Способ улавливания вредных примесей выхлопных газов

 

Использование: для пылегазоулавливания в теплоэнергетической, металлургической, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: способ включает насыщение газового потока водяными парами путем подачи в него водяного пара и/или подачи и испарения тонкораспыленной воды с температурой выше конечной температуры потока после влажностного насыщения и с диаметром капель менее 200 мкм, охлаждение потока до температуры ниже точки росы с образованием конденсата на расстоянии от места смещения капель с потоком до полного испарения капель, обработку потока и/или только конденсата нейтрализующими агентами, удаление конденсата и подогрев потока из расчета, чтобы на выходе в атмосферу он имел температуру выше точки росы. Расход испаряемой воды, ее температуру и расстояние по потоку, на котором производят охлаждение потока, определяют по приведенным полуэмпирическим зависимостям. 1 табл.

Изобретение относится к процессам пылегазоулавливания и может быть использовано в теплоэнергетической, металлургической, химической, машиностроительной промышленности и других отраслях хозяйства.

Известен способ улавливания высокодисперсных аэрозолей, предусматривающий насыщение газового потока водяными парами в результате его пропуска между перегородками, покрытыми пленкой горячей воды, с последующим влажностным пересыщением потока путем его пропуска между охлаждаемыми холодной водой поверхностями узкоканальной насадки при градиентах водяного пара и температуры между парогазовым потоком и орошаемой холодной поверхностью соответственно, 100-150 г/мм и 14-20 град/мм [1] Недостатки известного способа следующие. Насыщение газового потока водяными парами путем испарения воды с поверхности недостаточно эффективно. Кроме того, технически сложно обеспечить создание на поверхностях перегородок пленки равномерной толщины, что приводит к перерасходу воды. Не даны количественные значения определяющих величин процесса термовлажностной обработки потока при насыщении водяными парами, что не позволяет найти все оптимальные параметры способа и устройства по способу. Способ предназначен для улавливания только аэрозолей, т.к. в нем отсутствует обработка потока и/или только конденсата нейтрализующими агентами для связывания газообразных вредных примесей. Малая интенсивность рассеивания в атмосфере остаточных вредных примесей и коррозионный износ газоходов и выхлопных (дымовых) труб, расположенных по потоку после улавливающих устройств. Это обусловливается отсутствием снижения плотности и осушения насыщенного парогазового потока, например, путем его подогрева после удаления конденсата.

Наиболее близким аналогом является способ улавливания вредных примесей выхлопных газов, включающий предварительное влажностное насыщение потока газа при смешении с влажной средой, последующее охлаждение потока до температуры ниже точки росы с образованием водяного конденсата, которое производят на расстоянии по потоку от места смешения влажной среды с потоком, соответствующим продолжительности испарительного процесса, удаление образовавшегося конденсата и последующий подогрев потока газа [2] Известный способ имеет следующие недостатки. Не даны количественные значения определяющих термовлажностные процессы величин, что не позволяет найти оптимальные параметры способа и устройств по нему. Малая интенсивность рассеивания в атмосфере остаточных вредных примесей и коррозионный износ газоходов и выхлопных (дымовых) труб. Перечисленные недостатки снижают эффективность улавливания оксидов серы и/или азота и увеличивают затраты по способу.

Цель изобретения повышение эффективности улавливания аэрозольных и газообразных вредных примесей выхлопных газов и снижение затрат.

Цель достигается тем, что в способе улавливания вредных примесей выхлопных газов, заключающемся в охлаждении газового потока до температуры ниже точки росы с образованием водяного конденсата, обработку потока и/или только конденсата нейтрализующими агентами и удаление конденсата из потока, перед охлаждением поток предварительно насыщают водяными парами путем подачи в него водяного пара и/или подачи и испарения тонкораспыленной воды с температурой выше конечной температуры потока, после его влажностного насыщения и с диаметром капель менее 200 мкм. Охлаждение потока производят от места смешения капель воды с потоком на расстоянии по потоку, где заканчивается испарение капель, а после удаления образовавшегося конденсата поток подогревают из расчета, чтобы на выходе в атмосферу он имел температуру выше точки росы. Массовый расход испаряемой тонкораспыленной воды, температуру подаваемой на испарение тонкораспыленной воды и расстояние по потоку, на котором происходит испарение капель воды после смешивания с потоком, определяют по полуэмпирическим зависимостям: , 7·10 1, (1) + 5,84·10^-3t_н(1+41,86·10^-2m⁰_н^,5- (2) +1+ exp × (3) где G_в массовый расход испаряемой воды для насыщения газового потока до 100% относительной влажности, кг/с, G_н начальный массовый расход газового потока до насыщения, кг/с, m_н начальное влагосодержание газового потока, кг/г сухого газа, t_н начальная температура газового потока, ^оС, t_в температура подаваемой на испарение воды, ^оС, t_к конечная температура газового потока при насыщении до 100%-ной относительной влажности за счет испарения воды, ^оС, l длина пути испарения капель воды в газовом потоке, м, d начальный диаметр испаряемых капель воды, мкм, V скорость газового потока, м/с.

Полуэмпирические зависимости (1)-(3) выведены в результате обработки исходных данных, полученных при решении методом последовательных приближений процессов увлажнения газовых потоков путем адиабатического испарения воды (водяных капель) до 100%-ного насыщения. При этом использовались уравнения теплового баланса, теплосодержания влажного газа, Максвелла (рост капель при фазовых переходах жидкости) и др. Зависимости (1)-(3) справедливы для условий: давление, близкое к атмосферному, начальные температура и влагосодержание газового потока соответственно, t_н 60-140^оС, m_н 0-120 г/кг сухого газа, температура испаряемой воды t_в 60-80^оС.

Влажностное пересыщение слабонасыщенных высокотемпературных газовых потоков с целью образования водяного конденсата без предварительного искусственного насыщения путем введения влаги, а только за счет охлаждения до температуры ниже точки росы потока требует больших энергетических затрат. Предварительное влажностное насыщение (доувлажнение) обеспечивает последующее образование большего удельного количества водяного конденсата, приходящегося на единицу массы потока и вредных примесей. При этом создаются более благоприятные условия для интенсификации процессов образования, роста и выпадения в осадок капель водяного конденсата, растворения в нем вредных примесей, конденсационного укрупнения частиц вредных примесей, когда они являются ядрами конденсации. Ядрами конденсации в газовых потоках могут быть жидкие или твердые гигроскопические и негигроскопические незаряженные частицы вредных примесей и их ионы, в том числе и газообразные.

Насыщение путем введения водяного пара наиболее целесообразно для низкотемпературных, а в результате испарения воды для высокотемпературных газовых потоков. В последнем случае испарение воды осуществляется за счет использования тепловой энергии потока (адиабатический процесс) и поэтому влажностное насыщение потока сопровождается резким снижением его температуры. Это очень важно для эффективности газоулавливания, т.к. растворимость газов в воде (конденсате) увеличивается с понижением температуры.

Максимальное влагосодержание, а также максимальное снижение температуры при увлажнении потока за счет испарения воды достигается при насыщении до 100% -ной относительной влажности. Оптимальный расход влаги при этом определяется по зависимости (1).

Испарение воды происходит, когда парциальное давление насыщенных водяных паров над поверхностью воды больше парциального давления паров в газовом потоке, в противном случае происходит обратный процесс конденсация на поверхности воды водяных паров из потока. Условие для эффективного испарения воды и насыщения потока до 100% относительной влажности обеспечивается, когда температура подаваемой на испарение воды выше конечной температуры потока после полного влажностного насыщения, что определяется по зависимости (2).

То, что вода для испарения подается в тонкораспыленном виде, объясняется прямой зависимостью при прочих равных условиях интенсивности процесса испарения от площади испаряемой поверхности. Время полного адиабатического испарения (τ) и длина пути испарения (l) капель чистой воды в газовом потоке в зависимости от их начального значения представлены в таблице. Начальные параметры газового потока: температура t_н 100^оС, влагосодержание m_н 75 г/кг сухого газа, температура распыляемой воды t_в 70^оС, конечные параметры потока после испарения капель, температура t_к 52,47^оС, влагосодержание m_к100,1 г/кг сухого газа, относительная влажность ϕ_к ≈ 100% Скорость газового потока U 20 м/с.

Согласно данным таблицы, оптимальная длина камеры испарения для капель воды с начальным диаметром 40 мкм должна быть равной 1 м, для 120 мкм 8,9 м, а для 200 мкм уже 24,7 м. При каплях воды размером более 200 мкм время их испарения становится достаточно продолжительным, поэтому для обеспечения оптимальных энергетических затрат за счет полного испарения капель необходимо существенно увеличивать размеры установок по способу.

На расстоянии по потоку от места смешивания капель воды с потоком до их полного испарения, определяемом по зависимости (3), производят резкое охлаждение потока на температуры ниже точки росы. Выполнение данного условия обеспечивает достижение оптимума по расходу испаряемой воды и влажностного насыщения при минимальных размерах камеры испарения, т.е. и всей установки по способу.

Резкое охлаждение потока с влажностным пересыщением и образованием конденсата водяных паров может быть выполнено различными способами: путем пропуска потока через поверхностный теплообменник конденсатор, смешивания с холодным воздухом, контакта с холодной водой в виде пленки или капель, адиабатического расширения и т.д.

Вредные примеси, содержащиеся в парогазовом потоке в газообразном, жидком (каплеобразном) или твердом виде, в результате конденсационного укрупнения, абсорбции, адсорбции и т.д. улавливаются конденсатом.

Парогазовый поток и/или только конденсат, который вследствие растворения в нем оксидов серы, азота и др. является кислым, обрабатывают нейтрализующими агентами, например, щелочным раствором с получением солей для предотвращения обратимых химических реакций и нейтрализаций. Затем путем осаждения на поверхностях теплообменника-конденсатора, выпадения в осадок, сбора в тумано- и каплеуловителях и т.д. конденсат с уловленными вредными примесями удаляют из потока.

После удаления конденсата относительная влажность потока порядка 100% или несколько меньше при наличии в нем гигроскопичных частиц. При дальнейшем движении потока по газоходам в результате теплообмена через стенки с окружающей средой, адиабатического расширения в вертикальных дымовых трубах он продолжает охлаждаться и пересыщаться. Происходит дополнительное образование и выпадение водяного конденсата, который вследствие растворения в нем остаточных вредных примесей (оксидов серы, азота и др.) является кислым. Кислый конденсат корродирует газоходы и дымовые трубы, что приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат по способу. Поэтому после удаления образовавшегося конденсата поток подогревают из расчета, чтобы на выходе в атмосферу он имел температуру выше точки росы. Кроме осушения, подогрев потока уменьшает плотность выхлопных газов и создает условия для лучшего их конвективного подъема и рассеивания в атмосфере. Подогрев потока может быть осуществлен за счет теплоты от внешнего источника, использования части теплоты, содержащейся в этом потоке до его увлажнения и т.д.

Внедрение изобретения требует сравнительно незначительных капитальных и эксплуатационных затрат, комплектуется серийно выпускаемым в стране оборудованием. Вследствие комплексного улавливания различных вредных примесей, в том числе и являющихся ценным продуктом (например оксиды ванадия и других металлов) применение способа позволит получить не только социальный, но и экономический эффект.

П р и м е р. Массовый расход потока газов, например выбрасываемых из работающей на мазуте котельной, составляет 20,7 кг/с, температура t_н= 100^оС, влагосодержание m_н 75 г/кг, сухого плотность ρ_н 0,89 кг/м³. Поток движется по горизонтальному круглому газопроводу диаметром D 1,2 м, а сечением S 1,13 м². В центре сечения газопровода устанавливается пневматический ороситель, например туманообразователь типа ТК-1, под действием сжатого воздуха образующего водовоздушную струю с диаметром капель d 80 мкм. Форма факела струи представляет собой сплошной конус с углом раскрытия в 40^о. Направление струи принимаем спутное с потоком.

Оптимальный расход испаряемой воды для влажностного насыщения потока до 100% задаем согласно зависимости (1): G_в=0,467 кг/с. Расход сжатого воздуха по паспорту оросителя составит порядка 0,14 кг/с.

При относительно низкой начальной температуре газового потока (менее 60^оС) и достаточно высокой его относительной влажности (более 50%) влажностное насыщение с целью максимально возможного увеличения влагосодержания газа в большинстве случаев следует производить путем ввода в поток водяного пара или паро-водяной смеси.

Температура потока после его влажностного насыщения в результате адиабатического испарения воды будет равна по зависимости (2) t_к 52,5^оС. Согласно условию (2) температуру испаряемой воды (водовоздушной струи) принимаем равной t_в 70^оС. Полное перекрытие сечения газопровода водовоздушной струей, т. е. смешение капель с газовым потоком происходит на расстоянии по потоку от места установки туманообразователя (выходного сечения струи), равном: l_см 0,5 D/tg20^o 0,5˙1,2/0,364 1,65 м.

При полном испарении капель воды без учета теплопотерь через стенки газопровода и влажностном насыщении до 100% газовый поток будет иметь следующие параметры: массовый расход G_к 21,31 кг/с, температуру t_к 52,5^оС, влагосодержание m_к 100,1 г/кг сухого газа, плотность ρ_к1,008 кг/м³.

Средняя скорость потока на участке от места смешивания капель воды с потоком до сечения по потоку, где капли полностью испаряются составит: V 19,6 м/с Полное испарение капель воды от места их смешения с потоком происходит на участке газопровода длиной по потоку, определяемом по зависимости (3), равном l 3,88 м или места установки туманообразователя Σ l= l_см + l 1,65 + 3,88 5,53 мм.

В этом сечении газопровода, например, путем установки поверхностного теплообменника-конденсатора производим резкое охлаждение потока до температуры ниже точки росы, т.е. его влажностное пересыщение, сопровождающееся образованием водяного конденсата, например, до температуры t' 36^оС. Параметры потока после удаления из него образовавшегося конденсата, например, за счет стекания по поверхности теплообменника-конденсатора: температура t' 36^оС, влагосодержание m' 39,5 г/кг сухого газа, относительная влажность ϕ^l 100% плотность ρ^l=1,095 кг/м³, массовый расход G' 20,136 кг/с, температура точки росы потока t_т.р. t'36^оС.

Кислый конденсат с уловленными вредными примесями обрабатывают щелочным раствором для нейтрализации и предотвращения обратимых химических реакций.

Расход образовавшегося водяного конденсата: ΔG_к G_к G' 21,31 20,136 1,174 кг/с или удельный расход конденсата относительно расхода потока:
Δm_к m_к m' 101,1-39,5 61,6 г/кг сухого газа.

Образовавшийся водяной конденсат позволит минимум на 40% уловить оксиды азота, на 60% оксиды серы, на 95% твердый аэрозоль, а также другие вредные примеси, например, такие, как альдегиды.

Одним из вариантов нейтрализации уловленных газообразных вредных примесей и предотвращения обратимых химических реакций является одновременная обработка парогазового потока и образующегося конденсата в жидкостном конденсаторе смешения, в котором распыляется раствор нейтрализующего агента, имеющий температуру ниже точки росы потока.

Примем, что в данном примере при последующем движении потока в газопроводе и дымовой трубе от места удаления конденсата до выхода в атмосферу за счет теплообмена через стенки и адиабатического расширения он охлаждается на 7^оС. Поэтому, в результате пропуска через поверхностный теплообменник-калорифер подогреваем поток с некоторым запасом до температуры, например, в 47^оС. Параметры потока после подогрева: G''= 20,136 кг/с, t''= 47^оС, m'' 39,5 г/кг сухого газа, ρ^ll 1,057 кг/м³, ϕ^ll 56%
Параметры газового потока на выходе из дымовой трубы в атмосферу: G 20,136 кг/с, t 40^оС, m 39,5 г/кг сухого газа, ϕ80,6% ρ= 1,081 кг/м³.

Использование способа улавливания вредных примесей выхлопных газов по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:
за счет увеличения образования удельного количества конденсата повышается эффективность комплексного улавливания большинства вредных примесей;
в результате повышения эффективности пылегазоулавливания, оптимизации процессов и размеров установок по способу, увеличения долговечности газопроводов и дымовых труб снижаются капитальные и эксплуатационные затраты.

Формула изобретения

СПОСОБ УЛАВЛИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ, включающий предварительное влажностное насыщение потока газа при смешении с влажностной средой, последующее охлаждение потока до температуры ниже температуры точки росы с образованием водяного конденсата, которое производят на расстоянии по потоку от места смешения влажной среды с потоком, соответствующим продолжительности испарительного процесса, удаление образовавшегося конденсата и последующий подогрев потока газа, отличающийся тем, что производят обработку потока газа и/или конденсата нейтрализующими агентами, смешение потока газа с влажной средой в процессе влажностного насыщения осуществляют путем подачи в поток водяного пара и/или подачи тонкораспыленной воды с температурой выше конечной температуры потока после его влажностного насыщения и с диаметром капель менее 200 мкм, поток газа подогревают из расчета, чтобы на выходе в атмосферу он имел температуру выше температуры точки росы, при этом в случае подачи тонкораспыленной воды массовый расход G_в (кг/с) испаряемой воды определяют по зависимости


температуру t_в (^oС) подаваемой воды определяет из условия


а расстояние l (м) по потоку от места смешения влажной среды с потоком, соответствующее продолжительности испарительного процесса, определяют по зависимости:


где G_н начальный массовый расход газового потока до насыщения, кг/с;
m_н начальное влагосодержание газового потока, г/кг сухого газа;
t_н начальная температура газового потока, ^oC;
t_к конечная температура газового потока при насыщении до 100% относительной влажности за счет испарения воды, ^oС;
α начальный диаметр испаряемых капель воды, мкм;
v скорость газового потока, м/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1