Wpływ parametrów dysz rozpylających na proces usuwania amoniaku uwolnionego do środowiska w wyniku awarii [rozprawa doktorska] - Wąsik, Wiktor; Rogula-Kozłowska, Wioletta; Majder-Łopatka, Małgorzata; Akademia Pożarnicza (2023 - ) (Warszawa Akademia Pożarnicza, 2023)
Tematyka rozprawy doktorskiej dotyczy wpływu struktury strumieni wodnych wytworzonych przez rozpylacze o różnej konstrukcji na proces usuwania amoniaku. Analiza literatury przedmiotu wskazuje, że zagrożenia, związane z niekontrolowanym uwolnieniem amoniaku do środowiska w wyniku awarii, są duże. W Polsce największa liczba interwencji podmiotów ratowniczych związanych z emisją gazowych substancji niebezpiecznych dotyczy zdarzeń z udziałem amoniaku. W ostatniej dekadzie, corocznie, odnotowuje się średnio 40 zdarzeń z udziałem tej substancji. Prowadzone na świecie badania w sposób jednoznaczny wskazują, że sorpcja w wodzie jest skuteczną i najtańszą metodą ograniczania skutków awarii z udziałem amoniaku, zarówno w pomieszczeniach, jak i w przestrzeni otwartej. Szybkość procesu sorpcji amoniaku w strumieniu wody jest silnie uzależniona od struktury rozproszonych strumieni, która wynika ze sposobu rozpylania, rodzaju rozpylacza i ciśnienia jego zasilania. Dotąd nie dokonano jednak kompleksowej analizy wpływu geometrii rozpylacza i jego parametrów pracy na proces sorpcji amoniaku. Tematyka dysertacji uzupełnia lukę w tym zakresie i wpisuje się w nowatorski kierunek badań mających na celu poprawę bezpieczeństwa ludzi i ochronę środowiska. Rozprawa doktorska została przygotowana w formie spójnego tematycznie zbioru 6. recenzowanych publikacji naukowych: P1. Wąsik W. (2023). Evaluation of the parameters of the dispersed stream generated by various types of water nozzles. Safety & Fire Technology, nr 61, 1, 32–52. P2. Wąsik W., Majder-Łopatka M., Rogula-Kozłowska W., Węsierski T. (2023). Effect of mist nozzle supply pressure on the ammonia absorption process. Archives of Environmental Protection, nr 49, 2, 40–49. P3. Wąsik W., Majder-Łopatka M., Rogula-Kozłowska W. (2022). Influence of micro- and macrostructure of atomised water jets on ammonia absorption efficiency. Sustainability, nr 14, 9693. P4. Wąsik W., Rogula-Kozłowska W., Majder-Łopatka M. (2021). Evaluation of the microstructure of water jet produced by a full cone spiral nozzle. Scientific Papers of the Main School of Fire Service, nr 79, 105–122. P5. Majder-Łopatka M., Węsierski T., Wąsik W., Binio Ł. (2017). Effects of the supply pressure in a spiral vortex nozzle on a dispersion angle and the sprinkling density of water jet. Scientific Papers of the Main School of Fire Service, nr 61, 137-151. P6. Wąsik W., Walczak A., Węsierski T. (2018). The impact of fog nozzle type on the distribution of mass spray density. MATEC Web of Conferences FESE, nr 247, 00058. W ramach realizacji rozprawy doktorskiej przeprowadzono badania, których celem było wskazanie struktury strumieni rozpylonych wody, w których proces sorpcji, realizowany jest w najkrótszym czasie oraz określenie geometrii dyszy rozpylającej i jej warunków pracy, zapewniających efektywne usuwanie amoniaku ze środowiska. Przebadano rozpylacze o różnej konstrukcji: 3 dysze spiralne (TF 6 NN o pełnym stożku zraszania i kącie rozpylenia 60°, TF 6 FCN o pełnym stożku zraszania i kącie rozpylenia 90°, TF 6 V o pustym stożku zraszania i kącie rozpylenia 60°) oraz dyszę płasko strumieniową o kącie rozpylenia 65° i dyszę strumieniowo-wirową CW 50 o pełnym stożku zraszania i kącie rozpylenia 80°. Badania przeprowadzono w dwóch etapach. W pierwszym, zbadano mikro- i makrostrukturę strumieni rozproszonych wytwarzanych przez ww. rozpylacze oraz określano korelacje między ciśnieniem zasilania dysz a wydajnością wodną generowanych przez nie strumieni i wyznaczano współczynniki przepływu K, mierzono kąt rozpylenia, wyznaczano rozkład masowej gęstości zraszania lub intensywności zraszania. Dokonano również pomiarów rozkładów widmowych kropel. Określono średnie średnice powierzchniowe i objętościowo-powierzchniowe kropel. Zarówno parametry mikro-, jak i makrostruktury strumieni rozpylonych zbadano dla różnych wartości ciśnienia zasilania dysz. Określono jego wpływ na poszczególne parametry strumienia. W drugim etapie badań zmierzono stężenia amoniaku w komorze pomiarowej względem czasu podawania wody z dyszy rozpylającej. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzono krzywe redukcji stężenia amoniaku w funkcji czasu C=f(t) przy różnych ciśnieniach zasilania dyszy. Wyznaczono parametry charakteryzujące przebieg procesu sorpcji amoniaku w wodzie: pozorną stałą szybkość pochłaniania amoniaku kp i czas połowicznej redukcji stężenia t½. W ramach realizacji tematu postawiono 4 hipotezy badawcze: H.1. Pozorna stała szybkość pochłaniania amoniaku kp uzależniona jest od ciśnienia zasilania dysz rozpylających oraz stopnia rozdrobnienia kropel wody wykorzystywanych w procesie sorpcji. H.2. Dysze charakteryzujące się większymi wartościami współczynnika wypływu K wytwarzają strumień o większej skuteczności sorpcji amoniaku. H.3. Wzrost wydajności pochłaniania amoniaku wraz ze wzrostem ciśnienia zasilania dysz nie zawsze jest wynikiem bezpośredniego zmniejszenia średnicy kropel. H.4. Dysze rozpylające o pełnym stożku zraszania i dużym kącie rozproszenia cechują się wysoką skutecznością sorpcji. Na podstawie wyników badań zweryfikowano hipotezy badawcze i sformułowano wnioski: 1) Strumienie wody o dużej niejednorodności zraszania cechują się niższą skutecznością absorpcji amoniaku. Wynika to z faktu, że w strefach, gdzie lokalnie występują duże intensywności zraszania, tworzone są strumienie o dużych wartościach średnich średnic kropel, posiadające szerokie widmo rozpylenia. 2) Do absorpcji przestrzennego obłoku amoniaku powinny być wykorzystywane dysze tworzące strumienie o pełnych stożkach zraszania. Zwłaszcza powinny być to dysze tworzące strumienie o dużej równomierności zraszania oraz dużej dyspersji. 3) Ocena wpływu mikroparametrów strumienia wodnego na skuteczność absorpcji amoniaku jedynie w oparciu o średnie średnice kropel może okazać się niewystarczająca. Z przeprowadzonych badań wynika, że mogą występować przypadki, w których strumienie o większych średnich średnicach kropel, będą wykazywały większe zdolności pochłaniania amoniaku. Jest to związane z równomiernością dyspersji kropel w strumieniu. 4) Zwiększenie kąta rozproszenia w strumieniu stożkowym wpływa na poprawę jakości rozpylenia wody i zwiększenie absorpcji amoniaku. 5) Zwiększenie wydajności wodnej dyszy, która prowadzi do większej niejednorodności strugi i zwiększenia ilości kropel o większych średnicach, obniża zdolność sorpcyjną gazów niebezpiecznych przez strumień. 6) Optymalne ciśnienie zasilania dysz mgłowych, wykorzystywanych w procesie usuwania amoniaku, ze względu na parametry mikro- i makrostrukturalne strumienia oraz kinetykę sorpcji NH3, wynosi 0,4 MPa. 7) Zastosowanie niewłaściwych parametrów strumienia wody podczas sorpcji amoniaku może doprowadzić do kilkukrotnego spowolnienia przebiegu tego procesu. Niewątpliwie będzie to miało istotny wpływ na rozprzestrzenienie zanieczyszczeń i powierzchnię strefy niebezpiecznej dla ludzi i środowiska. Wyniki zaprezentowane w publikacjach P1-P6 potwierdzają, że założony cel został zrealizowany. Wytypowano cechy konstrukcyjne rozpylaczy oraz parametry rozpylonego strumienia determinujące skuteczność usuwania zanieczyszczeń powietrza wywołanych niekontrolowanym uwolnieniem amoniaku. Przeprowadzone badania przyczyniły się także do potwierdzenia nieznanych dotychczas zależności pomiędzy konstrukcją rozpylacza i jego warunkami pracy a strukturą strumieni rozpylonych i ich zdolnością do sorpcji amoniaku. Z pewnością wyniki badań przedstawione w niniejszej rozprawie doktorskiej mogą przyczynić się do opracowania rozwiązań technicznych minimalizujących zagrożenie dla ludzi i środowiska. [Streszczenie Autora]
Sygnatura RD-12
Bibliografia, wykaz norm i aktów prawnych na stronach 62-67.
Keywords: Rozprawa doktorska; Dysze; Amoniak; Zanieczyszczenie; awarie