Usikkerhet knyttet til kvantifisering av utslipp til luft

Transkript

1 Usikkerhet knyttet til kvantifisering av utslipp til luft Status per 10. desember 2008 for prosjekt: Harmonisering av målemetoder for utslipp til luft fra elektrolysehaller for Aluminiumindustriens Miljøsekretariat (AMS) Håkon Skistad Bjarne Malvik Turid Follestad Kolbj. Hejesvei 1D 7465 Trondheim, 1

2 Prosjektets mål Harmoniserte målemetoder, så enkle som mulig Dokumenterbar usikkerhet Utslippsmengde = Konsentrasjon x Volumstrøm Måling av konsentrasjon er behandlet i et tidligere prosjekt. Dette prosjektet tar for seg følgende: Måling av volumstrømmen Beregning av utslippsmengden Kvantifisering av usikkerheten Optimalisering av målemetodikken, dvs.: vi skal måle godt nok, men ikke legge ned innsats som ikke bedrer påliteligheten i målingene. 2

3 Måling er ikke bare å lese av et instrument vi må vite hvordan lufta strømmer..derfor litt bakgrunnsstoff: Før vi gjør målinger må vi vite hva vi skal måle. Dette betyr: Hvordan beveger lufta seg inn og ut av elektrolysehallene? Hvor kan vi finne passende hastigheter som kan måles? Er luftstrømningsmønsteret stabilt? Er det ren luft som kommer inn i hallen, eller har vi resirkulasjon av avkastluft? Forstyrres ventilasjonsluftstrømmene av vind eller av nærliggende bygg? 3

4 Søral Innløps- og utløpsåpninger Utløp Inntak 4

5 Hydro Årdal Utløpsåpninger 5

6 Elkem Mosjøen Utløpsåpninger - skorsteiner 6

7 Luftmengdene må måles i innløp eller i utløp Det er bare i innløpet og i utløpet at lufthastighetene er så store at luftmengder kan måles. Luftstrømningen i innløpene varierer mer enn i utløpet, Derfor konsentrerer vi oss om å måle i utløpet. 7

8 Oppdriften Motoren i naturlig ventilasjon Eksempel fra Søral Temp. diff: t = 25 C Total driving force = buoyancy pressure = 14,3 Pa 9 Pa 1,3 Pa Outlet (labyrinth) Floor grilles H = 17 m 4 Pa Inlet louvers 8

9 Vindtrykk et eksempel I moderat vind er vindtrykkene rundt hallene i samme størrelse som oppdriftskreftene. Vinden vil derfor påvirke ventilasjonen i vesentlig grad. u =5 m/s -7 Pa +12 Pa -6 Pa 9

10 Hvor kommer inntakslufta fra? Når elektrolysehallene ligger ved siden av hverandre må det forventes at inntakslufta kommer ovenfra. Når lufta rundt hallene er forurenset, vil også inntakslufta være forurenset. 10

11 Resirkulasjon av avkastluft Vinden skaper en bakevje nedstrøms hallene hvor avgassene bringes inn i luftinntakene. Vind Kontinuerlige utløpsåpninger med lav utløpshastighet er mest utsatt for resirkulasjon. Vind 11

12 Resirkulasjon av avkastluft eksempel fra Søral I ett spesielt tilfelle (Søral) er resirkulasjonen ved målinger bestemt til mellom 5% og 10% av utløpsmengden. 91,3 % Ved flere verk ligger elektrolysehallene ved siden av hverandre og har kontinuerlige utløp. Det må derfor forventes at resirkulasjon er et utbredt fenomen. 100 % 8,7 % 12

13 Elkem Mosjøen 13

14 Hydro Sunndal 14

15 Sør-Norge Aluminium 15

16 En bedre løsning for avkastet? Kan adskilte skorsteiner redusere resirkulasjonen? Vind 16

17 Hvordan strømmer avgassene i praksis? Der utløpshastigheten fra skorsteinene er stor, er resirkulasjonen liten. Der det er store utløpsarealer er resirkulasjonen større. 17

18 Måling av HF-gass i luftinntak Vi har konstatert resirkulasjon av HF-gass ved alle de verkene vi har undersøkt 18

19 Luftmengdemåling - Teori I dag måles luftmengdene slik: Utløpsåpningene traverseres med anemometer slik at man finner hastighetsprofilene Utfra hastighetsprofilene beregnes middelhastigheter Utfra middelhastigheten og temperaturen beregnes luftmengdestrømmen Dette er en meget arbeidskrevende prosess Måle: - Trykkforskjell - Temperaturforskjell Teorien sier at vi skal kunne finne ventilasjonsluftmengden ved å måle: Trykkforskjellen over utløpet, eller Temperaturforskjellen over utløpet Vi skal finne ut om dette stemmer i praksis 19

20 Etterprøving av teoriene - Trykkmåling Trykkmålinger ga gode resultater i Mosjøen hall 3, i stille vær. På Sunndalsøra var trykkdifferensen bare ca. 3 Pa. Dette er for lite til å måle med ønsket grad av nøyaktighet, og vinden lagde kaos i trykkforholdene. Hos Søral forstyrret vindtrykket for mye, til tross for spesiallaget utstyr for å redusere påvirkningen. (Bildet) Trykkdifferense over skorstein des-08 Mosjøen Trykkdifferense over utløp Seksjon A8, Streamliner A oktober 2008 Søral Trykkdifferense [Pa] 10 5 Middel Min Maks Trykkdifferense [Pa] Middel Min Maks :00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Klokkeslett :00 22:00 02:00 06:00 10:00 Klokkeslett 20

21 Etterprøving av teoriene - Temperaturmålinger Temperaturdifferensene viser mindre fluktuasjoner enn trykk- og hastighetsmålingene. For Søral og Mosjøen ser vi stort sett en logisk sammenheng mellom temperaturdifferenser og luftmengder. (Noe uforklart krøll i Mosjøen). For Sunndalsøra er bildet vanskeligere åtolke. Temperaturdifferense [ C] Temperaturdifferenser, Elkem Mosjøen Mosjøe n 0 14:24 19:12 00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 Klokkeslett CT2 503 CT3 615 CT5 309 Temperaturdifferenser Hall A 7-8 oktober 2008 Søral Temperaturdifferenser SU sept 2008 Sunndalsøra Temperaturdifferense [ C] A2 A4 Temperaturdifferense [ C] Sek 3 Syd Sek 3 Midt Sek 3 Nord :00 20:00 00:00 04:00 08:00 Klokkeslett 10 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 Klokkeslett 21

22 Luftmengdemåling utprøving av UL hastighetsmåler Under målingene prøvde vi en ny type hastighetsmåler som ikke påvirkes av støv eller korrosive gasser. Erfaringene er så gode at vi har valgt å gå videre i prosjektet med målinger som baserer seg på denne type måler. 22

23 Dagens målemetoder Dagens målemetoder Konsentrasjon Hovedmetode: Konsentrasjonen av HF (g), HF (s), SO 2 og partikler måles med filtermetoden. Prøvetakingstid: varierer fra ett døgn til 2 x 7 døgn Alternativt: Optisk måling av HF (g), oppsamling på filter for HF (s) og partikler Hastighet Traversering av utløpsåpninger med vingehjulsanemometer Registrert hastighet er middelverdien av en måling over en viss tidsperiode, varierende fra 5 til 30 sekunder. Alternativt: Målekasse (over labyrintutløp) 23

24 Hastigheter i utløpet Hastighetsfordeling i utløpsåpningene Hastighetene i utløpet fluktuerer, spesielt der hvor det er lavt trykkfall over utløpet. Hastighetsfeltet kan beskrives som en middelverdi med fluktuasjoner over tiden. Fordeling over utløpet, øyeblikksverdier Fordeling over utløpet middelverdier 24

25 Hastigheter i utløpet Hastighetsprofiler Sunndal verk SU4 Hastighetsprofiler, øyeblikksverdier. 25

26 Hastigheter (øyeblikksverdier) i ett punkt som funksjon av tiden Sunndal verk SU4 Hastigheten i ett bestemt punkt varierer med tiden. I vindvær er fluktuasjonen store og raske. 4 3 Hastighet i utløpet SU4 seksjon 3 7,7 meter nord for syd-enden av monitor, 150 mm ut fra gangvei 10.september 2008 Hastigheter i utløpet Hastighet [m/s] :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 Klokkeslett Vertikal hast Horis. hast. 26

27 Hastigheter i utløpet Fluktuasjonene øker med vindstyrken Diagrammene til høyre viser hastighet som funksjon av tiden i ett målepunkt i utløpet av elektrolysehall SU4 hos Hydro Sunndal. Det øverste diagrammet viser glidende middelverdi for vindstyrker mellom 4,2 6,5 m/s Hastighet [m/s] Moderat vind -3 15:00 17:00 19:00 Klokkeslett 3 Middel Maks Min 2 Det nederste diagrammet viser glidende middelverdi for vindstyrker over 10 m/s Hastighet [m/s] Sterk vind -3 14:00 15:00 16:00 17:00 Klokkeslett Middel Maks Min 27

28 Hastigheter i utløpet Faktorer som skaper endring i målt utløpshastighet Variasjon i utløpshastigheter kan ha forskjellige årsaker: 1. Tilfeldige variasjoner skyldes: Vindpåvirkninger Ustabilitet i ventilasjonen 2. Sykliske variasjoner skyldes: Rutinemessige endringer i prosessen, for eksempel åpning av anodedeksler. 3. Varige endringer skyldes: Varige endringer i prosessen eller i ventilasjonen 28

29 Måleusikkerhet Estimert usikkerhet (Mosjøen) (Sunndalsøra og Søral er i farta) Luftmengde Middel for hele hall 5 : σ / V = 10% Middel for hele hall 6: σ / V = 9% Konsentrasjon, ett-døgns-middel Fluor (gass og støvholdig til sammen): Støv: SO2 Middel for hele hall 5: σ / c = 39% Middel for hele hall 6: σ / c = 33% Middel for hele hall 5: σ / c = 54% Middel for hele hall 6: σ / c = 45% Middel for hele hall 5: σ / c = 35% Middel for hele hall 6: σ / c = 33% Utslippsmengde Fluor i støv Hele hall 5: σ / c = 15% Hele hall 6: σ / c = 14% Fluor i gass Hele hall 5: σ / c = 14% Hele hall 6: σ / c = 13% Totalt fluorutslipp Støv SO 2 σ / c = 12% for både hall 5 og 6 σ / c = 20% for begge hallene σ / c = 12% for begge hallene Til sammenligning: For kontinuerlige optiske målinger for hall 3 og 4, er σ / c for ett-døgns-middel for konsentrasjon i underkant av 20%. 29

30 Anbefalt metode Anbefalt metode, oppsummering 1. Registrer når det skjer endringer i prosessen. 2. Velg type konsentrasjonsmålinger. Filtermetode eller optisk metode 3. Konsentrasjonsmålinger (varighet? utredes nærmere) 4. Volumstrømmålinger samme tidsperiode og i samme seksjon av hallen. 5. Beregn utslippsmengde og usikkerhet i beregnet utslippsmengde. 30

31 Anbefalt metode Konsentrasjonsmålinger - Filtermetoden Filtermetoden Fordeler: Samtidig måling av HF (g), HF (s), SO 2 og partikler Enkel, velprøvd og dokumentert metodikk Ulemper: Arbeidskrevende Gir punktkonsentrasjoner, ikke gjennomsnitt over større areal Gir resultater i ettertid Krever et betydelig antall enkeltmålinger Anbefaling: Må fortsatt være basismetoden Mulig reduksjon av antall målepunkt for enkelte verk Harmonisering av prøvetakingstid mellom verkene? Denne er i dag forskjellig 31

32 Anbefalt metode Konsentrasjonsmålinger Optiske målinger Direktevisende kontinuerlig måling Fordeler: Gir sanntids konsentrasjoner Gir gjennomsnitt over ønsket tid Gir gjennomsnitt over hele eller deler av en hall Gir direkte info om prosessavvik Gir redusert behov for personellinnsats Ulemper: Er så langt bare dokumentert for HF (g) og SO 2 Vanskelig å tilpasse i enkelte haller pga ventilasjonsløsninger og hallens utforming Ekstra kostnad så lenge manuell metode fortsatt må opprettholdes Anbefaling: Bør innfases etter hvert der det er mulig fremtidens metode 32

33 Anbefalt metode Optisk konsentrasjonsmåling Optiske målere plasseres inne i hallen, så nær utløpet som mulig. Optisk måler Én seksjon 33

34 Anbefalt metode Optisk konsentrasjonsmåling Optiske målere bør ikke plasseres utenfor hallen, fordi: Det vil ofte være en bakgrunnskonsentrasjon av HF i utelufta Vinden kan blåse vekk avgassene før de kommer inn i lysstrålen fra måleren, eller føre avgassene ned mot hallen slik at de blir registrert på flere steder i lysstrålen. Optisk måler 34

35 Anbefalt metode Luftmengdemåling (Volumstrømmåling) Luftvolumstrømmen i utløpet bestemmes slik: Del opp utløpsåpningen i 2 3 seksjoner pr hall. Bruk de samme seksjonene som for konsentrasjonsmålingene. Mål lufthastigheten (u i,målt ) i ett punkt pr seksjon, kontinuerlig over hele måleperioden. Beregn middelhastigheten over måleperioden Beregn luftvolumstrømmen etter formelen: V = V ref u u i, målt i, ref hvor: u i,målt = målt hastighet i pkt i, midlet over måleperioden u i,ref = referansehastigheten i punktet i V ref = referanse-volumstrømmen (bestemt ved kalibreringsmålinger) Hastighetsmåler Én seksjon Én seksjon Hastighetsmåler Én seksjon ui,målt 35

36 Anbefalt metode Referansevolumstrømmen og referansehastigheten For anlegg hvor man har historiske data: Referansevolumstrømmen bestemmes ved analyse av foreliggende data: Utfra foreliggende data bestemmes midlere hastighetsprofiler. De midlere hastighetsprofilene integreres slik at man finner en volumstrøm. Dette er referansevolumstrømmen, V ref Denne volumstrømmen divideres med den historiske middelverdien i det målepunktet man velger, u i,ref Dermed kan man finne omregningskonstanten til å beregne luftvolumstrømmen utfra en målt hastighet i formelen V = V ref u u i, målt i, ref 36

37 Anbefalt metode Referansevolumstrømmen og referansehastigheten For anlegg hvor man ikke har historiske data: Referansevolumstrømmen bestemmes ved kalibreringsmåling. Kalibreringsmålingen må foregå en dag det er vindstille (eller så nær vindstille man kan komme), og hvor prosessen i elektrolysehallen går stabilt og normalt. 37

38 Takk for oppmerksomheten 38