Интенсификация очистки газов от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами

Царева, Ольга Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Интенсификация очистки газов от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация очистки газов от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами"

На правах рукописи ЦАРЕВА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА '

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ТУМАНА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ ВОЛОКНИСТЫМИ ФИЛЬТРАМИ

03.02.08-Экология (в химии н нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

! 1 СЕН 2011

Казань-2011

4852450

Работа выполнена на кафедре «Оборудование химических заводов» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Халигов Риф кат Абдрахманович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Битколов Hyp Закирзянович

доктор технических наук, профессор Николаев Андрей Николаевич

Ведущая органгаашш Федеральное казенное предприятие

«Государственный научно-

исследовательский инстигут

хим ических продуктов», г. Казань

Защита состоится 14 сентября 2011 г. в 1400 часов на заседании совета Д 212.080.02 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (КНИТУ) по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, Зал заседаний ученого совета (А-330).

Электронный вариант автореферата размещен на официальном сайге КНИТУ (www.kstu.ai).

Автореферат разослан "/3 " ¿l^tf Cmrf 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сокращение выбросов токсичных веществ в атмосферу является одной из важнейших задач современных химических производств. При решении этой задачи очистка отходящих газов от тумана серной кислоты является сложной научно-технической и экологической проблемой. При двухконтактном способе производства серной кислоты образующийся после первого моно-гидратного абсорбера туман серной кислоты попадает в систему и приводит к коррозии дорогостоящего оборудования.

Современное крупнотоннажное производство серной кислоты основано на применении громоздкого и дорогого абсорбционного оборудования. Несмотря на всю очевидность дороговизны насадочных колонн, эти аппараты, тем не менее, используются, так как они по надежности проверены временем. После насадочных колонн очистку отходящих газов осуществляют в рукавных фильтрах. Однако механизм и кинетика процесса очистки отходящих газов от пароз и тумана серной кислоты до сих пор изучены недостаточно. Разработчики аппаратов для улова тумана серной кислоты базируются, в основном, на данных опытно-промышленных испытаний. Научных работ, описывающих закономерности работы фильтрующих элементов, относительно мало. Поступающие на заводы фильтрующие элементы изготовлены преимущественно зарубежными фирмами. Однако анализ технико-экономической эффективности работы фильтров в промышленных условиях показывает, что действующие фильтры дороги и не удовлетворяют современным требованиям гю эффективности.

Экспериментальные исследования выполнены по заказу ООО ПГ «Фосфорит», г. Кингисепп.

Цель работы состоит в снижении количества серной кислоты в отходящих газах, выбрасываемой в окружающую природную среду из-за недостаточно качественной работы брызготуманоулавливающего оборудования, а также разработка и исследование высокоэффективного пакета фильтровального"материала с плоскопараллельной упаковкой волокон.

В связи с этим в настоящей работе решены следующие задачи:

1. Проанализирован состав отходящих газов производства серной кислоты г целью определения концентрации серной кислоты в тумане и размера частиц аэрозоля.

2. Исследованы существующие способы очистки газовых выбросов от брызг и тумана серной кислоты при ее производстве и мето-

ды предотвращения образования тумана при концентрировании серной кислоты, а также представлен обзор состояния рынка волокнистых фильтрующих материалов.

3. Проведены экспериментальные исследования по выбору оптимального варианта комбинации различных фильтровальных материалов.

4. Разработаны основы производства фильтровального материала с плоскопараллельной упаковкой волокон и исследованы его эффективность и гидравлическое сопротивление.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса производства серной кислоты на основе применения новой конструкции брызготуманоуловителя с высокоэффективным пакетом фильтровального материала с плоскопараллельной упаковкой волокон, обеспечивающего повышение экономической эффективности производства и снижение газовых выбросов тумана серной кислоты до норм ПДВ.

Научная новизна. Доказано, что образование тумана серной кислоты при ее производстве неизбежно, а в процессе концентрирования серной кислоты представляется возможным предотвратить образование тумана. На основании анализа дисперсного состава отходящих газов показано, что основным механизмом фильтрации является диффузионный механизм, что подтверждается и экспериментальными исследованиями. Экспериментально определено, что удерживающая способность стекловолокнистого фильтрующего материала, обеспечивающая наибольшую эффективность при заданных режимах работы аппарата, составляет 184 кг/м3. Впервые исследовано влияние обработки низкотемпературной плазмой на эффективность и гидравлическое сопротивление стекловолокнистых фильтрующих материалов: гидравлическое сопротивление не изменяется, а эффективность увеличивается в среднем на 7 - 10%. Разработаны основы технологии изготовления многослойного фильтра с плотной упаковкой слоев для очистки газов от мелкодисперсного тумана. Впервые предложена трехступенчатая очистка газов от тумана с задержанием брызг, задержанием крупнодисперсного тумана и очисткой газа от мелкодисперсного тумана.

Практическая значимость работы. Разработана и испытана конструкция элемента промышленного рукавного фильтра для эффективной очистки газов от тумана серной кислоты. Разработана технология изготовления фильтра. Результаты работы доведены до внедрения в производство на ООО ПГ «Фосфорит», г. Кингисепп.

Личный вклад автора состоит в разработке основных идей

диссертации, в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера в ходе выполнения исследовательской работы. При непосредственном участии автора разработаны эспериментальные установки, обоснованы методики и выполнены экспериментальные исследования, проанализированы и обобщены полученные результаты, разработаны основы технологии изготовления многослойного фильтрующего элемента с плотной упаковкой слоев и дренажным промежуточным слоем, научно обоснованы конструктивные параметры и режимы работы новых фильтрующих элеметов. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Автор защищает:

1. Экспериментально доказано, что основным механизмом фильтрации при очистке газа от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами является диффузионный механизм, что подтверждается и теоретически на основании анализа дисперсного состава газа.

2. Результаты исследования процесса очистки газов от тумана серной кислоты разработанным фильтровальным материалом.

3. Основы технологии изготовления фильтровального материала с плоскопараллельной упаковкой волокон.

4. Конструкцию фильтровального элемента, который является частью конструкции аппарата для очистки отходящих газов от тумана серной кислоты в производстве серной кислоты и при ее концентрировании.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на отчетных научно - технических конференциях КГТУ (г. Казань, 2005 - 2006); Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (г. Казань, 2006 - 2007); научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (г. Казань, 2010); Всероссийской научной конференции молодых ученых (г. Новосибирск, 2011); 4 Межвузовской научно-практической конференции (г. Казань, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобр-науки России, и 8 тезисов Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 132 страницах, состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы из 115 наименований и приложений на 30 страницах. Работа содержит 39 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Производство минеральных удобрений неразрывно связано с производством серной кислоты. На некоторых стадиях производства серной кислоты образуется ее туман, который из-за некачественной работы газоочистного оборудования выбрасывается в окружающую среду.

ООО ПГ «Фосфорит» - ведущее предприятие в Северозападном регионе РФ, производящее фосфорные удобрения и кормовые фосфаты. Его основная продукция - фосфорные удобрения (аммофос, сульфоаммофос, обогащенный суперфосфат и пр.), кормовые фосфаты, фосфоритная мука, а также серная и фосфорные кислоты для нужд собственного производства и особо чистая серная кислота для электронной промышленности.

На начало 2010 года на ООО ПГ «Фосфорит» существовал ряд экологических проблем, связанных с производством серной кислоты. Одна из этих проблем - превышающие проектное значение выбросы кислотного тумана из-за неудовлетворительных характеристик брыз-готуманоуловителей после конечной абсорбционной башни. Так масса выбросов серной кислоты за 2009 год составила 266 тонн. Такие потери кислоты приводят не только к экономическим последствиям, но и к значительному экологическому ущербу. Проблема требует решения, так как выбросы кислоты неблагоприятно сказываются на состоянии объектов окружающей природной среды.

Выбросы серной кислоты в виде брызг и тумана характерны также для химических заводов РФ по производству нитратов целлюлозы. В частности, на ФКП «Казанский пороховой завод» образуются значительные количества отработанной 70%-ной серной кислоты, которую подвергают концентрированию в барботажных аппаратах с получением 92%-ной серной кислоты. Процесс концентрирования сопровождается образованием значительного количества тумана серной кислоты (до 35 г/м3) и диоксида серы. Очистку газов от тумана серной кислоты проводят в электрофильтрах, а диоксид серы нейтрализуют в скрубберах с щелочным сорбентом.

В настоящий момент концентрирование серной кислоты на «Казанском пороховом заводе» производят в вихревой ферросилидо-вой колонне. Общая кислотная концентрация в отходящих газах 0,15 г/м3, что превышает современные нормы ПДВ.

В качестве примера в таблице 1 представлены данные о количестве газовых выбросов серной кислоты в зависимости от используемого оборудования для концентрирования и газоочистки по годам.

