Вопросы для составления техзадания по расчету тепловой

Применение модели абсорбционно-конденсационной газоочистки для расчета
ПДВ предприятия ОАО «Азот» (г. Кемерово)
Хромова Е.М.1, Козловская И.Г.1, Токмаков С.В.2
1
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2Кузбасский государственный технический университет
В настоящей статье представлен ряд вариантов расчетов процессов пыле- и газоочистки, реализуемых в полых форсуночных скрубберах, применительно к условиям
работы шахтных печей (реакторов) цеха кальцинированной соды предприятия ОАО
«Азот» (г. Кемерово), проведенных на основе модели комплексно-абсорбционной газоочистки, разработанной на каф. ОиВ ТГАСУ [1].
В связи с тем, что центробежно-пленочные скрубберы (2 на каждый из 4-х реакторов), предназначенные для нейтрализации кислотной среды дымовых газов, поступающих из ректоров, их очистки от пыли и вредных газовых компонентов, и прежде
всего от SO2, работают в жестких температурных условиях (температура дымовых газов на входе в скруббер около 800°С), желательно предусмотреть предварительное
охлаждение их на горизонтальном участке трубопровода, соединяющем стояк и скруббер, до 400°С. Охлаждение можно провести циркуляционной водой с помощью форсуночного орошения. Это позволит применить не центробежно-пленочные скрубберы, у
которых часть циркуляционной воды используется для защиты стенок скрубберов от
высоких температур и довольно слабо участвует в процессе абсорбции газов, и практически не участвует в улавливании солей и механических примесей, а полые скрубберы
с подачей воды через центробежно-струйные форсунки с цилиндрическим вкладышем.
Эти форсунки достаточно эффективно и равномерно распыляют циркуляционную воду
по сечению аппарата. Такой подход позволит повысить эффективность скрубберов по
очистке дымовых газов от оксидов серы, солей и в большей степени от механических
примесей. Кроме того, при оптимальных режимных параметрах подачи циркуляционной воды через форсунки достигается снижение температуры дымовых газов на выходе
из скрубберов до 100°С. При этих условиях циркуляционная вода при температуре около 80-90°С, проходя через теплообменник, способна передавать тепло воде, используемой в отопительных системах. Схема материальных потоков в системе реактор–стояк–
скрубберы изображена на рис.1.
2V1
L
L
скруббер
реактор
стояк
Продукты и воздух на
окисление
V1
V1
Рис. 1. Схема материальных потоков скрубберов для очистки дымовых газов
Дымовые газы по предлагаемой схеме после реактора проходят стояк, где происходит окончательное окисление горючих веществ, и направляются в вертикальные цилиндрические полые скрубберы (абсорберы), орошаемые циркуляционной водой центробежно-струйными форсунками с цилиндрическим вкладышем. Общий расход газов со-
4,0
・
ставляет на каждый скруббер V1 = 25 тыс. нм3/ч. Давление в скруббере близко к атмосферному. Молекулярная масса дымовых газов Мг = 26 кг/кмоль. Плотность дымовых
газов при нормальных условиях 0 = 1,16 кг/м3. Температура газов на входе в скруббер
по действующей схеме t1 = 800 °C, на выходе t2 = 200 °C. Температура газов на входе в
скруббер t1 = 400°C, на выходе t2 = 100°C (предложение). Расход циркуляционной воды
на каждый скруббер L= 15 м3/ч. Температура воды, подаваемой на орошение θ1=20 °C.
Скорость капель на выходе из форсунки 30 м/с (по расчету). Диаметр скруббера D = 2,4
м, высота скруббера H = 10,9 м. Размер пылевидных частиц в дымовом газе δ 100 мкм.
Примем средний размер частиц 50 мкм, по которому проведем расчет эффективности
очистки скруббера от механических частиц. Среднемассовый размер капель циркуляционной воды, выходящих из форсунок 700 мкм (по расчету). Плотность частиц 1,875 т/м3.
Концентрация частиц в газовом потоке на входе в скруббер х = 0,632 г/м3. Состав дымовых газов, поступающих в абсорбер, примем по регламенту (параметры представлены
далее в тексте). Параметры нереагирующей части газов примем по воздуху.
Ниже приведены графики изменения термодинамических параметров для существующего (обозначены цифрой 1) и для предлагаемого техническим решением
(обозначены цифрой 2) процессов при температуре дымовых газов на входе в скруббер
800 и 400 °C соответственно.
U, м/с
700
3,8
650
3,6
600
3,4
1
550
3,2
3,0
450
2,6
400
0,2
0,4
2
500
2
2,8
2,4
0,0
Т, К
0,6
0,8
1,0
x/l
Рис. 2. Зависимость скорости дымовых газов
от высоты скруббера
350
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
x/l
1,0
Рис. 3. Зависимость температуры дымовых газов от
высоты скруббера
На рис. 2. представлена зависимость изменения скорости U дымовых газов с паром от безразмерной высоты скруббера x/l, где х – текущая координата от нижней части
скруббера, l = 10,9 м – рабочая высота скруббера, на рис. 3 – зависимость изменения
температуры дымовых газов по высоте аппарата, на рис. 4 – изменение концентрации
пыли, на рис. 5 – изменение влагосодержания.
