Введение
Грандиозные масштабыпроизводственной деятельности человека привели к большим позитивнымпреобразованиям в мире – созданию мощного промышленного и сельскохозяйственногопотенциала, широкому развитию всех видов транспорта, ирригации и мелиорациибольших земельных площадей, созданию систем искусственного климата. Вместе стем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Дальнейшее ухудшение состоянияэкосферы может привести к далеко идущим отрицательным последствиям длячеловечества. Поэтому охрана природы, защита ее от загрязнений стала одной изважнейших глобальных проблем.
Одним из следствийтехногенного влияния на окружающую среду в ряде стран в настоящее времяявляется заметное ухудшение состояния атмосферного воздуха. Наиболеекрупнотоннажные (млн. т. в год) глобальные загрязнения атмосферы образуют СО/>(2*10/>), СО (200), SO/>(150), NO/>(50), сероводород.
Под очисткой газовогопотока понимают отделение от него или превращения в безвредную формузагрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу вместе с газовым потоком.Воздушными массами загрязнения могут переноситься на большие расстояния исущественно влиять на состояние атмосферы и здоровья человека.
В частности, происходящеес интенсивностью 0,4% в год накапливание в атмосфере СО/>вследствие поглощения имИК-излучения солнца может вызвать глобальное повышение температуры(«парниковый» эффект). Трансформация в атмосфере SO/>, NO/>и других анологичной природы выбросов можетзавершаться образованием кислотных туманов и выпадению кислотных дождей (снегов),вызывающих коррозию многих неорганических материалов (объектов), а так жеугнетению и уничтожению различных объектов флоры и фауны.
Многофакторноотрицательное влияние атмосферных загрязнений и на животный мир, и, вчастности, человека. Так. Даже малые концентрации SO/>при продолжительном воздействии обуславливаютвозникновение у человека гастрита, ларингита и других болезней. Предполагаютдаже связь между содержанием в воздухе SO/>и уровнем смертности от рака легких. Оксид углеродаинактивирует гемоглобин, обусловливая кислородную недостаточность живых тканей,и вызывает расстройство нервной и сердечно-сосудистой систем, а такжеспособствует развитию атеросклероза. Сероводород вызывает головную боль,слабость и тошноту и даже в малых концентрациях может обусловливатьфункциональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой систем.Оксиды азота сильно раздражают дыхательные органы, приводя к возникновению вних воспалительных процессов, под их влиянием образуется метгемоглобин,понижается кровяное давление, возникает головокружение, рвота, одышка, возможнапотеря сознания.
Эти обстоятельстваобуславливают жесткие требования, предъявляемые к производственным выбросам ватмосферу и содержанию загрязнений в атмосферном воздухе. Выполнение этихтребований контролируется специальными службами предприятий, а такжеведомственных и государственных органов путем, а частности, установлениясоответствия измеряемых показателей регламентируемым величинам ПДК и ПДВ.
I. Литературный обзор
Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, вкотором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс – выделениерастворимого газа из раствора – носит название десорбции.
В абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы –жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую (приабсорбции) или, наоборот, из жидкой фазы в газовую (при десорбции). Такимобразом, абсорбционные процессы являются одним из видов процессовмассопередачи.
На практикеабсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составныечасти которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем взаметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентамиили просто компонентами, а не поглощаемые составные части – инертным газом.
Жидкая фазасостоит из поглотителя и абсорбируемого компонента. Во многих случаяхпоглотитель представляет собой раствор активного компонента, вступающего вхимическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество, в которомрастворен активный компонент, будем называть растворителем.
Инертный гази поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкойфазах. При физической абсорбции инертный газ и поглотитель не расходуются и неучаствуют в процессах перехода компонента из одной фазы в другую. Прихемосорбции поглотитель может химически взаимодействовать с компонентом.
Протеканиеабсорбционных процессов характеризуется их статикой и кинетикой.
Абсорбционные методы очистки отходящих газов подразделяются по следующимпризнакам: 1) по абсорбируемому компоненту; 2) по типу применяемого абсорбента;3) по характеру процесса – с циркуляцией и без циркуляции газа; 4) поиспользованию абсорбента – с регенерацией и возвращением его в цикл(циклические) и без регенерации (не циклические); 5) по использованию улавливаемыхкомпонентов – с рекуперацией и без рекуперации; 6) по типу рекуперируемогопродукта; 7) по организации процесса – периодические и непрерывные; 8) поконструктивным типам абсорбционной аппаратуры.
II. Абсорбционные методы очисткиотходящих газов от примесей кислого характера
2.1 Очистка газов отдиоксида серы
2.1.1. Абсорбция водой
Абсорбция водой диоксидасеры сопровождается реакцией:
/> />
Растворимость SO/>в воде мала. Зависимость между общей концентрацией SO/>а растворе и равновесным давлением /> выражается формулой:
/>,
где /> - равновесное давление SO/>; /> - константа фазового равновесиядля SO/>, м/>*Па/кмоль; К — константаравновесия реакции.
При абсорбции SO/>водой процесс лимитируется диффузионнымсопротивлением со стороны газа и жидкости. Он может быть проведен а абсорберахразличной конструкции. Для колонн с провальными и сетчатыми тарелками коэффициентымассоотдачи могут быть определены из уравнений:
/>,
/>,
где /> и /> - диффузионные критерииНуссельта для газа и жидкости; /> и /> - диффузионные критерии Прандтлядля газа и жидкости; /> и /> - критерии Рейнольдса для газа ижидкости; /> и/> -коэффициенты массоотдачи со стороны газа и жидкости, м/с; /> - поверхностно-объемныйдиаметр пузырьков газа, м (/>; /> и /> - коэффициенты молекулярнойдиффузии SO/>в газе и жидкости, м/>/с; /> и /> - кинематическиекоэффициенты вязкости газа и жидкости, м/>/с; /> и /> - скорость газа и жидкости агазожидкостном слое, м/с.
В связи с низкойрастворимостью диоксида серы в воде для очистки требуется большой ее расход иабсорберы с большими объемами. Удаление SO/>из раствора ведут при нагревании его до 100/>С. Такимобразом, проведение процесса связано с большими энергозатратами.
2.1.2 Известняковые иизвестковые методы
Достоинством этих методовявляется простая технологическая схема, низкие эксплуатационные затраты,доступность и дешевизна сорбента, возможность очистки газа без предварительногоохлаждения и обеспыливания.
На практике применяютсяизвестняк, мел, доломиты, мергели. Известь получают обжигом карбонатных породпри температуре 1100 — 1300/>С.
Процесс абсорбциидиоксида серы для известкового и известнякового методов представляется в видеследующих стадий:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
Протекание тех или иныхреакций зависит от состава и рН суспензии. В присутствии в растворе различныхпримесей процесс абсорбции значительно усложняется. Например, действиенебольших количеств /> повышает степень очистки истепень использования известняка. При этом протекают следующие реакции:
/>
Для расчета равновесияпри использовании солей кальция предложены эмпирические уравнения:
для системы />:
/>
для системы />:
/>/>
для системы />/>
/>
/>.
2.1.3 Магнезитовый метод
Диоксид серы в этомслучае поглощают оксид – гидрооксидом магния. В процессе хемосорбции образуютсякристаллогидраты сульфита магния, которые сушат, а затем термически разлагаютна />-содержащийгаз и оксид магния. Газ перерабатывают в серную кислоту, а оксид магниявозвращают на абсорбцию.
В абсорбере протекаютследующие реакции:
/>
Растворимость сульфитамагния в воде ограничена, избыток его в виде /> и /> выпадает в осадок.Технологическая схема процесса представлена на рис. 1.
/>
Рис. 1. схема установкиочистки газа от диоксида серы суспензией оксида магния: 1 – абсорбер; 2 –нейтрализатор; 3 – центрифуга; 4 – сушка; 5 – печь.
Дымовые газы поступают вабсорбер Вентури, орошаемый циркулирующей суспензией. Отношение Т: Ж в суспензии1:10, рН суспензии на входе 6,8 – 7,5, а на выходе из абсорбера 5,5 – 6. составциркулирующей суспензии (в %): /> /> /> вода и примеси – 79,65.
В абсорбере кромесульфита образуется некоторое количество сульфата:
/>
Образование сульфатанежелательно, так как для его разложения необходима более высокая температура(1200-13000С). При таких условиях получается переобожженный />, который имеет малуюактивность по отношению к />. Для устранения образованиясульфата необходимо использовать ингибиторы окисления или проводить процесс вабсорберах при малом времени контакта газ – жидкость. Другой путь – производитьобжиг сульфата в присутствии восстановителей. В этом случае сульфатвосстанавливается в сульфит.
Из нейтрализатора частьсуспензии выводят на центрифугу для отделения кристаллогидратов солей магния.Обезвоживание солей производят в сушилках барабанного типа с мазутной копкой.Безводные кристаллы обжигают во вращающихся печах или печах кипящего слоя при9000С, в печь добавляют кокс. При этом идет реакция:
/>
Концентрация /> в газе,выходящем из печи, 7 – 15%. Газ охлаждают, очищают от пыли и сернокислотноготумана и направляют на переработку в серную кислоту.
Выгружаемый из печипродукт содержит 86,1% /> и 3,4% />. Его охлаждают до 1200С воздухом,идущим на сгорание мазута в топках, после чего отправляют на абсорбцию.
Достоинства магнезитовогометода: 1) возможность очищать горячие газы без предварительного охлаждения; 2)получение в качестве продукта рекуперации серной кислоты; 3) доступность идешевизна хемосорбента; 4) высокая эффективность очистки.
Недостатки: 1) сложностьтехнологической схемы; 2) неполное разложение сульфата магния при обжиге; 3)значительные потери оксида магния при регенерации.
2.2 Очистка газов отсероводорода
2.2.1 Вакуум –карбонатные методы
В этих методахсероводород поглощается из газов водным раствором карбоната натрия или калия.Затем раствор регенерируют нагреванием под вакуумом, охлаждают и сновавозвращают на абсорбцию. В основе методов лежит реакция:
/>
В следствие различнойрастворимости />, />, /> и /> для абсорбции применяют растворыразной концентрации. Поташ лучше растворим в воде, поэтому применяются болееконцентрированные его растворы, которые имеют высокую поглотительнуюспособность. Это позволяет уменьшит его расход, а также сократить расход парана регенерацию поташа и расход энергии на перекачивание раствора.
Недостатком использованияраствора поташа является их высокая стоимость. Исходя из этого, чаще используютсодовый метод.
Если производитсярегенерация раствора без рекуперации сероводорода, то раствор нагревают врегенераторе, а из него воздухом отдувают сероводород. При этом некотороеколичество сульфида натрия окисляется до тиосульфата, что приводит к понижениюконцентрации абсорбирующей жидкости, поэтому периодически ее заменяют свежей.Технологическая схема очистки газа от сероводорода вакуум – карбонатном методомс получением из сероводорода серной кислоты приведена на рис.2
/>
Рис.2. Схема установкиочистки газа от сероводорода вакуум – карбонатном способом: 1 — абсорбер; 2, 9– насосы; 3 – холодильник – конденсатор; 4 – теплообменник; 5 – подогреватель;6 – регенератор; 7 – циркуляционный подогреватель; 10 – холодильник; 11 –вакуум – насос; 12 – холодильник; 13 – печь; 14 – котел – утилизатор.
После очистки газа вабсорбере раствор подают в холодильник – конденсатор, где его подогревают засчет тепла конденсации паров, выделяющихся при регенерации поглотительногораствора. Затем раствор проходит теплообменник и подогреватель и поступает врегенератор. Раствор регенерирует кипячением под вакуумом (15,6 кПа).Регенерированный раствор направляют в емкость, а затем через теплообменник ихолодильник – на орошение абсорбера. Выделяющиеся при регенерации раствора парысероводорода и воды отсасываются вакуумом – насосом через конденсатор –холодильник, где конденсируется значительная часть паров воды. Далее парыпоступают в холодильник, а затем в печь для сжигания сероводорода. Из печигазовая смесь, состоящая из диоксида серы, водяных паров, кислорода и инертныхгазов, при 9000 С, а затем направляется на окисление в контактный аппарат.После окисления газы направляют на абсорбцию для получения серной кислоты.
2.2.2 Фосфатный процесс
Для абсорбциисероводорода фосфатным методом применяют растворы, содержащие 40 -50% фосфатакалия:
/>
Из раствора сероводородудаляют кипячением при 107 – 1150С. Коррозии кипятильников при этом ненаблюдается. Растворы стабильны, не образуют продуктов, ухудшающих их качество.Достоинством процесса является также селективность раствора к сероводороду вприсутствии />.
2.2.3 Процесс «Stretford»
В этом процессесероводород абсорбируют раствором (рН=8,5 – 9,5), содержащим кроме карбонатанатрия эквимолекулярное количество ванадата натрия – аммония иантрахинон-2,6-2,7-дисульфоната (АДА). Кроме того к раствору добавляют натрий –калиевую соль винной кислоты, чтобы ванадат не выпал в осадок.
Суммарные реакции:
абсорбция
/>
получение серы
/>
рекуперация ванадата припомощи АДА
/>
окисление АДА кислородомвоздуха
/>
Достоинством процессаявляется возможность исключить очень токсичные арсениты.
2.2.4 Щелочно –гидрохиновый метод
Сущность метода впоглощении сероводорода щелочными растворами гидрохинона. При регенерациирастворов выделяются элементарная сера и тиосульфата натрия. Гидрохинонявляется катализатором. Чем выше концентрация хинона в растворе, тем активнеераствор. Метод состоит из следующих стадий:
взаимодействиесероводорода с карбонатом натрия (содой)
/>
окисление гид2росульфиданатрия хиноном (окисленная форма гидрохинона)
/> /> />
регенерация соды
/>
регенерация хинона
/> /> />
Последняя стадияосуществляется за счет кислорода, содержащегося в газе, и протекает параллельнос процессами поглощения и окисления сероводорода. Более полную регенерациюхинона проводят в регенераторах.
В процессе абсорбциипротекает следующая побочная реакция:
/>
Накопление в растворе /> и /> приводит кснижению его поглотительной способности вследствие уменьшения концентрациикарбоната натрия и снижения рН среды. Для поддержания активностипоглотительного раствора непрерывно добавляют свежие растворы соды игидрохинона. Для поддержания рН раствора в пределах 9 – 9,5 добавляют 42%-йраствор едкого натрия.
Абсорбцию сероводородапроводят в полом абсорбере с форсунками или плотности орошения 4,35 м3/ч на 1м3 орошаемого объема. Раствор регенерируют, пропуская через него (барботаж)сжатый воздух. При этом происходит окисление гидрохинона до хинона и флотациивыделившейся серы, которую в виде пены собирают на поверхности раствора.Одновременно здесь же происходит окисление части гидросульфида др тиосульфата.Серная пена собирается в пеносборнике, а затем поступает на вакуум – фильтр,где происходит ее отделение. Полученную серу плавят в автоклаве.
Метод позволяют очиститьгаз от начального содержания сероводорода в газе 0,185 г/м3 до 0,02 г/м3.степень очистки газа зависит от концентрации в нем сероводорода, скоростидвижения газа в абсорбере и интенсивности орошения, концентрации активныхкомпонентов в растворе и его рН, температуры процесса, от равномерностираспределения раствора в абсорбере.
2.2.5 Абсорбцияэтаноламинами
В этих методахсероводород поглощают растворами моноэтаноламина и триэтаноламина.Преимущественно используют 15 – 20%-й водный раствор моноэтаноламина, посколькуон обладает большей поглотительной способностью на единицу массы растворителя,большей реакционной способностью и легко регенерируется.
Технологическая схемаочистки газов от сероводорода растворами этаноламина представлена на рис. 3.
/>
Рис.3. Схема установкиочистки газа от сероводорода раствором этаноламина: 1 – абсорбер; 2,5 –холодильники; 3,6 – теплообменники; 4 – регенератор.
2.3 Очистка газов отоксидов азота
2.3.1 Абсорбция водой
При абсорбции диоксидаазота водой в газовую фазу выделяется часть оксида азота, скорость окислениякоторого при низких концентрациях мала:
/>
Для утилизации оксидовможно использовать разбавленные растворы пероксида водорода с получениемазотной кислоты:
/>
Основным фактором,определяющим экономику процесса, является расход пероксида водорода. Онприблизительно равен 6 кг на 1 т кислоты в сутки.
Разработан процессочистки газов водой и циркулирующей />. Физическая абсорбция оксидовазота в азотной кислоте увеличивается с ростом концентрации кислоты ипарциального давления />. Увеличение поверхности контактаспособствует протеканию процесса, так как на границе раздела фаз идет реакцияокисления NO в NO2. Для интенсификации процесса используют катализатор.Степень очистки может достигать 97%.
2.3.2 Абсорбция щелочами
Для очистки газовприменяют различные растворы щелочей и солей. Хемосорбция диоксида азотараствором соды протекает по уравнению:
/>
Уравнения для хемосорбции/> различнымищелочными растворами или суспензиями представлены ниже:
/>
/>
При абсорбции /> активностьщелочных растворов убивает в такой последовательности:
/>
1 0,84 0,80 0,78 0,63 0,560,51 0,44 0,4
/>
0,40 0,39 0,35
Цифры под каждым изщелочных растворов показывают их активность относительно раствора />, активностькоторого условно принята за единицу. Данные приведены для начальнойконцентрации растворов 100 г/л и времени проскока газа 10 мин. Активностьщелочных растворов определяется начальным рН раствора. Активность тем выше, чемвыше этот показатель.
При абсорбции растворамиаммиака образуются соединения с низкой температурой разложения. Например, образующийсянитрит аммония /> при 560С полностью распадается:
/>
2.3.3 Селективныеабсорбенты
Для очистки газов от /> при отсутствиив газовой фазе кислорода могут быть использованы растворы /> /> /> /> для первых растворовпротекают реакции с образованием комплексов:
/>
При нагреве до 95 – 1000Скомплекс /> распадаетсяи /> выделяетсяв чистом виде, а восстановленный раствор вновь возвращают в производстве.Аналогично разлагается и комплекс />.
Раствор /> является наиболеедоступным и эффективным поглотителем. В качестве абсорбента могут бытьиспользованы и травильные растворы, содержащие />. Поглотительная способностьраствора зависит от концентрации /> в растворе, температуры иконцентрации /> в газе. При температурах 20 –250С раствор может поглощать /> даже при небольших концентрациях.Предел растворимости оксидов азота соответствует соотношению />. Присутствие в растворесерной и азотной кислот, солей и органических веществ снижает егопоглотительную способность. Однако наличие в растворе 0,5 – 1,5% (об.) сернойкислоты предохраняет /> от окисления кислородом воздухадо />.
Использование растворов />, />, /> приводит кдефиксации азота:
/>
Таким же образом /> взаимодействуети с растворами />, />, />.
При температуре выше2000С /> взаимодействуетс аммиаком по реакции:
/>.
Серная кислотаиспользуется для поглощения /> и /> с образованием нитрозилсернойкислоты:
/>
При нагреваниинитрозилсерной кислоты или при разбавлении ее водой происходит выделение оксидовазота:
/>
Взаимодействие оксидовазота с жидкими сорбентами наиболее эффективно протекает при 20 – 400С.
2.4 Метод одновременнойочистки газов от диоксида серы и оксидов азота
Отходящие газы,содержащие />,образуются при сжигании сернистого топлива. Для их очистки применяюткомплексные методы. Абсорбционные методы удаления /> из – за низкой химическойактивности оксида азота включает те или иные стадии окисления и восстановления.Степень очистки в комплексных методах обычно составляет 90% от /> и 70 – 90% от />. Одновременнаяочистка может проводиться щелочными растворами. При абсорбции растворами /> и /> в качествепобочных продуктов образуются />, />, />, />, а при абсорбции />, />.
Окисление /> может быть проведено вгазовой фазе полностью или частично – до образования эквимолярной смеси />. В жидкой фазе– при использовании жидкофазных катализаторов, например,этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК) с добавками соединений двухвалентногожелеза, которые вводят в раствор едкого натра или сульфита натрия.
В ходе реакции оксидысеры и азота превращаются в имидодисульфонат и дитионат, которые затемпереводят в аммиак, азот, сульфат натрия и гипс. Метод может быть применен приочистки газов, образующих при сжигании высокосернистых топлив.
Вариант процесса очисткис образованием сульфата аммония показан на рис. 4.
/>
рис. 4. Схема установкиочистки газов от оксидов азота и серы с получением сульфата аммония:
1 – пылеуловитель; 2 –тарельчатый скруббер; 3 – реактор окисления; 4 – холодильник; 5 – центрифуга; 6– реактор; 7 – нейтрализатор; 8 – конденсатор; 9 – узел отделения железа; 10 –кристаллизатор; 11 – центрифуга.
Топочные газы сначалаочищают от пыли и хлоридов в скруббере, орошаемом водой. После этого газ подаютв тарельчатый скруббер, орошаемый циркулирующей аммонизированной жидкостью, всостав которой входят ионы железа и ЭДТК. При контактировании жидкости и газапоглощается 70 – 85% /> и 90% />. Часть жидкости после скруббераотводят на окисление, которое проводят, барботируя через раствор бисульфатааммония атмосферный воздух. Продукты реакции подкисляют серной кислотой дорН=0,5, затем охлаждают в холодильнике до 0 – (-10)0С, что позволяеткристаллизовать 90% ЭДТК. Ее отделяют от раствора в центрифуге и возвращают вскруббер. Содержащийся в маточной жидкости имидодисульфонат аммония и дитионатразлагают при нагревании до 120 – 1300С и при давлении 0,3 МПа до сульфатааммония. Выделяющейся диоксид серы направляют в основной скруббер. Затемжидкость нейтрализуют аммиаком, концентрируют, освобождают от соединений железаи направляют на кристаллизацию сульфата аммония. Сульфат аммония может бытьиспользован в качестве удобрения.
Возможны модификацииэтого процесса, исключающий вывод сульфата аммония, с рекуперацией аммиака. Поодному из вариантов, образовавшийся сульфата аммония обрабатывают известью, врезультате получается аммиак и гипс. По другому варианту его термическиразлагают до бисульфита аммония и аммиака. Затем бисульфит обрабатываютэлементной серой с образованием диоксида серы и аммиака. Диоксид серы в средесероводорода конвертируют в серу. Весь аммиак возвращают в скруббер.
Для процесса очисткивозможно использование натриевых солей в присутствии ЭДТК и солей железа.Степень очистки в этом случае составляет 80 – 90% от /> и 90% от />. Образующийся сульфат натрияобрабатывают сульфитом кальция и диоксидом серы, получая гипс и регенерируяионы натрия. В качестве поглотителя /> можно также использовать оксидмагния с получением гипса и нитрата кальция.
III. Выбор схемы и технологическийрасчет аппаратов для очистки газов на ТЭЦ, сжигающих мазут
3.1 Сжигание мазута
3.1.1 Существующие проблемы
При сжигании мазута накотельных и ТЭЦ приходится сталкиваться с радом негативных факторов, которыевлияют на надежность работы энергетического оборудования, приводят кнеоправданным затратам топлива и загрязнению атмосферы. Следует отметитьследующие из них:
1) Традиционные методыподготовки топлива (отстой и сепарация) сопровождаются потерями топлива сотходами в количестве до 10 %, что к тому же увеличивает количество отходовподлежащих утилизации (уничтожению) и повышает опасность загрязнения окружающейсреды. Для высоковязких топлив, получаемых компаундированием, отстой исепарация оказываются недостаточно эффективными из-за их высокойнеоднородности.
2) Ухудшение качествапоставляемого в настоящее время мазута вследствие интенсификации переработки нефти(с целью получения большего количества светлых продуктов), приводит к повышениювязкости и температуры вспышки мазута. Использование вязких и тяжелых мазутовсопряжено со значительными трудностями — как при хранении, так и при сжигании(описаны в конце раздела).
3) Старение мазута впроцессе длительного хранения. Из мазута испаряются легкие фракции, чтоприводит к повышению его вязкости и температуры вспышки. Как правило, после 2-3лет хранения сжигание такого мазута становится весьма проблематичным, и егоприходится заменять более свежим, со всеми неизбежными затратами.
4) Загрязнение окружающейсреды продуктами сгорания мазута (оксиды азота, сажа, бенз(а)пирен) и сброснымиводами, содержащими нефтепродукты.
5) Отложения сажи, копотии кокса из-за неполного сгорания топлива, что вынуждает регулярно останавливатькотлы для профилактических работ.
