Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технология электрофизической очистки вентиляционных выбросов от паров органических растворителей с использованием тлеющего разряда

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Епхиева, Татьяна Семеновна, Москва

Российский Химико-Технологический Университет имени Д.И. Менделеева

Т.С. Епхиева

Технология электрофизической очистки вентиляционных выбросов от паров

органических растворителей с использованием тлеющего разряда

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

11.00.11—Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор Клушин В.Н.

Доктор физико-математических наук, профессор Акишев Ю.С.

Москва 1998 год

Содержание

стр.

Введение...................................................................................5

Глава 1. Методы обезвреживания отходящих газов, содержащих

пары органических соединений.........................................7

1.1. Физические и физико-химические методы обезвреживания отходящих газов, содержащих пары органических растворителей..............................................................................7

1.1.1. Конденсационные методы......................................................8

1.1.2. Метод компримирования......................................................11

1.1.3. Метод абсорбции................................................................12

1.1.4. Метод адсорбции.................................................................14

1.1.5. Метод каталитического окисления..........................................20

1.1.6. Метод термического обезвреживания.......................................23

1.1.7. Баромембранные методы......................................................27

1.1.8. Комбинированные способы очистки........................................29

1.1.9. Биологические методы очистки..............................................31

1.2. Электрофизические методы обезвреживания отходящих

газов................................................................................38

1.2.1. Электрофизические методы с генерацией химически активных частиц энергичными электронами...........................................38

1.2.2. Электрофизические методы с генерацией химически активных частиц УФ- и ВУФ-фотонами................................................54

1.3. Выводы. Задачи исследования. Защищаемые положения..............57

Глава 2. Объекты и методы исследований.............. .......................60

2.1. Объекты исследований...................... ...................................60

2.1.1. Паровоздушные смеси....................... ..................................60

2.1.2. Тлеющий разряд.................................................................62

2.2. Экспериментальная установка и её эксплуатация........................75

2.2.1. Схема экспериментальной установки.......................................75

2.2.2. Методика экспериментальных исследований.............................80

2.3. Энергетическое и аналитическое обеспечение экспериментальных исследований................................................................82

2.3.1. Средства и приёмы энергообеспечения.....................................82

2.3.2. Средства и приёмы аналитического контроля............................84

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение..............95

3.1. Оценка рациональности исследований рассматриваемого метода газоочистки применительно к обезвреживанию паровоздушных смесей летучих органических растворителей.............................86

3.2. К вопросу о кинетике деструкции паров летучих органических растворителей в их смесях с воздухом под воздействием электронного удара.............................................................88

3.3. Экспериментальные свидетельства трактовок механизмов электронно-ударного обезвреживания паров летучих органических растворителей в их смесях с воздухом................90

3.4. Влияние параметров паровоздушных смесей летучих органических растворителей на эффективность их обезвреживания тлеющим разрядом.............................................................96

3.4.1. Влияние влажности.............................................................96

3.4.2. Влияние концентрации паров летучих органических растворителей..................................................................100

3.4.3. Влияние температуры........................................................108

3.4.4.Влияние скорости транспортировки паровоздушной смеси...........109

3.5. Влияние характера и параметров тлеющего разряда на эффективность обезвреживания паровоздушных смесей

летучих органических растворителей.....................................112

3.5.1. Связь приведённой напряжённости электрического поля со скоростью транспорта ПВС.................................................113

3.5.2. Связь эффективности очистки с энерговкладом........................115

3.6. Исследование эффективности обезвреживания в поле тлеющего разряда многокомпонентных паровоздушных смесей летучих органических растворителей................................................118

Глава 4. Технике - экономическое обоснование технологии обезвреживания паровоздушных смесей летучих органических растворителей низких концентраций в поле тлеющего разряда.......................................................................124

4.1. Принципиальная схема производственной установки газоочист-

ки и её описание...............................................................124

4.2. Технико-экономическое обоснование разработанной технологии...127

4.2.1. Эффективный фонд времени работы оборудования и

система планово-предупредительного ремонта........................127

4.2.2. Расчёт капитальных затрат..................................................128

4.2.3. Определение баланса времени рабочего.................................131

4.2.4. Расчёт фонда заработной платы рабочего................................132

4.2.5. Определение стоимости электрической энергии........................133

4.2.6. Расчёт амортизационных отчислений.....................................134

4.2.7. Расчёт себестоимости продукции..........................................135

4.2.8. Оценка эколого-экономического эффекта................................136

Выводы.................................................................................143

Список литературы.................................................................146

Приложение...........................................................................157

Введение.

Проблемы защиты окружающей среды от антропогенного загрязнения в связи с их актуальностью в последние десятилетия привлекают всё возрастающее внимание общественности и учёных. Среди широкого крута этих проблем особое место занимают задачи защиты атмосферного воздуха от загрязнения различными углеводородами. Масштабы этого загрязнения весьма велики: только от стационарных источников в атмосферный воздух России, несмотря на резкий спад отечественного производства, согласно статистическим данным в 1993 году было выброшено 1,6 млн. т летучих органических растворителей и 2,5 млн. т других углеводородов (ежегодник Госкомстата РФ, М., 1994г.). В этой связи с учётом жёстких санитарных норм, действующих в России в отношении таких выбросов, задача их обезвреживания продолжает оставаться весьма актуальной.

Из выбросов с большим (более 100 г/м3) содержанием названной органики основные её количества можно извлекать с целью возврата их в производство методами конденсации и компримирования. Удовлетворительные результаты в ряде случаев обеспечивает использование абсорбционных методов, хотя при низких содержаниях целевых компонентов в подлежащих обезвреживанию потоках они обычно не обеспечивают должной глубины очистки вследствие равновесных закономерностей в соответствующих системах жидкость—пар и, кроме того, связаны с проблемами последующей утилизации отработанных поглотителей. Задачи фиксации органических паров из их смесей с воздухом, содержащих эти токсиканты в концентрациях 2-6 и более г/м"5, можно эффективно решать с привлечением методов углеадсорбционной рекуперации, также обеспечивающих в большинстве случаев самоокупаемый возврат в производство целевых компонентов. При меньших концентрациях затраты на углеадсорбционную очистку не

окупаются стоимостью рекуперированной органики и очистка становится убыточной. Кроме того, в таких случаях цикличная эксплуатация активных углей при обеспечении санитарной очистки обрабатываемых паровоздушных смесей связана с необходимостью более жёстких условий (повышенных температур) регенерации насыщенных поглотителей с целью минимизации их удерживающей способности. Используемые на практике биологические способы газоочистки очень индивидуальны, требуют предварительной подготовки отходящего воздуха, состав которого должен быть постоянным, иначе возникает много проблем по использованию фильтрующего слоя. Достаточно широко практикуют термические и в том числе каталитические методы обезвреживания низкоконцентрированных паровоздушных смесей, содержащих индивидуальные и особенно смешанные углеводороды, хотя использование этих методов для обработки больших объёмов таких смесей как правило ограниченно значительными затратами на дополнительное топливо. Иногда практикуют комбинированную очистку, основанную на сочетании названных методов.

В целом санитарная очистка слабоконцентрированных паровоздушных смесей углеводородов обычно представляет собой технологию, связанную со значительными затратами. В этой связи актуальны любые альтернативы, обеспечивающие решение названных задач с меньшими затратами. Одну из таких альтернатив представляет метод электрофизической очистки с использованием тлеющего разряда, разработка технологии которого являлась предметом настоящей работы.

Глава. 1. Методы обезвреживания отходящих газов, содержащих пары

органических соединений.

В настоящее время отсутствует единая классификация существующих методов обезвреживания отходящих газов различных промышленных производств и процессов, охватывающая всё их многообразие по чётко сформулированным единым принципам. Наряду с этим имеются достаточно детальные, но также неоднозначные классификации, касающиеся газовых выбросов различной химической природы [1-3]. В этой связи при изложенном ниже сопоставительном анализе методов обезвреживания и очистки отходящих газов, содержащих пары органических соединений, мы следовали в основном классификации, предложенной в работе [2], несколько модифицировав её применительно к целям настоящей работы. В соответствии с таким модифицированным вариантом названной классификации рассматриваемые методы могут быть разделены на две большие группы. Одну из них представляют физические и физико-химические приёмы, включающие в качестве наиболее практически важных методы конденсации, компримирования, абсорбции, адсорбции, катализа, баро-мембранной и термической обработки, а также их различные комбинации. Другую группу образуют электрофизические методы обезвреживания и очистки отходящих газов.

1.1. Физические и физико-химические методы обезвреживания отходящих газов, содержащих пары органических растворителей.

Для обезвреживания и очистки паровоздушных смесей, содержащих различные по номенклатуре и концентрации органические соединения, в рассматриваемом круге методов предложена весьма широкая гамма частично реализованных на практике приёмов, сопоставительный анализ ко-

торых наиболее удобен при их объединении в охарактеризованные ниже группы.

1.1.1. Конденсационные методы.

В основе метода конденсации лежит явление уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении температуры. При охлаждении содержащего пары растворителя отходящего воздуха до температур, находящихся ниже точки росы этого растворителя, последний образует легко отделяемый от паровоздушной смеси конденсат до тех пор, пока его парциальное давление не опустится до равновесной величины давления паров при данной температуре [4]. Достоинством метода является простота аппаратурного оформления и эксплуатации рекуперационной установки, типичная схема которой представлена на рис. 1.

В соответствии с этой схемой смесь паров растворителя с воздухом от источника её образования 1 транспортируют вентилятором 3 в теплообменник 2 для предварительного охлаждения потоком обеднённой по парам растворителя паровоздушной смеси ( поступающим из конденсатора 6 ) и далее в конденсатор 6, охлаждаемый до отрицательных температур циркулирующим в нём хладоагентом. Сконденсированный растворитель собирают, отводя через сепаратор 4, в ёмкости 5, а охлаждённую и обеднённую паровоздушную смесь передают в теплообменник 2, откуда в нагретом состоянии её направляют к источнику образования паров растворителя.

Метод является рентабельным лишь при содержании паров раство-

з

рителя в подвергаемом очистке потоке > 100 г/м [5], что существенно ограничивает область применения установок конденсационного типа. К недостаткам метода относят также высокие расходы хладоагента и низкий процент конденсации паров, обусловливающий малую степень извлечения ценных компонентов. Выход растворителей обычно не превышает 70-80 %.

Рис. 1. Принципиальная схема улавливания паров органических растворителей методом конденсации [4]: 1— технологический аппарат -источник образования паров растворителей; 2 - теплообменник; 3 - вентилятор; 4— сепаратор; 5 - ёмкость; 6— конденсатор.

Однако, несмотря на жёсткие ограничения, накладываемые на этот метод физико-химическими закономерностями равновесий в соответствующих системах "жидкость-пар", продолжаются работы, связанные в основном с усовершенствованием его аппаратурного оформления. Так, в частности, разработан низкотемпературный конденсатор для очистки газовых потоков от низких концентраций паров различных веществ [6]. Этот аппарат работает при непосредственном контакте хладоагента (жидкого азота) с очищаемым газовым потоком. Схема аппарата, иллюстрирующая принцип его работы, представлена на рис. 2.

Аппарат состоит из корпуса 1, в верхней части которого установлен контактный конический теплообменник 2 с патрубком 3 для ввода на очистку загрязнённого газа, патрубком 7 для подачи в теплообменник хладоагента и завихрителем 4. Эта же часть корпуса снабжена патрубком 5 для удаления очищенного газа и отработанного газообразного хладоагента. В

нижней части имеется патрубок 8 для удаления из аппарата уловленного компонента.

Рис. 2. Общий вид реактора низкотемпературной очистки газовых потоков:

1 - корпус ; 2 - теплообменник ; 3,5,7,8 - патрубки ; 4 - завихрителъ ; 6 -фильтр.

Внутри камеры между теплообменником 2 и патрубком 5 установлен фильтр 6. Принцип функционирования аппарата состоит в том, что хладоа-гент через патрубок 7 подают в конический контактный теплообменник 2 по тангенциональным каналам в виде пристеночного потока (завесы ), охватывающего всю внутреннюю поверхность теплообменника. Газовый поток для очистки вводят через патрубок 3 и завихритель 4. Угол при вершине теплообменника составляет 90°. Загрязнённый газ, контактируя при прямотоке с пристеночным потоком жидкого хладагента, охлаждается. Пары содержащегося в газе компонента кристаллизуются как на поверхности потока хладоагента ( на поверхности раздела фаз ), так и в объёме конической части теплообменника ( в газовой фазе ) [7].

Образующуюся суспензию, состоящую из остатка криогенной жидкости, несконденсированных газов и кристаллов улавливаемого вещества,

направляют в камеру корпуса 1, в которой кристаллизированное вещество отделяют и накапливают, а газы через фильтр 6 удаляют в атмосферу. Коническая форма теплообменника 2 обеспечивает неразрывность плёнки хладоагента, препятствует адгезии кристаллов удаляемых веществ к конструкционному материалу и исключает образование наледи на поверхности теплообменника. В подобных устройствах подвергают очистке загрязнённые хладоном, ацетоном, нефрасом и оксидами азота (с концентрациями

0,1-10 г/м ) газовые выбросы, образующиеся в машиностроении при очистке и обезжиривании поверхности различных изделий. Следует подчеркнуть, что на выходе газовых потоков из таких устройств концентрация в

з

них паров целевых компонентов обычно не превышает 0,15 мг/м , что более чем в 20 раз меньше величин соответствующих ПДК [6].

Вместе с тем необходимо отметить, что, несмотря на наличие подобных описанной разработок, широкого распространения в производственной практике для очистки низкоконцентрированных примесей метод конденсации не нашёл из-за чрезвычайно высоких энергозатрат [2]. Другими недостатками метода являются его взрывоопасность, обусловленная в основном очисткой паровоздушных смесей, содержание паров летучих растворителей в которых обычно превышает нижний предел их взрываемости, а также высокие эксплуатационные расходы по холодильным агентам [8].

1.1.2. Метод компримирования.

Метод компримирования базируется на том же явлении, что и метод конденсации, но применительно к парам растворителей, находящихся под избыточным давлением. По сравнению с методом конденсации метод компримирования более сложен в аппаратурном оформлении, так как требует наличия в схеме улавливания паров растворителей дополнительного ком-примирующего агрегата. Кроме того, он сохраняет все недостатки, прису-

щие методу конденсации, и не обеспечивает возможность улавливания паров летучих растворителей при их низких концентрациях в подлежащих очистке потоках в виду необходимости создания чрезвычайно высоких давлений (до нескольких сотен атмосфер), гарантирующих реализацию этой возможности [2].

1.1.3. Метод абсорбции.

В основе метода лежит явление растворимости паров летучих растворителей в органических жидкостях, минеральных маслах и в ряде случаев в водных растворах неорганических соединений и в воде. Для фи