Из графиков рис. 2 и 3 видно, что при начальной средней скорости дымовых
газов по сечению скруббера около 3,8 м/с на входе в аппарат их скорость снизилась до
2,6 м/с за счет снижения температура газов от 400 °С почти до 100°С (рис. 3, кривая 2).
Таким образом, дымовые газы из скруббера выходят с более низкой температурой, чем
из действующих на производстве аппаратов (около 200 °С, рис. 3, кривая 1), что означает, что происходит более полная утилизация теплоты циркуляционной водой.
Концентрация с механических примесей (частиц) в потоке дымовых газов снизилась достаточно сильно, как показано на рис. 4, кривая 2, что позволило получить
степень очистки дымовых газов в скруббере 96,2%.
Необходимо отметить, что расчеты, проведенные для существующих производственных условий (температура газов на входе в скруббер около 800°С), дали значительно более низкую степень очистки – 86,3%. Этим условиям отвечает кривая 1 на
рис. 4. Эффективность абсорбирования SO2 на каплях воды в обоих случаях расчетов
оказалась весьма низкой – менее 1 %, что объясняется высокими температурами газов,
при которых растворение SO2 в воде практически отсутствует.
2
-4
8
3
c x 10 , кг/м
0,40
d, кг/кг сух. газа
0,35
0,30
6
1
0,25
0,20
4
0,15
1
2
2
0
0,0
0,2
2
0,10
0,05
0,4
0,6
0,8
x/l
1,0
Рис. 4. Зависимость концентрации механических
примесей в дымовых газах по высоте скруббера
0,00
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
x/l
Рис. 5. Распределение влагосодержания по высоте
скруббера
В связи с выше изложенным можно сделать вывод, что предварительное охлаждение дымовых газов перед скруббером позволяет провести процесс в скрубберах не
только до достаточно глубокой очистки от механических примесей и солей, но и использовать более полную утилизацию теплоты газов.
Предварительное охлаждение дымовых газов до температуры 400 °С позволяет
снизить среднюю скорость на входе в скруббер с 6 м/с до 3,8 м/с (на рис. не показано),
что также влияет на повышение эффективности очистки.
В обоих вариантах расчетов, как следует из рис. 5, идет испарение капель и
насыщение дымовых газов парами воды. На частицах пыли конденсат не образуется и их
улавливание осуществляется только за счет механического столкновения с каплями при
неизменных их размерах (без конденсата). Все расчеты рис. 2–5 проведены при следующих параметрах, помимо указанных выше: 2 – q =2,4·10-4 м3/м3, δk0 =700 мкм,
Vk0 =30 м/с, Тk0 =293 К, d0 =3,79·10-4 кг/кг, Т00 =673 К, U0 =3,79 м/с, δч0 =50 мкм, с0=0,632
г/м3, dSO ,0 =3,17·10-4 кг/кг; 1 – q =1,59·10-4 м3/м3, δk0 =700 мкм, Vk0 =30 м/с, Тk0 =293 К,
2
d0 =0, Т00 =1073 К, U0 =6,036 м/с, δч0 =50 мкм, с0=0,632 г/м3, dSO ,0 =3,17·10-4 кг/кг.
Для очистки дымовых газов от SO2 следует применить вторую ступень с орошением холодной водой, например, прямоточный полый скруббер, в котором за счет
конденсации паров воды на более тонких фракциях частиц одновременно будет существенно повышена эффективность пылеулавливания. Для примера проведены расчеты
для такой второй ступени при следующих параметрах на входе, соответствующих выходу из первой: U0 =0,25 м/с, Vk0 =30 м/с, Тk0 =293 К, Т00 =353 К (80 °С), q =0,015 м3/м3,
δk0 =700 мкм, с0=2,38·10-5 кг/м3, δч0 =5 мкм, d0 =0,3 кг/кг, dSO ,0 =3,17·10-4 кг/кг. Получена
2
2
эффективность абсорбционного извлечения SO2 SO2 ≈3 %. При распылении жидкости
до δk0 =100 мкм и всех остальных параметрах SO2 ≈44,632 % и при δk0 =100 мкм и
Тk0 =278 К (5 °С) SO2 ≈58,2 %. Для более эффективного извлечения SO2 можно устанавливать многоуровневое орошение. Во всех вариантах расчета эффективность улавливания частиц пыли с размером δч0 =5 мкм получена равной 100 %.
Для установления оптимальной организации утилизации тепла и газоочистки
по улавливанию пыли и извлечению SO2 и других газов из дымовых выбросов с требуемой эффективностью для конкретных условий производства достаточно, как показывает проведенный анализ, провести серию расчетов на основе предложенной модели и
выбрать наиболее приемлемый с технико-экономической точки зрения вариант. При
этом модель должна быть усовершенствована на учет поэтапных расчетов от ступени к
ступени, полидисперсности пыли и многокомпонентности состава очищаемого газа за
счет присутствия в нем нескольких, предназначенных для абсорбционного извлечения
компонентов.
3
Список используемой литературы
1. Шиляев М.И, Хромова Е.М., Толстых А.В. Контактный тепло- и массообмен
в форсуночных и барботажных аппаратах. Моделирование, оптимизация тепломассообмена и абсорбционно-конденсационной пылегазоочистки. – Германия: LAP
LAMBERT Academic Publishing, 2012. – 273 с.
4