автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Строительно-технологические аспекты защиты воздушного бассейна от загрязнения дымовыми газами компрессорных станций магистральных систем газоснабжения

На правах рукописи

БРЫЗГАЛИН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Специальности 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение 03.00.16 Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОЛГОГРАД 2006 г.

Работа выполнялась с Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ДИДЕНКО

ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Официальные оппоненты;

доктор технических наук, профессор

КАБЛОВ

ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

кандидат технических наук ШИБИТОВ

НИКОЛАЙ СТЕПАНОВИЧ

Ведущая организация;

ООО "Волгоградский НИИ проектирование и конструирование вентиляционных систем"

Защита диссертации состоится 27 декабря 2006 года в 13.00 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 27 ноября 2006 г,

Ученый секретарь

диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Сергина Н,М.

/-t&f ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современный уровень развития большей части отраслей промышленности и жилищно-коммунального хозяйства в определяющей мере характеризуется возрастающей динамикой потребления различных видов энергетических ресурсов. При этом доминирующую часть в них составляет природный газ. По данным ВТО доля природного газа в общем объеме потребления энергоресурсов странами Европы составляет 21%. Северной Америки 25%, Центральной и Юго-Восточной Азии 11%.

Такое положение объясняется высокими теплотехническими свойствами природного газа, а также, в значительной степени, высоким уровнем его экологической безопасности в сравнении с другими видами широко применяемых топлив — каменным углем и мазутом.

Основные месторождения чистого российского природного газа располагаются в регионах Западной Сибири - Уренгой, Ямбург, Бованенко и др. Его транспортирование в европейские регионы России и зарубежным потребителям осуществляется развитыми магистральными системами газоснабжения общей протяженностью около-1,2 млн. км. Для перекачивания природного газа в них только на территории европейской части РФ используется более 250 компрессорных станций, оснащенных газоперекачивающими агрегатами общей мощностью 42,6 млн. кВт-ч. На обеспечение их работы расходуется от 5 до 20% перекачиваемого газа, сжигаемого в качестве топливного газа в газотурбинных установках компрессорных станций. В связи с этим, компрессорные станции магистральных газотранспортных систем являются мощными источниками загрязнения воздушного бассейна в зонах расположения КС и в целом, атмосферного воздуха продуктами сгорания природного газа.

Наиболее токсичными компонентами, содержащимися в выбросах дымовых газов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций, являются оксид N0 и диоксид азота N02. В выбросах большинства компрессорных станций преобладает оксид азота, характеризуемый менее жесткими гигиеническими требованиями по концентрациям. Однако установлено, что в атмосферных условиях

происходит его постепенная трансформация в более токсичный JiBO бейЬДМОД-ЯМ-Ь Н А Я

БИБЛИОТЕКА 3 С.-Петербург

ОЭ mifk ЧУ9

следнее требует обязательного учета при оценке уровня воздействия компрессорных станций магистральных газотранспортных систем на окружающую среду при их проектировании и эксплуатации. Значение данного условия особенно возросло в связи с ратификацией России Киотского протокола, включившего диоксид азота в число компонентов, выброс которых подлежит обязательному сокращению наряду с диоксидом углерода СО*.

Из этого очевидна актуальность проблемы повышения уровня экологической безопасности строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения на основе разработки средств очистки выбросов их дымовых газов, эффективно реализующих процессы нейтрализации продуктов сгорания - оксидов азота и углерода.

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

Цель настоящей работы - обеспечение экологической безопасности эксплуатации компрессорных станций магистральных газотранспортных систем посредством разработки технологических основ эффективной очистки их дымовых газов в режиме интенсивного ненодинамичсского контакта с оптимизированным жндким поглотителем.

В соответствии с этой целыо основными задачами работы являлись:

- теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя, оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения характерных целевых компонентов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

- экспериментальное исследование закономерностей поглощения газообразных компонентов выбросов газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым газовым потоком выброса;

- определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамнческого слоя в реакционном

объеме газоочистного аппарата посредством вихревой инжекции оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;

- совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента очищаемого выброса дымовых газов КС в режиме вихре-инжекционного контакта с поглотителем;

- определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы газоочистной установки для оптимизированного сочетания с модулированным оборудованием газоперекачивающих агрегатов;

- обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения.

Основная идея работы состояла в совершенствовании основ проектирования объектов магистральных систем газоснабжения посредством разработки методологии расчета и конструирования модулированных вихрепениых установок мокрой очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций.

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

Достоверность научных положений и выводов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных автором теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснована перспективность использования трибутилфосфа-та в качестве эффективного поглотителя кислых примесей дымовых газов компрессорных станций, на примере диоксида азота;

- предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамнческом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально, на примере диоксида азота, подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей дымовых газов КС, в пенодинамнческом слое, формируемом трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида азота и углерода в пенодинамнческом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора трибутилфосфата закрученным потоком очищаемого газа;

- экспериментально уточнены зависимости, характеризующие технологические условия эффективного поглощения диоксида азота я углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования;

- установлены условия энергоэффективного осуществления процесса поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора относительно входного сечения вихревого инжектора;

- сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного оформления процессов очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

- разработаны унифицированная структурно-компоновочная н технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для очистки выбросов дымовых газов КС с использованием в качестве поглотителя трибутнлфосфата;

- определена область эффективного ведения процессов очистки выбросов дымовых газов КС от диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах, характеризуемая оптимизированными значениями числа Ее > 7-101 и начального уровня поглотителя Ьо й 0,0 м, отнесенными к входному сечению вихревого инжектора;

- уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

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

- обобщены факторы и уточнены режимно-технологнческие характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами газотурбинных установок компрессорных стаций магистральных систем газоснабжения;

- сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах их размещения.

