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: Na2SO3 (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 SOx и NOx 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.