CC BY
35
УДК 532.527
Р. Р. Усманова, Г. Е. Заиков
РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ,
ПРОМЫШЛЕННОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
И ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ
Ключевые слова: экологическая эффективность; динамический газопромыватель; конструктивно-схемные решения;
эффективность газоочистки; энергозатраты.
Разработаны рекомендации по совершенствованию конструктивно-схемных решений отдельных узлов газопромывателя, которые позволят значительно повысить эффективность газоочистки. Наиболее эффективные научно-технические разработки внедрены на промышленных предприятиях. Выполнена оценка их технико-экологической эффективности.
Keywords: Environmental Effectiveness; Dynamic Scrubber; Design Solutions; Efficiency Gas Cleaning; Energy Consumption.
Developed recommendations on improvement of design making of separate units scrubber, that could dramatically increase the efficiency of gas purification. The most effective scientific and technical developments introduced in the industry. Evaluated their technical and environmental performance.
1. Состояние вопроса, актуальность
В последние годы в России издан ряд законодательных и директивных документов, резко повышающих требования к охране атмосферного воздуха [5,6,8]. Соответственно, изменились условия проектирования оборудования для очистки и обезвреживания летучих промышленных выбросов. Промышленные предприятия стремятся к тому, чтобы это оборудование было высокоэффективным, надежным, долговечным и недорогим, то есть имело бы высокие технико-экономические показатели.
Показатели различных газоочистных сооружений определяются, преимущественно, техническим уровнем проектов. Однако, проектирование газоочистных сооружений в России в общей сложности отстает от мирового уровня. Работа над устранением этой проблемы совершается недопустимо медленными темпами. Защита атмосферы от загрязнения представляет собой многоплановую задачу и научные основы ее реализации далеки от совершенства.
Главная задача - это снижение объемов летучих выбросов в ходе основного технологического процесса. Нередко экономический эффект, полученный в сфере основного производства, полностью перекрывается затратами на очистку больших объемов газовых выбросов. Роль газоочистных сооружений в системе мероприятий по защите атмосферы состоит в ликвидации и обезвреживании тех выбросов, которые невозможно предотвратить профилактическими мерами [4]. Такая постановка проблемы диктуется элементарными экономическими представлениями. По мировым данным, стоимость газоочистных сооружений составляет от 10 до 50 % по отношению к стоимости основного пылевыделяющего оборудования и имеет тенденцию к дальнейшему росту, в связи с ужесточением санитарных требований. Проектирование системы газоочистки, необходимо начинать с изучения конструкционных и эксплуатационных характеристик известных газопромывателей [1]. Любой
пылеулавливающий аппарат рассчитан на определенные условия работы: предельные давление и температуру, допустимые объемы запыленного газа, возможность монтажа на открытом пространстве, нагрузки от подводящих газоходов.
Следует отметить недостатки, преодолеть которые необходимо в ближайшие годы.
1.Недостаточность номенклатуры газоочистного оборудования и ее отставание от растущих мощностей промышленности.
2.Недостаточная точность расчетной базы, в которой преобладают эмпирические функции.
3.Отсутствие строгих научных критериев для проектирования газоочистных сооружений многоступенчатой очистки воздуха. По этой причине при проектировании таких сооружений значительную роль играет чисто эвристический фактор.
4.Малодостоверная проработанность вопросов, связанных с причинением газовыми выбросами ущерба окружающей среде и, соответственно, с определением экономического эффекта от предотвращения данного ущерба.
Настоящие проблемы необходимо решать уже сегодня при проектировании газоочистных сооружений.
2. Основы выбора проектных решений
Недостатки, присущие газоочистным аппаратам, работающим с использованием эффекта воздействия на разделяемую неоднородную смесь исключительно сил центробежного поля, вызывают настоятельную необходимость интенсификации процессов разделения дисперсных систем в этих простых в конструктивном оформлении и надежных в эксплуатации аппаратах.
К основным направлениям интенсификации процесса разделения в газопромывателях можно отнести следующие [7]: совершенствование конструкций аппаратов центробежного типа; изменение технологических параметров процесса разделения дисперсных систем; применение воздействий на разделяемую среду разнородных
физических полей или комбинации перечисленных способов.
Интенсификация за счет конструктивного изменения основных отдельных узлов газопромывателя получила довольно широкое применение в практике. Большое количество исследований посвящено определению оптимальных или рациональных геометрических размеров корпуса аппарата и длины цилиндрической части, глубины погружения и формы сливного патрубка, угла конусности аппарата, наклона входного патрубка к главной оси аппарата, размеров отверстий и способов отвода шлама и т.д. Интенсификация процесса сепарации в газопромывателях технологическим путем осуществляется, например, выбором схемы установки аппаратов и их количества с целью получения требуемого качества одного из продуктов разделения; путем регулировки давления на входе в аппарат, изменением реологических свойств суспензий за счет их разбавления, добавок ПАВ и всевозможных коагулянтов [7].
