Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Техногенные особенности загрязнения атмосферы выбросами компрессорных станций магистральных газопроводов 9
1.1 Технологическая характеристика КС как источников загрязнения атмосферы 9
111. Характеристика технологического оборудования КС 9
1 1 2. Технологические особенности процесса компримирования газа 12
1.1.3. Состав и режимно-технологические особенности формирования выбросов КС в атмосферу 16
І.З.Оценка экологической опасности техногенного воздействия выбросов КС 23
1 4. Анализ средств и методов снижения техногенного воздействия выбросов КС на
окружающую среду 27
1.4.1 Способы абсорбционной очистки промышленных выбросов 27
1.4.2.Сравнение конструктивно-технологических характеристик абсорбционных установок32
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2 Функционально-технологические характеристики абсорбционной очистки дымовых газов компрессорных станций в пенодинамичеком слое трибутилфосфата 42
2.1. Условия выбора эффективных поглотителей для очистки выбросов дымовых газов
компрессорных станций 42
2.2 Сравнительный анализ закономерностей абсорбции кислых компонентов дымовых газов
различными абсорбентами 43
2.3 Особенности поглощения оксидов азота при очистке газовых выбросов 46
2.4. Оценка применимости трибутилфосфата для абсорбционной очистки дымовых газов от диоксида азота 48
2.5. Методологические подходы к оценке эффективности массопереноса в процессе поглощения кислых газов 49
2.6. Методологические основы описания массопереноса при поглощении кислых газов в пенодинамическом слое 52
2.7. Определение функционально-технологических характеристик очистки дымовых газов в пенодинамическом слое 55
2.7.1. Условия расчета коэффициента Генри 55
2.7.2. Определение коэффициента массопередачи 57
2.7.3. Расчет степени абсорбции и концентрации целевого компонента в жидкой и газовой
фазах пенодинамического слоя 58
Выводы по главе 2 60
ГЛАВА 3 Обобщение экспериментальных данных закономерностей абсорбционной очистки дымовых газов трибутилфосфатом 61
3.1. Аппаратурное оформление экспериментального стенда 61
3.2 Методика проведения экспериментов 63
3.2.1 Оценка гидродинамических характеристик формирования пенодинамического слоя...63
3.2.2 Оценка определяющих факторов процессов абсорбции оксидов азота 64
3.3. Планирование эксперимента и достоверность научных исследований 66
3.4. Гидродинамика формирования пенодинамического слоя трибутилфосфата 69
3.4.1. Гидродинамические характеристики пенодинамического слоя ТБФ 69
3.4.2. Закономерности потерь давления газа в пенодинамическом слое ТБФ 72
3.5. Обобщение экспериментальных закономерностей процесса абсорбции диоксида азота и углерода в пенодинамическом слое трибутилфосфата 74
3.5.1. Определяющие факторы массопереноса в процессах абсорбции 74
3.5.1.1. Абсорбция диоксида азота 74
3.5.1.2. Абсорбция диоксида углерода 81
3.5.2. Закономерности процесса поглощения NO2 трибутилфосфатом 82
3.5.3. Закономерности процесса поглощения СОг трибутилфосфатом 86
3.4. Влияние температуры газов на эффективность процесса поглощения пенодинамического слоя трибутилфосфатом 88
Выводы по главе 3 89
ГЛАВА 4. Строительно-технологические аспекты защиты воздушного бассейна от загрязнения дымовыми газами компрессорных станций 91
4.1 Конструктивные особенности компоновки газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций 91
4.2. Управление условиями реализации массообменных процессов в пенодинамическом слое трибутилфосфата 95
4.3. Условия оптимизации режимных параметров совмещения процессов комплексного поглощения целевых компонентов (NOx и СОг) 98
4 4. Принципы построения компоновочной схемы установки комплексной очистки дымовых азов КС 102
4.5 Технологические основы очистки дымовых газов трибутилфосфатом в вихреиннжекционных пенных скрубберах 106
4.6 Методологические подходы к оценке техногенных последствий загрязнения атмосферы выбросами КС 109
Рис. 4.11. Накопительная доза диоксида углерода СОг при сжигании природного газа:... 115
Выводы по главе 4 116
Основные выводы 117
Список литературы 119
Приложение 126
- Состав и режимно-технологические особенности формирования выбросов КС в атмосферу
- Методологические основы описания массопереноса при поглощении кислых газов в пенодинамическом слое
- Планирование эксперимента и достоверность научных исследований
- Условия оптимизации режимных параметров совмещения процессов комплексного поглощения целевых компонентов (NOx и СОг)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный уровень развития большей части отраслей промышленности и жилищно-коммунального хозяйства в определяющей мере характеризуется возрастающей динамикой потребления различных видов энергетических ресурсов. При этом доминирующую часть в них составляет природный газ. По данным ВТО доля природного газа в общем объеме потребления энергоресурсов странами Европы составляет 21%. Северной Америки 25%, Центральной и Юго-Восточной Азии 11%.
Такое положение объясняется высокими теплотехническими свойствами природного газа, а также, в значительной степени, высоким уровнем его экологической безопасности в сравнении с другими видами широко применяемых топлив - каменным углем и мазутом.
Основные месторождения чистого российского природного газа располагаются в регионах Западной Сибири - Уренгой, Ямбург, Бованенко и др. Его транспортирование в европейские регионы России и зарубежным потребителям осуществляется развитыми магистральными системами газоснабжения общей протяженностью около 1,2 млн. км. Для перекачивания природного газа в них используется 250 компрессорных станций, оснащенных газоперекачивающими агрегатами общей мощностью 42,6 млн. кВт ч. В зависимости от конструктивных особенностей, на обеспечение их работы расходуется от 5 до 20% перекачиваемого газа, сжигаемого в качестве топливного газа в газотурбинных установках компрессорных станций. В связи с этим, компрессорные станции магистральных газотранспортных систем являются мощными источниками загрязнения воздушного бассейна в зонах расположения КС и в целом, атмосферного воздуха продуктами сгорания природного газа.
Наиболее токсичными компонентами, содержащимися в выбросах дымовых газов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций, являются оксид N0 и диоксид азота NO2. В выбросах большинства компрессорных станций преобладает оксид азота, характеризуемый менее жесткими гигиеническими требованиями по концентрациям. Однако установлено, что в атмосферных условиях происходит его постепенная трансформация в более токсичный диоксид ЫОг- Последнее требует обязательного учета при оценке уровня воздействия компрессорных станций магистральных газотранспортных систем на окружающую среду при их проектировании и эксплуатации. Значение данного условия особенно возросло в связи с ратификацией России Киотского протокола,
включившего диоксид азота в число компонентов, выброс которых подлежит обязательному сокращению наряду с диоксидом углерода СОг.
Из этого очевидна актуальность проблемы повышения уровня экологической безопасности строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения на основе разработки средств очистки выбросов их дымовых газов, эффективно реализующих процессы нейтрализации продуктов сгорания - оксидов азота и углерода.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель настоящей работы - обеспечение экологической безопасности эксплуатации компрессорных станций магистральных газотранспортных систем посредством разработки технологических основ эффективной очистки их дымовых газов в режиме интенсивного пенодинамического контакта с оптимизированным жидким поглотителем.
В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:
теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя, оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения характерных целевых компонентов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;
экспериментальное исследование закономерностей поглощения газообразных компонентов выбросов газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым газовым потоком выброса;
определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамического слоя в реакционном объеме газоочистного аппарата посредством вихревой инжекции оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;
совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента очищаемого выброса дымовых газов КС в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем;
определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы газоочистной установки для оптимизированного сочетания с модулированным оборудованием газоперекачивающих агрегатов;
обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения.
Основная идея работы состояла в совершенствовании основ проектирования объектов магистральных систем газоснабжения посредством разработки методологии расчета и конструирования модулированных вихрепенных установок мокрой очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования массо-обменных процессов на лабораторных 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 теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.
Научная новизна работы:
теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей дымовых газов компрессорных станций, на примере диоксида азота;
предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;
экспериментально, на примере диоксида азота, подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей дымовых газов КС, в пенодинамическом слое, формируемом трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;
экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида азота и углерода в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора трибутилфос-фата закрученным потоком очищаемого газа;
экспериментально уточнены зависимости, характеризующие технологические условия эффективного поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования;
установлены условия энергоэффективного осуществления процесса поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора относительно входного сечения вихревого инжектора;
- сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного
оформления процессов очистки выбросов дымовых газов компрессорных стан
ций трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования.
Практическая значимость работы:
разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для очистки выбросов дымовых газов КС с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;
определена область эффективного ведения процессов очистки выбросов дымовых газов КС от диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах, характеризуемая
оптимизированными значениями числа Re > 7 104 и начального уровня поглотителя h0 > 0,0 м, отнесенными к входному сечению вихревого инжектора;
уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;
предложена методика определения степени абсорбционной очистки выброса в атмосферу и концентрации извлекаемого компонента в стоках жидкости, отводимой из пенодинамического слоя;
обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами газотурбинных установок компрессорных стаций магистральных систем газоснабжения;
сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах их размещения.
Реализация результатов работы:
разработаны и переданы к использованию ООО "Волгоградтрансгаз" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию модулированных установок вихреинжекционной пенной очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;
НПО "Волгоградхимпроект" переданы рекомендации по применению трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя при очистке выбросов от кислых газов в аппаратах с пенодинамическим режимом работы;
материалы диссертационной работы используются кафедрами ОВЭБ и БЖТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Те-плогазоснабжение и вентиляция", "Инженерная защита окружающей среды" и "Пожарная безопасность".
На защиту выносятся:
теоретические и экспериментальные результаты исследования, на примере диоксида азота, закономерностей поглощения кислых примесей трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции закрученным потоком очищаемого газа;
математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфа-том кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;
- экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность
улавливания диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутил-
фосфата в модулированных установках вихреинжекционных пенных скруббе
ров;
унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов дымовых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;
методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;
методологические принципы определения вероятности техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 2004-2005 г.); научно-технических конференциях "Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России" (Кисловодск, 2005 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 47 рисунков и 8 таблиц.
Состав и режимно-технологические особенности формирования выбросов КС в атмосферу
Исходя из определения, что рабочей средой ГТУ является разбавленные атмосферным воздухом продукты сгорания топливного газа, в оценке качественного состава выбросов дымовых газов ГТУ с достаточным приближением можно исходить из анализа продуктов сгорания природного газа (ПГ).
Природный газ при параметрах его подачи в КС рассматривают как смесь идеальных газов - в основном углеводородов с небольшой примесью инертных и негорючих (сероводород, содержащийся в ПГ некоторых месторождений, удаляют при подготовке газа к транспортировке). Состав ПГ зависит от месторождения и геологического горизонта, из которого его добьшают. По видам компонентов составы ПГ практически однотипны, но по объемным долям компонентов различаются значительно (в %): метан (СН4) - от 39,1 до 99,2; этан (С2Н6) - от 0,12 до 20; пропан (С3Н8) - от 0,7 до 18,3; бутан (С4Н,0) - от 0,22 до 6,8; пентан (С5Ні2) - от 0,15 до 4,8; диоксид углерода (С02) - от 0,1 до 0,33; азот и не горючие - от 0,66 до 10,1. Некоторые ПГ содержат кислород.
Природный газ северных месторождений состоит в основном из легких углеводородов метана и этана. Справочные данные обычно содержат характеристики сухого чистого топливного ПГ, тогда как реальное топливо может содержать пылевые частицы, капли воды, газового конденсата и масла. В связи с этим системы топливоподготовки ГТУ КС всегда включают влаго-, масло-, пы-ле-и конденсатоотделители. В состав некоторых газоперекачивающих агрегатов ГПА включены подогреватели топливного газа, в которых сжигают некоторое его количество или используют остаточную теплоту дымовых газов ГТУ.
В проектных расчетах КС исходят из следующих свойств ПГ: плотность при нормальных условиях (давление 101325 Па, температура 20С), ртн; относительная плотность по воздуху, определяемая при нормальной плотности воз-духа 1,205 кг/м , Дт; низшая теплота сгорания - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг (QH) ИЛИ 1 м3 (() топлива и определяемой при условии полного перехода в пар влаги топлива и продуктов сгорания; стехиометрический коэффициент топлива - количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг(Ь0) или 1 м3 (L 0) топлива.
Ввиду достаточно широкого варьирования составов ПГ их свойства могут также существенно различаться: плотность от 0,67 до 1,27 кг/м , относительная плотность - от 0,56 до 1 ,056, теплота сгорания Q$ - от 33240 до 54591 кДж/м3, стехиометрический коэффициент - L 0 от 9,47 до 15,3 м /м . Топлива, содержащие большее количество тяжелых углеводородов, имеют большую плотность и большую теплоту сгорания на 1 м3. Большая часть ПГ легче воздуха.
Процесс горения ПГ - совокупность экзотермических химических реакций окисления горючих компонентов кислородом воздуха. Для определения количеств веществ, вступивших в химические реакции и образовавшихся в ее ходе, используется понятие стехиометрии, т.е. принципа составления количественных соотношений (материальных балансов). Например, процесс горения метана представляется соотношением
Исходя из молекулярных масс метана 16, кислорода 32, воды 18, диоксида углерода 44, можно видеть, что для сжигания 1 кг метана требуется 64/16 =4 кг кислорода, а в результате образуется 37/16 =2,31 кг паров воды и 44/16 =2,75 кг диоксида углерода. С учетом состава воздуха; кислорода - 23,2% по массе (20,9% по объему) и азота - 76,8% (79,1%), на указанную реакцию требуется 4/0,232 = 17,24 кг воздуха, или в объемном выражении 17,24/1,205 = 14,31 м3. Если плотность метана при нормальных условиях 0,655 кг/м3, то для сжигания 1 м метана требуется 17,24-0,655/1,205 = 9,51 м воздуха. Суммируя количества необходимого для горения атмосферного воздуха и, образующихся продуктов сгорания в реакциях окисления отдельных компонентов ПГ, соответственно их долей в составе ПГ, можно вычислить стехиометрический коэффициент и массовые или объемные доли чистых стехиометрических продуктов, которые образуются в результате нормального горения ПГ при отсутствии избытка или недостатка воздуха. Для приближенных расчетов обычно принимают следующий состав стехиометрических продуктов сгорания (массовые доли в %); С02 - 16; H20-12;N2-72.
Рассмотренные соотношения отражают стехиометрический баланс воздуха и топлива при идеальных условиях горения. В реальных ГТУ КС количество подаваемого воздуха значительно превышает стехиометрическое, так как необходимо понижать температуру газов до значения, обусловленного технологическим циклом и конструкцией деталей проточной части ГТУ. Указанное превышение характеризуется коэффициентом избытка воздуха а, который равен отношению расхода воздуха, действительно подаваемого в КС, к расходу, теоретически необходимому для горения # =GB/(GT/L0) Величина определяемого таким образом коэффициента избытка воздуха относится к КС в целом и может составлять «s 1. В реальных условиях ГТУ КС обычно а = 4 - 7.
Из анализа материального и теплового баланса ГТУ КС, с учетом некоторых упрощения, можно получить формулу для расчета а% по параметрам цикла ГТУ и используемого топлива: где ti, tB - температура соответственно топлива и воздуха на входе в КС; tr -температура газа на выходе КС; с - средняя в диапазоне от О С до ty — теплоемкость топлива; срс.„.с - средняя в диапазоне от О С до tr теплоемкость стехиометрических продуктов сгорания; СрВ г - средняя в том же диапазоне температур теплоемкость воздуха; срВ - средняя в диапазоне от 0С до tB теплоемкость воздуха; L0 - количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг.
Для расчета состава дымовых газов газа на выходе из ГТУ их компоненты можно условно разделить на две части: стехиометрические продукты сгорания природного газа и воздух, не вступившей в реакции горения. Их массовые доли в составе дымовых газов; можно представить стехиометрическими соотношениями состава массовых долей компонентов на выходе ГТУ где m - массовые доли стехиометрических продуктов сгорания.
Приняв = 5, L0 = 16 для указанного ранее примерный состав стехиометрических продуктов сгорания, получим приближенный состав (массовые доли) дымовых газов на выходе ГТУ (в %): С02 - 3,4; Н20 - 2,5; N2 - 75,8; 02 -18,3. Как видно в составе газов на выходе из ГТУ еще содержится достаточно большое количество кислорода. Это может быть использовано для подогрева выхлопных газов ГТУ перед котлом-утилизатором.
Методологические основы описания массопереноса при поглощении кислых газов в пенодинамическом слое
Способ громоздок для использования в системах санитарной очистки газовых выбросов, но выполним, и применяется на некоторых тепловых электростанциях, работающих на сернистом топливе. В результате разработок предложено применять окись цинка вместо магнезитового раствора. Получающийся при этом сернистокислый цинк разлагается при более низкой температуре, чем сернистокислый магний.
Большой поглотительной способностью обладают растворы на основе сульфита и бисульфита аммония (аммиачный метод) [58, 60]. Этот метод применяется для обработки разбавленных газовых смесей (0,3 +0,5% об.). Десорбцию проводят паром. При этом в системах очистки выбросов от С02 получают его 100%) выход Недостатком метода является наличие в рабочей жидкости побочных реакций, протекающих в результате окисления раствора содержащимся в газах кислородом.
В различных отраслях промышленности широко используется поглощение кислых газов известковым молоком. Преимуществом метода является простота, дешевизна и нечувствительность к примесям, а также хорошая степень очистки. Недостатком является забивание аппаратуры гипсом и большое количество отходов (поглотитель не регенерируется и все поглощенное количество СОг теряется).
Для обратимого улавливания кислых примесей дымовых газов получают-диметиланилин С6Н5(СН3)2 и толуидин C6H4CH3NH2 на предприятиях черной металлургии [10, 32, 72].
Преимуществом этих методов является высокая степень очистки, простота процессов и надежность работы очистных установок. В этой связи развитие методов, использующих для абсорбции кислых примесей газовых выбросов органические поглотители является перспективным. Однако следует отметить, что технический ксилидин представляет собой смесь изомеров. Все его изомеры образуют с кислотами плохорастворимые соли. Поэтому для предотвращения выпадения кристаллов, что может вызвать забивание аппаратуры, а также для увеличения емкости сорбента, ксилидин обычно применяют в смеси с водой. Для его регенерации обычно применяется механизм расслоения. Однако, использование в процессе расслаивающихся жидкостей связано с технологическими трудностями. Отсюда, более перспективным считается диметиланилин, который применяется без добавления воды, имеет поэтому определенные преимущества. Толуидин как поглотитель уступает ксилидину.
Абсорбция оксидов азота жидкими поглотителями является одним из распространенных в промышленности способов очистки. Наиболее доступным и дешевым является вода. Негативной особенностью этого процесса является разложение образующейся при абсорбции азотистой кислоты с выделением в газовую фазу оксидов азота. В этой связи степень абсорбции составляет в зависимости от типа применяемого аппарата от 40 до 80%. Наиболее широко используются щелочные поглотители. Сравнительная качественная оценка эффективности может быть представлена рядом Наиболее удобным, эффективным и безопасным поглотителем является сода. Применение ее растворов позволяет получить степень очистки от 60 до 80%, в зависимости от концентрации раствора и типа применяемого аппарата.
Еще более эффективно применение в качестве поглотителя известкового молока. Однако утилизация продуктов, засоряемость аппаратуры, громоздкость аппаратурного оформления отрицательно сказывается на промышленном использовании способа.
Селективное улавливание оксидов азота представляет собой весьма сложную задачу. Поэтому особый интерес представляют способы очистки с обезвреживанием нитратов в отработавшем поглотительном растворе путем их превращения в безвредный азот:
Разложение нитрита аммония происходит при 56С. Последнее важно интересно с точки зрения обезвреживания поглотительных растворов от нитритов. Используемый раствор нашатыря, таким образом может быть использован для поглощения С02, N0X и S02. Образовавшиеся нитриты затем обезвреживаются нагреванием. Оставшийся в растворе сульфит аммония при обработке растворимыми солями кальция или магния будет образовывать нерастворимые и пло-хорастворимые сульфиты кальция, магния оставляя в растворе гидроокись аммония. Последнюю нетрудно разложить с образованием аммиака при нагревании. Регенерированный таким образом аммиак, который остался после обезвреживания нитритов, можно возвратить в процесс.
Следовательно, как перспективное можно выделить направление поиска технологии очистки отходящих газов, которое не ведет к накоплению в поглотительной жидкости нитратов и нитритов. Например, обработку отходящих газов раствором NH4OH с выделением сульфита кальция, азота и частичной регенерацией аммиака. Очистку можно улучшить, если аммиак добавлять в раскаленные газы еще до подачи их в газоочистную установку. Согласно [60] при этом происходит реакция
В этой связи, более предпочтительна эффективна очистка с обратимым поглощением кислых примесей с возможностью их дальнейшей переработки в то варную продукцию. Более перспективны для этой цели органические поглотители, обладающие низкой летучестью.
Трибутилфосфат - трибутиловый эфир ортофосфорной кислоты (ТБФ) достаточно широко применяется при технологической очистке газов от соединений серы в азотной промышленности. В тоже время известны результаты лабораторных и промышленных исследований [83], свидетельствующие о возможности применения трибутилфосфата для санитарной очистки газовых выбросов от диоксида серы, а также других кислых примесей методом физической абсорбции. В этой связи ТБФ следует рассматривать в качестве нового органического поглотителя для очистки дымовых газов от кислых примесей.
Трибутилфосфат получил промышленное применение благодаря удачному сочетанию ряда технологически перспективных свойств. В частности, ТБФ имеет малую упругость паров, благодаря чему практически не теряется в технологическом процессе за счет испарения даже при повышенных температурах очищаемых газовых смесей. Как поглотитель экологически безопасен, т.к. не вызывает острых отравлений, не горюч, не является коррозионноактивным, устойчив к действию многих окислителей, практически не растворяется в воде.
Планирование эксперимента и достоверность научных исследований
Очевидно, что соотношения (3.9)-(3-10) 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. 3.3 представлены данные, характеризующие зависимость высоты слоя динамической пены в камере инжектора от средней по расходу скорости иа и начального уровня жидкости h0 при использовании закручивателей всех характерных видов профилирования проточной части: 2П [35]. Эксперименты проводились на установках с диаметром контактной камеры 200 мм, при соот F ношении площади сечения камеры FK и поддона F , равном - = 3,38.
Из анализа экспериментальных точек следует, что конструкция закручивателя оказывает неодинаковое влияние на объём пенного слоя, характеризуемый величиной Нп. Оно проявляется как показатель качества профилирования проточной части закручивателя. Для всех значений h0 полученные результаты, показывают достижение наибольших значений Н„ для закручивателей 2П и меньших — для 1КП. Степень разброса точек двумерно и одномерно профилированных закручивателей составляла от 7 до 11%. Общей для всех видов закручивателей закономерностью является повышение Нп с увеличением Rer (расхода газа) при h0 = const и с повышением h0 при Rer = const. Наиболее резкое повышение Н„ происходит в зоне положительных значений h0 — при начальном заглублении (затоплении) входного сечения контактной камеры ниже уровня жидкости.
Сравнение показывает, что при общей закономерности повышения Нп (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 h0 = const. Это вполне совместимо с данными о процессах формирования динамической пены другими жидкостями. Согласно им для всех конструкций пе-нообразующих 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 вихреинжекционного пенообра-зования является поддержание определённого соотношения газа и жидкости в объеме пенного слоя, при котором жидкость сохраняет состояние сплошной фазы.
Таким образом, изменение значения h0 можно рассматривать как параметр управления процессом вихреинжекционного формирования динамической пены трибутилфосфатом. Подтверждение правильности данного вывода даёт выявленная форма связи между h0 и динамическим уровнем пд. На рис. 3.4 приведены данные, характеризующие зависимость пд =/(Rer)h , которые полученные на закручивате лях 2П и 1КП. Их анализ показывает, что для всех значений Rer разброс экспериментальных значений Пд, не превышает 11%, т.е. находится в пределах погрешности инженерных расчётов. Это позволяет рассматривать пд как параметр, который однозначно определяет количество жидкости в активном объёме контактной камеры, т.е. структуру формируемого при определенных h0 пеноди намического слоя.
На основе проведённого анализа особенностей формирования динамической пены, межфазное трение определяется как фактор удерживания жидкости в зоне её активного контакта с газом. Одновременно X, 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 по тока газа тратится на уравновешивание за счет межфазного трения силы тяжести массы жидкости, которая удерживается в объёме пенного слоя.
На рис. 3.5 представлены экспериментальные данные и расчётные графики, которые характеризуют изменение потерь давления в пенном слое трибу-тилфосфата в зависимости от значения Rer и начального уровня жидкости h0. Их анализ позволяет выделить ряд характерных особенностей зависимости ДР. = /(Re,.)h . Так, в интервале значений Rer =(2,5ч-15)-104 аппроксимирующие графики при Rer -» + оо представляют собой семейство кривых с монотонным повышением значения ДР и одновременным ростом величины приращения гидравлических потерь при увеличении величины h0. При этом, для каждого графика ДР. =/(Rer)h характерным является наличие переломных точек, разделяющих диапазон значений Rer на участки с различной величиной приращения A(APn)/ARer, т.е. различной динамикой роста текущего значения ДРП.
Условия оптимизации режимных параметров совмещения процессов комплексного поглощения целевых компонентов (NOx и СОг)
Сравнение представленных данных отражает характерную тенденцию перехода графиков функции 77al=/(Rer)h через максимум при определённых значениях Rer. Очевидно эта закономерность проявляется в области значений h0 0,0 м и менее явно при положительных значениях h0. При этом с ростом величины h0 имеет место расширение области близких к максимуму значений /7а1. При h0 = 0,06 м она соответствует интервалу значений Rer= 5-И2 104. Допустимо считать, что для области значений h0 0,0 м переход Г}а1 через максимум будет иметь место при неограниченном росте скорости газа как результат укрупнения структуры пенного слоя, обусловленный его трансформацией в пенно-струйно-капельную газожидкостную систему.
Такой вывод вполне согласуется с результатами других исследований [21, 28], что указывает на общность процессов массообмена в пенодинамическом слое. Это указывает на возможность осуществления оптимизационной оценки расходных (Gr, ua) характеристик работы вихреинжекционного пенного аппарата по параметру интенсивности (коэффициента массопередачи К) или - степени извлечения целевого компонента. В последнем случае определяющее значение имеет анализ взаимосвязи 77aj с параметром управления процессом — h0. Расчетно-эмпирические данные, характеризующие зависимость а(1 2) = (ho) указывают на влияние особенностей профилирования за кручивателей. Очевидным является возрастающее с уменьшением величины h0 превышение значений степени абсорбции 7]ан 2\ на закручивателе 2П. В области положительных значений h0, имеет место высокая сходимость значений степени абсорбции 7]&п 2\ — в пределах 0,4-0,6% при Re 5,0 -104. Для всего исследуемого интервала скорости иа = 2,5-й 0 м/с характерной тенденцией является повышение сходимости значений Г}ап 2ь отмечаемое с ростом величины иа при h0 = const.
В области отрицательных значений h0 общей закономерностью реализации зависимости /j 2 = (h0) является резкое снижение значений 7]ац 2ь с ростом скорости иа при h0 = const. Вместе с этим, в диапазоне значений иа 8 м/с с понижением h0 имеет место переход графиков функции afi 2) = У(ПО) чеРез максимумы. Область значений h0 0 можно рассматривать как область устойчивого управления процессом абсорбции. Осуществление процесса абсорбции при скорости иа 4 м/с целесообразно только на двумерно профилированных закручивателях.
Сопоставление полученных результатов позволяет отметить совпадение в тенденциях уменьшения значений степени абсорбции Г]ап 2) и удельной поверхности контакта фаз/, при незначительном изменении К, і,2) Для области отрицательных значений h0. Аналогичное совпадение в изменениях 77a(i 2) и
K,(i,2) при слабовыраженной связи с изменением величины fv в области положительных значений h0. Отсюда правомерен вывод о доминирующем влиянии на степень извлечения целевого компонента в процессах абсорбции для области положительных значений h0 величины коэффициента массопередачи K i 2) и, соответственно, величины поверхности контакта фаз F — для области отрицательных значений h0. Тем самым, очевидно устанавливаются определяющие условия оптимизации режимных параметров при совмещении процессов абсорбции.
С целью оценки воспроизводимости полученных закономерностей при осуществлении процессов абсорбции различных газообразных компонентов, отвечающих признаку хорошей растворимости в жидкой технологической среде, на системе СОг - ТБФ была проведена аналогичная рассмотренной выше серия экспериментов. Диоксид углерода был принят в качестве извлекаемого компонента, как отвечающий названному признаку характерной составляющей выбросов для достаточно обширного ряда производств. На рис. 3.17 представлены соответствующие условиям реализации одно-цикличного W:" / Wj = 1 прямоточно-возвратного режима на закручивателях 2П и 1КП расчётные графики и экспериментально полученные точки, отражающие закономерности абсорбции в зависимости от значений режимных параметров иа и h0. С учётом рассмотренных выше результатов, интервалы их варьирования составляют для Rer = (5-10)-104 м/с и h0 = -0,06-7-+0,04 м. Значение коэффициента диффузии в воздухе при выполнении расчётов принималось на основании справочных данных. Сравнение показывает, что в пределах всей области режимных параметров, при обеспечении условия ua = const и h0 const, сходимость расчётных и эмпирических данных отвечает пределам ±0,3-1,1%. При этом большее отклонение соответствует области отрицательных значений уровня h0 и резко возрастает с уменьшением его величины. Последнее, хорошо согласуется с закономерностями формирования поверхности контакта фаз. Для области значений h0 0 характерная особенность состоит в кратковременных реинверсионных изменениях удельной ПКФ, обусловленных гидродинамической неустойчивостью структуры пенного слоя. Отсюда следует допускать возможность определённого (до 2-3% ) увеличения пределов отклонения расчётных и фактических значений степени абсорбции в промышленных установках из-за варьирования фактических значений иа относительно расчётной величины, обусловленного практикой аэродинамических расчётов [41]. Очевидно, что максимальное проявление этих обстоятельств будет иметь место для предельных значений скорости иа 2,5 м/с.
Сопоставление эмпирических и расчётных данных, позволяет охарактеризовать как общую закономерность реализации отражаемой ими зависимости ц = y/(h0) анализируемых процессов абсорбции. В обоих случаях можно выделить характерные зоны высокой сходимости (h0 0) значений г/а2 и их существенного разброса в сочетании с резким снижением (h0 0) соответствующим росту величины иа. Основное отличие абсорбции СОг состоит в общей для результатов, полученных на закручивателях 2П и 1КП, более резкой динамике снижения степени извлечения rja2. На основе сопоставления расчётных значений коэффициентов массопередачи Кг2, полученных для равнозначных сочетаний режимных параметров (ua, h0), легко показать адекватность снижения величины 77 а2 при абсорбции ацетона уменьшению расчётного значения
Кг2. Последнее, согласно тем же расчётам, обусловлено различием в величине коэффициента диффузии, который, тем самым, проявляется как характеристический параметр, определяющий особенности процесса извлечения вещества в заданных гидродинамических условиях формирования вихреинжекционного пенного слоя. Это, с учётом отмечаемой сходимости расчётных и эмпирических значений 7/а2, допустимо оценивать в качестве признака реализуемости механизма абсорбции для газообразных компонентов, отвечающих условию хоро шей растворимости в жидкой технологической среде. Формально сделанный вывод отвечает лишь условиям одноцикличного (Wj / Wj = 1) прямоточно возвратного режима. Для оценки его применимости к режиму с варьируемым соотношением проточной W:" и циркулирующей Wj массы жидкости проведена экспериментальная оценка степени абсорбции СОг трибутилфосфатом при соотношении W"/ Wj = 0,01. Её результаты показывают, что отклонение значений Г]а2 соответствующих условию Wj"/Wj = 0,01, от значений, полученных при Wj / WJ = 1, не выходит за пределы 1,1%. Тем самым, полученные результаты показывают полную реализуемость модели абсорбции и для условий пря-моточно-возвратного режима с варьируемым соотношением Wj" / Wj в пределах значений 1 Wj" / Wj 0,01.
