Расчет необходимой суммарной степени очистки промышленных газов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра БТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По курсу «Системы защиты среды обитания»

На тему «Разработка технологической схемы очистки промышленных газов»

Вариант № 15

Факультет:

Группа:

Выполнила:

Проверил:

Отметка о защите:

Новосибирск-2010

Содержание

Задание

1. Анализ исходных данных, расчет необходимой суммарной степени очистки промышленных газов и массы вещества поступающих на очистку

1.1 Анализ исходных данных

1.2 Расчет необходимой суммарной степени очистки промышленных газов

1.3 Расчет массы веществ

2. Разработка вариантов схемы очистки газов и выбор наиболее рациональной схемы

3. Выбор пылегазоочистного оборудования (с учетом объема

очищаемых газов) и составление принципиальной схемы очистки газов

4. Описание механизмов очистки газов пылегазоулавливающих установок принятых в схеме

5. Разработка балансовой схемы очистки газов с представлением ее на рисунке

6. Обоснование достижения нормативов ПДВ и проведение расчета платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

7. Итоговая таблица

Литература

 

ЗАДАНИЕ

В курсовом проекте разрабатывается наиболее рациональная технологическая схема очистки промышленных газов от загрязняющих веществ.

В таблице 1 представлены исходные данные, которые содержат основные параметры необходимые для выбора схемы.

 

Исходные данные Таблица 1

№	Параметры	Значение параметра
1.	Объем пылегазового потока на выходе из технологического агрегата, тыс.нм3/час
2.	Температура газового потока на выходе из технологического агрегата, °С
3.	Точка росы, °С
4.	Концентрация вредных веществ на выходе из технологического агрегата, г/нм3:	Пыль
Азота диоксид	1,3
Углерода оксид	0,01
Серы диоксид	0,1
5.	Дисперный состав пыли, % весовые, для частиц пыли, мкм и фракционная степень очистки газов в циклоне h, %:	h, %	мкм
	0 –5
	5 - 10
	10 – 20
	20 – 30
	> 30
6.	Медианный диаметр, мкм
7.	Смачиваемость пыли, %
8.	УЭС слоя пыли, Ом×см: при температуре, °С	4×1012
9.	Предельно разрешенная концентрация выброса вредных веществ в атмосферу, г/нм3:	Пыль	0,01
Азота диоксид	0,01
Углерода оксид	0,01
Серы диоксид	0,05
10.	Наличие (+), отсутствие (-) могильника*	+
11.	Наличие (+), отсутствие (-) хвостохранилища*	+
12.	Время работы технологического агрегата, час/сутки
13.	Время работы технологического агрегата, дней/год
14.	Подсос воздуха в схеме очистки, в %

 

* Примечание: допускается использовать два вида захоронения уловленной пыли.

Другие параметры, необходимые для расчетов, берутся из каталогов и рекомендуемой литературы.

Дополнительные исходные данные:

· Пылегазовый поток образуется в энерготехнологическом агрегате;

· Пыль на выходе из технологического агрегата полидисперсна;

· Частицы неправильной формы;

· Насыпная плотность пыли 800-900 кГ/м³;

· Угол естественного откоса 50-55 град;

· Удельная поверхность пыли 15000 – 20000 см²/Г;

· Коэффициент абразивности пыли 0,5*10^-12 м²/кГ;

· Все пыли не взрывоопасны. Химический состав пыли, %: олова оксид 20 – 30^*; цинка оксид 10 – 15; алюминия оксид 18 – 30; железа оксид 10 – 15; двуокиси кремния 20 – 25; оксид мышьяка 0,2 – 0,5; соединений свинца 0,1 – 0,3; другие вещества 5 – 10.

· Минимальная среднемесячная температура региона - 25°С.

При расчете размера платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу принимается коэффициент экологической ситуации Западно-Сибирского экономического региона – 1,44, коэффициент инфляции 1,79.

Нормативы платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу приведены в таблице 2. Нормативы платы приведены в новом масштабе цен, введенном Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 июня 2003 года № 344.

 

Таблица 2. Нормативы платы

Код вещества	Наименование вещества	Плата в пределах нормативов (ПДВ), руб/т	Плата в пределах лимитов (ВСВ), руб/т
	Пыль неорганич. 20-70% двуокиси кремния Азота диоксид Углерода оксид Серы диоксид	0,6

 

Результаты расчетов платы за выбросы загрязняющих веществ оформляются в виде расчетов и сводятся в таблицу 3.

