На правах рукописи ЗИЯТДИНОВА ЛИЛИЯ РАШИТОВНА ПОГЛОЩЕНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В ПОЛЫХ ВИХРЕВЫХ АППАРАТАХ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет». <...> В настоящее время остро стоит проблема техногенных выбросов в атмосферу парниковых газов (метана, закиси азота, диоксида углерода), основная доля которых приходится на СО2, что может послужить причиной серьезных изменений климата. <...> Основным источником техногенного поступления диоксида углерода в атмосферу являются дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива в промышленном производстве. <...> В связи с этим, в подавляющем большинстве существующих в России и за рубежом установок улавливания СО2 применяется хемосорбция его из газов этаноламинами (в большинстве случаев моноэтаноламином). <...> В качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование барботажного и насадочного типов. <...> Однако такое абсорбционное оборудование допускает устойчивую работу только при низких скоростях газовой фазы, обычно не превышающих 2 – 2,5 м/c, что при очистке больших объемов дымовых газов обуславливает либо большие габаритные размеры аппаратов, сложность их монтажа и транспортировки, снижение эффективности из-за неравномерности распределения фаз в их поперечном сечении, либо приводит к необходимости использования большого количества параллельно работающих аппаратов. <...> Указанных проблем можно избежать при использовании полых аппаратов вихревого типа, которые устойчиво работают при скоростях газа до 30 м/с, имеют малые габаритные размеры. <...> Аппараты такого типа могут быть применены также для охлаждения газов перед очисткой. <...> Однако их применение для поглощения диоксида углерода <...>
Поглощение_диоксида_углерода_из_дымовых_газов_в_полых_вихревых_аппаратах.pdf
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время остро стоит проблема техногенных
выбросов в атмосферу парниковых газов (метана, закиси азота, диоксида углерода),
основная доля которых приходится на СО2, что может послужить причиной
серьезных изменений климата. Темпы прироста концентрации диоксида углерода
в атмосфере в последнее время увеличиваются в геометрической прогрессии.
Основным источником техногенного поступления диоксида углерода в атмосферу
являются дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива в промышленном
производстве. Основным путем решения проблемы является улавливание диоксида
углерода из дымовых и промышленных газов с последующей его переработкой
или захоронением.
Существует широкий диапазон способов эффективного выделения СО2 из
дымовых газов, но учитывая их значительные объемы, наиболее выгодным является
использование аминной очистки. В связи с этим, в подавляющем большинстве
существующих в России и за рубежом установок улавливания СО2 применяется
хемосорбция его из газов этаноламинами (в большинстве случаев моноэтаноламином).
В качестве абсорберов, как правило, применяется традиционное оборудование
барботажного и насадочного типов. Однако такое абсорбционное оборудование
допускает устойчивую работу только при низких скоростях газовой фазы,
обычно не превышающих 2 – 2,5 м/c, что при очистке больших объемов дымовых
газов обуславливает либо большие габаритные размеры аппаратов, сложность их
монтажа и транспортировки, снижение эффективности из-за неравномерности
распределения фаз в их поперечном сечении, либо приводит к необходимости использования
большого количества параллельно работающих аппаратов.
Указанных проблем можно избежать при использовании полых аппаратов
вихревого типа, которые устойчиво работают при скоростях газа до 30 м/с, имеют
малые габаритные размеры. Аппараты такого типа могут быть применены также
для охлаждения газов перед очисткой. Однако их применение для поглощения диоксида
углерода из газов и охлаждения последних сдерживается отсутствием надежных
научно-обоснованных методик расчета.
Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ "Исследование и моделирование
гидродинамики и тепломассообмена в двухфазных и газожидкостных закрученных
потоках" (проект № 05-08-50125, 2005-2007 гг.) и государственного контракта
№ 02.516.11.6040 "Разработка технологических способов выделения СО2 из
генераторного газа газификационных установок, предназначенных для энерготехнологической
переработки угля, с применением прямоточных аппаратов вихревого
типа с последующей утилизацией или захоронением" в рамках федеральной целевой
программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы".
Цель работы и основные задачи исследования. Цель работы заключалась
в теоретическом и экспериментальном исследовании процессов тепло- и массообмена
в полых вихревых аппаратах при поглощении диоксида углерода из дымовых
газов и охлаждении газов перед очисткой, а также создании на их основе научнообоснованных
методов расчета вихревых охладителей и абсорберов.
В непосредственные задачи исследования входило:
− Разработка математического описания массообмена в полом вихревом абсор3
Стр.3
бере при поглощении диоксида углерода из дымовых газов;
− Численное и экспериментальное исследования процесса поглощения диоксида
углерода из дымовых газов в полом вихревом абсорбере;
− Разработка математического описания тепло- и массообмена в полом вихревом
аппарате при охлаждении высокотемпературных газов;
− Численное исследование процесса охлаждения высокотемпературных газов в
полом вихревом аппарате;
− Разработка принципиальной технологической схемы выделения диоксида углерода
из дымовых газов с применением оборудования вихревого типа и выявление
направлений использования выделенного углекислого газа.
Научная новизна работы. Разработано математическое описание процессов
тепло- и массообмена при поглощении диоксида углерода водным раствором
моноэтаноламина и охлаждении высокотемпературных дымовых газов в полых
вихревых аппаратах. В результате численных исследований определены зависимости
эффективности вихревых абсорбера и охладителя от технологических и конструктивных
параметров. В результате проведенных численных расчетов движения
испаряющихся капель в закрученном потоке газа получены данные о траекториях,
скоростях и степенях испарения капель различного диаметра в полых вихревых
аппаратах. Экспериментальным путем определены закономерности поглощения
СО2 водным раствором моноэтаноламина в вихревых аппаратах при изменении
начальных содержаний диоксида углерода в газовой и жидкой фазах при различных
степенях орошения.
Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается использованием
фундаментальных законов гидродинамики, тепло- и массообмена и
общепринятых методов экспериментального исследования, а также хорошим совпадением
полученных в работе расчетных и экспериментальных данных.
Практическое значение работы. Обоснована целесообразность использования
полых вихревых аппаратов для поглощения диоксида углерода методом хемосорбции
из дымовых газов и охлаждении газов при подготовке их к очистке.
Предложена схема выделения СО2 из дымовых газов с применением полых вихревых
аппаратов. Получен патент на полезную модель аппарата для контактирования
сред. Пакет прикладных программ расчета процессов хемосорбции и охлаждения
газов путем контакта их с распыленной жидкостью в полых вихревых аппаратах
принят к внедрению ОАО «Волжский научно-исследовательский институт
углеводородного сырья» (ВНИИУС).
На защиту выносятся:
- Математические описания процессов поглощения диоксида углерода из дымовых
газов и охлаждения высокотемпературных газов в полом вихревом аппарате;
- Результаты численного исследования эффективности полого вихревого аппарата
при поглощении диоксида углерода из дымовых газов и охлаждении высокотемпературных
газов;
- Результаты экспериментального исследования эффективности полого вихревого
аппарата при поглощении диоксида углерода из газовой смеси.
Личное участие. Все результаты работы получены лично автором под руководством
д.т.н., профессора Николаева А.Н.
4
Стр.4