СПОСОБ И СКРУББЕР ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В КОНТАКТ ГАЗОВ И ЖИДКИХ КАПЕЛЬ ДЛЯ МАССО- И/ИЛИ ТЕПЛООБМЕНА
METHOD AND SCRUBBER TO BRING GASES AND FLUID DROPS IN CONTACT FOR MASS- AND HEAT EXCHANGE

Изобретение относится к способу контактирования газов и жидких капель для массо- и/или теплообмена в скруббере, в котором жидкость впрыскивается в противотоке газу на нескольких уровнях, причем газ подается через по меньшей мере два входных отверстия в корпусе скруббера, а также к соответствующему скрубберу.
Изобретение может применяться в скрубберах
- для массообмена между газами и жидкостью (абсорбция, десорбция), например, для абсорбции вредных веществ из отработанных газов, например, для обессеривания дымовых газов (открытие скрубберы) из кислых отработанных газов с процессов горения в промышленной сфере, с электростанций или с установок по сжиганию отходов, или
- для кондиционирования газа, насыщения газов влагой или охлаждения газов, в частности дымовых газов.
При этом речь идет о способе, при котором промывная жидкость или вода вводится под давлением в виде капель в, как правило, горячий газовый поток. Изобретение применимо для обычных составов дымовых газов или типичных температур порядка 200°C.
Под самым широко применяемым способом понимается способ мокрой очистки на основе водной известково-гипсовой суспензии. При этом в качестве промывной жидкости используется суспензия из воды, гипса и известняка. Содержание твердой фазы в суспензии составляет, как правило, 10 вес.%. Она состоит в преобладающей части из гипса с долей известняка в твердой фазе, который служит абсорбентом, 2-3 вес.%. В литературе имеется обзор по этому способу, смотри Soud H.N., Takeshita M., FGD handbook, IEA Coal Research, London, 1994. Более свежий реферат по способам обессеривания дымовых газов можно найти в отчете Министерства торговли и промышленности: "Технологии обессеривания дымовых газов (FGD)", Отчет о состоянии технологии 012, http://www.dti.gov.uk/ent/coal, 03/2000.
Для абсорбции обычно используется идея аппарата открытого скруббера. При этом в скруббер, который согласно последнему уровню техники имеет круглое сечение, газ вводится в нижнюю часть зоны контакта и проводится вверх через промывную зону. Зона контакта, называемая в случае обессеривания зоной поглощения, выполнена с несколькими уровнями распыления (обсадные трубы на разной высоте, на концах которых установлены распылительные сопла) и находится между поверхностью куба и самым высоким уровнем распыления. Промывная жидкость в виде капель впрыскивается под давлением через разные уровни распыления в восходящий газовый поток в противотоке ему и после прохождения через дымовой газ собирается в лежащий ниже куб скруббера. Циркуляция жидкого потока осуществляется при этом посредством циркуляционного насоса, который продвигает суспензию от куба скруббера на высоту уровней распыления.
При этом в большинстве скрубберов дымовой газ вводится через один канал дымового газа сбоку и радиально в нижнюю часть зоны контакта абсорбера. Единственное входное отверстие имеет такую площадь поперечного сечения, чтобы входная скорость при максимальном потоке дымового газа лежала в области 15 м/с.
Жидкость распыляется посредством однокомпонентной насадки, и большая часть капель движется, до осаждения на стенку промывателя или в низ скруббера, в направлении падения в противотоке газу.
2
Получающееся в результате этого взаимодействие между газом и диспергированной жидкостью дает при работе многофазное течение, которое существенно сказывается на массо- и/или теплопереносе между фазами. В случае абсорбции SO этим определяется интенсивность отделения вредных веществ из дымового газа (или эффективность насыщения дымовыми газами в случае кондиционирования газа). Важным параметром здесь является распределение газа по времени пребывания в зоне контакта. Оно определяет среднюю длительность контакта газа с промывной жидкостью.
В отличие от идеального течения, которое предполагается при технологических интерпретациях, в реальном скруббере не имеется равномерной скорости движения газа вверх или по оси. То есть по сечению скруббера образуются разные осевые скорости, которые могут значительно отличаться от средней скорости.
