Очистка технологических газов от оксида углерода и оксидов азота в каталитическом реакторе дискового типа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

1. Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой. Загрязнители атмосферы и борьба с ними. - М.: Прогресс, 1974.- 320с.

2. Уорд Б., Дюбо Р. Земля только одна. - М.: Прогресс, 1975.-380с.

3. Пирумов А.И. Экологическая и технологическая защита воздушной среды на предприятиях в период перестройки народного хозяйства // Водоснабжение и санитарная техника.-1991.- № 2.- С.2-3.

4. Плотникова Л.В. Снижение загрязнения атмосферы на промышленных территориях // Водоснабжение и санитарная техника. - 1992. - № 9. - С.2-4.

5. Толочко А.И.,Филиппов В.И., Филипьев О.В. Очистка технологических газов в черной металлургии. - М.: Металлургия, 1982. - 280 с.

6. Матвеева И.И. Справочник химика-энергетика. Под общ.ред. С.М. Гуревича.-В 3-х т. Т.3. Энергетическое топливо (характеристика и контроль качества). - М.: Энергия, 1972.-216 с.

7. Мейсон Л.В., Шварц С.А. Производство кокса. - Харков.: Металлург-издат, 1955. - 394 с.

8. Андоньев С.М.,Филипьев О.В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. - М.: Металлургия, 1970.-190 с.

9. Горение углерода. - М.: Изд-во АН СССР, 1949.-407с.-Авт. А.С. Предводителев, Л.Н. Хитрин, О.Н. Цуканова и др.

10. Хитрин Л.Н. Физика горения. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 450 с.

11. Сигов А.А., Шурхал В.А. Агломерационный процесс.- Ки1в.: Технжа, 1969. - 232 с.

12. Коротич В.И., Пузанов В.П. Газодинамика агломерационного процесса. - М.: Металлургия, 1969. - 208 с.

13. Вегман Е.Ф. Теория и технология агломерации. - М.: Металлургия, 1975. - 288 с.

14. Бабушкин Н.М., Тимофеев В.Н. Экспериментальное изучение процесса горения углерода в слое агломерационной шихты.-Сб.науч.тр.-Свердловск.: Металлургиздат. - 1962. - Вып.7.

|— Коротко об авторах-

Бережной Н.Н., Бересневич П.В., Голышев А.М., Зайцев А.В - Николаевское управление магистральных газопроводов.

- © А.С. Толстых, И.А. Федоркина,

2006

УДК 66. 094. 3

А.С. Толстых, И.А. Федоркина

ОЧИСТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ОТ ОКСИДА УГЛЕРОДА И ОКСИДОВ АЗОТА В КАТАЛИТИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ

206

ДИСКОВОГО ТИПА

дхлючевые слова

К 1. Каталитический реактор. 2. Каталитическое обезвреживание оксида углерода и оксидов азота. 3. Гидравлическое сопротивление зернистого слоя катализатора.

1. Предпосылки к выбору способа очистки отходящих газов технологических агрегатов при сжигании твердого топлива

Совершенствование производственных процессов зависит от своевременного осуществления эффективных мероприятий по защите атмосферного воздуха от вредных выбросов, наносящих экономический и социальный ущерб.

Сжигание твердого топлива осуществляется во многих отраслях промышленности. Наиболее крупными потребителями являются черная металлургия и энергетика. При этом возникают серьезные экологические последствия - выброс в атмосферу значительного количества оксида углерода, оксидов азота, диоксида серы, пыли и т.д.

Существующие системы газоочистки, в основном, обеспечивают достаточно высокое пылеулавливание, при этом газообразные вредности не очищаются.

С наибольшей эффективностью и экономичностью очистку отходящих газов от СО и ЫОх способны решить каталитические методы. Каталитическая очистка газовых выбросов осуществляется в контактных аппаратах, конструкция которых определяется кинетическими закономерностями протекания реакций глубокого окисления обезвреживаемых примесей, структурно-прочностными и другими характеристиками катализатора, температурными и аэродинамическими условиями процесса, объемным расходом газовых выбросов.

207

Рис. 1. Каталитический реактор дискового типа: 1. корпус; 2. диск; 3. слой катализатора П-5; 4. слой катализатора АВК-10;

5. разделительная перегородка;

6. подводящий патрубок; 7. отводящий патрубок.

Наибольший интерес представляют контактные аппараты, в которых использован принцип нестационарности проведения процесса. Данный класс каталитических реакторов способен работать в запыленном потоке. Кроме того принцип нестационарности позволяет использовать теплоту, выделяющуюся при экзотермической реакции окисления СО для поддержания в слое катализатора температурного фронта, обеспечивающего полноту окислительного процесса и создания условий для восстановления оксидов азота в присутствии аммиака. На рис. 1 изображен, разработанный нами каталитический реактор дискового типа.