При закупках топлива (вчастности темного печного топлива) по наиболее низкой цене игнорируютсятребования по его фракционному составу и теплофизическим характеристикам. Приэтом потребитель получает в лучшем случае тяжелые мазуты, либо отходынефтепереработки, разжиженные газойлевыми фракциями, а зачастую – продуктызачистки нефтешламовых амбаров с обводненностью более 20%, с большимколичеством механических примесей и органики, разбавленные кубовыми остаткаминефтехимических производств. При эксплуатации топливных хозяйств на такомсуррогате происходит расслоение топлива, при котором в верхнем слоеконцентрируются легкие углеводороды с недопустимо низкой температурой вспышки,а в нижних слоях практически негорючий органический осадок. Сжигание легкихуглеводородов сопряжено с высокой вероятностью возникновения пожаров и выходаоборудования из строя, а попадание на горелочные устройства нижних слоеврасслоенного топлива приводит к засорению форсунок и погасанию факела, причемповторный розжиг котлов на таком «топливе» весьма проблематичен. Кроме того,сжигание в котлах и печах применяемых разбавителей влечёт неконтролируемыйвыброс особо опасных вредных веществ, отравление персонала, наносит ущербокружающей среде.
Следует заметить, что набольшинстве предприятий имеются производственные отходы, которые требуют затратна утилизацию.
3.1.2 Существующие способы решения
Обводнённые мазутыобезвоживаются сепараторами, стоимость которых превышает стоимость котловсредней мощности. Поэтому сепарацию могут позволить себе лишь некоторые крупныеобъекты. Лежалые мазуты разбавляются органическими растворителями, что влечётуже отмеченные ранее негативные последствия. Указанные проблемы радикальноустраняются путем приготовления водо-топливных эмульсий (ВМЭ) и диспергациитоплив. Сжигание водо-топливной эмульсии сильно отличается от горениянеобработанного топлива. Микронные капли воды, окруженные оболочкойуглеводородного топлива, испаряются в нагретой до высоких температур топке соскоростью взрыва. Пары воды разрывают топливо – происходит вторичнаядиспергация топлива. В результате из исходной капли топлива образуетсямножество микрокапель, скорость испарения и суммарная площадь взаимодействиякоторых с подаваемым в топку дутьевым воздухом повышается многократно.Происходит многократное ускорение окислительных реакций и, соответственно,обеспечивается возможность снижения количества подаваемого на сжигание воздуха,что приводит к сокращению потерь тепла с уходящими газами и значительномууменьшению массовых выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того,вследствие высокой стойкости получаемых водо-топливных эмульсий из технологиитопливоподготовки исключаются операции отстаивания и слива подтоварной воды,что также является важным результатом в обеспечении экологической чистотыфункционирования объектов.
С восьмидесятых годовпрошлого века и до сих пор для приготовления ВМЭ используютсяроторно-пульсационные аппараты (РПА), а также т.н. «кавитаторы» статическоготипа. Подобным оборудованием торгует ряд украинских и белорусских фирм, а такжеряд компаний из Центрального и Уральского федеральных округов РФ. Аппараты этихтипов недолговечны и малоэффективны. В частности, «кавитаторы» быстроразъедаются создаваемой на их рабочих поверхностях кавитацией. РПА имеютбольшое количество сопряжённых подвижных частей, крайне чутких к механическимпримесям в составе мазута, что осложняет техническое обслуживание их. И РПА, и«кавитаторы» требуют большого количества прокачки обрабатываемых топлив(болеепяти даже для сравнительно кондиционных топлив).
Недостатки известных аппаратов устранены в описанной нижеСПЖТ «БРАВО». Данный эффективный и малозатратный метод предусматриваетпредварительную обработку исходного мазута (либо печного топлива) с получением водо-топливнойэмульсии и последующее сжигание эмульсии в топках котлов и технологическихпечей. Существенным требованием к эмульсии, обеспечивающим эффективность еёиспользования, является ее дисперсность. Наилучшие результаты достигаются придисперсности водяных частиц от 5 до 20 мкм.
ЗАО «БРАВО Технолоджиз» разработана система подготовки жидкихтоплив (СПЖТ) «БРАВО» для обеспечения сжигания как стандартных, так инекондиционных мазутов и печных топлив (рис.5).
/>
Рис. 5. Установка волнового диспергатора БРАВО в мазутномхозяйстве котельной
3.2 Выборсхемы
Наибольшие выбросыдиоксида серы существуют при совместном сжигании высокосернистого газовогопромпродукта с мазутом (6057 кг/ч), а наименьшие — при совместном сжиганиимазута и угля по данным ТЭЦ (3369 кг/ч). Концентрация хлоридов изменялась взависимости от сжигаемого топлива слабо и средняя, их концентрация в газах составилапримерно 100 мг/м3. Поскольку характеристики дымовых газов, образующихся присжигании шлама с мазутом, имеют промежуточное значение, то для дальнейших,расчетов взяты крайние значения характеристик. Следует оговорить, что общая,степень золоулавливания принята равной 99%. В качестве реагента по согласованиюс ТЭЦ взят мел с содержанием кальцита СаСОз равным 95%. На дальнейших стадияхсоздания сероочистки будет применяться угочненный химсостав фактическипоставляемого реагента. Учитывая возможное изменение количества образующегося вдымовых газах диоксида серы, наиболее пригодной технологией, обеспечивающейтребуемую глубокую очистку газов, является мокрая известняковая сероочистка.Она имеет следующие достоинства:
-применяемый реагент — известняк, нетоксичен и практически нерастворим в воде;
-получаемый продуктсероочистки — двухводный гипс, также нейтрален и нейтрален и не оказывает вредноговоздействия на окружающую среду;
-повышенные содержаниядиоксида серы в очищаемых газах достаточно легко компенсируются, увеличениемрасхода циркулирующей в абсорбере суспензии;
— избыток реагента, вцикле превышает стехиометрическое соотношение не более чем на 5%;
-двухводный гипс легкоскладируется и может при необходимости быть использован для изготовления различныхстроительных материалов.
По безопасности,потреблению энергии, возможной степени очистки мокрая, известняковая технологиядля данной электростанции является предпочтительной. При этом использованиемела вместо известняка позволяет отказаться от весьма дорогой системы дробленияи тонкого размола реагента, что снижает потребление энергии на собственныенужды.
3.3 Технологическийрасчет аппаратов
1. Масса поглощаемоговещества и расхода поглотителя
Пересчитаем исходныеконцентрации в относительные массовые доли:
/>
где:
/> – мольная масса абсорбтива;
/> – мольная масса инертного газа;
Объемный расход инертногогаза при рабочих условиях:
/>
Массовый расход инертногогаза:
/>
/>
где: />– плотность инертногогаза при 0 0C;
Уравнение материальногобаланса:
/>
Используя данные равновесия:
/>
Отсюда минимальный расходпоглотителя:
/>, так как />здесь
/>концентрация абсорбтива в воде,равновесная с газом начального состава; определяем из уравнения равновеснойпрямой:
/> здесь
/> – мольная масса воды
/> => />, где
/> где />,
здесь Е-коэффициент Генри,П-давление среды.
Действительный расход:
/>
Удельный расходпоглотителя:
/>
2. Движущая сила массопередачи
Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимаямодель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу вединицах концентрации газовой фазы:
/>
/>кг/кг
3. Скорость газа и диаметр абсорбера
Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочныхабсорберов, можно рассчитать по уравнению:
/>, здесь
/> — ускорение свободного падения;
/>-плотность воды;
/>так как поглотитель вода;
Подбираем насадку:
/> — удельная поверхность насадки;
/>свободный объем, тогда
/>
Принимаем рабочуюскорость равную:
/>
Определяем диаметрабсорбера из уравнения расхода:
/>
Выбираем стандартныйдиаметр обечайки абсорбера и определяем действительную рабочую скорость газа вколонне.
4. Плотность орошения и активная поверхность насадки
Плотность орошения:
/>, где
/>
Минимальная эффективнаяплотность орошения:
/>, где
/>линейная эффективная плотностьорошения;
Доля активной поверхностинасадки /> можетбыть найдена:
/> здесь
p, q – коэффициенты.
5. Расчет коэффициентов массоотдачи и массопередачи
Коэффициент массоотдачи в газовой фазе:
/>,здесь
/> –эквивалентный диаметр насадки;
Dy — коэффициентдиффузии;
/>
/> — мольные объемы;
Диффузионный критерийНуссельта для газовой фазы:
/>, здесь
Критерий Рейнольдса длягазовой фазы в насадке:
/> здесь
/>вязкость газа
/>, здесь
/>вязкость газа при 00C;
С=114 – константаСатерленда;
Диффузионный критерийПрандтля для газовой фазы:
/>, тогда
Коэффициент массоотдачи вжидкой фазе:
/>, здесь
/> — приведенная толщина стекающейпленки жидкости, здесь />вязкость воды;
/> - коэффициент диффузии абсорбтивав воде при 200C;
Диффузионный критерийНуссельта для жидкой фазы:
/>, здесь
Модифицированный критерийРейнольдса для стекающей по насадке пленке жидкости:
/>
газ жидкостьадсорбция очистка
Диффузионный критерийПрандтля для жидкой фазы:
/>,
Коэффициент массоотдачи:
/>
Переводим коэффициентымассоотдачи в требуемую размерность:
/>
/>
Коэффициент массопередачипо газовой фазе:
/>
6. Поверхностьмассопередачи и высота абсорбера
Поверхность массопередачив абсорбере:
/>
Высота насадки, требуемаядля создания этой поверхности:
/>,
Высота абсорбера:
/> здесь
/> – число слоев
/>высота одного слоя;
/> – расстояние между слоями;
/> – высота сепарационной части;
/> – высота кубовой части.
IV. Расчет предотвращенногоэкологического ущерба
Предотвращенныйэкологический ущерб от выбросов загрязняющих веществ в атмочферу — оценка вденежной форме возможных отрицательных последствий от выбросов загрязняющихвеществ, которые в рассматриваемый период времени удалось избежать в результатедеятельности природоохранных органов, проведения комплекса воздухоохранныхмероприятий, реализации природоохранных программ (Временная методикаопределения предотвращенного экологического ущерба. Утверждена председателемГоскомэкологии РФ 09.03.99).\
Определение величиныпредотвращенного экологического ущерба состоит из решения трех заданий:
1. Расчетпредотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения водной среды
2. Расчетпредотвращенного ущерба от загрязнения атмосферного воздуха
3. Расчет величиныущерба от ухудшения и разрушения почв и земель, предотвращенного в результатеприродоохранной деятельности.
4.1 Расчетпредотвращенного ущерба от загрязнения атмосферного воздуха
Определить величинуэколого-экономического ущерба в заданном регионе, предотвращенного в результатепроведения природоохранных мероприятий по охране атмосферы от выбросовзагрязняющих веществ.
Укрупненная оценкавеличины предотвращенного ущерба от выбросов загрязняющих веществ в атмосферуможет проводиться как для одного крупного источника или группы источников, таки для региона в целом. В качестве оцениваемой группы источников могутрассматриваться все источники в данном городе, регионе, рассматриваемые какединый «приведенный» источник.
Предотвращенныйэколого-экономический ущерб от выбросов загрязняющих веществ в атмосферныйвоздух />,тыс. руб./год) к рассматриваемом экономическом районе РФ за расчетный периодвремени определяется по формуле:
/>
Пояснение к формуле:
Ууд — показатель удельногоущерба от выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в рассматриваемомэкономическом районе РФ, руб/усл. т.
Кэ — коэффициентэкологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферноговоздуха территорий экономических районов России
Iд — индекс-дефлятор по отраслям промышленности,устанавливаемый
Минэкономики России.Принимаем равным 1;
Мпр — приведенная массавыброса загрязняющих веществ в регионе, сокращенного в результате проведениясоответствующих природоохранных мероприятий, тыс. усл. т/год.
Kэi — коэффициент относительной эколого-экономической опасностидля i-го загрязняющего вещества.
N — количество учитываемыхзагрязняющих веществ.
/>/>
/>
Пояснение к формуле:
/> - валовой объем приведенной массысокращенного сброса, тыс.усл. т/год;
/> - приведенная масса сброса,сокращенного в результате спада производства в регионе, тыс. усл. т/год;
M1 и M2 — соответственноприведенная масса сброса на начало и конец расчетного периода, тыс. усл. т/год;
Мнов - приведеннаямасса сброса новых предприятий и производств, тыс. усл. т/год;
Для расчета приведенноймассы загрязнений используются утвержденные значения предельно-допустимых концентраций(ПДК) загрязняющих веществ в воде водоемов рыбохозяйственного значения (какнаиболее жесткие). С помощью ПДК определяются коэффициентыэколого-экономичсекой опасности загрязняющих веществ как величина, обратнаяПДК: Кэi = 1/ПДК.
Приведенная массазагрязняющих веществ рассчитывается по формуле:
/>
Пояснение к формуле:
mi — масса фактического сброса i-гозагрязняющего вещества в водные объекты рассматриваемо региона, т/год;
Kэi – коэффициент относительной эколого-экономической опасностидля i-го загрязняющего вещества;
N — количествоучитываемых загрязняющих веществ.
i- номер вещества по порядку в таблице.
Заключение
В данной работе былирассмотрены абсорбционные методы очистки отходящих газов от примесей кислогохарактера. Наиболее эффективным направлением снижения выбросов являетсясоздание безотходных и малоотходных технологических процессов,предусматривающих, например, внедрение замкнутых газообразных потоков, однакодо настоящего времени основным средством предотвращения вредных выбросовостается разработка и внедрение эффективных систем очистки газов. При этом подочисткой газа понимают отделение о газа или превращение в безвредное состояниезагрязняющего вещества, поступающего от промышленного источника.
Следует отметить, чтосложный химический состав выбросов и высокие концентрации токсичных компонентовзаранее предопределяют многоступенчатые схемы очистки, представляющие собойкомбинацию разных методов.
Так же были рассмотренысхемы и технологический расчет аппаратов для очистки отходящих газов, а так жерасчет предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферноговоздуха.
Список используемойлитературы
1. Кузнецов И. Е., Троицкая Т. М.Защита воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами химическихпредприятий. М.: Химия, 1979.
2. Коузов П. А., Мальгин А. Д.,Скрябин Г. М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.:Химия, 1982.
3. Очистка и рекуперация промышленныхвыбросов / Под ред. В. Ф. Максимова и И. В. Вольфа. Изд. 2-е. М.: Леснаяпромышленность, 1981.
4. Очистка технологических газов /Под ред. Т. А. Семеновой и И. Л. Лейтеса. 2-е изд. М.: Химия, 1977.
5. Романков П. Г., Лепилин В. Н.Непрерывная адсорбция паров и газов. Л.: Химия, 1968.
6. Страус В. Промышленная очисткагазов / Пер. с англ. М.: Химия, 1981.
7. Дытнерский, Ю. И. Основныепроцессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г. С.Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский – Изд. 3-е, стереотипное. — М.: ООО ИД«Альянс», 2007.
8. Родионов А. И., Клушин В. Н.,Систер В. Г. Технологические процессы экологической безопасности. Калуга:Издательство Н. Бочкаревой, 2000.
9. Росляков П.В., Закиров И.А.Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловыхэлектростанциях. М.: Издательство МЭИ, 2001.