Реализация результатов работы;

- разработаны и переданы к использованию ООО "Волгоградтрансгаз" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию модулированных установок вихреинжекционной пенной очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

- НПО "Волгоградхимнроект" 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 кафедрами ОВЭБ и БЖТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Тепло-газоснабжение и вентиляция", "Инженерная защита окружающей среды" и "Пожарная безопасность".

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные результаты исследования, на примере диоксида азота, закономерностей поглощения кислых примесей трибутилфосфа-

том в пенодинам и ческом слое, формируемом посредством вихревой инясекции закрученным потоком очищаемого газа;

- математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пеиодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой ин-жекции;

- экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность улавливания диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутилфосфата в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов;

- унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов дымовых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методологические принципы определения вероятности техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение па научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 2004-2005 г.); научно-технических конференциях "Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России" (Кисловодск, 2005 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2006 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах.

Объем п структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 47 рисунков и 8 таблиц.

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 проблемы защиты атмосферы от техногенного воздействия выбросов компрессорных станций магистральных систем газоснабжения.

Из обобщения условий формирования выбросов КС следует, что без учета продувочных выбросов метана, доминирующее значение в формировании их состава имеют продукты сгорания топливного газа в газотурбинных установках КС - это оксиды азота (NO, N02) и углерода (СО, С02), а также бенз(а)пирен. К локальным факторам техногенного воздействия выбросов КС может быть также отнесена избыточная теплота, вносимая в атмосферу с дымовыми газами. Однако учет данного фактора в большей мере может рассматриваться как задача сокращения непроизводительных потерь теплоэнергоресурсов. Частично ее решение реализуется за счет утилизации теплоты отходящих газов для технологических целей.

Анализ режимно-техно логических особенностей, применяемых в настоящее время систем очистки газовых выбросов от продуктов сгорания, в большинстве случаев показывает их недостаточную эффективность, а также низкую степень унификации газоочистного оборудования. При этом применяемые установки и способы преимущественно рассчитаны на целевое извлечение лишь одного компонента, тогда как в рассматриваемом случае задача состоит в необходимости комплексного поглощения нескольких компонентов, прежде всего - оксидов азота и углерода.

Совершенствованию способов и средств комплексной очистки газовых выбросов посвящены работы многих отечественных (М.Е. Позин, И.П. Мухленов, Э.Я. Тарат, 0-С. Балабеков, В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг, А.Ф. Туболкин, С.С. Серманизов, С.А. Богатых, A.B. Гладкий, В.Г. Диденко, В.И, Филиппов, 10.Д. Молчанов, Д.С. Сабырханов и др.) и зарубежных исследователей - Дж.С. Гурал, Дж. Куропка, Р.Мк. Джиннес, Дж. Б. Блейч, К.Т. Семроу и др.. Обобщение полученных ими результатов позволяет считать наиболее перспективными для условий компрессорных станций магистральных газопроводов методы мокрой очистки, реализуемые использованием:

- эффективных к нескольким целевым компонентам поглотителей, обладающих высокой регенерационной способностью;

- модулированных аппаратурных схем газожидкостных установок с газожидкостными реакторами, позволяющими оптимизировать осуществляемые процессы на основе высокоинтенсивных режимов контакта поглотителя с очищаемым потоком.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу закономерностей процессов абсорбции продуктов сгорания дымовых газов, реализуемых в режиме их пе-нодинамического контакта с жидким поглотителем и обоснованию в качестве него трибутилевого эфира ортофосфорной кислоты - трибутилфосфата. Как поглотитель, трибути л фосфагг экологически безопасен, а также обладает удачным сочетанием ряда технологически перспективных свойств.

Перспективным направлением решения вопросов проектирования газоочистного оборудования и выбора оптимальных процессов абсорбционной газоочистки является применение обобщающих аналитических моделей, учитывающих как особенности гидродинамики формирования газожидкостной системы, так и химико-технологических параметров реализуемых в ней процессов.

Из анализа условий реализации основного уравнения абсорбции применительно к модели полного смешения по жидкости и полного вытеснения по газу, а также допущения о стационарности концентраций целевых компонентов в газовой фазе, адекватное описание процессов их поглощения может быть получено решением дифференциального уравнения скорости изменения количества компонента в жидкости пенодинамического слоя:

) = = -еО-ЦС^ -с.,). (1)

Применительно к названным условиям выражения для скорости абсорбции иг и скорости отвода компонента иж из жидкой фазы пенодинамического слоя с током жидкости, соответственно могут быть представлены в виде:

п^ИЩ^-ЕС*), (2)

«»-ис^-с^,). (3)

Интегрирование (1) от момента времени до момента т2 и, соответственно, от значения концентрации компонента в жидкости слоя С^ до значения Сж22, дает значение концентрации компонента в жидкости в момент т2 (кмоль/м3):

сж1г = С+ (Сж2|(4) 10

Дальнейшие преобразования выражений (1)44) дают возможность получить расчетные уравнения всех основных функционально-технологических характеристик процесса массопереноса в пенодинамическом слое газоочистного аппарата: концентраций компонента в жидкости отводимой из пенодинамического слоя и потоке очищенного газа

Таким образом, рассмотренные уравнения математической модели нестационарного массопереноса, могут быть использованы как для проектных расчетов, так и для поиска оптимизированных режимных параметров абсорбционных процессов в пенодинамическом слое при исследовании новых систем "газ-жидкость".

Третья глава посвящена анализу и обобщению результатов экспериментального исследования закономерностей процесса абсорбции кислых примесей дымовых газов (на примере диоксида азота и углерода) в пенодинамическом слое инжектируемого трибутилфосфата. Конечной целью математического обобщения экспериментальных данных являлось определение закономерностей взаимосвязи характеристик массопереноса в пенодинамическом слое и режимных параметров его формирования.

На рис. 1 представлены данные, характеризующие зависимость высоты слоя динамической пены в камере инжектора от значения Кег и начального уровня жидкости в аппарате-абсорбере.

(5)

(6)

(7)

Н,м

Рис, 1. Закономерность изменения высоты пенного слоя при различных начальных уровнях hp поглотителя.

Их анализ показывает, что при общей закономерности повышения Н„ (увеличения объёма), интенсивность формирования динамической пены трибутилфос-фатом для условия Н„ = /(h0)Rc значительно выше, чем при Н„ = /'(Re^. Это

вполне согласуется с данными о процессах формирования динамической пены другими жидкостями.

Таким образом, изменение значения h0 можно рассматривать как параметр управления процессом вихреинжекционного формирования динамической пены трибутилфосфатом.

На основе проведённого анализа особенностей формирования динамической пены, межфазное трение определяется как фактор удерживания жидкости в зоне её активного контакта с газом. Одновременно проявление сил трения на межфазной повсрхносш контакта, определяет величину гидравлических потерь при формировании структуры динамической пены.

На рис. 2 представлены данные, характеризующие зависимость величины потерь давления в пенном слое трибутилфосфата от значения Rer и начального уровня жидкости ho. Из их анализа очевидна однородность характера проявления зависимости АР = /(Ref для всех значений ho = cons. При этом значительно

повышается динамика роста потерь давления на формирование пенного слоя с увеличением ho, т.е. повышением количества инжектируемого поглотителя.

ДР, кШ

—М = * 0,04

■ Ь0 а * 0,06

>м=+о.ог

—•—М о о.оо

Рис. 2. Зависимость потерь давления в пенном слое от скорости газа при различных значениях 11(,

Полученные графики однозначно указывают на возможность оптимизации режимно-техно логических параметров совмещаемых процессов комплексной очистки дымовых газов за счет изменения режимных условий контакта в пеноди-иамическом слое ТБФ.

Это подтверждают представленные на рис. 3 расчётные графики и эмпирические точки, отражающие закономерности изменения степени абсорбции ТЯОг в зависимости от значения Кег и начального уровня поглотителя 1т (|,

Рис. 3. Зависимость эффективности улавливания N02 от значения 11ег при прямоточном режиме и различных значениях начального уровня жидкости Ио.

КегШ4

Для всех рассмотренных случаев в интервале Ке* = (2,54-12,5)*] О4, отклонение эмпирических и расчётных значений ц не выходило за пределы ±0,4*1,8%. Из сравнения закономерностей следует, что наиболее устойчиво (близкие к горизонтальным участки графиков) составляют значения Ьо, при которых на формирование пенного слоя инжектируются наибольшие объемы поглотителя.

Это указывает на возможность оптимизации работы вихреинжекционного аппарата по параметру интенсивности (коэффициента массопередачи К) или степени извлечения целевого компонента. В последнем случае определяющее значение имеет взаимосвязь 77 с — фактически параметром управления процессом.

С целью оценки воспроизводимости полученных закономерностей при абсорбции различных газообразных компонентов на системе СО1 - ТБФ была проведена аналогичная серия экспериментов. Диоксид углерода был принят в качестве извлекаемого компонента, как отвечающий названному признаку целевой составляющей выбросов дымовых газов КС. Результаты представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость эффективности улавливания СОг от значения Яе^ при прямоточном режиме и различных значениях начального уровня жидкости Ь0.

Их сопоставление отражает общую закономерность реализации анализируемых процессов абсорбции. В обоих случаях можно выделить характерные зоны (Яег й 0) высокой стабильности и величины значений степени абсорбции т)л.

Наряду с измерениями при стандартной температуре был проведен цикл экспериментов по оценке степени влияния температурного режима очистки на свойства поглотителя. Результаты численной обработки экспериментальных данных представлены на рис. 5. Они показывают, что псевдокоэффнциент Генри системы N02 - ТБФ, как и большинства исследованных газожидкостных систем,

14

увеличивается при повышении температуры. Следовательно, абсорбционная емкость поглотителя будет уменьшаться, В рассматриваемом случае уменьшение может составлять до 27%,

Полученные результаты имеют важное значение для выбора условий реализации процесса очистки в вихреиижекционном скруббере-реакторе. Возможность снижения абсорбционной емкости ТБФ делает рациональным применение прямоточного режима циркуляции поглотителя через скруббер. С этой же целью целесообразно повышение сорбционной емкости поглотителя (ТБФ) за счет добавок

Рис, 5 Зависимость псевдокоэффициента Генри от температуры. Система СОг ТБФ,У= 100см\ иг = 3,3 м/с,

В четвертой главе рассматриваются строительно-экологические аспекты решения инженерных задач защиты воздушного бассейна от загрязнения выбросами дымовых газов компрессорных станций посредством их очистки от продуктов сгорания тр и бути л фосфато м в модулированных установках вихрепенных скрубберов.

Современные тенденции к повышению степени индустриализации компоновочного исполнения и монтажа оборудования компрессорных станций делают определяющим условием разработки систем очистки выбросов дымовых газов максимальную унификацию их исполнения на основе блочн0-модульных схем компоновки газоочистного оборудования.

Общей задачей унификации элементной базы установки комплексной очистки дымовых газов КС следует считать агрегатирование её сборочных единиц в унифицированные блоки определённого функционального назначения. Их состав

должен отражать стадии осуществляемого процесса (технологии) газоочистки, а структура — специфику их реализации. При таком подходе вполне реальна компоновка структуры единичной установки гго одноварнантному принципу совмещения функциональных блоков в унифицированные модули.

Таким образом, структурно-функциональная унификация элементной базы на блочно-модульным уровне является средством оптимизации компоновочных схем сочетания газоочистных модулей, исходя из особенностей компоновки и работы основного технологического оборудования газоперекачивающих агрегатов КС (рис. 6).

В аппаратурном оформлении предлагаемая система газоочистки включает две группы (подсистемы) модулированных вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС), каждая из которых имеет собственный циркуляционный контур жидкого поглотителя - трибутштфосфата и бишофитного раствора. В пределах каждой подсистемы (функциональной группы ВИПС) модули по назначению подразделяются на: улавливающие целевой компонент - диоксид азота (углерода) и регенерирующие поглотительный раствор - рис. 7. Модули ВИПС, объединяемые циркуляционным контуром ТБФ, составляют подсистему основной газоочистки, а модули, объединяемые циркуляционным контуром бишофитного раствора, подсистему утилизации.

Число очистных улавливающих модулей ВИГТС в подсистеме основной газоочистки может быть достаточно большим, в зависимости от числа локализуемых источников - газоперекачивающих агрегатов, а регенерирующий модуль - только один.

¿1_\

Рис. б. Структура компоновочной схемы модулированной установки ВИПС: ГПА - газоперекачивающий агрегат; ТБ -технологический блок; ВБ - вспомогательный блок; СБ - сепарационный блок; СР - система регенерации ЖТС; КРБ - контрольно-регулирующий блок; ШУУ - цгламоудаляющее устройство.

Рис. 7. Технологическая схема модулей ВИПС комплексной очистки выбросов трибутилфосфатом; а - подсистема основной очистки; б — подсистема утилизации (1 - камера кондиционирования: 1.1 - циркуляционный сток кондиционирующей ЖТС; 2 - структурные элементы пснодинамического реактора - ИПС: 2.1 - технологический блок; 2.2 - вспомогательной блок; 2.3 - сепарационный блок; 2.4 - циркуляционный сток ЖТС ¡п инжектора; 2.5 - циркуляционный поток (инжскция) ЖТС в контактную зону инжектора; 2.6 - т/п отвода ЖТС из блока-сспаратора; 2,7 - т/п отвода ЖТС от блока-регенератора; 3 - резервно-компенсационный бак активной ЖТС; 4 -система подачи активной ЖТС в камеру подготовки; 5 - блок-регенератор ЖТС; 6 -сток пульны).

Целевая задача очистки выбросов, реализуемая посредством предлагаемой системы, достигается на основе сочетания раздельных и последовательно осуществляемых технологических операций: поглощения диоксида азота (углерода) из потока дымовых газов трибутилфосфатом, его регенерация, очистку регенерируемого потока, утилизацию шламов (рис,8).

Основа управления экологической ситуацией в районах строительства объектов газовой отрасли должна закладываться уже на стадии разработки проектных решений, в рамках проводимой оценки последствий воздействия проектируемых сооружений на окружающую среду.

Рис. 8. Технологическая схема процесса очистки выбросов трибутилфосфа-том на основе модулей ВИПС: 1 - очистной модуль первичного потока (дымовые газы); 2 - модуль-концентратор; 3 - очистной модуль вторичного потока; 4 - модуль утилизатор (А - блок модулей очистки; Б - регенеративно-утилизирующий).

Из анализа условий сжигания природного (топливного) газа в ГТУ КС можно видеть, что отклонение от оптимального состава топливно-воздушной смеси и примешивания холодного воздуха, ведет к химическому недожогу и фиксации промежуточных продуктов. Одновременно, в следствии высоких температур возможны некоторые побочные реакции.

Оптимизация условий сгорания топливного газа в ГТУ КС позволяет минимизировать число экологически опасных компонентов выбросов дымовых газов, но не решить проблему в целом.

Тем самым, первично задача состоит в оценке условий загрязнения атмосферного воздуха выбросами продуктов сгорания, их распространения и накопления в воздушной среде.

Искомое решение может быть получено на основе уравнения турбулентной диффузии для случая мгновенного точечного источника с координатами (хо, Уо, 2о), находящегося в неограниченном пространстве.

Однако для оценки последствий техногенного воздействия источника загрязнения более важной является определение накопительной дозы компонента в зоне действия выброса. В пределах начала и окончания периода времени х по-

стулления накапливаемого вещества, ее величина может быть вычислена на основе уравнения

в(х,у,2,г')=~ , ; | 1(т-т0) X х у г 0 0

хе[ !(х'-ха)^(т-тйГ (у'~ур)г С8)

^ 4к,(г-т0) 4кДг-т0) 41^(г-т0) ]"

На рис. 9-11 представлены результаты расчета концентраций и накопительных доз диоксида азота, формируемых выбросами дымовых газов ГТУ КС для условий Волгоградской области. Данные рис. 11 получены для условий очистки дымовых газов от ЫСЬ с эффективностью ц = 91,4%.На основе полученных расчетных данных с использованием положений теории множеств построено распределение зон риска характерных уровней техногенного воздействия - рис. 11.

Рис. 9. Формирование концентраций N0; в зоне распространения очищаемого выброса КС: I - микрофакельное сжигание; 2-е впрыском пара в камеру сжигания; 3 - двухступенчатое сжигание.

Рис. 10. Накопительная доза диоксида азота N0^ при сжигании природного газа: 1 - двухступенчатое сжигание; 2 - дутьевое сжигание; 3 - инжекционное сжигание.

Рис. 11. Формирование приземных концентраций N02 в зоне распространения очищаемого выброса КС,

Рис. 12. Распределение зон риска характерного уровня последствий техногенного воздействия выбросов неочищенных дымовых газов КС: 1 - (10"М0И); 2-(10*4-10*5); 3 - (10"'-10-°); 4 - (10'6-10*7); 5 - (10"40'8) - вероятная частота события, создающего условия проявления техногенных последствий (на 1000 расчетных единиц структурных составляющей среды).

При осуществлении очистки дымовых газов по результатам численных экспериментов число зон сокращалось с пяти (рис. 12) до одной, практически совпадающей с расчетными границами ССЗ, что исключает вероятность техногенных последствий воздействия рассеиваемого выброса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что без учета продувочного метана, доминирующее значение в формировании уровня техногенного воздействия выбросов КС магистральных систем газоснабжения имеют продукты сгорания топливного газа в их газотурбинных установках: оксиды азота (N0, N0$) и углерода (СО, С02). Особенность эмиссии этих техногенно-опасных компонентов определяется совокупным проявлением физико-химических и технологических факторов, отражающих свойства топливного газа и режимно-технологические условия организации процесса его сжигания в камерах сгорания ГТУ. Учет этих факторов должен составлять основу проектных решений по снижению условия техногенного воздействия выбросов ГТУ КС на окружающую среду.

2. На основе аналитических преобразований уравнения абсорбции дня модели полного смешения по жидкости и полного вытеснения по газу, при условии пренебрежения нестациокарностыо концентраций целевых компонентов в газе (носителе), получены уравнения математических моделей нестационарного и стационарного процессов массопереноса в пенодинамическом слое, который формируется посредством вихревой инжекции жидкого поглотителя в зону межфазного контакта.

3. На основе сравнительного анализа свойств поглотителей для абсорбционной очистки выбросов от диоксида азота и углерода дано обоснование перспективности использования трибути л фосфата в качестве эффективного поглотителя для реализации процессов извлечения кислых газовых примесей из дымовых выбросов газов ГТУ КС магистральных газотранспортных систем.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пен один а-мического слоя посредством механизма вихревой инжекции трибутилфосфата и уточнены зависимости гидродинамических характеристик пенодинамического слоя в кон тактной камере инжектора от основных режимных параметров ценообразования.

5. Экспериментально подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, ню позволяет применять ее в качестве основы инже-

верных расчетов комплексной очистки выбросов дымовых газов газотурбинных установок компрессорных станций.

6. Впервые, на примере диоксида азота и углерода, экспериментально исследованы закономерности массопереноса и установлена возможность эффективного улавливания из дымовых газов малых концентраций кислых примесей трибу-ти л фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции.

7. На основании анализа конструктивных особенностей компоновки основного оборудования газоперекачивающих агрегатов показана технологическая целесообразность структурно-компоновочного исполнения систем очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций, исходя из блочно-модульных схем компоновки газоочистного оборудования, и выполнена функционально-технологическая разработка модулированной установки комплексной газоочистки выбросов ГТУ КС. .

8. Обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами дымовых газов компрессорных станций. Сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах размещения.

Результаты выполненных исследований представляют возможность эффективного решения задач защиты воздушного бассейна от загрязнения посредством оснащения модулированными установками очистки выбросов от дымовых газов на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение продуктов сгорания топливного газа трибутилфосфатом в режиме его пенодинамического контакта с очищаемым потоком.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- объем жидкости в пенном сдое, м3; т - время, с; Ь - расход жидкости через аппарат, м'/с; С^, - соответственно, начальная и конечная концентрация компонента в жидкости, кмоль/м1; и* - скорость отвода компонента из жидкости слоя, кмоль/с; и, - скорость абсорбции, кмоль/с; С*« -Сж2| - значение концентрации компонента в жидкости в момент Т] кмоль/м3, С - стационарная концентрация компонента, кмоль/м3.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ;

1. Диденко, В.Г., Брызгалин, И.В. Оценка режимных параметров процесса очистки дымовых газов компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / В.Г. Диденко, И.В. Брызгалин // Нефть, газ и бизнес. - 2006. № 11 - С. 56-58

2. Диденко, В.Г., Брызгалин, И.В. Модель массопереноса для условий очистки дымовых газов КС оч кислых примесей в инжекторно-пенных скрубберах [Текст] / В.Г. Диденко, И.В. Брызгалин // Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России: Всерос, межвуз. сб. тр. науч. тр. / Кисловодск, 2005. - С. 88-91

3. Брызгалин, И.В. Эколого-экономические аспекты энергоэффективной эксплуатации компрессорных стаццнй газотранспортных систем [Текст] /. И.В. Брызгалин // Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России: Всерос. межвуз. сб. тр. науч. тр. / Кисловодск, 2005.-С. 91-95

4. Брызгалин, И.В. Анализ техногенных аспектов формирования выбросов дымовых газов компрессорных станций (Текст] /. И.В. Брызгалин // Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России: Всерос. межвуз. сб. тр. науч. тр. / Кисловодск, 2005. - С. 95-99

5. Диденко, В.Г., Брызгалин, И.В. Определяющие факторы экологического мониторинга воздушного бассейна в зоне размещения нефтегазовых объектов [Текст] / В.Г. Диденко, И.В. Брызгалин // Проблемы охраны производственной и окружающей среды: сб. материалов и науч. тр. молодых инженеров-экологов / сост. В.Н. Азаров; Волг ГАСУ - Волгоград, 2005. - С. 22-24.

т

07-'224

БРЫЗГАЛИН ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.11.2006 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл.печл. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз Заказ №175

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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНОГЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ВЫБРОСАМИ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ.

1.1 Технологическая характеристика КС как источников загрязнения атмосферы.

111. Характеристика технологического оборудования КС.

1 1 2. Технологические особенности процесса компримироваиия газа.

1.1.3. Состав и режимно-технологические особенности формирования выбросов КС в атмосферу

1.3.0цеика экологической опасности техногенного воздействия выбросов КС.

1 4. Анализ средств и методов снижения техногенного воздействия выбросов КС на окружающую среду.

1.4.1 Способы абсорбционной очистки промышленных выбросов.

1 4.2.Сравнение конструктивно-технологических характеристик абсорбционных установок

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АБСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ В

ПЕНОДИНАМИЧЕКОМ СЛОЕ ТРИБУТИЛФОСФАТА.

2.1. Условия выбора эффективных поглотителей для очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций.

2 2 Сравнительный анализ закономерностей абсорбции кислых компонентов дымовых газов различными абсорбентами.

2.3 Особенности поглощения оксидов азота при очистке газовых выбросов.

2.4. Оценка применимости трибутилфосфата для абсорбционной очистки дымовых газов от диоксида азота.

2.5. Методоло1 ические подходы к оценке эффективности массопереноса в процессе поглощения кислых газов.

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

2.7. Определение функционально-технологических характеристик очистки дымовых газов в пенодипамическом слое.

2.7.1. Условия расчета коэффициента Гепри.

2.7.2. Определение коэффициента массопередачи.

2.7.3. Расчет степени абсорбции и концентрации целевого компонента в жидкой и газовой фазах пенодинамического слоя.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

АБСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТРИБУТИЛФОСФАТОМ.

3.1. Аппаратурное оформление экспериментального стенда.

3 2 Методика проведения экспериментов.

3.2.1 Оценка гидродинамических характеристик формирования пенодинамического слоя.

3.2.2 Оценка определяющих факторов процессов абсорбции оксидов азота.

3.3. Планирование эксперимента и достоверность научных исследований.

3.4. Гидродинамика формирования пеподинамического слоя три бути лфосфата.

3.4.1. Гидродинамические характеристики пенодинамического слоя ТБФ.

3.4.2. Закономерности потерь давления газа в пенодинамическом слое ТБФ.

3.5. Обобщение экспериментальных закономерностей процесса абсорбции диоксида азота и углерода в пенодинамическом слое трибутилфосфата.

3.5.1. Определяющие факторы массопереноса в процессах абсорбции.

3.5.1.1. Абсорбция диоксида азота.

3.5.1.2. Абсорбция диоксида углерода.

3.5.2. Закономерности процесса поглощения N02 трибутилфосфатом.

3.5.3. Закономерности процесса поглощения СОг трибутилфосфатом.

3.4. Влияние температуры газов на эффективность процесса поглощения пенодинамического слоя трибутилфосфатом.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАЩИТЫ ВОЗДУШНОГО

БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ.

4.1 Конструктивные особенности компоновки газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций

4.2. Управление условиями реализации массообменных процессов в пенодинамическом слое трибутилфосфата.

4.3. Условия оптимизации режимных параметров совмещения процессов комплексного поглощения целевых компонентов (N0* и СОг).

4 4. Принципы построения компоновочной схемы установки комплексной очистки дымовых 1 азов КС

4.5 Технологические основы очистки дымовых газов трибутилфосфатом в вихреиннжекционных пенных скрубберах.

4.6 Методологические подходы к оценке техногенных последствий загрязнения атмосферы выбросами КС.

Рис. 4.11. Накопительная доза диоксида углерода СОг при сжигании природного газа:. 115 Выводы по главе 4.

Актуальность проблемы. Современный уровень развития большей части отраслей промышленности и жилищно-коммунального хозяйства в определяющей мере характеризуется возрастающей динамикой потребления различных видов энергетических ресурсов. При этом доминирующую часть в них составляет природный газ. По данным ВТО доля природного газа в общем объеме потребления энергоресурсов странами Европы составляет 21%. Северной Америки 25%, Центральной и Юго-Восточной Азии 11%.

Такое положение объясняется высокими теплотехническими свойствами природного газа, а также, в значительной степени, высоким уровнем его экологической безопасности в сравнении с другими видами широко применяемых топлив - каменным углем и мазутом.

Основные месторождения чистого российского природного газа располагаются в регионах Западной Сибири - Уренгой, Ямбург, Бованенко и др. Его транспортирование в европейские регионы России и зарубежным потребителям осуществляется развитыми магистральными системами газоснабжения общей протяженностью около 1,2 млн. км. Для перекачивания природного газа в них используется 250 компрессорных станций, оснащенных газоперекачивающими агрегатами общей мощностью 42,6 млн. кВт ч. В зависимости от конструктивных особенностей, на обеспечение их работы расходуется от 5 до 20% перекачиваемого газа, сжигаемого в качестве топливного газа в газотурбинных установках компрессорных станций. В связи с этим, компрессорные станции магистральных газотранспортных систем являются мощными источниками загрязнения воздушного бассейна в зонах расположения КС и в целом, атмосферного воздуха продуктами сгорания природного газа.

Наиболее токсичными компонентами, содержащимися в выбросах дымовых газов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций, являются оксид N0 и диоксид азота ЫОг. В выбросах большинства компрессорных станций преобладает оксид азота, характеризуемый менее жесткими гигиеническими требованиями по концентрациям. Однако установлено, что в атмосферных условиях происходит его постепенная трансформация в более токсичный диоксид ЫОг- Последнее требует обязательного учета при оценке уровня воздействия компрессорных станций магистральных газотранспортных систем на окружающую среду при их проектировании и эксплуатации. Значение данного условия особенно возросло в связи с ратификацией России Киотского протокола, включившего диоксид азота в число компонентов, выброс которых подлежит обязательному сокращению наряду с диоксидом углерода СО2.

Из этого очевидна актуальность проблемы повышения уровня экологической безопасности строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения на основе разработки средств очистки выбросов их дымовых газов, эффективно реализующих процессы нейтрализации продуктов сгорания - оксидов азота и углерода.

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

Цель настоящей работы - обеспечение экологической безопасности эксплуатации компрессорных станций магистральных газотранспортных систем посредством разработки технологических основ эффективной очистки их дымовых газов в режиме интенсивного пенодинамического контакта с оптимизированным жидким поглотителем.

В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:

- теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя, оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения характерных целевых компонентов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

- экспериментальное исследование закономерностей поглощения газообразных компонентов выбросов газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым газовым потоком выброса;

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

- совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента очищаемого выброса дымовых газов КС в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем;

- определение условий унификации компоновочной схемы и элементной базы газоочистной установки для оптимизированного сочетания с модулированным оборудованием газоперекачивающих агрегатов;

- обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды в зоне строительства и эксплуатации компрессорных станций магистральных систем газоснабжения.

Основная идея работы состояла в совершенствовании основ проектирования объектов магистральных систем газоснабжения посредством разработки методологии расчета и конструирования модулированных вихрепенных установок мокрой очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций.

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

Достоверность научных положений и выводов обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных автором теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также результатами обобщения данных других авторов.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей дымовых газов компрессорных станций, на примере диоксида азота;

- предложена математическая модель и дано описание процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

- экспериментально, на примере диоксида азота, подтверждена реализуемость предложенной математической модели процесса поглощения кислых примесей дымовых газов КС, в пенодинамическом слое, формируемом трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

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

- экспериментально уточнены зависимости, характеризующие технологические условия эффективного поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования;

- установлены условия энергоэффективного осуществления процесса поглощения диоксида азота и углерода трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора относительно входного сечения вихревого инжектора;

- сформулированы и обобщены условия модульного аппаратурного оформления процессов очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций трибутилфосфатом в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

- разработаны унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов (ВИПС) для очистки выбросов дымовых газов КС с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;

- определена область эффективного ведения процессов очистки выбросов дымовых газов КС от диоксида азота и углерода поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах, характеризуемая оптимизированными значениями числа Яе > 7 • 104 и начального уровня поглотителя И0 > 0,0 м, отнесенными к входному сечению вихревого инжектора;

- уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

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

- обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами газотурбинных установок компрессорных стаций магистральных систем газоснабжения;

- сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах их размещения.

Реализация результатов работы:

- разработаны и переданы к использованию ООО "Волгоградтрансгаз" конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию модулированных установок вихреинжекционной пенной очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций магистральных газотранспортных систем;

- 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 кафедрами ОВЭБ и БЖТ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности "Те-плогазоснабжение и вентиляция", "Инженерная защита окружающей среды" и "Пожарная безопасность".

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные результаты исследования, на примере диоксида азота, закономерностей поглощения кислых примесей трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции 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 азота и углерода поглотительным раствором трибутил-фосфата в модулированных установках вихреинжекционных пенных скрубберов;

- унифицированная структурно-компоновочная и технологическая схемы модулированной установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов дымовых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов дымовых газов КС в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

- методологические принципы определения вероятности техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 2004-2005 г.); научно-технических конференциях "Научные концепции повышения жизненного уровня населения на современном этапе развития России" (Кисловодск, 2005 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2006 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 47 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что без учета продувочного метана, доминирующее значение в формировании уровня техногенного воздействия выбросов КС магистральных систем газоснабжения имеют продукты сгорания топливного газа в их газотурбинных установках: оксиды азота (N0, N02) и углерода (СО, СОг). Особенность эмиссии этих техногенно-опасных компонентов определяется совокупным проявлением физико-химических и технологических факторов, отражающих свойства топливного газа и режимно-технологические условия организации процесса его сжигания в камерах сгорания ЛГУ. Учет этих факторов должен составлять основу проектных решений по снижению условия техногенного воздействия выбросов ГТУ КС на окружающую среду.

2. На основе аналитических преобразований уравнения абсорбции для модели полного смешения по жидкости и полного вытеснения по газу, при условии пренебрежения нестационарностью концентраций целевых компонентов в газе (носителе), получены уравнения математических моделей нестационарного и стационарного процессов массопереноса в пенодинамическом слое, который формируется посредством вихревой инжекции жидкого поглотителя в зону межфазного контакта.

3. На основе сравнительного анализа свойств поглотителей для абсорбционной очистки выбросов от диоксида азота и углерода дано обоснование перспективности использования трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя для реализации процессов извлечения кислых газовых примесей из дымовых выбросов газов ГТУ КС магистральных газотранспортных систем.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пеноди-намического слоя посредством механизма вихревой инжекции трибутилфосфа-та и уточнены зависимости гидродинамических характеристик пенодинамиче-ского слоя в контактной камере инжектора от основных режимных параметров пенообразования.

5. Экспериментально подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфа-том в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов дымовых газов газотурбинных установок компрессорных станций.

6. Впервые, на примере диоксида азота и углерода, экспериментально исследованы закономерности массопереноса и установлена возможность эффективного улавливания из дымовых газов малых концентраций кислых примесей трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции.

7. На основании анализа конструктивных особенностей компоновки основного оборудования газоперекачивающих агрегатов показана технологическая целесообразность структурно-компоновочного исполнения систем очистки выбросов дымовых газов компрессорных станций, исходя из блочно-модульных схем компоновки газоочистного оборудования, и выполнена функционально-технологическая разработка модулированной установки комплексной газоочистки выбросов ГТУ КС.

8. Обобщены факторы и уточнены режимно-технологические характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования зон загрязнения воздушного бассейна выбросами дымовых газов компрессорных станций. Сформулированы условия определения вероятности проявления техногенных последствий выбросов дымовых газов КС с учетом закономерностей формирования зон загрязнения воздушного бассейна в районах размещения.

Результаты выполненных исследований представляют возможность эффективного решения задач защиты воздушного бассейна от загрязнения посредством оснащения модулированными установками очистки выбросов от дымовых газов на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение продуктов сгорания топливного газа трибутилфосфатом в режиме его пенодинамического 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. — Л.: 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 || Обзорная информация. Сер. "Охрана окруж. среды". НИИТЭ-ХИМ. — 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. Берман Л.Д. Об аналогии между тепло-и массообменом. — Теплоэнергетика, 1955, №8.

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

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

18. 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.

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

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

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

22. Васин O.E. Завальный П.И. Михайлов А.Н. Русецкий Ю.А. Модернизация газотурбинных ГПА стационарного типа// Газовая промышленность. -2000. -№8. -С. 55-57.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

33. 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.

34. Диденко, В.Г., Брызгалин, И.В. Оценка режимных параметров процесса очистки дымовых газов компрессорных станций магистральных газопроводов Текст. / В.Г. Диденко, И.В. Брызгалин // Нефть, газ и бизнес. 2006. № 11-С. 56-58

35. Железняк A.C., Иоффе И.И. Методы расчета многофазных жидких реакторов. JI.: 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.

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

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

38. 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.

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

40. Иткина Д.Я, Миниович М.А., Абсорбция окислов азота Труды ГИАП.-1960-Вып 11.-е. 259-276

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

42. Кяргес A.A., Аблязина Р.Р., Петухова H.H. Экологические аспекты эксплуатации ГРС и нормирование выбросов // Газовая промышленность. 2002. -№ 5.- С. 25-28

43. Крейнин Е.В., Михалина Е.С Подавление выбросов оксидов азота в га-зогорелочной технике/базовая промышленность. 2004. -№ 3. - С. 78-80.

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

45. 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.

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

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

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

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

50. 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.

51. Ковалёв O.C., Мухленов И.П., Туболкин А.Ф. и др. Абсорбция и пылеулавление в производстве минеральных удобрений. М.: Химия, 1987. -208 с59. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газа. - М.: Недра, 1963.-392с.

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

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

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

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

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

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

58. Крейнин Е.В., Михалина ЕС; Подавление оксидов азота в газогорелоч-ной технике// Газовая промышленность. 2004. - №3

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

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

61. Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.: Химия, 1976. - 368 с.

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

63. Мукминов А.Р. Реконструкция компрессорных цехов. Газовая промышленность.№5. 2004 С. 15-17.

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

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

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

67. 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.

68. Патент 5147620 США, МКИ С01 В 17/16, С01 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

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

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

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

72. 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.

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

74. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны: ГН 2.2.5.1313-03. Ориентировочные безопасные уровни (ОБУВ) вредных веществ в воздухе рабочей зоны: ГН 2.2.5.1314-03. М.: Минздрав России, 2003.

75. 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

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

77. Ревзин Б.С., Ларионов И.Д. Газотурбинные установки с нагентателями ля транспорта газа. Справочное пособие М.: Недра, 1991 - 303 с.

78. 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.: НИИТЕХИМ, 1986 Вып 1(62) с 27.

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

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

81. 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.

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

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

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

85. 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.

86. 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.

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

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

89. 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.

90. Таусенд А.А. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом.

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

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

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

94. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. М.: Мир, 1997.

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

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

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

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

99. 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.

100. 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.

101. 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.

102. Hill S.C., Smool L,D. Modeling of nitrogen oxides formation and destruction in combustion systems //Prog. Energ. Comb. Sci. 2000. - V. 26. -P. 417.

103. 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.

104. 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.

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

106. JHJ-TCA Flue Gas Desulphurization Place's with THA . Jshikawajimd

107. Narimd heavy Industries Co, ltd. 1986