CC BY
264
ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 504.3.054: 621.43.068.4 М. М. Хачоян,
аспирант,
ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф. Ф. Ушакова»;
A. В. Туркин,
канд. техн. наук, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф. Ф. Ушакова»;
B. А. Туркин,
д-р техн. наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф. Ф. Ушакова»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА В ПРИСУТСТВИИ ОЗОНА STUDY OF INSTULLATION EFFECTIVENESS FOR INVESTIGATION OF THE INSTALLATION EFFECTIVENESS FOR FLUE GAS CLEANING FROM NITROGEN OXIDES IN THE PRESENCE OF OZONE
Приводятся экспериментально полученные зависимости степени очистки реальных дымовых газов от оксидов азота в абсорбере от удельного расхода озона.
We present experimentally obtained dependence of the real degree of purification of flue gases from nitrogen oxides in the absorber of the specific consumption of ozone.
Ключевые слова: дымовые газы, оксиды азота, очистка, абсорбер, озон.
Key words: flue gases, nitrogen oxides, cleaning, absorber, ozone.
ПРОБЛЕМА снижения выбросов оксидов азота (N0^ с дымовыми газами судовых энергетических установок определяет большое количество способов и подходов к ее решению. Широкое распространение получили режимно-технологические (первичные природоохранные) мероприятия по снижению концентрации N0х в дымовых газах. Но в судовых условиях первичные мероприятия, несмотря на результативность получения низких концентраций N0х в дымовых газах, в ряде случаев не исключают превышения концентраций N0х над их значениями, рекомендованными Конвенцией МАРПОЛ 73/78. Поэтому для обеспечения чистоты воздушного бассейна требуются дополнительные (вторичные) природоохранные мероприятия с более глубоким снижением концентраций N0х в дымовых газах.
Первичные методы подавления N0x в топочной камере вытекают из анализа влияния основных факторов на их образование.
Наиболее распространенным способом подавления N0x в топке котла или цилиндре дизеля является рециркуляция дымовых газов в топочную камеру [1; 2, с. 81-83]. Для организации рециркуляции дымовые газы обычно после водяного экономайзера при температуре 300-400 °С отбираются специальным рециркуляционным дымососом и подаются в топочную камеру. При этом большое значение имеет способ ввода газов в топочную камеру: через шлицы под горелками, через кольцевой канал вокруг горелок и подмешивание газов в дутьевой воздух перед горелками. Самым эффективным является последний способ, при котором в наибольшей степени происходит снижение температуры в ядре факела.
Выпуск 4
¡Выпуск 4
Следует иметь в виду, что организация рециркуляции связана с некоторыми дополнительными усложнениями. Транспортировка запыленных газов повышенной температуры требует установки специальных дымососов рециркуляции и связана с затратой дополнительной энергии на собственные нужды. Рециркуляция дымовых газов повышает сопротивление газового тракта и может вызвать некоторое ухудшение условий горения.
Двухстадийное сжигание топлива — наиболее радикальный способ снижения образования N0^ По этому методу в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем это теоретически необходимо для сжигания топлива (коэффициент избытка воздуха а = 0,8^0,95).
Во вторичную зону подается чистый воздух или обедненная топливом смесь для дожигания продуктов неполного сгорания. Теплоотвод в первичной зоне горения снижает температуру газов настолько, что заключительная стадия процесса горения происходит при более низкой температуре.
Подача воды и пара в зону горения приводит к снижению образования N0^ В настоящее время достаточно апробированных материалов о количественной и качественной стороне этого влияния применительно к котлам и газотурбинным установкам, получен положительный эффект с некоторым увеличением тепловых потерь с уходящими газами. Для снижения выбросов N0x могут использоваться и другие методы снижения их генерации. К ним относятся уменьшение избытка воздуха в топке, снижение температуры подогрева воздуха.
Перечисленные способы при комплексном использовании могут существенно снизить образование N0^ Вместе с тем следует отметить, что реализация перечисленных мероприятий возможна не во всех случаях.
Вторичные методы снижения выбросов N0x с дымовыми газами (связанные с системами газоочистки) пока не нашли широкого промышленного применения в нашей стране из-за больших затрат [1; 2]. Обеспечить современные требования по выбросам N0х с дымовыми газами теплогенерирующих установок возможно при использовании специальных химических методов очистки газов, в частности методов селективного каталитического (СКВ) и некаталитического (СНКВ) восстановления оксидов азота.
Процессы СНКВ основаны на избирательном взаимодействии N0x с восстановителями (аммиаком или карбамидом) в газовой фазе при температуре 900-1200 °С [1-3].
На основе результатов экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний на топливосжигающих промышленных агрегатах ряда химических предприятий осуществлено внедрение СНКВ-технологий с использованием аммиака в качестве восстановителя. Результаты внедрения показывают, что эффективность очистки дымовых газов некаталитическим методом в промышленных условиях достигает 80-90 %.
Эти установки очистки действуют на предприятиях, где производится аммиак и отсутствуют проблемы, связанные с его поставкой, хранением и использованием. В судовых условиях применение больших количеств аммиака для очистки газовых выбросов от N0x экологически небезопасно. Эта проблема может быть решена путем использования карбамида, который менее опасен, чем аммиак, но является более дорогим продуктом.
Технологии, использующие высокотоксичный реагент аммиак, не только опасны с экологической точки зрения, но и требуют надежной дозировки, точного контроля и последующего дожигания. Кроме того, метод СНКВ требует равномерного распределения введенного аммиака или карбамида в зоне горения с температурой 1000 °С, что на практике обеспечить весьма сложно, а это не позволяет достичь высокой эффективности процесса. Помимо этого, в карбамидном методе восстановления N0x содержится дополнительная стадия, связанная с использованием большого количества оборотной воды и нейтрализацией сточных вод. В связи с этим интенсивно ведутся разработки безаммиачных каталитических методов обезвреживания N0^ наиболее перспективным из которых является процесс СКВ оксидов азота с использованием в качестве восстановителя углеводородов.
Наиболее активными для процесса селективного восстановления N0x являются катализаторы, содержащие благородные металлы. Основным недостатком таких катализаторов является высокая стоимость.
Из других методов очистки дымовых газов от N0x можно отметить абсорбционную очистку с применением водно-щелочного раствора трилона Б. В соответствии с этой технологией дымовые газы очищаются как от N0^ так и от 80^ Недостатком этой технологии является необходимость регенерации отработанного раствора, что требует установки соответствующего оборудования и повышает стоимость очистки.
Кроме того, снижение выбросов N0x в дымовых газах можно осуществлять пропусканием очищаемых газов через слой пористых гранул (например, силикагель, алюмогель, активированный уголь, кокс с восстановлением аммиаком).
Также применяются и физико-химические способы очистки дымовых газов от S0x и N0x с использованием комплекса солей или кислот, озона, коронного разряда, электронно-лучевого воздействия. Реакция окисления оксида азота (II) озоном протекает с большой скоростью. Основная трудность очистки дымовых газов от N0x по этому способу состоит в сложности и значительных затратах электроэнергии для получения больших количеств озона. Остальные физико-химические методы также требуют значительных экономических затрат и находятся на стадии опытнопромышленных испытаний.
Сравнительный анализ показывает: известные вторичные методы снижения выбросов N0^ связанные с системами газооочистки, хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, но при этом связаны со значительными затратами и основаны на использовании вредных химических реагентов, что требует разработки иных, экономически и экологически эффективных методов. Отсюда можно сделать следующие выводы:
1) большинство каталитических способов очистки отличаются, как правило, высокой стоимостью катализаторов, сложностью оборудования и его эксплуатации, что влечет за собой повышение себестоимости вырабатываемой энергии, в результате чего использование их в таких масштабных процессах, как очистка дымовых газов, затруднительно;
2) каталитические, некаталитические и абсорбционные способы очистки осуществляются только с помощью химических реагентов (аммиак, едкий натр, карбамид, трилон Б и др.), что требует организации бесперебойного снабжения этими реагентами и сопровождается появлением дополнительных дренажных стоков, состоящих из отработанных растворов с химическими реагентами. Кроме того, использование химических реагентов влечет за собой появление осаждения солей на теплообменных поверхностях и газоходах и опасность проскока этих реагентов и их производных в очищенные от оксидов азота дымовые газы и далее в атмосферу, что снижает технологическую и экологическую эффективность работы котельных агрегатов.
Анализ особенностей процессов очистки показывает, что очистку дымовых газов судовых энергетических установок от вредных примесей, и в первую очередь от N0^ возможно осуществить при окислении оксида азота (II) до оксида азота (IV) абсорбцией, протекающей параллельно с конденсацией водяных паров дымовых газов, образовавшихся в процессе горения топлива в цилиндре дизеля или топке котла. Теория и практика абсорбционных процессов показывает, что одним из главных факторов, определяющих технологическую и экономическую эффективность абсорбции, является выбор абсорбента.
Общеизвестно, что из многих химических реагентов наиболее доступным и безопасным с точки зрения эксплуатации и экологии является вода. Однако ее использование для абсорбции оксидов азота, содержащих до 95 % N0 из дымовых газов, нереально ввиду очень малой растворимости NО в воде. В то же время диоксид азота быстро поглощается водой с образованием азотной и азотистой кислот. Отсюда следует, что абсорбция N0x дымовых газов водой возможна только при дальнейшем окислении NО до N02. Быстрое окисление N0 в N02 происходит при использовании в качестве окислителя озона, который при попадании в атмосферу быстро трансформируется в молекулярный кислород, не загрязняя ее. При этом современный уровень развития техники позволяет получать озон непосредственно на месте его потребления. Температура, при которой равновесие реакции окисления оксида азота (II) сдвинуто полностью вправо, должна быть ниже 100 °С. Присутствие в дымовых газах оксида серы 802 не меняет технологии очистки, так как
Выпуск 4
¡Выпуск 4
скорость и степень ее окисления выше, чем у N0. Кроме того, очистка дымовых газов по этому способу позволяет при дальнейшей обработке удалить из них большую часть диоксида углерода и утилизировать его.
Таким образом, использование в качестве окислителя озона обеспечивает одновременную очистку дымовых газов от N0^ водяных паров, снижение их тепловых выбросов и утилизацию значительной части тепла и улавливаемых компонентов путем проведения одновременных процессов охлаждения, конденсации водяных паров, окисления монооксида азота до диоксида азота и абсорбции полученного диоксида азота, что позволяет повысить технико-экономические и экологические характеристики судовой энергетический установки.
Для практического внедрения рассматриваемого способа очистки дымовых газов от оксидов азота был проведен эксперимент, целью которого являлось определение кинетических характеристик основного аппарата очистки — эмульгационно-пленочного трубчатого абсорбера (ЭПТА), проверка его работоспособности при очистке реальных дымовых газов для получения технологических параметров, по которым может быть рассчитан и спроектирован абсорбер судовой установки очистки дымовых газов от оксидов азота. Проведение эксперимента осуществлялось в две стадии [4, с. 139-141].
На первой стадии эксперимента определялась скорость массопередачи в подъемной трубе эргазлифта (эмульгационная секция) и в трубах пленочной секции в рабочих режимах, находились коэффициенты массоотдачи, сравнивались их значения с известными значениями коэффициентов массоотдачи и подбирались расчетные уравнения для их определения.
На второй стадии (при найденных рабочих режимах) экспериментально определялась эффективность очистки реальных дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона на лабораторной установке.
Технологическая схема экспериментальной лабораторной установки с пленочной секцией, работающей при противотоке, приведена на рис. 1 и включает в себя отопительный котел 1, соединенный по дымовым газам через отвод от дымохода 2, снабженный шибером 3, осевой вентилятор 4 газохода с патрубком А эмульгационно-пленочного абсорбера (ЭПТА) 5, который через патрубок В соединен трубопроводом с газовым ротаметром 10, компрессором 8 и озонатором 9, а через патрубок Д — с атмосферой.
По жидкости ЭПТА 6 соединен через патрубок подачи абсорбента Б, жидкостной ротаметр 11, краны 15 и 16 трубопроводом с напорным баком 2, размещенным на высоте относительно уровня абсорбента в абсорбере 6, обеспечивающем необходимый постоянный напор для непрерывного поступления в него свежей воды, а через патрубок отвода насыщенного абсорбента Г и кран 17 — с дренажом 18. Озоновоздушная линия после компрессора 8 соединена через вентиль 12 с озонатором 9, а через вентиль 14 может сообщаться с атмосферой.
Для работы пленочной секции ЭПТА 5 при противотоке подачу дымовых газов осуществляют через патрубок Д, а отвод очищенных газов в атмосферу через патрубок А.
После того как в аппарате устанавливался стационарный режим (прямоточный восходящий в подъемной трубе и противоточный пленочный в пленочной секции), одновременно медленно и поочередно открывались краны 15-17, следя за стабильностью уровня жидкости в кубе ЭПТА, добиваясь установления заданного расхода жидкости по показаниям ротаметра 10.
При наступлении требуемого стабильного режима производился отбор пробы дымовых газов поочередно на выходе из подъемной трубы и из одной из труб 6 из пробоотборника путем его перемещения (пробы дымовых газов на входе в ЭПТА 5 отбирали в газоходе перед патрубком А). При этом пробы абсорбента отбирали через пробоотборники и патрубок 14 (Г) для последующего определения концентраций N0x и других вредных примесей. Для увеличения достоверности результатов анализа отбор проб повторяли.
Измерение расхода дымовых газов и охлаждающего воздуха из помещения, подаваемых в ЭПТА 5, проводили при помощи анемометра путем предварительной калибровки изменения угла поворота шибера 3 и заслонки при стационарном режиме работы котла 1 и вентиляторов 4 и 6,
а расход абсорбента ЬА и озоновоздушной смеси Уов проводили так же, как и в первой стадии эксперимента. Измерение температуры воздуха в помещении, воды в напорном баке 7 (¿н) абсорбента на выходе из ЭПТА 6 (А), озоновоздушной смеси (ов) и дымовых газов на входе в ЭПТА 6 (¿) и на выходе из него (^ ) проводили при помощи ртутных термометров (относительная погрешность ±0,1 %). Концентрацию NOx в дымовых газах определяли при помощи переносного автоматического газоанализатора ДАГ-16. Концентрацию NOx в воде определяли колориметрическим способом (относительная погрешность измерений ±2-3 %). Концентрацию О3 в воде определяли при помощи анализатора озона «Озон-В» (относительная погрешность измерений ±3 %), в газе — газоанализатором 3.02П-Р (относительная погрешность ±20 %).
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для второй стадии эксперимента для противоточного режима работы пленочной секции: 1 — отопительный котел;
2 — отвод от дымохода; 3 — шибер; 4, 6 — осевые вентиляторы; 5 — ЭПТА; 7 — напорный бак; 8 — компрессор; 9 — озонатор; 10 — газовый ротаметр;
11 — жидкостной ротаметр; 12-14 - вентили; 15-17 — краны; 18 — дренаж
Выпуск 4
Опыты проводили при средних расходах абсорбента (воды) Ьср = 3,6 • 105 м3/с и озоновоздушной смеси, равной У0В = (1,5 - 1,6) • 10-3 м3/с, полученных как среднеарифметическое для оптимального и максимального режимов работы подъемной трубы эмульгационной секции и максимальном расходе газа в трубах пленочной секции (при скорости газа в трубах 5 м/с).
Определение удельного расхода озона и фактора ускорения абсорбции проводили при расходе дымовых газов в диапазоне от УГ = 1,25 • 10-3 до УГ = 6,25 • 103 м3/с (22,5 м3/ч). Средняя концентрация азотной кислоты в абсорбенте на выходе из куба ЭПТА равнялась 1 % вес. Время выхода установки на стационарный режим работы ЭПТА равнялось 1,5—2,5 ч. Средняя температура очистки дымовых газов в ЭПТА равнялась 60 °С. Расход воздуха на охлаждение пленочной секции ЭПТА изменяли от 15 до 70 м3/ч.
По результатам эксперимента построены графики зависимости степени очистки дымовых газов от N0^ е — от удельного расхода озона (рис. 2).
Степень очистки находили из выражения
е = (Ун — У к) • М0^
где ун — начальная концентрация N0x в дымовых газах, г/м3; ук — конечная концентрация N0x в дымовых газах, г/м3.
Результаты эксперимента показывают, что при увеличении удельного расхода озона более
0,4 г/г эффективность очистки практически не меняется. Характер этой зависимости сохраняется при прямоточном и противоточном движении фаз в пленочной секции ЭПТА (степень очистки при противотоке на 2—3 % меньше, чем при прямотоке, что можно объяснить несколько большим временем контакта озона с дымовыми газами при нем). При средней температуре дымовых газов в ЭПТА, равной приблизительно 60 °С, максимальная степень очистки е = 70-73 %.
Удельный расход озона, £уд г/г
Рис. 2. Зависимость степени очистки дымовых газов от удельного расхода озона:
ПМ — прямоточная работа пленочной секции; ПТ — противоточная работа пленочной секции
Вывод. Зависимости степени очистки реальных дымовых газов от N0x в ЭПТА от удельного расхода озона показывают, что максимальная степень очистки, равная 70—73 %, достигается при удельном расходе озона 0,3—0,4 г/г. Характер полученной зависимости степени очистки дымовых газов е от удельного расхода озона сохраняется при прямоточном и противоточном движении фаз в пленочной секции ЭПТА (степень очистки при противотоке на 2—3 % меньше, чем при прямотоке).
Список литературы
1. Ежов В. С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения / В. С. Ежов // Промышленная энергетика. — 2006. — № 12.
2. Ежов В. С. Экологичная технология очистки и утилизации газообразных выбросов теплогенерирующих установок / В. С. Ежов // Успехи современного естествознания / Академия естествознания. — 2007. — № 7.
3. Иванченко А. А. Техника и технология нейтрализации и в отработавших газах СЭУ: учеб. пособие / А. А. Иванченко. — СПб.: СПГУВК, 2012. — 111 с.
4. Хачоян М. М. Исследование эффективности очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона / М. М. Хачоян, В. А. Туркин // Сб. науч. тр.: в 2 ч. / отв. ред В. В. Демьянов. — Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф. Ф. Ушакова, 2011. — Вып. 16. — Ч. 1.
УДК 532.5:001.5 Е. Ю. Чебан,
канд. техн. наук, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ БОНОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF NUMERICAL SIMULATION OF FLOW AROUND OIL SPILL BOOM
Представлены результаты численного моделирования обтекания элементов бонового ограждения: цилиндра и пластины. Выполнено сравнение результатов буксировочных испытаний и численного моделирования, которое показало хорошее соответствие результатов. Выбраны и обоснованы параметры численного моделирования, оказывающие наибольшее влияние на точность, исследовано влияние изменения этих параметров на результаты вычислительного эксперимента.
This paper provides numerical simulation offlow around oil spill boom’s elements. The comparison of towing test results for plate and cylinder with numerical simulation is performed. The numerical results of the resistance force for plate and cylinder show fairly good agreement with the towing test. The most important numerical parameters of modeling were selected and substantiated. The result’s effects of their changing were investigated.
Ключевые слова: боновое ограждение, вычислительная гидродинамика, математическое моделирование, буксировочные испытания, опытный бассейн, расчетная сетка, масштаб турбулентности, CFD.
Key words: oil spill boom, computer fluid dynamics CFD, mathematic modeling, test basin, towage tests, computational grid, scale of turbulence, turbulence models.
В НАСТОЯЩЕЕ время для исследования обтекания боновых ограждений и других средств ЛРН, используются как натурные испытания, проводимые в специализированных опытных бассейнах (например, 0ИМ8ЕТТ), так и СББ-программы, в основе которых лежат численные методы решения дифференциальных уравнений Навье—Стокса [1, с. 92—96; 2; 3, с. 130—139].
Одной из проблем при численном моделировании гидродинамических явлений является соответствие его результатов данным, полученным в модельных или натурных экспериментах, проведенных в аналогичных условиях.
Выпуск 4
