pod 130°C, lahko pride do kondenzacije, kar zamaši filtre. V ta namen

se meri temperatura dimnih plinov v filtru, po potrebi se zrak v njih dogreva z odpiranjem

loput. Če temperatura naraste nad 200°C, se zaradi visoke temperature vreče v filtru

poškodujejo, tudi v tem primeru se temperatura regulira s pomočjo loput.

Na izstopu iz vrečastih filtrov je zrak očiščen trdnih delcev, vendar vsebuje še vedno CO.

CO se očisti tako, da se plin vodi v zgorevalno komoro. Še preden vstopijo v zgorevalno

komoro, gredi dimni plini skozi izmenjevalnik, s čimer grejejo zrak za podpih peči.

Dimne pline v zgorevalni komori z zažiganjem CO v njih ogrejemo na 720°C, kar je

dovolj za sežig H2S in CO. Od tu potujejo plini preko toplotnega izmenjevalnika v

atmosfero.

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz trdilne komore

Čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz trdilne komore je podobna kot šistilna

naprava za čiščenje dimnih plinov iz kupolne peči. V tej čistilni napravi se odstranjuje

fenolformaldehid in amonijak. Ta dva se zažiga pri 720°C. Najprej se s toplotnimi

izmenjevalniki dimni plini predgrejejo. Obstajajo tudi bypass lopute za primer izpada.

Pretoki so nižji kot pri kupolni peči.

Čistilna naprava za čiščenje zraka iz usedalne komore

Obstaja tudi tretji tip čistilne naprave, to je čistilna naprava za čiščenje dimnih plinov iz

usedalne komore. Zaradi visokega pretoka - odsesa nekaj vlaken uide. Tam je nameščen

klasični filter, kjer je filtrni material kamena volna. Na kameno volno se odsesana vlakna

zalepijo tudi zato, ki so lepljiva, saj so omočena z formaldehidno smoli, ki še ni bila

utrjena v trdilni komori.

Naloga 1. Oglej si posamezne dele proizvodne linije

2. Oglej si čistilno napravo za dimne 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.


39

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.

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


40

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.

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.


41

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

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


42

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.

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 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.


43

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.

Documents

Diagnostika v okoljskem strojništvuweb.fs.uni-lj.si/lvts/wp-content/uploads/2018/05/2014... · 2018. 7. 26. · S Diagnostika v okoljskem strojništvu 3 Študijske obveznosti Študent