Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации котельных городского хозяйства. Монография
.pdf
2 вариант: гидродинамический метод высоконапорным орошением
(гидродинамическое давление 2-20 МПа, размер капель орошающей
жидкости 10-100 мкм);
3 вариант: гидродинамический метод пневмогидроорошением
(гидродинамическое давление 0,2-0,6 МПа, размер капель 1-10 мкм).
Разработка математической модели процесса очистки отходящих
газов орошением заключается в получении зависимостей основных
определяющих показателей процесса – эффективности
емкостного показателя
– с учетом особенностей протекания четырех
и энерго-
стадий взаимодействия молекул газа (или твердых частиц золы и сажи –
в случае сжигания твердого органического топлива) и орошающей жидкости. В основе математического описания процесса очистки отходящих газов орошением лежит единство механизмов рассматриваемого
процесса в совокупности с внешними условиями (аэродинамика, характеристики газообразных ЗВ и др.).
Математическое моделирование применяется с целью прогнозирования экологической эффективности и энергетической экономичности процесса очистки, а также для сравнения различных способов
очистки отходящих газов орошением и выбора наилучшего из рассматриваемых.
2.4.1. Совершенствование математического описания
эффективности процесса очистки отходящих газов орошением
Очистка отходящих газов котельных гидродинамическим методом –
сложный многостадийный процесс взаимодействия системы «газ –
жидкость» или «твердое тело – жидкость» как между собой, так и с ОС.
Рассмотрение взаимодействия дисперсных фаз двух дисперсных систем
как совокупности единичных процессов взаимодействия ЗВ и капли
жидкости позволило выделить четыре последовательные взаимозависимые стадии процесса, осуществляемые с определенной степенью вероятности, необходимые для эффективной очистки гидродинамическим
методом орошением жидкостным аэрозолем.
Взаимодействие газообразных ЗВ, содержащихся в отходящих
газах, с каплями диспергированной жидкости включает следующие
стадии:
1) сближение молекулы газа с каплей до расстояния, на котором
оказывают влияние молекулярные силы взаимодействия молекул газа и
61
жидкости, при этом необходимо учитывать одновременное действие
турбулентных и диффузионных сил;
2) переход молекулы газа в область на границе раздела фаз, где
основное влияние оказывают молекулярные, электростатические и
диффузионные силы;
3) проникновение молекулы ЗВ в объем жидкости, где необходимо
учитывать диффузионные силы и протекание химических реакций между молекулами газа и жидкости;
4) осаждение из газовоздушного потока капель с растворенными в
них молекулами за счет сил гравитации.
В случае наличия в отходящих газах твердых частиц процесс
очистки происходит также в четыре стадии:
1) твердая частица ЗВ встречается с каплей, при этом от степени
диспергирования жидкости зависит количество капель в факеле орошения, а следовательно, и вероятность встречи;
2) соприкосновение частицы с каплей, при этом возможны случаи,
когда частица, обладая гидрофобными свойствами, отталкивается от
капли и продолжает движение в пылегазовом потоке;
3) если частица смачивается каплей, то происходит ее захват каплей, при этом частица либо остается на поверхности капли, либо проникает вглубь;
4) оседание капли с твердой частицей ЗВ из основного потока за
счет сил гравитации.
Применительно к твердым ЗВ, содержащимся в отходящих газах,
математическое описание результирующих параметров процесса очистки изучено достаточно подробно [15, 19, 20, 24, 25].
Уточнение параметрических зависимостей фактической эффек-
тивности и энергоемкостного показателя процесса очистки отходящих
газов котельных необходимо для случая взаимодействия системы «газжидкость».
Эффективность процесса очистки отходящих газов котельных
гидроорошением можно оценить с позиций теории массопереноса.
Осуществление процесса массопередачи вещества из одной фазы в другую возможно при отсутствии равновесия между фазами «газжидкость». Массопередача – сложный процесс, включающий перенос
вещества в пределах каждой из фаз (массоотдача) и перенос вещества
через границу раздела фаз.
62
Известно [15, 43], что раствор газа в жидкости существует сов-
местно с находящимся над жидкостью газом. Давление, температура,
состав газовой фазы, а также род газа и жидкости влияют на содержание газа в растворе.
Состояние равновесия между концентрациями газа в обеих фазах
характеризуется константой фазового равновесия m:
,
где ,
– концентрации исследуемого газа в газовой и жидкой фазе
соответственно.
Движущей силой процесса переноса вещества является отклоне-
ние системы от равновесия, т.е. градиент концентрации.
В соответствии с законом Фика количество газового компонен-
та, переносимого в направлении через поверхность за единицу вре-
мени, составляет:
,
или ,
где – движущая сила;
– коэффициент массопередачи, представляющий собой количе-
ство вещества, переносимое из одной фазы в другую в единицу
времени через единицу поверхности при движущей силе, равной
единице, определяемый уравнением:
где ,
– коэффициенты массоотдачи соответственно в газовой и
,
жидкой фазе.
Наиболее сложный этап при расчете эффективности процесса га-
зоочистки жидкими системами – определение коэффициентов массоотдачи и массопередачи [15, 43].
Газообразные молекулы токсичных компонентов отходящих газов
котельных слаборастворимы в воде, особенно при повышении температуры свыше 90°С (температура отходящих газов составляет порядка
120–180°С) [32]. В связи с этим для реализации гидродинамического
метода используют рабочую жидкость с определёнными параметрами,
которые позволяют извлекать ЗВ путём абсорбции, а не растворимости
в воде.
Для определения эффективности очистки отходящих газов ко-
тельных использован вероятностный подход, учитывающий, что взаи-
63
модействие газообразных ЗВ, содержащихся в отходящих газах, с кап-
лями диспергированной жидкости включает четыре стадии [15, 43]. При
этом полагаем, что вероятность осуществления каждой из четырех стадий процесса очистки и есть эффективность очистки [15, 43].
Используя теорию вероятности, получаем, что общая формула
эффективности процесса газоочистки гидроорошением с учетом влияния соответствующих сил на каждой из четырех последовательных стадий, осуществляемых с определенной степенью вероятности, выражается произведением вероятностей и имеет вид:
где
, (3)
– эффективность сближения молекулы с каплей
соответственно за счет турбулентных и диффузионных сил;
– эффективность перехода молекулы газа в об-
ласть на границе раздела фаз за счет абсорбционных, молекулярных
и электростатических сил соответственно;
– эффективность проникновения молекулы в объем
жидкости за счет диффузионных и химических сил соответственно;
– эффективность оседания капель с растворенными в них моле-
кулами из воздушного потока за счет сил гравитации.
Рассмотрим постадийные эффективности процесса газоочистки.
Эффективность сближения молекул с каплей за счет диффузии
определяют как отношение числа молекул, сблизившихся с каплей
где
, к общему числу молекул в активной зоне взаимодействия
– расход орошающей жидкости, м
,
3
/с;
,
– объем активной зоны
:
орошения, м3.
Тогда, производя преобразования, получаем
64
,
где
– коэффициент диффузии газа, м3/с;
– радиус капли, м;
– расход загрязненного газовоздушного потока, м3/с;
– длина активной зоны факела орошения, м;
– средняя скорость капли, м/с;
– число Рейнольдса для капли; – число Шмидта.
Число представляет собой безразмерную величину, характери-
зующую относительные скорости диффузионного и конвективного пе-
реноса при постоянном
где
где
– скорость газового потока, м/с.
– средний поверхностно-объемный диаметр капли, м;
– кинематическая вязкость газа, м2/с.
. Оно определяется как
,
,
Эффективность сближения молекул газа с каплей за счет турбу-
лентных сил определяют как отношение числа молекул, сблизившихся с
каплей
:
, к общему числу молекул в активной зоне взаимодействия
.
Тогда получаем
где – скорость диссипации турбулентной энергии, м
2/с3
,
.
Эффективность перехода молекулы газа в область на границе раз-
дела фаз за счет молекулярных сил:
,
где ~10
-26
– константа межмолекулярного взаимодействия с учетом
эффекта электромагнитного запаздывания, Дж·м2;
– динамическая вязкость воздуха, Па·с;
– диаметр молекулы газа, м.
Средний поверхностно-объемный диаметр капли определяется по
формуле
,
где
– давление орошающей жидкости, Па;
– диаметр соплового отверстия оросителя, м;
– корневой угол раскрытия факела орошения, град.
65
При определении эффективности перехода молекул газа в область
на границе раздела фаз «газ-жидкость» за счет абсорбционных сил следует учитывать как физическую (не сопровождающуюся химическими
реакциями), так и химическую (абсорбируемый компонент вступает в
химическую реакцию с веществом абсорбента) абсорбцию.
Абсорбция газов жидкостями зависит от вида самого газа, вида
орошающей жидкости, давления и температуры. По закону Дальтона из
смеси газов каждый газ растворяется в жидкости пропорционально своему парциальному давлению, вне зависимости от присутствия остальных газов, при этом абсорбция газа уменьшается с повышением температуры.
Согласно закону Генри (для малорастворимых газов), раствори-
мость газа в жидкости пропорциональна давлению, под которым газ
находится, но при условии, что газ при растворении не образует новых
соединений и молекулы его не полимеризуются:
,
где – количество газа, растворенного в 1 мл жидкости, мл; – давле-
ние газа над раствором, мм.рт.ст.; – коэффициент пропорци-
ональности, характеризующий растворимость газа в жидкости
при данной температуре.
Степень растворения газов в жидкости определяется коэффициен-
том абсорбции для газов и воды.
При определении коэффициента абсорбции необходимо учиты-
вать, что на границе раздела газа и жидкости имеются ламинарно движущиеся слои газа и жидкости. Молекулы газообразного ЗВ должны
пройти следующие фазы: из общей массы (объема) газа подойти
к границе газового ламинарного слоя вследствие турбулентного движения газа, далее в результате диффузии пройти газовый и жидкостный
ламинарные слои и от внутренней поверхности ламинарного жидкостного слоя за счет турбулентного движения перейти в основную массу
жидкости.
Первая и последняя фазы протекают очень быстро и временем их
прохождения можно пренебречь. Процесс диффузии через ламинарные
пленки протекает медленно, поэтому скоростью этих процессов определяется общая скорость всего процесса. Таким образом, коэффициент
абсорбции определяется общим сопротивлением диффузии R, которое
равно сумме двух последовательных сопротивлений
(rг + rж),
где rг и rж – сопротивление диффузий через газовую среду и жидкост-
ную пленку соответственно.
66
Получаем, что
или
– общий коэффициент абсорбции (или массопередачи);
– коэффициент абсорбции или массопередачи газовой пленки;
– коэффициент абсорбции или массопередачи жидкостной
где
,
,
пленки.
Отсюда
.
Для плохо растворимых газов при расчете коэффициента абсорбции можно пренебречь сопротивлением газовой пленки и учитывать
только сопротивление жидкостной пленки.
При абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой
фазе, газ вступает в реакцию с поглотителем (жидкостью). При этом
возрастает градиент концентраций около поверхности раздела, скорость
поглощения увеличивается. Предполагаем, что движущая сила процесса
хемосорбции равна движущей силе физической абсорбции, а ускорение
процесса массообмена химической реакцией учитывается поправкой к
коэффициенту массопередачи в жидкой фазе, определенному по критериальным зависимостям для физической абсорбции.
В случае вступления в химическое взаимодействие газообразных
ЗВ, содержащихся в отходящих газах, с каплями орошающей жидкости
рассчитывают коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе при
протекании в ней химической реакции:
,
где
– коэффициент массоотдачи при протекании химической аб-
сорбции;
– коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании фи-
зической абсорбции.
Коэффициент ускорения зависит от скорости химической реакции
и степени турбулизации жидкости.
Число молекул, абсорбированных единицей объема капли жидкости, равно
67
,
где – максимально возможная величина
;
– парциальное давление газа при данной температуре;
– объем капли жидкости;
– поверхностное натяжение жидкости на границе «жидкость-газ»;
– постоянная Больцмана;
– температура газа, К.
Тогда эффективность перехода молекул газа за счет абсорбционных сил рассчитывают по формуле
где – счетная концентрация молекул газа в воздухе, 1/м
3
,
.
Эффективность перехода молекулы газа в область на границе раздела фаз за счет электростатических сил:
,
где
– заряд капли, Кл.
Эффективность проникновения молекулы в объем жидкости за
счет химического взаимодействия возможно определить по следующей
зависимости:
где
– константа скорости химической реакции взаимодействия моле-
,
кул газа и воды, с-1;
– время пребывания молекулы газа в объеме воды, с.
Эффективность оседания капель жидкости из газовоздушного потока за счет сил гравитации:
где
– число капель, осевших из газовоздушного потока;
– общее число капель;
– содержание капель i-го размера,
,
доли.
Минимальный диаметр капель, успевших осесть на участке длиной l от форсунки до границы активной зоны взаимодействия, рассчитывается:
,
где – высота активной зоны орошения, м; – расстояние от форсун-
ки, м;
– плотность орошающей жидкости, кг/м3.
68
Расход орошающей жидкости рассчитывается по уравнению неразрывности потока:
,
где – коэффициент расхода сопла оросителя, зависящего от типа рас-
пылителя, учитывающий особенности истечения жидкости
( = 0,02–1,00).
Практика проведенных ранее вычислений [33] показала, что диффузионными составляющими процесса газоочистки на всех его стадиях
можно пренебречь, так как их влияние много меньше влияния турбулентных сил вследствие высоких скоростей газового потока как в газо-
ходах, так и в дымовой трубе. В связи с чем
,
были при-
няты равными нулю, как не вносящие значительного вклада в расчетную эффективность газоочистки гидроорошением.
Подставив в выражение (3) полученные зависимости и выполнив
преобразования, получим параметрическую зависимость для расчета
эффективности очистки гидроорошением:
,
где q – электрозаряженность жидкостного аэрозоля, Кл/кг;
n1 – коэффициент, характеризующий скоростной режим распро-
странения жидкостного аэрозоля в активной зоне очистки;
А
– коэффициент полноты перекрытия канала вентпотока факелом
в
диспергированной жидкости.
2.4.2. Совершенствование математического описания
энергоемкостного показателя процесса
очистки отходящих газов орошением
Рядом авторов подчеркивается определяющая роль энергетических параметров в процессе газоочистки [15]. Теоретические основы
механизма газоочистки орошением также базируются на энергетических параметрах. Это и естественно, так как энергия, затрачиваемая на
газоочистку, является обобщенной энергией, учитывающей единичные
акты по поглощению молекул газа каплями и их удалению из воздушного потока. По указанным причинам энергетические параметры, характеризующие процесс газоочистки орошением, должны стать изначальным предметом исследования [15].
69
По аналогии с коэффициентом полезного действия, что отражает
существо задачи, известный энергоемкостный показатель для процесса
газоочистки орошением определяется формулой
,
где
– энергия, расходуемая на поглощение и удаление газа диспер-
гированной жидкостью из воздушного потока (полезная
энергия), Вт;
– энергия, расходуемая на реализацию процесса газоочистки,
Вт.
Энергоемкостный показатель отражает эффективность использования затраченной энергии для достижения цели процесса очистки –
снижения загрязнения воздушного бассейна городских территорий. На
основе анализа механизмов взаимодействия газовой и жидкой фаз дисперсных систем «газ–газ» и «жидкость–газ» становится возможным
наметить направления совершенствования и прогнозировать рабочие
параметры процесса очистки отходящих газов орошением, а также максимально эффективно использовать каждый из этих механизмов [15].
Оценка энергии, расходуемой на взаимодействие газового потока
с диспергированной жидкостью
Поглощение молекул газа каплями диспергированной жидкости
возможно при их сближении под влиянием диффузионных и турбулентных сил.
Для осуществления первой стадии процесса газоочистки – сближения молекулы газа с каплей до расстояния, на котором начинают
действовать молекулярные силы взаимодействия молекул газа и жидкости, – капля жидкости должна обладать кинетической энергией. Следовательно, в процессе орошения кинетическая энергия капель жидкости,
в пограничный слой которых диффундировали молекулы газа, играет
положительную роль с точки зрения механизма газоочистки. Параметр,
учитывающий этот вид энергии, описывается уравнением
,
где
– масса капли, кг;
– число капель, «столкнувшихся» с молекулами газа в единице
объема в единицу времени, 1/м3∙с.
Объем активной зоны факела орошения рассчитывается по его
геометрическим параметрам:
70
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]