КузГТУ Дб 11-49
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Т.Ф. ГОРБАЧЕВА»
Институт энергетики
Направление подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и
теплотехника» профиль «Промышленная теплоэнергетика»
Кафедра теплоэнергетики
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к выпускной квалификационной работе
студентов группы ТЭб-161, 162
Борисенко Екатерины Игоревны; Носковой Дарьи Игоревны
___________________________________________________________________________________________
Тема работы: Проектно-аналитические исследования улавливания CO2 и SOx
золой уноса ТЭС: в потоке газо-воздушной среды; в плотном слое гранулята,
спеченного из золы и золы с добавкой известкового молочка.
Заведующий кафедрой __________________________________ А.Р. Богомолов
Руководитель работы: ___________________________________А.Р. Богомолов
Консультанты:
__________________________________________________________
__________________________________________________________
__________________________________________________________
__________________________________________________________
Кемерово 2020
ГУ КузГТУ Дб 11-53
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
Т.Ф.ГОРБАЧЕВА»
Кафедра теплоэнергетики
Дата
УТВЕРЖДАЮ
___.06.2020
Зав.кафедрой________________________
(подпись)
Задание по выпускной квалификационной работе
Студентам Борисенко Екатерине Игоревне; Носковой Дарье Игоревне
1. Тема ВКР: Проектно-аналитические исследования улавливания CO2 и SOx золой
уноса ТЭС: в потоке газо-воздушной среды; в плотном слое гранулята, спеченного из золы и
золы с добавкой известкового молочка.
Утверждена приказом по вузу № 273/09 от 30.04.2020
2. Срок сдачи студентом законченной ВКР 22.06.2020
3. Исходные данные к ВКР: имеется зола уноса с Кемеровской ГРЭС и НовоКемеровской ТЭЦ, для рассева и создания гранулята
4. Объем и содержание пояснительной записки (основных) вопросов общей и
специальной части) и графического материала: Пояснительная записка содержит 47 страниц
машинописного текста, 5 графических частей в виде схем и графиков.
Содержание: Введение; 1.Аналитический обзор; 2. Экспериментальная установка;
3. Расчет характеристик элементов экспериментальной установки; 4. Подбор приборов и
оборудования; 5. Тарировка приборов и оборудования; 6. Исследование золы уноса и
изготовление гранулята; 7. Анализ результатов изотерм сорбции и десорбции; 8. Заключение.
5. Консультанты по ВКР (с указанием относящихся к ним разделов работы)
1. ________________________________________________________________________
2. ________________________________________________________________________
Дата выдачи задания «10 » февраля 2020 г.
Руководитель _____________________
(подпись)
6. Основная литература и рекомендуемые материалы
1. Nor Adillia Rashidi. An overview on the potential of coal-based bottom ash as low-cost
adsorbents / Nor Adillia Rashidi, Suzana Yusup // ACS Sustainable Chem. Eng., Just Accepted
Manuscript. DOI: 10.1021/acsuschemeng.5b01437. Publication date (web): 23 Feb2016.
2. G-Q. Lu. Adsorption properties of fly ash for NOx removal from flue gases / G-Q. Lu,
D.D. Do // Fuel Processing Technology, 27 (1991) 95-107. Elsevier Science Publishers B.V.,
Amsterdam.
3. Application of Coal Fly Ash. M. Ahmaruzzaman, and V.K Gupta // Industrial &
Engineering Chemistry Research, 2012.
4. Performance of coal fly ash stabilized, CaO-based sorbents under different carbonationcalcination conditions. Feng Yan, Jianguo Jiang, Kaimin Li, Sicong Tian, Ming Zhao, and Xuejing
Chen, 1996.
5. Cyclic performance of waste-derived SiO2 stabilized, CaO-based sorbents for fast CO2
capture. Feng Yan, Jianguo Jiang, Kaimin Li, Sicong Tian, Zongwen Liu, Jeffrey Shi, Xuejing Chen,
Jingyuan Fei, and Yuxiang Lu, 2016.
6. Catalytic and adsorptive desulphurization of gases. Jadwiga Wieckowska, 1995.
7. Гольдштик, М. А. Процессы переноса в зернистом слое. – Новосибирск: Изд-во
Института теплофизики СО РАН, 205. – 358 с.
8. An Overview on the Potential of CoalBased Bottom Ash as Low-Cost Adsorbents. Nor
Adilla Rashidi, and Suzana Yusup, 2016.
9. Fly-ash/calcium hydroxide mixtures for SO2 removal: structural properties and maximum
yield. A. Garea, I. Fernhndez, J.R. Viguri, M.I. Ortiz, J. Fernhndez, M.J. Renedo, J.A. Irabien, 1996.
10. Desulfurization rate at low temperatures using calcium hydroxide and fly ash. A. Garea,
J.R. Viguri and J.A. Irabien, 1995.
11. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. – Ленинград: Изд-во “Химия” 1981. – 510 с.
12. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник Машиностроение, 4-е издание: Изд-во “Машиностроение” 1989. - 702 с.
13. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со
стационарным и кипящим зернистым слоем. – Ленинград: Изд-во “Химия” 1968. - 514 с.
14. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/Под ред. М. О.
Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
15. Carbon Dioxide Th ermodynamic Properties Handbook Sara Anwar and John J. Carroll
Covering Temperatures from –20° to 250°C and Pressures up to 1000 Bar. Co-published by John
Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, and Scrivener Publishing LLC, Salem, Massachusetts.
Copyright © 2016 – 604 с.
16. Functionalized Fly Ash Based Alumino-Silicates for Capture of Carbon Dioxide. Vivek
Kumar,Nitin Labhsetwar, Siddharth Meshram, and Sadhana Rayalu, 2011.
17. Utilization of fly ashes from the coal burning processes to produce effective low-cost
sorbents Agnieszka Adamczuk, and Dorota Koodyska, 2017.
18. Adsorption properties of fly ash particles for NOx removal from flue gases. G.Q. Lu and
D.D. Do, 1991.
19. Removal of Sulfur Dioxide from Flue Gas by the Absorbent Prepared from Coal Ash:
Effects of Nitrogen Oxide and Water Vapor. Hiroaki Tsuchiai,Tomohiro Ishizuka,Hideki Nakamura,
Tsutomu Ueno, and Hideshi Hattori, 1996.
20. Structural Properties and Reactivities of Ca(OH)2/Fly Ash Sorbents for Flue Gas
Desulfurization. Ren-Bin Lin, Shin-Min Shih, and Chiung-Fang Liu, 2003.
21. CO2 capture at high temperature using fly ash-derived sodium silicates. Aimaro Sanna,
and Mercedes Maroto-Valer, 2016.
Задание принял к исполнению (дата) 10.02.2020 г.
ПРИМЕЧАНИЕ: 1. Это задание прилагается к законченной ВКР и вместе с ВКР представляется в ГЭК.
2. Кроме задания, студент должен получить от руководителя календарный график работы над
ВКР на весь период проектирования (с указанием срока выполнения и трудоемкости
отдельных этапов)
ГУ КузГТУ Дб 11-43
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
Т.Ф.ГОРБАЧЕВА»
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
студента-дипломника
1. Институт энергетики
2. Направление подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
профиль «Промышленная теплоэнергетика»
3. Кафедра теплоэнергетики
4. Фамилия, имя, отчество (полностью): Борисенко Екатерина Игоревна; Носкова Дарья
Игоревна.
5. Тема выпускной квалификационной работы: Проектно-аналитические исследования
улавливания CO2 и SOx золой уноса ТЭС: в потоке газо-воздушной среды; в плотном
слое гранулята, спеченного из золы и золы с добавкой известкового молочка.
