В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 

УДК 621.311.182

Вероятностный подход к моделированию процесса очистки газов в полых абсорберах

 

Высоцкий С. П., профессор

Донецкий национальный технический университет

Качан В. Н., профессор

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

 

Процесс очистки газов от загрязнителей в полых абсорберах  представлен в виде совокупности элементарных условно зависимых событий. Последние на основе вероятностного метода моделирования гидродинамических и массообменных процессов использованы для разработки вероятностной блок-схемы очистки газов, с помощью которой получена формула для определения общей эффективности процесса.

 

Введение. Интенсивное развитие промышленности и, в частности, увеличение выработки электрической энергии на тепловых электростанциях привело к поступлению в атмосферу большого количества различных типов загрязнителей. Основными загрязнителями являются: пыль, соединения серы и азота, оксиды углерода, углеводороды и хлорфторуглеводороды (фреоны).

Для снижения вредного воздействия пыли на окружающую среду большинство установок топливно-энергетического комплекса стран СНГ оборудованы электро- или рукавными фильтрами, а также циклонами. Последние устройства обычно применяются на установках небольшой производительности.

В развитых странах (США, ФРГ, Япония) основная часть энергетического оборудования оснащена системами очистки газов от диоксида серы и оксидов азота. Наиболее широкое распространение получили мокрая известняковая технология очистки газов от диоксида серы [1, 2] и каталитические методы очистки газов от оксидов азота [3]. Высокая стоимость указанных технологий, достигающая 30–40 % от стоимости основного оборудования, сложность получения инвестиций на внедрение этих технологий вызывают необходимость поиска новых менее затратных технологий.

Одной из таких технологий является применение абсорберов, орошаемых различными типами поглотителей. Абсорберы являются одновременно скоростными, высокоэффективными и простыми в конструкции и эксплуатации устройствами. Процесс поглощения газовых молекул в них основан на их контакте с каплями распыленного абсорбента с последующим отводом жидкости и улавливанием продуктов реакции. Но такой, на первый взгляд, простой процесс включает многостадийные и многократно повторяющиеся физические процессы взаимодействия капель абсорбента и частиц загрязнений при их движении через абсорбер.

Постановка проблемы. Известные эмпирические методы расчёта эффективности работы абсорберов не позволяют в полной мере и комплексно учесть многофакторность процесса сероочистки в единой формуле эффективности очистки [4, 5]. Сложность и трудоёмкость математических расчётов, которые описывают параметры фракционной эффективности сорбционных аппаратов, обычно связаны с необходимостью выполнения расчётов в несколько этапов, что приводит к  неточностям и ошибкам. Возможности физического моделирования рабочего процесса в  абсорберах ограничены, так как при исследовании в широком диапазоне изменения параметров одновременное выполнение равенства основных критериев подобия, не представляется возможным.

Цель исследований. Определение возможности применения вероятностного подхода к описанию процесса очистки газов в абсорберах. Этот метод позволит выбрать и учесть контролирующие факторы и разработать математическую модель определения эффективности и оптимизации параметров газопылеочистки в этих аппаратах.

Изложение основного материала. В основу статьи положен вероятностный метод моделирования массообменных процессов, описанный в работах [5, 6]. Улавливание частиц загрязнителей наряду с высокой скоростью очищаемого газа и малым временем его пребывания в ограниченном пространстве абсорбера, состоит из множества последовательных и параллельных, зависимых, условно-зависимых и независимых элементарных физических процессов взаимодействия очищаемого газа улавливаемых вредных примесей и абсорбирующей жидкости. Для эффективного улавливания движущихся молекул загрязнителей каплями диспергированной жидкости необходимо выполнение пяти совместных и последовательных условно-зависимых событий, а именно: геометрическая встреча молекул загрязнителей на пути своего движения с каплями абсорбента, соприкосновение газовых молекул с каплями, удержание загрязнителей каплями абсорбирующего реагента, а также диффузия загрязнителей молекул (их захват) с поглощением их каплями абсорбирующего реагента, а также возможное испарение полученных конгломератов при высоких температурах газа. Абсорбент может представлять собой суспензию из взвешенных частиц, например, известковое молоко. По мере расходования частиц поглотителя происходит дальнейшая диссоциация, и переход в раствор активной части поглотителя.

Последним событием является осаждение загрязненных газом капель, если оно необходимо, в различных аппаратах (абсорберах, циклонах, жалюзийных решетках).

Выполнение этих шести событий зависит от многих технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров процесса очистки газов. Каждое из событий происходит с определённой вероятностью, а значит, и влияет на совершение последующих и в итоге на конечную эффективность.

Каждое событие описывается формулами, объединяющими все значимые параметры процесса, которые можно устанавливать, регулировать и изменять на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации газоочистной установки.

В связи с тем, что события, происходящие в абсорберах, выполняются с определённой долей вероятности и зависят одно от другого, то для их совместного теоретического описания целесообразно использовать вероятностный метод моделирования гидродинамических и массообменных процессов [5, 6].

Каждое событие отражает свойства какого-либо одного класса явлений (гидродинамики, кинетики, массообмена). Затем отдельные события перемножаются или суммируются по законам вероятностей, в зависимости от характера проявления тех или иных явлений, в результате чего получается вероятностная блок-схема и формула представления процесса в целом. Далее события описываются математическими формулами с параметрами, влияющими на эффективность процесса. Вероятностный метод упрощает математическую интерпретацию сложных процессов, позволяет одновременно учесть параллельное и последовательное влияние различных факторов на эффективность очистки газов в абсорберах и облегчает оптимизацию процесса [6].

Для построения вероятностной блок-схемы процесса пылегазоочистки в абсорберах примем буквенные обозначения для каждого события.

Первое событие – геометрическая встреча молекул загрязняющих веществ и пылинок на пути своего движения с каплями абсорбента  rв  предполагает сближение и встречу их с каплями абсорбента. При этом учитывается одновременное выполнение совместных независимых, но параллельных событий за счёт инерционных rв.и , электрических (если они весомы) и сил турбулентного переноса rв.т.э.

Второе событие – соприкосновение молекул загрязняющих веществ с каплями rс, предполагает соприкосновение их с каплей до возникновения устойчивого контакта между ними. В ином случае молекулы загрязнителей за счёт аэродинамического и молекулярного обтекания отрываются от капли и встреча оказывается не эффективной. Эффект соприкосновения определяется в основном инерционными силами. Следует отметить, что столкновение с каплями возможно как за счёт сил диффузии rд, так и сил инерции rи. При этом, для той части загрязнителей, встреча которой с каплями могла бы быть осуществлена турбулентным переносом и диффузионными силами, столкновение возможно как за счёт сил инерции, так и за счёт упомянутых выше сил Δrд.

Третье событие – удержание молекул газа rуд на поверхности капель, которые, будучи уже на их поверхности, не были сорваны аэродинамическими силами потока газа.

Четвертое событие – диффузия газа в каплях rд. Это химическое соединение молекул газов-загрязнителей с образованием новых химических веществ, имеющих ту или иную степень устойчивости, определяемой степенью диссоциации возникшего соединения. После образования нового соединения происходит дальнейшая диссоциация поглотителя (например, Са(ОН)2), что способствует повышению эффективности использования сорбента и поглощения загрязнителя.

Пятое событие – это испарение rисп жидкой фазы конгломератов молекул и пылинок в капле, после этого пылинка оказывается не уловленной в газовом потоке. Из-за кратковременного (секунды) пребывания капель в абсорбере испаряются самые малые по размеру капли диаметром менее 10 мкм, но они несут на себе и самые малые трудно улавливаемые пылинки. Поэтому эффективность очистки от пыли окажется менее требуемой. Для уменьшения испарения необходимо увеличивать расход воды или что ещё лучше - устанавливать теплоутилизаторы перед абсорберами. Тогда учёт испарения необязателен.

Шестое событие – это осаждение в каплеуловителе поглощённых абсорбентом молекул токсичного газа и пылинок rку. Это может происходить за счёт различных сил (гравитации, центробежных). Тут учитывается осаждение не только капель больших по размеру, чем пылинка, но и больших пылинок, которые столкнулись с каплями абсорбента меньших размеров. Процесс осаждения таких конгломератов как «капля-молекулы SO2-пылинка» может осуществляться в отдельном аппарате, установленном за абсорберами. В зависимости от вида производства, технологической схемы и других факторов могут быть использованы различные устройства (циклоны, скрубберы, жалюзийные решётки).

На рис. 1 изображена обобщённая вероятностная блок-схема процесса пылегазоочистки в абсорберах и окончательного осаждения в каплеуловителях.

 

Рис.1 – Вероятностная блок-схема описания процесса газоочистки в абсорбере

 

Согласно этой схеме эффективность улавливания токсичных примесей и частиц пыли в абсорбере определяется по формуле

Эаб=rв rс rуд rд (1-rисп)                                            (1)

а общая эффективность установки в комплексе «абсорбер – каплеуловитель» определится по формуле

Эоаб rку                                                      (2)

Расширить описание каждого из событий, входящих в формулу (1), можно с учётом одновременного выполнения совместных независимых, но параллельных событий. Встреча молекул газов с каплями абсорбента может происходить как за счёт инерционных rв.и., так и сил турбулентного переноса и диффузионных сил rд. Тогда эффективность (вероятность) встречи запишется в виде

rв=1-(1- rв.и)·(1-rд)                                           (3)

Чтобы получить математическую модель, необходимо показатели вероятностей блок-схемы выразить в виде общего уравнения эффективности процесса пылегазоочистки для конкретных аппаратов (абсорбер + каплеуловитель). Все вероятности полученного уравнения описываются математически через физические закономерности основных физико-технологических процессов в сорбционных аппаратах.

 

Выводы

1. В работе рассмотрены процессы очистки газовых выбросов как совокупность отдельных элементарных физико-химических процессов (событий), связанных между собой в последовательно или параллельно проходящих в одном конкретном газоулавливающем аппарате-абсорбере.

2. Конечная (общая) эффективность очистки газов описывается путём обобщения вероятностных простейших событий по законам вероятностей в зависимости от их вида в виде цепочки элементарных уже известных или новых простых формул.

3. Предложенная вероятностная модель очистки газов позволяет оптимизировать параметры процесса, обеспечивающие требуемую степень очистки.

 

Библиографический список

1. Theodor Vlassopoulos, Sergey Vysotskey. Present condition of flue gas cleaning at thermal power station / Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету, № 81. "Технічні науки". Луганськ, "Елтон-2", 2008. II Международная научно-практическая конференция "Экология промышленных регионов" 28–31.01.2008, г. Луганск. С. 363–375.

2. А. А. Мадоян. Сероулавливание на ТЭС / А. А. Мадоян, Г. В. Базаянц. К.: Техніка, 1992. – 160 с.

3. С. П. Высоцкий. Выбор технологии денитрификации дымовых газов / Высоцкий С. П., Байчоров А. А., Широких К. С. Вісті автомобільно-дорожнього інституту. 2013, № 2 (17). – С. 79–91.

4. Темеровский Б. З. Очистка газов в чёрной металлургии. – Днепропетровск. – Проминь. – 1971. – 91 с.

5. Качан В. Н. Оптимизация параметров обеспыливания воздуха и предупреждения взрывов пыли в угольных шахтах: Дис. докт. техн. наук. –Макеевка, 1996. – 411 с.

6. Качан В. Н., Акинина А. Г. Теоретические основы очистки воздуха. –Макеевка: ДонГАСА, 2001. – 130 с.


 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.