Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние атмосферы 14
1.1 Газообразные выбросы от теплогенерирующих установок 14
1.2 Содержание оксидов в дымовых газах теплогенерирующих установок. Цели и задачи исследования 22
2 Технологии очистки дымовых газов и технологических выбросов от оксидов серы 26
2.1 Мокрые методы 26
2.2 Сухие методы 34
2.3 Абсорберы для очистки дымовых газов от оксидов серы 36
2.4 Циклонно-пенные апараты 41
3 Конструкции и технологические особенности установок, основанных на применении вибротурбулизационного эффекта 49
3.1 Способы и устройства смешения газов с жидкостью 49
3.2 Устройство и принцип действия УПГВ-3 57
3.3 Устройство и принцип действия УПГВ —4 58
3.4 Устройство и принцип действия УПГВ — 5 61
3.5 Перспективы применения струйных аппаратов для очистки дымовых газов 62
3.5.1 Принципиальная схема и процесс работы струйного аппарата 64
4 Теоретические исследования по образованию пересыщенного водяного пара и условий его конденсации 72
4.1 Образование пересыщенного пара при конденсации 72
4.1.1 Образование капель жидкости в объеме пара 73
4.1.2 Ядра конденсации 77
4.1.3 Образование пересыщенного пара при турбулентном смешении газов 80
5 Экспериментальные исследования 95
5.1 Определение коэффициента инжекции струйного аппарата 95
5.2 Экспериментальные исследования процессов смешения газовых потоков с водяным паром 97
5.3 Результаты испытаний котлов и УПГВ 109
5.3.1 Испытания котлов, работающих на жидких высокосернистых топливах 109
5.3.2 Результаты испытаний УПГВ 6 111
Заключение 116
Приложения 117
Литература 133
- Содержание оксидов в дымовых газах теплогенерирующих установок. Цели и задачи исследования
- Абсорберы для очистки дымовых газов от оксидов серы
- Перспективы применения струйных аппаратов для очистки дымовых газов
- Образование пересыщенного пара при турбулентном смешении газов
Введение к работе
Нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу, является безотлагательной проблемой всего человечества /1-18/. Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. Однако, по вине человечества ежегодно в атмосферу выбрасывается миллионы тонн оксидов азота, серы, сажа, соединения свинца, водяной пар и др. Содержание диоксида серы в дымовых газах тепловых электростанций, металлургических предприятий и транспортных двигателях в мировых масштабах (в пересчете на серу) достигает 100 млн. тонн в год /1/.
Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, автомобильный, авиационный и железнодорожный транспорт /1/. Из газообразных выбросов оксид серы и ее соединения занимают лидирующее положение по степени опасности для природы и человека.
Хроническое воздействие сернистого газа на органы дыхания способствует возникновению бронхитов, в ряде случаев с астматическими явлениями, а так же других аспираторных заболеваний. Оксиды серы (IV) могут нарушать углеводный и белковый обмен, способствовать образованию метгемоглобина, снижению имуннозащитных свойств организма. Оксид серы (IV) считается одной из основных действующих частей «токсичных туманов» и одним из активных компонентов формирования смога.
Взаимодействуя с атмосферной влагой, оксиды серы образуют кислотные осадки, которые оказывают как прямое повреждающее действие на биосферу, так и косвенное, закисляя почвы и водоемы. Попадая в атмосферу, соединения серы подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с участием компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками или выпадают на поверхность Земли с аэрозолями. Попадая на поверхность биологических объектов, строительных конструкций и
5 других предметов, загрязнения и продукты их превращения интенсифицируют физико-химические процессы разрушения органических веществ, металлов и неорганических материалов.
Ущерб, наносимый живой природе атмосферными загрязнениями и в частности соединениями серы, трудно оценить, но гибель лесов, загрязнение водных бассейнов, распространение аллергических заболеваний, нарушение биологического равновесия в экосистемах в большей степени связаны с высокими концентрациями агрессивных примесей в атмосфере.
Основные соединения серы, находящиеся в атмосфере - диоксид серы [оксид серы (IV)], оксисульфид (серооксид углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в диоксид серы или в серную кислоту. В сильно загрязненных районах уровень диоксида серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз превысить естественную границу значений.
Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, используемый в качестве топлива на электростанциях и других энергоустановках, который дает 70% антропогенных выбросов. В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.
Содержание серы в неочищенной нефти также достаточно велико и зависит от места добычи (0,1 - 2%). При сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля, но если учесть, что на сегодняшний день потребление жидкого топлива значительно преобладает над потреблением угля, то и валовые выбросы сернистого газа при сжигании жидкого топлива значительно выше /19-21/.
В жидком топливе сера входит в состав сераорганических соединений (меркаптаны, сульфиды, тиофаны, дисульфиды, полисульфиды, тиофены), хорошо растворимых в углеводородах, а также в виде растворимых в углеводородах сероводорода и элементарной серы. Элементарная сера в сырых нефтях содержится до 1% и более, как в аморфном, так и в кристаллическом виде.
При температуре выше 150С элементарная сера может взаимодействовать с некоторыми углеводородами с образованием сероводорода и других новых сернистых соединений /19-28/.
Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные.
Заключительным этапом в круговороте соединений серы в атмосфере является выпадение кислотных осадков /29/. Влияние кислотности в первую очередь сказывается на состоянии пресных вод и лесов. В большинстве случаев воздействия на ту или иную систему бывают косвенными, то есть опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение алюминия). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источника загрязнения. В определенных объектах (почва, вода) в зависимости от кислотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их растворимость. Через питьевую воду и животную пищу, например через рыбу, в организм человека также могут попасть токсичные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений.
Основными способами защиты окружающей среды от выбросов серы и ее соединений считается уменьшение выбросов диоксида серы путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо, удаление серы из топлива, повышение качества процессов горения, создание принципиально новых технологий по очистке дымовых газах теплогенерирующих установок.
По приближенным оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0,5%. Среднее
7 содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.
Очистка нефти от серы представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы.
Для качественного сжигания топлива с возможно меньшим количеством окислителя необходимы равномерная раздача топлива в поток воздуха и интенсивное смывание им капель топлива, что достигается закручиванием потока воздуха, поступающего из горелок в топливный факел с возможно большими скоростями. Горение мазута сопровождается протеканием сложнейших физических и химических процессов. Разделить процессы по времени протекания реакций и по их последовательности практически невозможно. В диффузионной теории горения вводится квазистационарное представление о процессе: без учета изменения температур и концентраций отдельных компонентов газовой среды с уменьшением диаметра горящей капли. Допускается симметричность полей температур и концентраций. Предполагается отсутствие влияния кинетической фазы и отсутствие пиролиза при нагреве топлива и его паров. Многообразный состав паров топлива, неоднородность концентраций окислителя в факеле, а также наличие температурных полей в топке с разным уровнем и высокая энергия активации конечных дымовых газах обусловливают сложность химических реакций горения топлива /20-23/.
Одним из наиболее спорных способов «защиты» атмосферы от газообразных выбросов, является применение высоких труб. При использовании низких труб, выбрасываемые соединения серы перемешиваются с воздухом в меньшей степени. Поэтому в ближайшем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы будет высокой и, естественно, ее соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то воздействия вблизи выброса дымовых газах уменьшаются, возрастает
8 эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных районов и для всей атмосферы в целом. Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязнения воздуха, однако в значительной степени увеличивает «экспорт» кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воздействия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются. Строительство высоких труб в известной степени безнравственно, поскольку страна, где происходят сильные выбросы загрязнений, переадресовывает часть кислотных осадков вместе с их неблагоприятными последствиями в другие страны.
Сокращения выброса диоксида серы достигается различными технологиями очистки уходящих газов. Наиболее распространенный метод — мокрый процесс, когда уходящие газы, например, барботируют через раствор известняка, в результате чего образуются сульфит или сульфат кальция. Недостатком этого способа можно считать малую поверхность контакта очищаемых газов с поверхностью раствора.
В предлагаемой диссертационной работе научно обоснован и практически реализован один из перспективных способов очистки дымовых газах от соединений серы. Исследован процесс двухступенчатого смешивания газа с жидкостью, описанный в /30/. На первой ступени процесс осуществляется в струйном аппарате, где газовый поток смешивается с водяным паром. После этого в диффузоре и конденсаторе организуется конденсация газопаровой смеси. При этом конденсируемый пар частично взаимодействует с оксидами, содержащимися в дымовых газах. На второй ступени газ подается в установку поглощения газовых выбросов (УПГВ) /31-34/, в конструировании, изготовлении и испытаниях которой автор принимал участие /35-37/. После УПГВ газовый поток, подверженный сложному процессу сорбции удаляется в атмосферу. Жидкость, насыщенная оксидами, направляется на дальнейшую переработку /38-44/.
Указанная технология внедрена на нескольких объектах /45,46/.
У нас в стране, так и за рубежом выполняются теоретические и экспериментальные работы по взаимодействию газовых выбросов различного состава (оксиды углерода, азота, серы, несгоревшие компоненты топлив, твердые частицы и др.) от теплогенерирующих установок, с жидкостями. Большой вклад в исследование проблем очистки газообразных выбросов внесли отечественные ученые: А.К. Внуков, Н.Ф. Тищенко, В.В. Кафаров, Э.Я. Тарат, В.М. Рамм, Друскин Л.И., Цирульников Л.М., Сигал И.Я., Федоров Н.А., Спейшер В.А., Горбаненко А.Д., Кулиш О.Н., Широков В.А., Газаров Р.А., Дятлов В.А. и многие другие, ученые РГУПС: К.Б. Комиссаров, В.М. Гарин, ученые РГСУ: Новгородский Е.Е., Богуславский Е.И., Беспалов В.И. и другие.