Таблица 1 - Количество газовых выбросов предприятия ФКП «Казанский пороховой завод»

Используемое оборудование Год запуска Концентрация Н2804 на выходе, г/м3 Количество выбросов, т/год

Труба Вентури с эл е ктроф ил ьтром 1968 0,8 370

Электрофильтры и скруббер 1971 0,2 90

Вихревая ферроси-лидовая колонна с брызголовушкой 1991 0,15 10

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, описаны цель, задачи, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих технологий производства серном кислоты и ее концентрирования. Показаны причины образования сернокислотного тумана на различных стадиях производства кислоты.

Рассмотрено различное оборудование дня концентрирования серной кислоты, основным недостатком которого является образование тумана серной кислоты. Основная причина его появления - наличие пересыщенных паров. Образующийся туман является мелкодисперсным, что значительно затрудняет очистку отходящих газов.

Для интенсификации процессов концентрирования, стадии абсорбции триоксида серы и осушки воздуха, а также для сокращения материалоемкости оборудования и предотвращения образования тумана многие предприятия в настоящее время перешли на использование компактных вихревых аппаратов.

Установлено, что наиболее перспективным способом очистки отходящих газов от тумана серной кислоты является фильтрация через слой кислотостойкого материала. Произведен анализ основных механизмов фильтрации и уравнений, описывающих их. Отмечено, что уравнения описывают закономерности осаждения частиц тумана при обтеканиях только одного волокна и не дают представление об очистке газа от тумана всем фильтровальным материалом в целом, поэтому они неприемлемы для практических расчетов.

Вторая глава посвящена анализу теоретических основ образования тумана и научному обоснованию способов его предотвращения на стадиях осушки газа и абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты. Кроме того, рассмотрены основы процесса концентрирования серной кислоты в режиме без образования тумана.

Описан новый способ графического определения числа ступеней, обеспечивающих бестуманное концентрирование серной кислоты. Рабочая линия для их определения состоит из набора прямых участков. По этому способу рассчитана вихревая ферросилидовая колонна, внедренная на ФКП «Казанский пороховой завод», в которой не происходит образования тумана серной кислоты и диоксида серы.

Третья глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований и описанию экспериментальных установок.

Отличительной особенностью сернокислотного тумана, как отмечалось выше, является мелкий размер частиц - от 0,1 мкм. Этот факт значительно затрудняет очистку отходящих газов от сернокислых аэрозолей. В процессе фильтрации при задержании частиц действуют различные механизмы, эффективность которых существенно зависит от скорости фильтрации, размера частицы и параметров фильтровального материала. Поэтому важной задачей являлось исследование дисперсного состава сернокислотного тумана.

В таблице 2 представлен дисперсный состав сернокислотного

тумана.

Таблица 2 - Дисперсный состав сернокислотного тумана.

Диаметр частицы, сИ06,м Концентрация частиц, с-Ю5, кг/м3 Процентное содержание частиц, %

Э,б4 8,5 34,3

1 11,7 47,2

2,15 2,47 10

3,3 1,5 6,1

7,3 0,6 2,4

Итого: 24,77 100

Знание размера улавливаемых частиц позволяет рассчитать величину коэффициента захвата для каждого механизма фильтрации. Расчетная величина коэффициента захвата по диффузионному механизму равна 6,78; по инерционному механизму и по механизму касания- 144 ■ 10' и 0,18 соответственно. Следовательно, при очистке газа от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрующими материалами

основным механизмом захвата является диффузионный механизм. Это подтверждается и экспериментальными данными (рис. 1).

'Г

м ¥

Рис.1. Зависимость скорости очистки газа от тумана серной кислоты от концентрации его на входе.

£ о

Основным недостатком известных уравнений для расчета эффективности различных механизмов фильтрации является то, что они описывают действие одного волокна, а не всего материала в целом. Данные уравнения не раскрывают зависимость эффективности очистки от толщины фильтра, плотности упаковки слоя, концентрации частиц в тумане и плотности орошения.

Качество фильтра для очистки газов от тумана может быть оценено по многим параметрам, но основными из них являются эффективность и гидравлическое сопротивление.

Были исследованы зависимости гидравлического сопротивления от различных параметров (скорости фильтрации, плотности орошения и количества слоев в фильтре) для следующих фильтровальных материалов: полипропиленовый, фторопластовый, стекловолокни-стый, базальтовый и углеграфитовый.

Зависимость гидравлического сопротивления полипропиленового, фторопластового и стекловолокнистого фильтров от скорости фильтрации описывается уравнением:

АР = 130(ЫГ!/5 . (1)

С ¡¡)

где ДРС - гидравлическое сопротивление сухого фильтра, Па; -скорость фильтрации газа, м/с.

Соответственно для углеграфитового фильтра:

АР, =1500-0^ ■ (2)

Были также исследованы зависимости гидравлического сопротивления от скорости фильтрации для тех же, но уже смоченных фильтров (рис. 2), и получены эмпирические зависимости гидравлического сопротивления от плотности орошения и скорости фильтрации для полипропиленового и углеграфитового фильтров:

1) для полипропиленового фильтра:

ДРФ=^,724+4^+2,9 Пф-628/?+323 ЬЩ+2,11 Щ2; (3) где £ — плотность орошения фильтра, м3/м2-ч.

2) для углеграфитового фильтра:

ДРф=-140,87-2513+6702,47622,69¡} + 878,6ЫГФ-2896,53 (Г,,2. (4)

На рис. 3 представлена зависимость гидравлического сопротивления фторопластового и стекловолокнистого фильтров от величины плотности орошения при скорости фильтрации 0,2 м/с.

Рис.2. График зависимости гидравлического сопротивления фильтрующих материалов от скорости фильтрации газа при плотности орошения 0,0132 м3/м2-ч.

1 - фторин;

2 - полипропилен;

3 - стекловолокно;

4 - углеграфит.

Сноросп фхш£ трацки, тл/с

а« Рл О «

г &

о.

и 1,2 1

Ц8 0,6 014 Ц2 0

—^

—Л-— 1

001 СЩ2

ПпоТКОСТЪ ороии ш

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления от плотности орошения при скорости фильтрации 0,2 м/с для различных фильтров.

1 - фторопластовый; 2- стасювогюкнистый.

о,се

¿Для высокопористого фторопластового фильтра плотность орошения практически не влияет на величину его гидравлического сопротивления, поэтому он широко применяется для эффективного задержания брызг и отвода жидкости из системы. Ему отводится роль дренажа уловленной жидкости. Сопротивление дренажного слоя должно быть небольшим: в интервале скорости фильтрации газа от 0,1 до 0,5 м/с его величина находится в пределах 0,08 - 0,5 кПа.

Гидравлическое сопротивление стекловолокнистого фильтра с увеличением плотности орошения увеличивается, а по достижении определенного значения величины орошения - изменяется незначительно. Это свидетельствует о том, что количество жидкости внутри слоя накапливается до определенной величины и практически не изменяется с увеличением плотности орошения. Кроме того, при интенсивном орошении начинается брызгоунос с наружной поверхности стекловолокнистого фильтра, поэтому количество кислоты, подаваемой на фильтрующий элемент, должно быть регламентировано.

Следовательно, влияние плотности орошения на гидравлическое сопротивление тем меньше, чем больше пористость фильтра.

Таким образом, скорость фильтрации газа и плотность орошения фильтрующего элемента являются определяющими факторами, влияющими на гидравлическое сопротивление фильтра.

На большинстве производств фильтровальные пакеты, предназначенные для очистки газа от тумана и брызг, орошаются в процессе использования, так как известно, что смоченный фильтр улавливает аэрозоли лучше сухого.

Экспериментально установленные значения пористости и удерживающей способности различных материалов (таблица 2), пока-

зывают, что с увеличением пористости материала его удерживающая способность уменьшается. Следовательно, полипропилен и стекловолокно должны использоваться как фильтровальные слои, а фторопласт и базальт - как дренажные слои.

Таблица 2 -Пористость и удерживающая способность различных материалов.

Материал Пористость Удерживающая способность, м3/м3

Полипропилен 0,87 0,6

Стекловолокно 0,905 0,4

Базальт 0,91 0,063

Фторопласт 0,912 0,061

Как известно, стекловолокнистые фильтрующие элементы с однородной жестко фиксированной структурой изготавливают путем нагревания полотна упакованных слоев при температуре 450-500°С в течение одного часа; при этом происходит снятие напряжений, возникающих при уплотнении. В результате получают жестко фиксированные, достаточно прочные элементы определенной формы (без спекания волокон), сохраняющие свое положение в фильтре при насыщении жидкостью.

Однако, наши исследования по определению влияния температуры обжига на эффективность очистки газа от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрующими материалами (рис. 4) показали, что обработка фильтров при более высокой температуре приводит к снижению их эффективности.

Повысить эффективность стекловолокнистого

фильтровального материала можно за счет придания ему гидрофильных свойств, что может быть достигнуто, в частности, его плазменной обработкой. При этом эффективность фильтра по очистке газа от тумана увеличивается на 7 - 10 %. Однако продолжительность этого эффекта зависит от параметров обработки (силы тока, напряжения и иононосителя) и может колебаться от недели до полугода.

зэ

»4 Е- 4П

Я Ю

м Л 20

т 10

1 ---

Бремя, мин

Рис.4. Зависимость эффективности очистки газа от тумана серной кислоты от времени эксплуатации обоженного фильтрующего материала

при скорости ■ фильтрации 0,1 м/с и входной концешреь ции0,5 г/м3.

1 - темпера тура обжига 300°С;

2 - температура обжига 400°С.

Очистка отходящих газов от брызг и тумана обычно происходит в две стадии: вначале очистка от более крупных частиц - брызг а затем от тумана.

Очистка газа от брызг осуществляется обычно двух - трехслойными фильтрами. При использовании обычного волокнистого слоя жидкость, стекающая по наружной стороне, иногда вторично уносится с газовым потоком, который увеличивается при более высоких нагрузках по брызгам и туману и более высоких скоростях газового потока. Для эффективной очистки газа от брызг целесообразно применение многослойных фильтров, где для обеспечения эффективного отвода уловленной между слоями жидкости и для предотвращения уноса капель жидкости с поверхности фильтра используют дренажные слои.

На основании проведенных экспериментов были разработаны и исследованы следующие комбинации многослойных фильтров (пакеты) для очистки газа от брызг:

1) пакет №1: 1 слой стекловолокнистого материала + 1 слой фторина +

1 слой стекловолокнистого материала;

2) пакет №2: 3 слоя стекловолокнистого материала + 1 слой фторина +

2 слоя стекловолокнистого материала;

3) пакет №3: 2 слоя стекловолокнистого материала + 1 слой фторина + 2 слоя стекловолокнистого материала + 1 слой фторина + 1 слой стекловолокнистого материала;

4) пакет №4: 4 слоя стекловолокнистого материала + 2 слой фторина + 4 слоя стекловолокнистого материала.

Эффективность представленных пакетов лежит в интервале от 95 до 99 %, однако исследования зависимости гидравлического сопротивления от скорости фильтрации (рис. 5) показали, что пакет № 1 является менее энергоемким. Именно данная комбинация внедрена на Кингисеппском ООО ПГ «Фосфорит» и его эффективность по улову брызг составляет 98 %.

Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости фильтрации при плотности орошения 0,027 м7м2-ч.

1 - пакет № 1;

2 — пакет №2;

3 - пакет №3;

4 - пакет №4.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 Скорость фильтрации, м/с

Для выбора наиболее эффективного пакета фильтров для очистки газа от тумана серной кислоты были проведены исследования на 11 видах пакетов. В результате исследований для промышленных испытаний был предложен пакет следующего вида: 4 слоя стекловолок-нистого материала; 2 слоя фторина; 3 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 4 слоя стекловолокнистого материала. Такое чередование слоев в фильтре позволяет повысить эффективность очистки за счет разделения процесса фильтрации на 2 этапа. Эффективность данного пакета по очистке газа от тумана при скорости фильтрации 0,15 м/с и входной концентрации 1 г/м3 составляет 98 99%, а его гидравлическое сопротивление - 2,3 кПа. Данный фильтровальный пакет также внедрен на ООО ПГ «Фосфорит».

Однако пакет фильтров, внедренный на ООО ПГ «Фосфорит», эффективен при входной концентрации тумана серной кислоты 1 г/м3 и более, при меньшем значении входной концентрации его эффективность снижается, так как уменьшается скорость очистки газа от тумана (см. рис. 1).

Несмотря на высокую эффективность разработанных пакетов, содержание серной кислоты в отходящих газах значительно превышает ПДВ (примерно в 5 раз), что связано с большой долей (порядка 80

%) частиц 1 мкм и менее в составе отходящих газов (см. табл. 2). При среднем диаметре стекловолокна марки ИПФА-850-7А от б до 10 мкм и упаковки слоя 1000 г/м2, используемого во внедренном пакете фильтров, среднее расстояние между волокнами составляет 100 мкм, что значительно превосходит размер частиц тумана. Следовательно, для повышения эффективности фильтра необходимо уменьшить расстояние между волокнами, что может быть осуществлено путем его сжатия.

Исследования показали, что при коэффициенте сжатия фильтра 3,6 (отношение первоначальной толщины фиЛьтра к толщине после сжатия) его эффективность по очистке газа от тумана увеличивается примерно на 20 % по сравнению с несжатым пакетом фильтров, что было использовано при изготовлении нового фильтровального материала.

Нами предложен способ изготовления фильтровального материала, при котором за основу берутся отдельные однонаправленные волокна, и подслои волокон плотно укладываются друг на друга продольно-поперечным способом. В результате было получено полотно с практически правильной формой квадратных ячеек размером 30 на 30 мкм, тогда как при иглопробивном способе, лежащем в основе изготовления фильтровального материала марки ИПФА-850-7А, волокна разнонаправлены и образующиеся ячейки имеют неправильную форму с размером примерно 100 на 100 мкм. В обоих случаях изготовления фильтровальный материал имеет толщину порядка 5-6 мм.

Было проведено смачивание разработанного материала, что привело к увеличению' его эффективности дополнительно на 7 — 10 %. В результате эффективность разработанного нами смоченного серной кислотой фильтра выше эффективности смоченного промышленного фильтра марки ИПФА-850-7А на 15-20 % (рис. б), при этом эффективность фильтра незначительно возрастает при увеличении числа его слоев.

Оценка зависимости гидравлического сопротивления от количества слоев для различных фильтров показало, что уменьшение размера пор фильтровального материала в 3 раза привело к росту гидравлического сопротивления на 30-50 % (рис. 7), поэтому при изготовлении пакета 2-3 слоя фильтровального материала являются достаточными для достижения высокой степени эффективности очистки газа от тумана серной кислоты при небольшом гидравлическом сопротивлении. Дополнительное увеличение количества слоев нецелесообразно, так как при значительном росте гидравлического сопротивления эф-

фективность фильтра остается практически неизменной, что подтверждается данными, представленными на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Сравнение эффективности фильтров марки ИПФА-850-7А и разработанного нами фильтра при сксрости фильтрации 0,15 м/с и входной концентрации 0,5 гУм3.

1 - промышленный фильтр марки ИПФА - 850 - 7А; 2 - раз-

Рис. 7. График зависимости гидравлического сопротивления от числа слоев в фильтре при скорости фильтрации 0,2 м/с и входной концентрации 0,5 г/м3.

1 - промышленное стекловолокно марки ИПФА - 850 - 7А; 2 - промышленное стекловолокно марки ИПФА - 850 - 7А сжатое, смоченное; 3 - разработанный стекловолокнистый фильтр сжатый, сухой; 4 - разработанный стекловолокнистый фильтр сжатый, смоченный.

Таким образом, в результате проведенных исследований нами разработаны: пакет фильтров для очистки газа от брызг серной кислоты, имеющий комбинацию 1 слой стекловолокнистого материала, 1 слой фторина, 1 слой стекловолокнистого материала, и пакет фильтров для очистки газа от тумана (4 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 3 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 4 слоя стекловолокнистого материала), внедренные в производство серной кислоты на Кингисеппском ООО ПГ «Фосфорит», обеспечивающие снижение кислотных выбросов до 0,09 г/м3. Также разработаны основы технологии изготовления фильтровального материала для очистки газа от мелкодисперсного тумана, который предлагается в качест-

—^

0 2 4 6 8 10 Количество слоев, шт

работанный стекловолокнистый фильтр.

2,5 5 7,5 Количество слоек, шт

ве дополнительного (третьего) этапа очистки, что позволит увеличить эффективность очистки и снизить количество кислотных выбросов до значений близких к ПДВ.

В четвертой главе представлен расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба для ООО ПГ «Фосфорит» от внедрения разработанных пакетов для очистки отходящих газов от брызг и тумана серной кислоты, который составляет порядка 600 тыс. руб./год, обеспечивая при этом уменьшение концентрации серной кислоты в отходящих газах в 4 раза (с 0,37 г/м3 до 0,09 г/м3).

Выводы

1. Результаты проведенного мониторинга отходящих газов производства серной кислоты показали, что концентрация серной кислоты в тумане на выходе после второй абсорбционной башни значительно (примерно в 5 раз) превосходит нормы ПДВ. Как следствие, туман серной кислоты в атмосфере приводит к образованию кислотных осадков, что отрицательно сказывается на состоянии объектов окружающей природной среды.

2. На основании проведенных экспериментальных исследований разработаны пакет фильтров для очистки газа от брызг серной кислоты, имеющий последовательную комбинацию следующих слоев 1 слой стекловолокнистого материала, 1 слой фторина, 1 слой стекловолокнистого мг.териала. Кроме того, разработан пакет фильтров для очистки газа от тумана (4 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 3 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 4 слоя стекловолокнистого материала). Данные пакеты обеспечивают снижение кислотных выбросов до 0,09 г/м3.

3. Разработаны конструкции фильтрующих элементов, являющихся частью промышенных аппаратов для улова брызг и тумана серной кислоты применительно к условиям процессов концентрирования серной кислоты с 70 до 92% и процессов крупнотоннажного производства 98,6 % серной кислоты, которые испытаны и внедрены на всех трех стадиях абсорционных процессов производства серной кислоты (осушки газов, первого и второго моногидратных абсорберов) на ООО ПГ «Фосфорит», а также в технологических процессах концентрирования серной кислоты в условиях регенерации отработанных кислот в производстве нитросоединений на ФКП «Казанский пороховой завод».

В промышленных условиях достигнуты современные нормы

очистки отходящих газов от тумана серной кислоты.

4. Разработан новый способ повышения эффективности фильтровальных материалов, основанный на создании плотноупакованной структуры волокнистого материала путем укладки параллельно расположенных волокон продольно-поперечным способом и их сжатия. Эффективность разработанного фильтровального материала по очистке газа от тумана серной кислоты на 20 % превышает эффективность промышленного фильтра марки ИПФА - 850 - 7А.

5. Для ООО ПГ «Фосфорит» произведен расчет предотвращенного эколого-зкономического ущерба от внедрения разработанных пакетов для очистки отходящих газов от брызг и тумана серной кисло-1 ты, который составляет порядка 600 тыс. руб./год, обеспечивая при этом уменьшение концентрации серной кислоты в отходящих газах в 4 раза (с 0,37 г/м3 до 0,09 г/м3).

Основное содержание диссертационной работы изложено в публикациях

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Халитов, P.A. Разработка и результаты внедрения вихревого моногидратного абсорбера триоксида серы в производство серной кислоты / P.A. Халитов [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 10. - С. 522 - 527.

2. Царева, О.В. Анализ закономерностей гидравлического сопротивления смоченных волокнистых фильтрующих материалов / О.В. Царева, P.A. Халитов, Е.А. Махоткина // Вестник Казанского технологического университета. — 2010. - № 9. — С. 547 — 551.

3. Царева, О.В. Эффективность уплотненных стекловолокни-стых фильтров / О.В. Царева, P.A. Халитов, Е.А. Махоткина // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 7. - G, 205 -208.

4. Халитов, P.A. Предотвращение туманообразования при концентрировании отработанной серной кислоты / P.A. Халитов, О.В. Царева, Е.А. Махоткина /7 Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 10. - С. 293 - 299.

Прочие публикации по теме диссертационного исследовании

5. Царев, Д.Л. Исследование эффективности волокнистых фильтрующих материалов по улову тумана серной кислоты / Д.Л. Царев, О.В. Царева, P.A. Халитов // 3 Студенческая научно-техническая конференция ИХТИ. - Казань, 2005. - с. 111 - 112.

6. Царев, Д.Л. Разработка многослойного фильтра для улова тумана серной кислоты / Д.Л. Царев [и др.] // 3 Студенческая научно-техническая конфгренция ИХТИ. - Казань, 2005. - с. 45 - 55.

7. Царева, О.В. Исследование эффективности улова тумана серной кислоты волокнистыми фильтрующими материалами / О.В. Царева, P.A. Халитов // 6 Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в 21 веке». - Казань: КГТУ, 2006. - с. 35 - 37.

8. Царева, О.В. Исследование эффективности улова тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами / О.В. Царева, P.A. Халитов, А.Ф. Махоткин // Современные проблемы специальной технической химии: Материалы докладов Международной научно-технической и методической конференции. - Казань: КГТУ, 2007. - с. 145 - 151.

9. Царева, О.В. Определение дисперсного состава тумана серной кислоты / О.В. Царева, P.A. Халитов, А.Ф. Махоткин // Современные проблемы специальной технической химии: Материалы докладов Международной научно-технической и методической конференции. - Казань: КГТУ, 2007. - с. 267 - 270.

10. Царева, О.В. Разработка и внедрение в производство высокоэффективного аппарата для очистки газов, содержащих туман / О.В. Царева, P.A. Халитов // Наука и инновации в решении актуальных проблем города: Материалы научно-практической конференции студентов и аспирантов. — Казань: Изд-во «Отечество», 2010. - с. 99 - 101.

11. Абдурахманова, Ф.Ф. Исследование эффективности улова тумана серной кислоты новыми волокнистыми фильтрующими материалами / Ф.Ф. Абдурахманова, О.В. Царева, P.A. Халитов // 9 Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в 21 веке». - Казань: Казан, гос. технол. ун-т, 2010. - с. 21 - 24.

12. Халитов, P.A. Разработка и внедрение новых конструкций брызготуманоуловителей для улова брызг и тумана серной кислоты / P.A. Халитов, О.В. Царева // Современные проблемы специальной технической химии: Материалы докладов Международной научно-технической и методической конференции. - Казань: КГТУ, 2006. - с. 637-639.

13. Абдурахманова, Ф.Ф. Разработка брызготуманоуловителя для очистки отходящих газов в производстве серной кислоты / Ф.Ф.

/ (р

Абдурахманова, О.В. Царева, P.A. Халитов И НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ: Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 4-х частях. - Новосибирск. - Изд-во НГТУ, 2010.-с. 278-280.

14. Царева, О.В. Очистка технологических газов фильтрующими материалами / О.В. Царева, P.A. Халитов // Актуальные проблемы социально-экологической и экономической безопасности поволжского региона. - Казань: Казанский филиал МИИТ, 2011. - Ч. 2. - С. 49 - 55.

Соискатель

О.В. Царева

Заказ № Ш Тираж $ 0 чкз.

Офсетная лаборатория ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Царева, Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

МОНИТОРИНГ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ТЕРРИТОРИЙ ЦЕХОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЕЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ.

Глава 1 Образование тумана в производстве серной кислоты и при концентрировании отработанной серной кислоты.

1.1 Образование тумана серной кислоты в сушильной башне.

1.2 Образование тумана серной кислоты в моногидратном абсорбере.

1.3 Образование тумана при концентрировании серной кислоты.

1.4 Понятие тумана.

1.4.1 Образование тумана.

1.4.2 Гомогенная и гетерогенная конденсации.

1.5 Очистка отходящих газов.

1.5.1 Электрофильтры.

1.5.2 Скоростные газопромыватели.

1.5.3 Волокнистые фильтры туманоуловители.

1.6 Механизм процесса фильтрации.

1.7 Выбор фильтровального материала для улова брызг и тумана серной кислоты.

Глава 2 Способы предотвращения образования тумана серной кислоты.

2.1 Предотвращение туманообразования в моногидратном абсорбере.

2.2 Предотвращение образования тумана в сушильной башне.

2.3 Разработка и результаты внедрения вихревого моногидратного абсорбера триоксида серы в производство серной кислоты.

2.4 Предотвращение образования тумана при концентрировании серной кислоты.

2.5 Постановка задач на экспериментальные исследования.

Глава 3 Экспериментальные исследования.

3.1 Экспериментальные установки.

3.1.1 Исследование дисперсного состава тумана.

3.1.2 Определение гидравлического сопротивления фильтрующих материалов.

3.1.3 Определение эффективности очистки газа от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрующими материалами.

3.2 Обсуждение результатов.

3.2.1 Определение дисперсного состава тумана серной кислоты.

3.2.2 Исследование гидравлического сопротивления различных фильтрующих материалов.

3.2.3 Расчет расстояния между волокнами для стекловолокнистого фильтра марки ИПФА - 850 - 7А.

3.2.4 Расчет фракционной эффективности для стекловолокнистого фильтра марки ИПФА - 850 - 7А.97.

3.2.5 Определение пористости и удерживающей способности фильтрующих материалов.

3.2.6 Исследование влияния температуры обжига фильтрующего элемента на эффективность улова тумана.

3.2.7 Обработка стекловолокнистого фильтра низкотемпературной плазмой.

3.2.8 Разработка эффективного пакета фильтров для очистки газа от брызг.

3.2.9 Разработка эффективного пакета фильтров для очистки газа от тумана серной кислоты.

3.2.10 Разработка эффективного фильтрующего материала для очистки газа от мелкодисперсного тумана.

3.3 Выводы по экспериментальной части.