2
В скрубберах промышленного масштаба на работу аппарата влияет прежде всего время пребывания газа. Неоднородное распределение газа в зоне контакта ведет к неоднородной длительности контакта между фазами. Результатом является пониженный или несбалансированный по сечению скруббера массообмен, который в случае обессеривания дымовых газов может проявляться как локальная высокая остаточная концентрация SO в очищенном газе. При применении для кондиционирования дымового газа это приводит к образованию отдельных газовых струй в кондиционированном дымовом газе, которые все еще имеют повышенную температуру. Они могут испортить последующие чувствительные к высокой температуре аппараты или отрицательно повлиять на их работу.
Время пребывания газа определяется, во-первых, видом и способом введения капель. Неоднородное орошение промывной жидкостью приводит к разному сопротивлению течению по сечению скруббера, что вызывает отклонение газа в зону с малой потерей напора. Как следствие, для этого парциального потока газа также уменьшается взаимодействие с впрыскиваемой жидкостью.
Вторым важным фактором должен считаться тип ввода газа в зону контакта. Особенно у скрубберов большого диаметра повышенное влияние имеет поперечное движение газа в зоне контакта, которое необходимо для равномерного распределения газа по сечению скруббера. Соотношение между диаметром D скруббера и высотой H зоны контакта колеблется в обычных случаях в диапазоне D/H=0,40-1,10.
В обычных скрубберах ввод газового потока осуществляется через один прямоугольный вход в скруббер с круглым основанием. Кривизна скруббера обусловливает то, что слои газа у боковых стенок входящего в них газового канала идут по горизонтали дальше, чем слои в середине. Тем самым газовый поток в середине входа может раньше начать двигаться вверх, чем в краевых зонах. Часть газового потока у бокового края входа продвигается дальше в скруббер и усиливает эффект, который в производстве промышленного оборудования называется "краевой подвижностью" скруббера. При этом речь идет о пониженном содержании промывной жидкости в пристеночной зоне из-за оседания капель из близких к стенке насадок на стенку аппарата. Напротив, внутренняя часть скруббера имеет повышенную объемную долю жидкой фазы, так как там капли могут дальше двигаться по траектории через зону контакта, прежде чем они соберутся в кубе скруббера.
2
Вместе с повышенными скоростями газа у стенки скруббера в этих областях заметно ухудшена степень разделения и локально могут устанавливаться повышенные остаточные концентрации SO в очищенном газе. В аппаратах меньшего размера может дойти даже до течений критических течений у стенки скруббера, при котором из-за изменения направления у стенки скруббера могут возникнуть нежелательно высокие скорости подъема газа.
Далее, из-за течения газа через обычный радиальный вход по сечению возникает уравнивающий вихрь. Турбулентное течение приводит к уменьшению имеющейся у газа кинетической энергии. Диссипация, производимая турбулентностью, имеет также место в области, где в двухфазном состоянии сопротивление течению через жидкие капли самое большое. Движение газа нежелательно замедляется в области, в которой газ уже прошел большой путь через зону контакта. Кроме того, там газ испытывает повышенное сопротивление из-за высокой объемной доли фазы капель, и при работе сохраняется дополнительно стремление газа отклоняться наружу. В горизонтальном сечении скруббера неизбежно реализуется неравномерная длительность контакта с дисперсной промывной жидкостью с уже указанными следствиями для массообмена.
Сходные проблемы выявляются также у скруббера из документа DE 10058548 C1, где газ вводится в скруббер тангенциально через два отдельных лежащих друг против друга газовых канала. Там в нижней части абсорбционной зоны устанавливается горизонтальный циркулирующий поток.
Поэтому задачей изобретения является уменьшить разницу во времени контакта и направить входящий дымовой газ преимущественно во внутреннюю часть скруббера с повышенной долей промывной жидкости.
Эта задача решается способом по пункту 1 или устройством по пункту 6 формулы изобретения.
Благодаря тому, что газ вводится по меньшей мере через два входных отверстия в корпусе скруббера так, что направления течения по меньшей мере двух газовых потоков при их продолжении внутрь скруббера пересекаются, участок, в котором газ протекает у искривленных стенок скруббера, минимизируется и, таким образом, продолжительность горизонтального движения газа у стенки скруббера уменьшается. Тем самым уменьшается краевая подвижность.
Вдобавок поток газа сильнее отклоняется внутрь скруббера к зонам с более высокой долей жидкости. Происходит более интенсивное взаимодействие еще неочищенного или некондиционированного дымового газа с жидкостью внутри зоны контакта, где также имеется повышенная объемная доля жидкой фазы.