*Примечание: стоимость олова в пыли – 150 руб/кг; стоимость цинка 75 руб/т.

Анализ исходных данных, расчет необходимой суммарной степени очистки промышленных газов и массы вещества поступающих на очистку

Анализ исходных данных

 

В различных отраслях промышленности при сжигании топлива, при металлургических и механических процессах в атмосферу выделяется большое количество твердых и жидких частиц. Знание физико-химических свойств этих частиц, а также особенностей производства, позволяет выбрать наиболее эффективную систему очистки газов, разработать методы контроля работы газоочистного оборудования и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, поэтому, прежде всего, произведем анализ дополнительных исходных данных, которые дают такую информацию.

Известно, что пылегазовый поток образуется в энерготехнологическом агрегате, на выходе из которого пыль полидисперсна, что подтверждается ее дисперсным составом, представленным в таблице 1.

Дисперсный состав необходим для расчета эффективности многих пылеуловителей (в частности, циклонов), как функция фракционной степени очистки.

Размеры частиц пыли различны, частицы неправильной формы, но в исходных данных дан медианный диаметр d₅₀ – такой размер частицы, по которому пыль можно разделить на две равные доли. Масса всех частиц мельче d₅₀ составляет 50 % всей массы пыли так же, как и масса частиц крупнее d₅₀ составляет оставшиеся 50 %. Это параметр важен при выборе первичной ступени очистки, поскольку различные пылеулавливающие установки могут улавливать определенные минимальные размеры частиц пыли.

Угол естественного откоса, показывающий требуемое значение наклона поверхности для стекания уловленной пыли, необходимо учитывать при расчете и разработке схемы конструкции газоочистного сооружения. Однако в данной курсовой работе расчет конструкции не будет производиться.

Насыпная плотность определяется отношением массы свеженасыпанных твердых частиц к занимаемому ими объему, при этом учитывается наличие воздушных промежутков между частицами. Величиной насыпной плотности пользуются для определения объема, который занимает пыль в бункерах сухих газоочистных аппаратов.

Удельной поверхностью пыли называется отношение поверхности частиц пыли к их массе или объему. По этому показателю можно судить о степени дисперсности пыли: чем она больше, тем выше степень дисперсности. Данный параметр используется при определении или сравнении интенсивности процессов, идущих на поверхности частицы (сорбционных, ионообменных и др.).

Смачиваемость пыли также важно учитывать при определении метода очистки (в данном варианте достаточно высоко значение смачиваемости пыли - 70 %): чем больше смачиваемость, тем частицы лучше улавливаются, что непосредственно оказывает влияние на эффективность пылеулавливания в мокрых аппаратах.

Абразивность пыли характеризует интенсивность износа металла при одинаковых скоростях газов и концентрациях пыли. Особенно это касается сухих инерционных аппаратов (в том числе циклонов), стенки которых подвержены интенсивному износу. Это свойство пыли учитывается при расчетах аппаратуры (выбор скорости газа, толщины стенок аппаратуры и облицовочных материалов).

Невзрывоопасность пыли определяет выбор оборудования с учетом того, что опасность взрыва в данном случае отсутствует, в противном случае – необходимо выбирать оборудование с противовзрывными особенностями конструкции (наличие крыши).

Химический состав пыли определяет экономическую эффективность очистки, т.к. в состав пыли входят ценные вещества. В данном случае экономический интерес представляют олово и цинк, стоимости которых в пыли соответственно равны 150 руб/кг и 75 руб/т.

Минимальная среднемесячная температура региона, как и точка росы, определяет выбор месторасположения оборудования: в здании или на открытом воздухе.

Приведенные данные о коэффициентах инфляции и экологической ситуации региона, нормативах платы нужны для расчета платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и составления итоговой таблицы 3.

Расчет необходимой суммарной степени очистки промышленных газов

 

Разработка схемы очистки газов базируется на анализе исходных данных, поскольку в зависимости от тех или иных физико-химических свойств пылегазового потока, особенностей технологического процесса производится непосредственно выбор определенного вида аппарата, четкой последовательности очистки. Прежде всего, необходимо определить: от каких загрязняющих веществ нужно будет проводить очистку. Для этого следует сравнить концентрации вредных веществ на выходе из технологического аппарата (С_{исх.вещества}) с их предельно разрешенными концентрациями выброса в атмосферу (ПРК_{вещества}), и, следовательно, в случае превышения первой над второй необходима будет очистка. В данном варианте требуется провести очистку от ниже следующих веществ и добиться следующей степени их очистки h, которая рассчитывается по формуле: , [1, 52].

