Очистка газовых выбросов ТЭС от диоксида углерода в вихревых аппаратах с пористыми вращающимися распылителями

УДК 621.43: 66.069

ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ТЭС ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ С ПОРИСТЫМИ ВРАЩАЮЩИМИСЯ

РАСПЫЛИТЕЛЯМИ

А.В. ДМИТРИЕВ, Г.Х ГУМЕРОВА, Н.А НИКОЛАЕВ Казанский государственный технологический университет

В работе представлены результаты экспериментального исследования процесса очистки промышленных газовых выбросов ТЭС от диоксида углерода в полых вихревых аппаратах с пористыми вращающимися распылителями жидкости. Установлены основные закономерности массопереноса и выполнены их сравнения с известными математическими моделями.

Ключевые слова: вихревые аппараты, механизм массопереноса, очистка выбросов.

Введение

В соответствии с Киотским протоколом, подписанным Россией, в нашей стране начинается выполнение принятых обязательств и практическая реализация мероприятий по сокращению выбросов «парниковых» газов и, в частности, снижению к 2020 году на 20% выбросов в атмосферу диоксида углерода.

Решение этой проблемы существенно осложняется тем, что расход газовых выбросов на крупных предприятиях энергетической, химической, нефтехимической и смежных отраслей промышленности достигает миллионов кубических метров в час. Это исключает возможность использования для их очистки большей части существующего оборудования из-за их низкой пропускной способности по газовой фазе, не превышающий 1,5-2 м/с.

Постановка задачи

Наиболее перспективными для этих целей являются полые вихревые аппараты с диспергированием жидкой фазы, работающие при среднерасходных скоростях газа, достигающих 20-25 м/с [1].

Высокая среднерасходная скорость газа в таких аппаратах, сочетающаяся с низким гидравлическим сопротивлением, позволяет эффективно использовать их при очистке крупнотоннажных газовых выбросов.

Однако полые вихревые аппараты не получили в настоящее время широкого распространения из-за низкого качества работы механических распылителей жидкости (форсунок), не обеспечивающих равномерное распределение жидкости в объеме аппарата и характеризующихся широким спектром размеров капель, что существенно снижает эффективность очистки газа.

В связи с этим представляется перспективным использование в полых вихревых аппаратах пористых вращающихся распылителей жидкости [2], выполненных в виде цилиндрических стаканов из пористого материала с близкими по размерам частицами, образующими их наружную поверхность. Каплеобразование на поверхности пористого вращающегося распылителя (ПВР) происходит на границе материала, размеры капель определяются их размером и окружной скоростью вращения распылителя. Такие устройства позволяют

© А.В. Дмитриев, Г.Х. Гумерова, Н.А. Николаев Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

получить равномерный по высоте аппарата факел распыленной жидкости с высокой степенью монодисперсности [3].

Решение задачи

Схема полого вихревого аппарата с использованием пористых вращающихся распылителей показана на рис. 1.

Рис. 1. Вихревой аппарат с пористым вращающимся распылителем: 1 - двигатель; 2 - штуцер для входа газа; 3 - пористые вращающие распылители; 4 - узел распределения жидкости; 5 - штуцер для выхода жидкости; 6 - опора подвесного вала; 7 - штуцер для выхода газа

Исследование эффективности массопереноса при очистке воздуха от двуокиси углерода выполнено на экспериментальной установке, рис. 2. Диаметр аппарата составлял 250 мм, диаметр ПВР- 51,5 мм, средний размер гранул - 250 мкм.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - аппарат; 2 - вентилятор высокого давления; 3, 6 - термостаты; 4 - ресивер; 5 - ввод диоксида углерода; 7 - ввод аммиака. Места измерения параметров воздуха и абсорбента: Е - расход; Т - температура; С - концентрация

Расход воздуха в опытах изменялся в диапазоне 5-15 м/с, а расход воды - от 0,7 до 3,5 м3/ч. Скорость вращения ПВР изменялась от 9 до 14 м/с. В этих условиях

среднестатистический размер капель жидкости составлял 130-150 мкм при разбросе ^32тях/^32тш < 2. Все исследования проводились при постоянном значении температуры воздуха и воды, равной 20±0,50С. Предварительно воздух насыщался паром до относительной влажности 100%.

Пробы жидкости в объеме аппарата отбирались изокинетическим зондом, а их анализ на содержание двуокиси углерода проводился стандартными газоанализаторами.

Результаты исследования показали, что в полом вихревом аппарате с ПВР наблюдаются две последовательные стадии массопереноса: при движении капель к периферии аппарата и при стекании жидкости по его внутренней стенке. Изменение концентрации двуокиси углерода в жидкости по радиусу аппарата показано на рис. 3.

Рис. 3. Изменение концентрации диоксида углерода по радиусу аппарата при расходе жидкости 2,12 м3/ч и расходах воздуха, л/с: 1 - 5,1; 2 - 8,12; 3 - 12,7; 4 - 15,2

Оценка механизма массопереноса в каплях жидкости осуществлялась по двум моделям [4, 5]:

1. Модель Ньюмена, предполагающая отсутствие конвективного массопереноса внутри капель:

6  1 Аг =1--£ —гехР

п и=1 п

г \

' 2 2 4 Ш

- п п -

2

а-ц 32 у

2. Модель Кронига-Бринка, учитывающая как молекулярный перенос вещества в капле, так и конвективный перенос вдоль линий тока:

3 ^ ч Б

А

8 п=1 а

2

32

С 0 - С - - -где А( = —-=--степень извлечения; С0, С , Ср - начальная, текущая и

С 0 - Ср

равновесная концентрации двуокиси углерода в каплях, мг/л; Б - коэффициент молекулярной диффузии капли, м/с2; * - время контакта, с; а32 -среднестатистический диаметр капли; Вп и 1 п - собственные коэффициенты уравнений.

Коэффициенты массопереноса в каплях рассчитывались по уравнению Геддеса [б]:

а 32

вЬа =—1п

6 г

Полученные экспериментальные значения коэффициентов массопереноса в каплях были сопоставлены с рассчитанными по уравнениям (1)-(3) (рис. 4).

м/с"

1,5 -

1 -

0,5 -

0

)

Рис. 4. Зависимость коэффициента массопереноса в каплях жидкости от числа Рейнольдса КеЬ:

1 - модель Ньюмена; 2 - модель Кронига-Бринка; 3 - экспериментальные данные

Поскольку значения чисел ИеЬ капель жидкости в исследованной области нагрузок по газу и скорости вращения ПВР не превышают 2000, в каплях имеет место исключительно диффузионный механизм переноса массы, соответствующий модели Ньюмена.

Сравнение экспериментальных значений коэффициентов массоотдачи в пленке с рассчитанными по известному соотношению [7], предложенному для случая прямоточного движения газа и пленки жидкости, показали систематическое завышение опытных данных на 15-20% (табл. 1).

Таблица 1

Сопоставление опытных и рассчитанных [7] значений коэффициентов массоотдачи в пленке жидкости

Расход жидкости, м3/час Коэффициенты массоотдачи, в*10-3 м/с

Опыт Расчет

0,72 0,19 0,175

1,36 0,22 0,185

2,12 0,226 0,191

2,83 0,230 0,194

3,47 0,237 0,202

Очевидно, этот эффект вызван дополнительной интенсификацией массообмена за счет ударов капель о поверхность пленки жидкости. Для оценки влияния этого эффекта была использована математическая модель [8], учитывающая взаимодействие капель с поверхностью пленки.

Модель рассматривает взаимодействие капли жидкости диаметром а и массой та, обладающей кинетической энергией Еа, с поверхностью пленки. При взаимодействии кинетическая энергия капли преобразуется в кинетическую

1000 2000 Яе

энергию возмущения поверхности и потенциальную энергию новой поверхности согласно уравнению

Еа =

nR 2 р L 5 ( dR> 2

2

dt

2

+ nR о + гЕа

где Я - радиус зоны возмущения, м; рь - плотность жидкости, кг/м ; 3 - толщина вытесненной жидкости волной возмущения, м; а - поверхностное натяжение, Н/м2; * - время контакта, с; е - доля энергии капли, пошедшая на диссипацию.

