Проблема очистки промышленных газовых выбросов и пути её решения

УДК 66.02.001

Г. Х. Гумерова, С. Ф. Дебердеева ПРОБЛЕМА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

И ПУТИ ЕЁ РЕШЕНИЯ

Ключевые слова: газовые выбросы, диоксид углерода, диспергаторы, вихревые аппараты, пористые вращающиеся распылители, распыливание жидкости.

Показана возможность режима образования монодисперсных капель и создания развитой межфазной поверхности из одноразмерных каплеобразующих элементов в полых вихревых аппаратах.

Keywords: gas emissions, carbon dioxide, dispersants, vortex devices, porous rotating sprays, spray fluid.

The possibility of regime formation of monodispersed drops and well-developed interphase surface of the same size elements in the hollow vortex devices.

В настоящее время остро стоит проблема очистки крупномасштабных газовых выбросов химических, нефтехимических и смежных с ними промышленных предприятий от экологически и биологически вредных примесей, в том числе - парниковых газов (диоксид углерода, метан и др.) [1].

Особое внимание уделяется очистке от диоксида углерода, влияющего на глобальное потепление.

Однако, используемое в настоящее время предприятиями оборудование не может обеспечить очистку крупнотоннажных газовых выбросов (сотни млн. м3 в час), в силу низкой пропускной способности по газовой фазе (не более 1,5-2,0 м/с). К тому же оно довольно металло- и энергоемко.

В связи с этим представляется целесообразным использование для указанных целей полых вихревых аппаратов, скорость газа в которых на порядок выше.

Сравнительный анализ параметров работы аппаратов для очистки газов представлен в таблице 1.

Полые вихревые аппараты обладают малым гидравлическим сопротивлением, низкими капитальными затратами и развитой межфазной поверхностью, достигаемой за счет тонкого распыления жидкости.

Таблица 1 - Основные показатели аппаратов для очистки газов [2]

Показатель Труба Вентури Полый Скруббер Пенный аппарат Скруббер с шаровой насадкой Аппараты вихревого типа

Гидравлическое сопротивление, мм. вод. ст. 1м высота аппарата 300-3000 100-220 100-350 100-500 100-350

Удельные энергозатраты, кВт-ч/тыс. м3 2-4 0,99-1,7 0,6-2,8 0,6-2,82 0,23-2,12

Коэффициент массоотдачи в жидкости, м/с (1-2,5)10-4 10-5-10-4 (0,6-5,5)10-4 (0,5-5)10-4 (0,2-1)10-2

Скорость газа по сечению, м/с 1,0-7,0 0,5-1,0 0,5-1,0 0,6-1,0 10,0-25,0

Эффективность таких аппаратов существенно зависит от качества распыливания жидкости, под которым подразумевают монодисперсность капель и равномерность распределения их в объеме аппарата.

Известны случаи получения практически монодисперсных капель или капель приблизительно одинакового размера:

а) естественный распад ламинарной струи жидкости в отсутствии помех (распад Рэлея);

б) вынужденный распад струи при наложении искусственных возмущений - колебаний определенной длины волны (ультразвуковые и акустические распылители);

в) непосредственное образование капель на срезе отверстия.

Близкий к монодисперсному капельный состав жидкости обеспечивают ультразвуковые и акустические распылители.

Однако, они работоспособны лишь при распыливании малых количеств жидкости (до 500 л/ч) и применяются в основном в лабораторной практике и в медицине в качестве генератора аэрозолей [3].

В связи с этим, разработка диспергаторов, реализующих монодисперсный распыл жидкости, является актуальной задачей для создания высокоэффективных аппаратов большой единичной мощности при сравнительно малых габаритах и минимизации материало-, энерго-, и эксплуатационных затрат.

Многочисленными исследованиями [4] показана возможность режима образования монодисперсных капель и создания развитой межфазной поверхности из одноразмерных каплеобразующих элементов.

Практически это было реализовано на распылителе из пористого металла (металлокерамики) [5]. Он представлял собой полый пористый цилиндр, вращающийся вокруг своей продольной оси. Во внутреннюю полость распылителя подается жидкость, которая под действием центробежной силы фильтруется сквозь пористую стенку цилиндра и практически одноразмерными каплями сбрасывается с его внешней поверхности.

В работе [5] были высказаны предположения о механизме процесса образования одноразмерных капель на поверхности пористых вращающихся распылителей (ПВР) и даны эмпирические зависимости для определения производительности и диаметра образующихся капель для ПВР из металлокерамики при смачивании.

Анализ данных экспериментов показал, что дисперсность распыла существенно зависит от структуры пористой оболочки ПВР (размеров и формы зерен и пор, плотности упаковки зерен и др., адгезионных свойств материала и жидкости и др.), а также от скорости вращения распылителя и давления в сети подачи жидкости.

Также был выдвинут ряд требований, которым должен отвечать пористый материал для ПВР, а именно:

а) материал должен состоять из круглых зёрен, различающихся по своим размерам не более чем в два раза;

б) средний диаметр зерен должен быть в шесть раз больше, чем желаемый размер капель при распылении гидрофильной жидкости, а при распыливании гидрофобной - размер пор должен быть в два раза меньше, чем желаемый диаметр капель;

в) материал должен обладать высокой механической прочностью и высокой пористостью.

Рассмотренное выше позволило нам использовать полый вихревой аппарат с

пористыми вращающимися распылителями (ПВР) [6], представленный на рис. 1.

Условием эффективной работы аппарата является организация однородного, покрывающего всю внутреннюю поверхность рабочей зоны газожидкостного слоя, исключающего возможность проскока газа без контакта с жидкостью.

Рис. 1 - Полый вихревой аппарат с пористыми вращающимися распылителями: 1 -двигатель; 2 - штуцер для входа газа; 3 - пористые вращающиеся распылители; 4 -распределительное устройство; 5 - штуцер для выхода абсорбента; 6 - опора подвесного вала; 7 - штуцер для выхода газа

Расчеты и испытания подобных аппаратов довольно просты и не требуют дополнительных материальных вложений.

Поэтому разработка различных конструкций распыливающих устройств, реализующих практически монодисперсное распыление жидкости, является актуальной задачей, решение которой будет способствовать быстрейшему промышленному применению полых вихревых аппаратов.

Литература

1. Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В. Перспективы использования абсорбентов на основе третичных аминов для повышения эффективности очистки газов в аппаратах высокой пропускной способности // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - Т. 14, № 3 - С.143-146.

2. Николаев А.Н., Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе // Казань, ЗАО «Новое знание», 2004. С. 8-10.

3. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256 с.

4. Дубков И.А., Николаев Н.А. Оценка пылегазовых выбросов энергетических установок // Проблемы энергетики, 2002. № 9-10.

5. Schmidt P. Zerteilen von Flussigreiten in gleich grobe Tropfen // Chemie Jngenieur Technik. - Heft 5/6, 1967. - S. 375-379.

6. Патент № 76576 РФ, МПК7 B01D 53/18 Вихревое устройство с пористыми вращающимися распылителями /Гумерова Г.Х., Калимуллин И.Р., Дмитриев А.В., Николаев Н.А. заявители и патентообладатели. - Учреждение Российской академии наук Казанский научный центр РАН -2008107900, заяв.28.02.2008. Опубл: 27.09.2008 Бюллетень № 27. - 2с.

© Г. Х. Гумерова - канд. техн. наук, вед. программ. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, ggx70@yandex.ru; С. Ф. Дебердеева - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры.