VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Актуальность выбранной темы

Уголь является сложным органоминеральным соединением. При попадании в топку угольная частица претерпевает комплекс термохимических превращений, в результате которых происходит выделение газообразных и жидких летучих веществ, разложение углеводородных компонентов летучих продуктов с образованием сажистого углерода, образование твердых продуктов пиролиза.

Использование угля в качестве топлива обладает рядом преимуществ и недостатков. Основными преимуществами являются, конечно же, низкая стоимость топлива, обширные запасы и полная автономность котельной.

Но с другой стороны, использование твердого топлива приводит к повышенному содержанию оксидов серы и азота в продуктах сгорания. В связи с этим возрастает концентрация вредных выбросов, превышающая предельно допустимую. Для того, чтобы снизить концентрации оксидов, применяют аппараты серо- и азотоочистки.

В данной работе будет рассмотрен способ очистки газов от оксидов серы с помощью насадочного абсорбера. Абсорбентами могут быть индивидуальные жидкости или растворы активного компонента в жидком растворителе. Во всех случаях к абсорбентам предъявляют ряд требований, среди которых наиболее существенными являются: высокая абсорбционная способность, селективность, низкое давление пара, химическая инертность по отношению к распространенным конструкционным материалам (при физической абсорбции - также к компонентам газовой смеси), не токсичность, огне- и взрывобезопасность, доступность и невысокая стоимость. Для поглощения диоксида серы используют такие абсорбенты, как: вода, водные растворы: Na_{2SO3 (18—25%-ные),NH4OH (5—15%-ные), Са(ОН)2, Na2CO3 (15—20%-ные), NaOH (15—25%-ные), KОН, (NН4)2SО3(20—25%-ные), ZnSO3, K2СО3; суспензии CaO, MgO, СаСОз, ZnO, золы; ксилидин—вода в соотношении l : 1, диметиланилин C6H3(CH3)2NH2}

Учитывая достоинства и недостатки каждого из рассматриваемых патентов, а также принимая во внимания все рассмотренные нами способы газоочистки (мокрые, мокро-сухие, сухие), был выбран мокрый известковый способ удаления оксидов серы из продуктов сгорания, очистка от SO₂ в которых достигает 96-98%. Также в качестве сорбента используется недорогой и недефицитный материал, а полученный конечный продукт пригоден для дальнейшего использования. В результате рассмотрения аналогов установок по очистке от SO_x и NO_x была выбрана принципиальная схема установки.

Принципиальная схема установки

Рис. 1. Принципиальная схема системы очистки дымовых газов от оксида серы азота: 1 - Котел Е-160-9,8-540 КБТ; 2 - абсорбер очистки от SOx; 3 – реактор селективной каталитической очистки от NOx; 4 – регенеративный теплообменик; 5 - трубчатый газовоздушный теплообменник; 6 - парогазовый теплообменик; 7 - емкость хранения жидкого аммиака; 8 - испаритель аммиака; 9 - смеситель; 10 - ввод и раздача АВС; 11 - дымовая труба; 12 - электрофильтр

Продукты сгорания после котла проходят несколько этапов очистки от вредных компонентов. После котла установлен электрофильтр для удаления частиц золы. Затем газы поступают в полый скруббер, где происходит орошение известковым молоком. В результате химической реакции, которая происходит в скруббере, осуществляется удаление оксидов серы. На выходе из скруббера температура продуктов сгорания составляет приблизительно 55 ^оС. Следующая стадия очистки продуктов сгорания - это обезвреживание оксидов азота в реакторе селективно-каталитического восстановления(СКВ). При осуществлении данного процесса необходимо поддерживать высокий температурный уровень, так как эффективно процесс может протекать при температуре 250…400 ^оС. Следовательно, возникает необходимость подогрева обезвреживаемых продуктов сгорания с 55 ^оС до 250…400 ^оС. В предложенных способах данный подогрев осуществляется в расположенных последовательно по ходу продуктов сгорания теплообменнике-регенераторе и подогревателе. В подогревателе нагрев продуктов сгорания осуществляется либо за счет теплоты, выделяющейся при сжигании природного газа, либо за счет теплоты перегретого пара, отбираемого после котла.

Расчет котельного агрегата Е-160-9,8-540 КБТ (БКЗ-160-100)

Исходными данными по техническим характеристикам котельного агрегата и составу топлива служили параметры, сведенные в таблицы 1 и 2 соответственно [3].

Таблица 1. Технические характеристики котельного агрегата Е-160-9,8-540 КБТ (БКЗ-160-100)

Номинальная производительность, Dпе, т/ч	Давление пара на выходе из пароперегревателя РПЕ, МПа	Температура перегретого пара на выходе tПЕ, 0С	Температура питательной воды tПВ, 0С	Величина продувки Рпр, %
160	9,8	540	215	2

Таблица 2. Состав угля Кузнецкого месторождения(на рабочую массу)

Wp	Ap	Sрк	Sорг	Ср	Hp		Op	Марка
11	13,4	0,15	0,15	59,3	4,1	1,9	10	Д

Из расчета были определены следующие параметры:

• Коэффициент полезного действия котельного агрегата:

где где - потери теплоты с уходящими газами, %; - потери от химической неполноты сгорания, % ; - потери теплоты от механической неполноты сгорания, % ; - потери теплоты от наружного охлаждения, % ; - потери теплоты с физическим теплом шлаков, %

• Расчетные расходы действительного и условного топлива соответственно:

где - полное количество теплоты, полезно отданное в котле, кВт; - располагаемая теплота, кДж/кг; - КПД брутто котельного агрегата, %;

кг у.т./с

• Абсолютная адиабатическая температура горения:

где - теплота рециркуляционных газов, кДж/кг; - усредненная теплоемкость, кДж/кг·⁰С

Расчет насадочного абсорбера для очистки дымовых газов от оксидов серы

Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на развитой поверхности раздела фаз. Для интенсификации процесса абсорбции необходимы аппараты с развитой поверхностью контакта между жидкой и газовой фазами (абсорбента с газом-носителем) [4].

По способу образования этой поверхности и диспергации абсорбента, их можно разделить на четыре основные группы:

• пленочные,

• насадочные,

• барботажные (тарельчатые),

• распыливающие (брызгальные).

Насадочные абсорберы получили наибольшее применение в промышленности. Эти абсорберы (рис. 3) представляют собой колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы, которая служит для увеличения поверхности контакта соприкасающихся фаз – газа и жидкости. При наличии насадки увеличивается поверхность соприкосновения газа и жидкости. В насадочных колоннах обеспечивается лучший контакт обрабатываемых газов с абсорбентом, чем в полых распылителях, благодаря чему интенсифицируется процесс массопереноса и уменьшаются габариты очистных устройств. Поскольку в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки, то насадка должна иметь большую поверхность в единице объема.

Для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

• хорошо смачиваться орошающей жидкостью,

• оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку,

• создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу,

• иметь малую плотность,

• равномерно распределять орошающую жидкость,

• быть стойкой к агрессивным средам,

• обладать высокой прочностью,

• иметь невысокую стоимость.

Рисунок 3 - Схема насадочного абсорбера. 1 – насадка, 2 – опорная решетка,

3 – распылитель жидкости (брызгалка), 4 – направляющий конус

На насадочном абсорбере, показанном на рисунке, насадка 1 опирается на решётки 2, в которых имеются отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Газ поступает в колонну снизу и движется вверх противотоком по отношению к жидкости. Подаваемая на насадку жидкость должна быть равномерно распределена по сечению колонны. Для подачи жидкости применяют желоба, дырчатые трубы и другие устройства. В абсорбере, показанном на рисунке, жидкость подаётся на насадку при помощи распределительного стакана 3 (брызгалка), в котором имеется большое количество отверстий диаметром 3-6 мм. Жидкость поступает в распределительный стакан из напорного бака или подаётся непосредственно насосом и вытекает из отверстий стакана отдельными струями. Для предотвращения растекания жидкости к стенкам, иногда насадку засыпают не сплошь на высоту, а виде отдельных слоёв как показано на рисунке. Высота отдельных слоёв 1,5-3 м. Для перераспределения жидкости и отвода её от стенок под каждым слоем насадки, кроме нижнего, устанавливают направляющий конус 4.

Максимальную поверхностью контакта на единицу объема образуют седлообразные насадки «Инталокс» и Берля. Они имеют минимальное гидравлическое сопротивления, но стоимость их выше, чем у колец. Из кольцевых насадок наилучший контакт создают кольца Палля, но они сложны в изготовлении и дороже колец Рашига.

Рисунок 4 – Формы элементов насадки:

1 – седло Берля, 2 – кольцо Рашига, 3 – кольца Палля, 4 – розетка Теллера,

5 – седло «Инталокс»

К основным параметрам расчета относят [4]:

• Количество инертного газа (воздуха), поступающего в абсорбер:

где – количество поступающих газов, , - начальное содержание в воздухе, %

• Расход абсорбента:

где - удельный расход адсорбента

• Диаметр колонны:

где – коэффициент возможного увеличения производительности, – допустимая скорость газов, .

• Общая высота колонны:

где - высота верхней части колонны, м, - высота насадки, м, - высота нижней части колонны, м.

• Количество поглощенного SO₂ в единицу времени:

где – начальная и конечная массовые составы газовой фазы на входе в абсорбер и на выходе из него соответственно, кг/кг.

• Концентрация SO₂ на выходе из колонны:

где – концентрация оксида в воде, кг/кг.

Таблица 4 – Результаты расчета насадочного абсорбера

G, кг/с	М, кг/с	, м/с	ΔРд, МПа	L, кг/с	D, м	H, м
7,89	1,27	0,5	0,003	43,29	2,6	8

В результате расчета был выбран насадочный абсорбер. У такого типа абсорберов лучший контакт газа с абсорбентом, вследствие чего, процесс поглощения проходит быстрее и эффективнее, чем у других типов. А так же они просты в изготовлении и конструкции.

Цели исследования:

сокращение выбросов оксидов серы в окружающую среду.

К задачам исследования на данном этапе можно отнести:

• Разработка математической модели расчета установки сероочистки

• Выполнение вариантных расчетов и определение геометрических характеристик установки сероочистки

Следующий этап:

• Оптимизация геометрических характеристик абсорбера

• Повышение технико-экономических и экологических показателей установки

Оптимизация будет происходить по экологическим критериям: массовый выброс и платеж по этим выбросам, а также экономические критерии: капитальные затраты и эксплуатационные издержки.

Список использованной литературы:

• Пат. 2010154119/05, 28.12.2010 / Д.В. Сталинский, В.Д. Мантула, А.В. Дунаев, А.С. Лавошник, Г.Ф. Ганжа, Г.И. Амшарина, Г.М. Каненко//Бюл. – 2010 - №22 – С. 3.

• Пат. 2011117323/05, 05.10.2009 / Й. Менцель, О. Фон Морштайн//Бюл. – 2012 – №32 – С.2

• Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие – Издательство: ПГУ, 2006. – 201.

• Липов Ю.М. Компоновка и тепловой расчет парового котла (Учебное пособие для ВУЗов). – Издательство: Энергоатомиздат, 1988. – 208.

Код для цитирования: Скопировать