· пыли неорганической: С(пыль)= 25 г/нм³ больше, чем

ПРК(пыль) =0,01 г/нм³;

· диоксида азота (NO₂): С(NO₂) = 1,3 г/нм³ больше, чем

ПРК(NO₂) = 0,01 г/нм³;

· оксида углерода (СО): С(СО)= 0,01 г/нм³ равна ПДК(СО)= 0,01 г/нм³;

очистка не требуется от оксида углерода

· диоксида серы (SO₂): С(SO₂)= 0,1 г/нм³ больше, чем ПДК(SO₂)= 0,05г/нм³;

 

Расчет массы веществ

 

Для расчета массы необходимо знать объемы и концентрации веществ. Т.к. на входе и выходе из аппаратов газовый поток имеет различную температуру, необходимо произвести расчет объемов с учетом этой температуры. Из формулы для объема газа при нормальных условиях выразим объем газа , измеренный при температуре t:

 

,

 

где V₀ – объем газа при нормальных условиях (в данном варианте V₀ = 60 тыс.нм³/час);

t – температура, º С;

B – атмосферное давление, мм.рт.ст. (В = 740 мм.рт.ст.);

P_г – разряжение или давление газа в газоходе, мм.рт.ст. (P_г = 15 мм.рт.ст.).

Объем необходимо вычислить для того, чтобы выбрать марку оборудования.

Чтобы найти количество выбрасываемых вредных веществ в год до очистки, необходимо:

где С_{исх.вещества} – исходная концентрация вещества до очистки (таблица 1), г/нм³;

V₀ – объем газа при нормальных условиях (в данном варианте V₀ = 60 тыс.нм³/час);

Т_с – время работы технологического агрегата, час/сутки (Т_с = 124);

Т_г – время работы технологического агрегата, дней/год (Т_г = 300).

Масса веществ, поступающих на очистку:

Чтобы найти количество выбрасываемых вредных веществ в год после очистки, необходимо:

где С_{ост.вещества} – остаточная концентрация вещества после очистки, г/м³, которую найдем по формуле:

 

;

 

V₀ – объем газа при нормальных условиях (в данном варианте V₀ = 60 тыс.нм³/час);

Т_с – время работы технологического агрегата, час/сутки (Т_с = 124);

Т_г – время работы технологического агрегата, дней/год (Т_г = 300);

К_п – коэффициент подсоса, равный 7 % (таблица 1), учитывая который мы умножаем на 1,07.

Массы веществ после очистки:

1) Масса пыли на входе в циклон:

 

концентрация пыли на выходе из циклона:

 

³;

 

масса уловленной циклоном пыли:

 

 

Объем газа при t = 150 º С:

 

³;

 

на очистку в тканевый рукавный фильтр пойдет:

 

 

концентрация пыли на выходе из фильтра:

 

³;

 

масса уловленной тканевым рукавным фильтром пыли:

 

Тогда на очистку в скрубберах, орошаемых известковым молоком, при очистке от диоксида серы пойдет:

концентрация пыли на выходе из двух последовательно установленных скрубберов:

³;

масса уловленной пыли при очистке от диоксида серы:

После очистки от пыли остаточная концентрация равна:

 

³;

 

Фактический годовой выброс пыли после очистки:

2) После очистки от диоксида серы остаточная концентрация равна:

3)

³;

 

Фактический годовой выброс диоксида серы после очистки:

После очистки от диоксида азота остаточная концентрация равна:

³;

 

Фактический годовой выброс диоксида азота после очистки:

2. Разработка вариантов схемы очистки газов и выбор наиболее рациональной схемы

 

На первом этапе проводим очистку от пыли. Медианный диаметр, равный 32 мкм, определяет использование тех или иных сухих механических аппаратов. Пылеосадительную камеру применять не целесообразно, так как она применяется при медианном диаметре от 40мкм. Следовательно, первым ставим циклон. Эти аппараты получили наибольшее распространение в промышленной практике, т.к. используемый в них способ разделения неоднородных пылегазовых потоков в центробежном поле более эффективен, чем гравитационное осаждение, поэтому они и применяются для отделения более мелких частиц пыли (до 5 мкм) [1, c.58]. При прохождении через циклон температура газового потока уменьшается до 115 ^ºC, а степень очистки η_ц в данном аппарате находится, основываясь на информации о дисперсном составе пыли, указанном в таблице 1 исходных данных, по формуле [1,c. 53]:

 

 

где - фракционная эффективность, % (данные из таблицы 1);

- содержание фракций в газах, % (данные таблицы 1).

Тогда рассчитаем эффективность циклона:

Поскольку требуемая степень очистки пыли весьма значительна (99,96 %), а в ее состав входят частицы размером 0 – 5 мкм, не улавливаемые циклоном, и составляют 16 % от общего количества частиц, необходимо на завершающей стадии ее очистки использовать аппарат, который обеспечит улавливание таких мелких частиц. Электрофильтр не применить в данном случае мы можем вполне обоснованно: по значению удельного электрического сопротивления слоя пыли (УЭС) пыль относится к третий группе (пыли с УЭС = 10¹⁰…10¹³ Ом∙см), т.к. в данном варианте значение

УЭС = 4∙10 ¹² Ом∙см при температуре 50 ^ºC; А пыли с высоким УЭС наиболее трудно улавливаются в электрофильтре. Слой на осадительном электроде действует как изолятор, так как время его разрядки велико. Электростатические заряды, поступающие непрерывно с оседающей пылью, не отводятся на осадительный электрод, а создают напряжение на слое осевшей пыли, что приводит к нарушению работы электрофильтра.

Так электрофильтр применять не целесообразно, то применим тканевый рукавный фильтр с импульсной продувкой. В современном виде фильтрация обеспечивает улавливание самых разнообразных частиц размером от видимого до околомолекулярного. Фильтрация вне конкуренции, когда речь идет об обеспечении исключительно высокой эффективности улавливания очень мелких частиц ценой умеренных затрат. Фильтрованием принято называть процесс очистки газов от пыли путем пропускания их через пористые перегородки. При этом частицы пыли собираются на перегородке со стороны входа газа, а очищенный газ проходит через перегородки. В зависимости от фильтрующего материала фильтры могут быть тканевые, в которых используют не только ткани, но и нетканые материалы (войлок, фетр). Концентрация пыли 100г/м3.

Итак, на первом этапе проводим очистку от пыли с помощью выше перечисленных аппаратов, а именно: циклон и рукавный фильтр, а уловленная этими аппаратами пыль, имеющая экономическую заинтересованность с точки зрения сбыта ее за счет присутствия в ней олова и цинка, направляется на хранение на временный склад.

На втором этапе очистки газового потока будем проводить очистку от диоксида серы (SO₂) и необходимо добиться степени очистки η (SO₂) = 50 %, поскольку проводить очистку от диоксида азота будет более рационально и технико-экономически выгодно на последней стадии очистки газа, ведь выделяющееся приселективномкаталитическом их восстановлении тепло можно использовать в различных целях производства. Для очистки газов от диоксида серы предложено большое количество хемосорбционных методов, однако на практике применяются лишь некоторые из них. Это связано с тем, что объемы отходящих газов велики, а концентрация в них диоксида серы мала, газы характеризуются высокой температурой. Однако при проведении очистки на предыдущих этапах мы понизили температуру до 90 ^ºC и исключили влияние на очистку от диоксида серы пыли, поскольку она была уловлена. Так, абсорбция диоксида серы водой связана с большими затратами (в связи с низкой растворимостью SO₂ в воде для очистки требуется большой ее расход в абсорберы с большим объемом) [1, c.101]; рекуперационные методы очистки с регенерацией хемосорбента также экономически затратные (например, магнезитовый метод: SO₂ поглощают оксид-гидроксидом магния, в процессе хемосорбции образуют кристаллогидраты сульфита магния, который сушат, затем термически разлагают на SO₂ – содержащий газ, который перерабатывают в серную кислоту, и оксид магния, который возвращают на абсорбцию; к недостаткам метода относят сложность технологической схемы и неполное разложение сульфита магния при регенерации; цинковый метод: абсорбентом служит суспензия оксида цинка, образующийся оксид серы в результате реакции SO₂ с оксидом цинка и водой перерабатывают, оксид цинка возвращают на абсорбцию; недостатком метода является образование сульфита цинка, который экономически нецелесообразно подвергать регенерации, необходимо непрерывно выводить из системы и добавлять в нее эквивалентное количество оксида цинка; содовый метод: сущность этого метода заключается в промывке отходящих газов водными растворами кальцинированной соды: этот способ обеспечивает хорошую очистку отходящих газов от SO₂ с одновременным получением товарной соли NaHSO₃ и Na₂SO₃, однако он не нашел широкого применения ввиду ограниченного сбыта этих солей), поэтому целесообразно будет проводить очистку известковым методом, относящимся к нерекуперационным методам, достоинствами которого являются простая технологическая схема, низкие эксплуатационные затраты, доступность и дешевизна сорбента, возможность очистки газа без предварительного охлаждения [1, c.101]. Известковый метод обеспечивает практически полную очистку газов от SO₂ (η (SO₂) = 80 %), однако нам нужно добиться эффективности η (SO₂) = 50 %, для чего последовательно устанавливаем два скруббера, орошаемых известковым молоком. При этом фактическая полная степень очистки от диоксида серы находится по формуле [1,c. 53]:

 

 

При очистке газа от диоксида серы параллельно завершается очистка от пыли и температура газового потока на выходе из скрубберов, орошаемых известковым молоком, понижается до 30 ^ºC. Следует рассчитать суммарную степень очистки газов от пыли, достигаемую в выше указанных последовательно установленных аппаратах, по формуле [1,c. 53]:

 

 

Таким образом, приведенной последовательностью очистки от пыли легко достигается требуемая степень очистки 99,96%.

На третьем этапе будем проводить очистку газа от диоксида азота и необходимо будет достигнуть эффективность очистки, равную 99,2 %. Существующие методы очистки подразделяются на три группы: поглощение окислов азота жидкими сорбентами, поглощение окислов азота твердыми сорбентами и восстановление окислов азота до элементарного азота на катализаторе. Наиболее распространенным методом в нашей стране является очистка газов от окислов азота путем поглощения их растворами Na₂CO₃ и Са (ОН)₂, сравнительно реже — NaOH и КОН.

Метод щелочной очистки требует больших капитальных затрат и эксплуатационных расходов, но главный его недостаток в том, что степень абсорбции окислов азота не превышает 60—75% и, таким образом, этот метод не обеспечивает санитарной нормы очистки газов. Полученные в процессе очистки щелока нуждаются в дальнейшей многостадийной переработке для получения из них твердых солей.

Метод поглощения окислов азота твердыми сорбентами — силикагелем, алюмогелем, активированным углем и другими твердыми поглотителями — не нашел промышленного применения из-за сложности, малой надежности и дороговизны.

Метод каталитического восстановления окислов азота начал применяться только в последние годы и пока является наиболее совершенным методом.

Каталитическое восстановление окислов азота. Тонкая очистка газов от окислов азота может быть достигнута методом каталитического восстановления окислов азота. Восстановление начинается при 149° С в случае применения водорода в качестве восстановителя и при 400° С — в случае применения в качестве восстановителя метана. Восстановление окислов азота происходит при пропускании смеси газов, содержащих окислы азота с газом - восстановителем, над слоем катализатора. Выделяющееся в процессе реакции тепло используется либо для получения пара, либо в газовой турбине. В качестве восстановительного агента используются водород, метан и газы: природный, отходящие нефтяные и коксовый. Для осуществления процесса используются катализаторы различных типов.

Восстановление окислов азота возможно и без катализаторов при использовании высокотемпературного восстановительного пламени, при этом газы должны быть нагреты до температуры 950—1200° С. В качестве восстановителей могут быть использованы природный газ, водород и другие горючие вещества.

Таким образом, на мой взгляд, наиболее целесообразно в данном случае проводить очистку от диоксида азота методом селективного каталитического восстановления. Основан на реакции восстановления оксида азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Селективное каталитическое восстановление происходит при температурах от 180°С до 360°С с выделением больших количеств тепла, температура конвертируемых газов увеличивается в зоне катализа на 10-20°. Образующееся тепло рационально будет направить в теплообменник для дальнейшего его выгодного с экономической точки зрения использования, на выходе из которого температура газа составит 55 °С (так как точка росы составляет 35 ° С и оборудование размещаем в помещении и во избежание залипания газа температура на выходе должна превышать это значение точки росы). Этим способом очистки достигается требуемая степень очистки η_NO2 = 99,2%.