Введение к работе
Актуальность работы. Техногенный выброс диоксида серы в атмосферу Земли от различных источников - теплоэнергетики, химической промышленности, металлургии - составляет 1,1*108 тонн (37 млрд. м3/год). Несмотря на то, что основную часть выбросов составляют газы низкой концентрации, они губительно сказываются на состоянии флоры и фауны. Это связано с недостаточной степенью развития систем сероочистки на действующих предприятиях Российской Федерации.
Из множества способов очистки газовых выбросов от диоксида серы широкое применение нашли сорбционные методы. Абсорбцию в основном применяют для очистки технологических и небольших объёмов отходящих газов; при этом в качестве продукта очистки получают сульфитные растворы, спрос на которые ограничен. Адсорбционные же методы очистки более универсальны, позволяют очищать как крупно-, так и малотоннажные газовые выбросы. Из большого круга сорбентов особый интерес представляют активные угли, отличающиеся устойчивостью к влажным газам и возможностью получать при регенерации ценные товарные продукты - концентрированный диоксид серы и серную кислоту.
По отношению к отработанному активному углю, поглотившему диоксид серы, экстракционную регенерацию следует считать оптимальным способом переработки. Промывка угля водой или раствором серной кислоты позволяет избежать недостатков восстановительной термической десорбции, выражающихся в выгорании углерода, разрушении структуры последнего и, как следствие, уменьшении активности и снижении механической прочности сорбента. Концентрация серной кислоты, получаемая при экстракционной регенерации активного угля, сорбировавшего SO2, не превышает 25-28 масс. %, что затрудняет утилизацию такого продукта.
Для эффективного промышленного применения адсорбционной очистки газовых выбросов от SO2 активным углем с последующей его экстракционной регенерацией недостаточно данных по равновесию в системе «активный уголь, серная кислота, вода» и влиянию условий регенерации угля на концентрацию серной кислоты в регенерате. Таким образом, разработка основ экстракционной регенерации угля после поглощения диоксида серы, при которой получают серную кислоту повышенной концентрации, является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка технологических основ получения серной кислоты повышенной концентрации при экстракционной регенерации активного угля в процессах очистки газовых выбросов от диоксида серы.
Для достижения данной цели было предусмотрено решение следующих задач:
разработка методики расчета равновесного содержания диоксида серы, сорбированного на активном угле;
изучение фазового равновесия в системе «активный уголь, серная кислота, вода»;
^ исследование зависимости равновесного парциального давления паров воды над поверхностным раствором H2SO4 на угле от его состава;
выявление условий экстракционной регенерации активного угля, сорбировавшего диоксид серы, при которых удается достигнуть повышенных концентраций серной кислоты в регенерате;
^ разработка технологической схемы процесса очистки газов от SO2 на активном угле с получением раствора серной кислоты повышенной концентрации. Научная новизна:
Установлена физико-химическая сущность процессов адсорбции SO2 из влажного газа при температуре выше точки росы и концентрирования растворов серной кислоты на поверхности активного угля.
При изучении равновесия в системе «активный уголь, серная кислота, вода» (содержание кислоты в растворе 0,01-0,12 мольной доли (м.д.)) в диапазоне температур 273 -343К установлен состав поверхностного раствора серной кислоты на активном угле, обеспечивающий получение кислого реагента требуемой концентрации при регенерации активного угля.
Установлена возможность повышения концентрации регенерата за счет связывания воды на активном угле при м.д. H2SO4 в поверхностном растворе свыше 0,22, что обеспечивает получение указанной кислоты с концентрацией до 60% масс.
Установлено, что в изотермических условиях равновесное парциальное давление паров воды над поверхностным раствором меньше, чем над изоконцен- трационным объемным раствором, вследствие чего испарение воды с поверхности угля протекает при большей движущей силе десорбции паров воды и меньшем расходе тепла, чем при упаривании объёмного раствора.
Впервые получены данные по адсорбции диоксида серы при Р802=0,5-8,0кПа и температурах 273-343К для ранее неизученных марок угля АР-В, АГ-3, АГ-5, АР-А, ФАС.
Разработан метод расчёта адсорбционной ёмкости по серной кислоте для активных углей АР-В, АГ-3, АГ-5, АР-А, ФАС при содержании кислоты в растворе 0,01-0,12 м.д. в области температур 273 -343К.
Определен коэффициент массопередачи и его зависимость от плотности орошения 0,1-0,7 м3/(ч-м2) при температуре 323К и осуществлении проточного режима регенерации при десорбции H2SO4 с поверхности активного угля.
Практическая значимость. На основе полученных экспериментальных данных разработана принципиальная энергосберегающая технологическая схема очистки газовых выбросов при концентрации SO2 0-8%об. с получением 60%-ной серной кислоты. Информация по разработанной технологии очистки передана ФКП «З-д им. Я.М. Свердлова» (Дзержинск).
На защиту выносятся: > Физико-химические основы адсорбционного равновесия в системе «активный уголь, серная кислота, вода», в том числе метод расчета адсорбционной емкости по серной кислоте.
^ Зависимость адсорбционной емкости угля по SO2 от температуры и состава газа. ^ Результаты исследования экстракционной регенерации активного угля, сорбировавшего SO2, при которых получают серную кислоту концентрации до 60 % масс.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных Международных молодежных конференциях «Будущее технической науки» (Нижний Новгород 2005-2009гг.), Международной научно- практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2006 г.), IV открытой городской научно-практической конференции «Молодежь в образовательном и научном пространстве города» (Дзержинск, 2010г.)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 печатных работ, в том числе 3 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы обеспечивалась использованием современных методов исследования и обработки результатов, проверкой их на воспроизводимость, отсутствием противоречий с известными данными по адсорбции на углях и соответствием полученных зависимостей фундаментальным законам адсорбционных взаимодействий.
Личный вклад автора. Анализ литературных данных, выбор объектов исследований и экспериментальные исследования выполнены лично автором. Постановка цели и задач исследования, интерпретация и анализ результатов, формулирование выводов по диссертационной работе произведены соискателем и совместно с научным руководителем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы из 125 источников. Работа изложена на 188 страницах, содержит 57 рисунков и 46 таблиц.
