Обоснование выбранного направления исследований

 

3.1 Влияние разнообразных факторов на эффективность мокрого метода очистки газов котельного оборудования от SО₂

За рубежом, а именно в США и Германии, были проведены исследования влияния разнообразных факторов на эффективность очистки дымовых газов от диоксида серы с использованием мокрого известнякового метода. Вообще были проведены 16 основных исследований на пилотном оборудовании с мокрой известняковой системой очистки с целью обеспечения базиса для сравнения результатов последующих исследований с существенными расхождениями в проектировании мокрых известняковых систем по десульфурации дымовых газов от базовых систем (то есть без присадок, распылительной башни абсорбера, с естественным окислением) [30]. Кроме того, эти исследования также обеспечили возможность понимания основных механизмов, которые контролируют важные процессы, происходящие в мокрой известняковой системе очистки дымовых газов от диоксида серы. В ходе этих исследований были определены такие основные влияния:

- факторы, которые влияют на утилизацию известняка;

- факторы, которые влияют на окисление сульфита в системе;

- влияние объема емкости на показатели производительности процесса;

- влияние входной концентрации SО₂ на производительность процесса.

Новые данные по окислению сульфита кальция, утилизации известняка и влияния на ключевые проектные переменные могут использоваться как проектировщиками системы очистки, так и инженерами, которые работают с этими системами.

Рисунок 3.1 представляет собой схему пилотной системы очистки дымовых газов от диоксида серы. Дымовые газы сначала поступают в противоточном режиме к электрофильтру, а затем, через вентилятор со скоростью вращения, которая регулируется, - в абсорбер. Проходя против течения через абсорбер, дымовые газы охлаждаются смесью технической воды и рабочей жидкости, которая рециркулируется. В пилотном абсорбере дымовые газы контактируют с суспензией известняка, который разбрызгивается с помощью двух уровней распыливания, расположеных в верхней части абсорбера. Каждая распылительная головка имеет четыре спиральные распылительные форсунки. Форсунка расположена в центре каждого квадранта абсорбера под углом к центру абсорбера с целью уменьшения количества суспензии, которая разбрызгивается на стенки абсорбера. Над верхней распылительной головкой дымовые газы проходят сквозь двухступенчатый брызгоуловитель перед возвращением в дымовую трубу.

Суспензия известняка подается в абсорбер с помощью двух насосов с регулируемой скоростью (один на каждую распылительную головку). Суспензия, которая следует из абсорбера, возвращается к емкости, питающей абсорбер. В течение проведения исследований величина отношения L/G изменялась с помощью выведения одной из распылительных головок из работы, хотя управлять расходами газа и рабочей жидкости возможно путем использования насосов с разными скоростями.

Рисунок 3.1 – Пилотная схема очистки дымовых газов от диоксида серы с использованием мокрой известняковой технологии

Абсорбирующий реагент (известняк) для пилотной системы готовится на месте в замкнутом цикле размалывания, где используются шаровые мельницы. Этот цикл имеет классификаторы гидроциклонов разных размеров, чтобы обеспечить широкий диапазон размера размалывания реагента.

Кальциево-серные твердые отходы удаляются из системы с потоком, который следует из емкости, питающей абсорбер. Разведенный поток поступает к горизонтальной центрифуге, где твердые частицы концентрируются с 12 до 60 %, а затем выгружаются у бункера для отходов. Чистый раствор из центрифуги возвращается к емкости, питающей абсорбер, а также смешивается с технической водой. Эта смесь используется для омывания брызгоуловителя и охлаждение дымовых газов.

Как видно из рисунка 3.1, конфигурация пилотной системы относительно простая, что дает возможность уменьшить количество проблем с ее работой и управлением условиями процесса очистки. Использование горизонтальной центрифуги как для начального, так и для следующего обезвоживания твердых частиц отходов, уменьшает до минимума объем рабочего раствора и потому помогает сохранить постоянными концентрации кальция и хлоридов. Использование технической воды для приготовления рабочего раствора реагента также помогает возвести к минимуму объем рабочего раствора, однако это может усложнить работу закрытого цикла.

Рисунок 3.1 также определяет циклы управления для ключевых рабочих элементов пилотной системы очистки. Управление обратным питанием используется для поддержки расхода газа, входящей температуры, входящей концентрации диоксида серы, рН и расхода суспензии, питающей абсорбер, на постоянном уровне. Концентрация растворенного кальция поддерживается постоянной путем ежедневного добавления хлорида кальция [30]. Объем емкости, питающей абсорбер, регулируется путем добавления технической воды в систему. Концентрация твердых веществ в суспензии изменяется с помощью регуляции уровня питания центрифуги. Образцы твердой и жидкостной фаз из емкости, питающей абсорбер, позволяют измерить степень использования известняка, относительное насыщение гипса, окисления сульфита кальция, скорость осаждения и фильтрации твердых частиц. Эффективность удаления диоксида серы определяется постоянным управлением входящих и исходящих концентраций кислорода и SО₂.

Ключевым измерителем производительности мокрого известнякового процесса десульфурации дымовых газов является утилизация известняка. Утилизация важна по ряду причин. Например, бедная утилизация увеличивает стоимость работы системы десульфурации дымовых газов путем увеличения количества реагента, который нужно обработать в цикле размалывания. Бедная утилизация также увеличивает объем отходов, которые образуются в процессе очистки, и, таким образом, увеличивают стоимость удаления отходов. Кроме того, как доказали исследования, бедная утилизация ведет к образованию проблем закупоривания и зарастания брызгоуловителей.

Утилизация известняка может быть и слишком высокой. Робота при очень высоких уровнях утилизация известняка требует низких значений рН суспензии, питающей абсорбер. При низких значениях рН эффективность удаления SО₂ будет влиять на стоимость системы при желании достичь повышенного уровня удаления. Исследования доказали, что оптимальный диапазон для утилизации известняка составляет 85-95 % [30]. С учетом факторов, которые контролируют утилизацию реагента в системе десульфурации дымовых газов, существующие системы можно сделать эффективнее и надежнее, а новые системы очистки можно было бы запроектировать более точно.

Во многих мокрых известняковых системах очистки дымовых газов от SО₂ рН суспензии из емкости, питающей абсорбер, является единственной переменной, которую можно регулировать для контроля утилизации известняка. Переменной, которая очень сильно зависит от рН, является относительное насыщение карбоната кальция. Как показали исследования, один из важнейших факторов, влияющих на утилизацию известняка, является относительное насыщение карбоната кальция, в емкости, питающей абсорбер, которое определяется по формуле [30]:

 

(3.1)

 

где СаСО₃О.Н. - относительное насыщение карбоната кальция;

- активность кальций ионов в рабочем растворе системы очистки;

- активность карбонат ионов в рабочем растворе системы очистки;

- произведение растворимости для известняка.

 

Рисунок 3.2 показывает соотношение между степенью использования известняка и относительным насыщением СаСО₃, питающим абсорбер, при постоянной концентрации твердых веществ в суспензии, измельчение известняка и объеме емкости. Рабочие условия, которые изменялись в течение исследования, включают рН, L/G, входящую концентрацию SО₂ и концентрацию растворенного кальция. Как видно, зависимость утилизации известняка от относительного насыщения карбоната кальция близка к линейной на достаточно широком промежутке.

В случае повышенной концентрации хлоридов в угле будет наблюдаться высокая концентрация растворенных хлоридов в замкнутом цикле системы очистки. Высокие уровни хлоридов вызовут соответственно высокие концентрации кальция, которые увеличивают относительное насыщение карбоната кальция и, потому, уменьшают степень использования известняка. В случае усиленного окисления воздуха существует тенденция к удалению СО₂ из рабочего раствора, потому наблюдается снижение относительного насыщения СаСО₃ и увеличение степени использования известняка.

Данные из рисунка 3.2 могут быть полезными в ситуации, когда контроль над относительным насыщением карбоната кальция в некоторой степени может быть выполнен в емкости. Может быть возможным достижение полезного влияния удаления СО₂, которое наблюдается при усиленном окислении с использованием части воздуха, который обычно применяется при окислении. Например, если небольшое количество воздуха впрыскивается в реакционную емкость, может быть возможным улучшение утилизации и возмещение расходов на систему добавления воздуха.

Другим результатом соотношения между относительным насыщением карбоната кальция и утилизацией реагента является влияние входящей концентрации SО₂ на степень использования известняка. Рисунок 3.3 показывает, каким образом изменение входящей концентрации диоксида серы в дымовых газах влияет на относительное насыщение карбоната кальция в емкости, питающей абсорбер. Как видно, увеличение входящей концентрации SО₂ вызывает соответствующее увеличение относительного насыщения карбоната кальция, то есть неблагоприятно влияет на степень использования известняка [30].

Рисунок 3.2 - Соотношение относительного насыщения карбоната кальция и утилизации известняка

 

Почему же так происходит? Материальный баланс емкости, которая питает абсорбер, показывает, что при увеличении входящей концентрации диоксида серы количество известняка, который растворяется в емкости, должно также увеличиться. Принимая во внимание то, что концентрация карбоната в суспензии, которая выходит из абсорбера, остается относительно постоянной (то есть в равновесии с дымовыми газами), а увеличение растворенного известняка в емкости, питающей абсорбер, вызовет увеличение относительного насыщения карбоната кальция в емкости, состоится уменьшение степени использования. Уменьшение утилизации должно быть прямой функцией от того, насколько много дополнительного известняка должно раствориться в емкости, питающей абсорбер.

На надежность работы систем очистки дымовых газов от диоксида серы влияет скорость, с какой абсорбирующийся SО₂ окисляется в сульфат ион. Если площадь поверхности кристаллов гипса, которые находятся в суспензии, питающей абсорбер, достаточно малая, то гипс из пересыщенного раствора может наращиваться на стенках абсорбера, поверхности распределительной системы и питательной емкости. Такие отложения имеют тенденцию нарастать и в конце концов могут привести к остановке работы оборудования по очистке дымовых газов от SО₂. Это обычно происходит, когда доля окисления сульфита кальция в сульфат составляет больше 15 %. Однако, если доля окисления сульфита поддерживается на уровне менее 15 %, то система не будет насыщенной относительно к гипсу, в результате чего гипс не будет формироваться, а существующие отложения гипса будут растворяться.

Рисунок 3.3 - Влияние входящей концентрации диоксида серы на относительное насыщение карбоната кальция и утилизацию известняка

 

Мерой потенциального нарастания гипса в системе очистки дымовых газов от SО₂ с использованием мокрого известнякового метода есть относительное насыщение раствора гипса, которое можно определить по формуле: [30]

 

(3.2)

 

- относительное насыщение гипса;

- активность кальций иона;

- активность сульфат иона;

- активность воды в рабочем растворе системы очистки;

- произведение растворимости для гипса;

- концентрация гипса в растворе.

 

Гипс имеет тенденцию к растворению, если относительное насыщение гипса менее 1,0. При этом доля окисления сульфита менее 15 % [30].

За рубежом в последнее время экспериментируют с использованием присадок тиосульфата (S₂О₃^2–), которые замедляют окисление сульфита. Добавление достаточного количества S₂О₃^2– в раствор дает возможность удерживать долю окисления сульфита на уровне менее 15 % и, таким образом, хранить рабочие условия, в которых гипс не будет оседать в системе очистки.

Еще один параметр, который влияет на скорость окисления сульфита кальция в сульфат в мокрой известняковой системе очистки дымовых газов от SО₂, есть рН суспензии, которая питает абсорбер. Уменьшение рН вызывает изменение концентрации веществ, которые вступают в реакцию окисления сульфита кальция. Концентрация сульфит иону увеличивается при увеличении рН, при этом концентрация растворенных металлов, таких как железо и марганец, которые катализируют реакцию окисления, уменьшается. В некоторой степени эти два изменения компенсируют друг друга. Однако, в мокрых известняковых системах очистки дымовых газов от диоксида серы уменьшения концентрации растворенных металлов может придушить изменение концентрации сульфит ионов.

Рисунок 3.4 иллюстрирует влияние значения рН на скорость окисления сульфита кальция для двух величин L/G. Как видно, значение рН имеет незначительное влияние на скорость окисления. Кроме того, влияние значения рН на скорость окисления отличается при разных значениях L/G. Однако, этот результат мог быть и следствием низкой активности сульфат иона, которая была измерена в процессе проведенных исследований; специфической области рН или типа и концентрации рассеянных металлов, растворенных в рабочей жидкости системы очистки. Активность сульфат иона уменьшается с увеличением ионной силы рабочей суспензии. Для удерживания содержимого хлоридов в дымовых газах значения ионной силы должно равняться 0,4-0,5 [30].

Рисунок 3.4 также иллюстрирует влияние плотности орошения L/G на скорость окисления сульфита кальция. Как видно, L/G имеет достаточно сильное влияние на скорость окисления сульфита кальция - при уменьшении L/G с 16/1000 м³ до 8/1000 м³ скорость окисления уменьшается на 50 % [30].

