Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса защиты атмосферы от загрязнения вентиляционно-технологическими выбросами стекольных заводов 11
1.1. Особенности операций технологического процесса стекольных производств... 11
1.2. Источники образования вредных выделений при производстве стекла 17
1.3. Физико-химические и технические особенности процесса стекловарения в формировании состава и объема вредных выделений 25
1.4. Характеристика состава и основных свойств вентиляционно-технологических выбросов стекловарочных цехов 29
1.5. Оценка современных средств пылегазоулавливания применительно к условиям очистки выбросов стекловарочных цехов 34
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Теоретические основы реализации процесса комплексной пылегазоочистки выбросов стекловарочных цехов 43
2.1. Обобщение условий формирования модели технологического процесса комплексной пылегазоочистки 43
2.2. Построение структурной схемы процесса комплексной пылегазоочистки на основе капельного и пенного режимов контакта 46
2.3. Определение функционально эффективных свойств рабочей жидкости для капельной и пенной стадий очистки 49
2.4. Аналитическое описание механизма пылеулавливания на стадии капельного режима контакта рабочих сред 54
2.5. Оценка эффективности абсорбции газовых примесей на стадии пенного режима контакта рабочих сред 62
Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3. Экспериментальные закономерности комплексной очистки неоднородного выброса при капельном и пенном контакте с жидким поглотителем 66
3.1. Аппаратурный состав и основные характеристики экспериментального стенда 66
3.2. Методика проведения экспериментов 68
3.2.1. Оценка гидродинамических характеристик 68
3.2.2. Исследование процессов пылеулавливания 69
3.2.3. Исследование процессов абсорбции газовых примесей 73
3.2.4. Планирование и оценка достоверности экспериментов 74
3.3. Гидродинамические характеристики работы газоочистной установки 78
3.3.1. Гидродинамические характеристики формирования воднокапелыюй дисперсии 78
3.3.2. Гидродинамические характеристики пенодинамического слоя ТБФ 80
3.4. Закономерности пылеулавливания в капельно-водной дисперсии 85
3.5. Эффективность процессов абсорбционной очистки выбросов от кислых газов на примере диоксида серы и азота 90
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4. Инженерные основы комплексной очистки выбросов стекловарочных цехов в установках с капельным и пенным контактом фаз 96
4.1. Обобщение принципов структурно-компоновочной унификации установки комплексной пылегазоочистки 96
4.2. Обоснование схемы модульного исполнения установки комплексной газоочистки 98
4.3. Управление режимными параметрами процессов комплексной пылегазоочистки 102
4.4. Условия оптимизации режимных параметров процессов комплексной пылегазо очистки 107
4.5. Аппаратурно-технологическая реализация процессов комплексной очистки пылегазовых выбросов стекловарочных цехов 110
Выводы по главе 4 115
Заключение.. 117
Список литературы , 119
Приложение 129
- Характеристика состава и основных свойств вентиляционно-технологических выбросов стекловарочных цехов
- Построение структурной схемы процесса комплексной пылегазоочистки на основе капельного и пенного режимов контакта
- Гидродинамические характеристики формирования воднокапелыюй дисперсии
- Управление режимными параметрами процессов комплексной пылегазоочистки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Стекло, наряду с металлом и бетоном, является наиболее распространенным видом конструкционных материалов, который широко используется в строительной отрасли, машиностроении,, приборостроении, транспортном строительстве, химической и пищевой промышленности [47].
Производство стекла и продукции из него является одной из наиболее развитых
отраслей промышленности. Техногенная особенность его технологии состоит в по
следовательном осуществлении ряда экологически опасных по составу и объему вы
бросов процессов измельчения, просева, сушки ряда сыпучих материалов, подготов
ки на их основе шихты и ее термической переработки в стекловарочных печах. В хо
де этих процессов образуется значительное количество пылей и газов, локализация и
отвод которых от источников образования в атмосферу осуществляется системами
местной вытяжной вентиляции. Для очистки выбросов в атмосферу последние ос
нащаются установками газопылеулавливания, которые в большинстве своем осуще
ствляют лишь селективное пылеулавливание, с последующим рассеиванием газовых
компонентов выбросов в атмосфере. ;,
Тенденция к увеличению производства стекла и стекольной продукции, а также возросшие требования к санитарно-гигиеническим условиям внутрицеховой атмосферы и воздушного бассейна прилегающих городских территорий, вызывают необходимость изучения механизмов влияния технологических и эксплуатационных факторов формирования выбросов стекольных производств на эффективность работы систем вентиляции и газопылеочистки.
Анализ состояния качества воздушной среды производственных помещений в районах размещения стекольных производств показывает, что санитарно-гигиенические условия труда и степень защиты атмосферы от загрязнений в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям. Концентрации газов и пыли, как в воздухе рабочей зоны, так и на промплощадках предприятий значительно превышают предельно допустимые. Одной из определяющих причин такого положения является несоответствие функционально-технологических характеристик применяемого газопылеулавливающего оборудования локализующей вентиляции особенностям выделения и составу вредных выбросов данных производств.
Согласно результатам обследования, в состав выбросов стекольных производств, помимо пылей, входят также оксиды серы, азота, углерода. Тем самым, данные выбросы следует рассматривать как неоднородные многокомпонентные смеси, газообразные составляющие которых по концентрации и степени воздействия следует отнести к целевым компонентам при проектировании и устройстве систем газоочистки. Из оценки функциональных возможностей газоочистного оборудования для очистки таких выбросов наиболее перспективными представляются мокрые методы, реализуемые в интенсивных аппаратах с самоорошением очищаемого потока. Такие аппараты (циклоннопенные, пенновихревые, вихреинжекционные) позволяют осуществлять комплексную очистку многокомпонентных выбросов, посредством варьирования режимных параметров очистки в зависимости от свойств извлекаемых компонентов. Іірименительно к условиям стекольного производства это дает возможность учесть специфические особенности реализации процессов очистки, обусловленные наличием в выбросах компонентов с выраженными коррозионными свойствами и высокой токсичностью.
Совершенствование систем мокрой газоочистки тесно связано с изучением за
кономерностей массообменных процессов в зависимости от условий формирования
межфазной поверхности контакта очищаемой и нейтрализуемой сред и свойств жид
кой поглотительной среды. і
При этом выделяются два доминирующих фактора - гидродинамические особенности перемешивания фаз контактирующих сред в зоне контакта и сорбционные свойства поглотительного раствора. Первый влияет на развитие величины контактной поверхности, условия межфазного обмена, интенсивность смены контактирующих сред в объеме газожидкостной системы. Вторым определяется скорость и степень извлечения целевого компонента из газовой фазы, то есть - эффективность работы пыле и газоулавливающего оборудования.
Повышение степени развития контактной поверхности газожидкостной системы, в первую очередь, может быть достигнуто за счет конструктивных особенностей оформления контактного узла и варьирования скорости потока очищаемого газа в зоне его взаимодействия с жидкостью.
В свою очередь, эффект улавливания целевого компонента определяется степенью соответствия свойств поглотителя реализуемым режимным условиям извлечения целевого компонента.
Цель работы состоит в совершенствовании мокрой комплексной очистки пыле-газовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств посредством повышения степени селективного поглощения твердофазных и газовых компонентов в эффективном режиме капельного и пенного контакта очищаемого потока с оптимизированным поглотителем.
В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:
теоретическое обоснование аппаратурно-режимной модели контакта и вида поглотителя, оптимизированных из условия возможности комплексного извлечения твердофазных и газообразных компонентов неоднородного выброса;
экспериментальное исследование закономерностей извлечения твердофазных и газообразных компонентов неоднородного выброса в режимах его контакта с жидким поглотителем, оптимизированных из условия эффективности их селективного извлечения;
определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных гидродинамических условий формирования функционально эффективной структуры контактной поверхности для селективного извлечения твердофазных и газообразных компонентов, как стадий процесса комплексной очистки;
- совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения
твердофазных и газовых компонентов в последовательно реализуемых режимах ка
пельного и пенного контакта фаз, как стадий процесса комплексной очистки неод
нородных (пылегазовых) выбросов стекловарочных цехов;
определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы пылегазоочистной установки для оптимизированного осуществления последовательно реализуемых стадий поглощения твердофазных и газовых компонентов выбросов в капельном и пенном режимах его контакта с жидкими поглотителями;
обобщение результатов исследований в форме инженерных решений, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации предприятий стекольной промышленности посредством эффективной комплексной очистки их выбросов от неоднородных загрязняющих компонентов.
Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса комплексной очистки выбросов стекловарочных печей стекольных производств от твердодисперсных (пылевых) и кислых газовых
примесей посредством оптимизационного подбора режимов контакта и поглотителей этих компонентов.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.
Достоверность научных положений и выводов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных автором экспериментальных результатов и теоретических исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.
Научная новизна работы:
- теоретически обоснована перспективность использования несмешиваемых
жидкостей (воды и трибутилфосфата) в качестве эффективных поглотителей соот
ветственно твердофазных и кислых газовых примесей при комплексной очистке не
однородных (пылегазовых) выбросов стекловарочных цехов стекольных произ
водств;
- предложены математические модели для описания процесса поглощения в пе-
нодинамическом слое твердофазных и газовых примесей соответственно посредст
вом контакта с капельной поверхностью воды и трибутилфосфата, формируемом в
режиме вихревой инжекции; ;
- экспериментально исследованы и обобщены закономерности поглощения
твердофазных компонентов (на примере кварцевой пыли) при капельном контакте с
водой и газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) в пенодинамическом
слое трибутилфосфата, формируемом посредством вихревой инжекции поглоти
тельного раствора закрученным потоком очищаемого газа;
экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенных математических моделей в процессах поглощения твердофазных компо-нентов и кислых газов соответственно, при последовательно осуществляемом капельном и пенодинамическом контакте очищаемого потока с водой и трибутилфос-фатом;
получены экспериментальные зависимости, характеризующие энергоэффективные режимно-технологические условия улавливания твердофазных компонентов
и газовых примесей водой и поглотительным раствором трибутилфосфата, соответственно в режимах капельного распыления и вихреинжекционного пенообразования;
установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта улавливания твердофазных компонентов водой и кислых газовых примесей поглотительным раствором трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах посредством варьирования удельного объема распыляемой в очищаемом потоке воды и начального уровня поглотительного раствора h0 трибутилфосфата;
сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного оформления процесса комплексной очистки пылегазовых (неоднородных) выбросов стекловарочных цехов применительно к схеме последовательного поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом посредством вихревой инжекции.
Практическая значимость работы:
разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с использованием в качестве поглотителя твердодисперсных компонентов - воды и кислых газовых примесей - трибутилфосфата;
установлена область режимно-технологических параметров эффективной очистки выбросов стекловарочных цехов стекольных производств в вихреинжекционных пенных скрубберах от кислых газовых примесей поглотительным раствором трибутилфосфата;
определены режимно-технологические параметры эффективного поглощения твердофазных (пылевых) компонентов выбросов стекловарочных цехов в условиях капельного контакта с орошаемой водой;
разработаны методические основы расчета режимных параметров процесса комплексной очистки выбросов стекловарочных цехов в установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя твердофазных компонентов воды, а кислых газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) -трибутилфосфата;
разработана и принята к использованию схема аппаратурного исполнения установок вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств с ис-
пользованием воды и трибутилфосфата в качестве поглотителя, соответственно твердых и газовых компонентов и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение "Способ очистки газов" - по заявке №114183/15. 2006г. Реализация результатов работы:
разработаны и переданы к использованию ЗАО "Камышинский стеклотарный завод" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию установок вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных выбросов от стекловарочных печей;
прошла испытания и передана для внедрения ЗАО "Камышинский стеклотарный завод" опытно-промышленная модулированная установка для очистки вентиля-ционно-технологических выбросов от стекловарочных печей;
НПО "Волгоградхимпроект" переданы рекомендации по применению технологии комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов в вихреинжекционных пенных скрубберах по схеме последовательного поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата; !
материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ и БЖДвТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальностям "Теплогазо-снабжение и вентиляция" и "Инженерная защита окружающей среды".
На защиту выносятся:
теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей поглощения твердофазных компонентов (на примере кварцевой пыли) капельно распыляемой водой и кислых газовых примесей (на примере диоксида серы и азота) трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством его вихревой инжекции закрученным потоком очищаемого газа;
математические модели описания процессов поглощения твердофазных компонентов капельно распыляемой водой и кислых газовых примесей в пенодинамическом слое трибутилфосфата, формируемом в режиме вихревой инжекции;
экспериментальные зависимости, характеризующие эффективные режимно-технологические условия улавливания твердофазных компонентов и газовых примесей при последовательно осуществляемом капельном и пенодинамическом контакте очищаемого.потока соответственно с водой и трибутилфосфатом в вихреинжекционных пенных скрубберах;
унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов стекольных производств посредством контакта твердофазных компонентов соответственно с ка-пельно распыляемой водой и газовых примесей с трибутилфосфатом в режиме вих-реинжекционного пенообразования;
методика расчета энергетически эффективных режимных параметров комплексной очистки неоднородных пылегазовых выбросов стекловарочных цехов в вихреинжекционных пенных скрубберах, последовательно реализующих контакт очищаемого потока с капелыю распыляемой водой и трибутилфосфатом в пеноди-намическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобре
ние на научно-технических конференциях "Качество внутреннего воздуха и окру
жающей среды" (Волгоград, 2004, 2007 г.г.), "Научные концепции повышения жиз
ненного уровня населения на современном этапе развития России" (Кисловодск,
2005 г.), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государст
венного архитектурно-строительного университета (2004-2007 г.). 1
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубли
кованы в 5 работах. ;
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения четырех
глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и приложе
ний общим объемом 132 страницы, содержит 22 рисунка и 12 таблиц.
Характеристика состава и основных свойств вентиляционно-технологических выбросов стекловарочных цехов
Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов, которые по физико-механическому состоянию можно подразделить на следующие группы [10, 15, 30]: - твердые отходы (сырьевые материалы цехов подготовки шихты в виде пыли, порошковые отходы цехов обработки сортовой посуды, стеклобой); - газообразные выбросы (отходящие газы стекловарочных печей, содержащие оксиды азота и серы, соединения свинца, фтора, фосфора и бора, оксид углерода, дымовые газы сушильных цехов подготовки шихты, газовая фаза и воздух со стадий закалки и охлаждения стекла). По свойствам и составу отходов их дополнительно можно разделить на близкие к исходному сырью (порошковой шихте), к целевому продукту (стекломасса, стеклобой, крошка и пыль цехов обработки изделий), к сырью других производств. В то же время ряд отходов образуют так называемые вторичные материальные ресурсы, например, стеклобой, количество которого для некоторых производств достигает 50% от исходной стекломассы. К таким ресурсам относятся и дымовые газы стекловарочных печей, теплота которых может быть использована в качестве источников энергии. Классифицируя отходы производства стекла, необходимо выделить их токсичность, т.е. степень воздействия на человека, животный и растительный мир и расти тельность. По этому признаку можно выделить безвредные, токсичные и особо токсичные отходы. Количество образующейся пыли достигает для различных составов шихт сте кольных заводов 1 - 6% от массы приготавливаемой шихты [15, 30, 58]. Максималь ные пылепотери приходятся на материалы известняковой группы и полевого шпата (до 85% от общего количества пыли), а в воздухе отделения при получении шихты содержится до 60 - 70% пылевых частиц размером менее 5 мкм. В стекольном про изводстве пылевые частицы размером менее 50 мкм длительное время удерживают ся в воздухе. Такая пыль обладает выраженным фиброгенным (Si02) и общетоксич ным (В20з, As2C 3 и др.) действием. Диоксид кремния - основа кварцевого песка (99 - 99,5%) имеет средний размер кристаллических частиц 0,1-1 мм. На организм человека наибольшее влияние оказывают частицы размером 1 - 2 мкм. Длительное воздействие этих частиц на легкие приводит к фиброзу - разрастанию в легких соединительных тканей, ведущего к силикозу - заболеванию всего организма. Пыль доломита [CaMg(C03)2] составляет 50% от всей пыли, образующейся при приготовлении шихты. Она обладает фиброгенным действием. Пыль известняка СаСОз (мела) также фиброгенна. Карбонат натрия Na2C03 обладает большой летучестью, вызывает изъязвление слизистой оболочки носа, раздражает дыхательные пути и приводит к конъюнктивиту. В качестве осветлителя в производстве стекла используют оксид мышьяка (III) AS2O3, являющемся сильным ядом. На организм человека он оказывает пагубное влияние, разрушая вегетативную нервную систему, приводит к параличу кровеносной системы, действует на обмен веществ. Нарушение питания тканей может привести к злокачественным образованиям. Также как и свинец, он может накапливаться в организме. Доза, приводящая к серьезному отравлению человека, составляет 0,01-0,052 г. Из числа входящих в состав шихты вредных веществ, выделяют оксид хрома Сг203 и дихромат калия К2Сг207, используемые как красители. Это - крайне токсич ны вещества. Они раздражают и изъязвляют слизистые оболочки и кожу, при их взаимодействии наблюдается прободение хрящевой перегородки, носоглотки и поражение желудочно-кишечного тракта. При сжигании топлива в стекловарочных печах, а также при движении топоч ных газов в пределах агрегата, протекает ряд процессов, обусловленных высокими температурами, резкими перепадами температур, взаимодействием с огнеупорными, изоляционными материалами, а также с взаимодействием компонентов самих про дуктов сгорания в этих условиях. При наличии достаточного количества кислорода весь объем образующегося в процессах горения оксида углерода (II) СО окисляется до оксида углерода (IV) С02 Максимальное содержание СОг в газе будет при коэф фициенте избытка воздуха равном 1 (при сжигании природного газа содержание СОг составляет 9, моторного топлива - 12, мазута 13 - 14%).
К числу особо токсичных газообразных выбросов относится диоксид серы SO2 (из общего объема оксидов серы 1% приходится на триоксид серы SO3). Продолжительность пребывания его в атмосфере сравнительно мала. Он принимает участие в каталитических, фотохимических и других реакциях и превращается в сульфаты, которые выпадают на землю. В соединениях с водой S03 образуется серная кислота. Образуется S03 в результате окисления S02 кислородом воздуха. Кислотные дожди - порождение выбросов сгоревшей серы. Время пребывания SOx в воздухе зависит от содержания в нем аммиака. В сравнительно чистом воздухе оно равно 15-20 сут. содержание серы в углеводородном сырье по данным Государственного института азотной промышленности (ГИАП) представлены в таблице 1.3. В процессе сжигания топлива образуется ряд соединений азота с кислородом (N20, NO, N203, N02, N204, N205). Обычно суммарное количество NyOx приводит к NO2. Для оценки вредного воздействия выброшенных NyOx надо учитывать то, что активное пребывание NO в атмосфере исчисляется 100 ч, N20 - 4,5 годами. Большая часть NyOx образуется в зоне активного горения. Однако четкий расчет образования NyOx в топочных устройствах и объеме печи является сложной и трудно решаемой задачей, требующей знаний и условий протекания химических реакций, гидродинамики, тепло-и массопереноса. Установлено, что NyOx при горении образуется в результате окисления азота, содержащегося в топливе, и непосредственного окисления азота воздуха. Во многом их содержание определяется коэффициентом избытка воздуха.
Сжигание органических топлив сопровождается образованием канцерогенных веществ и, в частности, бензпирена, которой может быть основой для синтеза других токсичных веществ.
Бензпирен образуется при температуре 700-800С за счет протекания ряда пи-ролитических реакций. Химическая формула С20Н12 молекулярная масса равна 252С, температура плавления 179С, кипения 480 - 500С. В продуктах сгорания бензпирен присутствует в виде капель жидкости или желтых газообразных кристаллов. В отходящих газах котлов, работающих на мазуте, обнаружена зависимость со держания бензпирена от конструкций котла, горелок, коэффициента избытка воздуха и нагрузки от проектной мощности. Количество образующегося бензпирена мало, но, учитывая его канцерогенную активность, проявляющуюся при совместном воздействии с SOx и NyOx надо стремиться к созданию условий горения, предотвращающих его образование. ПДК для канцерогенных веществ в 8,5-104 раз меньше, чем для NyOv
Построение структурной схемы процесса комплексной пылегазоочистки на основе капельного и пенного режимов контакта
Интенсификация процесса пылеулавливания в аппаратах мокрой механической очистки газов осуществляется с помощью различных способов, выбор которых зависит от состава газовых выбросов, принципа действия и режима работы существующего газоочистного оборудования, а также необходимой степени очистки.
Ступенчатая очистка газовых выбросов является наиболее распространенным способом выделения пылевых частиц из газового потока. Ступенчатая очистка применяется в случае повышения начальной концентрации пылевых частиц в газовом потоке; необходимости улавливания мелкодисперсных фракций, оставшихся в газовом потоке после существующего пылеулавливающего аппарата; стабилизации процесса улавливания при резких колебаниях режима работы источника газовых выбросов. При этом достигается требуемая степень очистки газовых выбросов и повышается надежность работы пылеулавливающих аппаратов. Выбор количества ступеней и конструкции аппарата каждой ступени производится на основании зависимости степени очистки от принципа процесса пылеулавливания и режима работы.
Ступенчатые схемы очистки предусматривают использование пылеулавливающих аппаратов как однотипных, так и различных по принципу процесса пылеулавливания [29, 40, 64, 73]. Повышение степени очистки за счет применения ступенчатой схемы очистки происходит в результате суммирования эффективности работы каждой стадии пылеулавливающего процесса. Суммарная степень очистки может дополнительно возрасти в результате изменения свойств и дисперсного состава пылевых частиц в процессе обработки газового потока в первом из газоочистных аппаратов. Очевидно, что охлаждение и увлажнение газовых выбросов в аппаратах мокрой механической очистки будет способствовать коагуляции пылевых частиц и, соответственно, повышению эффекта действия механизмов очистки в сочетании с последующей схемой движения очищаемого потока в аппарате. В конечном счете, это существенно интенсифицирует процесс пылеулавливания в аппаратах мокрой механической очистки [3, 12,22].
Существующие ступенчатые схемы позволяют достичь высокой степени очистки, однако имеют ряд недостатков: сложны в обслуживании из-за наличия различного по принципу действия аппаратов; имеют высокие капитальные и производственные затраты; требуют выделение значительных производственных площадей. Их упрощение, на основе унификации узлов и пылегазоочистного аппарата в целом, должны включаться в число задач разработки способов и аппаратов комплексной мокрой пылегазоочистки.
Эффективность работы газоочистных аппаратов зависит от состояния поступающих в него веществ, от предварительной подготовки газовых выбросов, которая обеспечивает коагуляцию пылевых частиц до процесса пылеулавливания или создает условия для укрупнения частиц непосредственно в момент прохождения процесса.
В связи с тем, что значительное количество газопылевых выбросов содержат водяные пары, широко применяется конденсационный метод коагуляции аэрозолей. Конденсация водяных паров может происходить за счет снижения температуры, дополнительного ввода паров в газопылевой поток, создание значительного перепада давления по газовому тракту или в газоочистном аппарате. В местах, где наиболее интенсивно происходит процесс конденсации, наблюдается снижение давления, воз никает движение газового потока, которое называется стефановым потоком. Стефановые потоки возникают на мелкодисперсные пылевые частицы, заставляют перемещаться их в направлении, отличном от основного направления газопылевого потока, создавая условия для их столкновения и последующей коагуляции.
Возможно также, что центрами коагуляции являются сами мелкодисперсные пылевые частицы и на их поверхности создается водяная пленка, что вызывает рост величины и массы этих частиц. Конденсация водяного пара на каплях орошающей жидкости и пылевых частицах может повысить степень очистки от мелких пылевых частиц на 8 - 10% [21,22, 53, 78, 95].
Эффективность процесса пылеулавливания в аппаратах мокрой механической очистки зависит от трех основных параметров: плотности орошения, относительной скорости фаз и размера капель орошающей жидкости. Последние два параметра характерны для оценки процесса пылеулавливания в аппаратах распыляющего типа.
Плотность орошения зависит от удельного расхода жидкости, идущей на орошение, а в аппаратах распыляющего типа также от давления жидкости в орошающем устройстве или скорости газового потока. Это способствует повышению плотности орошения и степени очистки газовых выбросов от пылевых частиц.
Величина относительной скорости фаз, в общем случае распылительного образования контактной поверхности, определяется скоростью газового потока, а в газопромывателях со струйной подачей жидкости - скоростью истечения орошающей жидкости. Эти факторы определяют размер капель орошающей жидкости. Улавливание пылевых частиц каплями распыленной орошающей жидкости при аналитических оценках рассматривается как процесс осаждения частиц на поверхности капель.
Величина относительной скорости между фазами и соотношение размеров капель орошающей жидкости и пылевых частиц определяют интенсивность процесса осаждения, так как этот процесс зависит от силы инерции частиц и капель. Инерция пылевых частиц определяется скоростью газового потока. Если скорость газового потока велика по сравнению со скоростью капли, или скорость капли превышает скорость газового потока, то в том и другом случаях пылевая частица под действием силы инерции, столкнувшись с каплей, может осесть на ее поверхности. Механизм инерционного осаждения пылевых частиц на каплях орошающей жидкости подчиняется закону Стокса, согласно которому влияние инерционного эффекта значительно возрастает при уменьшении соотношения размеров частиц и капель и при повышении относительной скорости между ними. Таким образом, интенсификация процесса пылеулавливания в аппаратах рас-пыляющего типа может быть достигнута за счет увеличения скорости газового потока или скорости истечения орошающей жидкости (в струйных газопромывателях).
Разработана схема очистки дымовых газов с надежным и более эффективным процессом пылеулавливания. Схема включает стадии капельной и пенной механической очистки. Особенностью схемы является то, что в качестве стадии обеспыливания комплексной очистки реализуется капельный режим контакта очищаемого потока с дисперсией распыляемой воды. Стадией абсорбционной очистки от газовых примесей является пенный режим контакта потока с жидким поглотителем. Преимущество такого капельно-пенного газопромывателя по сравнению с каскадом последовательно установленных скрубберов заключается в том, что одиночный газопромыватель имеет более низкое гидравлическое сопротивление и его применение снижает энергетические затраты.
Гидродинамические характеристики формирования воднокапелыюй дисперсии
Развитие представлений о механизме пенного режима контакта газа и жидкости в условиях ее вихревой инжекции закрученным газовым потоком выполнено в работах В.Г. Диденко [40, 41, 44]. Основываясь на них, образуемую при таких условиях динамическую (подвижную) пену, можно оценивать как разновидность газожидкостной системы, формируемой в результате диспергирования потока газа, движуще гося через объем жидкости, поддерживаемой им во взвешенном состоянии за счет проявления сил межфазного поверхностного трения и инерции движения газа:
Очевидно, что соотношения (3.16)-(3.17) отражают основные связи между параметрами, характеризующими условия формирования динамической пены и, тем самым, определяют состав функциональных зависимостей, анализ которых позволяет выявить основные закономерности реализации процесса образования динамической пены в условиях вихревой инжекции жидкости.
На рис. 3.4 представлены данные, характеризующие зависимость высоты слоя динамической пены в камере инжектора от средней по расходу скорости иср и начального уровня жидкости h0 при использовании закручивателей с двухмерным профилированием проточной части [40]. Эксперименты проводились на установках с диаметром контактной камеры 200мм, при соотношении площади сечения камеры р FK и поддона Fnd, равном. — -=3,38.
Из анализа экспериментальных точек следует, что общей закономерностью является повышение Нп с увеличением Rer (расхода газа) при h0 = const и с повышением h0 при Rer = const. Наиболее резкое повышение Нп происходит в зоне положительных значений h0 — при начальном заглублении (затоплении) входного сечения контактной камеры ниже уровня жидкости. слоя от скоростного режима движения очищаемого потока
Сравнение показывает, что при общей закономерности повышения Н„ (увеличения объёма образуемой пены) интенсивность формирования динамической пены трибутилфосфатом в условиях вихревой инжекции возрастает с повышением h0 при Rer - const и уменьшается с повышением значения Rer при htl - const. Это вполне совместимо с данными о процессах формирования динамической пены другими жидкостями. Согласно им для всех конструкций пенообразующих устройств существует предел скоростного режима движения газа, вызывающий изменение структуры динамической пены. Причиной во всех случаях является превышение этого предела вследствие изменения соотношения удельных объёмов жидкости и газа, формирующих слой динамической пены. То есть, условием устойчивости процесса вихреин-жекционного пенообразования является поддержание определённого соотношения газа и жидкости в объеме пенного слоя, при котором жидкость сохраняет состояние сплошной фазы.
Таким образом, изменение значения /?„ можно рассматривать как параметр управления процессом вихреинжекционного формирования динамической пены трибутилфосфатом.
Подтверждение правильности данного вывода даёт выявленная форма связи между \ и динамическим уровнем hd. На рис. 3.5 приведены данные, характеризующие зависимость Ad=/(Rer)h(i, которые были получены на закручивателе 2П. Их анализ показывает, что для всех значений Rer разброс экспериментальных значений hd, не превышает 11%, т.е. находится в пределах погрешности инженерных расчётов. Это позволяет рассматривать кд как параметр, который однозначно определяет количество жидкости в активном объёме контактной камеры, т.е. структуру формируемого при определенных кй пенодинамического слоя.
На основе проведённого анализа особенностей формирования динамической пены, межфазное трение определяется как фактор удерживания жидкости в зоне её активного контакта с газом. Одновременно А, отражая условия проявления сил трения на межфазной поверхности контакта, определяет величину гидравлических потерь при формировании структуры динамической пены.
Из этого следует, что потери давления в пенном слое определяют те же параметры, что и процесс инжекции и удерживания жидкости в зоне контакта. Допустимо считать, что при этом основная часть располагаемого давления потока газа тратится на уравновешивание за счет межфазного трения силы тяжести массы жидкости, которая удерживается в объёме пенного слоя. На рис. 3.6 представлены экспериментальные данные и расчётные графики, которые характеризуют изменение потерь давления в пенном слое трибутилфосфата в зависимости от значения Rer и начального уровня жидкости ht). Их анализ позволяет выделить ряд характерных особенностей зависимости ДР„ = /(Rer)b . Так, в интервале значений Re,- =(2,5- 15)-104 аппроксимирующие графики при Ret - + со представляют собой семейство кривых с монотонным повышением значения АР и одновременным ростом величины приращения гидравлических потерь при увеличении величины h0. При этом, для каждого графика АР = /(Re, )ь характерным является наличие диапазонов, разделяющих значений Re, на участки с различной величиной приращения Д(ДР, /Же,-, т.е. различной динамикой роста текущего значения ЛР газа при различных значениях ho
Следовательно, выражаемые графиками (рис. 3.6) зависимости ДР„ =/(ucp)h через величину потерь давления однозначно характеризуют энергетические затраты на образование межфазной поверхности контакта в пенном слое, которая является определяющим фактором эффективности процессов извлечения из газовой фазы нейтрализуемых компонентов. Таким образом, полученные графики, однозначно указывают на возможность оптимизации режимно-технологических параметров совме щаемых процессов комплексной очистки газовых выбросов за счет изменения режимных условий контакта в пенодинамическом слое ТБФ.
Управление режимными параметрами процессов комплексной пылегазоочистки
Согласно рассмотренных в подразделе 4.1 условий, задачей унификации элементной базы аппарата комплексной очистки следует считать агрегатирование её сборочных единиц в унифицированные блоки определённого функционального назначения, состав которых должен отражать стадии осуществляемого процесса (технологии) очистки, а структура — специфику их реализации. При таком подходе становится возможной компоновка структуры единичного реактора по одновариантно-му принципу совмещения его блоков в унифицированные модули [40]. Отсюда, в зависимости от состава унифицированных таких блоков, модули могут быть модифицированы для эффективного совмещения определённых процессов с целью усиления целевого воздействия на условия поглощения или свойства целевых компонентов.
Изложенные выше принципы унификации газоочистных аппаратов позволяют сформулировать определяющее условие конструктивного исполнения модулированной установки на основе вихрепенного скруббера и осуществления комплексных процессов обеспыливания и абсорбционной очистки пылегазовых выбросов стекловарочных печей и сушильных барабанов с использованием капельно распыляемой воды и пенного слоя трибутилфосфата. Согласно обобщениям главы 2 и главы 3 в наибольшей степени данному условию отвечает повышение интенсивности I процессов переноса за счет оптимизации по функционально-энергетическим показателям режима контакта очищаемого газа с поглотителем . Исходя из названных подходов, унификация узлов формирования заданного вида контактной поверхности должна осуществляться из условия их максимального агрегатирования в однотипное устройство базового исполнения. Очевидно, что в качестве его основы следует принимать блок, реализующий процесс поглощения доминирующих по объему или уровню токсичности компонентов выброса. В рассматриваемом случае таким блоком является инжекторная камера, формирующая пенодинамический слой трибутилфосфата, где поглощаются кислые газовые компоненты выброса.
Узел формирования межфазной поверхности посредством механизма вихревой инжекции выполнен в форме вертикального канала круглого сечения, оборудованного на входе круговой гидродинамической решёткой. По принципу действия, согласно определению В.Г. Диденко [40], он может быть отнесён к вихревым инжекторам. Тогда конструируемые на его основе модули, с учётом вида формируемой газожидкостной системы, могут рассматриваться как вихреинжекционные пенные скрубберы — ВИПС.
Структурная схема компоновки модулей ВИПС приведена рис. 4.1. На схеме вихревой инжектор и сопряжённое с ним оборудование оформляется в унифицированный технологический блок ВИПС, где реализуются целевые процессы комплексной очистки газа. По последовательности осуществления они реализуют базовую стадию процесса очистки, эффективность которой существенно зависит от свойств жидкого поглотителя разделения газожидкостной системы на выходе из зоны контакта, а также подготовки очищаемого газа перед контактом с поглотителем. Отсюда аппаратурное оформление этих стадий выполнено в виде следующих унифицированных блоков: технологического (с инжекторной камерой) сепарационного, вспомогательного (функции подвода и отвода жидкого поглотителя, а также удаления шлама).
Прямая зависимость эффекта формирования динамической пены от расположения входного сечения инжектора над поверхностью жидкости требует управляемого регулирования её уровня, делая функционально необходимым элементом в структурной схеме модуля ВИПС блок-регулятор. В процессах, реализуемых с прямоточным режимом движения фаз условием циркуляционного оборота жидкой технологической среды (трибутилфосфата) является её регенерация. Тем самым, обусловливается включение в состав сборочных единиц унифицированного блока-регенератора.
Основываясь на данных исследования абсорбционных процессов газоочистки, реализуемых на запыленных потоках [14, 19, 44], можно считать наиболее рациональной компоновку, позволяющую реализовывать стадию обеспыливания потока до абсорбции из него газовых примесей. Тем самым, агрегирование обеспыливающего поток блока (дисперсионной камеры) с инжекторным модулем ВИПС, должно обеспечивать поступление в последний уже обеспыленного (полностью или в достаточной степени) выброса.
В представленный на рис. 4.1 структурной схеме такой блок (ДКП) может быть выполнен как в форме внешней цилиндрической вертикальной камеры, так и в форме кольцевого канала, оборудованного стенками корпуса ВИПС и его инжекторной камеры -рис.4.2.
В своей совокупности перечисленные блоки составляют элементную базу структурной схемы модулированного скруббера (модуля) комплексной капельно дисперсионной и вихреинжекционной пенной пылегазоочистки. Таким образом, структурно-функциональная унификация элементной базы на блочно-модульным уровне является средством совершенствования функциональных характеристик модулей по условиям реализации целевых процессов очистки. На этом же основании можно считать реализуемым математическое описание совмещаемых процессов, а также условия оптимизации и управления их режимными параметрами, исходя из общих формализованных моделей явлений переноса в газожидкостных системах.
