Основные проблемы и пути решения комплексной очистки газовых выбросов больших объемов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 66.074.3

Д. Н. Латыпов

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ БОЛЬШИХ ОБЪЕМОВ

Ключевые слова: низконапорные газовые выбросы, комплексная очистка.

Произведен анализ основных проблем, связанных с комплексной очисткой низконапорных газовых выбросов от газообразных и твердых примесей. Сформулированы основные требования к принципу действия и конструкциям аппаратов для данных процессов.

Key words and expressions: low-pressure gas emissions, complex purification.

We present here the analysis of the main problems associated with the complex low-pressure cleaning of gas emissions from gaseous and solid impurities and formulate the main requirements for the principle of operation and construction of apparatus for these processes.

Возможности сокращения вредных газообразных выбросов промышленности за счет совершенствования технологических процессов, как правило, ограничены. Для большинства действующих производств снижение выбросов осуществимо только с использованием высокоэффективных аппаратов, работающих с использованием новых режимов, механизмов и эффектов, дополнительной энергии, совмещения процессов и т. д.

Большинство отходящих промышленных газов требуют одновременной очистки от газообразных и твердых примесей.

Главный вклад в загрязнение воздушного бассейна вносит промышленность, особенно в местах ее концентрации, и транспорт. Основными источниками индустриальных загрязнений воздуха являются: тепловые электростанции, работающие на угле и

выбрасывающие в атмосферу сажу, золу, и диоксид серы; металлургические заводы, выбросы которых содержат сажу, пыль, оксид железа и диоксид серы, а иногда и фториды; цементные заводы - источники огромного количества пыли. Крупные предприятия неорганической химии и нефтехимии загрязняют атмосферу самыми различными по составу газами, таких как диоксид серы, тетрафторид кремния, фтороводород, оксиды азота, хлор, озон, дурнопахнущие вещества, углеводороды и органические соединения других классов. Большинство предприятий используют собственные энергетические системы, отходящие газы которых содержат вредные газообразные и твердые примеси [1].

Затраты на очистку, как правило, снижают технико-экономические показатели предприятия, особенно, когда газовые потоки обладают низкими энергетическими показателями, главным образом, напором. Установка дополнительных газоперекачивающих устройств связана с большими капитальными затратами и, в ряде случаев, затруднена отсутствием свободных производственных площадей.

Требованиям эффективной комплексной очистки низконапорных газовых потоков наиболее полно удовлетворяют аппараты мокрого типа, в которых возможно одновременное осуществление процессов пылеочистки, абсорбции, увлажнения, охлаждения и т. п.

Известно, что повышение эффективности аппаратов мокрого типа, в частности, пылеулавливающих, сопровождается повышением энергопотребления. При этом, энергия контакта, в общем случае, складывается из трех составляющих: энергия турбулентных пульсаций газового потока; энергия жидкой фазы; энергия вращающихся элементов аппарата.

Применительно к газовым выбросам с низкими располагаемыми напорами значительный интерес представляют аппараты, использующие энергию орошающей жидкости. Это определяется, прежде всего, тем, что плотность потока энергии, используемой для разделения сред и передаваемой с орошающей жидкостью в зону контакта фаз, может значительно превышать аналогичный показатель, характеризующий подвод энергии с газовым потоком.

Одновременно энергия орошающей жидкости может быть использована и для транспортировки газов. За счет этого становится возможным разрабатывать малогабаритные аппараты, способные работать в сложных, стесненных условиях, при низких располагаемых напорах газовых потоков, когда известные средства очистки газов не могут быть применены [2].

Гидравлическое сопротивление аппарата мокрой очистки складывается из двух основных составляющих. Первая часть энергии газового потока тратится на турбулизацию газожидкостного потока в аппарате, т.е. является составной частью энергии соприкосновения, а вторая часть представляет собой потери на трение в различных элементах конструкции аппарата, служащих для организации движения фаз и их сепарации.

В свете сказанного, представляет определенный интерес комплексное использование энергии орошающей жидкости, предполагающее не только диспергирование последней, создание высоких скоростей относительного движения фаз, но и создание поверхностей и объемов, служащих для организации активного взаимодействия фаз, каплеулавливания и эффективного использования всего объема аппарата.

Особое место среди газообразных выбросов, содержащих вредные примеси занимает вентиляционные выбросы, которые представляют собой наиболее характерный пример низконапорных газовых потоков, содержащих сильно токсичные вещества. Так, например, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной и других минеральных кислот, органические растворители и т.п.

Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах промышленных предприятий часто невелика, но из-за больших объемов вентиляционного воздуха, валовые количества вредных выбросов, поступающих в атмосферу, весьма значительны.

Большинство газообразных выбросов имеют в своем составе, как газообразные так и аэрозольные вредные примеси. Выбросы многих промышленных предприятий содержат мелкодисперсную пыль, которая не может быть отделена в аппаратах сухой отчистки.

В ряде производств, отходящие газы имеют высокую температуру, что требует их предварительного охлаждения перед очисткой.

Таким образом, необходимость в аппаратах мокрого типа с низким гидравлическим сопротивлением для комплексной очистки газовых потоков обусловлено, главным образом, следующими причинами.

1. Большое количество источников газовых выбросов загрязненных жидкими, твердыми и газообразными примесями, таких как, выхлопные трубы естественной и принудительной вентиляции, выбросы отработанных технологических газов и т. п. располагают напорами, недостаточными для работы наиболее эффективных известных конструкций.

2. Аппараты, использующие остаточные напоры газовых выбросов, без существенных капитальных затрат на дополнительные производственные площади, газоперекачивающие устройства и коммуникации создают благоприятные экономические и технологические условия для решения проблем утилизации отходов и защиты окружающей среды.

3. Контактные аппараты этого типа могут использоваться при совершенствовании существующих технологических схем, когда требуется дополнительная обработка газовых потоков - увлажнение, охлаждение, предварительная очистка и т. п., без существенного изменения гидравлического сопротивления газовых трактов.

Для оценки величины гидравлического сопротивления аппаратов для низконапорных потоков можно исходить из следующего.

Известно, что скорость газовых потоков при атмосферном или близком к нему давлении в вентиляционных газоходах обычно находится в пределах 5-20 м/с. Воздушный поток с такой скоростью, при нормальных условиях, обладает скоростным напором 15-240 Па. Таким образом, если основными областями использования рассматриваемых аппаратов считать случаи упомянутые выше, то очевидно, что речь должна идти о конструкциях, обеспечивающих гидравлическое сопротивление не выше 150-200 Па.

Анализ большого количества конструкций мокрых газопромывателей, при разработке которых выдвигалось требование к снижению гидравлического сопротивления [3, 4], позволил выявить несколько подходов к решению проблемы.

Известный энергетический метод оценки эффективности мокрых пылеуловителей основан на допущении, что эффективность аппарата зависит только от удельного расхода энергии контакта . Энергия контакта между газом и жидкостью, в общем случае, включает три составляющие: энергию газового потока; энергию жидкостного потока; механическую энергию движущихся элементов аппарата. Наличие этих трех составляющих определяет, как правило, основные идеи, заложенные в конструкцию аппаратов.

Очевидно, что любая конструкция предполагает использование не только одного вида энергоносителя. При этом, условие снижения сопротивления аппарата, естественно, ограничивает варианты использования энергии газового потока.

Большинство аппаратов рассматриваемого класса можно, по основным конструктивным признакам, объединить в следующие группы:

• полые аппараты;

• роторные аппараты;

• аппараты со встроенными вентиляторами;

• аппараты с использованием явления эжекции.

Приведенный анализ особенностей основных конструкций газоочистных аппаратов мокрого типа показывает, что наиболее эффективным решением при снижении гидравлического сопротивления аппарата является использование энергии орошающей жидкости. При этом орошающую жидкость следует рассматривать не только как средство для осаждения частиц пыли и абсорбции газовых примесей, но и частично как и средство транспортировки газов.

Изменение соотношения между долями энергии контакта, вносимой газовым потоком и орошающей жидкостью, кроме снижения гидравлического сопротивления аппарата, имеет еще одну положительную особенность. Дело в том, что плотность потока энергии передаваемой жидкостью к зоне контакта фаз может превышать аналогичный показатель для газового потока более чем на два порядка.

Данное обстоятельство, с учетом особенностей монтажа и эксплуатации напорных трубопроводов (меньшая масса и габариты по сравнению с газоходами), способствуют решению вопросов очистки газов в стесненных условиях, с максимальным использованием существующего насосного и емкостного оборудования и т. п.

Таким образом, анализ имеющейся информации по рассматриваемой проблеме позволяет сделать следующие выводы.

1. Значительная часть промышленных газообразных выбросов, требующих очистки от газообразных и твердых примесей, обладают напорами, недостаточными для нормального функционирования известных высокоэффективных газоочистных аппаратов. При этом установка дополнительных газоперекачивающих устройств, с учетом больших объемов газовых потоков, часто невозможна или нежелательна.

2. Требованиям комплексной очистки газовых выбросов наиболее полно отвечают аппараты мокрого типа. Разработка новых конструкций этих аппаратов должна вестись с учетом эксплуатационных особенностей абсорберов и скрубберов и основываться на следующих подходах:

• максимально возможное использование для организации контакта фаз всего сечения аппарата;

• обеспечение высоких скоростей относительного движения фаз при одновременном решении проблем каплеуноса;

• получение развитых поверхностей контакта фаз за счет активных гидродинамических режимов;

• снижение гидравлического сопротивления аппарата за счет использования различных способов подвода энергии в зону контакта и особых конструкторских решений;

• отсутствие застойных зон в аппарате, способствующих шламоотложению.

3. Одним из наиболее перспективных направлений решения проблемы комплексной очистки низконапорных газовых потоков является разработка аппаратов, использующих для выполнения требований, приведенных в предыдущем пункте, энергии орошающей жидкости.

Литература

1. Гафаров, А.Х. Мониторинг вредных выбросов при сжигании природного газа предприятий по выработке тепловой энергии в районах РТ / А.Х. Гафаров, Л.И. Лаптева // Вестн. Казан. технол. унта. - 2010. - № 3. - С. 463 - 467.

2. Павленко, Ю.П. Высокоэффективная очистка газов на основе использования энергии орошающей жидкости и комбинации энергоносителей. ЦИНТИхимнефтемаш. Обзор. информ., Промышленная и санитарная очистка газов. Серия ХМ - 14. 1988.

3. Применение аппаратов «мокрого» типа для очистки отходящих газов от твердых и газообразных вредных примесей. Тез. докл. 3-го Всесоюзного научно-техн. Семинара. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989.

4. Балабеков, О.С. Очистка газов в химической промышленности / О.С. Балабеков, Л.Ш. Балтабаев.-М.: Химия, 1991. - 252 с.

© Д. Н. Латыпов - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ, dlatypov@nchti.ru.