РАЗРАБОТКА АППАРАТА МОКРОЙ ОЧИСТКИ ВЫБРОСНЫХ ГАЗОВ И УТИЛИЗАЦИИ ИХ ТЕПЛОТЫ

РАЗРАБОТКА АППАРАТА МОКРОЙ ОЧИСТКИ ВЫБРОСНЫХ ГАЗОВ И УТИЛИЗАЦИИ ИХ ТЕПЛОТЫ

Научная статья

Карев А.Н.^1, *, Тюрин М.П.²

^{1, 2} Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (alexcarew777[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье представлен подробный аналитический обзор основных результатов практического применения новых устройств очистки газовых выбросов. Приведены конструктивные схемы и технические параметры аппарата. Этот обзор может облегчить выбор оптимальной конструкции влажного пылеуловителя при проектировании систем газоочистки для конкретных промышленных условий. Также в работе указаны конструктивные особенности аппарата мокрой очистки газов, которые выбрасываются в атмосферу в результате определенной производственной деятельности. Также проведено изучение систем утилизации вторичных ресурсов энергетики применяемых в настоящее время.

Ключевые слова: выбросные газы, отходящие газы парогенераторов, влажный газ, теплота конденсации, нагрев воды, утилизация теплоты отходящих газов, паровой котел, система утилизации вторичных энергетических ресурсов, экономайзер, контактные теплообменники.

DEVELOPMENT OF A DEVICE FOR WET GAS SCRUBBING AND UTILIZATION OF GAS HEAT

Research article

Karev A.N.^1, *, Tyurin M.P.²

^{1, 2} Kosygin Russian State University (Technologies. Design. Art), Moscow, Russia

* Corresponding author (alexcarew777[at]yandex.ru)

Abstract

The article presents a detailed analytical review of the main results of the practical application of new devices for cleaning gas emissions providing the design schemes and technical parameters of the device. This review can facilitate the selection of the optimal design of a wet dust collector when designing gas cleaning systems for specific industrial conditions. The study also indicates the design features of the device for wet cleaning of gases that are released into the atmosphere as a result of certain production activities. Also, the study carries out an analysis of the currently used systems of recycling of secondary energy resources.

Keywords: exhaust gases, waste gases of steam generators, wet gas, condensation heat, water heating, waste gas heat recovery, steam boiler, secondary energy resources utilization system, economizer, contact heat exchangers.

Введение

К сожалению не все виды промышленности оказывают благоприятное воздействие на окружающую среду и человека, так, например, процессы деятельности химической и текстильной промышленности могут сопровождаться выделением ядовитых и вредных газов, пыли и пара. И уже наряду с отработанными газами происходит их выброс в атмосферу, при этом отрицательное воздействие на общую экологическую обстановку только удваивается. Именно поэтому значение очистки выбрасываемых газов в процессе промышленной деятельности невозможно недооценить. Самым популярным и наиболее действенным методом очистки от выбросов пыли можно обозначить скрубберный метод очистки воздуха, именно в тот момент, когда устраняемый воздух обладает сравнительно высоким уровнем температуры. К тому же, особенно эффективным направлением по увеличению глубины утилизации теплоты уходящих от теплотехнологических аппаратов влажного газа и газов парогенераторов выступает применение теплоты конденсации водяных паров, которые находятся в них. На территории России одним из приоритетных и перспективных стратегических направлений является энергосбережение. В процессе написания статьи было выполнено исследование методов повышения продуктивности систем, утилизации и очистки выбросных газов на основании построения моделей и последующим их координированием. Задача актуальна в области систем утилизации вторичных энергоресурсов. Кроме того, статья будет содержать анализ таких задач, которые затрагивают устройство оборудования для решения уставленной цели.

Обзор аппаратов мокрой очистки газов

Разработка и модернизация в отношении систем направленных на утилизацию вторичных энергоресурсов обладает эффективной и наибольшей способностью справиться с разрешением вопросов в энергетической отрасли на основании энергосбережения [1].

К тому же данная тенденция развития относится к одной из самых перспективных стратегических направлений нашего государства.

Непосредственно сама утрата теплоты с отходящими продуктами горения образовывает наибольшее количество тепловых вторичных энергоресурсов парогенераторов. А что касается потери с выбросом влажного газа, который обладает неустойчивым уровнем температуры 120-130°С, в то время как парогенераторы обладая предельным уровнем мощности меньше 0,7 кВт производят выброс дымовых газов при уровне температуры более 200°С – составляет наибольшее количество вторичных энергоресурсов теплотехнологических устройств.