Глава 4 Расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба от внедрения нового пакета фильтров для очистки отходящих газов от тумана и брызг кислот.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Интенсификация очистки газов от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами"

На сегодняшний день одной из важнейших экологических проблем крупных индустриальных центров является загрязнение атмосферы городов и населенных пунктов промышленными отходами. Ежегодный мировой объем выбросов в атмосферу оксидов углерода составляет 2*104 т, оксидов серы — 150 т, оксидов азота - 50 т, углеводородов - 57 т, пыли - 250 т [1].

Как известно, серная кислота является одним из основных продуктов.химической промышленности и применяется в различных отраслях народного хозяйства [2]. В процессе использования идет понижение ее концентрации и^ загрязнение примесями. Следовательно, перед последующим использованием отработанная серная кислота нуждается в регенерации. Так, например, при производстве нитрата целлюлозы концентрация серной кислоты снижается с 92 % до 72 %. Концентрирование ее, как правило, производят в барботажных аппаратах, где происходит повышенное образование тумана серной кислоты [3, 4].

Объем производства серной кислоты в любой стране может рассматриваться как показатель уровня промышленного развития страны. По итогам 2006 года общее количество серной кислоты, произведенной в мире, возросло и составило 200 млн. тонн. Россия занимает четвертое место в мире по производству серной кислоты после США, Китая и Марокко. В 2010 году Россия произвела уже 14 млн. тонн H2S04 [5].

Однако в связи с несовершенством технологических процессов и оборудования на производствах серной кислоты стоит проблема снижения количества токсичных веществ в отходящих газах, таких как пары и туман серной кислоты, диоксид серы, а также различных видов пыли. Из данных видов выбросов наибольшие проблемы возникают при улове тумана серной кислоты.

Серная кислота является чрезвычайно агрессивным веществом: она поражает дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывает затруднения при дыхании [6]. Поэтому необходимо уделять повышенное внимание содержанию паров и тумана серной кислоты в отходящих газах.

Большинство химических предприятий в настоящее время озабочены проблемой сокращения количества вредных веществ в отходящих газах. Технологии, используемые для производства серной кислоты и для ее концентрирования, являются крайне материалоемкими. Поэтому снижение количества вредных выбросов связано, в первую очередь, с разработкой новых высокоэффективных аппаратов и применением новых материалов. Экологическая проблема производства серной кислоты как раз и состоит в том, что здесь самой технологией заложено образование паров и тумана серной кислоты [7]. Пары образуются в сушильной башне с последующей конденсацией в насадочном моногидратном абсорбере. Сейчас многие заводы видят пути сокращения тума-нообразования в применении более горячей серной кислоты, где последняя ступень служит абсорбером образующихся паров серной кислоты. На-некоторых отечественных производствах, например на ООО ПГ «Фосфорит», перешли к использованию компактных вихревых аппаратов. Это значительно сократило материалоемкость оборудования данного производства.

Для концентрирования серной кислоты на ФГУП «Дзержинский завод им. Я. М. Свердлова» применяют ферросилидовую вихревую колонну, разработанную учеными Казанского государственного технологического университета [8]. Ее внедрение в производство позволило значительно сократить образование вредных выбросов и интенсифицировать процесс концентрирования.

Сложность организации очистки отходящих газов от тумана серной кислоты заключается в малых размерах улавливаемых частиц [9, 10]. До недавнего времени очистку отходящих газов от тумана серной кислоты осуществляли в электрофильтрах. Но они очень громоздки и требуют значительных эксплуатационных затрат, причем эффективность их очистки от мелкодисперсного тумана не достигает требуемого уровня. Затем электрофильтры дополнили скрубберами, орошаемыми щелочными сорбентами для улова БОг, что сопровождалось образованием большого количества кислых сточных вод. Поэтому этот способ очистки не нашел широкого применения.

В настоящее время большинство предприятий осуществляют очистку отходящих газов от кислотных выбросов в рукавных фильтрах [1]. Они обладают рядом достоинств: простота конструкции, легкость монтажа, небольшое гидравлическое сопротивление, быстрота выхода на стационарный режим работы и другое. Возможность их применения сдерживается лишь условиями эксплуатации, так как многие газовые выбросы являются химически агрессивными и имеют высокую температуру. Здесь разработчик ограничен лишь выбором фильтровальных материалов, пригодных для работы при данных условиях.

Для очистки отходящих газов от тумана серной кислоты применяют следующие фильтровальные материалы: полипропиленовый,, стекловолокнистый, фториновый, базальтовый и углеграфитовый. Эти материалы отличаютсяг друг от друга диаметром волокна,, плотностью упаковки, размером пор, гидрофиль-ностью и др. Поэтому в производстве чаще всего экспериментально разрабатывают пакет фильтров, испытывают его на опытно-промышленной, установке и при удовлетворительных результатах эксперимента внедряют в промышленность. Выбор фильтра основывается практически только на-опытных данных.

Актуальность работы. Сокращение выбросов токсичных веществ в атмосферу является одной из важнейших задач современных химических производств. При решении этой задачи очистка отходящих газов от тумана серной кислоты является сложной научно-технической и экологической проблемой. При двухконтактном способе производства серной кислоты образующийся после первого моногидратного абсорбера туман серной кислоты попадает в систему и приводит к коррозии дорогостоящего оборудования.

Современное крупнотоннажное производство серной кислоты основано на применении громоздкого и дорогого абсорбционного оборудования; Несмотря на всю очевидность дороговизны насадочных колонн, эти аппараты, тем не менее, используются, так как они по надежности проверены временем. После насадочных колонн очистку отходящих газов осуществляют в рукавных фильтрах. Однако механизм и кинетика процесса очистки отходящих газов от паров и тумана серной кислоты до сих пор изучены недостаточно. Разработчики аппаратов для улова тумана серной кислоты базируются, в основном, на данных опытно-промышленных испытаний. Научных работ, описывающих закономерности работы фильтрующих элементов, относительно мало. Поступающие на заводы фильтрующие элементы изготовлены преимущественно зарубежными фирмами. Однако анализ технико-экономической эффективности работы фильтров в промышленных условиях показывает, что действующие фильтры дороги и не удовлетворяют современным требованиям по эффективности.

Экспериментальные исследования'выполнены по заказу ООО ГШ «Фосфорит», г. Кингисепп.

Цель работы состоит в снижении количества серной-кислотьг в отходящих газах, выбрасываемой в окружающую природную среду из-за недостаточно качественной работы брызготуманоулавливающего оборудования;, а также разработка и исследование высокоэффективного пакета фильтровального.материала с плоскопараллельной упаковкой волокон.

В связи с этим в настоящей работе решены следующие задачи:

1. Проанализирован состав отходящих газов производства серной кислоты с целью определения концентрации серной кислоты в тумане и размера частиц аэрозоля.

2. Исследованы существующие способы очистки газовых выбросов от брызг и тумана серной кислоты при ее производстве и методы предотвращения образования тумана при концентрировании серной кислоты, а также представлен обзор состояния рынка волокнистых фильтрующих материалов.

Научная новизна. Доказано, что образование тумана серной кислоты при ее производстве неизбежно, а в процессе концентрирования серной кислоты представляется возможным предотвратить образование тумана. На основании анализа дисперсного состава отходящих газов показано, что основным механизмом фильтрации является диффузионный механизм, что подтверждается-и экспериментальными исследованиями. Экспериментально- определено, что удерживающая способность стекловолокнистого фильтрующего материала, обеспечивающая наибольшую эффективность при заданных режимах работы аппарата, составляет 184 кг/м . Впервые исследовано влияние обработки низкотемпературной плазмой на эффективность и гидравлическое сопротивление стекловолокнистых фильтрующих материалов: гидравлическое сопротивление не изменяется, а эффективность увеличивается в среднем на 7 — 10%. Разработаны основы технологии изготовления многослойного фильтра с плотной упаковкой слоев для очистки газов от мелкодисперсного тумана. Впервые предложена трехступенчатая очистка газов от тумана с задержанием брызг, задержанием крупнодисперсного тумана и очисткой газа от мелкодисперсного тумана.

Личный вклад автора состоит в разработке основных идей диссертации, в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера в ходе выполнения исследовательской работы. При непосредственном участии автора разработаны эспериментальные установки, обоснованы методики и выполнены экспериментальные исследования, проанализированы и обобщены полученные результаты, разработаны основы технологии изготовления многослойного фильтрующего элемента с плотной упаковкой слоев и дренажным промежуточным слоем, научно обоснованы конструктивные параметры и режимы работы новых фильтрующих элеметов. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей. Автор защищает:

1. Экспериментально доказано, что основным механизмом фильтрации при очистке газа от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами является* диффузионный механизм, что подтверждается и теоретически* на основании анализа дисперсного состава газа.

3. Основы технологии изготовления фильтровального материала с плоскопараллельной упаковкой волокон.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на отчетных научно — технических конференциях КГТУ (г. Казань, 2005 —

2006); Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (г. Казань, 2006 —

2007); научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (г. Казань, 2010); Всероссийской научной конференции молодых ученых (г. Новосибирск, 2011); 4 Межвузовской научно-практической конференции (г. Казань, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и 8 тезисов Международных и Всероссийских конференций.

Предмет исследования - отходящие газы с производств серной кислоты и после ее концентрирования с различных заводов (ООО ПГ «Фосфорит», Казанский пороховой завод, ФГУП «Дзержинский завод им.Я. М. Свердлова»)

Метод исследования, используемый в данной работе — титрометрический.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из 4 глав.

Первая глава посвящена обзору существующих технологий производства! серной кислоты и ее концентрирования: Показаны причины образования сернокислотного тумана на различных стадиях производства'кислоты.

Рассмотрено различное оборудование: для концентрирования серной* кислоты, основным недостатком которого является образование тумана серной кислоты. Основная причина его появления — наличие пересыщенных паров. Образующийся туман является мелкодисперсным, что значительно затрудняет очистку отходящих газов.

Для интенсификации процессов концентрирования, стадии абсорбции три-оксида серы и осушки воздуха, а также для сокращения материалоемкости оборудования и предотвращения образования тумана многие предприятия в настоящее время перешли на использование компактных вихревых аппаратов.

Описан новый способ графического определения числа ступеней, обеспечивающих концентрирование серной кислоты без образования тумана. Рабочая линия для их определения состоит из набора прямых участков. По этому способу рассчитана вихревая ферросилидовая колонна, внедренная на ФКП «Казанский пороховой завод», в которой не происходит образования тумана серной кислоты и диоксида серы.

Работа выполнена в период с 2006 по 2011 годы в лабораториях кафедры «Оборудование химических заводов» Казанского национального исследовательского технологического университета.

МОНИТОРИНГ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ТЕРРИТОРИЙ ЦЕХОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ И ЕЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ

Город Кингисепп - районный центр, с одним крупным промышленным л предприятием - ООО ПГ «Фосфорит». Площадь — 10,0 км , население - 50,8 тыс. жителей. Вклад в загрязнение воздушного бассейна города, вносимый ООО ПГ «Фосфорит», составляет 92,4%.

ООО ПГ «Фосфорит» - ведущее предприятие на Северо-западном регионе РФ, производящее фосфорные удобрения и кормовые фосфаты. Его основ-' ная продукция: фосфорные удобрения (аммофос, сульфоаммофос, обогащенный суперфосфат и пр.), кормовые фосфаты, фосфоритная мука. Помимо этого здесь выпускаются серная и фосфорные кислоты для нужд собственного производства, особо чистая серная кислота для электронной промышленности.

На начало 2010 года в ООО ПГ «Фосфорит» существовал ряд проблем, связанных с производством серной кислоты. Одна из таких проблем — превышающие проектное значение выбросы кислотного тумана из-за неудовлетворительных характеристик брызготуманоуловителей после конечной абсорбционной башни. Так масса выбросов серной кислоты за 2009 год составила 266 тонн. Такие потери кислоты приводят не только к экономическим последствиям, но и к значительному экологическому ущербу. Эта проблема требует немедленного решения, так как выбросы в таком количестве неблагоприятно сказываются на здоровье людей и на экологии данного региона в целом.

На всех химических заводах РФ по производству нитратов целлюлозы, в частности и на ФКП «Казанский пороховой завод», образуются« значительные количества отработанной 70%-ной серной кислоты, которую подвергают концентрированию с получением 92%-ной серной кислоты. Концентрирование проводят в барботажных концентраторах производительностью по получаемой крепкой 92%-ной серной кислоте 200 т/сут [11]. Процесс концентрирования сопровождается образованием значительного количества тумана серной кислоты (до 35 г/м3) и диоксида серы. Очистку газов от тумана серной кислоты проводят в электрофильтрах. Суммарная концентрация кислотных выбросов (серная кислота, диоксид серы и окислы азота) на выходе после электрофильтров составляет 0,8 г/м3. Масса потерь серной кислоты в год составляет 366 тонн. Электрофильтры не улавливают диоксид серы.

Для улова диоксида серы и остатков тумана серной кислоты после электрофильтров установили скрубберы. Производительность осталась та же, уменьшилось количество вредных веществ в отходящих газах (0,2 г/м Н28С>4, о

0,2 г/м Ж)х). Когда скрубберы стали работать с щелочным сорбентом, то Н2804 и БОг в отходящих газах отсутствовали, содержание N0* составило 0,2 г/м3, и появилось большое количество сточных щелочных вод с сернистой кислотой, что при сливе в большие водоемы привело бы к значительным экологическим проблемам. Поэтому данный метод не прижился.

В настоящий момент концентрирование серной кислоты на «Казанском пороховом заводе» производят в вихревой ферросилидовой колонне. Производительность ее ниже (80 т/сут.), что удовлетворяет потребностям завода. Расход по газу составляет в среднем 9000 м3/ч. Общая кислотная концентрация на выходе после рукавных фильтров - 0,15 г/м3 или 11 тонн в год.

Раздражающее действие тумана серной кислоты проявляется уже при 1 мг/м3. У здоровых людей в лабораторных условиях рефлекторные изменения дыхания отмечались при 0,35-5 мг/м3. Кроме раздражения верхних дыхательных путей, затруднения дыхания, спазма голосовой щели, жжения в глазах, при более высоких концентрациях могут появиться кровавая мокрота, рвота, позже тяжелые воспалительные заболевания бронхов и легких [6].

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Царева, Ольга Владимировна

118 ВЫВОДЫ

1. Результаты проведенного мониторинга отходящих газов производства серной кислоты показали, что концентрация серной кислоты в тумане на выходе после второй абсорбционной башни значительно (примерно в 5 раз) превосходит нормы ПДВ. Как следствие, туман серной кислоты в атмосфере приводит к образованию кислотных осадков, что отрицательно сказывается* на состоянии объектов окружающей природной среды.

2. На основании проведенных экспериментальных исследований разработаны пакет фильтров для очистки газа от брызг серной« кислоты, имеющий последовательную комбинацию следующих слоев 1 слой стекловолокнистого материала, 1 слой фторина, 1 слой стекловолокнистого материала. Кроме того, разработан пакет фильтров для очистки газа от тумана (4 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 3 слоя стекловолокнистого материала; 2 слоя фторина; 4 слоя стекловолокнистого материала). Данные пакеты обеспечивают снижение кислотных выбросов до 0,09 г/м3.

3. Разработаны конструкции фильтрующих элементов, являющихся частью промышенных аппаратов для улова брызг и тумана серной кислоты применительно к условиям процессов концентрирования серной кислоты с 70 до 92% и процессов крупнотоннажного производства 98,6 % серной кислоты, которые испытаны и внедрены на всех трех стадиях абсорционных процессов производства серной кислоты (осушки газов, первого и второго моногидратных абсорберов) на' ООО ПГ «Фосфорит», а также в технологических процессах концентрирования серной кислоты в условиях регенерации отработанных кислот в производстве нитросоединений на ФКП «Казанский пороховой завод» (в приложении представлены акты внедрения).

В промышленных условиях достигнуты современные нормы очистки отходящих газов от тумана серной кислоты.

5. Для ООО ПГ «Фосфорит» произведен расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба от внедрения разработанных пакетов для очистки отходящих газов от брызг и тумана серной кислоты, который составляет порядка 600 тыс. руб./год, обеспечивая при этом уменьшение концентрации серной кислоты в отходящих газах в 4 раза (с 0,37 г/м до 0,09 г/м3).

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Царева, Ольга Владимировна, Казань

1. Пищейко, С.А. Очистка газов в тканевых и электрических фильтрах/ С.А. Пищейко // Экология производства. 2009. - №9. — С. 55 — 57.

2. Амелин, А.Г. Технология серной кислоты / А.Г. Амелин. М.: Химия, 1983.-360 с.3; Лащинский A.A. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Приложение к справочнику / A.A. Лащинский; А.Р. Толчинский;-М.: Машиностроение, 1970.-750 с.

3. Fishwick, Т. Loss of sulphuric acid into a bunded area / T. Fishwick//Loss Prev. Bull.-2007. № 194. - P. 12 - 14.

4. Вредные вещества в промышленности. В 3 ч. Ч. 3. Л.: Химия, 1977. — с.67-70.

5. Амелин, А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара / А.Г. Амелин. М.: Химия, 1966. - 293с.

6. Евгеньев, М.И. Контроль и оценка экологического риска химических производств / М.И. Евгеньев, И.И. Евгеньева. Казань: Изд-во «Фэн» АН РТ, 2007.-207 с.

7. Определение концентрации и размеров частиц тумана азотнойкислоты: Метод, указания / А.Ф. Махоткин и др.. Казан, гос. технолог, ун -т.-Казань, 2001.-8 с.

8. Лебедев, А.Я. Установки денитрации: и концентрирования серной кислоты / А.Я. Лебедев. М.: Химия, 1972. - 270 с.

9. Макаров, Г.В. Охрана труда в химической; промышленности / Г.В. Макаров.- М.: Химия, 1989.- 495 с.

10. Махоткин, А.Ф. Теоретические основы очистки газовых выбросов производства нитратов целлюлозы/А.Ф. Махоткин. Казань: Изд - во Каз. гос. ун-та, 2003.

11. Vehkamäki, H. Modelling binary homogeneous nucleation of water -sulfuric acid vapours: Parameterization for high temperature emissions/ H.Vehkamäki and others.// Environ. Sei. and Technol. 2003. - № 15. - P. 3392 -3398.

12. Грабовский, Р.И. Атмосферные ядра конденсации / P.PL Грабовский. -Л.: Гидрометеоиздат, 1952.

13. Шишкин, Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество/ Н.С. Шишкин. — Л.: Гидрометеоиздат, 1964.

14. Штудер, П. Очистка отходящих газов предприятий / П. Штудер // Экология производства. 2010. - № 4. - С. 69 - 71.

15. Касаткин, A.F. Основные процессы и аппараты химической технологии/ А.Г. Касаткин. М.: ООО ИД «Альянс», 2006. - 753 с.

16. Ужов, В.Н. Очистка промышленных газов фильтрами / В .И. Ужов, Б.И. Мягков. М.: Химия, 1970. - 320 с.

17. Теоретические основы очистки газов от аэрозолей волокнистыми фильтрующими материалами / Ю. JI. Юров и др. // Безопасность жизнедеятельности. М.: 2004. - № 11. — Приложение.

18. Тимонин, A.C. Инженерно экологический справочник. В 3 ч. Ч. 1. Газы/ A.C. Тимонин. — Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 917 с.

19. Швыдкий B.C. Очистка газов: справочное издание / B.C. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев.- М.: Теплоэнергетик, 2002. 640 с.

20. Good progress at Albation // Eur. Chem. News. 2003. - № 2053. - P. 27.

21. Кирш, B:A. Диффузионное осаждение тяжелых субмикронных аэрозольных частиц в волокнистых фильтрах/ В.А. Кирш// Коллоидный* журнал. 2005. - Т. 67, № 5. - С. 352 - 356.

22. Вальдберг, А.Ю: Расчет эффективности высокоскоростных волокнистых фильтров / А.Ю. Вальдберг, Н.В. Крайнов, Н.В. Савенков, Н.М. Савицкая // Теоретические основы химической технологии. 1994. - Т. 28. - № 2.-С. 164- 166.

23. Амелин, А.Г. Дисперсность тумана, образующегося при конденсации паров на поверхности / А.Г. Амелин, Е.В. Яшке// Коллоидный журнал. 1963. -№1. - С. 3 - 8.

24. Подольский, И.И. Зернистый саморегенерируемый фильтр для механической очистки загрязненных сред/ И.И. подольский, Ю.В. Вакалюк// Экология и промышленность России. 2009. — № 6. — С. 8 — 11.

25. Мягков, В.И. Очистка промышленных газов фильтрами/ В.И. Мягков. -М.: Химия, 1970.-356 с.

26. Исследование эффективности улова тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами: метод, указания/ P.A. Халитов и др.// Казан, гос. технол. ун-т. — Казань: Б.и., 2005.—24 с.

27. Gao, I. Measurement of aerosol number size distribution in the Yangtze River delta in China: Formation and growth of particles under polluted conditions/ I. Gao and others.// Atmos. Environ. № 4. - P. 829 - 836.

28. Кирш, A.A. Фильтрация аэрозолей волокнистыми фильтрами ФП /

29. A.A. Кирш, A.K. Будыка, В.А. Кирш // Российский химический журнал. 2008. -T.L11

30. Эшнтейн, Д.А. Химия в промышленности / Д.А. Эпштейн. М.: Просвещение, 1976. - 166 с.

31. Вредные вещества в окружающей среде. Элементы V-VIII групп периодической системы и их неорганические соединения: Справ.-энц. издание/ Под ред. В.А. Филова и др. СПб: НПО «Профессионал», 2007. - 452 с.

32. Забелин, JI.B. Защита окружающей среды в производстве порохов и твердых ракетных топлив/ JI.B. Забелин, Р.В. Гафиятуллин, Г.Э. Кузьмицкий. -М.: ООО «Недра Бизнесцентр», 2002. - 174 с.

33. Фридланд, C.B. Промышленная экология. Основы инженерных расчетов/ C.B. Фридланд и др.. М.: КолосС, 2008. - 176 с. - С. 35 - 42.

34. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. - 270 с.

35. Халитов, P.A. Предотвращение туманообразования при концентрировании отработанной серной кислоты/ P.A. Халитов, О.В. Царева, Е.А. Махоткина// Вестник казанского технологического университета. — Казань: 2010. № 10. - С. 293 - 299.

36. Разработка и внедрение новых конструкций брызготуманоуловителей для улова брызг и тумана серной кислоты / P.A. Халитов и др.// Современные проблемы специальной технической химии: Матер, докл./ Казан, гос. технол. ун -т. Казань, 2006. - С. 637 - 639.

37. Серпионова, E.H. Промышленная адсорбция газов и паров / E.H. Серпионова. М. - Высшая школа, 1969. - 416 с.

38. Кирш В.А. Коллоидный журнал, 1996, т. 58, № 6, с. 786 791.

39. Забелин, JI.B. Очистка воздуха от кислотных выбросов в производствах нитратов целлюлозы / Л.В. Забелин // Известия Томского политехнического университета. 2003. - №1. - С. 83 - 88.

40. Царев, Д.Л. Исследование эффективности волокнистых фильтрующих материалов по улову тумана серной кислоты / Д.Л. Царев, О.В. Царева, P.A.

41. Халитов // 3 Студенческая научно-техническая конференция ИХТИ, Казань, 4 — 5 мая, 2005. Казань: Изд-во казан, гос. технол. ун-та. - 2005. - с. 111-112.

42. Мягков, Б.И. Волокнистые туманоуловители/ Б.И. Мягков. М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1973.-271 с.

43. Куркин, В.П. Стекловолокнистые фильтры для улавливания туманов/ В.П. Куркин, А.Г. Амелин, Е.В. Яшке// Химическая промышленность. — 1976. — №6.-С. 453-455.

44. Кафаров, В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров. М.: Высшая школа, 1979.-439 с.

45. Царева, О.В. Анализ закономерностей гидравлического сопротивления смоченных волокнистых фильтрующих материалов / О.В. Царева, P.A. Халитов, Е.А. Махоткина // Вестник казанского технологического университета. Казань: 2010. - № 9. - С. 547 - 551.

46. Царева, О.В. Эффективность уплотненных стекловолокнистых фильтров / О.В. Царева, P.A. Халитов, Е.А. Махоткина // Вестник казанского технологического университета. Казань: 2010. - № 7. - С. 205 - 208.

47. Халитов, P.A. Разработка и результаты внедрения вихревого моногидратного абсорбера триоксида серы в производство серной кислоты / P.A. Халитов и др. // Вестник казанского технологического университета. -Казань: 2010. № 10. - С. 522 - 527.

48. Справочник сернокислотчика.

49. Царев, Д.Л. Разработка многослойного фильтра для улова тумана серной кислоты / Д.Л. Царев и др. // 3 Студенческая научно-техническая конференция ИХТИ, Казань, 4-5 мая, 2005. Казань: Изд-во казан, гос. технол. ун-та. - 2005. - с. 45 - 55.

50. Царева, O.B. Исследование эффективности улова тумана серной кислоты волокнистыми фильтрующими материалами / О.В. Царева // 6 Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в 21 веке». — Казань: Казан, гос. технол. ун-т. 2006. - с. 35 - 37.

51. Кирш, В.А. Инерционное осаждене «тяжелых» аэрозольных частиц в волокнистых фильтрах/ В.А. Кирш// Теоретические основы химической технологии. 2005. - Т. 39. - № 1. - С. 50 - 55.

52. Ерешенко Г.И. Теория фильтрации, методы расчета и конструкции фильтров за 1986/ Г.Н. Ерешенко, JI.H. Королева. М.: Химическое машиностроение, 1986. - 107 с.

53. Вредные вещества в промышленности: справочник / под ред. Н.В. Лазарева.- М.: Химия, 1976.- 592 с.