Решению этих вопросов посвящена настоящая диссертационная работа. Тема работы актуальна, так как посвящена экспериментальному изучению процессов смешения дымовых газов с водяным паром и конденсации парогазовых смесей перед поступлением их в УПГВ с целью снижения антропогенного воздействия на атмосферу Земли. Работа выполнена в соответствии с «Экологической программой железнодорожного транспорта на 2001-2005 года» (Указание МПС РФ № Г-131у от 30 января 2001 г).
Цель работы. Снижение загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов выбросами диоксида серы от теплогенерирующих установок систем теплоснабжения ЖКХ, посредством повышения очистки дымовых газов, достигаемого в результате совершенствования установки поглощения газовых выбросов с использованием струйного смесителя.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи: оценка основных способов очистки дымовых газов, содержащих диоксид серы, от различных теплогенерирующих установок систем теплоснабжения ЖКХ; исследование условий процессов конденсации водяного пара в парогазовых смесях; - исследование процессов образования парогазовых смесей в струйном смесителе и их конденсации; - экспериментальная оценка эффективности поглощения оксида серы при смешении дымовых газов с водяным паром и конденсации образовавшейся парогазовой смеси на лабораторной и опытно-промышленной установке поглощения газовых выбросов.
Научная новизна работы состоит в том, что: получены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность процесса очистки дымовых газов от диоксида серы, образующегося при эксплуатации теплогенерирующих установок систем теплоснабжения ЖКХ, при смешении их с водяным паром и конденсацией парогазовой смеси в струйном аппарате; получены аналитические зависимости, описывающие условия процесса смешения газов с водяным паром и последующей конденсации парогазовой смеси в струйном аппарате; установлены экспериментальные зависимости позволяющие оценивать содержание диоксида серы в дымовых газах теплогенерирующих установок систем теплоснабжения и в атмосферном воздухе населенных пунктов на основании изменения электрофизических свойств газовых потоков в зависимости от концентрации диоксида серы.
Основные научные результаты выносимые на защиту: экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность процесса очистки дымовых газов от диоксида серы, образующегося при эксплуатации теплогенерирующих установок систем теплоснабжения ЖКХ, при смешении их с водяным паром и конденсацией парогазовой смеси в струйном аппарате; аналитические зависимости, описывающие условия процесса смешения газов с водяным паром и последующей конденсации парогазовой смеси в струйном аппарате; экспериментальные зависимости позволяющие оценивать содержание диоксида серы в дымовых газах теплогенерирующих установок систем теплоснабжения и в атмосферном воздухе населенных пунктов на основании изменения электрофизических свойств газовых потоков в зависимости от концентрации диоксида серы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, физическим моделированием исследуемых процессов с использованием современных приборов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях.
Практическое значение работы состоит в том, что: разработан, экспериментально исследован и внедрен способ очистки дымовых газов систем теплоснабжения ЖКХ с использованием струйного аппарата и установки поглощения газовых выбросов, новизна которого подтверждена патентом на изобретение РФ (№2240178); усовершенствована установка для очистки дымовых газов теплогенерирующих установок систем теплоснабжения ЖКХ.
Реализация результатов работы: результаты работы внедрены в отопительной котельной станции Лихая для двухступенчатой очистки газовых выбросов в струйном аппарате и установке поглощения газовых выбросов от котла типа КВ-М-2,5, работающего на мазуте; материалы диссертационной работы использованы кафедрой «Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте» Ростовского государственного университета путей сообщения в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: межрегиональной научно-практической конференции «Жилищно-коммунальное хозяйство и энергетика в 21 веке» (Ростов н/Д, 2003); международной школе - семинаре «Промышленная экология» (Ростов н/Д, 2003); международной научно-практической конференции «Строительство-2005» (Ростов н/Д, 2005).
12 Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 14 публикациях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем работы 141 страница, в том числе: 116 страниц - основной текст, содержащий 10 таблиц на 7 страницах, 56 рисунков на 49 страницах, список используемой литературы из 113 наименований на 9 страницах, 4 приложений на 15 страницах.
Во «Введении» и главе 1 рассмотрено современное, на взгляд автора, критическое состояние атмосферы, приведены фактические концентрации оксидов, в частности, SO2 в дымовых газах теплогенерирующих установок.