Наконец, течение газа создает горизонтальный вихрь в скруббере, при котором газ, все еще имеющий повышенную кинетическую энергию, может проникнуть в чувствительную пристеночную зону скруббера только после прохождения через центр скруббера, имеющий более высокое содержание капель. Тем самым усиливается взаимодействие между фазовыми компонентами, что также имеет следствием улучшение массообмена. Время пребывания газа в зоне контакта благодаря индуцированному горизонтальному течению улучшается. Тем самым изобретение позволяет получить более эффективное введение газа в скрубберы.
Следующим преимуществом следует назвать то, что можно повысить входную скорость газа без опасности возникновения у стенок критических течений, так как парциальные газовые потоки с самыми высокими горизонтальными скоростями направлены во внутреннюю область скруббера.
При наличии того отличительного признака, что направления течения по меньшей мере двух газовых потоков (у входных отверстий) при их продолжении внутрь скруббера пересекаются, в средней точке течение останавливается. Особенно предпочтительным для достижения эффекта согласно изобретению оказалось положение точки пересечения на участке от центра скруббера до половины радиуса скруббера за центром скруббера (если смотреть в направлении течения).
В комбинации с горизонтальным введением газа здесь возникает то преимущество, что достигается как можно большая глубина проникновения газа. Тем самым становится возможным более равномерно распределение газа в скрубберах большого диаметра.
Для угла между осями симметрии входов газа подходит диапазон от 45° до 120°, который подбирается в зависимости от размера скруббера. Путем подбора угла между вводами газа и подбора входной скорости газа можно согласовать глубину проникания газового потока с размером скруббера или диаметром скруббера.
В случае скрубберов меньшего диаметра угол повышается, и имеется взаимодействие парциальных газовых потоков друг с другом, что само при повышенной входной скорости газа вызывает уменьшение горизонтальной скорости газа или глубины проникновения в скруббер. Таким образом, опасность нежелательных критических течений у стенки скруббера по меньшей мере минимизируется, а обычно совсем предотвращается.
Чем больше диаметр скруббера, тем меньше угол между входами и тем выше будет выбираться входная скорость. В зависимости от необходимой интенсивности разделения жидкая дисперсная фаза оказывает при работе из-за разных объемных потоков и разных соотношений газ-жидкость (отношения L/G) разное гидродинамическое сопротивление.
Вследствие этого можно также уменьшить площадь входного отверстия для газа. Кроме того, устьевые сечения входных отверстий вместе имеют меньшую кривизну у стенки скруббера (или требуют меньшего угла), чем соответствующее устьевое сечение отдельного входного отверстия. Благодаря этому можно получить уменьшение строительных и технических затрат по сравнению с обычной конструкцией, например, из-за меньшей ширины сквозных устьев при равных площадях входа требуются меньшие статические опоры во входных отверстиях (поддерживающие конструкции).
Для входной скорости выгоден диапазон 10-25 м/с, в частности диапазон от 14 до 16 м/с во входном сечении. При нормальной работе входные скорости или объемные потоки газа на входе в скруббер различаются незначительно. Однако разница скоростей между отдельными входами может составлять до 50%, не оказывая отрицательного влияния на способ согласно изобретению.
Изобретение особенно подходит для скрубберов большого сечения, а именно для диаметров скруббера больше или равных 12 м, в частности больше 20 м, так как здесь указанные вначале проблемы становятся особенно значительными.
Для иллюстрации изобретение поясняется на одном примере осуществления посредством фигур 1-8:
Фиг.1 показывает скруббер согласно уровню техники,
фиг.2 показывает схематично ввод газа в скруббер согласно изобретению,
фиг.3 представляет собой вид скруббера согласно изобретению (слева) и обычного (справа),
фиг.4 показывает горизонтальную проекцию скруббера согласно изобретению (справа) и обычного (слева),
фиг.5 показывает картину течения в обычном скруббере на высоте входа газа,
фиг.6 показывает картину течения в обычном скруббере в продольном разрезе входа газа,
фиг.7 показывает картину течения в скруббере согласно изобретению на уровне входа газа,
фиг.8 показывает картину течения в скруббере согласно изобретению в продольном разрезе.
