автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование технологических основ мокрой очистки вентиляционных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ МОКРОЙ ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ТЕРМОАГРЕГАТОВ ПРОВОЛОЧНОКАНАТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальности 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

На правах рукописи

КАЛАЧЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

03.00.16 Экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Г. Диденко

ВОЛГОГРАД 2006 г.

Работа выполнялась в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университет* •

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ДИДЕНКО

ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КАБЛОВ

ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

кандидат технических наук

ДОНЧЕНКО

БОРИС ТИМОФЕЕВИЧ

Ведущая организация: ВНИИ "Проектирование и конструиро-

вание вентиляции"

Защита диссертации состоится 28 апреля 2006 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета К.212.026.03 в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 ауд. В-710

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 24 марта 2006 г.

Ученый секретарь -

диссертационного совета а н м

канд. техн. наук, доцент

у" ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы: Производство проволочноканатной продукции является одним из наиболее динамично развивающихся отраслей прокатного производства. Особенность его технологии состоит в последовательном осуществлении ряда сложных в экологическом отношении процессов термической обработки кислотной, механической или электронной подготовки поверхности, нанесения горячих и гальванических покрытий и т.д. В ходе этих процессов образуется значительное количество неоднородных вредных выделений, локализация и отвод которых от источников образования осуществляется системами местной вытяжной вентиляции. Для очистки выбросов в атмосферу последние оснащаются установками газопылеулавливания, которые в большинстве своем осуществляют селективное извлечение определенного компонента по массовому расходу или токсичности принимаемого в качестве доминирующего.

Тенденция к увеличению производства проволочноканатной продукции, а также возросшие требования к санитарно-гигиеническим условиям внутрицеховой атмосферы и воздушного бассейна прилегающих городских территорий, вызывают необходимость изучения механизмов влияния технологических и эксплуатационных факторов на эффективность работы систем вентиляции и га-зопылеочистки.

Анализ состояния качества воздушной среды производственных помещений и районах размещения проволочноканатных производств показывает, что санитарно-гигиенические условия труда и степень защиты атмосферы от загрязнений в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям. Концентрации газов и пыли как в воздухе рабочей зоны, так и на промплощадках предприятий значительно превышают предельно допустимые. Одной из определяющих причин такого положения является несоответствие функционально-технологическим характеристикам применяемого газопылеулавливающего оборудования локализирующей вентиляции особенностям выделения и составу вредных выбросов данных производств.

Согласно данных анализа, в состав выбросов провочноканатных произ-

водств входят: пары серной и соляной кислоты, срсидь^^^^,^^^ углерода, а

С.Пе

РОС НАЦИОИАЛЬИАГ '

также туманы масел, эмульсий и пыль. Тем самым, данные выбросы следует

•

рассматривать как многокомпонентные, газообразные примеси которых по концентрации и степени воздействия следует отнести к целевым компонентам при устройстве систем газоочистки. Из условия унификации газоочистного оборудования для их улавливания наиболее перспективными являются мокрые методы, реализуемые в интенсивных аппаратах с самоорошением очищаемого потока. Такие аппараты (циклоннопенные, пенновихревые, вихреинжеционные) позволяют осуществлять комплексную очистку многокомпонентных выбросов, посредством варьирования режимных параметров очистки в зависимости от свойств извлекаемых компонентов. Применительно к условиям проволочнока-натного производства это позволяет учесть специфические особенности реализации процессов очистки, обусловленные наличием в выбросах компонентов с выраженными коррозионными свойствами и высокой токсичностью.

Совершенствование систем мокрой газоочистки тесно связано с изучением закономерностей массообменных процессов в зависимости от условий формирования межфазной поверхности контакта и свойств жидкой поглотительной среды.

При этом выделяются два доминирующих фактора - развиваемая степень турбулентности перемешивания фаз в зоне контакта и сорбционная емкость поглотительного раствора.

Первый влияет на развитие величины контактной поверхности, условия активного контакта, интенсивность смены контактирующих сред объеме газожидкостной системы. Вторым определяется скорость и степень извлечения целевого компонента из газовой фазы, то есть - эффективность улавливания загрязняющих компонентов очищаемого потока.

Повышение степени турбулизации газожидкостной системы в первую очередь может быть достигнуто за счет конструктивных особенностей оформления контактного узла и варьирования скорости потока очищаемого газа в зоне его контакта с жидкостью.

В свою очередь, эффект улавливания целевого компонента определяется степенью соответствия свойств поглотителя реализуемым режимным условиям извлечения целевого компонента.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы состоит в совершенствовании мокрой очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств посредством повышения степени поглощения кислых газовых примесей в эффективном режиме пенодинамического контакта очищаемого газа с оптимизированным поглотителем.

В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:

- теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения нескольких газообразных примесей;

- экспериментальное исследование закономерностей извлечения газообразных компонентов выбросов сушильных, иатентировочных и нагревательных печей проволочноканатных производств в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым потоком;

- определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамического слоя в реакционном объеме газоочистного аппарата посредством вихреинжекционного диспергирования оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;

- совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента выброса в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем посредством оптимизационной унификации структурной схемы и элементной базы газоочистного устройства;

- проверка в производственных условиях и обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды цехов и промышленных территорий.

Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств от кислых газовых примесей посредст-

вом оптимизационного подбора перспективных поглотителей этих компонентов.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность научных положении, выводов и реализаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях, а также результатами других авторов.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей, на примере диоксида серы, при очистке многокомпонентных выбросов нагревательных и патен-тировочных печей;

- предложена математическая модель для описания процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида серы трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

- экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенной математической модели в процессе поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы, при пенодинамическом контакте очищаемого газа с трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

- получены экспериментальные зависимости, характеризующие режимно-технологические условия эффективного улавливания диоксида серы поглоти-

тельным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах;

- установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта поглощения диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах при скорости очищаемого газа в контактном сечении не менее 5 м/с посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора Ьо;

- сформулированы принципы унификации аппаратурного оформления процесса очистки выбросов термоагрегатов поглотительньм раствором трибутилфосфата в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

- разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов проволочноканатных производств с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;

- установлена область режимно-технологических параметров эффективной очистки выбросов проволочноканатных производств в вихреинжекционных пенных скрубберах от диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата, определяемая значениями скорости газа иа > 5 м/с и начального уровня раствора в аппарате Ь0 > 0,0 м;

- уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов от диоксида серы в вихреинжекционных пенных скрубберах при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

- предложена методика определения степени выброса абсорбционной очистки и концентрации извлекаемого компонента в стоках жидкости, отводимой из пенодинамического слоя;

- обобщены факторы и уточнены режимно-технологических характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования загрязняющих выбросов от источников проволочноканатных производств;

- разработана и принята к использованию технологическая схема установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств с использованием трибутилфосфата в качестве поглотителя.

Реализация результатов работы:

- разработаны и переданы к использованию ЗАО "Северсталь-метиз" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств;

- прошла испытания и передана для внедрения ЗАО "Северсталь-метиз" опытно-промышленная модулированная установка для очистки выбросов технологической вентиляции от нагревательных, патентировочных и сушильных печей;

- ВНИИ "Проектирование и конструирование вентиляции" переданы рекомендации по применению трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя при очистке выбросов от кислых газов в аппаратах с пенодинамическим режимом работы;

- материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Инженерная защита окружающей среды" и "Теплогазоснабжение и вентиляция".