На скорость окисления и на долю окисленного сульфита кальция, который абсорбируется, также влияет входящая концентрация диоксида серы. Доля окисленного сульфита значительно снижается при увеличении входящей концентрации SО₂. Изменения настолько существенны, что система переходит от работы в режиме с наличием кристаллов гипса в суспензии к работе в режиме, где гипс отсутствует. Однако, наиболее интересным является влияние входящей концентрации на скорость, с которой абсорбирующийся сульфит кальция окисляется. При наличии больших изменений в доле окисленного сульфита кальция нет существенных изменений в скорости его окисления. Это значит, что даже при существенных изменениях скорости удаления SО₂ нет изменений в факторах, которые контролируют скорость окисления сульфита кальция.

Эти результаты могут позволить дизайнерам систем мокрой известняковой очистки дымовых газов от диоксида серы более точно предусмотреть доля сульфита кальция, который должен окислиться в системе очистки. Кроме того, возможно спроектировать системы, которые будут иметь низкие уровни окисления сульфита кальция. Например, система, спроектированная для низких величин L/G и высокой концентрации SО₂, может дать естественную скорость окисления и может быть возможной работа таких систем без появления гипса. Этот тип системы может удовлетворить текущие пределы выбросов SО₂ путем смешивания адипиновой кислоты или других присадок, которые удаляют диоксид серы. Конечно, стоимость подобных присадок должна быть оправдана экономией, которая связана с работой при уменьшенном значении соотношения L/G.

Проведенные исследования также дают понимание влиянию изменения нагрузки на скорость окисления. Если скорость окисления остается постоянной, изменение доли окисления сульфита кальция можно предусмотреть за изменением концентрации SО₂. Этот тип анализов может быть использован для определения времени, когда возможность осаждения гипса большая. Например, может быть возможным уменьшение L/G в абсорбере, в то время, когда концентрация SO₂ уменьшается и это может обеспечить достаточную гибкость для компенсации уменьшения входящей концентрации диоксида серы [30].

Рисунок 3.4 - Влияние рН и L/G на скорость окисления сульфита кальция

 

Таким образом, есть возможность исключения проблемы налипания гипса в системе очистки или путем модификации работы системы, то есть использование тиосульфат иона, или путем более точного проектирования новых систем.

Объем аккумулирующего бака, питающего абсорбер, является ключевым проектным параметром для мокрой известняковой технологии очистки дымовых газов от диоксида серы, поскольку в этой емкости происходят многочисленные важные химические реакции. С целью обеспечения достаточного времени для растворения частиц известняка и для осаждения частиц сульфита кальция нужно определить объем емкости, питающей абсорбер. При очень малом объеме емкости наблюдается слабая утилизация известняка. Другое возможное последствие маломерной емкости - это увеличение относительного насыщения сульфита и сульфата кальция в суспензии, питающей абсорбер. С другой стороны емкость должна обеспечивать высокую производительность с химической точки зрения, но это вызывает повышение расходов на абсорбер.

Для оценки влияния изменения объема емкости, питающей абсорбер, на производительность пилотной системы очистки дымовых газов от диоксида серы проведены опыты с величиной емкости 23 м³. Этот объем был выбран с целью обеспечения времени пребывания для суспензии на уровне около пяти минут, а времени пребывания для твердых веществ - около двух часов (при концентрации взвешенных веществ 10 %). Эти величины находятся в пределах возможностей большинства систем очистки дымовых газов от диоксида серы, хотя время пребывания для суспензии находится в нижней части предела, благодаря высокому уровню отношения L/G, которое используется в пилотном скруббере. Другие опыты были проведены с объемами емкости 75 и 50 % от приведенного. Целью этих исследований было определение того, какие параметры изменяются при уменьшении объема аккумулирующего бака в системе десульфурации дымовых газов.

При уменьшении объема емкости относительное насыщение СаSО₃*0,5Н₂О та СаSО₄*2Н₂О уменьшается. Для понимания важности этих результатов должно быть рассмотрено выражение скорости реакции осаждения сульфита и сульфата кальция.

Скорость осаждения сульфита и сульфата кальция в пределах относительных насыщений, которые являются характерными для мокрых известняковых систем очистки с достаточной для практических целей надежностью описывается уравнением [30]:

 

, (3.3)

 

где r_Р - скорость осаждения;

К_Р - константа скорости осаждения;

А - площадь поверхности кристаллов, пригодных для осаждения;

О.Н. - относительное насыщение веществ, которые осаждаются.

 

В системе очистки дымовых газов от SО₂ при уменьшении объема реакционной емкости масса кристаллов также уменьшается. Это может привести к уменьшению площади поверхности кристаллов. Поскольку на скорость осаждения (в том числе на скорость удаления диоксида серы) не влияют изменения объема емкости, можно ожидать увеличения относительного насыщения веществ, которые осаждаются согласно к формуле 3.3.

Причина того, что относительное насыщение сульфита и сульфата кальция не уменьшаются при уменьшении объема емкости следующая. Очевидно, даже если общая масса кристаллов в реакционной емкости уменьшится при низших ее объемах, общая площадь поверхности кристаллов должна немного увеличиться.

На рисунке 3.5 представлены экспериментальные данные, которые показывают как объем емкости, питающей абсорбер, влияет на скорость фильтрации и скорость осаждения частиц сульфата кальция. Как видно, скорость фильтрации уменьшается с 960 до 615 кг/ч*м² в то время, когда площадь поверхности уплотнителя увеличивается с 1,95 до 3,15 м²/т в день. Таким образом, одним из наиболее важных влияний уменьшенных объемов емкости, питающей абсорбер, есть не увеличение потенциала образования отложений гипса в системе, а снижение производительности систем обезвоживания гипса.

Как упоминалось раньше, на объем емкости также влияет на степень использования известняка. Рисунок 3.6 показывает, как уменьшится утилизация при уменьшении объема емкости, питающей абсорбер. Как видно, начальное уменьшение объема емкости (с 24 до 18 м³) не вызывает влияния на утилизацию реагента. Однако, следующее изменение объема (с 18 до 12 м³) уже вызывает значительное падение степени использования известняка [30].

Вообще результаты исследования влияния объема емкости, которая питает абсорбер, дают дополнительное понимание роли, которую играет объем емкости в проектировании и планировании системы очистки дымовых газов от диоксида серы с использованием мокрой известняковой технологии. С одной стороны, данные исследований показывают, что возможна работа с объемами емкости, которые намного меньше, чем используемые в существующих системах очистки без учета проблем налипания гипса. Это может зависеть от специфической энергии, которая передается от насосов и мешалок к суспензии.

Концентрация диоксида серы, который поступает к системе очистки, представляет собой основной проектный параметр, особенно при высоком содержании серы, когда степень улавливания диоксида серы должна превышать 90 %.

Рисунок 3.5 - Зависимость свойств твердых частиц от объема емкости, питающей абсорбер

 

Рисунок 3.6 - Зависимость утилизации известняка от объема емкости, питающей абсорбер

 

С использованием специальных математических компьютерных программ была обработана кривая, изображенная на рисунке 3.6, с целью получения уравнения. Известно, что общая зависимость степени использования известняка α от объема емкости, питающей абсорбер, V имеет вид:

 

(3.4)

Задачей в данном случае является определение констант k и m. Сначала было найденное уравнение прямой линии 1/α = а + b*1/V по заданным значениям степени использования известняка и объемов емкости, питающей абсорбер с использованием метода наименьших квадратов. А затем с помощью найденных коэффициентов а и b были найдены необходимые коэффициенты k и m и построен график по полученной зависимости утилизации реагента от объема емкости, которая питает абсорбер.

 

 

 

Были проведены исследования с целью оценки влияния входящей концентрации SО₂ на производительность системы очистки, то есть на эффективность удаления SО₂. Как обсуждалось раньше, изменение концентрации диоксида серы влияет как на утилизацию известняка, так и на долю сульфита кальция, который окисляется. Рисунок 3.7 представляет результаты опытов, которые измеряют изменения в удалении диоксида серы при изменении его входящей концентрации. Количество поглощенного диоксида серы суспензией, которая рециркулируется через абсорбер, определяется за формулой [30]:

 

(3.5)

 

где К - константа перевода количества пойманной диоксиду серы в милимолях;

Q_ДГ - затрата дымовых газов;

Q_C - затрата суспензии;

- входящая концентрации диоксида серы;

Е - эффективность удаления диоксида серы.

 

Как показывает рисунок 3.7, изменения в количестве поглощенного диоксида серы является линейной функцией его входящей концентрации в пределах исследованных концентраций SО₂. Этот результат является важным, поскольку он позволяет достаточно надежно определить эффективность удаления SО₂ для любой его концентрации. Он может принести пользу в планировании влияния изменения уровня содержимого серы в угле на производительность существующих систем очистки дымовых газов от диоксида серы. При переходе от сниженных концентраций SО₂ (1500 и 2500 мг/л) к повышенным величинам эффективности удаления SО₂ изменяется от 86,1 до 56,6 %. Фактические значения эффективностей удаления SО₂ при этом составляют соответственно 85,2 и 57,0 % [30].

Рисунок 3.7 - Влияние входящей концентрации SО₂ на количество уловленного диоксида серы

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: