Совершенствование технологических основ мокрой очистки вентиляционных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств

Производство проволочноканатной продукции является одним из наиболее динамично развивающихся отраслей прокатного производства. Особенность его технологии состоит в последовательном осуществлении ряда сложных в экологическом отношении процессов термической обработки кислотной, механической или электронной подготовки поверхности, нанесения горячих и гальванических покрытий и т. д. В ходе этих процессов образуется значительное количество неоднородных вредных выделений, локализация и отвод которых от источников образования осуществляется системами местной вытяжной вентиляции. Для очистки выбросов в атмосферу последние оснащаются установками газопылеулавливания, которые в большинстве своем осуществляют селективное извлечение определенного компонента по массовому расходу или токсичности принимаемого в качестве доминирующего.

Тенденция к увеличению производства проволочноканатной продукции, а также возросшие требования к санитарно-гигиеническим условиям внутрицеховой атмосферы и воздушного бассейна прилегающих городских территорий, вызывают необходимость изучения механизмов влияния технологических и эксплуатационных факторов на эффективность работы систем вентиляции и га-зопылеочистки.

Анализ состояния качества воздушной среды производственных помещений и районах размещения проволочноканатных производств показывает, что санитарно-гигиенические условия труда и степень защиты атмосферы от загрязнений в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям. Концентрации газов и пыли как в воздухе рабочей зоны, так и на промплощадках предприятий значительно превышают предельно допустимые. Одной из определяющих причин такого положения является несоответствие функционально-технологическим характеристикам применяемого газопылеулавливающего оборудования локализирующей вентиляции особенностям выделения и составу вредных выбросов данных производств.

Согласно данных анализа, в состав выбросов провочноканатных производств входят: пары серной и соляной кислоты, оксиды серы, азота, углерода, а также туманы масел, эмульсий и пыль. Тем самым, данные выбросы следует рассматривать как многокомпонентные, газообразные примеси которых по концентрации и степени воздействия следует отнести к целевым компонентам при устройстве систем газоочистки. Из условия унификации газоочистного оборудования для их улавливания наиболее перспективными являются мокрые методы, реализуемые в интенсивных аппаратах с самоорошением очищаемого потока. Такие аппараты (циклоннопенные, пенновихревые, вихреинжеционные) позволяют осуществлять комплексную очистку многокомпонентных выбросов, посредством варьирования режимных параметров очистки в зависимости от свойств извлекаемых компонентов. Применительно к условиям проволочнока-натного производства это позволяет учесть специфические особенности реализации процессов очистки, обусловленные наличием в выбросах компонентов с выраженными коррозионными свойствами и высокой токсичностью.

Совершенствование систем мокрой газоочистки тесно связано с изучением закономерностей массообменных процессов в зависимости от условий формирования межфазной поверхности контакта и свойств жидкой поглотительной среды.

При этом выделяются два доминирующих фактора — развиваемая степень турбулентности перемешивания фаз в зоне контакта и сорбционная емкость поглотительного раствора.

Первый влияет на развитие величины контактной поверхности, условия активного контакта, интенсивность смены контактирующих сред объеме газожидкостной системы. Вторым определяется скорость и степень извлечения целевого компонента из газовой фазы, то есть — эффективность улавливания загрязняющих компонентов очищаемого потока.

Повышение степени турбулизации газожидкостной системы в первую очередь может быть достигнуто за счет конструктивных особенностей оформления контактного узла и варьирования скорости потока очищаемого газа в зоне его контакта с жидкостью.

В свою очередь, эффект улавливания целевого компонента определяется степенью соответствия свойств поглотителя реализуемым режимным условиям извлечения целевого компонента.

Цель работы состоит в совершенствовании мокрой очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств посредством повышения степени поглощения кислых газовых примесей в эффективном режиме пенодинамического контакта очищаемого газа с оптимизированным поглотителем.

В соответствии с этой целью основными задачами работы являлись:

— теоретическое обоснование принципов подбора поглотителя оптимизированного из условия возможности одновременного извлечения нескольких газообразных примесей;

— экспериментальное исследование закономерностей извлечения газообразных компонентов выбросов сушильных, патентировочных и нагревательных печей проволочноканатных производств в режиме вихревой инжекции оптимизированного поглотительного раствора очищаемым потоком;

— определение на основе экспериментальных исследований энергетически рациональных условий формирования пенодинамического слоя в реакционном объеме газоочистного аппарата посредством вихреинжекционного диспергирования оптимизированного жидкого поглотителя закрученным потоком очищаемого газа;

— совершенствование режимно-технологических характеристик поглощения целевого компонента выброса в режиме вихреинжекционного контакта с поглотителем посредством оптимизационной унификации структурной схемы и элементной базы газоочистного устройства;

— проверка в производственных условиях и обобщение результатов исследований в форме инженерных решений и рекомендаций, обеспечивающих снижение загрязнения воздушной среды цехов и промышленных территорий.