На фиг.1 представлен обычный открытый скруббер для обессеривания дымовых газов с единственным радиальным вводом газа. Скруббер имеет круглое основание и цилиндрический корпус. Неочищенный газ 1 входит через единственное входное отверстие 2 горизонтально в область контакта скруббера 3. В скруббер из распылительных насадок 4 впрыскивается суспензия, которая собирается в кубе 5 скруббера. Он насыщается газом посредством окислительного воздуха 6. С одной стороны куба 5 часть суспензии снова проводится циркуляционными насосами на распылительные сопла 4, а с другой стороны лишняя суспензия по линии 8 отводится на гидроциклон. Далее к кубу 5 подается свежая суспензия 7. Выше распылительных насадок газ очищается промывной водой 9, а также после выхода из скруббера 3 - промывной водой 10, прежде чем он будет отведен как очищенный газ 11.
3
Скруббер согласно изобретению с фиг.2 отличается от скруббера с фиг.1 тем, что он имеет два отдельных газовых канала 12, каждый из которых примыкает к соответствующему входному отверстию 2. Оси симметрии газовых каналов составляют здесь угол примерно 55°. Показанный здесь большой скруббер предназначен для пропускания 4,75 миллионов Нм/ч влажного дымового газа и имеет диаметр 23,6 м. Число опорных колонн на входе может быть снижено до 50% по сравнению с обычной конструкцией с одним входом. Показанный здесь скруббер имеет два газовых канала 12 равного размера. Естественно, в изобретении могут применяться также два или более газовых каналов, имеющих разные размеры.
На фиг.3 слева показан скруббер согласно изобретению, а справа - обычный скруббер. На фиг.4 справа показан скруббер согласно изобретению, а слева - обычный скруббер. Соответствующие цилиндрические корпуса заканчиваются вверху частью, имеющей форму усеченного конуса. Газовые каналы в обоих случаях имеют прямоугольное сечение. Между входными отверстиями скруббера согласно изобретению показана часть корпуса скруббера, которая отделяет друг от друга оба входных отверстия.
На фиг.5 показан горизонтальный разрез обычного скруббера на половине высоты газового канала 12 или входного отверстия 2. Именно, на верхнем рисунке пунктирные линии показывают линии тока газового течения, серый оттенок фона является мерой скорости газа. На левом краю рисунка имеется шкала, которая дает соотнесение цвета отдельных оттенков серого с конкретными скоростями. Жирные черные стрелки отмечают области с самой высокой горизонтальной скоростью. Газ втекает в скруббер слева.
На нижнем рисунке течение газа представлено в виде векторной диаграммы. Размер и направление отдельных векторов являются мерой величины и направления течения газа в этой точке.
На фиг.6 показано продольное сечение скруббера в плоскости симметрии (то есть через середину газового канала). Пунктирные линии на верхнем изображении снова показывают линии тока газового потока, серый оттенок фона является мерой скорости газа, для чего слева снова дана шкала с соотнесением с конкретными значениями скорости.
На нижнем рисунке течение газа представлено как векторная диаграмма. Размер и направление отдельных векторов являются мерой величины и направления течение газа в этой точке.
Из обеих фиг.5 и 6 ясно, что из-за кривизны скруббера слои газа у боковых стенок примыкающего газового канала идут дальше по горизонтали, чем слои в середине (фиг.5). Тем самым газовый поток в середине, входного отверстия раньше начнет двигаться вверх, чем в краевых зонах (фиг.6). Парциальные газовые потоки у бокового края входного отверстия продвигается дальше в скруббер и усиливает эффект "краевой подвижности", как уже пояснялось вначале.
Из фиг.5 виден выравнивающий вихрь, создаваемый в сечении течением газа через обычный радиальный вход. Движение газа там определенно замедлено.
На фиг.7 показано горизонтальное сечение скруббера согласно изобретению на половине высоты газового канала 12 или входных отверстий 2. А именно на верхнем рисунке пунктирные линии снова указывают линии тока газового потока, оттенок серого фона снова является мерой скорости газа с соответствующей шкалой на левом краю рисунка. Жирными черными стрелками отмечены области с самой высокой горизонтальной скоростью. Газ втекает в скруббер справа или справа вверх. На нижнем рисунке течение газа показано как векторная диаграмма. Размер и направление отдельных векторов являются мерой величины и направления течения газа в этой точке.
Течение газа будет сильнее отклоняться внутрь скруббера к зонам с более высокой долей жидкости, и только затем граничное течение достигнет пристеночных областей скруббера около входных отверстий. Возникают два горизонтальных вихря, при которых газ, все еще имеющий повышенную кинетическую энергию, может продвигаться в чувствительную пристеночную зону скруббера только после прохождения центра скруббера, имеющего повышенное содержание капель. Благодаря этому горизонтальному движению время пребывания газа в зоне контакта улучшается.
На фиг.8 сверху показан продольный разрез, проходящий через центр скруббера и ось симметрии одного газового канала. Можно понять, что течение газа в нижней части скруббера протекает с относительно равномерно распределенной скоростью, причем течение газа проходит глубже в скруббер, чем при обычной подаче газа через один газовый канал (фиг.6). Объем с очень низкими скоростями, лежащий напротив входных отверстий, заметно меньше по сравнению со случаем обычной подачи газа. Точно также вертикальный вихрь выше входного отверстия на фиг.6, который также имеет очень низкие скорости, исчезает.
Проверка изобретения проводилась с помощью численного расчета течения (Computational Fluid Dynamics (CFD - вычислительная гидродинамика). При этом помимо однофазных потоков на компьютере можно также численно воспроизводить и затем оптимизировать режимы многофазного течения в скруббере. Экспериментально измерять режим течения в больших установках можно лишь ограниченно или ненапрямую (например, через профили температуры или концентрации за зоной контакта). Напротив, расчет течения делает возможной визуализацию имеющегося в аппарате трехмерного течения.
Для моделирования использовался покупной пакет CFD-программ AVL FIRE v7.3 (смотри AVL, Fire Manual версия 7, Graz, 2001), который очень хорошо показал себя для численного исследования таких одно- и многофазных режимов течения и нашел применение во многих областях.
Численный расчет непрерывного течения газа в скруббере проводился методом конечных объемов. Для этого исследуемому скрубберу сопоставлялась трехмерная расчетная модельная сетка, которая устанавливает разбиение всего рассматриваемого трехмерного объема на отдельные элементарные объемы, называемые контрольными ячейками. В каждом этом элементарном объеме моделью рассчитываются физические и возможные химические процессы. Изменение во времени и пространстве тепловых и массовых потоков в контрольной ячейке балансируются через его боковые поверхности. Чем точнее рассчитывается исследуемая область течения, то есть, чем выше число используемых элементарных объемов, тем, как правило, точнее будет расчет поля течения. Однофазное течение газа рассчитывается до достижения стационарного режима течения.
В стационарном решении для однофазного течения газа модельные капли, которые отражают промывочную суспензию, вводятся в предусмотренных местах впрыскивания с определенными свойствами. Расчет траекторий капель в потоке газа проводится методом Эйлера-Лагранжа или Discrete Droplet Method (метод дискретных капель) (DDM, смотри AVL, Fire Manual версия 7, Graz, 2001, или Crowe C., Sommerfeld M., Tsuji Y., Multiphase flows with droplets and particles, CRC Press, Boco Raton, 1998). При этом движение физических частиц численно описывается статистическим количеством расчетных модельных частиц. Каждая модельная частица соответствует определенному числу реальных частиц, которые имеют одинаковые физические свойства (пакетный множитель). Уравнения баланса между фазами для массы, энергии и импульса записываются с умножением на пакетный множитель.
Взаимодействие между газом и диспергированной жидкостью осуществляется по принципу Two Way Coupling (двустороннее связывание). После достижения квазистационарного решения для многофазного течения в одной рабочей точке рассчитанное поле течения газовой фазы, а также движение частиц можно анализировать на компьютере в трехмерном изображении.
2
2
Программное обеспечение было специально параметризовано для данного приложения. Верификация проводилась путем экспериментальных измерений выделения SO из промышленных скрубберов большого размера сходной конструкции или габаритных размеров или путем гидродинамических исследований на опытных установках (смотри также Maier H. "Интегрирование хемосорбции SO в численном трехмерном моделировании мокрого очистителя дымовых газов", диссертация. Техн. университет, Graz, 2003; или Wieltsch U. "Экспериментальное и численное исследование двухфазных режимов течения в скрубберах", диссертация. Техн. университет, Graz, 1999).
Список позиций для ссылок:
1 неочищенный газ
2 входное отверстие
3 скруббер
4 распылительные сопла
5 куб скруббера
6 окисляющий воздух
7 свежая суспензия
8 проводка на гидроциклон
9 промывная вода
10 промывная вода
11 очищенный газ
12 газовый канал