ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кузнєцов Сергій Іванович

УДК 66.021:628.51

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ КОМПЛЕКСНОГО ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ ВІД ОКИСУ ВУГЛЕЦЮ,

ДВООКИСУ СІРКИ Й ПИЛУ

05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології

АВТОРЕФЕРАТ

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Михайлик Віктор Дмитрович,

Херсонський національний технічний університет,

завідувач кафедри екології та безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Михайленко Геннадій Георгійович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри теорії неорганічних речовин і екології;

- кандидат технічних наук, доцент

Євса Людмила Михайлівна,

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри охорони праці і екології металургійного виробництва.

Захист відбудеться „19” грудня 2007р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К67.052.04 в Херсонському національному технічному університеті за адресою:

73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус 1, ауд. 223.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою:

73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе,24, корпус 1.

Автореферат розісланий „16” листопада 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Г. А. Чумаков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Локальні забруднення повітря техногенними газоподібними й твердими речовинами, на сьогоднішній день, стали однією з найбільш актуальних сучасних проблем. Основна маса техногенних забруднень утворюється при спалюванні органічного палива. З двох тисяч ідентифікованих речовин, що забруднюють атмосферне повітря, 80-85% доводиться на частку всього чотирьох інгредієнтів: сірчистого ангідриду, пилу, оксидів вуглецю й оксидів азоту. Їхній вміст в атмосфері постійно збільшується і це приводить до глобальної зміни клімату планети.

Сучасна теплоенергетика, промисловість й автотранспорт викидає в атмосферне повітря близько 200 млн. т/рік окису вуглецю, 150 млн. т/рік сірчистого ангідриду й 50 млн. т/рік оксидів азоту. З'єднуючись з атмосферною водою вони утворюють кислоти, які закислюють ґрунт, прискорюють корозію металів, руйнують будинки, пам'ятники архітектури. Газоподібні забруднювачі включаючись у біохімічні природні цикли повертаються на земну поверхню переважно в районі їхнього викиду в атмосферу.

Тверді частки, на відміну від газоподібних, здатні накопичуватися й переміщатися на великі відстані. Вони адсорбують з повітря шкідливі речовини й погіршують екологічний стан в локальному й глобальному масштабах. Частки пилу з розмірами менш одного мкм не затримуються у верхніх дихальних шляхах, накопичуються в легенях і перешкоджають газовому обміну організму із зовнішнім середовищем. Їхня рахункова кількість величезна, при мізерно малої масової частки в промислових викидах в атмосферу.

Підвищення ефективності очищення димових газів від двоокису сірки, оксиду вуглецю, оксидів азоту і пилу - актуальна проблема, рішення якої становить теоретичний інтерес і має велике практичне значення. Комплексне очищення димових газів поліпшує екологічну обстановку й заощаджує природні ресурси.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проведена здобувачем є складовою частиною науково-дослідницької роботи колективу кафедри охорони праці і навколишнього середовища по розрахунку на ЕОМ норм ГДВ і розробці заходів по зниженню викидів в атмосферу на п/о „Днепр”. Х/т 13/87, номер державної реєстрації 0184U007397. Автором виконано розрахункові роботи на ЕОМ.

Мета й завдання досліджння. Метою роботи є підвищення ефективності очищення димових газів від хімічного, теплового й механічного забруднень повітряного басейну за рахунок багатоцільового використання витраченої енергії, об'єднання й удосконалювання процесів абсорбції, каталізу й сепарації закручених запилених потоків.

Для досягнення поставленої задачі вирішені наступні основні завдання:

-

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження. Гідромеханічні, массообмінні й каталітичні процеси, пов'язані з газоочищенням.

Предмет дослідження - тягодуттьове й газоочищувальне відцентрове обладнання. Трубчастий апарат для каталітичної нейтралізації окису вуглецю.

Методи досліджень. Застосовано теоретичні й експериментальні методи дослідження процесів і техніки комплексного газоочищення. Використано математичний апарат теорії випадкових Марковських процесів для аналізу ефективності сепарації пилу в послідовно з'єднаних циклонній і роторній зонах із замкнутим контуром. Хімічні склади газів і рідин визначалися об'ємним, ваговим і спектральним методами. Дисперсну сполуку пилу – кондукторометричним методом. Запилювання газових потоків розраховувалися або визначалися методом зовнішньої фільтрації. Ефективність відцентрового пиловловлення й газоочищення визначалися однозначно критеріями вловлювання й віднесення пилу відповідно.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в поглибленні й розвитку теоретичних і методологічних основ відцентрової сепарації запилених газових потоків із замкнутими контурами, у комплексному використанні енергії для переміщення газу, концентрації й коагуляції тонкодисперсного пилу, його повернення в попередній ступінь газоочищення, диспергування й сепарації рідини, що зрошує. А також у взаємній нейтралізації газових і рідких викидів виробництва та у нових каталізаторах для запилених димових газів.

Нові наукові результати:

-

-

-

- розроблено й реалізовано чисельними методами стохастичну модель еволюції запиленого газового закрученого транзитного потоку із замкнутим контуром:

-

-

Практичне значення одержаних результатів.

Очищення газів, що відходять, від SO2. Запропонований метод й апарат для його здійснення пройшли промислову апробацію. При впровадженні запропонованого методу різко знижується вартість очищення газів, що відходять, котелень від SO2 і стічних вод текстильних підприємств за рахунок того, що відпадає необхідність використання для нейтралізації великих об'ємів сірчаної кислоти.

Очищення газів, що відходять, від СО. Розроблено трубчастий контактний апарат для каталітичної нейтралізації СО, що має велику пропускну здатність, може працювати із запиленими газами й забезпечує високий ступінь очищення. Дане обладнання не вимагає великих експлуатаційних витрат і може бути використане в теплоенергетиці й на підприємствах, де в атмосферу викидаються великі об'єми газів, які містять в собі СО.

Результати теоретичних й експериментальних досліджень впроваджені в навчальний процес і входять у робочу програму з дисциплін “Основи екології”, “Основи природокористування”.

Очищення газів, що відходять, від пилу. Циклонно-ротаційний пиловловлювач впроваджений у виробництво на Херсонській меблевій фабриці й Херсонському заводі стінових і в'яжучих матеріалів. Ступінь очищення апарата від пилу в мокрому режимі становить 98-99%.

Ротоклон впроваджений в ДАК „Титан” з виробництва двоокису титану для очищення газів, що відходять, від твердих часток Fe2O3 й Fe. Утилізація пилу має не тільки екологічне значення, але й економічне, оскільки ці речовини являють певну цінність для виробництва.

Розпилюючий абсорбер для вапняно-випалювальних печей великої одиничної потужності з форсунками, що не забиваються, впроваджений на Херсонському заводі стінових і в'яжучих матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення й результати досліджень одержані автором самостійно. На основі аналізу сучасних методів очищення газів, що відходять, від СО, пилу й SO2 розроблені нові методи й типи обладнання для здійснення цих методів. Зроблено математичні розрахунки й обґрунтовано можливість використання запропонованих методів й апаратів у промисловості. Запропоновано схему для математичного моделювання процесу нейтралізації СО.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й були розглянуті на:

-

-

-

-

-

-

-

-

Публікації за результатами дисертаційних досліджень складають 17 найменувань, у тому числі монографію “Оборудование для санитарной очистки газов”, 3 статті у наукових фахових журналах, 10 – у збірниках тез конференцій. Отримано 3 деклараційних патенти на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел (126 найменувань). Загальний об'єм – 169 сторінок друкованого тексту, у тому числі 25 рисунків, 19 таблиць, 6 додатків, обсяг додатків складає 12 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи: обґрунтована її актуальність, сформульовані мета й завдання досліджень, показані наукова новизна й практичне значення одержаних результатів очищення димових газів від газоподібних і твердих забруднювачів повітря, наведені структура й обсяг роботи.

У першому розділі дана оцінка сучасного стану очищення димових газів від зважених часток, оксидів сірки й вуглецю.

Очищення газів від двоокису сірки можливі багатьма сорбційними методами. На практиці використаються, лише деякі з них. Це пов'язано з великими об'ємами димових газів, порівняно малим вмістом в них SO2, високою температурою й значним запиленням газів. Звичайно SO2 абсорбується поглиначами лужного типу (NaOH, Na2CO3, CaOH, Mg), водою, водяними розчинами й суспензіями солей лужних і лужноземельних металів, використовується, також морська вода, що має слабку лужну реакцію. Слабка розчинність двоокису сірки у воді призводить до необхідності використання в абсорберах великого питомого зрошення газів.

Для скорочення витрат мінеральних кислот при нейтралізації лужних стічних вод, що утворюються при митті битого скла, у Німеччині розроблено й впроваджено обладнання для нейтралізації цих вод за допомогою стислого вуглекислого газу або газів, що відходять. Фірмою R.S.Noonon (США) розроблений проект обладнання із провальними тарілками для нейтралізації стічних вод фарбувальних підприємств димовими газами й знебарвлення вод летючою золою, яка міститься в газах. Відомі процеси очищення димових газів від двоокису сірки з використанням суспензій летучої золи.

У даній роботі вдосконалювання абсорбції сірчистого ангідриду з димових газів досягається за рахунок вибору дешевого й доступного сорбенту, з яким можливе очищення газів без попереднього їхнього охолодження й знепилювання. При цьому досягається тонке диспергування сорбенту, знижується уніс рідини і заростання обладнання. У роботі досліджується абсорбція SO2 з димових газів ТЕЦ стічними водами текстильного виробництва в торовом абсорбері з механічним диспергуванням рідини, що зрошує, і відцентровою сепарацією крапель, які уносяться очищеним газом.

Каталітичне окислювання - один з найбільш перспективних методів знешкодження димових газів від оксиду вуглецю. Каталізатори не викликають зміни енергетичного рівня молекул взаємодіючих хімічних речовин і не зміщають рівновагу реакцій. Їхня роль полягає в прискоренні хімічних взаємодій. При гетерогенному каталізі хімічна взаємодія відбувається на межі розподілу фаз газової суміші й каталізатора. Активовані комплекси, які утворюються, у вигляді проміжних сполук каталізатора й реагуючих речовин формують продукти каталізу, що відновлюють поверхню каталізатора.

Активність каталізатора залежить від сукупності його фізико-хімічних властивостей і властивостей конвертованого газового потоку. Вона визначається температурою й тиском каталітичного перетворення, структурою каталізатора та вмістом у ньому продуктів конверсії газової суміші. Ступені перетворення реагентів дозволяють оцінити й співставити активність різних каталізаторів. Маса й властивості каталізатора теоретично зберігаються в часі.

На даному етапі ні в нашій країні, ні за рубежем кардинально не вирішене питання санітарного очищення газів промислових підприємств від оксиду вуглецю. Великі об'єми газів, що відходять, а також наявність у них супутніх домішок(, NO2, пил) ускладнюють процес очищення й не дозволяють використовувати існуюче обладнання, яке застосовується для технологічного очищення газів.

Каталізатори, які виробляються сьогодні для технологічної нейтралізації газів, мають високу вартість й обмежені обсяги випуску, тому вони не можуть бути рекомендовані для санітарного очищення великих об'ємів газів.

Каталізатори, які мають бути застосовані для санітарного очищення газів, повинні мати велику продуктивність, високу активність й вибірковість, високу механічну міцність і термічну стійкість, відрізнятися малою отруйністю та низьким гідравлічним опором. Технологія виготовлення каталізаторів повинна бути простою і надійною, без використання дефіцитної сировини й складного устаткування.

Нами розроблені нові типи каталізаторів, які задовольняють зазначеним вимогам. Для виготовлення їх за розробленою технологією використані такі дешеві й доступні речовини, як кокс і пемзобетон.

Оксид вуглецю інтенсивно окислюється при використанні марганцевих, мідно-хромових каталізаторів. А також каталізаторів, які містять метали платинової групи. У роботі досліджене знешкодження димових газів за допомогою цинк-мідь-хромових каталізаторів - пемзобетонів.

Ступінь забруднення атмосфери промисловим пилом пов'язується з рівнем розвитку циклонної техніки. Циклони одержали повсюдне поширення за сто з невеликим років. Вони прості у виготовленні й експлуатації, універсальні й економічні. Сухе циклонне газоочищення на порядок дешевше очищення газів від пилу в зрошувальних газоочисниках, рукавних й електрофільтрах при істотно нижчій якості пиловловлення й швидкому зношуванні криволінійних поверхонь. Близько 80% від вартості циклонного очищення пов'язано з витратами на електроенергію.

Функціями відцентрової сепарації гетерогенних газових потоків можуть бути пиловловлення або газоочищення. Ефективність пиловловлення визначається однозначно критерієм пиловловлення , інтенсивність забруднення атмосфери віднесеним пилом – критерієм газоочищення , де - коефіцієнт уловлювання пилу, - коефіцієнт її зношування, і - запилювання газу до й після очищення, - коефіцієнт опору циклона. Результати порівняльного аналізу випробувань різних циклонів узагальнені за зазначеними критеріями в табл. 1.

Таблиця 1

Ефективності пиловловлення й газоочищення в циклонах

Критерій | Тип циклона НИИОГАЗ

ЦН-11 | ЦН-15 | ЦН-15в | ЦН-24 | СДК ЦН-33 | СК ЦН-34

250 | 150 | 170 | 80 | 600 | 1270

?Р = 1500 Па, Dц = 300 мм, с = 2670 кг/м3, д50 = 13 мкм

0,875 | 0,865 | 0,845 | 0,800 | 0,905 | 0,910

0,055 | 0,068 | 0,065 | 0,090 | 0,037 | 0,027

0,61 | 0,74 | 0,73 | 1,00 | 0,45 | 0,30

0,125 | 0,135 | 0,155 | 0,200 | 0,095 | 0,090

0,008 | 0,011 | 0,012 | 0,022 | 0,004 | 0,003

2,7 | 3,7 | 4,0 | 7,3 | 1,3 | 1,0

?Р = 1000 Па, Dц = 450 мм, с = 2500 кг/м3, д50 = 8 мкм

0,71 | 0,70 | 0,66 | 0,60 | 0,70 | 0,710

0,045 | 0,055 | 0,051 | 0,070 | 0,028 | 0,022

0,64 | 0,78 | 0,73 | 1,00 | 0,40 | 0,30

0,29 | 0,30 | 0,34 | 0,40 | 0,30 | 0,29

0,018 | 0,024 | 0,026 | 0,045 | 0,012 | 0,008

2,6 | 3,0 | 3,2 | 5,6 | 1,5 | 1,0

Циклон ЦН-11 включений в уніфікований ряд пиловловлюючого устаткування. Біля половини енергії повітряного потоку губиться після циклона.

У другому розділі представлені математичні моделі очищення газів від сірчистого ангідриду й нейтралізації їм стічних вод, результати комп'ютерного експерименту й лабораторних досліджень нейтралізації стічних вод сірчистим ангідридом. Наведено дані проведених досліджень стоків бавовняно-паперового комбінату й викидів ТЕЦ в атмосферу, приведено розрахунок розсіювання шкідливих викидів ТЕЦ, представлені результати промислових випробувань торового абсорбера-нейтралізатора.

Очищення повітря від SO2 у лабораторних умовах описуються рівнянням:

нейтралізація стічних вод сірчистим ангідридом у тих же умовах:

де в – ступінь очищення повітря від SO2;

б - ступінь нейтралізації стічних вод;

ф - час, хв;

t – температура, 0С;

Н - висота шару стічних вод, см;

W – швидкість, м3/м2·ч.

Запропонований метод нейтралізації лужних стічних вод димовими газами здійснюється в розпилюючому скрубері. У результаті абсорбції двоокису сірки, окису вуглецю, з димових газів утворюються кислоти, які необхідні для нейтралізації лугу. Знебарвлення стічних вод золою, що утворюються при згорянні вугілля, відбувається в результаті адсорбції вуглецем пофарбованих органічних сполук, що містяться у стічних водах. Летюча зола, завдяки великій площі поверхні й високому вмісту вуглецю (понад 40%), є гарним адсорбентом. Експериментальні дані отримані на лабораторній установці (рис.1).

Рис.1. Схема лабораторної установки:

1-реактор, 2-вхідний патрубок, 3-вихідний патрубок з відбором проб, 4-ділильна лійка, 5-змішувач, 6-балон з SO2, 7-посудина, 8-напірна склянка, 9,11-реометри, 10-повітродувка, 12-склянка Дрекселя, 13-аспіратор, 14-мірний циліндр.

Адекватність отриманих експериментальних і розрахункових даних перевірялася на пілотній установці (рис.2).

Рис. 2. Схема пілотної установки:

1-реактор торового абсорбера-нейтралізатора, 2-сопло, 3-розпилювач рідини, що зрошує, 4-електромотор, 5-реактор, 6-полки з кільцями Рашига, 7-ЛАТр, 8,9- реометри, 10,19-вентилі, 11-дросель, 12- вхідний патрубок, 13,18-витратомірна шайба, 14-станина, 15-ємність, 16-вентилятор, 17-насос, 20-випускний патрубок.

Зі збільшенням щільності зрошення димових газів зростає ступінь їхнього очищення від сірчистого ангідриду і зменшується ступінь нейтралізації стоків (рис. 3).

а) б)

Рис.3. Вплив щільності зрошення на:

а) ступінь очищення димових газів; б) на ступінь нейтралізації стічних вод.

Зі збільшенням часу циркуляції рідини, що зрошує, погіршується очищення димових газів і підвищується ступінь нейтралізації стоків (рис.4).

а) б)

Рис.4. Залежність

а) очищення газів; б) нейтралізації стоків від часу циркуляції розчину.

Ступінь очищення димових газів підвищується від 70% до 90% при збільшенні початкової концентрації SO2 з 0,02% до 0,05%.

Результати комплексного очищення димових газів вапняно-випалювальної печі приведені в табл. 2.

Таблиця 2

Ефективність очищення димових газів вапняно-випалювальної печі

Компоненти, що вилучають | Концентрація на вході, г/м3 | Концентрація на виході, г/м3 | Ступінь очищення, % | Уловлені компоненти, т/рік

SO2 | 1,5 | 0,03 | 98 | 193

NO2 | 0,2 | 0,04 | 80 | 26

CO | 7,5 | 6,75 | 10 | 34

Пил | 1,2 | - | 100 | 174

Сажа | 1,2 | 0,06 | 95 | 82

При спалюванні мазуту димові гази промивались у полому форсуночному абсорбері діаметром 2 м і висотою 11 м. Їхнє зрошення водою супроводжується реакціями продукти яких (Са(ОH)2 та Mg(OH)2) нейтралізують кислі гази:

Са(ОH)2 + SО2 > CaS03 +Н2О

2Са(ОH)2 + 4NO2 > Са(NO3)2 + Са(NO2)2 + 2Н2О

Mg(OH)2 + SО2 > MgSO3 + Н2О

2Mg (OH)2 + 4NO2> Mg (NO3)2 + Mg (NO2)2 + 2Н2О

Таким чином відпадає необхідність використання хімічних реагентів. Згідно розрахункам в даному абсорбері витрата димових газів 2·104 м3/год, витрата води 72 м3/год.

У третьому розділі наведені характеристики розроблених каталізаторів – пемзобетонів, вивчений вплив різних факторів на каталітичне окислювання оксиду вуглецю, отримане кінетичне рівняння окислювання окису вуглецю і знайдене його рішення, розроблений спосіб покриття каталізатором внутрішньої поверхні труби, наведено дані щодо відповідності експериментальних даних розрахунковим.

Теоретично і експериментально досліджені цинк-мідь-хромові каталізатори-пемзобетони, у присутності яких протікають реакції:

2CO + O2 2CO2 + Q

СO + H2O СO2 + H2 +Q

Максимальна активність каталізатора отримана при вмісті в ньому: Zn – 2%, Сu – 8%, Сr2О3 – 6% зі співвідношенням між масами каталітично активних речовин, алюмінієвої пудри й цементу 1:2,5:3. Активність каталізаторів при t=3000С наведена в табл. 3.

Таблиця 3

Активність цинк-мідь-хромових каталізаторів - пемзобетонів

Об'ємна швидкість газу W,

м3/м3•год | Вміст СО,% | Ступінь очищення,% | Активність каталізатора

Вхід | Вихід | ОКА

кг/м3•год | МКА

кг/кг•год | УКА

кг/м2•год

5000 | 2,0 | 0,08 | 96 | 120 | 0,092 | 9,2

10000 | 2,0 | 0,12 | 94 | 235 | 0,18 | 18

15000 | 2,0 | 0,2 | 90 | 337,5 | 0,259 | 25

20000 | 2,0 | 0,28 | 86 | 430 | 0,330 | 33

25000 | 2,0 | 0,44 | 78 | 487,5 | 0,375 | 37,5

Представлені результати лабораторних досліджень отримані на експериментальній проточній установці (рис.5).

Рис.5. Схема експериментальної проточної установки для дослідження процесу каталітичного окислювання оксиду вуглецю:

1-кварцовий реактор; 2-спіраль нагрівача; 3-кільцевий зазор; 4-футеровка. 5, 9-штуцера, 6-горловина; 7, 8-термопара із приладом; 10-вольтметр; 11-трансформатор; 12-каталізатор; 13-решітка; 14-газодувка; 15, 17, 20-реометри; 16-змішувач; 18-балон з оксидом вуглецю; 19-балон із сірчистим ангідридом.

Залежність ступіню перетворення б від відношення пар:газ наведено на (рис.6).

Рис.6. Вплив співвідношення пар:газ на ступінь перетворення СО.

Швидкість реакції гетерогенного окислювання СО на каталізаторі-пемзобетоні представлено статечним багаточленом:

,

де К - константа швидкості реакції;

і – концентрації оксиду вуглецю й кисню;

n й m - показники ступеня, що визначають порядок реакції за цим компонентом. Кінематичне рівняння в кінцевому виді представляється лінійною залежністю U=2,47? .

Перший порядок реакції окислювання окису вуглецю на каталізаторах-пемзобетонах свідчить про дифузійний характер массообмінного процесу. Окис вуглецю забирає кисень із каталізатора, куди вода одночасно його повертає. Зниження енергетичного бар'єра й температури реакції прискорює окислювання СО.

Якщо в газах, які очищуються присутній пил, то він здатний знижувати активність каталізатора. Для запобігання цього явища потрібне попереднє очищення газів від пилу. Нами запропоновано проводити окислювання СО у трубчастих реакторах, що не вимагають попереднього очищення газів від пилу. Трубчастий реактор складається із труб, змонтованих на трубних ґратках й ув'язаних у загальний кожух (рис. 7). На внутрішню поверхню труб нанесений шар каталізатора товщиною 3-5мм. Каталізатор наносять на внутрішню поверхню труб, в ще незатверділому стані за допомогою спеціального приладу - пуансона (рис 8).

Рис. 7. Трубчастий реактор:

1-корпус; 2-кришка; 3-трубки з нанесеним каталізатором; 4-трубні ґратки; 5-днище.

Рис. 8. Прилад для нанесення каталізатора на внутрішню поверхню труб:

1-труба; 2-каталітична маса; 3-голівка пуансона; 4-корпус пуансона; 5-напрямні ребра; 6-калібрована спідниця; 7-нанесений каталізатор; 8-штанга.

Каталізатори-пемзобетони характеризуються близькими до мідь-марганцевих каталізаторів активністю й механізмом дії. Вони стійко працюють при наявності водяної пари в безкисневих газах, не схильні до самозаймання при високих температурах, термічно стійкі, легко формуються, мають високу механічну міцність.

У четвертому розділі представлені результати вдосконалення відцентрового пиловловлення, розглянуті пристрій і принцип дії циклонно-ротаційного пиловловлювача здатного працювати в сухому і мокрому режимах, наведені методика експериментальних досліджень і характеристики ряду розроблених і випробуваних агрегатів.

Циклонно-ротаційній пиловловлювач (ЦРП) (рис.9) являє собою двоступінчастий апарат, у якому використаний принцип розподілу неоднорідних пилогазових систем в зоні відцентрових сил. Спочатку в першій частині, що працює за принципом циклона, а потім у другій, що працює за принципом ротаційного пиловловлювача. Ступінь очищення в циклонних апаратах залежить від відцентрової сили, що діє на частку. Збільшення цієї швидкості призводить до вторинного виносу пилу. Цей недолік усунутий у розробленій авторами конструкції циклонно-ротаційного пиловловлювача.

ЦРП складається з циліндра 4, з'єднаного з конусом 2. Усередині по осі циліндра закріплена центральна труба 9, до верхнього зрізу якої примикає ротор 6, що приводить в обертання електродвигуном 5. До верхньої частини центральної труби жорстко прикріплена горизонтальна конусна перегородка 8, що розділяє апарат на дві частини. Між конусною перегородкою й внутрішньою стінкою апарата передбачений коаксіальний зазор для проходу пилу й стоку рідини з верхньої (ротаційної) частини. До нижньої (циклонної) частини апарата тангенціально приєднаний штуцер 3 для виведення запиленого газу. Виведення очищеного газу здійснюється через тангенціально закріплений штуцер 7, розташований у площині обертання ротора. У нижній частині апарата є штуцер 1, що входить у зливальний бак-відстійник 12, обладнаний насосом 11 і трубопроводом 10.

Рис. 9. Схема й загальний вид циклонно-ротаційного пиловловлювача:

1-патрубок для видалення пилу; 2-конус; 3, 7-патрубки для входу й виходу газу; 4-циліндр; 5-електродвигун; 6-лопатеве колесо; 8-конусна перегородка; 9-центральна труба; 10-труба для подачі води; 11-насос; 12-відстійник.

Зі збільшенням швидкості обертання ротора з 1000 до 3000 об/хв діаметр крапель води зменшується з 85 мкм до 6 мкм, їхня кількість в 1 см3 збільшується з 105 до 107 штук, а сумарна поверхня збільшується з 60 м2 до 1000 м2 в 1 м3 газів.

Аеродинамічні характеристики ротаційної частини наведені на рис.10.

Рис.10. Повні аеродинамічні характеристики ЦРП-600.

У табл. 4 наведено експериментальні дані, отримані при очищенні повітря в зрошуваному ЦРП-600 від залізокислого червоного пігменту з розмірами часток 6-10 мкм. Варіювалася витрата повітря при постійному питомому зрошенні 0,2 л/м3.

Таблиця 4

Очищення повітря в зрошувальному ЦРП-600

Витрата повітря б, м3/ч | Тиск Р, Па | Запилювання, г/м3 | Ступінь очищення, %

На вході | Після циклонної частини | Після ротаційної частини | Після циклонної частини | Після ротаційної частини

4000 | 680 | 2,2 | 0,66 | 2,2·10-3 | 70 | 99,9

3580 | 546 | 2,8 | 0,896 | 14·10-3 | 68 | 99,5

3170 | 427 | 2,5 | 0,875 | 37·10-3 | 65 | 98,5

2750 | 324 | 2,3 | 0,897 | 0,138 | 61 | 94

2340 | 233 | 2,5 | 1,175 | 0,375 | 53 | 85

1930 | 158 | 2,4 | 1,342 | 0,6 | 42 | 75

1510 | 97 | 2,5 | 1,625 | 0,75 | 35 | 70

В результаті не спостерігається великого впливу зрошення на очищення повітря від тонкодисперсного пилу (рис.11), що свідчить про ефективність закладеного в ЦРП принципу роботи.

Рис. 11. Ступінь уловлювання пилу ЦРП-600:

залежності 1,3 - при зрошенні; 2,4 - без зрошення; - після І ступіню; - після II ступіню.

Більш високий тиск на периферії ротаційної частини повертає концентрований запилений потік з малою витратою газу у циклонну частину. Еволюція запиленого газу в ЦРП представлена графіком перехідних станів у вигляді:

Сн Ск ,

де 1 - циклонна й 2 - ротаційна частини агрегату;

Сн і Ск – запилення газу до і після очищення;

= 1- - коефіцієнт уловлювання пилу;

- коефіцієнт виносу пилу з i-го ступеня.

Графік перехідних станів свідчить про віднесення, що визначають загальний коефіцієнт уловлювання пилу в ЦРП - ступінь очищення повітря в ньому:

За даними табл. 4 =0,95 при =0,61, =0,39 й =0,985, розрахункове значення =0,95. Розрахункові й експериментальні величини співпадають між собою з точністю до одного відсотка. Утворений щілиною, між корпусом циклона і поділяючим конусом, замкнутий контур з'єднує вихід і вхід ЦРП між собою. Виникає негативний зворотний зв'язок - ефективний механізм керування такими складними імовірнісними системами як газові гетерогенні криволінійні плини. Негативний зворотний зв'язок стабілізує процеси, що протікають у таких плинах.

Енергія електродвигуна використовується в ЦРП для переміщення запиленого газу, концентрації, коагуляції тонкодисперсного пилу, його повернення з ротаційної в циклонну зону, диспергування і уловлювання рідини, з метою економії енергетичних і матеріальних ресурсів.

Швидкість частки, зваженої в газовому потоці, може розглядатися як сума двох векторів:

,

де – вектор швидкості газу у точці, яку займає центр частинки;–

вектор відносної швидкості. Відносна швидкість - шукана величина. Основне завдання теорії відцентрової сепарації запилених потоків полягає у знаходженні найменшого (критичного) діаметру частки, що має практично відчутну відносну радіальну швидкість.

Відомі детерміновані моделі відцентрової сепарації або занадто прості і ігнорують багато факторів, що визначають процес, або в спробах їхнього обліку занадто громіздкі і важко розв'язувальні, хоча також не вільні від різних допущень й обмежень. Стохастична модель враховує інтегральну множину різних впливів на радіальний дрейф стоксківської частки від центра до периферії закрученого потоку і представляється у вигляді:

,

де й - полярні координати частки;

t - час;

- час релаксації частки;

і - її щільність і діаметр;

- в'язкість газу;

- тангенціальна складова швидкості газу при квазістаціонарному русі газу й частки в окружному напрямку;

– випадкова величина. Її інтенсивність не визначається ні теоретично ні експериментально.

Найпростіша детермінована модель плоского криволінійного руху частки враховує відцентрову силу інерції і обумовлений законом Стокса опір газу радіальному дрейфу частки. Вона описується системою рівнянь:

Звідки при = const треба рішення ,відповідно до якого дрейф вільної частки не залежить від кривизни плину. Наявність випадкових впливів при стиснутому русі часток прискорює їхній радіальний дрейф, що витікає з порівняння стохастичної і детермінованої моделей відцентрової сепарації запилених потоків. Прискорене розшарування висококонцентрованого запиленого криволінійного потоку - результат превалювання коагуляції часток над руйнуванням їхніх агрегатів.

Спостережувані в циклонах дуже закручені спіральні потоки газів ускладнюють аналіз процесів, які проходять в них, що підтверджується відсутністю досить розробленої теорії циклонного газоочищення. Її відсутність не дозволяє надійно розраховувати циклонні апарати. Це привело до безлічі різних конструкцій циклонів із практично однаковою ефективністю пиловловлення. Тому в роботі досліджений циклонно-ротаційний пиловловлювач.

ВИСНОВКИ

Дисертація поглиблює теорію й розширює практику комплексного очищення промислових викидів в атмосферу від газових і твердих забруднювачів. Отримані теоретичні й експериментальні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. У результаті досліджень розроблено нові каталізатори, нові технологічні процеси, а також нове технологічне обладнання, яке дозволяє підвищити ефективність комплексного очищення газових викидів від окису вуглецю, двоокису сірки й пілу.

2. Подвійний екологічний й економічний ефект досягається при очищенні димових газів в абсорберах, які зрошуються стічними водами текстильних підприємств, досить повно поглинається сірчистий ангідрид і нейтралізуються лужні забруднені води.

3. Використання потрібних властивостей пилу, що уловлюється, - перспективний напрямок удосконалювання комплексного газоочищення, що підтверджується ефективністю очищення димових газів вапняно-випалювальних печей від пилу, сажі, сірчистого ангідриду, двоокису азоту й у малому ступені оксиду вуглецю.

4. Розроблені для окислювання оксиду вуглецю каталізатори-пемзобетони термічно стійкі, не схильні до самозаймання при високій температурі та ефективно працюють при наявності водяної пари в безкисневих газах.

5. Каталізатори-пемзобетони легко формуються, мають високу механічну міцність до абразивного зношування запиленим потоком. У трубчастих реакторах може здійснюватися нейтралізація оксиду вуглецю в умовах дуже запилених газових потоків.

6. Розроблено пристрій, який забезпечує рівномірне нанесення каталізатора на внутрішню поверхню труб.

7. Використання замкнутого контуру, що створює негативний зворотний зв'язок у циклонно-ротаційному пиловловлювачі, практично зрівнює ступені очищення сухого й зрошуваного пиловловлення при різних капітальних й експлуатаційних витратах.

8. Розрахункова залежність загального ступеня очищення від локальних коефіцієнтів уловлювання і виносу пилу забезпечує узгодження розрахункових і дослідницьких даних з точністю до 1%.

9. Енергетичні й матеріальні ресурси заощаджуються при використанні в ЦРП енергії електродвигуна для транспортування газу, концентрації і коагуляції в ньому тонкодисперсного пилу, поверненні пилу з ротаційної частини в циклонну, диспергуванні та уловлюванні рідини, що зрошує.

10. Досліджено гідродинамічні, аеродинамічні й массообмінні характеристики розробленого обладнання, виявлені оптимальні співвідношення конструктивних параметрів, визначені основні закономірності процесів, що протікають у них, наведені методики розрахунку.

11. На підставі викладених у дисертації досліджень розроблена технологія нових методів санітарного очищення газів стосовно до різних промислових джерел викиду шкідливих речовин в атмосферу. Три з них захищені авторськими свідоцтвами, 2 методи впроваджені у виробництво, 2 - пройшли виробничу перевірку, інші апробовані в лабораторних умовах.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кузнецов И.Е., Шмат К.И., Кузнецов С.И. Оборудование для санитарной очистки газов: Монографія. –К., Техніка, 1989. – 304 с. Особистий внесок: автором написано п’яту главу монографії „Оборудование для санитарной очистки газов от пыли”.

2. Кузнецов С.И. Каталитическая очистка отходящих газов котельных от оксида углерода // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2000. - №3(9). - С. 270-275.

3. Кузнецов С.И. Исследование характеристик циклонно-ротационного пылеуловителя // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2006. - №3(26). - С.85-94.

4. Кузнецов С.И. Очистка отходящих газов известково - обжиговых печей // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2007. - №3(29). - С.74-86.

5. Пат. UA 62855А Кузнєцов С.І. Херсонський державний технічний університет. Спосіб очищення відхідних газів котельних від оксиду вуглецю та пристрій для його реалізації. 15.12.2003, Бюл. №12.

6. Пат. UA 62856А Кузнєцов С.І. Херсонський державний технічний університет. Спосіб очищення відхідних газів котелень текстильних підприємств. 15.12.2003, Бюл. №12.

7. Пат. №67180 MKB F23J11/00 Михайлик В.Д. Михайлик С.В. Кузнєцов С.І. ХДТУ. Пристрій для очищення і утилізації тепла відхідних газів, Бюл. №6, 2004.

Особистий внесок: автором виконано патентний пошук і аналіз аналогів.

8. Кузнецов С.И. Безотходная технология обжига известняка // Материалы XIV научно-технической конференции по технологии неорганических веществ и минеральных удобрений (25-27 мая 1988 г.). - Львов: Львовский политехнический институт, 1988. – С. 155-156.

9. Кузнецов С.И. Очистка газов от вредных частиц в турбулентных потоках // Малоотходные технологические процессы и сокращение промышленных выбросов в металлургической промышленности: Материалы республиканской научно-технической конференции (27-29 сентября 1989 г.). - Запорожье: Запорожский индустриальный ин-т, 1989. – С. 109-110.

10. Кузнецов С.И. Очистка газов от мелкодисперсной пыли в ротоклонах // Проблемы промышленной экологии: Материалы республиканской научно-технической конференции. - Черновцы: Черновицкий гос. ун-т им. Юрия Федьковича, 1990. – С. 135-136.

11. Кузнецов И.Е., Сыс Д.Г., Кузнецов С.И. Экологическая оценка источников выброса вредных веществ в атмосферу на ЭВМ // Проблемы промышленной экологии: Материалы республиканской научно-технической конференции. - Черновцы: Черновицкий гос. ун-т им. Юрия Федьковича, 1990. – С. 3-4.

Особистий внесок: автором складено алгоритм для обчислювання на ЕОМ.

12. Кузнецов И.Е., Сыс Д.Г., Кузнецов С.И. Автоматизированный расчет экологического оборудования // Материалы XV Всесоюзной конференции по химической технологии неорганических веществ (29-31 мая 1991 г.). - Казань: Казанский химико-технологический ин-т, 1991. – С. 285.

Особистий внесок: автором написано пограму для обчислювання обладнання.

13. Кузнецов С.И. Новые типы пылеулавливающего оборудования // Химические проблемы экологии: Материалы XV Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (24-29 мая 1993 г.). - Минск: Ин-т физико-органической химии АН Белоруссии, 1993. – С. 180-182.

14. Кузнецов И.Е., Сыс Д.Г., Кузнецов С.И. Экологический мониторинг промышленного региона // Химические проблемы экологии: Материалы XV Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (24-29 мая 1993 г.). - Минск: Ин-т физико-органической химии АН Белоруссии, 1993. – С. 177-179.

Особистий внесок: автором зібрана частина даних про характеристики промислових підприємств.

15. Кузнєцов С.І. Підготовка магістрів та проблеми подвійної освіти // Матеріали нуково-методичної конференції (21-22 листопада 1996 р.). - Херсон: Херсонський індустріальний ін-т, 1996. – С. 57.

16. Кузнєцов С.І. Санитарная очистка отходящих газов котельных // Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій: Матеріали IV Всеукраїнської науково-методичної конференції з міжнародною участю (22-25 жовтня 2002 р.). - Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський державний технічний ун-т., 2002. – С. 150-151.

17. Ивченко Л.Н., Жукова Н.И., Кузнецов С.И. Очистка щелочных сточных вод дымовыми газами текстильных предприятий // Екологія. Людина. Суспільство: Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (16-21 травня 2007 р.). - Національний Технічний Університет України „Київський Політехнічний Інститут”., 2007. – С. 104.

Особистий внесок: автором розроблено метод та пристрій для очистки.

АНОТАЦІЯ

Кузнєцов С.І. Підвищення ефективності комплексного очищення газових викидів від окису вуглецю, двоокису сірки й пилу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08-процеси та обладнання хімічної технології. - Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2007.

Дані дослідження направлено на розробку теоретичних основ, технології и обладнання щодо нових методів санітарного очищення газів, застосовано к підприємствам які викидають пил, окиси сірки та вуглецю.

Запропоновано новий спосіб та обладнання для очистки промислових відходжуючих газів від оксиду вуглецю. Розроблено склад та засіб нанесення високоефективного Zn-Cu-Cr-Al каталізатору на трубчаті носії для очистки великих об'ємів газів забруднених оксидом вуглецю.

Запропоновано апарати для уловлювання пилу:

ЦРП може працювати автономно та очищувати гази, які не мають початкового струму, він утримує пил менш ніж 10 мкм. Встановлений у пиловловлювачі ротор здійснює і інші функції:

-

-

- змінюючи швидкість обертів ротора є можливість регулювати струмом пиловловлювача.

Розроблено метод та апарат для знешкодження стічних вод текстильных підприємств газами які відходять від ТЕЦ.

Ключові слова: очистка газів, каталітичне знешкоджування, пиловловлювач, абсорбція.

АННОТАЦИЯ

Кузнецов С.И. Повышение эффективности очистки газовых выбросов от оксида углерода, двуокиси серы и пыли. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08-процессы и аппараты химической технологии.

- Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2007.

В основе большинства технологических методов очистки газов ле-жат процессы, основанные на взаимодействии газов с жидкими либо твердыми поглотителями, а также процессы химического превращения ядовитых примесей