Установки термообезвреживания газовых выбросов

Газы сжигают на установках с открытым факелом или в печах различных конструкций. Прямое сжигание осуществляют при 700…800°С с использованием газообразного или жидкого топлива. Для сжигания необходим избыток кислорода на 10…15% больше стехиометрического количества. Если теплоты сгорания углеводородов достаточно, чтобы теплота реакции превышала 1,9 МДж/м3, газы также сжигают в факеле. Чтобы пламя факела было некоптящим, добавляют воду в виде пара. В этом случае происходит реакция водяного пара с углеводородами, сопровождаемая образованием водорода и оксида углерода. Количество пара в зависимости от концентрации углеводородов колеблется от 0,05 до 0,33 кг/кг.

Если концентрация горючих газов мала и выделяющегося тепла недостаточно для реакции сгорания, то газы предварительно подогревают.

Термоокислительное обезвреживание концентрированных газов проводится в установках, которые обычно состоят из топочных и горелочных устройств с дымоходами для отвода продуктов сгорания и теплоутилизаторами.

Конструкция нейтрализатора должна обеспечивать нейтрализацию токсичного продукта. Для этого время пребывания его в нейтрализаторе составляет 0,1…1,0 с. Температура сжигания на 100…150^оC превышает температуру самовоспламенения.

Конструкции топочных устройств для печей термообезвреживания можно разделить на камерные, циклонные, шахтные и барабанные. Наиболее распространены вертикальные и горизонтальные камерные, а также циклонные горизонтальные конструкции.

Камерная печь - для сжигания газообразных отходов.

В циклонных печах организуется вращательно-поступательное движение продуктов горения, что обеспечивает большее время пребывания обрабатываемых газов, чем в камерных печах таких же габаритов. Они могут быть прямоугольного или круглого сечения. Вертикальные прямоугольные конструкции имеют худшее заполнение объема топки дымовыми газами по сравнению с горизонтальными топками круглого сечения. В камерных топках возможно устройство дополнительных сводов, повышающих температуру в реакционной зоне, что невозможно выполнить в циклонных печах. В конечном счете конструкция и габариты топочного устройства выполняются такими, чтобы обеспечить требуемое время пребывания отбросных газов в зоне высоких температур.

Тип горелочного устройства для установок термообезвреживания и схему подвода отбросных газов выбирают в зависимости от их состава. Газовые выбросы с высоким содержанием кислорода, которые могут быть использованы в качестве дутьевого воздуха, выгоднее всего подавать в воздушные тракты дутьевых газогорелочных устройств. Богатые горючим газовые выбросы с низким содержанием (или отсутствием) кислорода можно подавать непосредственно в газовые и воздушные тракты дутьевых горелок.

Горелки инжекционного типа для этих целей практически непригодны из-за нестабильности состава выбросов. В то же время инжекционные горелки, работающие на топливном газе стабильного состава, находят применение в качестве пилотных (поддерживающих горение) устройств.

Высокая температура в зоне горения таких горелок обеспечивает термоокисление загрязнителя при колебаниях состава обрабатываемых газов.

Кроме того, они не требуют затрат электроэнергии на подачу воздуха для горения.

Одна из конструкций факельной горелки с паровыми дюзами показана на рис. 1, горелка для сжигания галогенсодержащих примесей представлена на рис. 2.

Из диффузионных горелок заслуживает внимания достаточно простаяконструкция, представляющая собой перфорированную трубу, установленную в потоке отбросных газов так, что газовые факелы, выходящие из отверстий, развиваются в ее аэродинамическом следе, за счет чего обеспечивается устойчивость газового факела при высоких значениях коэффициентов избытка воздуха. В результате через горелочное устройство удается пропустить большое количество отбросных газов при незначительном расходе топливного газа. Однако при больших избытках воздуха средняя температура газов становится ниже температуры самовоспламенения паров органических соединений, вследствие чего термоокислению будут подвержены лишь частицы, непосредственно соприкасавшиеся с факелом. В то же время такое устройство может быть эффективно использовано и при более высоких избытках воздуха, если на обезвреживание поступают горячие газовые выбросы.

Рис. 1. Факельная горелка с паровыми дюзами:

1 – дежурная горелка; 2 – воздушная труба; 3 – защитный козырек; 4 –корпус факельной горелки; 5 – паровая дюза; 6 – карман для термопары.

Рис. 2. Горелка для сжигания галогенсодержащих газов в атмосфере инертного газа:

1 – внутренний корпус горелки; 2 –отверстие для выхода газообразных отходов; 3 – внешний корпус горелки; 4 – отверстие для выхода инертного газа; 5 – канал для смесиинертного газа и газовых отходов; 6– ввод инертного газа; 7 – игла; 8 –ввод природного газа; 9 – кольцевое пространство для природного газа; ъ10 – штуцер для подачи инертного газа; 11 - кольцевое пространство для инертного газа.

 

17. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Экологическое совершенство очистного оборудования определяется отношением достигаемого уровня обезвреживания и экологически приемлемого уровня загрязнения биосферы. Объективным критерием последнего служит темп естественного изменения качества атмосферы, характеризуемый параметром изменчивости R:

где С₀ и τ – начальная концентрация вещества и время наблюдения за ее изменением.

Оценка эффективности работы очистных устройств по ПДК удобна, но экологически малоинформативная. Однако не это препятствует распространению санитарно-гигиенического метода оценки эффективности очистных устройств, основанного на сравнении достигаемого уровня обезвреживания с ПДК. Неувязка в том, что обработка выбросов современными методами позволяет уменьшить концентрации вредных примесей более чем на 95%, и все же их значения остаются на 4…5 и более порядков выше нормативов ПДК.

Дальнейшее понижение концентраций загрязнителей до уровня, сопоставимого с ПДК, обошлось бы слишком дорого.

Так, например, минимальное количество энергии, необходимое для конденсации единицы массы (1 кг) гомогенной примеси, численно равно работе процесса изотермического обратимого сжигания ее объема от парциального давления p_п до давления насыщения p_нас:

где A – работа сжатия, Дж/кг; R – газовая постоянная, Дж/(кг К); T – абсолютная температура смеси, К.

Приняв по порядку величины давления газовых выбросов и p_нас близкими к атмосферному, а ПДК_сс загрязнителя порядка 10^-5 % об. (10^-7 об.долей), вычислим соотношение затрат энергии К на компрессию примеси с концентрацией, сравнимой с ПДК_сс, например, 10^-4 % об. (10^-6 об.долей). Парциальные давления примеси в рассматриваемых случаях составят: p₁ =101325·10^-6 = 0,1013 Па и p₂ = 101325·10^-3 = 101,325 Па, а соотношение затрат энергии будет равно:

Таким образом, энергетические затраты на удаление одинакового количества загрязнителя посредством конденсации логарифмически возрастают с понижением его концентрации. Аналогичная зависимость характерна и для сорбционных методов очистки, основой которых также является конденсация примесей.

Химические (в том числе и термоокислительные) методы обработки выбросов характеризуются ростом затрат энергии с понижением начальных концентраций загрязнителей как на единицу обрабатываемой массы, так и на процесс в целом вследствие уменьшения скорости реакции:

где α и β – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции с исходными реагентами А и В; w и k – скорость и константа скорости прямой реакции.

Для обеспечения прежней степени завершенности при замедлении превращения веществ необходимо повысить температурный уровень процесса, компенсируя коэффициент проскока загрязнителя через n-ый аппарат; понижение концентрации обеспечивается увеличением константы скорости реакции или интенсифицировать процесс за счет подвода механической энергии.

В ряде случаев для очистки пылегазовых выбросов применяют термохимические, термокаталитические, хемосорбционные и другие способы обработки, которые по сути являются скомбинированными из рассмотренных выше. Процессы, происходящие при этом, будут иметь еще более сложный характер, однако принцип возрастания затрат энергии с увеличением глубины очистки справедлив и для них.

По этой причине уровень обезвреживания пылегазовых выбросов устанавливается исходя из экономических соображений, а не по экологическим или санитарно-гигиеническим требованиям.

В экономически допустимых пределах совершенство современных пылегазоочистных устройств принято оценивать по степени (коэффициенту) очистки:

где M_н, C_н, V_н – масса, средняя концентрация загрязнителя и расход газовых выбросов до очистки; M_к, C_к, V_к – то же, после очистки.

В ряде конкретных случаев можно принять с достаточной для практических расчетов точностью V_н= V_к; тогда

Если отбросные газы последовательно обрабатываются в нескольких аппаратах, то коэффициент очистки определяют из выражения:

Где ε_п = 100-η _п – коэффициент проскока загрязнителя через n-ый аппарат; η _п – коэффициент очистки в n-ом аппарате; N – количество аппаратов.