Однако не во всех случаях, при помощи имеющихся способов, возможно уменьшить потерю теплоты, наряду с продуктами сгорания.

Выделим, что касаемо сжигания непосредственно в самих парогенераторах, на основании некоторых признаков, особенно эффективным и продуктивным можно обозначить только газообразное топливо. Данное утверждение вызвано тем, что в результате отсутствия соединений серы, можно охладить продукты сгорания до предельно низкого уровня температуры.

Достоинство применения скрытой теплоты парообразования дымовых газов состоит в том, что можно применить полученный конденсат, что существенно сэкономит воду [2].

Итак, в Таблице 1 обозначим приблизительные условия, для того чтобы предварительно оценить продуктивность и перспективность разнообразных действий в увеличении экономичности в отношении парогенераторов.

 

Таблица 1 – Приблизительные условия продуктивности и перспективности действий в увеличении экономичности паровых котлов

№	Наименование действий	Сбережение	Условия
1.	Сокращение присоса воздуха в газовом тракте на 0,1	0,5	-
2.	Увеличение коэффициента излишка воздуха в топливнике на 0,1	-	0,7
3.	Увеличение t питательной воды при входе в барабан котлоагрегата на 10°С при р = 1,3МПа и У \к а = 0,8	2,0	-
4.	Увеличение t питательной воды при входе в экономайзер водяного типа 10°С, при р = 1,3 МПа и // к а = 0,8	-	0,23 ... 0,24
5.	Нагрев питательной воды в экономайзере водяного типа на 6°С	1,0	-
6.	Сокращение t отходящих газов на 10°С: для сухого топлива … для влажного топлива	0,6 … 0,7	-
7.	Устройство поверхностного экономайзера водяного типа	4 ... 7	-
8.	Применение деаэратора вакуумного типа для котельных использующих газообразный вид топлива	1 ... 1,5	-
9.	Изменяемость содержания углекислого газа находящегося в дымовых газах на основании оптимального количества на 1%	-	0,6
10.	Сокращение горючих веществ при уносе их дымовым газом на 1%	0,3 ... 0,7	-
11.	Вторичное применение уноса в топливник	2 ... 3	-
12.	Применение острого типа дутья	2,1 ... 2,7	-
13.	Изменяемость нагрузки котлоагрегата по направлению сокращения от обозначенной на 10 % меняет потерю тепла в атмосферу ( для котла D = \ От / ч )	-	0,2
14.	Изменяемость нагрузки котлоагрегата по направлению повышения от обозначенной на 10% повышает потерю тепла с отходящими газами	-	0,5 ... 0,6
15.	Образование накипи на внутренней стороне нагревания размером толщины 1 мм	-	2
16.	Применение парового распыления на мазут находящийся в форсунках	-	2 ... 4
17.	Невозврат конденсата на 1т	-	0,02 т.у.т
18.	Применение неизолированного парового провода при давлении пара 0,5МПа	-	0,4 кг/час. усл.т.
19.	Выделение пара через отверстие размером в 1мм. при р = 0,7 МПа	-	3,6 кг/час. усл.т.
20.	Применение притока теплого воздуха исходящего из верхней зоны котлового зала на каждые 10 000 м3	0,013 т.у.т.	-
21.	Уменьшение величины продува	0,3	-
22.	Устройство оборудования по обдуву с целью очистки внешних поверхностей нагревания	2 ... 3	-
23.	Функционирование парового котла в режиме уменьшенного давления от 1,3 до 0,5 Мпа	-	6
24.	Автоматизирование процессов сгорания и питания паровых котлов	1 ... 4	-
25.	Ремонт паровых котлов на основании контрольно-измерительных установок не меньше	3 ... 5	-

 

Применение непосредственно самого теплообменника является достаточно значимым и важным моментом, т.к. именно от его использования зависит, насколько продуктивна будет работа по применению воды, нагрев которой в свою очередь можно выполнить только до конкретного уровня температуры (50 до 60°С)[3].

Также необходимо выделить то, что система по утилизации тепла, находящегося в дымовых газах котельных и типы используемых утилизаторов, выбор которых влияет исходя из источников тепла, возможности применения ресурсов дымового газа, теплопотребителей, типов топлива, структуры дымового газа, обозначающего его агрессивность в отношении устройства котельной.

В целом решение по поводу установки тепловых утилизаторов должно быть основано на обозначении вероятных пользователей вероятного тепла утилизаторов.

Для того чтобы воплотить данное направление в реальность следует выявить определенные потоки воздуха с водой, их степень расходования, а также уровень температуры, до которого возможно нагреть носитель тепла в утилизаторах.

С целью нагрева воды преимущественно низким температурным газом в основном применяются экономайзеры.

Для примера возьмем на рассмотрение блочный контактный экономайзер модели ЭК-БМ1, изображенный на Рисунке 1 [4]. Отметим, что непосредственно сам прибор экономайзер является простым смесительным теплообменником имеющий вид охладительной башни.

Рис. 1 – Блочный контактный экономайзер модели ЭК-БМ1 [4]:

1 – обозначен входной патрубок горячих газов; 2 –штуцер отвода нагретой до необходимой температуры воды; 3 –переливной патрубок, его еще называют переливной трубой; 4 – корпус блочного контактного экономайзера; 5 –люк; 6 – рабочий ряд кольцевых насадок диаметром 50х50х5 мм., которые выложены слоями; 7 –ряд кольцевых насадок, они выложены не слоями, а навалом; 8 –каплеулавливающий насадочный ряд; 9 – люк – взрывной клапан; 10 –патрубок для отведения охлажденных газов; 11 – водораспределитель

  Также важно выделить процесс утилизации дымовых газов парового котла, который представлен на Рисунке 2.  

Рис. 2 – Процесс утилизации дымовых газов парового котла [3]:

1 – паровой котел; 2 –контактный экономайзер; 3 – вентилятор; 4 –теплообменник; 5 –бак с орошающей водой; 6 – бак для горячего водоснабжения; 7 – насос циркуляционный; 8 –насос для горячего водоснабжения

 

Если рассматривать продуктивность представленных контактных экономайзеров, то она зависит от повышения потребления запаса воды. Следовательно, объем нагрева воды данного вида экономайзера должен превосходить потребность химически-очищенной воды в котлах.

Разберем тепловой баланс котла, который функционирует на газе. Так в случае суммирования баланса на основании высокой теплоты горения топлива, баланс отражается следующим уравнением [5]:

в котором q1 – это полезно воспринятое котлом тепло, q2 - потеря тепла с отходящими газами, q3 - потеря тепла с химической неполнотой горения, q5 - потеря тепла в атмосферу кДж/кг.

Рассматривая тепловой баланс котельных устройств, выделим, что его обозначение выполняется на основании наименьшей теплоты горения топлива [6].

Наиболее значимым фактором, влияющим на определение величины, мощность теплового обмена и тип гидравлического режима можно обозначить фактор скорости контактной камеры.

Существует соотношение от общей мощности передачи тепла к показателю, который имеется у нескольких потоков тепла:

• важность передачи физического тепла дымовых газов применительно к самой воде,
• испаряемость воды,
• процесс конденсации парообразования.

Однако достаточно тяжело выявить предельно конкретные показатели теплового обмена относительно теплообменников и экономайзеров, поэтому выделим наиболее основные из них [7].

Выделим то, что самым основным условием растекания воды, выравнивания колец, которые забрасываются навалом и других факторов, от которых зависит данное состояние, выступает предельная продуктивность насадочных частей больших параметров.

Выявлен показатель, от которого зависит массообмен в случае имеющихся количества точек струй и установленном количестве точек 500 на 1 метр сечения в контактной камере, предоставляющий предельное орошение насадочного ряда.

Параметры данного показателя для точно выложенных колец диаметром 50х50х50 мм. сокращаются при сокращении числа струй от 1 (в случае количества струй не меньше 500) до 0,394 (в случае количества струй равном 5).

Рассмотрим развитие аддитивных особенностей различных технологических процессов при помощи теории цепей Маркова, которая изображена на Рисунке 3 [8]. Данный подход затрагивает все большее внимание в настоящее время в случае разработки математических моделей физико-химических и теплофизических действий.

Рис. 3 – Развитие процесса цепью Маркова [8]

 

Выдающийся ученый Бертье А. в свое время создал проект стратегии системного анализа [9], где было определено то, что рабочая величина устройства выделяет ячейку, особенности этой ячейки можно более точно обозначить на основании знаний современной эпохи и эмпирической поддержки.

Итак, после того как ячейка выделилась она начинает выполнять свое строение, т.е. образовывается математическая модель. После чего на основе данной математической модели предполагается определенный алгоритм, направленный на сбор математических моделей одиночных ячеек в объединенную модель процесса, непосредственно который и был проанализирован.

Кроме того, можно выделить такие исследования, которые взаимосвязаны с классификацией моделей ячеек на основании системы цепи, переходной матрицы и преобразованием математических моделей [10].

Математическое устройство моделей ячеек является универсальным, к тому же их использование в качестве обозначения определенных действий исходит из того, что выбор величины состояния и выявления сущности переходных возможностей, которые собраны в матрицу.

Заключение

Таким образом, на основании проведенного анализа источников литературы можно выделить то, что модернизация методик и устройств с целью контактного теплового обмена в структуре утилизации тепла уходящего влажного газа теплоприменяющего оборудования предполагает разрешение существующих проблем оборудования.

На основании проведенного исследования можно выделить направления для будущих исследований касательно данной темы:

1. Произвести распознавание параметров касаемо математической модели теплового массообмена применительно к контактному теплообменнику, используя экспериментальные показатели и выводы промышленных исследований.
2. Выполнить выбор и доказательство условий оптимальности с целью определения порядка использования контактного теплообменника.
3. Провести моделирование условий использования контактного теплообменника и определить воздействие конструктивных и режимных характеристик процесса в отношении его энергопродуктивности.
4. Выполнить анализ нестационарных условий использования контактных теплообменников на основании вычислительного исследования на созданной компьютерной модели.
5. Произвести разработку компьютерного технического способа по расчету действий теплового массообмена касаемо контактных теплообменников с насадкой, которая орошается водой, и определить подходящие эффективные и режимные величины.
6. Выполнить разработку методов оценивания касаемо продуктивности применения тепла уходящих влажных газов, которые применяют тепло устройств с целью нагрева воды, которая применяется в технологическом процессе контактных теплообменников.