К третьему направлению следует отнести интенсификацию процесса сепарации под воздействием следующих физических полей: наложения дополнительного поля центробежных сил, создаваемого вращающимся завихрителем; наложения магнитного поля, создаваемого магнитной или электромагнитной системой; наложения ультразвуковых колебаний различной частоты и амплитуды [9].
Комбинированные способы интенсификации процесса разделения подразумевают одновременные совмещения двух или нескольких указанных направлений интенсификации сспарационных процессов. Эти способы позволяют целенаправленно воздействовать на показатели разделительного процесса в газопромывателях.
3. Выбор пропорций проточной части
Проблема поиска наилучших пропорций проточной части газопромывателя формулируется следующим образом: необходимо определить такие безразмерные геометрические соотношения, которые обеспечивали бы проведение процесса газоочистки с минимальными энергозатратами. Такая постановка задачи обуславливает целесообразность введения критерия, характеризующего эффективность энергозатрат на газоочистку.
Как известно, для технико-экономической оценки эффективности процессов сепарации широко используется критерий, представляющий собой удельные энергозатраты на единицу переноса массы [8, 10]. Основываясь на теории диффузионного переноса вещества, сформулируем подобный критерий для оценки совершенства геометрических пропорций газопромывателя.
Из дифференциального уравнения материального баланса дисперсной фазы:
- Яйс = и0
• с • й¥
(1)
где р - объемный расход разделяемой среды;
с - объемная концентрация дисперсной фазы;
иотн - относительная радиальная скорость дисперсной фазы. В результате интегрирования (1) по поверхности получим
х йс и • ¥ г _ иотн 1
Я
(2)
По аналогии с теорией диффузионного переноса вещества, интеграл (2) можно представить как число единиц переноса дисперсной фазы в условиях центробежной сепарации. Скорость частиц, отсепарированных на 100 %, запишем в (2) как
Введем число Стокса:
Stk =
(рр -р) • й^ •п2р 18|Я
(Рр - Р) • йр • иср
18|Я
и безразмерный параметр закрутки:
и„
К, = •
'Ф
и.
Тогда число единиц переноса представим как
N = иотн • ^
Я
- Stk • Кг
(3)
Введем в качестве критерия эффективности энергозатрат на сепарацию параметр Е, тогда с учетом (3) можно записать
Е =----(4)
% •К,
Полученный критерий характеризует полезные энергозатраты на единицу переноса дисперсной фазы и позволяет оценить экономичность конструкции газопромывателя при заданной эффективности центробежной сепарации. В условиях автомодельности по числу Рейнольдса параметр Е обусловливает геометрические пропорции газопромывателя и может выступать в качестве критерия его совершенства.
Установим связь параметра Е с критериями, отвечающими за гидродинамическое подобие в газопромывателях. Для определения наилучших геометрических пропорций газопромывателя необходимо определить взаимосвязь критериев Е и Яг. Как было установлено, профили тангенциальных и радиальных составляющих скорости газа, а также давления и турбулентности в газопромывателе определяются относительным радиусом вихревого ядра гя. Поэтому, для поиска оптимальных геометрических пропорций газопромывателя необходимо установлить взаимосвязь критериев Е и
Из анализа выражения (4), можно отметить, что критерий Стокса характеризуется
соотношением двух величин масштаба: времени релаксации частицы и времени крутки потока
(рр -р)•й 18|Т
2
= Я и
V
с
с
X
р
а комплекс I].Кг определяется исключительно пропорциями сепарационной части газопромывателя и не зависит от масштаба. Представим в виде комплексного критерия оптимальных геометрических пропорций газопромывателя параметр Е
^ (5)
Кг
E* =
Выражая КГ через коэффициент
гидравлического сопротивления сепарационной части 4, приведем (5) к виду:
E* =
С-гя
u
u - r,
х rя2 - J —— dx
я
2
(6)
x
Все параметры справа от (6) характеризуются лишь относительным радиусом вихревого ядра гя, а само выражение (6) устанавливает искомую взаимосвязь критериев Е и гя.
100 tu
ю 1
- c-const
0,0 0,4 0,8 r/R
Рис. 1 - Расчетная зависимость параметра Е от относительного радиуса вихревого ядра
Согласно рис. 1, наименьшее значение Е*=9 соответствует относительному радиусу ro=0, в интервале 0<r0<0,2 значение Е практически не меняется по сравнению с наименьшим значением, т.е. Е-const, и лишь при ro>0,4 начинает существенно возрастать. Из анализа расчетной зависимости можно заключить, что наиболее экономичное приращение числа единиц переноса в газопромывателе осуществляется при условии ro<0,2, то есть при относительном радиусе вихревого ядра не превышающем 20% от радиуса аппарата. Указанный интервал необходимо учитывать при выборе оптимальных размеров проточной части газопромывателя, а с учетом того, что гидравлическое сопротивление 4 возрастает при ro~0, можно рекомендовать выбор значения гя -0,2 вблизи правой границы этого интервала как предпочтительный.
3. Выбор размеров конической части корпуса
При рассмотрении движения частиц в газопромывателе было принято допущение о том, что траектории частиц размером от 0,5 до 1,0 мкм совпадают с линиями тока несущей среды. Такое допущение практически не влияет на форму траектории частицы и лишь незначительно повышает расчетное значение d^ при приемлемой сходимости с
экспериментом по интегральным значениям эффективности сепарации.
Запишем условие равновесия частиц
(рр-р)
%d р vф = 24а р ри2
6 r Re 4 2 1
(7)
а = -
0,848-lg-
0,057
где а - коэффициент формы частицы
v-d -p ;
Re = ■
Яв - число Рейнольдса частицы; ё - эквивалентный диаметр частицы.
Запишем условие (7) в следующем виде:
(рг ~р)ё2 -иф = и^ (8)
18цга ич
Введем две масштабные величины: радиус гя, в качестве масштаба длины и масштаб скорости иг. Из (8) получим
(рг -р)<Л<
р -иФ
18|ora
иФ ru г
(9)
Левая часть уравнения (9) представляет собой число Стокса, сомножителем которого является параметр закрутки, зависящий в условиях автомодельности скорости только от относительных размеров аппарата.
Правая часть уравнения (9) зависит от относительного радиуса вихревого ядра и от относительной радиальной координаты гмп
В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
- с увеличением радиуса осевой зоны и доли цилиндрической части в общих пропорциях аппарата происходит увеличение эффективности очистки;
- с ростом а0 эффективность улавливания мелкодисперсных частиц снижается, что особенно это заметно при г0 > 0,2;
- с удлинением конической части аппарата при постоянной высоте проточной его части, эффективность очистки возрастает.
Следовательно, для достижения
максимальной эффективности улавливания мелкодисперсных частиц, доля цилиндрической части в общей длине газопромывателя должна быть минимальной, а доля конической части -максимальной. Прочие геометрические соотношения рекомендуется выбирать из условия г0 < 0,2.
По разработанным соотношениям был рассчитан промышленный аппарат "Динамический
газопромыватель"[3]. Близость рекомендуемых значений к номинальным параметрам, известным из литературных источников, свидетельствует о правомерности изложенных соображений и рекомендаций.
х
т
0
4. Очистка газов от пыли в промышленности
Полученные результаты были практически реализованы в производстве обжига известняка при проведении реконструкции системы аспирации дымовых газов печей обжига. Для очистки дымовых газов печей обжига известняка применяется разработанный газопромыватель в качестве второй ступени очистки.
Температура газов печей обжига в перед боровом котла-утилизатора от 500 до 600°С, после котла-утилизатора 250 °С. Средний химический состав дымовых газов (по объему): 17%С02; 16%М2; 67 % СО. Кроме того, в газе содержится до 70 мг/м3 802; 30 мг/м3 И28; 200 мг/м3 Б и 20 мг/м3 С1. Запыленность газа на выходе из конвертора доходит до 200 г/м3. Пыль, как и при отводе газа с дожиганием окиси углерода, состоит из одних и тех же компонентов, но имеет разное содержание высших окислов железа. В ней содержится несколько меньше, чем в запыленном газе, образовавшемся при дожигании окиси углерода, частиц размером менее 1 мкм, так как при дожигании СО повышается температура газа и происходит дополнительное превышение в пар окислов. Перед направлением газа на очистку, окись углерода дожигают в специальной камере. Запыленность очищенного доменного газа должна быть не более 4 мг/м3. Для очистки доменного газа от пыли применяется следующая схема (рис.2).
/
Рис. 2 - Технологическая схема очистки газовых выбросов: 1 - печь обжига; 2 - кессон; 3 - газоход подъемный; 4 - опуской газоход; 5 -центробежный скруббер; 6 - газопромыватель динамический; 7 - бак сбора шлама; 8 -гидрозатвор; 9 - дымовая труба
Газ из колошника печи обжига 1 по газоходам 3 и 4 отводится в систему газоочистки. В подъемном и опускном газоходах газ охлаждается, из него сепарируются наиболее крупные частицы пыли, которые в виде шлама отводятся в инерционный шламосборник. В центробежном скруббере 5
доменный газ подвергается очистке до конечного пылесодержания от 5 до 10 г/м3. Пыль периодически удаляется из бункера пылеуловителя и из системы подачи воды или пара для увлажнения пыли. Окончательная очистка доменного газа осуществляется в динамическом газопромывателе, где происходит коагуляция мелкодисперсной пыли. Наиболее крупная пыль и капли жидкости отводятся из газа посредством инерционного брызгоуловителя. Очищенный газ отводится в коллектор чистого газа 9, откуда подается в атмосферу. Осветленный шлам из фильтра-отстойника вновь подается на орошение аппаратов. Реализован замкнутый цикл подачи орошающей жидкости, для чего в качестве орошения применяется известковое молоко, близкое по своим физико-химическим свойствам к составу запыленного газа [2]. Результатом внедрения опытно-промышленной установки пылеочистки стало снижение максимальной запыленности газов, выбрасываемых в атмосферу, с 3760мг/м3 до 720 мг/м3. Валовые выбросы пыли от источников известкового производства сократились с 5600 т/год до 1400 т/год.
Такой метод позволяет осуществлять очистку газа в значительно большем количестве, требует меньших капитальных и эксплуатационных затрат, снижает загрязнение атмосферы и позволяет применять систему оборотного водоснабжения.
5. Технико-экологическое обоснование выбора системы очистки газа
Технико-экономическое сравнение различных схем пылеулавливания при сооружении газоочистных установок зачастую связано с необходимостью обеспечивания очистки отходящих газов. При этом технико-экономическое сопоставление различных схем газоочистных установок производится лишь при соразмерной эффективности анализируемых вариантов, обеспечивающей соблюдение норм ПДК. Газоочистные установки, в основном, не приносят прибыли. Частично может окупить их сооружение возможность дальнейшего использования уловленного продукта. Поэтому, в числе технико-экономических показателей как правило, отсутствуют данные, описывающие рентабельность капитальных затрат и их окупаемость за счет предполагаемой прибыли. Технико-экономическая оценка газоочистных сооружений базируется, в основном, на сравнительных данных. Подлежащий оценке объект газоочистки сравнивается по технико-экономическим показателям с наилучшим действующим или запроектированным подобным объектом (аналогом). Аналог приводится к условиям, сопоставимым с условиями оцениваемого объекта (мощность, степень очистки, условия производства). Сравнения ведутся по капитальным вложениям, производительности, эксплуатационным затратам [8].
Проведем сопоставление двух вариантов схем пылеулавливания, реализуемых в одном и том же производстве с одинаковым уровнем технологического обеспечения. За базовый вариант Уо примем максимально возможный ущерб от газовых выбросов производства, в котором не
предусмотрена технологическая схема газоочистки, Пю = 0.
Эффективность газоочистки будем оценивать в долях от максимального ущерба Еп= Ур / Уо
N
ЕА, • Сн, •л,
Е =
У^
Уо
i= 1
(10)
N
Z Ai-CHi i=1
В предположении, что все компоненты отходящих газов выброса со средними показателями агрессивности улавливаются в одинаковой мере (А=А, = л), получим, что Еп = Очевидно, что критерий технико-экологической эффективности Еп, является частным случаем коэффициента
эффективности очистки л, полученного для газа с усредненными характеристиками. При выборе конструктивно-схемных решений газоочистных установок, предпочтение следует отдать той установке, которая обеспечивает более высокие показатели Еп [10].
Рассчитаем относительные показатели газоочистки: зависимость предотвращенного ущерба АУр = У1 - У2 от величины затрат на очистку Д Z. Тогда функция Ур ^ max запишется как
Еп=(ДУп/ДZ) ^ max. Энергозатраты Z,, определим из выражения:
Zэ = Сэ -Q-ДР . где Сэ - стоимость электроэнергии Сэ, (руб./Дж)
Предотвращенный ущерб окружающей среде от выбросов загрязняющих веществ Ут определяется по формуле:
Е = ^п
N
В-р- ZAi -C0i-Hi
i=1_
сэ -ДР
(11)
где п - эффективность газоочистки;
С - концентрация загрязняющих веществ;
В - коэффициент относительной эколого-
ЧУ .-го
экономической опасности для , загрязняющего вещества.
