Ефективне очищення газів, які відходять, теплоенергетичних систем від діоксиду сірки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний політехнічний університет

МИРОНОВ Дмитро Володимирович

УДК 66.074.37

Ефективне ОЧИЩЕННЯ газів, які відходять, Теплоенергетичних систем ВІД ДіОКСИДУ сірки

Спеціальність 05.14.04 - промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОДЕСА - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології неорганічних речовин Одеського державного політехнічного університету.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

МИХАЙЛЕНКО Генадій Георгійович,

професор кафедри технології

неорганічних речовин Одеського державного

політехнічного університету;

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор,

завідуючий кафедрою охорони праці та

безпеки життєдіяльності Одеського

державного політехнічного університету

ГОГУНСЬКИЙ Віктор Дмитрович;

кандидат технічних наук, професор,

завідуючий кафедрою опалення, вентиляції

та охорони праці Одеської державної

академії будівництва та архітектури

СТОЯНОВ Микола Ілліч.

Провідна організація: Інститут Газу Національної Академії Наук

України, відділ захисту атмосферного повітря.

Захист відбудеться 25 червня 1999 року о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 25 травня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Тодорцев Ю. К.

Загальна характеристика Дисертаційної роботи

Актуальність теми. Забруднення атмосферного повітря є однією із основних причин порушення екологічної рівноваги і, як наслідок, виникнення кризових екологічних ситуацій в промислових регіонах. Серед проблем захисту довколишнього середовища окрему гостроту та злободенність має проблема запобігання надходження в атмосферу з димовими газами (ДГ) оксидів сірки, особливо SO2. Негативний вплив компонентів, які містять сірку, димових газів, котельних, енергетичних установок та ТЕС на здоров'я населення, флору та фауну, будівельні об'єкти та народногосподарські споруди не обмежується близькою до них територією, а поширюється на сотні та тисячі кілометрів.

За даними НДІОГАЗ викиди SO2 складуть за період з 1970 по 2030 рр. від 5,2 до 10 млрд. т. Необхідність вирішення цієї проблеми все більше загострюється, оскільки енергетична криза змушує використовувати запаси низькоякісного палива, що містить, як правило, значну кількість сірки () - вугілля (до 8 %), сланців (до 15 %), торфів (до 9,5 %), мазутів (до 3 %). Саме таке паливо, за оцінками спеціалістів, в майбутньому стане основним джерелом енергії.

На вітчизняних ТЕС в сучасний час немає жодної великої промислової системи сіркоуловлювання. Це пояснюється довгочасною недооцінкою масштабів та наслідків забруднення газоподібними викидами об'єктів теплоенергетики та відсутністю дійових механізмів, стимулюючих реалізацію природоохоронних заходів в даній галузі.

В звязку з цим визнано необхідним удосконалювати технологічні процеси та обладнання для спалення палива, поліпшити якість сировини, впроваджувати високоефективні установки для очищення від SO2 промислових газових викидів.

Великі кількості димових газів, які відходять з підприємств енергетичного комплексу, чорної та кольорової металургії та інш. очищають в порожнистих форсункових абсорберах (ПФА), завдяки їх незначному гідравлічному опору (до 600 Па) та надійній роботі з очищення забруднених газів (вміст пилу Сп 2 г/м3) та в умовах шламовідкладання.

Створенню ефективних систем очищення від SO2 газів, викинутих в атмосферу ТЕС, котельними установками, підприємствами хімії, нафтохімії, чорної та кольорової металургії та інше з використанням ПФА, оснащених форсунками з двома вводами (ФДВ) при відносно простому та енергетично вигідному (0,2 кВт/1 м3 рідини) оформленні процесу абсорбції присвячена робота.

Зв'язок роботи науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися у відповідності з науковою програмою ДКНТ 2.03.01/010 - 93, 1993 - 1996 рр. “Пилогазоочищення”, також у рамках науково- робіт Інституту Газу України 170-36 “Розробка та впровадження абсорбційних систем промислового пилогазоочищення” та 244-36 “Теоретичні засоби створення універсальних систем абсорбційного газоочищення”.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - опрацьовування високоефективної форсункової системи санітарного газоочищення димових газів підприємств теплоенергетичного комплексу з утилізацією продуктів, що утворюються.

Задачі дослідження - розвиток теоретичних уявлень про процес абсорбції середньорозчинних газів; розгляд механізму масопередачі при поглинанні середньорозчинних газів та встановлення внеску складових у загальний дифузійний опір масопереносу. Експериментальний пошук раціональних умов поглинання SO2 в ПФА; здійснення процесу абсорбції діоксиду сірки у встановлених раціональних умовах в полому апараті, оснащеному ФДВ; розробка ефективної форсункової системи санітарного газоочищення підприємств теплоенергетичного комплексу з утилізацією продуктів, що утворюються.

Наукова новизна одержаних результатів. Розвинені теоретичні уявлення щодо механізму процесу очищення газів від діоксиду сірки. Теоретично оцінений внесок дифузійних опорів у газовій та рідкій фазах у загальний опір масопередачі при поглинанні середньорозчинних газів; показано, що при малому часі контакту доцільно працювати із краплями dк 4 . 10 - 4 м, забезпечуючи умови зниження опору в газі. Досліджені гідродинаміка та масообмін в умовах сорбції SO2 в ПФА; здобуті рівняння для розрахунку гідравлічного опору, бризковиносу, кінетики поглинання діоксиду сірки водою та хемосорбентами і встановлені раціональні діапазони параметрів абсорбції. Розроблена ефективна система санітарного очищення газів, які відходять з теплоенергетичних виробництв від SO2 з використанням високопродуктивних форсунок із двома вводами (ФДВ) з утилізацією продуктів сорбції.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційного дослідження прийнято до використання в розробках Інституту проблем ринку та економіко-екологічних досліджень НАН України при виконанні еколого-рекреаційних проектів у галузі охорони навколишнього середовища в Одеській області та країнах Азово-Чорноморського басейну. Запропонований варіант абсорбційного апарата, оснащений ФДВ забезпечить інтенсифікацію процесів масообміну реалізованих у ПФА, підвищення ефективності процесу десульфурізації більш, ніж до 98 %, а також визначну економію коштів, які використовувались для реалізації процесу. Впровадженням розробленої системи очищення газів від SO2 на ТЕС та котельних, які працюють на високосірчаному паливі вирішується екологічна задача та забезпечується утилізація продуктів, що утворюються. Використані у розробленій системі ФДВ забезпечать надійну безаварійну роботу системи газоочищення. Очікуваний економічний ефект від впровадження такої системи продуктивністю 106 тис. м3/г (в роботі за прикладом Губкінської ТЕЦ) буде 159532,2 грн./рік (для котельних продуктивністю до 10 тис. м3/г - до 20 тис. грн./рік).

Особистий внесок здобувача. Дослідження пошуку раціональних умов поглинання SO2 водою та розчинами Са(ОН)2 на установці “в склі” та в ПФА, розрахунок механізму масопередачі при поглинанні середньорозчинних газів, дослідження кінетики поглинання SO2 у ПФА, обробка результатів дослідів, розробка та розрахунок системи газоочищення діоксиду сірки Губкінської ТЕЦ з утилізацією утворюваних продуктів належить авторові. Експериментальні досліди виконані особисто.

Апробація роботи. Основні положення дисертації були викладені та обговорені на таких науково-технічних конференціях та нарадах:

- IV, V семінарах “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях”, Одеса, листопад 1997 - 1998 рр.;

- щорічних науково-технічних конференціях молодих науковців ОДПУ, 1995 - 1998 рр.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статті у наукових журналах, 4 з них за переліком ВАКу та 3 статті у матеріалах конференцій та семінарів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, пяти розділів, висновків, бібліографії та додатків, - викладена на 132 сторінках машинописного тексту, містить 31 малюнок, 20 таблиць та додатки на 25 стор. Список літературних джерел складає 150 назв.

Основний зміст РОБОТИ

У першому розділі роботи виконано аналіз характеристик основних промислових джерел забруднення атмосфери SO2 в Україні, країнах СНД та далекого зарубіжжя. Прогнозований викид сполук сірки з ТЕС України, одного з найбільш могутніх джерел промислового виділення SO2 буде складати у 2010 р. 6 млрд. т/рік.

Велика увага приділена аналізу методів які використовувались, а також заново розробленим методам уловлювання та утилізації сірчистих сполук в різних країнах, стану та перспективам удосконалення абсорбційної апаратури. Відзначена тенденція інтенсифікації процесів промислового газоочищення за рахунок зросту їх додаткового гідравлічного опору.

На основі розгляду технологічних, експлуатаційних, а також техніко-економічних характеристик різних систем очищення газів від сполук сірки виявлена перспективність та пріоритетність використання порожнистих форсункових апаратів, надійних при обробці забруднених газів та в умовах шламовідкладення (що має місце при очищенні газів, які містять SO2).

За результатами аналізу накреслені шляхи вирішення поставленого завдання та сформульовані слідуючі висновки:

- промислові викиди SO2 в найближчі 10-15 років будуть наростати, а надійних систем захисту атмосферного повітря від SO2 не створено; діючі газоочистні установки лише в окремих випадках забезпечують санітарні норми на діоксид сірки. Очищення від SO2 димових газів котельних практично не робиться, у той же час зміст SO2 в газах, які відходять - значний ( 3 г/м3). Тому, дослідження в галузі очищення від діоксиду сірки газових викидів слід визнати важливими та актуальними;

- дані по рівноважним пружностям газової фази над водними та сульфіт-бісульфітними розчинами в зоні підвищених температур (t 100 С) суперечливі, охоплюють незначні інтервали температур (до 40С) та значень рН (рН = 4 - 6), що ускладнює розрахунок процесів абсорбції SO2. Так як діоксид сірки - кислий газ, то його поглинання слід вести розчинами, що мають основні властивості;

- відомості щодо кінетики, фізико-хімічних основ процесу поглинання практично відсутні, що ускладнює можливість розрахунку промислових систем газоочищення SO2;

- ДГ, що утворюються при спаленні високосірчаних палив (мазутів) містять значні кількості SO2 (60 г SO2/кг мазуту), що потребує використання багатоступінчастих систем очищення та досліджень в галузі низьких концентрацій SO2 в газі ( 1 г/м3);

- найбільш надійними при обробці ДГ котельних та енергетичних установок є порожнисті абсорбери, можливості підвищення ефективності яких далеко не вичерпані; для вказаних систем перспективною буде цільнофакельна форсунка із двома вводами та полою камерою закручування.

Другий розділ присвячено опрацьовуванню методів та засобів для досягнення мети роботи. Аналіз сформульованих автором задач дослідження показав, що їх вирішення викликає потребу створення експериментальних стендів та установок, які забезпечать змогу проведення досліджень в широкому діапазоні навантажень по газові та рідині, з якими працюють промислові теплоенергетичні установки.

Роботою передбачалося як вивчення фізико-хімічних властивостей, так і встановлення гідравлічних та абсорбційних характеристик процесу поглинання діоксиду сірки, в звязку з чим були створені два експериментальних стенди.

На установці “ склі” вирішувалися задачі знаходження раціональних умов процесу поглинання SO2 з газоповітряної суміші (ГПС) - вибраний сорбент, робоча температура, встановлена гранична концентрація сорбенту у розчині та місткість сорбенту, а також досліджені фізико-хімічні властивості систем SO2 - вода, SO2 - розчин карбаміду СО(NH2)2, SO2 - розчин гідроксиду кальцію Са(ОН)2. Абсорбцію SO2 вели у скляному реакторі 0,06 обсягом 1 л. Газ з концентрацією діоксиду сірки від 0,05 до 5 г/м3 подавали у реактор при швидкостях ГПС до 0,1 м/с.

При виборі діапазону значень вхідної концентрації SO2 в газі зважили концентрації діоксиду сірки в ДГ, що викидаються в атмосферу теплоенергетичними установками різної потужності.

Основні досліди по поглинанню SO2 проводили в моделі порожнистого форсункового абсорбера вертикального виконання 200. Досліджували вплив на кінетику абсорбції швидкості газу wг, щільності зрошення L, вхідної концентрації в ГПС. Як розпилювач рідини застосували ФДВ. В дослідах на ПФА вхідну концентрацію діоксиду сірки змінювали від 0,05 до 3,2 г/м3, швидкості газу wг від 1 до 7 м/с, щільності зрошування L 35 до 83 м/г. ГПС отримували розбавленням концентрованого SO2 повітрям.

Розділ 3. Оцінку вкладу складових рівняння адитивності дифузійного опору масоперенесення:

(3.1)

(при Р = 0,1 МПа m дорівнює константі Генрі Н) виконали, використовуючи теоретичні моделі

; ; ; rг = 1/г; ; ; ; rр = m/р.

За допомогою критерій Nu і Fo для газової та рідкої фаз встановили зв'язок механізму взаємного переходу опорів в газі та рідині із розмірами бульбашок та часом контакту. Для бульбашок з діаметрами dб 5 мм та часах контакту к 0,4 с опір в газі 1/г значно перевищує опір в рідині (1/г m/р), що дозволило зробити висновок щодо можливості розрахунку загального коефіцієнта масоперенесення , с - 1 в системі SO2 - вода як:

г (3.2)

При dб 5 мм та к 0,4 с дифузійний опір у газовій фазі 1/г стає відповідним з m/р. Розрахунок загального коефіцієнта масоперенесення в цьому випадку необхідно вести по рівнянню (3.1).

Константа фазової рівноваги в (3.1) розраховується по рівнянню:

, (3.3)

де Р - тиск в системі, Па.

, (3.4)

де Р* - парціальний тиск SO2 над розчином вбирача при рівновазі, Па;

х - концентрація розчину.

Встановили, що розмір бульбашки dб не має помітного впливу на величину опору в рідині m/р.

Оскільки, величина дифузійного опору в рідині практично не залежить від розмірів бульбашки, а визначається лише часом контакту, котрий для бульбашок малого діаметру невеликий, при вирішенні задач інтенсифікації процесів абсорбції SO2, слід основну увагу звертати на опір в газі.

Корисну поверхню масоперенесення Fк можна визначити за наступною формулою:

, (3.5)

де Qг - витрата газової суміші, яка надходить на абсорбцію, м3/с;

Споч, Скін - початкова та кінцева концентрація SO2 в суміші, г/м3;

С* - концентрації SO2 в газі, рівноважні з концентраціями в рідині, г/м3.

На основі отриманих даних встановили, що з підвищенням к 0,06 с поверхня масопередачі Fм практично не змінюється, що підтвердили експериментальними даними щодо незалежності ефективності процесу абсорбції ( = 98 %) від швидкості газового потоку аж до швидкостей wг = 6 - 7 м/с. Тільки в області к < 0,06 с із зменшенням часу контакту помітно зростає Fм. Це пояснюється переходом в таких умовах барботажного режиму у струменевий, а далі, - у вихровий, що підтверджується результатами візуальних спостережень. Зі збільшенням діаметра бульбашки від 1 до 10 мм поверхня масопередачі зменшується.

Таким чином, проведеними теоретичними дослідами встановлена можливість здійснення швидкісної абсорбції компонентів, які містять сірку при очищенні димових газів (аж до швидкостей wг = 6 - 7 м/с) при тривалості контакту к 0,06 с.

Досліджували фізико-хімічні, кінетичні, ємкісні параметри поглинання SO2 в системах SO2 - вода, SO2 - розчин карбоміду, SO2 - розчин гідроксиду кальцію. Масові концентрації СО(NH2)2 в розчині змінювали від 0,5 до
3,0 %, оскільки попередніми дослідами встановили, що ефективність поглинання SO2 розчинами СО(NH2)2 збільшується із збільшенням масової концентрації карбаміду в розчині від 0,5 до 2 %. Подальше збільшення масової долі карбаміду в розчині практично не впливає на підвищення . Масову долю гідроксиду кальцію в розчині зменшували від 0,5 до 0,025 %. Відзначено, що її зменшення не виявляє помітного впливу на ( = 99 %), зменшується лише сорбційна ємність сорбенту.

В експериментальних дослідах на установці “в склі” основну увагу приділяли встановленню характеру зміни міри поглинання від часу при різних вхідних концентраціях в ГПС. Вивчили вплив вхідної концентрації діоксиду сірки в газі на міру очищення, залежність процесу абсорбції SO2 від температурного фактора, змінюючи температуру вбирачів від 20 до 90 С. У процесі поглинання змінювали також wг.

Встановили, що максимальну сорбційну ємність при t = 20 С має розчин гідроксиду кальцію з масовою часткою 0,25 % при використанні якого (= 1 г/м3) міра очищення 100 % зберігалася сталою на протязі чотирьох годин роботи. При максимальній вхідній концентрації = 5 г/м3 ефективна тривалість роботи сорбенту ( перебігові якого = 98,5 % зберігалася сталою) була = 2,5 години. При поглинанні діоксиду сірки тих же концентрацій із ГПС водою та розчинами карбаміду при t = 20 С на протязі першої півгодини роботи середня міра очищення була 68 % для води та < 50 %, для розчинів карбаміду та через 30 хв. знизилася до 55 % для води та 24 % для CO(NH2)2 відповідно. В дослідженому діапазоні концентрацій карбаміду в розчині визначено значний вплив температури розчину CO(NH2)2 на , що узгоджується з дослідами В.А. Зайцева.

При поглинанні SO2 водою із зростанням температури міра очищення зменшується, розчинами карбаміду - збільшується, а при використанні розчинів гідроксиду кальцію практично не залежить від температури розчину. При поглинанні SO2 розчинами карбаміду зріст із збільшенням температури спостерігається як для малих (= 0,3 г/м3), так для великих значень вхідних концентрацій (= 2,3 г/м3).

Мала сорбційна ємність води зумовлена накопиченням в розчині іонів , що приводить до швидкого спаду рН вбирача. Збільшення температури води у тих же умовах приводить до помітного зменшення .

Ефективність поглинання розчинів карбаміду із збільшенням температури зростає та при t = 90 С досягає значень = 93,5 % (при t = 20 - 40 С < 50 %). Одночасно з сіркоочищенням розчини карбаміду забезпечують зменшення вмісту в ДГ, які відходять оксидів азоту, що також є важливим достоїнством їх використання. Застосування цих розчинів при поглинанні компонентів, які містять сірку, та інших шкідливих компонентів димових газів ТЕС перспективне на енергоблоках, які спалюють торф, вміст азоту (, %) в горючій масі палива - торф (= 2,5 %), кам. вугілля (=
1 %), мазут (= 0,5 - 0,8 %).

Використання розчинів СО(NH2)2 в галузі високих температур (t
90 C), недоцільне через дорожнечу карбаміду та значні енергетичні витрати на нагрівання розчину СО(NH2)2 в процесі абсорбції. В звязку з цим подальше дослідження цього розчину на ПФА не проводили.

Найбільш перспективним при очищенні компонентів ДГ, які містять сірку, об'єктів теплоенергетики визнане використання розчинів Са(ОН)2. Ці розчини однаково ефективно очищають гази як з високими (= 3 г/м3), так і з низькими (= 0,2 - 0,4 г/м3) концентраціями SO2, що дозволяє спалювати у котлоанрегатах паливо будь-яких видів (кам'яні та бурі вугілля, антрацит, мазути та інш.), так як вхідні концентрації SO2 в ДГ залежать від виду палива, яке спалюється. Змінювання температури розчинів Са(ОН)2 практично не відбивається на ефективності поглинання(при t = 20 С, = 2,2 - 2,4 г/м3 - = 99,9 %, у той же час при t = 90 С, та тих же = 99,1 %).

Використання цих даних дозволить істотно інтенсифікувати процеси тепломасообміну, які проходять в абсорберах установок, які очищають гази від діоксиду сірки, так як в цьому випадку не вимагається значного охолодження ДГ перед поданням в абсорбер, що у прийнятій практиці очищення від SO2 має місце.

(= 0,05 - 5 г/м3) не впливає на міру поглинання усіма досліджуваними сорбентами, як і швидкість газового потоку wг, яку при поглинанні SO2 на установці “в склі” змінювали від 0,064 до 0,1 м/с.

Порядок реакцій, які проходять визначали аналітично та методами формальної кінетики.

При використанні аналітичного методу розрахунок констант швидкості реакції вели за рівняннями:

(3.6)

для реакцій першого порядку та

(3.7)

для реакцій другого порядку.

Цими розрахунками підтвердили порядки реакцій, які одержали методом формальної кінетики для розчинів карбаміду та гідроксиду кальцію та показали, що реакція гідролізу SO2 є реакцією першого порядку (середнє значення константи швидкості реакції при поглинанні SO2 водою = 0,0117). У той же час при абсорбції SO2 розчином Са(ОН)2 середнє значення константи швидкості реакції при тій же температурі було = 0,00602. Отже, лімітуючою фазою процесу абсорбції SO2 розчинами “вапняного молока” є хімічна реакція другого порядку.

Значення енергії активації Е залишається практично постійною для інтервалів температур Т1 = (30 - 65) С та Т2 = (70 - 90) С. Залежність констант швидкості реакції для усіх вбирачів подана у вигляді:

(3.8)

У розділі 4 наведено результати пошуку шляхів інтенсифікації процесів очищення газів від SO2, реалізованих в ПФА, оснащених високоефективними форсунками ФДВ.

У галузі концентрацій ГПС < 1 г/м3 та швидкостей газу wг = 1 -
6 м/с) виявлено залежність швидкості абсорбції SO2 розчинами Са(ОН)2 від вхідної концентрації. При поглинанні SO2 водою вплив на коефіцієнт масопередачі не істотний. Встановили, що ефективність поглинання не залежить від вхідної концентрації SO2 у газі як при поглинанні водою, так і розчинами гідроксиду кальцію.

Для води складає 82 % при = 3 г/м3 та 80 % при = 0,6 г/м3, при використанні розчинів Са(ОН)2 = 98 % (= 3 г/м3) та = 96 % при = 0,06 г/м3, що підтвердило дані здобуті на установці “в склі” щодо незалежності від вхідної концентрації. Таким чином, на ефективне використання ПФА при очищенні від діоксиду сірки ДГ котельних та теплоенергетичних установок не впливає вид палива, яке спалюють у котлоагрегатах. ПФА можуть бути застосовані у широкому діапазоні вхідних концентрацій SO2, в тому числі як для вугільних (до 36 г SO2 /кг вугілля), так і для мазутових котлів (до 60 г SO2 /кг палива).

В усьому діапазоні досліджених концентрацій та щільностей зрошення L (35 - 83 м/г) відзначено зріст коефіцієнта масопередачі із збільшенням L. Поліпшення поглинання SO2 із зростом L досягає деякого кінця, після якого концентрація в газах, які відходять вже не залежить від подальшого зростання щільності зрошення. За здобутими даними в якості раціональної можна рекомендувати L = 50 - 60 м/г, працювати при L > 65 м/г недоцільно через практичну відсутність збільшення ефективності поглинання.

Одноступеневе очищення розчинами гідроксиду кальцію, а тим більше водою не забезпечує досягнення санітарних норм на викид діоксиду сірки; концентрація SO2 у газах, які відходять, після першої стадії очищення набагато перевищувала гранично-допустимі норми на викид сірчистих сполук (при поглинанні SO2 водою = 0,6 - 0,8 г/м3, при використанні розчинів Са(ОН)2 - = 0,06 - 0,09 г/м3). Тому змоделювали другу ступінь - шляхом вводу в колону газу із концентрацією SO2, здобутою в першій стадії абсорбції.

Досліджені вбирачі з високою мірою ефективності уловлюють діоксид сірки з газів і з низькими концентраціями SO2 (< 1 г/м3). Застосування цих результатів перспективне при створенні нових та удосконаленні діючих на теплових енергоустановках (котельних та інш.) систем санітарного газоочищення, діючих спільно із використовуваними в котлоагрегатах системами очищення ДГ від SO2.

Результати дослідження поглинання SO2 вибраним сорбентом (розчинами гідроксиду кальцію) у двоступеневому розпилюючому апараті подали рівняннями (4.1) для першого та (4.2), відповідно, для другого ступеня абсорбції:

, г -1 (4.1)

, г -1 (4.2)

Для аналогічних умов, при використанні на першому ступені абсорбції в якості вбирача води здобуте рівняння:

, г -1 (4.3)

Для wг = 1 - 7 м/с, L = 35 - 80 м/г, погрішність рівнянь (4.1 - 4.3) не перевищує 9 %.

Встановлена, відносно невелика ефективність поглинання SO2 водою ( = 82 %) при високих = 3 г/м3 та значний ступінь поглинання SO2 розчинами Са(ОН)2 при малих вхідних концентраціях = 0,6 г/м3 ( =
98 %), - відкрили перспективу створення двоступеневого комплексного газоочистного апарата, в якому технологічне очищення газів від SO2 реалізується у першому ступені водою, а санітарне, у другому ступені, розчинами Са(ОН)2, що дозволить значно скоротити витрати хемосорбенту при створенні промислових систем очищення димових газів на енергоустановках різної потужності. В усьому дослідженому діапазоні wг та міра поглинання залишається постійно високою величиною, що дає змогу ефективного очищення газів від SO2 в умовах швидкісної абсорбції (аж до швидкостей wг = 6 - 7 м/с), відповідних швидкостям ДГ на виході з котлоагрегатів.

З метою охоплення усіх можливих факторів, впливаючих на кінетику поглинання SO2 впровадили серію дослідів в трьох колонах різного діаметра: 120, 140, 200 мм. Ці досліди були здійснені при постійній швидкості газу wг = 2,5 м/с, вхідній концентрації = 3 г/м3 та тиску рідини на форсунці Рф = 0,2 МПа. Із збільшенням діаметра колони при додержанні значень щільності зрошення, коефіцієнт масопередачі не зменшується, що відкриває перспективу створення малогабаритних ПФА в зрошуваних газоходах котельних установок різної потужності.

Залежність гідравлічного опору Р сухого та зрошуваного ПФА від швидкості газу та тиску на форсунці вивчили в колоні 140 мм.

Встановлена робоча область швидкостей газу, яка складає 5,5 -
6,5 м/с для досліджених умов здійснення процесу очищення в колоні діаметром 140 мм. При цьому Р зрошуваного ПФА не перевищує
600 Па, що значно нижче значень Р промислових абсорбційних колон.

При цьому було практично відсутнє винесення зрошувального сорбенту та забезпечувалось швидкісне газоочищення, що засвідчує про незначні витрати енергії щодо промислової реалізації таких систем очищення.

Розрахунок гідравлічного опору ПФА може бути здійснений по рівнянню (4.4), з погрішністю 10 %, а винесення, - по рівнянню (4.5):

, Па (4.4)

, кг рідини/кг газу (4.5)

Результати досліджень процесів очищення газів від SO2 на моделях ПФА показали високу надійність та ефективність роботи порожнистих форсункових апаратів, в яких розпилювальна техніка (ФДВ) працювала без забивання при концентраціях сорбенту (гідроксиду кальцію) аж до 300 г/л. Можна стверджувати, що досліджена апаратура є вельми перспективною для реалізації процесів газоочищення від SO2 у промисловому масштабі.

Використання пропонованого варіанта абсорбційного апарата для створення нових та удосконалення діючих на теплоенергетичних об'єктах систем газоочищення від SO2 забезпечить інтенсифікацію процесів масообміну в ПФА, збільшення ефективності процесу сірковловлювання більш, ніж до 98 % та значну економію коштів, що використовуються.

Розділ 5 присвячено опрацьовуванню системи газоочищення від SO2 Губкінської ТЕЦ з утилізацією продуктів, що утворюються (Qг = 106 тис. м3/г) на основі досвіду експлуатації ФДВ в умовах шламовідкладення, а також знайдених раціональних умов ведення процесу абсорбції SO2 в ПФА.

Передбачено оснащення пропонованого ПФА форсунками з високою продуктивністю, так як при переході від малопродуктивних форсунок до високопродуктивних із додержанням значень щільності зрошення (L = 50 - 60 м/г) втрата в якості газоочищення практично не помітна, а виграш - у спрощенні та здешевленні монтажу та експлуатації очевидний.

Для можливості проведення екологічного контролю запропонованої системи провели розрахунок гранично-допустимого викиду на продуктивність по газові Qг = 106 тис. м3/г (Губкінська ТЕЦ), який при висоті димаря Н = 30 м був 0,221 г/с, що відповідає санітарним нормам ( SO2 = 0,05 мг/м3). Впровадження розробленої системи очищення димових газів ТЕЦ від SO2 дозволить нарівні з вирішенням екологічного завдання (< 10 мг/м3) забезпечити також і утилізацію продуктів, що утворюються по безвідходній технології.

утилізація сірчистий сполука абсорбційний

Висновки

1. Дана робота вносить значний внесок в рішення важливої природоохоронної та народногосподарської задачі створення високоефективних систем очищення від SO2 газів, що викидаються в атмосферу теплоенергетичними установками різної потужності, підприємствами хімії та нафтохімії, чорної та кольорової металургії та інше. Такі системи забезпечують санітарні норми на викид SO2 (< 10 мг/м3) та утилізацію продуктів, що утворюються.

2. Аналізом технологічних, експлуатаційних та техніко-економічних характеристик різних систем очищення газів від сполук сірки, які відходять, що застосовані на вітчизняних та зарубіжних ТЕС виявлено перспективність та пріоритетність використання порожнистих форсункових апаратів, надійних при очищенні забруднених димових газів (вміст пилу до 2 г/м3) та в умовах шламовідкладення (що має місце при обробці газів, які містять SO2).

3. За допомогою критеріїв Nu та Fo встановлено зв'язок механізму взаємного переходу дифузійних опорів в газовій 1/г та рідкій m/р фазах з розмірами бульбашок dб та часом контакту к при поглинанні SO2 в барботажному абсорбері. Ефективна робота ПФА забезпечується зосередженням загального опору масообміну в газовій фазі, що досягається розпилом на рівні розміру краплі не менш як dб = 4 . 10 - 4 м.

4. Експериментальними дослідами по пошуку раціональних умов поглинання SO2 виявлено можливість значного збільшення часу ефективного поглинання при абсорбції діоксиду сірки хемосорбентами (при = 3 г/м3, t = 20 С, = 3,2 год., = 99,9 % розчин “вапняного молока”), а не водою (при = 3 г/м3, t = 20 С, = 20 хв., = 67,4 %). На ефективне використання ПФА при очищенні від діоксиду сірки ДГ котельних та теплоенергетичних установок не впливає вид палива, що спалюється в котлоагрегатах. ПФА можуть бути застосовані в широкому діапазоні вхідних концентрацій SO2 як для вугільних (до 36 г SO2 / кг вугілля), так і для мазутових котлів (до 60 г SO2 / кг палива).

5. Результатами досліду процесу поглинання SO2 в ПФА показана доцільність створення комплексного масообмінного апарата, в якому технологічне очищення реалізується в умовах фізичної абсорбції (водою), а санітарне - хемосорбції (розчини Са(ОН)2, СО(NH2)2) що значно скорочує витрати хемосорбенту, та, відповідно, здешевлює організацію процесу при створенні промислових систем очищення димових газів на енергоустановках різної потужності.

6. На засаді уявлень про хімічний процес поглинання SO2 різними сорбентами показано, що процес абсорбції діоксиду сірки хемосорбентами лімітується хімічною реакцією, а не гідролізом.

7. При поглинанні SO2 в ПФА, оснащеному ФДВ, встановлені раціональні умови очищення газів від сірчаних сполук (wг 7 м/с, L = 50 - 60 м/г), що забезпечує ефективне поглинання безпосередньо у ПФА ( = 98 %, Р 600 Па), тобто виявлено змогу використання ПФА для створення нових та удосконалення діючих на теплоенергетичних об'єктах систем газоочищення від SO2.

8. Впровадження розробленої системи очищення від SO2 газів ТЕС, які відходять, дозволить нарівні з вирішенням екологічної задачі забезпечити також і утилізацію продуктів, що утворюються. Очікуваний економічний ефект від впровадження такої системи продуктивністю 106 тис. м3/г буде 159532,2 грн./рік.

9. Здобуті результати рекомендуються для практичного використання на теплоенергетичних об'єктах з метою поліпшення екологічної ситуації у регіонах України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Михайленко Г.Г., Медведев С.А., Шклярук Е.В., Миронов Д.В. Эффективная аппаратура для мокрой пылегазоочистки // Труды Одесского политехнического университета. - 1996. - № 1. - С. 83 - 84.

2. Михайленко Г.Г., Миронов Д.В. Физико-химические характеристики процесса поглощения диоксида серы // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - № 2. - С. 202 - 204.

3. Михайленко Г.Г., Миронов Д.В. Эффективные системы очистки газов от диоксида серы // Химическая промышленность, сер. “Актуальные вопросы химии и химтехнологии”. Черкассы. - 1998. - № 2. - С. 30 - 32.

4. Михайленко Г.Г., Миронов Д.В. Разработка системы очистки газов от диоксида серы с утилизацией образующихся продуктов // Экотехнологии и ресурсосбережение. - Киев. - 1998. - № 6. - С. 40 - 44.

5. Михайленко Г.Г., Миронов Д.В. Механизм создания заполненного факела форсунками с двумя вводами // Труды IV семинара “Моделирование в прикладных научных исследованиях”. - Одесса. - 1997. - С. 47 - 49.

анотації

Миронов Д.В. Ефективне очищення газів, які відходять, теплоенергетичних систем від діоксиду сірки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.04 - промислова теплоенергетика. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1998.

Дисертація присвячена актуальним питанням захисту довколишнього середовища. Встановлено раціональні умови очищення газів від сірчаних сполук в ПФА, а також виявлено існування резерву підвищення якості роботи таких апаратів. Здобуті дані, які характеризують фізико-хімічні та кінетичні параметри ефективного поглинання діоксиду сірки у різних абсорбційних системах. Розроблені теоретичні основи створення високоефективних систем очищення газів від сполук сірки, визначені раціональні параметри реалізації у них процесів газоочищення, оцінки рівня технологічності та ефективності її роботи. Запропонована система очищення газів від діоксиду сірки, що викидають у атмосферу підприємства теплоенергетичного комплексу, хімії, нафтохімії, чорної та кольорової металургії та інше, забезпечує санітарні норми на викид діоксиду сірки та утилізацію продуктів, що утворюються.

Ключові слова: діоксид сірки, форсунка, газоочистні системи, абсорбер, хемосорбція.

Миронов Д.В. Эффективная очистка отходящих газов теплоэнергетических систем от диоксида серы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена разработке эффективных систем очистки от SO2 газов, выбрасываемых в атмосферу ТЭС, котельными установками, предприятиями химии, нефтехимии, черной и цветной металлургии и др. с использованием ПФА, оснащенных форсунками с двумя вводами. Проведен анализ характеристик основных промышленных источников, загрязняющих атмосферу диоксидом серы в Украине, странах СНГ и дальнего зарубежья. Большое внимание уделено анализу как используемым, так и вновь разрабатываемым методам улавливания и утилизации сернистых соединений в различных странах, состоянию и перспективам совершенствования абсорбционной аппаратуры. Разработаны методы и средства для достижения цели работы. Созданы экспериментальные стенды и установки, обеспечивающие возможность ведения исследований в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости.

Проведенными теоретическими исследованиями установлена возможность осуществления скоростной абсорбции сульфатсодержащих компонентов при очистке дымовых газов теплоэнергетических установок (вплоть до скоростей wг = 6 - 7 м/с) при временах контакта к < 0,06 с. Наиболее перспективным при очистке сульфатсодержащих компонентов ДГ объектов теплоэнергетики признано использование растворов Са(ОН)2. Эти растворы одинаково эффективно очищают газы как с высокими (= 3 г/м3), так и с низкими (= 0,2 - 0,4 г/м3) концентрациями SO2, что позволяет сжигать в котлоагрегатах топливо любых видов (каменные и бурые угли, антрацит, мазуты и др.), так как входные концентрации SO2 в ДГ напрямую зависят от вида сжигаемого топлива. Изменение температуры растворов Са(ОН)2 практически не сказывается на эффективности поглощения (при t = 20 С, = 2,2 - 2,4 г/м3 - = 99,9 %, в то время как при t = 90 С, и тех же = 99,1. Таким образом, получены данные, характеризующие физико-химические и кинетические параметры эффективного поглощения диоксида серы в различных абсорбционных системах

Установлены рациональные условия очистки газов от сернистых соединений в ПФА, а также выявлено существование резерва повышения качества работы таких аппаратов. Установленная, относительно невысокая эффективность поглощения SO2 водой ( = 82 %) при высоких = 3 г/м3 и значительная степень поглощения SO2 растворами Са(ОН)2 при малых входных концентрациях = 0,6 г/м3 ( = 98 %), - открыла перспективу создания двухступенчатого комплексного газоочистного аппарата, в котором технологическая очистка газов от SO2 реализуется в первой ступени водой, а санитарная, - во второй ступени растворами “известкового молока”, что позволит значительно сократить расход хемосорбента при создании промышленных систем очистки дымовых газов на энергоустановках различной мощности.

Установлена рабочая область скоростей газа, которая составляет 5,5 - 6,5 м/с для исследованных условий осуществления процесса очистки в колонне диаметром 140 мм. При этом Р орошаемого ПФА не превышало 600 Па, практически отсутствовал унос орошающего сорбента и обеспечивалась скоростная газоочистка, что свидетельствует о незначительных затратах энергии при промышленной реализации таких систем очистки.

Результаты исследований процессов очистки газов от SO2 на моделях ПФА показали высокую надежность и эффективность работы полых форсуночных аппаратов, в которых распыливающая техника (ФДВ) работала без забивания при концентрациях сорбента (гидроксида кальция) вплоть до 300 г/л. Если учесть, что в принятой практике утилизации образующихся продуктов сорбции диоксида серы в промышленных системах поглощающие растворы выводятся из систем абсорбции при содержании сульфита кальция в жидкой фазе Сж = 150 - 180 г/л, то можно утверждать, что исследованная аппаратура является весьма перспективной для реализации процессов газоочистки от SO2 в промышленном масштабе.

Разработаны теоретические основы создания высокоэффективных систем очистки газов от соединений серы, определены рациональные параметры реализации в них процессов газоочистки, оценки уровня технологичности и эффективности ее работы. Внедрение разработанной системы очистки от SO2 отходящих газов ТЭС, химии, нефтехимии, черной и цветной металлургии и др. позволит наряду с решением экологической задачи обеспечить также и утилизацию образующихся продуктов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения такой системы производительностью 106 тыс. м3/ч составит 15917,32 грн./год.

Ключевые слова: диоксид серы, форсунка, газоочистные системы, абсорбер, хемосорбция.

Mironov D.V. Effective clearing removalling gases of thermal energetic systems from sulfur dioxide. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of candidate of engineering science on a speciality 05.14.04 - thermal energetic. - Odessa state polytechnical university, Odessa, 1998.

The dissertation devoted to urgent questions of nature environment protection. The rational conditions of gas clearing from sulfide compounds in hollow atomizer absorber are established, and also the existence of work quality increasing reserve of such devices revealed. The datas describing physico-chemical and kinetic parameters of sulfur dioxide absorption various absorption systems are received. The theoretical bass of creation of highly effective systems of gas clearing from sulfur connections, as well as the theoretical and experimental account methods for absorption equipment used for this purpose are developed, the rational realization parameters of gas clearing process this equipment are determinated, the level of equipment adaptability to proceeding and efficiency of work are estimated. Offered system of gas clearing from sulfur dioxide effluention atmosphere by the enterprises of a power-supply complex, chemistry and petrochemistry, black and colour metallurgy etc. provides sanitary norms on sulfur dioxide emission and formed products reclamation.

Key words: sulfur dioxide, atomizer, gas clearing system, absorber, chemisorption.

Размещено на Allbest.ru

...