УДК 628.512
И.В. Дворовенко, к.т.н., доцент кафедры ТЭ (КузГТУ)
А.С. Сысолятин, студент гр. ТЭм-161 (КузГТУ)
С.В. Крюков, студент гр. МСУ-171 (РЭУ им. Г.В. Плеханова)
М.А. Чемакин, студент гр. УУмоз-171 (КузГТУ)
г.Кемерово
Повышение эффективности улавливания диоксида углерода и оксида серы из дымовых газов
На сегодняшний день в качестве основных видов топливана крупных ТЭЦ и ГРЭСиспользуют, газ, мазут, каменный уголь и торф. Использование данных видов топлива оказывает отрицательное воздействие на экологическую обстановку из-за диоксида углерода, оксидов серы, азота, твердых частиц (сажа) и прочего, выделяющихся при его сжигании. Для снижения нагрузки на окружающую среду от крупных ТЭЦ и ГРЭС возникает необходимость творческого подхода к поиску наиболее эффективного способа снижения выбросов в атмосферу.
Основным, и наиболее простым методом, очистки дымовых газов является абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени.
На практике абсорбции подвергают большей частью не отдельные газы, а газовые смеси, составные части которых (одна или несколько) могут поглощаться данным поглотителем в заметных количествах. Эти составные части называют абсорбируемыми компонентами или просто компонентами, а непоглощаемые составные части — инертным газом [1].
Исследования процесса абсорбции углекислоты из дымовых газов проводились на установкепредставленной на рисунке 1. Работа экспериментальной установки осуществляется следующим образом. Диоксид углерода из редуктора давления 21 проходит через манометр 22[БАР1], регулировочный вентиль 11 и расходомер 4, а затем поступает в инжекционное устройство 5. В нем происходит смешение воздуха и углекислоты, затем эта смесь попадает в скруббер 8, где происходит очистка. Температура и состав газа также контролируются газоанализаторами TESTO 350 и TESTO 300XXL.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки
1– подогреватель воздуха; 2 – воздуходувка; 3 – частотный регулятор двигателя воздуходувки; 4 – расходомер; 5 – инжекционное устройство; 6 – газоанализатор;
7 – ввод газовоздушной смеси в скруббер Вентури; 8 – скруббер Вентури;
9 – психрометр; 10 – выход очищенной газовой смеси; 11 – регулировочный вентиль; 12 – форсунка; 13 – циклон; 14 – резервуар;15 – насос; 16 – подогреватель поглотителя; 17 – резервуар для поглотителя; 18 – вентиль; 19 – обратный клапан; 20 – вход подпиточного поглотителя; 21 – баллон с углекислотой; 22 – манометр.
В[d2] ходе лабораторных исследованийпо улавливанию оксидов серы,при различных температурах и расходах абсорбента, были получены и обработаны результаты, которые представлены на рисунках ниже.
Рисунок 2 – График эффективности улавливания SO2 от температуры абсорбента (Входная концентрация Xн = 387 ÷ 14 ппм, расход воздуха L*102 = 0,89 ÷ 1,38 кг/с, температура воздуха t = 31,7 ÷ 41,5 °C, расход абсорбента G*102 = 13,75 кг/с)[d3]
По результатам исследований, приведенным на Рисунке 2, можно отметить, что при температуре абсорбента менее 18о°С,[d4] эффективность очистки водой и раствором карбамида, колеблется от 32 до 90% для воды и 55 – 85% для раствора. Отметим, что с понижением температуры абсорбента эффективность очистки достаточно высокая: до 90%. В диапазоне температур 20 – 50 оС эффективность очистки на исследуемые абсорбенты невысокая. С повышением температуры эффективность очистки для раствора карбамида 80 – 90%, а для воды 60 – 80%. Полученные результаты исследований согласуются с экспериментальными данными других авторов [2].
Рисунок 3 – График эффективности улавливания SO2 от времени при различных расходах абсорбента(Входная концентрация Xн = 431 ÷ 14 ппм, расход воздуха L*102 = 0,89 ÷ 1,31 кг/с, температура воздуха t = 31,7 ÷ 38,2 °C, температура абсорбента t = 10,8 ÷ 18 °C)
Анализируя результаты на рисунке 3, видно, что с повышением расхода степень очистки от оксидов серы увеличивается, как по воде, так и по раствору карбамида. Подтверждается, что при низкой температуре абсорбента улавливание оксидов серы лучше водой. Использование циклового метода орошения абсорбентом газовоздушной смеси ведет к снижению эффективности улавливания газа.
По аналогичному принципу[d5] были проведены исследованияпо улавливанию диоксида углерода, в ходе которых были получены и обработаны результаты, которые представлены на рисунках ниже.
[БАР6]
Рисунок 4 – График зависимости эффективности улавливания CO2от температуры абсорбента (Входная концентрация Xн = 3,77 ÷ 1,1 %, расход абсорбента G*102 = 13,75 кг/с, расход воздуха L*102 = 1,2 ÷ 1,36 кг/с, температура воздуха t = 13 ÷ 18 °C)
Анализируя рисунок[d7] 4 можно сделать вывод, что при температурах абсорбентов от 10 до 16 °С, степень очистки газовоздушной смеси от диоксида углерода колеблется не выше 12%. В данном диапазоне температур при использовании в качестве абсорбента воды или раствора оксида кальция степень очистки практически одинакова. Однако, в диапазоне температур 57 ÷ 85 °С, более целесообразно использовать раствор оксида кальция, так как эффективность улавливания составляет в среднем 15%, а водой – 5%. Видно, что эффективность на воду [d8] и на раствор довольно низкая. Данные литературных источников показывают подобную картину.
Рисунок 5 – График зависимости средней степени извлечения СО2 от расхода абсорбента (Входная концентрация Xн = 3,77 ÷ 1,22 %, температура абсорбента t = 10,5 ÷ 17,5 °С, расход воздуха L*102 = 1,2 ÷ 1,36 кг/с)
По результатам опытов на рисунке5 видно, что при расходе воды около 0,075 кг/с наблюдается максимальная степень улавливания, ас увеличением расхода воды в диапазоне G*102 [d9] = 7,5 ÷ 10,5 кг/с, степень очистки уменьшается, а при дальнейшем увеличении расхода (13,5) [d10] степень очистки остается неизменной и составляет около 4%. При использованиив качестве абсорбентараствора оксида кальция, с увеличением расхода, до 11, степень очистки увеличивается до 7% и затем слабо уменьшаетсяостается постоянной при расходе до 13,5[d11]. По результатам опытов можно сделать вывод, что при малых расходах абсорбента эффективнее улавливает диоксид углерода вода, при увеличении расхода абсорбента более эффективным становится оксид кальция.При низких расходах абсорбента целесообразно использовать воду, а при больших – раствор. [d12]
Повышение расхода газовоздушной смеси не оказало влияния на изменение степени улавливания диоксида на воду.
[d13]
Рисунок 6 – График зависимости степени извлечения СО2 от температуры воздуха (Входная концентрация Xн = 4,33 ÷ 1,26 %, расход абсорбента G*102 = 13,75 кг/с, температура абсорбента t = 14,5 ÷ 24 °C, расход воздуха L*102 = 1,2 ÷ 1,36 кг/с)
Исходя из анализа данных, представленных выше, можно увидеть следующую тенденцию: в опытах по поглощению диоксида углерода раствором, при температуре воздуха 17 °С, средняя степень очистки составляет 6%, а с увеличением температуры до 30 °С, она составляет 10%. При использовании воды в качестве абсорбента также происходит увеличение степени очистки с повышением температуры, но менее значительное в данном диапазоне измерений.
В результате проведенныхисследований можно сделать вывод:
1. В условиях ТЭЦ для эффективного улавливания оксидов серы, можно использовать воду, но с температурой ниже 18 оС. Либо раствор карбамида при температуре выше 50 оС.[БАР14]
2. Для поглощения диоксида углерода использование таких абсорбентов как: вода и раствор оксида кальция нецелесообразно, так как эффективность улавливания не превышает 20[d15] %. Двуокись углерода трудно поглощаемая, что подтверждается литературными данными, поэтому для его улавливания нужно использовать иные абсорбенты или методы.
Таким образом анализируя полученные данные, можно увидеть тенденцию к повышению эффективности улавливания вредных выбросов, но на сегодняшний день данный результат нельзя считать удовлетворительным.
Список литературы:
1. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. – М.: Химия., 1966. –768 с.
2. Носков А.С. Технологические методы защиты о вредных выбросов на предприятиях энергетики: Аналит. Обзор / Носков А.С., Зай З.П. СО РАН. ГПНТБ, Ин-т катализа им К.Т. Борескова; Отв. ред. чл.-кор. РАН В.Н. Пармон. – Новосибирск, 1996. – 156 с. – (Сер. “Экология”. Вып.40)
3. Монахов В.И. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара / Монахов В.И. – с черт. (Б-ка по автоматике, вып. 50) – М.–Л., Госэнергоиздат, 1962. – 128 с[d16]
4. Очистка газа от сернистых соединений с использованием различных абсорбентов. Энергосберегающие технологии при переработке газа и газового конденсата: аналитический альбом / под ред. А.И. Гриценко. – М.: ВНИИГАЗ, 1996. – с. 27–49.[БАР17]
[БАР1]Редуктор давления
[d2]Об установке по улавливанию окислов серы ни слова
[d3]Для уменьшения информации на диаграмме обозначить графики 1-3, а в тексте сделать сноску или значительно уменьшить текст легенды
Графики либо только точки (для экспериментальных данных), либо линии для теоретических зависимостей или чужих данных), толщина линий и размер маркеров крупнее (см. прим.БАР12)
[d4]Для обозначения градусов есть специальный символ в окне Вставка – Символ, знак градуса пишется без отрыва от значения
[d5]Исследования по улавливанию диоксида углерода проведены по аналогичной методике…
[БАР6]Линии витиеватые не нужны
[d7]Рисунки по тексту пишутся рис.4
[d8]Улавливания водой и раствором кальция
[d9]Перенести в числовое значение: 0,075 – 0,1
Обозначения интервалов где тире, где ÷
[d10]Это число можно убрать
[d11]Можно убрать
[d12]Можно убрать
[d13]Рисунок и подписи к нему на одном листе, лучше вставить все в полотно (Вставка – Фигуры – Новое полотно)
[БАР14]Слитно и градус из символов
[d15]Многовато посавил, можно ограничиться и 15 (на рис. 5 – 6 до 20 явно не дотягиваем)
[d16]Лишняя ссылка
[БАР17]Привести согласно ГОСТ 7.1-2013