Спосіб і скрубер для приведення у контакт газів і рідких крапель для масо- і/або теплообміну

1. Спосіб контакту газів і рідких крапель для масо- і/або теплообміну в скрубері (3), в якому рідина уприскується в протитечії газу (1) на декількох рівнях, причому газ подається щонайменше через два вхідні отвори (2) в корпусі скрубера (3), причому протікання газу біля вхідних отворів (2) так направлено всередину скрубера, який має діаметр, що більше або дорівнює 12 м, зокрема більше 20 м, що напрямки протікання щонайменше двох газових потоків (1) при їх продовженні всередину скрубера перетинаються, зокрема, на ділянці від центру скрубера до половини радіуса скрубера за центром скрубера, який відрізняється тим, що є точно два вхідні отвори (2), причому кут між обома потоками газу (1) біля входу складає від 45° до 120°. C2 2 (19) 1 3 86998 4 - для масообміну між газами і рідиною (абсорлення шкідливих речовин з димового газу (або бція, десорбція), наприклад, для абсорбції шкідлиефективність насичення димовими газами у разі вих речовин з відпрацьованих газів, наприклад, кондиціонування газу). Важливим параметром тут для знесірчування димових газів (відкриті скрубеє розподіл газу за часом перебування в зоні контари) з кислих відпрацьованих газів із процесів гокту. Він визначає середню тривалість контакту газу ріння в промисловій сфері, з електростанцій або з з промивною рідиною. установок по спалюванню відходів, або На відміну від ідеальної течії, яка передбача- для кондиціонування газу, насичення газів ється при технологічних інтерпретаціях, в реальвологою або охолоджування газів, зокрема, димоному скрубері немає рівномірної швидкості руху вих газів. газу вгору або по осі. Тобто, по перерізу скрубера При цьому йдеться про спосіб, при якому проутворюються різні осьові швидкості, які можуть мивна рідина або вода вводиться під тиском у визначно відрізнятися від середньої швидкості. гляді крапель у, як правило, гарячий газовий потік. У скруберах промислового масштабу на робоВинахід є застосовним для звичайних складів диту апарату впливає перш за все час перебування мових газів або типових температур порядку газу. Неоднорідний розподіл газу в зоні контакту 200°С. веде до неоднорідної тривалості контакту між фаПід самим широко вживаним способом маєтьзами. Результатом є знижений або незбалансовася на увазі спосіб мокрого очищення на основі ний по перерізу скрубера масообмін, який у разі водної вапняно-гіпсової суспензії. При цьому як знесірчування димових газів може виявлятися як промивна рідина використовується суспензія з локальна висока залишкова концентрація SO2 в води, гіпсу і вапняку. Вміст твердої фази в суспеночищеному газі. При вживанні для кондиціонуванзії складає, як правило, 10 ваг. %. Вона складаєтьня димового газу це приводить до утворення ся з переважаючої частини з гіпсу з долею вапняку окремих газових струменів у кондиціонованому в твердій фазі, який служить абсорбентом, 2димовому газі, які все ще мають підвищену темпе3ваг.% В літературі є огляд по цьому способу, див. ратуру. Вони можуть зіпсувати подальші чутливі Soud Η.Ν., Takeshita M., FGD handbook, IEA Coal до високої температури апарати або негативно Research, London, 1994. Більш свіжий реферат по вплинути на їх роботу. способам знесірчування димових газів можна Час перебування газу визначається, по-перше, знайти у звіті Міністерства торгівлі і промисловосвидом і способом введення крапель, неоднорідне ті: "Технології знесірчування димових газів (FGD)", зрошування промивною рідиною приводить до Звіт про стан технології 012, різного опору течії по перерізу скрубера, що виhttp://www.dti.gov.uk/ent/coal, 03/2000. кликає відхилення газу в зону з малою втратою Для абсорбції звичайно використовується ідея напору. Як наслідок, для цього парціального потоапарату відкритого скрубера. При цьому у скрубер, ку газу також зменшується взаємодія з уприскуваякий, згідно з останнім рівнем техніки, має круглий ною рідиною. переріз, газ уводиться у нижню частину зони конДругим важливим чинником повинен вважатитакту і проводиться вгору через промивну зону ся тип введення газу в зону контакту. Особливо у Зона контакту, звана у разі знесірчування зоною скруберів великого діаметра підвищений вплив поглинання, виконана з декількома рівнями розпимає поперечний рух газу в зоні контакту, який нелення (обсадні труби на різній висоті, на кінцях обхідний для рівномірного розподілу газу по переяких встановлені розпилювальні сопла) і знахорізу скрубера. Співвідношення між діаметром D диться між поверхнею куба і найвищим рівнем скрубера і висотою Η зони контакту коливається в розпилення. Промивна рідина у вигляді крапель звичайних випадках в діапазоні D/H = 0,40-1,10. уприскується під тиском через різні рівні розпиУ звичайних скруберів введення газового полення у висхідний газовий потік у протитечії йому і току здійснюється через один прямокутний вхід у після проходження через димовий газ збирається скрубер з круглою основою. Кривизна скрубера у куб скрубера, що лежить нижче. Циркуляція рідобумовлює те, що шари газу біля бічних стінок кого потоку здійснюється при цьому за допомогою газового каналу, що входить в них, проходять по циркуляційного насоса, який просуває суспензію горизонталі далі, ніж шари в середині. Тим самим від куба скрубера на висоту рівнів розпилення. газовий потік в середині входу може раніше почаПри цьому в більшості скруберів димовий газ ти рухатися вгору, ніж у крайових зонах. Частина уводиться через один канал димового газу збоку і газового потоку біля бічного краю входу просуварадіально у нижню частину зони контакту абсорється далі у скрубер і посилює ефект, який у виробера. Єдиний вхідний отвір має таку площу попебництві промислового устаткування називається речного перерізу, щоб вхідна швидкість при мак"крайовою рухомістю" скрубера. При цьому йдетьсимальному потоці димового газу лежала в ся про понижений вміст промивної рідини в приобласті 15 м/с. стінній зоні через осідання крапель з близьких до Рідина розпилюється за допомогою однокомстінки насадок на стінку апарату. Навпаки, внутріпонентної насадки, і велика частина крапель рухашня частина скрубера має підвищену об'ємну часється до осадження на стінку промивача або до тину рідкої фази, оскільки там краплі можуть далі низу скрубера у напрямі падіння у протитечії газу. рухатися по траєкторії через зону контакту, перш Взаємодія між газом і диспергованою рідиною, ніж вони зберуться в кубі скрубера. що одержується в результаті цього, дає при роботі Разом з підвищеними швидкостями газу біля багатофазну течію, яка істотно позначається на стінки скрубера в цих областях помітно погіршений масо- і/або теплопереносі між фазами. У разі абступінь розділення і локально можуть встановлюсорбції SO2 цим визначається інтенсивність віддіватися підвищені залишкові концентрації SO2 в 5 86998 6 очищеному газі. В апаратах меншого розміру може За наявності тієї відмітної ознаки, що напрямдійти навіть до протікання критичних течій біля ки протікання щонайменше двох газових потоків (у стінки скрубера, коли через зміну напрямку біля вхідних отворів) при їх продовженні всередину стінки скрубера можуть виникнути небажано високі скрубера перетинаються, в середній точці течія швидкості підйому газу. зупиняється. Особливо переважним для досягДалі, через протікання газу через звичайний нення ефекту згідно з винаходом виявилося полорадіальний вхід по перерізу виникає вирівнювальження точки перетину на ділянці від центру скруний вихор. Турбулентна течія приводить до зменбера до половини радіусу скрубера за центром шення кінетичної енергії, що є в газі. Дисипація, скрубера (якщо дивитися у напрямі течії). вироблювана турбулентністю, має також місце в В комбінації з горизонтальним введенням газу області, де в двофазному стані опір течії через тут виникає та перевага, що досягається якомога рідкі краплі найбільший. Рух газу небажано сповівелика глибина проникнення газу. Тим самим стає льнюється в області, в якій газ вже пройшов велиможливим більш рівномірний розподіл газу у скрукий шлях через зону контакту. Крім того, там газ берах великого діаметра. випробовує підвищений опір через високу об'ємну Для кута між осями симетрії входів газу підхочастину фази крапель, і при роботі зберігається дить діапазон від 45° до 120°, який підбирається додатково прагнення газу відхилятися назовні. В залежно від розміру скрубера. Шляхом підбору горизонтальному перерізі скрубера неминуче реакута між введеннями газу і підбору вхідної швидлізується нерівномірна тривалість контакту з дискості газу можна погоджувати глибину проникненперсною промивною рідиною з вже вказаними пісня газового потоку з розміром скрубера або діамелядіями для масообміну. тром скрубера. Схожі проблеми виявляються також у скрубеУ разі скруберів меншого діаметра кут підвира з документу DE 100 58 548 С1, де газ вводиться щується, і є взаємодія парціальних газових потоків у скрубер тангенціально через два окремі лежачі один з одним, що саме при підвищеній вхідній один проти одного газові канали. Там в нижній швидкості газу викликає зменшення горизонтальчастині зони абсорбції встановлюється горизонтаної швидкості газу або глибини проникнення у льний циркулюючий потік. скрубер. Таким чином, небезпека небажаних криТому задачею винаходу є зменшити різницю в тичних течій біля стінки скрубера щонайменше часі контакту і направити вхідний димовий газ пемінімізується, а звичайно зовсім запобігається. реважно у внутрішню частину скрубера з підвищеЧим більше діаметр скрубера, тим менше кут ною частиною промивної рідини. між входами і тим вище буде вибиратися вхідна Ця задача вирішується способом по пункту 1 швидкість. Залежно від необхідної інтенсивності або пристроєм по пункту 4 формули винаходу. розділення рідка дисперсна фаза здійснює при Завдяки тому, що газ уводиться щонайменше роботі, через різні об'ємні потоки і різні співвідночерез два вхідні отвори в корпусі скрубера так, що шення газ-рідина (відносини L/G), різний гідродинапрямки протікання щонайменше двох газових намічний опір. потоків при їх продовженні всередину скрубера Внаслідок цього можна також зменшити площу перетинаються, ділянка, в якій газ протікає біля вхідного отвору для газу. Крім того, гирлові перерівикривлених стінок скрубера, мінімізується і, таким зи вхідних отворів разом мають меншу кривизну чином, тривалість горизонтального руху газу біля біля стінки скрубера (або вимагають меншого кустінки скрубера зменшується. Тим самим зменшута), ніж відповідний гирловий переріз окремого ється крайова рухомість. вхідного отвору. Завдяки цьому можна отримати Додатково потік газу сильніше відхиляється зменшення будівельних і технічних витрат у поріввсередину скрубера до зон з більш високою часнянні із звичайною конструкцією, наприклад, через тиною рідини. Відбувається більш інтенсивна взаменшу ширину крізних гирл при рівних площах ємодія ще неочищеного або некондиціонованого входу потрібні менші статичні опори у вхідних димового газу з рідиною всередині зони контакту, отворах (підтримуючі конструкції). де також є підвищена об'ємна частина рідкої фази. Для вхідної швидкості вигідний діапазон 10-25 Нарешті, протікання газу створює горизонтам/с, зокрема, діапазон від 14 до 16 м/с у вхідному льний вихор у скрубері, при якому газ, який все ще перерізі. При нормальній роботі вхідні швидкості має підвищену кінетичну енергію, може проникнуабо об'ємні потоки газу на вході у скрубер розрізти в чутливу пристінну зону скрубера тільки після няються трохи. Проте різниця швидкостей між проходження через центр скрубера, має більш окремими входами може складати до 50%, не високий вміст крапель. Тим самим посилюється здійснюючи негативного впливу на спосіб згідно з взаємодія між фазовими компонентами, що також винаходом. має наслідком поліпшення масообміну. Час переВинахід особливо підходить для скруберів вебування газу в зоні контакту завдяки індукованій ликого перерізу, а саме для діаметрів скрубера горизонтальній течії поліпшується. Тим самим вибільше або таких, що дорівнюють 12 м, зокрема, нахід дозволяє отримати більш ефективне ввебільше 20 м, оскільки тут вказані на початку продення газу у скрубери. блеми стають особливо значними. Наступною перевагою слід назвати те, що моДля ілюстрації винахід пояснюється на одному жна підвищити вхідну швидкість газу без небезпеприкладі здійснення за допомогою фігур 1-8: ки виникнення біля стінок критичних течій, оскільки Фіг.1 показує скрубер згідно з рівнем техніки парціальні газові потоки з найвищими горизонтаФіг.2 показує схемно введення газу в скрубер льними швидкостями направлені у внутрішню обзгідно з винаходом ласть скрубера. 7 86998 8 Фіг.3 є видом скрубера згідно з винаходом На нижньому малюнку (Фіг.5b) протікання газу (зліва) і звичайного (справа) представлено у вигляді векторної діаграми. Розмір Фіг.4 показує горизонтальну проекцію скрубеі напрямок окремих векторів є мірою величини і ра згідно з винаходом (справа) і звичайного (зліва) напрямку протікання газу в цій точці. Фіг.5 показує картину течії в звичайному скруНа Фіг.6 показаний поздовжній переріз скрубебері на висоті входу газу ра в площі симетрії (тобто, через середину газовоФіг. 6 показує картину течії в звичайному скруго каналу). Пунктирні лінії на верхньому зображенбері у поздовжньому розрізі входу газу ні (Фіг.6а) знову показують лінії струму газового Фіг.7 показує картину течії в скрубері згідно з потоку, сірий відтінок фону є мірою швидкості газу, винаходом на рівні входу газу для чого зліва знову дана шкала із співвідношенФіг.8 показує картину течії в скрубері згідно з ням з конкретними значеннями швидкості. винаходом у поздовжньому розрізі. На нижньому малюнку (Фіг.6b) протікання газу На Фіг.1 представлений звичайний відкритий представлено як векторна діаграма. Розмір і наскрубер для знесірчування димових газів з єдиним прямок окремих векторів є мірою величини і нарадіальним введенням газу. Скрубер має круглу прямку протікання газу в цій точці. основу і циліндровий корпус. Неочищений газ 1 З обох Фіг.5 і 6 ясно, що .через кривизну скрувходить через єдиний вхідний отвір 2 горизонтабера шари газу біля бічних стінок примикаючого льно в область контакту скрубера 3. У скрубер з газового канапу проходять далі по горизонталі, ніж розпилювальних насадок 4 уприскується суспеншари в середині (Фіг.5). Тим самим газовий потік в зія, яка збирається в кубі 5 скрубера. Він насищасередині вхідного отвору раніше почне рухатися ється газом за допомогою окислювального повітря вгору, ніж в крайових зонах (Фіг.6). Парціальні га6. З одного боку куба 5 частина суспензії знову зові потоки у бічного краю вхідного отвору просупроводиться циркуляційними насосами на розпиваються далі у скрубер і посилюють ефект "крайолювальні сопла 4, а з другого боку зайва суспензія вої рухомості", як вже пояснювалося спочатку. по лінії 8 відводиться на гідроциклон. Далі до куба З Фіг.5 видний вирівнювальний вихор, створю5 подається свіжа суспензія 7. Вище за розпилюваний в перерізі протіканням газу через звичайний вальні насадки газ очищується промивною водою радіальний вхід в перерізі. Рух газу там безумовно 9, а також після виходу із скрубера 3 - промивною сповільнений. водою 10, перш ніж він буде відведений як очищеНа Фіг.7 показано горизонтальний переріз ний газ 11. скрубера згідно з винаходом на половині висоти Скрубер згідно з винаходом з Фіг.2 відрізнягазового каналу 12 або вхідних отворів 2. А саме, ється від скрубера з Фіг.1 тим, що він має два на верхньому малюнку (Фіг.7а) пунктирні лінії зноокремі газові канали 12, кожний з яких примикає ву указують лінії струму газового потоку, відтінок до відповідного вхідного отвору 2. Осі симетрії сірого фону знову є мірою швидкості газу з відпогазових каналів складають тут кут приблизно 55°. відною шкалою на лівому краю малюнка. Жирними Показаний тут великий скрубер призначений для чорними стрілками відзначені області з найвищою пропускання 4,75 мільйонів Нм3/год. вологого дигоризонтальною швидкістю. Газ втікає у скрубер мового газу і має діаметр 23,6 м. Число опорних справа або справа вгору. На нижньому малюнку колон на вході може бути понижено до 50% у порі(фіг.7b) протікання газу показано як векторна діагвнянні із звичайною конструкцією з одним входом. рама. Розмір і напрямку окремих векторів є мірою Показаний тут скрубер має два газові канали 12 величини і напрямку протікання газу в цій точці. рівного розміру. Природно, у винаході можуть заТечія газу сильніше відхилятиметься всередистосовуватися також два або більше газових канану скрубера до зон з більш високою частиною ріли, які мають різні розміри. дини, і тільки тоді гранична течія досягне пристінНа Фіг.3 зліва показаний скрубер згідно з виних областей скрубера біля вхідних отворів. находом, а справа - звичайний скрубер. На Фіг.4 Виникають два горизонтальні вихори, при яких газ, справа показаний скрубер згідно з винаходом, а який все ще має підвищену кінетичну енергію, мозліва - звичайний скрубер. Відповідні циліндрові же просуватися у чутливу пристінну зону скрубера корпуси закінчуються вгорі частиною, що має фотільки після проходження центру скрубера, має рму усіченого конуса. Газові канали в обох випадпідвищений вміст крапель. Завдяки цьому горизоках мають прямокутний переріз. Між вхідними нтальному руху час перебування газу в зоні контаотворами скрубера згідно з винаходом показана кту поліпшується. частина корпусу скрубера, яка відділяє один від На Фіг.8 зверху (Фіг.8а) показаний поздовжній одного обидва вхідні отвори. розріз, що проходить через центр скрубера і вісь На Фіг.5 показаний горизонтальний розріз звисиметрії одного газового каналу. Можна зрозуміти, чайного скрубера на половині, висоти газового що протікання газу в нижній частині скрубера проканалу 12 або вхідного отвору 2. Саме, на верхтікає з відносно рівномірно розподіленою швидкісньому малюнку (Фіг.5а) пунктирні лінії показують тю, причому протікання газу проходить глибше у лінії струму газової течії, сірий відтінок фону є міскрубер, ніж при звичайному поданні газу через рою швидкості газу. На лівому краю малюнка є один газовий канал (Фіг.6). Об'єм з дуже низькими шкала, яка дає співвідношення кольору окремих швидкостями, що лежить напроти вхідних отворів, відтінків сірого з конкретними швидкостями. Жирні помітно менше у порівнянні з випадком звичайного чорні стрілки відзначають області з найвищою гоподання газу. Точно так, вертикальний вихор вище ризонтальною швидкістю. Газ втікає у скрубер зліза вхідний отвір на Фіг.6, який також має дуже нива. зькі швидкості, зникає. 9 86998 10 Перевірка винаходу проводилася за допомо2001, або Crowe C, Sommerfeld M., Tsuji Υ., гою чисельного розрахунку течії (Computational Multiphase flows with droplets and particles, CRC Fluid Dynamics (CFD - обчислювальна гідродинаміPress, Boco Raton, 1998). При цьому рух фізичних ка). При цьому крім однофазних потоків на комп'ючастинок чисельно описується статистичною кільтері можна також чисельно відтворювати і потім кістю розрахункових модельних частинок. Кожна оптимізувати режими багатофазної течії у скрубемодельна частинка відповідає певному числу реарі. Експериментально вимірювати режим течії у льних частинок, які мають однакові фізичні власвеликих установках можна лише обмежено або тивості (пакетний множник). Рівняння балансу між непрямо (наприклад, через профілі температури фазами для маси, енергії і імпульсу записуються з або концентрації за зоною контакту). Навпаки, множенням на пакетний множник. розрахунок течії робить можливою візуалізацію Взаємодія між газом і диспергованою рідиною тривимірної течії, що є в апараті. здійснюється за принципом Two Way Coupling Для моделювання використовувався наявний (двостороннє скріплення). Після досягнення квазіу продажу пакет CFD-програм AVL FIRE v7.3 (див. стаціонарного рішення для багатофазної течії в AVL, Fire. Manual версія 7, Graz, 2001), який дуже одній робочій точці розраховане поле протікання у добре показав себе для чисельного дослідження газової фази, а також рух частинок можна аналізутаких одно- і багатофазних режимів течії і знайшов вати на комп'ютері в тривимірному зображенні. вживання в багатьох областях. Програмне забезпечення спеціально параметЧисельний розрахунок безперервного протіризувалося для даного додатку. Верифікація прокання газу в скрубері проводився методом кінцеводилася шляхом експериментальних вимірювань вих об'ємів. Для цього досліджуваному скруберу виділення SO2 з промислових скруберів великого зіставлялася тривимірна розрахункова модельна розміру схожої конструкції або схожих габаритних сітка, яка встановлює розбиття всього даного трирозмірів або шляхом гідродинамічних досліджень вимірного об'єму на окремі елементарні об'єми, на дослідних установках (див. також Maier H. "Інтеназивані контрольними комірками. В кожному цьограція хемосорбції SO2 в чисельному тривимірному елементарному об'ємі моделлю розраховуютьму моделюванні мокрого очищувача димових гася фізичні і можливі хімічні процеси. Зміна в часі і зів", дисертація, Техн. університет, Graz, 2003; або просторі теплових і масових потоків в контрольній Wieltsch U. "Експериментальне і чисельне дослікомірці балансується через її бічні поверхні. Чим дження двофазних режимів течії в скруберах", точніше розраховується досліджувана область дисертація, Техн. університет, Graz, 1999). течії, тобто, чим вище число елементарних об'Список позицій для посилань: ємів, що використовуються, тим, як правило, буде 1 неочищений газ точніше розрахунок поля течії. Однофазне проті2 вхідний отвір кання газу розраховується до досягнення стаціо3 скрубер нарного режиму течії. 4 розпилювальні сопла В стаціонарному рішенні для однофазного 5 куб скрубера протікання газу модельні краплі, які відображають 6 окислявальне повітря промивальну суспензію, вводяться в передбаче7 свіжа суспензія них місцях уприскування з певними властивостя8 проводка на гідроциклон ми. Розрахунок траєкторій крапель в потоці газу 9 промивна вода проводиться методом Ейлера-Лагранжа або 10 промивна вода Discrete Droplet Method (метод дискретних кра11 очищений газ пель) (DDM, див. AVL, Fire Manual версія 7, Graz, 12 газовий канал 11 86998 12 13 Комп’ютерна верстка В. Мацело 86998 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601