54. Bogdan, А. Formation of low temperature cirrus from H2SO4/H2O aerosol droplets/ A. Bogdan and others. // Phys. Chem. A. - 2006. - № 46. - P. 12541 -12542.

55. Елыпин, А.И. Гидравлическая модель трикотажных фильтровальных материалов ПТТФ/ А.И. Елыпин, А.И. Вегера, В.А. Петрова// Матреиалы, технологии, инструменты. — 1999. № 4. - С. 31 — 36;

56. Пат. 12/2147912, МПК B01D39/16. Композиционный материал. / Г.В. Корнев, А.И. Жаров; заявитель и патентообладатель Г.В. Корнев.- № 99116397/12; заявл. 14.12.99; опубл. 20.05.2000.

57. Пат. 11/2326716, МПК В0Ш39/16.Фильтровальный элемент для жидких и газовых сред. /Д.А. Троян; заявитель и патентообладатель Д.А. Троян. № 2006124622/15; заявл. 15.08.2008; опубл. 21.12.2008.

58. Пат. 2075330 Российская Федерация МПК В 01 В 39/16. Многослойный фильтровальный материал/ Заявитель и патентообладатель акционерное общество «ЭТМ». № 94024648/26; заявл. 30.06.1994; опубл. 20.03.1997, бюл. № 22. - 7 с.

59. Пат. 2192916 Российская Федерация МПК В 01 Б 46/52. Аэрозольный фильтр/ Басалаев Н.А. и др.; заявитель и патентообладатель закрытое акционерное общество "Прогресс-Экология". № 2000132697/12; заявл. 27.12.2000; опубл. 20.11.2002, бюл. № 11. -4 е.; ил.

60. Пат. 2153918 Российская Федерация МПК ВОЮ 46/02. Фильтр -патрон/ Дудов А.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Уренгойгазпром". № 99107203/12; заявл. 09.04.1999; опубл. 10.08.2000, бюл. № 3. - 13 е.; ил.

61. Царева, О.В. Очистка технологических газов фильтрующими материалами/ О.В. Царева, Р.А. Халитов// Актуальные проблемы социально-экологической и экономической безопасности Поволжского региона. — Казань: Казанский филиал МИИТ, 2011. Ч. 2. - С. 49 - 55.

62. Пат. 2036692 Российская Федерация МПК В 01 Б 39/16. Фильтрующий материал/ Рокотов Н.В., Плоткин В.И.; заявитель и патентообладатель Научно-техническая фирма "ИНПРОКОМ". № 93000764/26; заявл. 25.11.1992; опубл. 09.06.1995, бюл. №7.-5 с.

63. Загоскина, Н.В. Эколого-экономическая оптимизация аппаратовгазоочистки / H.B. Загоскина // Химическая промышленность. 2003- Т. 80. -№ 6. - С. 4 - 47.

64. Зиятдинов, JI.P. Очистка промышленных газовых выбросов от диоксида углерода в полых аппаратах вихревого типа/ JI.P. Зиятдинов, А.Н. Николаев// Экология и промышленность России. Март 2009. - С. 26 - 29.

65. Экологическая экспертиза/ В.К. Донченко и др.; под ред. В.М. Питулько. Издательский центр «Академия», 2006. - 480 с.

66. Евгеньев, М.И. Контроль и оценка экологического риска химических производств/ М.И. Евгеньев, И:И. Евгеньева. — Казань: Изд-во «Фэн» АН РТ, 2007. 207 с.

67. Куркин, В.П. Стекловолокнистые фильтры для улавливания туманов/ В.П. Куркин, А.Г. Амелин, Е.В. Яшке// Химическая промышленность. 1976. -№ 6. С. 53 - 55.

68. Пискарёв И. В. Фильтровальные ткани из стеклянного волокна / И. В. Пискарев. М.: Ростехиздат, 1960. - 60 с.

69. Бершев, E.H. Технология производства нетканых материалов / E.H. Бершев, В.В. Курицина, А.И. Куриленко, Г.П. Смирнов. — М.: Химия, 1982.

70. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков. Л.: Химия, 1976.-552.

71. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976. - 656.

72. Сосновский, В.И. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Абсорбция газов / В.И. Сосновский, Н.Б. Сосновская, C.B. Степанова. Казань: Изд-во Казан, гос. Технол. ун-та, 2009. - 116 с. - С. 27 - 77.

73. Лебедев А.Я; Установки денитрации и концентрирования серной кислоты / А.Я. Лебедев. М.: Химия, 1972.-270с.

74. Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2010 - с. 278 - 280.

75. Кирш, В.А. Осаждение субмикронных аэрозольных частиц в фильтрах из ультратонких волокон/ В.А. Кирш// Коллоидный журнал. 2004. - Т. 66. - № 3.-С. 352-357.

76. Ким, П.П. Исследование состава газовой фазы при денитрациисерной кислоты восстановителями/ П.П. Ким, Г.В. Пастухова, A.A. Перетрунов// Химическая промышленность. 1998. - № 11. — С. 28 — 30.

77. Забелин, J1.B. Защита окружающей среды в производстве иорохов и твердых ракетных топлив/ JLB. Забелин и др.. — М.: «Недра — Бизнесцентр», 2002. 174 с.

78. Петрянов, И.В. Волокнистые фильтрующие материалы ФП/ И.В. Петрянов, В.И. Козлов. М.: Знание, 1968. — 75 с.

79. Минимизация межтарельчатого уноса жидкой фазы для создания промышленных многоступенчатых абсорберов/ В. И. Петров и др.// Вестник Казанского технологического университета Казань: 2006. - № 6. — С. 109 — 113.

80. Методы определения концентрации оксидов; серы, паров и тумана серной.кислоты в газе: Метод, указания / А.Ф. Махоткин и др.. Казан, гос.технолог, ун-т. Казань, 2002. - 40 с.

81. Методы отбора проб для определения массовых концентраций газообразных компонентов: Метод, указания / А.Ф. Махоткин и др.. Казан, гос. технолог, ун-т. - Казань, 2002. - 20 с.

82. Методы определения массовых концентраций туманов азотной и серной кислот и их суммарной массовой концентрации: Метод, указания / А.Ф. Махоткин и др.. Казан, гос. технолог, ун-т. - Казань, 2002. - 20 с.

83. Определение скорости коррозии металлов в кислотах и щелочах объемным методом: Метод, указания / Р:А. Халитов, И.Е. Колпащикова. — Казан, гос. технолог, ун-т. Казань, 1997. - 20 с.

84. Ecologic gas cleaning in production of nitroesters / R.A. Khalitov. and ath. // International Conference Scientific and Praktikal Problems of Rational Air Consumption "Air-98". 1998. - 135 - 136 p.

85. Халитов, P.A. Разработка системы очистки технологических газовых выбросов при концентрировании азотной и серной кислот / P.A. Халитов и др. // Международная конференция " Воздух-98". г.Санкт-Петербург, 1997. -с. 53 - 54.

86. Серпионова, E.H. Промышленная адсорбция газов и паров / E.H. Серпионова. М. - Высшая школа, 1969. — 416 с.

87. Мягков, Б.И. Волокнистые и сетчатые брызготуманоуловители / Б.И. Мягков // Обзорная информация. Сер. ХМ-14. Пром. и сан. очистка газов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983. - 26 с.

88. Вредные вещества в окружающей среде. Элементы V-VTII групп периодической системы и их неорганические соединения: Справ.-энц. издание/ Под ред. В.А. Филова и др. СПб: НПО «Профессионал», 2007. - 452 с.

89. Шубин, B.C. Конструирование и расчет колонных массообменных аппаратов : Учеб. пособие / В. С. Шубин, А. Г. Рыбинский, Е. С. Шитиков // Моск. ин-т хим. машиностроения. 1986. — 51 с.

90. Криполенов, В.M. Противокоррозионная защита узлов футерованных аппаратов и сооружений / В. М. Кривополенов, Б. Я. Борухин, JL В. Гзовская. -М.: НИИТЭхим, 1982. 18 с.

91. Степанов, Р.Д. Расчет футерованных аппаратов / Р.Д. Степанов, А.Ф. Илюхин. М.: Машиностроение, 1983. - 200 с.

92. Голягин, A.B. Исследование гидродинамических характеристик вихревого аппарата: Метод, указания / Сост.: А. В. Голягин, Р.А.Халитов, А.Ф.Махоткин//Казан.гос.технол.ун-т. -2006. -21 с.

93. Фридланд, C.B. Промышленная экология. Основы инженерных расчетов/ C.B. Фридланд и др.. М.: КолосС, 2008. - 176 с. - С. 35 - 42.

Информация о работе

Царева, Ольга Владимировна
кандидата технических наук
Казань, 2011
ВАК 03.02.08

Диссертация

Интенсификация очистки газов от тумана серной кислоты волокнистыми фильтрами - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы