Е. В. Сугак, Н. А. Войнов, Р. А. Степень, Н. Ю. Житкова, Сибирский государственный технологический университет, Красноярск (Россия)
Представлены экспериментальные и теоретические исследования гидродинамики, массообмена и эффективности очистки от газообразных и дисперсных примесей в дисперсно-кольцевом двухфазном потоке. Разработаны аппараты, позволяющие снизить вредные выбросы до установленных ПДВ при сравнительно небольших энергетических затратах.
Введение
В связи с ухудшающейся экологической обстановкой проблема очистки промышленных газовых выбросов от газообразных и дисперсных примесей стала проблемой общенационального характера. Особое значение она приобрела в нашей стране из-за того, что природоохранным мероприятиям не уделялось должного внимания.
В настоящее время в мире в атмосферу ежегодно попадает около 25 млрд т только двуокиси углерода (в том числе в России v 1.6 млрд т). В 1997 г. в рамках Конвенции ООН по изменению климата принят документ, в соответствии с которым все развитые страны и страны с переходной экономикой (в том числе Россия) обязаны к 2000 г. сократить выбросы в атмосферу двуокиси углерода, метана, азотных соединений, высокодисперсных частиц и других примесей, вызывающих парниковый эффект, до уровня 1990 г., а к 2008 г. v еще на 3 v 8 % [1]. По оценкам объем выбросов в России к 2010 г. составит 92 v 96 % от уровня 1990 г.
В работе рассматриваются вопросы, связанные с очисткой промышленных газов предприятий гидролизной промышленности, которые являются источниками повышенной экологической опасности, что создает для отрасли серьезную проблему в связи с ужесточением экологических требований и резко возросшими размерами платы за выбросы.
В связи с несовершенством технологических процессов и оборудования на предприятиях гидролизной промышленности в атмосферу поступают отходящие газы, содержащие различные по токсичности газы, пары органического происхождения, мелкодисперсные капли жидкости, твердые частицы (пыль) исходного сырья, лигнина, дрожжей, золы и др. На санитарное состояние атмосферы в первую очередь влияют выбросы основных производственных цехов: отработанный воздух из ферментеров, содержащий углекислый газ, частицы субстрата и живые микроорганизмы; теплоноситель, выбрасываемый из сушилок, содержащий пары воды и частицы сухих микроорганизмов размером 3 v 16 мкм; выбросы из гидролизных аппаратов, инверторов и отстойников, экологическая опасность которых в первую очередь связана с наличием в газе фурфурола; выбросы несконденсированных газов из ректификационных колонн, содержащие метанол и целый ряд органических кислот. Помимо этого существуют выбросы котельных и вспомогательных отделений. Например, из одной известковой печи с объемом выбросов 30000 м3/ч в атмосферу ежегодно попадает 2.5 т твердых частиц, 7.6 т диоксида азота, 8.5 т диоксида серы, 0.6 т окиси углерода. Количество вредных выбросов только по Красноярскому биохимическому заводу оценивается в сотни тонн в год.
Сложность организации очистки газов на предприятиях гидролизной промышленности заключается в необходимости одновременного удаления из газа газообразных и дисперсных (твердых или жидких) компонентов, а также поддержания оптимальной температуры процесса.
Снижение выбросов до предельно допустимых норм (ПДВ) можно осуществить путем внедрения новых и интенсификации существующих технологических процессов очистки.
Сравнительный анализ основных известных методов очистки (абсорбционных, адсорбционных, каталитических и термических) показывает, что для осуществления комплексной очистки газа наиболее приемлем абсорбционный ("мокрый") способ. Мокрая очистка не требует дополнительной подготовки газов и применения дорогостоящих катализаторов или адсорбентов, позволяет одновременно проводить очистку от газовых выбросов и дисперсных частиц при оптимальном температурном режиме.
Сравнительный анализ основных характеристик известных аппаратов "мокрого" типа показывает (табл. 1), что среди них наибольшей эффективностью обладают высокоскоростные трубы Вентури, пенные аппараты, аппараты с псевдоожиженным слоем и пленочные трубчатые аппараты.
Среди них пленочные аппараты, работающие в дисперсно-кольцевом режиме. Они обладают рядом дополнительных преимуществ: в этих аппаратах возможна совместная очистка от газообразных и дисперсных включений, достаточно просто обеспечивается оптимальная температура в зоне контакта фаз, они устойчиво работают в широких диапазонах нагрузок по газу и жидкости, имеют малые габариты и сравнительно простое конструктивное оформление, обеспечивают большое время контакта (в 100 раз больше, чем в трубах Вентури). При этом в пленочных аппаратах легко решаются проблемы масштабного перехода, и данные, полученные в лабораторных или опытно-промышленных условиях на одиночной трубе, могут быть перенесены на промышленный аппарат. Кроме того, легко организуется несколько интенсивных зон очистки, возможен естественный подвод газа за счет энергии орошающей жидкости, что обеспечивает транспортировку загрязненного газа без дополнительных механических устройств и существенно снижает общие энергозатраты.
В трубчатых насадках пленочного аппарата (рис. 1) газ контактирует с жидкостью в виде пленки на поверхности трубы и капель в ядре потока. Улавливание газообразных компонентов обеспечивается физической или химической абсорбцией, повышение эффективности достигается увеличением коэффициентов массоотдачи за счет турбулизации жидкости и газа, например, путем установки винтовой искусственной шероховатости на пленкообразующую поверхность [2]. Винтовая шероховатость, кроме того, обеспечивает вращательно-поступательное движение пленки жидкости и тем самым стабилизирует ее течение за счет центробежной силы, сохраняет устойчивое пленочное течение при отклонении труб от вертикали и отложениях на пленкообразующей поверхности труб.
Другой способ повышения эффективности улавливания газообразных выбросов связан с созданием дополнительной поверхности контакта фаз.
Основные показатели аппаратов для мокрой очистки газов
| Показатель | Труба Вентури | Полый Скруббер типа СП | Пенный аппарат | Скруббер с шаровой насадкой | Пленочный трубчатый (нисходящий прямоток) |
| Габариты: высота, м; диаметр, м; масса, т | 4.99;2.8¦1.9;1.26 | 17.4;0.9;6.8 | 8.8;1.6;2.5 | 8.3;1.2;2.3 | 4.8;1.7;1.5 |
| Потери напора в линии подачи жидкости, мм вод ст | 80 000 | 80 000 | 8 000 | 8 000 | 3 000 |
| Гидравлическое сопротивление, мм вод. ст. | 300 v 3000 | 100 v 220 | 100 v 350 | 100 v 500 | 10 v 350 |
| Удельные энергозатраты, кВтЧч/тыс.м3 | 2 v 4 | 0.99 v 1.7 | 0.6 v 2.8 | 0.6 v 2.82 | 0.23 v 2.12 |
| Коэффициент массоотдачи в жидкости, м/с | (1v2.5)Ч10-4 | 10-5v104 | (0.6v5.5)Ч102 | (0.5v5)Ч102 | (0.2v1)Ч10-1 |
| Скорость газа по сечению, м/с | 1.4 v 7.7 | 5 v 9 | 0.9 v 4 | 6 v 15 | 1 v 30 |
| Концентрация взвеси, г/л | < 0.5 | v | v | < 10 | v |
| Минимальный диаметр улавливаемых частиц, мкм | 1v3 | 5v10 | 2 | 1v6 | 1v3 |
| Время пребывания в зоне контакта, сек. | 0.01 | 1.5v4 | 0.03 | 0.05 | 0.16v5 |
| Эффективность, %:- по SO2- по NO2- дисперсных частиц | 50 v 86v90 v 100 | 50v99 | 76 (фтор)v90 | 736995 | 908995v100 |
Примечание. В таблице приведены показатели аппаратов при расходе газа 20 тыс. м3/ч и жидкости 20 м3/ч
Увеличение площади пленкообразующей поверхности требует конструктивного усложнения аппарата, поэтому наиболее простым способом создания дополнительной межфазной поверхности является увеличение концентрации капель в ядре потока за счет обеспечения дисперсно-кольцевого режима течения или искусственного разбрызгивания жидкости с пленки в поток газа (при содержании жидкости в ядре потока 20 % суммарная поверхность капель превышает поверхность пленки).
Улавливание частиц при дисперсно-кольцевом режиме осуществляется за счет их осаждения на капли жидкости в результате турбулентной коагуляции и на поверхность пленки в результате турбулентной диффузии и турбулентной миграции. Кроме того, при необходимости повышения эффективности улавливания частиц возможно использование центробежной силы, возникающей при вращательно-поступательном движении двухфазного потока.
Основными преимуществами прямоточных центробежных сепараторов являются возможность обеспечения эффективного разделения в широком диапазоне расхода газа и концентрации дисперсной фазы (твердых или жидких аэрозольных частиц) при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении, надежность и простота конструктивного оформления [3]. При примерно равных затратах энергии и производительности прямоточные центробежные сепараторы превосходят обычные циклоны по эффективности разделения (особенно для частиц с размерами менее 5v10 мкм [4]). По общей эффективности они близки к мокрым электрофильтрам, по фракционной v к мокрым пылеуловителям (для частиц размером 0.5v1.0 мкм v даже к тканевым фильтрам [5]). Для улавливания частиц размером менее 1 мкм частицы укрупняют за счет ввода пара и конденсации на поверхности частиц за счет охлаждения потока через стенку канала одновременно с осаждением под действием центробежной силы в дисперсно-кольцевом режиме.
Образовавшаяся пленка жидкости (конденсата) с твердыми частицами движется по стенке рабочей камеры, через кольцевой канал поступает в сепарационную камеру и в виде шлама удаляется из аппарата. Газ через переточный патрубок 2 поступает на следующую ступень очистки. Очищенный газ выводится из аппарата через выходной патрубок 7. В зависимости от начального размера частиц и требуемой степени очистки аппарат может состоять из нескольких ступеней, число рабочих камер на каждой ступени определяется расходом газа.