Основная идея работы состояла в исследовании и определении условий эффективного осуществления процесса очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств от кислых газовых примесей посредством оптимизационного подбора перспективных поглотителей этих компонентов.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа.

Достоверность научных положении, выводов и реализаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях, а также результатами других авторов.

Научная новизна работы:

— теоретически обоснована перспективность использования трибутилфос-фата в качестве эффективного поглотителя кислых примесей, на примере диоксида серы, при очистке многокомпонентных выбросов нагревательных и патен-тировочных печей;

— предложена математическая модель для описания процесса поглощения трибутилфосфатом кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментально исследованы и обобщены закономерности процесса поглощения диоксида серы трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой инжекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

— экспериментально подтверждена удовлетворяющая степень реализации предложенной математической модели в процессе поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы, при пенодинамическом контакте очищаемого газа с трибутилфосфатом в режиме вихревой инжекции;

— получены экспериментальные зависимости, характеризующие режимно-технологические условия эффективного улавливания диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата в вихреинжекционных пенных скрубберах;

— установлено, что достижение удовлетворяющего эффекта поглощения диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата может быть реализовано в вихреинжекционных пенных скрубберах при скорости очищаемого газа в контактном сечении не менее 5 м/с посредством варьирования начального уровня поглотительного раствора Ь0;

— сформулированы принципы унификации аппаратурного оформления процесса очистки выбросов термоагрегатов поглотительным раствором трибутилфосфата в режиме вихреинжекционного пенообразования.

Практическая значимость работы:

— разработаны унифицированная структурная и технологическая схемы установки модулированного вихреинжекционного пенного скруббера (ВИПС) для очистки выбросов проволочноканатных производств с использованием в качестве поглотителя трибутилфосфата;

— установлена область режимно-технологических параметров эффективной очистки выбросов проволочноканатных производств в вихреинжекционных пенных скрубберах от диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата, определяемая значениями скорости газа иа > 5 м/с и начального уровня раствора в аппарате Ь0 > 0,0 м;

— уточнена методика расчета режимных параметров процесса энергетически эффективной очистки выбросов от диоксида серы в вихреинжекционных пенных скрубберах при использовании в качестве поглотителя трибутилфосфата;

— предложена методика определения степени выброса абсорбционной очистки и концентрации извлекаемого компонента в стоках жидкости, отводимой из пенодинамического слоя;

— обобщены факторы и уточнены режимно-технологических характеристики, определяющие динамику и закономерности формирования загрязняющих выбросов от источников проволочноканатных производств;

— разработана и принята к использованию технологическая схема установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств с использованием трибутилфосфата в качестве поглотителя.

Реализация результатов работы:

— разработаны и переданы к использованию ЗАО «Северсталь-метиз» конструкторская документация на изготовление и технологический регламент на эксплуатацию установок вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки многокомпонентных выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств;

— прошла испытания и передана для внедрения ЗАО «Северсталь-метиз» опытно-промышленная модулированная установка для очистки выбросов технологической вентиляции от нагревательных, патентировачных и сушильных печей;

— НПО «Волгоградхимпроект» переданы рекомендации по применению трибутилфосфата в качестве эффективного поглотителя при очистке выбросов от кислых газов в аппаратах с пенодинамическим режимом работы;

— материалы диссертационной работы используются кафедрой ОВЭБ ВолгГАСУ в курсах лекций, практических занятиях, а также в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности «Инженерная защита окружающей среды» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» .

На защиту выносятся:

— теоретические и экспериментальные результаты исследования закономерностей поглощения кислых примесей, на примере диоксида серы трибутил-фосфатом в пенодинамическом слое, формируемом посредством вихревой ин-жекции поглотительного раствора закрученным потоком очищаемого газа;

— математическая модель описания процесса поглощения трибутилфосфа-том кислых газов в пенодинамическом слое, формируемом в режиме вихревой инжекции;

— экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность улавливания диоксида серы поглотительным раствором трибутилфосфата в вихре-инжекционных пенных скрубберах;

— унифицированная технологическая схема установки вихреинжекционных пенных скрубберов для очистки выбросов от кислых газов поглотительным раствором трибутилфосфата;

— методика расчета режимных параметров процесса энергетической эффективности очистки выбросов от кислых газов в вихреинжекционных пенных скрубберах поглотительным раствором трибутилфосфата;

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (Волгоград) — научно-технических конференциях «Безопасность, экология, энергосбережение» (Гизель-Дере, 2000;2001 г.) — ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2000;2005 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 7 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и приложений общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка и 1 таблицу.

Выводы по главе 4.

1. Экспериментально установлена высокая степень сходимости гидродинамических характеристик процесса вихреинжекционного образования динамической пены трибутилфосфатом с характеристиками, полученными на воде и водных растворах поглотителей. Это позволяет считать возможным использование последних для расчета гидродинамических параметров очистки газовых выбросов трибутилфосфатом в вихреинжекционных аппаратах.

2. Обобщением результатов экспериментов подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов нагревательных печей сталепроволочноканатных производств от кислых примесей.

3. Обоснована целесообразность выбора в качестве технологического критерия оптимизации процесса газоочистки степени поглощения целевых компонентов трибутилфосфатом при задаваемом начальном уровне поглотителя в газоочистном аппарате и ограничении по величине гидравлических потерь.

4. Установлено, что для совершенствования технико-экономических показателей газоочистного оборудования процессов комплексной очистки многокомпонентных выбросов нагревательных печей проволочноканатных производств принцип унификации элементной базы в виде блочно-модульных агрегатов является наиболее перспективным.

5. На основе обобщения технико-экономических показателей сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации элементной базы установок вихрепенной очистки.

6. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов в комплексной очистке выбросов нагревательных печей сталепроволочноканатных производств.

7. Согласно предложенной структурной схемы унифицированной компоновки разработана технологическая схема комплексной очистки дымовых газов нагревательных печей трибутилфосфатом в установке с режимом вихреин-жекционного пенообразования.

Заключение

.

1. На примере поглощения диоксида серы впервые теоретически обоснована и экспериментально установлена возможность эффективной очистки вентиляционных выбросов термоагрегатов проволочноканатных производств от кислых газов трибутилфосфатом в слое подвижной механической пены, формируемой посредством вихревой инжекции.

2. Получены уравнения зависимости концентраций уловленного компонента в отводимом из пенного слоя стоке жидкого поглотителя и потоке очищаемого газа от времени нестационарного процесса.

3. На основе обобщений теоретических и экспериментальных зависимостей получены уточненные для условий массообмена в пенодинамическом слое уравнения, описывающие закономерности нестационарного и стационарного переноса. Экспериментально исследованы закономерности массопереноса при поглощении трибутилфосфатом диоксида серы.

4. Исследованы гидродинамические особенности формирования пеноди-намического слоя посредством механизма вихреинжекционного диспергирования трибутилфосфата, и уточнено уравнение, описывающее зависимость высоты пенодинамического слоя в контактной камере инжектора от основных режимных параметров пенообразования.

5. Подтверждена адекватность описания предложенной математической моделью процессов поглощения кислых газов трибутилфосфатом в пенодинамическом слое, что позволяет применять ее в качестве основы инженерных расчетов комплексной очистки выбросов термических агрегатов проволочноканатных производств от кислых примесей.

6. На основе обобщения технико-экономических показателей сформулированы принципы оптимизации аппаратурного оформления вихрепенных реакторов и предложена схема структурной унификации элементной базы установок вихрепенной очистки.

7. По результатам опытно-промышленных экспериментов подтверждена высокая эффективность использования трибутилфосфата в качестве поглотителя кислых газов в комплексной очистке выбросов нагревательных печей проволочноканатных производств.

8. Предложена структурная схема унифицированной компоновки и разработана технологическая схема комплексной очистки дымовых газов термических агрегатов проволочноканатных производств трибутилфосфатом в установках с режимом вихреинжекционного пенообразования.

Результаты выполненных исследований дают возможность эффективного решения задач очистки вентиляционно-технологических выбросов от термоагрегатов проволочноканатных производств на основе высокой степени унификации газоочистного оборудования, реализующего интенсифицированное поглощение кислых газовых примесей трибутилфосфатом в режиме его пеноди-намического контакта с очищаемым потоком.