Относительная технико-экологическая
эффективность газоочистки е рассчитывается как соотношение величин, вычисленных для базовой Ео схемы и предложенного конструктивно-схемного решения Е
е = Е1 / Ео
Как показывают представленные данные, критерий относительной технико-экологической эффективности е отражает логику процесса пылеулавливания - чем выше степень сепарирования аппарата л, тем величина е больше. В данном случае вместо качественной констатации факта предлагается количественная оценка эффективности газоочистки, позволяющая определить в какой степени конкурирующие системы отличаются друг от друга.
2,0
1,6
1,2
0,8
&—4
10
20
30
40
U, М/С
Рис. 3 - Зависимость критерия £ от скорости газового потока
Разработанная модель помогает быстро и наглядно смоделировать движение запыленного газового потока с учетом внесенных в геометрию аппарата изменений. Таким образом, модель может применяться для оптимизации конструкции динамического газопромывателя. На рис.3 представлены результаты исследований
сепарирующей способности газопромывателя в зависимости от условной скорости газа и, вычисленной на полное сечение аппарата. Проведено сравнение рассматриваемых аппаратов с помощью критерия относительной технико-экологической эффективности е.
Приведенные данные носят
иллюстрационный характер и демонстрируют возможности применения критериев технико-экологической эффективности е для сравнительной оценки аппаратов системы газоочистки.
Выводы
1. Рассмотрена проблема поиска наилучших пропорций проточной части газопромывателя. Выполненные расчеты позволяют определять такие геометрические соотношения, которые обеспечивали бы проведение процесса газоочистки с минимальными энергозатратами. Из анализа расчета можно заключить, что наиболее экономичный результат достигается при относительном радиусе вихревого ядра, не превышающем 20% от радиуса аппарата. Указанный интервал необходимо учитывать при выборе оптимальных размеров проточной части газопромывателя
2. В результате исследования конструктивных параметров газопромывателя установлено, что для достижения максимальной эффективности улавливания мелкодисперсных частиц, доля цилиндрической части в общей длине газопромывателя должна быть минимальной, а доля конической части - максимальной. Прочие геометрические соотношения рекомендуется выбирать из условия г0 < 0,2.
3. Разработаны рекомендации по подбору оптимальных конструктивно-схемных решений газоочистных аппаратов, ряд которых внедрен в различных отраслях промышленности для мокрой очистки газовых выбросов и позволяет на порядок
уменьшить расход жидкости на орошение газа при высокой эффективности процесса сепарации.
4. При оценке технико-экологической эффективности газоочистки ставилась задача объединить расчет экологического ущерба и эксплуатационные параметры газоочистной установки и разработать методы прогнозирования эффективности газоочистки, дающие возможность выбрать наиболее перспективные конструктивно-схемные решения газоочистных аппаратов. В данном случае вместо качественной оценки предлагается количественная оценка эффективности газоочистки, позволяющая определить, в какой степени конкурирующие системы отличаются друг от друга.
Литература
1. A.M. Белевицкий. Проектирование газоочистительных сооружений. Л.: Химия, 1990. - 288 с.
2. Р.Р. Усманова. Состояние и перспективы очистки газовых выбросов на промышленных предприятиях. Научное обозрение. 6. 80-86. (2011).
3. Пат. РФ 2339435 (2008).
4.А.И.Родионов, Ю.П.Кузнецов, В.В Зенков. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов. М.: Химия, 1985. - 352 с.
5. С.В. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков. Охрана окружающей среды, М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.
6. Г.П .Беспамятнов, Ю.А. Кротов. Предельно допустимые концентрации веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985. - 306 с.
7. А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник, Т.1-3. Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2006.
8. Указания и нормы технологического проектирования и технико-экономические показатели энергетического хозяйства предприятий черной металлургии. Т. 18. Защита атмосферы. Очистка газов от пыли. ВНТП 1-4100. МЧМ РФ, 2001. 126 с.
9. Пат. РФ 2482923 (2013).
10. R.R.Usmanova, G.E.Zaikov. Technical and ecological justification of the choice gas purification systems. Вестник КТУ, Т. 18. 1. 371-376.(2015).
© Р. Р. Усманова - канд. техн. наук, доц. каф. СМ Уфимского госуд. авиационного технич. ун-та; [email protected]; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. каф. ТПМ Казанского национального исследовательского технология. ун-та; [email protected].
© R. R. Usmanova - PhD, Associate Professor of the Chair of Strength of Materials at the Ufa State Technical University of Aviation in Ufa, Bashkortostan, Russia, [email protected]; G. E. Zaikov - DSc. Professor of the Chair Plastics Technology Kazan National Research Technological University in Kazan, Tatarstan, Russia, [email protected].
