Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Комплексная очистка промышленных газовых выбросов в аппаратах вихревого типа

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Николаев, Андрей Николаевич, Казань

"7 У ' А ^

А/ " "

> ; ...

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Президиум БАК России

(решение от " " ¿2/

присудил -ученую степень ДОКТОРА

7_............наук

/Начальник управления ВАК России

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В АППАРАТАХ ВИХРЕВОГО ТИПА: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ю.Ф.Гортышов

\

КАЗАНЬ 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................. 6

ГЛАВА 1. Перспективы использования аппаратов вихревого типа

для очистки промышленных газовых выбросов..... 9

1.1. Основные загрязнители атмосферы и их источники ... 9

1.2. Конструктивные решения и оценка показателей работы аппаратов вихревого типа.................. 16

1.2.1. Анализ недостатков традиционного очистного оборудования при очистке больших объемов газов. . 16

1.2.2. Классификация аппаратов вихревого типа и особенности их конструктивного исполнения....... 24

1.3. Постановка задач исследования............... 38

ГЛАВА 2. Аэродинамика закрученного течения в вихревых аппаратах ............................... 40

2.1. Обзор предшествующих исследований аэродинамики закрученных течений....................... 40

2.1.1. Теоретические методы расчета закрученных течений 40

2.1.2. Результаты экспериментального исследования одно-

и двухфазных закрученных течений......... 49

2.2. Экспериментальное исследование профилей скорости и статического давления в полом вихревом аппарате ... 52

2.2.1. Описание экспериментальной установки и методики измерений..............................52

2.2.2. Описание результатов исследования.......... 55

2.3. Интегральные характеристики закрученных течений в

вихревых аппаратах....................... 66

2.3.1. Закономерности изменения степени крутки потока 66

2.3.2. Перепад статического давления в вихревых аппа-

ратах............................ 70

ГЛАВА 3. Динамика жидкой фазы в аппаратах вихревого типа. . . 76

3.1. Диспергирование жидкости в вихревых аппаратах..... 76

3.1.1. Методы измерения и основные закономерности изменения характеристик диспергирования......... 76

3.1.2. Экспериментальное исследование дисперсного состава капель жидкости в полом вихревом аппарате. . 80

3.2. Закономерности движения капель жидкости в аппаратах

вихревого типа.......................... 84

3.2.1. Анализ сил, определяющих движение капель в несущем газовом потоке.................... 87

3.2.2. Расчет траекторий движения капель в полых вихревых аппаратах.......................... 96

3.3. Закономерности движения пристенной пленки жидкости в

аппаратах вихревого типа.................... 107

3.3.1. Краткий обзор предшествующих исследований. ... 107

3.3.2. Методика измерения гидродинамических параметров

и обработки результатов опытов............109

3.3.3. Результаты измерения гидродинамических параметров закрученной пленки....................117

ГЛАВА 4. Массообмен в аппаратах вихревого типа..........124

4.1. Кинетические закономерности переноса массы через поверхность раздела фаз в вихревых аппаратах........124

4.1.1. Массоотдача к поверхности капель со стороны газо-зовой фазы.........................124

4.1.2. Массоотдача в каплях жидкости............129

4.1.3. Исследование массоодачи в закрученной пленке жидкости...........................133

4.1.4. Массоотдача к поверхности пленки жидкости со стороны газовой фазы . .................136

4.2. Эффективность массопереноса в полых вихревых аппаратах 141

4.2.1. Метод расчета эффективности массопереноса в рабочей зоне полых вихревых аппаратов с учетом конструктивных особенностей.............. 141

4.2.2. Экспериментальное исследование эффективности полых вихревых аппаратов и определение адекватности метода расчета.................... 149

4.2.3. Пути повышения эффективности полых вихревых аппаратов......................... 155

4.3. Массообмен в многоэлементных прямоточно-вихревых

аппаратах с контактными ступенями............ 161

4.3.1. Расчет эффективности многоэлементных контактных ступеней прямоточно-вихревых аппаратов...... 161