Финансирование Грант РФФИ – 20-38-90061 Аспиранты, № Договора 20-38-90061\20 от 31.08.2020 г.	Funding RFBR Grant - 20-38-90061 Postgraduate Students, Contract no. 20-38-90061\20 dated 31.08.2020.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Драгунов Ю.Г. Аналитический обзор информации по теплофизическим свойствам гелиево-ксеноновой газовой смеси и рекомендации по их расчету / Ю.Г. Драгунов, В.П. Сметанников, Б.А. Габараев и др. М., 2012. С. 15-17.
2. Куликова Т.Н. Моделирование теплоотдачи к газовому теплоносителю с пониженным значением числа Прандтля / Т.Н. Куликова, П.В. Марков, В.И. Солонин // Машиностроение и компьютерные технологии. 2015. №6. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-teplootdachi-k-gazovomu-teplonositelyu-s-ponizhennym-znacheniem-chisla-prandtlya (дата обращения: 10.01.2021).
3. Марков П. В. К вопросу о численном расчете теплоотдачи от стержневых тепловыделяющих элементов ядерных реакторов ВВЭР / П. В. Марков // Машиностроение и компьютерные технологии. 2014. №11. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-o-chislennom-raschete-teplootdachi-ot-sterzhnevyh-teplovydelyayuschih-elementov-yadernyh-reaktorov-vver (дата обращения: 10.01.2021).
4. Д 26 –14 –88. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов.
5. Chen W. Nonlinear vortex-viscous modeling of transition boundary layers related to the aerodynamics of turbomachines / W. Chen // International Journal of Heat and Fluid Flow. 1998. Volume 19, No. 4. pp. 297-306. DOI: 10.1016/S0142-727X(97)10012-1
6. Weigand, B. An Extended Kays and Crawford Turbulent Prandtl Number Model / B. Weigand, , J.R. Ferguson, E. Crawford// International Journal of Heat Mass Transfer, 1997, volume 40, No. 17, pp. 4191-4196. DOI: 10.1016/S0017-9310(97)00084-7
7. Жуков А.В. Теплообмен и температурные поля твэлов в активных зонах ВВЭР / А.В. Жуков, А.П. Сорокин, Ю.А. Кузина // 5-я Международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»: матер. ОКБ «Гидропресс», 29 Мая - 1 Июня 2007. ОКБ «ГИДРОПРЕСС»: сайт.
8. Кириллов П. Л. Справочник по теплогидравческим расчетам в ядерной энергетике. Том. 1. Теплогидравлические процессы в ядерных энергетических установках / П. Л. Кириллов, В. П. Бобков, А. В. Жуков. - М.: Изд-во, 2010. - 776 с.
9. Tuncer Cebeci. Analysis of turbulent flows / Tuncer Cebeci // Elsevier Science, 2004. 260 p.
10. STAR-CCM+ version 8.06. [user manual ]. CD-adapco Group, 2014.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dragunov Yu. G. Analiticheskijj obzor informacii po teplofizicheskim svojjstvam gelievo-ksenonovojj gazovojj smesi i rekomendacii po ikh raschetu [Analytical review of information on the thermophysical properties of a helium-xenon gas mixture and recommendations for their calculation] / Yu. G. Dragunov, V. P., B. A. Gabaraev et al. Moscow, 2012, pp. 15-17 [in Russian]
2. Kulikova T. N. Modelirovanie teplootdachi k gazovomu teplonositelju s ponizhennym znacheniem chisla Prandtlja [Modeling of heat transfer to a gas coolant with a reduced value of the Prandtl number] / T. N. Kulikova, P. V. Markov, I. Solonin // Mashinostroenie i komp'juternye tekhnologii [Mechanical engineering and computer technologies]. 2015. №6. [Electronic resource]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-teplootdachi-k-gazovomu-teplonositelyu-s-ponizhennym-znacheniem-chisla-prandtlya (accessed: 10.01.2021) [in Russian]
3. Markov P. V. K voprosu o chislennom raschete teplootdachi ot sterzhnevykh teplovydeljajushhikh ehlementov jadernykh reaktorov VVEhR [On the question of numerical calculation of heat transfer from core fuel elements of VVER nuclear reactors] / P. V. Markov // Mashinostroenie i komp'juternye tekhnologii [Mechanical engineering and computer technologies]. 2014. №11. [Electronic resource]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-o-chislennom-raschete-teplootdachi-ot-sterzhnevyh-teplovydelyayuschih-elementov-yadernyh-reaktorov-vver (accessed: 10.01.2021) [in Russian]
4. D 26 -14 -88 Sosudy i apparaty. Normy i metody rascheta na prochnost'. Ehlementy teploobmennykh apparatov [Vessels and apparatuses. Norms and methods of strength calculation. Elements of heat exchangers] [in Russian]
5. Chen W. Nonlinear vortex-viscous modeling of transition boundary layers related to the aerodynamics of turbomachines / W. Chen // International Journal of Heat and Fluid Flow. 1998. Volume 19, No. 4. pp. 297-306. DOI: 10.1016/S0142-727X(97)10012-1
6. Weigand, B. An Extended Kays and Crawford Turbulent Prandtl Number Model / B. Weigand, , J.R. Ferguson, E. Crawford// International Journal of Heat Mass Transfer, 1997, volume 40, No. 17, pp. 4191-4196. DOI: 10.1016/S0017-9310(97)00084-7
7. Zhukov A.V. Teploobmen i temperaturnye polja tvehlov v aktivnykh zonakh VVEhR [Heat exchange and temperature fields of fuel elements in VVER active zones] / A. V. Zhukov, A. P. Sorokin, Yu A. Kuzina // 5-ja Mezhdunarodnaja nauchno-tekhnicheskaja konferencija «Obespechenie bezopasnosti AEhS s VVEhR»: mater. OKB «Gidropress» [5th International Scientific and Technical Conference "Ensuring the safety of nuclear power plants with VVER": mater. OKB "Gidropress"], May 29 - June 1, 2007. OKB "GIDROPRESS": website [in Russian]
8. Kirillov P. L. Spravochnik po teplogidravcheskim raschetam v jadernojj ehnergetike. Tom. 1. Teplogidravlicheskie processy v jadernykh ehnergeticheskikh ustanovkakh [Handbook of thermal and hydraulic calculations in nuclear power engineering. Volume 1. Thermohydraulic processes in nuclear power plants] / P. L. Kirillov, V. P. Bobkov, A. V. Zhukov et al. - M, 2010. - 776 p. [in Russian]
9. Tuncer Cebeci. Analysis of turbulent flows / Tuncer Cebeci // Elsevier Science, 2004. 260 p.
10. STAR-CCM+ version 8.06. [user manual ]. CD-adapco Group, 2014.