6. Руководитель ВКР: Богомолов Александр Романович
7. Консультанты _______________________________________________________
№
ФАМИЛИЯ, ИМЯ,
ОТЧЕСТВО
Разделы и специальные
вопросы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Зав. кафедрой ______________________________
Календарный рабочий план
ЭТАПЫ ИЛИ РАЗДЕЛЫ РАБОТЫ
1 2
1. Составление плана работы
2. Литературный обзор
3. Модернизация лабораторного
стенда
4. Рассев золы уноса на фракции
5. Проверка и тарировка
оборудования
6. Расчет скоростей золы уноса
7. Изготовление сорбентов
8. Анализ результатов
9. Оформление ВКР
10
11
12
13
14
15
Дата выдачи
Срок начала
10.02.2020
проектирования
10.02.2020
февраль
3 4
5
1
2
март
3 4
5
МЕСЯЦЫ И НЕДЕЛИ
апрель
май
1 2 3 4 5 1 2 3 4
5
1
июнь
2 3 4
Х
Х Х Х
Х Х
Х Х
Х Х Х Х Х
Х Х
Х Х
Х
Х Х
Х Х
Срок сдачи
проекта на
кафедру
22.06.2020
__________
«______»__________________________2020 г.
Срок защиты в ГЭК
23.06.2020
Приложение
Зав. кафедрой ___________
Утверждено:
Зав.каф.
5
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................8
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ..............................................................................................10
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА .......................................................................18
2.1 Оборудование, принцип работы ...................................................................................18
3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ .............................................................................................................................24
3.1 Расчет скорости витания частиц ..................................................................................24
3.2 Расчет скоростей для воздуха ........................................................................................25
3.3 Расчет скоростей для СО2 ..............................................................................................26
4. ПОДБОР ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ .................................................................27
4.1 Подбор диафрагмы ..........................................................................................................27
4.2 Подбор воздуходувки.......................................................................................................27
4.3 Подбор спирального дозатора .......................................................................................28
5. ТАРИРОВКА ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ..........................................................29
5.1. Тарировка ротаметра .....................................................................................................29
5.2. Тарировка спирального дозатора ................................................................................30
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОЛЫ УНОСА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГРАНУЛЯТА ..................33
6.1. Химический состав летучей золы................................................................................33
6.2. Изготовление гранулята ................................................................................................35
7. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗОТЕРМ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ ..........................39
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ .....................................................................................................................44
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................................46
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Оглавление
Лист
Листов
7
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
ВВЕДЕНИЕ
На настоящее время актуальна проблема газоочистки от вредных
газовых
выбросов,
выделяемых
теплоэнергетическими
комплексами.
Теплогенерирующий комплекс Кузбасса и других соседних регионов
развиваются,
и
снижение
вредных
выбросов
остается
острой
и
первостепенной задачей настоящего и будущего.
В направлении из Стратегии научно-технологического развития
Российской Федерации говорится о переходе к экологически чистой и
ресурсосберегающей энергетике, повышении эффективности добычи и
глубокой
переработки
углеводородного
сырья,
формирование
новых
источников, способов транспортировки и хранения энергии.
В России очистке дымовых газов от CO2, SO2 с помощью адсорбентов
уделялось недостаточное внимание. В работах зарубежных авторов, например,
в [1, 2], обсуждается вопрос об эффективности и экономичности применения
адсорбентов, как в сухом, так, и в суспензионном виде на основе
использования летучей золы, являющейся продуктом сжигании угольного
топлива, в комбинации с гашеной известью, а также алюмосиликатов.
Одним из основных источников загрязнений являются ГРЭС и ТЭЦ. При
этом, если для снижения выбросов аэрозолей на большинстве электростанций
используются
высокоэффективные
золоулавливающие
устройства
(электрофильтры, батарейные циклоны, скрубберы, а в перспективе и
рукавные фильтры, обеспечивающие степень улавливания до 99%), то очистка
дымовых газов от вредных газовых выбросов в промышленных масштабах
пока не внедрена ни на одной ТЭС России.
Под очисткой газового потока понимают отделение от него или
превращения в безвредную форму загрязняющих веществ, выбрасываемых в
атмосферу вместе с газовым потоком. Воздушными массами загрязнения
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Введение
Лист
Листов
8
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
могут переноситься на большие расстояния и существенно влиять на
состояние атмосферы и здоровья человека.
По мере того, как наш мир сегодня становится все более
индустриализированным, ископаемые виды топлива, такие как уголь и нефть,
играют все более важную роль в энергетическом секторе. В результате
сжигания угля для выработки электроэнергии образуются миллионы тонн
летучей золы по всему миру. По оценкам, в 2000 году во всем мире было
произведено 349 млн. тонн этих отходов. [3] Утилизация такого большого
количества летучей золы действительно является сложной задачей и,
следовательно, стала серьезной проблемой загрязнения окружающей среды.
Летучая зола может рассматриваться как пятый по величине в мире ресурс
сырья. Она содержит потенциально токсичные микроэлементы, и поэтому ее
удаление
является
дорогостоящим.
В
последнее
время
проводятся
дополнительные исследования по утилизации летучей золы с целью
предотвращения угрозы для окружающей среды и снижения стоимости её
утилизации. Следовательно, было бы разумно использовать данный вид
сырья, а не выбрасывать на свалки. Летучая зола, как правило, серого цвета и
содержит различные незаменимые элементы, необходимые для роста
растений, которые включают в себя как макроэлементы, P, K, Ca и Mg, так и
микроэлементы, Zn, Fe, Cu, Mn, B, Mo и т.д. Примерный состав летучей золы
– кремнезем SiO2 (60-65%), глинозем Al2O3 (25-30%), магнетит Fe2+Fe3+2O4 и
гематит Fe2O3 (6-15%), вюстит FeO. Физико-химические свойства летучей
золы,
такие
как
объемная
плотность,
размер
частиц,
пористость,
водоудерживающая способность, площадь поверхности и т.д., делают его
пригодным для использования в качестве сорбента. Хотя летучая зола
является отхо́дным материалом, она является ресурсом, который можно
полностью использовать и эксплуатировать. Зола может также применяться в
качестве недорогого сорбента для удаления загрязнителей воздуха. Изучается
также использование летучей золы в сельском хозяйстве и машиностроении.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
9
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
При сжигании топлива, на ТЭС, а также обычных котельных,
образуются дымовые газы, которые содержат большое количество вредных
веществ. Они и являются основной причиной ухудшения экологии на планете.
Нужно проанализировать основные методы очистки дымовых газов от
вредных веществ и подобрать наиболее оптимальный метод очистки, для его
детального изучения и вследствие применения в промышленных условиях.
Адсорбцией называют процесс поглощения одного или нескольких
компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом –
адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата, или
адсорбтива.
Адсорбционные процессы (как и другие процессы массопередачи)
избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится
возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение
процесса десорбции.
Летучая зола может быть использована для извлечения NOx, SOx, ртути
и других газообразных загрязнителей из воздуха и других источников. Также
она может применяться в качестве эффективного сорбента для поглощения
различных типов загрязнителей воздуха. Свойства CO2 важны во многих
областях, включая инженерию, геологию и химию.
В летучей золе содержится примерно 10-12% несгоревшего компонента,
и эти несгоревшие компоненты могут играть важную роль в их способности
поглощения.
За исключением воды, углекислый газ является, вероятно, одним из
наиболее изученных веществ в науке. Он имеет критическую точку (30,98℃ и
73,77 бар), что делает его доступным для изучения. Кроме того, он
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Аналитический обзор
Лист
Листов
10
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
относительно безопасен (по сравнению с углеводородами и токсичными
химикатами, такими как сероводород). В 21 веке углекислый газ стал важным
социальным химическим веществом. Это было замечено в глобальном
изменении климата.
Летучая зола - это неоднородный материал, состоящий в основном из
небольших сфер, образованных в результате конденсации. Образцы жидкой
золы представляют собой пористые, подобные коксу частицы несгоревшего
углеродного материала, которые часто концентрируются в фракциях с
большим размером. В целом, у летучей золы есть гидрофильная поверхность
и пористая структура
Вся летучая зола содержит одинаковые основные химические элементы,
но в разных пропорциях. Основными составляющими летучей золы являются
кремний, алюминий, железо и кальций с меньшим количеством серы, магния,
щелочей и следами многих других элементов.
Хотя угольная зола является выбрасываемым материалом, это ресурс,
который можно использовать и эксплуатировать. Существуют различные
причины для увеличения количества повторно используемой золы. От
продажи этого отхода может быть денежная прибыль или, по крайней мере,
компенсация затрат на переработку и утилизацию, а также отходы могут
заменить несколько дефицитных или дорогостоящих природных ресурсов.
Утилизация угольной пыли может заменить другой промышленный ресурс и
его применение.
Таким образом, основными компонентами летучей золы являются
диоксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3) и оксиды железа (Fe2O3) с
различными количествами углерода, кальция, магния и серы.
Оксиды
серы
и
оксиды
азота,
выделяемые
тепловыми
электростанциями, заводами и автомобилями, вызывают кислотные дожди,
которые вредны для окружающей среды. Среди экологических проблем
удаление SOx и NOx из дымовых газов является одним из наиболее важных
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
11
аспектов, которые следует учитывать для защиты чистого воздуха от
загрязнения.
Согласно источнику, [3] был проведен ряд исследований по удалению
SO2 из дымовых газов с использованием летучей золы, а также смеси летучей
золы и других материалов. Несмотря на то, что коммерческий активированный
уголь обычно использовался для окисления восстановленных оксидов серы,
он
является
дорогостоящим
для
крупномасштабных
экологических
применений. Следовательно, вместо коммерческого активированного угля
можно использовать угольную золу в качестве дешевого сорбента.
Использование летучей золы в качестве источника кремнезема представляет
как
экономическое,
так
и
благоприятное
для
окружающей
среды
преимущество, поскольку его второстепенный продукт получают на всех
угольных электростанциях.
Летучая зола может быть интересной альтернативой коммерческому
активированному углю для удаления различных загрязнителей воздуха.
Эффективность сорбции летучей золы сильно зависит от происхождения золы.
Изображение, полученное с помощью микроскопа SEM (рис. 1),
показывает, что частицы летучей золы (размером менее 75 мкм) в основном
сферические, тогда как более крупные частицы (размером более 75 мкм) в
основном состоят из пористых частиц с нерегулярной структурой.
Концентрация углерода, определяемая по потерям при сжигании, составляла
менее 3% для частиц летучей золы размером менее 37 мкм и значительно
увеличивалась до 58,3% по мере увеличения размера частиц.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
12
(а)
(б)
Рис. 1. (а) – частицы более 75 мкм; (б) – частицы менее 75 мкм
Для сжигания угля признаны два основных класса летучей золы: класс
F, обычно производимый из антрацитовых, битумных или суббитуминозных
углей и содержащий менее 7 % CaO, и класс C, обычно производимый из
бурых углей и содержащий больше извести (5 - 30 %). В химическом составе
различных летучих зол содержится SiO2 и Al2O3, которые составляют около
80% от общей массы летучей золы. В источнике говорится, что содержание
Fe2O3 и CaO варьируется в пределах примерно от 10% до 13%. Согласно
ASTM C618, эта летучая зола может быть классифицирована как класс F с
содержанием CaO менее 10% с содержанием SiO2 более 3%, Al2O3 и Fe2O3 более 70%.
С помощью микроскопа получены изображения частиц золы при 10кратном зуме фракцией 50 – 80 мкм и фракцией 100 – 160 мкм, можно сделать
вывод, что частицы летучей золы в основном имеют сферическую форму.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
13
10 мкм
10 мкм
(а)
(б)
Рис. 2. (а) – частицы золы фракцией 50-80 мкм при 10-кратном зуме; (б) – частицы золы
фракцией 100-160 мкм при 10-кратном зуме
В работе [4] угольная летучая зола вводилась в сорбенты на основе CaO
путем сухого перемешивания с последующим обжигом, чтобы увеличить
сопротивление
спеканию.
Испытания
циклической
карбонизации-
прокаливания были проведены для изучения угольной летучей золы и кальция
на
циклическую
сорбцию
CO2.
Впоследствии
сорбент
с
лучшей
стабильностью был выбран для оценки влияния условий карбонизациипрокаливания на улавливание CO2 характеристики, включая парциальное
давление СО2, температуру карбонизации и температуру прокаливания. Эти
исследования помогли определить влияние и сравнить результаты с ранее
заявленными сорбентами на основе CaO.
По словам автора, [5] кальциевая петлевая технология была определена
как одна из наиболее благоприятных для CO2 методов захвата для
осуществления улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS). Однако
быстрая дезактивация сорбентов CaO из-за спекания в настоящее время
является основным препятствием для этой технологии. Впервые сообщается
об экологически благоприятной и экономически эффективной стратегии
уменьшить спекание путем добавления отходов производства кремнезема
(SiO2), синтезированного из фотоэлектрических отходов (SiCl4), в сорбенты на
основе CaО с помощью простой процедуры сухого смешивания.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
14
В источнике [6] говорится о неорганических адсорбентах, используемых
для удаления H2S, а также для адсорбции SO2 из дымовых газов. Наиболее
широко используемыми для удаления SO2 из горячих газов являются
негашеная известь (CaO), гашеная известь (Ca(OH)2), зола-уноса, различные
виды известняков, такие как доломит, железные руды, гидроксид магния.
Оксиды серы могут быть удалены из газа при температуре до 1200 К на оксиде
иттрия в сочетании с одним из оксидов следующих элементов: Al, Mg, Zn, Ti
или Ca.
Согласно источнику [8] в данной работе изучается потенциал угольной
золы в виде твердых адсорбентов. Физико-химические свойства донной золы
исследуются с целью более эффективного использования этих промышленных
отходов
перед
повторным
применением.
Кроме
того,
описывается
перспективность образования донной золы в качестве природного адсорбента
в жидкофазных средах. Также был разработан проект с использованием
донной золы в качестве нового сырья для производства цеолитов и
мезопористого кремнезема.
В [9] были изучены структурные свойства, а именно: определена
удельная поверхность и объем пор смешанных твердых веществ, полученных
после гидратации Ca (OH) под давлением, и летучих веществ. Проведенные
эксперименты позволили изучить влияние переменных.
В источнике [10] говорится о хорошей альтернативе для контроля
выбросов диоксида серы при низкой температуре с помощью технологии,
относительно простой по сравнению с полусухими или влажными методами,
которая заключается в непосредственном впрыске сухих сорбентов в канал
дымовых газов. Летучая зола от сжигания угля, смешанная с Ca(OH)2, находит
все более широкое применение в качестве твердых сорбентов для
десульфурации дымовых газов с возможным использованием в качестве
реагента для систем впрыска в канале.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
15
В России никто не занимался проблемой очистки дымовых газов от CO2,
SO2 с помощью адсорбентов. Проведя анализ работ зарубежных авторов, были
выбраны наиболее подходящие способы поглощения вредных выбросов улавливание диоксида углерода и диоксида серы в газо-воздушном потоке
адсорбентом, а также плотным слоем гранулята.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
16
Цель работы:
Проектно-аналитические исследования улавливания CO2 и SO2 при
инжектировании диспергированного сухого адсорбента в газо-воздушный
поток в круглой трубе, а также в плотном слое гранулята, спеченного из золы
и золы с добавкой известкового молока.
Задачи исследования:
1. Спроектировать и изготовить экспериментальную установку по
улавливанию
(адсорбции)
диоксида
углерода
и
серы
в
потоке
алюмосиликатного адсорбента;
2. Провести расчет и подбор оборудования;
3. Провести тарировку расходомеров по газу и золе уноса;
4. Приготовление сорбентов на основе золы уноса;
5. Анализ результатов изотерм сорбции и десорбции;
6. Исследование состава золы уноса.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
17
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
2.1 Оборудование, принцип работы
Экспериментальная установка в потоке газо-воздушной смеси. Схема и
фотографии экспериментальной установки показаны на рис. 3 - 5 по
улавливанию
(адсорбции)
диоксида
углерода
и
серы
в
потоке
мелкодисперсного алюмосиликатного адсорбента.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки в потоке газо-воздушной среды
1 – подогреватель воздуха; 2 – частотный преобразователь; 3 – воздуходувка; 4 –
расходомер; 5 – газоанализатор; 6 – регулирующий вентиль; 7 – редуктор давления;
8 – баллон с углекислым газом; 9 – скруббер Вентури; 10 – циклон; 11 – спиральный
дозатор; 12 – редуктор; 13 – электродвигатель; 14 – лабораторный
автотрансформатор;
15 – психрометр.
Экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 3,
предназначена для исследования эффективности улавливания модельного
диоксида углерода из газо-воздушной смеси, в потоке которой движется
мелкодисперсная зола уноса, выполняющая роль адсорбирующего материала
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Экспериментальная
установка
Лист
Листов
18
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
Поток воздуха подают воздуходувкой 3, который проходит через
ротаметр 4, скруббер Вентури 9 и далее, через участок трубопровода
определенной длины проходит циклон 10 и направляется в окружающую
среду. Температуру воздуха регулируют с помощью подогревателя 1.
Для образования газо-воздушной смеси, в частности смеси воздуха и
диоксида углерода, как модельного газа – вредного выброса в атмосферу,
используют подачу СО2 из баллона 8 через редуктор 7, регулирующий
объемную подачу вентиль 6 и расходомер 4 в участок трубопровода после
расходомера воздуха, но перед местом установки газоанализатора 5.
Адсорбирующий материал (зола уноса) модельного газа подается в газовоздушный поток заданным расходом спиральным дозатором 11, приводимым
в движение электродвигателем 13 через редуктор 12 управляющим
лабораторным автотрансформатором 14. Подачу адсорбента в газовоздушный
поток
производят
перед
скруббером
Вентури,
который
предназначен для равномерного распределения твердых частиц золы уноса по
сечению трубопровода. Равномерное распределение адсорбента в газовоздушном
потоке
обеспечивает
наибольшую
поверхность
контакта
углекислого газа с частицами золы (адсорбентом).
Образовавшаяся аэрозоль твердых частиц золы (дисперсная среда) и
газо-воздушной среды (дисперсионная среда) перемещается по заданной
длине и диаметру трубопровода до циклона 10. Во время движения аэрозоля
происходит поглощение модельного газа (диоксида углерода) на внешней и
пористой поверхности золы уноса. В циклоне 10 происходит разделение
аэрозоля на уловленные твердые частицы и газо-воздушную среду. После
осаждения частиц золы уноса в циклоне дисперсионная среда направляется в
окружающую среду. Дисперсная среда из циклона возвращается в бункер и
вновь дозатором подается в газо-воздушный поток. Таким образом, зола уноса
многократно участвует в процессе адсорбции циклически, поглощая
углекислоту до состояния насыщения.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
19
Опыты проводят при различных температурах газо-воздушной среды в
диапазоне 20-70С и расходе от 0,015 до 0,025 м3/с (скорость аэрозоля в трубе
от 12 до 20 м/с); концентрациях диоксида углерода в газо-воздушной смеси:
от 0,5 до 2%; концентрациях частиц золы уноса в аэрозоле в диапазоне 40-250
г/м3, классах крупности золы уноса: 50-80 и 100-160 мкм.
Удельная поверхность насыпного материала из золы уноса, допуская,
что частицы имеют сферическую форму, при среднем диаметре d
используемых в опытах фракций 70 и 130 мкм может быть вычислена из
условия, что для случайной упаковки, как и для правильной ромбоэдрической,
порозность составляет 0,395, а твердые частицы занимают объем = 0,605
[7]. Суммарную поверхность частиц а, участвующих в процессе адсорбции
диоксида углерода, в единице объема называют удельной поверхностью и
вычисляют по формуле [3]:
6
.
d
Расчет показывает, что для фракции со средним диаметром частиц 70
a
мкм удельная поверхность зернистого слоя составляет 5·104 м2/м3, при среднем
диаметре 130 мкм – 2,8·104 м2/м3. Результаты расчета подтверждают, что чем
меньше по размеру зола уноса, тем она обладает большей удельной
поверхностью и увеличенной способностью к поглощению вредных выбросов
дымовых газов тепловых электрических станций (ТЭС).
Таким образом, золу уноса, участвующую в рецикле для поглощения
диоксида углерода, после ее насыщения, направляют на исследование. Опыты
позволят получить изотермы сорбции, которые предоставят возможность
получить теоретические зависимости для расчета процессов сокращения
вредных выбросов в окружающую среду.
В процессе экспериментальных исследований важным обстоятельством
является измерении влажности воздуха, направляемого на создание газовоздушной
среды.
Влажность
воздуха
в
помещении
определяется
психрометром 15. Температура и концентрация SOx и СО2 в смеси на входе и
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
20
выходе из скруббера контролируются газоанализаторами 5 (рис. 3) Testo XXL
350, зонды которых установлены в трубопроводе перед трубой Вентури и на
выходе из циклона.
Эксперимент проводится до момента, пока концентрация газов на входе
и на выходе не будут равны при различных температурах газовой смеси.
Подобные опыты будут проведены с гранулированной золой уноса
(обработанной при температуре плавкости золы) и гранулированной
(обработанной при температуре плавкости золы с известковым молочком).
Для проведения экспериментальных исследований по эффективной
технологии улавливания вредных выбросов дымовых газов изготовлен стенд
экспериментальной установки, который изображен на рис. 4, 5.
Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки в потоке газо-воздушной среды
1 – дутьевой вентилятор; 2 – закольцованная система для рецикла золы.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
21
Рис. 5. Основная часть экспериментальной установки
3 – циклон; 4 – частотный преобразователь; 5 – скруббер Вентури; 6 – спиральный
дозатор; 7 – вольтметр; 8 – расходомер.
Фундаментальный
подход,
постановка
задачи
и
эксперимента,
полученные изотермы сорбции, дают возможность получения кинетических
зависимостей для разработки математической модели процессов адсорбции и
десорбции, и расчета на условия работы ТЭЦ.
Помимо экспериментов в потоке газо-воздушной среды будут
проводится опыты с плотным слоем гранулята, спеченного из золы и с
добавкой известкового молочка, описание экспериментальной установки и
методика проведения исследований представлены ниже.
Экспериментальная установка в плотном слое гранулята, спеченного из
золы и с добавкой известкового молочка.
Схема и фотографии экспериментальной установки показаны на рис. 6
по улавливанию (адсорбции) диоксида углерода и серы в плотном слое
адсорбента.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
22
Рис. 6. Схема экспериментальной установки в плотном слое гранулята
1 – подогреватель воздуха; 2 – частотный преобразователь; 3 – воздуходувка; 4 –
расходомер; 5 – газоанализатор; 6 – регулирующий вентиль; 7 – редуктор давления;
8 – баллон с углекислым газом; 16 – плотный слой гранулята; а – слой гранулята; б –
металлическая сеточка.
Экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 5,
предназначена для исследования эффективности улавливания диоксида
углерода из газо-воздушной смеси в плотном слое.
Поток воздуха подают воздуходувкой 3, который проходит через
ротаметр 4 и участок трубопровода определенной длины, далее проходя через
участок трубы с плотным слоем гранулята, и направляется в окружающую
среду. Температуру воздуха регулируют с помощью подогревателя 1.
Для образования газо-воздушной смеси, в частности смеси воздуха и
диоксида углерода, как модельного газа – вредного выброса в атмосферу,
используют подачу СО2 из баллона 8 через редуктор 7, регулирующий
объемную подачу вентиль 6 и расходомер 4 в участок трубопровода после
расходомера воздуха, но перед местом установки газоанализатора 5.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
23
3. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
3.1 Расчет скорости витания частиц
Для расчета были приняты следующие данные: плотность воздуха при
20˚С ρв=1,204 кг/м3, плотность частицы ρч=1200 кг/м3, динамическая вязкость
воздуха μ = 18,1·10-6 Па·с, ускорение свободного падения 𝑔 = 9,8 м/с2.
Расчет скорости витания для фракции 50 - 80 мкм.
Определяем критерий Архимеда [11]:
𝑑 3 ∙ 𝜌 ∙ 𝜌𝑐2 ∙ 𝑔 (80 ∙ 10−6 )3 ∙ 1200 ∙ 1,2042 ∙ 9,81
𝐴𝑟 =
=
= 22,151
𝜇2 ∙ 𝜌𝑐
(18,1 ∙ 10−6 )2 ∙ 1,204
где dч=80·10-6 м - диаметр частицы.
Считаем критерий Рейнольдса:
𝑅𝑒 =
𝐴𝑟
18 + 0,61 ∙ √𝐴𝑟
=
22,151
18 + 0,61 ∙ √22,151
= 1,061
Скорость витания частицы рассчитывается по уравнению:
𝑤вит
𝑅𝑒 ∙ 𝜇𝑐 1,061 ∙ 18,1 ∙ 10−6
=
=
= 0,199 м/с
𝑑ч ∙ 𝜌с
80 ∙ 10−6 ∙ 1,204
Расчет скорости витания для фракции 100 - 160 мкм.
Определяем критерий Архимеда [11]:
𝑑 3 ∙ 𝜌 ∙ 𝜌𝑐2 ∙ 𝑔 (160 ∙ 10−6 )3 ∙ 1200 ∙ 1,2042 ∙ 9,81
𝐴𝑟 =
=
= 177,206
𝜇2 ∙ 𝜌𝑐
(18,1 ∙ 10−6 )2 ∙ 1,204
где dч=160·10-6 м - диаметр частицы.
Считаем критерий Рейнольдса:
𝑅𝑒 =
𝐴𝑟
18 + 0,61 ∙ √𝐴𝑟
=
177,206
18 + 0,61 ∙ √177,206
= 6,784
Скорость витания частицы рассчитывается по уравнению:
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Богомолов А.Р.
Подпись
Дата
Расчет характеристик
элементов
экспериментальной
установки
Лит.
Лист
Листов
24
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
𝑤вит
𝑅𝑒 ∙ 𝜇𝑐 6,784 ∙ 18,1 ∙ 10−6
=
=
= 0,637 м/с
𝑑ч ∙ 𝜌с
160 ∙ 10−6 ∙ 1,204
В целях устранения отложений золы уноса на стенках труб, создаем
предпочтительные условия, принимая решение, что скорость должна быть
значительно больше.
3.2 Расчет скоростей для воздуха
Для расчета были приняты следующие данные: плотность воздуха при
20˚С ρ=1,204 кг/м3, перепад давления в ротаметре ∆p=200 Па (20 мм вод. ст.),
диаметр диафрагмы dд=37,3 мм, диаметр трубы dтр=50 мм, поправочный
множитель ε=0,98.
По уравнению рассчитывается расход воздуха Qо, (м3/ч) [12]:
𝑄𝑜 = 3,9986 · 10−3 · 𝛼 · 𝜀 · 𝑑д2 · √∆𝑝⁄𝜌=3,9986 · 10−3 · 0,7644 · 0,98 ·
37,32 · √200⁄1,204 = 53,712 м3 ⁄ч,
где m = 0,6 – относительная площадь сужающего устройства;
α = 0,7644 - коэффициент расхода сужающего устройства при m = 0,6.
Рассчитывается скорость подачи воздуха в трубе w, м/с:
𝑤=
𝑄𝑜
53,712
=
= 7,603 м⁄с
𝑆тр 1962,5 · 10−6 · 3600
где 𝑆тр – площадь сечения трубы, мм2
𝑆тр
2
𝜋 · 𝑑тр
3,14 · 502
=
=
= 1962,5, мм2
4
4
По m среди множества стандартных Re по методу аппроксимации
выбирается наиболее приближенное значение к расчетному Re.
𝑅𝑒 =
𝑤 · 𝑑тр · 𝜌 7,603 · 50 · 1,204
=
= 25285,986
𝜇
18,1 · 10−6
где 𝜇 – динамическая вязкость воздуха при 20 ˚С, Па · с
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
25
3.3 Расчет скоростей для СО2
Для расчета были приняты следующие данные: плотность CO2 при 20˚С
ρ=1,8419 кг/м3, перепад давления в ротаметре ∆p=200 Па (20 мм вод. ст.),
диаметр диафрагмы dд=37,3 мм, диаметр трубы dтр=50 мм, поправочный
множитель ε=0,98
По уравнению рассчитывается расход CO2 Qо, (м3/ч):
𝑄𝑜 = 3,9986 · 10−3 · 𝛼 · 𝜀 · 𝑑д2 · √∆𝑝⁄𝜌=3,9986 · 10−3 · 0,7644 · 0,98 ·
37,32 · √200⁄1,8419 = 43,426 м3 ⁄ч,
где m = 0,6 – относительная площадь сужающего устройства;
α = 0,7644 - коэффициент расхода сужающего устройства при m = 0,6.
Рассчитывается скорость подачи CO2 в трубе w, м/с:
𝑤=
𝑄𝑜
43,426
=
= 6,147 м⁄с
𝑆тр 1962,5 · 10−6 · 3600
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
26
4. ПОДБОР ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
4.1 Подбор диафрагмы
Относительная площадь сужающего устройства определяется по
формуле:
𝑑д2 (37,3 ∙ 10−3 )2
𝑚= 2 =
= 0,6
𝑑тр
(48 ∙ 10−3 )2
По методу аппроксимации определен подходящий критерий Re, а,
следовательно, и значение коэффициента расхода сужающего устройства α =
0,7644 [12].
Принимаем стандартную диафрагму с диаметром dд=37,3 мм.
4.2 Подбор воздуходувки
Для расчета были приняты следующие данные: длина трубопровода l =
12,5 м, диаметр трубопровода dтр = 50 мм, значения коэффициентов местного
сопротивления: поворот на 90˚ 𝜉 = 0,4; циклон 𝜉 = 0,05; скруббер Вентури
𝜉 = 0,072; диафрагма стандартная 𝜉 = 2,24 [14].
С технико-экономической точки зрения принимаем скорость w = 7,603
м/с.
𝑙 ρω2
ρω2
∆Р = 𝜆 ∙
∙
+ ∑𝜉 ∙
=
𝑑тр 2
2
12,4 1,204 ∙ 7,6032
1,204 ∙ 7,6032
0,02 ·
∙
+ (12 ∙ 0,4 + 0,05 + 0,072 + 2,24) ∙
0,5
2
2
= 266,491 Па
где λ = 0,02 – коэффициент сопротивления трения.