В безразмерном виде уравнение (4) имеет вид

П

'dn4 2

dT

+ Вл

= 1 - £,

где

2 nR 2 р l 5 ( R л 2

А =-

2 Еа

В2 =

nR 2 о

Еа

R

максимальный радиус зоны

возмущения; Т - время достижения радиуса возмущения максимального значения; п = r/R - безразмерный радиус зоны возмущения.

Взаимодействие одиночной капли с поверхностью пленки вызывает полное перемешивание жидкости на радиусе R. При потоке n капель, оседающих на 1м2 поверхности, возможно два режима:

режим 1 - поток капель мал: отдельные зоны возмущения не перекрываются последующими. В этом случае доля поверхности пленки, подвергающаяся возмущению за время Т, составит

2

Y f =nR Tn < 1;

режим 2 - поток капель интенсивен; отдельные зоны возмущения накладываются друг на друга, причем последующие капли прерывают эффект перемешивания предыдущих. Возмущенной оказывается вся поверхность.

у / =пЯ 2Тп = 1.

Связь площади возмущенной поверхности с исходными параметрами имеет

вид

Y f =nR 2Tn = El (1 - г )3 р l 5

Суммарное значение коэффициентов массоотдачи в пленке жидкости при её взаимодействии с каплями будет зависеть как от конвективного массообмена в пленке, так и от воздействия капель на её перемешивание:

ß £ = (1 - Y f ) ß' + Y f ß ' ,

где в' - коэффициент массоотдачи без воздействия капель, м/с; в' - коэффициент массоотдачи с учетом воздействия капель, м/с.

2

р"/р

(I (1,2 (1,4 0,6 0,8 V f

Рис. 5. Зависимость коэффициента массоотдачи в пленке жидкости при различных значениях

возмущения поверхности

Значения коэффициентов массоотдачи в пленке жидкости, представленные на рис. 5, подтверждают влияние удара капель о поверхность пленок на процесс массопереноса и находятся в хорошем согласии с результатами эксперимента.

Summary

In work results of an experimental research of process of clearing of industrial gas emissions from carbon dioxide in hollow vertical devices with porous rotating sprays of a liquid are presented. The basic laws of mass transfer are established and their comparisons with known mathematical models are executed.

Литература

1. Николаев А.Н., Дмитриев А.В., Латыпов Д.Н. Очистка газовых выбросов ТЭС, работающих на твердом и жидком топливе. Казань: Новое знание, 2004. 136 с.

2. Вихревое устройство с пористыми вращающимися распылителями / Г.Х. Гумерова, И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, Н.А. Николаев: патент Росс. Федерации 76576. Опуб. 27.09.08. Бюл. № 27.

3. Диспергирование жидкости пористыми вращающимися распылителями. Модели каплеобразования / Р.Г. Сафиуллин, Н.А. Николаев, В.Н. Посохин, А.А. Колесник. Казань: Новое знание. 2004. 64 с.

4. Newman A.B. The drying of porous solids: Diffusion calculations // Trans. Amer. Inst. Chem. Eng., 1931. V. 27. № 10. P. 203-220.

5. Kronig R., Brink J.C. On the theory of extraction from falling droplets // Appl. Sci. Res., 1950. V. 2. № 2. P. 142-148.

6. Geddes R.L. Trans. Amer. Just. Chem. Eng. 1946. Apr. 2. - P. 142-147.

7. Войнов Н.А., Николаев Н.А. Пленочные трубчатые газожидкостные реакторы. Казань: 2008. 272 с.

8. Михалкина Г.С., Николаев Н.А. Математическое моделирование процесса теплообмена в пленке жидкости, сопровождающегося взаимодействием капель с ее поверхностью // Промышленная энергетика. № 11. 2006. С. 49-50.

Поступила в редакцию 2 декабря 2008 г.

Дмитриев Андрей Владимирович - канд. техн. наук, докторант Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8-904-6631696. E-mail: ieremiadа@rambler.ru.

Гумерова Гузель Хайдаровна - старший преподаватель Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8 (843) 520-91-09.

Николаев Николай Алексеевич - д-р техн. наук, профессор Казанского государственного технологического университета (КГТУ). Тел. 8 (843) 236-33-59.