Разработка технологии и оборудования инженерно-экологической защиты атмосферного воздуха от вредного воздействия промышленных выбросов

Преимуществом этого метода являются использование каталитических реакций при температурах, более низких (40-100oC), чем при термокаталитическом методе, что приводит к увеличению срока службы катализаторов, а также к меньшим энергозатратам (при концентрациях вредных веществ до 0,5 г/м3.).

Недостатками данного метода являются:

большая зависимость от концентрации пыли, необходимость предварительной очистки до концентрации 3-5 мг/м3, при больших концентрациях вредных веществ (свыше 1 г/м3) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы превышают соответствующие затраты в сравнении с термокаталитическим методом.

Фотокаталитический метод окисления органических соединений сейчас широко изучается и развивается. В основном при этом используются катализаторы на основе TiO2, которые облучаются ультрафиолетом. Известны бытовые очистители воздуха японской фирмы «Daikin», использующие этот метод. Недостатком метода является засорение катализатора продуктами реакции. Для решения этой задачи используют введение в очищаемую смесь озона, однако данная технология применима для ограниченного состава органических соединений и при небольших концентрациях. [4]

7 ПЫЛЕУЛАВЛИВАТЕЛИ

Пылеулавливающие аппараты подразделяются на сухие механические, фильтрующие, электрические (электрофильтры) и мокрые.

В основе работы сухих механических пылеулавливателей лежат гравитационный, инерционный и центробежный механизмы осаждения. Сухие пылеуловители отличаются простотой изготовления и достаточно широко (особенно циклоны) используются в промышленности. Однако при улавливании мелкодисперсных пылей, а так же при высокой входной запылённости газов эффективность улавливания пыли в этих аппаратах недостаточна. В таких случаях эти аппараты играют роль первой ступени очистки газов или аспирационного воздуха.

Самостоятельную группу аппаратов сухой очистки составляют фильтрующие пылеулавливающие аппараты - фильтры. Фильтры принято делить на три класса: волокнистые, тканевые и зернистые.

К волокнистым, относятся фильтры тонкой очистки («абсолютные фильтры»), фильтры для атмосферного воздуха («воздушные фильтры») и туманоуловители, предназначенные для улавливания жидких аэрозольных частиц (капель). Фильтровальные материалы в волокнистых фильтрах первых двух классов обычно не могут быть регенерированы и подлежат замене. Эти фильтры рассчитаны на работу с очень низкой начальной концентрацией пыли (первые - до 1 мг/нм3, вторые - менее 50 мг/нм3) и применяются для очистки воздуха в системах приточной вентиляции и кондиционирования.

Промышленные тканевые (рукавные) фильтры относятся к наиболее эффективным пылеулавливающим аппаратам. Современные фильтры благодаря автоматизации в них работы механизмов регенерации весьма надёжны в эксплуатации и обеспечивают высокую эффективность улавливания пыли.

Использование тканевых фильтров связано со значительными площадями для их размещения, а также необходимостью поддержания температуры очищаемых газов выше точки росы (чтобы исключить конденсацию водяных паров на поверхности фильтровальной ткани).

Достоинством зернистых фильтров является возможность работы при высоких температурах очищаемых газов. Однако дороговизна изготовления фильтровальных перегородок из зернистых материалов, а главное сложности с регенерацией зернистых фильтров, существенно ограничили их применение на практике.

В электрофильтрах осаждение частиц пыли происходит за счёт сообщения им электрического заряда. Наряду с рукавным фильтрами электрофильтры - наиболее высокоэффективные пылеулавливающие аппараты; аналогичны и их недостатки.

В основе работы мокрых пылеуловителей лежит контакт запылённых газов с орошающей жидкостью, при этом осаждение частиц пыли происходит на плёнку жидкости, поверхность газовых пузырей и капли. К достоинствам мокрых пылеуловителей стоит отнести: более высокую степень очистки, чем в сухих механических пылеуловителях ( в скрубберах Вентури даже при улавливании мелкодисперсных пылей может достигаться такая же степень очистки, как и в рукавных тканевых фильтрах); возможность одновременного осуществления пылеулавливания, охлаждения газов и абсорбции вредных газообразных примесей; возможность эффективного применения при высоких температурах и влажности газов, при опасности самовозгорания и взрывов очищаемых выбросов или уловленной пыли. К недостаткам мокрого пылеулавливания относятся: образование шламовых сточных вод, необходимость изготовления аппаратуры в ряде случаев из антикоррозионных материалов, а так же высокие энергозатраты на очистку при улавливании мелкодисперсных пылей. [5]

8 МОКРЫЕ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛИ (СКРУББЕРЫ)

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запылённого газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки считается достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом обеспыливания. Аппараты мокрой очистки газов по степени очистки могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры, но и использоваться в тех случаях, когда рукавные фильтры не могут быть применены вследствие высокой температуры, повышенной влажности или взрывоопасности очищаемых газов.

В качестве орошающей жидкости в мокрых пылеуловителях чаще всего применяется вода; при совместном решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) обуславливается процессом абсорбции.

Общепринятой классификацией мокрых пылеуловителей до настоящего времени не имеется. Обычно они подразделяются на группы в зависимости от поверхности контакта или по способу действия:

- полые газопромыватели (оросительные устройства, промывные камеры, полые форсуночные скрубберы);

- насадочные скрубберы;

- тарельчатые газопромыватели (барботажные и пенные аппараты);

- газопромыватели с подвижной насадкой;

- мокрые аппараты ударно-инерционного действия;

- механические газопромыватели (механические, динамические скрубберы);

- скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури, эжекторные скрубберы).

Помимо перечисленных групп, к мокрым пылеуловителям в какой-то степени могут быть отнесены также мокрые электрофильтры, орошаемые волокнистые фильтры и аппараты конденсационного действия. Однако с учётом преимущественного механизма улавливания взвешенных частиц первые из них будут рассматриваться как электрофильтры, а орошаемые волокнистые фильтры - как фильтровальные аппараты. Что касается аппаратов конденсационного действия, то они до настоящего времени не получили какого либо применения в промышленности.

Иногда мокрые пылеуловители подразделяют по затратам энергии на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. К низконапорным аппаратам относятся пылеуловители, гидравлическое сопротивление которых не превышает 1500 Па. В эту группу входят форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты и др. К средненапорным мокрым пылеуловителям с гидравлическим сопротивлением от 1500 до 3000 Па относятся некоторые динамические скрубберы, газопромыватели ударно-инерционного действия, эжекторные скрубберы. Группа высоконапорных газопромывателей с гидравлическим сопротивлением более 3000 Па включает в себя в основном скрубберы Вентури и дезинтеграторы.

Способ подачи жидкости в мокрые пылеуловители в значительной степени влияет на распределение энергии, затрачиваемой на осуществление процесса улавливания. В аппаратах, где главная роль в энергетических затратах принадлежит орошающей жидкости (полые форсуночные скрубберы, эжекционные аппараты и др.), применяются энергоёмкие средства орошения - форсунки, работающие под высоким давлением. В аппаратах, где затраты энергии, подводимой к жидкости, играют второстепенную роль (например, скрубберы Вентури), используются низконапорные форсунки. В тех аппаратах, где практически вся энергия подводится к газовому потоку (насадочные скрубберы, тарельчатые колонны и др.) и требуется равномерное орошение всего сечения аппарата, применяются оросители различных конструкций.

По принципу действия форсунки делятся на три группы: механического, пневматического и электрического действия. Механические форсунки в свою очередь подразделяются на форсунки прямого действия, центробежные, форсунки с вращающимися распылителями и ультразвуковые. К форсункам прямого действия относятся струйные или щелевые, струйно-ударные и распылители с ударением струй.

В мокрых пылеуловителях чаще всего применяют центробежные и струйные механические распылители, реже - форсунки пневматического действия. В насадочных скрубберах и тарельчатых аппаратах раздача орошающей жидкости осуществляется с помощью оросителей.

В отличие от форсунок назначение оросителей - не создание тонкого распыла жидкости, а лишь равномерное распределение её по сечению аппарата, что является сложной задачей, особенно в аппаратах с большой площадью сечения. [5]

9 СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Для обезвреживания дымовых газов после печи сжигания твёрдых отходов объекта уничтожения химического оружия (ОУХО) используется мокрая система очистки газовых выбросов (ОГВ), в которой уловленные вещества отводятся циркулирующим раствором на битумизацию.