4.3.2. Расчет эффективности массопереноса в контактных элементах прямоточно-вихревых аппаратов..... 172

ГЛАВА 5. Охлаждение высокотемпературных газов в вихревых

аппаратах............................. 180

5.1. Движение испаряющихся капель в закрученном потоке 180

5.1.1. Анализ факторов, влияющих на движение испаряющейся капли........................ 180

5.1.2. Определение закономерностей движения испаряющихся капель в полых вихревых аппаратах .... 185

5.2. Метод расчета эффективности тепло- и массообмена при охлаждении высокотемпературных газов в вихревых аппаратах............................. 188

ГЛАВА 6. Очистка газов от твердых и жидких частиц в вихревых

аппаратах............................ 195

6.1. Центробежное осаждение частиц в полых вихревых аппаратах ........................... 196

6.2. Инерционное осаждение частиц на каплях распыленной жидкости в аппаратах вихревого типа....... 202

6.2.1. Основные закономерности осаждения частиц на

каплях жидкости.................... 202

6.2.2. Эффективность инерционного осаждения частиц на каплях жидкости в рабочей зоне полых вихревых аппаратов.................. 206

6.3. Экспериментальное исследование эффективности очистки газа от твердых частиц в полом вихревом аппарате 210 ГЛАВА 7. Промышленное использование аппаратов вихревого типа 213

7.1. Рекуперация паров органических растворителей.....213

7.2. Очистка газовых выбросов производства синтетического аммиака............................. 218

7.3. Очистка воздуха производственных помещений от паров аммиака ............................. 220

7.4. Очистка газов, образующихся при сжигании отходов производства капролактама..................222

7.5. Очистка от пыли воздуха помещений валяльно-войлочного производства...........................225

7.6. Применение вихревых аппаратов для очистки выбросов тепловых электростанций, предприятий металлургии и химической промышленности.................228

ВЫВОДЫ....................................234

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............237

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............239

ПРИЛОЖЕНИЯ................................269

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие промышленности, охватившее во второй половине XX века многие страны мира, привело в настояшее время к серьезному ухудшению экологической обстановки. Одной из острейших проблем является загрязнение воздушного бассейна газовыми выбросами промышленных предприятий.

Рост объемов промышленного производства послужил причиной увеличения объемов выбросов в окружающую среду, а разработка большого количества новых технологических процессов привела к увеличению числа токсичных веществ, поступающих в атмосферу. Если в начале XX века в промышленности применялось 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать около 50 элементов, а в 70-х годах - практически все элементы таблицы Менделеева. Это существенно сказалось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими и не образующимися в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими веществами. Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем, транспорта в атмосферу достигли таких размеров, что в ряде регионов земного шара уровни загрязнений значительно превышают допустимые санитарные нормы, что приводит к увеличению количества людей, страдающих серьезными хроническими заболеваниями, появлению кислотных дождей, гибели лесов и другим негативным явлениям.

В нашей стране эта проблема приобрела настолько серьезное значение, что если в ближайшее время не будет принято экстренных мер, целые регионы станут зонами экологической катастрофы. Причины

сложившегося положения многообразны, но основная состоит в том, что очистке промышленных газовых выбросов длительное время не только не уделялось должного внимания, но и само отношение было порочным и предполагало способность окружающей среды к неограниченному самоочищению. Вместе с тем, установки очистки промышленных газовых выбросов требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Проблема защиты окружающей среды может быть решена за счет внедрения малоотходных и безотходных, замкнутых технологий, однако в настоящее время это направление еще не получило достаточного развития, и задача создания совершенного и эффективного оборудования для очистки газовых выбросов промышленных предприятий является актуальной.

Задача существенно осложняется тем, что объемы газовых выбросов промышленных предприятий составляют десятки, а иногда и сотни, тысяч м3/час, что делает затруднительным применение традиционного очистного оборудования. Большинство аппаратов, использующихся в настоящее время для очистки газов от газообразных, жидких и твердых примесей, характеризуются низкой пропускной способностью, обусловленной небольшими предельно допустимыми скоростями газа в аппаратах. Это служит причиной того, что аппараты с высокой производительностью имеют большие габаритные размеры (например, диаметр абсорбционных колонн может достигать 10- 12 м), а затраты на их изготовление, монтаж и транспортировку непомерно велики.

Все это делает весьма перспективным применение для очистки больших объемов газовых выбросов аппаратов вихревого типа. Использование в вихревых аппаратах центробежной сепарации снимает ограничение на предельно допустимую скорость газа и позволяет проводить процессы при среднерасходных скоростях газа, достигающих 20 - 30 м/с. Высокая пропускная способность вихревых аппаратов обуславливает их малые габаритные размеры. Кроме того, к достоинствам этих аппара-

тов можно отнести низкую металлоемкость, сравнительно небольшие удельные энергетические затраты, устойчивость работы в широком диапазоне нагрузок по жидкости и газу, простоту изготовления. Конструктивные особенности вихревых аппаратов позволяют проводить в них комплексную очистку газовых выбросов промышленных предприятий как от вредных газообразных примесей, так и от мелкодисперсных жидких и твердых частиц. Аппараты также весьма удобны для проведения в них процесса испарительного охлаждения высокотемпературных газовых выбросов на стадии подготовки к очистке.

Несмотря на то, что принципы конструирования аппаратов вихревого типа разработаны достаточно давно, широкое использование их в промышленности сдерживается недостаточной изученностью гидро- и аэродинамических закономерностей работы и отсутствием надежных и обоснованных методов расчета эффективности протекающих в них процессов очистки газа.

В связи с этим в задачи настоящей работы входило изучение структуры потоков газа и жидкости в аппаратах вихревого типа, разработка методов расчета процессов абсорбции, испарительного охлаждения газа и осаждения частиц в вихревых аппаратах различной конструкции, разработка аппаратурного оформления конкретных процессов очистки газовых выбросов.

ГЛАВА 1.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТОВ ВИХРЕВОГО ТИПА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

1.1. Основные загрязнители атмосферы и их источники

В России основное загрязнение атмосферы создают предприятия теплоэнергетики, транспорт и ряд отраслей промышленности, такие как черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, индустрия стройматериалов, химическая промышленность. Их участие в загрязнении атмосферы распределяется следующим образом [1]: теплоэнергетика - 30%, транспорт - 40%, прочие - 30%.

Самыми распространенными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: оксид углерода СО, диоксид серы БОг, оксиды азота N0 х, уГЛеВОДОрОДЫ СпНт и пыль. Ежегодные выбросы вредных веществ в атмосферу приведены в таблице 1.1 [1].

Таблица 1.1.

Вещество Выбросы, МЛН. Т

Твердые частицы 1000

СО 304

СпНт 88

ЫОх 53

80х 100

С02 18 300

. Примерный относительный состав вредных веществ в атмосфере больших промышленных городов: СО - 45%, 80х - 18%, СпНт - 15%, пыль -12%, ]ЧГОх - 10%.

Превышения концентраций токсичных веществ в загрязненном атмосферном воздухе над фоновыми составляют: по оксиду углерода (СО) - в 80-1250 и более раз; по диоксиду серы (80г) - в 50-300 раз; по диоксиду азота (N02) - до 25 раз; по озону (Оз) - до 7 раз.

ю

Кроме СО, SOx, NOx, CnHm и пыли в атмосферу выбрасываются и другие более токсичные вещества. Так, например, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной и других минеральных кислот, органические растворители и т. п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, их количество все увеличивается. К наиболее вредным веществам следует отнести аммиак (NH3), сероводород и сероорганические соединения (H2S, CS2, COS), цианистые соединения, акрилонитрил, метиловый эфир циан-муравьиной кислоты (HCN, C2N2, CH2=CHCN, CNCOOCH3), галоиды и их соединения - фтор, хлор, бром, фтористый водород, хлористый водород, бромистый водород, фосген, хлорциан (F2, СЬ, Вгг, HF, НС1, НВг, COCI2, CNC1) , пары и аэрозоли ртути, серной, азотной и фосфорной кислот, пары легколетучих органических веществ и др.

Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах промышленных предприятий часто невелика, но из-за больших объемов вентиляционного воздуха валовые количества вредных веществ, поступающих в атмосферу, весьма значительны. Необходимо отметить, что выбрасываемые в атмосферу вещества нередко являются ценным сырьем для получения важных и дорогих продуктов.

Современные металлургия и машиностроение развиваются на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечно-прессовые цехи, цехи термической и механической обработки металлов, цехи покрытий и крупное литейное производство. В состав предприятий также входят испытательные станции, ТЭЦ и вспомогательные подразделения. В процессе производства машин и оборудования широко используют сварочные работы, механическую обработку металлов, переработку неметаллических материалов, лакокрасочные операции и т. п. [2-4].

Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются: вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов; участки выбивки и очистки литья.

При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагранках выделяется 900-1200 м3 колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы и азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. При разбавлении колошникового газа воздухом, подсасываемым через завалочное окно вагранки, количество отходящих газов увеличивается в 1,5-3,5 раза. В качестве примера в таблице 1.2 приведены выбросы загрязняющих веществ электродуговыми печами при выплавке стали.

Таблица 1.2.

Емкость печи, т Производительность печи, т/ч. Выбросы, кг/т

пыль СО ИОх

0,5 0,33 9,9 1,4 0,27

1,5 0,94 9,8 1,2 0,26

5 2 9,4 1,3 0,26

10 3 8,8 1,4 0,27

20 5,9 8,1 1,5 0,29

50 11,4 6,9 1,4 0,28

100 21 6,6 1.5 0,29

Состав пыли зависит от марки выплавляемой стали. Примерный химический состав пыли, (мае. доли, %): БегОз - 56,8; МП2О3 - 10,0; АЬОз - 5,0; 8Ю2 - 6,9; СаО - 6,9; МДО - 5,8; остальное - хлориды, оксиды хрома и фосфора. При плавке стали в индукционных печах, по сравнению с электродуговыми, выделяется незначительное количество газов и в 5-6 раз меньше пыли.

В процессах нагрева и обработки металла в кузнечно-прессовых и прокатных цехах выделяются пыль, кислотный и масляный аэрозоль (туман), оксид углерода, диоксид серы и др. Выброс пыли из цеха составляет в среднем 200 г на 1 т товарного проката. Общеобменной вентиляцией куз-нечно-прессового цеха в атмосферу выбрасываются оксиды углерода и азота, диоксид серы. От пролетов с молотами выбросы оксида углерода на 1 т топлива составляют 7 кг/т (газ или мазут), диоксида серы - 5,2 кг/т (мазут); от пролетов с прессами и ковочными машинами - соответственно 3 и 2,2 кг/т.

В окрасочных цехах токсичные вещества выделяются в процессе обезжиривания поверхностей органическими растворителями перед окраской, при подготовке лакокрасочных материалов, при их нанесении на поверхность изделий и сушке покрытия. Воздух, удаляемый вентиляционными отсосами от окрасочных камер, напольных решеток, сушильных установок и других устройств, всегда загрязнен парами растворителей, а при окраске распылением, кроме того, - окрасочным аэрозолем. При окраске изделий порошковыми полимерными материалами в вентиляционном воздухе содержится пыль. В вентиляционных выбросах окрасочных цехов могут содержаться окрасочный аэрозоль (до 1 г/м3) и пары растворителей (до 10 г/м3).

В химической промышленности основными источниками выбросов в атмосферу являются производства аммиака и азотной кислоты, серной кислоты, фосфора и фосфорной кислоты, минеральных удобрений.

В азотных производствах выбросы отходящих газов происходят в основном из-за неплотностей в оборудовании, при заполнении продуктом железнодорожных цистерн, продувке инертными газами, а также в процессе заполнения различных емкостей. Н