3. Расчёт объёма выбросов и концентраций загрязняющих веществ

По данным, приведённым в таблице 7.4 (В.Ф. Максимов «Очистка и рекуперация выбросов»), находим качественный и количественный состав выбросов на 1 тонну целлюлозы от терпентинного конденсатора и теплоутилизационной установки:

Содорегенерационный котлоагрегат (без испарителя)

Количество выбросов, нм3 сухого газа на 1 т целлюлозы	8000
Водяной пар, объёмных % влажного газа	24
Температура, К	403
Количество компонентов, г/т целлюлозы
Н2S	5850
SO2	6900
ММ	390
Пыль	48360

Умножив эти данные на величину заданной производительности – 1500 тонн целлюлозы в сутки, получим суточный объём выбросов, нм³/сут, и количество загрязняющих веществ, выраженное в г/сут:

Содорегенерационный котлоагрегат

Количество выбросов, нм3 /сут сухого газа на 1 т целлюлозы	12000000
Количество компонентов, г/сут
Н2S	8775000
SO2	10350000
ММ	585000
Пыль	72540000

Для пересчёта количества выбросов в рабочие условия необходимо учесть температуру и влажность отходящих газов. Принимая рабочее барометрическое давление равным барометрическому давлению при нормальных условиях, получим:

_{= 915238,095 м}³_/ч

Чтобы выразить концентрации загрязняющих веществ в г/м³, разделим суточное количество каждого компонента на суточный объём выбросов:

Содорегенерационный котлоагрегат

Концентрация загрязняющих веществ, г/м3
Н2S	9,588
SO2	11,308
ММ	0,639
Пыль	79,258

4. Выбор и обоснование схемы очистки выбросов Для содорегенерационного котлоагрегата разработаны схемы очистки от сероводорода, сернистого ангидрида и метилмеркаптана.

Основными газообразными компонентами дымовых газов СРКА, загрязняющими атмосферу, являются соединения серы: восстановленные (сероводород) и окисленные (сернистый и серный ангидрид). В соответствии с санитарными нормами и условиями рассеивания определяющими компонентами при выборе схемы очистки являются соединения восстановленной серы.

Внедренные и разрабатываемые способы очистки дымовых газов от этих компонентов основаны на абсорбционном методе. Выбор метода объясняется главным образом большим объемом газов, поступающих на очистку, наличием в цикле производства щелочных растворов (сульфатных щелоков), применением для восполнения потери в цикле производства целлюлозы каустической или кальцинированной соды, а также простой рекуперации уловленных компонентов – возвратом вместе с поглотительным раствором в производственный процесс.

Процесс абсорбции осуществляется с помощью щелочных (рН 12) или нейтральных (6≤рН≤8) растворов.

Применение различных поглотительных растворов вызвано следующими причинами: сочетанием требований, предъявляемых к степени очистки, с затратами на процесс обезвреживания газовых выбросов; различием начальных концентраций серусодержащих газообразных соединений в зависимости от схем СРКА и технологических режимов сжигания черного щелока; необходимостью обеспечения селективности абсорбции серусодержащих газообразных компонентов из дымовых газов; применением сульфатных щелоков (помимо каустической или кальцинированной соды) для подщелачивания циркулирующего поглотительного раствора.

Селективная абсорбция серусодержащих газообразных соединений осуществляется регулированием продолжительности контакта фаз с целью сохранения на определенном уровне химических свойств поглотительного раствора в конце процесса (при щелочной абсорбции), а также подготовкой поглотительного раствора с определенными химическими свойствами к началу процесса абсорбции ( при абсорбции нейтральными растворами).

Для повышения поглотительной способности абсорбционного раствора в него вводят твердые или жидкие активирующие добавки. Этот способ наиболее эффективен при щелочной абсорбции, так как позволяет менее жестко регулировать продолжительность контакта фаз.

Щелочная абсорбция серусодержащих газообразных компонентов при значительном содержании диоксида углерода предусматривает максимальное значение рН поглотительного раствора (не ниже 12,5) в конце процесса. При более низком конечном рН происходит интенсивная десорбция этих компонентов, что подтверждено результатами испытаний абсорбционной установки-скруббера Варкаус-Вентури. Эта установка включает два последовательно расположенных струйных газопромывателей, причем щелочной поглотительный раствор поступает на орошение сначала второй, а затем первой (по ходу газа) ступени установки. (рисунок 3)

Рисунок 3 Схема двухступенчатой очистки дымовых газов СРКА:

1-промежуточный каплеуловитель; 2-каплеуловитель второй ступени;

3- орошающие устройства первой ступени; 4 – бак циркулирующего раствора;5- теплообменник; 6 – орошающее устройство второй ступени;

7 – труба-смеситель первой ступени; 8-труба-смеситель второй ступени

Струйный газопромыватель при щелочной абсорбции обеспечивает эффективное поглощение серусодержащих газообразных соединений при наличии в газовом потоке значительного количества диоксида углерода. Он значительно ограничивает продолжительность контакта фаз, сохраняя относительно большие геометрические размеры. Кроме того, этот промыватель дает возможность создать практически мгновенно большую поверхность контакта фаз и обеспечить высокую турбулентность газовой фазы и крайне низкую интенсивность турбулентного перемешивания (циркуляции) внутри капель поглотительного раствора в связи с их незначительными размерами.

Конструкция струйных газопромывателей (протяженность аппаратов), составляющих установку Варкаус-Вентури, и ее технологическая схема (система орошения) не соответствовали условиям, обеспечивающим селективность щелочной абсорбции сернистых газообразных соединений из-за ограничения продолжительности контакта фаз. Результаты испытания показали, что подщелачивание циркулирующего поглотительного раствора каустической содой, а тем более белым слабым сульфатным щелоком не позволяет избежать процесса десорбции и практически указанные компоненты не поглощаются. Наоборот, при использовании слабого белого щелока в качестве подщелачивающего раствора концентрация сероводорода в дымовых газах СРКА после установки возрастает.

Изменение условий, обеспечивающих селективность поглощения сперусодержащих газообразных соединений из дымовых газов СРКА при щелочной абсорбции, легко разработать многоступенчатую установку, которая внедрялась на отечественных предприятиях. В ней укорочена труба-смеситель и использованы высокоэффективные каплеуловители, поэтому значительно сокращается продолжительность контакта дымовых газов с поглотительным раствором, который избирательно подщелачивается на каждой ступени установки (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема трехступенчатой очистки дымовых газов СРКА:

1. струйный газопромыватель первой ступени;2- струйный газопромыватель второй ступени; 3 – струйный газопромыватель третьей ступени; 4- теплообменник; 5 – бак с раствором каустика;

6 – бак слабого белого щелока; 7 – насосы; 8 – бак слабощелочного раствора.

Основными недостатками разработанной схемы являются нестационарность режима работы котлоагрегата и колебание сульфидности щелока.

Указанная нестационарность влияет как на количество дымовых газов, так и на начальную концентрацию компонентов, составляющих эти газы, то есть на продолжительность контакта фаз при конкретных геометрических размерах газоочистного аппарата. Чем выше концентрация сернистых газообразных компонентов и диоксида углерода, тем короче допустимая продолжительность контакта. Отрицательное влияние колебаний сульфидности слабого белого щелока, который используется для подщелачивания циркулирующего поглотительного раствора, сказывается в том, что при возрастании концентрации сульфида натрия в этом растворе необходимо уменьшить продолжительность контакта фаз.

Повышением стабильности работы установки можно обеспечить высокую степень очистки дымовых газов СРКА от серусодержащих газообразных компонентов. Дымовые газы СРКА помимо сероводорода содержат значительное количество диоксида серы. В результате контакта дымовых газов со щелочными растворами образуются сульфид-бисульфитные соединения натрия, которые можно использовать для обезвреживания сероводорода.

Извлечение сероводорода из дымовых газов нейтральными сульфид-бисульфитными растворами натрия основано на химических превращениях в поглотительном растворе, происходящих при взаимодействии сульфидных и сульфитных соединений. Вследствие этих превращений сульфид, в зависимости от кислотности поглотительного раствора, окисляется до серы или тиосульфата и в большей или в меньшей степени образуется политионаты.

Установлено, что одновременно сероводород и диоксид серы поглощаются из дымовых газов в узких пределах нейтрального рН, когда поглощение диоксида углерода не происходит. При небольших отклонениях в кислую область абсорбция сероводорода ухудшается.

Рассмотренный способ абсорбции сероводорода нейтральными растворами использован при разработке схемы установки для очистки дымовых газов СРКА от сероводорода и сернистого ангидрида (рисунок 5). Полый скруббер, применяемый в этой установке, имеет несколько зон орошения, каждая из которых несет определенную нагрузку. Первая ступень промывки предназначена для улавливания сероводорода и до 30 % сернистого ангидрида, вторая для поглощения остатков сернистого ангидрида.

Циркулирующий поглотительный раствор подщелачивается в промежуточном баке до рН 7,5-8 и направляется на орошение второй ступени промывки. В результате абсорбции сернистого ангидрида в растворе образуются сульфиты и бисульфиты натрия, и его рН понижается до 6-6,5. Далее раствор направляется на орошение первой ступени. Избытки поглотительного раствора сбрасываются в бак-растворитель плава СРКА. На остальные ступени орошения подается вода для ее нагрева с целью утилизации тепла дымовых газов.

Основные недостатки данного способа очистки дымовых газов СРКА заключаются в отсутствии условий для интенсивного улавливания метилмеркаптана и в смешивании уловленных пылевых частиц, составляющих вторичный унос после электрофильтра, с зелеными щелоками, из-за чего увеличивается содержание в них шлама.

Рисунок 5. Спрысковой абсорбер для очистки дымовых газов СРК и получения теплой воды:

1-дымовые газы;2,3 – зоны промывки газов; 4- зона регенерации тепла;5- очищенный газ; 6-холодная вода; 7-теплая вода; 8-подача раствора едкого натра; 9 – реакционный бак; 10-слив в бак растворения плава; 11-перелив;12 – вода для охлаждения газа;13-предварительная промывка;14 – конечная промывка; 15 – сборник раствора; 16-распыливающие форсунки.

При вводе катализаторов в поглотительный раствор, используемый в абсорбционном процессе, повышается абсорбционная емкость этого раствора в связи с превращением абсорбированного газообразного компонента в более устойчивое соединение (в результате его окисления или других химических реакций). Концентрация химических соединений, образовавшихся при взаимодействии улавливаемого газообразного компонента с поглотительным раствором, снижается, и, если реакция взаимодействия обратима, в данных условиях она редко сдвигается вправо. Кроме того, уменьшается парциальное давление поглощаемого газообразного компонента над раствором, поэтому при введении специальных добавок в поглотительный раствор повышается степень улавливания газообразного компонента.

Катализаторами, вводимыми в щелочной поглотительный раствор, служат оксиды железа, гидроксиды металлов (например, марганца), фенольные соединения и их производные.

Внедрена промышленная установка, в которой предусмотрена добавка активированного угля к щелочному поглотительному раствору. Этот уголь вместе с раствором предварительно аэрируют, и это приводит к насыщению поверхности и пор угля адсорбированным им кислородом.

Обезвреживание газообразных компонентов восстановленной серы, содержащихся в дымовых газах СРКА, протекает в два этапа. Первоначально эти компоненты абсорбируются щелочным раствором (при этом образуются неустойчивые в условиях контакта с дымовыми газами химические соединения сульфидов и меркаптидов натрия). Затем на поверхности и в порах активированного угля адсорбируются образовавшиеся химические соединения, которые вступают в реакцию с кислородом, ранее адсорбированным углем. Взаимодействие кислорода с сульфидом и меркаптидом натрия приводит к их окислению, образованию устойчивых соединений и снижению концентраций этих веществ в поглотительном растворе, абсорбционная емкость которого возрастает.

В установке, схема которого приведена на рисунке 6 также предусмотрена очистка дымовых газов от вторичного (после очистки в электрофильтрах) пылевого уноса. Предварительно дымовые газы СРКА промывают в дымососе и скруббере Вентури с целью очистки их от пылевых частиц. Далее через орошаемую распределительную решетку дымовые газы проходят ряд секций, заполненный пропиленовыми шарами (насадка Тейлора): первая секция насадки орошается щелочным раствором, смешанным с активированным углем; вторая секция орошается водой, а третья не орошается и служит каплеотбойником. Над днищем камеры, где расположены секции насадки, установлено распределительное устройство, через которое поступает воздух на активацию углей.

Рисунок 6. Схема установки для абсорбционной очистки дымовых газов СРКА в присутствии активированного угля:

1. дымовые газы;2- скруббер Вентури; 3- очищенные дымовые газы;

4– дымосос; 5-каплеуловители;6-подача щелочного реагента;

7 –насосы;8- отбор избыточного поглотительного раствора; 9- подача воздуха на активацию; 10-подача активированного угля.

Недостатком данной схемы очистки является ее громоздкость, необходимость тщательно следить за поглотительным раствором, чтобы не накапливалось значительное количество взвешенных веществ, забивающих поры активированного угля.

Выводы

В данной работе рассмотрены условия образования газопылевых выбросов при производстве целлюлозы сульфатным способом и характеристика основных загрязняющих веществ, а также сведения о влиянии их на организм человека. Приведены расчёты объёма выбросов и концентраций загрязняющих веществ в выбросах от одного источника – содорегенерационного котлоагрегата при заданной производительности 1500 тонн целлюлозы в сутки. Кроме того, предложена двухступенчатая схема очистки выбросов, трехступенчатая схема очистки, а также схема установки для абсорбционной очистки дымовых газов СРКА в присутствии активированного угля и спрысковой абсорбер и дано их описание.