Система ОГВ состоит из:

- скруббера-охладителя (полый противоточный скруббер) - А1;

- пылеулавливающего аппарата - трубы Вентури А2 с циклоном-каплеуловителем А3;

- вспомогательного оборудования - емкостей Б1, Б2 и насосов Н1-Н4.

Система (ОГВ) обеспечивает очистку, охлаждение и обеспыливание дымовых газов, образующихся при термической переработке твердых отходов. В составе дымовых газов содержатся минеральные соли и зола в виде взвешенных частиц пыли. Начальная температура дымовых газов - 1200 оС.

Первоначально решается задача по охлаждению дымовых газов в скруббере-охладителе. Нагревание или охлаждение жидкости при испарительном охлаждении газов происходит только до температуры мокрого термометра, после чего охлаждение газов протекает исключительно за счет испарения орошающей жидкости. Чем скорее жидкость достигнет температуры мокрого термометра, тем эффективнее будет протекать процесс испарительного охлаждения. Отсюда целесообразно принимать температуру жидкости на выходе их аппарата равной температуре мокрого термометра. Опыт эксплуатации аналогичных по составу очищаемых газов установок [1,2] свидетельствует, что минеральные соли в скруббере-охладителе практически не улавливаются и с охлажденными дымовыми газами поступают в скруббер Вентури. Значительное гидравлическое сопротивление, реализуемое в скруббере Вентури, обеспечивает высокую эффективность улавливания минеральных солей (~0,9). Подобная эффективность соответствует практическим данным, полученным на промышленных установках огневого обезвреживания промстоков с аналогичными по составу дымовыми газами.

В системе газоочистки постоянно расходуется вода на испарение в скруббере-охладителе и на улавливание солей и золы, выводимых из цикла скруббера Вентури.

Очищенные газы дымососом подаются в дымовую трубу, через которую выбрасываются в атмосферу.

Аппаратурное оформление (полый форсуночный скруббер и скруббер Вентури) и режим работы системы ОГВ соответствует многолетней практике очистки аналогичных газов [1,2]. Скруббер Вентури состоит из серийно выпускаемых отечественной промышленностью аппаратов: трубы Вентури типа ГВПВ и циклона-каплеуловителя типа КЦТ [4, с. 36,41]. Первые установки подобного типа были пущены в эксплуатацию и исследованы НИИОГАЗом еще в 70-х годах.

10 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В качестве первой ступени очистки высокотемпературных газов в газоочистной установке ОГВ выбран полый противоточный скруббер - конструктивно простой и надежный в эксплуатации аппарат для охлаждения газов. Очищаемый высокотемпературный газовый поток вводится через входной футерованный патрубок в нижнюю часть аппарата и частично охлаждается циркулирующим раствором, разбрызгиваемым форсунками первого яруса, расположенными вокруг входного патрубка. Далее газовый поток проходит последовательно при движении вверх остальные ярусы орошения. Пространство за последним ярусом орошения служит сепарационным объемом для осаждения крупных капель жидкости. При этом происходит дальнейшее охлаждение технологического газа за счет испарения воды из циркуляционного раствора, подаваемого под давлением (порядка 0,3 МПа) через механические форсунки. Подача слабого раствора осуществляется из емкости Б1 насосом Н1(Н2). Регулирование расхода жидкости с целью поддержания стабильной температуры на выходе осуществляется изменением расхода жидкости третьего или четвертого яруса снижением давления. При этом расход жидкости на форсунки первого и второго рядов остается постоянным во избежание перегрева стенок корпуса аппарата. Слабый раствор из скруббера-охладителя стекает через гидрозатвор обратно в емкость Б1, а охлажденные до температуры мокрого термометра дымовые газы, двигаясь вертикально вверх, отводятся через выходной патрубок в скруббер Вентури.

Скруббер Вентури устанавливается в качестве второй ступени очистки в газопылеулавливающей установке термического обезвреживания твердых отходов. Аппарат компонуется из трубы Вентури и отдельно стоящего каплеуловителя. В конфузор трубы через форсунку подается орошающий раствор солей, подаваемый из емкости Б2 насосом Н3 (Н4), который, контактируя с газовым потоком, равномерно распределяется по сечению трубы. Пылегазовый поток поступает во входной патрубок трубы Вентури. При прохождении газожидкостного потока через конфузор и горловину трубы скорость потока резко увеличивается, газ турбулизуется, в результате чего происходит дробление капель жидкости и осаждение твердых частиц на каплях жидкости под действием сил инерции. В диффузоре трубы Вентури происходит снижение скоростей газового потока и укрупнение капель жидкости. Далее газожидкостный поток поступает в каплеуловитель, где выпавшая из газового потока часть раствора солей стекает в бункер каплеуловителя. Не уловленная часть загрязненных капель, проходя по каплеуловителю снизу вверх, приобретает вращательное движение, и под действием центробежных сил капли отбрасываются на стенку каплеуловителя, а потом стекают вниз и выводятся из аппарата через гидрозатвор в емкость Б2. Очищенный газ через патрубок в корпусе каплеуловителя выводится из скруббера Вентури.

В целом, расход воды в системе газоочистки восполняется оборотной водой, которая поступает в емкость Б1.

Часть циркулирующего раствора солей непрерывно отводится из цикла скруббера Вентури на битумизацию. Подпитка цикла орошения скруббера Вентури осуществляется из цикла скруббера-охладителя (емкость Б1) насосом Н1(Н2) в емкость Б2.

Для защиты форсунки в трубе Вентури от воздействия частиц золы, содержащихся в циркулирующем растворе, предусматривается его очистка на нагнетательной линии циркуляционных насосов Н3 и Н4 в патронных фильтрах, обеспечивающих 100 %-ную эффективность улавливания частиц золы из раствора.

Технологические параметры процесса очистки газов приводятся в таблице 1.

11 СКРУББЕР-ОХЛАДИТЕЛЬ

11.1 ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Скруббер СП-1,4 предназначен для охлаждения высокотемпературных продуктов горения в процессе огневого обезвреживания твердых отходов и устанавливается в качестве первой ступени в установке очистки газовых выбросов ОГВ.

Скруббер состоит из полого цилиндрического корпуса с коническим днищем, на котором смонтирован патрубок слива жидкости, конической крышки с выходным патрубком, лаза для обслуживания, четырех коллекторов и коллектора в виде перфорированной трубы для защиты стенки корпуса от перегрева.

Корпус скруббера установлен на кольцевой опоре.

В нижней части корпуса на разной высоте расположены два штуцера для установки приборов КИП, контролирующих верхний и нижний уровни жидкости в нижней части скруббера. Ниже входного футерованного патрубка расположен кольцевой козырек из металлических пластин с целью предохранения сливного отверстия скруббера от попадания кусков минеральных отложений, которые могут накапливаться и обрушиваться со стен скруббера и участка входа газов в скруббер. В скруббере предусмотрены четыре яруса орошения, состоящих из коллектора и форсунок. Три яруса расположены на вертикальных стенках аппарата и один вокруг входного патрубка. Общее количество форсунок - 24 шт.: 6 шт. в ряду вокруг входного патрубка и по шесть штук в трех настенных рядах. Во избежание перегрева стенки скруббера, расположенной напротив входного патрубка, выше него смонтирована перфорированная труба, через которую этот участок стенки орошается слабым раствором. Форсунки, установленные на коллекторе, размещаются внутри скруббера. Количество и расположение их выбрано из условия полного перекрытия сечения скруббера факелами распыла и создания необходимой плотности орошения. Установка форсунок в скруббер осуществляется через патрубки посредством труб с фланцами. Коллектор предназначен для подачи орошающей жидкости на форсунки, которые осуществляют распыл капель. Коллектор устанавливается вне скруббера в виде двух тороидальных секций и монтируется на кронштейнах, приваренных к наружной стенке корпуса.

Скруббер теплоизолируется.

Изготовление, испытание, приемка и поставка скруббера производится в соответствии с ОСТ 26 291-94 “Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия”, ОСТ 26 14-2007-89 “Пылеуловители мокрые. Технические требования”. Детали и сборочные единицы скруббера выполняются путем механической обработки на универсальных станках резки, вальцовки и гибки. Сварку производить в соответствии с ОСТ 26.260.3-2001 “Сварка в химическом машиностроении”.