Аппарат состоит из неподвижного корпуса 1, внутри которого размещен диск 2, установленный на валу вращения. Диск набран из секций, состоящих из двух слоев катализатора: окислительного 3 и восстановительного 4. Корпус разделен на две части перегородкой 5. К корпусу ректора подходят подводящий 6 и отводящий патрубки.

Аппарат работает следующим образом. Технологические газы, загрязненные СО и ыОх, содержащие также остаточную концентрацию пыли после газоочистки по подводящему патрубку подаются на диск каталитического реактора, где в первом слое происходит экзотермическое доживание оксида углерода. Разогретый газ огибая разделительную перегородку попадает во вторую половину реактора, где в присутствии аммиака на катализаторе АВК-10 происходит восстановление оксидов азота до молекулярного азота и воды. Далее очищенный газ удаляется из реактора через отводящий патрубок. Пыль, осевшая на лобовом слое катализатора при вра-

208

щении диска отдувается псевдореверсивным потоком газа. Вращение диска с определенной скоростью обеспечивает окислительно-вос-становительные реакции ниже температуры «зажигания» катализатора (что характерно для температуры отходящих газов многих производств), благодаря возникновению автотермичности процесса доживания СО.

2. Исследование тепломассообменных процессов в каталитическом реакторе роторного типа

В основу анализа тепломассообменных процессов в каталитическом реакторе роторного типа положено решение системы дифференциальных уравнений взаимопроникающих континуумов, моделирующих газовую и твердую фазы. При формулировании модели с реверсом потока в качестве периода переключения принимается время прохождения газа в прямом и обратном направлении (один оборот ротора). При этом дифференциальные уравнения переноса энергии и вещества записываются для произвольного 0-го) полу периода. Влияние направления движения учитывается при формировании начальных условий, как условий непрерывности температурных полей.

Основные процессы переноса теплоты и вещества в каталитическом реакторе рассмотрены при следующих условиях:

- на поверхности зерна катализатора происходит быстрая реакция в условиях внешнедиффузионного торможения, т.е. видимая скорость реакции определяется интенсивностью межфазного переноса ключевого вещества;

- поток газа периодически меняет направления, сохраняя при этом свой массовый расход;

- отсутствует изменение агрегатного состояния фаз;

- слой катализатора представляет статически однородную систему шаровых частиц одинакового диаметра;

- теплопроводность слоя катализатора в направлении движения газа равна нулю, т.е. между сферическими частицами катализатора имеется только точечный контакт;

- механической энергией газа по сравнению с тепловой можно пренебречь.

Принятые выше условия работы аппарата описываются следующими дифференциальными уравнениями:

209

- дифференциальным уравнением энергии газового потока;

- дифференциальным уравнением нестационарной теплопроводности в сферическом зерне катализатора в произвольном сечении слоя;

- дифференциальным уравнением массопереноса ключевого вещества в газовой фазе.

Начальные условия формулируются раздельно для 0 = 1) и последующих полу периодов 0 > 1) при вращении ротора.

При ( = 0, у = 1 Г2(0, г, у) = ад г, у) 71(0, у) = 7,0(0, у) (1)

при t = 0, у > 1 Т2(') (0, г, у) = Г2°0) (0, г, у) = Т2('-1) (г, г, Ь - у)

Т(') (0, у) = 71(0') (0, г) = Т('-1) (г, Ь - у) (2)

где индексы «1» и «2» указывают на принадлежность величины к газовой и твердой фазе соответственно; Т - температура (0С); t - время (с); г - радиальная координата сферической частицы катализатора (м); у - координата по длине слоя катализатора (м); L - длина слоя (м); т - время полупериода (с).

Граничные условия при 0 < t < т формулируются раздельно для каждой из фаз.

Для газовой фазы условия формируются на границах слоя:

1. на входе в слой катализатора при у = 0

- для концентрации ключевого вещества

С "(0) = Свх (3)

- для температуры газа

РС^Твх - Т(')) = -Лф дТ 1 ^у) (4)

1 су

2. на выходе из слоя катализатора при у = L

Ь) = 0 (5)

ду

210

где р - плотность (кг/м3); X - коэффициент теплопроводности (кВт/мград); с - удельная теплоемкость (кДж/кгград); е - пористость слоя катализатора; ю- относительная скорость фазы (м/с); ТВХ - температура на входе в слой (0С).

Для твердой фазы граничные условия формируются на поверхности и в центре сферического зерна катализатора:

- на поверхности зерна при г = R

л2 дТ21' ^ ЯУ) = 1)С, Я, у) - Т(1) (, у)]- 1) (у) (6) дг

- условия симметрии при г = 0

£1АУ) = 0 (7)

г

где а - коэффициент межфазного теплообмена (кВт/м2 град); в - коэффициент межфазного массообмена (м/с); Qр - тепловой эффект химической реакции (кДж/кг).

Конечными результатами, полученными методом интегральных преобразований и решением задачи Штурма - Лиу-вилля для 0-го) полупериода являются функции:

- для сферической частицы: ©2, г, у) =

=1

п=1

A эту/)

Ап "

| e-^©11)(s)ds -©(1^, у) - qpc1(1)(у)e^

о

+ вn e1 ©2 -1)г • зткг)dг

■'п

упг

п о

+ ©( 1 )(t, у) + qpC1( 1 )(у)

(8)

- для температурного поля ключевого вещества в слое:

ад 1 1 1

©(1) ($, У) = £ - Ч (У) | е -*5 )а * |© 21) (М, У)Ч (y)dydS

п= Сп 0 0

ад 1 1

+ Е - Ч (У)е{©1 Ч (У№

п=1 Сп 0

(X)

+

+

211

- для концентрационного поля ключевого вещества в слое:

с<')(у) = д (у - узаж)) (10)

где в - безразмерная температура; Ап, Вп - начальные тепловые амплитуды; - собственная функция задачи Штурма - Лиувилля; vn - собственные числа соответствующей задачи Штурма - Лиувилля; в - меж фазная поверхность в единице объема слоя (м-1); сп - коэффициент формировки ядра преобразования.

Принятые обозначения математической модели

V = в. = ОтЛ ; «» = Щ-Я*.

а2 Ь а2 Ь е р1с1еа2

А-а* ^ V2

=—¡¡г-; рп = а * ,

а * 4а

где - /ип - собственное значение задачи Штурма - Лиувилля.

3. Объекты и методы исследований

Экспериментальные исследования проводились по двум направлениям:

- изучение каталитического доживания оксида углерода в реакторе дискового типа;

- исследование аэродинамического сопротивления слоя катализатора П-5 и анализ факторов, влияющих на гидродинамику процессов фильтрации.

Для проведения экспериментальных исследований использована установка, состоящая из следующих основных узлов: реактора дискового типа с системой трубопроводов, генератора СО, побудителя расхода и пульта управления, контроля и измерения.

В качестве объекта исследований выбрана газообразная смесь СО + воздух с изменениями концентрации оксида углерода от 0,2 %до 5.0 %. Перед подачей в реактор газовая смесь разогревалась до температуры 200 0С (ниже температуры «зажигания» катализатора). Параметры процессов измерялись в установившемся режиме работы аппарата.

212

Исследования проводились при скоростях газа перед слоем катализатора в пределах от 0,5 м/с до 1,0 м/с. Данный скоростной интервал применим в каталитических реакторах.

При расчетах высота слоя Нсл принимается равной 0,07 м (по конструктивным характеристикам экспериментального реактора); пористость слоя е' = 0,6, диаметр зерна dз = 0,00425 м (средневзвешенный по фракционному составу катализатора).

Рассчитывается коэффициент гидравлического сопротивления

е--^. (Ц)

од»; р\ -

где АР - гидравлическое сопротивление слоя катализатора (Па).

Модифицированное число Рейнольда определяется по формуле

0,45

Яе--^— , (12)

(1 V

4. Основные результаты экспериментальных исследований

Рассмотрен механизм каталитического окисления оксида углерода в контактном аппарате с организованным нестационарным режимом. Принцип работы и особенности нестационарного реактора проиллюстрированы на примере быстрой экзотермической реакции окисления оксида углерода.

Описан трехстадийный характер работы каталитического реактора с реверсом потока газа, из чего следует, что условием достижения авто термического режима является соблюдение общего баланса теплоты.

т т т

|V хРхС хТ X* + |УхРхС®р* - |ГыРыС ыТ ыхЖ (13)

о 0 0

С целью проверки результатов теоретического анализа окисления СО в присутствии катализатора в условиях авто-

213

термического режима, создаваемого в реакторе роторного типа, выполнены лабораторные исследования, которые показали, что эффективность очистки составила 95 - 98 %. Так как температура подаваемого газа была ниже температуры зажигания катализатора; аппарат работал в нестационарном режиме.

Получено эмпирическое уравнение зависимости температуры центра слоя катализатора от концентрации СО (14), с коэффициентом корреляции R = 0,79.

ц = 68 . Ссо + 237 (14)

Перед проведением лабораторных исследований выполнен анализ факторов, влияющих на гидродинамику процесса фильтрации. Опытные данные по определению гидравлического сопротивления шаровых частиц обработаны двумя способами - по схеме порового канала и по схеме струи. В основу обработки по этим схемам положены соотношения, полученные для шарового слоя при ромбоэдрической укладке. Анализ данных свидетельствует о том, что независимо от способа обработки выражение определения гидравлического сопротивления слоя описывается уравнением Дарси-Вейсбаха:

Лр = (15)

Из формулы (15) следует, что потеря напора зависит от скорости газа и коэффициента гидравлического сопротивления. Коэффициент гидравлического сопротивления слоя определяется по классическому уравнению Бернштейна, Померанцева и Шагаловой:

1,53 (30 3 03]Н

= +0,3 |- (16)

По результатам расчета экспериментальных данных получена зависимость (17) с коэффициентом корреляции R = 0,815:

Re = 914wф (17)

При этом уравнение (12) для данного класса зернистых катализаторов преобразуется в выражение:

214

Яе - °,996 . »Л , (18)

(1 -5')у[7 V

Полученное уравнение (18) может использоваться для расчета реального гидравлического сопротивления слоя катализатора.

Выводы

1. В результате исследования тепломассообменных процессов в каталитическом реакторе роторного типа разработана математическая модель, определяющая характер температурных полей газа и частицы в слое катализатора для переходного и установившегося режимов, а также концентрационного поля ключевого вещества.

2. Установлены условия достижения автотермического режима, определяемые соблюдением теплового баланса реактора. Получено эмпирическое уравнение зависимости температуры центра слоя катализатора от концентрации СО.

3. Исследования факторов, влияющих на гидродинамическую обстановку фильтрации газа через слой катализатора, позволили вывести уравнение для определения режима фильтрации, применимое для данного класса катализаторов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матрос Ю.Ш. Перспективы использования нестационарных процессов в каталитических реакторах. - Журн. ВХО им. Д.И. Менделеева, 1977, т. 22, вып. 2, с. 576 - 579.

2. Боресков Г.К., Бунимович Г.А., Матрос Ю.Ш., Золоторевский И.Н., Киселев И.А. Циклические режимы в неподвижном слое катализатора при переключении направления подачи газовой смеси. - ДАН СССР, 1983, т. 268, № 3, с. 647 - 650.

3. Модель процесса в каталитическом реакторе при помощи реверсивного потока газовой смеси. Бунимович Г.А., Гольдштейн В.И., Матрос Ю.Ш., Новосибирск, Препринт № 52, Институт математики СО АН СССР. 1984. - 25 с.

4. А.С. 1655556 СССР, МКИ В 01 и 8/08. Аппарат для каталитической очистки газов.

5. А.С. 1699582 СССР, МКИ В 01 и 8/08. Аппарат для каталитической очистки газов.

6. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред. - Прикл. мат. и мех., 1956, т. 20, № 2, с. 184 - 195.

215

7. Братчиков С.Г. Теплотехника окусковывания железнорудного сырья. - М.: Металлургия,1970, 344 с.

8. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. - М.: Энергия, 1970. 424 с.

9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975.

|— Коротко об авторах-

Толстых Андрей Станиславович - кандидат технических наук, доцент,

Федоркина Ирина Анатольевна - старший преподаватель, кафедра «Экология и физика» Донецкого государственного университета экономики и торговли.

- © О.В. Скопинцева, А.Ю. Прокопович,

А.О. Гашенко, П.А. Савинский, 2006

УДК 622.807.2

О.В. Скопинцева, А.Ю. Прокопович, А.О. Гашенко, П.А. Савинский

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВЛАГОХИМРЕАГЕНТНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБЕСПЫЛИВАЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МАССИВА И ГОРНОЙ МАССЫ

В проблеме борьбы с пылью в угольных шахтах гидрообеспыливание занимает одно из ведущих мест, составляя основу противопылевого комплекса.

В этом комплексе мер важную роль играет увлажнение массива и гидрообеспыливание, т.к. оно предотвращает попадание пыли в воздух, и, следовательно, ведет борьбу с пылью на самой ранней стадии - до её попадания в воздушные потоки выработок. Предварительное увлажнение угольного пласта впервые было применено на шахтах в 1890 г. как средство, предупреждающее взрыв пыли. Затем этот способ был вытеснен осланцеванием, и только в середине 30-х годов нашего столетия он вновь нашел применение в Руре, а

216