Во второй главе описаны основные технологии очистки дымовых газов и технологических выбросов от оксидов серы. Рассмотрены технические и технологические особенности мокрых и сухих методов, абсорберов и циклонно-пенных аппаратов для поглощения оксидов серы из газовых потоков. Показано, что применяемые методы сложны, металлоемки, требуют значительных производственных площадей, обслуживающего персонала, а также используют реагенты, требующие дополнительной инфраструктуры.
Третья глава посвящена конструктивным и технологическим особенностям установок, использующих вибротурбулизационный эффект. Приведены конструкции различных модификаций УПГВ и принципы их действия. Для реализации основной идеи диссертации проанализированы принципиальная схема, рабочий процесс и перспективы применения струйных аппаратов для смешения газовых потоков с водяным паром с последующей конденсацией парогазовой смеси.
В четвертой главе представлены теоретические исследования по образованию пересыщенного водяного пара и условиям его конденсации. Рассмотрены механизмы образования капель жидкости в объеме парогазовых смесей, ядер конденсации и пересыщенного пара при турбулентном смешении потоков газов и паров.
13 Пятая глава посвящены экспериментальным исследованиям процессов смешения газовых потоков с водяным паром в лабораторных условиях, а также устройству и принципу действия созданной и внедренной с участием автора
УПГВ-б. Приведены результаты испытаний котлов, работающих на высокосернистых жидких топливах и результаты внедрения УПГВ в котельной депо ст. Лихая, позволившие дать заключение о высокой эффективности очистки дымовых газов теплогенерирующих установок от оксида серы при работе их на сернистых жидких топливах в процессе смешения газового потока с водяным паром и конденсации образовавшейся парогазовой смеси.
В заключении приводятся общие выводы по проделанной работе.
Содержание оксидов в дымовых газах теплогенерирующих установок. Цели и задачи исследования
В 115 городах с населением почти 50 млн. человек индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) превышал 7, т.е. уровень загрязнения воздуха оценен как высокий и очень высокий (2000 г. -98 городов). В приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения воздуха в России (с индексом загрязнения атмосферы, равным или больше 14) в 2001 г. включен 31 город с населением более 15 млн. человек (2000 г. - 30 городов). Таким образом, в 2001 г. по сравнению с предыдущим годом по всем показателям загрязнения воздуха возросло число городов и, соответственно, численность населения, подверженного не только высокому, но к тому же и всевозрастающему воздействию загрязняющих веществ в атмосфере.
Наблюдаемые изменения происходят не только вследствие роста промышленных выбросов при наращивании производства промышленной продукции, но и в результате увеличения автомобильного парка в городах, сжигания огромного количества топлива, заторов на дорогах и продолжительной работы двигателей на холостом ходу, при отсутствии на автомобилях средств обезвреживания отработавших газов. В последние годы во многих городах произошло существенное сокращение экологически чистых общественных средств транспорта - трамваев и троллейбусов за счет увеличения парка маршрутных такси.
В 2001 г. в списке приоритетных городов с очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, как и ранее, оказались 10 городов - центров черной и цветной металлургии, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности. Это такие крупные города как Архангельск, Кемерово, Красноярск, Новокузнецк, Норильск, Омск, Санкт-Петербург, Томск и ряд других городов. Состояние атмосферного воздуха в городах по федеральным округам характеризуется следующим образом. В Центральном федеральном округе в 35 городах среднегодовые концентрации вредных примесей превысили 1 ПДК. В 16 городах с населением 8433 тыс. человек уровень загрязнения был высоким (ИЗА был равен или более 7). В городах Курск, Липецк и в южной части Москвы этот показатель был очень высоким (ИЗА равен или больше 14), в связи с чем они вошли в число городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
В Южном федеральном округе в 19 городах среднегодовые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе превышали 1 ПДК, а в четырех городах их максимальные разовые концентрации были больше 10 ПДК. Высокий уровень загрязнения воздуха был в 19 городах с населением 5388 тыс. человек. Очень высокий уровень загрязнения воздуха отмечен в Азове, Волгодонске, Краснодаре и Ростове-на-Дону, в связи с чем они отнесены к числу городов с наиболее загрязненным воздушным бассейном.
В Приволжском федеральном округе в 2001 г. среднегодовые концентрации вредных примесей в атмосферном воздухе превысили 1 ПДК в 41 городе. Максимальные разовые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе составляли более 10 ПДК в 9 городах. Уровень загрязнения воздуха был высоким в 27 городах с населением 11801 тыс. человек, очень высоким - в г. Уфа (отнесенном к числу городов с наибольшим уровнем загрязнения воздуха).
В Уральском федеральном округе среднегодовые концентрации вредных примесей в атмосферном воздухе превысили 1 ПДК в 18 городах. Максимальные разовые концентрации составляли более 10 ПДК в 6 городах. Высокий уровень загрязнения воздуха был в 13 городах с населением 4758 тыс. человек, а Екатеринбург, Магнитогорск, Курган и Тюмень вошли в список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
В Сибирском Федеральном округе, в 47 городах среднегодовые концентрации вредных примесей в атмосферном воздухе превысили 1 ПДК, а в 16 городах максимальные разовые концентрации составляли более 10 ПДК. Высокий уровень загрязнения воздуха отмечен в 28 городах с населением 9,5 млн. человек, а очень высокий - в городах Братск, Бийск, Зима, Иркутск, Кемерово, Красноярск, Новокузнецк, Омск, Селенгинск, Улан-Удэ, Усолье-Сибирское, Чита и Шелехов. Таким образом, Сибирский Федеральный округ в 2001 г. лидировал как по числу городов, в которых были превышены среднегодовые нормы ПДК, так и по числу городов с наиболее высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна.
В Дальневосточном федеральном округе среднегодовые концентрации вредных примесей превышали 1 ПДК в 23 городах, максимальные разовые концентрации были больше 10 ПДК в 9 городах. Высокий уровень загрязнения воздуха отмечен в 11 городах с населением 2311 тыс. человек. Города Магадан, Тында, Уссурийск, Хабаровск и Южно-Сахалинск отнесены к числу городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
В условиях наращивания объемов промышленного производства, преимущественно на морально и физически устаревшем оборудовании в базовых отраслях экономики, а также при неуклонно растущем количестве автомобилей следует ожидать дальнейшего ухудшения качества атмосферного воздуха в городах и промышленных центрах страны, в связи с чем необходимо усилить на местах деятельность природоохранных органов по пересмотру норм предельно допустимых выбросов и контролю за их соблюдением. По данным Совместной программы наблюдения и оценки переноса на большие расстояния загрязняющих воздух веществ в Европе, представленных в 2001 г., на Европейской территории России (ЕТР) общие выпадения окисленных серы и азота составили 2038,2 тыс. т, 62,2% этого количества - трансграничные выпадения. Общие выпадения аммиака на ЕТР составили 694,5 тыс. т, из коих 45,6% - трансграничные выпадения.
Общие выпадения свинца на ЕТР составили 4194 т, в том числе 2612 т, или 62,3%) -трансграничные выпадения. На ЕТР выпало 134,9 т кадмия, из них 94,8 т, или 70,2%) - в результате трансграничных поступлений. Выпадения ртути составили 71,2 т, из них 67,19 т, или 94,4% - трансграничные поступления. Значительную долю вклада в трансграничное загрязнение территории России ртутью (почти 89%) вносят природные и антропогенные источники, находящиеся за пределами европейского региона. Выпадения бензапирена превысили 21 т, из них 16 т, или более 75,5% - трансграничные выпадения.
Абсорберы для очистки дымовых газов от оксидов серы
Основными аппаратами, определяющими эффективность работы схемы очистки дымовых газов от газообразных примесей при использовании мокрых методов, являются абсорберы, а сухих методов - адсорберы. Конструкции абсорберов весьма многообразны, однако для очистки дымовых газов наиболее часто применяются абсорберы поверхностные насадочные), барботажные (в том числе и с подвижной насадкой) и абсорберы (скрубберы) Вентури /55-57/.
Из группы поверхностных абсорберов наибольшее распространение получили насадочные абсорберы, в которых поверхностью контакта газа и жидкости является пленка жидкости, стекающей по поверхности насадки, выполненной в виде сплошной загрузки объема абсорбера телами различной формы или послойной загрузкой этой насадки рис.2.9. Так как соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки, то интенсивность процесса очистки зависит от ее удельной поверхности, зависящей в свою очередь от формы и размеров применяемых насадочных материалов. Насадочные абсорберы: а - со сплошной загрузкой насадки; 6-е послойной загрузкой насадки; 1 - поддерживающие решетки; 2 - насадка; 3 -устройство для распределения жидкости; 4 - перераспределитель; 5 - желоб; 6 -патрубок В качестве насадки употребляются хордовая, состоящая из поставленных на ребра досок или пластин из пластмассы или графита, кольцевая, чаще всего состоящая из колец Рашига, укладываемых в навал или регулярно, и другие виды (блочная, кусковая). Абсорберы поверхностного типа удобны в работе, имеют малое гидравлическое сопротивление, но на их работе отрицательно сказывается образование отложений в процессе очистки дымовых газов. Для уменьшения влияния твердой фазы (выделяющейся из рабочего раствора и золового уноса) применяются абсорберы барботажного типа, тарельчатые и с подвижной насадкой /58,59-65/ рис. 2.10. При этом полость абсорбера разделяется рядом перфорированных перегородок (тарелок), на которых и осуществляется контакт жидкости и газа. Насадка, в качестве которой используются полые или сплошные шары диаметром 35-40 мм из полиэтилена или других полимерных материалов, также располагается на перфорированных перегородках. При работе абсорбера насадка потоком газа приводится во взвешенное состояние и вследствие интенсивного движения шаров относительно друг друга забивания насадки твердой фазой не происходит. Так как высота слоя шаров на перегородке в неподвижном состоянии составляет 0,2-0,3 м, а расстояние между перегородками 1,0-1,5 м, то расширение слоя шаров при работе абсорбера может быть трех- и четырех- кратным. Этот тип абсорберов удобен для очистки больших расходов газа, но обладает повышенным гидравлическим сопротивлением. Очень часто в схемах очистки дымовых газов используются распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта жидкости и газа образуется за счет распыливания жидкости в газе. Для очистки дымовых газов используются полые распыливающие абсорберы рис. 2.11, а также распыливающие абсорберы Вентури /58-65/ рис. 2.12. Распыливание жидкости в полых абсорберах производится при помощи механических форсунок, расположенных в один или несколько рядов. Эти абсорберы имеют небольшое гидравлическое сопротивление и могут работать при больших расходах газа. Однако их недостатком является частое забивание форсунок, особенно при кристаллизации твердой фазы из рабочего раствора. Наиболее интенсивное перемешивание жидкости и газа организуется в абсорберах Вентури (скоростных газопромывателях). Рабочий раствор в этих абсорберах может распыливаться либо при помощи форсунок (струйный абсорбер), либо распыл раствора производится за счет кинетической энергии газа (пленочное орошение). При очистке дымовых газов чаще используются абсорберы с пленочным орошением рис. 2.13, а. В этом абсорбере жидкость поступает в трубу Вентури, переливаясь через верхний обрез конфузора, стекает в виде пленки по его стенке и затем распыливается газом в горловине трубы Вентури. Отделение жидкости от газа происходит в полости абсорбера. Применяются и более сложные модификации абсорбера Вентури. На рис.2.13, б показана схема двухступенчатого абсорбера Вентури с пленочным орошением, в котором первая ступень используется как скоростной газопромыватель для улавливания золы, а вторая - собственно как абсорбер для улавливания окидов серы /55-57/. Абсорберы Вентури отличаются от других малыми размерами, но имеют повышенное гидравлическое сопротивление. Поглощение удаляемого газа происходит на поверхности раздела газа и раствора селективно. Абсорбент должен поглощать преимущественно удаляемый газ. В противном случае процесс очистки газа от данного компонента будет малоэффективным или просто невозможным.
Перспективы применения струйных аппаратов для очистки дымовых газов
На рис. 3.8 представлен разрез УПГВ-5. С точки зрения компоновочных решений эта установка соответствует УПГВ-4. Однако указанная модификация представляет собой единый блок. На одном каркасе смонтированы собственно установка поглощения, водяной насос и вентилятор для удаления очищенных газовых выбросов.
Для увеличения эффективности работы установки ее фильтрующие элементы унифицированы в виде отдельных блоков, количество которых зависит от исходных концентраций оксидов и твердых частиц в дымовых газах. По поперечному сечению блоков размещаются кассеты, представляющие собой, например, многослойную сетчатую структуру. Пространство между кассетами может заполняться дополнительно любым фильтровальным материалом. Количество кассет в блоках подбирается исходя из исходных концентраций оксидов и твердых частиц в дымовых газах и общего аэродинамического сопротивления УПГВ. Установка УПГВ - 5 внедрена на предприятии Республики Беларусь.
Перспективы применения струйных аппаратов для очистки дымовых газов Была выдвинута идея, которая защищена патентами РФ /51,52/ об использовании струйного аппарата (СА) для смешения потока дымовых газов с инжектируемым водяным паром и последующей конденсацией образовавшейся парогазовой смеси. Таким образом СА является предварительной ступенью очистки газовых выбросов от оксидов и твердых частиц перед УПГВ.
Конструкциям, особенностям технологии эксплуатации и другим проблемам, касающимся струйных аппаратов (СА), а также прикладным задачам газодинамики посвящено значительное число публикаций, например /77-84/.
Принципиальной особенностью СА является повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии при исключительной простоте конструкции /77/. СА могут работать в широком диапазоне изменения параметров газов, позволяет легко регулировать рабочий процесс и переходить с одного режима работы на другой, что обусловило широкое их применение в различных областях техники. Основные элементы аппарата: рабочее сопло, приемная камера, камера смешения, диффузор. Назначение сопел - с минимальными потерями подвести газы в смесительную камеру. Камера смешения может быть цилиндрической или иметь переменную по длине площадь сечения. Форма камеры оказывает заметное влияние на смешение газов. Диффузор устанавливается на выходе из смесительной камеры в тех случаях, когда желательно повысить статическое давление смеси газов на выходе из эжектора или когда при заданном давлении на выходе желательно получить низкое статическое давление в камере смешения и во входном сечении эжектора. Следует отметить, что инжектор может работать и без диффузора. В этом случае конечное сечение смесительной камеры одновременно является выходным сечением эжектора. Иногда вместо диффузора на выходе из смесительной камеры устанавливается сужающееся сопло или сопло Лаваля. Это бывает целесообразным тогда, когда конечной задачей является ускорение потока газа после смешения. Смешиваемые потоки могут находиться в одной и той же фазе или в разных фазах. В процессе смешения фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться. Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называется рабочим, с меньшей скоростью - инжектируемым. Как правило, в СА происходит сначала преобразование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию. В процессе движения через проточную часть струйного аппарата происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков, а затем обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию или теплоту. Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока. В пароводяных инжекторах давление смешанного потока может превышать давление рабочего потока. Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным, принципиальным качеством СА. Рабочий газ с давлением рр и скоростью wp подводится к рабочему соплу 2. Давление газа в сопле снижается от рр до ppi = р„, а скорость увеличивается от wp до wpi. Скорость газа wpi в сечении fpi на выходе из сопла больше критической скорости ар , которую газ имеет в критическом сечении сопла fp . Рабочий газ, выходящий из сопла в приемную камеру со скоростью wpi, подсасывает из приемной камеры газ, который поступает в приемную камеру с давлением р„. По мере удаления от сопла массовый расход движущегося потока непрерывно увеличивается за счет присоединения массы инжектируемой среды, а поперечное сечение движущегося потока непрерывно растет. На некотором расстоянии от выходного сечения сопла поток, движущийся по направлению к камере смешения, заполняет все сечение U приемной камеры. Массовый расход движущегося потока достигает в этом сечении значения Gp + GH, где Gp - расход рабочего газа, кг-с"1; G„ - расход инжектируемого газа, кг-с 1. Профиль скоростей в этом сечении имеет большую неравномерность по радиусу. На границы струи скорость потока мала. На оси струи скорость потока близка к скорости истечения рабочего потока из сопла. Сечение, занимаемое потоком, при дальнейшем движении определяется профилем проточной части СА, так как любое сечение струйного аппарата правее сечения f4 заполнено движущимся потоком. Сечение f4 является конечным сечением приемной камеры и начальным сечением камеры смешения. В большинстве случаев, когда основная часть камеры смешения имеет цилиндрическую форму с сечением f3 f4 и движущийся поток проходит через входной участок камеры смешения, на котором его сечение уменьшается от U до ґз, скорость потока на этом участке растет, а давление падает. Во входном сечении цилиндрического участка камеры смешения давление инжектируемого потока равно р2. Во входном сечении камеры смешения профиль скоростей весьма неравномерен. Можно условно представить поток во входном сечении состоящим из двух соосных потоков центрального с массовым расходом Gp и большой средней скоростью wP2 и периферийного с массовым расходом G„ и значительно меньшей скоростью w„2- Инжектируемый газ расширяется на входном участке камеры смешения от давления рн до давления р„2. В выходном сечении камеры смешения поток имеет достаточно равномерный профиль скоростей. Под действием разности давлений инжектируемого газ устремляется в камеру. В цилиндрической камере смешения процесс выравнивания скоростей потоков сопровождается также выравниванием их давления и повышением его до р3.
Образование пересыщенного пара при турбулентном смешении газов
На рис. 4.1 приведены равновесное давление пара воды в воздухе над каплями при 293 К и равновесное пересыщение пара, вычисленное по уравнению (4.9) для капель, несущих заряд, равный заряду одного электрона (кривая 2). При радиусе капли больше 10"9 м влияние такого заряда практически не сказывается, при меньших радиусах - имеет существенное значение. Например, в то время как пересыщение пара над незаряженной каплей быстро растет с уменьшением радиуса, для заряженных капель оно достигает максимального значения, равного 3,6 (при г = 6,7-10"10м); при дальнейшем уменьшении радиуса капли величина пересыщения снова падает. Следовательно, незаряженные капли не могут существовать в ненасыщенной газовой смеси, тогда как заряженные капли могут существовать в насыщенном (S=l) и даже в ненасыщенном паре (S 1). В результате, если в газовой смеси присутствуют газовые ионы, то очень мелкие капли не испаряются, даже если газовая смесь не насыщена паром. Однако эти капли не могут вырасти до больших размеров, так как увеличение радиуса капли возможно лишь при: S 1 рис. 4.1, кривая 2, восходящая часть АВ, В том случае, когда будет создано необходимое пересыщение пара и тем самым будет пройдено состояние, характеризуемое точкой В, пар начнет конденсироваться на каплях, и их размеры будут увеличиваться (часть кривой ВС). Причем, чем больше становится капля, тем меньше давление насыщенного пара над ней и тем меньше пересыщение, при котором растет капля. Для паров воды в воздухе, содержащем ионы газа, состояние В рис. 4.1 достигается при пересыщении 3,6. Для большинства жидкостей влияние положительных и отрицательных ионов на критическое пересыщение не одинаково. Это явление не получило общепринятого объяснения /90/. Тем не менее, экспериментально было показано /90/, что для системы воздух - водяной пар отрицательные ионы становятся центрами конденсации при S=4,2, тогда как конденсация на положительных ионах начинается при S=6. Для паров других веществ в воздухе (уксусной кислоты, амилового спирта, йодистого этила, этилового спирта и др.) конденсация на положительно заряженных центрах проходит быстрее, чем на отрицательно заряженных /76/. Для некоторых жидкостей (бензола и ССЦ) конденсация пара начинается примерно одновременно на отрицательных и положительных ионах /91/.
Различное влияние положительных и отрицательных ионов можно объясняется тем, что молекулы, образующие поверхностный слой капли, ориентированы таким образом, что их отрицательные заряды направлены наружу, а положительные - внутрь капли. Образованный таким образом двойной электрический слой обладает более существенным потенциалом внутри капли, чем снаружи. Это в свою очередь обусловливает большее сродство капель к отрицательным ионам, чем к положительным /76,92/.
При прочих равных условиях критическое пересыщение пара может быть ниже в том случае, когда пар реагирует с каплей (например, при конденсации пара воды на каплях, состоящих из водных растворов серной кислоты) или когда пар растворяется в жидкости. Пересыщение пара выше в том случае, когда поверхность капли не смачивается конденсирующейся жидкостью. При конденсации пара на твердых ядрах конденсации механизм процесса такой же, как и на каплях. Однако пересыщение пара, соответствующее давлению насыщенного пара, для ядер и капель может отличаться в зависимости от природы частиц вещества и их формы. Например, если ядра конденсации состоят из химически активных веществ (по отношению к конденсирующемуся пару), существенно изменяются условия равновесия. Если ядра конденсации обладают пористой структурой, в этом случае на процесс конденсации будут оказывать влияние капиллярные силы.
Формирование капель на частицах происходит в результате накопления конденсирующейся жидкости. При этом, независимо от формы, частицы постепенно обволакиваются жидкостью и превращаются в капли. В первом приближении можно принять, что взвешенные частицы имеют шарообразную форму; они смачиваются жидкостью, но не вступают с нею во взаимодействие. Условия начала конденсации пара на таких частицах могут быть рассчитаны по уравнениям (4.3) и (4.7).
Как говорилось ранее, образование зародышей и капелек в газовой смеси, освобожденной от ионов и взвешенных частиц, возможно тогда, когда давление пара в смеси в несколько раз превышает давление насыщенного пара. Такие газовые смеси могут быть получены только искусственно после специальной очистки. В природе и в производственных процессах газы всегда содержат ионы и очень мелкие твердые и жидкие частицы во взвешенном состоянии (ядра конденсации), на которых в первую очередь и происходит конденсация паров в объеме и образование капель. Такая конденсация наступает при пересыщении значительно более низком, чем при гомогенной конденсации. По данным /85,93-95/, в некоторых случаях ядрами конденсации могут служить свободные органические радикалы и отдельные молекулы. Кроме того, ядра конденсации (как и всякие аэрозоли) возникают в процессе конденсации паров в объеме и в результате механического дробления твердых веществ и распыления жидкостей. Конденсация пара в объеме и механическое дробление вещества в атмосферном воздухе происходят в результате самых разнообразных процессов. Например, некоторые газы, входящие в состав атмосферного воздуха, под действием солнечного света или искровых разрядов реагируют между собой с образованием новых веществ, обладающих низким давлением насыщенного пара. Эти вещества конденсируются в объеме с образованием ядер конденсации. Например, в атмосферном воздухе возникают ядра конденсации из паров серной и азотной кислот, образующихся в результате окисления азота и сернистого ангидрида кислородом воздуха. В дымовых газах, образующихся при сжигании топлива, а также в отходящих газах самых разнообразных производственных процессов находятся пары веществ (серной кислоты, смол, масел и др.), которые при смешении с более холодным атмосферным воздухом конденсируются в объеме с образованием мельчайших капель жидкости. Источники ядер конденсации, образующиеся в результате механического дробления веществ, весьма разнообразны и поэтому трудно поддаются систематизации.