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

- математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфа-том кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментальные зависимости, характеризующйе эффективность улавливания диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата в'вихре-инжекционных пенных скрубберах;

- унифицированная технологическая схема установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов от кислых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методика расчета режимных параметров процесса энергетической эффективности очистки выбросов от кислых газов в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград); научно-технических конференциях "Безопасность, экология, энергосбережение" (Гизель-Дере, 2000-2001 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2000-2005 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние способов мокрой очистки газовых выбросов термических агрегатов применительно к условиям технологического процесса производства проволочноканатной продукции. Для основных операций технологического процесса дан анализ источников выбросов и их вещественных составов.

Из обобщения характерных признаков по объему, интенсивности выделения, компонентному составу и токсичности загрязняющих веществ к основным источникам вредных выбросов проволочноканатных производств следует относить: нагревательные, сушильные и патентировочные печи, ванны горячего и холодного травления.

Из оценки суммарной интенсивности воздействия, режимных параметров работы и условий локализации источников выбросов к их доминирующим компонентам, по степени убывания, следует отнести: диоксид серы, оксиды азота и углерода, а также пары травильных растворов. Учитывая наличие достаточно эффективных средств локализации вентиляционными системами вредных выделений ванн травления целевыми компонентами, при проектировании систем очистки выбросов являются примеси кислых газов. При этом основным следует считать диоксид серы. Его наличие в выбросах наряду с экологическими создает и существенные производственные проблемы, вызывая активную коррозию готовой продукции, складируемой на производственных площадях.

Анализ режимно-технологических особенностей существующих систем газоочистки выбросов проволочноканатных производств показывает их недостаточную эффективность и низкую степень унификации газоочистного оборудования. При этом применяемые установки и способы преимущественно рассчитаны на целевое извлечение лишь одного компонента, тогда как по ряду основных источников, например, термических агрегатов, задача состоит в необ-

10

ходимости комплексного извлечения нескольких компонентов - диоксида серы, оксидов азота и других кислых газов.

Совершенствованию способов и средств комплексной очистки газовых выбросов посвящены работы многих отечественных (М.Е. Позин, И.П. Мухле-нов, Э.Я. Тарат, А.Ф. Туболкин, О.С. Балабеков, П.Г. Романов, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, Л.Ш. Балтабаев, С.С. Серманизов, С.А. Богатых, A.B. Гладкий, В.Г. Диденко, В.И. Филиппов, Ю.Д. Молчанов, Н.В. Юркив, И.П. Левш, Д.С. Сабырханов и др.) и зарубежных исследователей - Н.Ф. Джонстон, У.Карл, Дж.С. Гурал, Дж. Куропка, Р.Мк. Джиннес, Дж. Б. Блейч, К.Т. Семроу и др.. Обобщение полученных ими результатов позволяет считать для условий проволочноканатных производств наиболее перспективными методы мокрой очистки, основанные на использовании:

- эффективных поглотительных растворов;

- аппаратурных схем газожидкостных реакторов, позволяющих реализовать высокоинтенсивные режимы контакта поглотителя с потоком.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу закономерностей процессов абсорбции кислых газов применительно к условиям очистки дымовых газов термических агрегатов проволочноканатных производств.

Анализ показывает, что подавляющее число известных данных по абсорбции и десорбции кислых газов обобщено в виде эмпирических уравнений. Такой подход затрудняет сравнение режимно-технологических характеристик массообменных процессов и химико-технологических систем. Тем самым ограничиваются возможности проектирования газоочистного оборудования и выбора оптимальных процессов абсорбционной газоочистки.

Перспективным направлением решения вопросов проектирования^массо-обменных аппаратов абсорбционной газоочистки вентиляционно-технологических выбросов для численного описания массообменных процессов является применение обобщающих аналитических моделей, учитывающих как особенности гидродинамики формирования газожидкостной системы, так и химико-технологических параметров реализуемых в ней процессов. Определяю-

щим в данном подходе является соответствие свойств поглотителя целевым задачам искомого решения.

Обобщение результатов исследований сорбционных свойств различных видов жидких поглотителей (А.Ф. Туболкин, В.Е. Сороко, И.П. Мухленов, Ф.Н. Луцко, A.C. Дорофеев, В.Н. Ковалев, А.Т. Бартов, О.И. Чесноков, A.M. Евсеев, В.В. Гурьянов, Н.ТТ. Белова, В.Г. Леонов, Н.С. Торочешников и д.р.) позволяет выделить для рассматриваемых условий в качестве перспективного поглотителя кислых примесей выбросов термоагрегатов трибутиловый эфир ортофос-форной кислоты - трибутилфосфат (ТБФ). По сумме показателей он оптималь- ^ но отвечает требованиям к жидким поглотителям, используемым в системах санитарной очистки газовых выбросов.

На основе аналитических преобразований уравнения абсорбции из условия полного смешения по жидкости и полного вытеснения по газу, а также возможности пренебрежения нестационарностью концентраций целевых компонентов в газе получены уравнения математических моделей нестационарного и стационарного процессов массопереноса в пенодинамическом слое (1-4), который формируется посредством вихревой инжекции жидкого поглотителя в зону межфазного контакта.

Соответственно, выражения (1) и (2) представляют скорость абсорбции целевого компонента из потока очищаемого газа и скорость отвода целевого компонента из жидкой фазы пенодинамического слоя с током жидкости. Выражение (3) характеризует закономерность изменения концентрации целевого компонента в жидкости пенодинамического слоя в моменты времени от г, до г2. При этом, выражением (4) определяется величина осредненной (стационарной),

Ur = SWTj(Crl - ECy^), Vж = - Сж,),

0) (2)

Ч ж /

(3)

(4)

для рассматриваемого отрезка времени, концентрации целевого компонента в жидкости пенодинамического слоя.

Таким образом, уравнения (1), (2) и (3) описывают нестационарные процессы в пенодинамическом слое, а уравнения (1), (2) и (4) - стационарные процессы. Эти уравнения могут быть использованы как для проектных расчетов, так и для определения принимаемых постоянных значений (ка) и (Е) при исследовании новых систем "газ-жидкость".

Третья глава посвящена анализу и обобщению результатов экспериментального исследования закономерностей процесса абсорбции кислых примесей (на примере диоксида серы) в пенодинамическом слое инжектируемого трибу-тилфосфата. Конечной целью математического обобщения экспериментальных данных являлось определение статической характеристики массопереноса -псевдокоэффициента Генри (Е) и динамической характеристики массопереноса - объемного коэффициента массопередачи (ка). Выбор этих двух обобщающих характеристик, как искомых, предопределился тем, что с их помощью можно с достаточной точностью рассчитать любой стационарный режим массопереноса по формулам соответствующей математической модели.

Согласно принятой модели процесса абсорбции скорость массопереноса (Ц) представляться в виде исходной формулы выражением

и = 77(Сг1 - ЕСж2), (5)

в котором для случая абсорбции, при Сж1 = О и Ъ = 0:

Сж2=Сг1(1-ехр(-^г))/£ (6)

где Р = {81¥г1Е1мж).

Подстановка в выражение (1) и последующее упрощение дает уравнение

Сй = Сг1(1-ехр(-/?г)), (7)

которое, позволяет рассчитывать значение Сй в любой момент времени после начала насыщения чистого жидкого поглотителя извлекаемым компонентом в процессе абсорбции. Уравнение (7) представляет вероятную форму экспериментальных кривых для случая, не усложненного химической реакцией в жидкости.

Подтверждением экспоненциального характера зависимости Сг2 от времени является логарифмирование экспериментально полученных значений СГ2-Полученное таким образом в полулогарифмической системе соотношение данных приводит к линейной зависимости, из чего следует реализуемость экспоненциальной зависимости Сг2 от времени отвечающей уравнению линейной регрессии:

Сг2=ехр(а,)ехр(-г>,г), (8)

где аь Ь[ параметры уравнения линейной регрессии, причем ехр(а,) - значение логарифма С^ в момент времени т = 0. *

Форма кривых зависимости от времени остаточной концентрации СГ2 диоксида серы, а также логарифма 1пСГ2 представлен на рис. 1.

а б

Рис. 1. Зависимость значений остаточной концентрации СГ2 и логарифма ее величины 1пСГ2от времени контакта с поглотителем: а - абсорбция; б - десорбция.

Соответственно, значение псевдокоэффициента Генри как отношения концентраций компонента в газе и жидкости оценивалось по уравнению

£ = *,Сг1у/(ехр(я,)) (9)

Как видно, что соответствующая предлагаемой математической модели форма графической зависимости в полной мере соблюдается в процессах десорбции. Для случая абсорбции, на графике зависимости концентрации Сг2 от

времени наблюдается перелом, а сама кривая имеет достаточно выраженную в—

14

образную форму. Причина этого состоит в наличии химической реакции в жидкости. Поскольку модели массопереноса процессов физической абсорбции не учитывают влияние химических реакций, то адекватное их описание в системе трибутилфосфат- БОг может быть достигнуто, либо - введением уравнения химической кинетики, либо - определением из оценки эмпирических данных интервала ее реализуемости с достаточной для решаемых задач точностью.

Применительно к рассматриваемому случаю очистки выбросов второй путь представляется вполне приемлемым. Поскольку в рассматриваемом случае принятой моделью с большей точностью описывается нестационарная десорбция, оценка уточняющих констант при определении значений (Е) и (ка) выполнена на основе обработки кривых десорбции.

Для внесения необходимых уточнений и расчета искомых констант десорбции, корректирующих рассматриваемую модель, исследования проводили при варьировании скорости газа и количества жидкости в слое.

Приведенные на рис. 2 и рис. 3 результаты графической обработки экспериментальных данных позволяют сделать вывод о достижении достаточной степени сходимости расчетных и эмпирических данных

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 IV,м/с

Рис. 2. Зависимость удельного объемного коэффициента массопередачи о г скорости газа.

ЕЮ4

ю

* р Ь

оо

О ° ' о

оо

о

5

"I

о

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Рис. 3 Зависимость псевдокоэффициента Генри от скорости газа (система вОг

В четвертой главе рассматриваются технологические основы решения инженерных задач очистки вентиляционно-технологических выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств посредством поглощения кислых примесей трибутилфосфатом.

Из анализа общих закономерностей явлений "Переноса совмещение в единую технологию комплексной очистки процессов улавливания нескольких компонентов можно представить как решение оптимизационной задачи унификации их аппаратурного оформления. Общим направлением решения этой задачи следует считать агрегатирование сборочных единиц газоочисткой установки в унифицированные блоки определённого функционального назначения, состав которых отражает стадии осуществляемого процесса (технологии) очистки, а структура - режимно-технологические условия их реализации - рис. 4.

ТБФ, объем жидкости в слое - 100 см3).

СБ

ТБ

ШУУ

ВБ

СРЖ

КРБ

Рис. 4. Структура компоновочной схемы модулированной установки ВИПС: ТБ - технологический блок; ВБ -вспомогательный блок; СБ - сепара-ционный блок; СР - система регенерации ЖТС; КРБ - контрольно-регулирующий блок; ШУУ - шламо-удаляющее устройство.

В аппаратурном оформлении предлагаемая система газоочистки включает две группы (подсистемы) модулированных вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС), каждая из которых имеет собственный циркуляционный кошур жидкого поглотителя - трибутилфосфата и бишофитного раствора. В пределах каждой подсистемы (функциональной группы ВИПС) модуля по назначению подразделяются на улавливающий целевой компонент (диоксид серы) и регенерирующий поглотительный раствор - рис. 5. Модули ВИПС, контуром ТБФ,

О-п

О

* с !КХ

*

Рис. 5. Технологическая схема модулей ВИПС комплексной очистки выбросов трибутилфосфатом: а - подсистема основной очистки; б - подсистема утилизации диоксида серы (1 - камера кондиционирования; 1.1- циркуляционный сток кондиционирующей ЖТС; 2 - структурные элементы пенодинамического реактора - ИПС; 2 1 - технологический блок; 2.2 - вспомогательной блок; 2.3 -сепарационный блок; 2.4 - циркуляционный сток ЖТС из инжектора; 2.5 - циркуляционный поток (инжекция) ЖТС в контактную зону инжектора; 2.6 т/п отвода ЖТС из блока-сепаратора; 2.7 - т/п отвода ЖТС к блоку-регенератору; 3 -резервно-компенсационный бак активной ЖТС; 4 - система подачи активной ЖТС в камеру подготовки; 5 - блок-регенератор ЖТС; 6 - сток, серной пульпы).

составляют подсистему основной газоочистки, а модули, объединяемые циркуляционным объединяемые циркуляционным контуром бишофитного раствора -подсистему утилизации диоксида серы.

Число очистных улавливающих модулей ВИПС в подсистеме основной газоочистки может быть достаточно большим и зависеть от числа локализуемых источников - термоагрегатов, в то время как регенерирующий модуль только один.

Целевая задача очистки вентиляционно-технологических выбросов, реализуемая посредством предлагаемой системы достигается на основе сочетания ряда раздельных и последовательно осуществляемых технологических операций: поглощения диоксида серы из потоков отходящих газов термических агрегатов газоочистными установками вентиляционно-технологических систем.

Технологически процесс очистки осуществляется следующим образом -рис. 6. Локализуемый системой технологической вентиляции очищаемый поток отходящих газов термоагрегатов подается в очистной модуль ВИПС (подсистемы основной газоочистки) где происходит его контакт с поглотительным раствором ТБФ в режиме вихреинжекционного пенообразования. Посредством

Рис. 6. Технологическая схема процесса очистки выбросов термоагрегатов про-волочноканатных производств трибутилфосфатом на основе модулей ВИПС: А - регенератор ТБФ; Б - регенератор бишофитного раствора.

этого значительно возрастает степень интенсификации процессов массообмена по сравнению с барботажным или обычным пенным режимом. В результате достигается высокоэффективное поглощение диоксида серы из очищаемого потока.

Очищенный газ через сепаратор капельной влаги удалятся из очищаемого модуля ВИПС в атмосферу. Отсепарированный отработавший жидкий поглотитель (ТБФ) по системе отводящих трубопроводов подается в регенерационный модуль ВИПС подсистемы основной очистки. При его контакте с атмосферным воздухом в регенерирующем модуле ВИПС осуществляется процесс десорбции диоксида серы с восстановлением свойств поглотителя - ТБФ. Восстановленный поглотитель вновь подается на очистные модули ВИПС подсистемы основной газоочистки. Газовоздушная смесь (с повышенной концентрацией диоксида серы) подается в очистной модуль ВИПС подсистемы утилизации диоксида серы, где контактирует уже с окислительным бишофитным поглотительным раствором в режиме пенодинамического взаимодействия. Посредством варьирования режимно-технологических параметров работы данного модуля достигается степень очистки газовоздушной смеси, отвечающая требованиям санитарных норм, как и в установках подсистемы основной газоочистки.

Отработавший поглотительный бишофитный раствор подается в регенерационный модуль ВИПС подсистемы утилизации диоксида серы. В модуле-регенераторе ВИПС в режиме пенодинамического контакта отработавшего би-шофитного раствора с атмосферным воздухом происходит восстановление его свойств кислородом воздуха. Восстановленный раствор поступает в бак-отстойник, откуда подается на очистку газовоздушной смеси в очистной модуль ВИПС подсистемы утилизации. Серосодержащая пульпа удаляется из бака-отстойника и проходит соответствующую обработку.

Проведенные опытно-промышленные испытания (табл.1) показали возможность повышения эффективности извлечения диоксида серы из очищаемого газа и регенерации поглотительного раствора ТБФ, а также существенной конструктивной унификации оборудования газоочистных установок.

Таблица 1.

Основные характеристики газоочистки в опытов промышленных установках ВИПС производства ВСПКЗ

Наименование производства, цеха Источник выброса Модификация ВИПС, производит., тип закруч-ля Улав-ли вае-мый компонент Начальн. концентрация компонента, г/м3 Вид жидкой техноло-I ической среды Эффек тив-ность улавливания, % Остаточный выброс М, г/с Относит; величина выброса, М/ПДВ %

Линия светлой проволоки Термоагрегат Установка ВИПС-ап-2.0 производит. 1,6 тыс нм3/ч (2ДЛ) вОг 0,48 ТБФ 98,5 0,015 29,7

Линия оцинкованной проволоки Термоагрегат Установка ВИПС-ап-2.0 произ-водительн. 1,9 тыс нм3/ч (2 ДЛ) 802 0,345 ТБФ 98,9 0,013 59,6

Линия латунированной проволоки Термоагрегат Установка ВИПС-ал производи-тельн. 1,8 тыс нм3/ч (2С) всь 0,406 ТБФ 99,2 0,01 58,3

Основные выводы

1. Впервые на примере диоксида серы теоретически обоснована и экспериментально установлена возможность эффективной очистки из вентиляционных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств кислых газов три-бутилфосфатом в слое подвижной механической пены, формируемом посредством вихревой инжекции.

2. Получены уравнения зависимости концентраций уловленного компонента в отводимом из пенного слоя стоке жидкого поглотителя и потоке очищаемого газа от времени нестационарного процесса.

3. На основе обобщений теоретических и экспериментальных зависимостей получены уточненные для условий массообмена в пенодинамическом слое уравнения, описывающие закономерности нестационарного и стационарного переноса. Экспериментально исследованы закономерности массопереноса при поглощении трибутилфосфатом диоксида серы.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пенодинамического слоя посредством механизма вихреинжекционного диспергирования трибутилфосфата, и уточнено уравнение, описывающее зависимость высоты пенодинамического слоя в контактной камере инжектора от основных режимных параметров пенообразования.

5. Подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодина-мическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов термических агрегатов проволочнока-натных производств от кислых примесей.

6. На основе обобщения технико-экономических показателей сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации элементной базы установок вихрепенноЙ очистки.

7. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов в комплексной очистке выбросов нагревательных печей прово-лочноканатных производств.

8. Предложена структурная схема унифицированной компоновки и разработана технологическая схема комплексной очистки дымовых газов термических агрегатов проволочноканатных производств трибутилфосфатом в установках с режимом вихреинжекционного пенообразования.

Результаты выполненных исследований дают возможность эффективного решения задач очистки вентиляционно-технологических выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение кислых газовых примесей трибутилфосфатом в режиме его пенодинамического контакта с очищаемым потоком.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

S - площадь поперечного сечения слоя, м; W - линейная скорость очищаемого газа, м/с; г) - степень абсорбции, доли единицы; Cri — начальная концентрация целевого компонента в газе, кмоль/м3; Е - псевдокоэффициент Генри; Сж) и СЖ2 соответственно, начальная и конечная концентрации целевого компонента в жидкости, кмоль/м3; L - расход жидкости через реакционную зону (объем) динамического слоя, м3/с; СЖ| и СЖ2 соответственно значения концентраций целевого компонента в жидкости в момент времени г, и г2, кмоль/м3; С - стационарная концентрация целевого компонента, кмоль/с; г, и г2 - моменты времени реализации процесса, с.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Калачев, A.B., Диденко, В.Г., Обобщающая математическая модель абсорбции кислых примесей в пенодинамическом слое [Текст] / A.B. Калачев, Диденко В.Г. // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит, ун-т,- Волгоград, 2005. -с. 24-29.

2. Диденко, В.Г., Калачев, A.B. Совершенствование средств очистки газов на основе схем с инжекторными пенными скрубберами [Текст] / A.B. Калачев, В.Г. Диденко // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т,- Волгоград, 2003. -с. 124-129.

3. Диденко, В.Г., Калачев, A.B. Проблемы утилизации промышленных выбросов и защиты окружающей среды [Текст] / A.B. Калачев, В.Г. Диденко // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т - Волгоград, 2002. - с. 8-11.

4. Диденко, В.Г., Калачев, A.B. Сравнительная оценка способов очистки от сернистых примесей выбросов сталепроволочноканатных производств [Текст] / В.Г. Диденко, A.B. Калачев // Проблемы охраны производственной и окружающей среды: Мат-лы науч.-техн. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т-Волгоград, 2001. - с. 48-50.

5. Калачев, A.B. К выбору массообменного оборудования для очистки выбросов от сернистых примесей в сталепроволочноканатном производстве [Текст] / A.B. Калачев // Проблемы охраны производственной и окружающей среды: Мат-лы науч.-техн. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т.-Волгоград, 2001. -с. 37-38.

6. Диденко, В.Г., Калачев, A.B. Особенности вентиляции цехов сталепроволочноканатных производств [Текст] / В.Г. Диденко, A.B. Калачев // Проблемы охраны производственной и окружающей среды: Мат-лы науч.-техн. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т - Волгоград, 2001. - с. 53-55.

7. Калачев, A.B. Методы измерения гидродинамических и структурных параметров двух-и трехфазного взвешенного слоя [Текст] / A.B. Калачев // Проблемы охраны производственной и окружающей среды: Мат-лы науч.-техн. конф. / Волгоград, гос. арх.-строит. ун-т.- Волгоград, 2000. - с. 83-87.

22

КАЛАЧЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ МОКРОЙ ОЧИСТКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ТЕРМО АГРЕГАТОВ ПРОВОЛОЧНОКАНАТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.03.2006 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл.печл. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз Заказ № 32

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1 Сектор оперативной полиграфии ЦИТ

Л 00 6А

W//

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ И ОЧИСТКИ

ВЫБРОСОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОВОЛОЧНОКАНАТНОЙ ПРОДУКЦИИ.

1.1. Характеристика основных видов производимой. нроволочноканатной продукции.

1.2 Особенности технологического процесса производства проволочно-канатной продукции.

1.3 Характеристика технологического оборудования как источников загрязнения атмосферы.

1.4. Существующие системы очистки выбросов действующих. проволочноканатных производств.

1.5 Анализ способов абсорбционной очистки промышленных выбросов.

1.6. Сравнение анпаратурно-технологических. характеристик установок абсорбционной очистки.

1.7 Технологические особенности пенного режима взаимодействия. газов и жидкостей.

Вводы по главе 1.

ГЛАВА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛАВЛИВАНИЯ КИСЛЫХ ГАЗОВ ЖИДКИМИ

ПОГЛОТИТЕЛЯМИ.

2.1. Обоснование выбора поглотителей для очистки выбросов от оксида серы (кислых примесей).

2.2 Методологические основы описания массопереноса при поглощении кислых газов в пеподинамическом слое.

2.3 Сравнение процессов извлечения кислых газов различными абсорбентами.

2.4. Особенности поглощения диоксида серы трибутилфосфатом.

Выводы но главе 2.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АБСОРБЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ В ПЕНОДИНАМИЧЕСКОМ СЛОЕ ИНЖЕКТИРУЕМОГО ТРИБУТИЛФОСФАТА.

3.1. Аппаратурное оформление экспериментального стенда.

3.2. Методика проведения экспериментов.

3.2.1. Исследование гидродинамических характеристик формирования ненодпнамического слоя трибутилфосфатом.

3.2.2 Исследование закономерностей поглощения диоксида серы.

3.3. Планирование эксперимента.

3.4 Условия математического обобщения экспериментальных данных.

3.4.1. Определение псевдокоэффициента Генри.

3.4.2. Определение коэффициента массопередачи.

3.4.3. Расчет коэффициентов уравнения линейной регрессии.

3.5. Особенности гидродинамики формирования пенодинамического слоя трибутилфосфата.

3.6. Закономерности массопереноса при поглощении диоксида серы.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

ПРОВОЛОЧНОКАНАТНОЙ ПРОДУКЦИИ.

4.1. Особенности формирования динамической пены посредством. вихревой инжекции трибутилфосфата.

4.2. Условия оптимизации режимных параметров совмещаемых. процессов.

4.3. Обобщение принципов унификации компоновочной схемы установки комплексной газоочистки.

4.4. Обоснование состава функциональных элементов структурной схемы модулированной установки вихревой газоочистки.

4.5 Аппаратурно-технологнческие характеристики очистки дымовых газов трибутилфосфатом в вихреиннжекционных пенных скрубберах.

Выводы по главе 4.

Производство проволочноканатной продукции является одним из наиболее динамично развивающихся отраслей прокатного производства. Особенность его технологии состоит в последовательном осуществлении ряда сложных в экологическом отношении процессов термической обработки кислотной, механической или электронной подготовки поверхности, нанесения горячих и гальванических покрытий и т.д. В ходе этих процессов образуется значительное количество неоднородных вредных выделений, локализация и отвод которых от источников образования осуществляется системами местной вытяжной вентиляции. Для очистки выбросов в атмосферу последние оснащаются установками газопылеулавливания, которые в большинстве своем осуществляют селективное извлечение определенного компонента по массовому расходу или токсичности принимаемого в качестве доминирующего.

Тенденция к увеличению производства проволочноканатной продукции, а также возросшие требования к санитарно-гигиеническим условиям внутрицеховой атмосферы и воздушного бассейна прилегающих городских территорий, вызывают необходимость изучения механизмов влияния технологических и эксплуатационных факторов на эффективность работы систем вентиляции и га-зопылеочистки.

Анализ состояния качества воздушной среды производственных помещений и районах размещения проволочноканатных производств показывает, что санитарно-гигиенические условия труда и степень защиты атмосферы от загрязнений в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям. Концентрации газов и пыли как в воздухе рабочей зоны, так и на промплощадках предприятий значительно превышают предельно допустимые. Одной из определяющих причин такого положения является несоответствие функционально-технологическим характеристикам применяемого газопылеулавливающего оборудования локализирующей вентиляции особенностям выделения и составу вредных выбросов данных производств.

Согласно данных анализа, в состав выбросов провочноканатных производств входят: пары серной и соляной кислоты, оксиды серы, азота, углерода, а также туманы масел, эмульсий и пыль. Тем самым, данные выбросы следует рассматривать как многокомпонентные, газообразные примеси которых по концентрации и степени воздействия следует отнести к целевым компонентам при устройстве систем газоочистки. Из условия унификации газоочистного оборудования для их улавливания наиболее перспективными являются мокрые методы, реализуемые в интенсивных аппаратах с самоорошением очищаемого потока. Такие аппараты (циклоннопенные, пенновихревые, вихреинжеционные) позволяют осуществлять комплексную очистку многокомпонентных выбросов, посредством варьирования режимных параметров очистки в зависимости от свойств извлекаемых компонентов. Применительно к условиям проволочнока-натного производства это позволяет учесть специфические особенности реализации процессов очистки, обусловленные наличием в выбросах компонентов с выраженными коррозионными свойствами и высокой токсичностью.

Совершенствование систем мокрой газоочистки тесно связано с изучением закономерностей массообменных процессов в зависимости от условий формирования межфазной поверхности контакта и свойств жидкой поглотительной среды.

При этом выделяются два доминирующих фактора - развиваемая степень турбулентности перемешивания фаз в зоне контакта и сорбционная емкость поглотительного раствора.

Первый влияет на развитие величины контактной поверхности, условия активного контакта, интенсивность смены контактирующих сред объеме газожидкостной системы. Вторым определяется скорость и степень извлечения целевого компонента из газовой фазы, то есть - эффективность улавливания загрязняющих компонентов очищаемого потока.

Повышение степени турбулизации газожидкостной системы в первую очередь может быть достигнуто за счет конструктивных особенностей оформления контактного узла и варьирования скорости потока очищаемого газа в зоне его контакта с жидкостью.

В свою очередь, эффект улавливания целевого компонента определяется степенью соответствия свойств поглотителя реализуемым режимным условиям извлечения целевого компонента.

Цель работы состоит в совершенствовании мокрой очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств посредством повышения степени поглощения кислых газовых примесей в эффективном режиме пенодинамического контакта очищаемого газа с оптимизированным поглотителем.

В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:

- теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения нескольких газообразных примесей;

- экспериментальное исследование закономерностей извлечения газообразных компонентов выбросов сушильных, патентировочных и нагревательных печей проволочноканатных производств в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым потоком;

- определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамического слоя в реакционном объеме газоочистного аппарата посредством вихреинжекционного диспергирования оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;

- совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента выброса в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем посредством оптимизационной унификации структурной схемы и элементной базы газоочистного устройства;

- проверка в производственных условиях и обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды цехов и промышленных территорий.

Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств от кислых газовых примесей посредством оптимизационного подбора перспективных поглотителей этих компонентов.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность научных положении, выводов и реализаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях, а также результатами других авторов.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей, на примере диоксида серы, при очистке многокомпонентных выбросов нагревательных и патен-тировочных печей;

- предложена математическая модель для описания процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида серы трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

- экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенной математической модели в процессе поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы, при пенодинамическом контакте очищаемого газа с трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

- получены экспериментальные зависимости, характеризующие режимно-технологические условия эффективного улавливания диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах;

- установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта поглощения диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах при скорости очищаемого газа в контактном сечении не менее 5 м/с посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора Ь0;

- сформулированы принципы унификации аппаратурного оформления процесса очистки выбросов термоагрегатов поглотительным раствором трибутилфосфата в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

- разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов проволочноканатных производств с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;

- установлена область режимно-технологических параметров эффективной очистки выбросов проволочноканатных производств в вихреинжекционных пенных скрубберах от диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата, определяемая значениями скорости газа иа > 5 м/с и начального уровня раствора в аппарате Ь0 > 0,0 м;

- уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов от диоксида серы в вихреинжекционных пенных скрубберах при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

- предложена методика определения степени выброса абсорбционной очистки и концентрации извлекаемого компонента в стоках жидкости, отводимой из пенодинамического слоя;

- обобщены факторы и уточнены режимно-технологических характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования загрязняющих выбросов от источников проволочноканатных производств;

- разработана и принята к использованию технологическая схема установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств с использованием трибутилфосфата в качестве поглотителя.

Реализация результатов работы:

- разработаны и переданы к использованию ЗАО "Северсталь-метиз" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств;

- прошла испытания и передана для внедрения ЗАО "Северсталь-метиз" опытно-промышленная модулированная установка для очистки выбросов технологической вентиляции от нагревательных, патентировачных и сушильных печей;

- НПО "Волгоградхимпроект" переданы рекомендации по применению трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя при очистке выбросов от кислых газов в аппаратах с пенодинамическим режимом работы;

- материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Инженерная защита окружающей среды" и "Теплогазоснабжение и вентиляция".

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

- математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфа-том кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность улавливания диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата в вихре-инжекционных пенных скрубберах;

- унифицированная технологическая схема установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов от кислых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методика расчета режимных параметров процесса энергетической эффективности очистки выбросов от кислых газов в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград); научно-технических конференциях "Безопасность, экология, энергосбережение" (Гизель-Дере, 2000-2001 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2000-2005 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка и 1 таблицу.

Выводы по главе 4.

1. Экспериментально установлена высокая степень сходимости гидродинамических характеристик процесса вихреинжекционного образования динамической пены трибутилфосфатом с характеристиками, полученными на воде и водных растворах поглотителей. Это позволяет считать возможным использование последних для расчета гидродинамических параметров очистки газовых выбросов трибутилфосфатом в вихреинжекционных аппаратах.

2. Обобщением результатов экспериментов подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов нагревательных печей сталепроволочноканатных производств от кислых примесей.

3. Обоснована целесообразность выбора в качестве технологического критерия оптимизации процесса газоочистки степени поглощения целевых компонентов трибутилфосфатом при задаваемом начальном уровне поглотителя в газоочистном аппарате и ограничении по величине гидравлических потерь.

4. Установлено, что для совершенствования технико-экономических показателей газоочистного оборудования процессов комплексной очистки многокомпонентных выбросов нагревательных печей проволочноканатных производств принцип унификации элементной базы в виде блочно-модульных агрегатов является наиболее перспективным.

5. На основе обобщения технико-экономических показателей сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации элементной базы установок вихрепенной очистки.

6. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов в комплексной очистке выбросов нагревательных печей сталепроволочноканатных производств.

7. Согласно предложенной структурной схемы унифицированной компоновки разработана технологическая схема комплексной очистки дымовых газов нагревательных печей трибутилфосфатом в установке с режимом вихреин-жекционного пенообразования.

Заключение

1. На примере поглощения диоксида серы впервые теоретически обоснована и экспериментально установлена возможность эффективной очистки вентиляционных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств от кислых газов трибутилфосфатом в слое подвижной механической пены, формируемой посредством вихревой инжекции.

2. Получены уравнения зависимости концентраций уловленного компонента в отводимом из пенного слоя стоке жидкого поглотителя и потоке очищаемого газа от времени нестационарного процесса.

3. На основе обобщений теоретических и экспериментальных зависимостей получены уточненные для условий массообмена в пенодинамическом слое уравнения, описывающие закономерности нестационарного и стационарного переноса. Экспериментально исследованы закономерности массопереноса при поглощении трибутилфосфатом диоксида серы.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пеноди-намического слоя посредством механизма вихреинжекционного диспергирования трибутилфосфата, и уточнено уравнение, описывающее зависимость высоты пенодинамического слоя в контактной камере инжектора от основных режимных параметров пенообразования.

5. Подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств от кислых примесей.

6. На основе обобщения технико-экономических показателей сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации элементной базы установок вихрепенной очистки.

7. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов в комплексной очистке выбросов нагревательных печей проволочноканатных производств.

8. Предложена структурная схема унифицированной компоновки и разработана технологическая схема комплексной очистки дымовых газов термических агрегатов проволочноканатных производств трибутилфосфатом в установках с режимом вихреинжекционного пенообразования.

Результаты выполненных исследований дают возможность эффективного решения задач очистки вентиляционно-технологических выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение кислых газовых примесей трибутилфосфатом в режиме его пеноди-намического контакта с очищаемым потоком.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.

2. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. — Д.: Химия, 1975. — 320 с.

3. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М: Металлургия, 1986. — 544 с.

4. Алексеев Н.И., Кисин Д. А., Горелов В.Е. Совершенствование пенно-вихревого аппарата методом ФСА || Химическое и нефтяное машиностроение, 1988, №4, с. 15-17.

5. Алексеев Н.И., Тарат Э.Я., Исаев В.Н. Пенно-вихревой аппарат для мокрой обработки газов || Химическое и нефтяное машиностроение, 1975, № 10, с. 18-20.

6. Алексеев Н.И., Тарат Э.Я., Колесник Р.П. К вопросу разработки пенных аппаратов с тангенциальным подводом газа || Промышленная и санитарная очистка газов, 1975, № 3, с. 9-12.

7. Андриевская Е.А. Аппараты для очистки отходящих газов в СССР и за рубежом ¡1 Обзорная информация. Сер. "Охрана окруж. среды". НИИТЭХИМ. — М.: 1979. — Вып. 4. (23). 39 с.

8. Арсеев A.B., Арсеева Н.В. Загрязнение атмосферы окислами азота продуктов сгорания топлива || Н.-Т. обзор. Сер. использ. газа. М.: ВНИИЭГАЗ-ПРОМ, 1974. —59 с.

9. A.c. 830691 СССР, МКИ В01 Д53/14. Способ очистки газа от кислых компонентов.

10. Балабеков О.С., Романков П.Г., Тарат Э.Я. и др. Исследование гидродинамических характеристик аппаратов с орошаемой насадкой. — ЖПХ, 1969, т. 42, № 10, с. 2267.

11. Беделл С.А., Кирби Л.Х., Буэнгер С.У., Макгоф М.С. Очистка газов при помощи хелатных комплексонов || Нефть, газ и нефтехимия за рубежом.— 1988, №1.

12. Бекиров Т.М. Первичная переработка первичных газов .- М.: Химия, 1987-256 с.

13. Беккер Р. Теория теплоты. — М.: Энергия, 1974. — 504 с.

14. Белевицкий A.M. Проектирование газоочистных сооружений. — Л.: Химия, 1990. —288 с.

15. Беннет К.О., Майерс Дж.Е. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. — М.: Недра, 1966. — 726 с.

16. Бердт Р, Стыоарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.:Химия,1974. -688 с

17. Берман Л.Д. Об аналогии между тепло-и массообменом. — Теплоэнергетика, 1955, №8.

18. Богатых С.А. Циклонно-пенные аппараты,-Л.:Машиностроение, 1978. -224 с

19. Богатых С.А., Николаев Е.В. Исследование интенсификации пылеулавливания посредством уплотнения динамического двухфазного слоя || Тр. ЛенНИИхиммата. — 1976, № 10, с. 96-100.

20. Богатых С.А., Сидоров В.М., Уманский М.П. Исследование и разработка аппарата для очистки и охлаждения газов, выходящих из печей сушилок || Тр. ЛенНИИхиммаша. — 1971, № 6, с. 60-70.

21. Брайнес Я.М. Введение в теорию и расчёты химических и нефтехимических реакторов. —М.: Химия, 1976. — 232 с.

22. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах. — Л.: Химия, 1988. — 336 с.

23. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978.— 400 с.

24. Веников В.А. Теория подобия и моделирования М.: Высшая школа, 1976.-469с.

25. Вилесов Н.Г., Костюковская A.A. Очистка выбросных газов. — Киев.: Техника, 1971. — 196 с.

26. Гвоздев Б.П., Гриценко А.И. Эксплуатация газовых и газоконденсат-ных месторождений: Справочное пособие М.: Недра, 1988.—575с.

27. Германия. Способ удаления сероводорода из потоков газа, содержащего большое количество диоксида углерода. Опубл. 1994г., Бюл. №11.

28. Глинка Ф.Б., Ключников Н.Г. Химия комплексных соединений.— М.: Просвещение, 1982.— 160с.

29. Гриценко А.И., Галанин И.А., Зиновьева Л.М. и др. Очистка газов от сернистых соединений при эксплуатации газовых месторождений.— М.: Недра, 1985.—270с.

30. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена. — М.:Высшая школа, 1974.

31. Диденко В.Г. Основы оптимизации процессов мокрой очистки многокомпонентных выбросов. Вестник ВолгГАСА, Вып. 1, Волгоград, 1999 г.

32. Диденко В.Г. Техника мокрой очистки вентиляционных выбросов: Учеб. пособие. — Волгоград: Изд-во ВолгГАСА, 1996. — 128 с.

33. Диденко В.Г. Теория, расчет и оптимизация процессов очистки многокомпонентных выбросов в модулированных вихреинжекционных пенных скрубберах. Дисс. д-ра техн. наук. Волгоград. 1998 г.

34. Диденко В.Г. Мокрая очистка дымовых газов печей отжига металла || Охрана окружающей среды / Респуб. межвед. сб. Вып. 4. — Минск, Вышей-шая школа, 1985, с.

35. Диденко В.Г. Основы очистки и утилизации вентиляционных выбросов: Учеб. пособие. — Волгоград: Изд-во ВолгИСИ, 1992. — 103 с.

36. Диденко В.Г., Совершенствование средств очистки углеводородных газов от сероводорода на основе схем с инжекторно-пенными скрубберами-смесителями Качество внутреннего воздуха и окружающей среды / Мат-лы II междун. конф. Волгоград, 2003 г.

37. Дорофеев A.C. Разработка, исследование и внедрение усовершенствованного известнякового способа очистки газов от оксидов серы с утилизацией продуктов сероулавливания . Дисс. канд техн. наук. Л. 1980 г. - 210 с

38. Железняк A.C., Иоффе И.И. Методы расчета многофазных жидких реакторов. Л.: Химия, 1974.—320 с.42.3ажигаев JI.O., Нишьян A.A., Романников Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. — М.: Атомиздат, 1978. -232 с.

39. Заявка № 03 3541370, ФРГ, МКИ В01Д 45/08,45/16. Разделитель смеси газ / жидкость. Опубл. 28.05.86; Бюл.№22

40. Заявка № 0196120, ЕПВ, МКИ В01Д 47/10. Способ и устройство для обработки газов. Опубл. 01.10.86; Бюл.№40.

41. Заявка № 62-32925, Япония, МКИ В01 Д53/14, С01 В17/05, С 10К 1/08. Установка для очистки газа. / Осака Гасу К.К.- № 55 144018; Заявлено 26.04.82; Опубл. 17.07.87; Бюл. 2-825.

42. Зиновьева JI.M. Исследование поглотительных свойств гидроокисей железа, полученных из различных растворов солей железа. М.: ВНИИОЭНГ, 1977, №8, с.8—13.

43. Иткина Д.Я, Миниович М.А., Абсорбция окислов азота Труды ГИАП-1960-Вып П.-с. 259-276

44. Луцко Ф.Н., Бартов А.Т., Прокопенко А.Н., Орлов Е.А. Двухфазная модель абсорбции. ЖПХ, 1981, т 54, №7, с 1538-15-43

45. Кафаров B.B. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972. - 494с.

46. Карапетянц М.Х. Введение в теорию химических процессов.— М.: Высшая школа, 1981.— 331 с.

47. Касимов В.Р., Агаев Г.А., Мухтарова Ш.А., Настека В.И. Исследования коррозионных и абсорбционных свойств концентрированного ДЭА с добавкой присадки "Икасол" || Совершенствование техники и технологии переработки газа.-Сб. научн. тр./ВНИПИГаз, 1991.

48. Кафаров В.В. Основы массопередачи. — М.: Высшая школа, 1972. — 494 с.

49. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. — М: Наука, 1976. — 500 с.

50. Кинан Дж. Термодинамика. — М.: Энергия, 1963. — 280 с.

51. Кирпичев М.В. Теория подобия.— АН СССР, 1959.

52. Комплекс по переработке высокосернистого природного газа. New Mobile Bay complex explits major sour gas reserse / True Warren R // Oil and Gas J. — 1994,- 92, № 21. c.49-51.

53. Ковалёв O.C., Мухленов И.П., Туболкин А.Ф. и др. Абсорбция и пылеулавление в производстве минеральных удобрений. — М.: Химия, 1987. — 208 с.

54. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газа. — М.: Недра, 1963.—392с.

55. Крешков А.П. Основы аналитической химии.— М.: Химия, 1971.— Т.2.—456с.

56. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами М.: Химия, 1979. -246 с.

57. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990.

58. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. — М.: Энергия, 1976. — 296 с.

59. Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. — М.: Энергия, 1966. — 351 с.

60. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т. и др. Математическое моделирование химических производств. — М.: Мир, 1973. — 391 с.

61. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. — М.: Физматгиз, 1959. — 538 с.

62. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1970. — 904 с.

63. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. — Л.: Химия, 1980. — 232 с.

64. Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообмен-ная аппаратура химических производств. — Л.: Химия, 1976. — 368 с.

65. Мишина Л.А., Юрьев М.Я. Методы химического, физико-механического и метрологического контроля. Л.: Недра, 1988. —192с.

66. Мухленов И.П., Туболкин А.Ф., Тарат Э.Я. и др. Расчёты химико-технологических процессов. — Л.: Химия, 1976. — 300 с.

67. Настека В.Н. Новые технологии очистки высокосернистых природных газов и газовых конденсатов. — М.: Недра, 1966.—107с.

68. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химических реакторов. — М.: Химия, 1967. — 248 с.

69. Патент 4714480 США МКИ В01Д 19/00. Способ удаления кислых газов из газовой смеси. Опубл. 22.12.97; т. 1085 №4.

70. Патент 5085839 США. МКИ С01 В 17/16. С01 В 31/20 Способ очистки газа от кислых примесей./ Scott David Е., Celay Phillip, Me Cune Brent A., Wellborn Tom A.; Lyondell Petrochemicfl Co. № 690380; Заявлено 23.04.91; Опубл. 04.02.92.

71. Патент 5147620 США, МКИ С01 В 17/16, COI В 31/20 Способ очистки газа в потоке. Procel for the purification of gaseous streams / Linko buterhrises № 363631; Заявлено 08.06.89; Опубл. 15.09.92

72. Позин M.E., Мухленов И.П., Тарат Э.Я. Пенные газоочистители, теплообменники и абсорберы. — Л.: Госхимиздат, 1959.—123с.

73. Переработка газов за рубежом. — М.: ВНИОНГ, 1972.— 80с. (Обзор заруб, лит. сер. "Газовое дело").

74. Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды. Справочник. -Д.: Химия, 1980. — 336 с.

75. Пирумов А.И., Кузенков Б.А. Очистка вентиляционного воздуха в мокрых пылеуловителях-промывателях с внутренней циркуляцией воды || Обзор по межотрас. тематике. ГОСИНТИ. — М.: 1971. — 57 с.

76. Поглощение разбавленных нитрозных газов растворами трибутилфос-фата // Н.П. Белова и др. // Тез.докл. 1 всесоюз.совещ "Абсорбция газов" -Чирчик 1979.- с. 12-13

77. Промышленность химических реактивов и особо чистых веществ. Труды ИРЕА. Выпуск 11, 1968.

78. Процессы переработки сернистого газа и выделения серы из кислых газов. Large-plant sulfur recovery processes stress efficiency / Goar В/ Gene, Nasato Elmol // Oil and gas I.- 1994.- 92, № 21 c.60-61

79. Рамм B.M. Абсорбция газов. — M.: Химия, 1976. — 656 с.

80. Резуненко В.И. Сырьевая база отрасли. || Газовая промышленность.— 1991, №6, с.12-13.

81. Рыбинский А.Г., Зеленцов В.Л., гордзиевский А.Ф. // Современное аппаратурное оформление процессов очистки газов: обзор инф Серия "Охр.окр.среды и рац.использ.природных ресурсов.". М.: НИИТЕХИМД986 Вып 1(62) с 27.

82. Семенова Т.А., Лейтес И.Л. и др. Очистка технологических газов.— М: Химия, 1969 — 392с.

83. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива Л.: Недра, 1988-312 с.

84. Систер В.Г., Мартынов Ю.В. Исследование процесса сепарации жидких капель в винтовом канале || Теоретические основы химической технологии, 1993, т. 27, №3, с. 264-268.

85. Старк С.Б. Пылеулавливание и очистка газов в металлургии. — М.: Металлургия, 1977. — 328 с.

86. Сторонкин A.B. Термодинамика гетерогенных систем. Л.:Изд-воЛГУ, 1967. -447 с

87. Сороко В.Е, Луцко Ф.Н. Нестационарные процессы в абсорберах.- Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1987 33 с.

88. Табачников Г.М. Опыт эксплуатации пылеуловителей ПВБМ при очистке воздуха от пожаро- и взрывоопасной органической и синтетической пыли || Современное оборудование вентиляционных систем: Матер, семин. / МДНТП1. М., 1990. —С. 146-149.

89. Тарат Э.Я., Балабеков О.С., Болгов Н.П. и др. Интенсивные колонные аппараты для обработки газов жидкостями. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1976. — 240 с.

90. Тарат Э.Я., Мухленов И.П., Туболкин А.Ф., Тумаркина Е.С. Пенный режим и пенные аппараты. — Л.: Химия, 1977. — 304 с.

91. Тарачешников и др. Поглощение разбавленных нитрозных газов Растворами трибутилфосфата // Тез. докл. Первого всесоюзного совещания "Абсорбция газов" Чирик, 1979.- с 12-13.

92. Тарат Э.Я., Туболкин А.Ф., Хазан P.M. О связи критерия гидродинамического состояния структуры пенного слоя с процессом массопереноса || Журнал прикладной химии, 1977, т. L, № 4, с. 836-840.

93. Таусенд A.A. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом.

94. М.: Изд-во ин. лит., 1959. — 399 с.

95. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. - 440 с

96. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М.: Наука, 1967. — 490 с.

97. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача -М.: Химия. 1982696 с.

98. Шретер В., Лаутеншлегер К., Бибрак X. И др.: Пер. с нем. Химия Спр. изд. М.: Химия, 1989—648с.

99. Istomin V.A., Gas Hydraytesa in Russia: Meeting the Challenge, in "Gas in tne CIS", 1996, pp. 56-58.

100. Maddox R.N., Michael D. Burns. Solids processes for gas sweetening // Oil and Gas Journal, 1968, Vol. 66. №25, p.90-93.

101. May P.D., Hydrogen sulfide control.- Drilling. 1978, № 4, p.54-58.

102. Minkkinen A., Lsarue J., Patel S., Levier J-F. Metranol Gas Treating Scheme offers econjmics.- Oil and Gas Journal, June I, 1992, p.65-72.

103. Arravsmith A., Ashton N., Parsons A.C. Gaseous emission control by gas absorption some case studies || Process Safety and Environ. Prot., 1990, v. 68, №3, s. 176-180.

104. Gopal J.S., Sharma M.M. Mass transfer characterstics of flow H/D bubble columns || Can. J. Chem. Eng., 1983, v. 61, № 4, p. 517-525.

105. Johnstone H.F. et al. Gas absorption and aerosol collection in a Venturi atomizer || Indastrial and Eng. Chem., 1954, v 46, № 8, p. 1601-1608.

106. Kato Y., Morita S. Rate of oxygen absorption by aqueous sodium sulfite solution in gas-liquid fluidized beds || Chem. Engng. (Tokyo), v 21, p. 1134-1140.

107. Marsman J., Bleich J.B. HC1 Emission Reductions from reactor Vent. System || Chemical Engineering Progress. June. 1982. V. 78. No. 6. P. 40-42.