РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВКАХ
В настоящее время важным аспектом развития энергетики является создание технологий и аппаратов с минимальными энергозатратами, а также использование вторичных энергоресурсов (ВЭР). Одновременно с этим применение ВЭР всегда связано с решением экологических проблем как напрямую, так и косвенно. Кроме того, многие современные энергосберегающие аппараты снабжены дополнительными очистными устройствами.
Отходящие газы печей цветной металлургии и химической промышленности характеризуются высоким содержанием сернистого ангидрида. В цветной металлургии рост концентрации S02 в отходящих газах, в частности, объясняется применением кислородного дутья.
Тепловой расчет котлов-утилизаторов, использующих тепло газов со значительным содержанием SO2, по нормативному методу, в котором приведены данные только по С02 и Н20, приводит к ошибкам ввиду того, что излучательная способность сернистого ангидрида отличается от излучательной способности указанных газов, а экспериментальные данные по этим характеристикам отсутствовали. Результаты теоретических исследований излучательной способности 502, нельзя было использовать для тепловых расчетов в силу ряда допущений, принятых в этих исследованиях. Как показала практика проектирования и эксплуатации котлов-утилизаторов металлургической и химической промышленности, разница между расчетной и действительно необходимой поверхностями нагрева достигала 20-30 %. [2]
Как уже отмечалось, использование ВЭР - весьма эффективное направление экономии энергоресурсов тем более, что применение утилизаторов тепла за котлами, печами и сушилками промышленных производств позволяет одновременно очищать отходящие газы за этими аппаратами. При этом целесообразно разрабатывать двухфункциональные установки, т.е. утилизатор тепла и очиститель газов в одном аппарате. Установка поверхностных теплообменников-утилизаторов на линиях отходящих газов за котлами и печами приводит к перерасходу металла, особенно, если температура газов ниже 120 °С. В таких утилизаторах коэффициент теплоотдачи недопустимо низок. При этом в атмосферу выбрасываются водяные пары, содержащиеся в отходящих газах в значительном количестве (до 20 % от общего объема газов), вследствие чего в аппарате не используется скрытая теплота парообразования. Максимальное использование теплоты топлива возможно лишь при охлаждении продуктов сгорания до температуры ниже точки росы, составляющей при сжигании газа в котлах и печах 50-60 оС.
Использование теплоты конденсации водяных паров является одной из современных тенденций развития теплоутилизационного оборудования. Количество этой теплоты зависит от вида используемого топлива. Реализация идеи применения скрытой теплоты парообразования наиболее эффективна в контактных экономайзерах с пассивной и активной насадкой. Коэффициент теплопередачи в этих аппаратах примерно в 10 раз выше, чем в поверхностных теплообменниках, что резко снижает металлоемкость контактных установок. Если пассивная насадка в процессе тепло- и массообмена между уходящими газами и охлаждающей их водой не принимает участия, то активная насадка, представляющая собой пакет труб, по которым проходит вода, не загрязненная продуктами сгорания, весьма эффективна, причем не только как теплообменник, но и как интенсификатор улавливания вредных веществ в аппарате [1].
В промышленности нашли применение теплообменники с использованием центробежного эффекта. В этих аппаратах не применяется активная насадка, что снижает их ценность при использовании в качестве утилизаторов тепла. В связи с этим разработан центробежный аппарат с активной насадкой (ЦААН) — высокоэффективный утилизатор теплоты уходящих газов за котлами, промышленными печами и сушилками. ЦААН является мокрым скруббером — уловителем таких вредных веществ, как пыль, окислы азота, серы и углерода, а также бенз-а-пирена.
Учитывая это, ЦААН можно устанавливать и без дымососа, например, в котельных малой мощности, в том числе в мобильных котельных. [3] При сжигании природного газа с коэффициентом избытка воздуха 1,1-1,5 температура дымовых газов по мокрому термометру составляет 55-60 °С.
Одновременно с теплообменом в аппарате происходит очистка газов от мелкодисперсной пыли. Твердые частицы, находящиеся в дымовых газах, смачиваются водой, проникают в ее капли или прилипают к поверхности капель и в таком виде выпадают из газового потока, а затем удаляются из нижней части аппарата. Улавливанию пыли в теплообменнике способствует также конденсация водяных паров, находящихся в газе; пылинки представляют собой центры спонтанной конденсации. При наличии пыли в отходящих газах в нижней части ЦААНа устанавливают бак- сборник сажи, пыли и воды (ила).
Благодаря тангенциальному входу в теплообменник газовый поток получает вращательное движение, в результате чего пыль и раствор окислов газов отбрасываются центробежными силами на внутреннюю поверхность корпуса, с которой смываются водой и удаляются через патрубок для отвода нагретой воды.
При разработке ЦААН наиболее трудной научной проблемой явилось определение оптимального соотношения расхода орошающей и охлаждающей воды и экспериментальное определение коэффициента теплопередачи. При определении оптимального соотношения учитывалось то обстоятельство, что загрязненная орошающая вода нуждается в очистке перед сливом ее в канализацию при разомкнутом цикле или перед насосом при замкнутом цикле.
В результате получена критеальная зависимость для расчета коэффициента интенсивности теплообмена для этого аппарата.
Величина поверхности нагрева определялась по уравнению теплообмена
Таким образом, в ЦААНе происходит глубокая очистка дымовых газов от пыли (до 90%). Уловленная пыль может быть возвращена вместе с орошающей водой в производственный процесс.