По рассчитанному перепаду давления находим расход газо-воздушной
смеси:
𝑄𝑜 = 3,9986 · 10−3 · 𝛼 · 𝜀 · 𝑑д2 · √∆𝑝⁄𝜌=3,9986 · 10−3 · 0,7644 · 0,98 ·
37,32 · √266,491⁄1,204 = 62,001 м3 ⁄ч.
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Подбор приборов и
оборудования
Лист
Листов
27
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
По рассчитанному расходу воздуха подобран вентилятор радиальный
высокого давления (воздуходувка) ВЦ 8-13 №5.
4.3 Подбор спирального дозатора
Расход газо-воздушной смеси из расчетов составляет:
𝑄𝑜 = 53,712 м3 ⁄ч = 0,015 м3 ⁄с
Расчет концентраций произведен на основании тарировочных данных,
которые представлены в разделе 5.
Концентрация для фракции 50-80 мкм:
С=
𝐺
0,0005
=
= 0,034 кг⁄м3
𝑄𝑜
0,015
где G, кг/с – расход золы уноса.
Вычисления для фракции 100-160 мкм проводится соответствующе.
Данные расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1. Значения концентраций золы
Фр. 50-80 мкм
G, кг/сек С, кг/м3
0,0005
0,0342
0,0010
0,0674
0,0016
0,1090
0,0017
0,1130
0,0020
0,1312
0,0022
0,1477
Фр. 100-160 мкм
G, кг/сек С, кг/м3
0,0006
0,0400
0,0010
0,0643
0,0015
0,1003
0,0014
0,0942
0,0018
0,1172
0,0019
0,1285
0,0019
0,1252
При фракционном составе 50 - 80 мкм концентрация золы уноса в газовоздушной смеси будет изменяться в диапазоне от 0,0342 кг/м3 до 0,1477 кг/м3,
а для фракции 100 – 160 мкм от 0,0400 кг/м3 до 0,1252 кг/м3.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
28
5. ТАРИРОВКА ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
5.1. Тарировка ротаметра
Для проведения точных измерений необходимо знать
расход
поглотителя, для этого установлен расходомер в виде ротаметра. Нижняя
трубка ротаметра подключается к баллону с углекислым газом. Подача
углекислого газа регулируется вентилем и датчиками. Верхняя трубка, в свою
очередь, подключается к барабанному счетчику. При прохождении газа через
ротаметр, поплавок устанавливается на некотором количестве делений,
которое фиксируется после чего высчитывается расход газа. После ротаметра
газ поступает в барабанный счетчик, который измеряет объем подаваемого
газа.
Температура и состав газовой смеси контролируется с помощью
газоанализаторов. Расход воздуха рассчитывается из показателей U-образно
трубки.
Для измерения влажности используется психрометр, который состоит из
сухого и влажного термометров.
Расход воздуха 10-3, м3/с
0,070
y = 0,0006x + 0,0026
R² = 0,998
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
0,010
0,000
0
20
40
60
80
100
Шкала ротаметра
Рис. 7 – График тарировки ротаметра
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Тарировка приборов и
оборудования
Лист
Листов
29
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
Получив линейное уравнение зависимости шкалы ротаметра от расхода
воздуха, имеется возможность высчитать расход CO2, а, следовательно, и его
объемную долю в газовой смеси.
Линейное уравнение имеет вид:
𝑦 = 0,0006х + 0,0026
По графику были выбраны промежуточные значения шкалы ротаметра
(25, 60, 75)
Таким образом, расход CO2:
𝑦 = 0,0006 · 25 + 0,0026 = 0,0176 л⁄с = 0,0000176 м3 ⁄с
𝑦 = 0,0006 · 60 + 0,0026 = 0,0386 л⁄с = 0,0000386 м3 ⁄с
𝑦 = 0,0006 · 75 + 0,0026 = 0,0476 л⁄с = 0,0000476 м3 ⁄с
Объемная доля определяется:
𝜑=
𝑄в−ва
0,0000176
=
· 100% = 0,118
𝑄см
(0,0000176 + 0,015)
𝜑=
𝑄в−ва
0,0000386
=
· 100% = 0,258
𝑄см
(0,0000386 + 0,015)
𝜑=
𝑄в−ва
0,0000476
=
· 100% = 0,318
𝑄см
(0,0000476 + 0,015)
где 𝑄в−ва - расход вещества (CO2);
𝑄см - расход смеси газа.
Для
5.2. Тарировка спирального дозатора
определения расхода адсорбента производится
тарировка
спирального дозатора.
В бункер засыпается золу уноса. Скорость вращения спирали дозатора
регулируется подачей напряжения на электродвигатель. По шкале вольтметра
устанавливается напряжение. С каждой последующей серией опытов
изменяется напряжение на вольтметре с целью построения графика тарировки.
График тарировки необходим для выявления наиболее подходящих
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
30
параметров. В ходе проведения опытов засекается время. Увеличение времени
способствует уменьшению погрешности.
Для определения расхода на выходе из спирального дозатора ставится
тара, в которую ссыпается зола уноса, после чего адсорбент взвешивается за
вычетом массы тары.
Опыты проводятся с фракциями 50-80 мкм и 100-160 мкм.
0,0025
y = 0,0008ln(x) - 0,0019
R² = 0,9751
0,002
Расход, кг/с
Фр. 50-80
0,0015
Фр. 100-160
0,001
y = 0,0006ln(x) - 0,0014
R² = 0,952
Логарифмическая
(Фр. 50-80)
0,0005
Логарифмическая
(Фр. 100-160)
0
0
50
100
150
200
Напряжение, В
Рис. 8– График тарировки спирального дозатора с фракциями 50-80 мкм и 100-160 мкм
0,0025
y = 0,0008ln(x) - 0,0019
R² = 0,9751
Расход, кг/с
0,002
0,0015
Фр. 50-80
0,001
Логарифмическая
(Фр. 50-80)
0,0005
0
0
50
100
150
200
Напряжение, В
Рис. 9- График тарировки спирального дозатора с фракциями 50-80 мкм
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
31
0,0025
y = 0,0006ln(x) - 0,0014
R² = 0,952
Расход, кг/с
0,002
0,0015
Фр. 100-160
0,001
Логарифмическая
(Фр. 100-160)
0,0005
0
0
50
100
150
200
Напряжение, В
Рис. 10 – График тарировки спирального дозатора с фракциями 100-160 мкм
Расход золы уноса в газо-воздушной смеси для фракции 50 - 80 мкм
располагается в диапазоне от 0,0005 кг/с до 0,0022 кг/с, а для фракции 100 160 мкм от 0,0006 кг/с до 0,0019 кг/с.
Исходя из полученных результатов, выбраны три значения напряжения
(20 В, 70 В, 120 В). При больших значениях напряжения спиральный дозатор
не выполняет своих функций, перемалывая зольные частицы вместо их подачи
в газо-воздушный поток.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
32
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОЛЫ УНОСА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГРАНУЛЯТА
6.1. Химический состав летучей золы
На основании аналитического обзора было принято решение применять
в качестве адсорбента вредных выбросов из дымовых газов золу уноса. В
данной работе использовалась зола с Кемеровской ГРЭС и Ново-Кемеровской
ТЭЦ. Пробы с этих предприятий были направлены в центр коллективного
пользования (ЦКП) для анализа состава золы.
Таблица 2. Анализ золы
№
1
2
3
4
№
1
2
3
4
C
O
31,07 32,55
9,62 43,3
14,65 41,12
13,34 41,98
Na
0,41
0,76
0,67
0,51
Mg
0,61
0,96
0,76
0,76
Al
7,76
10,54
10,5
10,73
C
31,07
9,62
14,65
13,34
Na2O MgO
0,55 1,01
1,03
1,6
0,91 1,26
0,68 1,27
Al2O3
14,66
19,91
19,85
20,28
Элемент
Si
P
S
16,92 0,18 1,19
22,15 0,27 2,22
24,05 0,33 0,14
24,82 0,3 0,16
Соединение
SiO2 P2O5 SO3
36,2
0,4 2,97
47,38 0,61 5,53
51,46 0,76 0,35
53,09 0,69 0,4
K
0,99
1,25
1,73
1,8
Ca
1,81
2,11
2,25
1,89
K2O
1,2
1,51
2,09
2,16
CaO TiO2
2,53 0,63
2,95 0,75
3,15 0,88
2,65 0,96
Fe
6,15
6,37
3,25
3,13
Всего
Fe2O3
8,79
9,11
4,64
4,48
Всего
Ti
0,38
0,45
0,53
0,58
100
100
Номера строк 1 и 2 - состав золы уноса с Ново-Кемеровской ТЭЦ, номера
строк 3 и 4 - состав золы уноса с Кемеровской ГРЭС.
Зола, взятая в разное время с одного и того же предприятия, имеет
разный состав. Исходя из работ зарубежных авторов, важными соединениями
являются алюмосиликаты и оксиды кремния, составляющие большую часть из
общей массы. Результаты анализа золы представлены в таблице 2.
Был произведен рассев фракций 50 – 80 мкм и 100 – 160 мкм для
последующих опытов в потоке газо-воздушной среды. Данные представлены
в таблицах 3,4 и на графиках 11,12.
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Исследование золы уноса и
изготовление гранулята
Лист
Листов
33
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
Таблица 3. Гранулометрический состав
золы уноса НК ТЭЦ
Процент от общей массы, %
14,792
1,886
2,085
8,504
17,935
5,659
40,966
Фракция, мкм
больше 250
200-250
160-200
100-160
80-100
50-80
меньше 50
45
Процент от общей массы, %
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
Фракция, мкм
Рис. 11 – График распределения золы уноса НК ТЭЦ
Фракция, мкм
больше 250
200-250
160-200
100-160
80-100
50-80
меньше 50
Таблица 4. Гранулометрический состав
золы уноса Кемеровской ГРЭС
Процент от общей массы, %
0,132
0,264
0,825
6,069
6,431
15,666
66,326
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
34
70
Процент от общей массы, %
60
50
40
30
20
10
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
Фракция, мкм
Рис. 12 – График распределения золы уноса Кемеровской ГРЭС
На основании фракционного состава с двух предприятий, принято
решение для экспериментов в газо-воздушном потоке взять золу уноса с НК
ТЭЦ под номером строки 2 (табл. 2), а для проведения экспериментов в
плотном слое золу уноса с Кемеровской ГРЭС под номером строки 3 (табл. 2).
6.2. Изготовление гранулята
Для изготовления гранулята потребуется смесь золы фракции 0 - 100
мкм и известковой пасты в отношении 1:1. Полученную смесь разделяем на
мелкие порции, помещаем в тару из нержавеющей стали и запекаем в течении
20 минут при температуре 1020˚С. После спекания гранулят дробится на
мелкие гранулы размером 3 – 4 мм.
Гранулят без известкового молока изготавливается по такому же
принципу с применением воды.
С
использованием
микроскопа
с
40-кратным
зумом
были
зафиксированы поры гранулята.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
35
2 мкм
Рис. 13 – Гранулят с известковым молочком при 40-кратном зуме
2 мкм
Рис. 14 – Гранулят без известкового молочка при 40-кратном зуме
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
36
На рисунке 14 размер пор больше, чем на рисунке 13. Это объясняется
тем что в случае гранулята с известковым молочком произошло спекание.
Для расчета были приняты следующие данные: плотность частицы ρ =
1200 кг/м3, динамическая вязкость воздуха μ = 18,1·10-6 Па·с, диаметр частицы
dч = 4 мм, высота плотного слоя в трубе l = 5 см, пористость зернистого слоя
ε=0,4
По уравнению Эргуна определяем перепад давления ∆P (Па) в зернистом
слое [13]:
(1 − 𝜀)2 𝜇 ∙ 𝑤
1 − 𝜀 𝜌 ∙ 𝑤2
∆𝑃 = 𝑙 ∙ (150 ∙
∙ 2 + 1,75 ∙ 3 ∙
)=
𝜀3
𝑑
𝜀
𝑑
= 5 ∙ 10
−3
(1 − 0,4)2 18,1 ∙ 10−6 ∙ 0,1
1 − 0,4 1200 ∙ 0,12
∙ (150 ∙
∙
+ 1,75 ∙
∙
(4 ∙ 10−3 )2
0,43
0,43
4 ∙ 10−3
= 2465,710 Па
где w = 0,1; 0,2…2 м/с – скорость газо-воздушной смеси
Таблица 5. Значения перепада давления в зависимости от скорости
газо-воздушной смеси
w, м/с
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
∆Р, Па
2465,71
9853,2949
22162,755
39394,09
61547,3
88622,385
120619,34
157538,18
199378,89
246141,47
w, м/с
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
∆Р, Па
297826
354432
415960
482411
553783
630076
711292
797430
888489
984470
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
37
1200000
y = 516845x - 189492
R² = 0,9435
Перепад давления ∆P, Па
1000000
800000
600000
400000
200000
0
0
-200000
0,5
1
1,5
2
2,5
Скорость w, м/с
Рис. 15. График зависимости перепада давления в зависимости от скорости газовоздушной смеси
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
38
7. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗОТЕРМ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ
В целях определения скорости поглощения газовой среды адсорбентом,
проведено исследование текстурных характеристик образцов. Зола уноса была
передана в центр коллективного пользования (ЦКП) на исследование мезопор
сорбции и десорбции. Изотерма сорбции и десорбции проводится на приборе
в среде азота. В качестве образца №1 был передан гранулят без добавления
известкового молочка, образец №2 – гранулят с известковым молочком.
Результаты
аналитического
исследования
текстурных
характеристик
исследованных образцов представлены ниже.
Исследование
предоставленных
образцов
проводили
методом
низкотемпературной адсорбции азота на объёмной вакуумной статической
установке ASAP-2020 «Micromeritics». Величину удельной поверхности (SBET,
м2/г) образцов получали из анализа изотерм адсорбции-десорбции N2 при 196°С (77К). Перед проведением адсорбционных измерений исследуемые
образцы сначала высушивали в сушильном шкафу при температуре 105±5°С
до постоянной массы, а затем вакуумировали непосредственно в специальном
порту прибора при 110°С, в течение 12 часов до остаточного давления не более
5·10-3 мм. рт. ст. Измерения изотерм адсорбции-десорбции азота проводили в
области равновесных относительных давлений паров от 10 -3 до 0,995 Р/Р0.
Удельную поверхность пор рассчитывали по методу Брунауэра-ЭмметаТейлора (BET). Объем микропор определяли с помощью сравнительного
метода t-Plot. Объем мезопор определяли с помощью метода БарретаДжойнера-Халенды (BJH). Средний диаметр пор оценивали по формуле Dср =
4Vадс/S, по методу ВЕТ. Объем мезопор рассчитывали из распределения
мезопор по размерам (метод BJH). Ошибка измерений составляет 5-7%.
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Богомолов А.Р.
Подпись
Дата
Анализ результатов
изотерм сорбции и
десорбции
Лит.
Лист
Листов
39
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
Полученные текстурные характеристики, а именно значения удельной
поверхности (SBET, м2/г), объемов пор (суммарный объем пор - VΣ, см3/г; объем
микро- и мезопор Vмикро, Vмезо, см3/г) и среднего диаметра пор (Dpores, Å)
исследованных образцов приведены в таблице:
№
образца
Образец
SBET,
м2/г
VΣ, см3/г
Vмикро,
cм3/г
Vмезо,
cм3/г
Dpores,
Å
1
Образец №1
0,13
2,61 10-4
0,43 10-4
2,17 10-4
55
2
Образец №2
1,32
5,4 10-3
0,046 10-3
4,7 10-3
143
На рисунках 16 и 18 представлены изотермы адсорбции-десорбции азота
исследуемых образцов, а на рисунке 17 и 19 - кривые рапределения мезопор
по размерам (методом BJH) для исследуемых образцов.
Рис. 16. Изотерма адсорбции-десорбции азота образцом №1
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
40
Рис. 17. Кривая рапределения мезопор по размерам для образца №1
Рис. 18. Изотерма адсорбции-десорбции азота образцом №2
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
41
Рис. 19. Кривая рапределения мезопор по размерам для образца №2
Согласно полученным экспериментальным данным, можно сказать, что
исследуемые образцы характеризуются мезопористой структурой, что видно
из изотерм адсорбции-десорбции азота, которые относятся к IV типу по
классификации
IUPAC.
Кроме
того,
на
представленных
изотермах
наблюдаются петли капиллярно-конденсированного гистерезиса, согласно
классификации IUPAC, по внешнему виду которых можно судить о формах и
типах пористой структуры исследуемых образцов. Для всех исследуемых
образцов характерен тип Н3 капиллярно-конденсированного гистерезиса,
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
42
указывающий на то, что в образцах имеются щелевидные мезопоры,
состоящие из плоскопараллельных частиц.
По кривым рапределения мезопор по размерам (методом BJH) для
исследуемых образцов можно увидеть, что формирование мезопористого
пространства происходит за счет мезопор диаметром 20-500Å. Следует
отметить, что для образца №1 на кривой распределения пор по размерам
имеется ярко выраженный максимум ~ 23Å. Для образца №2 на кривой
распределения пор по размерам имеется два максимума ~ 25Å и 40Å.
Полученные данные позволяют нам говорить о том, что формирование
мезопористого пространства в образце №2 происходит в основном за счет
мезопор диаметром ~ 25 и 40Å.
По результатам исследования диаметр мезопор образца №2 больше, чем
у образца №1. Следовательно, можно предположить о лучшей адсорбционной
способности у гранулята с добавлением известкового молочка.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
43
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исходя из проектно-аналитических исследований, можно выделить
следующее:
1.
Изготовлена
экспериментальная
установка
по
улавливанию
(адсорбции) диоксида углерода и серы в потоке алюмосиликатного
адсорбента. Разработана схема экспериментальной установки в плотном слое
гранулята, спеченного из золы и с добавкой известкового молочка.
2. Произведен расчет скорости витания частиц для создания
предпочтительных условий в целях устранения отложений золы уноса на
стенках труб, расчет скоростей для воздуха и углекислого газа. При подборе
приборов и оборудования была принята стандартная диафрагма с диаметром
dд=37,3 мм, произведен расчет воздуходувки при расходе газо-воздушной
смеси Q0 = 62,001 м3/ч, исходя из расчетов подобран вентилятор радиальный
высокого давления ВЦ 8-13 №5, а также подобран спиральный дозатор.
3.
Для
проведения
точных
измерений
выполнена
тарировка
расходомеров по газу и золе уноса. Исходя из результатов тарировки
ротаметра, получена зависимость расхода воздуха от шкалы ротаметра, по
этой зависимости была рассчитана объемная доля CO2 в газо-воздушной
смеси. Проведя тарировку спирального дозатора, были определены три
наиболее подходящих значения напряжения (20 В, 70 В, 120 В).
4. Для опытов улавливания CO2 и SОx в потоке газо-воздушной среды
был проведен рассев на фракции 50 – 80 мкм и 100 – 160 мкм. Зола уноса для
рассева взята с Ново-Кемеровской ТЭЦ. Опыты улавливания в плотном слое
подразумевают изготовление гранулята, спеченного из золы и с добавкой
известкового молочка. Для этого использовалась зола фракцией 0 – 100 мкм с
Кемеровской ГРЭС.
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Заключение
Лист
Листов
44
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
5. В целях определения скорости поглощения газовой среды
адсорбентом, проведено исследование текстурных характеристик образцов.
Для этого в центр коллективного пользования (ЦКП) были переданы образцы
гранулята. По результатам исследования диаметр мезопор больше у образца с
известковым молочком, таким образом, адсорбционная способность этого
образца лучше.
6. Исходя из полученных данных, важными соединениями являются
алюмосиликаты и оксиды кремния, составляющие большую часть из общей
массы. На основании фракционного состава с двух предприятий, принято
решение для экспериментов в газо-воздушном потоке взять золу уноса с НК
ТЭЦ, а для опытов в плотном слое гранулята золу уноса с Кемеровской ГРЭС.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
45
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Nor Adillia Rashidi. An overview on the potential of coal-based bottom
ash as low-cost adsorbents / Nor Adillia Rashidi, Suzana Yusup // ACS Sustainable
Chem. Eng., Just Accepted Manuscript. DOI: 10.1021/acsuschemeng.5b01437.
Publication date (web): 23 Feb2016.
2.
G-Q. Lu. Adsorption properties of fly ash for NOx removal from flue
gases / G-Q. Lu, D.D. Do // Fuel Processing Technology, 27 (1991) 95-107. Elsevier
Science Publishers B.V., Amsterdam.
3.
Application of Coal Fly Ash. M. Ahmaruzzaman, and V.K Gupta //
Industrial & Engineering Chemistry Research
4.
Performance of coal fly ash stabilized, CaO-based sorbents under
different carbonation-calcination conditions. Feng Yan, Jianguo Jiang, Kaimin Li,
Sicong Tian, Ming Zhao, and Xuejing Chen
5.
Cyclic performance of waste-derived SiO2 stabilized, CaO-based
sorbents for fast CO2 capture. Feng Yan, Jianguo Jiang, Kaimin Li, Sicong Tian,
Zongwen Liu, Jeffrey Shi, Xuejing Chen, Jingyuan Fei, and Yuxiang Lu
6.
Catalytic and adsorptive desulphurization of gases. Jadwiga
Wieckowska
7.
Гольдштик, М. А. Процессы переноса в зернистом слое. –
Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 205. – 358 с.
8.
An Overview on the Potential of CoalBased Bottom Ash as Low-Cost
Adsorbents. Nor Adilla Rashidi, and Suzana Yusup
9.
Fly-ash/calcium hydroxide mixtures for SO2 removal: structural
properties and maximum yield. A. Garea, I. Fernhndez, J.R. Viguri, M.I. Ortiz, J.
Fernhndez, M.J. Renedo, J.A. Irabien
10.
Desulfurization rate at low temperatures using calcium hydroxide and
fly ash. A. Garea, J.R. Viguri and J.A. Irabien
ВКР.13.03.01.ПЗ
Изм.
Лист
Разработал
№ докум.
Дата
Лит.
Борисенко Е.И.
Носкова Д.И.
Руководитель Богомолов А.Р.
Зав. каф.
Подпись
Богомолов А.Р.
Библиографический
список
Лист
Листов
46
КузГТУ, ИЭ, ТЭб-161,162
11.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Ленинград: Изд-во
“Химия” 1981. – 510 с.
12.
Кремлевский
П.П.
Расходомеры
и
счетчики
количества:
Справочник - Машиностроение, 4-е издание: Изд-во “Машиностроение” 1989.
- 702 с.
13.
Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы
работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. –
Ленинград: Изд-во “Химия” 1968. - 514 с.
14.
Идельчик
И.Е.
Справочник
по
гидравлическим
сопротивлениям/Под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.:
Машиностроение, 1992. - 672 с.
ВКР.13.03.01.ПЗ
.Изм.
47
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв